La législation européenne sur les émissions des véhicules devient de plus en plus sévère et ceci afin de minimiser l'impact sur l'environnement de la pollution occasionnée par les moteurs à combustion interne. La réduction des pertes par frottement et une plus faible consommation du carburant représentent différents aspects sur lesquels il est possible d’intervenir dans ce sens. Pour diminuer les pertes par frottement, plusieurs approches ont été utilisées, soit au niveau du design des pièces mécaniques, soit au niveau de l’optimisation du lubrifiant pour un contact considéré. Le dithiocarbamate de molybdène (MoDTC) est l’un des additifs modificateur de frottement permettant d’atteindre les plus faibles coefficients de frottement pour un contact acier/acier lubrifié en régime limite. La molécule se décompose dans le contact à des températures et des pressions élevées, en formant des feuillets lamellaires de MoS2 sur les surfaces frottantes. Cependant, il est nécessaire d'optimiser la durée de vie de ces additifs, en empêchant leurs appauvrissements ou dégradations prématurés dans le lubrifiant. Il a été montré, en effet, que les performances du MoDTC sont sensibles au temps de fonctionnement du moteur et sont donc liées à sa dégradation. L'objectif principal de cette thèse était donc de mieux comprendre le comportement tribologique (frottement et usure) d’une huile de base contenant du MoDTC en fonction de la dégradation du lubrifiant pour des contacts acier/acier et DLC/acier. L’approche utilisée pour mieux comprendre le comportement du MoDTC lorsqu'il est soumis à une dégradation thermo-oxydative consiste à combiner des expériences tribologiques, à des caractérisations de surface (XPS, FIB / TEM / EDX, Raman, SEM) et à des caractérisations chimiques des huiles (chromatographie en phase liquide, spectroscopie de masse, FT-IR). Un lien direct et cohérent entre la composition du tribofilm et la voie de décomposition chimique de l'additif MoDTC proposée a été mise en évidence. Les additifs modernes sont conçus pour être utilisés sur des surfaces à base de fer. Il est donc essentiel d'optimiser simultanément les lubrifiants et les revêtements pour améliorer leurs performances. Dans cette thèse, un modèle d'usure du revêtement DLC hydrogéné lubrifié en présence de MoDTC a été proposé. Nous avons établi à l’aide de plusieurs techniques, que l’usure est due principalement à la formation de carbure de molybdène présent dans le tribofilm formé à la surface de l’acier. / European legislation on vehicle emissions continues to become more severe to minimize the impact of Internal Combustion Engines (ICE) on the environment. One area of significant concern in this respect is the reduction of friction losses resulting in reduced emissions and as well as higher fuel efficiency and lower fuel consumption. To decrease these losses, several approaches have been made particularly at design of mechanical parts stage and at experimental level to optimize lubricant components. A great contribution to solve the problem can be given by the optimization of the additives package blended into the engine lubricants. The molybdenum dithiocarbamate (MoDTC) is the additive showing the best tribological performance by acting as friction modifier. It decomposes under high temperatures and pressure, forming layered structures on the engine surfaces. However, the use of effective friction reducing additives to achieve low boundary friction coefficient is not enough to have great engine fuel efficiency. In addition, in fact, it is needed also to maximize their durability, preventing premature consumption or depletion of these additives. It has been shown, in fact, that the friction reduction performance of MoDTC is sensitive to engine operating time and that is related to the degradation of MoDTC itself. In the first part of my thesis we tried to get a good comprehension of the chemical mechanisms of MoDTC ageing and to study the impact on the tribological properties. The chemical bulk oil characterization of MoDTC blended into the base oil when subjected to thermo-oxidative degradation allowed to propose a new hypothetical chemical pathway followed by the friction modifier molecules during the ageing process. At the same time, these findings were linked to the impact of the MoDTC degradation on its tribological properties. As reported in literature, another MoDTC drawback is its strong antagonism with DLC coating. In fact, when DLC-involving contacts are lubricated by MoDTC-containing base oil, a catastrophic DLC wear is produced. For this reason, in the second part of the project a multi-techniques approach has been adopted to get a better understanding of this wear mechanism. The combination of all the findings allowed to propose for the first time a new wear mechanism based on the formation of molybdenum carbide species inside the contact. A strong chemical interaction between the molybdenum-based species formed on the steel counter-body and the carbon of the DLC material has been supposed, leading to the formation of MoC species. All the results found are discussed to clarify the correlation between degradation time, tribological performance and tribofilm characterizations in both steel/steel and DLC/steel contact.

Le secteur du transport en Europe dépend à 98% du pétrole, participe pour plus de 30% à la consommation énergétique et représente plus de 20% des émissions totales de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, le développement des biocarburants permettrait une diversification énergétique et une diminution des émissions de gaz à effet de serre, les biocarburants ayant un impact environnemental réduit. De plus, le frottement dans les moteurs diesel est responsable de la perte de la consommation totale d'énergie de près de 15%. La plupart de ces pertes sont liées au contact piston-chemise. Développer les biocarburants peut alors contribuer à réduire d’une part la consommation d’énergie et d’autre part les émissions polluantes. L'additivation de biocarburants avec des modificateurs de frottement organiques (MF) peut être l’une des solutions pour répondre à cette problématique. Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés de réduction de frottement de différents types de MF organiques dans les matrices carburant (B0) et biocarburant (B7), en contact acier / acier. Une diminution significative du coefficient de frottement, de plus de 50%, a été observée en présence d'un mélange d'acides gras en matrice B7 à 100 °C. De plus, peu d’usure est causée durant le test en frottement grâce à la formation d'un tribofilm organique. Cette tribofilm semble être amorphe et généré par une réticulation accélérée des acides gras insaturés (MF) en présence d'esters (B7) dans les conditions tribologiques utilisées. Appuyé par des techniques d’analyses de surface, un mécanisme d'action de réduction de frottement par les additifs organiques dans les biocarburants est proposé et de nouvelles pistes de développement sont présentées. / Improve friction efficiency and environmental sustainability of engines have been increasing in importance since the end of 20th century. Indeed, friction in diesel engines is responsible for almost 15% loss of the total energy consumption. Most of these losses are related to the pistonliner contact. The development of new biofuels, allowing an energy diversification and decreasing the emissions of greenhouse gases due to their reduced environmental impact, can contribute to environmental sustainability and reduction in energy costs. The additivation of biofuels with organic friction modifiers additives (FM) can be an essential way to address this problem. In this thesis, we investigated the friction reduction properties of different kinds of organic FM in fuel (B0) and biofuel (B7) matrixes for steel/steel contact. A significant decrease of friction coefficient, more than 50%, was observed in the presence of a mixture of fatty acids blended to the B7 matrix at 100°C. Moreover, almost no wear is caused on the track thanks to the formation of an organic tribofilm. This organic-based tribofilm appears to be amorphous and generated by an easiest crosslinking of the unsaturated fatty acids (FMs) in the presence of esters under tribological conditions. Supported by advances surface analyses, a potential friction reduction action mechanism of acid-based additives in biofuels is proposed and new avenues for development are provided.

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.