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Etude de la réactivité thermique d'une huile de lubrification des moteurs diesel

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Academic year: 2021

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(1)

UNIVERSITÉ MOHAMMED V – AGDAL

FACULTÉ DES SCIENCES

Rabat

N° d’ordre : 2562

THÈSE DE DOCTORAT

Présentée par

Khalid NEJJAR

Discipline : Chimie

Spécialité : Chimie Physique

Etude de la Réactivité Thermique d’une Huile de Lubrification des Moteurs

Diesel

Soutenue le 24. 12. 2011 à 10H00

Devant le jury

Président :

Pr. A. SAOIABI

Professeur à la Faculté des Sciences Rabat - Agdal

Examinateurs :

Pr. M. HAMAD Professeur à la Faculté des Sciences Rabat - Agdal Pr. A. ZERIOUH Professeur à l’Ecole Royale Navale Casablanca Pr. A. EL BACHIRI Professeur à l’Ecole Royale Navale Casablanca

Pr. A. LAGHZIZIL Professeur à la Faculté des Sciences Rabat – Agdal Rapporteurs Pr. H. ELAMRI Professeur Colonel Chef du Laboratoire de

Génétique de la Gendarmerie Royale - Rabat Pr. E. M. ZAKARYA Professeur à l’Ecole Royale Navale Casablanca

Invité :

(2)

A mes parents, en témoignage d’affection et de reconnaissance

A ma chère Karima, à qui revient tout le mérite

A mes lumières de vie, Narjis et Mohamed Yassine

A mes frères et sœur

(3)

Remerciements

Ce travail a été réalisé au Laboratoire de la Réactivité des Systèmes Solide – Gaz de la Faculté des Sciences de Rabat sous la direction de Messieurs les Professeurs L. BELKBIR et M. HAMAD en collaboration avec Monsieur le Professeur A. ZERIOUH de l’Ecole Royale Navale.

Je tiens à exprimer ma profonde gratitude à Monsieur le Professeur L. BELKBIR pour m’avoir accueilli au sein de son équipe, pour m’avoir fait bénéficier de son grand savoir et pour la confiance qu’il m’a témoignée tout au long de ce travail. Qu’il soit assuré de ma profonde reconnaissance.

Je tiens à remercier vivement Monsieur le Professeur M. HAMAD, qui m’a accueilli au sein de son équipe avec haute bienveillance, pour avoir accepté de diriger les travaux de cette thèse ainsi que pour le soutien permanent qu’il m’a apporté. Qu’il veuille bien accepter ma respectueuse gratitude.

Je voudrais bien exprimer mes sincères sentiments de reconnaissance à Monsieur le Professeur A. SAOIABI pour l’honneur qu’il m’a fait en acceptant de présider le jury de ma thèse. Je le prie d’accepter l’expression de mes respects les plus considérés.

Je tiens à exprimer, tout particulièrement, ma reconnaissance à Monsieur le Professeur A. ZERIOUH pour sa bienveillance et son encadrement. Ses judicieux conseils et ses encouragements ont fait l’ossature de ce travail. Qu’il veuille bien accepter, ici, l’expression de ma profonde gratitude.

Je voudrais remercier chaleureusement Monsieur le Professeur A. LAGHZIZIL pour l’honneur qu’il me fait en acceptant de prendre part au jury de cette thèse et pour avoir accepté de rapporter ce travail.

Je suis très sensible à l’intérêt que Monsieur le Professeur A. EL BACHIRI a porté à ce travail en acceptant de le rapporter et en m’offrant l’honneur de bien vouloir accepter de participer à mon jury de thèse. Qu’il veuille trouver, ici, ma profonde reconnaissance.

(4)

Je tiens également à exprimer le témoignage de ma profonde gratitude à Monsieur le Professeur H. ELAMRI, Chef du Laboratoire de Génétique de la Gendarmerie Royale, pour le temps qu’il a consacré en rapportant ce travail et pour l’honneur qu’il me fait en acceptant de prendre part au jury de cette thèse.

De même, je remercie vivement Monsieur le Professeur E. M. ZAKARYA pour avoir bien voulu accepter d’être membre de jury de cette thèse. J’en lui suis bien reconnaissant.

Mes vifs remerciements s’adressent à Monsieur le Colonel L. ELHADDOUCHI Chef du Laboratoire de Métrologie des Forces Royales Air pour m’avoir aidé à réaliser des analyses spectrométriques.

Je tiens également à remercier le Commandant D. MOUHAOUI de la Marine Royale pour m’avoir aidé à prendre convenablement les échantillons de l’huile et des boues.

Je tiens à remercier tous les membres du Laboratoire Public des Essais et des Etudes qui m’ont aidé à réaliser les analyses spectrométriques et élémentaires.

Aussi, je voudrais bien exprimer mes purs remerciements à tous les responsables qui m’ont aidé à effectuer les analyses rhéologiques au Laboratoire de Qualité de la Société AFRIQUIA.

Enfin, je remercie mes camarades de laboratoire, Messieurs A. KAROUITE et A. ELABED pour leur soutien ainsi que Monsieur A. ABDENBI, Technicien à la Facultés des Sciences pour ses services.

(5)

SOMMAIRE 

INTRODUCTION 9

CHAPITRE I : Etude bibliographique 12

I.1. La lubrification 13

I. 1. 1. Nécessité de lubrification 13

I. 1. 2. Régimes de lubrification 14

I. 1. 2. 1. Régime de frottement sec 15

I. 1. 2. 2. Régime de lubrification limite 15

I. 1. 2. 3. Régimes de lubrification fluide 16

I. 1. 2. 4. Régime de lubrification mixte 17

I. 1. 3. Importance de la nature et de la topographie des surfaces 17

I. 2. Les huiles 17

I. 2. 1. Principe de raffinage 17

I. 2. 2. Fonctions des huiles 20

I. 2. 3. Nature des huiles 21

I. 2. 4. Propriétés physico-chimiques des huiles de lubrification 23

I. 2. 4. 1. Couleur 23 I. 2. 4. 2. Masse volumique 23 I. 2. 4. 3. Chaleur massique 23 I. 2. 4. 4. Point d’écoulement 24 I. 2. 4. 5. Point éclair 24 I. 2. 4. 6. Indice de basicité 24

I. 2. 5. Propriétés rhéologiques des huiles de lubrification 24

I. 2. 5. 1. Viscosité 24

I. 2. 5. 2. Viscosité dynamique 25

I. 2. 5. 3. Viscosité cinématique 25

I. 2. 5. 4. Indice de viscosité 26

(6)

I. 2. 6. 1. Résistance à l’oxydation 27

I. 2. 6. 2. Stabilité thermique 27

I. 2. 6. 3. Aptitude à fonctionner en atmosphère polluée 28

I. 2. 6. 4. Adaptation à la variation des paramètres de fonctionnement 28

du système lubrifié I. 2. 7. Les additifs 28 I. 2. 7. 1. Additifs anti-usure 28 I. 2. 7. 2. Additifs extrême-pression 29 I. 2. 7. 3. Additifs détergents 30 I. 2. 7. 4. Additifs dispersants 30

I. 2. 7. 5. Additifs améliorant l’indice de viscosité 30

I. 2. 7. 6. Additifs antimousses 30

I. 2. 7. 7. Additifs antirouille 31

I. 2. 7. 8. Additifs antioxydants 31

I. 2. 8. Classification des huiles 31

I. 2. 8. 1. Les classifications américaines 31

I. 2. 8. 2. Les classifications européennes 33

I. 3. Le moteur diesel 33

I. 3. 1. Théorie du moteur diesel 34

I. 3. 2. Description du moteur diesel 38

I. 3. 3. Lubrification du moteur diesel 42

I. 4. La dégradation de l’huile lors de la lubrification du moteur diesel 46

CHAPITRE II : Matière première et caractérisation 48

II. 1. L’huile GADINIA 40 49

II. 2. Le moteur PIELSTICK 6PA6 L 280 50

II. 3. Lubrification du moteur PIELSTICK 6PA6 L 280 52

(7)

II. 3.2. Prégraissage du moteur PIELSTICK 6PA6 L 280 54

II. 3.3. Système de purification centrifuge 54

II. 4. Formation de la boue 54

II. 5. Echantillons utilisés 55

II. 5. 1. L’huile moteur 55

II. 5. 2. Les boues 55

II. 6. Caractérisation des échantillons 55

II. 6. 1. Viscosités dynamiques des échantillons d’huile 55

II. 6. 2. Viscosités cinématiques des échantillons d’huile 58

II. 6. 3. Indice de Viscosité des échantillons d’huile étudiés 61

II. 6. 4. Point éclair des échantillons d’huile étudiés 62

II. 6. 5. Indices de basicité (TBN) des échantillons d’huile 63

II. 6. 6. Analyse élémentaire de l’huile et des boues 64

II. 6. 6. 1. Analyse centésimale de l’huile en C, H, N et S 66

II. 6. 6. 2. Analyse centésimale des boues en C, H, N, et S 67

CHAPITRE III : Etude spectrométrique 68

III. 1. Etude par spectrométrie d’émission DCP 69

III. 1. 1. La spectrométrie d’émission DCP 69

III. 1. 2. Spectromètre DCP SPECTRASPAN7 69

III. 1. 3. Résultats et interprétation 70

III. 2. Etude par spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier 73

III. 2 .1. Spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier 73

III. 2. 2. Spectromètre infrarouge à transformée de Fourier 73

(8)

CHAPITRE IV : Réactivité thermique de l’huile de lubrification 83

IV. 1. Thermogravimétrie 84

IV .1 .1. Dispositif expérimental 84

IV. 1. 2. La balance 85

IV. 1. 3. Le four 86

IV. 1. 4. La chambre de réaction 86

IV. 1. 5. La nacelle porte échantillon 86

IV. 1. 6. Le courant gazeux 86

IV. 1. 7. Mesure et contrôle de la température 86

IV. 1. 8. Mesure de perte de poids 87

IV. 2. Pyrolyse de l’huile de lubrification 87

IV. 2. 1. Pyrolyse de l’huile neuve 87

IV. 2. 2. Pyrolyse des échantillons de l’huile en service 89

IV. 2. 3. Effet de la vitesse de chauffe 91

IV.3. Traitement thermique sous atmosphère d’oxygène de l’huile 99

de lubrification IV. 3. 1. Traitement thermique sous atmosphère d’oxygène de l’huile neuve 99

IV. 3. 2. Traitement thermique sous atmosphère d’oxygène des échantillons 101

de l’huile en service IV. 3. 3. Effet de la vitesse de chauffe 103

IV. 3. 4. Evolution de la vitesse maximale de combustion de l’huile 110 de lubrification CHAPITRE V : ETUDE CINETIQUE 112

I. Expression Cinétique 113

(9)

II.1. Résultats 116

II.2. Détermination des paramètres cinétiques 117

III. Cinétique de la décomposition thermique sous atmosphère d’oxygène 121

III.1. Résultats 122

III.2. Détermination des paramètres cinétiques 123

III.2.1. Décomposition thermique sous oxygène de l’huile neuve 124

III.2.2. Décomposition thermique sous oxygène de l’huile 500 HDM 125

et de l’huile 1000 HDM IV. Analyse des résultats 126

CONCLUSION GENERALE 129

 

 

(10)

 

 

 

 

(11)

Le fonctionnement du moteur diesel exige une fonction indispensable qui assure la diminution des frottements, la dissipation d’une quantité importante de chaleur, l’étanchéité des cylindres et l’évacuation des particules d’usure lors des vidanges ou parfois au moyen des séparateurs de particules. Il s’agit de la lubrification. Depuis plus de 5500 ans, les Egyptiens et les Sumériens ont commencé à chercher des solutions de lubrification pour les systèmes des tours de potiers, des essieux avec des courroies en cuire pour les objets à roues, des paliers simples pour des installations de forage. Ils ont utilisé pour cela les moyens ordinaires et naturels disponibles à l’époque.

Assurer une bonne lubrification du moteur diesel repose sur la réalisation d’un mécanisme hydraulique de lubrification bien adéquat et sur la formulation d’une huile disposant de plusieurs propriétés physico-chimiques. A cet effet, plusieurs études tribologiques, chimiques voire hydrauliques se sont intéressées vivement à ce sujet.

Etant considéré que l’huile de lubrification est formulée d’une huile de base dopée d’un paquet d’additifs convenablement choisis pour qualifier le lubrifiant à assurer sa fonction requise malgré les contraintes, l’huile est exposée, lors de la lubrification, à des phénomènes désagréables générés par le fonctionnement du moteur diesel de manière continue, latente, sporadique et parfois incompréhensible. Ces phénomènes agissent de manière néfaste sur la structure de l’huile qui finit par perdre sa qualité lubrifiante.

Les concepteurs des moteurs diesel fournissent des efforts très intéressants pour anticiper les problèmes que pourrait générer le fonctionnement du moteur sur le plan lubrification en agissant sur le choix des matériaux utilisés et de la technologie de l’usinage à envisager ainsi que le circuit de lubrification à approprier.

Les fabricants des huiles de lubrification tentent toujours à comprendre les phénomènes conséquents du fonctionnement de chaque moteur diesel pour formuler le lubrifiant le mieux adapté aux différents modes mécaniques, hydrauliques et thermiques de ce fonctionnement.

Par ailleurs, l’analyse générale de l’impact mutuel lubrifiant / système lubrifié conduit souvent à un résultat fatal qui se résume dans l’usure des pièces et la destruction de la structure de l’huile. Cependant, la maîtrise de cet impact en accompagnant le lubrifiant durant

(12)

son cycle de vie par des analyses ciblées permet de déceler les phénomènes intermédiaires qui mènent à la dégradation progressive du lubrifiant.

Dans cette optique, nous nous sommes intéressés dans notre étude à l’évaluation périodique de l’aptitude de l’huile à lubrifier un moteur diesel récent des quatre moteurs de propulsion d’une frégate de surveillance (Type Floréal) de la Marine Royale. Ce dernier dispose d’un système de purification centrifuge de l’huile. Il s’agit d’effectuer des analyses bien signifiantes aux différents échantillons, de l’huile en service, prélevés à des intervalles de temps bien déterminés. En complément à ces diagnostics, nous avons procédé à l’analyse des boues extraites lors des opérations de nettoyages de la centrifugeuse. Afin d’atteindre cet objectif, notre étude s’articule autour de cinq chapitres.

Le premier chapitre a été consacré à une étude bibliographique focalisée sur les lubrifiants et la lubrification du moteur diesel d’une façon générale. Cela nous a permis de dévoiler les caractéristiques principales de la lubrification du moteur diesel.

Le deuxième chapitre regroupe l’évolution des paramètres physico-chimiques de l’huile en service et les caractéristiques des échantillons étudiés. Ainsi, nous avons pu toucher le devenir de l’huile en service après un certain nombre d’heures de marche du moteur (intervalles de temps étudiés).

Une étude spectrométrique d’émission DCP et infrarouge à transformée de Fourier nous ont permis dans le troisième chapitre d’évaluer d’une part, la contamination de l’huile par des particules métalliques d’usure du moteur et l’aptitude des additifs à vaincre cette contamination et l’évolution de la structure organique de l’huile en service durant sa durée de vie d’autre part.

Le quatrième chapitre a fait l’objet d’une étude de la réactivité thermique de l’huile de lubrification par analyse thermogravimétrique sous atmosphères inerte et oxydante.

Le cinquième et dernier chapitre traite de la modélisation cinétique en conditions non isothermes de la dégradation thermique de l’huile de lubrification.

En fin, notre mémoire de thèse se termine par une conclusion générale relatant les principaux résultats de cette étude.

(13)

CHAPITRE I. 

(14)

La lubrification est l’action d’assurer un film d’huile entre deux pièces en mouvement l’une par rapport à l’autre afin de réduire la résistance au glissement provoquant l’échauffement et l’usure des surfaces. Elle est donc régie par l’aptitude à vaincre toutes les contraintes qui l’opposent durant le fonctionnement requis du système lubrifié (charge, vitesse, température, irrégularité des surfaces, abrasion...). Pour ce faire, le lubrifiant doit disposer de plusieurs propriétés le qualifiant à garantir un fonctionnement optimal du système lubrifié.

I. 1. La lubrification

I. 1. 1. Nécessité de lubrification

Lorsque deux corps en contact sont animés de mouvements relatifs, notamment à une vitesse relative assez grande, plusieurs phénomènes peuvent se produire tels que l’échauffement des deux corps, l’usure des surfaces en contact, bruit, odeur…etc. et ce, comme effet du frottement dû aux états des surfaces qui ne peuvent être parfaitement lisses.

Les frottements engendrent des efforts mécaniques (forces et couples) dont la principale caractéristique est de contrarier systématiquement ou d'empêcher les mouvements relatifs et les déformations des objets. Ces efforts prennent naissance non seulement au niveau des surfaces en contact, mais aussi au sein des matériaux solides ou fluides qui se déplacent ou se déforment. Le frottement n'est pas un problème à deux dimensions mais bel et bien à trois dimensions !

L'énergie mécanique perdue par frottement, transformée en chaleur, est généralement irrécupérable et parfois très difficile à évacuer. Les aspects thermiques du frottement peuvent avoir des conséquences inattendues.

L'usure, multiforme, ne peut être réduite à une simple perte de matière. Sous ce terme se cachent des phénomènes extraordinairement diversifiés, qui provoquent un ensemble de transformations physico-chimiques et géométriques des couches superficielles soumises au frottement.

Aujourd’hui, les compagnies pétrolières et de l’industrie des moteurs rencontrent deux compétitions, à savoir les normes exigées par les gouvernements et l’évolution rapide de la technologie [1]. En effet, une bonne huile de lubrification contribue durant son fonctionnement à la réduction des pertes d’énergie et à la protection de l’environnement [2-4]. Ainsi, aux états

(15)

unis, le département de l’énergie à souligné, suite à une étude approfondie, que la réduction des pertes d’énergie par frottement peut rendre à l’économie américaine plus de 120 milliard de dollars par an de bénéfice [5].

I. 1. 2. Régimes de lubrification

La lubrification consiste à séparer deux corps solides mobiles en contact par un troisième (le lubrifiant) qui peut être un liquide, un solide ou un gaz. Sous l’effet du mouvement, les sollicitations engendrées conduisent à l’usure. En effet, Pour déplacer un corps d'une distance d sur une surface plane (figure 1), il faut vaincre une résistance au glissement caractérisée par le coefficient de frottement µ= F/P qui dépend des matériaux en contact et de l’état des surfaces.

Fig.1.Effort tangentiel et effort normal

La courbe de Stribeck [6] (figure 2) exprime l’évolution du coefficient de frottement de l’épaisseur du film d’huile en fonction de la vitesse du corps mobile. Ainsi, le régime de lubrification adéquat peut être fixé pour chaque mécanisme de fonctionnement.

I : Régime limite II : Régime mixte III : Régime fluide

(16)

I. 1. 2. 1. Régime de frottement sec

Le régime de frottement sec est caractérisé par l’absence de lubrifiant ou par lubrification au moyen d’un lubrifiant solide. Il concerne les système d’adhérence (freinage, embrayage …etc) ou les systèmes à petit mécanisme et à faible vitesse (ceinture de sécurité, manivelle d’un rideau mécanique…etc).

I. 1. 2. 2. Régime de lubrification limite

Le régime de lubrification limite (partie I de la courbe de Stribeck) a lieu quand deux surfaces se déplaçant l’une par rapport à l’autre à faible vitesse pour lesquelles un film d’huile visqueux continu ne peut se réaliser en raison des fortes pressions de contact. Les films discontinus sur les surfaces solides en lubrification limite ont pour vocation de :

• Contrôler le frottement par l’intermédiaire de molécules, adsorbées sur les surfaces en contact, capables de réaliser une portance et d’abaisser la force de frottement,

• Réduire l’usure grâce à des réactions chimiques lubrifiant / surfaces mobiles. Ces réactions sont sensibles aux conditions de pression et de température.

La lubrification est assurée ainsi par des mono-couches de molécules ambivalentes (figure 3).

Chaîne alkyl (-CH3 ) Molécule d’acide gras

(2 nm environ)

Groupe carboxyle (-COOH)

Fig.3.Molécule ambivalente

Le groupe carboxyle polaire est attiré par les surfaces métalliques des corps 1 et 2 (figure 4). Il en résulte une adsorption forte favorisant une couverture importante par des molécules et donnant une couche dense capable de supporter des hautes pressions [7]. En régime de lubrification limite, la viscosité n’est pas importante par contre les additifs jouent un rôle capital [8].

(17)

Fig.4. Régime de lubrification limite

Pour les moteurs à combustion interne, le régime de lubrification limite est prépondérant durant le démarrage ou l’arrêt et au cours de certaines phases transitoires de fonctionnement comme les contacts segments - piston - cylindre aux points morts [9].

I. 1. 2. 3. Régimes de lubrification fluide

Dans les contacts lubrifiés, un film protecteur continu sépare les surfaces en contact. En fonction des conditions de fonctionnement, différents types de lubrification existent appelés aussi régimes de lubrification fluide (partie III de la courbe de Stribeck). Dans ce cas, les surfaces du système lubrifié sont entièrement séparées par un film de lubrifiant. Selon la géométrie des surfaces en regard et selon la valeur des pressions exercées nous distinguons trois régimes de lubrification fluide :

• Régime hydrostatique : C’est un régime de lubrification fluide dont la séparation des surfaces lubrifiées est assurée par une très forte mise en pression extérieure du lubrifiant due à un système d’alimentation.

• Régime hydrodynamique : C’est le régime de lubrification fluide qui présente un équilibre entre les efforts appliqués au niveau de l’épaisseur du film lubrifiant. La viscosité du lubrifiant constitue alors le paramètre essentiel jouant sur la formation du film de lubrifiant épais [8]. C’est le régime adopté pour les paliers lisses, contacts segments / piston / cylindre entre points morts…etc.

• Régime élasto-hydrodynamique : Ce régime fait intervenir la déformation élastique des surfaces avec l’augmentation considérable de la viscosité du lubrifiant. Les fortes pressions de contact induisent la formation d’un film d’huile très résistant mais très mince [8]. C’est le cas des cames poussoirs, cames patins, engrenage, roulement …etc.

(18)

I. 1. 2. 4. Régime de lubrification mixte

Le régime de lubrification mixte (partie II de la courbe de Stribeck) est le plus souvent rencontré dans la pratique, il est intermédiaire entre le régime limite et les régimes de lubrification fluide hydrodynamique et élasto-hydrodynamique (figure 5). Il s’établit un film visqueux mince entre les surfaces dont l’épaisseur est insuffisante pour séparer totalement les aspérités les plus proéminentes [8]. Il y a alors une certaine reproduction de contact métal/métal ce qui entraîne une élévation de température suite aux frottements intenses provoquant de l’usure adhésive.

Fig.5.Régime de lubrification mixte

I. 1. 3. Importance de la nature et la topographie des surfaces

Il n’existe pas de surface géométriquement idéale. On désigne par le nom de « défauts » les irrégularités caractérisant toute surface.

L’opération de graissage est considérablement influencée par la nature et la topographie des surfaces de contact. En effet, l’épaisseur du film d’huile est aussi petite qu’elle puisse séparer idéalement toutes les irrégularités des surfaces mobiles [10].

Toutefois, l’huile utilisée est de très bonne qualité, la présence des défauts aggrave l’état des surfaces à cause de l’usure adhésif et des déformations plastiques [11].

I. 2. Les huiles

Le pétrole brut est le produit de base pour tout lubrifiant, indépendamment du fait qu'il soit à base d'huile minérale ou synthétique [12].

I. 2. 1. Principe de raffinage

Le pétrole n'est pratiquement jamais utilisé sous son état naturel, il est soumis à plusieurs opérations faisant l’objet du raffinage (figure 6).

(19)

18 Fig.6. Différ e ntes opér atio n s du raffinag e

(20)

Le pétrole à raffiner est stocké dans de très vastes réservoirs cylindriques maintenus verticalement. Ces derniers sont en général menus de couvertures qui reposent directement sur le liquide en flottant, pour éviter la formation en surface d'un mélange tonnant de gaz dissous et d'air. Il y est repris par des pompes, débarrassé de l'eau salée qu'il contient, puis introduit latéralement dans une colonne de distillation fractionnée fonctionnant à la pression atmosphérique, il s’agit de la distillation atmosphérique.

Dans la distillation atmosphérique, le pétrole brut est chauffé à une température de 370°C. Il se vaporise partiellement et suivant la volatilité de ses constituants, il se sépare en coupes (mélange et non des produits purs) que l'on recueille sur les différents plateaux placés le long de la colonne [12]. On obtient ainsi en haut de la tour de distillation les gaz, les essences, puis sur les plateaux inférieurs le kérosène, les gazoles, les huiles de lubrification et en bas de la tour, les produits lourds qui serviront à la fabrication des huiles lourdes et des bitumes (figure 7) [12]. T°eb > 350°C 275°C< T°eb< 350°C 175°C< T°eb< 275°C 60°C< T°eb< 175°C T°eb< 60°C

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Les résidus lourds de la distillation atmosphérique contiennent trois composés principaux : les paraffines, les naphténiques et les aromatiques. Ils sont introduits à leur tour dans une colonne de distillation sous vide. Cette distillation permet la vaporisation des hydrocarbures à des températures suffisamment basses pour éviter leur détérioration. Entre le sommet de la tour où il y a du gazole et son pied où se forme le résidu, sont soutirés trois ou quatre coupes de distillats qui intéressent la fabrication des huiles.

Afin d’éliminer les asphaltes, les coupes en question subissent une opération de désasphaltage qui s’effectue dans une colonne d’extraction avec du propane. Le produit ainsi obtenu est une huile visqueuse riche en composés aromatiques mais, elle manque encore des qualités des lubrifiants.

L’huile obtenue à l’issue de l’extraction contient une grande quantité de paraffines linéaires ce qui rend son point de congélation très élevé. Afin d’aboutir à une baisse du point de congélation, le raffinat est traité par le Méthyl-éthyl-cétone comme solvant, ce qui l’enrichit en paraffines ramifiées.

A la fin du raffinage, une finition qui stabilise le produit est nécessaire pour obtenir une huile de base qui peut directement passer au blending.

I. 2. 2. Fonctions des huiles

Les fonctions des huiles des moteurs sont diverses et leur rendement est remarquable. Nous citons parmi ces fonctions :

• Lubrification : la lubrification des surfaces des pièces en contact du moteur joue un rôle capital. Ainsi, les frottements et l’usure seront bien réduits. Plus cette opération est réussie, plus le moteur tourne facilement et plus le carburant est économisé.

• Refroidissement : le refroidissement de l’intérieur du moteur par évacuation de la chaleur des pistons, des cylindres, de l’arbre à cames et des paliers du vilebrequin vers le carter ou vers l’extérieur par le moyen de réfrigération de l’huile.

• Etanchéité : il s’agit d’assurer l'étanchéité de la fente des segments entre le piston et le cylindre et sur les guides des soupapes [12].

• Protection anticorrosion : c’est une protection du moteur qui empêche la formation de la rouille par neutralisation des produits acides de la combustion qui peuvent attaquer les pièces métalliques.

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• Transmission de pression : c’est la contribution de l’huile à la transmission de la pression de combustion du piston au vilebrequin par l’intermédiaire de la bielle [12].

I. 2. 3 Nature des huiles

Les huiles de lubrification sont constituées de plusieurs huiles de base et d’un certain pourcentage d’additifs. Ces additifs sont convenablement ajoutés pour améliorer les propriétés naturelles des huiles et leurs conférer des qualités de lubrification. Les huiles de base les plus utilisées sont d’origine minérale extraite du pétrole ou d’origine synthétique.

Huile à base minérale

Faisant partie des diverses familles des hydrocarbures, les huiles à base minérale sont d’origine pétrolière. Elles sont extraites des distillats provenant de la distillation du pétrole brut, elles subissent des opérations de raffinage dont la complexité dépend à la fois de l’origine du brut utilisé et de la qualité recherchée pour les produits finis.

Les huiles à base minérale ayant une structure à chaîne aliphatique saturée en

hydrogène (ne contient que des liaisons simples) sont appelées huiles paraffiniques (figure 8). Elles se caractérisent par une bonne stabilité à l’oxydation et un bon indice de viscosité [12].

Atome d’hydrogène Atome de Carbone

(23)

Les huiles à base minérale qui contiennent des atomes de carbone dans une disposition annulaire en liaisons simples (saturée en hydrogène) sont dites huiles naphténiques (figure 9). Elles sont moins stables à l’oxydation mais possèdent de très bonnes caractéristiques d’écoulement aux basses températures malgré leurs faibles indices de viscosité [12].

Atome d’hydrogène Atome de Carbone

Fig.9.Molécule naphténique

Les huiles naphténiques présentent l’inconvénient d’être plus volatiles que les huiles paraffiniques. Ce phénomène peut affecter le fonctionnement normal de la lubrification [13].

Huile de base synthétique

Les huiles de base synthétiques sont obtenues par voies chimiques (polymérisation, estérification, alkylation…) à partir de composants provenant de la pétrochimie, de la carbochimie, de la lipochimie (chimie des corps gras) et de la chimie minérale.

(24)

Cette synthèse chimique par enchevêtrement des molécules spéciales donne des structures moléculaires caractérisées par des longues chaînes et des propriétés remarquables et uniformes.

I. 2. 4. Propriétés physico-chimiques des huiles

I. 2. 4. 1. Couleur

La couleur d’une huile minérale est évaluée par comparaison avec des verres étalons numérotés en colorations N.P.A. (National Petroleum Association). Elle varie généralement du blanc pur au rouge foncé en passant par le jaune citron et le jaune orange.

Les additifs assombrissent pratiquement la couleur de l’huile de base. Certains les noircissent complètement (graphite, bisulfure de molybdène…etc.).

La couleur de l’huile change progressivement au cours de son utilisation. En particulier pour les huiles moteurs qui deviennent rapidement noires en se chargeant de suies et des résidus de la combustion. La couleur foncée d'un lubrifiant usagé est un très bon moyen d'apprécier son altération. Aussi, la présence de la mayonnaise indique qu’il y a de l’eau.

I. 2. 4. 2. Masse volumique

La masse volumique ou la masse spécifique d’un lubrifiant à une température donnée est la masse de l’unité de volume. Elle diminue légèrement lorsque la température s’élève.

A 15°C, les masses volumiques des lubrifiants des moteurs à combustion interne

varient entre 0,85 et 0,92 kg/dm3 pour les huiles à base minérale, semi-synthétiques et synthétiques classiques, alors qu’elles sont de l’ordre de 1 kg/dm3 pour les huiles de synthèse de type polyglycol.

I. 2. 4. 3. Chaleur massique

La chaleur massique d’un lubrifiant est la quantité de chaleur fournie à l’unité de masse sous l’effet d’un gradient thermique élevant sa température de 1Kelvin. Elle est exprimée en J.kg-1.K-1 (généralement, de l’ordre de 2 J.kg-1.K-1). Elle augmente avec la température et

(25)

I. 2. 4. 4. Point d’écoulement

Le point d’écoulement est la température la plus basse à laquelle l’huile coule encore lorsqu’elle est refroidie, sans agitation et dans des conditions normalisées. Il est exprimé en degrés Celsius, il est considéré comme caractéristique principale pour le choix des huiles de base.

I. 2. 4. 5. Point éclair

Le point éclair est la température minimale à laquelle les constituants volatils de l'huile peuvent etre brûlés au contact d’une flamme. Pour des raisons de sécurité, cette caractéristique est toujours prise en compte dans les spécifications des lubrifiants. Il est exprimé en degré Celsius, elle traduit la stabilité thermique de l’huile et sa résistance à l’inflammation.

I. 2. 4. 6. Indice de basicité

Durant le fonctionnement du moteur diesel, la combustion génère des produits agressifs contenus dans le combustible ou formés au cours des réactions de combustion tels que l’anhydride sulfureux SO2 et l’anhydride sulfurique SO3. Ces oxydes qui agissent en

phase gazeuse et à haute température peuvent se condenser avec la vapeur d’eau formée durant la combustion. Les produits ainsi formés ont un caractère fortement acide et attaquent les parois métalliques du cylindre du moteur et celles du système d’échappement [14]. Il faut alors éliminer ces acides afin de préserver une bonne fiabilité au moteur.

L’indice de basicité ou TBN (Total Base Number ) est le nombre de milligrammes de potasse par gramme d’huile (mg KOH/g d’huile). La mesure du TBN se fait par la méthode ASTM D-974, il présente la réserve de l’huile en alcalinité [15]. C’est le pouvoir basique ayant le potentiel de neutraliser l’acidité indésirable de l’huile [16,17].

I. 2. 5. Propriétés rhéologiques des huiles I. 2. 5. 1. Viscosité

La viscosité est la propriété qui caractérise la résistance d’un fluide à l’écoulement. Elle détermine alors l’essentiel des pertes par frottement et l’épaisseur des films d’huile. Elle est certainement la plus importante des propriétés des huiles. Elle est définie comme étant la résistance qu'oppose un fluide au glissement de ses molécules les unes sur les autres.

(26)

La viscosité est une grandeur dépendante de la température. A basse température la viscosité est trop élevée, ainsi les frottements entre les surfaces des pièces mobiles sont importants. Plus l’huile est chaude, plus la viscosité est assez basse pour réduire les frottements internes. Ils existent deux types de viscosité : la viscosité dynamique et la viscosité cinématique.

I. 2. 5. 1. 1. Viscosité dynamique

La viscosité dynamique (viscosité absolue) est la viscosité qui intervient dans les calculs d’épaisseur de film d’huile et de portance hydrodynamique. Elle est déduite de la loi de Newton régissant l’écoulement laminaire d’un fluide visqueux entre une surface S mobile animée d’une vitesse u et une surface fixe. Ces deux surfaces séparées par une distance h égale à l’épaisseur du film d’huile. Le déplacement relatif des deux surfaces nécessite un effort F destiné à vaincre la résistance tangentielle au frottement visqueux du fluide.

Pour les liquides Newtoniens tels que les huiles de base minérale, le rapport F/S est proportionnel au rapport du /dh, le facteur de proportionnalité η étant le coefficient de viscosité dynamique ou simplement la viscosité dynamique.

Où F/S = η.du/dh si la variation u (h ) est linéaire, on a : F/S = η.u/h

L’unité de viscosité dynamique dans le système international (SI) est le Pascal.Seconde (Pa.s). Dans l’ancien système (CGS), l’unité est le poise (P). A titre d’exemple, la viscosité dynamique de l’eau à 20°C étant égale à 1cP = 1mPa.s.

I. 2. 5. 1. 2. Viscosité cinématique

La viscosité cinématique est déduite de la mesure du temps d’écoulement d’un certain volume d’huile dans un tube capillaire. C’est la viscosité signalée sur les fiches techniques des lubrifiants.

D’après les normes en vigueur, L’ASTM (American Society for Testing Materials) a proposé d’établir une relation qui relie la viscosité cinématique

ν

à la température T:

Log (Log(

ν

+0.6)) = m. Log(T) +n ( n, m Є IR )

(27)

I. 2. 5. 2. Indice de viscosité

La notion de l’indice de viscosité a été introduite en 1929 par Dean et Davis [18]. Elle traduit le gradient de la viscosité en fonction de la température.

La viscosité des huiles décroît, plus ou moins fortement selon leurs natures chimiques, lorsque la température s’élève. Ainsi celle d’une huile minérale paraffinique est divisée par sept quand la température passe de 60°C à 120°C.

Pour déterminer l’indice de viscosité d’une huile ayant U à 40°C et P à 100°C comme valeurs de Log (Log(

ν

+0.6)) où

ν

est la viscosité cinématique , on recherche les valeurs respectives L et H à 40°C des huiles de références à caractères paraffinique et naphténique ayant une valeur commune P à 100°C (figure 10). L’indice de viscosité VI (Viscosity Index) est alors donné par : VI = 100 (L-U)/(L-H) [18]

La méthode ASTM D-2270 permet la détermination directe de l’indice de viscosité d’une huile. Elle consiste à mesurer sa viscosité cinématique à 40°C et à 100°C pour utiliser les tables ASTM.

Fig.10.Variation de l’indice de viscosité[18]

Log(T) Log (Log(ν +0.6))

(28)

I. 2. 6. Domaine de performance d’une huile de lubrification

Les performances d'une huile de lubrification ne sont pas visibles à l’œil nu, car toutes les fonctions se déroulent dans des systèmes fermés.

Le domaine de performance d’une huile de lubrification ou pouvoir lubrifiant couvre l’ensemble des propriétés inhérentes qui favorisent à l’huile un bon comportement face à la sévérité des conditions de fonctionnement. Parmi ces propriétés, nous citons.

I. 2. 6. 1. Résistance à l’oxydation

Sous l’action conjuguée de l’oxygène de l’air et de la température, les molécules d’hydrocarbures et de fluides de synthèse s’oxydent, en se transformant en une série de produits oxygénés plus ou moins polymérisés, dont certains à fonction acide.

L’oxydation de l’huile se fait en deux étapes successives, la première appelée phase d’induction durant laquelle le processus est lent. La deuxième est rapide dite phase d’évolution, elle correspond à une oxydation sévère. Cette phase est catalysée par la présence de particules métalliques tels que le fer, le cuivre, le chrome [19].

L’oxydation de l’huile génère un ensemble de phénomènes entraînant des conséquences nuisibles à l’huile, donc au moteur et en particulier son circuit de lubrification. Elle est considérée comme facteur capital de la dégradation des huiles de lubrification [20,21].

Une bonne formulation de l’huile de lubrification et un bon choix de base ainsi que son degré de raffinage favorisent une meilleure stabilité à l’oxydation [22-25]. Une bonne résistance de l’huile à l’oxydation réduit bien la reproduction des phénomènes agressifs contre la qualité de lubrification et l’état du moteur [26].

I. 2. 6. 2. Stabilité thermique

La stabilité thermique de l’huile est le caractère qui définit l’aptitude de l’huile à fonctionner à haute température sans perdre sa qualité lubrifiante, tout en conservant ses propriétés physico-chimiques et rhéologiques. La résistance à l’inflammabilité caractérisée par un point éclair convenable permet un fonctionnement sécurisé de la lubrification du système. La volatilité minimise les pertes par évaporation, ce qui préserve la quantité nécessaire pour le graissage [27].

(29)

I. 2. 6. 3. Aptitude à fonctionner en atmosphère polluée

Le fonctionnement du moteur connaît la reproduction de plusieurs phénomènes qui peuvent faire l’objet de régénération d’éléments dont la présence dans le moteur est indésirable. Afin d’assurer sa fonction de lubrification, l’huile de lubrification doit avoir une bonne immunité vis à vis des éléments polluants. Ce caractère permet à l’huile de neutraliser ces éléments ou de résister à leur influence sur le bon fonctionnement de la lubrification du système.

I. 2. 6. 4. Adaptation à la variation des paramètres de fonctionnement du système lubrifié

Les conditions thermodynamiques des cycles des moteurs thermiques exigent des

variations des paramètres de fonctionnement avec des gradients élevés et sur des plages assez larges (Pression, Température, quantité de chaleur échangée…….) [28]. Ces variations affectent la nature de l’huile, ce qui entraîne une perte de sa qualité lubrifiante. L’huile de lubrification doit résister à toute variation des paramètres de fonctionnement.

I. 2. 7. Les additifs

Les additifs de lubrification sont des substances que l’on ajoute à l’huile dans le but d’améliorer ses propriétés naturelles et lui en conférer de nouvelles. Convenablement ajoutés à une huile de base, le nombre des additifs peut atteindre une valeur égale à vingt (20).

Les tribologistes reconnaissaient bien l’importance de la structure chimique d’un additif et son influence sur les performances de l’huile finie. Plus de quarante ans ont, par ailleurs, été consacrés à ces études [29]. Les études expérimentales étaient insuffisantes pour maîtriser le comportement de l’additif dans le fonctionnement du lubrifiant et sa réactivité avec les autres additifs [29]. En effet, les interactions des additifs entre eux ainsi qu’avec l’huile de base peuvent favoriser des effets synergiques comme elles peuvent entraîner un comportement antagoniste [15]. Les additifs se distinguent par leurs compositions chimiques et leurs fonctions.

I. 2. 7. 1. Additifs anti-usure

En général, ces additifs sont élaborés à base de soufre, de phosphore, de zinc et d’oxygène. Ils offrent à l’huile l’aptitude à protéger les surfaces métalliques contre les détériorations d’origine adhésive, corrosive et abrasive.

(30)

Ces additifs agissent par la formation d’un film sacrificatoire pendant la lubrification remplaçant ainsi le contact métal-métal par un contact chimique-chimique [16,30]. Ce film a pour rôle de minimiser le contact d’aspérité qui peut induire une éventuelle usure des surfaces lubrifiées [14].

Sur la figure 11, nous avons schématisé le dialkyl dithiophosphate de zinc (ZDDP) qui est utilisé comme additif anti-usure dans toutes les huiles moteur et jusqu’ à nos jours aucun produit n’a pu le remplacer [8]. En effet, plusieurs études expérimentales ont souligné que la lubrification des moteurs en absence du dialkyl dithiophosphate de zinc entraîne une usure excessive [31-34].

P Zn P

R R

R

R

O

O

O

O

S

S

S

S

Fig.11.Structure du dialkyl dithiophosphate de zinc

I. 2. 7. 2. Additifs extrême-pression

Ces composés sont à base de soufre, de phosphore et/ou de chlore… [35, 36]. Ils

rendent l’huile apte à protéger les surfaces contre l’usure adhésive dans des conditions de fonctionnement très sévères de point de vue tribologique. Ces conditions se manifestent par de très fortes températures de contact et de très hautes pressions suite à de fortes charges associées à de grandes vitesses de glissement et à des chocs de charge [37].

L’activité des additifs extrême-pression se déclenche sous l’effet de l’énergie thermique de frottement. Et ce, par décomposition chimique qui libère des éléments actifs tels que le soufre ou le chlore qui attaquent le métal au niveau des aspérités. Ces éléments créent des films autolubrifiants protecteurs constitués de sulfures et de chlorures métalliques [38].

(31)

I. 2. 7. 3. Additifs détergents

Les additifs détergents sont essentiels dans la fabrication des huiles de lubrification. Ils sont à base de calcium ou de magnésium, ils assurent le nettoyage du moteur des dépôts indésirables formés par les impuretés et les résidus de la combustion souvent incomplète [39]. Ces dépôts plus ou moins épais prennent place sur plusieurs parties du moteur notamment dans les gorges des pistons [20].

I. 2. 7. 4. Additifs dispersants

Les additifs dispersants contiennent souvent de l’azote et parfois du bore. Ils sont destinés à maintenir en fine suspension les impuretés (particules de carbone, poussières, microparticules métalliques) qui viennent souiller l’huile au cours de son utilisation en les véhiculant vers le dispositif de filtration. Ils jouent un rôle très important dans la maintenance de l’état de l’huile de lubrification [40].

Les particules métalliques abrasives résultant de l’usure des pièces mobiles du moteur ont toujours tendance à se déposer au carter. Toutefois l’huile est chargée, les particules peuvent reprendre le circuit normal de graissage et participer ainsi, à la chaîne active de l’usure du moteur [16]. Les additifs dispersants ont pour rôle d’évacuer ces particules lors de l’opération de vidange en les gardant suspendues dans l’huile.

I. 2. 7. 5. Additifs améliorant l’indice de viscosité

Les additifs améliorant l’indice de viscosité sont des polymères hydrocarbonés pouvant contenir de l’oxygène et parfois de l’azote. Ils ont pour rôle de diminuer la variation de la viscosité de l’huile en fonction de la température afin de lui conserver sa qualité lubrifiante initiale.

I. 2. 7. 6. Additifs antimousses

Les additifs anti-mousses sont souvent à base de silicium et ont pour rôle de réduire le moussage et la formation de bulles d’air causés par l’agitation du lubrifiant. Ils diminuent la tension de surface du fluide lubrifiant et facilitent la séparation des bulles de la phase liquide pour éviter l’oxydation précoce du lubrifiant et les défauts de lubrification [41].

(32)

I. 2. 7. 7. Additifs antirouille

Les additifs antirouille sont des composés chimiques pouvant contenir du calcium, du magnésium, du phosphore et de l’azote. Ils ont pour rôle d’empêcher la formation de la rouille sur les surfaces des différentes pièces du moteur.

I. 2. 7. 8. Additifs antioxydants

Les additifs antioxydants servent à s’opposer au phénomène d’oxydation. Nous

distinguons deux classes:

• les anti-oxydants primaires, généralement des amines, des sulfides ou des phénols, bloquent les réactions radicalaires,

• les anti-oxydants secondaires à base de zinc et de phosphore tel que le ZDDP ont pour rôle de décomposer les produits dérivés des réactions d’oxydation [41].

I.2.8. Classification des huiles

Les huiles de lubrification produites doivent répondre à des spécifications et des normes fixées par les constructeurs des systèmes à lubrifier et aux cahiers de charge des organismes utilisateurs. Aussi la distribution géographique des huiles nécessite une homologation des produits.

Pour ce faire, il faudrait établir des fiches et des documents pour mieux qualifier les différents produits de lubrification. Ainsi, il existe plusieurs classifications des lubrifiants dont les critères de classifications diffèrent.

I. 2. 8. 1. Les classifications américaines

La première classification des huiles est la S.A.E. (Society of Automotive Engineers), c’est la classification la plus utilisée à l’échelle internationale [42]. Fondée en 1911, la S.A.E. a pris la viscosité comme critère de classification des huiles en distinguant la viscosité à chaud et la viscosité à froid sous forme de grades. Cela permet de déterminer l’intervalle de température qui fixe la plage de viscosité permettant à l’huile de remplir la fonction requise (figure 12).

(33)

• Pour la viscosité à chaud, les grades vont de 20 à 60 avec un pas de 10. Chaque grade correspond à un intervalle de viscosité cinématique mesurée à 100°C. Ces grades assurent la viscosité dynamique minimale sous cisaillement fort à 150°C.

• Pour la viscosité à froid, les grades varient de 0 à 25 avec un pas de 5, suivis de la lettre W indiquant le mot anglais WINTER (Hiver). Ils se caractérisent par une température limite de pompabilité, une viscosité minimale à chaud et une température minimale pour respecter une viscosité dynamique donnée.

Fig.12.Plages de viscosité en fonction de la température pour la classification SAE

Les huiles qui répondent à un seul de ces grades telles que S.A.E 10W ou S.A.E 40 et qui ont respectivement un fonctionnement limité à froid ou à chaud sont dites huiles monogrades.

Les huiles qui respectent à la fois un grade à froid et un grade à chaud permettent par exemple le démarrage à froid en hiver et le fonctionnement moteur avec des températures assez élevées. Elles sont dites huiles multigrades.

La deuxième classification A.P.I (American Petroleum Institute), fondée en 1947, c’est une classification qui qualifie les performances d’une huile de lubrification. Elle est présentée

(34)

sous la forme d’un code à deux lettres. La première lettre est « S » pour les moteurs essence ou « C » pour les moteurs diesel, la deuxième précise le niveau de performance croissant dans l’ordre alphabétique.

I. 2. 8. 2. Les classifications européennes

Parmi les classifications européennes nous citons l’A.C.E.A (Association des Constructeurs Européens d’Automobile). Elle a été créée en 1991 en remplacement de la classification C.C.M.C (Comité des constructeurs d’automobile du marché commun) fondée en 1972. Elle établit des séquences fixées en 1996 en trois catégories ; A pour les moteurs essence, B pour les moteurs diesel de tourisme et E pour les moteurs diesel de poids lourds et utilitaires. Chaque séquence comporte 4 ou 5 appellations, notées de 1 à 5.

A1 et B1 : les lubrifiants de hautes performance, A2 et B2 : les lubrifiants standards,

A3 et B3 : les lubrifiants supérieurs,

A5 et B5 : les lubrifiants de hautes performance réalisant des économies de carburant,

B4 : les lubrifiants pour moteurs diesel à injection directe de véhicules de tourisme,

E1, E2, E3, E4 et E5 représentent les niveaux de performances croissants.

I. 3. Le moteur diesel

Le moteur diesel ou moteur à allumage par compression, a fait l’objet d’un brevet déposé en 1893 par l’ingénieur allemand Rudolf DIESEL. Il a souligné l’innovation d’un moteur à combustion interne qui permet la transformation de l’énergie thermique d’un combustible en énergie mécanique. L’apport de chaleur est réalisé de la manière la plus directe possible par une combustion dans la même enceinte [43].

Le premier moteur thermique imaginé par Rudolf DIESEL en 1892, devait fonctionner grâce à l’inflammation spontanée et à la combustion de charbon pulvérisé projeté dans l’air fortement échauffé par compression adiabatique. Les difficultés inhérentes à la manipulation du charbon pulvérisé ont ensuite conduit Rudolf DIESEL à utiliser les hydrocarbures liquides comme combustible [44].

(35)

La transformation partielle de chaleur en énergie mécanique est régie par les principes de thermodynamique. Nous en déduisons que le moteur diesel est le fruit d’une étude théorique très approfondie.

Le moteur diesel dont un cycle complet nécessite une seule montée et une seule décente de piston est dit moteur diesel deux temps. Le moteur diesel dont un cycle complet nécessite deux montées et deux décentes de piston est appelé moteur diesel quatre temps. Ce dernier type, objet de notre étude, est le plus répandu dans le domaine d’utilisation des moteurs diesel.

I. 3.1. Théorie du moteur diesel quatre temps

Conscient de la nécessite de suivre un cycle thermodynamique (Série de phénomènes qui se suivent dans un ordre déterminé et qui se produisent périodiquement) comme modèle pour arriver à son objectif, Rudolf DIESEL pensait pouvoir réaliser le cycle de Carnot (figure 13). Ce cycle de rendement théorique maximal est irréalisable par la contrainte de limitation de l’élévation de température. Dans l’ordre ABCDA du cycle de Carnot, si on brûlait le mélange (air + carburant) à la température T1 dans l’enceinte du moteur, on augmenterait

sensiblement la température vers une température T2 de telle façon que les parties AB et CD

soient isothermes et les parties DA et BC soient adiabatiques.

Il fallait donc modifier le cycle de Carnot inutilisable dans les moteurs à combustion interne. P V A B C D T1 T2

Q

1

Q

2 S 1 S 2

(36)

Le premier principe appliqué à un moteur à combustion interne réalisable a été inventé en 1862 par l’ingénieur français Beau de Rochas mais sans construire de moteur [46]. Ce principe repose sur un cycle ou les isothermes de Carnot AB et CD se transforment en deux isochores, ils correspondent respectivement à une combustion et une première phase d’échappement. Les parties DA et BC restent adiabatiques mais la première correspond à une compression isentropique et la deuxième correspond à une détente isentropique dite partie motrice du cycle (figure 14).

V P B C D A

Fig.14.Le cycle de Beau de Rochas [47]

Pour que la combustion soit isochore (cycle de Beau de Rochas), il faut que cette combustion soit instantanée puisque la variation du volume de la chambre de combustion des moteurs alternatifs est continue.

Rudolf DIESEL avait l’intuition de trouver la nature thermodynamique la plus rationnelle pour réaliser le cycle du moteur à combustion interne à allumage par compression [48]. Ainsi, il a pu établir son propre cycle caractérisé par une combustion isobare (phase AB), une première phase d’échappement isochare (phase CD) et les deux adiabatiques du cycle de Beau de Rochas (figure 15).

(37)

P V B A C D

Fig.15.Le cycle Diesel quatre temps [47].

Le premier moteur Diesel pouvait à peine tourner. Mais après trois années d’essais, un moteur a vu le jour. Ce dernier fonctionnait suivant un nouveau cycle qui délivrait un rendement effectif supérieur à ceux de tous les moteurs existant alors. Ce cycle consistait à diviser la phase de combustion en deux parties. La première est isochore, la deuxième est isobare. Il rassemble le processus de combustion de Diesel et celui de Beau de Rochas. Ce cycle est connu sous le nom de cycle Diesel quatre temps mixte (figure 16).

P V C D E F B A PMH PMB

Fig.16. Le cycle Diesel mixte quatre temps [47].

(38)

Le cycle Diesel mixte ou cycle de SABATHE est le cycle le plus proche au cycle réel tracé par l’indicateur de Watt pour moteur diesel (figure 17).

Dans l’ordre A B C D E F le cycle Diesel mixte de la (figure 16) est décrit comme suit : • A B Partie isobare déterminée par une course de piston entre le point mort haut

(PMH) et le point mort bas (PMB), appelée phase d’admission.

• B C Partie adiabatique déterminée par une course de piston entre le PMB et le PMH, appelée phase de compression.

• C D Partie isochore correspond à la première phase de combustion. • D E Partie isobare correspond à la deuxième phase de combustion. • E F Partie adiabatique correspond à la première détente (phase motrice). • F B Partie isochore correspond à la deuxième détente (phase motrice). • B A Partie isobare correspond à la phase d’échappement.

(39)

I. 3. 2. Description du moteur diesel quatre temps

Le moteur diesel quatre temps est un moteur alternatif à combustion interne où le cycle diesel se reproduit le long du fonctionnement moteur. Le principe pratique du moteur diesel quatre temps est de transformer l’énergie calorifique générée par la combustion d’un carburant en énergie mécanique traduite en mouvement de rotation à la sortie du moteur [49].

La combustion résulte de l’auto-inflammation du carburant en présence de l’air dans une chambre dite chambre de combustion. Cette chambre est formée par la paroi interne du cylindre, la face supérieure du piston pouvant coulisser dans le cylindre et couverte par la culasse. L’auto-inflammation du mélange carburant/comburant est assurée par la compression de l’air présent dans le cylindre qui provoque une élévation de température pouvant aller jusqu’à 500°C [44]. Le gazole est introduit par jet pulvérisé à l’aide d’injecteurs, s’enflamme spontanément, produisant ainsi une forte explosion au sein de la chambre de combustion.

En brûlant, le mélange augmente fortement la température et la pression, repoussant le piston qui fournit un travail sur une bielle, laquelle entraîne la rotation du vilebrequin (axe du moteur). L’étanchéité de la chambre de combustion est assurée par des segments (figure 18).

Cylindre Piston Bielle Coussinet Segments Carter Culasse Injecteur Soupapes Chambre de Combustion Bâti Chemise Vilebrequin

(40)

L’air nécessaire pour la combustion du gazole s’introduit à la chambre de combustion via le collecteur d’admission à travers les soupapes d’admission. Les gaz résultant de la combustion sont évacués vers l’extérieur du moteur par le collecteur d’échappement à travers les soupapes d’échappement.

Les limites supérieure et inférieure du mouvement du piston sont appelées

respectivement point mort haut PMH et point mort bas PMB. Un mouvement complet du piston entre les deux points morts est dit une course. Durant chaque course de piston le fonctionnement moteur connaît une séquence bien déterminée.

Le moteur diesel quatre temps effectue un cycle en quatre courses de piston (figure 19). A la première course, la descente du piston du PMH au PMB coïncide avec l’ouverture des soupapes d’admission qui permet l’admission de l’air dans le cylindre. Pendant la deuxième course, le piston monte du PMB au PMH et entraîne la compression de l’air existant dans le cylindre (toutes les soupapes sont fermées). En conséquence, la température augmente et atteint sa valeur maximale au PMH (la température de fin de compression dépasse le point d’auto-inflammation du gazole). En fin de compression, le carburant est injecté sous forme d’un ou plusieurs jets pulvérisés dans le cylindre. Sitôt injecté, le carburant

s’enflamme instantanément. En brûlant, le mélange augmente fortement la température et la pression dans le cylindre en repoussant le piston du PMH au PMB ; c’est une détente qui correspond à la troisième course. Le piston fournit alors une force de travail sur une bielle, laquelle entraîne la rotation du vilebrequin. En fin, la quatrième et dernière course, correspond à l’échappement des gaz brûlés par l’ouverture des soupapes d’échappement, poussés par la remontée du piston.

Admission Compression Combustion & détente Echappement

                   

(41)

A la fin de chaque cycle, les soupapes d’admission s’ouvrent avant l’arrivée du piston au PMH de sa quatrième course. Autrement dit, avant la fermeture des soupapes d’échappement. Il s’agit d’un croisement de soupapes mettant en jeu un courant de balayage qui sert à nettoyer le cylindre de certains résidus de la combustion avant le commencement d’un nouveau cycle.

A titre indicatif, pour un moteur tournant à 300 Tr/min environ, le temps disponible pour l’inflammation et la combustion du carburant est de 3 à 4 centième de seconde ; mais pour un moteur rapide tournant à 3000 tr/min, cette durée n’est plus que de 3 à 4 millièmes de seconde [43]. Ces ordres de grandeur montrent la difficulté des réglages conduisant à une combustion complète avec un dosage carburant/comburant parfait. Pour pallier cette contrainte, le carburant devrait être injecté avant le moment prévu pour l’inflammation. Le temps qui sépare le début de l’injection et le début de l’inflammation est appelé délai d’inflammation. Il dépend des conditions thermodynamiques régnant dans le cylindre et l’aptitude du carburant à s’auto-inflammer [50].

Le vilebrequin transmet le mouvement de rotation à deux cotés. Le premier appelé coté transmission, il sert à la transmission de puissance vers l’usage attendu. Le deuxième est dit coté distribution, il sert à distribuer les rôles (dans un ordre chronologique) aux différentes commandes et auxiliaires du moteurs (pompe d’injection, arbre à cames…) ce qui assure la précision de chaque fonction (injection du gazole, ouvertures et fermeture des soupapes…) [51].

Le refroidissement est effectué par circulation d’un fluide réfrigérant le long d’un circuit traversant les différents organes principaux du moteur. Cette circulation est assurée par une pompe attelée au moteur du coté distribution ce qui permet aussi de déterminer la quantité de fluide réfrigérant nécessaire pour refroidir un cycle.

Suivant le mode de transmission du travail du piston à la bielle, on distingue deux types de moteurs :

• les moteurs à pistons fourreaux, dans lesquels la bielle est directement articulée sur le piston,

• les moteurs à crosses, dans lesquels la bielle est articulée sur une crosse liée au piston par une tige. La hauteur du piston peut alors être réduite.

(42)

On distingue deux types de pistons :

• les pistons constitués d’une seule partie en fonte ou en alliage d’aluminium, sur laquelle sont réalisées des gorges où les segments sont logés,

• Les pistons constitués de deux parties, la tête en acier allié dans laquelle sont usinées les trois premières gorges, est fixée par des goujons ou tirants sur la jupe en alliage d’aluminium. Ces pistons sont appelés pistons composites [46].

Un moteur diesel quatre temps comporte trois types de segments (figure 18).

• Segment coup de feu : Appelé aussi premier segment de compression, est le plus près de la Chambre de combustion. La distance qui sépare son emplacement et le sommet de la tête de piston est de l’ordre du cinquième de l’alésage (diamètre intérieur du cylindre) [46]. Il doit donc supporter les hautes températures, les hautes pressions et les chocs de l’explosion. A base d’acier, le segment coup de feu est revêtu de chrome pour avoir une couche résistante à l’usure.

• Segment d’étanchéité : Appelé aussi segment de compression, il est placé au dessous du segment coup de feu. Son rôle principal est d’assurer l ‘étanchéité de l’intérieur du cylindre. Il est revêtu aussi de chrome et généralement d’origine alliage.

• Segment racleur : Placé au dessous des autres segments et a pour rôle de racler l’huile de graissage entre la chemise et le piston. Il est en fonte spéciale, de section rectangulaire biseauté ou évidées. Il possède parfois un ressort extenseur.

En plus de leurs fonctions, Les segments contribuent au transfert de chaleur du piston au cylindre et à empêcher le passage de l’huile vers la chambre de combustion.

Certains moteurs diesel sont dits moteurs suralimentés, ils sont dotés d’un système de suralimentation. Elle consiste en l’augmentation de la puissance d’un moteur sans modifier ses dimensions. Il s’agit de réaliser la combustion d’une masse de combustible plus grande que celle d’un moteur standard dans la même chambre de combustion. La masse en surplus du gazole a besoin d’une quantité d’air supplémentaire.

A l’ouverture des soupapes d’admission, la chambre de combustion communique directement avec l’atmosphère, la pression à l’intérieur est égale à la pression atmosphérique. On en déduit que la masse d’air introduite est limitée par le volume de la chambre de combustion.

Pour augmenter la masse d’air introduite dans la chambre de combustion il faut une pression d’air plus élevée. Pour ce faire, les moteurs diesel suralimentés sont dotés d’un

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turbocompresseur. Ce dernier est actionné par la pression des gaz d’échappement et chargé de comprimer l’air ambiant pour assurer la masse d’air nécessaire à la combustion du carburant injecté dans la chambre de combustion.

L’étanchéité entre la chambre de combustion et l’extérieur du cylindre n’est pas parfaite. Les différences de pressions entre la chambre et l’extérieur entraînent des flux de gaz. Le passage des gaz de combustion vers l’extérieur du cylindre, soit vers le carter à travers de la segmentation, soit vers les collecteurs d’admission et d’échappement via des lumières entre les soupapes et leurs sièges fait l’objet d’une perte importante d’énergie [52]. Ce phénomène est appelé Blow-by.

Le déréglage des jeux de soupapes et l’usure radiale des segments sont considérés comme principales causes du Blow-by [53,54]. Ce dernier augmente la consommation du carburant et prolonge le délai d’inflammation [55,56].

La suie formée dans le moteur diesel est un ensemble d’agglomérations de petites particules (de diamètre entre 0.02µm et 0.5µm). Elle contient du carbone, de l’hydrogène, de l’oxygène, du soufre et des éléments provenant des additifs (Phosphore, Zinc, Calcium) [57].

I. 3. 3. Lubrification du moteur diesel

Vu la diversité des phénomènes qui se reproduisent dans le moteur diesel, ce dernier présente un système tribologique très compliqué [58]. Cependant, l’étude de l’usure du moteur permet de déterminer le régime de lubrification suivi pour chaque partie du moteur, ainsi que le choix de l’huile de lubrification.

L’application des principes tribologiques est essentielle pour assurer un bon fonctionnement du moteur et lui conserver une bonne fiabilité [59]. En effet les pertes d’énergie causées par les frottements configurent 48% de l’énergie fournie par la combustion [60]. Par ailleurs, 66% de la totalité des pertes est dissipé au niveau des jupes des pistons, des segments et des chemises, [61]. Le reste des pertes est perdu au niveau de l’arbre à cames, des culbuteurs, du vilebrequin et du système de transmission de puissance.

L’ensemble piston – segments – chemise (figure 18) présente une grande complication dans la tribologie du moteur diesel. En effet, en une seule course de piston, l’interface segments-chemise pourrait présenter trois régimes de lubrification : limite, hydrodynamique et mixte [62,63]. Parfois, le régime elasto-hydrodynamique peut avoir lieu aussi [64].

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Aux alentours du point mort haut où règne une température très élevée, la vitesse de translation est presque nulle. Ceci dit que le régime de lubrification est limite [65]. Ainsi, la viscosité du lubrifiant n’est pas importante, par contre le paquet des additifs joue un rôle très important [8]. Par ailleurs, cette région est lubrifiée par un mélange composé d’huile, du combustible non brûlé et des produits résultants de la combustion [7].

A la région de la mi-course, La résultante des forces de frottement est proportionnelle à la vitesse de translation de piston qui atteint ici sa valeur maximale durant la course de piston, d’où le régime de lubrification hydrodynamique [66]. L’angle du vilebrequin impose à la bielle d’exercer un effort transversal sur la face intérieure du cylindre ou sur la chemise et créer par la suite des déformations au niveau de l’axe du piston [67]. Le film d’huile doit donc avoir une épaisseur assez suffisante pour pouvoir vaincre ces contraintes.

La transition du régime limite au régime hydrodynamique nécessite un régime mixte entre les deux régions [66].

L’interaction de la jupe du piston avec la face intérieure du cylindre ou avec la chemise est une source de bruit et de claques de piston. Cependant, dans les moteurs modernes ayant des pistons à masse légère, les jupes des pistons se déforment de façon élastique durant leurs interactions avec les faces intérieures des cylindres, ce qui permet de réaliser un régime de lubrification élastohydrodynamique [28,68].

Chemise Piston

Segment coup de feu Segment d’étanchéité Segment racleur Film d’huile

Figure

Fig. 52. Appareillage thermogravimétrique
Fig. 77. Tracés ATG et TGD de la pyrolyse de l'huile 1000 HDM.
Fig. 78. Variation de la fraction de masse restante lors du traitement thermique               sous oxygène de l’huile neuve, Huile 500 HDM et l’huile 1000 HDM

Références

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