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'impact de la dynamique des gaz sur la chaine d’air s'est imposé fortement en raison du contenu de la dynamique dans les nouveaux cycles de test automobile tels que le WLTC. Cela rend les modèles 0D actuels moins fiables car ils reposent sur plusieurs positions sur les cartographies mesurées sur des points de fonctionnements stationnaires. En outre, les phénomènes d'onde et les effets inertiels des gaz sont intrinsèquement négligés. Une méthodologie pour reproduire efficacement les effets d'ondes le long des conduites de moteurs à combustion interne a été présentée dans ce travail. L'idée est basée sur la combinaison des modèles à paramètres concentrés et les modèles quasi-unidimensionnels. Cette combinaison donne la possibilité de prendre les effets d'inertie de la dynamique des gaz tout en évitant le coût lourd de calcul de l'approche de modélisation 1D. La première partie s'est intéressée aux schémas numériques à une dimension, dans le but de les évaluer par rapport aux temps de calcul, d’exactitude et de définir une bonne référence pour davantage validations numériques pour les modèles réduits. Le modèle « quasi-Propagatory » était le meilleur candidat pour modéliser les ondes avec moins de puissance de calcul. Pour avoir une propre estimation de la pression de suralimentation, on s'est intéressé plus particulièrement au compresseur. Un modèle physique a été présenté on se basant sur les travaux de Martin et al. [55]. Finalement, les développements sont validés expérimentalement sur tous les points de fonctionnement du moteur. / Gas dynamics impact on air system dynamics and hence on combustion products, i.e. emissions, has imposed itself strongly due to the dynamics content in new test drive cycles such as the WLTC. This makes current real-time 0D models less reliable as they rely on stationary measured look up tables. In addition, wave phenomena and gas inertial effects are inherently neglected. This makes the estimation of the flow into and from the cylinder inaccurate. A methodology to efficiently reproduce wave effects along the internal combustion engine ducts was presented in this work. The idea relies on combining both lumped parameter and quasi-one-dimensional models. This combination gives the possibility to take inertial effects of gas dynamics while avoiding the heavy computational cost of the 1D modeling approach. The first part investigated one-dimensional numerical schemes, with the aim of evaluating them with respect to real-time applications and defining a good reference for further numerical validations for the low order models. The Quasi-Propagatory model was the best candidate to model waves with less computational power. To have a proper boost pressure estimation, more focus was on the compressor. A physics based model was presented based on [55]. Results have also shown a better interpretation and extrapolation ability. Finally, the developments have been validated experimentally using the complete engine operation map.

Les performances des moteurs à combustion interne sont limitées par la quantité de gaz que leur système d'air peut apporter dans le cylindre. Les turbocompresseurs permettent d'augmenter cette quantité et c'est donc pour cette raison qu'ils sont maintenant couram- ment utilisés, parfois en combinaison avec d'autres composants. Ces systèmes présentent l'inconvénient d'entraîner une dynamique lente sur le moteur. Les stratégies de commande associées doivent donc exploiter au maximum la dynamique d'un système complexe. Cette thèse examine les problèmes de commande des systèmes d'air suralimentés à travers trois études de cas : un turbocompresseur à géométrie fixe sur un moteur essence, une turbine à géométrie variable sur un moteur Diesel avec deux circuits de recirculation des gaz brûlés, et un turbocompresseur à deux étages sur un moteur Diesel. La démarche proposée consiste à réduire un modèle physique du système et à synthétiser des stratégies de commande simples basées sur l'analyse de ce modèle. Grâce à la simplicité du modèle réduit et de la loi de commande, on peut prouver des propriétés du système en boucle fermée telles que la convergence, la stabilité et le respect des contraintes. Des résultats expérimentaux sont fournis dans chaque cas pour démontrer la pertinence de la démarche. Le premier problème considéré est à simple entrée simple sortie (SISO) avec des contraintes sur l'actionneur. Le système est non linéaire du premier ordre. La stratégie de commande développée consiste en une linéarisation par retour d'état avec planification de trajectoire sous contrainte. Elle se base sur l'inversion dynamique d'une représentation physique du système. Des problèmes pratiques tels que les contraintes sur l'actionneur et l'anti emballement de l'intégrateur sont pris en compte à la fois dans les parties de prépositionnement et de bouclage du contrôleur. La démarche et les développements sont ensuite étendus à des applications plus complexes. Le second système d'air considéré contient plusieurs sous systèmes avec de nombreuses interactions : turbocompresseur et circuits de recirculation des gaz brûlés. Un niveau de modélisation similaire à celui du premier cas est utilisé pour l'analyse du système. On montre que les dynamiques des circuits de recirculation des gaz brûlés sont plus rapides que celles du turbocompresseur et peuvent donc être négligées. Cependant, les interactions statiques entre les deux systèmes imposent des contraintes sur la commande du turbocom- presseur. La structure de commande développée pour le premier exemple est adaptée à ce nouveau problème de commande. La dernière application est la plus complexe. Le problème de commande peut être réduit à un problème à simple entrée et simple sortie (SISO), mais le système est du second ordre et des contraintes doivent être respectées sur l'un des états. Un modèle physique mais réduit du second ordre permet d'étudier les trajectoires du système en boucle fermée dans le plan des phases. Des stratégies de commande sont ainsi synthétisées pour forcer le système sur les trajectoires désirées tout en satisfaisant les contraintes. La thèse montre donc que différents problèmes de commande de sytèmes d'air peuvent être traités avec des solutions similaires et cohérentes. La démarche globale et le niveau de modélisation retenu sont génériques. Ils pourront ainsi être étendus à de futurs problèmes de commandes de systèmes d'air, mais également à des problèmes de diagnostic pour lesquels ils sont bien adaptés.

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.

Les centaines de millions de véhicules du parc automobile mondial nous rappellent à quel point notre société dépend du moteur à combustion interne. Malgré des progrès significatifs en termes d'émissions polluantes et de consommation, les moteurs à essence et diesel demeurent l'une des principales sources de pollution de l'air des centres urbains modernes. Ce constat motive les autorités à renforcer les normes anti-pollution, qui tendent à complexifier la définition technique des moteurs. En particulier, un nombre croissant d'actionneurs fait aujourd'hui, du contrôle de la chaîne d'air, un challenge majeur. Dans un marché de plus en plus mondialisé et où le temps de développement de moteurs se doit d'être de plus en plus court, ces travaux entendent proposer une solution aux problèmes liés à cette augmentation de la complexité. La proposition repose sur une approche en trois étapes et combine : modélisation physique du moteur, contrôle prédictif non linéaire et programmation multiparamétrique. Le cas du contrôle de la chaîne d'air d'un moteur à essence suralimenté sert de fil conducteur au document. Dans son ensemble, les développements présentés ici fournissent une approche quasi-systématique pour la synthèse du contrôle de la chaîne des moteurs à essence suralimentés. Intuitivement, le raisonnement doit pouvoir être étendu à d'autres boucles de contrôle et au cas des moteurs diesel.

Résumé en français : Dans les turbomachines conventionnelles, l'estimation des performances (rendement, puissance et rapport de pression) se fait en général en admettant l'adiabaticité de l'écoulement. Mais, de nombreuses études ayant montré l'influence négative des échanges thermiques internes et externes sur les performances des petites turbomachines dans les faibles charges et aux bas régimes, cette hypothèse ne peut plus être recevable. L'objectif principal de cette thèse est de contribuer à lever l'hypothèse d'adiabaticité.Une étude préalable de l'état de l'art a permis de relever les différents types de transferts thermiques dans les turbomachines et de circonscrire notre étude.Puis, une analyse exergétique généralisée, ayant pour but la prise en compte des deux principes de la thermodynamique, a été effectuée et l'évolution de l'indice de performance caractérisant le niveau d'énergie récupérable en fonction des échanges thermiques est étudiée.Les performances des turbomachines à fluide compressible sont généralement représentées sous forme graphique dans des systèmes de coordonnées adimensionnelles établies avec l'hypothèse d'adiabaticité. Ces cartographies couramment utilisées par les exploitants et constructeurs ne conviennent pas aux machines fonctionnant avec transferts thermiques. L'étude de la similitude des turbomachines thermiques à fluide compressible présentée dans ce travail, propose de nouvelles coordonnées adimensionnelles pouvant être utilisées aussi bien en adiabatique que dans les écoulements avec transferts thermiques.Enfin, nous proposons un protocole de mesures et un modèle numérique pour l'évaluation des transferts thermiques dans un turbocompresseur.Certains résultats obtenus montrent que les performances calculées avec l'hypothèse d'adiabaticité de l'écoulement du fluide sont surestimées. Les nouvelles lois de la similitude proposées généralisent le théorème de Rateau au fluide compressible fonctionnant dans n'importe quelle condition et permettent de calculer les échanges thermiques à chaud à partir des résultats d'essai à froid. Une donnée supplémentaire (température de refoulement) est néanmoins nécessaire pour la prédiction complète des performances et des échanges thermiques.Le modèle numérique de calcul des échanges thermiques proposé donne des résultats en accord avec ceux attendus, mais nécessite des données réelles issues de mesure sur banc pour une validation complète.

Dans cette thèse, des méthodes de caractérisation acoustique passive et active de systèmes acoustiques à deux ports sont présentées, basées sur une décomposition d’ondes planes en entrée et sortie. Cette décomposition est réalisée par la méthode du beamforming. Ces méthodes mises en place et validées sur des géométries simples, sont ensuite employées pour caractériser l’étage compresseur d’un turbocompresseur de suralimentation automobile. La caractérisation acoustique active se fait par la mesure de la puissance et de l’intensité acoustique dans les conduits du compresseur, ceci pour des points de fonctionnement spécifiques, des cartographies compresseur complètes sont également élaborées. Les essais ont été menés sur banc turbo, banc moteur et sur véhicule complet. La caractérisation acoustique passive est abordée par le calcul de matrices du compresseur (matrice de transfert, matrice d’impédance et matrice de diffusion). Le calcul de la perte par transmission acoustique est déduit de ces matrices. Des essais ont été réalisés et comparés à des simulations éléments finis 3D sur un turbocompresseur statique comme sur un turbocompresseur opérationnel. / In this thesis, methodologies to perform the acoustic passive and active characterization of two port systems are presented. These methods are based on plane wave decomposition made at the inlet and at the outlet of the system. This decomposition is made according beamforming technique. Once these methods were validated on simple geometries, they were then applied to the compressor stage of an automotive turbocharger. The active acoustic characterization is made by the measurement of the acoustic power and acoustic intensity in the compressor ducts on given working points, but also on complete compressor maps. This was performed on turbocharger benches, engine benches and a complete vehicle. The passive acoustic characterization is made by the calculation of characteristic matrices (transfer matrix, impedance matrix and scattering matrix). These matrices are then used to compute the acoustic transmission loss. Experiments were performed on a static turbocharger and compared to 3D finite elements simulations, as well as experiments on an operating turbocharger.

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.

Dans les turbomachines conventionnelles, l’estimation des performances (rendement, puissance et rapport de pression) se fait en général en admettant l’adiabaticité de l’écoulement. Mais, de nombreuses études ayant montré l’influence négative des échanges thermiques internes et externes sur les performances des petites turbomachines dans les faibles charges et aux bas régimes, cette hypothèse ne peut plus être recevable. L’objectif principal de cette thèse est de contribuer à lever l’hypothèse d’adiabaticité.Une étude préalable de l’état de l’art a permis de relever les différents types de transferts thermiques dans les turbomachines et de circonscrire notre étude.Puis, une analyse exergétique généralisée, ayant pour but la prise en compte des deux principes de la thermodynamique, a été effectuée et l’évolution de l’indice de performance caractérisant le niveau d’énergie récupérable en fonction des échanges thermiques est étudiée.Les performances des turbomachines à fluide compressible sont généralement représentées sous forme graphique dans des systèmes de coordonnées adimensionnelles établies avec l’hypothèse d’adiabaticité. Ces cartographies couramment utilisées par les exploitants et constructeurs ne conviennent pas aux machines fonctionnant avec transferts thermiques. L’étude de la similitude des turbomachines thermiques à fluide compressible présentée dans ce travail, propose de nouvelles coordonnées adimensionnelles pouvant être utilisées aussi bien en adiabatique que dans les écoulements avec transferts thermiques.Enfin, nous proposons un protocole de mesures et un modèle numérique pour l’évaluation des transferts thermiques dans un turbocompresseur.Certains résultats obtenus montrent que les performances calculées avec l’hypothèse d’adiabaticité de l’écoulement du fluide sont surestimées. Les nouvelles lois de la similitude proposées généralisent le théorème de Rateau au fluide compressible fonctionnant dans n’importe quelle condition et permettent de calculer les échanges thermiques à chaud à partir des résultats d’essai à froid. Une donnée supplémentaire (température de refoulement) est néanmoins nécessaire pour la prédiction complète des performances et des échanges thermiques.Le modèle numérique de calcul des échanges thermiques proposé donne des résultats en accord avec ceux attendus, mais nécessite des données réelles issues de mesure sur banc pour une validation complète. / In the conventional turbomachines, calculations are done assuming adiabatic flow. But, the negative influence of external and internal heat exchange on the performance of small turbomachines at low loads and low speeds have been shown by many studies in the literature. Then, this assumption is no longer admissible. The main objective of this thesis is to help remove the assumption of adiabaticity.A study of the state of art has identified the different kinds of heat transfer and defined the limits of our investigations.Afterwards, a generalized exergy analysis whose main goal is to take into account the two principles of thermodynamics has been made and the variation of exergy performance versus heat transfer has been studied.The maps currently used are made with the assumption of adiabaticity. The laws of similarity in turbomachines working with compressible fluid studied propose new dimensionless coordinates that can be used in any operating condition (adiabatic or not).Finally, we present a measurement protocol and a numerical model for calculating heat transfer in a turbocharger.Some results from our work indicate that the performance of thermal turbomachinery announced regardless of thermal heat exchanges are found to be overestimated.The new laws of similarity proposed generalize the Rateau’s theorem to compressible fluid flow in any operating condition and can be used to calculate heat transfer from adiabatic test results. Supplementary information is still required for the complete prediction of performance and heat transfer.The numerical model for calculating heat transfer gives some results that are in agreement with those expected. But actual data from test bench are required for complete validation.