Depuis plusieurs années, l'une des problématiques sociétales est de diminuer les émissions de polluants et de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Le secteur du transport terrestre est directement concerné par ces considérations. Le moteur Diesel semble promis à un bel avenir grâce à son rendement supérieur à celui du moteur à allumage commandé, conduisant à de plus faibles rejets de CO2. Cependant, sa combustion génère des émissions d'oxyde d'azote (NOx) et de particules dans l'atmosphère. Les normes anti-pollution étant de plus en plus sévères et les incitations à diminuer les consommations de carburant de plus en plus fortes, le moteur Diesel est confronté à une problématique NOx/particules/consommation toujours plus difficile à résoudre. Une des voies envisagées consiste à modifier le mode de combustion afin de limiter les émissions polluantes à la source tout en conservant de faibles consommations. La voie la plus prometteuse est la combustion HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) obtenue par injections directes précoces. Plusieurs limitations critiques doivent cependant être revues et améliorées : le mouillage des parois par le carburant liquide et le contrôle de la combustion à forte charge. Le but de cette thèse est ainsi de mieux comprendre les phénomènes mis en jeu lors de la combustion HCCI à forte charge obtenue par des multi-injections directes précoces. Une méthodologie a été mise au point afin de détecter le mouillage des parois du cylindre, ce qui a permis de comprendre l'effet du phasage et de la pression d'injection sur cette problématique. Une stratégie optimale de multi-injections permettant d'atteindre une charge élevée sans mouiller les parois a ainsi été développée et choisie. Nous avons ensuite pu mettre en évidence le potentiel de la stratification par la dilution en tant que moyen de contrôle de la combustion en admettant le diluant dans un seul des 2 conduits d'admission. Des mesures réalisées en complémentarité sur le même moteur mais en version 'optique', ont permis, à partir de la technique de Fluorescence Induite par Laser, de montrer que concentrer le diluant dans les zones réactives où se situe le carburant permet un meilleur contrôle de la combustion, ce qui permet d'amener le taux de dilution a des niveaux faisables technologiquement.

La présence de contraintes de plus en plus strictes sur les émissions de polluants on poussé les contruteurs vers l'injection directe essence (IDE), afin d'améliorer les performances et réduire la consommation de carburant et les émissions des moteurs à combustion interne. Par conséquent, de nouveaux défis sont introduits en termes d'optimisation de la combustion, en raison d'une plus complexe phénomenologie tandis que les modéles système demande des paramètres de calibration supplémentaires.Cette thèse présente le développement et la validation d'un modèle zéro-dimensionnel (0D) de combustion en IDE pour application en simulation système. Le modèle proposé détaille la physique de l'atomisation, et évaporation des gouttes, de la préparation du mélange air/carburant, de la propagation de flamme dans un mélange non-homogène ainsi que l'intéraction entre ces phénomènes.La phase liquide est discretisés en paquets groupant des gouttes de la même taille.Un modèle d'atomisation empirique basé sur la vitesse d'injection, les propriétés du carburant et les conditions thermodynamiques fournit les diamètres initiaux. Un modèle Lagrangien détaillant une dynamique de trainée/inértie, échange thermique et convection forcée décrit la pénétration liquide et l'evaporation des paquets. La formation du mélange air/carburant est décrite avec une PDF qui discretise la charge en un mécanisme de classes intéragissant les unes avec les autres et avec les paquets de gouttes. La propagation de flamme prend en compte les effets de l'hétérogéneité du mélange sur la vitesse de flamme et la formation des polluants.Le modèle proposé a été implémenté dans la plateforme Simcenter Amesim, dédiée á la modélisation de systémes multi-physiques, et intégrée dans le modèle de combustion essence CFM1D, de la librairie IFP-Engine.Des approche de modélisation de l'evaporation de carburant, de la dynamique de spray et de la formation du mélange, inspirés de la literature sur les moteurs Diesel, ont été adaptés aux conditions IDE.Le modèle a initialement été validé sur des mesures et des simulations RANS 3D réalisées avec le code IFP-C3D, d'une bombe d'injection à volume constant.Un vortex de tumble, dans un premier temps, et des variations rapides du voulume de la chambre ensuite, ont été ajoutés aux expériments numériques afin d'évaluer la réponse du modèle à l'aérodynamique dans la chambre de combustion et à des conditions thermodynamiques variables, en termes d'évaporation, développement du spray et distribution de la richesse. Des simulations d'injections dans un moteur entraîné,dont les résultats ont été comparés avec des mesures et des calculs CDF,complètent la validation du modèle avec à la fois des conditions thermodynamiques variable et de l'aérodynamique. / Future constraints on pollutant emissions pushed car manufacturers towards gasoline direct injection (GDI) technologies to improve engine performances and reduce fuel consumption and emissions. New challenges are then introduced in terms of combustion optimization due to a more complex phenomenology while system models require additional calibration parameters.This PhD work presents the development and validation of a Zero-Dimensional (0D) model of GDI combustion for system simulation. The proposed model focuses on physics of atomization and drop evaporation, fuel/air mixing, flame propagation in heterogeneous charge and mutual interaction between these phenomena.The liquid phase is discretized in parcels grouping drops of the same size. An empirical atomization model based on injection velocity, fuel characteristics and thermodynamic conditions provides initial diameters. A Lagrangian model including drag-inertia dynamics, heat-up and forced convection describes drop parcel penetration and evaporation. Fuel / air mixing is described using a discrete Probability Density Function (PDF) approach, based on constant-mixture-fraction classes interacting with each other and with the drop parcels. Flame propagation takes into account mixture heterogeneity effects on flame speed and pollutant production is modelled.The model was implemented in the Simcenter Amesim platform for multi-physical modelling and integrated in a generic Spark Ignition (SI) combustion chamber submodel, CFM1D, from the IFP-Engine library.Fuel evaporation, spray dynamics and mixture formation modelling approaches, inspired by literature on Diesel engines, were adapted to GDI operating conditions. The model was first validated on a constant-volume vessel with quiescent gas in different thermodynamic conditions by means of experiments and 3D RANS CFD simulations performed with IFP-C3D. A tumble vortex in a constant volume vessel, in a first time, and rapid variations of the vessel volume, in a second time, were then added to the numerical experiment in order to test the model response to in-cylinder flow aerodynamics and variable thermodynamic conditions, respectively, in terms of fuel evaporation, spray development and fuel/air mixing and equivalence ratio distribution. Computations of fuel injections in a motored engine complete the model validation campaign in variable thermodynamic conditions and with realistic aerodynamics and the results were compared to both experiments and CFD computations.

Les moteurs diesel suralimentés à injection directe ont bénéficié de nombreux progrès en termes de minimisation de consommation et d’émissions. Ils représentent aujourd’hui des processus technologiques de plus en plus complexes, d’où la nécessité d’améliorer et de développer des systèmes de diagnostic pour la détection des défauts de ces moteurs. Cette thèse propose une méthode de diagnostic à base de modèle pour la détection de différents types de défauts : de capteurs, d’actionneurs et des fuites dans la boucle des gaz d’un moteur diesel en n’utilisant que ses capteurs d’origine. L’utilisation de modèles physiques, polynomiaux, statiques et dynamiques permet de calculer des résidus entre les grandeurs mesurées par les capteurs et celles estimées par ces modèles. En présence de défauts, des variations anormales des résidus donnent naissance à des symptômes qui constituent la base de détection de différents types de pannes dans le système. La méthode proposée est implémentée, avec un système de prototypage rapide, et testée sur un moteur diesel à bord d’un véhicule de recherche. Des résultats expérimentaux d’application montrent la détection et le diagnostic, réalisés en temps réel, des différents types de défauts introduits durant les essais / The turbocharged diesel engines with direct injection benefited from numerous progresses in terms of minimization of consumption and emissions. Today, they represent more and more complex technological processes. Therefore, fault detection and diagnosis need to be developed and improved for these engines. This thesis proposes a method of model based diagnosis for the detection of various types of faults like: sensor, actuator faults and leaks in a diesel engine gases path by using only serial production sensors. The use of physical, polynomial, static and dynamic models allows calculating residuals between the sensor signals and their estimates computed by these models. When a fault occurs, abnormal variations of those residuals give birth to symptoms which constitute the base of detection of various breakdown types in the system. The proposed method is implemented, with a rapid prototyping system, and tested on a diesel engine on board a research vehicle. Application experimental results show the detection and the diagnosis, performed in real lime, of various types of faults introduced during the tests

Les moteurs diesel suralimentés à injection directe ont bénéficié de nombreux progrès en termes de minimisation de consommation et d'émissions. Ils représentent aujourd'hui des processus technologiques de plus en plus complexes, d'où la nécessité d'améliorer et de développer des systèmes de diagnostic pour la détection des défauts de ces moteurs. Cette thèse propose une méthode de diagnostic à base de modèle pour la détection de différents types de défauts : de capteurs, d'actionneurs et des fuites dans la boucle des gaz d'un moteur diesel en n'utilisant que ses capteurs d'origine. L'utilisation de modèles physiques, polynomiaux, statiques et dynamiques permet de calculer des résidus entre les grandeurs mesurées par les capteurs et celles estimées par ces modèles. En présence de défauts, des variations anormales des résidus donnent naissance à des symptômes qui constituent la base de détection de différents types de pannes dans le système. La méthode proposée est implémentée, avec un système de prototypage rapide, et testée sur un moteur diesel à bord d'un véhicule de recherche. Des résultats expérimentaux d'application montrent la détection et le diagnostic, réalisés en temps réel, des différents types de défauts introduits durant les essais.

Depuis plusieurs années, l’une des problématiques sociétales est de diminuer les émissions de polluants et de gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Le secteur du transport terrestre est directement concerné par ces considérations. Le moteur Diesel semble promis à un bel avenir grâce à son rendement supérieur à celui du moteur à allumage commandé, conduisant à de plus faibles rejets de CO2. Cependant, sa combustion génère des émissions d’oxyde d’azote (NOx) et de particules dans l’atmosphère. Les normes anti-pollution étant de plus en plus sévères et les incitations à diminuer les consommations de carburant de plus en plus fortes, le moteur Diesel est confronté à une problématique NOx/particules/consommation toujours plus difficile à résoudre. Une des voies envisagées consiste à modifier le mode de combustion afin de limiter les émissions polluantes à la source tout en conservant de faibles consommations. La voie la plus prometteuse est la combustion HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) obtenue par injections directes précoces. Plusieurs limitations critiques doivent cependant être revues et améliorées : le mouillage des parois par le carburant liquide et le contrôle de la combustion à forte charge. Le but de cette thèse est ainsi de mieux comprendre les phénomènes mis en jeu lors de la combustion HCCI à forte charge obtenue par des multi-injections directes précoces. Une méthodologie a été mise au point afin de détecter le mouillage des parois du cylindre, ce qui a permis de comprendre l’effet du phasage et de la pression d’injection sur cette problématique. Une stratégie optimale de multi-injections permettant d’atteindre une charge élevée sans mouiller les parois a ainsi été développée et choisie. Nous avons ensuite pu mettre en évidence le potentiel de la stratification par la dilution en tant que moyen de contrôle de la combustion en admettant le diluant dans un seul des 2 conduits d’admission. Des mesures réalisées en complémentarité sur le même moteur mais en version ‘optique’, ont permis, à partir de la technique de Fluorescence Induite par Laser, de montrer que concentrer le diluant dans les zones réactives où se situe le carburant permet un meilleur contrôle de la combustion, ce qui permet d’amener le taux de dilution a des niveaux faisables technologiquement. / For several years, reduce pollutant and greenhouse gas emissions in the atmosphere is become a leitmotiv. The automotive world is directly affected by these considerations. Diesel engine has a promising future thanks to its efficiency higher than that of S.I. engine, leading to lower CO2 emissions. However, Diesel combustion emits nitrogen oxides (NOx) and particulates in the atmosphere. Emissions regulations are more and more severe, and considerations about fuel consumption are more and more significant. Thus, Diesel engine has to face a NOx/particulates/consumption issue that is more and more difficult to answer. One of the considered ways to reduce pollutant emissions while maintaining low fuel consumptions is to change the combustion mode. The most promising way is Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) combustion with early direct injections. However, two major issues have to be answered: the wall wetting and the combustion control at high load. Thus, the objective of this PhD thesis is to better understand phenomena occurring during HCCI combustion at high load with early direct injections in order to answer these issues. We have developed a new methodology to detect the cylinder wall wetting process. This allowed to understand the effects of injection phasing and injection pressure on this issue. A multiple injections strategy has been tested and improved. It reaches a high load without cylinder wall wetting. Then, we have highlighted the potential of dilutant stratification as a technique of control of combustion. This technique is based on the introduction of dilutant in one inlet pipe while air is introduced in the other. The use of Laser Induced Fluorescence imaging on the same engine but with optical accesses showed that condensing dilutant in the reactive zones where the fuel is improves combustion control and allows the use of reasonable dilution level.

Les turbomachines actuelles ont atteint un niveau de maturité technique très élevé. De nouvelles architectures reposant sur des cycles thermodynamiques basés sur une combustion à gain de pression, comme la combustion à volume constant (CVC), ont le potentiel d’augmenter leur efficacité. Dans cette étude,une solution qui repose sur l’intégration dans une turbomachine de chambres de combustion à volume constant sans piston (CVCSP) est considérée. Les objectifs de ces travaux de thèse sont doubles : dans un premier temps de développer et de caractériser extensivement un nouveau dispositif (CV2) dédié à la Combustion à volume constant sans piston sur un cas de référence et, dans un second temps, de proposer à travers plusieurs études, une analyse de l’influence de l’aérodynamique et de la dilution sur les processus d’allumage et, plus généralement de combustion. Le dispositif CV2 permet la combustion aérobie en allumage commandé d’un mélange de propane ou de n-décane, injecté directement dans la chambre. Un point de référence est caractérisé en détail via : des mesures de champs de vitesse par PIV, de chimiluminescence pendant la combustion, une analyse 0D développée dans cette étude. La caractérisation détaillée de ce point de référence montre que le dispositif CV2 reproduit correctement une combustion à volume constant turbulente dans un mélange faiblement hétérogène en température et stratifié en composition, et ce sur un nombre de cycles permettant d’établir une convergence statistique raisonnable. Ces diagnostics et analyses sont employés dans 2 cas d’études pour caractériser successivement : l’influence de l’aérodynamique, via une variation de l’instant d’allumage, l’influence des gaz brûlés résiduels sur la combustion en allumage commandé et la stabilité cyclique, via une variation de la pression d’échappement.Dans un fonctionnement sans balayage, on montre que cette variabilité cyclique est liée au premier ordre à la variation de la dilution en gaz brûlé résiduel du mélange et à la vitesse locale. On montre notamment que, pour un mélange donné, il existe une corrélation statistique entre une vitesse statistique limite et la probabilité d’allumage moyenne. Pour représenter l’effet de pression dans un plénum en amont d’une turbine, on réalise une étude paramétrique sur la pression d’échappement. La dilution résultante, croissant avec la pression d’échappement, diminue la vitesse fondamentale de flamme et ralentit donc la combustion. Les niveaux de températures des gaz brûlés résiduels résultent des échanges de chaleur qui ont lieu sur toute la durée du cycle, de l’allumage du cycle N à celui du cycle N+1 suivant. Des extrapolations sur des cycles à température de paroi plus élevée et à échappement plus court montrent que l’adiabaticité du cycle est améliorée (de 20 %) et que l’effet de dilution en température est alors favorable à une vitesse de flamme turbulente qui est alors plus élevée. Un phénomène d’allumage par gaz brûlé résiduel est observé sur certains cycles de combustion. Ce phénomène est caractérisé dans des conditions favorables, i.e. faible richesse (0.66), allumage tardif et cycle plus court. Lors d’un allumage par gaz brûlés résiduels, un noyau de flamme se développe dans les zones présentant des gaz brûlés résiduels chauds et à basse vitesse autour du jet d’admission et se propage ensuite au reste du mélange identiquement à celui qui serait généré par allumage commandé.Ce travail prend place dans le cadre de la chaire industrielle CAPA sur la combustion alternative pour la propulsion aérobie financée par SAFRAN Tech, MBDA et l’ANR. / Current turbomachines have reached a very high level of technical maturity. Thermodynamic cycles based on pressure-gain combustion, such as constant volume combustion (CVC), feature a clear potential for efficiency improvement. The present study considers the integration in a turbomachine of piston-lessCVC chambers. The thesis work is twofold. First, a new experimental setup (CV2) dedicated to cyclic piston-less CVC is developed and thoroughly characterized on a reference operating point. Second, the influence of the aerodynamics and dilution on the processes of ignition and, in a larger sense, on combustion is discussed through dedicated studies. The CV2 device allows for the spark-ignited air-breathing combustion of a mixture of either propane orn-decane, directly injected into the chamber. A reference condition is characterized in details using: PIV velocity field measurements, chemiluminescence of combustion and a 0D modeling of the device. This detailed characterization evidenced that the CV2 combustion chamber successfully replicates, on a number of cycles allowing a reasonable statistical convergence, a turbulent deflagrative constant-volume combustion in a mixture stratified in composition. Those diagnostics and analyses are applied to 2 cases of study to characterize successively : the influence of the aerodynamics, through a variation of the ignition timing, the influence of the residual burnt gases on spark-ignited combustion and the cyclic stability, through a variation of the exhaust backpressure.Operating the device without scavenging of the combustion chamber, we show that the cyclic variability correlates strongly with both the variation of residual burnt gases dilution and the local velocity. Particularly, we show that for a given mixture, a correlation exists between a statistical velocity limit and the average probability of ignition. The effect of a plenum backpressure upstream of a turbine, downstream of the combustion chamber, is simulated by varying the exhaust system backpressure. The resulting dilution, which increases with the exhaust backpressure, diminishes the fundamental flame velocity of the mixture and slows down the combustion. The residual burnt gases temperature results from the integrated heat exchanges that happen during the total cycle duration starting from the end of combustion of cycle N, to the ignition of cycle N+1. Enhanced cycles, with an increased wall temperature and reduced exhaust duration, are extrapolated by 0D analysis. Those cycles evidence a reduction of the cumulated heat exchanges of up to 20 %. The resulting dilutionis more favorable to higher turbulent flame velocity thus to shorter combustion duration. A phenomenon of ignition induced by the residual burnt gases is observed on certain combustion cycles. This phenomenon is characterized in favorable conditions, i.e. fuel-lean equivalence ratio (0.66), late ignition and shortcycles. During an ignition by residual burnt gases, a flame kernel is ignited in areas where the still hot residuals burnt gases meet fresh gases in low-velocity areas around the intake jet. The ignition kernel then propagates to the rest of the mixture in a similar manner as if it was spark-ignited.This work is part of the CAPA Chair research program on Alternative Combustion modes for Air-breathing Propulsion supported by SAFRAN Tech, MBDAFrance and ANR (French National Research Agency).

De nombreux procédés actuels mettent en jeu des écoulements diphasiques (sprays agricoles, pharmaceutiques, peinture...). Néanmoins, la connaissance des mécanismes régissant les interactions entre les phases (entraînement, modification des trajectoires des particules, transfert d'énergie...) est encore incomplète, notamment lors de l'injection directe essence, qui représente le cadre de cette étude. Dans cette étude expérimentale, les dynamiques instantanées des deux phases sont étudiées dans un plan pour mettre en évidence les interactions aérodynamiques entre les phases. Pour ce faire, un diagnostic de FPIV diphasique, utilisant un colorant fluorescent pour chaque phase, est développé afin d'acquérir simultanément des images séparées de chaque phase sur deux caméras indépendantes. Ainsi, les vitesses instantanées et simultanées des deux phases sont mesurées sans recourir à un prétraitement des images. Dans un premier temps, ce diagnostic optique est appliqué à la caractérisation d'une injection dans un gaz au repos. L'injection du spray met en mouvement le gaz par le biais d'un transfert de quantité de mouvement du spray vers le gaz. La dispersion des gouttes du spray et le mélange des deux phases qui résultent de ces transferts d'énergie cinétique dépendent du type de spray et également de la pression d'injection. Dans un second temps, ces interactions sont étudiées dans un moteur monocylindre transparent. La comparaison entre les fonctionnements avec et sans injection indique un impact notable de la présence du spray sur l'aérodynamique interne par le développement de nouvelles structures et la modification des caractéristiques du tumble. L'aérodynamique interne du moteur modifie également le développement du spray en comparaison de l'injection dans un gaz au repos. / Two-phase flows are involved in numerous actual industrial processes (agriculture, pharmacy, painting...). However, the complex interactions between phases (entrainment, particle trajectory modification, energy transfer...) are not well understood, especially for the gasoline direct injection, which represents the context of this study. For this experimental study, instantaneous dynamics of both phases are studied in a plan to highlight the aerodynamic interactions between phases. To achieve that, a two-phase FPIV diagnostic, based on using a fluorescent dye for each phase, is developed to simultaneously acquire separated images of each phase on two independent cameras. Instantaneous and simultaneous velocities of both phases are measured without any image pre-processing. Firstly, this optical diagnostic is applied to the characterisation of a spray injection in a gas at rest. The spray drags the gas by a momentum transfer from spray to gas. The spray droplet dispersion and the mixture between the two phases, which result from this kinetic energy transfer, depend on the spray topology and the injection pressure. Then, these interactions are studied in a transparent monocylinder engine. The comparison between cycles with and without injection reveals a significant impact of the spray presence on the internal aerodynamic through the development of new structures and the modification of tumble characteristics. The internal aerodynamic also modifies the spray development in comparison to the injection in a gas at rest.