Reproduction de : Thèse de doctorat : Dynamique des fluides : Toulouse, INPT : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 134 réf.

Thèse de doctorat : sciences. Matériaux : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2006. / 96 réf.

Thèse de doctorat : sciences. Matériaux : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. 96 réf.

Thèse doctorat : Mécanique : Villeurbanne, INSA : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 147-155.

Nous étudions la production de couple et de polluants de moteurs à combustion interne à distribution variable d'un type fréquemment répandu dans l'industrie automobile (moteurs Diesel ou essence). Les systèmes de distribution variable (VVA pour Variable Valve Actuation) ont été introduits dans les moteurs pour optimiser l'efficacité du fonctionnement global sur des plages très larges de points de fonctionnement, considérés à l'équilibre. A tout instant, les résultats de la combustion dépendent du remplissage en air/gaz brûlés du cylindre, qui lui même dépend de la position des actionneurs VVA et des conditions dans le collecteur d'admission. Ces deux sous-systèmes ont des temps de réponse différents, ce qui conduit, pendant les transitoires, à des pertes d'efficacit ́e du moteur. Dans cette thèse, nous proposons une solution a ce problème, qui prend la forme de boucle de coordination entre les sous-systèmes de contrôle de bas-niveau. Cette coordination s'effectue par l'intermédiaire d'un modèle de remplissage développé dans ce manuscrit. Des résultats expérimentaux établissent qu'il est possible d'améliorer la production de couple et de réduire les polluants.

L'enjeu des technologies futures pour les motoristes sera de proposer une motorisation ayant de faibles émissions polluantes tout en conservant un coût de conception et de réalisation compétitif. L'une des caractéristiques de la combustion dans un moteur à allumage commandé est que la flamme atteint par endroit la paroi alors que seulement 30% de la charge a été consommée. Une grande partie du combustible brûle alors en proche paroi. Il es t indispensable de s'intéresser aux mécanismes de l'interaction flamme-paroi pour le développement et l'amélioration du fonctionnement des moteurs à allumage commandé. Les travaux proposés dans cette thèse montrent que les sondes d'ionisation permettent de mesurer des paramètres qui caractérisent l'interaction flamme-paroi et notamment pour des conditions de pression et de température élevées. Le développement de modèles théoriques simples a permis de mesurer différents paramètres comme la distance de coincement de la flamme, la vitesse de flamme ou bien encore la température, à partir de l'analyse du courant d'ionisation. Ces mesures ont été réalisées pour différentes géométries d'interaction flamme-paroi et différents types de mélanges. Des mesures combinées par diagnostics optiques (PIV, LIF, visualisation directe) et par mesure du flux de chaleur pariétal ont permis de valider l'ensemble des résultats obtenus sur différentes gammes de pression. Enfin, les propriétés de conductivité électrique de la flamme à haute pression ont été étudiées expérimentalement et théoriquement.

Th. univ.--Énergétique--Orléans, 1998. / Bibliogr. p. 181-184. Résumé en français et en anglais. 1999 d'après la déclaration de dépôt légal.

Les gaz contenus dans les lignes d’échappement des moteurs Diesel pour la propulsion maritime peuvent atteindre des températures de l’ordre de 400 – 450 °C à la sortie du turbocompresseur. Une des voies possibles pour récupérer une partie de l’énergie contenue dans les gaz d’échappement est la thermoélectricité (effet Seebeck)avec des matériaux thermoélectriques côté chaud entre200 et 300 °C. Ce niveau de température correspond à des matériaux ayant de bonnes performances de conversion chaleur / électricité. De plus, l’eau de mer présente en abondance est une excellente source froide pour un générateur thermoélectrique (TEG). Par ailleurs, la consommation en carburant du moteur thermique est un poste de dépense majeure pour l’opérateur du bateau, et une réduction de cette consommation, même minime, peut générer des économies financières importantes.L’objectif de la thèse est de comprendre et analyser le fonctionnement d’un échangeur thermoélectrique,notamment en présence d’écoulement pulsés afin d’optimiser le fonctionnement du générateur thermoélectrique. A ce titre, plusieurs campagnes d’essais sur des maquettes de TEG ont été mises en place sur trois bancs d’essais (conçus particulièrement pour les travaux de thèse) où des mesures thermiques et électriques ont été réalisées. Le but de ces essais a été de tester les performances des modules thermoélectriques et les différents types d’échangeurs sur les points de fonctionnement d’un moteur Diesel pour déterminer (dans un premier temps) lesquels étaient les plus adaptés au fonctionnement moteur. Dans un second temps, les effets de la composition des gaz d’échappement et des écoulements pulsés sur le fonctionnement du TEG ont été étudiés. Un modèle de simulation a également été développé afin de modéliser le fonctionnement d’un générateur thermoélectrique. Des essais ont été réalisés afin de calibrer le modèle de simulation. / Thermoelectric energy (TE) harvesting (Seebeck effect)is a promising solution for waste heat recovery onboard ocean-going ships. On one hand, the marine Diesel engines reach around 400-450°C temperature at the turbocharger exhaust, corresponding to around 200-300°C on the hot side thermoelectric module (TEM)temperature, which is interesting according to recent studies on intermediate temperatures TE materials. In addition, seawater is available in abundance at low temperature, and represents an excellent heat sink. On the other hand, engine fuel consumption accounts today almost 50 % of ship operational costs; hence, a slight reduction of fuel consumption generates significant financial savings over the year.The objective of the Thesis is to understand and analyze the operation of a thermoelectric heat exchanger, especially in the presence of pulsations and to optimize the thermoelectric generator (TEG). Several test campaigns leading to different thermal and electrical measurement have been conducted. The campaigns were set up on three different test benches designed and fabricated during the thesis. The aim of these tests was to optimize the type of TEM’s and heat exchangers for Diesel engine application by investigating it’s the performances on engine operating points. In a second step, the effects of exhaust gas composition and pulsation flow on the TEG performances were investigated. A simulation model was developed to model the operation of a TEG. Tests were conducted to calibrate the simulation model.

La compréhension du processus de stabilisation des flammes Diesel constitue un défi majeur en raison de son effet sur les émissions de polluants. En effet, la relation étroite entre la distance de lift-off (distance entre la flamme et l’injecteur) et la production de suie est maintenant bien établie. Cependant, différents mécanismes de stabilisation ont été proposés mais sont toujours sujets à discussion. L'objectif de cette thèse est de fournir une contribution expérimentale et numérique pour identifier les mécanismes de stabilisation majeurs.La combustion d'un spray n-dodécane issu d'un injecteur mono-trou a été étudiée dans une cellule à volume constant en utilisant une combinaison de diagnostics optiques : mesures hautes cadences et simultanées de schlieren, LIF à 355 nm, chimiluminescence haute température ou de chimiluminescence OH *. Des expériences complémentaires sont effectuées au cours desquelles le mélange est allumé entre l’injecteur et le lift-off par plasma induit par laser. L’évolution du lift-off jusqu’à son retour à une position d’équilibre plus en aval est ensuite étudiée pour différentes conditions opératoires. L'analyse de l'évolution du lift-off sans allumage laser révèle deux types principaux de comportement : des sauts brusques en amont et un déplacement plus progressif en aval. Alors que le premier comportement est attribué à des événements d'auto-inflammation, le second est analysé grâce aux résultats obtenus par allumage laser. Il a été constaté que l'emplacement du formaldéhyde avait un impact important sur la vitesse de retour du lift-off.Une simulation numérique directe (DNS en anglais) bidimensionnelle d'une flamme liftée turbulente se développant spatialement dans les mêmes conditions opératoires que les expériences et reproduisant l'évolution temporelle de la distance de lift-off est proposée. Du fait que les expériences montrent que la flamme se stabilise en aval du spray liquide, la DNS ne couvre qu'une région en aval où l’écoulement est réduit à un jet gazeux. La chimie de l’n-dodécane est modélisée à l'aide d'un schéma cinétique (28 espèces transportées) prenant en compte les chemins réactionnels basse et haute température. Comme observé expérimentalement, la stabilisation de la flamme est intermittente : des auto-inflammations se produisent tout d'abord puis se font convecter en aval jusqu'à ce qu'une nouvelle auto-inflammation se produise. Le mécanisme principal de stabilisation est l'auto-inflammation. Toutefois, on observe également à la périphérie du jet diverses topologies de flammes, telles que des flammes triples, qui aident la flamme à se stabiliser en remplissant des réservoirs de gaz brûlés à haute température localisés à la périphérie, ce qui déclenche des auto-inflammations. Toutes ces observations sont résumées dans un modèle conceptuel décrivant la stabilisation de la flamme.Enfin, un modèle prédisant les fluctuations de la distance du lift-off autour de sa valeur moyenne temporelle est proposé. Ce modèle a été développé sur la base d’observations faites dans l’étude expérimentale et numérique : premièrement, le suivi temporel du lift-off a été décomposé en une succession d’auto-inflammations et d’évolutions en aval. Deuxièmement, la période entre deux auto-inflammations et la vitesse d'évolution en aval ont été modélisées à l'aide de corrélations expérimentales disponibles dans la littérature. Troisièmement, le modèle a été adapté afin de prendre en compte l’effet des réservoirs à haute température sur les fluctuations de la flamme. Et enfin, le modèle a été comparé aux données expérimentales, au cours desquelles des variations de la température ambiante, de la concentration en oxygène et de la pression d'injection ont été effectuées. Dès lors que le modèle a montré une bonne correspondance avec les données expérimentales, il peut être utilisé en complément du modèle prédisant la distance du lift-off moyen afin de mieux décrire la stabilisation d’une flamme Diesel. / The understanding of the stabilization process of Diesel spray flames is a key challenge because of its effect on pollutant emissions. In particular, the close relationship between lift-off length and soot production is now well established. However, different stabilization mechanisms have been proposed and are still under debate. The objective of this PhD is to provide an experimental and numerical contribution to the investigation of these governing mechanisms.Combustion of an n-dodecane spray issued from a single-hole nozzle was studied in a constant-volume precombustion vessel using a combination of optical diagnostic techniques. Simultaneous high frame rate schlieren, 355LIF (laser-induced fluorescence) and high-temperature chemiluminescence or OH* chemiluminescence are respectively used to follow the evolution of the gaseous jet envelope, formaldehyde location and lift-off position. Additional experiments are performed where the ignition of the mixture is forced at a location upstream of the natural lift-off position by laser-induced plasma ignition. The analysis of the evolution of the lift off position without laser ignition reveals two main types of behaviors: sudden jumps in the upstream direction and more progressive displacement towards the downstream direction. While the former is attributed to auto-ignition events, the latter is studied through the forced laser ignition results. It is found that the location of formaldehyde greatly impacts the return velocity of the lift-off position.A two-dimensional Direct Numerical Simulation (DNS) of a spatially developing turbulent lifted flame at the same operating conditions than the experiments and reproducing the temporal evolution of the lift-off length is proposed to provide a better understanding of the flame stabilization mechanisms. The DNS only covers a downstream region where the flow can be reduced to a gaseous jet, since experimental observations have shown that the flame stabilized downstream of the liquid spray. N-dodecane chemistry is modeled using a reduced chemical kinetics scheme (28 species transported) accounting for the low- and high temperature reaction pathways. Similar to what has been observed in the experiments, the flame stabilization is intermittent: flame elements first auto-ignite before being convected downstream until another sudden auto-ignition event occurs closer to the fuel injector. The flame topologies, associated to such events, are discussed in detail, using the DNS results, and a conceptual model summarizing the observations made is proposed. Results show that the main flame stabilization mechanism is auto-ignition. However, multiple reaction zone topologies, such as triple flames, are also observed at the jet periphery of the fuel jet helping the flame to stabilize by filling high-temperature burnt gases reservoirs localized at the periphery, which trigger in its turn auto-ignitions.Finally, a model predicting the fluctuations of the lift-off length around its time-averaged value is proposed. This model has been developed based on observations made in the experimental and numerical study: first, the lift-off length time-evolution was decomposed into a succession of auto-ignition events and downstream evolutions. Second, the period between two auto-ignition and the velocity of the downstream evolution was modeled using experimental correlations available in the literature. Third, the model has been adapted to take into account the effect of the high-temperature reservoirs on the flame fluctuations. Last, the model was compared to experimental data, where the ambient temperature, oxygen concentration and injection pressure were varied. Since the model showed good agreement with the experimental data, it can be used in addition to the model predicting the time-averaged lift-off length to better describe the Diesel flame stabilization.

Cette thèse traite le problème du contrôle de combustion des moteurs automobiles à combustion interne. On propose une méthode complétant les stratégies de contrôle existantes reposant sur des cartographies calibrées en régime stabilisé. Pendant les transitoires, cette méthode de contrôle utilise des variations de la variable rapide (moment d'allumage ou d'injection) pour compenser les déviations des conditions initiales des variables thermodynamiques dans les cylindres (variables lentes) par rapport à leurs valeurs optimales. Les corrections sont calculées grâce à une analyse de sensibilité d'un modèle de combustion. La stratégie de contrôle en résultant est utilisable en temps réel et, de manière intéressante, ne requiert ni capteur additionnel, ni phase de calibration supplémentaire. Plusieurs cas d'´etudes sont exposés: un moteur essence, un moteur Diesel dilué dans un cadre d'injection monopulse puis multipulse. Des simulations ainsi que des résultats experimentaux obtenus sur banc moteurs et véhicules mettent en valeur l'interêt de la méthode proposée.