Objectifs, projet ADEME

Les r´esultats prometteurs du PREDIT 97.T.0299 ont incit´e les partenaires indus- triels (Renault, PSA et JPX) et les laboratoires de recherche (LMS-ENSMM et CMM- ENSMP) `a poursuivre les travaux men´es auparavant, dans le cadre du nouveau pro- gramme ADEME n˚0166081 (2002-2006) avec un nouvel industriel - TOTAL - qui rem- place ESSO.

L’objectif de ce projet est d’optimiser la topographie de surface des fˆuts de moteur - via des mod`eles th´eoriques et des validations sur bancs - afin de r´eduire le frottement au niveau segments-piston-chemise sans d´et´eriorer la consommation d’huile. Le but final est d’aboutir `a des ´economies de carburant de plusieurs pour cents sur des cycles de mesures des consommations standardis´ees. Pour cela, les solutions propos´ees `a l’aide d’outils topographiques des surfaces et de simulations num´erique des ph´enom`enes mis en jeu seront valid´ees par diff´erents moyens d’essais.

1.2.3.1. Int´erˆet scientifique et technique

La simulation du comportement de pi`eces m´ecaniques en contact reste limit´ee en raison d’un manque d’informations pertinentes sur la contribution de la morphologie globale et

locale de la rugosit´e des antagonistes en contact. Lors du PREDIT 97.T.0299, des nou- veaux descripteurs tels que la topographie tridimensionnelle ont ´et´e introduits. Cepen- dant, il importe d’expliciter plus en profondeur le fonctionnement du contact segments- piston-chemise, d’introduire la simulation de l’´ecoulement en r´egime hydrodynamique, et de valider ces codes de calcul `a l’aide d’essais plus simples.

A l’issue de cette ´etude, il sera alors possible de disposer d’un outil capable de simuler les ph´enom`enes au contact segments-piston-chemise qui, appliqu´e `a des chemises `a dessin r´eel et surtout `a dessin simul´e permettra de d´eterminer `a l’avance la performance en frottement d’un ´etat de surface optimis´e par ordinateur.

1.2.3.2. Description du projet

L’un des r´esultats du PREDIT 97.T.0299 a ´et´e la mise au point d’une proc´edure sur tribom`etre au LMS-ENSMM reproduisant une partie des conditions moteur. Un tribom`etre instrument´e a pu ˆetre corr´el´e aux r´esultats de mesure de la PMF sur machine SPC plus complexe. Il est donc possible d’effectuer des essais en grand nombre sur des ´echantillons pr´esentant des dessins propos´es. Compte tenu des r´esultats du PREDIT 97.T.0299, la gravure laser sera exclusivement employ´ee pour g´en´erer les striations de l’ensemble des ´echantillons de test, gravure r´ealis´ee ´egalement `a l’ENSMM.

Des microscopes m´ecaniques `a balayage (MMB) seront utilis´ees par le LMS-ENSMM pour ´etablir des cartographies 3D des ´etats de surface des ´echantillons utilis´es dans l’ensemble des exp´erimentations du projet. L’aspect analyse d’image compl´ementaire `a ces descriptions sp´ecifiques sera r´ealis´e au CMM-ENSMP.

Un mod`ele d’´ecoulement hydrodynamique entre des parois lisses stri´ees [35] `a d´ej`a ´et´e d´evelopp´e dans le cadre du PREDIT 97.T.0299 et sera mis au service du projet en vue d’aider au choix de nouveaux motifs de gravure des chemises du moteur. Parall`element, un outil num´erique 3D pour simuler l’´ecoulement hydrodynamique entre le segment et la chemise, cette fois-ci en int´egrant la micro-rugosit´e de la surface via des images topographiques comme celles fournies par le MMB, sera d´evelopp´e au CMM-ENSMP. Ces mod`eles b´en´eficieront d’une validation `a l’aide des r´esultats obtenus sur tribom`etre. Ces mod`eles aboutiront `a de nouveaux types d’´etats de surface pour les fˆuts de mo- teur ; les plus int´eressantes de ces nouvelles surfaces seront s´electionn´ees pour passer des mesures plus lourdes, sur moteur allum´e, mesures de frottement et de consommation d’huile r´ealis´ees `a l’aide des moyens mis `a disposition par les partenaires industriels. 1.2.3.3. D´emarche de la th`ese et plan de l’ouvrage

Pour r´epondre aux attentes du projet, plusieurs outils num´eriques ont ´et´e d´evelopp´es au CMM-ENSMP, outils qui constitueront le cœur de ce travail et qui vont ˆetre expos´es plus en d´etail dans les chapitres suivants. Ces outils permettront, en liaison avec les outils compl´ementaires et les moyens exp´erimentaux disponibles aupr`es des partenaires du projet, de r´ealiser une ´etude d´etaill´ee des ph´enom`enes qui caract´erisent le contact segments-piston-chemise. Outre l’aspect peu coˆuteux, le caract`ere num´erique de ces outils permet d’´elargir consid´erablement l’espace de recherche des textures candidates pour la

1.2. D´emarche phase d’optimisation. La figure 1.15illustre les interactions entre ces diff´erents outils.

Fig._{1.15.: Les outils d´evelopp´es au CMM-ENSMP dans le cadre du projet ADEME}

Analyse de surface Lors du PREDIT 97.T.0299, des outils d’analyse, de d´ecomposition et de simulation de surface ont ´et´e d´evelopp´es grˆace aux apports de la morphologie math´ematique par Decenci`ere et Jeulin [29,30,31]. Nous allons ´egalement nous en servir dans le cadre de notre travail aux fins d’op´erations d’analyse, filtrage, d´e- composition ou correction d’images. L’analyse des surfaces fournit des informations utiles pour le choix des param`etres dans la phase de simulation. Une description de ces outils et de leur fonctionnalit´e dans le contexte de ce travail sera donn´ee dans le chapitre 2page 25.

Simulation Compte tenu de la pr´esence d’un outil de pr´ediction de frottement et des travaux d’optimisation de surface pr´evus, un outil de simulation de textures est indispensable. Le but de cet outil sera de g´en´erer de nouvelles surfaces respectant certaines contraintes fonctionnelles par rapport aux param`etres d’une surface de r´ef´erence. Les outils de simulation seront d´etaill´es dans le chapitre 3page 53. Pr´ediction Un mod`ele num´erique pr´evisionnel de calcul du frottement hydrodynamique

SPC sera d´evelopp´e. En partant de la r´esolution des ´equations de Navier-Stokes ou de Reynolds, l’´ecoulement 3D entre la chemise et les segments, anim´e d’une vitesse donn´ee par la cin´ematique du syst`eme, sera simul´e. La description de ce mod`ele fera l’objet du chapitre 4 page 71 et la r´esolution num´erique des ´equations sera trait´ee dans le chapitre 5page79.

Apr`es validation du mod`ele en confrontant les r´esultats de celui-ci avec des ´ecoule- ments analytiques simples ou des mesures exp´erimentales, il sera alors possible de l’appliquer `a d’autres dessins de chemise r´eels ou simul´es. La phase de validation est pr´esent´ee dans le chapitre 6page 97.

Il sera alors possible de remonter `a l’effort de frottement instantan´e au cours du cycle, ainsi qu’`a diverses autres mesures. Les mesures globales, tels que les flux d’huile, pourraient s’av´erer int´eressantes pour le suivi de la consommation d’huile, tandis-que des mesures plus locales, telles que la puissance dissip´ee par frottement en chaque point pourraient donner des renseignement int´eressants pour l’optimisa- tion de la texture. Les r´esultats et les mesures offerts par le mod`ele de pr´ediction seront discut´es dans le chapitre 7page 131.

Optimisation Une fois les outils pr´ec´edents disponibles, des travaux d’optimisation de texture peuvent ˆetre entam´es, ayant comme crit`ere de classification ou comme fonc- tion de coˆut les mesures19 fournies par l’outil de pr´ediction. Nous allons analyser, dans un premier temps, l’influence de la rugosit´e sur les performances tribolo- giques des surfaces en contact hydrodynamique. Dans un deuxi`eme temps, nous allons mener une recherche param´etrique des textures p´eriodiques de surface op- timales. Nous allons ensuite introduire une m´ethode d’optimisation stochastique, plus exhaustive, des motifs ´el´ementaires des textures de surface p´eriodiques. A par- tir des r´esultats obtenus `a la suite des trois phases pr´ec´edemment cit´ees nous allons pouvoir proc´eder `a une optimisation globale de la texture et fournir de nouveaux dessins de surface optimis´es. Ces nouvelles propositions pourront faire l’objet de validations tout d’abord sur tribom`etre, puis sur banc moteur selon les proc´edures normalis´ees de mesure de la consommation de carburant. Simultan´ement `a l’´etude des r´eductions de frottement une attention particuli`ere sera port´ee sur la r´eduction concomitante de la consommation d’huile, responsable des ´emissions de gaz et de la diffusion de particules. Le chapitre 8page 155sera consacr´e `a la description de l’ensemble des travaux d’optimisation.