La température d’oxydation des huiles (150 et 225°C), la durée (2 et 10 heures) des essais et la présence de particules (0 et 2%) ont été présentés comme des facteurs influençant fortement la dégradation des huiles. Cependant l’ordre d’influence de ces paramètres n’a pas été clarifié.
Le but de cette partie est d’établir l’ordre de priorité des différents facteurs et d’étudier les interactions possibles entre eux. Bien que le nombre d’expériences soit limité, nous avons soumis ces résultats à une analyse par plan d’expérience afin d’essayer de caractériser les tendances observables en termes d’influence des différents paramètres expérimentaux étudiés. L’annexe 4 rappelle les notions principales de l’étude des plans d’expériences, la méthode de calcul des effets et des interactions.
Les influences des différents facteurs seront évaluées grâce à la température de décomposition des échantillons d’huiles oxydées, obtenue par ATG, choisie comme réponse (Y). Ainsi la matrice d’expérience et le vecteur réponse sont présentés dans le tableau III-3 ci- dessous.
Tableau III-3. Matrice d’expérience
Température Durée Particules Y (°C)
1 1 1 372 1 2 1 374 1 1 2 371 1 2 2 376 2 1 1 388 2 2 1 388 2 1 2 376 2 2 2 392
La valeur moyenne M de la température de décomposition obtenue par la
relation 8
∑
Yi, où Yi représente la réponse obtenue pour l’essai i, est de 379,6°C.
Les graphes de la figure III-19 montrent les effets de chaque facteur. D’après ces graphes, la température apparaît comme le paramètre le plus influent. Ensuite le temps est le second paramètre important. Tandis que la présence de particules ne semble pas avoir une influence notable sur la dégradation thermo-oxydante des huiles.
Figure III-19. Graphes des effets globaux
Les graphes de la figure III-20 montrent les interactions entre les facteurs pris deux à deux.
A partir de l’observation de ces derniers graphes, il apparaît clairement que la température et la durée des tests agissent indépendamment sur l’oxydation de l’huile. Il en est de même pour la température et la présence de particules qui n’interagissent quasiment pas.
Cependant, il apparaît nettement une forte interaction entre la présence de particules métalliques et la durée des essais. Ces résultats permettent de conclure que les particules métalliques sont susceptibles d’intervenir comme des facteurs importants dans la dégradation des lubrifiants, lorsque la durée de l’opération de thermo-oxydation devient significative. En effet, parmi les trois types de particules métalliques rajoutées en proportion identique, le cuivre peut être supposé comme étant le plus actif, comme l’a prouvé Abou El Naga et al114 dans son étude sur l’effet de différents métaux sur l’oxydation des huiles.
Figure III-20. Graphes des interactions entre paramètres pris deux à deux
Il est connu que le temps de séjour de l’huile dans le carter est très élevé115,116. Ainsi une présence trop importante d’éléments d’usure dans le lubrifiant pourrait amplifier la dégradation thermo-oxydante de l’huile.
Par ailleurs, la formation de dépôts en fond de gorge de piston, peut s’expliquer surtout par les niveaux de température très élevés qui y sont atteints ; le temps de séjour en fond de gorge de piston étant très court, celui-ci ne peut justifier la formation des dépôts en gorge de piston.
5. C
ONCLUSIONCe chapitre a permis de montrer que lors de la dégradation thermo-oxydante de l’huile SAE 5W-30, les additifs anti-oxydants sont consommés et simultanément, les produits d’oxydation sont formés. De plus, l’huile devient de plus en plus visqueuse en fonction de la sévérité des essais. Cette augmentation de la viscosité à été mise en évidence à l’aide de mesures effectuées par ATG. Ce processus de dégradation est accéléré avec la température et la durée des essais. A des temps de fonctionnement plus longs, il apparaît de plus que la présence d’éléments métalliques joue un rôle de catalyseur en accélérant le processus de dégradation.
La présente étude exclut le fait que la présence d’éléments d’usure dans le lubrifiant soit un facteur directement responsable de la formation de dépôts en fond de 1ère gorge. Mais elle permet de dégager l’hypothèse suivante : On sait que le carter d’huile, le cylindre et les gorges de piston communiquent grâce à une circulation perpétuelle du lubrifiant issu du carter. Ainsi lorsque le lubrifiant atteint un état de dégradation avancé dans le carter en raison de l’interaction entre le temps de séjour et l’augmentation de la composition en éléments d’usure, des produits d’oxydation puis de polymérisation se forment, entraînant une augmentation de la viscosité de l’huile. Cette huile devenue visqueuse pourrait stagner dans la gorge et se dégrader beaucoup plus vite en raison de la température qui y est plus importante.
Les dépôts formés à très haute température (350°C) ont une composition élémentaire comparable à celle des dépôts de première gorge de piston. Leur formation se fait par la cyclisation des chaînes hydrocarbures et la formation de noyaux aromatiques. De plus, la cinétique de formation de ces dépôts à haute température se corrèle bien à celle observée lors de l’analyse des résultats des essais moteurs (chapitre II).
La difficulté de l’étude de la dégradation oxydante de l’huile de référence SAE 5W-30 réside dans les interférences qui peuvent exister dans l’huile lors de sa dégradation thermo- oxydante. En effet, il existe initialement dans la formulation du lubrifiant des composés aromatiques, carbonylés, hydroxylés, qui se retrouvent également dans les familles de produits formés lors de l’oxydation. Il est donc difficile de repérer les marqueurs de dégradation formés, et de procéder à une étude de la cinétique de formation.
De plus, le rôle inhibiteur des anti-oxydants n’est pas quantifiable dans les conditions expérimentales choisies ici, même si nous constatons qualitativement qu’ils protègent le lubrifiant de l’oxydation dans certaines conditions de fonctionnement.
Par conséquent, une étude réalisée sur un modèle simplifié d’hydrocarbure pourrait permettre d’apprécier indépendamment chaque paramètre. C’est l’objet du chapitre suivant qui porte sur l’étude de la dégradation thermo-oxydante d’un hydrocarbure modèle.
CHAPITRE IV
ETUDE DE LA CINETIQUE DE DEGRADATION
D’UN HYDROCARBURE MODELE
Dans les conditions de fonctionnement des moteurs Diesel, les lubrifiants, éléments indispensables au bon fonctionnement des moteurs, subissent des contraintes thermiques et oxydantes qui entraînent leur dégradation.
Cette dégradation caractérisée par la formation successive et progressive de produits d’oxydation, de polymérisation, se produit simultanément avec la consommation des additifs anti-oxydants, suivie d’une cyclisation et d’une aromatisation des chaînes hydrocarbures, pouvant conduire à la formation de dépôts en fond de première gorge de piston.
Ce phénomène prend une importance significative sous l’effet de la température et de la durée de fonctionnement. Or une dégradation trop rapide du lubrifiant a des conséquences sur l’intervalle de vidange qui, pour le confort du client, doit être le plus long possible ou à défaut identique.
L’objectif de ce chapitre est de comprendre l’action des additifs anti-oxydants et de développer un modèle cinétique qui pourra être utilisé pour estimer l’état de dégradation du lubrifiant.
Sachant que la base d’huile d’une huile moteur est un mélange complexe d’hydrocarbures ayant une distribution de taille assez large et des structures assez diverses, l’identification des produits formés lors du processus de dégradation serait quasiment impossible à réaliser. De plus, la présence d’additifs déjà carbonylés et hydroxylés dans l’huile neuve, rendrait difficile l’analyse des produits issus de l’oxydation. Afin de simplifier les études, la stratégie généralement employée par divers auteurs consiste à utiliser un seul composé hydrocarbure pour simuler la base d’huile. Par exemple, Blaine et al117,118 a réalisé une étude détaillée de l’oxydation de l’hexadécane sous des conditions de dégradation semblables à celles que subissent les huiles minérales. Pfaendtner et al119 a développé un modèle mécanistique de dégradation des lubrifiants en étudiant l’oxydation du décane et de l’octane. De plus, certains auteurs ont aussi étudié, de façon expérimentale, l’oxydation en Chapitre IV : Etude de la cinétique de dégradation d’un hydrocarbure modèle
phase condensée de certains alcanes ; c’est le cas de Garcia-Ochoa et al120 qui étudia l’oxydation du n-octane entre 135 et 145°C. D’autres auteurs ont étudié plutôt la décomposition thermique d’hydrocarbures modèles ; c’est le cas de Marquaire et al121,122 qui étudia la décomposition thermique du n-dodecane.
En se servant de cette approche, la présente étude cinétique sera réalisée avec un hydrocarbure modèle dont le choix se fera en fonction de ses similitudes physiques et chimiques avec la base de l’huile SAE 5W-30 utilisée précédemment.
Ainsi, après une présentation de l’hydrocarbure modèle choisi pour cette étude, ce chapitre exposera d’une part les résultats des essais de thermo-oxydation et l’effet de l’ajout de différents additifs anti-oxydants phénoliques, et d’autre part la méthodologie de construction du modèle cinétique et les résultats obtenus.