Sous l’impulsion de la hausse des objectifs mondiaux en matière d’émissions polluantes, les constructeurs se tournent de plus en plus vers les technologies d’électrification pour réduire la consommation de carburant et les émissions de gaz à effet de serre. L’une des solutions les plus populaires est le véhicule électrique hybride, souvent alimenté par un moteur à combustion dont la taille est fortement réduite.
Le problème de ces moteurs à taille réduite est que les systèmes auxiliaires gourmands en énergie nuisent gravement à la maniabilité et aux performances des véhicules. Heureusement, ces pertes parasites peuvent être considérablement réduites en remplaçant les composants mécaniques traditionnels par des unités à entraînement électrique. De ce fait, les pompes à moteur électrique remplacent progressivement les unités mécaniques dans les productions de série, en particulier les pompes à huile et les pompes à eau.
Image 1: Exemple de pompe à huile électrique
Source de l’image: Rheinmetall Automotive
Bien que les avantages de l’électrification soient évidents, en particulier pour les pompes à huile, il s’agit d’un processus techniquement complexe : les ingénieurs souhaitent non seulement faire circuler l’huile à un débit et à une pression spécifiques, mais ils souhaitent également les adapter intelligemment aux besoins du moteur.
Pour optimiser les performances, il est important que les pertes par frottement et par pompage soient minimisées grâce à un contrôle minutieux du débit d’huile dans les différents circuits, tout en garantissant une pression adéquate à tout moment.
Les simulations sont assujetties à la précision des mesures de pression et de débit d’huile effectuées sur banc d’essai
Une pompe à huile à alimentation électrique est composée de trois sous-systèmes : la pompe, le moteur et le contrôleur électronique. Par conséquent, le principal défi de tout nouveau développement d’applications est d’intégrer efficacement ces modules pour réduire leur taille, leur poids et le nombre de composants, tout en optimisant les performances.
La fonction principale d’une pompe à huile est de fournir un débit d’huile spécifique à une pression optimale. La conception d’une pompe à huile, qui est un processus itératif, commence par les «engrenages de pompage». Dans la plupart des applications, la pompe doit fournir des pressions supérieures à 1 ou 2 bars, allant souvent jusqu’à 10 bars.
Comme dans la plupart des développements de moteur, des simulations et des tests en conditions réelles sont utilisés pour accélérer la conception.
Le processus de conception commence par l’évaluation préliminaire de l’efficacité volumétrique, sur la base des résultats expérimentaux recueillis sur des pompes et des applications similaires. Ceux-ci incluent la vitesse de la pompe, la température de l’huile, la pression et le débit.
Il est important que les informations utilisées pour l’évaluation soient particulièrement précises. Par conséquent, la collecte des données doit être effectuée à l’aide d’un équipement de mesure extrêmement fiable et précis, capable de fournir des lectures exactes dans les conditions extrêmes rencontrées à l’intérieur et autour des moteurs.
Pour garantir la précision et la reproductibilité des mesures de pression, il est essentiel d’utiliser des capteurs de la meilleure qualité. Ces capteurs de pression doivent non seulement fournir des , mais ils doivent également résister aux vibrations.
Depuis de nombreuses années, STS développe des capteurs de pression qui répondent aux exigences spécifiques des constructeurs et des spécialistes de premier plan de conception et de développement de nouveaux moteurs.
Développer une pompe à huile électrique plus performante qu’une unité mécanique
L’avant-projet des engrenages de pompage est finalisé en fonction des informations recueillies sur les exigences hydrauliques à différents débits, les pressions de refoulement et les températures de l’huile. Grâce au logiciel Simulink de Matlab, les informations relatives au comportement du système physique peuvent être rationalisées sous forme de code unidimensionnel.
À ce stade, il est important de noter que pour générer le débit requis à une pression spécifiée, il convient de choisir une vitesse de rotation qui permet une disposition optimale du moteur et de la pompe sans créer de problèmes de cavitation ou de bruit. Ainsi, la plage de vitesse typique pour un fonctionnement en continu se situe généralement entre 1 500 et 3 500 tours par minute.
À l’étape suivante, plusieurs conceptions peuvent être générées à l’aide du logiciel Simcenter Amesim qui permet d’optimiser les paramètres de conception. Par exemple, le nombre de dents et l’excentricité, tout en satisfaisant aux conditions limites de pression, de débit et de température.
Après avoir mis en œuvre les caractéristiques géométriques des éléments hydrauliques et après avoir finalisé la conception intermédiaire, le couple total nécessaire pour entraîner la pompe aux points de fonctionnement critiques peut être calculé comme suit :
Mtot = MH + MCL + Mμ
- MH est le couple hydraulique obtenu par une pression et un débit adaptés.
- MCL est la contribution coulombienne générée lors de contacts secs ou lubrifiés entre les pièces coulissantes.
- Mμ est la contribution visqueuse obtenue par le mouvement du fluide entre les pièces.
Une fois la conception terminée, des prototypes d’ingénierie sont construits pour une évaluation en situation réelle sur un banc d’essai de moteur.
Une fois encore, la pression d’huile, le débit et la température sont mesurés à différents régimes moteur et à différents régimes de pompe, afin de valider les résultats obtenus par simulation. Si les résultats sont conformes aux spécifications, le programme de développement est finalisé et le projet entre dans la phase d’industrialisation.
Pour des performances et une durabilité optimales, il est évident que toutes les mesures doivent être enregistrées avec précision. Cependant, les informations générées par le capteur de pression ont une importance et une incidence supérieure aux autres mesures: une pression insuffisante peut conduire à une défaillance catastrophique, tandis qu’une pression excessive gaspille de l’énergie et peut entraîner des problèmes avec les joints d’étanchéité.
