L'objectif de cette thèse est d'étudier les possibilités offertes par les traitements statistiques synchrones des signaux vibratoires de moteurs thermiques à combustion interne, pour le diagnostic de leur état de fonctionnement. Les signaux vibratoires issus des moteurs thermiques ont la particularité d'être cyclostationnaires, c'est à dire périodiques dans leurs propriétés statistiques. La prise en compte de cette propriété autorise la définition théorique de nouveaux descripteurs capables de caractériser instantanément les processus vibratoires, en correspondance avec la cinématique du moteur. De plus, lorsque associée à l'échantillonnage angulaire, la cyclostationnarité conduit vers l a proposition d'estimateurs statistiques synchrones, commodes à mettre en œuvre. Dans une première partie, nous nous intéressons à la localisation et la caractérisation des signatures vibratoires dans le cycle moteur pour pouvoir ultérieurement opérer un diagnostic à partir de leur analyse. Pour cela, nous montrons l'avantage qu'il y a à utiliser le spectre de Wigner-Ville, qui donne une représentation angle-fréquence des phénomènes stochastiques à l'intérieur du cycle moteur. Afin de construire des indicateurs concis et utiles au diagnostic, nous proposons de résumer le spectre de Wigner-Ville par le calcul de ses moments et cumulants spectraux angulaires, qui jouissent d'une excellente résolution angulaire et, pour ces derniers, d'une interprétation physique. L'emploi de ces indicateurs est illustré sur des signaux réels et nous conduit à proposer des procédures de contrôle et d'aide au diagnostic. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons plus particulièrement au diagnostic du processus de combustion. Cet objectif passe d'abord par la reconstruction des forces de pression dans les cylindres à partir de mesures non-intrusives. Ceci nous amène à envisager plusieurs approches : l'une classique basée sur la mesure de la vitesse instantanée de rotation du vilebrequin, les autres plus originales basées sur la mesure des vibrations du bloc moteur. Parmi celles-ci, nous proposons un nouvel outil, le cepstre différentiel moyen, qui généralise le cepstre différentiel aux signaux stochastiques et qui peut se définir à partir des premiers moments et cumulants spectraux fréquentiels du spectre de Wigner-Ville. Par ailleurs, dans le cas réaliste où le rapport signal à bruit cyclostationnaire se dégrade, nous montrons théoriquement que le filtre inverse optimal du bloc moteur est variable périodiquement en angle. Les performances de chaque approche sont évaluées sur des signaux réels, ce qui permet de les comparer et d'orienter le choix final de l'utilisateur vers l'une d'entre elles.

The aim of this thesis is to investigate the potentials for monitoring and diagnosis of internal combustion engines offered by the synchronous statistical processing of their vibratory signals. Such signals are shown to be cyclostationary, id est with periodic statistical properties. Taking this property into account leads to the definition of some new indicators which can describe the vibration processes instantaneously, in accordance with the engine kinematics. Furthermore, when coupled with angular sampling, cyclostationarity allows the easy implementation of synchronous statistical estimators. The first section is concerned with the localisation and characterisation of the vibration signatures that occur in the engine cycle in order to use them for diagnosis. We first expose the advantages of using the Wigner-Ville spectrum for this purpose, and then propose to condense the angle-frequency information by computing its angular moments and cumulants. These quantities enjoy an excellent angular resolution and can be given a physical meaning. Their properties are analysed in detail. The second part is more concerned with the diagnosis of the combustion process. This issue requires the need for reconstructing the pressure forces inside the cylinders from non-intrusive measurements. Two types of solutions are investigated, the first one based on the measurement of the crankshaft instantaneous angular speed, and the second one based on the measurement of structural vibrations. For the second solution, we introduce the mean differential cepstrum, which generalises the differential cepstrum to stochastic processes and can be defined from the first frequency moments and cumulants of the Wigner-Ville spectrum. For cases when the signal to noise ration is low, we show that the optimal inverse filter to be applied is periodically angle-varying. Performances of each approach are assessed on actual signal.