Analyse tribologique du contact siège-soupape d'un moteur diesel
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Abstract EN:
Within diesel engines, the valve-seat contact is one of the few non-lubricated contacts. Due to the lack of lubrication it is exposed to significant degradation. It is put in evidence by material removal at the intake valve. This material pull out is promoted by the replication of combustion cycles (500 million) and by severe operating conditions (pressure 18 MPa). The wear can possibly lead to gas leakage and to the engine failure. In this context, the target of this work was to understand degradation mechanisms of the valve-seat contact in order to identify parameters affecting its wear. To address this question, the chosen approach based on the tribological triplet and material flows within the contact involved a double numerical and experimental vision. A dynamic model and a valvetrain test bench showed that the wear flows could be activated by the architecture of the valve opening system. Therefore, the limitation of these flows is obtained by the control of the "global" geometry of the system and thus without modification of materials. In the same way, a finite element model focusing on the local response of the 1st bodies (seat-valve) made it possible to highlight the impact of the "local" geometry of the contact. The change of this geometry is a lever to limit shear stresses applied to 1st bodies which reduces the tearing of particles (internal source flow) and therefore wear. Finally, tests carried out on the engine and on a specifically adapted test bench made it possible to finalize the understanding of degradation mechanisms (source flow, wear flow ...). Morphological interpretations of worn surfaces in terms of material flows made it possible to understand the build up stages of a protective layer : the 3rd body (internal flow). One solution to promote this internal flow is the optimized use of pollutants from combustion. For example, the burned oil in contact (external source flow), which is a priori harmful, becomes an opportunity here. In the same way, un-burned hydrocarbons from the combustion of biodiesel help to protect the contact.
Abstract FR:
Au sein du moteur diesel, le contact siège-soupape est l’un des rares contacts secs. Cette absence de lubrification couplée avec la répétition des cycles de combustion (500 millions) et les conditions sévères de fonctionnement (pression de combustion de 18 MPa) l’expose à des dégradations importantes. Celles-ci se matérialisent par des enlèvements de métal au niveau de la soupape d’admission, aboutissant à terme à des fuites de gaz et au dysfonctionnement du moteur. Dans ce contexte, l’objectif est de comprendre les mécanismes de dégradation du contact siège-soupape, afin d’identifier les paramètres influençant l’usure et de proposer des solutions correctives. Pour y répondre, la démarche choisie s’appuyant sur les notions de triplet tribologique et de débit de matière au sein du contact a fait intervenir une double analyse numérique et expérimentale. Un modèle dynamique et un banc de culbuterie ont permis de montrer que les débits d’usure pouvaient être activés par l’architecture du mécanisme d’ouverture de la soupape. Par conséquent, la limitation de ces débits est obtenue par le contrôle de la géométrie « globale » du système et donc sans modification des matériaux. De la même manière, un modèle par éléments finis se focalisant sur la réponse locale des 1ers corps (siège-soupape) a permis de mettre en évidence l’impact de la géométrie « locale » du contact. Le changement de cette géométrie est un levier pour limiter le cisaillement des 1ers corps ce qui réduit l’arrachement de particules (débit source interne) et donc l’usure. Enfin, des essais réalisés sur le moteur et sur un banc d’essais spécifiquement adapté ont permis de finaliser la compréhension des mécanismes de dégradation (débit source, débit d’usure…). Les interprétations morphologiques des faciès d’usure du contact en terme de débits de matière ont permis de comprendre les mécanismes de formation d’une couche protectrice : le 3e corps (débit interne). Une solution pour favoriser ce débit interne est l’utilisation optimisée de polluants issus de la combustion. Par exemple, l’huile brûlée dans le contact (débit source externe), qui est a priori néfaste, devient ici une opportunité. De la même manière, les hydrocarbures imbrûlés issus de la combustion du biodiesel contribuent à protéger le contact.