Les contraintes législatives, environnementales et économiques poussent les constructeurs automobiles à envisager toutes les solutions possibles pour optimiser au mieux la consommation de carburant des véhicules. La récupération d'énergie à l'échappement fait partie de ces solutions envisageable et le moteur à cycle de Rankine offre de nombreux avantages.Le choix de cette technologie de récupération d'énergie à l'échappement est justifié au moyen d'un état de l'art complet ainsi qu'au moyen d'une comparaison basée sur des simulations au moyen de modèles calibrés. Ces simulations ont permis également de donner un ordre de grandeurs des gains de consommation attendus sur différents cycles de conduite.L'expanseur du moteur à cycle de Rankine est un des éléments-clés du système. Aucun expanseur disponible sur le marché n'est adapté pour l'application véhicule. Dès lors, le dimensionnement d'un nouvel expanseur a été entrepris. Ce dimensionnement a nécessité le développement d'un modèle détaillé de l'expanseur scroll. Le moteur à cycle de Rankine fonctionne avec de l'eau et les expériences passées ont montré que la gestion d'un mélange eau-huile est particulièrement délicate. Le choix d'opérer sans lubrification a été réalisé et une attention particulière s'est portée sur la lubrification sèche des volutes de l'expanseur. Des essais expérimentaux ont permis de mettre en évidence les propriétés tribologiques de divers couples de matériaux. La définition des matériaux du joint radial et des volutes de l'expanseur a donc pu être réalisée.Finalement, cet expanseur a pu être testé sur un banc d'essais. Ce banc a également permis de tester plusieurs autres composants du moteur à cycle de Rankine. Les performances de ces composants ont pu être mesurées lors d'essais stabilisés et ils ont également permis de calibrer des modèles semi-empiriques. Ces modèles peuvent être utilisés dans l'évaluation des performances du système de récupération. / Automotive manufacturers seek every possibility to reduce passenger car fuel consumption due to several constraints such as legislative, environmental or economical ones. Waste heat recovery is one of those possibilities and, among the waste heat recovery solutions, Rankine cycle heat engines provide numerous advantages.A complete state of the art and a comparison based on calibrated semi-empirical models justified the choice of a Rankine cycle heat engine as the waste heat recovery technology to be investigated in this thesis. The simulation of different technologies also provided some orders of magnitude of the achievable fuel consumption reduction.The expander of the Rankine cycle heat engine is one of the key element of the system. No commercially available expander is suitable for a waste heat recovery application on passenger cars. Therefore, a new expander has been sized and manufactured. A detailed model of the scroll expander has been built in order to size the expander.The working fluid of the Rankine cycle heat engine is water and previous experimental works have shown that a mix of steam and lubricating oil is not easy to manage. Dry lubrication has therefore been chosen and experimental test have been run to study tribological properties of different couples of materials. Those tests allowed to choose the material of the involute and the tip seal of the expander.Finally, the expander has been tested in a Rankine cycle heat engine. Other components of the Rankine cycle heat engine have also been tested. Performances of those components have then been measured in steady conditions. These measurements allowed the calibration of semi-empirical models that can therefore be used to evaluate the performance of the system.

Pour répondre aux problématiques d’usure précoce des pièces mécaniques causée par des pressions et températures élevées d’utilisation, des nanolubrifiants constitués de nanocarbones fluorés, connus pour leurs faibles coefficients de frottement et haute stabilité thermique ont été synthétisés. Pour améliorer ces propriétés, des précurseurs nanocarbonés de dimensionnalités différentes, et des procédés de synthèse gaz-solide variés ont été employés. Ainsi, une structure fermée comme les nanofibres de carbone NFCs (1D, tubulaire), ouverte comme le mélange nanodisques / nanocônes de carbone NDCs (majoritairement 2D, discotique) et intermédiaire avec les noirs de carbone graphitisés NCGs (0D, sphérique) ont été fluorés, d’une part avec le fluor moléculaire gazeux et d’autre part avec le fluor atomique produit par décomposition thermique d’un agent solide. Les mécanismes de fluoration / défluoration ont été proposés à l’aide de différentes techniques de caractérisation complémentaires (RMN du solide, MEB, MET, AFM, DRX) pour l’ensemble des matrices étudiées. Des matériaux présentant un gain de stabilité thermique de plusieurs dizaines de degrés comparativement aux matériaux fluorés de la littérature ont été élaborés, et une nouvelle méthode de synthèse dite « fluoration flash » a été mise au point pour étendre encore cette tenue en température. Les bonnes propriétés tribologiques de ces matériaux ont également été démontrées, notamment à 160°C et ceci quel que soit le mode de fluoration. Par la suite, des vernis à base de résines siliconées et chargés en nanofibres de carbone fluorées ont été formulés. Le revêtement composite présente une stabilité thermique supérieure à 400°C comme démontré par l’étude de son mécanisme de dégradation en température, notamment par couplage ATG-FTIR. D’un point de vue tribologique, les coefficients de frottement mesurés à température ambiante et 160°C sont inférieurs à 0,1 et les tribofilms obtenus ont été caractérisés par analyse MEB et EDX. / To address some issues to premature wear caused by high pressures and temperatures used on aircraft parts, nanolubricants made of fluorinated nanocarbons were synthesized. They are known for their low friction coefficients and high thermal stability in air. To improve these properties, carbonaceous nanomaterial precursors with different dimensionalities, and various gaz-solid synthesis methods were investigated. Thus, a closed structure such as carbon nanofibres (1D, tubular), opened such as carbon nanodiscs/nanocones (2D in majority, discotic) and intermediate with graphitized carbon blacks(0D, spherical) were fluorinated, firstly with molecular fluorine gas, and secondly with atomic fluorine released by the thermal decomposition of a solid fluorinating agent. Mechanisms of fluorination/defluorination were proposed thanks to complementary characterization techniques (solid NMR, SEM, TEM, AFM, XRD) for all the studied compounds. Materials with a gain of thermal stability of several tens of degrees compared to fluorinated materials of the litterature were prepared, and a new synthesis way called “flash fluorination” has been developed to further expand the thermal stability in air. Good tribological properties of these materials have been also demonstrated, including high temperature (160°C) regardless of the fluorination method. Then, polysiloxane resins loaded with fluorinated carbon nanofibres were formulated. The composite coatings exhibit thermal stability above 400°C as demonstrated by the study of the degradation mechanism as a function of the temperature, in particular by coupling TGA-FTIR. From a tribological point of view, friction coefficients measured at room temperature and 160°C are below 0.1 and the tribofilms obtained were characterized by SEM and EDX analysis.

La dégradation des contacts tribologiques sous une sollicitation de fretting est un phénomène complexe lié à l’interaction entre deux corps sous une faible amplitude de débattement, ce qui limite la durée de vie des pièces de manière significative. La lubrification solide est de plus en plus utilisée dans les applications tribologiques pour réduire les frottements et protéger la surface du substrat contre l'usure par fretting. La performance du revêtement dépend de nombreux facteurs tels que les conditions de sollicitation, les propriétés du substrat, du contre-corps et du revêtement et l'adhérence entre le revêtement et le substrat. Les objectifs de cette thèse sont de discuter le frottement et le comportement en usure du revêtement sous différentes conditions et d'analyser l'effet des paramètres d’essai sur le coefficient de frottement et la durée de vie du revêtement, ce qui peut être effectivement utile pour l'évaluation de la qualité des revêtements. Les tests de fretting sont menés pour comprendre les relations entre le comportement tribologique d'un vernis à base de MoS2 et les conditions d’essai. Le revêtement est étudié pour différentes valeurs de force de contact, amplitude de déplacement, configuration de contact, position du revêtement, nature du substrat et épaisseur. L'effet de chaque facteur est évalué par l'analyse de variance. L'analyse de régression est utilisée pour prévoir la performance du revêtement. L'observation de l'évolution de la trace d’usure est réalisée pour expliquer l’importance des facteurs et les coefficients dans les équations de prédiction. En outre, l'analyse de fiabilité est utilisée pour décrire et prévoir le taux de survie du revêtement sous certaines conditions d’essai. Enfin, un modèle linéaire de durée de vie est évalué afin de prendre en compte l'amplitude de déplacement variable. / Fretting wear is considered as a complex wear phenomenon related to interaction between two sliding bodies under very low displacement amplitude, which limits the lifetime of elements significantly. Solid lubricant is more and more applied in tribological applications to reduce friction and protect the substrate surface from fretting wear. The performance of coating depends on many factors such as running conditions, properties of substrate, counterbody and coating, and adhesion between coating and substrate. The objectives of this thesis are to discuss the friction and wear behavior of the coating under different running conditions, and to analyze the effect of test parameters on the friction coefficient and lifetime of the coating, which can be effectively helpful for the evaluation of quality of the coating. Fretting experiments are carried out to understand the relationships between the tribological behavior of a MoS2 based varnish coating and running conditions. The coating is investigated under different contact forces, different displacement amplitudes, different contact configurations, different coating positions, different substrates and different thicknesses. The rank of effect of factors is evaluated by the analysis of variance. Regression analysis is used to predict the performance of coatings under certain running conditions. The observation of evolution of wear scar is applied to explain the rank of factor and coefficients in the prediction equations. Furthermore, the reliability analysis is used to describe and predict the survival rate of coatings under certain running conditions. Finally, a linear model for lifetime is assessed in order to take into account variable displacement amplitude.

Cette thèse concerne l’étude des contacts pivotants rencontrés à la conjonction collet-rouleau, entre la bague d’un roulement et le flanc d’un rouleau. L’orientation principale de l’écoulement du lubrifiant peut changer lorsque le contact est mis à l’oblique. Cette cinématique complexe influe sur le comportement du contact. Elle est donc étudiée par une approche duale, expérimentale et numérique. Le banc d’essai Tribogyr permet l’expérimentation du contact à l’échelle 1:1. Une méthode pour la mesure de l’épaisseur du film lubrifiant par interférométrie optique en lumière blanche a été développée sur le banc d’essai et rend possible la mesure d’épaisseurs entre 0 et 800 nm, avec une résolution de quelques nanomètres. La mesure des efforts dans le sens de l’écoulement montre des similitudes avec les contacts de type roulement-glissement bien que le coefficient de frottement soit globalement plus faible. Les efforts transverses ont des valeurs du même ordre de grandeur que les efforts longitudinaux. Ils sont dus au cisaillement transverse induit par le pivotement. Un modèle numérique a été développé dans le but de simuler ces contacts pivotants. Le modèle inclut le calcul des températures et la rhéologie non Newtonienne du lubrifiant dans une stratégie de résolution par éléments finis, totalement couplée. La validation avec des résultats expérimentaux issus de Tribogyr, en épaisseur de film et en frottement, a été effectuée. Il est montré que l’épaisseur de film chute lorsque le pivotement et l’obliquité cisaillent le fluide, entraînant des effets rhéo-fluidifiants et thermo-fluidifiants. En cas de fort pivotement, le lubrifiant sortant peut être réinjecté à nouveau vers l’intérieur du contact et les transferts de chaleur entre lubrifiant et solides en sont fortement perturbés. Une forte obliquité entraîne à la fois la formation d’une augmentation locale de l’épaisseur de film et peut aussi provoquer la sous-alimentation du contact. Plusieurs campagnes expérimentales couplées à l’utilisation intensive du modèle numérique ont permis de comprendre les phénomènes physiques entrant en jeu et de prévoir l’efficacité, en terme de pertes de puissance, d’un contact pivotant. / This thesis is devoted to the study of spinning contacts located in bearing between the roller-end and the ring flange. The main direction of the lubricant flow may change when the contact is subjected to skew. This complex kinematics influences the contact behaviour. A dual experimental-numerical approach is proposed to study this problem. The Tribogyr test-rig allows the experimentation of the contact at the 1:1 scale. A film thickness measurement method, based on white light interferometry, was developed on Tribogyr. This method allows the measurement of film thickness between 0 and 800 nm with an accuracy of a few nanometres. The measurement of forces in the main flow direction shows similarities with classical rolling-sliding contacts. However, the friction coefficient is globally lower as soon as spin is involved. Transverse forces are of the same order of magnitude as the longitudinal forces. This is due to transverse shearing caused by the spin. A numerical model has been developed for the simulation of these spinning contacts. The finite element model, which is based on a fully-coupled solving strategy, takes into account the temperature calculation and the lubricant non-Newtonian rheology. Its validation with Tribogyr experimental results in terms of film thickness and friction has been conducted. Spin and skew effects induce high shear-thinning and thermal-thinning of the lubricant that lead to a decrease of the film thickness. Under high spinning condition, the lubricant exiting the contact may be re-injected to the contact inlet. Consequently, the heat transfers between the lubricant and the solids in contact are modified. In contact subjected to high skew, a local increase (dimple) of the film thickness may occur. Important skew may also lead to starvation conditions. Many experimental campaigns, coupled with an intensive use of the numerical model, allowed to understand the physical phenomena involved as well as to predict the efficiency, in terms of power losses, of the spinning contacts.

La température et la pression sont deux paramètres particulièrement importants pour l’optimisation des performances du régime de lubrification élastohydrodynamique (EHL). A ce jour, différentes méthodes expérimentales ont été développées, avec plus ou moins du succès, pour la mesure de ces deux paramètres. Ce travail présente, en continuité de ces approches, des investigations visant à développer une nouvelle technique in situ permettant de mesurer localement ces deux grandeurs dans les contacts élastohydrodynamiques (EHD). Cette technique exploite la sensibilité en photoluminescence (PL) des boîtes quantiques (ou en anglais « quantum dots (QDs)) de CdSe/CdS/ZnS aux variations de température et de pression. A cet égard, des calibrations ont été réalisées afin d’évaluer la sensibilité de ces QDs aux deux paramètres. De plus, la versatilité de ces QDs comme nanosondes a été examinée en testant deux lubrifiants différents : le squalane et un mélange de squalane et de cyclopentane. Des mesures ont été également effectuées sous conditions dynamiques afin d’étudier (i) l’influence de la présence des QDs sur la rhéologie du lubrifiant et (ii) l’influence du taux de cisaillement sur la PL des QDs. Bien que ces différents tests aient prouvé le potentiel des QDs de CdSe/CdS/ZnS, ils ont révélé l’existence d’autres paramètres qui peuvent, tout comme la température et la pression, en modifier la réponse. L’étude a été menée afin d’approfondir la compréhension des mécanismes responsables de tels effets. Plus important encore, une méthodologie a été définie pour minimiser ces effets indésirables, et pour in fine, permettre l’usage de ces QDs en tant que nanosondes fiables. / Temperature and pressure are two relevant parameters for the optimization of lubrication performance in the elastohydrodynamic lubrication (EHL) regime. To date, various experimental methods have been developed to measure these two parameters with more or less success. In a continuation of these efforts, some investigations are presented in the current work in view of developing a new in situ technique allowing for local measurements of these two parameters throughout elastohydrodynamic (EHD) contacts. This technique exploits the photoluminescence (PL) sensitivity of CdSe/CdS/ZnS quantum dots (QDs) to changes in temperature and pressure. In this respect, calibrations have been carried out in order to establish the sensitivity of these QDs to the two parameters. Moreover, the versatility of these QDs for sensing applications have been examined by testing two different lubricants, namely squalane and a mixture of squalane and cyclopentane. Some measurements were also conducted under dynamic conditions, in order to study (i) the influence of the QDs presence on the lubricant rheology and (ii) the influence of shear rate on the PL of QDs. Although these different tests demonstrated the potential of CdSe/CdS/ZnS QDs, they revealed the existence of other parameters that affect, in addition to temperature and pressure, their response. A comprehensive study was thus conducted in order to elucidate the mechanisms behind these findings. More importantly, a methodology was defined in order to minimize these undesired influences and, in fine, enable these QDs to be used as reliable nanosensors.

Dans ce travail, nous avons examiné de près les propriétés tribologiques et mécaniques de composites thermoplastiques chargés de différentes fractions massiques de particules de lubrifiant solide. Pour la matrice thermoplastique, nous avons retenu le polyamide 6-6 et le polycarbonate alors que les lubrifiants solides envisagés sont le graphite et le bisulfure de molybdène. L’élaboration des composites a été établie à l’aide d’une première méthodologie de moulage par injection directe. Une deuxième méthodologie d’élaboration, qui fait intervenir une étape de prétraitement du lubrifiant solide avant injection afin d’améliorer l’adhésion à l’interface matrice/lubrifiant solide, a été également utilisée. Pour les différents composites élaborés, les comportements tribologiques ont été analysés par l’intermédiaire d’un microtribomètre de type pion/plan à mouvement linéaire alterné. L’impact de la méthodologie d’élaboration sur les propriétés d’adhésion à l’interface charge/matrice a été exploré. Les moyens expérimentaux utilisés reposent principalement sur les tests de traction uniaxiale couplés à des tests de micro-rayage et des caractérisations microstructurales complémentaires (fractographie, tomographie X). Les propriétés mécaniques et micromécaniques mesurées ont été corrélées aux observations microstructurales. / Through this work, we focused on the tribological and mechanical properties of thermoplastic composites containing different weight fractions of solid lubricant filler. For the thermoplastic matrixes, we choose polyamide 6-6 and polycarbonate and the solid lubricants considered were graphite and molybdenum disulfide. Composites were developed by direct injection molding process as a first methodology. A second one is also used based on particles pretreatment before injection molding in order to improve the adhesion in the filler/matrix interface. Friction experiments were conducted using a reciprocating microtribometer. The effect of the development methodology on the adhesion properties in the filler/matrix interface was explored. The experimental tools were principally based on uniaxial tensile tests coupled to scratch tests and complementary microstructural characterizations (fractography, X-ray tomography). The measured mechanical and micromechanical properties were correlated to the microstructural observations.

Power dispersion within oil injected screw air compressors : The PhD-work shows the power dispersion within the oil- and air circuits of oil injected screw air compressors for the working pressures (Pd), where Pd has been tested for Pd ≤ 8,5 bar (a) and Pd ≤14,0 bar(a) respectively. The executed test runs with mineral oil have further confirmed the suppliers quoted performance data within stated tolerances. For comparison of the compressor performance with type of lubricant, the performance tests have been repeated with the four most common types of lubricants, which today are commercialised for screw air compressors. The selected lubricants hold the same cinematic viscosity (ISO VG 46), but the lubricants diverge in question of solubility of air and in formation of air bubbles during the compression cycle. These phenomenas confirm deviations in prevailing viscosity in the oil film and demonstrate that the performance data vary slightly with selected type of lubricant. The tests have proven that the air, which dissolve in the lubricant during the compression cycle will not degas during the resting period in the air/oil receiver, nor will the miniscule air bubbles degas due to their low ascending speed. This means that the content of dissolved air and air bubbles in the oil in the receiver becomes the most elevated within the system and where the temperature is the highest within the compressor cycle. Further is the resting period of the oil in the receiver extreme long in relation to the over all operating cycle of the oil. The conclusion is that the destruction (oxidation) of the oil is taking place in the oil/air receiver and nowhere else within the system. To counteract the oxidation and other destructive processes in the oil circuit « additives » are introduced in the oil. So are e.g. anti-oxide additives reducing the formation of peroxides and are by this reducing the oxidation velocity of the oil until the additives have been consumed. These additives are reducing the oxidation velocity of the lubricants, but will as well, due to the increased polarity caused by the additives, increase the content of dissolved water in the oil. However, this increased content of dissolved water is (strongly) reducing life of the roller bearings. The measured quantities of dissolved water in the lubricants (after the executed tests) have been compared with achieved bearing life from tests executed by others. The PhD work is finally summarizing that the only method to strongly reduce the destruction of the lubricant is to immediately separate off the oil from the compressed air at exit of the compressor. In addition, the today's « dumped » power in the oil cooler can be recovered to increase the available pneumatic power by some 25-30%. Assumingly, this increase in working temperature of the pneumatic air will, in addition increase the efficiency in applied pneumatic tools.

Lors de la polymérisation en suspension du chlorure de vinyle, il se forme sur les parois un dépôt de polychlorure de vinyle (PVC). Ce phénomène, nommé encroûtement, génère des problèmes car il limite la production de PVC et affecte la qualité du produit final. Dans ce contexte, un projet FUI (Fond Unique Interministériel) intitulé «Ecoating», a été financé dans le cadre d’une collaboration entre plusieurs partenaires industriels et universitaires (INEOS ChlorVinyls, Mäder Research, Avenir Group, LPIM, ESPCI-ParisTech). Deux thèses ont vu le jour au LPIM, avec pour but de développer un revêtement (photo)polymère aux propriétés anti-encroûtement durables qui permettrait d’améliorer la qualité du PVC produit, d’augmenter les quantités produites et ainsi d’améliorer la compétitivité des usines de PVC. Cette thèse s’inscrit dans le développement d’un vernis photopolymère répondant au cahier des charges. Pour éviter l’encroûtement des réacteurs, il est nécessaire de stopper une étape du mécanisme d’encroûtement comme l'adsorption sur les parois du réacteur d’un copolymère nommé Acvagen Graft Copolymer (AGC). Ce copolymère est très actif dans le phénomène d’encroûtement (site de nucléation) et se trouve principalement dans la phase aqueuse du milieu réactionnel. La stratégie de recherche élaborée dans ce projet a été basée sur le développement d'un revêtement photopolymère présentant une faible affinité pour l'eau et devant adhérer à la surface des réacteurs pour éviter la formation de croûte. Les polymères à base de fluoroacrylates ont été les premiers candidats choisis dans cette étude du fait que leurs propriétés exceptionnelles (faible énergie de surface, stabilité chimique et haute hydrophobicité...) pouvaient éviter l'adsorption de l'AGC sur les parois du réacteur, et par conséquent le développement de la croûte. Une recherche bibliographique a été réalisée pour comprendre le comportement particulier de ces molécules qui migrent vers la surface du film et s’organisent en surface pour donner des surfaces hydrophobes. Des mélanges de résines fluoroacryliques modèles ont été testés pour évaluer le caractère hydrophobe du revêtement, comprendre la migration des molécules de fluor vers l’interface en fonction de la nature de substrat et aussi déterminer l’influence de l’ajout d’additifs fluorés au mélange sur les propriétés globales du film. Cette étude nous a permis de comprendre l’influence de l’additif fluoré sur les propriétés chimiques et physiques du film. À l’échelle du laboratoire des tests d’immersion de ces revêtements déposés sur l’acier inoxydable ont étés réalisés dans l’eau chaude (80°C) afin de caractériser leur caractère hydrophobe en fonction du vieillissement dans l’eau chaude ainsi que l’adhésion du film au substrat. Nous avons observé une diminution de l'hydrophobicité de la surface du film au cours du temps lors d’une immersion. [...] / Our scientific approach has explored different strategies to develop a durable UV-cured coating with antifouling properties to prevent the crust formation. Firstly, the potential of fluoroacrylate photocurable coatings was exhaustively investigated. Indeed, their outstanding properties (low surface energy, chemical stability and high hydrophobicity...) could limit the adsorption of the AGC on the reactor walls and further encrusting. A bibliographic research highlighted the behavior of fluorinated monomers on film surface and the parameters affecting the hydrophobic properties. Different fluorinated monomers were selected. At low concentration, they provide hydrophobic surfaces on 316L stainless steel, the reference substrate. However, a decrease of the films surface hydrophobicity in hot water was observed with time, and was attributed to a disorganization of the fluorinated chains on the coating surface. An optimization of the amount of fluoroacrylate monomer was performed by confocal Raman microscopy (CRM) to promote the fluorinated chains stability on the surface before and after immersion in hot water at 80°C. The beneficial effect was found maximal at a concentration ranging from 1 to 1.8 wt%. However, even after this optimization, a decrease of the film surface hydrophobicity was observed for increased immersion time in hot water. Therefore, optimized fluoroacrylate monomer concentration was combined with alternated thermal/immersion post-treatment and has conducted to more stable photocured films. This result was attributed to a rigidification of the fluorinated chains on the film surface limiting thus, the extent of their disorganization. After this study realized at a laboratory scale, we tested the photocured coating in the VCM pilot reactor. A surface cleaning, an increase of the stainless steel roughness by shot blasting and the use of alkoxysilanes as coupling agents were implemented in order to enhance the adhesion properties of the photopolymer film on stainless steel. In addition, the use of a fluorinated monomer containing a heteroatom improved the rigidification when associated with the alternated thermal/immersion post-treatment. The crust formation was limited during four successive polymerizations in the VCM pilot reactor. A durable anti-fouling UV-coating could be not obtained due to some swelling phenomena resulting from the lack of coating adhesion or some abrasion occurring from small PVC pellets during the PVC polymerization.A second part of this project was dedicated to superhydrophobic coatings. Indeed, reducing interaction with water should lead to a better protection of the substrate. A literature review on the superhydrophobic surfaces has shown that the contact with hot water generally strongly affects their antiwetting properties and induces a large contact angle decrease. [...]