Toyota et Tesla : Explorer le rôle de la viscosité dans l’efficacité du moteur et de la transmission.

La viscosité, mesure de la résistance d’un fluide à l’écoulement, est un facteur important à prendre en compte pour déterminer les performances du lubrifiant dans diverses applications. Les chercheurs ont passé des décennies à affiner les niveaux de viscosité pour réduire les pertes par friction, améliorer l’efficacité globale et réduire les émissions. La tendance vers les huiles moteur à faible viscosité vise à trouver un équilibre entre une protection adéquate du moteur et une efficacité énergétique maximale. 

La croyance traditionnelle est qu’une huile plus épaisse offre une meilleure protection du moteur, mais cela n’est vrai que jusqu’à un certain point. La courbe de Stribeck illustre ce concept en montrant la relation entre les régimes de lubrification, la viscosité et la friction. À mesure que la viscosité augmente, l’épaisseur du film lubrifiant augmente également, ce qui peut réduire la friction et l’usure. Cependant, au-delà d’une certaine viscosité, la friction peut effectivement augmenter en raison d’une résistance plus élevée du fluide. La courbe de Stribeck aide à sélectionner la viscosité d’huile optimale pour des performances et une protection efficaces du moteur.

Les constructeurs automobiles japonais ont été les premiers à adopter des huiles moteur à faible viscosité, principalement en raison de l’accent mis sur l’efficacité énergétique et la réduction des émissions. Le développement d’huiles à très faible viscosité, telles que SAE 0W-8 et SAE 0W-12, a été motivé par les progrès de la technologie des moteurs et la nécessité de respecter des réglementations environnementales strictes. Ces huiles à faible viscosité contribuent à réduire les pertes par friction dans le moteur, améliorant ainsi l’économie de carburant et réduisant les émissions de CO2. Les moteurs japonais sont souvent conçus avec des tolérances plus strictes et une plus grande précision, ce qui permet de bénéficier davantage de l’utilisation d’huiles à faible viscosité par rapport aux moteurs d’autres régions. Cet accent mis sur l’efficacité énergétique et la réduction des émissions s’aligne sur l’évolution mondiale vers des pratiques automobiles plus durables. ^,

Le rôle de la viscosité dans l’efficacité du moteur

Une collaboration entre l’Association japonaise des constructeurs automobiles (JAMA), la Petroleum Association of Japan (PAJ) et la Society of Automotive Engineers of Japan (JSAE) a été la force motrice derrière l’introduction du JASO GLV-1, un produit à très faible consommation d’énergie. spécification d’huile moteur de voiture de tourisme à essence de viscosité publiée en 2019 pour améliorer le rendement énergétique sans compromettre la durabilité d’un moteur.

S’exprimant lors de la F+L Week 2024 à l’Intercontinental Saigon à Hô Chi Minh-Ville, Vietnam, les 7 et 8 mars, Kazuo Yamamori de Toyota Motor Corporation a dévoilé pour la première fois lors d’un rassemblement industriel JASO GLV-2 , la révision du JASO GLV. -1, lors de sa présentation sur la normalisation des huiles moteur contribuant à la neutralité carbone . Yamamori est l’actuel président du sous-comité sur les huiles moteur de l’Organisation japonaise de normalisation automobile (JASO). JASO est une organisation qui définit les normes automobiles au Japon, notamment celles relatives aux huiles moteur, aux carburants et à d’autres produits liés à l’automobile. 

Toyota est le constructeur automobile le plus vendu au monde en 2023, marquant la quatrième année consécutive où il détient ce titre. L’entreprise a vendu un nombre record de 11,2 millions de véhicules, grâce à sa gamme diversifiée, y compris les hybrides essence-électrique, qui représentaient environ un tiers de ses ventes. Les véhicules électriques à batterie (BEV) représentaient moins de 1 % de ses ventes.

Le ratio des ventes de véhicules de nouvelle génération au Japon est passé à 45 %. Néanmoins, Yamamori a souligné que la neutralité carbone ne peut être atteinte uniquement grâce aux véhicules électriques (VE). Il a souligné l’importance des véhicules à moteur à combustion, notamment les véhicules électriques hybrides (HEV) et les véhicules électriques hybrides rechargeables (PHEV), qui, selon lui, resteront courants dans l’immédiat. 

Yamamori a souligné l’importance de la nouvelle norme JASO pour améliorer le rendement énergétique et réduire les émissions des véhicules neufs et en cours d’utilisation. Au cours de sa présentation, Yamamori a montré que les huiles moteur ont le potentiel d’économiser 14,2 millions de tonnes d’émissions de CO2 par an, sur la base des données de 2021 de 1,1 milliard de véhicules en circulation.

JASO GLV-2 est classée dans la catégorie des « huiles à viscosité plate », offrant des performances supérieures avec une dépendance minimale à la température. Il réduit efficacement la viscosité sur toute la plage de température. Les huiles moteur dont la viscosité dépasse SAE 0W-8 sont « techniquement limitées », a-t-il déclaré, citant des exemples tels que la chute de pression d’huile à des températures élevées. Ainsi, la spécification GLV-2, contrairement au GLV-1, spécifie l’utilisation de SAE 0W-16 et SAE 0W-20. 

Yamamori a présenté les principales révisions de la dernière spécification JASO, notamment une nouvelle méthode de test de stabilité au cisaillement et plusieurs modifications apportées aux limites de test sur banc et moteur. Une avancée majeure a été la nécessité d’améliorer le test de volatilité NOACK, également connu sous le nom d’ASTM D5800. Le test mesure la perte par évaporation des lubrifiants et des huiles moteur dans des conditions de température élevée. Il s’agit d’un paramètre important dans l’évaluation de la qualité d’une huile moteur, car une volatilité excessive peut entraîner une consommation d’huile, une diminution du volume d’huile et d’éventuels dépôts dans le moteur. Lors du test, un échantillon d’huile est chauffé à 250 degrés Celsius (°C) pendant 60 minutes et le pourcentage d’huile qui s’évapore est mesuré. Des valeurs NOACK inférieures indiquent de meilleures performances de l’huile, car elles suggèrent une moindre évaporation de l’huile et, par conséquent, une meilleure stabilité de l’huile et une meilleure rétention de la lubrification à des températures élevées.

Toyota a observé une faible corrélation (R2=0,78) avec la consommation réelle d’huile moteur à 250°C, ce qui a conduit à un changement à 150°C pour correspondre à la température du film d’huile de la surface de la paroi de l’alésage du moteur. Une nouvelle durée de test de 12 heures a également été mise en œuvre pour améliorer la précision des tests. 

JASO GLV-2 entrera en vigueur en octobre 2024, a-t-il déclaré.

Toyota continue de reconnaître l’importance des fluides à faible viscosité, un sentiment partagé par de nombreux acteurs de l’industrie automobile. Cependant, Tesla, le plus grand constructeur mondial de véhicules électriques en termes de part de marché, semble avoir une perspective légèrement différente sur la viscosité des fluides.  

Le rôle de la viscosité dans l’efficacité de la transmission

S’exprimant lors de la F+L Week 2024, le Dr Wenyang Zhang, ingénieur principal en conception mécanique chez Drive System Engineering chez Tesla Inc., a souligné qu’une viscosité plus faible ne conduit pas nécessairement à une efficacité plus élevée et peut compromettre la durabilité du système.

Tesla, un constructeur automobile purement EV, a livré 1,8 million de véhicules électriques à batterie en 2023. Bien que le taux de croissance ne soit peut-être pas aussi rapide que les années précédentes, les ventes de Tesla continuent d’augmenter. Tesla a livré pour la première fois ses Cybertrucks à ses clients en novembre 2023, qui utilisent le fluide KAF I formulé par Tesla pour le refroidissement et la lubrification de la boîte de vitesses. Ce fluide a été initialement introduit avec la 4e génération d’unités de transmission Tesla en 2022.

Dans une présentation sur l’ approche de conception du système de Tesla KAF I et la comparaison avec les principaux fluides de véhicules électriques à Hô Chi Minh-Ville, Zhang a donné un aperçu des principes fondamentaux guidant la conception des fluides de Telsa. Il a suggéré que les huiles à faible viscosité présentent peu d’avantages, soulignant l’importance de comprendre la contribution d’un fluide à chaque aspect de la conception du système. 

La complexité de la lubrification des trains d’engrenages souligne l’importance d’adopter une approche méticuleuse de conception de systèmes fluides, explique Zhang. Le développement des lubrifiants KAF I impliquait un équilibre délicat entre les paramètres clés du fluide. Dans une analyse comparative, le KAF I, qui a une viscosité d’environ 6 cSt à 100•C, a surpassé les autres fluides OEM EV majeurs en termes d’efficacité du système, malgré sa viscosité plus élevée, a-t-il déclaré.

KAF I a été formulé pour optimiser la durabilité, l’efficacité, la conductivité thermique du système et fournir une protection contre les dommages aux roulements induits électriquement (EIBD). Les fluides utilisés dans ces études provenant d’autres constructeurs ont une viscosité cinématique d’environ 40 à 68 % de celle du KAF I à 100 °C. Le représentant de Tesla a souligné des gains d’efficacité de 0,5 à 2 % dans la plupart des domaines par rapport aux autres fluides OEM EV. Un rapport lambda KAF I beaucoup plus élevé tout au long du cycle de conduite indique également une protection supérieure du train d’engrenages par rapport aux autres fluides OEM. Le rapport lambda est important pour optimiser les performances de la transmission EV et garantir l’efficacité du système.

Zhang a souligné que l’unité d’entraînement, comprenant le moteur, la boîte de vitesses et l’onduleur, ne contribue qu’à un faible pourcentage des pertes totales de véhicules (~ 16 %). Au sein de l’unité d’entraînement, la principale contribution d’un fluide se situe dans la boîte de vitesses. Parmi les pertes de boîte de vitesses, la formulation du fluide domine les pertes dépendantes du couple. La perte dépendante du couple fait référence aux pertes de puissance dans la transmission d’un véhicule qui sont proportionnelles à la quantité de couple transmise. Ces pertes sont principalement dues au frottement et à d’autres forces de résistance dans la transmission, le différentiel et d’autres composants de la transmission. Il s’agit d’un facteur important à prendre en compte lors de la conception et de l’optimisation de la transmission d’un véhicule en termes d’efficacité et de performances.

La viscosité contribue aux pertes parasites, qui ne représentent qu’environ 20 % des pertes des boîtes de vitesses (en fonction de la conception du matériel et du système de lubrification). Les pertes parasites font référence aux pertes d’énergie qui se produisent dans les systèmes et composants d’un véhicule, qui ne sont pas directement impliqués dans la production d’un travail utile pour la propulsion. Ces pertes peuvent survenir en raison de divers facteurs tels que :

• Friction : La friction mécanique dans le moteur, la transmission, la transmission et d’autres pièces mobiles peut entraîner une perte d’énergie.
• Traînée aérodynamique : La résistance de la carrosserie du véhicule contre l’air lorsqu’il la traverse peut entraîner une perte d’énergie.
• Résistance au roulement : Le frottement entre les pneus et la chaussée peut entraîner une perte d’énergie.
• Charges accessoires : L’énergie utilisée par les accessoires tels que la climatisation, la direction assistée et les systèmes électriques comme l’éclairage et les systèmes de divertissement peut également contribuer aux pertes parasites.
• Pertes par pompage : énergie utilisée pour pomper l’air et les fluides (tels que l’huile et le liquide de refroidissement) à travers le moteur et d’autres systèmes du véhicule.

Si une viscosité plus faible s’avère avantageuse dans certaines conditions, elle ne garantit pas nécessairement une meilleure efficacité globale. La simple réduction de la viscosité n’améliorera pas de manière significative l’efficacité globale du système, a déclaré Zhang. Il a souligné l’importance de concevoir des fluides parallèlement au matériel pour optimiser les performances et comprendre de manière globale comment les fluides contribuent à divers aspects de la conception du système, tels que la minimisation des pertes, la protection des engrenages, la prolongation de la durée de vie des fluides et d’autres facteurs.

Zhang a également discuté de la vision de Tesla et de son orientation future concernant le refroidissement et la lubrification de sa flotte de véhicules. Il a souligné les efforts de développement de la prochaine génération de lubrifiants Tesla, connus sous le nom de KAF II. Dans un régime de lubrification à film complet, cette formulation expérimentale atteint le niveau de superlubrification (inférieur à 0,01 en coefficient de frottement), a-t-il déclaré. La superlubrification fait référence à un état extrême de faible frottement entre deux surfaces en mouvement relatif, dans lequel pratiquement aucune résistance mesurable ne se produit.

Notes de bas de page :

¹  Développement des spécifications des huiles pour moteurs à essence automobiles à faible viscosité de nouvelle génération JASO GLV-1 (https://www.sae.org/publications/technical-papers/content/2020-01-1426/)

²  Les constructeurs automobiles et l’industrie pétrolière divisés sur les huiles à très faible viscosité (https://www.fuelsandlubes.com/automakers-and-oil-industry-divided-on-ultra-low-viscosity-oils/)

³  JASO GLV-2 : Nouvelle norme sur les huiles moteur qui sera publiée en mars (https://www.fuelsandlubes.com/jaso-glv-2-new-engine-oil-standard-to-be-published-this-month/ )

Vir article d’origine : https://www.fuelsandlubes.com/fli-article/toyota-and-tesla-exploring-viscositys-role-in-engi