Academic literature on the topic 'Moteurs – Pistons et segments de piston'

La valorisation des déchets industriels (agriculture, industrie alimentaire, chimique, etc) et des ordures ménagères représente une solution émergeante de substitution d'énergie fossile. En effet, la méthanisation ou la gazéification génère des gaz combustibles ayant de faibles PCI, tel que le biogaz ou le gaz de gazogène. Leur utilisation dans les moteurs à piston est associée aux problèmes de stabilité de la combustion et aus faibles rendements thermiques. . .

Les lois d'usure ne permettent pas de prédire la durée de vie des contacts sans troisième corps fluide entre les segments de piston et le cylindre d'un compresseur d'air car elles ne prennent par en compte l'ensemble des paramètres qui contrôlent les débits de troisième corps solide, donc l'usure. Aussi le but de ce travail est d'élaborer le scénario de la vie du contact en terme de débits de troisième corps et d'évaluer la contribution à l'activation de ces débits de chacun des éléments du triplet tribologique que sont le mécanisme (compresseur), les premiers corps en contact (segments/cylindre) et le troisième corps. Pour cela la démarche suivie a comporté les •étapes suivantes : état de l'art des connaissances sur la segmentation du point de vue des compressoristes, utilisation des "outils tribologiques conceptuels" à l'étude du contact, étude individuel des éléments du triplet, reconstitution du circuit tribologique et du scénario de la vie du contact dans le compresseur en prenant en compte les interactions des éléments du triplet. Cette reconstitution se fonde sur l'instrumentation dynamique du compresseur, des essais sur simulateurs dont des essais de visualisation in-vivo des débits, et des modélisations mécaniques et thermiques. Elle a permis d'établir une équation phénoménologique des débits de troisième corps dans les contacts segments/cylindre et d'identifier les paramètres mécaniques, matériaux et physicochimique qui les contrôlent
Nowadays, the existing wear laws can not predict the contact lifetime when the third body is not a fluid. That the case of contacts between piston rings and cylinder in some air compressors. The main cause comes from the non consideration of the set of parameters which control the flows, therefore wear. The objective of this work is to build the scenario of contact life in term of third body flows and to estimate the contribution of each tribological triplet element on the flows activation. In our case, the tribological triplet is the following: the mechanism (compressor), the first body in contact (rings/cylinder) and the third body. Our approach is composed of the following steps: the state of the art of knowledge on the piston rings from the compressorists point of view, the using of the " conceptual tribological tools " to the studied contacts, the individual study of the triplet elements, the reconstitution of the tribological circuit and the scenario of the contact life in the compressor and then the taking into account the interactions of the triplet elements. This reconstitution is based on dynamic instrumentation of compressor, tests on simulators with in-vivo visualization flows tests, and thermal and mechanical modelings. It leads to the establishment of a phenomenological equation of the third body flows in the contacts rings/cylinder, and the identification of mechanical, materials and physico-chemical parameters which control the t1ows

Les conditions de fonctionnement de plus en plus drastiques des moteurs diesels obligent les segmentiers à élaborer de nouveaux revêtements anti-usure sur les segments coup de feu. Les résultats présentés dans cette étude concernent l'élaboration et la caractérisation de revêtements sur des segments mis en oeuvre par projection thermique à plasma d'arc soufflé (APS). Ce travail s'inscrit dans le cadre d'une collaboration avec la société Perfect Circle Europe. Dans un premier temps, l'environnement segment-piston-chemise est présenté. Cet état de l'art permet d'appréhender les conditions de fonctionnement moteur ainsi que l'usure du couple segment-chemise. Il oriente le cahier des charges et définit les nouveaux revêtements à mettre en oeuvre. Le choix s'est porté sur un composite à matrice Mo avec un renfort dur de TiN. La deuxième partie est consacrée à l'optimisation de l'élaboration du revêtement d'origine (Mo-NiCrBFeSi) et à sa caractérisation physico-chimique et tribologique. Une analyse phénoménologique de l'usure montre l'importance de la cohésion interlamellaire sur les applications tribologiques et notamment l'incidence de la diffusion dissymétrique du NiCrBFeSi dans le Mo. La troisième partie concerne l'élaboration d'un revêtement à base de Mo et de Tin. Deux modes d'élaboration de poudre et deux compositions sont développés. Les résultats tribologiques et physico-chimiques des revêtements montrent l'intérêt de renforcer le composite par un liant de type NiCrBFeSi et la potentialité du TiN dans ce type d'application. La quatrième partie est consacrée à l'évolution de ces revêtements vers leur contexte industriel. Une analyse électrochimique est développée pour appréhender la stabilité chimique des revêtements vis-à-vis d'un environnement agressif. Cette analyse illustre le caractère sélectif de la corrosion de ces revêtements élaborés par projection thermique
The drastic working conditions of diesiel engines imply piston ring manufacturers to elaborate wear resistant coatings for top position piston ring. The results presented in this study concern the elaboration and characterization of atmospheric plasma sprayed deposits for piston ring. This study received a financial support from Perfect Circle Europe. Firstly, the piston ring-cylinder environment is presented. The consideration of the engine working conditions and the piston ring-cylinder wear mechanisms leads to the definition of a new plasma sprayed piston ring coating : a Mo matrix with a hard TiN reinforcement. The second part is dedicated to the optimization of the elaboration of the previous coating (Mo-NiCrBFeSi) and its tribological and physico-chemical characterization. Wear mechanisms analysis shows the importance of the interlamellar cohesion for tribological applications. The third part concerns the elaboration of a Mo-TiN based plasma sprayed coating from agglomerated and blended powders. Tribological results show the efficiency of the hard phases TiN associated with a NiCrBFeSi binder. Finally, an electrochemical approach is used to estimate the chemical resistance of the coatings in a corrosive environment

Le piston est l'une des pieces les plus chargees des moteurs a combustion interne. Les niveaux de temperature atteints dans le piston influencent sa duree de vie et les performances du moteur. Nous proposons ici une methode de calcul du champ de temperature stationnaire dans les pistons de moteur diesel automobile. Afin de tenir compte des interactions existant entre le piston et son environnement, l'ensemble du moteur est modelise sous forme systeme. Nous avons dans un premier temps modelise chacun des transferts thermiques existant dans une cylindree de moteur diesel : sources de chaleur, echanges entre les parois du moteur et les fluides en circulation ou entre pieces mecaniques. Afin de palier au manque de connaissance concernant le refroidissement des pistons par jet d'huile, nous avons modelise le comportement instationnaire du jet et de l'ecoulement d'huile sous le piston. Nous avons ensuite elabore un modele thermique global du moteur renault f8q, base sur la technique de l'analyse nodale. Ce modele a permis de calculer le champ de temperature dans le piston et le reste du moteur, et de preciser les transferts thermiques entre le piston et son environnement. Ce modele a ete valide au moyen de mesures de temperature realisees dans les pistons du moteur renault f8q. L'accord observe est satisfaisant. Les ecarts entre mesures et calculs sont du meme ordre que les variations enregistrees entre les differents essais.

Dans les moteurs à combustion interne utilisés en compétition automobile, l'extrême sévérité des sollicitations thermomécaniques subies par les composants porte la durée de vie de certains contacts à seulement quelques heures de fonctionnement. En particulier, le système de distribution est victime d'une usure très rapide localisée à l'interface came-linguet, malgré l' action protectrice combinée d'une huile moteur spécifique et d'un revêtement. Une nouvelle augmentation des performances passe alors par l'optimisation du comportement tribologique de ce contact, lubrifié partiellement en régime élastohydrodynarnique. Ce travail vise ainsi à améliorer notre compréhension des phénomènes de lubrification générés par la micro-texturation de surface, et particulièrement pour le cas des contacts non conformes sévèrement sollicités auxquels cette technologie n'a jamais été adaptée avec succès. A cet effet, un procédé novateur de micro-texturation ultra-fine par laser femtoseconde a été mis au point et optimisé. Il a permis d’étudier l'influence de micro-géométries aux profondeurs comprises entre 30 nm et 500 nm pour la première fois, par interférométrie optique ultra-rapide au moyen d'un tribomètre élastohydrodynamique spécialement adapté. L'analyse transitoire détaillée de leur passage dans le contact EHD modèle a démontré la possibilité de générer un renforcement important de l'efficacité protectrice du film lubrifiant. La proposition d'un mécanisme de lubrification a ainsi permis de relier les conditions d'apparition de cette augmentation de portance avec la viscosité locale atteinte par le volume de fluide traversant la microgéométrie. En parallèle, l'adaptation d'un code de calcul EHD transitoire a permis de modéliser précisément le phénomène physique, et de décorréler les influences des différents, dimensions caractéristiques de la micro-géométrie et des conditions de fonctionnement de l'interface sur l'apparition et la propagation du renforcement transitoire des épaisseurs de film lubrifiant. Au final, sous l'action de sollicitations tribologiques représentatives (systèmes de districution, engrenages, …) reproduites sur tribomètres industriels, une micro-texturation de surface optimisée apporte une augmentation de performances importante, en termes de réduction du frottement et de l'usure, de charge supportée, et de durabilité, qui ouvre ainsi la porte à de nombreuses perspectives d'applications industrielles.

Les émissions de particules d’un moteur à combustion interne de type allumage commandé sont très variables. La richesse du mélange air/carburant ne suffit pas à définir parfaitement la fonction de caractérisation de ces émissions. Des essais ont souligné l’importance du phénomène de balayage de l’huile par les gaz du blowby sur les émissions de particules Ceci est due à la position des segments qui tournent continuellement autour de leurs gorges. La fonction de caractérisation des émissions de particules a été complété en tenant compte de ces nouvelles conditions. Puis, la création d’un modèle de simulation des gaz du blowby sous GT-suite a permis de caractériser ces flux et d’appréhender ces mécanismes. Par exemple, au ralenti, il se créé un phénomène d’accumulation d’huile sur la couronne du piston. Des essais expérimentaux ont confirmé l’importance de la durée du ralenti sur les émissions de particules. Enfin, l’étude de l’impact du vieillissement de l’huile et du filtre à huile sur les émissions de particules a été investiguée. Un ensemble « huile + filtre » vieillit dans des conditions réelles présente un taux d’émission de particules deux fois plus important qu’un ensemble neuf. Finalement ces travaux ont permis de compléterla fonction de caractérisation des émissions de particules afin d’être plus en adéquation avec les conditions réelles de fonctionnement d’un moteur à combustion interne de type allumage commandé
Particulate emissions from a spark ignition engine are highly variable. The equivalent ratio of the air/fuel mixture is not sufficient to perfectly define the characterisation function of these emissions. Tests have highlighted the importance of the phenomenon of oil scavenging by the blowby gases on the particulate emissions. This is due to the position of the piston rings which rotate continuously around their grooves. The particle emission characterisation function was completed taking into account these new conditions. Then, the creation of a blowby gas simulation model in GTsuite allowed the characterisation of these flows and the understanding of these mechanisms. For example, at idle conditions, oil accumulates on the piston crown. Experimental tests confirmed the importance of the idling time on particle emissions. Finally, the impact of oil and oil filter ageing on particulate emissions was investigated. An "oil + filter" assembly aged under real conditions has a particle emission rate twice as high as a new assembly. Finally, this work has allowed to complete the particle emission characterisation function in order to be more in line with the real operating conditions of a spark ignition engine

Cette thèse est consacrée è la modélisation et a la simulation de l'ensemble PISTON /SEGMENT/ CHEMISE, d'un moteur thermique. Dans un moteur, le piston muni de segments est en mouvement relatif dans la chemise. Ce système est lubrifié par projection d'huile, les segments et la surface de la chemise "contrôlent" la quantité de lubrifiant restant sur la paroi. Pour modéliser ce phénomène, le modèle conservatif parabolique-hyperbolique d'Elrod-Adams (P − θ), prenant en compte la cavitation (présence de gaz dans le fluide, aspect multiphasique de l'écoulement), est couplé a un modèle de contact, celui de Greenwood-Tripp (basé sur une approche statistique de la surface). En se restreignant a l'écoulement et au contact, nous négligeons beaucoup de phénomènes physiques pouvant intervenir comme le grippage ou les effets thermiques. Dans une première partie, les phénomènes mécaniques sont étudiés, de la réalisation de la surface des chemises è la modélisation de la physique de la lubrification du contact segment/chemise. Cette étude expose les simplifications effectuées et le choix des conditions aux limites pour la prise en compte de la cavitation en tant que problème a frontière libre, notamment au niveau du débit d'entrée pour simuler un fonctionnement "normal". Dans une deuxième partie, la mise en oeuvre et la modification de l'algorithme "classique" pour des surfaces mesurées sont décrites en détail. Nous présentons les performances simulées de différentes surfaces, et nous les comparons è des essais effectués par Renault. Dans une troisième partie, des modifications sont introduites au modèle (P − θ) utilisé précédemment afin de rendre l'écoulement cohérent avec le modèle de Navier-Stokes. Bien que ce nouveau problème puisse être posé en dimension 2, l'étude mathématique ne concerne que la dimension 1. On se ramène a un système dynamique dont les inconnues sont les frontières libres. L'unicité de la solution impose l'introduction d'un paramètre artificiel. Le comportement local et/ou global en temps est déterminé par les paramètres géométriques et les conditions aux limites. L'introduction de deux paramètres supplémentaires permet de démontrer l'existence et l'unicité de la solution. Dans une dernière partie, nous comparons le modèle de cavitation proposé avec le modèle P − θ.

Les émissions de polluants dans l'atmosphère représentent l'un des objectifs majeurs à l'heure actuelle. Dans le domaine automobile, la réduction des émissions de CO2 repose en partie sur l'amélioration du rendement moteur. Pour ce faire, ces travaux de thèse sur la texturation de surface à micro et nano échelle proposent de diminuer les pertes par frottements dans les moteurs thermiques alternatifs à combustion interne. Le poste moteur retenu dans cette thèse est le segment/piston/chemise car près de 40 % des pertes par frottement y sont générées. On s'intéresse à la texturation par LASER femtoseconde de cavités sur la surface du segment coup de feu. Le comportement tribologique de surfaces texturées est étudié en régime ElastoHydroDynamique (EHD) et Limite. En régime EHD, la capacité de formation d'un film lubrifiant et le contrôle du frottement en surface texturée indique un comportement tribologique dépendant du couplage entre les paramètres expérimentaux - cinématique des surfaces, pression de contact, taux de rétention en huile et temps de résidence des textures dans le contact et les paramètres géométriques - diamètre, profondeur, densité de textures. En régime Limite, l'influence des textures sur le comportement tribologique a permis de confirmer l'hypothèse sur le rôle de piégeage des débris par les cavités et de mettre en évidence des configurations de réseaux réduisant le coefficient de frottement pour des profondeurs faibles.

Les moteurs à pistons utilisent en général l’air ambiant comme comburant. Cet air est composé principalement d’azote et d’oxygène mais aussi de vapeur d’eau. La présence de cette vapeur modifie le processus de combustion de façon plus ou moins significative. S’agissant des moteurs, l’addition d’eau modifie les performances et diminue les émissions d’oxydes d’azote. Cependant très peu de travaux traitent de ces effets. Ce travail a donc pour objectif d’étudier expérimentalement et numériquement l’influence de l’humidité de l’air sur la combustion et plus particulièrement sur le fonctionnement des moteurs à pistons. L’approche numérique, menée de front avec l’approche expérimentale, modélise une flamme laminaire de prémélange. L’outil numérique qui a été utilisé est le logiciel de calcul de cinétique chimique COSILAB® pour du méthane et de l’isooctane. L'approche expérimentale utilise deux bancs d'essais. Le premier banc est un brûleur bec Bunsen à fente qui a été entièrement conçu et validé au cours de cette étude afin de mesurer des vitesses de flamme laminaire. Une attention particulière a été portée à la métrologie et à l'estimation quantitative des incertitudes de mesures. Ces mesures obtenues à pression atmosphérique sur ce brûleur, pour une humidité spécifique pouvant atteindre 80 g.kg-1, ont permis de valider les résultats obtenus numériquement. Les calculs ont ensuite été portés à des conditions de pression et température représentatives d'un fonctionnement moteur. Un banc d'essai moteur recherche a été utilisé pour confirmer les tendances observées dans le cas des flammes laminaires. Les résultats obtenus montrent une forte diminution de la vitesse de flamme ainsi que des émissions d'oxydes d'azote lorsque l'humidité augmente. Par exemple pour une humidité spécifique de 110 g.kg-1, la vitesse de flamme chute de 55% et les émissions de NOX chutent de 70%. Les essais au banc moteur ont montré une augmentation de l'avance à l'allumage optimale et des émissions d'hydrocarbures imbrûlés lorsque l'humidité augmente. Ils confirment également la forte diminution des émissions d'oxydes d'azote ; par exemple pour une augmentation de l'humidité de 30 g.kg-1, les NOX baissent de 35%.

Le moteur à combustion, utilisé dans l’automobile est en perpétuelle évolution pour des raisons économiques et écologiques. Pour parvenir à de faibles consommations de carburant et émissions polluantes, l’un des axes étudiés est la réduction des pertes mécaniques par frottement du moteur qui constituent 15 à 20% de la consommation totale d’énergie du moteur. 50% de ces frottements proviennent des contacts Segment-Piston- Chemise et de la liaison Maneton-Bielle-Coussinet. De ce fait la compréhension de la tribologie de ce contact, l’optimisation de la lubrification et le vieillissement des lubrifiants deviennent primordiaux. L’objectif de cette thèse est d’étudier les mécanismes de lubrification de ces contacts segment/chemise et maneton/coussinet, et en particulier de comprendre l’influence du couplage additif, surface et matériau dans les différentes régimes de lubrification. Il s’agira de répondre à la question : comment maîtriser le frottement et l’usure en contrôlant la chimie du lubrifiant, la topographie et le matériau ? La démarche expérimentale choisie s’appuie sur l’analyse du comportement tribologique de deux additifs modificateurs de frottement sans cendres d’une part, puis sur l’impact du matériau et enfin sur l’influence de la topographie d’autre part. L’analyse de la cinétique d’évolution du coefficient de frottement et des traces d’usure en régime limite ont notamment permis d’identifier les mécanismes de réduction de frottement induits par les deux modificateurs étudiés
The combustion engine used in automotive industry is constantly changing for economic and ecological reasons. To achieve low fuel consumption and pollutants emissions, one of research axes studied is the reduction of the mechanical friction loss of the motor which constitute 15-20 % of the total energy consumption of the engine. 50% of these come from friction contacts cylinder /piston rings and conrod bearing. Thereby understanding of tribology of the contact, optimizing lubrication and lubricants aging become paramount. The objective of this thesis is to study the mechanisms of lubrication of these contact (piston ring/cylinder and conrod bearing), and in particular to understand the influence of the additive coupling surface and material in the different lubrication regimes. This will answer the question : how to control the friction and wear by controlling the chemistry of the lubricant, the topography and the material ? The experimental approach chosen is based on the analysis of the tribological behavior of two friction modifiers additives ashless at first time, and on the impact of material and finally the influence of topography on the second time. XPS Analysis of the evolution of the coefficient of friction and wear track under boundary regime have enabled to identify mechanisms to reduce friction induced by the two modifiers studied