Modélisation des performances de la segmentation dans un moteur a combustion interne

Fonction du piston et des segments

Dans le moteur à combustion interne, le sous-ensemble composé du piston-bielle-maneton, convertis l’énergie thermique issue de la combustion du carburant en énergie mécanique. Ce système transforme le mouvement rectiligne en mouvement rotatif grâce à l’énergie récupérée de l’explosion dans le cylindre. Le piston et les segments doivent donc transmettre au vilebrequin, par l’intermédiaire de la bielle, les efforts dus au gaz de combustion dans le cylindre (jusqu’à 7,5 MPa pour les moteurs à essence non suralimentés et jusqu’à 14 à 18 MPa pour les moteurs diesel suralimentés de camions).
Le piston qui sert à comprimer les gaz en vue d’une explosion, est très souvent composé de trois segments qui ont des profils de face et des fonctions différents. On distingue en allant du haut du piston vers le bas, le segment coupe-feu, d’étanchéité, et racleur .
Dans ce sous-ensemble, La fonction primaire des segments est d’assurer l’étanchéité de la chambre de combustion afin d’empêcher la propagation vers le bas moteur de la flamme de combustion en partie responsable de la consommation d’huile. Cependant, sans lubrification, une usure entre les segments et la chemise mène à de grandes pertes de puissance par frottement. En conséquence, l’autre objectif principal des segments est de distribuer efficacement le lubrifiant le long de l’interface segment/chemise, sans permettre à l’huile excessive de passer l’interface et de fuir vers la chambre de combustion. Une troisième fonction des segments qui est particulièrement importante, est la dissipation de la chaleur du piston vers le cylindre.

Description de la segmentation

Les segments sont des anneaux élastiques ouverts situés dans des rainures faites dans la tête du piston « gorges des segments » formant des joints coulissant entre le piston et la chemise . Ils se déplacent avec le piston le long du cylindre pendant la combustion et peuvent être au nombre de 2,3 ou 4 allons jusqu’à 5 suivant la cylindrée du moteur. La section transversale de chacun des segments est différente, ces différentes conceptions reflètent le rôle unique de chaque segment . Afin que ce sous-système puisse atteindre efficacement ces fonctions, chaque segment joue un rôle spécifique.
Le segment de dessus dit segment coup de feu ou de feu, assure l’étanchéité du carter des gaz de combustion « Blow-By5 », c’est un segment qui se trouve au plus près de la chambre de combustion, et il est soumis à de très fortes sollicitations thermiques et mécaniques. De ce fait, des phénomènes destructeurs allant du gommage du matériau à l’usure adhésive apparaissent à cause de la température de sa face extérieure. Le plus souvent, ce segment est revêtu soit d’une couche dure de chrome, soit d’une couche plus épaisse de molybdène. Le chrome a comme tendance de bien résister à l’usure, la pression et la vitesse du piston, le molybdène étant plus efficace mais plus coûteux .
Le deuxième segment dit segment d’étanchéité ou de compression, complète l’action des deux autres segments. Il bloque les gaz passés au travers du premier segment, et renvoi vers le carter une partie de l’huile passé au travers du troisième segment. Il est soumis à des températures de fonctionnement plus basse que le segment de feu, et a une meilleure lubrification que celle du premier segment. Ce segment subit donc des sollicitations thermomécaniques moins importantes que celles subies par les deux autres.
Le troisième segment dit segment racleur, joue un rôle de régulateur de quantité d’huile qui passe du carter pour lubrifier les segments supérieurs. Il limite la quantité d’huile présente entre les contacts des deux autres segments et la chemise. Il est généralement composé de deux rails minces en haut et en bas d’une gorge perforée servant à évacuer une partie de l’huile, avec un ressort en spirale placé derrière la gorge.

Modélisation de la lubrification et du frottement

Une excellente façon de revoir l’histoire des segments et des anciennes études peut être trouvée dans le travail du groupe Dowson , Ting et McGeehan . Une évolution substantielle a été faite par les chercheurs durant les décennies passées, et qui a mené à une meilleure compréhension du comportement des segments et de leur effet sur le fonctionnement du moteur.
L’application de la théorie hydrodynamique de lubrification aux segments a été utilisée pour la première fois par Castleman en 1936 . Une grande progression a été faite pour modeler numériquement et obtenir la variation cyclique de l’épaisseur de film d’huile par Furuhama , avec la considération d’une vision plus réaliste de la course du segment, le profil de surface et les effets des pressions des gaz Blow-By. Par la suite, une analyse complète a été faite dans le travail de Dowson avec l’application de conditions aux limites plus réalistes. Les contributions les plus importantes de cette référence sont : 1ere condition d’entrée appliquée en considérant différentes sources d’huile pour différents segments, et 2eme condition de sortie (condition de Reynolds) est appliquée pour la lubrification hydrodynamique. L’effet de la forme du segment sur l’épaisseur de film d’huile a été aussi considéré et s’est avéré très significatif.
Par la suite, plusieurs modèles et études ont vu le jour ayant comme axe de recherche : les différents régimes de fonctionnement du moteur, les différentes caractéristiques des segments et des chemises, le type de lubrification, le frottement, l’usure et l’épaisseur du film d’huile . Akalin et Newaz ont proposé un modèle qui simule le contact segments-chemise en lubrification mixte. Les résultats trouvés comparés avec des résultats expérimentaux montrent que l’essentielle du cylindre se trouve en régime de lubrification hydrodynamique. Néanmoins, le coefficient de frottement subit une légère augmentation aux PMB et PMH, et cela en raison du passage d’un régime hydrodynamique à un régime mixte. Quelques chercheurs ont également développé des modèles uni et bidimensionnel, en se concentrant sur les effets de la déformation du cylindre, la dynamique des segments, la géométrie du segment, l’épaisseur de film d’huile et des écoulements des gaz Blow-By Taylor et son équipe étaient les premiers à faire une étude sur les effets du taux de cisaillement des couches d’huiles sur le frottement et l’épaisseur du film d’huile. Les prévisions de leur modèle unidimensionnel ont été également comparées aux mesures expérimentales de l’épaisseur du film d’huile et du frottement pour différents types de lubrifiants. D’excellents résultats ont été obtenus, qui démontrent qu’un modèle unidimensionnel convient à étudier le frottement et les effets des types des huiles sur le contact segments-chemise.

Techniques de mesure des texturations

Microscope interférométrique à lumière blanche «WLI» : L’interférométrie optique est généralement la technique la plus utilisée pour réaliser des mesures de rugosité. Par le passé, des mesures 2D uniquement étaient possible, mais aujourd’hui des mesures 3D sont également possible en prenant plusieurs mesures 2D superposé.
Le principe de l’interférométrie optique est fondé sur l’interprétation des franges d’interférences générées par deux ondes homogènes entre elles, le microscope interférométrique à lumière blanche utilise un faisceau lumineux incident divisé en deux parties : l’un réfléchi par la surface à mesurer et l’autre par un miroir de référence. Sur une caméra CCD, les deux ondes du faisceau réfléchies sont recombinées et leur différence de phase crée des franges d’interférences ou inter-férogramme, L’acquisition faite est ensuite transférée vers un ordinateur pour être analysée dans le but de reconstruire la surface mesurée. Plusieurs modes d’acquisition et d’analyse existent qui permettent avec le même appareil d’accéder à une large gamme de rugosité de quelques nanomètres à plusieurs centaines de micromètres.
Microscope Electronique à Balayage « MEB » : Le microscope électronique à balayage (ou Scanning Electron Microscopy) est capable de produire des images à haute définition a un principe qui repose sur l’interactions électrons-matière. Un faisceau d’électrons balaye la surface à analyser qui en réponse réémet des électrons. Ces électrons seront par la suite analysés selon leurs niveaux d’énergie par différents détecteurs. Deux types d’électrons sont distingués : les rétro diffusés (BSE) et les secondaires (SE). Ceux du type SE fournissent une observation en niveau de gris ; tandis que les types BSE donnent une information sur le numéro atomique des éléments présents dans la zone analysée. Son avantage est de donner une observation de la gamme de résolution sur un large spectre ce qui permet de contrôler les textures sur plusieurs échelles (millimétriques à submicrométriques), mais son principal inconvénient est qu’il fournit seulement une analyse qualitative de la surface et non quantitative.

Modélisation de la rugosité et de la texturation des surfaces

La surface d’une chemise texturée, est composée d’une micro géométrie comportant des stries de géométrie bien définie, reparties de façon régulière sur des plateaux rugueux qui les séparent . Une chemise non-texturée comporte uniquement la rugosité des plateaux.
Les stries forment des motifs uniformes qui se répètent de manière alternative sur toute la surface de la chemise. Pour effectuer les calculs, il est impossible de discrétiser toute la chemise et cela à cause de la différence de l’ordre des échelles. En effet, pour une largeur de strie de 100 µm prise sur une hauteur de 10 cm et un périmètre de 25 cm, il faudrait utiliser une grille de 50 000 x 20 000 points pour représenter correctement chaque strie (~ 20 points par strie), ce qui entraînent un temps de calcul machine de plusieurs jours voire des semaines. Mais comme les motifs de texturation se répètent de manière cyclique, la chemise peut être assimilée à un plan infini dans le sens circonférentiel, ce qui donne la possibilité de prendre un motif élémentaire de la texturation complète .
En ce qui concerne les rugosités des plateaux et des segments, l’ordre de grandeur de la hauteur moyenne des aspérités est inférieur à la profondeur des stries de texturation, l’influence de leurs rugosités sur la lubrification peut donc être étudiée séparément en utilisant un modèle statistique, qui détermine la pressions moyenne du contact des aspérités entre les surfaces.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
1. VUE D’ENSEMBLE DU SYSTEME SEGMENTS CHEMISE ET ETAT DE L’ART
1.1 LE SYSTÈME SEGMENTS-PISTON-CHEMISE « SPC »
1.1.1 Fonction du piston et des segments
1.1.2 Description de la segmentation
1.1.3 Lubrification de la segmentation
1.1.4 Topographie des surfaces
1.2 MODÈLES ET MODÉLISATION DU CONTACT SEGMENTS-CHEMISE : ETAT DE L’ART
1.2.1 Perspective historique
1.2.2 Modélisation de la lubrification et du frottement
1.2.3 La texturation des surfaces
2. CARACTERISATION DE LA TOPOGRAPHIE DES CHEMISES
2.1 MÉTHODES DE TEXTURATION DES CHEMISES
2.1.1 Texturation à l’aide d’un diamant
2.1.2 Texturation avec des procédés chimiques
2.1.3 Texturation avec LASER « LST »
2.2 TECHNIQUES DE MESURE DES TEXTURATIONS
2.2.1 Microscope interférométrique à lumière blanche « WLI »
2.2.2 Microscope Electronique à Balayage « MEB »
2.2.3 Microscope confocal chromatique « CLSM »
2.2.4 Microscope à force atomique « AFM »
2.2.5 Rugosimètre tactile
2.3 PARAMÈTRES DE MESURE DE RUGOSITÉ
2.3.1 Paramètres de mesure relatifs à la Norme ISO 4287
2.3.2 Paramètres de mesure relatifs à la Norme ISO 13565
2.4 MODÉLISATION DE LA RUGOSITÉ ET DE LA TEXTURATION DES SURFACES
2.4.1 Géométrie du motif de la texture
2.4.2 Calcul stochastique de la rugosité des plateaux de chemises et des segments
2.5 OUTIL DE SIMULATION DE LA TEXTURE DE SURFACE
2.6 CONCLUSION
3. LUBRIFICATION DE LA SEGMENTATION ET FROTTEMENT : PRINCIPE ET MODELISATION
3.1 MODES DE LUBRIFICATION DANS LE SYSTÈME SEGMENTS-PISTON-CHEMISE
3.2 EQUATIONS RÉGISSANT LA LUBRIFICATION DANS LE CONTACT SEGMENTS-CHEMISE
3.2.1 Equation de Reynolds
3.2.2 Equation de Reynolds modifiée
3.2.3 Facteurs d’écoulement
3.2.4 Géométrie du segment
3.2.5 Conditions aux limites et d’équilibre
3.2.6 Phénomène de cavitation
3.2.7 Pression propre aux segments
3.2.8 Pression du contact entre aspérités
3.2.9 Pression du gaz dans les différentes régions entre segments et chemise
3.3 EFFETS DE LA TEMPÉRATURE SUR LA LUBRIFICATION
3.3.1 Variation de la viscosité en fonction de la température
3.3.2 Calcul de la température au sein du film d’huile
3.3.3 Calcul de la température de la chemise
3.4 MODÉLISATION DU FROTTEMENT DANS LE CONTACT
3.4.1 Frottement dans la lubrification hydrodynamique
3.4.2 Frottement dans la lubrification limite
3.4.3 Frottement dans la lubrification mixte
3.4.4 Equation d’équilibre de la charge
3.4.5 Calcul de la force de frottement et de la perte de puissance
3.5 EFFET DES CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT DU MOTEUR SUR LA LUBRIFICATION ET LE FROTTEMENT
3.5.1 Effet de la vitesse du moteur
3.5.2 Effet de la charge du moteur
3.6 CONCLUSION
4. DISCRETISATION ET METHODES NUMERIQUES
4.1HYPOTHÈSE DE L’ÉTUDE
4.2 DISCRÉTISATION DES ÉQUATIONS
4.2.1 Approximation avec différences finies
4.2.2 Accélération de la convergence et du temps de calcul
4.2.3 Application de la méthode multigrille
4.2.4 Discrétisation de l’équation de Reynolds
4.2.5 Discrétisation temporelle
4.2.6 Discrétisation du débit d’huile et de la contrainte tangentielle
4.2.7 Discrétisation des facteurs d’écoulement
4.2.8 Discrétisation de la force de frottement
4.3 ALGORITHME DE CALCUL
4.3.1 Vue d’ensemble des outils de la modélisation
4.3.2 Processus de résolution
4.4 CONCLUSION
5. VALIDATION ET RESULTATS
5.1 CARACTÉRISTIQUE DU MOTEUR DE L’ÉTUDE
5.2 CODE DE CALCUL
5.3 CONVERGENCE
5.4 RÉSULTATS
5.4.1 Evolution de la pression
5.4.2 Evolution du film d’huile
5.4.3 Influence de la température sur le contact
5.4.4 Évolution du frottement
5.5 CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXE