moteurs thermiques pathologie des piÈces mobiles

DÉFAUTS et PATHOLOGIES des PIÈCES FIXES

et MOBILES des MOTEURS à PISTONS

Jean-Claude FRANTZ (CEEMF) et Richard POULET (CEF) 05 Mai 2021

Objectifs de ce module

Savoir apprécier les qualités d'un moteur thermique et évaluer ses défauts et ses faiblesses

Savoir reconnaître et analyser les défaillances sur les moteurs thermiques après examen des pièces mobiles et en déduire les origines probables

Sommaire

1 - Désordres divers

1.1 Conception générale des moteurs

1.2 Désordres de conception et de fabrication

1.3 Systèmes hyperstatiques et conséquences

1.4 Mouvements d'un piston dans le cylindre

1.5 Refroidissement et ventilation des machines

1.6 Désordres de lubrification de paliers

2 - Pathologies des moteurs

2.1 Présentation

2.2 Dommages sur les coussinets et leurs causes

2.3 Dommages sur les pistons et leurs causes

2.4 Bris de joints de culasse et leurs causes

2.5 Dommages sur les soupapes et leurs causes

3 - Conclusions

Désordres divers









2.1 Présentation





3 - Conclusions


Tous les moteurs se ressemblent extérieurement mais il n’y a pas que la couleur

de la peinture pour les différencier.

Critères de qualité :

Niveau de définition du cahier des charges

Niveau de l ’étude thermodynamique

Finesse de la conception mécanique

Les choix techniques

• Choix des matériaux

• Choix des ajustements

• Choix des procédés d’usinage

• Choix des traitements de surface

• Etc….

Le résultat à l’arrivée se sera pas le même, le prix non plus….









2.1 Présentation





3 - Conclusions


Ex : Fracture du bossage de fonderie pour axe de tendeur de courroie de distribution

Bossage plein

Bossage taraudé

Vue d'ensemble distribution


Bossage sur carter de distribution Lignes de cassure


Bossage sur carter de distribution

Description



Le croquis et la photo ayant globalement la même

verticalité, il est aisé de constater que le plan de

fracture du bossage est + ou – perpendiculaire à la

résultante des forces de tension dans les brins de la

courroie.

A partir de là, quelques hypothèses sont permises.


Image du ½ bossage resté sur la vis de fixation du galet sur le carter Zone de fracture Sens des contraintes d’arrachement




Autres conséquences

gh

Un couple de serrage à l’origine non respecté

ou (et ???)

Un remontage après le neuvage ne correspondant pas aux normes préconisées par le constructeur

Nous estimons donc que, suite à une erreur de montage de ce galet tendeur, il y a eu un déséquilibre suivi d’une fissuration lente en fatigue générant la rupture finale Définition de la fatigue du métal :

Déformation, changements d'état subis par un métal, une pièce mécanique, suite à des efforts excessifs ou des contraintes cycliques répétées

Ce désordre a coûté, entre autres, le remplacement à neuf du moteur par le constructeur Quelques mm. en plus sur le diamètre de ce bossage et ce sinistre n’avait pas lieu (ni d'autres identiques)

Ces mm. n’auraient pas changé le coût de production de ce moteur


Conclusions de l'expertise…


Remarques complémentaires concernant la "fatigue"

Les pièces forgées offrent de bonnes propriétés de résistance à la fatigue grâce à la recristallisation et au fibrage induits par la forge

Il en est de même pour la fonderie qui permet une meilleure résistance à la fatigue en jouant sur la finesse de la microstructure de la surface de la pièce


Le bossage taraudé de l'axe du tendeur a cédé sous l'effet cumulé de la contrainte statique dans le filetage, contrainte générée par le couple de serrage non contrôlé et par les contraintes de flexion/traction induites par la tension des brins de courroie sur le galet tendeur.

La somme de ces contraintes était supérieure à la contrainte admissible par le bossage taraudé recevant l'axe de tendeur.

(Parenthèse savante…..)

A titre purement "informatif", il existe une relation entre le couple de serrage et la contrainte dans les filets.

La formule de KELLERMANN et KLEIN, a établi la relation entre ces variables et a servi de base à la norme ISO 16047 de 2005

C : est le couple de serrage et Ft la précontrainte dans la vis









2.1 Présentation




3 - Conclusions


Sachant que… une chaise est posée sur le sol, un "plan"

Et que… par 3 points non alignés dans l'espace, passe un plan et un seul

Les extrémités des 4 pieds de la chaise ne peuvent donc se trouver dans le même plan

La chaise ne peut pas être stable sur le plan (le sol) avec ses 4 pieds, elle est forcément bancale

Cette chaise ne peut être stable que si elle n'a que 3 pieds

Cette chaise est donc un système hyperstatique car avec ses 4 pieds, elle ne pourra jamais être parfaitement en équilibre stable

Les conditions de l'équilibre en position ne sont pas réalisées

Système stable

Système hyperstatique


Le raisonnement est le même pour le guidage des soupapes dans la culasse, mais dans une autre dimension

Co axialité du guide de soupape et de son alésage dans le bloc

Co axialité de la tige de soupape et de l’alésage de son guide

Co axialité du siège de soupape et de son logement dans le bloc

Co axialité de la portée du siège et du corps de siège

Co axialité de la portée du siège et de la Portée de soupape

Une succession d'impossibilités géométriques et de causes de désordres

Le montage ne peut être "équilibré et cohérent" que si les axes longitudinaux de tous les éléments qui constituent le montage, sont confondus et en conséquence, que toutes les contraintes géométriques ci-dessous sont respectées


Ces impossibilités géométriques sont tout simplement dues à la superposition des intervalles de tolérances imposées par les contraintes d'usinage des différentes pièces composant cet ensemble Le module de formation précédent montrait l'utilisation quasi permanente de "lumières" qui présentent des caractéristiques géométriques bien plus intéressantes

Il n'est donc pas imaginable que la soupape puisse coulisser dans son guide sans frottements parasites tout en assurant un contact parfait entre siège et tulipe pour permettre une étanchéité optimale au passage des gaz









2.1 Présentation





3 - Conclusions


Le SLAP du piston


SLAP – Segments et déformation de bielle


Le SLAP du piston, conséquences

Ce mouvement de slap est générateur de nombreux types de désordres affectant les pistons et l'ensemble de l'équipage mobile.

Ces désordres seront développés dans les chapitres suivants. Les solutions à ce problème de slap existent et étaient déjà utilisées il y a environ 200 ans…..


SLAP, principe de solution









2.1 Présentation





3 - Conclusions


La quantité de chaleur dégagée par un moteur diesel est environ 1/3 de l'énergie consommée

Pour un moteur diesel délivrant une puissance de 100 cv, sa consommation horaire sera de 17,5 kg de gasoil Un kg de gasoil a un PCI (*) de 10.000 kcal (*) PCI : Pouvoir calorifique inférieur

La chaleur dégagée par ce moteur sera de : 17,5 x 104 x 1/3 = 58 300 kcal/h

Cette quantité de chaleur se divise en chaleur interne et en chaleur rayonnée

La chaleur interne est évacuée par le système de réfrigération et la chaleur rayonnée est évacuée par la ventilation du local machine


A. Interne, évacuée par le système de réfrigération

La dissipation de la chaleur interne se fait par :

1. Refroidissement par air 2. Refroidissement mixte, air + radiateur 3. Refroidissement par eau à circuit ouvert

* Circuit secondaire à eau de mer avec échangeur tubulaire

ou à plaques * Échangeur "humide" . L'eau du circuit secondaire est injectée à la sortie des pipes d'échappement

4. Refroidissement par eau à circuit fermé * L'échangeur se trouve en contact direct avec l'eau de mer :

3 configurations : le Keel Cooling, le Keel Cooling double coque et le Box Cooler

B. Rayonnante, évacuée par la ventilation du local


A. Refroidissement par eau à circuit ouvert Circuit secondaire à eau de mer avec échangeur tubulaire ou à plaques

Le circuit secondaire aspire de l’eau de mer à travers une prise d’eau et un filtre. Cette eau refroidit l’eau du moteur lors de son passage dans l’échangeur et est rejetée à la mer.

Type d’échangeurs utilisés : échangeur tubulaire et échangeur à plaques. Celui-ci a un meilleur rendement des échanges en raison de l’augmentation des surfaces d’échanges sous un même encombrement.


A. Refroidissement par eau à circuit ouvert Échangeur "humide"

L’eau du circuit secondaire est injectée à la sortie des pipes d’échappement dans le collecteur d’échappement (échap. Humide)

Avantage : diminution très importante du bruit d’échappement

Inconvénient : dans le cas d’un défaut d’alimentation en eau du circuit secondaire (défaut de pompe ou aspiration bouchée), le flux d’eau est arrêté et la température dans le collecteur d’échappement qui n’est plus refroidi, est soumis à une température des gaz d’environ 400°.


A. Refroidissement par eau à circuit fermé Keel cooling

Keel cooling qui est réalisé par des tubes sous la coque. L’échange thermique se fait à travers ces tubes.

Inconvénient : il faut protéger ces tubes contre les chocs et les appuis lors d’un passage au sec.


A. Refroidissement par eau à circuit fermé Keel cooling double coque

Kell cooling double coque. C’est une partie du fond du bateau qui est utilisé comme échangeur, avec création d’un compartiment étanche entre la sole et un plancher situé à environ 100 mm au-dessus du fond. L’eau du moteur circule entre les éléments de structure du fond du bateau.

Ce système est utilisé sur des bateaux qui travaillent dans des zones où de nombreuses particules sont en suspension


A. Refroidissement par eau à circuit fermé Box cooler

Des compartiments sont créés dans la coque à bâbord et tribord et sont en communication avec l’eau de mer.

A l’intérieur de ces compartiments, des serpentins sont implantés d’une manière fixe sur des plaques étanches.

Ce système est très utilisé sur les pousseurs et remorqueurs.


B. Évacuation de chaleur rayonnante par ventilation

Pour déterminer la ventilation du local machine, il faut tenir compte des différents apports calorifiques : moteurs de propulsion, groupes électrogènes, installations hydrauliques Un local machine doit toujours être sous une pression positive et c’est l’excès d’air amené qui rejette la chaleur vers l’extérieur Ne jamais mettre une salle des machines en dépression. Cela peut entraîner des perturbations dans le fonctionnement des moteurs Une attention particulière devra être apportée au circuit de ventilation pour permettre à chaque appareil d’avoir la quantité d’air qui lui est nécessaire et d’éviter les bruits dus au passage de l’air dans les conduits dans le cas de section insuffisante.


Les bases d'une bonne ventilation Des choses à savoir pour évaluer les conditions de ventilation d'une salle des machines

Température dans les salles des machines T°c optimale : 25 °c T°c maxi admissible : 50/55 °c Perte de puissance en fonction de la T°C


Les bases d'une bonne ventilation Des choses à savoir pour évaluer les conditions de ventilation d'une salle des machines A. Les lois sur les gaz

Loi de MARIOTTE

PV = Constante Si la pression augmente, le volume diminue

Loi des gaz parfaits :

PV / T = Constante Si T°C augmente (avec une P atmos constante ), la densité de l’air baisse

B. Différences moteurs essence / diesel / turbo diesel Un moteur essence consomme environ 25 % d'air de moins qu'un moteur diesel Un moteur turbo compressé consomme environ 25 % de plus d'air que le même moteur atmosphérique, d'ou l'importance de bien contrôler la T°C de l'air comburant

C. Dépression dans la salle des machines Elle se produit lorsque le volume d'air extrait est > au volume d'air admis, le moteur aspire alors de l'air vicié trop chaud >> dégradation moteur


Les bases d'une bonne ventilation Des choses à savoir pour évaluer les conditions de ventilation d'une salle des machines Conception globale des conduits d'air Conduite d'admission et de d'extraction ont la même surface La vitesse de l'air aspire doit être < 3 m/s L'air admis doit arriver dans le bas de la salle des machines L'air entrant doit être exempt d'eau de mer (surbau sur ouïes de ventilation, dorades) L'extraction de l'air se fera à l'opposé de la salle de machines en plafond Conséquences d'une mauvaise ventilation Le moteur fumera noir Il perdra de la puissance Le moteur sera alors en surcharge, ce qui génèrera une usure interne prématurée car le moteur sera toujours en charge maxi et développera donc son couple maxi


Un peu de vécu…..

Sur un bateau à passagers à Paris, l’arrêt de l’injection d’eau dans une durite d’un échappement humide a entraîné un incendie de la durite et le 2ème moteur qui aspirait dans ce local s’est arrêté. Le bateau s’est retrouvé sur de la Seine, au milieu des autres bateaux, dépourvu de tout moyen de propulsion (transbordement des passagers sur un autre bateau avec les honneurs de la Brigade fluviale et de FR3 Paris).

Sur un pétrolier, installation d’une ventilation insuffisante (section des conduites mal calculée, manque de ventilation au niveau des groupes électrogènes qui ont disjoncté par température haute) : arrêt du bateau en attendant que la température redescende. Et ensuite changement des ventilateurs.

Sur un pétrolier, remontant le fleuve OYAPOK en Guyane cours d’eau particulièrement boueux en utilisant le ballast AR en circuit fermé pour la réfrigération des moteurs de propulsion (2 x 1500 cv) : utilisation de la coque du ballast AR comme échangeur









2.1 Présentation





3 - Conclusions


Remplacement des coussinets de pieds de bielles

Les coussinets usés ont été remplacés par de nouvelles coupelles en acier fritté multicouches, le moteur ne "claque" plus…

Question : Les conditions géométriques des ajustements avec les coquilles neuves permettront-ils la lubrification de ces paliers de pied de bielle par film d'huile dans les conditions préconisées par le constructeur ?


Informations concernant le film d'huile (le coin d'huile)

Coin d’huile ou lubrification hydrodynamique

La lubrification hydrodynamique est le mouvement relatif entre deux surfaces de frottement qui provoque la formation d'une pellicule fluide exerçant une pression suffisante pour séparer les surfaces. Dans les paliers et butées, un film hydrodynamique d'huile sépare les surfaces stationnaires et mobiles réduisant le frottement et éliminant l'usure. Cette séparation est obtenue grâce à la génération de pression dans un coin convergent constitué par les surfaces. L'épaisseur du film d'huile entre les surfaces est un paramètre important qui affecte la capacité de charge et sa marge de sécurité.

Le pied de bielle est un palier à lubrification hydrodynamique tout comme la bague hydrolube d’arbre d’hélice, mais elle, avec de l’eau.


Génération du film d'huile (coin) et dysfonctionnements

En conclusion : Ce n’est pas parce des pièces ont été remplacées à neuf sur un moteur ou qu’un moteur a été "reconditionné" ou refait à neuf, que l’on retrouvera les caractéristiques initiales du même moteur sorti d’usine. D’où réserves ….


Pathologies des moteurs









2.1 Présentation





3 - Conclusions

En dehors des problèmes de conception et/ou de fabrication des moteurs, les causes de dysfonctionnements sont nombreuses. Elles peuvent être déterminées par simple examen visuel minutieux.

Les causes habituelles :

Lubrification > huile non adaptée, insuffisante Fuites internes > eau, carburant, gaz de combustion Fuites externes > corrosion, électrolyse Surcharges mécaniques > frottements , blocages Surrégime Défaut de refroidissement Montage de pièces non-conformes Mauvais montages Etc…

2.1 Présentation









2.1 Présentation





2.6 Conclusions


Dommages par surchauffe résultant de hausses de température importantes et généralement associées à des frictions mécaniques.

Causes possibles : Hausse de température due à des érosions, des grippages, des contacts de bords et dissipation insuffisante de la chaleur par le lubrifiant.

Effets visibles : Fissures de chaleur Fusion de la couche de roulement Décoloration de la couche de roulement Température et frottements métal/métal, sont les deux facteurs clé de la détérioration des assemblages mobiles

Fissures de chaleur Essentiellement sur les bords


Fusion de la couche de roulement Avec déplacement de matériaux et bavures visibles


Décoloration de la couche de roulement Décolorations bleuâtre à noires sur la bande de roulement et au dos










2.1 Présentation





3 - Conclusions


Grippage par surchauffe Causes :

Dysfonctionnements de combustion Canal d’huile déformé/bouché Montage de mauvais pistons Défauts dans le système de refroidissement Réduction du jeu diamétral dans les sections hautes

Dommages de la tête de piston

Traces de chocs Causes :

Dépassement du piston trop important Ré-usinages successifs de la surface portante du joint de culasse Retrait de soupape incorrect Mauvais joint de culasse Dépôt de calamine sur la tête de piston Jeu de soupape trop faible Mauvais calage de courroie crantée



Fusion Causes :

Mauvais injecteurs Quantité d’injection incorrecte Retard d’auto-allumage



Fissures du fond de cavité Causes :

Injecteurs défectueux Quantité d’injection incorrecte Refroidissement insuffisant des pistons Mauvais pistons Augmentation de la puissance



Érosion de matière Causes :

Erreur de montage Excès de carburant Forte usure axiale des gorges de segment Forte usure des segments Flottement des segments

Dommages au niveau des segments


Usure radiale par excès de carburant Causes :

Mauvais mélange Dysfonctionnement de combustion Forte usure des segments



Usure radiale par excès de carburant Le carburant non brûlé dans la chambre de combustion affaiblit le film d'huile sur la surface du cylindre. Le film d'huile est alors dilué ou lavé. Suite à l'absence de ce film, les surfaces métalliques du piston et de l'alésage de cylindre ne sont plus séparées et s'usent par friction mixte. La puissance du moteur diminue et sa consommation d'huile augmente


Excès de carburant facilement mesurable par Colutest


Anneau extérieur très large

Usure radiale par la crasse Causes :

Impuretés abrasives > filtration insuffisante Impuretés résiduelles de fabrication Particules d’abrasion produites pendant la période de rodage



Segments bloqués par la crasse



Marquage asymétrique Causes :

Tige de bielle déformée Alésages des yeux de bielle désaxés Alésage oblique du cylindre Jeu de coussinet de bielle trop important

Dommages au niveau de la jupe de piston


Cavitation Causes :

Logement imprécis de la chemise Mauvais joints toriques Liquide de refroidissement inapproprié Pression trop faible dans le circuit de refroidissement Température de service trop haute ou trop basse Flux de liquide de refroidissement insuffisant

Dommages au niveau de la chemise










2.1 Présentation



2.4 Bris joints de culasse et leurs causes


3 - Conclusions

Les dysfonctionnements des joints de culasse sont liés aux possibilités de fuites d’eau, d’huile, de gaz de combustion. Fuites

1. Gaz d’une chambre à une autre chambre

2. Gaz vers le circuit de refroidissement

3. Gaz vers l’extérieur 4. Huile vers le circuit de

refroidissement 5. Huile vers l’extérieur 6. Eau vers le circuit

d’huile 7. Eau vers l’extérieur


Causes : Pression de surface trop faible ou surchauffe du moteur. 1. Mauvais serrage des goujons de culasse 2. Non respect des instructions de pose 3. Dommages au niveau de la culasse

Noircissement

Dégradation Dégradation


Gonflements Ils apparaissent dans les zones exposées au liquide de refroidissement surchauffé suite à la destruction des imprégnant au silicone non résistants à la vapeur.


Écrasements


Encrassement par des particules étrangères










2.1 Présentation



2.4 Dommages sur les joints de culasse et leurs causes


3 - Conclusions

Mauvais réglage du jeu de la soupape Le jeu de la soupape est réglé trop serré ou les entretiens n’ont pas été effectués

Conséquences : La soupape ne ferme pas correctement. Les gaz passent le long du siège et chauffent la face de la soupape qui brûle


Erreur de montage du ressort de soupape La déformation du ressort provoque un couple de flexion latéral sur la tige de soupape


Conséquences : La fatigue par flexion qui en résulte entraîne la destruction du guide puis la rupture de la queue de soupape

Désalignement du siège rapporté ou du guide


Le ré-usinage du siège de soupape ou du guide est décentré

Conséquences : La soupape ne ferme pas correctement, surchauffe et brûle dans la zone du siège

Jeu de guidage de la soupape trop important


Jeu important en raison d’une forte usure des guides ou d’une trop forte abrasion lors de la réparation. La soupape devient dure et ne ferme plus correctement

Conséquences : Dureté mécanique, grippage puis surchauffe

Jeu de guidage de la soupape trop faible


Guides de soupapes non adaptés aux tiges

Conséquences : Manque de lubrification, dureté mécanique, grippage puis surchauffe.

Montage de culbuteurs détériorés


Conséquences :

La tige et la queue de soupape s’usent unilatéralement. La sollicitation transversale entraîne des ruptures de fatigue au niveau du raccordement à pince

Montage de soupapes déformées


Conséquences :

La contrainte latérale produit une fatigue par flexion et une rupture au niveau du collet à la jonction de la tige.

Conclusions

Tant que l’on construira des moteurs comme il y a un siècle avec des équipages mobiles, des pistons, des soupapes et des culbuteurs, des bielles oscillantes, l’expertise aura encore de beaux jours devant elle.

Les sources de désordres étant "multiples", il faut bien faire la part des choses entre :

1. Les approximations et contraintes de conception 2. Les défauts de fabrication 3. Les défauts de montage 4. La mauvaise utilisation 5. Les consommables inadaptés 6. La maintenance bâclée 7. Les dépannages fortuits etc….. 8. Et ne pas oublier les "bricolages" divers et variés

Les défaillances mécaniques sont aussi présentes que les défaillances humaines et les choix hasardeux.

3 Conclusions

Les solutions ou au moins les améliorations de tous les désordres que nous venons de survoler existent et sont maitrisées.

Nous les trouvons dans les variantes de moteurs suivantes :

• les moteurs à lumières • les moteurs à compression variable: Moteurs MCE 5 • les moteurs à injection d'eau • les moteurs à injection directe • les moteurs à 2 temps • les moteurs STIRLING • les moteurs OPOC

Pour ne parler que de ceux-là.

3 Conclusions

MCE 5 : Moteur à compression variable Cliquer sur l’image pour voir la vidéo intégrale

Moteur OPOC : 2 temps, 2 cylindres et 4 pistons

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