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 lubrifiante d’un moteur à gaz stationnaire remplit de multiples fonctions critiques. Il lubrifie les surfaces en mouvement relatif les unes par rapport aux autres en assurant la séparation de ces surfaces grâce à une viscométrie fluide, scelle l’interface entre la bague de piston et la chemise de cylindre et refroidit les pièces du moteur, telles que les pistons et les roulements. Avec l’aide de la technologie additive, l’huile lubrifiante offre également une protection contre l’usure pendant le démarrage et contre la corrosion par des espèces acides, provenant du carburant ou des processus de dégradation de l’huile. Enfin, mais surtout, il maintient le moteur propre.

Un circuit de lubrification typique d’un moteur à gaz se compose d’un carter d’huile, d’une pompe à huile, d’un refroidisseur d’huile, de vannes de contrôle de pression et de température, de filtres à huile à débit principal et de systèmes de filtration secondaires. La pompe à huile aspire le fluide du puisard à travers une crépine. Ensuite, l’huile est refroidie dans le refroidisseur d’huile; Une vanne thermostatique détermine la quantité d’huile qui passe par le refroidisseur et la quantité qui la contourne afin d’atteindre la température d’entrée d’huile souhaitée. L’huile circule à travers les filtres à huile avec une finesse qui peut varier entre 20 microns (nominal) et 40 microns (absolu). À partir des filtres à huile, l’huile est acheminée vers le moteur, alimentant les roulements principaux et à tige, l’arbre à cames et le suiveur, le train d’engrenages, les turbocompresseurs, les culbuteurs et les arbres, les pistons et les chemises de chemise. 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’écoule librement sur le pont de la soupape. Toute l’huile finit par retourner dans le carter d’huile à environ 10 ° C à 15 ° C (50 ° C à 59 ° F) plus chaud que lorsqu’il est entré 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 s’exécute rapidement dans le roulement, ou plus la viscosité du fluide est lourde, plus le film d’huile sera épais. La vitesse réduite, la viscosité réduite et l’augmentation de la charge diminuent l’épaisseur du film d’huile. Un coin hydrodynamique se construit également entre la bague de piston et l’interface de paroi de la doublure pour assurer la séparation de ces surfaces métalliques; Ce film d’huile agit également comme un joint pour les gaz de combustion.

Un débit minimum d’huile est requis pour une lubrification adéquate des tiges et des guides des soupapes d’admission et d’échappement. Via le jeu entre le guide et la tige de vanne, une petite quantité d’huile pénètre dans le flux de gaz. Cette huile atteindra les sièges de soupape d’admission et les protégera. Cependant, du côté des gaz d’échappement, le débit des gaz d’échappement les empêchera d’atteindre les sièges des soupapes d’échappement. Au lieu de cela, ceux-ci sont protégés par les cendres 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 motoriste a sa propre gamme de ce qui est acceptable ou non par rapport au taux de consommation, souvent fourni aux propriétaires en grammes par kilowattheure (g/kWh). Dans les moteurs modernes, les 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 légèrement 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 de maquillage d’huile fraîche, ce qui peut réduire la durée de vie potentielle de l’huile. Une consommation plus élevée d’huile moteur augmente le taux d’appoint d’huile fraîche, ce qui peut aider 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 passera dans la chambre de combustion, où elle sera brûlée. Cependant, certains additifs contenant des métaux sont incombustibles et restent sous forme de cendres. Les cendres des huiles pour moteurs à gaz stationnaires sont souvent constituées de calcium, de magnésium, de zinc, de phosphore, de bore et de molybdène utilisés dans les produits chimiques additifs anti-usure et les détergents.

La consommation d’huile combinée à 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 stationnaires pour moteurs à gaz sont souvent classés en fonction de leur teneur en cendres. Il existe des huiles pour moteurs à gaz à faible teneur en cendres d’environ 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 avec une teneur en cendres moyennes sont disponibles, avec des niveaux de cendres allant jusqu’à 1,0% de cendres (en poids).

Effets bénéfiques des cendres d’huile de lubrifiant. 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 lubrifiantes est la protection des soupapes d’échappement. Une petite quantité de débit d’huile est nécessaire pour une lubrification correcte des tiges et des guides des soupapes d’admission et d’échappement.

Du côté de l’admission, l’huile qui s’infiltre entre la soupape et le guide sera transportée par le flux d’air vers la face de la soupape et lubrifiera la surface assise. Cependant, du côté des gaz d’échappement, l’huile sera brûlée avant d’atteindre le siège de soupape. Par conséquent, la surface des sièges de la soupape d’échappement est lubrifiée avec des cendres d’huile sèches, provenant de l’huile de lubrification brûlée dans la chambre de combustion. Les cendres qui restent peuvent se déposer ou fritter sur le siège de soupape et les surfaces de la 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 soupape avec de petites perles de frêne ou des mouchetures sur la surface des sièges, fournissant la preuve d’une lubrification sèche adéquate de la surface d’assise, empêchant la récession de la soupape.

1. Soupape d’échappement encastrée. Avec l’aimable autorisation de Lubrifiants Petro-Canada

2. Soupape d’échappement bien protégée. Avec l’aimable autorisation de Lubrifiants Petro-Canada

Effets néfastes des cendres d’huile de lubrifiant. Les cendres de l’huile lubrifiante 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). Frapper peut gravement endommager le moteur. Par conséquent, des capteurs sont installés pour le détecter. En cas de cognement, le système de commande du moteur retarde d’abord le calage de l’allumage (ce qui a un impact négatif sur l’efficacité du moteur) et finit par réduire la charge ou éteindre complètement le moteur (ce qui a un impact négatif sur la production).

3. Dépôt de cendres sur le dessus du piston. Avec l’aimable autorisation de Lubrifiants Petro-Canada

4. Dépôt de cendres sur le pont de la vanne. Avec l’aimable autorisation de Lubrifiants Petro-Canada

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

Les dépôts excessifs formés sur les électrodes des bougies d’allumage peuvent combler l’espace de la bougie, provoquant une étincelle faible ou nulle (encrassement des bougies d’allumage). Alors qu’un peu de cendres est nécessaire pour assurer la lubrification à sec des sièges de soupape, trop de dépôts de cendres sur les surfaces des sièges des soupapes d’échappement peuvent empêcher la fermeture complète de la soupape, ce qui entraîne le chalumeau de la soupape (figure 5).

5. Soupape d’échappement torchée. Avec l’aimable autorisation de Lubrifiants Petro-Canada

Des dépôts de cendres d’huile et de carbone peuvent se former sur le dessus du piston. Lorsque les dépôts de terre supérieurs du piston deviennent suffisamment importants pour entrer en contact avec la paroi du liner, les dépôts perturbent le film d’huile de lubrification sur le liner et peuvent frotter et user les hachures transversales de la doublure, ce qui entraîne un polissage d’alésage. L’épaisseur du film d’huile en régime hydrodynamique est fonction de la vitesse x viscosité / charge x rugosité de surface, de sorte que lorsque la rugosité de surface diminue (hachures étant usées), cette surface plus lisse permet la formation d’un film d’huile plus épais. Pour cette raison, plus d’huile est transportée dans la chambre de combustion par le pack annulaire, tandis que 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 une consommation d’huile plus importante.

Pour réduire le polissage d’alésage nocif, les fabricants de moteurs à gaz modernes peuvent utiliser un anneau anti-polissage. Une bague anti-polissage est une bague qui se trouve au sommet de la doublure qui a une dimension intérieure légèrement plus petite que la doublure. Cet anneau nettoie continuellement la surface supérieure du piston de tout dépôt nocif en ne permettant pas au dépôt de terre supérieur de traverser le mur de revêtement et de provoquer un polissage de forage. Cela a pour effet que la consommation de pétrole n’augmentera pas.

Le dépôt de cendres détachées et les particules de carbone de l’huile de base oxydée peuvent être retournés dans le carter par soufflage. Les particules les 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 est ainsi équipé.

Dans les applications de cogénération, l’encrassement de la chaudière peut se produire, car la chaudière est plus froide que les gaz d’échappement, ce qui favorise la condensation des vapeurs d’huile qui capturent les cendres d’huile. L’augmentation de la consommation d’huile entraînera une augmentation de l’encrassement de la chaudière, ce qui entraînera une récupération moins de chaleur, ce qui obligera un nettoyage plus fréquent de la chaudière.

De nombreux moteurs à gaz sont équipés de systèmes de réduction des émissions d’échappement sous 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 lubrifiante 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 la 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 le 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 beaucoup d’argent à corriger.

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

Pack 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 doublure est qu’une partie de l’huile pénètre dans la chambre de combustion par l’huile rejetée par le pack annulaire près du point mort supérieur. Plus le film d’huile est épais, plus l’huile est transportée vers le haut par le pack annulaire. Tout le pétrole transporté au-dessus du point central mort supérieur est perdu au moyen d’un rejet inertiel dans la chambre de combustion et sera brûlé. Cela signifie que pour une bonne étanchéité de la combustion et une faible consommation d’huile, un film d’huile mince 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 éviter l’usure.

L’épaisseur du film d’huile varie en fonction de la longueur de course du piston. À mi-course, la vitesse du piston est élevée et les bagues se déplacent sur la surface de la doublure dans un régime entièrement hydrodynamique. Lorsque le piston ralentit et entre dans l’une ou l’autre zone 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 bagues d’atteindre la chemise avant que le piston ne recommence à bouger et que les bagues ne rentrent 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 inondé fournit un effet tampon suffisant pour éviter l’usure de la bague centrale morte supérieure et contribuera à améliorer l’étanchéité de la chambre de combustion et à réduire le rejet inertiel (réduire la consommation d’huile).

À une viscosité d’huile donnée, et à une température d’huile et de liner donnée, c’est la bague de contrôle d’huile, associée à la finition de surface hachurée de la chemise transversale, qui détermine l’épaisseur du film d’huile sur la doublure et, par conséquent, la consommation d’huile moteur par déclenchement inertiel. En tant que tel, la bague de contrôle d’huile prépare un film d’huile bien défini pour que les autres bagues puissent fonctionner. À une épaisseur de film d’huile donnée, les profils de bague de compression (canon asymétrique, trapèze), la rigidité et la pliabilité de la bague de piston, la tension radiale de l’anneau et la pression du gaz de combustion dans la rainure annulaire déterminent la quantité d’huile qui est grattée vers le haut vers la chambre de combustion et perdue par le rejet inertiel. Le motif de rodage des parois du cylindre aide à maintenir le film d’huile mince et réduit le rejet inertiel. Pour une conception mécanique donnée, un fluide de viscosité plus élevée contribuera à un film d’huile plus épais et entraînera une plus grande consommation d’huile. Les huiles à faible viscosité et les huiles ayant un bon contrôle de la viscosité en fonctionnement peuvent aider à maintenir la consommation d’huile par le rejet inertiel à un faible niveau (Figure 6).

6. Régime de lubrification entièrement inondé et partiellement inondé. Avec l’aimable autorisation de Lubrifiants Petro-Canada

Tiges de soupape et joints de turbocompresseur. Un autre facteur contribuant 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, cependant, de la manière opposée: une huile à faible viscosité fuit 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 d’huile dans la crevasse entre la tige et le guide. Cela permet d’éviter une consommation excessive d’huile via les tiges de soupape. Si les joints et les guides de tige de vanne s’usent, la perte d’huile par fuite sur les tiges de vanne peut être plus importante. De plus, dans les conceptions plus anciennes sans joints de dosage, la consommation d’huile via les tiges de vanne peut être importante. En cas de charge moteur plus faible, le transfert d’huile via les tiges de soupape peut être plus prononcé en raison de la baisse de la pression de l’air de suralimentation ou du collecteur d’admission; Cette contre-pression réduite permet plus facilement à l’huile de s’écouler le long du guide/tige. Pour que les joints d’huile du turbocompresseur fonctionnent bien, il est nécessaire que le jeu axial reste petit. Cela devrait être surveillé lors de l’entretien régulier.

Blow-by inversé. Le 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/expansion. La pression dans la chambre de combustion a chuté en raison de l’expansion et la pression dans les poches inter-anneaux est à la traîne. Cela peut se produire si ces poches sont relativement grandes ou si le moteur fonctionne à charge partielle. Dans un tel cas, la pression inter-anneau peut propulser l’huile au-delà du pack annulaire et vers la chambre de combustion, contribuant ainsi 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 bagues de compression à deux, la réduction de la hauteur des terrains entre les segments de piston et le dimensionnement approprié de la fente de l’anneau 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 du brouillard d’huile et des vapeurs; Par conséquent, les systèmes de ventilation au gaz du carter sont équipés de filtres de type coalesceur pour éliminer le brouillard d’huile des gaz de carter. Si un tel filtre est saturé ou surchargé, les gaz de carter peuvent s’échapper non 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 bloquée, arrêtant le flux de retour de l’huile séparée vers le puisard.

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

La consommation naturelle d’huile d’un moteur peut être un critère important lors du choix de la bonne huile lubrifiante 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’agisse 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 environ 39 grammes de cendres traversés dans le moteur chaque jour. Cette augmentation du débit de cendres pourrait également être obtenue d’une autre manière, par exemple si le moteur consommant 5 litres d’huile par jour était lubrifié avec une huile de 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, sauf si elle est 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 contre les effets néfastes d’un débit de cendres plus élevé. Comme mentionné ci-dessus, il faut tenir compte d’un taux plus élevé d’encrassement de la chambre de combustion et, par conséquent, d’un nettoyage plus fréquent, du risque de taux d’usure plus élevé des chemises en place, d’un taux d’encrassement accru de la chaudière de récupération de chaleur d’échappement et d’une durée de vie réduite du catalyseur. La teneur en cendres d’huile lubrifiante est donc une propriété importante à prendre en compte lors du choix de l’huile lubrifiante pour un moteur à gaz.

La consommation d’huile est un excellent indicateur de la santé d’un moteur, en particulier celle de la bague de piston et de la doublure. Tout d’abord, il signalera le remplissage des rainures de la bague supérieure avec du carbone, ce qui perturbera le fonctionnement de la bague supérieure et entraînera inévitablement un soufflage et une augmentation de la consommation d’huile. Deuxièmement, cela signalera le polissage de l’alésage de la doublure : lorsque le motif de rodage est usé par des dépôts de carbone sur le dessus du piston, l’épaisseur du film d’huile augmente et la consommation d’huile augmente (Figure 7). Troisièmement, il peut être utile d’indiquer des anomalies telles qu’un segment de piston cassé.

7. Dépôts de carbone lourds (à gauche) et polissage de forage correspondant (à droite). Avec l’aimable autorisation de Lubrifiants Petro-Canada

Une augmentation du taux de consommation d’huile signifie non seulement une augmentation des dépenses en huile fraîche, mais aussi une augmentation du débit de cendres, une détérioration de l’état du moteur et d’autres effets néfastes, comme indiqué ci-dessus. Il est donc essentiel de surveiller le taux de consommation de pétrole. 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 devrait être lu et enregistré à intervalles réguliers pour documenter la consommation d’huile.

Il est recommandé de déclarer les volumes complémentaires lorsque vous soumettez un échantillon d’huile pour analyse. Lorsque l’échantillonnage de l’huile est effectué à intervalles réguliers d’heures de fonctionnement, les volumes de remplissage doivent rester les mêmes. Une augmentation de la consommation d’huile peut facilement être remarquée de cette manière et une enquête a été initiée au moyen d’une inspection borescopique, par exemple.

Cet article a exploré les mécanismes de consommation d’huile dans les moteurs à gaz, y compris les voies à travers le pack de segments de piston via le rejet 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 lubrifiante : un film d’huile plus épais contribue à transporter plus d’huile au-delà du pack annulaire et un film d’huile plus mince permet à plus d’huile de passer à travers l’interface tige de soupape/guide et les joints du turbocompresseur.

Pour un moteur à gaz 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 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 susceptibles de contribuer à une usure prématurée. C’est un outil nécessaire qui complète l’analyse des huiles usagées, l’analyse des filtres et les inspections visuelles.

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

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