Modélisation et contrôle du moteur à allumage commandé pour Euro 6

This thesis has been developed thanks to a Conventions Industrielles de Formation par la Recherche (CIFRE)1 agreement, that is a program of the french agency Association nationale de la recherche et de la Technologie(ANRT), coordinated by the Centre nationale de la recherche scientifique (CNRS). The CIFRE program grants the Franch companies who engage a PhD student to carry out a research project of the company within a public research lab. For this thesis, a CIFRE agreement has been accorded between the automobile company Renault France and the scientific laboratories Gipsa Lab in Grenoble and PRISME in Orléans.This thesis is focused on the modeling of a detailed description of the 0D combustion process and the estimation of the enclosed mass in the combustion chamber for a Spark Ignited (SI) engine. The main developments are summarized as follows:-The combustion process is frequently modeled as growing flame inside of the combustion chamber. Many 0D thermodynamical Engine models mostly focus on the laminar characteristics of such a free developing ame, but they lack of a suitable approximation of the combustion when the ame reaches the cylinder walls. In this thesis, a flame-wall interaction model is proposed as a complement of a 0D two zones thermodynamical model.-The estimation of the total mass enclosed in the combustion chamber is an interesting and challenging task for the engine control community. In this thesis, two nonlinear observers are synthesized for the enclosed mass estimation: a classical nonlinear high gain observer and an extended linear parameter varying (LPV) high gain observer.-A controller for a common rail injection system is developed in this thesis. First, an input state linearization of a common rail model is performed, in order to overcome the strong nonlinearities and build a virtual linear model. Using the virtual model, two linear control strategies are implemented to regulate the common rail pressure: an optimal linear quadratic regulator LQR with integral action and an optimal LQR tracking (feedforward) with integral action strategy.Cette thèse a été développé grâce à une Conventions Industrielles de Formation par la Recherche (CIFRE). Cette convention fait partie d’un programme de l’Association nationale de la recherche et de la technologie (ANRT), coordonné par le Centre nationale de la recherche scientifique (CNRS). L’accord CIFRE subventionne les entreprises françaises qui engagent un thésard pour conduire un projet scientifique dans l’entreprise, en partenariat avec un laboratoire publique de recherche. Pour cette thèse, l’accord CIFRE a été signé par Renault et les laboratoires GIPSA Lab de Grenoble et PRISME d’Orléans.Cette thèse se focalise sur la modélisation 0D, en particulier sur une description plus détaillé du processus de la combustion et l’estimation des masses enfermées dans la chambre de combustion d’un moteur à allumage commandé (Spark Ignited (SI) engine). Les principaux développements comportent des points suivants :-L’impact flamme parois pendant la combustion : un nouveau modèle pour prendre en compte ce phénomène dans le cadre d’un modèle de combustion 0D à deux zones a été développé. Ce modèle permet de prendre en compte la géométrie de la chambre de combustion et la proportion de flamme que brûle proche des parois du cylindre. Plusieurs études ont montré qu’une grand proportion (20% au 30%) du mélange frais brûle dans ce mode de combustion ce qui montre l’importance de prendre en compte ce phénomène. -L’estimation de la mass totale enfermée dans la chambre de combustion après la fermeture des soupapes est un phénomène très intéressant qui présente un Challenger pour les chercheurs motoristes. Une estimation plus précise de la mass enfermée dans la chambre de combustion permet d’avoir un meilleur contrôle de l’injection du carburant et une amélioration dans le traitement des polluants.-Le dernier point à traiter dans cette thèse est la commande d’un système d’injection “common rail”. Ce point a pour but de compléter la modélisation de la combustion en ajoutant une thématique liée à l’injection, lequel est un paramètre crucial dans le processus de la combustion. L’objectif d’un système d’injection common rail est de contrôler l’avance de l’injection, la durée et la pression, de façon indépendante dans chaque cylindre, pour avoir un meilleur contrôle de la combustion, en dépendant des conditions d’opération. Cette injection permet de réguler le carburant en quantités très petites, ce qu’aide à réduire la consommation, les émissions polluantes, et aussi à améliorer la performance du moteur