Cette thèse propose une modélisation aussi générique que possible de la combustion dans les moteurs automobiles dans un cadre de simulation aux grandes échelles. Une première étude aborde la fermeture du terme de transport non résolu pour la flamme de prémélange. Par la suite, un couplage entre les modèles ecfm-les et pcm-fpi est proposé et validé pour intégrer les effets de chimie complexe à la simulation de la flamme de prémélange. Ce travail est étendu par l'adjonction de modélisations spécifiques à l'allumage par bougie et de l'auto-inflammation, toujours en intégrant les effets de chimie détaillée. Des calculs d'application aux combustions anormales dans les moteurs à allumage commandé concluent ce travail.

Pour améliorer le rendement des moteurs essence, une méthode efficace est le downsizing qui consiste en la diminution de la cylindrée moteur compensée par l’ajout d’un compresseur pour maintenir la puissance. Lorsque le niveau de downsizing est trop important les fortes pression et températures rencontrées favorisent l’apparition de phénomènes d’auto-allumage de type cliquetis ou rumble néfastes pour l’intégrité du moteur. Ce type de phénomène, aujourd’hui encore mal compris, constitue une limite à l’utilisation du downsizing. Dans cette thèse la Simulation aux Grandes Echelles est utilisée pour étudier ce type de combustion dite anormale. L’objectif est de proposer une méthodologie numérique capable de reproduire leurs apparitions pour en étudier les mécanismes. L’auto-allumage est un mode de combustion sensible aux variations des conditions thermodynamiques locales. Des méthodes numériques précises et des modèles appropriés, en particulier pour la thermique paroi doivent donc être utilisés. La première partie de ce manuscrit présente la méthodologie numérique proposée et en particulier deux aspects développés lors de cette thèse: un modèle d’auto-allumage qui permet de reproduire le délai d’auto-allumage des gaz frais avec un schéma cinétique réduit et une méthodologie de couplage entre la chambre de combustion et la culasse permettant de définir des champs de températures paroi réalistes. La seconde partie de ce manuscrit présente les résultats de deux études numériques reproduisant certains points de fonctionnement d’un moteur expérimental. La première étude est réalisée à l’aide de modèles de combustion de la littérature et vise à reproduire le comportement expérimental pour diverses variations paramétriques influant sur la combustion. La seconde étude est réalisée à l’aide des modèles développés dans cette thèse afin d’étudier l’impact de la thermique paroi dans les mécanismes d’apparition des combustions anormales. / In order to improve the efficiency of gasoline engines, one efficient solution resides in engine downsizing which consists in the diminution of the engine size with the adjunction of a compressor to keep the power output. When the downsizing level is important, the high pressure and temperature levels promote auto-ignition phenomena such as knocking or rumble that can damage the engine. This kind of combustion, still misunderstood, is a limit to further use downsizing. In this thesis, Large Eddy Simulation is used to study this kind of abnormal combustions. The objective is to propose a numerical methodology able to reproduce its apparition and to understand its mechanisms. Auto-ignition is a combustion regime very sensitive to the variations of local thermodynamic conditions. Precise numerical methods and appropriate models, especially for thermal boundary conditions must be used. The first part of this manuscript presents the proposed numerical methodology and in particular two aspects implemented during this thesis: an auto-ignition model that permits to reproduce auto-ignition delays with reduced kinetic schemes and a coupling methodology between combustion chamber and cylinder head in order to obtain realistic temperature fields for the boundary conditions. The second part of this manuscript presents the results of two numerical studies that reproduce some operating points from an experimental engine database. The first study is performed using combustion models from the literature and aims at reproducing experimental behavior for various parametric variations impacting the combustion. The second study is performed thanks to the numerical models implanted in this thesis in order to evaluate the impact of the thermal boundary conditions on the mechanisms leading to abnormal combustions.

Le moteur à allumage commandé fortement downsizé est une des solutions les plus prometteuses utilisée par les constructeurs automobiles pour augmenter le rendement et réduire les émissions de CO2. Cependant, les conditions thermodynamiques plus sévères rencontrées dans ces moteurs favorisent l’apparition de combustions anormales (cliquetis et rumble) qui sont difficiles à analyser expérimentalement vu les risques encourus par le moteur. La méthode Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) s’est imposée depuis plusieurs années pour l’étude des moteurs à piston dans l’industrie, mais elle n’est pas la plus appropriée pour étudier des phénomènes locaux et sporadiques comme les combustions anormales qui n’affectent pas le cycle moyen simulé en RANS. Grâce à l’utilisation d’un code compressible LES et au développement d’une version améliorée des modèles ECFM-LES (Extended Coherent Flame Model) et TKI (Tabulated Kinetics of Ignition) qui permet un découplage total entre les taux de réaction liés à la propagation de la flamme et à l’auto-inflammation, ces travaux mettent en évidence pour la première fois la capacité de la LES à décrire le phénomène de cliquetis dans une configuration réaliste d’un moteur à allumage commandé. Contrairement aux études précédentes [S. Fontanesi and S. Paltrinieri and A. D’Adamo and G. Cantore and C. Rutland, SAE Int. J. Fuels Lubr., 2013-01-1082, pp. 98-118][G. Lecocq, S. Richard, J.-B. Michel, L. Vervisch, Proc. Combust. Inst. 33 (2011) 3105-3114], une étude quantitative du cliquetis est réalisée grâce à des post-traitements spécifiques et similaires pour les résultats expérimentaux et numériques. La LES est capable de prédire la variabilité de la pression cylindre, la fréquence mais également l’angle moyen d’apparition de l’auto-inflammation sur un balayage d’avance à l’allumage. Une analyse 3D démontre également que le cliquetis se déclenche à différents endroits, mais principalement dans la moitié de la chambre sous les soupapes d’échappement. De plus, l’intensité du cliquetis est proportionnelle à la masse de gaz frais brûlée en auto-inflammation pour les faibles intensités, alors qu’une croissance beaucoup plus forte est observée pour les intensités les plus élevées. Ceci suggère que des facteurs supplémentaires interviennent comme la localisation du cliquetis ou les interactions entre l’acoustique interne et l’auto-inflammation. L’utilisation d’un code LES compressible permet une visualisation directe de ces interactions mettant en évidence que les faibles intensités sont liées à des auto-inflammations locales sans couplage alors qu’une transition de la déflagration vers la détonation est possible en moteur automobile et correspond aux intensités les plus fortes. / Highly boosted spark ignition engines are more and more attractive for car manufacturers in terms of efficiency and CO2 emissions reduction. However, thermodynamic conditions encountered in these engines promote the occurrence of abnormal combustions like knock or super-knock, which are experimentally difficult to analyze due to the risks of engine damages. The Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) method mainly used in industry for piston engines is not the most appropriate as knock does not always affect the mean cycle captured by RANS. Using an accurate LES compressible code and improved versions of ECFM-LES (Extended Coherent Flame Model) and TKI (Tabulated Kinetics of Ignition) models allowing a full uncoupling of flame propagation and auto-ignition reaction rates, this work demonstrates for the first time that LES is able to describe quantitatively knocking combustion in a realistic downsized SI engine configuration. Contrary to previous studies [S. Fontanesi and S. Paltrinieri and A. D’Adamo and G. Cantore and C. Rutland, SAE Int. J. Fuels Lubr., 2013-01-1082, pp. 98-118][G. Lecocq, S. Richard, J.-B. Michel, L. Vervisch, Proc. Combust. Inst. 33 (2011) 3105-3114], a quantified knock analysis is conducted based on a specific post-processing of both numerical and experimental data. LES is able to predict the in-cylinder pressure variability, the knock occurrence frequency and the mean knock onset crank angle for several spark timings. A 3D analysis also demonstrates that knock occurs at random locations, mainly at the exhaust valves side. Knock intensity is found proportional to the fresh gases mass burned by auto-ignition at low knock intensities, while an exponential increase at the highest intensities suggests the influence of additional factors like the knock location in the cylinder or complex behavior of knocking combustion. A direct LES study of acoustic and autoignition interactions is then achieved. The LES visualizations allows showing that low knock intensities are only linked to local autoignition, but a deflagration to detonation transition occurs in such engine operating conditions and is responsible for the highest knock intensities.

Cette thèse propose une modélisation aussi générique que possible de la combustion dans les moteurs automobiles dans un cadre de simulation aux grandes échelles. Une première étude aborde la fermeture du terme de transport non résolu pour la flamme de prémélange. Par la suite, un couplage entre les modèles ecfm-les et pcm-fpi est proposé et validé pour intégrer les effets de chimie complexe à la simulation de la flamme de prémélange. Ce travail est étendu par l'adjonction de modélisations spécifiques à l'allumage par bougie et de l'auto-inflammation, toujours en intégrant les effets de chimie détaillée. Des calculs d'application aux combustions anormales dans les moteurs à allumage commandé concluent ce travail. / This work proposes a modeling as generic as possible of the combustion in automotive engines in the framework of large-eddy simulation. A first study addresses the closure of the non resolved transport term for the premixed flame. Then, a coupling between the models pcm-fpi and ecfm-les is proposed and validated to account for the detailed chemistry effects in the premixed flame modeling. This work is extended adding specific models for spark-ignition and auto-ignition, still integrating detailed chemistry effects. This work is ended by computations of abnormal combustions occurring in spark-ignition engines.