La croissance mondiale, économique et industrielle, ainsi que la rapide progression démographique des populations, ont fait augmenter la demande en énergie fossile. Ces dernières années, beaucoup de recherches ont été orientées vers de nouvelles ressources énergétiques qui peuvent remplacer les carburants fossiles conventionnels. Les biocarburants sont des carburants écologiques renouvelables, obtenus grâce à la transformation des matières grasses animales et végétales. Ils sont classés en tant que ressource idéale, non-toxique et renouvelable, substituant avantageusement le Diesel conventionnel. Dans cette optique, nous nous sommes intéressés à la production des biocarburants à partir d’une source végétale, non alimentaire, très abondante dans le bassin méditerranéen, en l’occurrence le pistachier lentisque, par deux procédés, l’un est chimique appelé transestérification et l’autre est thermochimique, la solvolyse. Les caractérisations des biocarburants conformément aux normes en vigueur, ont montré que les propriétés physico-chimiques sont comparables à celles du Diesel conventionnel. Un moteur Diesel monocylindre refroidi à l'air, a été utilisé pour évaluer les caractéristiques de la combustion de ces biocarburants, à 1500 tr/min, sous diverses conditions de charges du moteur. Les caractéristiques de la combustion (pression du cylindre, délai d’auto-inflammation, taux de dégagement de chaleur et durée de combustion) des biocarburants obtenus, sont comparées à celles du Diesel conventionnel. / The world economic and industrial growths, as well as the demographic rapid progression, have increased the fossil energy demand. These last years, much of researches were directed towards new energy resources which can replace the conventional fossil fuels. The biofuels are renewable ecological fuels derived from biomass; they are classified as an ideal resource, non-toxic and renewable component with respect to the conventional Diesel. In this context, we were firstly interested to the production of the biofuels starting from a non-edible vegetable source widely available in the Mediterranean basin which is the Pistacia Lentiscus using two processes. The first one is a chemical method named “transesterification” and the second one is a thermochemical procedure called “solvolysis”. The biofuels physicochemical properties, measured via standard methods, are similar to those of Diesel fuel. A single cylinder, naturally aspirated DI Diesel engine is operated at 1500 rpm with either pure produced biofuels or their blends with Diesel fuel for several ratios (50, 30 and 5 v%) and engine load conditions. The combustion parameters, their blends are compared with those of Diesel fuel.

Cette thèse porte sur le diagnostic d'un moteur diesel vingt cylindres entraînant un groupe électrogène de secours de centrale nucléaire. L'objectif est de réaliser un diagnostic de ce moteur à partir d'une mesure des fluctuations de vitesse du vilebrequin. L'étude s'est focalisée sur les défauts affectant le processus de combustion. Du fait des dimensions imposantes du moteur, les premiers modes de torsion du vilebrequin sont situés dans les basses fréquences. La superposition des ondes de torsion au déplacement du vilebrequin en tant que corps rigide complique considérablement l'analyse du signal. Peu de travaux ont ainsi été entrepris sur un moteur aussi gros. Dans cette thèse, un modèle dynamique en torsion du vilebrequin sous l'hypothèse d'élasticité de celui-ci est tout d'abord établi. Les paramètres de ce modèle sont optimisés afin de reproduire au mieux la réponse en vitesse réelle du vilebrequin. Une méthode de diagnostic originale basée sur une reconnaissance de formes du signal de vitesse est ensuite proposée. En ffet, du fait de l'excitation des premiers modes de torsion, la réponse en vitesse du système présente une signature distincte en fonction du cylindre défectueux. Les formes types, représentatives des différents modes de fonctionnement du moteur, sont obtenues à partir du modèle précédemment établi et non à partir d'essais expérimentaux constituant ainsi la principale originalité de ce travail. Les résultats obtenus en phase opérationnelle sont encourageants. Un défaut réel de combustion a été correctement diagnostiqué incluant la détection du défaut, la localisation du cylindre défectueux ainsi que la quantification de la sévérité du défaut.

Nous assistons depuis quelques années à une mutation profonde du domaine des réseaux électriques. Cette modification a pour origine la dérégulation du secteur électrique. C'est dans ce contexte que se développent de petits groupes de production raccordés aux réseaux de distribution. Cette production est appelée "production décentralisée" ou "dispersée". Cependant, les réseaux de distribution n'ont pas été conçus pour recevoir une grande quantité de production. Dans ce contexte, l'insertion de cette production aura un impact certain sur la conduite et le fonctionnement de ces-réseaux de distribution. Pour étudier les différents impacts, attendus ou non, il faut disposer de modèles qui permettent de représenter le comportement des différents groupes susceptibles d'être connectés sur ce réseau. Nous avons ainsi développé un modèle pour un moteur Diesel turbocompressé. Ce modèle est du type "couple moyen". Sa structure est générique sous forme modulaire et chaque module représente une fonctionnalité du moteur. L'approche fondamentale consiste à prendre en compte uniquement les dynamiques mécaniques du moteur, les différentes variables thermodynamiques étant déterminées en cours de simulation par une méthode quasi-statique. Des simulations de raccordement sur un réseau de distribution réel (55 noeuds) ont été réalisées et ont montré les apports de ce modèle par rapport aux modèles existants.

Le travail présenté dans ce manuscrit concerne les mesures de taille de particule et de fraction volumique de suies dans des conditions moteur Diesel. Les techniques utilisées sont la laser-Induced incandescence (LII), la méthode d’extinction laser (LEM), la pyrométrie, et l’analyse d’images de microscopie électronique par transmission (TEM) d’échantillons prélevés in-Situ. Des stratégies de mesure de tailles de particules sont développées en se basant sur l’utilisation d’un modèle LII et en analysant la poly-Dispersion des tailles de particules, aussi bien à partir de signaux de LII résolu en temps (mesures ponctuelles) à pression atmosphérique, que d’informations résolues spatialement provenant d’images acquises a deux instants différents. Des mesures sont effectuées avec ces stratégies sur une flamme à pression atmosphérique et dans des conditions représentatives des conditions moteur Diesel pour évaluer leur applicabilité. Des mesures supplémentaires de température et de fraction volumique de suies sont aussi réalisés.Une nouvelle méthode, appelée two-Exponential reverse fitting (TERF) est introduite. Elle vise à extraire des informations sur la distribution de tailles de particules. Cette méthode est basée sur l’utilisation de fits mono-Exponentiel du signal de décroissance de LII à différents intervalles de temps. La distribution de tailles de particules est approximée par la combinaison de deux distributions de tailles de particules mono-Disperses : une petite et une large. Aucune hypothèse sur la forme de la distribution n’est nécessaire. La méthode permet aussi de fournir le ratio de la proportion respective des deux classes de particules. L’erreur systématique induite par la description mono-Exponentielle de la décroissance du signal de LII a été calculée et est inférieure à 2% pour des décroissances de signal de LII d’aggregats mono-Disperses avec des températures de chauffe pour lesquels la sublimation des suies est négligeable. La méthode a été appliquée à des données de LII obtenus sur une flamme laminaire atmosphérique éthylene/air à différentes hauteurs. Les résultats obtenus montrent un bon accord entre les tailles des grosses particules évaluées avec la méthode TERF et celle obtenue par analyse des images TEM. En revanche l’accord n’est pas obtenu pour les petites particules, ce qui est attribué à un manque d’information sur cette classe de particule dans l’analyse TEM.Des champs de fraction volumique de suies sont ensuite obtenus dans une cellule haute pression haute température dans les conditions opératoires du réseau ECN (Engine Combustion Network) par technique combinée de LEM et LII simultanées. Les mesures sont réalisées dans les conditions du spray A et incluent des variations paramétriques (température et dilution). La distance de Lift Off de la flamme est déterminée en parallèle par visualisation directe de la chimiluminescence OH. Des niveaux de fraction volumique maximale de 2-3ppm sont obtenus dans les conditions nominales du spray A (i.e. 900K), et peuvent atteindre 12 pmm à haute température (1030K). L’effet des variations de température et de concentration d’oxygène sur la formation et l’oxydation des suies et cohérente avec les résultats issus de la littérature.Une méthode d’imagerie de taille de particules est développée. Elle est basée sur l’acquisition de deux images de LII obtenues à deux instants différents après le pulse laser et l’analyse de ces images à l’aide de la simulation du signal LII pour déduire les tailles des particules à partir du rapport des images. Une stratégie basée sur une analyse par modèle LII est développée pour évaluer les incertitudes de mesure. La dépendance aux conditions limites de l’imagerie de taille de particule par LII est ainsi évaluée. [...] / This work focuses on measurements of soot particle size and volume fraction at Diesel engine conditions. A combination of laser-Induced incandescence (LII) imaging, line-Of-Sight laser extinction, soot pyrometry, and transmission electron microscopy (TEM) measurements of thermophoretically-Sampled soot was used. Particle sizing strategies were developed with LII model for the analysis of particle-Size poly-Dispersity with time-Resolved LII signal that is suitable for point-Wise measurements at atmospheric pressure, and for spatially-Resolved characterization with two-Time-Step LII imaging. Measurements were performed with these strategies in a flame at atmospheric pressure and in Diesel engine combustion to investigate their applicability. Additional measurements were performed for temperature and soot volume fraction.A novel method, called two-Exponential reverse fitting (TERF), is introduced to extract information about the size distribution. The method is based on mono-Exponential fits to the LII signal decay at a delayed time. It approximates the particle-Size distribution as a combination of one large and one small mono-Disperse equivalent mean particle size and does not require a distribution assumption. It also provides a ratio of the contribution of both size classes. The systematic error caused by de-Scribing LII signals by mono-Exponential decays was calculated as less than 2% for LII signals simulated for mono-Disperse aggregated soot with heat-Up temperatures for which evaporation is negligible. The method was applied to LII data acquired in a laminar non-Premixed ethylene/air flame at various heights above the burner. The particle size of the large particle-Size class evaluated with the method showed good consistency with TEM results, however the size of the small particle-Size class and its relative contribution could not be compared due to insufficient information in the TEM results for small particles. Simultaneous line-Of-Sight laser extinction measurements and LII imaging were performed to de-Rive the soot volume fraction in a high-Temperature high-Pressure constant-Volume pre-Combustion vessel under the Engine Combustion Network’s (ECN) "Spray A" conditions with parametric variations of gas temperature and composition. Extinction measurements were used to calibrate LII images for quantitative soot distribution measurements. OH-Chemiluminescence imaging was used to determine the lift-Off length, and used to interpret the soot measurements. Maximum soot volume fractions around 2–3 ppm were obtained at the nominal ambient temperature defined for Spray A (i.e. 900 K) that rise to 12 ppm at elevated temperature (1030 K). Variations of ambient temperature and oxygen concentration were carried out showing effects on soot formation and oxidation that are consistent with the literature.The method for particle-Size imaging is based on evaluating gated LII signals acquired with two cameras consecutively after the laser pulse and using LII modeling to deduce particle size from the ratio of local signals. A strategy was developed with a model-Based analysis: the dependence of LII particle-Size imaging on the assumed boundary conditions was identified such as bathgas temperature, pressure, particle heat-Up temperature, thermal accommodation coefficients, and soot morphology. Various laser-Fluence regimes and gas pressures were considered. Effects of laser attenuation were evaluated. A combination of one detection gate starting with the particle-Heating and the other starting with 11 ns delay with twice as long gate width was found to provide the highest sensitivity for particle sizing at 60 bar. The optimum gate delays for different pressures were calculated. The effects of timing jitter for laser pulse and poly-Dispersity were investigated. Systematic errors in pyrometry imaging at 60 bar was evaluated. [...]

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

Le spectrofiltre est un filtre de Wiener utilisé pour isoler le bruit de combustion du moteur Diesel. Ce filtre est déterminé pour chaque point de fonctionnement et nécessite un traitement important des données. Il est donc difficile de mener des études perceptives sur le bruit de combustion obtenu selon plusieurs réglages moteur. Afin de pallier à cet inconvénient, cette thèse a pour objectif de définir un filtre commun qui puisse synthétiser un bruit de combustion en tout point de fonctionnement. Pour cela, une étude perceptive a montré que la substitution du spectrofiltre conventionnel par un autre filtre de Wiener permet la synthèse d’un bruit de combustion. L’utilisation d’un spectrofiltre commun est donc possible. L’analyse modale expérimentale permet d’estimer le filtre de Wiener à partir de données caractéristiques de la structure du moteur. Après analyse sur un signal synthétique, la méthode ESPRIT apparait la plus appropriée, mais nécessite quelques optimisations pour être adaptée aux particularités des spectrofiltres. Les filtres de Wiener de plusieurs régimes sont estimés selon différentes conditions d’estimation, définies par le critère ESTER. Une évolution fictive de l’amortissement selon le régime moteur est observée, et rattachée au fenêtrage temporel effectué dans le calcul du spectrofiltre. Une expérience perceptive est ensuite menée pour identifier si le critère ESTER permet d’estimer des filtres assez précis pour synthétiser des bruits de combustion similaires aux bruits de combustion conventionnels. Les résultats amènent à concevoir le spectrofiltre obtenu au ralenti comme un bon filtre commun, tant d’un point de vue physique que perceptif. / The spectrofilter is a Wiener filter used to extract combustion noise. This filter requires an important data processing and is determined in all operating conditions. Thus it is difficult to carry out perceptual studies on combustion noise from various motor adjustments. To overcome this drawback, this PhD dissertation aims to define a common filter which can synthesize a combustion noise in all operating conditions. For this, a perceptual study showed that the substitution of the conventional spectrofilter by another Wiener filter allows the synthesis of a combustion noise. The use of a common spectrofilter is thus possible. The experimental modal analysis allows to estimate the Wiener filter from characteristic data of the engine structure. After studying on a synthetic signal, the ESPRIT method seems to be the most appropriate, but requires some optimizations to be adapted to spectrofilter peculiarities. The Wiener filters of several running speeds are estimated in different estimating conditions, defined by the ESTER criterion. A fictitious damping evolution with the running speed is observed and linked to the temporal windowing applied on the spectrofilter computation. A perceptual experience is then carried out to identify if the ESTER criterion allows to estimate accurately filters to synthesize combustion noises similar to conventional combustion noises. The results lead to conceive the spectrofilter obtained in idling condition as a good common filter, as in a physical point of view that perception.

Dans l’environnement concurrentiel d’aujourd’hui, la mondialisation des marchés et les enjeux socio-écologiques du développement durable représentent des défis majeurs pour l’industrie automobile. Afin de relever ces défis, les entreprises doivent investir dans des outils de développent plus performants. Pour améliorer la performance d’un moteur thermique en termes de consommation et d’émissions une compréhension enrichie de la boucle d’air autour du moteur et de l’interaction entre ses composants est indispensable Cette thèse suit deux axes de recherche dans ce contexte. Dans un premier temps, les problèmes liés à la modélisation d’une boucle d’air globale sont traités. En particulier, sont modélisés le débit d’air entre les différents sous-systèmes, la combustion en fonction du degré vilebrequin, la pulsation du débit et de la pression et l’estimation de la force aérodynamique sur les vannes des turbocompresseurs à géométrie variable (TGV). Cette étude de modélisation détaillée à été utilisée pour mettre en place un simulateur de la boucle d’air, qui prend en compte ces interactions et qui peut prédire l’influence des sous-systèmes sur la boucle globale. En suite, l’effort de notre recherche a été consacré à la modélisation des actionneurs mécatroniques de la boucle d’air et de leur comportement non linéaire dû au frottement, aux variations de la température, etc. Un modèle dynamique non linéaire à été développé et intégré dans le simulateur. Ce modèle peut être adapté aux plusieurs types d’actionneurs commerciaux. Le simulateur complet à été implémenté sous AMESim pour les modèles du moteur et de la boucle d’air, et sous Simulink pour le contrôle. Les modèles ont été paramétrées selon les spécifications d’un moteur commercial et le simulateur à été validé expérimentalement. Finalement, des lois de commande robustes ont été étudiées pour le contrôle en position (contrôle locale) des actionneurs. Un contrôleur adaptatif à été développé pour garantir la performance des actionneurs malgré des changements dans le frottement, ainsi que dans la charge externe. La performance de toutes les méthodes étudiées, a été validée expérimentalement. / Today’s globally competitive market and its associated environmental and social issues of sustainable development are major challenges for the automobile industry. To meet them, the industry needs to invest in high performance development tools. For improving engine performance in terms of consumption and emission, the interactions between the subsystems of the engine air-path need to be understood. This thesis followed two major axes of research in this context. First, the problems related to the modeling of the global air-path system were studied, which include the airflow characteristics between the different subsystems of the air-path, high frequency combustion modeling and pulsating airflow, and estimation of the exhaust aerodynamic force on the vanes of variable geometry turbochargers (VGT). The detailed modeling study was used for developing an engine air-path simulator, which takes into account these interactions and predicts the influence of subsystems on the global air-path. The second axis of research was focused on modeling of mechatronic actuators of the air-path, taking into account their nonlinear behavior due to friction and changes in operating conditions. A generic nonlinear dynamic model was developed and included in the simulator. This model can be adapted to most commercial actuators. The complete simulator has been implemented using AMESim for engine and air-path modeling, and Simulink for control. It has been parameterized according to the specifications of a commercial diesel engine and validated against experimental data. Finally, robust local controllers were studied for actuator position control, aimed at guaranteeing the performance of the actuators under parametric uncertainty and external disturbances. An advanced controller was developed, which adapts to changes in friction characteristics of the actuator and external load changes. The performance of all controllers has been demonstrated experimentally.

Cette thèse adresse le problème de la commande prédictive non linéaire (CPNL) appliquée aux systèmes à dynamiques rapides. Pour ces systèmes, le temps de calcul disponible peut s'avérer insuffisant pour la résolution des problèmes d'optimisation fortement non linéaires et contraints. Dans ce contexte, l'approche paramétrique utilisée dans cette thèse peut s'avérer un choix pertinent pour résoudre ce type de problèmes. Deux exemples d'application sont présentés pour souligner les avantages de la méthode paramétrique: le circuit d'air d'un moteur diesel et le système des pendules jumeaux sur un chariot. Une validation expérimentale sur les deux procédés est aussi proposée pour montrer l'efficacité des solutions proposées.

Ce travail porte sur la modélisation de la formation et l'oxydation des suies avec, comme objectif final, l'optimisation du développement des moteurs thermiques en terme de réduction des émissions de particules. Pour atteindre cet objectif, un modèle de suie a été développé et couplé à un modèle de combustion dans un code aérothermique 3D. Le modèle de suie vise à reproduire la distribution en taille des particules avec une précision raisonnable. Pour ce faire, une méthode de sectionnement a été choisie et améliorée afin de satisfaire à des critères industriels en termes de temps de calcul et de charge mémoire. Dans une première étape, un mécanisme cinétique détaillé d'oxydation d'hydrocarbures représentatifs des carburants a été développé et validé dans de larges domaines de pression et de configurations expérimentales. Ce mécanisme permet de modéliser la formation de composés aromatiques dans la phase gaz, étape initiale du modèle de suie. Si l'utilisation d'une cinétique détaillée est indispensable pour satisfaire aux exigences de précision, elle nécessite le recours à des techniques de tabulation de la chimie afin de ne pas recalculer les termes chimiques localement, ce qui est trop coûteux en temps de calcul. Trois types de tables, impliquant des couplages différents avec le modèle de combustion, ont été proposés. L'intégration du modèle de suie dans STAR-CD™ a nécessité l'implantation des tables générées, des équations du modèle de suie et du couplage entre le modèle de suie et le modèle de combustion. Une première validation a été réalisée avec des valeurs de table imposées afin de s'affranchir des hypothèses de couplage. Dans un deuxième temps, la simulation de la combustion dans un moteur conventionnel, à pleine charge, a été réalisée. Les résultats obtenus étant encourageants, une dernière validation a été effectuée sur la base d'une campagne de mesures (technique LII) réalisées sur moteur à accès optiques fonctionnant en charge partielle.

Le sujet de cette thèse est la modélisation de la combustion turbulente en milieu diphasique telle qu'elle a lieu par exemple dans les moteurs Diesel. Certaines expériences notamment celles présentées dans cette thèse suggèrent que quand le combustible nécessaire à la combustion est sous forme d'un nuage de gouttes, les fluctuations en particulier de richesse dans le milieu gazeux sont plus fortes. Cela doit être pris en compte dans la modélisation et pourrait être dû à la présence des gouttes. Celles-ci en s'évaporant, jouent le rôle de sources de combustible ponctuelles, aléatoirement réparties dans l'espace, ce qui crée plus de fluctuations à l'échelle de l'espace intergoutte. Ces fluctuations supplémentaires sont prises en compte ici par un groupe de termes lié à l'évaporation, dans l'équation de la variance de la variable de mélange, qui sont fermés en considérant les équations locales d'un milieu diphasique. L'importance d'une nouvelle variable décrivant l'état du mélange à la surface des gouttes au moment de l'évaporation d'une particule fluide a été montrée. Une équation fermée a été écrite pour cette variable. Ces deux nouvelles caractéristiques permettent de mieux décrire l'état du mélange. Pour représenter la combustion nous avons d'abord utilisé un modèle qui suppose que la chimie est infiniment rapide. L'état du milieu thermochimique est alors complètement dépendant de l'évaporation et du mélange sans influence de la cinétique chimique. Le modèle MIL de Gonzalez et Borghi est ensuite utilisé pour prendre en compte certains effets chimiques. Il suppose que la chimie est infiniment brusque, c'est-à-dire à température d'activation très élevée. Ces deux modèles ont été testés pour deux configurations expérimentales, une flamme de type jet et une bombe simulant la combustion dans les moteurs Diesel. Les taux de fluctuation trouvés lors de ces simulations sont assez élevés et mettent en avant la nécessité de bien estimer la dissipation des fluctuations scalaires. Les résultats trouvées en utilisant ces modèles sont comparables à ceux mesurés, notamment dans le cas de la bombe de type Diesel, le modèle MIL permet de retrouver un temps d'auto-allumage et une longueur de la flamme réaliste.