1. Théorie
   
   La théorie du graissage des coussinets repose essentiellement sur la formation d'un coin d'huile entre deux surfaces cylindriques en rotation. Ce coin d'huile se forme lorsque la vitesse de rotation relative des deux surfaces est suffisante. Le diagramme de Stribeck (fig. 1) montre comment évolue le coefficient de friction en fonction de la valeur de l'expression viscosité vitesse / pression (la pression étant ici le rapport de la charge appliquée sur le coussinet rapportée à la surface projetée). Le graphe montre sur la partie gauche une zone de graissage imparfait (1) où l'épaisseur du film d'huile est inférieur aux rugosités du palier, au centre une zone de graissage limite (2) où l'épaisseur du film d'huile est de l'ordre de grandeur des rugosités, et à droite une zone de graissage hydrodynamique (3) où le coin d'huile sépare complètement les deux surfaces du palier. Pour donner une image de ce phénomène hydrodynamique, c'est cette même force hydrodynamique qui permet à un skieur nautique de se tenir debout sur ses skis dès qu'il a atteint une vitesse suffisante.
   
   
   
   On voit donc que le régime hydrodynamique s'établit, dans un moteur donné avec une huile de viscosité donnée, dès que la vitesse de rotation est suffisante, et qu'il est indépendant de la pression d'alimentation en huile. Les paliers n'étant pas étanches, il convient de compenser les fuites par un apport d'huile afin que le palier soit toujours plein d'huile.
   La pression au sein du film d'huile peut être prise en première approximation, comme résultant de la somme des forces d'inertie et des gaz sur le piston transmises au palier. La figure 2 indique que le maximum est atteint à faible régime et charge élevée. La pression maximale pour un moteur à essence est de l'ordre de 65 bars.




2. Circuit de graissage
   
   Les forces appliquées sur le palier sont variables en fonction de la vitesse de rotation et de la charge, ce qui est illustré sur la figure 2 montrant les diagrammes polaires des efforts appliqués sur un palier de tête de bielle. Pour permettre l'entrée de l'huile dans le palier, le ou les trous d'arrivée sont placés là où les efforts, donc la pression au sein du film, sont les moins importants, soit ici à environ 45° dans le premier quadrant.
   
   
   Figure 2 : Diagrammes polaires à quatre régimes différents des efforts rapportés sur la tête de bielle.
   
   L'huile est amenée aux points de lubrification au moyen d'une pompe à engrenage et de conduits. Les orifices de fuite du circuit de graissage (jeux aux paliers) étant constants alors que le débit de la pompe est fonction de la vitesse du moteur, la pression engendrée est éminemment variable, voire excessive lorsque l'huile est froide. Pour palier aux pointes de pression, on a recourt à un clapet de décharge qui maintient l'huile à une pression donnée. La pompe étant prévue avec un débit en excès, la plus grande partie du débit est dérivée par le clapet de décharge. Ainsi, sile circuit de graissage devenait plus perméable par suite de jeux plus importants, la pression pourrait descendre jusqu'en dessous du réglage du clapet sans que le débit vers les paliers soit sensiblement affecté. Le débit d'huile dans les canalisations est de la forme de l'équation de Poiseuille:
   
   ou bien:
   où Q est débit, "Delta" P la différence de pression aux deux extrémités de la canalisation, R le rayon, L la longueur et "nu" la viscosité.
   L et R sont fixés par construction, "nu" et Q sont variables, et "Delta" P étant la pression d'huile régulée est en principe constant.
   Donc, si la viscosité augmente, le débit diminue, et inversement. Ceci permet de montrer que la pression d'huile dans les canalisations (celle qui est lue au tableau de bord) n'est qu'une image du débit, à condition que la viscosité soit celle prévue à l'origine. Dans le cas d'une huile très visqueuse, il serait possible de lire une pression d'huile normale (ou élevée) alors que le débit serait insuffisant pour alimenter correctement les points de graissage. En fait, il serait plus utile d'avoir un débimètre s'il existait une construction simple et peu coûteuse de cet appareil.




3. Classement des huiles moteur
   
   
   • Viscosité
     Les huiles moteur sont classées en fonction de leur viscosité par classe de grade selon la norme SAE J300 indiquée dans le tableau ci-dessous, chaque mesure de viscosité correspondant à une méthode d'essai particulière :
   
   
   

   Grade des viscosités pour les huiles moteur - SAE J300 Déc 99
   Grade de viscosité SAE	Viscosités à basses températures		Viscosités à hautes températures
   	Démarrage, cP °c	Pompage, cP sans cisaillement à 0°	Faible taux de cisaillement, cSt à 1000C		Fort taux de cisaillement, cP à 1500C
   	max.	max.	min.	max.	min.
   0W	6200 à -35	60000 à -40	3,8	---	---
   5W	6600 à -30	60000 à -35	3,8	---	---
   10W	7000 à -25	60000 à -30	4,1	---	---
   15W	7000 à -20	60000 à -25	5,6	---	---
   20W	9500 à -15	60000 à -20	5,6	---	---
   25W	13000 à -10	60000 à -15	9,3	---	---
   20	---	---	5,6	<9,3	2,6
   30	---	---	9,3	<12,5	2,9
   40	---	---	12,5	<16,3	2,9 (grades 0W-40 SW-40  10W-40)
   40	---	---	12,5	<16,3	3,7 (grades 15W-40 20W-40  25W-40)
   50	---	---	16,3	<21,9	3,7
   60	---	---	16,3	<26,1	3,7

   
   
   La viscosité dynamique représente les forces de friction internes du fluide et est rapportée en poises (P), ou en pascal~ seconde en unité SI. Pour des raisons pratiques, on utilise souvent la viscosité cinématique rapportée en stokes (St), ou en millimètres carrés / seconde en unité SI, qui est le rapport de la viscosité dynamique sur la densité.
   Le taux de cisaillement exprime la contrainte que subit le film d'huile lorsque ses deux faces sont animées de vitesses différentes. Il s'exprime par le gradient de vitesse dans le film d'huile. Son unité est la seconde réciproque (s1), les valeurs sont de l'ordre du million. Les fluides newtoniens ont une viscosité constante sous cisaillement. Les huiles minérales pures sont des fluides newtoniens. Les huiles contenant des modificateurs de viscosité n'ont pas un écoulement newtonien mais viscoélastique. Un fluide viscoélastique voit sa fluidité augmenter sous cisaillement. Ceci explique les deux méthodes de mesure de la viscosité à chaud.
   Les viscosités à froid sont mesurées au moyen d'appareils d'essai reproduisant les conditions de pression et cisaillement vues par l'huile au moment du démarrage. La méthode donnant la viscosité au démarrage reproduit dans un simulateur de démarrage à froid les conditions régnant dans les paliers. La méthode de pompabilité indique la viscosité apparente de l'huile après une séquence de refroidissement qui favorise la formation de cristaux de paraffines.
   
   
   • Performances
     Il existe essentiellement deux systèmes de classement des huiles moteur, l'un américain par l'API, l'autre européen par l'ACEA.
     L'API indique le classement des huiles moteur au moyen de deux lettres. La première désigne le type de moteur: S pour essence et C pour diesel. La seconde lettre désigne le niveau de performance depuis A jusqu'à J actuellement. La lettre désignant la catégorie de performances est incrémentée chaque fois qu'apparaît un nouveau niveau de performances. Les catégories SA à SG sont maintenant obsolètes. Les homologations se font pour les catégories SH établies pour les moteurs de 1994 et SJ pour les moteurs de 1997.
     Le classement API étant établi sur la base d'essais avec des moteurs américains, les constructeurs européens sous l'égide du CCMC puis de l'ACEA ont établi un système de performances répondant à leurs exigences au moyen d'essais sur des moteurs européens. L'ACEA désigne ses séquences de performances au moyen d'une lettre, A pour les moteurs a essence, B pour les moteurs diesels de voitures et E pour les moteurs diesels de camions, puis d'un chiffre de i à 3 pour les moteurs à essence, et de l'indice de la version des spécifications. Il est à noter que la suite numérique ne suit pas un niveau de performances croissant. Notamment, une huile A3 est bien supérieure à une huile A2, mais une huile Ai correspond àune huile A3 dotée de propriétés d'économies d'énergie. La mise à niveau des spécifications pour répondre aux besoins de nouveaux moteurs se fait par le changement de l'indice de révision ; les versions en cours sont A1-98, A2-96 et A3-98.
     Les paramètres pris en compte pour le classement ACEA sont: l'accroissement de viscosité, les vernis sur les pistons, les dépôts sur les cordons de pistons, le gommage de segments, les boues, l'usure et le gommage came-poussoir, la consommation d'huile, les vernis dans le moteur, la stabilité de la viscosité, les pertes par évaporation, les cendres sulfatées, le moussage, la compatibilité avec les élastomères, et la réduction de la consommation d'essence pour la classe A1.
   
   
   
4. Formulation des huiles moteur
   
   
   • Huiles de base
     La première fonction de l'huile de base, est d'assurer la viscosité du grade SAE sur la plage de température.
     La résistance à la variation de viscosité en fonction de la température s'exprime par un nombre empirique appelé indice de viscosité (VI). Les huiles minérales pures ont généralement des indices de viscosité de 0 à 110, tandis que des huiles multigrades ont des indices de viscosité supérieurs à 110. Par exemple une 10W 40 doit avoir un VI d'au moins 169.
     Les huiles minérales sont extraites de pétroles bruts sélectionnés par plusieurs procédés successifs. Les bruts paraffiniques donnent des huiles de VI élevés mais avec des paraffines qui élèvent le point d'écoulement, tandis que des bruts naphténiques produisent des huiles à VI moyen à faible mais avec peu de paraffines donc à bas point d'écoulement.
     Les bases minérales utilisées dans les huiles moteur ont un VI de 90 à 100.
     Les bases synthétiques sont des assemblages de molécules visant à obtenir des propriétés requises. Elles ont des VI très élevés pouvant dépasser 140 et un point d'écoulement très bas. Ce sont des bases de choix pour formuler des huiles avec des propriétés de service extrêmes à la fois à hautes et basses températures.
     Les produits utilisés sont les polyalphaoléfines, les acides d'ester dibasiques, les polyol esters, les aromatiques alkiylés.
   
   
   
   • Additifs
     Toutes les huiles moteur contiennent des additifs dans une proportion d'environ 25 %. On y trouve les additifs suivants : abaisseur de point d'écoulement, agent antiusure et extrême pression, agent pour élastomères, améliorant de VI, anticorrosion et inhibiteur de rouille, antimousse, antioxydant, désactivateur de métaux, détergent, dispersant, modificateur de friction.
   
   
   
5. Conseils pratiques
   
   
   • Choix de la viscosité
     Comme indiqué plus haut, le débit est fonction de la viscosité. Une part importante de l'usure a lieu durant le démarrage lorsque l'huile n'est pas arrivée à tous les points de graissage, notamment les plus éloignés. Pour réduire cette usure, il convient de choisir une huile à faible viscosité à froid afin de réduire le temps d'arrivée et d'établissement de la pression d'huile. Avec une huile fluide à froid, le graissage sera correctement assuré même si le moteur est sollicité avant que l'huile soit chaude. Concernant la viscosité à chaud, les paliers ont généralement été conçus pour une huile monograde SAE 30; ils ne se porteront pas mieux avec une huile plus visqueuse.
     En pratique une huile minérale 15W-40 fera très bien l'affaire, ou mieux une semi-synthétique 1OW-40 qui convient également très bien aux voitures modernes. Les huiles synthétiques sont plus performantes, mais c'est un luxe inutile pour les moteurs de cette conception. On évitera les viscosités excessives comme les 20W-50 ou pire 25W-60. Cependant, dans un moteur use, une huile de faible viscosité peut conduire à une consommation d'huile élevée.
   
   
   • Niveau de performance
     Les niveaux de performances des huiles actuelles sont incomparables à ceux des huiles d'époque. Donc le choix est vaste. Eviter toutefois de payer plus cher des huiles dites pour moteurs anciens et qui sont d'un niveau de performances inférieur.
     On peut se poser la question de l'opportunité d'utiliser une huile détergente dans un moteur encrassé (question inutile puisque toutes les huiles sur le marché sont détergentes). Dans le cas d'un moteur encrassé, il vaut mieux traiter ce problème une fois pour toutes en retirant les boues et dépôts au moyen d'un produit de rinçage avant vidange, puis de changer le filtre à huile. Les bons produits de ce type ont aussi la capacité de dissoudre les gommes et de redonner de la liberté aux segments.
   
   
   
   • De la pression d'huile Lorsque l'on observe une pression d'huile faible ou insuffisante, le remède généralement appliqué consiste à augmenter la viscosité de l'huile en choisissant un grade plus élevé ou à utiliser un refroidisseur d'huile. Ce ne sont que cautères sur jambe de bois. Comme on l'a vu plus haut, le facteur important est d'assurer un bon débit d'huile avec une huile de la viscosité prévue à la conception du moteur pour les conditions normales d'utilisation. Hors, en augmentanit la viscosité, on réduit le débit. En cas de pression d'huile faible, on vérifiera le manomètre, la pompe à huile, le clapet de décharge, la propreté du circuit et enfin la viscosité de l'huile. Cette dernière peut être mise en cause en cas d'une huile excessivement chaude, ou par dilution par de l'essence ayant traversée la segmentation. Ce n'est que lorsque l'on sera sur des éléments précédents que l'on pourra conclure à une usure excessive des paliers.
     Au démarrage, surtout après le changement du filtre à huile, la pression d'huile peut être longue à s'établir. La pompe à huile étant de type volumétrique, il faut toujours le même nombre de tours de la pompe et donc du moteur, pour remplir le circuit d'huile. On évitera donc d'accélérer le moteur car à ce moment, bien que la durée serait réduite, les rotations du moteur seraient effectuées sous des contraintes plus sévères.

Jean Marc THELY

1. Les huiles pour moteurs et le graissage des moteurs, A. Schilling, Ed. Technip
2. Technologie des moteurs à combustion interne, Ch. Clos, ETAI
3. www.lubrizol.com

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