L'augmentation de la puissance spécifique du moteur pour une quantité d'énergie consommée donnée, ainsi que le couple à bas régime a toujours été l'un des plus grands défis pour les constructeurs automobiles. Ce but peut être atteint en utilisant un turbocompresseur. Un turbocompresseur automobile est un petit organe entraîné par les gaz d'échappement du moteur à travers une turbine radiale qui transfère mécaniquement l'énergie cinétique au compresseur centrifuge. Le compresseur centrifuge délivre de l'air comprimé aux cylindres pour assurer une meilleure combustion. La technologie a atteint un haut niveau de raffinement, et de nombreuses améliorations ont été étudiées et dans certains cas mises en production. Une large gamme de moteurs à combustion interne et de turbocompresseurs sont disponibles, mais seulement une bonne adaptation entre ces deux composants peut produire un moteur suralimenté efficace. Pour mener à bien les calculs qui permettent d'adapter le moteur au turbocompresseur, il est nécessaire d'avoir une représentation exacte de chaque composant du turbocompresseur et une capacité à déterminer le comportement de l'ensemble du système avec tous ses composants. Dans le cadre de ce travail le compresseur et la turbine sont étudiés pour différents points de fonctionnement et à faible régime en utilisant le code CFD elsA développé par l'Onera. Le travail est divisé en deux parties. La première partie est consacrée à l'étude du compresseur centrifuge avec tous ces composants (roue, diffuseur lisse et volute). Une étude détaillée sur le développement des écoulements secondaires et de l'écoulement de jeu est présentée. La performance de la volute et son influence sur la performance globale du compresseur est également étudiée. Les performances globales du compresseur sont comparées aux mesures expérimentales effectuées à l'ECN et montrent un bon accord. La deuxième partie est consacrée sur l'étude de la turbine à géométrie variable. Seuls le distributeur et la roue sont pris en compte dans les simulations. Une analyse détaillée de l'écoulement dans la turbine est présentée pour deux positions d'ailettes à l'aide des simulations stationnaires et instationnaires. / No abstract

Ce document propose une démarche expérimentale permettant de reproduire les écoulements pulsés, que l’on retrouve dans le collecteur d’échappement d’un moteur, sur les caractéristiques des performances d’un turbocompresseur de suralimentation. Une étude comparative des différents moyens d’essais existants, permettant de reproduire les effets pulsés en entrée de la turbine d’un turbocompresseur, est présentée. Elle permet d’évaluer les avantages et les inconvénients de chacun pour définir un cahier des charges de fonctionnalité d’un nouveau banc d’essai Les travaux permettant la mise en oeuvre de l’instrumentation spécifique propre à répondre aux besoins de développement de ce moyen d’essai sont exposés. Le principal objectif est pouvoir obtenir une mesure du débit instantané ainsi que celle de la température instantanée. Les premiers résultats obtenus avec les conditions d’essais utilisant le système mis en place pour simuler le régime pulsé, complétés par une analyse des différentes procédures d’exploitation, montrent qu’il est possible de restituer des essais cohérents en régime d’écoulement stationnaire et pulsé afin de les comparer. Les possibilités d’exploiter d’autres résultats sont évoquées, compte tenu de la flexibilité du banc ; il est en effet possible faire varier de façon indépendantes plusieurs types de conditions d’écoulements pulsés pour simuler, par exemple, différents points de charge d’un moteur donné ou de simuler différentes valeurs du nombre de cylindres. / The document presents the results of an experimental work devoted to create pulse flows, independently from a real car engine, equivalent to the exhaust pipe engine flow characteristics, on the overall performances of a turbocharger. A comparative analysis on existing test stands that are able to perform such flow conditions is presented. This allows defining a new test stand which specific conditions that are not already covered by previous test stands. All steps concerning the ability to set up of the new test stand and more specifically instrumentation development and acquisition systems are detailed. First set of results obtained with the test stand, in pulse conditions, are presented with some analysis on performance comparisons between steady and pulse inlet conditions at the turbocharger inlet section. The new pulse test stand allows performing more flexible variations of inlet flow unsteady conditions, different thrust load values and number of motor cylinders as well

L'augmentation de la puissance spécifique du moteur pour une quantité d'énergie consommée donnée, ainsi que le couple à bas régime a toujours été l'un des plus grands défis pour les constructeurs automobiles. Ce but peut être atteint en utilisant un turbocompresseur. Un turbocompresseur automobile est un petit organe entraîné par les gaz d'échappement du moteur à travers une turbine radiale qui transfère mécaniquement l'énergie cinétique au compresseur centrifuge. Le compresseur centrifuge délivre de l'air comprimé aux cylindres pour assurer une meilleure combustion. La technologie a atteint un haut niveau de raffinement, et de nombreuses améliorations ont été étudiées et dans certains cas mises en production. Une large gamme de moteurs à combustion interne et de turbocompresseurs sont disponibles, mais seulement une bonne adaptation entre ces deux composants peut produire un moteur suralimenté efficace. Pour mener à bien les calculs qui permettent d'adapter le moteur au turbocompresseur, il est nécessaire d'avoir une représentation exacte de chaque composant du turbocompresseur et une capacité à déterminer le comportement de l'ensemble du système avec tous ses composants. Dans le cadre de ce travail le compresseur et la turbine sont étudiés pour différents points de fonctionnement et à faible régime en utilisant le code CFD elsA développé par l'Onera. Le travail est divisé en deux parties. La première partie est consacrée à l'étude du compresseur centrifuge avec tous ces composants (roue, diffuseur lisse et volute). Une étude détaillée sur le développement des écoulements secondaires et de l'écoulement de jeu est présentée. La performance de la volute et son influence sur la performance globale du compresseur est également étudiée. Les performances globales du compresseur sont comparées aux mesures expérimentales effectuées à l'ECN et montrent un bon accord. La deuxième partie est consacrée sur l'étude de la turbine à géométrie variable. Seuls le distributeur et la roue sont pris en compte dans les simulations. Une analyse détaillée de l'écoulement dans la turbine est présentée pour deux positions d'ailettes à l'aide des simulations stationnaires et instationnaires.

Ce travail s'inscrit dans le cadre d'un partenariat entre Honeywell Turbo Technologies et le département d'Aérodynamique, Energétique et Propulsion de l'ISAE. En réponse à des objectifs industriels d'amélioration des étages turbine des systèmes de suralimentation automobile, deux axes d'étude sont dégagés: le diagnostique et l'amélioration des étages de turbine à géométrie variable utilisés dans la suralimentation des moteurs Diesel, et l'évaluation d'une turbine axiale spécifiquement conçue pour la suralimentation des moteurs essence. La première partie traite de l'influence des paramètres permettant de réaliser le couplage avec le moteur. Cette étude, basée sur une double analyse, permet d'identifier les enjeux du point de vue des performances de l'étage turbine mais aussi leur intégration dans la performance globale du moteur. Nous traitons ensuite des contraintes d'intégration imposées par le fonctionnement optimal de la boucle de suralimentation. En réponse aux problématiques soulevées, une procédure d'optimisation, basée sur une approche théorique, des étages turbine est présentée. Celle-ci permet de dégager des conclusions fortes sur la spécificité des étages à géométrie variable qui sont finalement déclinées dans un contexte industriel. Une synthèse bibliographique des règles de dimensionnement des turbines axiales débute la seconde partie. Cette architecture de machine, disposant d'une faible inertie et d'une grande compacité, semble toute indiquée pour répondre à la problématique de suralimentation des moteurs essence. La conception a nécessité une étude spécifique des différents critères de design car la géométrie axiale est atypique dans cette gamme de débit. Des résultats de simulations numériques permettent d'évaluer le potentiel aérodynamique de cet étage. Enfin, celle-ci est confrontée à l'étage de turbine radiale actuellement utilisé afin d'évaluer son potentiel dans le cadre du couplage moteur. / This work results from a partnership between Honeywell Turbo Technologies and the département d'Aérodynamique, Energétique et Propulsion of the ISAE. The main industrial goal are improving turbine stages of boosting systems. The problem is tacked through two thematics : the optimization of variable geometry radial turbine used for boosting systems of gasoline engines. The first part deals with the influence of parameters used for matching are first discussed. This study, based on double analysis, is used to identfy the stakes of turbine stage performance but also take global engine performances into account. Contraints ipmposed by peripheral systems such as cooling systems or catalytic converter are then traited. This leads to an optimization process based on theorical approach wich allows to conclude on radial turbine stage characteristics. Finally, we turn in information about industrialization. The second part begin with a literature survey of axial turbine stage design method. This type of machine, with low inertia and high compacity, can be relevant for boosting systems of gasoline engines. Design needs a specific study on criterion parameters because it is unsual to encounter axial turbines with such small diameters. CFD results give aerodynamics performances of axial stage. Then, comparison of turbocharger with engine matching between radial and axial stages is proposed.

L’excès de masse grasse, notamment infantile est en perpétuelle augmentation à l’échelle mondiale. Plusieurs études ont montré une association entre cette prise de poids et la survenue de pathologies cardiovasculaires. Cependant, il semble nécessaire de renforcer notre compréhension des liens existant entre la survenue de maladies cardiovasculaires à l’âge adulte et l’existence d’un surpoids durant l’enfance et/ou l’adolescence. Afin de répondre à cette problématique, nous avons utilisé un modèle de suralimentation postnatale chez le rongeur, basé sur la réduction des portées à la naissance. Ainsi, les travaux réalisés au cours de ce Doctorat ont permis de mettre en évidence l’impact d’une surnutrition postnatale précoce sur le développement ultérieur d’altérations cardio-métaboliques. Dans un premier temps, nous avons montré qu’une prise de poids précoce, chez le rat et la souris, induisait une augmentation pérenne de la masse corporelle adipeuse, associée à des perturbations des paramètres biochimiques, représentées par une augmentation de la glycémie, de l’insuline, du cholestérol et de la leptine plasmatique.Dans un deuxième temps, le volet oxydant a été exploré. Ainsi, les animaux ayant subi une suralimentation postnatale, une fois adultes, voient leur niveau de stress nitro-oxydant augmenter au niveau circulant et sur le plan tissulaire cardiaque, alors que des enzymes antioxydantes telles que les superoxydes dismutases et les catalases y présentent une activité augmentée.Dans un troisième temps, l’exploration de la fonction cardiovasculaire a montré, in vivo, que la suralimentation postnatale réduisait de manière significative la contractilité myocardique et induisait une augmentation des niveaux de pression artérielle systolique et diastolique chez la souris. Ex vivo, les cœurs de souris adultes ayant subi une suralimentation postnatale présentaient une plus grande sensibilité aux lésions induites par l’ischémie reperfusion, libérant plus d’enzyme lactate deshydrogénase (LDH) et montrant une taille de nécrose ventriculaire très significativement accrue. De plus, l’étude du remodelage cardiaque a montré chez ces animaux une augmentation de la fibrose associée à une augmentation à la fois de l’expression et de l’activité des métallo-protéinases de type 2 (MMP-2). Enfin, d’un point de vue de l’expression génique cardiaque, notre étude montre que la suralimentation postnatale induit très précocement, dès le sevrage, des différences d’expression portant sur plus de 822 gènes cardiaques, et notamment des gènes de structure comme ceux d’isoformes du collagène ou de protéines de la matrice extracellulaire, ce qui pourrait expliquer la présence d’un remodelage d’origine précoce.Il est évident que des travaux supplémentaires s’imposent afin d’expliquer les mécanismes mis en jeu au cours de ces différentes altérations. Cependant, il apparaît clairement que des modifications nutritionnelles lors d’une période du développement suivant immédiatement la naissance peuvent induire à long terme des altérations d’ordre biochimique, oxydative et cardiovasculaires / No abstract

Les turbocompresseurs sont utilisés pour améliorer les performances du moteur thermique par suralimentation. Cette méthode efficace présente cependant des inconvénients majeurs pour des points de fonctionnement à faible débit. En effet, lorsque le débit en entrée du turbocompresseur devient trop faible, un phénomène de pompage apparaît, réduisant la plage d'utilisation du moteur, pouvant endommager le turbocompresseur et le moteur par un fonctionnement instable.Dans cette thèse une configuration expérimentale avec un dispositif à géométrie variable placé en amont du compresseur a été étudiée. Ce système, appelé « dispositif de prérotation » permet de modifier les conditions aérodynamiques en amont du compresseur et en particulier dans les zones de fonctionnement proches du pompage.Cette étude comporte deux grands volets : une partie expérimentale réalisée sur un banc d’essais typique de turbocompresseurs d’automobile équipé d'une vanne de prérotation et une étude numérique permettant d’évaluer les capacités de l’utilisation d’un code du commerce à restituer les modifications des performances expérimentales observées sur l’ensemble. / Automotive turbochargers are used to increase engine performances. This efficient method, however, has major disadvantages for low flow operating points. Indeed, when the input flow of the turbocharger becomes too low, a surge phenomenon appears, reducing the range of use of the engine, which can damage the turbocharger and the engine by unstable operation.In this thesis an experimental configuration with a variable geometry device placed upstream of the compressor has been studied. This system, called "pre-whirl device" makes it possible to modify the aerodynamic conditions upstream of the compressor and in particular in the operating zones close to surge.This study has two main components: an experimental part carried out on a typical test bench of automobile turbochargers equipped with a pre-whirl valve and a numerical study making it possible to evaluate the capacities of the use of a code of the trade to render the modifications of the experimental performances observed on the whole. / Os turbocompressores são utilizados para melhorar o desempenho dos motores térmicos por sobrealimentação. Este método é eficiente, no entanto, tem grandes desvantagens quando o turbocompressor opera em baixa vazão mássica. Quando a vazão de massa na entrada do turbocompressor fica muito baixa, um fenômeno de sobrecarga (surge) aparece, reduzindo a faixa de uso do motor, o que pode danificar o turbocompressor e o motor por meio de operação instável.Nesta tese, uma configuração experimental com um dispositivo de geometria variável colocado na entrada do compressor foi estudada. Este sistema, chamado “dispositivo de pré-rotação” permite modificar as condições aerodinâmicas a montante do compressor e em particular nas zonas de funcionamento próximas da sobrecarga.Este estudo tem dois componentes principais: uma parte experimental realizada em uma bancada de testes típica de turbocompressores automotivos equipada com uma válvula de pré-rotação e um estudo numérico que permite avaliar as capacidades do uso de um código de comércio para realizar as modificações dos desempenhos experimentais observados no todo.

La suralimentation postnatale (SAPN) chez les rongeurs induit des modifications cardio-métaboliques à l'âge adulte. Notre objectif a été de déterminer si une restriction calorique (RC) modérée pouvait restaurer ces altérations cardio-métaboliques et améliorer la récupération post-ischémique dans un modèle de cœur perfusé in vitro.Après la naissance, des souriceaux C57BL/6 ont été répartis au nombre de 9 par portée pour les groupes témoins (Normoalimentées: NA), ou au 3 par portée pour induire la SAPN. Après le sevrage, les souris ont eu un accès libre à une nourriture standard et à l’eau. A 6 mois, la moitié des souris des deux groupes a été soumise à une RC de 20% (NARC, SARC) pendant un mois, tandis que l’autre moitié a continué à se nourrir ad libitum (NAAL, SAAL). Des paramètres métaboliques et de la fonction cardiaque ont été évalués avant et après RC. A 7 mois, nous avons évalué au niveau du myocarde la sensibilité aux lésions d'ischémie-reperfusion et le niveau stress oxydant cardiaque. Les souris SAPN adultes présentent un surpoids, une accumulation de graisses, une hyperleptinemie, une intolérance au glucose, une résistance à l’insuline, ainsi qu’une diminution de la fraction d'éjection ventriculaire gauche (FEVG). Après un mois de RC, le poids corporel de SARC est revenu à la normale bien que ni la masse grasse ni la leptinémie n’aient diminué. Nous avons noté une amélioration du métabolisme au glucose et de la FEVG chez les souris SARC. Sur cœur isolé perfusé après 30 min d'ischémie globale, la taille de l'infarctus des souris SARC est la plus faible. La RC est associé à une amélioration de la fonction de la chaine respiratoire mitochondriale chez les souris SARC et à une diminution de la production des radicaux libres. Cependant, les effets bénéfiques de la RC n’ont pas été retrouvés pour la plupart des paramètres mesurés chez les souris NARC. Notre étude a confirmé le rôle de la programmation de SAPN sur la fonction cardio-métabolique. Une RC modérée, à court terme, permet de diminuer le poids corporel, mais aussi d’améliorer le métabolisme du glucose, d’améliorer la fonction cardiaque et de diminuer la susceptibilité aux lésions d'ischémie-reperfusion chez les souris SAPN. / Postnatal overfeeding (PNOF) in rodents induces early programming of cardio-metabolic risk. Our aim was to determine if a moderate diet restriction could restore cardio-metabolic alterations induced by PNOF.Immediately after birth, litters of C57BL/6 mice were either maintained at 9 (normal litter, NL), or reduced to 3 (small litter, SL) to induce PNOF. At weaning, all mice received a standard diet ad libitum (AL). At 6 month of age, half of the NL and SL mice were assigned to a moderate 20% calorie restriction (CR: NLCR, SLCR) for one month, while the other mice continued to eat AL (AL: NLAL, SLAL). Glucose and insulin tolerance tests, cardiac function (echocardiography), body composition (Echo-MRI), cardiac sensitivity to ischemia-reperfusion injury, mitochondrial function, reactive oxygen species (ROS) generation (EPR spectroscopy) and insulin signaling were assessed before and/or after one month of CR.Adult SL mice presented overweight, fat accumulation, hyperleptinemia, glucose intolerance, insulin resistance and decreased left ventricular ejection fraction (LVEF). After one month of moderate CR, body weight of SLCR was normalized to this of NLAL however their fat mass and leptinemia were not decreased. Glucose metabolism was improved and LVEF was increased In SLCR. After 30 min of global ischemia, hearts isolated from SLCR mice showed better recovery and smaller infarct size than this of others groups. CR increased the cardiac mitochondrial respiratory rate in SLCR mice whereas cardiac ROS production was significantly decreased in SLCR mice. Insulin signaling in heart was affected neither by PNOF nor by CR. Intriguingly, no difference was observed in NLCR mice for most of the parameters investigated.Our results confirmed the programming of early overfeeding on metabolic and cardiac function. A short-term moderate CR in not only normalized body weight in SL mice but also ameliorate the metabolic programming and reverse the cardiac dysfunction induced by PNOF.

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.

L'excès de masse grasse, notamment infantile est en perpétuelle augmentation à l'échelle mondiale. Plusieurs études ont montré une association entre cette prise de poids et la survenue de pathologies cardiovasculaires. Cependant, il semble nécessaire de renforcer notre compréhension des liens existant entre la survenue de maladies cardiovasculaires à l'âge adulte et l'existence d'un surpoids durant l'enfance et/ou l'adolescence. Afin de répondre à cette problématique, nous avons utilisé un modèle de suralimentation postnatale chez le rongeur, basé sur la réduction des portées à la naissance. Ainsi, les travaux réalisés au cours de ce Doctorat ont permis de mettre en évidence l'impact d'une surnutrition postnatale précoce sur le développement ultérieur d'altérations cardio-métaboliques. Dans un premier temps, nous avons montré qu'une prise de poids précoce, chez le rat et la souris, induisait une augmentation pérenne de la masse corporelle adipeuse, associée à des perturbations des paramètres biochimiques, représentées par une augmentation de la glycémie, de l'insuline, du cholestérol et de la leptine plasmatique.Dans un deuxième temps, le volet oxydant a été exploré. Ainsi, les animaux ayant subi une suralimentation postnatale, une fois adultes, voient leur niveau de stress nitro-oxydant augmenter au niveau circulant et sur le plan tissulaire cardiaque, alors que des enzymes antioxydantes telles que les superoxydes dismutases et les catalases y présentent une activité augmentée.Dans un troisième temps, l'exploration de la fonction cardiovasculaire a montré, in vivo, que la suralimentation postnatale réduisait de manière significative la contractilité myocardique et induisait une augmentation des niveaux de pression artérielle systolique et diastolique chez la souris. Ex vivo, les cœurs de souris adultes ayant subi une suralimentation postnatale présentaient une plus grande sensibilité aux lésions induites par l'ischémie reperfusion, libérant plus d'enzyme lactate deshydrogénase (LDH) et montrant une taille de nécrose ventriculaire très significativement accrue. De plus, l'étude du remodelage cardiaque a montré chez ces animaux une augmentation de la fibrose associée à une augmentation à la fois de l'expression et de l'activité des métallo-protéinases de type 2 (MMP-2). Enfin, d'un point de vue de l'expression génique cardiaque, notre étude montre que la suralimentation postnatale induit très précocement, dès le sevrage, des différences d'expression portant sur plus de 822 gènes cardiaques, et notamment des gènes de structure comme ceux d'isoformes du collagène ou de protéines de la matrice extracellulaire, ce qui pourrait expliquer la présence d'un remodelage d'origine précoce.Il est évident que des travaux supplémentaires s'imposent afin d'expliquer les mécanismes mis en jeu au cours de ces différentes altérations. Cependant, il apparaît clairement que des modifications nutritionnelles lors d'une période du développement suivant immédiatement la naissance peuvent induire à long terme des altérations d'ordre biochimique, oxydative et cardiovasculaires

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