La facilité de démarrage dépend non seulement de l’état de la batterie, de l’allumage et de la qualité du carburant, mais également de la fluidité de l’huile moteur. Une huile trop visqueuse à la température de démarrage peut nuire au mouvement des pièces mobiles et empêcher ainsi le moteur de tourner assez vite pour démarrer et continuer de tourner.

Comme toutes les huiles épaississent par temps froid, une huile conçue pour l’hiver doit être suffisamment fluide pour permettre des vitesses de démarrage appropriées à la plus basse température prévue. Elle doit également être suffisamment fluide pour pouvoir atteindre rapidement les paliers et empêcher l’usure de ceux-ci. De plus, l’huile doit être suffisamment épaisse pour assurer une bonne protection du moteur quand ce dernier atteint sa température de service.

La viscosité est une caractéristique importante de l’huile, qui correspond à la résistance de l’huile à l’écoulement. Il existe plusieurs façons de la mesurer, mais la température au démarrage de l’huile moteur est une mesure critique. Elle indique la facilité avec laquelle le moteur peut démarrer à la température spécifiée. Cette résistance, ou l’effet des forces de frottement interne du fluide, empêche l’huile d’être éjectée d’entre les surfaces en mouvement du moteur sous pression ou sous charge. Cette résistance au mouvement ou à l’écoulement est fonction de la structure moléculaire de l’huile. Comme la plus grande partie du frottement auquel est soumis le démarreur pendant le démarrage provient de cette résistance, il importe d’utiliser une huile dotée de propriétés de viscosité qui assurent un démarrage approprié, une bonne circulation du lubrifiant et une protection à des températures élevées.

L’effet de la température sur la viscosité varie considérablement selon les différents types d’huile. Voilà pourquoi on a établi une norme qui mesure la viscosité en fonction de la température : il s’agit de l’indice de viscosité (IV). Une huile à indice de viscosité élevé est une huile dont la viscosité change peu avec la température. Aujourd’hui, grâce à de nouvelles méthodes de raffinage et à l’ajout d’additifs chimiques spéciaux, il existe plusieurs huiles moteurs à indice de viscosité élevé qui sont suffisamment légères pour faciliter le démarrage à basse température, mais qui sont suffisamment lourdes pour assurer un bon rendement à des températures élevées.

On appelle ces huiles à indice de viscosité élevé « huiles multigrades ». Elles portent souvent dans leur nom des indications de leur usage toutes saisons puisqu’elles assurent un rendement satisfaisant en été comme en hiver. Les huiles multigrades sont celles qui sont le plus souvent recommandées par les constructeurs automobiles.

La suie est un sous-produit de la combustion du carburant dans les moteurs diesel et dans certains moteurs à essence à injection directe. Il s’agit de particules carbonées noires qui ne se dissolvent pas dans l’huile lubrifiante, mais qui peuvent être maintenues en suspension et éliminées au moment des vidanges. Si la suie n’est pas bien dispersée dans une huile, elle peut en causer l’épaississement au-delà de son grade de viscosité SAE. De plus, la suie peut s’agglomérer en particules assez volumineuses pour causer une usure abrasive, et lorsque l’accumulation de suie dans une huile devient trop importante, elle se dépose sous forme de boues. La suie agglomérée ou l’épaississement excessif de l’huile peuvent occasionner une pression élevée à l’entrée du filtre à huile. Cette situation risque de déclencher l’ouverture du clapet de dérivation du filtre et permettre la circulation d’huile non filtrée dans le moteur.

Les huiles moteurs formulées pour lutter contre la suie sont capables d’en disperser de grandes quantités sans s’épaissir. Une bonne dispersion de la suie l’empêche de s’agglomérer en grosses particules, prévient l’usure abrasive et inhibe la formation de boues.

Depuis de nombreuses années, l’Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis impose des limites strictes relativement aux émissions d’oxydes d’azote (NOx) et de particules des camions autoroutiers et des autobus. Grâce à l’action combinée des moteurs de conception nouvelle, du carburant diesel à très faible teneur en soufre (DTFTS) et des nouvelles huiles moteurs de haute technologie, les émissions de ces nouveaux véhicules sont réduites de 98 %. En outre, la réglementation prévoit une réduction de 97 % de la teneur en soufre du carburant diesel à usage routier, de 500 ppm (parties par million) à 15 ppm, afin que le carburant n’endommage pas les nouveaux dispositifs de post-traitement des gaz d’échappement, en particulier les filtres à particules diesel (DPF) qui sont conçus pour emprisonner les particules de suie et réduire encore davantage les émissions.

Les constructeurs de moteurs ont mis au point des moteurs qui utilisent non seulement des DPF, mais aussi du carburant DTFTS moins polluant et des dispositifs de recirculation des gaz d’échappement (RGE) qui redirigent une partie des gaz d’échappement vers le moteur, ce qui réduit la production d’oxyde d’azote (NOx), mais accroît la charge de suie dans le moteur.

Depuis l’année-modèle 2010, les limites relatives aux émissions d’oxyde d’azote (NOx) ont été réduites davantage. La plupart des constructeurs ont fait appel à des dispositifs de réduction catalytique sélective (RCS) afin de respecter les niveaux d’émissions 2010. Les niveaux d’émissions inférieurs de 2010 n’ont pas exigé de changement des spécifications des lubrifiants.

Lorsque le moteur a démarré, l’huile doit circuler rapidement et lubrifier toutes les pièces en mouvement pour empêcher le contact métal contre métal et, par conséquent, l’usure, le rayage et le grippage des pièces du moteur. Les films d’huile qui recouvrent les paliers et les parois des cylindres sont sensibles au mouvement, à la pression et à l’alimentation en huile. L’huile doit circuler continuellement, de façon à maintenir un film sur ces surfaces.

Comme nous l’avons déjà mentionné, une huile doit être suffisamment légère à la température de démarrage pour assurer la rapidité de ce dernier, et suffisamment visqueuse aux températures maximales de service pour assurer la séparation des composants lubrifiés et la protection du moteur.

Lorsque l’huile atteint les pièces mobiles, elle doit les lubrifier pour empêcher l’usure des surfaces. Les spécialistes en lubrifiants définissent plusieurs classes de lubrification.

La lubrification par film épais ou hydrodynamique assure la permanence d’un film d’huile entre les surfaces en mouvement. La viscosité de l’huile à sa température de service constitue le facteur déterminant qui maintient un film continu entre ces pièces. La viscosité doit demeurer suffisamment élevée pour empêcher le contact métal contre métal. Comme les métaux ne se touchent pas en régime hydrodynamique, l’usure est négligeable, à moins que les pièces ne soient éraflées par des particules aussi ou plus épaisses que le film d’huile. Les tourillons de vilebrequin, les bielles, et les arbres à cames fonctionnent habituellement dans des conditions de lubrification hydrodynamique.

Dans certaines conditions, il est impossible de maintenir un film d’huile continu entre les pièces en mouvement et il y a, par conséquent, un contact métal contre métal intermittent entre les points élevés (aspérités) des surfaces de glissement. Les spécialistes en lubrifiants parlent alors de « lubrification limite ». Dans ce cas, le film d’huile ne supporte qu’une partie de la charge. Le film d’huile est rompu, entraînant un contact métal contre métal important. Quand cela se produit, le frottement entre les surfaces peut alors produire suffisamment de chaleur pour faire fondre l’un ou l’autre ou même les deux métaux en contact et les souder ensemble. S’il n’y a pas d’additifs spéciaux dans l’huile, les surfaces grippent sur-le-champ, deviennent rugueuses ou des fragments de métal s’en détachent.

Des conditions de lubrification limite sont présentes au démarrage et à l’arrêt, et souvent pendant le fonctionnement d’un moteur neuf ou remis à neuf. La lubrification limite se présente également autour du segment de piston supérieur où l’apport d’huile est moins grand, les températures sont élevées et le mouvement du piston s’inverse. Sans protection avec des additifs, il y aurait une usure excessive ou un grippage des deux surfaces.

La lubrification hydrodynamique assure la permanence d’un épais film d’huile entre les pièces de moteur en mouvement pour empêcher le contact métal contre métal. Le mouvement relatif de ces pièces lubrifiées doit être suffisamment puissant pour vaincre l’effet de frottement du lubrifiant. La viscosité de l’huile doit être suffisamment élevée pour maintenir un film ininterrompu, sans toutefois dépasser certaines limites puisqu’il faudrait alors une force plus grande pour vaincre cette résistance à l’écoulement.

Les constructeurs de véhicules préconisent des plages de viscosité en fonction des températures ambiantes prévues. Ils peuvent ainsi s’assurer que le lubrifiant offrira une viscosité appropriée, sans être excessive, dans des conditions normales de service. Lorsque l’huile est contaminée, sa viscosité change. L’huile devient plus visqueuse lorsqu’elle est exposée à la suie, aux saletés, aux éléments oxydants ou aux boues, et moins visqueuse lorsqu’elle est diluée par du carburant. Le changement de viscosité dans un sens ou dans l’autre peut éventuellement endommager le moteur. Voilà pourquoi il faut maintenir les contaminants à des niveaux très bas. La meilleure façon d’y parvenir consiste à vidanger l’huile et à remplacer le filtre aux intervalles prévus. Si une huile moteur ne disperse pas adéquatement les contaminants, le filtre à huile se bouchera et sera contourné, permettant aux contaminants d’endommager les pièces internes du moteur.

La quantité et la nature des additifs chimiques sont importantes pour réduire le frottement en régime de lubrification limite dans des conditions d’extrême pression. Le dosage adéquat de l’ensemble des additifs présents dans l’huile moteur moderne est essentiel pour répondre à toutes les exigences de lubrification d’un moteur. Le formulateur d’huile ne peut obtenir cet équilibre critique des composés qu’après des recherches exhaustives accordant une place importante aux essais sur moteurs, en laboratoire et en service courant.

Pour chaque litre de carburant brûlé par le moteur, il se forme plus d’un litre d’eau. Quoique la plus grande partie de cette eau soit sous forme de vapeur et évacuée par le système d’échappement, une certaine quantité se condense sur les parois des cylindres ou passe autour des segments des pistons et se trouve emprisonnée, du moins temporairement, dans le carter. Ce problème survient généralement par temps froid avant que le moteur ne se soit réchauffé.

En plus de l’eau et des sous-produits issus d’une combustion incomplète, d’autres gaz de combustion corrosifs s’échappent par les segments et se condensent ou se dissolvent dans l’huile moteur. Si l’on ajoute à ces derniers les acides provoqués par l’oxydation normale de l’huile, on se rend compte que les risques de rouille et de corrosion sont très grands.

La durée de vie des pièces du moteur dépend en partie de la capacité de l’huile moteur de neutraliser ces substances corrosives. Grâce aux nombreuses recherches, des composés chimiques solubles dans l’huile efficaces ont été mis au point. Ces composés sont ajoutés à l’huile moteur en cours de fabrication pour protéger les pièces vitales du moteur contre la corrosion.

Lorsqu’on met au point des huiles moteurs modernes de haute qualité, un des principaux objectifs visés est non seulement de garder les pièces du moteur propres, mais aussi d’empêcher la formation de dépôts de boues et de vernis qui pourraient nuire à son bon fonctionnement.

La formation de dépôts de boues dans le moteur survient habituellement lorsque ce dernier fonctionne à basse température. Ces dépôts sont issus de l’eau de condensation, des saletés et des produits provenant de la détérioration de l’huile et d’une combustion incomplète. Les particules qui forment ces dépôts sont souvent si petites qu’aucun filtre à huile ne peut les retenir. Comme elles sont beaucoup plus petites que l’épaisseur du film d’huile qui recouvre les pièces du moteur, elles n’usent ni n’endommagent celles-ci, du moment qu’elles demeurent petites et bien dispersées. Toutefois, à mesure qu’augmente leur quantité dans l’huile en service, elles tendent à s’agglomérer, à former des masses plus importantes et à restreindre l’écoulement de l’huile.

La formation de boues est aggravée par la vapeur d’eau qui se condense dans le carter lorsque le moteur fonctionne à basse température. La vitesse à laquelle les boues s’accumulent dans l’huile moteur augmente en fonction de plusieurs conditions d’utilisation du moteur. Des facteurs comme un mélange air-carburant riche au démarrage ou un volet de départ coincé, un filtre à air encrassé ou des ratés au moment de l’allumage contribuent tous à accélérer la vitesse d’accumulation de boues dans l’huile.

Les huiles minérales pures possèdent une capacité très limitée d’empêcher ces contaminants de se coaguler et de former des dépôts de boues dans le moteur. Dans les huiles moteurs modernes, ce travail est accompli par l’ajout de détergents-dispersants. Ces additifs gardent les principales pièces du moteur propres et maintiennent les contaminants d’huile suspendus en particules si fines qu’elles peuvent être évacuées au moment des vidanges d’huile et des remplacements de filtre.

Les détergents-dispersants sont également très efficaces pour empêcher les dépôts de vernis dans le moteur. Les substances qui forment le vernis réagissent chimiquement ou se combinent avec l’oxygène présent dans le carter pour former des composés chimiques complexes. Ces composés qui continuent de réagir entre eux ainsi qu’avec l’oxygène dans les parties les plus chaudes du moteur, en particulier les soupapes de recirculation des gaz d’échappement (RGE) et les capteurs d’oxygène, sont cuits par la chaleur du moteur et se solidifient sur les pièces les plus chaudes de ce dernier. Les poussoirs hydrauliques, les segments de piston et les paliers sont particulièrement sensibles aux dépôts de vernis. L’accumulation, à ces endroits, de matières formant du vernis nuit au bon fonctionnement du moteur.

Les moteurs ne peuvent tolérer d’accumulations excessives de boues et de vernis sur leurs pièces sensibles. Les boues s’accumulent sur les crépines des pompes à huile et restreignent la circulation de l’huile jusqu’aux principales pièces du moteur, provoquant ainsi l’usure rapide de celles-ci. Des segments de piston coincés ou ralentis par l’accumulation de vernis empêchent le moteur d’atteindre sa pleine puissance. Des segments racleurs encrassés ou obstrués empêchent l’évacuation de l’excès de lubrifiant des parois du cylindre et provoquent ainsi une consommation excessive d’huile.

Une certaine quantité d’huile doit atteindre la partie supérieure du piston pour lubrifier les segments et les parois du cylindre. Cette huile est par la suite exposée à la chaleur et aux flammes de combustion qui en détruisent une certaine quantité.

Grâce à des techniques modernes de raffinage, on obtient des huiles qui, dans ces conditions, brûlent proprement en laissant très peu ou pas de dépôts de carbone. Les détergents-dispersants incorporés aux huiles moteurs modernes assurent la liberté de mouvement des segments de piston dans leur gorge, ce qui permet de maintenir les pressions de compression et de réduire la quantité d’huile qui atteint la chambre de combustion. Non seulement la consommation d’huile est-elle réduite, mais plus important encore, les dépôts dans la chambre de combustion sont restreints.

L’accumulation excessive de dépôts dans la chambre de combustion nuit au fonctionnement du moteur. Les dépôts qui se forment sur les bougies d’allumage peuvent les encrasser. L’accumulation excessive des dépôts provoque des cliquetis, des cognements ou d’autres problèmes de combustion qui réduisent l’efficacité et l’économie du moteur. Comme ces dépôts agissent également comme des écrans de chaleur, les pistons, les segments, les bougies d’allumage et les soupapes ne sont pas refroidis de façon appropriée. Cette situation peut endommager les pièces ou entraîner des défaillances, nécessitant un remplacement ou une révision prématuré.

Pour empêcher l’accumulation excessive de dépôts dans la chambre de combustion, l’huile moteur doit remplir deux fonctions importantes :

• L’huile doit garder les segments libres pour que ces derniers restreignent la quantité d’huile qui atteint la chambre de combustion.

• La quantité d’huile qui atteint la chambre de combustion doit brûler le plus proprement possible.

La plupart des gens pensent que c’est seulement le fluide qui circule dans le système de refroidissement qui refroidit les pièces du moteur. En fait, ce fluide n’assure qu’environ 60 % du refroidissement. Il ne refroidit que la partie supérieure du moteur, soit la culasse, les parois des cylindres et les soupapes. Le vilebrequin, les paliers et les coussinets de bielle, l’arbre à cames et ses bagues, les pignons de distribution, les pistons et plusieurs autres pièces de la partie inférieure du moteur sont directement refroidis par la circulation d’huile. Toutes ces pièces comportent des limites de température de service qui ne doivent jamais être dépassées. Certaines pièces peuvent résister à des températures assez élevées tandis que d’autres, comme les paliers et les coussinets de bielle, doivent fonctionner à une température relativement basse pour ne pas être endommagées. L’huile en circulation absorbe la chaleur et le véhicule jusqu’au carter ou au refroidisseur d’huile. Par la suite, le liquide de refroidissement ou l’air ambiant élimine la chaleur excessive.

Pour assurer ce procédé de refroidissement, de grandes quantités d’huile doivent circuler constamment jusqu’aux paliers et aux autres pièces du moteur, pour ensuite retourner dans le carter où elle se refroidit avant de circuler de nouveau. Si l’alimentation en huile est interrompue, ces pièces s’échauffent rapidement en raison de l’augmentation du frottement et des températures de combustion. Lorsqu’un palier fait défaut ou « brûle », c’est que les températures étaient suffisamment élevées pour faire fondre le métal.

Même si, pour bien lubrifier, il ne faut qu’une petite quantité d’huile à un moment et à un endroit donnés, la pompe à huile doit faire circuler de nombreux litres d’huile par minute. Les additifs chimiques incorporés dans l’huile et les propriétés physiques de celle-ci ont peu d’effet sur sa capacité de refroidissement. Ce qui importe, c’est la circulation continue de grandes quantités d’huile dans tout le moteur et sur les pièces chaudes de celui-ci. Cette circulation continue est assurée par le fonctionnement de pompes à huile de grande puissance et par des canalisations d’huile d’un diamètre approprié au volume requis. Ces canalisations ne peuvent assurer convenablement la circulation si des dépôts les obstruent partiellement ou complètement. Quand cela se produit, l’huile ne peut plus circuler ni refroidir convenablement et une défaillance du moteur peut s’ensuivre. Voilà une autre raison pour laquelle il faut vidanger l’huile et remplacer le filtre avant que le niveau de contaminants ne devienne trop élevé. Un bon refroidissement exige également que le niveau d’huile dans le carter ne descende jamais au-dessous de la ligne de niveau d’huile minimal (« add oil ») de la jauge. Ceci afin d’assurer un temps de rétention suffisant de l’huile dans le carter.

Les surfaces des segments, des gorges des segments et des parois des cylindres ne sont pas tout à fait lisses. Lorsqu’on les examine sous un microscope, ces surfaces présentent de minuscules rugosités. C’est pour cela que les segments ne peuvent d’eux-mêmes empêcher complètement les hautes pressions de combustion et de compression de s’échapper vers la partie basse pression du carter et, par conséquent, de réduire la puissance et l’efficacité du moteur. L’huile moteur remplit ces rugosités sur les surfaces des bagues et les parois des cylindres, et contribue à conserver les pressions de compression et de combustion. Étant donné que le film d’huile à ces points est plutôt mince (en général, moins de 0,025 mm d’épaisseur), il ne peut pas compenser l’usure excessive existante des bagues, des gorges des segments ou des parois des cylindres. Lorsque de telles conditions sont déjà présentes, la consommation d’huile peut être élevée. Elle peut également être élevée dans un moteur neuf ou remis à neuf jusqu’à ce que les rugosités sur ces surfaces se soient lissées suffisamment pour permettre à l’huile de former le bon joint.

À cause des nombreuses pièces qui se déplacent rapidement dans le moteur, l’air qui se trouve dans le carter est constamment mélangé à l’huile. Cela crée de la mousse, c’est-à-dire tout simplement beaucoup de bulles d’air qui peuvent facilement s’affaisser ou pas. Ces bulles d’air émergent normalement jusqu’à la surface et éclatent, mais l’eau et certains autres contaminants ralentissent la vitesse à laquelle ce phénomène se déroule, et il en résulte de la mousse.

La mousse n’est pas un bon conducteur de chaleur, donc, si la quantité de mousse est excessive, le refroidissement du moteur en pâtira, car la chaleur ne sera pas dissipée. La mousse n’a pas non plus une grande capacité à supporter une charge et a un effet négatif sur le fonctionnement des poussoirs et des paliers des vannes hydrauliques. Ceci est dû au fait qu’elle contient de l’air, et que l’air est facilement compressible. D’un autre côté, l’huile exempte d’air est pratiquement incompressible.

De nombreux moteurs sont dotés de dispositifs de calage variable, d’injecteurs de carburant, d’électrovannes de commande et de nombreux autres dispositifs qui exigent une circulation d’huile haute pression pour fonctionner correctement. L’entraînement de mousse ou d’air dans l’huile cause des modes de défaillance et arrête le moteur.

Étant donné que l’huile lubrifiante exécute l’ensemble des fonctions décrites ci-dessus, le résultat général est une économie de carburant. L’efficacité mécanique du moteur est optimisée en offrant une faible résistance aux frottements parmi les pièces mobiles et à mouvement alternatif. La perte d’énergie dans les composants du moteur est réduite et cela entraîne une moindre vidange du système de carburant.

Le préallumage à basse vitesse est un phénomène récurrent dans les moteurs à essence à injection directe et dans les moteurs à essence suralimentés à injection directe. Le bon équilibre d’additifs dans une huile lubrifiante aidera à atténuer les événements LSPI. Sans protection, dans de graves cas, une panne de moteur catastrophique peut avoir lieu.