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. / The hundreds of millions of passenger cars and other vehicles on our roads emphasize our society’s reliance on internal combustion engines. Despite striking progress in terms of pollutant emissions and fuel consumption, gasoline and diesel engines remain one of the most important sources of air pollution in modern urban areas. This leads the authorities to lay down increasingly drastic pollutant emission standards, which entail ever more complex engine technical definitions. In particular, due to an increasing number of actuators in the past few years, the air path of internal combustion engines represents one of the biggest challenges of engine control design. The present thesis addresses this issue of increasing engine complexity with respect to the continuous reduction in development time, dictated by a more and more competitive globalized market. The proposal consists in a three-step approach that combines physics-based engine modeling, nonlinear model predictive control and multi-parametric nonlinear programming. The latter leads to an explicit piecewise affine feedback control law, compatible with a real-time implementation. The proposed approach is applied to the particular case of the control of the air path of a turbocharged gasoline engine. Overall, the developments presented in this thesis provide a quasi-systematic approach for the synthesis of the control of the air path of turbocharged gasoline engines. Intuitively, this approach can be extended to other control loops in both gasoline and diesel engines.

Les moteurs diesel suralimentés à injection directe ont bénéficié de nombreux progrès en termes de minimisation de consommation et d’émissions. Ils représentent aujourd’hui des processus technologiques de plus en plus complexes, d’où la nécessité d’améliorer et de développer des systèmes de diagnostic pour la détection des défauts de ces moteurs. Cette thèse propose une méthode de diagnostic à base de modèle pour la détection de différents types de défauts : de capteurs, d’actionneurs et des fuites dans la boucle des gaz d’un moteur diesel en n’utilisant que ses capteurs d’origine. L’utilisation de modèles physiques, polynomiaux, statiques et dynamiques permet de calculer des résidus entre les grandeurs mesurées par les capteurs et celles estimées par ces modèles. En présence de défauts, des variations anormales des résidus donnent naissance à des symptômes qui constituent la base de détection de différents types de pannes dans le système. La méthode proposée est implémentée, avec un système de prototypage rapide, et testée sur un moteur diesel à bord d’un véhicule de recherche. Des résultats expérimentaux d’application montrent la détection et le diagnostic, réalisés en temps réel, des différents types de défauts introduits durant les essais / The turbocharged diesel engines with direct injection benefited from numerous progresses in terms of minimization of consumption and emissions. Today, they represent more and more complex technological processes. Therefore, fault detection and diagnosis need to be developed and improved for these engines. This thesis proposes a method of model based diagnosis for the detection of various types of faults like: sensor, actuator faults and leaks in a diesel engine gases path by using only serial production sensors. The use of physical, polynomial, static and dynamic models allows calculating residuals between the sensor signals and their estimates computed by these models. When a fault occurs, abnormal variations of those residuals give birth to symptoms which constitute the base of detection of various breakdown types in the system. The proposed method is implemented, with a rapid prototyping system, and tested on a diesel engine on board a research vehicle. Application experimental results show the detection and the diagnosis, performed in real lime, of various types of faults introduced during the tests

Le contrôle des moteurs à allumage commandé est devenu capital pour satisfaire la législation sur les émissions polluantes tout en garantissant un bon agrément de conduite et une consommation réduite. <br /><br />Le downsizing, c'est-à-dire la réduction de la cylindrée du moteur, est une des voies prometteuses pour réduire la consommation de carburant et les émissions de CO2 qui en découlent. Combinant plusieurs technologies existantes telles que la turbocompression et la distribution variable, le downsizing est un exemple typique des problèmes rencontrés dans le contrôle des motorisations : systèmes non linéaires avec saturations d'actionneurs ; nombreuses grandeurs physiques importantes non mesurables ; temps de calcul limité ; objectifs du contrôle (consommation, pollution, performance) souvent concurrents.<br /><br />Une démarche de modélisation et de contrôle à base de modèle (par modèle interne et prédictif) pour ces systèmes est alors proposée et appliquée au contrôle de la chaîne d'air du moteur à essence à cylindrée réduite. Des estimateurs, physiques et génériques, sont construits pour la masse d'air dans le cylindre, la masse de gaz brûlés résiduels et la masse d'air balayé de l'admission vers l'échappement. L'architecture complète et générique du contrôle en couple pour le moteur à allumage commandé turbocompressé à déphaseurs d'arbre à cames a été testée en simulation puis expérimentalement (sur moteur et véhicule).<br />Ces essais ont alors montré que de nouvelles possibilités étaient offertes pour diminuer les émissions polluantes et optimiser le rendement du moteur.

Le thème principal de ce travail concerne la commande du circuit d'air et du circuit<br />d'essence des moteurs thermiques à allumage commandé avec ou sans suralimentation en air.<br />La présentation se décompose en cinq chapitres.<br />Le premier chapitre donne un état de l'art concernant la modélisation orientée<br />«contrôle» et la commande du circuit d'admission d'air-essence. La problématique de<br />l'estimation et de la commande du couple moteur est également traitée.<br />Dans le deuxième chapitre, les modèles mis en oeuvre dans la suite du mémoire, et<br />l'identification de leurs paramètres sont présentés. Les modèles moyens qui sont décrits<br />permettent de faire un compromis entre complexité du modèle et adéquation aux synthèses des<br />lois de commande proposées. Le couple moteur n'étant pas mesuré sur un véhicule de série, son<br />estimation fait l'objet de la fin de ce chapitre.<br />Le troisième chapitre propose l'utilisation des modèles flous de type Takagi-Sugeno<br />(TS) pour réaliser le contrôle de différentes variables. Après un rapide rappel de ce type de<br />modèle, son application à la commande en couple, puis au problème de la richesse (rapport<br />air/essence à la stoechiométrie près) sont abordés.<br />Le quatrième chapitre correspond à un certains nombres d'essais réels qui ont été<br />réalisés sur le banc moteur. En particulier, ces essais ont permis de valider des lois de<br />commande présentées dans le chapitre précédent sur la commande du circuit d'air et du couple<br />moteur. Le dernier chapitre présente quelques perspectives à ce travail.

Les moteurs diesel suralimentés à injection directe ont bénéficié de nombreux progrès en termes de minimisation de consommation et d'émissions. Ils représentent aujourd'hui des processus technologiques de plus en plus complexes, d'où la nécessité d'améliorer et de développer des systèmes de diagnostic pour la détection des défauts de ces moteurs. Cette thèse propose une méthode de diagnostic à base de modèle pour la détection de différents types de défauts : de capteurs, d'actionneurs et des fuites dans la boucle des gaz d'un moteur diesel en n'utilisant que ses capteurs d'origine. L'utilisation de modèles physiques, polynomiaux, statiques et dynamiques permet de calculer des résidus entre les grandeurs mesurées par les capteurs et celles estimées par ces modèles. En présence de défauts, des variations anormales des résidus donnent naissance à des symptômes qui constituent la base de détection de différents types de pannes dans le système. La méthode proposée est implémentée, avec un système de prototypage rapide, et testée sur un moteur diesel à bord d'un véhicule de recherche. Des résultats expérimentaux d'application montrent la détection et le diagnostic, réalisés en temps réel, des différents types de défauts introduits durant les essais.

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.

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.

Les actionneurs électropneumatiques sont très utilisés dans l'industrie automobile car ils offrent de grands avantages, en termes d'encombrement, de puissance élevée et de simplicité de commande. Ces actionneurs sont utilisés plus particulièrement pour le contrôle des Turbocompresseurs à Géométrie Variable (TGV). Le TGV joue un rôle très important dans les performances de la boucle d'air du moteur, en particulier sur la qualité de l'air à l'admission et à l'échappement. Les nouvelles réglementations gouvernementales concernant les émissions polluantes des véhicules ont poussé les équipementiers automobiles à s'intéresser davantage au contrôle du Turbocompresseur à Géométrie Variable. Ces exigences ne peuvent pas être realisées à travers des techniques classiques de contrôle de type PID. En effet, le contrôle doit tenir compte de la complexité du modèle et de ses incertitudes ainsi que des exigences en termes de performances statiques et dynamiques et du nombre limité de mesures. De plus, il faut également tenir compte des conditions agressives dans lesquelles travaillent l'actionneur, notamment la température, les forces de frottement et les forces aérodynamiques à l'entrée du turbo. Dans le cadre de cette thèse, ce sont tous ces aspects qui ont motivé notre travail de modélisation et de commande robuste de l'actionneur électropneumatique du turbo. Dans un premier temps, nous avons établi un modèle de simulation de l'actionneur. Nous avons commencé par élaborer un modèle physique détaillé de l'actionneur, en prenant en compte les caractéristiques non linéaires provenant de la compressibilité de l'air et du frottement. Ensuite, deux modèles des forces aérodynamiques qui agissement sur l'actionneur ont été proposés. Le modèle global de l'actionneur a été validé expérimentalement et une analyse de sensibilité expérimentale a été menée sur plusieurs actionneurs afin d'identifier les paramètres ayant le plus d'impact sur les performances de l'actionneur. Dans un second temps, nous avons proposé une simplification du modèle obtenu dans le but de le rendre utilisable pour le contrôle, tout en préservant ses caractéristiques statiques et dynamiques. Enfin, nous nous sommes intéressés à la résolution du problème de commande robuste par retour de sortie de l'actionneur. Les algorithmes de contrôle et d'estimation élaborés ont été validés d'abord par des simulations, puis expérimentalement sur un banc d'essai moteur. / The choice of technology for automotive actuators is driven by the need of high power to size ratio. In general, electro-pneumatic actuators are preferred for application around the engine as they are compact, powerful and require simple controlling devices. Specially, Variable Geometry Turbochargers (VGTs) are almost always controlled with electro-pneumatic actuators. This is a challenging application because the VGT is an important part of the engine air path and the latter is responsible for intake and exhaust air quality and exhaust emissions control. With government regulations on vehicle pollutant emissions getting stringent by the year, VGT control requirements have also increased. These regulations and requirements can only be fulfilled with precise dynamic control of the VGT through its actuator. The demands on actuator control include robustness against uncertainty in operating conditions, fast and smooth positioning without vibration, limited number of measurements. Added constraints such as nonlinear dynamic behavior of the actuator, friction and varying aerodynamic forces in the VGT render classical control methods ineffective. These are the main problems that form the core of this thesis.In this work, we have addressed the above mentioned problems, using model based control complemented with robust control methods to overcome operational uncertainties and parametric variations. In the first step, a detailed physical model of an electro-pneumatic actuator has been developed; taking into account the nonlinear characteristics originating from air compressibility and friction. Means to compensate for aerodynamic force have been studied and implemented in the next step. These include model parametric adaptation and one dimensional CFD (Computational Fluid Dynamics) modeling. The complete model has been experimentally validated and a sensitivity analysis has been conducted to identify the parameters which have the greatest impact upon the actuator's behavior. The detailed simulation model has then been simplified to make it suitable for control purposes while keeping its essential behavioral characteristics (i.e. transients and dynamics). Next, robust controllers have been developed around the model for the control objective of accurate actuator positioning in presence of operational uncertainty. An important constraint in commercial actuators is that they provide output feedback only, as they are only equipped with low-cost position sensors. This hurdle has been overcome by introducing observers in the control loop, which estimate other system states from the output feedback. The estimation and control algorithms have been validated in simulation and experimentally on diesel engine test benches.

Dans le milieu automobile, les règlementations visant à limiter l’émission de particules fines et de gaz à effet de serre sont devenues de plus en plus sévères au cours des dernières années. Cette tendance ne va pas s’inverser et des solutions doivent être trouvées pour améliorer le rendement des moteurs à combustion interne (ICE) qui propulsent la majorité des véhicules de tourisme dans le monde.Une des solutions permettant d’améliorer le rendement thermodynamique de l’ICE est d’utiliser un turbocompresseur. Cet organe de suralimentation permet d’accroître le couple du moteur en augmentant la pression d’air dans les cylindres et par conséquent la quantité de comburant. Le turbocompresseur présente cependant un inconvénient pour l’agrément de conduite. Selon la technologie employée, un temps de latence (turbo lag) plus ou moins important apparait entre le moment ou le conducteur appui sur la pédale d’accélérateur et le moment ou le couple est disponible sur les roues.Pour pallier ce problème, on peut utiliser une machine électrique venant assister le turbocompresseur durant la phase de montée en vitesse. Cette machine peut faire partie d’un système indépendant de compression d’air et placée en amont du turbocompresseur, on parlera alors de turbo assisté électriquement. Cette machine peut aussi être intégrée directement au turbocompresseur, on parlera alors de turbo électrique. Dans les deux cas, le temps de réponse du turbocompresseur est amélioré ce qui impacte directement la dynamique du véhicule et le plaisir de conduite. Dans le cas du turbo électrique, l’intégration de la machine électrique directement sur le turbocompresseur permet son fonctionnement en génératrice en offrant ainsi une amélioration du rendement global de l’ICE.Le sujet de la thèse est la modélisation et la conception des machines électriques haute vitesse pour ces applications. Les principales qualités recherchées pour ces machines seront :-leurs capacités à pouvoir fonctionner à haute vitesse : les vitesses recherchées se situe typiquement entre 70 000 et 150 000 tr/min pour des vitesses périphériques de l’ordre de 150 m/s ;-leurs densités de puissance : on recherche des puissances de 3 à 15 kW pour des machines compactes qui devront être intégrées sous le capot du véhicule ;-des rendements élevés de l’ordre de 95 % ;-une conception adaptée à la production en grande série pour l’automobile.Pour répondre à cette problématique, les travaux suivants ont été entrepris :Dans un premier temps, nous avons modélisé finement les phénomènes électromagnétiques et mécaniques liées aux machines électriques haute vitesse à encoches et aimants permanents positionnés en surface. Pour cela, nous avons développé un modèle de calcul en sous-domaines pour la partie électromagnétique et un modèle multicouches de résistance des matériaux pour le calcul de la tenue du rotor à haute vitesse.Dans un deuxième temps, pour pouvoir explorer des topologies de machines très différentes, nous avons eu recourt aux méthodes de calcul par éléments finis. Nous avons pu identifier et de comparer plusieurs topologies de machines à encoches, sans encoches, à bobinage dentaire ou toroïdal. Cette étude paramétrique a permis de comparer la densité de couple et le rendement de ces machines.Enfin, dans une dernière partie, nous avons traité le cas du prototypage et des mesures de ces machines. Pour cela, sur la base des études réalisées, nous avons prototypé trois machines aux performances prometteuses. La conception mécanique des différentes machines est abordée ainsi que les méthodes de mesures et les difficultés liées aux caractérisations à haute vitesse.Au cours de ce travail de thèse, d’autres aspects ont aussi été abordés tel que la modélisation des pertes du système machine électrique et convertisseur de puissance, la dynamique des rotors ou encore les émissions acoustiques. / In the automotive industry, regulations to limit the emission of greenhouse gases have become more and more severe. This trend is not going to change and solutions must be found to improve the efficiency of internal combustion engines (ICE) that drive the majority of passenger cars in the world.Turbochargers are a clever solution to improve the thermodynamic efficiency of the ICE. This forced induction device increases the air pressure in the cylinders and therefore the engine torque. However, turbochargers have a major disadvantage for the driver experience: a lag time (turbo lag) between the moment when the driver steps on the accelerator and the moment when torque is available.To overcome this problem, an electric machine can be used to assist the turbocharger during the speed up phase. This machine can be a part of an independent system of air compression and placed upstream of the turbocharger or it can be integrated directly into the turbocharger. In both cases, the response time of the turbocharger is greatly reduced which directly impacts the dynamic of the vehicle and the driving pleasure. The integration of the electric machine directly on the turbocharger allows its operation as a generator to improve the overall efficiency of the ICE.The subject of this thesis is the modeling and design of high speed electric machines for these applications. The main requirements are:-High-speed operation: between 70,000 and 150,000 rpm and peripheral speeds around 150 m/s.-Power density: from 3 to 15 kW for compact machines that will have to be integrated under the hood of the vehicle.-High efficiency: around 95 % and above.-A design adapted to mass production for the automotive industry.To cope with this requirements, the following tasks were undertaken:Firstly, we modeled the electromagnetic and mechanical behaviors of high-speed slotted electric machines with surface-mounted permanent magnets. For the electromagnetic part, we developed a subdomain calculation model. For the mechanical part, we worked on a multilayer model to evaluate the rotor strength at high speed.Secondly, we used finite element analysis methods to explore different machine structures. We compared several topologies of slotted and slotless machines, with tooth-coil winding and toroidal winding. This parametric study allowed us to compare the torque density and efficiency of these machines.Finally, we dealt with the case of prototyping and measurements of these machines. Based on the previous studies, we prototyped three machines with promising performances. The mechanical design of the different machines is discussed as well as the measurement methods and the difficulties associated with high speed characterization.During this thesis work, other aspects were also discussed such as the losses in power converters driving high-speed electric machines, rotor dynamics and acoustic emissions.