Avec la sévérisation des réglementations environnementales sur les émissions polluantes (normes Euro) des moteurs d'automobiles, la nécessité de maitriser les phénomènes de combustion a motivé le développement de la simulation numérique comme outil d'aide à la conception. Tenant compte de la complexité des phénomènes à modéliser, et de l'antagonisme des objectifs à optimiser, l'optimisation évolutionnaire multi-objectif semble être la mieux adaptée pour résoudre ce type de problèmes. Cependant, l'inconvénient principal de cette approche reste le coût très élevé en termes de nombre d'évaluations qui peut devenir très contraignant dans le contexte des optimisations réelles caractérisées par des évaluations très coûteuseL'objectif principal de ce travail de thèse est de réduire le coût global des optimisations du monde réel, en explorant la parallélisation des algorithmes évolutionnaires multi-objectifs, et en utilisant les techniques de réduction du nombre d'évaluations (méta-modèles).Motivés par le phénomène d'hétérogénéité des coûts des évaluations, nous nous proposons d'étudier les schémas d'évolution stationnaires asynchrones dans une configuration parallèle de type " maître-esclave ". Ces schémas permettent une utilisation plus efficace des processeurs sur la grille de calcul, et par conséquent de réduire le coût global de l'optimisation.Ce problème a été attaqué dans un premier temps d'un point de vue algorithmique, à travers une adaptation artificielle des algorithmes évolutionnaires multi-objectifs au contexte des optimisations réelles caractérisées par un coût d'évaluation hétérogène. Dans un deuxième temps, les approches développées et validées dans la première partie sur des problèmes analytiques, ont été appliquées sur la problématique de la combustion Diesel qui représente le contexte industriel de cette thèse. Dans ce cadre, deux types de modélisations ont été utilisés: la modélisation phénoménologique 0D et la modélisation multidimensionnelle 3D. La modélisation 0D a permis par son temps de retour raisonnable (quelques heures par évaluation) de comparer l'approche stationnaire asynchrone avec celle de l'état de l'art en réalisant deux optimisations distinctes. Un gain de l'ordre de 42 % a été réalisé avec l'approche stationnaire asynchrone. Compte tenu du temps de retour très coûteux de la modélisation complète 3D (quelques jours par évaluation), l'approche asynchrone stationnaire déjà validée a été directement appliquée. L'analyse physique des résultats a permis de dégager un concept intéressant de bol de combustion permettant de réaliser un gain en termes d'émissions polluantes.

Mit dieser wissenschaftlichen Arbeit wurde eine geschlossene Kette von Versuchsträger und Messtechniken geschaffen, die eine detaillierte und grundlegende Analyse der dieselmotorischen Gemischbildung und Verbrennung von der Ausbildung des Sprays in der kalten Einspritzkammer über die Detektion der Kraftstoffverdampfung in der heißen Einspritzkammer und der spektralen Analyse der Verbrennung des Kraftstoffes in den verschiedenen Wellenlängenbereichen im Transparentmotor ermöglichen. Für eine richtige Interpretation der optischen Messungen ist die quantitative Analyse des Verbrennungsprozesses im Einzylinder-Forschungsmotor hinsichtlich der Abgasemissionen und des Wirkungsgrades der Verbrennung unentbehrlich. So zeigte die optische Grundvermessung der Einspritzdüsen mit den unterschiedlichen Spritzlochgeometrien in der kalten Einspritzkammer unter der Anwendung der Streulichtmesstechnik eine sehr gute Strahlsymmetrie des Sprays während des Einspritzvorganges und eine sehr gute Reproduzierbarkeit der Einspritzvorgänge. Dies liegt unter anderem in der Bauform der Einspritzdüse mit Sackloch begründet. Weiterhin wurde festgestellt, dass eine Erhöhung des Durchflusskoeffizienten des Spritzloches ein kompakteres Spray mit einer höheren Eindringgeschwindigkeit und düsenfernerem Strahlaufbruch generiert. Die Versuche zum Verdampfungsverhalten des Kraftstoffsprays in der heißen Einspritzkammer unter Einsatz der kombinierten Streulicht- und Schattenmesstechnik zeigten für die Spritzlochgeometrien mit erhöhtem Durchflusskoeffizienten eine Verlagerung des verdampften Kraftstoffvolumens in düsenferne Gebiete und eine Erhöhung der Eindringtiefe des flüssigen Kraftstoffes. Die Anwendung der Streulichtmesstechnik zur Detektion des flüssigen Kraftstoffes und der Einsatz von Kamerasystemen zur Erfassung des Eigenleuchtens im ultravioletten Spektralbereich und im sichtbaren Spektralbereich der Verbrennung im Transparentmotor belegen eine deutliche Intensivierung des Strahlaufbruchs in düsenfernen Bereichen für die Einspritzdüsen mit steigendem Durchflusskoeffizienten. Das führt zu einer verbesserten Gemischaufbereitung unter der Ausnutzung des in diesen Gebieten vermehrt zur Verfügung stehenden Sauerstoffes. Im Emissionspunkt mit hohem Einspritzdruck wird die Brennraumwand intensiv in die Gemischaufbereitung und die Verteilung des Kraftstoffdampf-Luft-Gemisches eingebunden. Die Einführung zusätzlicher motorrelevanter Parameter wie Voreinspritzung und Abgasrückführung im Emissionspunkt verdeutlichen die Möglichkeit der Absenkung der Rußemissionen beim Einsatz von Spritzlöchern mit erhöhtem Durchflusskoeffizienten. In diesen Betriebspunkten mit geringer Motorlast wird mit der weiteren Optimierung der Strömungsverhältnisse im Spritzloch durch den Einsatz der ks-Spritzlochgeometrie die Gemischbildung und Verbrennung so intensiviert, dass eine nochmalige Senkung der Rußemissionen erzielt werden konnte. Durch den Einsatz von Einspritzdüsen mit ks-Spritzlochgeometrie kann gegenüber Einspritzdüsen mit konischen Spritzlöchern eine positive Beeinflussung der dieselmotorischen Gemischbildung und Verbrennung in allen untersuchten Lastpunkten nachgewiesen werden. So erzielt man im Schwärzungspunkt mit der Erhöhung des Durchflusskoeffizienten sinkende Rußemissionen und eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Verbrennung. Im Leistungspunkt konnte ein Abnehmen der Rußemissionen bei einem vergleichbaren Wirkungsgrad der Verbrennung festgestellt werden. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass die Spritzlochgeometrie der Einspritzdüse einen wichtigen Parameter darstellt, die Wechselwirkung des Sprayaufbruchs und die Ausnutzung der Ladungsbewegung im Brennraum mit der Interaktion des aufbereiteten Kraftstoffes an der Brennraumwand so zu steuern, dass die Abgasemissionen schon innermotorisch gesenkt und der Aufwand an Abgasnachbehandlungssystemen auf ein Minimum reduziert werden kann.

La législation sur les émissions de polluants des Moteurs à Combustion Interne (ICEs) est de plus en plus contraignante et représente un gros défi pour les constructeurs automobiles. De nouvelles stratégies de combustion telles que la Combustion à Allumage par Compression Homogène (HCCI) et l’exploitation de stratégies d’injections multiples sont des voies prometteuses qui permettent de respecter les normes sur les émissions de NOx et de suies, du fait que la combustion a lieu dans un mélange très dilué et par conséquent à basse température. Ces aspects demandent la création d’outils numériques adaptés à ces nouveaux défis. Cette thèse présente le développement d’un nouveau modèle 0D de combustion Diesel HCCI : le dual Combustion Model (dual - CM). Le modèle dual-CM a été basé sur l’approche PCM-FPI utilisée en Mécanique des Fluides Numérique (CFD) 3D, qui permet de prédire les caractéristiques de l’auto-allumage et du dégagement de chaleur de tous les modes de combustion Diesel. Afin d’adapter l’approche PCM-FPI à un formalisme 0D, il est fondamental de décrire précisément le mélange à l’intérieur du cylindre. Par consequent, des modèles d’évaporation du carburant liquide, de formation de la zone de mélange et de variance de la fraction de mélange, qui permettent d’avoir une description détaillée des proprietés thermochimiques locales du mélange y compris pour des configurations adoptant des stratégies d’injections multiples, sont proposés. Dans une première phase, les résultats du modèle ont été comparés aux résultats du modèle 3D. Ensuite, le modèle dual-CM a été validé sur une grande base de données expérimentales; compte tenu du bon accord avec l’expérience et du temps de calcul réduit, l’approche présentée s’est montrée prometteuse pour des applications de type simulation système. Pour conclure, les limites des hypothèses utilisées dans dual-CM ont été investiguées et des perspectives pour les dévélopements futurs ont été proposées. / More and more stringent restrictions concerning the pollutant emissions of Internal Combustion Engines (ICEs) constitute a major challenge for the automotive industry. New combustion strategies such as Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) and the implementation of complex injection strategies are promising solutions for achieving the imposed emission standards as they permit low NOx and soot emissions, via lean and highly diluted combustions, thus assuring low combustion temperatures. This requires the creation of numerical tools adapted to these new challenges. This Ph.D presents the development of a new 0D Diesel HCCI combustion model : the dual Combustion Model (dual−CM ). The dual-CM is based on the PCM-FPI approach used in 3D CFD, which allows to predict the characteristics of Auto-Ignition and Heat Release for all Diesel combustion modes. In order to adapt the PCM-FPI approach to a 0D formalism, a good description of the in-cylinder mixture is fundamental. Consequently, adapted models for liquid fuel evaporation, mixing zone formation and mixture fraction variance, which allow to have a detailed description of the local thermochemical properties of the mixture even in configurations adopting multiple injection strategies, are proposed. The results of the 0D model are compared in an initial step to the 3D CFD results. Then, the dual-CM is validated against a large experimental database; considering the good agreement with the experiments and low CPU costs, the presented approach is shown to be promising for global engine system simulations. Finally, the limits of the hypotheses made in the dual-CM are investigated and perspectives for future developments are proposed.

Avec la sévérisation des réglementations environnementales sur les émissions polluantes (normes Euro) des moteurs d'automobiles, la nécessité de maitriser les phénomènes de combustion a motivé le développement de la simulation numérique comme outil d'aide à la conception. Tenant compte de la complexité des phénomènes à modéliser, et de l'antagonisme des objectifs à optimiser, l'optimisation évolutionnaire multi-objectif semble être la mieux adaptée pour résoudre ce type de problèmes. Cependant, l'inconvénient principal de cette approche reste le coût très élevé en termes de nombre d'évaluations qui peut devenir très contraignant dans le contexte des optimisations réelles caractérisées par des évaluations très coûteuseL'objectif principal de ce travail de thèse est de réduire le coût global des optimisations du monde réel, en explorant la parallélisation des algorithmes évolutionnaires multi-objectifs, et en utilisant les techniques de réduction du nombre d'évaluations (méta-modèles).Motivés par le phénomène d'hétérogénéité des coûts des évaluations, nous nous proposons d'étudier les schémas d'évolution stationnaires asynchrones dans une configuration parallèle de type « maître-esclave ». Ces schémas permettent une utilisation plus efficace des processeurs sur la grille de calcul, et par conséquent de réduire le coût global de l'optimisation.Ce problème a été attaqué dans un premier temps d'un point de vue algorithmique, à travers une adaptation artificielle des algorithmes évolutionnaires multi-objectifs au contexte des optimisations réelles caractérisées par un coût d'évaluation hétérogène. Dans un deuxième temps, les approches développées et validées dans la première partie sur des problèmes analytiques, ont été appliquées sur la problématique de la combustion Diesel qui représente le contexte industriel de cette thèse. Dans ce cadre, deux types de modélisations ont été utilisés: la modélisation phénoménologique 0D et la modélisation multidimensionnelle 3D. La modélisation 0D a permis par son temps de retour raisonnable (quelques heures par évaluation) de comparer l'approche stationnaire asynchrone avec celle de l'état de l'art en réalisant deux optimisations distinctes. Un gain de l'ordre de 42 % a été réalisé avec l'approche stationnaire asynchrone. Compte tenu du temps de retour très coûteux de la modélisation complète 3D (quelques jours par évaluation), l'approche asynchrone stationnaire déjà validée a été directement appliquée. L'analyse physique des résultats a permis de dégager un concept intéressant de bol de combustion permettant de réaliser un gain en termes d'émissions polluantes. / In order to comply with environmental regulations, automotive manufacturers have to develop efficient engines with low fuel consumption and low emissions. Thus, development of engine combustion systems (chamber, injector, air loop) becomes a hard task since many parameters have to be defined in order to optimize many objectives in conflict. Evolutionary Multi-objective optimization algorithms (EMOAs) represent an efficient tool to explore the search space and find promising engine combustion systems. Unfortunately, the main drawback of Evolutionary Algorithms (EAs) in general, and EMOAs in particular, is their high cost in terms of number of function evaluations required to reach a satisfactory solution. And this drawback can become prohibitive for those real-world problems where the computation of the objectives is made through heavy numerical simulations that can take hours or even days to complete.The main objective of this work is to reduce the global cost of real-world optimization, using the parallelization of EMOAs and surrogate models.Motivated by the heterogeneity of the evaluation costs observed on real-world applications, we study asynchronous steady-state selection schemes in a master-slave parallel configuration. This approach allows an efficient use of the available processors on the grid computing system, and consequently reduces the global optimization cost.In the first part of this work, this problem has been studied in an algorithmical point of view, through an artificial adaptation of EMOAs to the context of real-world optimizations characterized by a heterogeneous evaluation cost.In the second part, the proposed approaches, already validated on analytical functions, have been applied on the Diesel combustion problem, which represents the industrial context of this thesis. Two modelling approaches have been used: phenomenological modelling (0D model) and multi-dimensional modelling (3D model).The 0D model allowed us, thanks to its reasonable evaluation cost (few hours per evaluation) to compare the asynchronous steady-state approach with the standard generational one by performing two distinct optimizations. A gain of 42 % was observed with the asynchronous steady-state approach.Given the very high evaluation cost of the full 3D model, the asynchronous steady-state approach already validated has been applied directly. The physical analysis of results allowed us to identify an interesting concept of combustion bowl with a gain in terms of pollutant emissions.