Université de Franche-Comté

La réduction des pertes mécaniques par frottement dans les moteurs

Depuis de nombreuses années la protection de l’environnement est un sujet majeur qui appelle des scientifiques des réponses permettant aux décisionnaires de tenir leurs engagements internationaux en particulier en ce qui concerne la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Le protocole de Kyoto a fixé, en particulier, aux états européens des objectifs de réduction très ambitieux de plus de 5 % par an. Or, une part importante de ces émissions est issue des gaz d’échappement des véhicules terrestres et spécialement des automobiles. Les constructeurs d’automobiles européens, et donc français, se sont ainsi engagés à réduire les émissions de dioxyde de carbone (CO2) des véhicules neufs pour atteindre dès 2008 une valeur moyenne de 140 g/km parcouru, ce qui correspond à une diminution de l’ordre de 25 % par rapport à la situation actuelle. Un grand défi qui ne pourra être relevé que par des recherches menées simultanément dans plusieurs domaines techniques.

•  Afin d’obtenir une réduction significative de la consommation intrinsèque de carburant des véhicules de transport terrestre, plusieurs pistes s’offrent aux chercheurs. L’une des plus efficaces, et qui, en outre, est techniquement et économiquement accessible, est la réduction des pertes mécaniques par frottement dans les moteurs, le but final étant d’aboutir à des économies de carburant de plusieurs pour cent sur des cycles standardisés reflétant l’utilisation courante en clientèle de ces véhicules.

•  Dans un moteur thermique le poste principal où est dissipée par frottement l’énergie fournie par le carburant est le contact entre les segments, le piston et la chemise. D’où l’intérêt du programme PREDIT, lancé sous l’égide du ministère de la Recherche, qui porte sur l’optimisation des états de surface de chemises de moteurs en vue de réduire les frottements entre segments, piston et chemise. Le laboratoire de Microanalyse des surfaces (LMS) de l’ENSMM assure la responsabilité scientifique du programme PREDIT.

•  Le bilan de ce programme triennal qui s’achève fin 2001 peut être dressé. Dans un premier temps, l’hypothèse de départ selon laquelle la morphologie de la topographie de surface des chemises moteur était un paramètre majeur dans le niveau de frottement entre segments, piston et chemise, a été vérifiée.

• Les travaux réalisés ont permis, en particulier, de prévoir sur des appareillages de laboratoire très simples les résultats de solutions techniques utilisées au final sur un moteur complet. Sur la base de ces expériences, un modèle de calcul de l’influence de la microgéométrie locale de la chemise du moteur sur le niveau de la force de frottement dans ce contact a été établi. Il est devenu ainsi possible de créer et de tester sur ordinateur des dessins de microgéométries de surface des pièces frottantes permettant de réduire les frottements entre le piston et la chemise. Des mesures de pertes par frottement dans l’ensemble mécanique segments/piston/chemise ont permis de mettre en évidence des réductions de celles-ci de l’ordre de 20 % liées à l’utilisation de ces nouvelles géométries. Cette réduction du frottement est obtenue pour l’instant au milieu de la course du piston en régime de lubrification hydrodynamique. Il reste donc possible de compléter ces gains par des réductions de frottement équivalentes obtenues dans les parties hautes et basses de la chemise du moteur. Cette réduction de 20 % acquise est susceptible d’être encore accrue dans des proportions importantes par, d’une part un travail sur les autres zones de déplacement du piston, d’autre part l’optimisation des géométries issues de cette recherche qui ne résultent pour l’instant que d’une seule itération. Les essais en cours sur un moteur complet et qui seront achevés fin 2001 semblent déjà confirmer les hypothèses théoriques et expérimentales précitées.

•  En considérant qu’il est généralement admis qu’une réduction de 10 à 15 % des pertes par frottement dans l’ensemble segments/piston/chemise d’un moteur conduit à une réduction de la consommation de carburant de 1 à 3 % sur un véhicule, les résultats acquis et les enjeux de la poursuite des travaux peuvent être mesurés.

•  Ces études seront prolongées avec la collaboration d’industriels et d’universitaires sur une période de deux ans. Outre leur intérêt scientifique et technique, elles contribueront au renforcement du pôle "Transports terrestres" créé en Franche-Comté en partenariat avec l’université de Franche-Comté, l’ENSMM, l’UTBM et des industriels.

 

Guy Monteil
Laboratoire de Microanalyse des surfaces
Ecole nationale supérieure de mécanique
et des microtechniques
Tél. 03 81 40 28 67
guy.monteil@ens2m.fr

 

 

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