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.

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.

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.

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.

La microgéométrie de la surface de la chemise joue un rôle très important dans les pertes par frottement et dans la consommation de l’huile dans un moteur à combustion interne. Une des texturations classiques de cette surface est celle créée par pierrage. Elle se compose de plateaux plus ou moins lisses et de profondes stries croisées. L’´épaisseur du film d’huile est influencée fortement par cette texturation. Un modèle simplifié du contact segment chemise a été créé en la présence de la microgéométrie. Puis, un code de calcul basé sur la méthode numérique multigrille a été développé. Ce code a été utilisé pour des études paramétriques avec des jeux de paramètres très variés. Les calculs quantifient l’influence de cette microgéométrie particulière sur la relation film d’huile - portance. Les résultats mettent en évidence deux mécanismes distincts de génération de portance selon le type du segment. Le segment parabolique porte par son convergent et les stries ne font que diminuer cette portance. Inversement, le segment plat ne porte pas et ce sont les stries qui génèrent la portance. Deux modèles de prédiction ont finalement été déduits, un pour les segments paraboliques et un pour les segments plats. Ces deux prédictions ont ensuite été validées par des calculs sur des surfaces mesurées; / The liner microgeometry influences the friction losses and the oil consumption in IC engines. The cross-hatched texturing, created by the honing process, plays an essential part in the load carrying capacity - film thickness relation. This work studies the influence of the crosshatched groove parameters on the piston ring load carrying capacity. First, a simplified model of the hydrodynamic contact has been created. Thus a Multigrid based code was developed. Calculations with different sets of microgeometric parameters have been performed. These calculations quantify the load carrying capacity for both parabolic and flat rings. The results show that the load carrying capacity is generated differently in both cases. For the parabolic case, the pressure is build up by the wedge in the inlet zone and the grooves decrease the global load carrying capacity. In the flat case the grooves generate the total load carrying capacity. Finally, two prediction models were deduced for the parabolic ring and for the flat ring. These predictions were validated by measured surface calculations.

La réduction des émissions de dioxyde de carbone et de polluants réglementés (oxydes d'azote, hydrocarbures, particules...) dans les moteurs à allumage commandé est possible via l'apport de nouvelles technologies comme le downsizing, l'injection directe, la suralimentation, etc... Toutefois, les gains apportés par ces technologies, qui complexifient grandement le groupe motopropulseur, sont réduits du fait qu'elles induisent aussi une augmentation de l'intensité de certains phénomènes tels que les variations cycliques de la combustion (VCC) ou les combustions anormales. La compréhension de ces phénomènes est une clé dans l'amélioration des futurs moteurs à essence. L'objectif principal de cette thèse est de permettre la modélisation des phénomènes transitoires et acycliques dans des moteurs à structure de plus en plus complexe grâce au développement, à la validation puis à l'application d'une méthode de couplage entre la simulation aux grandes échelles (SGE ou LES pour Large-Eddy Simulation en anglais) et la simulation système. Ces travaux de thèse ont permis de démontrer qu'il est possible de simuler une configuration moteur et d'en étudier les comportements transitoires en 3D tout en prenant en compte la dynamique de tous les composants du moteur. Les simulations obtenues par cette approche pour le moteur du projet ANR SGEmac ont été comparées avec succès aux résultats expérimentaux et à des simulations tridimensionnelles : ces résultats constituent la dernière étape de validation du couplage et démontrent sa capacité à simuler des systèmes moteurs complets. Les codes couplés développés sont ensuite appliqués à l'étude des transitoires de charge et de régime pour le moteur du projet ANR ASTRIDE. La comparaison simulation/expérience montre que le solveur couplé permet bien de remplir les objectifs fixés de simulation des VCC et des transitoires. / The decrease of greenhouse gases and pollutant emissions (nitrous oxides, carbon oxides, particles...) for spark ignited engines goes through the development of new technologies such as direct injection, turbocharging, downsizing, etc. However, the benefits of these technologies, which complexify the engines, are limited by the phenomena they intensify such as Cyclic Combustion Variability (CCV) and abnormal combustions. A thorough understanding of these phenomena is a cornerstone for the improvement of future engines. The aim of this work is to predict acyclic and transient phenomena in increasingly complex engines through the development, the validation and the use of a coupling method between Large-Eddy Simulation (LES) and system simulation. This thesis has demonstrated that simulating a complete industrial engine in 3D with LES to study its transient behavior is possible. The methodology developed in the present work was used to study the engine of the national research agency project SGEmac and a good agreement was obtained between the experiments and the tridimensional simulations. These results are the last validation step of the coupling method and demonstrate the capacity of the coupled solver to simulate the whole engine. The coupling method is then applied to study engine load and regime transients for the national research agency project ASTRIDE. The comparison between simulations and experiments show that the coupled solver can simulate CCV and transients, thus fulfilling its initial goal.

La quantité de gaz résiduels présents dans le cylindre d’un moteur à combustion interne a une influence important sur son fonctionnement (combustion, rendement, émissions,..) particulièrement en allumage commandé. Aujourd’hui, il est possible de modifier cette quantité, notamment grâce à des systèmes de distribution variable. Cependant, la détermination expérimentale de la quantité de résiduels et l’estimation à partir de modèles numériques restent délicates. L’objectif de cette thèse est de proposer de nouvelles méthodologies pour traiter ces deux problématiques. Un point bibliographique est tout d’abord effectué pour dresser un état de l’art. Il recense les principaux paramètres influençant la quantité de résiduels, les effets des résiduels sur le fonctionnement du moteur, les moyens expérimentaux et les modèles disponibles pour en évaluer la quantité. Un système original est ensuite développé pour mesurer la quantité de résiduels à partir d’un prélèvement gazeux effectué dans le cylindre à la fin de la compression. Les résultats ainsi obtenus sur l’ensemble du champ de fonctionnement d’un moteur automobile atmosphérique à allumage commandé sont ensuite analysés en fonction du régime, de la charge et de la position du déphaseur installé sur l’arbre à came d’admission. Enfin, plusieurs modélisations de la phase de croisement des soupapes en approche 0D/1D sont évaluées. L’approche classique de mélange parfait n’étant pas satisfaisante, de nouvelles approches originales sont proposée et testées. Une approche hybride mêlant mélange parfait et déplacement parfait permet d’obtenir des résultats améliorés, après calibration d’un paramètre en fonction du régime et de la charge du moteur. / The amount of residual gas trapped in the cylinder of an internal combustion engine has a huge influence on its behavior (combustion, efficiency, emission,..), in particular for spark ignition engines. Nowadays, it is possible to modify this amount, in particular with variable valve train. However, the experimental assessment of residual gas content and its evaluation with numerical simulation are still challenging. The objective of this study is to propose new methodologies to improve these two aspects. A bibliographical survey is first proposed to give state of the art. It gathers the main parameters influencing residual gas content, the effects of residual gas on engine behavior, experimental procedures and numerical models available for residual gas content estimation. An original system is then developed to measure the amount of residual gas with an in-cylinder gas sampling triggered at the end of compression stroke. The results, obtained on the whole operating map of a naturally aspirated automotive spark ignition engine, are analyzed with respect to engine rotation speed, load and cam phaser position (intake side). Finally, various modeling of valve overlap with a 0D/1D approach are assessed. The standard “perfect mixing” assumption is not fully satisfactory, so that new assumptions are proposed and tested. A hybrid approach combining “perfect mixing” and “perfect displacement” allows for improved agreement with experiments, after calibration of a model parameter with respect to engine rotation speed and load.

La diminution de la cylindrée ou le downsizing du moteur est potentiellement l'une des stratégies les plus efficaces pour améliorer la consommation de carburant et diminuer les émissions polluantes. Dans le domaine de la suralimentation, la simulation est limitée par les caractéristiques de fonctionnement des turbines fournies par les constructeurs. Une extrapolation précise et fiable des cartographies turbine est donc l’objectif de cette thèse. Une étude expérimentale sur une turbine radiale d’un turbocompresseur est effectuée avec différentes techniques pour mesurer la cartographie turbine la plus large possible. Les mesures sont effectuées sur un banc turbocompresseur classique avec différentes températures d'entrée turbine. Puis une technique de gavage en entrée et en sortie compresseur est testée. Le compresseur est ensuite remplacé par un autre compresseur à roue inversée qui peut aider la turbine à tourner et même l’entrainer. Les débits les plus faibles et même les débits négatifs sont mesurés. Un banc turbine électromécanique a également été développé, mais n’a pas pu donner de résultats satisfaisants à cause de problèmes techniques mais des évolutions à venir restent prometteuses. Les diverses techniques expérimentales testées ont aussi permis de mesurer le rendement isentropique de la turbine et le rendement mécanique du turbocompresseur. Finalement, plusieurs modèles d’extrapolation des courbes caractéristiques turbine ont été testés et confrontés aux résultats expérimentaux. / Engine downsizing is potentially one of the most effective strategies being explored to improve fuel economy and reduce emissions. In the field of turbocharging,simulation is limited by the operating characteristics of turbines supplied by the manufacturers. An accurate and precise extrapolation of the turbine performance maps is the main aim of this study. An experimental study was done on a radial turbine of a turbocharger with different techniques to measure the wider turbine performance map possible. Measurements were done on a classic turbocharger test bench with different turbine inlet temperatures. Then air was blown to the compressor inlet and exit: it is the compressor “gavage”. The compressor is then replaced with another one with are versed rotor: this compressor can help the turbine turn and even drive it itself. The lowest mass flow rates are measured even the negative ones. An electromechanical turbine test bench was developed but did not work correctly because of technical problems but future developments are promising. The various experimental techniques used allowed also the measurement of the turbine isentropic efficiency and the turbocharger mechanical efficiency. Finally, many extrapolation models of the turbine performance maps were tested and compared to the experimental results.

Cette étude est motivée par la protection de l'environnement et la réduction des émissions de CO2 émis par les moteurs à combustion interne. L'objectif de la thèse est d'étudier les possibilités de la réduction de la consommation de carburant d'un moteur diesel d’automobile grâce à la récupération de la chaleur des gaz d'échappement basée sur un cycle de Rankine. Afin de déterminer l'énergie perdue, le moteur a été testé sur un banc d’essais et les paramètres des gaz d’échappement ont été mesurés. Un modèle de simulation du moteur a également été développé et validé grâce aux résultats expérimentaux. Le potentiel de récupération de chaleur sur les gaz d’échappement et sur le refroidissement a été estimé. Cette analyse a révélé que le potentiel sur les gaz d’échappement est plus élevé que celui sur le refroidissement. Grâce au modèle numérique et aux essais, la puissance et l'efficacité du cycle de Rankine ont été étudiées. Enfin, l'impact du système de récupération d’énergie sur les performances du moteur a été analysé. Les résultats montrent que la puissance du moteur augmente de 4,3% au point de puissance maximale du moteur. / This study is motivated by the environment protection and the reduction of emissions CO2 from internal combustion engines. The aim of the thesis is to study the possibilities of fuel consumption reduction of a diesel engine intended for a passenger car by means of waste heat recovery from exhaust gases based on thermodynamic cycle (Rankine cycle). In order to determine the waste heat, the engine was tested on a test bench as the exhaust parameters were measured. A simulation model of the engine has also been developed and validated by means of experimental results. The recovery potential of the exhaust gases and the cooling system has been estimated. This analysis revealed that the waste heat recovery potential of the exhaust gases is higher that the cooling sys-tem. By means of Rankine cycle numerical model and experimental test, the output power and efficiency of the Rankine cycle were studied. Finally, the impact of the heat recovery system on engine performance was studied. The results revealed that the engine power increases by 4.3% at the operating point which corresponds to the maximum engine power. / Това изследване е мотивирано от опазването на околната среда и намаляването на емисиите на CO2 от двигателите с вътрешно горене. Целта на дисертацията е да проучи възможнос-тите за намаляване на разхода на гориво на дизелов двигател, предназначен за лек автомо-бил, чрез рекупериране на енергия с цикъл на Ранкин. За да се определи неоползотворената енергия в отработилите газове бе използван изпитателен стенд. Симулационен модел на двигателя е разработен и валидиран чрез експерименталните резултати. Направена е оценка на потенциала за рекупериране на енергия от отработилите газове и охладителната система. Този анализ показва, че потенциала за рекупериране е по-голям в изпускателната система. С помощта на експериментален стенд и числен модел на цикъла на Ранкин са установени мощността и ефективността на системата. Въздействието на системата за рекупериране на енергия е изследвано. Данните показват, че мощността на двигателя се увеличава с до 4,3%.