La consommation d’huile dans les moteurs à gaz fixes est un aspect normal et nécessaire pour un fonctionnement sécuritaire. Les fabricants de moteurs à gaz en tiennent compte dans la conception de leurs moteurs, car un certain niveau de consommation d’huile est requis. Chaque fabricant de moteur définit lui-même sa fourchette acceptable ou inacceptable de niveau de consommation. La plupart des équipementiers (fabricants d’équipement d’origine) fournissent une valeur en g/ kWh, en g/ hph ou en lb/ hph. Dans les moteurs modernes, des niveaux de consommation d’huile de 0,05 à 0,15 g/ kWh sont habituels et ont tendance à augmenter à mesure que la prochaine révision prévue du moteur approche. Les niveaux de consommation d’huile dans les moteurs sous faible charge sont généralement un peu plus élevés.

Le niveau de consommation d’huile peut également affecter la durée de vie utile d’un plein. Une faible consommation d’huile peut signifier un faible appoint d’huile propre, ce qui peut réduire la durée de vie potentielle de l’huile. Une consommation d’huile moteur plus élevée augmente le niveau d’appoint d’huile neuve, ce qui peut contribuer à prolonger la durée de vie de l’huile, à condition que la consommation d’huile plus élevée n’augmente pas les pertes.

L’huile consommée par le moteur pénètre dans la chambre de combustion où elle est brûlée. Cependant, certains additifs contenant des métaux ne peuvent pas être brûlés et se retrouvent sous forme de cendres. L’augmentation de la consommation d’huile augmente ainsi le débit des cendres dans la chambre de combustion et le système d’échappement du moteur.

L’huile qui pénètre dans la chambre de combustion sera brûlée; cependant, certains additifs ne peuvent pas être brûlés et se retrouvent sous forme de cendres. Les cendres des huiles pour moteurs à gaz fixes sont souvent constituées 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 conjuguée à la teneur en cendres détermine le débit global des cendres dans la chambre de combustion, le turbocompresseur, les catalyseurs de gaz d’échappement et la chaudière à chaleur résiduelle. Par conséquent, les lubrifiants pour moteurs à gaz fixes sont souvent classés en fonction de leur teneur en cendres. Il existe des huiles pour moteurs à gaz dont la teneur en cendres est dite « faible », de l’ordre de 0,5 à 0,6 % en poids. Pour les moteurs qui ont besoin d’une protection renforcée, des huiles pour moteurs à gaz à teneur « moyenne en cendres » sont disponibles, avec des niveaux de cendres pouvant atteindre jusqu’à 1,0 % en poids.

EFFETS BÉNÉFIQUES DES CENDRES D’HUILES LUBRIFIANTES

La principale raison pour laquelle une huile lubrifiante contient des additifs produisant des cendres est le rôle que ces additifs jouent dans la protection générale du moteur. Les additifs produisant des cendres sont :

• Additif détergent surbasique. Les sels basiques de cet additif aident à neutraliser les acides provenant soit de la combustion du carburant, soit du processus de vieillissement de l’huile. De tels acides risquent de causer une usure corrosive des composants du moteur s’ils ne sont pas neutralisés par les sels basiques de l’additif. Le détergent contenu dans cet additif est nécessaire pour rendre les sels basiques (anorganiques) solubles dans l’huile lubrifiante. L’autre rôle des détergents consiste à garder le moteur propre.
• Additif antiusure. Cet additif à base de zinc et de phosphore assure une protection en cas de frottement mixte / lubrification limite ou de contact métal sur métal, qui peut se produire à de nombreux endroits du moteur lors du démarrage, mais aussi en fonctionnement normal dans le train d’engrenages et les organes de distribution. Le zinc et le phosphore restent actifs dans les cendres d’huile lubrifiante.

Le deuxième rôle bénéfique des cendres d’huile lubrifiantes consiste à protéger les soupapes d’échappement. Un débit d’huile réduit 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 est transportée par le débit d’air vers la portée de soupape et lubrifie la surface du siège. Cependant, côté échappement, l’huile sera brûlée avant d’atteindre le siège de soupape. Par conséquent, la surface du siège de soupape d’échappement est lubrifiée avec de la cendre d’huile sèche, provenant de l’huile lubrifiante brûlée dans la chambre de combustion. Les cendres qui restent peuvent se déposer ou s’agglomérer par sintérisation sur le siège de soupape et les surfaces de la portée pour les protéger de l’usure et de l’enfoncement prématurés. La figure 1 montre l’enfoncement d’une soupape d’échappement non protégée. La figure 2 montre une soupape présentant de petites taches ou une granulation cohérente de cendres sur la surface du siège, signes d’une bonne lubrification sèche de la surface du siège, qui empêche ainsi l’enfoncement de la soupape.

EFFETS NÉFASTES DES CENDRES D’HUILES LUBRIFIANTES

Les cendres d’huile lubrifiante brûlée sont évacuées en grande partie avec les gaz d’échappement; cependant, une fraction se dépose sur les composants de la chambre de combustion (Figures 3, 4). Les dépôts sur la couronne du piston et le pont d’allumage peuvent augmenter le taux de compression d’un moteur, ce qui peut être à l’origine d’un cliquetis (détonation). Les cliquetis peuvent gravement endommager le moteur. Par conséquent, des capteurs sont installés pour les détecter. En cas de cliquetis, le système de commande moteur retarde d’abord le calage de l’allumage (ce qui affecte négativement le rendement du moteur) et finit par réduire la charge ou arrête complètement le moteur (ce qui affecte négativement le fonctionnement).

Les dépôts qui se forment sur les couronnes de pistons et les cordons de segments peuvent agir comme un isolant, empêchant ainsi le transfert suffisant de chaleur. La température de la chambre de combustion augmente, ce qui peut également contribuer au cliquetis.

Des dépôts excessifs sur les électrodes des bougies d’allumage peuvent combler l’écartement entre les bougies, ce qui entraîne une étincelle faible ou l’absence d’étincelle (encrassement de la bougie d’allumage).

Alors qu’une certaine quantité de cendres est nécessaire pour la lubrification à sec des sièges de soupape, un dépôt excessif des cendres sur les surfaces des sièges de soupape d’échappement peut empêcher la fermeture complète de la soupape, entraînant ainsi un effet de torchage des soupapes.

Des dépôts de cendres d’huile et de carbone peuvent se former sur les cordons de segments de piston. Lorsque les dépôts sur les cordons de segments de piston sont assez élevés pour toucher la paroi de la chemise, les dépôts perturbent le film d’huile lubrifiante sur la chemise et peuvent frotter et user les hachures croisées de la chemise, ce qui entraîne un polissage des alésages. L’épaisseur du film d’huile dans le régime hydrodynamique est fonction de la vitesse et de la viscosité / de la charge et de la rugosité de surface, donc lorsque la rugosité de surface diminue (c’està-dire que les hachures sont usées), cette surface plus lisse permet la formation d’un film d’huile plus épais. De ce fait, une plus grande quantité d’huile est transportée dans la chambre de combustion par les garnitures de segments, alors que dans le même temps, le film d’huile plus épais ne peut pas résister à la pression de combustion, augmentant ainsi la perte. Au fur et à mesure que ce mécanisme d’usure progresse, la formation de dépôts augmente, ce qui entraîne une usure accrue, des pertes plus importantes et une plus grande consommation d’huile. Pour réduire le polissage nocif des alésages, les fabricants de moteurs à gaz modernes peuvent utiliser une bague anti-polissage. Une bague anti-polissage est une bague située en haut de la chemise et dont la dimension intérieure est légèrement inférieure à celle de la chemise. Cette bague nettoie en permanence les dépôts nocifs sur les cordons de segments du piston en empêchant que ces dépôts atteignent la paroi de la chemise et causent un polissage des alésages. Ceci a pour effet d’empêcher l’augmentation de la consommation d’huile.

Le dépôt de cendres désagrégées et les particules de carbone provenant de l’huile de base oxydée peuvent être retournés dans le carter par le biais d’une fuite. Les plus grosses particules sont généralement filtrées dans les filtres à huile principaux et les 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, ce qui favorise la condensation des vapeurs d’huile qui capturent les cendres d’huile. L’augmentation de la consommation d’huile entraîne un encrassement plus important de la chaudière, ce qui réduit la récupération de chaleur, ce qui oblige à nettoyer plus souvent la chaudière.

De nombreux moteurs à gaz sont équipés de systèmes de réduction des émissions de gaz 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. Une réaction entre le catalyseur et différents éléments présents dans les cendres d’huile lubrifiante, tels que le phosphore et le soufre, peut produire une désactivation chimique. 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.

Ceci explique la nécessité de réguler le débit de cendres en trouvant le bon équilibre entre la consommation d’huile et la teneur en cendres de l’huile. L’objectif est d’assurer un débit de cendres suffisant et de garantir la durée de vie des culasses, tout en maintenant un débit de cendres suffisamment faible pour éviter un encrassement excessif de la chambre de combustion, de la chaudière à chaleur résiduelle et du catalyseur des gaz d’échappement, ce qui pourrait entraîner un arrêt du moteur et des coûts de réparation importants.

Plusieurs mécanismes peuvent influencer la consommation d’huile dans un moteur à gaz fixe.

CONSOMMATION D’HUILE À TRAVERS LES GARNITURES DE SEGMENTS DE PISTON

Dans les moteurs modernes à faible consommation d’huile, ce mécanisme est la principale cause de la consommation d’huile.

Une conséquence logique de la présence d’un film d’huile sur la paroi de la chemise est qu’une certaine quantité d’huile pénètre dans la chambre de combustion par les rejets d’huile des garnitures de segments proches du point mort haut.

Plus le film d’huile est épais, plus l’huile est redirigée vers le haut par les garnitures de segments. Toute l’huile transportée au-dessus du point mort haut se perd à travers des rejets à inertie dans la chambre de combustion et sera brûlée. Cela signifie qu’il est nécessaire d’avoir un mince film d’huile pour une bonne étanchéité de la combustion et une faible consommation d’huile.

Une certaine épaisseur du film d’huile est toutefois nécessaire pour garantir la protection contre l’usure. Il faut donc trouver une solution où le film d’huile est aussi mince que possible, mais suffisamment épais pour empêcher l’usure

L’épaisseur du film d’huile varie en fonction de la longueur de la course de 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 accède à l’une ou l’autre zone de rotation, l’effet hydrodynamique diminue et les segments de piston commencent à se compresser dans le film d’huile. L’effet tampon empêche les segments d’atteindre la chemise avant que le piston ne recommence à bouger et que les segments ne retournent au régime hydrodynamique. L’épaisseur minimale requise du film d’huile est déterminée par la capacité de tampon nécessaire. En réalité, une lubrification partiellement noyée fournit un effet tampon suffisant pour éviter l’usure des bagues / chemises au point mort haut et contribue à améliorer l’étanchéité de la chambre de combustion et à réduire les rejets à inertie (c’est-à-dire à réduire la consommation d’huile).

Lorsque l’huile atteint une certaine viscosité et que l’huile et la chemise atteignent une certaine température, le segment racleur ainsi que l’état de surface des hachures croisées de la chemise déterminent l’épaisseur du film d’huile sur la chemise, et donc la consommation d’huile moteur à travers les rejets à inertie. Ainsi, le segment racleur prépare un film d’huile bien défini sur lequel les autres segments peuvent tourner. Lorsque le film d’huile atteint une épaisseur donnée, les profils des segments de compression (barillet 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 gorge du piston déterminent la quantité d’huile qui est raclée vers la chambre de combustion et perdue par inertie. Le motif de rodage des parois du cylindre permet de maintenir un film d’huile mince et de réduire la perte par inertie. Pour une conception mécanique donnée, un fluide plus visqueux contribue à rendre le film d’huile plus épais et augmente la consommation d’huile. Les huiles de faible viscosité et les huiles ayant de bonnes caractéristiques de viscosité en fonctionnement aident à maintenir une faible consommation d’huile grâce aux rejets à inertie.

DÉBIT D’HUILE À TRAVERS LES TIGES DE SOUPAPE ET LES JOINTS DU TURBOCOMPRESSEUR

Un autre facteur qui contribue à la consommation d’huile est la perte d’huile, par exemple entre la tige et les guides de soupape ou à travers les joints du turbocompresseur. Elle est aussi fonction de la viscosité, mais dans le sens inverse : Une huile de faible viscosité s’écoule plus facilement et peut faire augmenter la consommation d’huile.

Les moteurs modernes sont équipés de joints de tige de soupape qui aident à mesurer le débit d’huile requis dans la crevasse entre la tige et le guide. Cela permet d’éviter que la consommation d’huile n’augmente excessivement à travers les tiges de soupape. Si les joints et les guides des tiges de soupape s’usent, la perte d’huile attribuable aux fuites au niveau des tiges de soupape peut être plus importante. Même dans les conceptions plus anciennes dépourvues de joints de dosage, la consommation d’huile peut être importante dans les tiges de soupape. Lorsque la charge du moteur est faible, la teneur en huile dans les tiges de soupape peut être plus accentuée du fait de la diminution de la pression d’air de suralimentation ou de la pression du collecteur d’admission; cette réduction de la contrepression permet à l’huile de s’écouler plus facilement dans le guide / la tige. Pour que les joints d’huile du turbocompresseur fonctionnent bien, un faible jeu axial est nécessaire. Ces pièces doivent être surveillées lors de l’entretien régulier.

FUITES INVERSES

Des fuites inverses peuvent se produire lorsque la pression dans les poches entre les segments de piston dépasse la pression dans la chambre de combustion, par exemple, à mi-course ou vers la fin de la course de combustion /détente. La pression dans la chambre de combustion a chuté en raison de la dilatation et la pression dans les poches entre les bagues tarde à venir. Ce problème survient si ces poches sont relativement grandes ou si le moteur fonctionne sous charge partielle.

Dans ce genre de situation, la pression entre les segments peut propulser l’huile au-delà des garnitures de segments et vers la chambre de combustion, ce qui contribue à la consommation d’huile. Un certain nombre de mesures de conception peuvent aider à éviter les fuites inverses. Par exemple, la réduction du nombre de segments de compression à deux, la réduction de la hauteur des cordons entre les segments de piston, le dimensionnement approprié de la fente de la bague, etc.

VENTILATION DU CARTER

La ventilation du carter peut être un facteur majeur de la consommation d’huile. Les gaz d’échappement du carter contiennent des brouillards et des vapeurs d’huile; c’est pourquoi les systèmes de ventilation des gaz de carter sont équipés de filtres coalescents pour éliminer les brouillards 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 présumée du moteur. Le même phénomène peut intervenir si la conduite de vidange du filtre est obstruée, ce qui empêche l’huile séparée de retourner vers le fond du carter.

VOLATILITÉ DE L’HUILE LUBRIFIANTE

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 ayant une plus grande volatilité perdront une fraction plus importante par évaporation, ce qui contribue à la consommation d’huile. Une huile pour moteur à gaz formulée à partir d’une huile de base de distillation directe aura la priorité 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 du choix de l’huile lubrifiante adaptée au moteur. En effet, la consommation d’huile détermine le débit de cendres. Par exemple, prenons le cas d’un moteur qui consomme 5 litres d’huile par jour (4,4 kg/ jour). En supposant qu’il s’agit d’une huile à faible teneur en cendres de 0,5 % en poids, environ 22 grammes de cendres traversent les chambres de combustion chaque jour.

Si ce même moteur consomme 9 litres par jour, cela signifie qu’environ 39 grammes de cendres sont injectés dans le moteur chaque jour

Cette augmentation du débit de cendres peut également être obtenue d’une autre manière, en lubrifiant par exemple un moteur qui consomme 5 litres d’huile par jour avec une huile à teneur moyenne en cendres de 0,9 % 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 cela est nécessaire pour protéger les soupapes d’échappement. La protection renforcée des soupapes d’échappement (et donc l’allongement de la durée de vie des culasses) est compensée par les effets néfastes d’un débit de cendres plus important. Comme mentionné plus haut, il faut tenir compte d’un taux d’encrassement plus élevé de la chambre de combustion et donc de nettoyages plus fréquents, du risque d’usure importante des chemises, de l’augmentation de l’état d’encrassement de la chaudière de récupération des gaz d’échappement et d’une durée de vie réduite du catalyseur.

La teneur en cendres de l’huile lubrifiante est donc un élément très important dans le choix de l’huile lubrifiante pour un moteur à gaz.

La consommation d’huile est un excellent indicateur de l’état d’un moteur, en particulier de celui des garnitures de segments de piston et de la chemise. Premièrement, elle signale que les rainures du segment coup de feu sont remplies de carbone, ce qui perturbe le fonctionnement du segment coup de feu et entraîne inévitablement une perte et une augmentation de la consommation d’huile. Deuxièmement, il signale le polissage des alésages de la chemise : Lorsque le motif de rodage est usé par des dépôts de carbone sur les cordons de segments de piston, l’épaisseur du film d’huile augmente et la consommation d’huile devient plus importante (Figure 7). Troisièmement, elle permet d’indiquer la présence d’anomalies telles qu’un segment de piston brisé.

Une augmentation de la consommation d’huile signifie non seulement plus de dépenses en huile neuve, mais aussi un débit de cendres plus important, une détérioration de l’état du moteur et d’autres effets néfastes, comme indiqué ci-dessus.

Il est donc essentiel de surveiller le niveau de consommation d’huile. L’idéal est d’utiliser une jauge d’huile à faible débit conçue pour surveiller le débit d’appoint de lubrifiant, généralement monté après les réservoirs d’appoint d’huile neuve et avant le régulateur de niveau d’huile du moteur. Cette jauge doit être lue et enregistrée à intervalles réguliers d’heures de fonctionnement pour documenter la consommation d’huile.

Prenez l’habitude de signaler les volumes d’appoint en soumettant un échantillon d’huile pour analyse. Lorsque l’échantillonnage de l’huile est effectué à des intervalles d’heures réguliers, les volumes d’appoint doivent rester les mêmes. Une augmentation de la consommation d’huile peut facilement être constatée de cette manière et un examen peut être lancé en procédant par exemple à une endoscopique.

Dans le présent article, nous nous sommes penchés sur les mécanismes de consommation d’huile dans les moteurs à gaz, notamment les passages d’huile dans les garnitures de segments de piston par des rejets par inertie et des fuites inverses, les joints de tige de soupape et de turbocompresseur, la ventilation du carter et la volatilité de l’huile lubrifiante. Nous avons démontré l’incidence de l’épaisseur du film d’huile lubrifiante : Un film d’huile plus épais permet de transporter une quantité d’huile plus importante au-delà des garnitures de segments et un film d’huile plus mince permet qu’une plus grande quantité d’huile traverse l’interface entre la tige et le guide de soupape et les joints de turbocompresseur.

Pour un moteur à gaz fixe, il est très important de choisir un lubrifiant avec un niveau de cendres adéquat afin d’assurer une protection suffisante du moteur sans produire de dépôts de cendres excessifs. La quantité totale de cendres qui traverse un moteur n’est pas seulement fonction de la teneur en cendres de l’huile, mais aussi très largement fonction de la consommation d’huile. La compréhension et le suivi des niveaux de consommation d’huile quotidiens donnent un aperçu essentiel de la fiabilité du moteur et aident à déterminer les conditions qui peuvent favoriser une usure prématurée. C’est un outil nécessaire qui complète l’analyse des huiles usagées, l’analyse des filtres et les inspections visuelles.