Cette thèse est consacrée è la modélisation et a la simulation de l’ensemble PISTON /SEGMENT/ CHEMISE, d’un moteur thermique. Dans un moteur, le piston muni de segments est en mouvement relatif dans la chemise. Ce système est lubrifié par projection d’huile, les segments et la surface de la chemise “contrôlent” la quantité de lubrifiant restant sur la paroi. Pour modéliser ce phénomène, le modèle conservatif parabolique-hyperbolique d’Elrod-Adams (P − θ), prenant en compte la cavitation (présence de gaz dans le fluide, aspect multiphasique de l’écoulement), est couplé a un modèle de contact, celui de Greenwood-Tripp (basé sur une approche statistique de la surface). En se restreignant a l’écoulement et au contact, nous négligeons beaucoup de phénomènes physiques pouvant intervenir comme le grippage ou les effets thermiques. Dans une première partie, les phénomènes mécaniques sont étudiés, de la réalisation de la surface des chemises è la modélisation de la physique de la lubrification du contact segment/chemise. Cette étude expose les simplifications effectuées et le choix des conditions aux limites pour la prise en compte de la cavitation en tant que problème a frontière libre, notamment au niveau du débit d’entrée pour simuler un fonctionnement “normal”. Dans une deuxième partie, la mise en oeuvre et la modification de l’algorithme “classique” pour des surfaces mesurées sont décrites en détail. Nous présentons les performances simulées de différentes surfaces, et nous les comparons è des essais effectués par Renault. Dans une troisième partie, des modifications sont introduites au modèle (P − θ) utilisé précédemment afin de rendre l’écoulement cohérent avec le modèle de Navier-Stokes. Bien que ce nouveau problème puisse être posé en dimension 2, l’étude mathématique ne concerne que la dimension 1. On se ramène a un système dynamique dont les inconnues sont les frontières libres. L’unicité de la solution impose l’introduction d’un paramètre artificiel. Le comportement local et/ou global en temps est déterminé par les paramètres géométriques et les conditions aux limites. L’introduction de deux paramètres supplémentaires permet de démontrer l’existence et l’unicité de la solution. Dans une dernière partie, nous comparons le modèle de cavitation proposé avec le modèle P − θ. / This work deals with the modeling and simulation of contact between piston rings and liner of an engine. In the engine, the piston-rings are in relative motion with respect to the liner. This mechanism is lubricated and the purpose of this piston-ring system is to control sealing between combustion chamber and lower part of engine, keeping under control lubricant quantity on the surfaces. We modeled this phenomenon using the Elrod-Adams models (P-θ), which are conservative parabolic-hyperbolic models, taking into account the cavitation phenomenon (the presence of gas bubbles in fluid, so that it can be understood a multiphased flow) coupled with the Greendwood-Tripp model, which models the elastic contact by a statistical approach. When we focus on the modeling of the oil flow and asperity contacts, we neglect many physical phenomena like scuffing and thermal effects. In the first part, we focus on the kinematics of the engine, from the design to the different models to describe a lubricated contact. We explain all the simplifications in the engine body and the boundary conditions we use in the cavitation model to solve it as a free boundary problem, in particular for the choice of the flow rate to simulate a ``normal functioning''. In the second part, we describe the algorithm implementation and the required modifications when using real surface topography. We compare several surfaces and study the influence of simulation parameters, then we compare the result with experimental data obtained by Renault company. In the third part, we modify the (P-θ) model, to have the same flow rate in the cavitation zone as in the Navier-Stokes model. It can be studied in 2-dimensions, however we only explain the mathematical study in 1D. We study this model as a dynamical system for which the unknown variables are the free boundaries. The uniqueness is imposed by the addition of an adjustable parameter. The local and global behavior in time are determined by geometrical parameters and boundary conditions. In the last part, we compare the new cavitation model with the P-θ model.

Cette thèse est consacrée è la modélisation et a la simulation de l'ensemble PISTON /SEGMENT/ CHEMISE, d'un moteur thermique. Dans un moteur, le piston muni de segments est en mouvement relatif dans la chemise. Ce système est lubrifié par projection d'huile, les segments et la surface de la chemise "contrôlent" la quantité de lubrifiant restant sur la paroi. Pour modéliser ce phénomène, le modèle conservatif parabolique-hyperbolique d'Elrod-Adams (P − θ), prenant en compte la cavitation (présence de gaz dans le fluide, aspect multiphasique de l'écoulement), est couplé a un modèle de contact, celui de Greenwood-Tripp (basé sur une approche statistique de la surface). En se restreignant a l'écoulement et au contact, nous négligeons beaucoup de phénomènes physiques pouvant intervenir comme le grippage ou les effets thermiques. Dans une première partie, les phénomènes mécaniques sont étudiés, de la réalisation de la surface des chemises è la modélisation de la physique de la lubrification du contact segment/chemise. Cette étude expose les simplifications effectuées et le choix des conditions aux limites pour la prise en compte de la cavitation en tant que problème a frontière libre, notamment au niveau du débit d'entrée pour simuler un fonctionnement "normal". Dans une deuxième partie, la mise en oeuvre et la modification de l'algorithme "classique" pour des surfaces mesurées sont décrites en détail. Nous présentons les performances simulées de différentes surfaces, et nous les comparons è des essais effectués par Renault. Dans une troisième partie, des modifications sont introduites au modèle (P − θ) utilisé précédemment afin de rendre l'écoulement cohérent avec le modèle de Navier-Stokes. Bien que ce nouveau problème puisse être posé en dimension 2, l'étude mathématique ne concerne que la dimension 1. On se ramène a un système dynamique dont les inconnues sont les frontières libres. L'unicité de la solution impose l'introduction d'un paramètre artificiel. Le comportement local et/ou global en temps est déterminé par les paramètres géométriques et les conditions aux limites. L'introduction de deux paramètres supplémentaires permet de démontrer l'existence et l'unicité de la solution. Dans une dernière partie, nous comparons le modèle de cavitation proposé avec le modèle P − θ.

La microgéométrie de la surface de la chemise joue un rôle très important dans les pertes par frottement et dans la consommation de l’huile dans un moteur à combustion interne. Une des texturations classiques de cette surface est celle créée par pierrage. Elle se compose de plateaux plus ou moins lisses et de profondes stries croisées. L’´épaisseur du film d’huile est influencée fortement par cette texturation. Un modèle simplifié du contact segment chemise a été créé en la présence de la microgéométrie. Puis, un code de calcul basé sur la méthode numérique multigrille a été développé. Ce code a été utilisé pour des études paramétriques avec des jeux de paramètres très variés. Les calculs quantifient l’influence de cette microgéométrie particulière sur la relation film d’huile - portance. Les résultats mettent en évidence deux mécanismes distincts de génération de portance selon le type du segment. Le segment parabolique porte par son convergent et les stries ne font que diminuer cette portance. Inversement, le segment plat ne porte pas et ce sont les stries qui génèrent la portance. Deux modèles de prédiction ont finalement été déduits, un pour les segments paraboliques et un pour les segments plats. Ces deux prédictions ont ensuite été validées par des calculs sur des surfaces mesurées; / The liner microgeometry influences the friction losses and the oil consumption in IC engines. The cross-hatched texturing, created by the honing process, plays an essential part in the load carrying capacity - film thickness relation. This work studies the influence of the crosshatched groove parameters on the piston ring load carrying capacity. First, a simplified model of the hydrodynamic contact has been created. Thus a Multigrid based code was developed. Calculations with different sets of microgeometric parameters have been performed. These calculations quantify the load carrying capacity for both parabolic and flat rings. The results show that the load carrying capacity is generated differently in both cases. For the parabolic case, the pressure is build up by the wedge in the inlet zone and the grooves decrease the global load carrying capacity. In the flat case the grooves generate the total load carrying capacity. Finally, two prediction models were deduced for the parabolic ring and for the flat ring. These predictions were validated by measured surface calculations.

Le contact Segment-Piston-Chemise (SPC) est essentiel pour la réduction des émissions de CO2 et de polluants dans les moteurs automobile. Pour optimiser ces deux contraintes antagonistes, il est nécessaire d’étudier l’influence de la microgéométrie afin de trouver de nouvelles architectures de ce contact. L’étude expérimentale étant très coûteuse, il est impératif de pouvoir modéliser les performances du contact SPC. Les méthodes multigrilles permettent de réduire considérablement les temps de calcul. Pour le contact SPC, les méthodes multigrilles classiques perdent leur efficacité en présence de texture. Un nouvel algorithme, basé sur des idées développées par Alcouffe et al. a été conçu qui permet l’étude du contact hydrodynamique en présence de texturation importante. Il a été validé par comparaison avec un modèle analytique 1D, ses performances ont été étudiées et une première étude de l’influence des paramètres sur la portance pour une surface striée a été faite. L’algorithme a ensuite été modifié pour imposer la conservation des flux. Un processus de relaxation plus proche de la physique du phénomène est utilisé. Le code obtenu n’atteint pas l’efficacité multigrille optimale. Cependant sa convergence est suffisamment rapide pour étudier l’influence de pores pour le segment plat et montrer l’importance d’une texturation partielle. Pour finir, le terme transitoire de l’équation de Reynolds est pris en compte. Pour un segment parabolique et une chemise striée, l’influence des paramètres des stries (profondeur, largeur, distance et angle des stries) sur la variation moyenne de la hauteur de film par rapport à une surface lisse est analysée. / The piston ring cylinder liner (PRCL) contact is essential in the CO2 and pollutant emission reduction in internal combustion engine. These two constraints being antagonistic, a compromise has to be found and it is necessary to study the microgeometry influence in order to find new PRCL contact architectures. As experimental study can be very expensive, modeling PRCL contact performance becomes crucial. Multigrid methods allow a huge reduction of the computational time. Unfortunately, in presence of texture, classical multigrid efficiency decays significantly and are not usable. A new algorithm based on an approach developed by Alcouffe et al. was designed that allows the study of the hydrodynamic lubrication of this contact even in the case of a highly varying geometry due to the texture. The obtained code was validated by comparison with a 1D analytical model, its performance was evaluated and a first study of an analytic cross hatched geometry parameter influence on the load carrying capacity was completed. The code was modified to include flow conservation. A relaxation process based closer to the physics phenomenon is used. The code efficiency is not the one that is expected from multigrid technics. However it convergence is sufficiently fast to study the dimple influence for the oil control ring and show the importance of partial texturing. Finally the transient term of the Reynolds equation is accounted for. In the case of a parabolic ring and for a cross hatched liner, the influence of the groove parameters ( depth, width, distance and groove angle) on the average minimum film thickness with respect to the smooth case is analyzed.

Le moteur à combustion, utilisé dans l’automobile est en perpétuelle évolution pour des raisons économiques et écologiques. Pour parvenir à de faibles consommations de carburant et émissions polluantes, l’un des axes étudiés est la réduction des pertes mécaniques par frottement du moteur qui constituent 15 à 20% de la consommation totale d’énergie du moteur. 50% de ces frottements proviennent des contacts Segment-Piston- Chemise et de la liaison Maneton-Bielle-Coussinet. De ce fait la compréhension de la tribologie de ce contact, l’optimisation de la lubrification et le vieillissement des lubrifiants deviennent primordiaux. L’objectif de cette thèse est d’étudier les mécanismes de lubrification de ces contacts segment/chemise et maneton/coussinet, et en particulier de comprendre l’influence du couplage additif, surface et matériau dans les différentes régimes de lubrification. Il s’agira de répondre à la question : comment maîtriser le frottement et l’usure en contrôlant la chimie du lubrifiant, la topographie et le matériau ? La démarche expérimentale choisie s’appuie sur l’analyse du comportement tribologique de deux additifs modificateurs de frottement sans cendres d’une part, puis sur l’impact du matériau et enfin sur l’influence de la topographie d’autre part. L’analyse de la cinétique d’évolution du coefficient de frottement et des traces d’usure en régime limite ont notamment permis d’identifier les mécanismes de réduction de frottement induits par les deux modificateurs étudiés. / The combustion engine used in automotive industry is constantly changing for economic and ecological reasons. To achieve low fuel consumption and pollutants emissions, one of research axes studied is the reduction of the mechanical friction loss of the motor which constitute 15-20 % of the total energy consumption of the engine. 50% of these come from friction contacts cylinder /piston rings and conrod bearing. Thereby understanding of tribology of the contact, optimizing lubrication and lubricants aging become paramount. The objective of this thesis is to study the mechanisms of lubrication of these contact (piston ring/cylinder and conrod bearing), and in particular to understand the influence of the additive coupling surface and material in the different lubrication regimes. This will answer the question : how to control the friction and wear by controlling the chemistry of the lubricant, the topography and the material ? The experimental approach chosen is based on the analysis of the tribological behavior of two friction modifiers additives ashless at first time, and on the impact of material and finally the influence of topography on the second time. XPS Analysis of the evolution of the coefficient of friction and wear track under boundary regime have enabled to identify mechanisms to reduce friction induced by the two modifiers studied.