Etude de l'endommagement tribologique des chemises de moteurs Diesel poids lourds et optimisation des matériaux et état de surface

par Julia Keller

Thèse de doctorat en Sciences. Matériaux

Sous la direction de Philippe Kapsa.


  • Résumé

    L’application des nouvelles normes internationales Euro 4 et Euro 5 concernant la pollution des moteurs à combustion interne impose aux constructeurs automobiles des progrès techniques au niveau du contact segment – chemise qui conduisent à une diminution de la consommation d’huile. Afin de pouvoir répondre à ces évolutions, deux pistes principales s’ouvrent pour les industriels et les scientifiques : l’optimisation du matériau de la chemise à travers ses propriétés intrinsèques et de l’état de surface de celle-ci à travers les paramètres de rodage. Dans ce contexte, nous avons analysé lors de cette thèse ces deux aspects pour différents types de fonte. Suite à une synthèse bibliographique (chapitre 1), qui nous a donné un aperçu sur les travaux déjà réalisés dans ce domaine, nous avons mené une étude complète sur une fonte à graphite lamellaire « classique » au travers de tests de frottement au tribomètre Cameron Plint (chapitre 3). Cette étude nous a permis d’obtenir des informations sur l’évolution du coefficient de frottement, de la résistance électrique de contact, de l’usure et de la pression de contact, ainsi que sur la formation du film tribochimique, au cours du frottement sous des conditions sévères. A partir de ces informations, un modèle concernant le comportement tribologique de ce contact a été proposé. Dans le chapitre 4, nous avons caractérisé une fonte trempée en surface qui a présenté une résistance à l’usure très élevée par rapport à la fonte « classique ». La trempe superficielle entraîne une augmentation des propriétés mécaniques (notamment de la dureté) en extrême surface de la chemise, ce qui induit une résistance à l’usure élevée. Cependant, l’inconvénient de cette fonte est l’usure importante du contre-corps dans les conditions expérimentales utilisées. Le chapitre 5 a été consacré à une autre voie d’amélioration de la résistance à l’usure : des eutectiques phosphoreux, des zones très dures dans la microstructure perlitique, ont été formés par l’ajout de phosphore et de bore à la composition chimique initiale de la fonte. La présence d’eutectiques phosphoreux a impliqué une diminution de l’usure de 30% par rapport à la fonte « classique » pour des chemises avec une topographie de surface identique. Le contre-corps ne s’est pas usé lors du frottement dans les conditions expérimentales utilisées. Nous avons constaté que le film tribochimique protecteur ne se crée pas sur des zones très dures, comme les eutectiques phosphoreux et les carbures de chrome. En revanche, ces zones présentent apparemment déjà une résistance à l’usure élevée sans la présence du tribofilm grâce à leurs propriétés mécaniques élevées. Le dernier chapitre (chapitre 6) a consisté à analyser l’influence de l’état de surface (paramètres de rugosité) de la chemise sur son comportement à l’usure. Des surfaces rodées, polies miroir ainsi que des surfaces « modèles » (présentant des vallées bien définies) ont été étudiées. Une surface ayant des paramètres Rpk et Rk faibles, donc très lisse, montre la meilleure résistance à l’usure. Cependant, des surfaces trop lisses ne peuvent pas être utilisées car la présence de vallées est indispensable pour garantir une alimentation suffisante en huile dans certains domaines de fonctionnement du moteur.

  • Titre traduit

    Study of tribological damage of heavy diesel engines cylinder liners and optimisation of material and surface texture


  • Résumé

    In view of the application of the international standards Euro 4 and Euro 5 concerning pollution of combustion engines, engine manufacturers have to improve the piston ring / cylinder liner contact in order to reduce oil consumption. Today there are two main clues to satisfy these evolutions : the optimisation of the cylinder liner material through their intrinsic mechanical properties and the optimisation of the surface texture through the honing parameters. In this context, we studied these aspects for different kinds of cast iron. After a bibliographic synthesis (chapter 1) which gave a general survey of the studies in this area we accomplished a complete study about a "classical" lamellar cast iron through a friction test on a Cameron Plint simulator (chapter 3). This study gave us information about the friction coefficient, the electrical contact resistance, the wear volume and the contact pressure as well as the tribochemical film formation during friction under heavy conditions. With these results we suggested a model for the tribological behaviour of these contacts. In the chapter 4 we characterised a cast iron quenched in surface which presented a very high wear resistance compared to the "classical" cast iron. The superficial quenching leads to an increase of the mechanical properties (especially the hardness) of the cylinder liner surface which leads to a high wear resistance. Nevertheless, this material presents an inconvenience because of the important wear of the counter-body under the used experimental conditions. The chapter 5 is dedicated to another clue to improve the wear resistance : phosphorous eutectics, very hard zones in the pearlitic microstructure, have been formed by addition of phosphorus and boron in the initial chemical composition of the cast iron. The presence of phosphorous eutectics led to a wear decrease of 30% compared to the "classical" cast iron for cylinder liners with an identical surface texture. The counter-body did not present any wear during friction under the used experimental conditions. We noticed that the protective tribochemical film is not formed on very hard zones like phosphorous eutectics and chromium carbides. However, these areas present already an important wear resistance without a tribo chemical film because of their high mechanical properties. The last chapter (chapter 6) aims to analyse the influence of the surface texture (roughness parameters) of the cylinder liner on its wear behaviour. Honed, polished and model-surfaces (with defined valleys) have been studied. A surface with low Rpk and Rk, so very smooth, shows the best wear behaviour. Nevertheless, too smooth surfaces can not be used because the presence of valleys is necessary to ensure a sufficient supplying of oil in several areas of the engine service. Key words : cylinder liner, cast iron, friction, wear, tribochemical film, electrical contact resistance, friction coefficient.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (236 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : 96 réf.

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  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T2039
  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
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