Soutenance mémoire
On estime que l’automobile est responsable de près de la moitié des oxydes d’azote (NOX) et des 2/3 du monoxyde de carbone (CO) produits artificiellement sur la planète [1]. La politique de réduction des polluants émis par les transports routiers depuis trente ans porte ses fruits, et tend vers des limites quasi asymptotiques qui seront atteintes aux environs de 2020. Le dioxyde de carbone (CO2) reste exclu de ces polluants réglementés alors qu’il est fortement impliqué dans l’effet de serre, qui piège le rayonnement solaire et contribue au ré‐ chauffement de la terre. Les quantités de CO2 produites dépendent directement de la masse du carburant consommée. Elles sont en constante augmentation (prévision de +20% à l’horizon 2020) car le trafic et les activités industrielles n’arrêtent pas de croitre. Le CO2 émis serait res‐ ponsable à 65% de cet effet de serre, et les transports routiers produiraient 25% des émissions mondiales de CO2 : les constructeurs automobiles se doivent donc de participer à la maitrise de ces émissions [2, 3].
La recherche aujourd’hui dans les moteurs à combustion interne, est conduite par la de‐ mande de réduction des émissions de gaz à effet de serre, la réduction de consommation du carburant ainsi la satisfaction du client. Les performances du paquet de segmentation du pis‐ ton, qui sont mesurées en termes de perte par frottement, consommation d’huile, dégradation d’huile et l’usure, affectent tous ces trois facteurs. L’huile non brûlée et partiellement brûlée coulant dans l’échappement explique les rejets et les émissions particulaires [4, 5]. En plus, cer‐ tains des composés chimiques présents dans les additifs d’huile, principalement ceux qui ont un taux élevé en soufre, sont toxiques aux convertisseurs catalytiques et réduisent ainsi nettement leur efficacité de conversion [6]. On estime que L’écoulement d’huile par les segments à travers la chambre de combustion explique 40 à 80% de la consommation totale d’huile dans le moteur [7]. Minimisé la consommation d’huile par ces derniers est donc d’un intérêt primaire pour ré‐ duire la lancé des émissions. D’autre par, Le frottement du segment/chemise, est fonction de la concordance géométrique [8] et par conséquent inversement relié à la consommation d’huile, explique 10 à 20% de toute la perte de puissance par frottement du moteur .
VUE D’ENSEMBLE DU SYSTEME SEGMENT CHEMISE
Description du système segment chemise
Les segments sont des anneaux élastiques ouverts situés dans des rainures faites dans la tête du piston « gorges des segments », comme représenté sur le schéma 1‐3. Ils peuvent être au nombre de 2,3 ou 4 allons jusqu’à 5 sur les grands moteurs diesels suralimentés cala dépend du diamètre du piston. Les segments se déplacent avec le piston le long du cylindre pendant la combustion. La fonction primaire des segments est d’empêcher les gaz à haute pression de fuir par l’interface de piston chemise. Cependant, sans lubrification, ce contact étroit entre le seg‐ ment et la chemise aurait comme conséquence de grandes pertes de puissance par frottement. En conséquence, l’autre objectif principal des segments est de distribuer efficacement le lubri‐ fiant le long de l’interface segment/chemise, sans permettre à l’huile excessive de passer l’in‐ terface et de fuir vers la chambre de combustion où il pourrait être brulé. Une troisième fonc‐ tion des segments qui est particulièrement importante pour le segment supérieur est la dissipa‐tion de la chaleur du piston vers le cylindre.
Afin que ce système puisse atteindre efficacement ces objectifs globaux, chaque segment a un rôle unique. Le segment de dessus « coup de feu » scelle l’interface segment/chemise afin d’empêcher le gaz à haute pression de s’échapper de la chambre de combustion vers le carter (Blow by). Le segment racleur règle la quantité d’huile qui passe du carter pour lubrifier les segments supérieurs. Un deuxième segment est également présent dans la plupart des moteurs « segment d’étanchéité», ce segment érafle en bas l’huile excessive qui passe l’interface seg‐ ment racleur d’huile/chemise et vient en aide au premier segment affin de chasser le reste des gaz fuyards. La deuxième interface segment d’étanchéité/chemise fournit ainsi une barrière contre l’écoulement d’huile dans la gorge supérieure, et des gaz pour les parties plus inférieures du piston, ce qui réduit la consommation d’huile [6, 7].
Les segments sont fabriqués de différents matériaux, selon le type de moteur dans lequel ils doivent être installés. Dans la plus part des grands moteurs diesel, les segments sont typique‐ ment faits de fonte malléable dû à sa stabilité thermique élevée, qui la rende approprié aux températures de fonctionnement élevées. Dans les petits moteurs d’essence, l’acier est le ma‐ tériau le plus populaire, et cela pour ses qualités nettement mieux que la fonte, d’où, la taille des segments peut être réduite, la conformabilité sera améliorée et la durée de vie augmentée. Le segment coup de feu à base de fonte est généralement revêtu d’une couche de chrome ou de molybdène pour la réduction d’usure, bien que la recherche actuellement soit consacrée à l’identification et au développement des matériaux et des revêtements pour la réduction du frottement et de l’usure [11, 12]. On a entrepris quelques études dans lesquelles des segments en acier ont été étudiés pour les grands moteurs diesel [14]. Ces segments se sont montrés pour l’usage prometteur dans ce type de moteur, excepté des limitations de la température et de l’usure observés avec certaines matières en acier employées dans les pistons articulés.
Phénomène dynamique dans le système segment/chemise
Il y a un petit jeu entre les segments et leurs gorges respectives, qui est présent en raison des tolérances de fabrication. On appelle battement le jeu axial entre le segment et sa gorge (de 0,03 à 0,05 mm), et jeu en fond de gorge le jeu radial. Dans les deux cas, il faut que les seg‐ ments et les gorges du piston soient usinés en épaisseur avec une grande précision : il faut que le segment puisse se déplacer dans cette gorge, mais avec un jeu aussi faible que possible. Dans le cas contraire, les segments se déplacent verticalement dans les gorges, par suite du mouve‐ ment alternatif du piston, ce qui les « materaient » rapidement [15]. Bien que ce jeu soit seulement de l’ordre de 100 microns, il peut causer des écoulements forts de gaz et créer des différences significatives de pression. La dynamique des gaz et les variations de pression durant le cycle de combustion font subir aux segments des efforts significa‐tifs et tordre les segments relativement à leurs gorges. Cette dynamique des segments joue un rôle important dans la détermination de la quantité d’huile entre les segments et la chemise, aussi bien que la quantité de frottement qui est produite entre eux.
Plusieurs autres facteurs affectent également la lubrification du contact segment/chemise et la capacité des segments de sceller cette l’interface. La déformation d’alésage se produit en raison des efforts mécaniques, et de la dilatation thermique due au gradient de la température le long de la chemise dans la direction du mouvement de piston. Cette déformation globale d’alésage est composée d’une expansion radiale et une ovalisation circonférentielle, et c’est donc un phénomène à trois dimensions complexe qui peut de manière significative affecter la conformabilité des segments à la chemise [16]. La lubrification de ce contact est également sensiblement affectée par la géométrie asymétrique du système bielle manivelle. En raison de cette asymétrie et des diverses forces produites pendant la combustion, le piston tendra de s’incliner autour de son axe dans tout le cycle de combustion, qui affectera l’angle entre le segment et la chemise.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1‐ VUE D’ENSEMBLE DU SYSTEME SEGMENT CHEMISE
I.1.1‐ DESCRIPTION DU SYSTÈME SEGMENT CHEMISE
I.1.2‐ DESIGN DES SEGMENTS
I.1.3‐ PHÉNOMÈNE DYNAMIQUE DANS LE SYSTÈME SEGMENT/CHEMISE
I.2‐ ENVIRONNEMENT DE LUBRIFICATION DANS UN MOTEUR À COMBUSTION
I.3‐ ÉTUDES PRÉCÉDENTE DU CONTACT SEGMENT/CHEMISE
I.3.1‐ PERSPECTIVE HISTORIQUE
I.3.2‐ ANCIENS TRAVAUX SUR LE FROTTEMENT
I.3.3‐ ETUDES RÉCENTES SUR LE FROTTEMENT
I.3.4‐ PRÉCÉDENTE MODÉLISATION DE LA LUBRIFICATION ET DU FILM D’HUILE
I.4‐ OBJECTIFS DE CE TRAVAIL
CHAPITRE 2 PRINCIPES FONDAMENTAUX DU FROTTEMENT ET DE LA LUBRIFICATION DES SEGMENTS
2.1‐ MODES DE LUBRIFICATION DANS LE SYSTEME SEGMENT‐CHEMISE‐PISTON
2.1.1‐ FROTTEMENT DANS LA LUBRIFICATION HYDRODYNAMIQUE
2.1.2‐ FROTTEMENT DANS LA LUBRIFICATION LIMITE
2.1.3‐ FROTTEMENT DANS LA LUBRIFICATION MIXTE
2.2‐ LES ÉQUATIONS RÉGISSANT LE FROTTEMENT ET LA LUBRIFICATION DANS LE CONTACT SEGMENT/CHEMISE
2.2.1‐ L’ÉQUATION DE REYNOLDS
2.2.2‐ FORCE RADIAL D’ÉQUILIBRE
2.2.3‐ CONDITION AUX LIMITES
2.3‐ L’EFFET DE L’ETAT DE SURFACE SUR LE CONTACT SEGMENT CHEMISE
2.3.1‐ TOPOGRAPHIE DE LA SURFACE
2.3.2‐ LE RÔLE DE LA TOPOGRAPHIE DES SURFACES
2.3.3‐ CARACTÉRISATION DE LA TOPOGRAPHIE DES SURFACES
2.4‐ EFFET DES CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT DU MOTEUR SUR LES SOURCES DE FROTTEMENT
2.4.1‐ CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT DU MOTEUR À COMBUSTION INTERNE
2.4.2‐ EFFET DE LA VITESSE DU MOTEUR
2.4.3‐ EFFET DE LA CHARGE DU MOTEUR
CHAPITRE 3 FORMULATION DU MODELE
3.1‐ VUE D’ENSEMBLE DES OUTILS DE MODÉLISATION
3.1.1‐ L’ÉQUATION DE REYNOLDS MODIFIÉ
3.1.2‐ FACTEURS D’ÉCOULEMENT
3.1.3‐ GÉOMÉTRIE DU SEGMENT
3.1.4‐ CONDITIONS AUX LIMITES ET D’ÉQUILIBRE
3.1.5‐ LE CONTACT DES ASPÉRITÉS
3.2‐ SOLUTION DES ÉQUATIONS RÉGISSANTES
3.2.1‐ RÉSOLUTION DE L’ÉQUATION DE REYNOLDS ANALYTIQUEMENT
3.2.2‐ RÉSOLUTION DE L’ÉQUATION DE REYNOLDS NUMÉRIQUEMENT
3.2.3‐ CALCUL DU DÉBIT D’HUILE
3.2.4‐ CALCUL DE LA CONTRAINTE TANGENTIELLE
3.3‐ EFFETS DE LA TEMPÉRATURE SUR LA LUBRIFICATION
3.3.1‐ DÉPENDANCE DE LA VISCOSITÉ ENVERS LA TEMPÉRATURE
3.3.2‐ CALCUL DE LA TEMPÉRATURE AU SEIN DU FILM D’HUILE
3.3.3‐ CALCUL DE LA TEMPÉRATURE DE LA CHEMISE
3.4‐ FORCE DE FROTTEMENT
CHAPITRE 4 RESULTATS ET ANALYSES
4.1‐ CARACTÉRISTIQUE DE L’ÉTUDE
4.2‐ ALGORITHME DE CALCUL
4.3‐ RESULTATS
4.3.1‐ VARIATION DE LA VISCOSITÉ DU LUBRIFIANT
4.3.2‐ VARIATION DU DÉBIT D’HUILE
4.3.3‐ VARIATION DE LA PRESSION HYDRODYNAMIQUE
4.3.4‐ VARIATION DE L’ÉPAISSEUR MINIMALE DU FILM D’HUILE
4.3.5‐ VARIATION DE LA FORCE DU FROTTEMENT
4.3.6‐ VARIATION DE LA PERTE DUE AU FROTTEMENT
4.4‐ ANALYSE DES RESULTATS
CONCLUSION
