Additifs de Lubrifiants - Un Guide Pratique

Ils constituent la base de la réserve d’alcalinité des huiles moteur, appelée indice de base (BN).  Ce sont généralement des matériaux issus de la chimie du calcium et du magnésium.  Les détergents à base de baryum étaient utilisés dans le passé, mais ils sont rarement utilisés aujourd'hui.

Étant donné que ces composés métalliques laissent un dépôt de cendres lorsque l’huile est brûlée, ils peuvent provoquer la formation de résidus indésirables dans les applications à haute température.  En raison de ce problème de cendres, de nombreux équipementiers spécifient des huiles à faible teneur en cendres pour les équipements fonctionnant à des températures élevées.  Un additif détergent est normalement utilisé conjointement avec un additif dispersant.

Dispersants

Les dispersants se trouvent principalement dans l’huile moteur avec des détergents pour aider à garder les moteurs propres et exempts de dépôts.  La fonction principale des dispersants est de maintenir les particules de suie des moteurs diesel finement dispersées ou en suspension dans l'huile (taille inférieure à 1 micron). 

L'objectif est de maintenir le contaminant en suspension et de ne pas lui permettre de s'agglomérer dans l'huile afin qu'il minimise les dommages et puisse être évacué du moteur lors d'une vidange d'huile.  Les dispersants sont généralement organiques et sans cendres.  En tant que tels, ils ne sont pas facilement détectables avec l’analyse conventionnelle du pétrole. 

La combinaison d’additifs détergents/dispersants permet de neutraliser davantage de composés acides et de laisser davantage de particules contaminants en suspension.  Comme ces additifs remplissent leurs fonctions de neutralisation des acides et de mise en suspension des contaminants, ils finiront par dépasser leur capacité, ce qui nécessitera une vidange d'huile.

Agents anti-mousse

Les produits chimiques de ce groupe d’additifs possèdent une faible tension interfaciale, ce qui affaiblit la paroi des bulles d’huile et permet aux bulles de mousse d’éclater plus facilement.  Ils ont un effet indirect sur l’oxydation en réduisant le contact air-huile. 

Certains de ces additifs sont des matériaux silicones insolubles dans l’huile qui ne sont pas dissous mais plutôt finement dispersés dans l’huile lubrifiante.  De très faibles concentrations sont généralement nécessaires.  Si trop d’additif anti-mousse est ajouté, cela peut avoir un effet inverse et favoriser davantage le moussage et l’entraînement de l’air.

Modificateurs de friction

Les modificateurs de friction sont généralement utilisés dans les huiles moteur et les fluides de transmission automatique pour modifier la friction entre les composants du moteur et de la transmission.  Dans les moteurs, l’accent est mis sur la réduction des frictions pour améliorer l’économie de carburant. 

Dans les transmissions, l’accent est mis sur l’amélioration de l’engagement des matériaux d’embrayage.  Les modificateurs de friction peuvent être considérés comme des additifs anti-usure pour des charges inférieures qui ne sont pas activés par les températures de contact.

Abaisseurs de point d'écoulement

Le point d’écoulement d’une huile est approximativement la température la plus basse à laquelle une huile reste fluide.  Les cristaux de cire qui se forment dans les huiles minérales paraffiniques cristallisent (deviennent solides) à basse température.  Les cristaux solides forment un réseau de treillis qui empêche l’huile liquide restante de s’écouler. 

Les additifs de ce groupe réduisent la taille des cristaux de cire dans l'huile et leur interaction les uns avec les autres, permettant à l'huile de continuer à s'écouler à basse température.

Désémulsifiants

Les additifs désémulsifiants empêchent la formation d'un mélange huile-eau stable ou d'une émulsion en modifiant la tension interfaciale de l'huile afin que l'eau fusionne et se sépare plus facilement de l'huile.  Il s'agit d'une caractéristique importante pour les lubrifiants exposés à la vapeur ou à l'eau, car l'eau libre peut se déposer et être facilement évacuée dans un réservoir.

Émulsifiants

Émulsifiants are used in oil-water-based metal-working fluids and fire-resistant fluids to help create a stable oil-water emulsion.  The emulsifier additive can be thought of as a glue binding the oil and water together, because normally they would like to separate from each other due to interfacial tension and differences in specific gravity.

Biocides

Des biocides sont souvent ajoutés aux lubrifiants à base d’eau pour contrôler la croissance des bactéries.

Agents collants

Agents collants are stringy materials used in some oils and greases to prevent the lubricant from flinging off the metal surface during rotational movement.

Pour être acceptables aussi bien par les mélangeurs que par les utilisateurs finaux, les additifs doivent pouvoir être manipulés dans un équipement de mélange conventionnel, stables au stockage, exempts d'odeur désagréable et non toxiques selon les normes industrielles normales. 

Comme bon nombre d’entre eux sont des matériaux très visqueux, ils sont généralement vendus au formulateur d’huile sous forme de solutions concentrées dans une huile de base.

Quelques points clés concernant les additifs :
Plus d’additif n’est pas toujours meilleur.  Le vieil adage « Si un petit peu de quelque chose est bon, alors plus de la même chose, c'est mieux » n'est pas nécessairement vrai lorsqu'on utilise des additifs pour huile. 

À mesure que davantage d'additifs sont mélangés à l'huile, parfois aucun avantage n'est obtenu et parfois les performances se détériorent.  Dans d’autres cas, les performances de l’additif ne s’améliorent pas, mais la durée de service s’améliore.

L'augmentation du pourcentage d'un certain additif peut améliorer une propriété d'une huile tout en en dégradant une autre.  Lorsque les concentrations spécifiées d’additifs deviennent déséquilibrées, la qualité globale de l’huile peut être affectée. 

Certains additifs se font concurrence pour le même espace sur une surface métallique.  Si une forte concentration d’agent anti-usure est ajoutée à l’huile, l’inhibiteur de corrosion peut devenir moins efficace.  Le résultat peut être une augmentation des problèmes liés à la corrosion.

Comment les additifs pétroliers s’épuisent

Il est très important de comprendre que la plupart de ces additifs sont consommés et épuisés par :

1. "décomposition» ou panne,
2. "adsorption» sur les surfaces métalliques, particulaires et aquatiques, et
3. "séparation» dû à la décantation ou à la filtration.

Les mécanismes d'adsorption et de séparation impliquent un transfert de masse ou un mouvement physique de l'additif.

Pour de nombreux additifs, plus l’huile reste longtemps en service, moins l’ensemble d’additifs restant est efficace pour protéger l’équipement. 

Lorsque l'ensemble d'additifs s'affaiblit, la viscosité augmente, des boues commencent à se former, des acides corrosifs commencent à attaquer les roulements et les surfaces métalliques et/ou l'usure commence à augmenter.  Si des huiles de mauvaise qualité sont utilisées, ces problèmes commenceront beaucoup plus tôt.

C'est pour ces raisons que des lubrifiants de qualité supérieure répondant aux spécifications correctes de l'industrie (par exemple, les classifications de service moteur API) doivent toujours être sélectionnés.  Le tableau suivant peut être utilisé comme guide pour une compréhension plus approfondie des types d'additifs et de leurs fonctions dans les formulations d'huile moteur.

Il ressort clairement des informations ci-dessus que la plupart des huiles utilisées pour lubrifier les équipements contiennent de nombreux produits chimiques.  Il s’agit de mélanges complexes de produits chimiques en équilibre les uns avec les autres et qui doivent être respectés. 

C’est pour ces raisons qu’il convient d’éviter le mélange de différentes huiles et l’ajout d’additifs lubrifiants supplémentaires. 

Additifs de rechange et conditionneurs d'huile supplémentaires

Il existe des centaines d’additifs chimiques et de conditionneurs de lubrifiants supplémentaires disponibles.  Dans certaines applications ou industries spécialisées, ces additifs peuvent avoir leur place dans l'amélioration de la lubrification. 

Cependant, certains fabricants de lubrifiants complémentaires font des allégations sur leurs produits qui sont exagérées et/ou non prouvées, ou omettent de mentionner un effet secondaire négatif que l'additif peut provoquer. 

Soyez très prudent dans le choix et l’application de ces produits, ou mieux encore, évitez de les utiliser.  Si vous voulez une meilleure huile, achetez d’abord une meilleure huile et laissez la chimie aux gens qui savent ce qu’ils font.  

Souvent, les garanties sur l'huile et l'équipement sont annulées en raison de l'utilisation d'additifs de rechange, car la formulation finale n'a jamais été testée et approuvée.  Acheteur, méfiez-vous.

Lorsque vous envisagez l’utilisation d’un additif après-vente pour résoudre un problème, il est sage de se rappeler les règles suivantes :

Règle n°1         
Un lubrifiant de qualité inférieure ne peut pas être transformé en un produit haut de gamme simplement par l'inclusion d'un additif.  Acheter une huile finie de mauvaise qualité et tenter de remédier à ses mauvaises qualités lubrifiantes avec un additif spécial est illogique.

Règle n°2         
Certains tests de laboratoire peuvent être trompés et donner un résultat positif.  Certains additifs peuvent tromper un test donné pour qu'il fournisse un résultat satisfaisant.  Souvent, plusieurs tests d’oxydation et d’usure sont effectués pour obtenir une meilleure indication des performances d’un additif.  Ensuite, de véritables essais sur le terrain sont effectués.

RÈGLE #3       
Les huiles de base ne peuvent dissoudre (transporter) qu’une certaine quantité d’additif.  En conséquence, l’ajout d’un additif supplémentaire dans une huile ayant un faible niveau de solubilité ou étant déjà saturée d’additif peut simplement signifier que l’additif se déposera hors de la solution et restera au fond du carter ou du carter.  L'additif ne peut jamais remplir la fonction revendiquée ou prévue.

Si vous choisissez d'utiliser un additif de rechange, avant d'ajouter un additif supplémentaire ou un conditionneur d'huile à un système lubrifié, prenez les précautions suivantes :

1. Déterminez s’il existe un réel problème de lubrification.  Par exemple, un problème de contamination de l’huile est le plus souvent lié à un mauvais entretien ou à une filtration inadéquate et pas nécessairement à une mauvaise lubrification ou à une huile de mauvaise qualité.

2. Choisissez le bon additif supplémentaire ou conditionneur d’huile.  Cela signifie prendre le temps de rechercher la composition et la compatibilité des différents produits disponibles sur le marché.

3. Insistez pour que des données factuelles d’essais sur le terrain soient mises à disposition pour étayer les affirmations concernant l’efficacité du produit.

4. Consultez un laboratoire d’analyse d’huile réputé et indépendant.  Faites analyser l’huile existante au moins deux fois avant d’ajouter un additif supplémentaire.  Cela établira un point de référence.

5. Après l'ajout de l'additif ou du conditionneur spécial, continuez à faire analyser régulièrement l'huile.  Ce n'est que grâce à cette méthode de comparaison que des données objectives sur l'efficacité de l'additif peuvent être obtenues.

Il existe de nombreuses controverses autour de l’application d’additifs supplémentaires.  Cependant, il est vrai que certains additifs lubrifiants supplémentaires réduiront ou élimineront la friction dans certaines applications telles que les voies de machines-outils, les entraînements par engrenages extrême pression et certaines applications de systèmes hydrauliques haute pression.

Lorsqu'on leur demande un exemple de moteur refroidi par air, de nombreuses personnes citeront la Porsche 911 Carrera, connue pour son moteur six cylindres à plat haut de gamme refroidi par air, le moteur dit « Boxer ». Connue par beaucoup sous le nom de « 911 refroidies par air », la dernière itération du moteur six cylindres à plat refroidi par air de Porsche a été abandonnée après l'année modèle 1998 au profit d'un moteur refroidi par eau. C'est l'une des dernières automobiles grand public à être produite avec un moteur refroidi par air.1, 2

En revanche, l’industrie aéronautique utilise un mélange de moteurs refroidis par air et par eau, privilégiant même l’option refroidie par air dans le cas des moteurs à pistons d’avion. Cette méthode de refroidissement privilégiée par l’industrie aéronautique donne une idée de la raison derrière l’omniprésence des dispersants sans cendre dans les huiles moteur d’aviation.

L'huile de ricin était l'huile de choix pour les huiles aéronautiques au début de l'ère aéronautique en raison de son bon pouvoir lubrifiant. Ces huiles ont été abandonnées au profit des huiles minérales vers 1925-1935. À l’époque, ces huiles ne contenaient aucun additif et par rapport aux moteurs actuels, la consommation d’huile était extrêmement élevée, les moteurs nécessitant des appoints réguliers.

Les additifs, tels que les dispersants sans cendres, contribuent à réduire la consommation d'huile moteur. Mais avant d’approfondir l’importance des dispersants sans cendre dans les huiles moteur d’aviation, il est important de comprendre ce qu’est un dispersant sans cendre. Les dispersants sans cendre aident à empêcher la formation de dépôts métalliques dans les moteurs, ce qui peut provoquer un pré-allumage et entraîner des dommages catastrophiques au moteur.3 Un dispersant sans cendre agit en dispersant les cendres accumulées hors des composants du moteur pour éviter l'accumulation et l'usure excessive.

L’Aircraft Owners and Pilots Association (AOPA) déclare que « les huiles dispersantes sans cendres contiennent un additif qui aide à éliminer les débris et à les transporter jusqu’au filtre ou au tamis. »4 L’AOPA déclare en outre qu’« il s’agit d’une qualité très importante, compte tenu de l’usure relativement élevée des moteurs d’avion et de la quantité d’acides de combustion et d’autres contaminants qui traversent les segments de cylindre et les soupapes. » En effet, un dispersant sans cendre fonctionne en entourant les débris indésirables pour les empêcher de se déposer et de provoquer une usure et d'autres dommages tels que le pré-allumage.5

Les moteurs à pistons d’avion s’écartent de la conception et de la construction des moteurs automobiles modernes sur de nombreux points, notamment en termes de plages de puissance. Un moteur automobile a généralement une ligne rouge d'environ 6 000 à 7 000 tours par minute (tr/min) et fonctionne rarement à sa puissance maximale pendant plus de quelques secondes à la fois, alors qu'un moteur d'avion produit généralement une puissance maximale à environ 2 700 tr/min et fonctionne à ce niveau pendant la majeure partie de son fonctionnement6, l'extrémité supérieure étant celle des avions de la Seconde Guerre mondiale (Seconde Guerre mondiale), qui culminait à 3 200 tr/min. 

Une autre différence réside dans les objectifs généraux de la conception de ces types de moteurs. Actuellement, l’industrie automobile se concentre sur l’amélioration du rendement énergétique en réduisant les effectifs et en offrant du confort aux conducteurs et aux passagers des véhicules. En revanche, les moteurs d’avion privilégient la fiabilité et la simplicité. Un bon exemple en est le Lockheed Constellation, un avion de la Seconde Guerre mondiale qui a été qualifié d'« avion trimoteur le plus sûr », malgré sa conception quadrimoteur, car les vols outre-mer entraînaient souvent la panne d'un moteur en cours de route.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, les moteurs refroidis par eau étaient principalement des modèles V12, tandis que les moteurs refroidis par air étaient des modèles en forme d'étoile à une ou deux étoiles avec sept à neuf cylindres par étoile. La densité de puissance a augmenté rapidement pendant la Seconde Guerre mondiale ; les moteurs d'avion avaient une cylindrée de 20 à 50 litres et étaient souvent turbocompressés, inventés pour la première fois en Allemagne, puis suralimentés par les Alliés. L'indice d'octane du carburant utilisé était généralement de 90 ou moins, s'élevant jusqu'à 100 et même jusqu'à 150 pendant la guerre, ce qui contraste fortement avec l'indice d'octane de 100 d'aujourd'hui, qui ne contient ni plomb ni soufre.

Ces moteurs développaient environ 50 ch/litre et pouvaient être suralimentés de 50 % avec une injection d'eau et de méthanol pendant 90 secondes maximum. Aujourd’hui, les moteurs à essence produits en série pour les voitures particulières ont une puissance de 100 à 150 ch/litre, une amélioration significative de la technologie des moteurs au cours du siècle dernier. L'un des problèmes qui ont tourmenté les deux camps pendant la Seconde Guerre mondiale était la fiabilité des moteurs, même lorsqu'ils n'étaient pas en contact avec l'ennemi. En raison d'un entretien insuffisant et insuffisant, d'une connaissance limitée des additifs et de l'inflammation prématurée qui en résulte, des suies et des dépôts se forment, provoquant des problèmes majeurs. C'est la naissance des huiles moteur synthétiques et des additifs fonctionnels. L'huile de base utilisée par la Luftwaffe était un mélange de diester sans cendre avec de l'huile de polyéthylène 7, mélangée à l'additif extrême pression/antiusure « Mesulfol II » (un support de soufre). En 1944, les chasseurs P-38, P-47, P-51 et B-25⁸ de l'USAF ont commencé à utiliser du polypropylène glycol sans cendre Bridgestone (Union Carbide). Les deux huiles ont été retirées du marché après la Seconde Guerre mondiale, mais les polyalkylène glycols (PAG) possèdent encore certaines propriétés autonettoyantes et dispersantes.

La comparaison d'un moteur de voiture des années 1960 à un moteur moderne montre des changements et des progrès évidents, tandis que la comparaison de deux moteurs d'avion montre que les deux moteurs se ressemblent beaucoup. Les figures 2 et 3 montrent une comparaison de deux moteurs de 1967 et 2015.

La comparaison des moteurs d’automobiles et d’avions est cruciale pour comprendre pourquoi les dispersants sans cendre sont encore courants dans les huiles pour moteurs d’aviation, mais rarement mentionnés lorsqu’on parle d’huiles pour moteurs d’automobile. Une recherche Google sur « dispersant sans cendre » donnera presque tous les résultats liés aux moteurs d'avion et aux huiles pour moteurs d'avion. La technologie avancée des voitures neuves est conçue pour maintenir le moteur en parfait état le plus longtemps possible afin de tirer le meilleur parti du carburant contenu dans le réservoir, sans compter que les voitures électriques n'ont pas besoin d'huile moteur. Cependant, les modèles de moteurs à pistons d'avion plus anciens ressemblent davantage aux moteurs automobiles des années 1960, qui reposent sur certains dépôts restant dans le moteur et ne sont pas conçus pour fonctionner dans des conditions « comme neuves » tout au long de leur durée de vie.

En conséquence, les constructeurs automobiles ont tendance à recommander du SAP moyen entièrement synthétique (cendres sulfatées). <0.80 wt.-%) or low SAP (sulfated ash <0.50 wt.-%) oils with complex additive packages, while aircraft manufacturers generally endorse two more basic oils: straight mineral oil and ashless dispersant mineral oil. SAP stands for sulfur, ash and phosphorus. Straight mineral oils (API Groups I-III) are essentially oils produced from a refinery and are often recommended for the break-in period of new aircraft piston engines.

Selon Ben Visser, spécialiste de la lubrification à la retraite chez AeroShell, « auparavant, la lubrification des cylindres nécessitait un traitement traditionnel au chrome dur pour répondre aux spécifications, et les particules d'usure agissaient comme un abrasif. »13 Après la période de rodage, les recommandations sont ajustées pour éviter des dépôts supplémentaires indésirables. La plupart des constructeurs aéronautiques recommandent d'utiliser des huiles dispersées sans cendres au lieu d'huiles minérales pures après la période de rodage pour éliminer les excès de particules métalliques et de contaminants.

Malgré la durabilité de ces huiles sans cendre dans les moteurs à pistons d’avion, il existe un défi potentiel pour la durabilité à long terme des huiles dispersées sans cendre : les avions électriques. En 2014, Klaus Ohlmann a établi sept records du monde au volant de son e-Genius biplace. Ceux-ci comprenaient un record de vitesse de 142,7 mph (229,7 km/h) et une distance de vol totale de 313 miles (504 km). Ces résultats ne sont pas révolutionnaires dans le contexte de tous les avions, mais savoir que l'e-Genius accomplit ces prouesses en utilisant uniquement un moteur électrique et une batterie comme source d'alimentation est une réussite remarquable en soi. 14, 15 Ce qui est encore plus impressionnant, c'est que l'e-Genius ne consomme qu'un cinquième de l'énergie nécessaire pour parcourir la même distance dans un avion biplace alimenté au carburant. 15 Ces résultats sont prometteurs pour l’avenir des avions électriques, mais que signifient-ils pour le carburant des avions ?

Le « e-Genius » de l’Université de Stuttgart en Allemagne ressemble à un planeur futuriste, mais il existe d’autres concepts d’avions électriques plus complexes. De l’avion tout électrique à l’avion hybride, l’électrification comme vision du futur est « à la mode » dans l’aviation. Eviation a dévoilé son avion de banlieue « Alice » de neuf passagers avec une autonomie estimée à 600 milles. Airbus a dévoilé son e-fan X, capable de transporter plus de passagers, dont l'un des moteurs est remplacé par un moteur électrique de 2 mégawatts. L'avion expérimental X-57 entièrement électrique de la NASA est équipé de gros moteurs électriques au bout des ailes pour la croisière et de 12 moteurs électriques plus petits à hélices repliables pour le décollage.

Les avions à décollage et atterrissage verticaux (VTOL) constituent une autre catégorie d’avions électriques. Ils se concentrent sur le trafic aérien régional et relient les centres-villes en tant que « taxis aériens urbains », car ils n’ont besoin que d’une aire d’atterrissage. Les exemples incluent : CityAirbus, Daimler Velocopter, Boeing NEXT et Lilium jet.

Il est clair que le monde s’oriente vers la technologie électrique. La technologie s’est déjà implantée dans l’industrie automobile, avec des ventes de Chevrolet Volt, Nissan Leaf, Toyota Prius Prime et de la gamme Tesla augmentant d’année en année. 19 Des avions comme l’e-Genius démontrent également le potentiel de partage de cette technologie avec l’industrie aéronautique, mais cela ne signifie pas que l’avènement des avions électriques signifie la mort des lubrifiants pour moteurs d’aviation.

Selon General Aviation News, l’âge moyen d’un avion de l’aviation générale* est de 50 ans, avec une année de fabrication moyenne en 1970.20 En comparaison, la voiture grand public moyenne n’a que 12 ans, avec une année de fabrication moyenne en 2008.21 En théorie, cela signifie qu’une nouvelle fonctionnalité ou une nouvelle réglementation ne serait pas obligatoire avant 2032. Cela rend plus difficile le changement de technologie aéronautique, pour le meilleur ou pour le pire. Dans le cas des huiles pour moteurs d’aviation, cela a entravé l’adoption de technologies telles que les huiles entièrement synthétiques contenant des ensembles d’additifs complexes dans les avions, mais cela a également aidé les dispersants sans cendre à survivre à l’intérêt mondial actuel pour les carburants alternatifs et les normes d’émissions plus strictes.

Il est clair qu’il existe une concurrence entre l’aviation et l’électrification. L’objectif est de parvenir à un transport neutre en CO2, et l’aviation est en avance sur l’industrie automobile à cet égard. ASTM D7566, la spécification clé pour le carburéacteur traditionnel, comporte actuellement sept annexes qui définissent différentes voies pour le carburant d'aviation durable (SAF), permettant de produire jusqu'à 50 % de SAF à partir de différentes sources telles que les ressources et les processus de biomasse. Cela peut être un modèle pour les moteurs à combustion interne. BMW a récemment annoncé avoir approuvé un carburant diesel 100 % renouvelable, connu sous le nom de HVO100. Le HVO100 est une réplique chimique du diesel hydrocarbure. Porsche favorise le développement de carburants synthétiques ou électrocarburants, produits à partir de CO2 et d'hydrogène à partir d'énergies renouvelables. Une autre option consiste à mélanger le carburant avec 33 % en volume d'huile de cuisson hydrogénée pour produire du diesel à base de pétrole, comme Volkswagen l'a proposé avec le R33 BlueDiesel.

Alors que la structure mécanique des moteurs d’avion est restée largement inchangée au cours du dernier demi-siècle, la structure mécanique des moteurs d’automobile a considérablement changé. Malgré cette grande différence dans l’histoire du développement, on s’attend à ce que la technologie électrique pénètre les deux secteurs dans les années à venir. Bien que cela puisse conduire à une diminution de la quantité de lubrifiants pour moteurs d’avion utilisés, l’existence continue d’avions plus anciens équipés de moteurs à pistons simples conduira très probablement à l’existence continue de lubrifiants pour moteurs d’aviation dispersés sans cendre. Les lubrifiants dispersés sans cendre ne connaîtront peut-être pas beaucoup de nouveaux développements et d’améliorations au cours des prochaines années, mais comme les avions qu’ils desservent, ils continueront probablement d’exister pendant de nombreuses années.