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.

L'intérêt pour les énergies renouvelables et pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre a conduit au développement de l'éthanol comme carburant pour les moteurs à combustion interne. Les moteurs dits Flexfuel, en particulier, peuvent fonctionner avec un mélange quelconque d'essence et d'éthanol. Ces deux carburants ont des propriétés physico-chimiques différentes, qui influent sur le fonctionnement du moteur et, partant, sur son contrôle. Les systèmes de contrôle moteur habituels ne prennent pas en compte ces propriétés variables. Sur un moteur Flexfuel, les réglages doivent être adaptés à chaque carburant, afin de maintenir le niveau des émissions polluantes et l'agrément. Cependant, ces adaptations ne doivent pas se faire au prix d'un accroissement excessif du travail de calibration. Cette thèse traite de ces questions. Les effets des différentes propriétés du carburant sur le moteur et son contrôle sont tout d'abord analysés afin de définir les besoins en termes de contrôle. Un modèle moyen de moteur, adapté aux variations de propriétés du carburant, est alors développé pour reproduire ces effets et permettre l'évaluation de stratégies de contrôle. Dans ce travail, celles-ci incluent une méthode d'estimation de la composition du carburant pendant le fonctionnement du moteur, et son utilisation dans le contrôle de la richesse. / The interest in renewable energies and in the reduction of greenhouse gas emissions has led to the development of ethanol as a fuel for internal combustion engines. In particular, so-called Flexfuel engines can run on any mixture of gasoline and ethanol. These two fuels have different physico-chemical properties. These influence engine operation, and in turn, its control. These variable properties are not taken into account in conventional engine management systems. In a Flexfuel engine, the engine settings must be adapted to each fuel used, in order to maintain the pollutant emissions and the drivability levels, andto take advantage of the performance and efficiency improvements allowed by ethanol. However, these adaptations should not result in a cumbersome increase in the calibration work. This thesis addresses these issues. The effects of the different fuel properties on the engine and its control are first analyzed, for defining the control requirements. A mean-value, fuel-flexible, engine model reproducing these effects is then developed for the evaluation of control strategies. These include in this work a method for estimating the fuel composition during engine operation, and its use in the equivalence ratio control.

Dans le but de réduire la consommation en carburant et les émissions de CO2 des moteurs à combustion interne, un des leviers, qui a intéressé diffèrent acteurs dans le secteur automobile, est la récupération de l’énergie thermique disponible dans les gaz d’échappement. Malgré différents technologie ont été investigués dans le passé; les transferts de chaleur qui apparient dans les gaz d’échappement n’ont pas encore étés suffisamment étudiés. Le fait que les échanges de la chaleur apparent dans des conditions pulsatives, notamment due aux conditions de fonctionnement moteur, rende les connaissances acquis jusqu’à présent limités et ne pas exploitables. A l’état actuel on n’est pas capable de pouvoir prédire le transfert thermique convectif des écoulements pulsé. Les travaux de cette thèse s’instaurent dans la continuité de ce besoin, l’objectif principal est donc l’étude expérimentale du transfert thermique convectif des écoulements turbulent pulsés dans un conduit cylindrique. La première partie de ce travail a été consacrée à le dimensionnement d’un moyen d’essais permettant la création d’un écoulement pulsé type moteur; en suite différents méthodes de mesures ont étés développes afin de connaitre les variations instantanés de vitesse et température de l’écoulement. Plusieurs essais ont été reproduits afin de caractériser l’impact de la pulsation sur le transfert de la chaleur. Les résultats expérimentaux ont été analysés avec deux approches différentes: dans un premier temps une approche analytique 1D a permis de mettre en évidence le mécanisme principal responsable de l’amélioration du transfert thermique convectif,ainsi, il a fourni des éléments supplémentaires pour le futur développement de modèles mathématiques plus adaptés à la prédiction des transferts d’énergie. En suite une approche 2D, supporté d’une phase de modélisation numérique, a permis de caractériser le mécanisme de transport radial d’énergie thermique. / Waste Energy Recovery represents a promising way to go further in fuel saving and greenhouse emissions control for Internal Combustion Engine applications. Although several technologies have been investigated in the past few years, the convective heat transfers, playing an important role in the energy exchanges at the engine exhaust, has not receive enough attention. Heat transfers, in such applications, occur in pulsating conditions because of the engine operating conditions, making thus the actual knowledge of the heat transfer phenomena limited and not exploitable. Nowadays there is not any model capable to predict convective heat transfers for pulsating flows. In this context, the present thesis addresses the purpose to study the convective heat transfer phenomena, by an experimental approach, occurring for turbulent pulsating flows in pipes. In the first part of this work, an experimental apparatus has been designed to reproduce an exhaust type pulsating flow in fully managed conditions, as well as, several measurement techniques have been developed to know the instantaneous profiles of air temperature and velocity. Many experiments have been performed in order to characterize the impact of the flow pulsation on the convective heat transfers. In the second part of this work, the experimental results have been analyzed with two different approaches: firstly, with a 1D assumption the time-average convective heat transfers has been computed, and the major mechanism responsible of the heat transfer enhancement has been pointed out. Furthermore, it has been possible to highlight the mathematical term representative of such mechanism, which should be accounted in future to define a more adapted numerical model for the heat transfer prediction. In a second phase with a 2D assumption, and, with an energy and a fluid-mechanic computational phase, the radial transport of thermal energy has been characterized for a pulsating flow.

Les écoulements dans les circuits d'admission et d'échappement des moteurs à combustion interne jouent un rôle majeur pour la détermination des différents rendements (volumétrique, de balayage et mécanique), la puissance indiquée, les performances, les émissions et en établissant le champ d'écoulement dans le cylindre. Lorsque les gaz s'écoulent transitoirement à travers ces systèmes, l'ensemble des forces de frottement, de pression et d'inertie de gaz sont présentes. L'importance relative de ces forces dépend de la vitesse du gaz et les dimensions et les formes de tels systèmes. Traditionnellement, ces écoulements sont étudiés au moyen des équations de dynamique des gaz unidimensionnelles (1D) où, le phénomène tridimensionnel de l'écoulement et la déformation des ondes de pression, la turbulence et la viscosité sont ignorés ou négligés. L'approche thermodynamique (0D) a été aussi utilisée où l'effet important d'inertie de fluide lié aux dimensions des composantes de ces circuits d'admission et d'échappement a été ignoré. Dans cette étude, la méthode de vidange remplissage, a été complètement révisée et une nouvelle méthode (Méthode Inertielle Capacitive MIC), basée sur la formulation thermodynamique de la méthode de vidange remplissage et sur l'équation fondamentale de la conservation de la quantité de mouvement, est développée. L'objectif est ensuite de tenir compte des effets d'inertie de fluide sur le comportement de fluide ou de l'écoulement sans utilisation du code unidimensionnel 1D (à cause du long temps de calcul). Pour cet objectif, des analyses de calcul CFD ont été élaborées afin de calculer les paramètres de calage de " la méthode inertielle capacitive " correspondant au nouveau modèle. Dans cette étude, il est apparu que les effets d'inertie ignorés de la formulation de la méthode de vidange remplissage sont les causes pour que cette dernière soit valable uniquement pour les circuits compacts d'admission et d'échappement de MCI. Pour valider le nouveau modèle, une investigation expérimentale a été réalisée sur un moteur monocylindrique à quatre temps. Le débit volumétrique du moteur est ensuite calculé avec le nouveau modèle. Le résultat est comparé à celui issu de l'expérimental et un bon accord a été obtenu.