La plupart des lecteurs de cette chronique savent bien que la viscosité d’un fluide hydraulique à base d’hydrocarbures est inversement proportionnelle à la température. Lorsque la température augmente, la viscosité du fluide diminue et vice versa. Ce n’est pas une situation idéale pour plusieurs raisons. En fait, le fluide hydraulique idéal aurait un indice de viscosité (le changement de la viscosité d’un fluide par rapport à la température) représenté par une ligne horizontale interceptant l’axe Y à 25 centiStokes.

Cette température-viscosité montre qu’un fluide hydraulique idéal ne présenterait aucun changement de viscosité quelle que soit la température.

Malheureusement, un tel fluide n’existe pas pour l’efficacité et la longévité des machines hydrauliques. Et il est peu probable qu’un tel fluide soit développé de mon vivant. Mais si un tel fluide était développé et breveté, son créateur détiendrait la clé d’une mine d’or. Pour l’instant, nous disposons d’une huile hydraulique multigrade. Ces fluides ont un indice de viscosité élevé, leur viscosité est donc moins sensible aux changements de température qu’une huile monograde.

Conséquences involontaires

La viscosité des fluides est l’un des facteurs qui déterminent si la lubrification à film intégral est atteinte et maintenue. Si la charge et la vitesse de surface restent constantes, mais qu’une température de fonctionnement élevée fait chuter la viscosité en dessous de celle nécessaire au maintien d’un film hydrodynamique, une lubrification limite se produit ; cela crée la possibilité d’un frottement et d’une usure par adhérence.

D’autre part, il existe une plage de viscosité où le frottement du fluide, le frottement mécanique et les pertes volumétriques sont optimaux pour la performance du système hydraulique. Il s’agit de la plage de viscosité où le système hydraulique fonctionnera le plus efficacement : le rapport le plus élevé entre la puissance de sortie et la puissance d’entrée.

Pour illustrer le point ci-dessus, considérez cet exemple : Dans sa recherche d’une meilleure consommation de carburant, le fabricant d’une machine hydraulique mobile à moteur a remplacé sa pompe à cylindrée fixe alimentant l’accessoire de la machine par une unité à cylindrée variable. L’entraînement au sol de la machine utilisait déjà une pompe à piston à déplacement variable (transmission hydrostatique), de sorte que la mise à niveau du circuit hydraulique de l’accessoire vers une configuration plus efficace semblait une progression logique pour les ingénieurs concepteurs de la machine.

Lorsque cette modification a été testée, les ingénieurs ont été choqués de constater que la consommation de carburant avait en fait augmenté de 12 à 15 % ! Après analyse, la hausse de la consommation de carburant a été attribuée à une augmentation de la viscosité de l’huile provoquée par une baisse de 30°C de la température de fonctionnement de l’huile. En d’autres termes, l’huile « plus épaisse » avait entraîné une traînée supplémentaire sur la transmission hydrostatique alimentant l’entraînement au sol, ce qui avait amené la machine à consommer davantage de carburant.

La machine utilisait un échangeur de chaleur combiné à deux sections pour l’huile hydraulique et le liquide de refroidissement du moteur. Le refroidissement du moteur était amélioré par un entraînement de ventilateur hydraulique à commande thermostatique basé sur la température du liquide de refroidissement du moteur. La section du refroidisseur d’huile était dimensionnée pour la pompe hydraulique à déplacement fixe d’origine.

L’inconvénient de cet arrangement est que, du fait que le refroidissement du moteur est contrôlé thermostatiquement et que le système hydraulique ne l’est pas, le flux d’air à travers l’échangeur de chaleur combiné dépend entièrement de la température du moteur. Cela signifie que la réduction de la charge thermique résultant du remplacement de la pompe à cylindrée fixe par une unité à cylindrée variable a entraîné une réduction significative de la température de l’huile hydraulique – ce qui est normalement une bonne chose !

Les ingénieurs ont bloqué la majeure partie de la section d’huile hydraulique du refroidisseur et ont refait le test. Cela a ramené la consommation de carburant au niveau d’origine, mais aucune amélioration significative n’a été observée.

Il a été conclu que la modification testée pourrait entraîner une petite économie de coût en ce qui concerne la réduction de la taille du refroidisseur d’huile. Mais la consommation de carburant étant plus importante que toute économie modeste de capacité de refroidissement, l’idée de payer plus cher pour une pompe qui permettait de maintenir l’huile à une température de fonctionnement plus basse – mais qui augmentait la consommation de carburant – était inconciliable pour les ingénieurs de la machine.

Lesson Learned

Cette histoire illustre l’impact que la température de l’huile hydraulique (et donc, la viscosité) peut avoir sur la consommation de carburant. Pour récapituler les points clés :

• La charge thermique sur le système hydraulique a été réduite (efficacité accrue) en remplaçant une pompe fixe par une unité à déplacement variable ;
• Cela a entraîné une baisse significative de la température de fonctionnement de l’huile hydraulique ;
• L’augmentation résultante de la viscosité de l’huile hydraulique a augmenté la consommation de carburant d’une quantité significative.

En d’autres termes, si votre huile hydraulique est trop épaisse, vous le paierez à la pompe à carburant ou au compteur électrique. Le revers de la médaille, cependant, est que si votre huile est trop fluide, vous le paierez à l’atelier de réparation.

En supposant que cet essai a été réalisé à la même température ambiante pour les deux options de pompe, une baisse de 30° C (54° F) de la température de l’huile hydraulique est assez remarquable. Cela peut, en partie, s’expliquer par l’échangeur de chaleur combiné installé sur la machine. Lorsque la viscosité de l’huile hydraulique augmente, le moteur travaille plus fort (il brûle plus de carburant), et le ventilateur de refroidissement (contrôlé par la température du moteur) tourne donc plus fort. Cela signifie que plus de chaleur est dissipée de l’huile hydraulique et, par conséquent, la viscosité de l’huile hydraulique augmente encore. C’est un cercle visqueux.

Un autre point à retenir de cette histoire – qui est pertinent pour les concepteurs de machines et les personnes qui achètent leurs machines – est que la plupart des concepteurs ne traitent pas l’huile comme le composant clé du système hydraulique qu’elle est. La viscosité de l’huile hydraulique, son indice de viscosité ou l’indice de viscosité optimal pour les composants hydrauliques du système n’ont apparemment pas été pris en compte lors du test. Cela suggère que la consommation de carburant normale de base de la machine n’était qu’une heureuse coïncidence.

Même après avoir découvert que la consommation de carburant augmente avec la viscosité de l’huile, et bien que la possibilité de réduire la capacité de refroidissement installée ait été reconnue et envisagée, il n’a apparemment pas été envisagé de changer la viscosité de l’huile pour correspondre à l’efficacité plus élevée (donc à la température de fonctionnement plus basse) du système. Si la pompe plus efficace avec la capacité de refroidissement existante avait été assortie d’un fluide de viscosité appropriée, il est probable que l’économie de carburant de la machine aurait été supérieure au système d’origine.

En d’autres termes, les concepteurs de la machine n’ont pas réussi à considérer correctement les quatre côtés de ce que j’appelle Le diamant de l’efficacité énergétique d’une machine hydraulique.

Le diamant de l’efficacité énergétique

L’efficacité énergétique signifie le rapport entre la puissance sortie et la puissance entrée. Quatre-vingt-dix kW sortis sur 100 kW entrés, c’est un rendement de 90%. Quatre-vingt-dix kW à l’extérieur de 110 kW à l’intérieur, c’est un rendement de 82 %. Et une sortie de 90 kW pour une entrée de 120 kW a un rendement de 75 %. Notez que dans les trois cas, la puissance de sortie reste la même : 90 kW. C’est juste que la puissance d’entrée – et donc la consommation de carburant ou d’électricité du moteur principal nécessaire pour l’obtenir – continue d’augmenter !

Les quadrants du losange du rendement énergétique d’une machine hydraulique sont tous liés entre eux. En changer un seul affecte la symétrie du diamant.

Les quatre côtés du Diamant de l’efficacité énergétique d’une machine hydraulique sont tous interdépendants ; en changer un seul affecte la symétrie du diamant.

L’efficacité conçue reflète l’efficacité « native » du matériel choisi pour le système. Ce matériel comprend le nombre de dispositifs gaspilleurs d’énergie présents, tels que les vannes proportionnelles, les régulateurs de débit et les détendeurs de pression. Il comprend également les pertes « conçues » par les dimensions et la configuration de tous les conducteurs nécessaires : tuyaux, flexibles, raccords et collecteurs.

Sur le côté opposé du diamant, la capacité de refroidissement installée, en pourcentage de la puissance d’entrée continue, devrait refléter l’efficacité conçue ou native du système hydraulique. En d’autres termes, plus l’efficacité native est faible, plus la capacité de refroidissement installée est importante.

A côté de la capacité de refroidissement installée se trouve la température de l’air ambiant dans lequel la machine hydraulique fonctionne. Cela influence directement la température de l’huile de fonctionnement du système hydraulique, qui détermine en grande partie la viscosité de l’huile, complétant ainsi le diamant du rendement énergétique.

Un concepteur de machine n’a aucun contrôle sur la température de l’air ambiant – bien qu’il doive savoir quelle est cette plage. Mais il peut (ou du moins devrait) déterminer les trois autres variables : le rendement nominal, la capacité de refroidissement installée et la viscosité de l’huile. Comme l’illustre la représentation picturale du Diamant de l’efficacité énergétique (et l’étude de cas ci-dessus), aucune de ces variables ne peut être considérée isolément.

En regardant le Diamant de l’efficacité énergétique du point de vue du propriétaire d’une machine, il est utile de comprendre que même après que la machine a été conçue, construite et remplie d’huile, l’efficacité de conception, la capacité de refroidissement installée et la température de l’air ambiant sont des cibles mobiles – des cibles mobiles qui affectent la viscosité de l’huile de fonctionnement et, par conséquent, la consommation d’énergie.

La possibilité d’une variation de la température de l’air ambiant, notamment si la machine est déplacée entre des lieux aux conditions climatiques différentes, est assez évidente. Et bien que l’efficacité de conception ne varie pas, l’efficacité réelle de fonctionnement se détériore généralement avec le temps en raison de l’usure. De même, bien que la capacité de refroidissement installée ne change pas au fil du temps en tant que pourcentage de la puissance d’entrée, son efficacité peut être réduite par l’usure des composants du circuit de refroidissement et, dans le cas des échangeurs de chaleur à air comprimé, par les variations de la température de l’air ambiant et de l’altitude.

Ainsi, amener une machine hydraulique dans son « sweet spot » d’efficacité énergétique nécessite une conception informée. Pour qu’elle y reste, il faut que les variations des variables dépendantes soient réduites au minimum. Dans les deux cas, The Power Efficiency Diamond peut être utile aux concepteurs de machines et aux propriétaires d’équipements hydrauliques pour comprendre la tâche à accomplir.

Brendan Casey a plus de 26 ans d’expérience dans la maintenance, la réparation et la révision d’équipements hydrauliques mobiles et industriels. Pour plus d’informations sur la réduction des coûts d’exploitation et l’augmentation du temps de fonctionnement de votre équipement hydraulique, visitez son site Web à l’adresse www.HydraulicSupermarket.com.

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