Fiabilité des moteurs à essence : Comprendre la consommation d'huile moteur

Cet article explique les mécanismes qui affectent la consommation d'huile de lubrification dans les moteurs à gaz stationnaires. Il explique les conséquences positives et négatives de la consommation de pétrole. Il traite de l'importance de tenir compte de la teneur en cendres d'huile lors de la sélection d'une huile de lubrification pour moteur à gaz et souligne l'importance de la surveillance de la consommation d'huile dans les opérations quotidiennes.

L'huile de lubrification dans un moteur à gaz stationnaire remplit de multiples fonctions critiques. Il lubrifie les surfaces en mouvement relatif les unes par rapport aux autres en séparant ces surfaces par viscosimétrie fluide, scelle l'interface segment de piston/chemisage de cylindre et refroidit les pièces du moteur, telles que les pistons et les roulements. Grâce à la technologie des additifs, l'huile de lubrification offre également une protection contre l'usure au démarrage et contre la corrosion par des espèces acides, provenant du carburant ou des processus de dégradation de l'huile. Enfin, mais surtout, il garde le moteur propre.

Un circuit de lubrification de moteur à essence typique se compose d'un carter d'huile, d'une pompe à huile, d'un refroidisseur d'huile, de vannes de régulation de pression et de température, de filtres à huile à passage intégral et de systèmes de filtration secondaires. La pompe à huile aspire le liquide du carter à travers une crépine. Ensuite, l'huile est refroidie dans le refroidisseur d'huile ; une vanne thermostatique détermine la quantité d'huile qui traverse le refroidisseur et la quantité qui la contourne afin d'atteindre la température d'entrée d'huile souhaitée. L'huile s'écoule à travers les filtres à huile avec une finesse pouvant aller de 20 microns (nominal) à 40 microns (absolu). À partir des filtres à huile, l'huile est acheminée vers le moteur, alimentant les paliers principaux et de bielle, l'arbre à cames et le suiveur, le train d'engrenages, les turbocompresseurs, les culbuteurs et les arbres, les pistons et les chemises. Les tiges de soupape et les guides de soupape ne sont normalement pas inclus dans le système d'huile sous pression car ils reçoivent de l'huile des culbuteurs qui s'écoulent librement sur le pont de soupape. Toute l'huile finit par retourner dans le carter d'huile à environ 10C–15C (50F–59F) plus chaude que lorsqu'elle est entrée dans le moteur.

Le film d'huile assure une séparation complète des roulements et des tourillons de vilebrequin. Un coin hydrodynamique se forme au démarrage, où plus l'arbre tourne vite dans le roulement, ou plus la viscosité du fluide est élevée, plus le film d'huile sera épais. Une vitesse réduite, une viscosité réduite et une charge accrue diminuent l'épaisseur du film d'huile. Un coin hydrodynamique se forme également entre le segment de piston et l'interface de la paroi de la chemise pour assurer la séparation de ces surfaces métalliques ; ce film d'huile sert également d'étanchéité aux gaz de combustion.

Une quantité minimale de débit d'huile est nécessaire pour une bonne lubrification des tiges et des guides des soupapes d'admission et d'échappement. Via le jeu entre le guide et la tige de soupape, une petite quantité d'huile pénètre dans le flux de gaz. Cette huile atteindra les sièges des soupapes d'admission et les protégera. Cependant, côté échappement, le flux de gaz d'échappement l'empêchera d'atteindre les sièges des soupapes d'échappement. Au lieu de cela, ceux-ci sont protégés par des cendres provenant de l'huile brûlée dans la chambre de combustion.

La consommation d'huile dans les moteurs à gaz stationnaires est une fonction normale et nécessaire pour un fonctionnement sain. Les fabricants de moteurs à gaz en tiennent compte dans la conception de leurs moteurs, car une quantité spécifique de consommation d'huile est requise. Chaque constructeur de moteurs a sa propre fourchette de ce qui est acceptable ou non en matière de taux de consommation, souvent fournie aux propriétaires en grammes par kilowattheure (g/kWh). Dans les moteurs modernes, des taux de consommation d'huile de 0,05 g/kWh à 0,15 g/kWh sont typiques et ont tendance à augmenter à mesure qu'un moteur se rapproche de l'intervalle de révision prévu. Les taux de consommation d'huile dans les moteurs peu chargés sont généralement un peu plus élevés.

Le taux de consommation d'huile peut également avoir un impact sur la durée de vie utile d'un remplissage d'huile. Une faible consommation d'huile peut signifier peu d'huile fraîche, ce qui peut réduire la durée de vie potentielle de l'huile. Une consommation d'huile moteur plus élevée augmente le taux d'appoint d'huile fraîche, ce qui peut contribuer à prolonger la durée de vie de l'huile, tant que la consommation d'huile plus élevée ne coïncide pas avec une augmentation du soufflage.

L'huile consommée par le moteur va passer dans la chambre de combustion, où elle est brûlée. Cependant, certains additifs contenant des métaux sont incombustibles et restent sous forme de cendres. Les cendres des huiles pour moteurs à essence stationnaires sont souvent composées de calcium, de magnésium, de zinc, de phosphore, de bore et de molybdène utilisés dans les détergents et les additifs anti-usure.

La consommation d'huile en combinaison avec la teneur en cendres déterminera le débit global de cendres à travers la chambre de combustion, le turbocompresseur, les catalyseurs de gaz d'échappement et la chaudière de récupération de chaleur. Par conséquent, les lubrifiants pour moteurs à gaz stationnaires sont souvent classés en fonction de leur teneur en cendres. Il existe des huiles pour moteurs à gaz à teneur dite "faible en cendres" de l'ordre de 0,5% à 0,6% de cendres (en poids). Pour les moteurs qui ont besoin de plus de protection, des huiles pour moteurs à gaz à teneur « moyenne en cendres » sont disponibles, avec des niveaux de cendres allant jusqu'à 1,0 % de cendres (en poids).

Effets bénéfiques des cendres d'huile de lubrification. La principale raison d'une huile lubrifiante contenant des additifs produisant des cendres est le rôle que ces additifs jouent dans la protection globale du moteur. Les additifs producteurs de cendres sont :

Le deuxième rôle bénéfique des cendres d'huile de lubrification est la protection des soupapes d'échappement. Un petit débit d'huile est nécessaire pour une bonne lubrification des tiges et des guides des soupapes d'admission et d'échappement.

Du côté admission, l'huile suintant entre la soupape et le guide sera transportée par le flux d'air vers la face de soupape et lubrifiera la surface d'appui. Cependant, côté échappement, l'huile sera brûlée avant d'atteindre le siège de soupape. Par conséquent, la surface de siège de la soupape d'échappement est lubrifiée avec de la cendre d'huile sèche, provenant de l'huile de lubrification brûlée dans la chambre de combustion. La cendre qui reste peut se déposer ou s'agglomérer sur le siège de soupape et les surfaces de face pour les protéger de l'usure et de la récession. La figure 1 montre une soupape d'échappement encastrée non protégée. La figure 2 montre une vanne avec de petites perles ou mouchetures de cendre sur la surface d'assise, ce qui prouve une lubrification sèche adéquate de la surface d'assise, empêchant la récession de la vanne.

1. Soupape d'échappement encastrée. Courtoisie : Lubrifiants Petro-Canada

2. Soupape d'échappement bien protégée. Courtoisie : Lubrifiants Petro-Canada

Effets néfastes des cendres d'huile de lubrification. Les cendres de l'huile de lubrification brûlée s'échapperont en grande partie avec les gaz d'échappement. Cependant, une fraction se déposera sur les composants de la chambre de combustion (Figures 3 et 4). Les dépôts sur la couronne du piston et le pont de tir peuvent augmenter le taux de compression d'un moteur, ce qui peut influencer les risques de cognement (détonation). Les cognements peuvent gravement endommager le moteur. Par conséquent, des capteurs sont installés pour le détecter. En cas de cognement, le système de commande du moteur retardera d'abord le calage de l'allumage (affectant négativement l'efficacité du moteur) et finira par réduire la charge ou éteindra complètement le moteur (affectant négativement la production).

3. Dépôt de cendres sur le dessus du piston. Courtoisie : Lubrifiants Petro-Canada

4. Dépôt de cendres sur le pont de soupape. Courtoisie : Lubrifiants Petro-Canada

Les dépôts formés sur les têtes de piston et les plages supérieures peuvent agir comme un isolant, ne permettant ainsi pas un transfert de chaleur suffisant. La température de la chambre de combustion augmente, ce qui peut également contribuer au cliquetis.

Des dépôts excessifs formés sur les électrodes de la bougie peuvent combler l'écartement de la bougie, provoquant une étincelle faible ou nulle (encrassement de la bougie). Alors qu'une certaine quantité de cendre est nécessaire pour fournir une lubrification à sec des sièges de soupape, un trop grand dépôt de cendre sur les surfaces des sièges de soupape d'échappement peut empêcher la fermeture complète de la soupape, entraînant l'incendie de la soupape (Figure 5).

5. Soupape d'échappement incendiée. Courtoisie : Lubrifiants Petro-Canada

Des dépôts de cendres d'huile et de carbone peuvent se former sur le dessus du piston. Lorsque les dépôts sur le dessus du piston deviennent suffisamment importants pour entrer en contact avec la paroi de la chemise, les dépôts perturbent le film d'huile de lubrification sur la chemise et peuvent frotter et user les hachures de la chemise, ce qui entraîne un polissage de l'alésage. L'épaisseur du film d'huile dans le régime hydrodynamique est fonction de la vitesse x viscosité / charge x rugosité de surface, donc lorsque la rugosité de surface diminue (les hachures étant usées), cette surface plus lisse permet la formation d'un film d'huile plus épais. De ce fait, plus d'huile est transportée dans la chambre de combustion par le pack de segments, tandis qu'en même temps, le film d'huile plus épais ne peut pas résister à la pression de combustion, ce qui entraîne une augmentation du soufflage. Au fur et à mesure que ce mécanisme d'usure progresse, cela crée une formation accrue de dépôts, ce qui entraîne une usure accrue, plus de soufflage et plus de consommation d'huile.

Pour réduire le polissage nocif de l'alésage, les fabricants de moteurs à essence modernes peuvent utiliser un anneau anti-polissage. Un anneau anti-polissage est un anneau qui se trouve en haut de la doublure et dont la dimension intérieure est légèrement inférieure à celle de la doublure. Cet anneau nettoie en permanence la surface supérieure du piston de tout dépôt nocif en empêchant le dépôt de surface supérieure de se relier à la paroi de la chemise et de provoquer un polissage de l'alésage. L'effet de ceci est que la consommation de pétrole n'augmentera pas.

Le dépôt de cendres desserré et les particules de carbone provenant de l'huile de base oxydée peuvent être renvoyés dans le carter par soufflage. Les particules plus grosses sont généralement filtrées dans les filtres à huile principaux et les particules plus petites sont éliminées par le filtre centrifuge à huile si le moteur en est équipé.

Dans les applications de cogénération, un encrassement de la chaudière peut se produire, car la chaudière est plus froide que les gaz d'échappement, favorisant la condensation des vapeurs d'huile qui capturent les cendres d'huile. L'augmentation de la consommation de mazout entraînera un encrassement accru de la chaudière, ce qui réduira la récupération de chaleur, ce qui obligera à un nettoyage plus fréquent de la chaudière.

De nombreux moteurs à gaz sont installés avec des systèmes de réduction des émissions d'échappement sous la forme de catalyseurs pour réduire les émissions de CO et de NOx. Les dépôts de cendres d'huile peuvent masquer la surface réactive du catalyseur. La désactivation chimique peut également se produire en raison d'une réaction entre le catalyseur et différents éléments présents dans les cendres d'huile de lubrification, tels que le phosphore et le soufre. Il en résulte une conversion moins efficace des émissions nocives dans les catalyseurs de gaz d'échappement. L'augmentation de la consommation d'huile entraîne souvent une réduction de la durée de vie du catalyseur. Le masquage par les cendres peut également entraîner une défaillance des capteurs d'émission.

Ce qui précède explique que le débit de cendres doit être contrôlé en trouvant le bon équilibre entre la consommation d'huile et la teneur en cendres d'huile. L'objectif est de fournir un débit de cendres suffisant et d'assurer la durée de vie des culasses tout en maintenant un débit de cendres suffisamment bas pour éviter un encrassement excessif de la chambre de combustion, de la chaudière de récupération de chaleur et du catalyseur de gaz d'échappement, ce qui pourrait entraîner des temps d'arrêt du moteur et coûter cher à corriger.

Plusieurs mécanismes peuvent affecter la consommation d'huile dans un moteur à gaz stationnaire.

Jeu de segments de piston. Dans les moteurs modernes à faible consommation d'huile, ce mécanisme est la cause prédominante de la consommation d'huile. Une conséquence naturelle d'un film d'huile sur la paroi de la chemise est qu'une partie de l'huile pénètre dans la chambre de combustion par le rejet d'huile du pack d'anneaux près du point mort haut. Plus le film d'huile est épais, plus l'huile est transportée vers le haut par le pack de bagues. Toute l'huile transportée au-dessus du point mort haut est perdue par décharge inertielle dans la chambre de combustion et sera brûlée. Cela signifie que pour une bonne étanchéité de la combustion et une faible consommation d'huile, un film d'huile fin est souhaité. Pour la protection contre l'usure, cependant, une certaine épaisseur de film d'huile est nécessaire. Par conséquent, une solution doit être identifiée où le film d'huile est aussi mince que possible, mais suffisamment épais pour empêcher l'usure.

L'épaisseur du film d'huile varie sur la longueur de la course du piston. À mi-course, la vitesse du piston est élevée et les segments se déplacent sur la surface de la chemise dans un régime entièrement hydrodynamique. Lorsque le piston ralentit et entre dans l'une ou l'autre des zones de retournement, l'effet hydrodynamique diminue et les segments de piston commencent à se presser à travers le film d'huile. L'effet tampon empêchera les segments d'atteindre la chemise avant que le piston ne recommence à bouger et que les segments ne rentrent à nouveau dans le régime hydrodynamique. L'épaisseur minimale requise du film d'huile est déterminée par la quantité de tampon nécessaire. En pratique, un régime de lubrification partiellement noyé fournit un effet tampon suffisant pour éviter l'usure de l'anneau de point mort haut / de la chemise, et contribuera à améliorer l'étanchéité de la chambre de combustion et à réduire les rejets inertiels (réduire la consommation d'huile).

A une viscosité d'huile donnée, et une température d'huile et de chemise donnée, c'est la bague de contrôle d'huile, ainsi que la finition de surface hachurée de la chemise, qui détermine l'épaisseur du film d'huile sur la chemise, et, par conséquent, la consommation d'huile du moteur via la décharge inertielle. En tant que tel, le segment racleur d'huile prépare un film d'huile bien défini sur lequel les autres segments peuvent fonctionner. À une épaisseur de film d'huile donnée, les profils des segments de compression (cylindre asymétrique, trapézoïdal), la rigidité et la flexion des segments de piston, la tension radiale des segments et la pression des gaz de combustion dans la rainure du segment déterminent la quantité d'huile raclée vers le haut vers la chambre de combustion et perdue par rejet inertiel. Le motif de rodage des parois du cylindre aide à maintenir le film d'huile mince et réduit la déperdition inertielle. Pour une conception mécanique donnée, un fluide plus visqueux contribuera à un film d'huile plus épais et entraînera une plus grande consommation d'huile. Les huiles à faible viscosité et les huiles avec un bon contrôle de la viscosité en fonctionnement peuvent aider à maintenir faible la consommation d'huile par le biais de la décharge inertielle (Figure 6).

6. Régime de lubrification entièrement noyé et partiellement noyé. Courtoisie : Lubrifiants Petro-Canada

Tiges de soupapes et joints de turbocompresseur. Un autre contributeur à la consommation d'huile est la perte d'huile, par exemple entre la tige de soupape et les guides ou via les joints du turbocompresseur. Ceci est également influencé par la viscosité, mais dans le sens inverse : une huile à faible viscosité s'écoule plus facilement et peut entraîner une augmentation de la consommation d'huile.

Les moteurs modernes sont équipés de joints de tige de soupape qui aident à mesurer la quantité requise de débit d'huile dans la crevasse entre la tige et le guide. Cela permet d'éviter une consommation d'huile excessive via les tiges de soupape. Si les joints et les guides de tige de soupape s'usent, la perte d'huile par fuite sur les tiges de soupape peut être plus importante. De plus, dans les conceptions plus anciennes sans joints de dosage, la consommation d'huile via les tiges de soupape peut être importante. En cas de charge moteur inférieure, le transfert d'huile via les tiges de soupape peut être plus prononcé en raison de la pression d'air de suralimentation ou du collecteur d'admission plus faible ; cette contre-pression réduite permet plus facilement à l'huile de s'écouler le long du guide/tige. Pour que les joints spi du turbocompresseur fonctionnent bien, il est nécessaire que le jeu axial reste faible. Ceci doit être surveillé lors de l'entretien régulier.

Reverse Blow-By. Un soufflage inversé peut se produire lorsque la pression dans les poches entre les segments de piston est supérieure à la pression dans la chambre de combustion, par exemple à mi-course ou vers la fin de la course de puissance/d'expansion. La pression dans la chambre de combustion a chuté en raison de la dilatation et la pression dans les poches inter-anneaux est en retard. Cela peut se produire si ces poches sont relativement importantes ou si le moteur fonctionne à charge partielle. Dans un tel cas, la pression inter-segments peut propulser l'huile au-delà du pack de segments et vers la chambre de combustion, contribuant à la consommation d'huile.

Un certain nombre de mesures de conception peuvent aider à éviter le soufflage inversé. Par exemple, la réduction du nombre de segments de compression à deux, la réduction de la hauteur des méplats entre les segments de piston et le dimensionnement approprié de la fente de segment sont bénéfiques à cet égard.

Ventilation du carter. La ventilation du carter peut être une cause majeure de consommation d'huile. Les gaz d'échappement du carter contiennent des brouillards et des vapeurs d'huile ; par conséquent, les systèmes de ventilation des gaz de carter sont équipés de filtres de type coalesceur pour éliminer le brouillard d'huile des gaz de carter. Si ce filtre est saturé ou surchargé, les gaz de carter peuvent s'échapper sans être filtrés, ce qui augmente considérablement la consommation d'huile perçue du moteur. La même chose peut se produire si la conduite de vidange du filtre est obstruée, ce qui arrête le retour de l'huile séparée vers le puisard.

Volatilité de l'huile de lubrification. En ce qui concerne l'huile, les huiles de différentes qualités, types d'huile de base et viscosités auront différents niveaux de volatilité lorsqu'elles sont exposées à des températures élevées. Les huiles avec une volatilité plus élevée perdront une fraction plus élevée en raison de l'évaporation, contribuant à la consommation d'huile. Une huile pour moteur à gaz formulée avec une huile de base de distillation directe aura un avantage sur les huiles utilisant un mélange d'huiles de base plus lourdes et plus légères, car les fractions plus légères s'évaporent plus facilement.

La consommation d'huile naturelle d'un moteur peut être un critère important lors de la sélection de l'huile de lubrification appropriée pour le moteur. En effet, la consommation d'huile détermine le débit de cendres. Par exemple, considérons un moteur qui consomme 5 litres d'huile par jour (4,4 kilogrammes/jour). En supposant qu'il s'agit d'une huile à faible teneur en cendres contenant 0,5 % de cendres (en poids), environ 22 grammes de cendres traversent les chambres de combustion chaque jour.

Si ce même moteur consommait 9 litres par jour, cela signifierait qu'environ 39 grammes de cendres seraient injectés dans le moteur chaque jour. Ce débit de cendres accru pourrait également être obtenu d'une autre manière, par exemple si le moteur consommant 5 litres d'huile par jour était lubrifié avec une huile à cendres moyennes contenant 0,9 % de cendres (en poids). Cela se traduit également par un débit de cendres de 39 grammes par jour.

L'augmentation du débit de cendres n'est pas souhaitée pour les raisons mentionnées ci-dessus, à moins qu'elle ne soit nécessaire pour protéger les soupapes d'échappement. La protection accrue des soupapes d'échappement (et donc la durée de vie plus longue des culasses) est compensée par les effets néfastes d'un débit de cendres plus élevé. Comme mentionné ci-dessus, il faut tenir compte d'un taux d'encrassement plus élevé de la chambre de combustion, et donc d'un nettoyage plus fréquent, du risque d'usure plus élevée des chemises, d'un taux d'encrassement accru de la chaudière de récupération de chaleur des gaz d'échappement et d'une durée de vie réduite du catalyseur. La teneur en cendres de l'huile de lubrification est donc une propriété importante à prendre en compte lors de la sélection de l'huile de lubrification pour un moteur à gaz.

La consommation d'huile est un excellent indicateur de la santé d'un moteur, en particulier celle du pack de segments de piston et de la chemise. Premièrement, il signalera le remplissage des rainures du segment supérieur avec du carbone, ce qui perturbera le fonctionnement du segment supérieur et entraînera inévitablement un soufflage et une consommation d'huile accrue. Deuxièmement, cela signalera le polissage de l'alésage de la chemise : lorsque le modèle de rodage est usé par des dépôts de carbone sur la surface supérieure du piston, l'épaisseur du film d'huile augmentera et la consommation d'huile augmentera (Figure 7). Troisièmement, cela peut aider à indiquer des anomalies telles qu'un segment de piston cassé.

7. Dépôts de carbone épais sur le dessus (à gauche) et polissage de l'alésage correspondant (à droite). Courtoisie : Lubrifiants Petro-Canada

Un taux de consommation d'huile accru signifie non seulement une augmentation des dépenses en huile fraîche, mais également un débit de cendres accru, détériorant l'état du moteur et provoquant d'autres effets néfastes, comme indiqué ci-dessus. Il est donc essentiel de surveiller le taux de consommation d'huile. Il est idéal d'utiliser un compteur d'huile à faible débit conçu pour surveiller le débit de remplissage de lubrifiant, généralement monté après les réservoirs d'appoint d'huile fraîche et avant le contrôleur de niveau d'huile du moteur. Ce compteur doit être lu et enregistré à des intervalles réguliers d'heures de fonctionnement pour documenter la consommation d'huile.

Il est recommandé de déclarer les volumes d'appoint lors de la soumission d'un échantillon d'huile pour analyse. Lorsque l'échantillonnage d'huile est effectué à des intervalles réguliers d'heures de fonctionnement, les volumes d'appoint doivent rester les mêmes. Une augmentation de la consommation d'huile peut facilement être constatée de cette manière et une enquête initiée au moyen d'une inspection endoscopique, par exemple.

Cet article a exploré les mécanismes de la consommation d'huile dans les moteurs à gaz, y compris les voies à travers le bloc de segments de piston via le déclenchement inertiel et le soufflage inversé, les joints de tige de soupape et de turbocompresseur, la ventilation du carter et la volatilité de l'huile de lubrification. Nous avons démontré l'influence de l'épaisseur du film d'huile de lubrification : un film d'huile plus épais contribue à ce que plus d'huile soit transportée au-delà du bloc de segments et un film d'huile plus fin permet à plus d'huile de passer à travers l'interface tige/guide de soupape et les joints du turbocompresseur.

Pour un moteur à essence stationnaire, le choix d'un lubrifiant avec le bon niveau de cendres est extrêmement important afin de fournir une protection suffisante du moteur tout en ne produisant pas de dépôts de cendres excessifs. La quantité totale de cendres traversant un moteur n'est pas seulement fonction de la teneur en cendres d'huile, mais aussi en grande partie de la consommation d'huile. Comprendre et surveiller les taux de consommation d'huile quotidiens fournit des informations essentielles sur la fiabilité du moteur et aide à identifier les conditions qui peuvent contribuer à une usure prématurée. C'est un outil nécessaire qui complète l'analyse des huiles usées, l'analyse des filtres et les inspections visuelles.

—Thijs Schasfoort et Clinton Buhler sont conseillers principaux des services techniques pour Lubrifiants Petro-Canada.

Partagez cet article

Plus d'actualités O&M