Pourquoi tester les entraînements et les matériaux par un froid extrême ?

Quand l’hiver est vraiment là et que les températures baissent, les patrouilleurs d’assistance routière ont souvent fort à faire. Les moteurs et les composants soufrent en effet des températures plus basses au point de tomber parfois en panne. Ce n’est cependant rien comparé aux machines et aux engins utilisés dans les climats extrêmes. Comment aborder la problématique ?

Dans les pays comme la Finlande, la Suède, la Norvège, le Canada, la Chine, la Mongolie ou la Russie, où la température baisse plus fréquemment sous 0°C et atteint parfois des valeurs négatives extrêmes de -40°C à -50°C, il faut vraiment tenir compte de telles situations et optimaliser la conception des machines. Même dans ces conditions extrêmes, les entraînements et les machines doivent continuer à fonctionner. Il faut dès lors effectuer des essais dans ces situations exceptionnelles pour contrôler la fiabilité et la robustesse des machines.

 De gauche à droite : chariot élévateur gelé ; rupture d’une canalisation d’eau dans une centrale électrique due au froid extrême (Amérique du Nord) ; journée hivernale très froide en Sibérie

Les véhicules et autres engins doivent être en mesure de démarrer et de fonctionner par des températures très basses. Seules ces spécifications extrêmes de température de fonctionnement (de -30°C jusqu’à -60°C en certains endroits), peuvent garantir que l’on en tienne compte dans le processus de conception et à la fin du cycle de développement. Elles doivent s’accompagner d’essais de validation sérieux. Les entreprises opérant dans l’industrie minière, l’extraction des matières  premières et des engins de chantier testent dès lors leurs produits dans des chambres climatiques. Les essais de ces machines comprennent généralement les démarrages à froid, les essais des systèmes de chauffage et de refroidissement dans différentes conditions climatiques, les essais des fonctions hydrauliques par grand froid, le fonctionnement et la longévité des systèmes de dégivrage des vitres et le contrôle de l’étanchéité des raccords et joints.

De gauche à droite : test de camion à benne basculante dans la chambre climatique de Sirris : exemples de vérins et de circuits hydrauliques gelés    

Moteurs, entraînements, systèmes de post-traitement et démarrage à froid

Les moteurs et les entraînements en général doivent pouvoir démarrer et fonctionner en toute circonstance. En quête d'une consommation réduite de carburant, les moteurs fonctionnent sous moindre charge, avec des taux de compression plus élevés et une combustion à plus hautes températures. Les conséquences sont les suivantes : de faibles émissions de CO et d’HC, mais une émission élevée de NOx. Pour contrecarrer cet effet, on utilise des systèmes dits de post-traitement, mais les démarrages à froid restent problématiques. Ces systèmes de post-traitement sont utilisés d’office pour les engins de chantier et de construction, mais aussi dans le secteur énergétique pour rendre plus écologiques les groupes électrogènes diesel.

Dans la pratique, on constate trop souvent un comportement ne correspondant pas à celui qui est attendu. Pour prévenir des rejets élevés de NOx, on utilise les systèmes de post-traitement. Différentes solutions technologiques sont à l’étude (vous pouvez en lire davantage dans ce blog). L’injection de NH3/urée SCR par exemple est une technologie très efficace et répandue pour réduire le NOx des gaz d’échappement diesel. Le problème des mélanges NH3/urée est qu’il gèle généralement vers -11°C,  des tests doivent dès lors démontrer que de tels systèmes restent performants en hiver sans nuire à l’environnement.

Pour obtenir les meilleurs résultats, il est essentiel d’effectuer un essai du véhicule ou de l’engin complet. L’essai du système complet est la meilleure manière de collecter des données pertinentes sur la fiabilité et l’aptitude aux conditions extrêmes de la machine afin de détecter des problèmes potentiels d’interférences entre les différents sous-systèmes. Il est ainsi possible d’évaluer conjointement les sous-systèmes provenant de différents fournisseurs et de remarquer des erreurs de montage ou d’autres difficultés avant de lancer la production en série.

Le fabricant de moteurs MTU a ainsi fait tester ses moteurs à des températures extrêmement basses de -25 °C. Une chambre climatique permet aux développeurs de faire des essais dans un environnement contrôlé pour s’assurer que le moteur démarre à différentes températures. Pour améliorer les caractéristiques de démarrage, les ingénieurs de test ont optimisé la pression, le volume et le moment d’injection de carburant. Ils ont utilisé les données de test pour programmer l’unité de gestion du moteur afin d’adapter les paramètres de démarrage à la température ambiante et du liquide de refroidissement, en vue d’améliorer la longévité et de réduire la pollution.

Essai de démarrage moteur à basses températures (-25 °C), chez MTU, afin d’améliorer les caractéristiques de démarrage 

De tels essais sont pratiques pour les véhicules et engins utilisés dans l’industrie minière dans des lieux comme la Sibérie ou le Canada où les températures peuvent atteindre des valeurs polaires de -60 °C. Dans ces régions, on utilise un diesel polaire, ayant une teneur en kérosène de 60 %, ce qui le rend nettement moins visqueux que le diesel d’hiver habituel. C’est pourquoi il faut adapter les injecteurs pour éviter qu’ils soient endommagés par ce carburant très fluide. Un volet de ventilation est placé devant le radiateur pour éviter d’un refroidissement excessif du moteur. Le volet est fermé quand la température est trop basse. Le moteur peut alors démarrer de manière fiable même quand la température extérieure est extrêmement basse. La commande du moteur adapte automatiquement le volume de carburant et le moment d’injection à la température de l’air. En outre, en fonction de la température ambiante, le système active l’injection pilote, en plus de l’injection principale au cours du démarrage.

Sirris également est actif dans ce domaine. Notre site dans le port d’Anvers est un des rares centres technologiques d’Europe à disposer d’une grande chambre climatique à même d’essayer de tels engins par des températures sibériennes. Cette chambre climatique offre la possibilité peu courante de tester des engins de 150 tonnes jusqu’à -60 °C, contrairement à de nombreuses autres chambres climatiques pour le secteur automobile, qui présentent des limites de poids et de températures de test pour ce marché de niche.  

De gauche à droite : site minier en Russie, exemple de bulldozer CAT gelé et un essai dans la chambre climatique de Sirris

Résistance des matériaux au froid

Il n’y a pas que les carburants et les liquides hydrauliques qui réagissent différemment par grand froid, les matériaux également servant à la fabrication des pièces (du moteur), en souffrent. Les roulements peuvent ainsi poser des problèmes de démarrage à basse température en raison d’une différence entre la température extérieure et intérieure. Des vibrations peuvent entraîner le bris d’un matériau devenu cassant sous l’action du froid. En plus des métaux, les plastiques et le caoutchouc se comportent aussi différemment.

Un flexible en plastique utilisé pour les circuits hydrauliques perdra notamment sa souplesse à basse température, au point de devenir cassant une fois qu’il aura atteint le « point de transition vitreuse ». L’utilisation d’un élastomère à basse température dépend de ce point. À une température égale ou inférieure à ce point, la pression, la tension ou un choc peuvent endommager ou casser le plastique. En outre, les élastomères peuvent se dégrader sous l’effet des cycles thermiques. Lorsque ces élastomères comportent des additifs pour résister aux basses températures, des problèmes peuvent néanmoins apparaître lorsque la température remonte et entraîne le lessivage des additifs, ce qui réduit à nouveau les performances à basse température.

Une grande chambre climatique comme local de test pour éliminer les risques

Il est important de disposer d’une chambre climatique de grande dimension, offrant une importante capacité de poids et une vaste plage de températures, pour tester les matériaux et systèmes comme les moteurs, les entraînements et les systèmes de traitement d’air des grands véhicules et autres engins exposés à des conditions extrêmes. Pour obtenir les meilleurs résultats, il est vital de tester l’engin dans son ensemble en plus des sous-systèmes. À cette fin, Sirris dispose des équipements adaptés et d’une infrastructure d’essai unique pour les entreprises actives dans le secteur des engins de chantier, de construction, les engins agricoles, les éoliennes, les systèmes de transport d’électricité, le domaine aéronautique et aérospatial, la défense, etc. 

Grande chambre climatique de Sirris dans le port d’Anvers

On utilise la chambre climatique principalement pour tester des composants d’éolienne de taille et de poids importants comme les boîtiers d’engrenages, les onduleurs et transformateurs. C’est pourquoi la chambre présente des caractéristiques de conception uniques, notamment ses grandes dimensions (10,6 x 7 x 8 m), une vaste plage de températures (de + 60 °C à -60 °C), une capacité de 150 tonnes et la possibilité de compenser 250 kW thermiques à -20 °C.

Depuis l’année passée, le labo est aussi en mesure d’effectuer des essais portant sur l’humidité de l’air avec une plage allant de ± 2% HR jusqu’à ± 95%. En rapport avec le marché des engins de chantier et de construction, le labo a aussi investi pour tester l’effet du rayonnement solaire jusqu’à une intensité de 950 W/m². Il peut ainsi procéder à des essais des cabines de grands véhicules selon les normes ISO 14269-3 et ISO 10263-6  HVAC.

Sirris soutient différents secteurs à relever des défis climatologiques lors de la conception et des simulations ainsi que pour des situations d’essai dans des conditions climatologiques extrêmes 

Cliquez ici pour plus d'information sur la chambre climatique de Sirris.

Sources