Le contact segments-piston-chemise (SPC)

Le rˆole principal de l’ensemble segments-piston-chemise est d’assurer la transformation dans de bonnes conditions de l’´energie thermique en ´energie m´ecanique, qui est ensuite transmise `a l’arbre moteur. La figure 1.6montre un sch´ema de cet ensemble.

Fig. _{1.6.: Le contact segments-piston-cylindre (SPC)}

Dans les sections suivantes, nous allons nous int´eresser plus en d´etail aux diff´erentes parties qui composent cet ensemble.

1.1.2.1. Le rˆole des segments

Les fonctions principales des segments sont d’isoler la chambre de combustion du carter d’huile, de distribuer et de contrˆoler la lubrification du cylindre, de conduire la chaleur et de stabiliser le mouvement du piston.

Dans la composition des moteurs automobiles nous retrouvons g´en´eralement deux segments de compression (coupe-feu et d’´etanch´eit´e) et un segment d’huile (racleur) (figure 1.7 page suivante). Parmi les exigences que les segments doivent satisfaire nous citons :

– frottement r´eduit, pour un bon rendement ; – usure r´eduite, pour une dur´ee de vie prolong´ee ;

– usure de la chemise du piston r´eduite, pour ne pas endommager la texture de la surface ;

– ´emissions de polluants r´eduites, en limitant le passage d’huile dans la chambre de combustion8;

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ph´enom`ene appel´e Consommation d’Huile ou CsH ; d´esigne une mesure de la quantit´e d’huile brˆul´ee dans la chambre de combustion, g´en´eratrice des gaz polluants.

Fig. _{1.7.: Le piston et les segments}

– bonne ´etanch´eit´e pour ´eviter les fuites dans la segmentation9_{, les remont´es d’huile} et ne pas d´egrader le rendement ;

– bonne r´esistance `a l’´erosion thermo-m´ecanique. 1.1.2.2. La lubrification

Le contact entre le segment et le cylindre peut subir des r´egimes de lubrification diff´erents, d´ependant de la charge appliqu´ee sur le segment, des variations de la rugosit´e ou de la disponibilit´e en huile.

L’´epaisseur du film d’huile est fortement li´ee `a la cin´etique du segment. Cette cin´etique est d´etermin´ee par les diff´erentes forces qui agissent sur le segment, que nous pr´esentons dans la figure1.8.

Fig. _{1.8.: Les forces qui agissent sur le segment (cf. Ejakov et al. [3])}

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ph´enom`ene connu sous le nom de Blow-By (ang.), qui consiste dans le passage d’une partie des gaz de combustion, `a travers les segments, dans le carter d’huile ; outre la diminution du rendement, ce ph´enom`ene a comme effet secondaire la d´egradation de l’huile.

1.1. Le contexte automobile Les diff´erents r´egimes de lubrification possibles sont :

lubrification hydrodynamique :le film d’huile couvre toute la surface du segment ; la charge est support´ee exclusivement par le film d’huile ; ces conditions apparaissent lorsque la vitesse de glissement est ´elev´ee et la pression derri`ere le segment faible, c.`a.d. au point-milieu10 (PM).

lubrification mixte :seulement une partie du segment est lubrifi´ee ; la charge est sup- port´e par le film d’huile, par les asp´erit´es et par la pression des gaz ; elle intervient dans le voisinage des point-mort-bas et point-mort-haut, o`u la vitesse est faible et la pression derri`ere le segment ´elev´ee.

lubrification limite :la lubrification du cylindre est minimale ; la charge est enti`ere- ment support´ee par les asp´erit´es de la surface.

C’est la lubrification hydrodynamique qui est naturellement souhait´ee car elle est syno- nyme d’usure minime. Elle est malheureusement synonyme d’un Blow-By plus important (rendement d´et´erior´e) et d’une consommation d’huile plus importante (´emission de pol- luants). Il est h´elas impossible aujourd’hui, compte tenu des exigences de rendement et d’´emission de polluants pour les moteurs, d’assurer ce r´egime de lubrification sur la totalit´e de la course du piston.

Selon Sui et Ariga [16], l’´epaisseur du film d’huile du segment coupe-feu est g´en´era- lement peu influenc´ee par la texture du cylindre et donc les changements en frottement aussi. Ce segment g´en`ere les frottements les plus importants, dus `a un contact plutˆot limite qu’hydrodynamique avec le cylindre. Le segment d’´etanch´eit´e et le segment racleur en revanche g´en`erent des valeurs de frottement diff´erentes suivant la texture utilis´ee.

Le frottement entre les segments et le cylindre est d´etermin´e par la charge, la topogra- phie des surfaces et la lubrification qui elle, est reli´ee `a la viscosit´e et `a la disponibilit´e de l’huile. Les exp´eriences de Takiguchi et al. [19] avec des pistons `a deux et trois seg- ments ont montr´e que le nombre de segments influence le frottement SPC, mais que c’est finalement la tension des segments du piston qui d´etermine les pertes par frottement.

Akalin et Newaz [28] ont d´evelopp´e un mod`ele de lubrification mixte pour simuler le contact segments-piston-chemise. Les r´esultats de leur simulations montrent que la majeure partie du cylindre se trouve en r´egime de lubrification hydrodynamique. N´ean- moins, le coefficient de frottement subit une l´eg`ere augmentation aux point-mort-bas et point-mort-haut, en raison d’un r´egime de lubrification mixte. Par la suite, ils ont compar´e ces donn´ees avec des r´esultats exp´erimentaux et une bonne corr´elation a ´et´e trouv´ee.

Selon Hatamake et al. [33] la force de frottement maximale dans le contact segments- piston-chemise, qui survient en lubrification mixte au point-mort-haut, d´ecroˆıt avec la viscosit´e de l’huile, alors que la PMF, dont la plus grande partie provient de la zone hydrodynamique autour du point-milieu, augmente avec la viscosit´e de l’huile. Cette ´etude montre donc l’utilit´e d’un bon compromis `a faire entre les risques d’usure et de grippage d’une part, et des pertes far frottement importantes d’autre part, lors du choix du lubrifiant.

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correspond au point ´equidistant entre le point-mort-bas et le point-mort-haut, o`u le piston atteint la vitesse maximale.

1.1.2.3. Le rˆole de la topographie des surfaces

La topographie de la surface du cylindre joue un rˆole essentiel dans le cadre du contact segments-piston-chemise et influence consid´erablement la lubrification et le frottement ; elle est souvent le r´esultat d’un compromis entre une bonne isolation de la chambre de combustion et une bonne lubrification du cylindre.

Il existe aujourd’hui un consensus dans le monde automobile concernant la texture des chemises des cylindres ; la texture classique est constitu´ee de plateaux lisses et r´eguliers, s´epar´es par des stries de lubrification. Les images de la figure1.9 montrent un exemple de surface de cylindre et ont ´et´e acquises par relev´e topographique `a l’aide d’un palpeur m´ecanique au LMS-ENSMM11.

(a) image topographique (b) repr´esentation 3D Fig. _{1.9.: Exemple de texture de surface de cylindre}

Ce r´eseau de canaux d’huile g´en´er´es par le rodage de la surface du cylindre s’av`ere ˆetre fondamental pour la performance tribologique du contact segments-piston-chemise. Des param`etres de rugosit´e tels que le Ra12 peuvent ˆetre utilis´es comme mesure de la capacit´e des textures de surface pour stocker du lubrifiant.

Pour obtenir ce type de surface, le cylindre est usin´e en g´en´eral en quatre ´etapes : 1. al´esage, pour donner la g´eom´etrie du cylindre ;

2. rodage brut, pour la striation ;

3. rodage fin, pour obtenir la rugosit´e d´esir´ee ; 4. rodage de plateaux, pour le lissage.

Les stries ont en g´en´eral une angularit´e ´egale `a environ 50˚, des largeurs d’environ 50 µm et des profondeurs de l’ordre de quelques microm`etres. Quant aux plateaux, ils pr´esentent une striation tr`es fine correspondant `a des valeurs de Ra de 0.1 `a 0.2 µm.

Des exp´eriences r´ecentes de Galligan et al. [25, 26] ont montr´e le rˆole d’une texture optimale de la surface du cylindre sur la pr´evention de l’usure et du grippage. Durga et

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Laboratoire de Microanalyse des Surfaces, ´Ecole Nationale Sup´erieure de M´ecanique et des Microtech- niques de Besan¸con

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1.2. D´emarche