L'évolution des stratégies d'injection du combustible dans les moteurs automobiles a fait apparaître de nouvelles problématiques. Parmi celles-ci, l'existence d'un dépôt de carburant sur les parois de la chambre de combustion a un impact sur les performances environnementales du moteur. En effet, l'évaporation de ce film liquide en proche paroi ne peut qu'influencer de manière sensible la phase de combustion. L'objectif de ce travail était de mettre en place une configuration académique maîtrisée et les diagnostics nécessaires à une première analyse phénoménologique du comportement et de l'évaporation d'un film liquide combustible déposé sur une paroi interagissant avec la combustion en phase gazeuse. L'approche expérimentale choisie a permis de générer un dépôt d'heptane liquide contrôlé sur une paroi verticale. Celle-ci est positionnée dans un écoulement ascendant de prémélange air/méthane dans lequel une flamme oblique est stabilisée sur un barreau. En parallèle, un diagnostic de mesure a été développé pour étudier les propriétés du film. Ce système d'interférométrie à faible cohérence a permis de réaliser une mesure locale simultanée de la température de paroi et de l'épaisseur du film en présence de l'écoulement réactif. Dans un premier temps, l'étude de configurations non réactives a permis de préciser les caractéristiques du film et de son évaporation, lorsque celui-ci s'écoule à contre-courant de l'écoulement gazeux. Plusieurs comportements types ont été mis en évidence et analysés. En présence de la flamme, une première approche a été consacrée à l'évolution des mécanismes qui influencent l'évaporation du film et son comportement par rapport au cas non réactif. Enfin, une analyse phénoménologique de l'impact de l'évaporation au sein de la couche limite sur les caractéristiques du front de flamme a été menée. Celle-ci a permis de mettre en évidence l'effet rétroactif de ce dernier sur le mélange des vapeurs, et une forte diversité des zones réactionnelles dans l'espace.

Cette thèse a pour but l'étude de la détection basée sur modèle de défauts pour les moteurs Diesel produits en grande série. La nécessité d'une surveillance continue de l'état de santé des véhicules est maintenant renforcée par la législation Euro VI sur les émissions polluantes, qui sera probablement rendue encore plus contraignante dans ses prochaines révisions. Dans ce contexte, le développement de stratégies robustes, faciles à calibrer et valides pour des systèmes dispersés (car produits en grande série) procurerait un avantage considérable aux constructeurs automobile. L'étude développée ici tente de répondre à ces besoins en proposant une méthodologie générique. On utilise des observateurs adaptatifs locaux pour des systèmes scalaires non linéaires et affines par rapport à l'état, pour résoudre les problèmes de la détection de défauts, de son isolation et de son estimation d'une façon compacte. De plus, les incertitudes liées aux biais de mesure et de modèle et aux dérives temporelles nécessitent d'améliorer les méthodes de détection par l'utilisation de seuils robustes pour éviter les fausses détections. Dans cette thèse, on propose un seuil variable basé sur la condition d'observabilité du paramètre impacté par le défaut et sur une étude de sensibilité par rapport aux incertitudes sur les entrées ou sur le modèle. Cette méthode permet, entre autres, de fournir un outil d'analyse pour la sélection des conditions de fonctionnement du système pour lesquels le diagnostic est plus fiable et plus robuste par rapport aux incertitudes sur les entrées. L'approche présentée a été appliquée avec succès et validée de façon expérimentale sur un moteur Diesel pour le problème de détection de fuite dans le système d'admission d'air, puis dans un environnement de simulation pour le problème de détection de dérive d'efficacité turbine. On montre ainsi ses avantages en termes de fiabilité de détection, d'effort de calibration, et pour l'analyse des conditions de fonctionnement moteur adaptées au diagnostic.

Cette thèse a pour but l'étude de la détection basée sur modèle de défauts pour lesmoteurs Diesel produits en grande série. La nécessité d'une surveillance continue del'état de santé des véhicules est maintenant renforcée par la législation Euro VI sur lesémissions polluantes, qui sera probablement rendue encore plus contraignante dans sesprochaines révisions. Dans ce contexte, le développement de stratégies robustes, faciles àcalibrer et valides pour des systèmes dispersés (car produits en grande série) procureraitun avantage considérable aux constructeurs automobile. L'étude développée ici tentede répondre à ces besoins en proposant une méthodologie générique. On utilise desobservateurs adaptatifs locaux pour des systèmes scalaires non linéaires et affines parrapport à l'état, pour résoudre les problèmes de la détection de défauts, de son isolationet de son estimation d'une façon compacte. De plus, les incertitudes liées aux biais demesure et de modèle et aux dérives temporelles nécessitent d'améliorer les méthodes dedétection par l'utilisation de seuils robustes pour éviter les fausses détections. Dans cettethèse, on propose un seuil variable basé sur la condition d'observabilité du paramètreimpacté par le défaut et sur une étude de sensibilité par rapport aux incertitudes surles entrées ou sur le modèle. Cette méthode permet, entre autres, de fournir un outild'analyse pour la sélection des conditions de fonctionnement du système pour lesquelsle diagnostic est plus fiable et plus robuste par rapport aux incertitudes sur les entrées.L'approche présentée a été appliquée avec succès et validée de façon expérimentale surun moteur Diesel pour le problème de détection de fuite dans le système d'admissiond'air, puis dans un environnement de simulation pour le problème de détection dedérive d'efficacité turbine. On montre ainsi ses avantages en termes de fiabilité dedétection, d'effort de calibration, et pour l'analyse des conditions de fonctionnementmoteur adaptées au diagnostic.

La simulation des écoulements diphasiques rencontrés dans les moteurs à combustion interne (MCI) est de grande importance pour la prédiction de la performance des moteurs et des émissions polluantes. L’injection directe du carburant liquide à l’intérieur de la chambre de combustion génère loin de l’injecteur un brouillard de gouttes polydisperses, communément appelé spray. Du point de vue de la modélisation, l’émergence des méthodes Eulériennes pour la description du spray est considérée prometteuse par la communauté scientifique. De plus, la prise en compte de la distribution en taille des gouttes par les approches Eulériennes, de manière peu coûteuse en temps de calcul, n’est plus considérée comme un verrou depuis le développement de la méthode Eulerian Multi Size Moment (EMSM). Afin d’envisager la simulation de configurations réalistes de MCI, ce travail de thèse propose de modéliser les interactions turbulentes two-way entre le spray polydisperse évaporant et la phase gazeuse environnante par la méthode EMSM. Dans le contexte du formalisme Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) dédiée au traitement du maillage mobile, les termes sources présents dans le modèle diphasique sont traités séparément des autres contributions. Le système d’équations est fermé à l’aide d’une technique de reconstruction par maximisation d’entropie (ME), originellement introduite pour EMSM. Une nouvelle stratégie de résolution a été développée pour garantir la stabilité numérique aux échelles de temps très rapides introduites par les transferts de masse, quantité de mouvement et énergie, tout en respectant la condition de réalisabilité associée à la préservation de l’espace des moments d’ordre ´élevé. A l’aide des simulations académiques, la stabilité et la précision de la méthode ont été étudiées aussi bien pour des lois d’évaporation constantes que dépendantes du temps. Tous ces développements ont été intégrés dans le code industriel IFP-C3D dédié aux écoulements compressibles et réactifs. Dans le contexte de la simulation en 2-D de l’injection directe, les résultats se sont avérés très encourageants comme en témoignent les comparaisons qualitatives et quantitatives de la méthode Eulerienne à la simulation Lagrangienne de référence des gouttes. De plus, les simulations en 3-D effectuées dans une configuration typique de chambre de combustion et des conditions d’injection réalistes ont donné lieu à des résultats qualitativement très satisfaisants. Afin de prendre en compte la modélisation de la turbulence, une extension moyennée, au sens de Reynolds, des équations du modèle diphasique two-way est dérivée, un soin particulier étant apporté aux fermetures des corrélations turbulentes. La répartition de l’énergie dans le spray ainsi que les interactions turbulentes entre les phases ont été étudiées dans des cas tests homogènes. Ces derniers donnent un aperçu intéressant sur la physique sous-jacente dans les MCI. Cette nouvelle approche RANS diphasique est maintenant prête à être employée pour les simulations d’application de MCI. / The ability to simulate two-phase flows is of crucial importance for the prediction of internal combustion engine (ICE) performance and pollutant emissions. The direct injection of the liquid fuel inside the combustion chamber generates a cloud of polydisperse droplets, called spray, far downstream of the injector. From the modeling point of view, the emergence of Eulerian techniques for the spray description is considered promising by the scientific community. Moreover, the bottleneck issue for Eulerian methods of capturing the droplet size distribution with a reasonable computational cost, has been successfully tackled through the development of Eulerian Multi Size Moment (EMSM) method. Towards realistic ICE applications, the present PhD work addresses the modeling of two-way turbulent interactions between the polydisperse spray and its surrounding gas-phase through EMSM method. Following to the moving mesh formalism ArbitraryLagrangian Eulerian (ALE), the source terms arising in the two-phase model have been treated separately from other contributions. The equation system is closed through the maximum entropy (ME) reconstruction technique originally introduced for EMSM. A new resolution strategy is developed in order to guarantee the numerical stability under veryfast time scales related to mass, momentum and energy transfers, while preserving the realizability condition associated to the set of high order moments. From the academic point of view, both the accuracy and the stability have been deeply investigated under both constant and time dependent evaporation laws. All these developments have beenintegrated in the industrial software IFP-C3D dedicated to compressible reactive flows. In the context of 2-D injection simulations, very encouraging quantitative and qualitative results have been obtained as compared to the reference Lagrangian simulation of droplets. Moreover, simulations conducted under a typical 3-D configuration of a combustion chamber and realistic injection conditions have given rise to fruitful achievements. Within the framework of industrial turbulence modeling, a Reynolds averaged (RA) extension of the two-way coupling equations is derived, providing appropriate closures for turbulent correlations. The correct energy partitions inside the spray and turbulent interactions between phases have been demonstrated through homogeneous test-cases. The latter cases gave also some significant insights on underlying physics in ICE. This new RA approach is now ready for ICE application simulations.

L'évolution des stratégies d'injection du combustible dans les moteurs automobiles a fait apparaître de nouvelles problématiques. Parmi celles-ci, l'existence d'un dépôt de carburant sur les parois de la chambre de combustion a un impact sur les performances environnementales du moteur. En effet, l'évaporation de ce film liquide en proche paroi ne peut qu'influencer de manière sensible la phase de combustion. L'objectif de ce travail était de mettre en place une configuration académique maîtrisée et les diagnostics nécessaires à une première analyse phénoménologique du comportement et de l'évaporation d'un film liquide combustible déposé sur une paroi interagissant avec la combustion en phase gazeuse. L'approche expérimentale choisie a permis de générer un dépôt d'heptane liquide contrôlé sur une paroi verticale. Celle-ci est positionnée dans un écoulement ascendant de prémélange air/méthane dans lequel une flamme oblique est stabilisée sur un barreau. En parallèle, un diagnostic de mesure a été développé pour étudier les propriétés du film. Ce système d'interférométrie à faible cohérence a permis de réaliser une mesure locale simultanée de la température de paroi et de l'épaisseur du film en présence de l'écoulement réactif. Dans un premier temps, l'étude de configurations non réactives a permis de préciser les caractéristiques du film et de son évaporation, lorsque celui-ci s'écoule à contre-courant de l'écoulement gazeux. Plusieurs comportements types ont été mis en évidence et analysés. En présence de la flamme, une première approche a été consacrée à l'évolution des mécanismes qui influencent l'évaporation du film et son comportement par rapport au cas non réactif. Enfin, une analyse phénoménologique de l'impact de l'évaporation au sein de la couche limite sur les caractéristiques du front de flamme a été menée. Celle-ci a permis de mettre en évidence l'effet rétroactif de ce dernier sur le mélange des vapeurs, et une forte diversité des zones réactionnelles dans l'espace. / The evolution of fuel injection strategies in automobile engines has brought about new problem sets in their design and optimization. Among these, is the deposition of liquid fuel on the inner walls of the combustion chamber, impacting the environmental performance of the engine. Indeed, evaporation of the liquid film near the wall can significantly influence combustion. The aim of this work was to develop a controllable experimental configuration along with the necessary diagnostics for a first phenomenological analysis of the behaviour and evaporation of a liquid fuel film deposited on a wall as it interacts with gas phase combustion. The chosen experimental approach allowed the generation a liquid film of heptane on a vertical wall that is positioned within an upward flowing lean premixed methane/air mixture with a rod stabilised oblique V-flame. In parallel, a low coherence interferometry diagnostic system was developed to study the properties of the heptane film, permitting simultaneous measurements of the local wall temperature and film thickness in the presence of a reacting flow. Initially, the properties of the film and its evaporation were studied under non reacting conditions in a counter-current gas flow configuration. Several typical trends were identified and analyzed. In the presence of the flame, the change in physical mechanisms that influence the evaporation and behaviour of the film was evaluated by comparing results to the non reacting case. Phenomenological analysis was then conducted on the impact of film evaporation within the velocity boundary layer on the properties of the flame front. A retroactive effect of the flame front on the mass transfer of heptane gas was observed and a significant spatial variation of reaction zones reported.

La modélisation des moteurs à combustion interne nécessite une compréhension fine de la vidange et du remplissage en air ou en mélange des cylindres. Pour ce faire, une analyse bibliographique des différents phénomènes intervenant sur ces paramètres et des modèles apparentés est faite. Une revue des différents moyens d'essais de la littérature est également effectuée. Des essais en condition stationnaire sur une culasse issue d'un moteur produit en série sont ensuite effectués. L'analyse de ces résultats est faite au regard des trois principaux modèles de soupape : Barré de StVenant, Benson et Blair. L'étude des hypothèses de ces trois modèles ayant montré leur équivalence en écoulement sortant d'une tubulure, l'accent est mis sur l'impact des différentes hypothèses sur les résultats expérimentaux. Les trois modèles prenant pour hypothèse un écoulement stationnaire au col de la soupape, des essais instationnaires sont ensuite effectués. Ces données sont ensuite comparées à des résultats de simulation issus des trois précédents modèles. Les différences entre les trois modèles en écoulement sortant d'un cylindre et rentrant dans une tubulure apparaissent et sont analysées. Enfin, l'hypothèse d'absence de transferts thermiques est remise en cause. Des essais à haute température sont pour cela effectués. Les conditions d'essais ne permettant pas quantifier correctement ces transferts thermiques, un modèle d'écoulement au travers des soupapes prenant en compte les transferts thermiques est proposé. Son étude théorique permet d'évaluer l'impact de ces transferts sur la vidange et le remplissage du cylindre.

Depuis la création des moteurs à combustion interne, les recherches sur les moteurs essence et diesel se sont développées indépendamment. Afin de réduire les temps et les coûts de développement d'un moteur, une approche unifiée de conception serait intéressante. Dans ce cadre, le contrôle et la mise au point des moteurs à combustion interne pourrait être elle aussi unifiée. Bien évidemment, ce contrôle doit être stable, robuste vis-à-vis des disparités de fabrication, comme de fonctionnement. Cette thèse porte alors sur une démarche unifiée, pour les moteurs essence comme pour les moteurs diesel, afin d'obtenir un contrôle robuste de la chaîne d'air du moteur. La chaîne d'air du moteur contient les éléments permettant de contrôler la quantité et les proportions d'air et de gaz neutres dans le cylindre (Recirculation des gaz d'échappement, papillon d'admission, turbocompresseur). Cette démarche unifiée de commande, permettant de contrôler les systèmes monovariables, tout comme multivariables non carrés (nombre d'entrées différent du nombre de sorties), contient plusieurs étapes : identification d'un modèle du système, analyse du système permettant d'en déduire une structure de contrôle, synthèse d'un contrôleur autour d'un nominal, vérification de la robustesse en stabilité, tests du contrôle. Le couplage des entrées vers les sorties, les non linéarités sont pris en compte lors de la synthèse du contrôleur. Cette méthode de conception a été validée sur plusieurs applications dont un moteur essence et un moteur diesel. Des résultats expérimentaux sur un banc moteur diesel haute dynamique ont montrés que la commande multivariable permettait de réduire les émissions d'oxydes d'azote.

Th. doct.--Énerg.--Paris--Éc. centrale, 1996. N°: 1996-45. / 1996 d'après la déclaration de dépôt légal. Bibliogr. p. 215-222. Résumé en français et en anglais.

Depuis la création des moteurs à combustion interne, les recherches sur les moteurs essence et diesel se sont développées indépendamment. Afin de réduire les temps et les coûts de développement d’un moteur, une approche unifiée de conception serait intéressante. Dans ce cadre, le contrôle et la mise au point des moteurs à combustion interne pourrait être elle aussi unifiée. Bien évidemment, ce contrôle doit être stable, robuste vis-à-vis des disparités de fabrication, comme de fonctionnement. Cette thèse porte alors sur une démarche unifiée, pour les moteurs essence comme pour les moteurs diesel, afin d’obtenir un contrôle robuste de la chaîne d’air du moteur. La chaîne d’air du moteur contient les éléments permettant de contrôler la quantité et les proportions d’air et de gaz neutres dans le cylindre (Recirculation des gaz d’échappement, papillon d’admission, turbocompresseur). Cette démarche unifiée de commande, permettant de contrôler les systèmes monovariables, tout comme multivariables non carrés (nombre d’entrées différent du nombre de sorties), contient plusieurs étapes : identification d’un modèle du système, analyse du système permettant d’en déduire une structure de contrôle, synthèse d’un contrôleur autour d’un nominal, vérification de la robustesse en stabilité, tests du contrôle. Le couplage des entrées vers les sorties, les non linéarités sont pris en compte lors de la synthèse du contrôleur. Cette méthode de conception a été validée sur plusieurs applications dont un moteur essence et un moteur diesel. Des résultats expérimentaux sur un banc moteur diesel haute dynamique ont montrés que la commande multivariable permettait de réduire les émissions d’oxydes d’azote. / Since the creation of internal combustion engines, research on gasoline and diesel engines were developed independently. To reduce the time and cost of developing an engine, a unified design approach would be interesting. In this context, control and development of internal combustion engines could also be unified. Obviously, this control must be stable, robust with respect to manufacturing disparities and operating points. This thesis then focuses on a unified approach for gasoline engines as well as diesel engines, to achieve a robust of the air path. The engine air path contains the information needed to control the amount and proportions of air and neutral gases in the cylinder (exhaust gas recirculation, throttle valve, turbocharger). This unified approach to control monovariable systems, as well as non-square multivariable systems (number of inputs different from the number of outputs), consists of several steps: identification of a model of the system, system analysis to deduce a control structure, synthesis of a controller around a nominal model, check robust stability, control tests. The coupling inputs to outputs and nonlinearities are taken into account during the synthesis of the controller. This design method has been validated in several applications including a gasoline engine and a diesel engine. Experimental results on a diesel engine high dynamics test bench have shown that the multivariable control results in lower emissions of nitrogen oxides.

Cette thèse a pour but l’étude de la détection basée sur modèle de défauts pour lesmoteurs Diesel produits en grande série. La nécessité d’une surveillance continue del’état de santé des véhicules est maintenant renforcée par la législation Euro VI sur lesémissions polluantes, qui sera probablement rendue encore plus contraignante dans sesprochaines révisions. Dans ce contexte, le développement de stratégies robustes, faciles àcalibrer et valides pour des systèmes dispersés (car produits en grande série) procureraitun avantage considérable aux constructeurs automobile. L’étude développée ici tentede répondre à ces besoins en proposant une méthodologie générique. On utilise desobservateurs adaptatifs locaux pour des systèmes scalaires non linéaires et affines parrapport à l’état, pour résoudre les problèmes de la détection de défauts, de son isolationet de son estimation d’une façon compacte. De plus, les incertitudes liées aux biais demesure et de modèle et aux dérives temporelles nécessitent d’améliorer les méthodes dedétection par l’utilisation de seuils robustes pour éviter les fausses détections. Dans cettethèse, on propose un seuil variable basé sur la condition d’observabilité du paramètreimpacté par le défaut et sur une étude de sensibilité par rapport aux incertitudes surles entrées ou sur le modèle. Cette méthode permet, entre autres, de fournir un outild’analyse pour la sélection des conditions de fonctionnement du système pour lesquelsle diagnostic est plus fiable et plus robuste par rapport aux incertitudes sur les entrées.L’approche présentée a été appliquée avec succès et validée de façon expérimentale surun moteur Diesel pour le problème de détection de fuite dans le système d’admissiond’air, puis dans un environnement de simulation pour le problème de détection dedérive d’efficacité turbine. On montre ainsi ses avantages en termes de fiabilité dedétection, d’effort de calibration, et pour l’analyse des conditions de fonctionnementmoteur adaptées au diagnostic. / The study of model-based fault detection for mass production Diesel engines isthe aim of this thesis. The necessity of continuous vehicles health monitoring is nowenforced by the Euro VI pollutant legislation, which will probably be tightened in itsfuture revisions. In this context developing a robust strategy that could be easilycalibrated and work with different systems (due to production variability) would bea tremendous advantage for car manufacturers. The study developed here tries toanswer to those necessities by proposing a generic methodology based on local adaptiveobservers for scalar nonlinear state-affine systems. The fault detection, isolation andestimation problems are thus solved in a compact way. Moreover, the uncertaintiesdue to measurement or model biases and time drifts lead to the necessity of improvingthe detection methodology by the use of robust thresholds that could avoid undesiredfalse alarms. In this thesis a variable threshold is proposed based on the observabilitycondition and the sensitivity analysis of the parameter impacted by the fault withrespect to input or model uncertainties. This approach allows, among other things, tobe used as an analysis tool for the individuation of the system operating points for whichthe diagnosis is more reliable and more robust to inputs uncertainties. The discussedapproach has been successfully implemented and experimentally tested on a real Dieselengine for the intake leak detection and for the turbine efficiency loss drift detectionin a co-simulation environment showing its advantages in term of detection reliability,calibration effort and engines diagnosis operating condition analysis.