Potentiel et limites d'utilisation, aux températures élevées, des lubrifiants liquides dans les moteurs

Potential and Limitations of Use of Liquid Lubricants in Engines At High Temperatures

H. Toulhoat

Institut Français du Pétrole

Résumé

Cet article examine les possibilités de réponse de la formulation des lubrifiants à une élévation des températures dans les moteurs automobiles de la prochaine décennie; l'accroissement des puissances spécifiques des moteurs, et la réduction de leurs dimensions et de leur poids, la pénétration des turbo-compresseurs et des pots catalytiques, et dans une certaine mesure la tendance à réduire les rejets thermiques à l'échappement, sont des forces motrices pour cette évolution. Une augmentation de la température moyenne à la rampe d'environ 15 à 20°C est attendue pour la plupart des moteurs courants, à essence ou Diesel. Les températures en fond de gorge de segment de feu resteront très probablement dans l'intervalle actuel 250-260°C grâce aux systèmes de refroidissement des pistons. L'évolution des moteurs Diesel de camions dans les cinq dernières années est significative de cette tendance. Une telle évolution n'induira pas de bouleversements majeurs dans la formulation des lubrifiants pour automobiles. Cependant, elle déterminera une demande en VI significativement accrue de façon à maintenir les conditions de la lubrification hydrodynamique aux paliers, aussi bien que le comportement au démarrage à froid. Ceci sera obtenu par une meilleure combinaison des bases, avec une mise en oeuvre accrue des bases hydrotraitées et synthétiques, et un renforcement de l'additivation en épaississants ( règle du pouce: 0. 25 % par incrément de 1°C de température moyenne). Une alternative pourrait provenir de progrès réalisés sur le comportement visco-élastique et la stabilité sous cisaillement de ces polymères additifs de viscosité. Une autre exigence sur les propriétés des lubrifiants afin de faire face à cet accroissement apparemment marginal de température de fonctionnement, sera une meilleure résistance à l'oxydation, et dans cette optique, le recours aux bases non conventionnelles sera à nouveau favorable. Les nouvelles formules à développer devront naturellement conserver les propriétés désirables telles que les effets anti-usure et anti-corrosion, la détergence, le pouvoir dispersant, et une bonne aptitude à l'écoulement à basse température. Les solutions techniques sont assurément à la portée de l'industrie des lubrifiants, mais au prix d'un effort de développement qui ne doit pas être sous-estimé, et cette valeur ajoutée aura dans une certaine mesure des conséquences sur les coûts. En même temps que les températures opératoires s'élèveront, de nouveaux matériaux continueront leur pénétration en tant que pièces de frottement ou barrières thermiques : les composites, les cermets, les métaux durcis superficiellement, les revêtements céramiques ou les céramiques massives. Il s'avère que les céramiques thermo-mécaniques non lubrifiées ne fonctionnent pas. D'un autre côté, les lubrifiants pourraient étendre le champ d'application des pièces de friction non métalliques en régime de lubrification limite, ou en tant que solutions à des problèmes de fatigue. On donne des exemples de formation de films interfaciaux protecteurs par réaction du DTPZn dans des conditions de frottement représentatives, avec de la zircone pure, du nitrure de silicium et de l'oxyde de chrome déposé par plasma sur de l'acier et de l'aluminium. Les coefficients de frottement se situent dans le domaine 0,03-0,1, valeurs comparables à celles des contacts métal-métal en régime de lubrification limite.

Abstract

This article examines the possible responses of lubricant formulations to a rise of temperatures in engines in the next decade. The increase in the specific powers of engines and the reduction of their overall dimensions and weights, the penetration of turbocompressors and catalytic mufflers, and, to some extent, a tendency to reduce heat discharges are driving forces for such a rise. An increase in the mean temperature at the oil gallery by about 15 to 20°C is expected in most common engines, either gasoline or diesel. Temperatures at the bottom of the top ring groove will very probably stay in the present range of 250-260°C because of the design of piston cooling systems. The way diesel truck engines have evolved in the past five years is indicative of this tendency. Such an evolution will not bring about major changes in formulations of automotive lubricants. Yet it will call for significant VI increases to maintain hydrodynamic lubrication conditions in bearings as well as cold starting behavior. This will be achieved by a better combination of base stocks with wider use of hydrotreated and synthetic base stocks and a significant increase in the content of VI improvers (the rules of thumb is 0. 25% per 1°C increment). Likewise, appreciable progress is expected from improvements of polymer additives concerning their stability under shear and their viscoelastic behavior. Another important requirement for lubricants to be able to cope with this apparently marginal operating temperature increase will be their improved stability to oxidation, and in this respect recourse to unconventional base stocks will again be beneficial. The new formulas to be developed should naturally retain desirable properties such as antiwear and anticorrosion effects, detergency, dispersivity and good flow properties at low temperature. Technical solutions are certainly beyond the reach of the lubricant industry, but at the expense of development efforts which should not be underestimated. This added value will mean higher prices to some extent. Along with operating temperature rises, new materials will increasingly be used, as thermal barriers of friction parts. They will include composites, cermets, surface-hardened metals, ceramic coatings or bulk ceramics. It turns out that unlubricated thermomechanical ceramics do not work at all. On the other hand, lubricants may extend the field of application of nonmetal friction parts in the boundary lubrication regime or as solutions to wear or fatigue problems. Examples given are the formation of protective interfacial films by the reaction of DTPZn under representative friction conditions with pure zirconia, silicon nitride and plasma-spreayed chromium oxide on steel and aluminium. Friction coefficients fall in the 0. 03-0. 1 range, a value that is comparable to that of metal-metal contacts in the boundary lubrication regime.