Par Boris Zhmud, Tribonex AB et Urban Morawitz, Ford Research Center, Cologne, Allemagne
Par Boris Zhmud, Tribonex AB et Urban Morawitz, Ford Research Center, Cologne, Allemagne
Dans le monde automobile, la quête d’une meilleure efficacité énergétique occupe une place importante. Pendant des décennies, cet aspect est resté stagnant, mais l’avènement du 21e siècle et l’escalade des préoccupations climatiques ont insufflé une nouvelle vie aux innovations dans ce domaine.
L’Accord de Paris, adopté en 2015, a marqué une étape importante, galvanisant les efforts mondiaux visant à optimiser la technologie des moteurs. Un acteur silencieux mais puissant de cette évolution a été le progrès des lubrifiants, en particulier des lubrifiants synthétiques. Ces lubrifiants, caractérisés par leur consistance améliorée, leur stabilité supérieure à l’oxydation et leurs propriétés d’écoulement optimales à basse température, ont facilité la transition des grades 10W aux grades 0W.
L’impact de ces progrès est monumental. Pour mettre les choses en perspective, l’amélioration de l’économie de carburant, marquée par l’évolution des moteurs conventionnels vers des modèles plus efficaces, a contribué de manière significative à la réduction des émissions de CO2 à l’échelle mondiale, dépassant les effets des ventes mondiales totales de véhicules électriques.
La friction du moteur et l’économie de carburant sont intrinsèquement liées, le type de lubrifiant et la conception du moteur jouant un rôle central. Les conceptions de moteurs les plus récentes, en particulier celles utilisant des commandes de soupapes à rouleaux et des alésages pulvérisés thermiquement, sont parfaitement adaptées aux huiles à très faible viscosité. Ces huiles contribuent à minimiser la friction du moteur, en particulier à des régimes par minute (tr/min) élevés, ce qui conduit à un meilleur rendement énergétique.
La tribologie des moteurs, l’étude des surfaces en interaction en mouvement relatif, est un aspect complexe mais crucial de ce récit. Cela implique un équilibre délicat entre divers facteurs, notamment la conception du moteur, les propriétés des lubrifiants et les conditions de fonctionnement. La Ford Focus illustre ces avancées en termes concrets. En une décennie, ses chiffres de consommation de carburant se sont améliorés de 10 %, la tribologie du moteur contribuant à hauteur de 2 à 3 % à cette amélioration.
L’évolution des lubrifiants, marquée par l’évolution vers des viscosités plus faibles et l’incorporation de modificateurs de friction, est au cœur de l’amélioration continue du rendement énergétique. La mesure du frottement du moteur, bien que complexe, fait partie intégrante de la compréhension et de l’optimisation de cette dynamique pour des applications réelles.
La viscosité de l’huile de base et l’ensemble des additifs ont un impact significatif sur l’économie de carburant. Les formulations d’huile moteur à très faible viscosité déploient invariablement des types spéciaux d’additifs appelés modificateurs de friction. Des modificateurs de friction sont nécessaires pour contrôler la friction des aspérités dans le régime de lubrification limite.
La limite théorique d’économie de carburant pouvant être atteinte en réduisant à zéro la friction du moteur (en utilisant un hypothétique lubrifiant non visqueux et des surfaces sans friction) est estimée à environ 25 % par rapport aux moteurs de production fabriqués au cours des deux dernières décennies (voir Figure 1).
Figure 1. Potentiel estimé de réduction de la friction pour un moteur à essence V6 en fonctionnement à charge partielle (1 400 tr/min, BMEP = 2,1 bar)
La mesure du frottement du moteur est toujours un compromis entre la capacité à atteindre une précision suffisante et des conditions de fonctionnement réalistes. Bien que la méthode de démontage bien établie offre des résultats de mesure très précis, les conditions limites peuvent différer considérablement de l’utilisation réelle du moteur, en fonction du système étudié, notamment en termes de charges. En revanche, les tests effectués dans des conditions de fonctionnement réalistes dans un moteur de tir entraînent généralement une perte de précision des résultats.
En fonction de la charge, les niveaux de friction absolus ainsi que les relations entre la friction et les propriétés des lubrifiants et des surfaces peuvent changer. Par exemple, lorsque des bancs d’essai de moteurs non pressurisés plus simples sont utilisés, l’impact de la viscosité de l’huile sur la friction du moteur a tendance à être surestimé. En effet, un test de friction d’un moteur sans pression imite à distance la dynamique du moteur à charge nulle. En conséquence, le rapport de charge d’aspérité tend à être nul et le moteur fonctionne efficacement comme un viscosimètre à cisaillement élevé. Lorsque vous augmentez la charge du moteur, le taux de charge d’aspérité augmente également.
Par conséquent, d’autres facteurs, tels que la texture de la surface des pièces en contact, la présence de modificateurs de friction dans le lubrifiant et la présence de revêtements réduisant la friction, jouent un rôle de plus en plus important. Pour la même raison, les tests motorisés ont tendance à surestimer le potentiel d’économie de carburant des huiles à très faible viscosité. Les essais de moteurs à feu fournissent des chiffres d’économie de carburant plus réalistes, mais souffrent d’erreurs de mesure plus élevées. Cela se reflète clairement dans la spécification JASO GLV-1 qui fixe différentes limites d’économie de carburant pour les qualités de viscosité ultra-faible (par rapport à une huile de référence SAE 0W-16) en utilisant des appareils à moteur et à moteur : > 1,1 % pour le Toyota 2ZR- Moteur FXE et > 2 % pour le moteur motorisé Nissan MR20DD.
Lors de la récente conférence ICE2023 organisée par SAE Naples à Capri, Naples, Italie, nous avons présenté un compte rendu complet de l’influence de divers facteurs sur la tribologie des moteurs, de la conception du moteur aux propriétés de l’huile moteur. Deux moteurs de production Ford ont été comparés : un Ford EcoBoost 1,6 L i4 GTDI d’ancienne génération de la famille Sigma et un Ford Dragon 1,5 L i3 GTDI de nouvelle génération. (Voir le tableau 1).
Tableau 1. Caractéristiques du moteur
Les données de couple de friction pour le moteur i4 EcoBoost de 1,6 L sont présentées à la figure 2 (a, b). La contribution de la pression efficace moyenne de friction (FMEP) a été évaluée comme la différence entre la pression efficace moyenne de freinage (BMEP) évaluée à partir du couple de démarrage et la pression efficace moyenne indiquée (IMEP) évaluée à partir des lectures de pression dans le cylindre. Les carrés représentent les points expérimentaux obtenus pour l’huile moteur SAE 5W-30 à des températures d’huile de 30 o C et 90 o C. Les lignes montrent l’effet anticipé de la viscosité de l’huile sur la friction du moteur.
Figure 2. Couple de friction pour un moteur EcoBoost de 1,6 L à moteur sous pression à une température d’huile de (a) 30 °C et (b) 90 °C. La pression maximale du cylindre (PCP) était de 20 bars dans tous les cas. Les carrés représentent les points expérimentaux. Les lignes montrent l’impact estimé de la viscosité de l’huile sur le couple de friction.
Notez que les courbes de couple de friction ont un minimum d’environ 1 500 à 2 000 tr/min de régime moteur. Dans la plage de régime de 1 000 à 3 000 tr/min, qui couvre plus de 95 % des conditions de conduite, la friction « vole » 3 à 6 Nm à la puissance du moteur à température d’huile normale. Le chiffre peut être légèrement plus élevé pour un moteur à feu en raison de contraintes beaucoup plus élevées après l’allumage au point mort haut (PMH) et de points chauds locaux dus à la combustion. Toutefois, elle ne dépassera probablement pas 10 Nm.
Les caractéristiques viscosimétriques des huiles utilisées dans cette étude sont présentées dans le tableau 2.
Tableau 2. Caractéristiques viscométriques des lubrifiants de carter utilisés dans cette étude
Lors de la récente conférence ICE2023 organisée par SAE Naples à Capri, Naples, Italie, nous avons présenté un compte rendu complet de l’influence de divers facteurs sur la tribologie des moteurs, de la conception du moteur aux propriétés de l’huile moteur. Deux moteurs de production Ford ont été comparés : un Ford EcoBoost 1,6 L i4 GTDI d’ancienne génération de la famille Sigma et un Ford Dragon 1,5 L i3 GTDI de nouvelle génération. (Voir le tableau 1).
Les données de couple de friction pour le moteur i4 EcoBoost de 1,6 L sont présentées à la figure 2 (a, b). La contribution de la pression efficace moyenne de friction (FMEP) a été évaluée comme la différence entre la pression efficace moyenne de freinage (BMEP) évaluée à partir du couple de démarrage et la pression efficace moyenne indiquée (IMEP) évaluée à partir des lectures de pression dans le cylindre. Les carrés représentent les points expérimentaux obtenus pour l’huile moteur SAE 5W-30 à des températures d’huile de 30 o C et 90 o C. Les lignes montrent l’effet anticipé de la viscosité de l’huile sur la friction du moteur.
Notez que les courbes de couple de friction ont un minimum d’environ 1 500 à 2 000 tr/min de régime moteur. Dans la plage de régime de 1 000 à 3 000 tr/min, qui couvre plus de 95 % des conditions de conduite, la friction « vole » 3 à 6 Nm à la puissance du moteur à température d’huile normale. Le chiffre peut être légèrement plus élevé pour un moteur à feu en raison de contraintes beaucoup plus élevées après l’allumage au point mort haut (PMH) et de points chauds locaux dus à la combustion. Toutefois, elle ne dépassera probablement pas 10 Nm.
Les caractéristiques viscosimétriques des huiles utilisées dans cette étude sont présentées dans le tableau 2.
Tous les grades de viscosité utilisaient le même ensemble d’additifs, ainsi que des huiles de base et des améliorants d’indice de viscosité identiques, mais à des pourcentages différents.
À haut régime, la viscosité de l’huile commence à jouer un rôle plus important. Le passage de l’ancienne nuance SAE 10W-40 à la nuance plus légère SAE 0W-16 devrait entraîner une réduction de 10 % de la friction du moteur à haut régime et à une température d’huile de 90 ° C . Cependant, l’effet diminue progressivement à mesure que le régime diminue. Il est intéressant de noter que pour les moteurs plus anciens, l’huile de viscosité la plus faible donne la friction la plus élevée à bas régime. Une fois de plus, cela montre que l’effondrement du film hydrodynamique de lubrifiant peut constituer un réel problème. Bien entendu, il convient de garder à l’esprit que les essais motorisés ne peuvent pas simuler la carte de température dans un moteur de tir. Cependant, même s’il peut y avoir une certaine incertitude quant aux valeurs absolues, la tendance générale est évidente : les grades de viscosité élevée sont associés à des pertes plus élevées à des régimes moteur élevés, au-dessus de 2 000 tr/min environ, mais peuvent en réalité conduire à des pertes plus faibles à bas régime moteur. vitesse.
La figure 3 montre la répartition approximative des pertes par frottement entre les différents sous-systèmes du moteur.
Figure 3. Pertes de friction mécaniques pour différents sous-systèmes du moteur dans un moteur i4 GTDI de 1,6 L (huile moteur SAE 5W-30, température d’huile de 90 °C, PCP = 20 bar).
Les différentes conceptions de moteurs présentent des différences significatives dans leur tribologie. En général, les moteurs qui utilisent un système de soupapes à godets mécaniques à action directe (DAMB) et des alésages de cylindre en fonte conventionnels constatent une augmentation de la friction à bas régime en raison de l’effondrement du film lubrifiant. En revanche, les moteurs qui utilisent un système de soupapes RFF et des alésages pulvérisés thermiquement ont des graphiques de couple de friction par rapport au régime presque linéaires et sont bien mieux adaptés à une utilisation avec des huiles à très faible viscosité.
L’utilisation d’une huile à très faible viscosité impose des exigences plus élevées en matière de qualité des pièces usinées et peut nécessiter des modifications importantes dans la conception du moteur. Par exemple, le jeu entre le piston et l’alésage, le jeu des roulements, les caractéristiques de la surface de l’alésage du cylindre, les caractéristiques du jeu de segments, les tourillons, la pompe à huile, le filtre à huile, les gicleurs d’huile, les tendeurs de chaîne, etc. peuvent devoir être modifiés. Les moteurs plus récents utilisant des alésages de cylindre revêtus par pulvérisation et une commande de soupapes RFF présentent moins de friction d’aspérité que les anciens moteurs à cames à poussoirs plats avec des alésages affûtés conventionnels. Cela permet une migration en toute sécurité vers des huiles à faible viscosité, à condition que la pompe à huile puisse maintenir la pression d’huile. L’utilisation de tourillons superfinis ou mécanochimiquement traités résout le problème de l’usure des roulements, mais entraîne une pénalité de prix.
En conclusion, les moteurs à combustion interne resteront utilisés pendant des décennies, notamment dans les flottes commerciales. Le développement continu de la technologie du groupe motopropulseur et l’optimisation tribologique des moteurs à combustion interne ont permis des améliorations significatives en termes de rendement énergétique et d’émissions.
Les références
B. Zhmud, U. Morawitz, D. Basiri, D. Schulz, Vingt ans de recherche en tribologie des moteurs : quelques leçons importantes à tirer, SAE Tech. Papier 2023-24-0102.
P. Lee, B. Zhmud, Groupes motopropulseurs à faible friction : progrès actuels dans le domaine des lubrifiants et des revêtements. Lubrifiants 9 (2021) 74.
B. Zhmud, A. Coen, K. Zitouni, Huiles moteur à économie de carburant : justification scientifique et controverses, SAE Tech. Papier 2021-24-0067.
B. Zhmud, Y. Chizhevskiy, E. Tomanik, Plateforme de développement de formulations basée sur l’IA numérique pour les lubrifiants de carter, SAE Tech. Papier 2022-01-1096.
D. Chobany, B. Zhmud, Maîtriser l’art de l’affûtage des alésages de cylindres. Document technique SAE 2020-01-2238.
Source : fuelsandlubes. 02/01/2024.
Voir article : https://www.fuelsandlubes.com/fli-article/engine-efficiency-leaps-forward-with-advanced-lubricants/?utm_source=Fu
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