Depuis de nombreuses années la protection de lenvironnement 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 déchappement des véhicules terrestres et spécialement des automobiles. Les constructeurs dautomobiles 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 lordre 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 dobtenir une réduction significative de la consommation intrinsèque de carburant des véhicules de transport terrestre, plusieurs pistes soffrent aux chercheurs. Lune 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 daboutir à des économies de carburant de plusieurs pour cent sur des cycles standardisés reflétant lutilisation courante en clientèle de ces véhicules.
• Dans un moteur thermique le poste principal où est dissipée par frottement lénergie fournie par le carburant est le contact entre les segments, le piston et la chemise. Doù lintérêt du programme PREDIT, lancé sous légide du ministère de la Recherche, qui porte sur loptimisation 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 lENSMM assure la responsabilité scientifique du programme PREDIT.
• Le bilan de ce programme triennal qui sachève fin 2001 peut être dressé. Dans un premier temps, lhypothèse 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 linfluence 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 lensemble mécanique segments/piston/chemise ont permis de mettre en évidence des réductions de celles-ci de lordre de 20 % liées à lutilisation de ces nouvelles géométries. Cette réduction du frottement est obtenue pour linstant 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 dêtre encore accrue dans des proportions importantes par, dune part un travail sur les autres zones de déplacement du piston, dautre part loptimisation des géométries issues de cette recherche qui ne résultent pour linstant que dune 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 quil est généralement admis quune réduction de 10 à 15 % des pertes par frottement dans lensemble segments/piston/chemise dun 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 dindustriels et duniversitaires 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 luniversité de Franche-Comté, lENSMM, lUTBM 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