La réduction des émissions de polluants et la diminution de la consommation sont deux challenges fortement liés auxquels les constructeurs automobiles doivent faire face tout en maintenant les performances des moteurs. Les nouvelles stratégies telle que la réduction de la cylindrée associée à une optimisation de la boucle d'air (forte suralimentation et recirculation de gaz brûlés) possèdent ce potentiel. Cependant elles affectent la stabilité du moteur en favorisant les variations cycle à cycle (VCC) qui correspondent à une fluctuation de la combustion d'un cycle sur l'autre. L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie s'appuyant sur la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) capable de prédire les VCC d'un moteur à allumage commandé. Les prédictions sont validées grâce à une base de données expérimentale conçue à l'IFP qui leur est dédiée. Une approche graduelle est employée : l'outil numérique est tout d'abord évalué sur une configuration simplifiée de moteur à piston sans combustion, puis appliqué à un moteur à allumage commandé entraîné pour valider la prédiction de l'aérodynamique interne. Sur cette dernière configuration le couplage avec le modèle de combustion DTFLES est rajouté pour simuler deux points de fonctionnement réactifs. Chacune de ces simulations intègre un ou plusieurs points de modélisation (les tétraèdres en maillage mobile, les modèles de choc et d'allumage, et la cinétique chimique) au préalable testés sur des configurations académiques. Ce travail de recherche montre que l'approche SGE, dans un contexte de calcul massivement parallèle, est un outil prometteur dans l'étude des VCC d'un moteur à allumage commandé de conception récente. / A major challenge for the development of internal combustion engines is to improve fuel economy and to reduce pollutant emissions while maintaining or enhancing engine performances. New strategies using downsizing with high levels of exhaust gas recirculation have this potential, but can impact on the combustion stability and trigger high cycle-to-cycle variations (CCV). The objective of this thesis is to set a methodology based on Large Eddy Simulation (LES) to study CCV of a Spark-Ignition (SI) engine. A gradual approach is used : the numerical tool is first evaluated on a motored axisymmetric piston-cylinder assembly, and then applied on a motored SI engine to validate the in-cylinder aerodynamic predictions. On this last configuration, the coupling with the turbulent combustion model DTFLES is added to simulate two operating points of the indirect injection engine mode. Each of these simulations takes into account one or several modeling key points (tetrahedra with moving mesh, the modelings of shock and ignition, and chemical kinetics) previously tested in academic configurations. This research work shows that LES approach, in the context of massively parallel computing, can be used to study the CCV of a realistic SI engine.

L'amélioration des moteurs à allumage commandé représente un défi de première importance pour les ingénieurs afin de produire plus d'énergie, de consommer moins de matière première et de réduire les émissions polluantes. Les nouvelles technologies apparues ces dernières années amènent les moteurs de plus en plus proches de leurs limites de fonctionnement, favorisant ainsi des phénomènes néfastes qui doivent être contrôlés. Parmi ces phénomènes, les variations cycle-à-cycle (VCC) doivent être minimisées pour garder une performance optimale et éviter une dégradation rapide du moteur. La Simulation aux Grandes Echelles (SGE) est un outil prometteur afin de prédire numériquement les niveaux de variabilités obtenues lors du design d'un moteur (limitant ainsi les coûteuses campagnes de mesures expérimentales). Ce manuscrit s'est attaché à développer une méthodologie numérique pour la prédiction des variabilités cycliques, à simuler un nombre suffisant de cycles pour pouvoir estimer les niveaux de VCC et à valider les résultats obtenus par rapport aux résultats expérimentaux. La SGE semble capter les points de fonctionnements stable et instable étudiés. Les sources qui provoquent ces VCC ont aussi été analysées et une modification du fonctionnement du moteur a été proposée afin de réduire les VCC. / The improvement of the spark ignition engines is a major challenge for engineers in order to produce more energy, to minimize fuel consumption and to reduce the pollutant emissions. The new technologies which appear in the last years bring the engines closer to their stability limit while increasing various unwanted phenomena. Among these phenomena, cycle-to-cycle variation (CCV) need to be minimized in order to keep the performances as high as possible and avoid damages on the engines. Large Eddy Simulation (LES), which is a very promising tool in order to predict the level of CCV of a given engine, has been used in the present document to simulate a mono-cylinder spark ignition engine. The present document presented a numerical methodology for the prediction of CCV, numerous engine cycles were simulated by LES in order to validate the results in comparison to the experimental findings. The LES seems to be able to capture stable and instable (in terms of CCV) operating points of the engine. In addition, the sources of CCV were also analyzed and a modification of the engine has been proposed to reduce CCV.

Cette thèse en deux parties porte sur le développement de sources lasers nano et picosecondes et leurs applications. La première partie présente l'étude, et la réalisation d'une chaîne amplificatrice laser nanoseconde pour l'allumage de turbomoteurs. Après avoir présenté les performances et l'évolution de cette chaîne seront présentes les résultats des campagnes d'essais réalisées sur une chambre de combustion sur un banc d'essai à l'ONERA dans des conditions de basses températures et de basses pressions. La deuxième partie de cette thèse traite du développement d'un oscillateur paramétrique optique (OPO) nécessaire pour accorder en longueur d'onde dans l'infrarouge un laser impulsionnel picoseconde ou femtoseconde à haute cadence et forte puissance moyenne. Après avoir présenté la cavité de l'OPO ainsi que ses performances, nous détaillerons la capacité de cet OPO à générer des impulsions femtoseconde comprimées à partir d'impulsions pompe présentant un étirement temporel. / This two-part thesis focuses on the development of nano and picosecond laser sources and their applications. The first part presents the study, and the realization of a nanosecond laser amplifier chain for the ignition of turboshaft engines. After the repport of the performances and the evolution of this amplifier chain will be presented the results of the tests carried out on a combustion chamber on a test bench at ONERA under low temperatures and low pressures conditions. The second part of this thesis deals with the development of an optical parametric oscillator (OPO) in order to tune in the infrared the wavelength of a pulsed picosecond or femtosecond laser at high cadency and high average power. After presenting the OPO cavity and its performance, we will detail the ability of this OPO to generate compressed femtosecond pulses from pump chirped pulses.

O presente trabalho aborda o gerenciamento eletrônico de motores de combustão interna flex, com foco no desenvolvimento de uma estratégia de controle do avanço de ignição em função da ocorrência de combustão anormal conhecida como detonação, para se maximizar o torque de saída do motor. Primeiramente, é desenvolvido um método para a medição da composição de combustível e correção dos parâmetros de tempo de injeção e avanço de ignição, através de um sensor de composição de combustível. Tais parâmetros são definidos através de mapas que trabalham como um sistema de malha aberta. Em seguida, é desenvolvido um método para a leitura e detecção de detonação, em que são estudadas as particularidades do fenômeno para diferentes composições de combustível e a sua relação com a variação da temperatura do gás de escape e torque de saída do motor. Através do método de detecção e do estudo do fenômeno, é desenvolvido uma estratégia para controle do avanço de ignição em função da ocorrência da detonação. Esta abordagem permite ao sistema aumentar o avanço quando não há ocorrência de detonação, mas este avanço adicional é cancelado quando ocorre detonação. O gerenciamento do motor é realizado através de uma ECU de desenvolvimento modelo Flex-ECU, as estratégias de gerenciamento são desenvolvidos através da plataforma ASCET e a aquisição de dados e calibração de parâmetros são executados em uma ferramenta de medição e calibração. Os benefícios que o controle do avanço de ignição traz ao torque do motor são analisados e discutidos em função da rotação e da composição de combustível utilizado. / The present investigation explores the electronic management of internal combustion engines flex fuel, in which the focus is the development of a strategy for the spark advance angle as function of the abnormal combustion occurrence known ad Knock, in order to maximize the output torque. First, a method is developed for measuring the fuel composition and correction of the injection time and spark advance angle parameters through a fuel composition sensor. This parameter is defined through maps that work as an open loop system. Then, a method for detection of knock is developed, the peculiarities of the phenomenon are studied for different fuel compositions and the relationship of the phenomenon with the variation of the exhaust gas temperature and the engine output torque. Through the method of detection and the study of the phenomenon, an algorithm is developed to control the spark advance angle due to the knock occurrence, in which the approach allows the system to increase the angle when there is no occurrence of knock, but this additional angle is reduced when knock is detected. Engine management is performed through a development ECU model Flex-ECU, management algorithms are developed through the ASCET platform and data acquisition and calibration of and parameters is performed through a measurement and calibration platform. The result that the spark advance angle control brings to the engine torque output is analyzed and discussed depending on the rotation and the fuel composition used.

O etanol (álcool etílico) tem sido cada vez mais estudado e testado como combustível alternativo para substituição do uso de alguns derivados de petróleo em motores de combustão interna. O presente trabalho procura abordar o emprego do etanol na forma vaporizada em motores do ciclo Otto, objetivando a obtenção de melhores níveis de rendimento térmico total. Deste modo, um motor para teste de octanagem (motor CFR) foi equipado com um vaporizador de álcool instalado no coletor de escapamento, e após uma série de ensaios, várias análises puderam ser feitas. Essas considerações procuraram se ater a aspectos como rendimento térmico, relação ar/combustível, ângulo de avanço da centelha, temperatura de escape, assim como potência e eficiência volumétrica, levando em conta, sempre, a sua influência no funcionamento geral do motor. Ficou constatado que o motor movido a etanol vaporizado apresenta rendimento consideravelmente maior, menor consumo de combustível e funcionamento mais suave que aqueles verificados quando o mesmo motor e alimentado com álcool líquido. / The ethanol (ethyl alcohol) has been studied more and more as alternative fuel to replace some petroleum derivatives for internal combustion engines. The attached study examines the application of vaporized ethanol for Otto cycle engines, searching for better levels of total thermal efficiency. Therefore, an engine for test of octane number (CFR motor) was equipped with an alcohol vaporizer installed inside the escape pipe, and after many experiences, several analysis were made. The various analysis included aspects as thermal efficiency, air/fuel ratio, advance ignition, escape temperature, power and volumetric efficiency, always considering their influence on the operation of the engine. It was confirmed that the engine moved by vaporized ethanol presents higher thermal efficiency, smaller fuel consumption and smoother working than in case of alimentation by liquid alcohol.

O álcool etílico ou etanol vem se tornando, neste novo século, uma importante referência para estudos e aplicações que procuram um combustível alternativo ao uso de derivados de petróleo em motores de combustão interna. Neste trabalho, o uso do etanol vaporizado pelos gases de escape em motores do ciclo Otto busca a obtenção de melhores níveis de rendimento térmico e emissões de poluentes. Assim sendo, um motor de 1.0 litro foi montado em laboratório com um trocador de calor instalado ao lado do coletor de escapamento, e uma série de testes foram feitos, possibilitando uma cuidadosa análise quanto a rendimento térmico, relação ar/álcool, ângulo de avanço da centelha, temperatura de escape e gases de emissão, entre outros aspectos. Conclui-se que o motor a álcool vaporizado, em certos regimes de funcionamento, apresenta rendimento maior e emissões menores que aqueles verificados no motor a álcool líquido. / The ethyl alcohol or ethanol is becoming, in this new century, an important reference for studies and applications that search for an alternative fuel to be used in internal combustion engines, replacing oil derivatives. In this study, an Otto cycle engine is fueled with ethanol vaporized by the exhaust gases, aiming for better levels of thermal efficiency and exhaust emissions. Therefore, a 1.0 liter engine with a heat exchanger connected to the exhaust manifold was prepared in a test bench, and several tests were made, which allowed a criterious analysis about air/alcohol ratio, spark ignition time, exhaust temperature and exhaust emissions, and others. It was concluded that the engine fueled with vaporized alcohol presents, in some operation points, higher thermal efficiency and less emissions compared to the case of engine fueled with liquid alcohol.

Pour des raisons de sécurité, les moteurs aéronautiques doivent pouvoir redémarrer en vol sur toute leur plage d'opération. Mais les contraintes sur les émissions polluantes nécessitent le développement de nouvelles chambres de combustion dont la conception peut détériorer les capacités d'allumage du moteur. Afin d'améliorer la compréhension du processus d'allumage et d'aider à l'optimisation de la conception, les recherches actuelles combinent les études expérimentales de plus en plus complexes et les simulation numériques hautes fidélités. Dans ce travail, l'étude numérique du processus d'allumage des chambres de combustion aéronautiques, de l'étincelle à la propagation azimutale de la flamme, est conduite avec plusieurs objectifs: améliorer la robustesse et la confiance de l'outil LES pour l'étude de l'allumage, étudier les mécanismes qui affectent l'allumage dans des conditions représentatives des conditions réelles et enfin améliorer les méthodes bas-ordre pour la prédiction des performances d'allumage. Dans une première partie, la SGE d'un monobruleur installé au CORIA permet de mettre en évidence les bons résultats de la LES et de construire une base de données pour l'analyses des mécanismes d'extinction. Ces données sont aussi utilisées pour développer une méthodologie permettant de prédire les performances d'allumage à bas coût en utilisant les résultats d'une SGE non-réactive. Dans une seconde partie, la propagation inter-secteur est investiguée par l'étude de deux cas expérimentaux et la SGE est capable de reproduire les modes de propagation mais aussi les temps d'allumage avec précision. Sur la bases de ces bons résultats, une analyse plus fine de la simulation permet d'identifier les mécanismes qui contrôlent la propagation de la flamme. / For safety reasons, in-flight relight of the engine must be guaranteed over a wide range of operating conditions but the increasing stringency of pollutant emission constraints requires the development of new aero-engine combustor whose design might be detrimental to the ignition capability. To improve the knowledge of the ignition process in aeronautical gas turbines and better combine conflicting technological solutions, current research relies on both complex experimental investigation and high fidelity numerical simulations. In this work, numerical study of the ignition process in gas turbines from the energy deposit to the light-around is performed with several objectives: increase the level of confidence of Large Eddy Simulations tool for the analysis of the ignition process, investigate the mechanisms controlling ignition in conditions representative of realistic aeronautical gas turbine flows and improve the low-order methodologies for the prediction of ignition performance. In a first part, LES of the single burner installed at CORIA (France) is carried out and allows to highlight the LES accuracy and to build a database on which the main mechanisms controlling the ignition success are identified. Based on these results, a methodology is developed to predict the ignition performance at a low computational cost using the non-reacting flow statistics only. In a second part, the light-around process is studied on two experimental set-ups and the very good agreement of the LES results with experiments is the starting point from an analysis of the mechanisms driving the flame propagation process.

O presente trabalho aborda o gerenciamento eletrônico de motores de combustão interna flex, com foco no desenvolvimento de uma estratégia de controle do avanço de ignição em função da ocorrência de combustão anormal conhecida como detonação, para se maximizar o torque de saída do motor. Primeiramente, é desenvolvido um método para a medição da composição de combustível e correção dos parâmetros de tempo de injeção e avanço de ignição, através de um sensor de composição de combustível. Tais parâmetros são definidos através de mapas que trabalham como um sistema de malha aberta. Em seguida, é desenvolvido um método para a leitura e detecção de detonação, em que são estudadas as particularidades do fenômeno para diferentes composições de combustível e a sua relação com a variação da temperatura do gás de escape e torque de saída do motor. Através do método de detecção e do estudo do fenômeno, é desenvolvido uma estratégia para controle do avanço de ignição em função da ocorrência da detonação. Esta abordagem permite ao sistema aumentar o avanço quando não há ocorrência de detonação, mas este avanço adicional é cancelado quando ocorre detonação. O gerenciamento do motor é realizado através de uma ECU de desenvolvimento modelo Flex-ECU, as estratégias de gerenciamento são desenvolvidos através da plataforma ASCET e a aquisição de dados e calibração de parâmetros são executados em uma ferramenta de medição e calibração. Os benefícios que o controle do avanço de ignição traz ao torque do motor são analisados e discutidos em função da rotação e da composição de combustível utilizado. / The present investigation explores the electronic management of internal combustion engines flex fuel, in which the focus is the development of a strategy for the spark advance angle as function of the abnormal combustion occurrence known ad Knock, in order to maximize the output torque. First, a method is developed for measuring the fuel composition and correction of the injection time and spark advance angle parameters through a fuel composition sensor. This parameter is defined through maps that work as an open loop system. Then, a method for detection of knock is developed, the peculiarities of the phenomenon are studied for different fuel compositions and the relationship of the phenomenon with the variation of the exhaust gas temperature and the engine output torque. Through the method of detection and the study of the phenomenon, an algorithm is developed to control the spark advance angle due to the knock occurrence, in which the approach allows the system to increase the angle when there is no occurrence of knock, but this additional angle is reduced when knock is detected. Engine management is performed through a development ECU model Flex-ECU, management algorithms are developed through the ASCET platform and data acquisition and calibration of and parameters is performed through a measurement and calibration platform. The result that the spark advance angle control brings to the engine torque output is analyzed and discussed depending on the rotation and the fuel composition used.

O objetivo do presente trabalho de pesquisa é o desenvolvimento de uma metodologia de monitoramento e detecção de defeitos esporádicos e de difícil diagnóstico, bem como o estudo de caso de sistemas de ignição de motores de combustão interna do ciclo Otto. O estudo visa aumentar a robustez do sistema perante falhas esporádicas de difícil detecção, reduzindo drasticamente o tempo de determinação da origem da falha. Através de testes acelerados e simulados em bancadas, a metodologia indica o estado atual dos componentes do sistema de ignição no tocante ao potencial de ocorrência de falhas esporádicas que afetam a combustão e também a confiabilidade do veículo. Os componentes e sistemas objetos da pesquisa são identificados por meio de um processo de análise de risco e de fatores como: ocorrência de muitos anos de histórico de campo, indicadores de reparos repetitivos, falhas esporádicas e de difícil diagnóstico, quebras de qualidade e do comportamento do sistema de diagnóstico OBD Br-2 (On-Board Diagnostic versão 2) diante de falhas intermitentes. A metodologia também proporciona uma ferramenta de análise de interfaces de componentes, que são fontes de falhas potenciais nem sempre consideradas nos processos de análise. Por meio de testes acelerados desses componentes críticos, é proposta metodologia para análise e correção imediata do processo produtivo de tais componentes, culminando na melhoria da confiabilidade dos processos críticos. A metodologia visa a aumentar a robustez do sistema de ignição, detectando rapidamente potenciais falhas esporádicas de difícil diagnóstico oriundas dos processos de fabricação e corrigindo-as imediatamente, introduzindo, assim, um fator de confiabilidade a um componente ou a um processo crítico cuja criticidade era até então desconhecida. Tal criticidade passa a ser gerenciada com impacto positivo nas emissões de poluentes e na confiabilidade global do conjunto. / The objective of this research work is the development of a methodology to monitor and identify sporadic and difficult to detect failures as well as present a case study on the ignition system of internal combustion engines. Such study aims to increase the system reliability. It also helps to reduce dramatically the time to define the failure root cause. Using accelerated test benches, the methodology will indicate the current situation of the components related to the potential of intermittent failure occurrence which affect the combustion and vehicle reliability. The components and systems of this study are identified by a process risk analysis as well as factors like: occurrence time history, repetitive repair index, sporadic and difficult to detect failures, quality breakdown index, and the behavior of the OBD-2 diagnostic system (On-Board Diagnostic version 2) The methodology will also provide a tool to analyze the components interfaces. Such interfaces are a source of potential failures but are not considered in the analysis process. By means of accelerated tests of such critical parts it will be proposed an analysis methodology and a prompt interference at the production process, increasing the reliability of the critical processes. The methodology aims the system robustness increase of the ignition system detecting very fast the sporadic failure potential on the manufacturing process. By introducing a reliability degree of a component or process it will be managed with a benefic impact on emissions and overall reliability of the ignition system.

A necessidade de redução de emissão de gases de efeito estufa nas atividades humanas, em particular no setor de transporte, tem motivado o uso de combustíveis renováveis em veículos. O etanol se mostra como um dos mais apropriados substituto - total ou parcialmente - aos combustíveis fósseis. Entretanto o uso desse combustível em motores modernos dotados de sistemas de injeção direta de alta pressão impõe desafios como a partida a frio, etapa em que é gerada a grande parte dos poluentes emitidos pelos veículos. O presente trabalho contemplou o estudo experimental da interação do spray de combustível e a formação do núcleo de combustão gerado por uma centelha, fenômenos de extrema importância na condição de partida a frio em motores. O objetivo é elaborar estratégias de injeção/ignição adequadas a cada tipo de combustível - etanol versus hidrocarboneto. Esses experimentos foram realizados em uma câmara de combustão de volume constante, projetada para permitir acessos ópticos e construída especialmente para suportar pressões de até 10 MPa. Uma etapa de caracterização do spray de combustível foi realizada em condições similares às presentes em um motor de combustão interna, variando-se o nível de pressão interna da câmara e o nível de pressão de injeção. Após tal caracterização foram realizados os ensaios de combustão, agora contemplando também variações de intervalo de tempo entre o início da injeção e a ignição. A quantificação da qualidade da formação do núcleo da combustão foi realizada pela integração da luminosidade em uma região próxima aos eletrodos de ignição e pela evolução de pressão no interior da câmara de maneira a permitir comparação entre os casos ensaiados. / The need to reduce the emission of greenhouse gases caused by human activities, especially in the transportation sector, has motivated the use of renewable fuels as energy carriers for vehicles. Ethanol has proven to be one of the most suitable alternatives to a substitute - totally or partially - for fossil fuels. However, the utilization of ethanol in current modern engines which count on high-pressure direct-injection systems imposes challenges like the cold start, stage in which a great amount of total pollutants emitted by the vehicles is generated. The present work focus on the experimental study of fuel spray-ignition interaction and the formation of the combustion kernel by a spark, phenomena present at the cold start condition of internal combustion engines. The experiments were carried out in a constant-volume combustion chamber with optical windows designed and built to withstand pressures of up to 10 MPa. Fuel spray characterization was performed at various environment and injection pressure levels. After such characterization the combustion tests were performed, now also considering the variation of time interval between the start of the injection and the ignition. The quantification of the quality of the combustion kernel formation was carried out by integrating the luminosity in a region close to the ignition electrodes and by the pressure evolution, in a way to allow comparison among the tested cases.