Une des solutions pour diminuer les émissions polluantes émises par un moteur à combustion interne est de réinjecter une partie des gaz d'échappement (Exhaust Gas Recirculation, EGR) à l'admission. Cependant, dans le cas d'une dilution du mélange air-carburant trop importante, la combustion est plus instable voire ne pas s'entretenir. L'ajout d'une faible quantité d'hydrogène a le potentiel de contrer cet effet négatif de forte dilution. C'est dans ce contexte que ce travail de thèse est basé sur une étude détaillée des effets combinés de l'ajout de l'hydrogène et de la dilution dans un moteur à allumage commandé alimenté par du méthane ou de l'iso-octane. Dans la première partie de ce travail, le potentiel de l'ajout de l'hydrogène combiné à la dilution, en termes d'émissions polluantes et de rendement global du moteur, est montré. Dans la deuxième partie, afin de mieux comprendre l'effet de l'hydrogène et de la dilution dans un moteur à combustion interne et leurs influences sur les propriétés fondamentales de la combustion, la vitesse de combustion laminaire, paramètre fondamentale, a été déterminée expérimentalement pour des mélanges isooctane ou méthane avec de l'air contenant différents pourcentages d'hydrogène et de dilution. Des corrélations ont pu ainsi être formulées permettant d'estimer la vitesse fondamentale de combustion laminaire pour ces mélanges. Dans la dernière partie, l'utilisation de deux diagnostics optiques (la chemiluminescence de la flamme et la tomographie par plan laser du front de flamme couplé à la mesure de vitesse par vélocimétrie par imagerie de particules) a permis de quantifier l'effet de l'hydrogène et de la dilution sur la propagation de flamme turbulente dans un moteur à allumage commandé muni d'accès optiques. Nous avons ainsi montré que le la vitesse de combustion laminaire a un effet prépondérant, comparé au nombre de Lewis, sur la vitesse de combustion turbulente dans un moteur à allumage commandé.

Pour mieux comprendre la combustion en mode stratifié, la propagation de flammes au sein de stratifications de richesse laminaire ou turbulente a été étudiée par des mesures simultanées de richesse et de vitesse effectuées par couplage de la PIV et de la PLIF. L'accent a été mis sur le développement de méthodes permettant d'améliorer la qualité des mesures locales. En particulier, un nouvel algorithme de PIV permettant la mesure locale de la vitesse des gaz frais véritablement à l'entrée de la zone de préchauffage a été développé. Pour améliorer la résolution,les mailles de calcul s'adaptent localement à la topologie de la flamme, pour tenir compte de la forme du front de flamme et de l'expansion des gaz. L'analyse statistique des mesures conditionnée sur la richesse locale a permis de caractériser les propriétés de la flamme soumise à une stratification de richesse dans un écoulement laminaire et turbulent, en particulier en mettant en évidence un effet mémoire.

Depuis plusieurs années, la diminution des réserves de pétrole incite les différents pays à accroitre leur indépendance énergétique. De plus, diminuer l'impact environnemental de la voiture est devenu l'une des priorités de notre société. En ce sens, les normes Européennes anti-pollution sont devenues plus strictes, tandis que certains polluants sont pointés du doigt pour avoir un impact néfaste sur la santé et l'environnement. Pour répondre à cette double problématique, l'utilisation de biocarburants de type alcools dans les moteurs à allumage commandé est l'une des voies envisagées. Ce virage a déjà été entrepris à petite échelle par l'Union Européenne qui a tout d'abord autorisé l'ajout de 5%, puis de 10% d'éthanol dans l'essence. En plus de l'éthanol déjà commercialisé, le Biobutanol, biocarburant de seconde génération, apparait comme un candidat à fort potentiel pour une utilisation dans les moteurs à allumage commandé. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier le potentiel de l'utilisation de mélanges isooctane/butanol dans les moteurs à allumage commandé, en termes de performances et d'émissions polluantes. De plus, ces résultats sont comparés à ceux de mélanges isooctane/éthanol. Le dégagement de chaleur dans un moteur à allumage commandé est en partie piloté par la vitesse de combustion laminaire. Cette caractéristique a été étudiée de manière expérimentale et numérique pour différentes conditions initiales (pression et richesse) dans une enceinte à volume constant. Puis, une étude sur les premières étapes de la propagation de la combustion a été réalisée dans un moteur monocylindre à accès optique. Ces résultats en moteur ont été corrélés avec les informations laminaires. Enfin, les émissions de polluants réglementés et non-réglementés, ainsi que les performances ont été étudiées dans un moteur monocylindre à allumage commandé. Une baisse de la plupart de ces émissions a été observée avec l'ajout des deux alcools.

Face aux normes actuelles et futures de plus en plus draconiennes en termes d'émissions polluantes, les constructeurs automobiles cherchent en permanence à améliorer le rendement des moteurs à allumage commandé. L'une des voies efficaces et applicables à court terme pour réduire les émissions de dioxyde de carbone (CO2) consiste à réduire la cylindrée des moteurs tout en conservant leur performance grâce à la sur-alimentation : c'est l'approche de l'éco-suralimentation ou " downsizing ". L'une des particularités de ce mode de fonctionnement est le fort niveau de pression et de taux de dilution dans lequel se propage la flamme de prémélange. La simulation de la combustion turbulente de prémélange est devenue un outil incontournable pour la R&D. Toutefois, les hypothèses sur lesquelles reposent les modèles de combustion, tout particulièrement le modèle de flammelettes, peuvent être sujettes à discussion dans le cas d'un fonctionnement de type " downsizing ". Le but de ce travail de thèse est donc d'étudier expérimentalement les régimes de combustion de manière à valider ou non l'utilisation de ces modèles. Les grandeurs caractéristiques de la turbulence ont alors été caractérisées lors de la phase de compres-sion pour différentes pressions d'admission à l'aide de la vélocimétrie par imagerie de particules. La vitesse de combustion de laminaire a, quant à elle, été estimée à partir d'un mécanisme cinétique réduit. L'utilisation de la tomographie laser par diffusion de Mie avec et sans suivi temporel, nous a permis de caractériser la vitesse de combustion turbulente et la structure du front de flamme pour différentes pressions d'admission et différents taux de dilution. Lors de cette étude, nous avons ainsi pu mettre en évidence une cassure dans l'évolution de la PMI et de la vitesse de combustion turbulente à partir d'un taux de dilution de 25% : cette cassure a été reliée à la transition entre le régime de flammelette et le régime des flammes plissées épaissies.

Une des solutions pour diminuer les émissions polluantes émises par un moteur à combustion interne est de réinjecter une partie des gaz d’échappement (Exhaust Gas Recirculation, EGR) à l'admission. Cependant, dans le cas d’une dilution du mélange air-carburant trop importante, la combustion est plus instable voire ne pas s’entretenir. L’ajout d’une faible quantité d’hydrogène a le potentiel de contrer cet effet négatif de forte dilution. C’est dans ce contexte que ce travail de thèse est basé sur une étude détaillée des effets combinés de l’ajout de l’hydrogène et de la dilution dans un moteur à allumage commandé alimenté par du méthane ou de l’iso-octane. Dans la première partie de ce travail, le potentiel de l’ajout de l’hydrogène combiné à la dilution, en termes d’émissions polluantes et de rendement global du moteur, est montré. Dans la deuxième partie, afin de mieux comprendre l’effet de l’hydrogène et de la dilution dans un moteur à combustion interne et leurs influences sur les propriétés fondamentales de la combustion, la vitesse de combustion laminaire, paramètre fondamentale, a été déterminée expérimentalement pour des mélanges isooctane ou méthane avec de l’air contenant différents pourcentages d’hydrogène et de dilution. Des corrélations ont pu ainsi être formulées permettant d’estimer la vitesse fondamentale de combustion laminaire pour ces mélanges. Dans la dernière partie, l’utilisation de deux diagnostics optiques (la chemiluminescence de la flamme et la tomographie par plan laser du front de flamme couplé à la mesure de vitesse par vélocimétrie par imagerie de particules) a permis de quantifier l’effet de l’hydrogène et de la dilution sur la propagation de flamme turbulente dans un moteur à allumage commandé muni d’accès optiques. Nous avons ainsi montré que le la vitesse de combustion laminaire a un effet prépondérant, comparé au nombre de Lewis, sur la vitesse de combustion turbulente dans un moteur à allumage commandé. / Optimization of the intake air-fuel mixture composition is one way to reduce pollutant emissions in Spark-Ignition (SI) engines. This can be achieved by operating with a diluted mixture, i.e by recirculating the exhaust. There are however limitations on the level of dilution that can ensure the smooth running of SI engines since diluting the air-fuel mixture induces an increase in combustion duration and in cyclic variations which impair engine performance. Adding an amount of hydrogen to the fuel can extend the dilution and the lean engine operability limits, which is beneficial in reducing both emission levels and fuel consumption. The objective of this study is to investigate the combined effects of hydrogen addition and nitrogen dilution in an SI engine fuelled with iso-octane or methane. In the first part of this study, we proved that high values of indicated engine efficiency and low values of pollutant emissions can be achieved by combining hydrogen addition and diluted air-fuel mixtures in the case of SI engines. In the second part, we provided experimental values of laminar burning velocity for diluted methane or iso-octane/hydrogen/air mixtures for a better understanding of the hydrogen and dilution effects on the fundamental properties of laminar combustion. New correlations to estimate laminar burning speeds of these mixtures were also presented. In the last part, the effects of hydrogen addition, with and without nitrogen dilution, on the turbulent flame propagation were investigated in an optical SI engine fuelled with iso-octane or methane. This study was done by using two different experimental techniques (direct flame radiation visualization and laser tomography images with Particle Image Velocimetry). The main conclusion is that the laminar burning velocity, rather than the Lewis number, has the dominant effect on the turbulent burning velocity in an SI engine.

Depuis plusieurs années, la diminution des réserves de pétrole incite les différents pays à accroitre leur indépendance énergétique. De plus, diminuer l’impact environnemental de la voiture est devenu l’une des priorités de notre société. En ce sens, les normes Européennes anti-pollution sont devenues plus strictes, tandis que certains polluants sont pointés du doigt pour avoir un impact néfaste sur la santé et l’environnement. Pour répondre à cette double problématique, l’utilisation de biocarburants de type alcools dans les moteurs à allumage commandé est l’une des voies envisagées. Ce virage a déjà été entrepris à petite échelle par l’Union Européenne qui a tout d’abord autorisé l’ajout de 5%, puis de 10% d’éthanol dans l’essence. En plus de l’éthanol déjà commercialisé, le Biobutanol, biocarburant de seconde génération, apparait comme un candidat à fort potentiel pour une utilisation dans les moteurs à allumage commandé. L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier le potentiel de l’utilisation de mélanges isooctane/butanol dans les moteurs à allumage commandé, en termes de performances et d’émissions polluantes. De plus, ces résultats sont comparés à ceux de mélanges isooctane/éthanol. Le dégagement de chaleur dans un moteur à allumage commandé est en partie piloté par la vitesse de combustion laminaire. Cette caractéristique a été étudiée de manière expérimentale et numérique pour différentes conditions initiales (pression et richesse) dans une enceinte à volume constant. Puis, une étude sur les premières étapes de la propagation de la combustion a été réalisée dans un moteur monocylindre à accès optique. Ces résultats en moteur ont été corrélés avec les informations laminaires. Enfin, les émissions de polluants réglementés et non-réglementés, ainsi que les performances ont été étudiées dans un moteur monocylindre à allumage commandé. Une baisse de la plupart de ces émissions a été observée avec l’ajout des deux alcools. / For the past few years, the oil stock decrease encourages the different countries to increase their energy independence. Moreover, reducing the environmental impact of transportation became one of the priorities of our society. In this way, European emissions standards are stricter while several pollutants have been identified to have a negative impact on health and the environment. To answer this double problem, the use of alcohols biofuels in spark-ignition engines is one the promising ways. The European Union have already taken a small step in that direction by allowing a maximum of 10% of ethanol into gasoline. As well as ethanol is already marketed, Biobutanol, a 2nd generation biofuel, appears as a serious candidate with a strong potential for a spark-ignition engines use. The objective of this dissertation is to study the potential of the iso-octane/butanol blends use in spark-ignition engines, in terms of performance and pollutants emissions. Moreover, these results are compared to isooctane/ethanol blends. The heat release in spark-ignition engine is piloted for a part by laminar burning velocity. This characteristic was studied experimentally and numerically for different initial conditions (pressure and equivalence ratio) in a constant volume bomb. Then, the early flame kernel growth was studied in a spark-ignition single cylinder engine equipped with optical accesses. Those results were correlated with the results on the laminar burning velocity. Finally, regulated and non-regulated pollutants emissions and engine performance were investigated in a spark-ignition single cylinder engine. A decrease of most pollutant emissions was observed with both alcohols addition.

Les enjeux environnementaux et sociétaux de la combustion de combustibles fossiles pour la production d'énergie (électrique, chauffage ou transport), nécessitent le développement de nouveaux modes de combustion, de nouvelles technologies de brûleurs et de combustibles alternatifs (gazéification de la biomasse, biofuels, ...). La vitesse de combustion laminaire est un des paramètres fondamentaux utilisé pour caractériser la combustion pré-mélangée de ces nouveaux mélanges combustibles. Cette vitesse est une donnée de référence pour le processus de validation et d'amélioration des schémas cinétiques ainsi qu'un paramètre d'entrée pour estimer la vitesse de combustion turbulente de la plupart des codes de combustion turbulente. Mais bien qu'étudiée depuis plus de 100 ans, la détermination expérimentale précise de cette vitesse reste encore un défi de par les limitations inhérentes aux configurations expérimentales utilisées, en particulier pour les conditions de pression et de température élevées. Dans ce contexte, les objectifs de ces travaux de thèse concernent l'étude, l'analyse et la caractérisation des techniques de détermination de la vitesse de combustion laminaire à partir des flammes en expansion sphérique, en proposant une réflexion sur la minimisation de l'ensemble des sources d'incertitudes possibles sur la détermination de cette vitesse. Cette approche est réalisée pour la configuration de flamme en expansion sphérique, permettant des températures et pressions élevées et maitrisées.Dans une première partie, le formalisme des définitions des vitesses de flamme laminaire existantes dans cette configuration est rappelé afin de définir les facteurs d'incertitudes liés à la mesure expérimentale de ces vitesses (grandeurs cinématiques locales et cinétique globale). En particulier, les effets liés à l'estimation de l'état thermodynamique des gaz brûlés, du rayonnement et de la diffusion différentielle sont discutés. Dans une seconde partie, plusieurs dispositifs numériques et expérimentaux utilisés au cours de cette thèse et permettant l'étude de flammes sphériques en expansion sont présentés. Une étude utilisant quatre dispositifs expérimentaux différents est proposée afin d'analyser et caractériser les incertitudes inhérentes aux mesures et à leur traitement. Enfin dans une troisième partie, une définition rigoureuse de la vitesse de consommation est proposée et une nouvelle méthodologie pour la mesurer est développée. Une validation numérique complète est présentée. Puis les incertitudes liées aux rayonnement, à la diffusion différentielle et à l’extrapolation des données mesurées sont étudiées en détails. Cette dernière étape introduit un biais qui peut être conséquent, et une nouvelle méthodologie pour exploiter des mesures brutes est proposée par une comparaison directe avecdes simulations DNS reproduisant les expériences. / Environmental and social challenges concerning the combustion of fossil fuels for energy production (electricity, building and transport) require the development of new combustion processes, new burner technologies and alternative fuels (gasification of biomass, biofuels, ...). Laminar burning velocity is one of the fundamental parameters used to characterize premixed combustion for these new fuels. This speed is a reference for the validation and improvement of kinetic schemes and an input parameter to estimate the turbulent burning velocity of most turbulent combustion codes. But even if it has been studied over 100 years, the precise experimental measurement of this velocity is still complicated due to inherent limitations in experimental configurations used, especially for high pressure and temperature conditions. In this context, this thesis work focuses on the study, analysis and characterization of the different techniques used to determine the laminar burning velocity from spherically expanding flames and proposes a reflection on the minimization of all possible uncertainty sources. This approach is achieved with confined spherical flames which allow to obtain high temperature and pressure initial conditions. In the first part, the formalism of existing laminar flame speeds in spherical expanding configuration is reminded to define the factors of uncertainty related to the experimental measurement (local kinematic and global kinetic variables). In particular, the effects associated with the estimation of the burned gases thermodynamic state, radiation and differential diffusion are discussed. In the second part, several numerical and experimental devices used in this thesis are presented. A study on four different experimental setups is proposed to analyze and characterize the uncertainties in the measurements and processing. Finally, in the third part, a rigorous definition of the consumption speed is proposed and a new methodology to measure it is developed. A complete validation based on numerical results is presented. Then uncertainties related to radiation, differential diffusion and extrapolation to zero stretch rate of measured data are detailed. This last step introduces a non-negligible bias and a new methodology to exploit raw data by a direct comparison with DNS reproducing the experiments is proposed.

Aujourd'hui, les constructeurs automobiles continuent de chercher les technologies renouvelables face à la pénurie d'énergie et les problèmes d'émission de polluants. Un moyen important pour optimiser l'économie de carburant et réduire les émissions polluantes des moteurs à allumage commandés est le concept 'downsizing'. Cependant, ce concept est limité par le phénomène de cliquetis dû aux conditions de haute température et haut pression. Dans cette étude, le contrôle de la concentration d'oxygène dans l'air est proposé. Car d'une part, la combustion enrichie en oxygène permet d'améliorer la densité de puissance de moteur avec le même niveau de pression d'admission. Cela permet soit de 'booster' la combustion pour augmenter la puissance du moteur ou de l'activer lorsque le moteur fonctionne à faible charge ou dans des conditions de démarrage à froid. D'autre part, une faible concentration en oxygène dans l'air (ou dilution de N2) par un système membranaire peut être considérée comme une alternative à la recirculation des gaz d'échappement. Les expériences ont été effectuées dans un moteur monocylindre 'downsizing' avec différents taux d'oxygène et richesse. L'étude de l'impact du contrôle de la concentration d'oxygène sur les caractéristiques de combustion et d'émissions a été effectuée pour plusieurs charges en fonctionnement optimum pour limiter la consommation spécifique de carburant. L'effet de la concentration en oxygène sur les caractéristiques de combustion du moteur a été simulé en utilisant le logiciel commercial AMESim avec le modèle de combustion développé par IFP-EN. En mettant en oeuvre des corrélations de la vitesse de combustion laminaire, déterminées au préalable durant ce travail, et délai d'auto-inflammation, les pressions dans les cylindres sont parfaitement calibrés avec une erreur maximale inférieure à 2% et l'intensité du cliquetis a pu être prédite.

Face aux normes actuelles et futures de plus en plus draconiennes en termes d’émissions polluantes, les constructeurs automobiles cherchent en permanence à améliorer le rendement des moteurs à allumage commandé. L’une des voies efficaces et applicables à court terme pour réduire les émissions de dioxyde de carbone (CO2) consiste à réduire la cylindrée des moteurs tout en conservant leur performance grâce à la sur-alimentation : c’est l’approche de l’éco-suralimentation ou « downsizing ». L’une des particularités de ce mode de fonctionnement est le fort niveau de pression et de taux de dilution dans lequel se propage la flamme de prémélange. La simulation de la combustion turbulente de prémélange est devenue un outil incontournable pour la R&D. Toutefois, les hypothèses sur lesquelles reposent les modèles de combustion, tout particulièrement le modèle de flammelettes, peuvent être sujettes à discussion dans le cas d’un fonctionnement de type « downsizing ». Le but de ce travail de thèse est donc d’étudier expérimentalement les régimes de combustion de manière à valider ou non l’utilisation de ces modèles. Les grandeurs caractéristiques de la turbulence ont alors été caractérisées lors de la phase de compres-sion pour différentes pressions d’admission à l’aide de la vélocimétrie par imagerie de particules. La vitesse de combustion de laminaire a, quant à elle, été estimée à partir d’un mécanisme cinétique réduit. L’utilisation de la tomographie laser par diffusion de Mie avec et sans suivi temporel, nous a permis de caractériser la vitesse de combustion turbulente et la structure du front de flamme pour différentes pressions d’admission et différents taux de dilution. Lors de cette étude, nous avons ainsi pu mettre en évidence une cassure dans l’évolution de la PMI et de la vitesse de combustion turbulente à partir d’un taux de dilution de 25% : cette cassure a été reliée à la transition entre le régime de flammelette et le régime des flammes plissées épaissies. / Faced with the current and future more and more drastic standards for pollutant emissions, car manufacturers try to improve the efficiency of Spark Ignition engine. One effective and applicable ways to reduce the greenhouse emissions (CO2) in the short run is based on the reduction of the engine size while preserving their performance thank to turbocharging: eco-supercharging or « downsizing » approaches. One of the characteristics of this operating mode is the high level of the pressure and of the dilution rate of the medium in which the premixed flame propagates. The simulation of turbulent premixed flame is nowadays an indispensable tool for R&D. However, the assumptions on which the combustion models are based, particularly the flamelet model, can be prone to discussion in the « downsizing » conditions. The objective of this work is thus to study experimentally the combustion regimes in order to validate or not the use of these models. Turbulence parameters and flow fields were then characterized out during the compression stroke for several intake pressures by using Particle Imaging Velocimetry technique. The laminar burning velocity was estimated by using reduced chemical kinetic schemes. The Mie scattering laser tomography technique with and without temporal follow-up, enabled us to characterize the turbulent burning velocity and the flame front structure for different intake pressures and dilution rates. In this study, a break in the evolution of the IMEP and the turbulent burning velocity for a dilution rate of 25% has been obtained: this break was linked to the transition between the flamelet zone and the distributed reaction zones.

Aujourd’hui, les constructeurs automobiles continuent de chercher les technologies renouvelables face à la pénurie d’énergie et les problèmes d’émission de polluants. Un moyen important pour optimiser l’économie de carburant et réduire les émissions polluantes des moteurs à allumage commandés est le concept ‘downsizing’. Cependant, ce concept est limité par le phénomène de cliquetis dû aux conditions de haute température et haut pression. Dans cette étude, le contrôle de la concentration d’oxygène dans l’air est proposé. Car d’une part, la combustion enrichie en oxygène permet d’améliorer la densité de puissance de moteur avec le même niveau de pression d’admission. Cela permet soit de ‘booster’ la combustion pour augmenter la puissance du moteur ou de l’activer lorsque le moteur fonctionne à faible charge ou dans des conditions de démarrage à froid. D’autre part, une faible concentration en oxygène dans l’air (ou dilution de N2) par un système membranaire peut être considérée comme une alternative à la recirculation des gaz d’échappement. Les expériences ont été effectuées dans un moteur monocylindre ‘downsizing’ avec différents taux d’oxygène et richesse. L’étude de l’impact du contrôle de la concentration d’oxygène sur les caractéristiques de combustion et d’émissions a été effectuée pour plusieurs charges en fonctionnement optimum pour limiter la consommation spécifique de carburant. L’effet de la concentration en oxygène sur les caractéristiques de combustion du moteur a été simulé en utilisant le logiciel commercial AMESim avec le modèle de combustion développé par IFP-EN. En mettant en oeuvre des corrélations de la vitesse de combustion laminaire, déterminées au préalable durant ce travail, et délai d’auto-inflammation, les pressions dans les cylindres sont parfaitement calibrés avec une erreur maximale inférieure à 2% et l’intensité du cliquetis a pu être prédite. / Nowadays, car manufacturers continue to lead researches on new technologies facing to the energy shortage and pollutant emission problems. A major way to optimise fuel economy and reduce pollutant emissions for Spark-Ignition (SI) engines is the downsizing concept. However, this concept is unfortunately limited by ‘knock’ phenomena (abnormal combustion) due to high temperature and high pressure in-cylinder conditions. In the present study, control the oxygen concentration in air is proposed. Indeed, on the one hand, oxygen-enriched combustion can improve engine power density with the same intake pressure level. Thus, oxygen-enriched combustion can be used either as a booster to increase engine output or as a combustion enhancer when the engine operates at low loads or in cold start conditions. On the other hand, low oxygen concentration in air (or N2 dilution) can be considered as an alternative to exhaust gas recirculation (EGR). The experiments were carried out in a downsized single-cylinder SI engine with different rates of oxygen and equivalence ratios. The study of the impact of controlling oxygen concentration on the combustion characteristics and emissions was performed at several loads by optimizing the spark advance and the intake pressure to maintain the load and obtain a minimum value of indicated Specific Fuel Consumption (SFC). The effect of oxygen concentration on the engine combustion characteristics was simulated by using the commercial software AMESim, with the combustion model developed by IFP-EN. By implementing correlations for the laminar burning velocity, determined previously during this study, and auto-ignition delay data base, the in-cylinder pressures were perfectly calibrated with a maximum pressure relative error less than 2%, and the knock intensity was predicted.