| Conférencier |
Transcription |
| Fred |
Bonjour et merci de m'avoir invité à présenter une communication au Discovery Summit Americas 2020. Je m'appelle Fred Girshick et je vais parler de la recherche sur les lubrifiants à l'aide de la régression non linéaire JMP. |
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Mon programme comprendra donc quelques présentations sur moi-même et mon domaine technique, ainsi qu'un bref aperçu de l'historique de la recherche sur les lubrifiants. |
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Nous aborderons les types de questions auxquelles nous souhaitons répondre à l'aide d'outils statistiques, donnerons quelques exemples de modèles non linéaires, montrerons comment je réalise une analyse non linéaire, puis parlerons des conclusions et des projets pour l'avenir. |
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Alors, pour les présentations, voici le bâtiment où je travaille. |
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Alors qui suis-je ? |
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Si vous avez crié 24601, vous aurez des points bonus à l'examen final. Je m'appelle Fred Girshick. Je suis chercheur pour une entreprise de chimie de spécialité ; vous pouvez voir notre logo en haut à droite. |
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Nous sommes un fabricant d'additifs chimiques pour lubrifiants et carburants. Nous disposons d'un groupe de statistiques international. |
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Pour obtenir de l'aide concernant les situations plus complexes, nous encourageons les chercheurs à effectuer leur propre analyse statistique ou à se rapprocher des données, à mieux comprendre les hypothèses et les sources d'erreur. |
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Mon expérience porte sur différents types d'huiles moteur pour moteurs à combustion interne alternatifs. |
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Voitures particulières, camions routiers, engins de chantier, matériel ferroviaire, aviation, moteurs stationnaires. Ma spécialité depuis 19 ans, ce sont les gros moteurs, mais « gros » est un terme relatif. Je vous expliquerai plus tard ce que j'entends par « gros moteur ». |
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J'utilisais SAS auparavant. J'utilise actuellement JMP. Je ne me considère pas comme un utilisateur expert. |
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Je suis peut-être de niveau intermédiaire. J'ai tendance à refaire le même type d'analyses car je me pose toujours les mêmes questions ; je suis encore en phase d'apprentissage. J'aimerais approfondir mes connaissances et devenir plus compétent. |
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Je maîtrise mieux Microsoft Excel que JMP, donc j'utilise Excel pour préparer les données à importer dans JMP. J'exporte ensuite très souvent les résultats vers Excel, car je suis plus à l'aise avec les outils graphiques, puis vers PowerPoint pour les présentations clients ou vers Word pour les présentations finales. |
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…pour un rapport technique. |
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Je ne vais pas faire de démonstration en direct de JMP. Je vais donc me contenter de captures d'écran et d'explications : voici ce que je ferais, et voici ce que je ferais. |
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Moteurs, transmissions, engrenages, pompes, moteurs électriques. Les lubrifiants peuvent être solides, liquides ou gazeux. |
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Je me concentre sur les huiles moteur liquides. |
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détergent, dispersant, antioxydant, etc. |
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Chaque type d'additif comprend de nombreuses options chimiques différentes ; le détergent n'est donc pas un produit unique, mais une famille de produits. Bien sûr, toutes les huiles moteur ne contiennent pas tous les types d'additifs. On utilise uniquement ce qui est nécessaire. |
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pour plus d'efficacité. |
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Aujourd'hui, nous allons parler des lubrifiants liquides, notamment des huiles moteur, pour les moteurs à combustion interne alternatifs (MCI). C'est ce qu'on trouve généralement dans votre voiture. |
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Détergent, dispersant, antioxydant, agent anti-usure, modificateur de friction. Un exemple pour chaque. Un détergent pourrait donc être du sulfonate de calcium. |
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polyisobutylène succinique anhydride polyamine (PIBSA/PAM). |
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L'antioxydant est... peut-être un phénol encombré. L'agent anti-usure pourrait être une molécule complexe de dialkyldithiophosphate de zinc (ZDDP). |
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Et un modificateur de friction, comme le dioléate de glycérol. Vous remarquerez que tous ces composés possèdent une partie plus polaire et une partie moins polaire dans leur molécule. |
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De manière générale, la partie polaire lui confère sa fonction et la partie non polaire la rend soluble dans l'huile de pétrole. |
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Je vais maintenant vous expliquer ce que j'entends par gros moteurs. Voici un exemple tiré de l'un de nos laboratoires. |
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Alors, les gros moteurs. D'abord, qu'est-ce qui n'est pas un gros moteur ? Prenons l'exemple d'une voiture. C'est la voiture de ma femme. Elle possède un moteur relativement puissant de 200 chevaux. |
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Ce n'est pas un gros moteur. Et les camions qui roulent sur l'autoroute, vous savez, qui développent de la puissance et transportent des marchandises ? Non, ils font environ 500 chevaux. Ce n'est pas un gros moteur. Mon exemple de gros moteur, c'est une locomotive. |
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Voici une photo d'un moteur de locomotive en cours d'installation. Le contour rouge représente le moteur et la personne qui l'installe vous donne une idée de sa taille. |
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Les moteurs à gaz naturel stationnaires, sujet de notre intervention d'aujourd'hui. |
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Apportez-moi juste mon pointeur laser. |
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Voici donc un exemple de ces machines de 5 900 chevaux. La machine verte. Et à l'extrémité, on voit la personne qui travaille dessus. |
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Un autre exemple de gros moteur est le moteur marin, celui des navires en mer. Voici un moteur marin. Celui-ci développe 98 000 chevaux et voici la personne qui travaille dessus. Voilà ce que j'entends par gros moteurs : ils sont vraiment énormes. |
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Les types de questions auxquelles nous voulons répondre dans la recherche sur les lubrifiants, par exemple, dans quelle mesure ce test en laboratoire prédit les performances réelles, vous savez, si je fais des tests de sélection, des tests sur banc d'essai. |
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Comment les performances dépendent-elles de la concentration d'un additif ? Quelle quantité dois-je utiliser ? Comment la structure de l'additif influe-t-elle sur les performances ? Si j'allonge ou ramifie davantage la chaîne hydrocarbonée ? Si je modifie le rapport entre la partie polaire et la partie non polaire ? |
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Puis-je prédire les performances à partir de la composition ? Autrement dit, puis-je prédire ce que la molécule va faire ? |
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Combien de temps dure le produit avant de devoir être changé ? Par exemple, pour votre voiture, on vous recommande de changer l’huile tous les 3 000, 5 000, 7 500 ou 10 000 miles, selon les sources. |
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En quoi mon produit haut de gamme est-il nettement supérieur à mon produit de base ? Existe-t-il une différence entre eux ? Quel est l’intérêt de proposer un produit à valeur ajoutée ? Comment se compare-t-il à celui de la concurrence ? Voilà le genre de questions que nous nous posons. |
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Parlons maintenant de non-linéarité. Qu'entend-on par non-linéarité ? En mathématiques, en statistiques, non-linéarité signifie non-linéarité par rapport aux paramètres, et non aux variables. |
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D'accord, alors jouons à un jeu très rapide de linéaire ou non linéaire... |
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non linéaire. Donc y = mx + b. Il s'agit de l'équation linéaire classique. |
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Si vous ne faites rien d'autre, vous le savez. |
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Et une équation du second degré ? J'ai x². Ce n'est pas une équation linéaire. C'est une équation du second degré, mais a, b et c sont les paramètres. Ils sont linéaires. C'est donc aussi une équation linéaire. |
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Et pour les polynômes cubiques ? Même chose. Tout polynôme sera linéaire par rapport à ses paramètres. Il s'agit donc d'une régression linéaire. |
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a multiplié par e à la puissance bx. J'ai donc un préfixe exponentiel (a) et b dans l'exposant, mais cette équation peut facilement être réécrite sous forme logarithmique et redevient alors une équation linéaire. Je ferais donc une régression linéaire du logarithme de y en fonction de x. |
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Y = A + Bx^C. Ce n'est donc pas e^x, mais x^x. Et cette expression est non linéaire. C'est donc un exemple d'équation non linéaire. |
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Y est égal à A sur x plus b. |
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D'accord. A et B sont à des endroits différents. Il y a une somme, mais je peux la réécrire en prenant les inverses. Je ferais donc une régression de 1 sur y par rapport à x, et on obtiendrait alors une relation linéaire. |
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Y est égal à A fois x sur b plus x. |
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Il s'agit d'une équation non linéaire. C'est une équation de Michaelis-Menten très classique, liée à la biologie. |
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cinétique enzymatique. |
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Voici donc une équation assez complexe. C'est celle que nous allons utiliser aujourd'hui. Et elle est nettement non linéaire. |
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L'exemple que j'ai choisi aujourd'hui est donc un moteur à gaz naturel. |
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L'oxydation fait que l'huile s'oxyde en service. Voici la photo d'un des moteurs. |
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C'est là que nous avons effectué le test. Il s'agit d'une station de compression. Le contour bleu représente le moteur. Le contour rouge représente le compresseur qu'il entraîne, la pompe, et la structure assez imposante surlignée en vert à l'arrière est le radiateur. |
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Donc, de manière générale, dans le cadre de nos besoins, l'oxydation est une dégradation causée par une réaction avec l'oxygène. |
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En chimie, on apprend à proprement parler que l'oxydation peut se produire sans oxygène. Elle est liée à la perte d'électrons, mais ce n'est pas le cas ici. On peut citer comme exemples le brunissement des tranches de pomme ou le fait que le lait caillé tourne. |
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Comme nous l'avons déjà mentionné, les huiles moteur sont principalement composées de molécules d'hydrocarbures. Elles sont exposées à des températures élevées pendant le fonctionnement du moteur. |
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La combustion du carburant génère des radicaux libres qui pénètrent dans l'huile et favorisent l'oxydation. Les radicaux libres sont des fragments moléculaires possédant des électrons non appariés. |
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Elles sont instables et réactives, et elles attaquent d'autres molécules pour apparier leurs électrons. Lors de la combustion du carburant, les molécules sont littéralement dissociées pour former ces fragments. |
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L'oxydation de l'huile moteur entraîne des conséquences indésirables telles que son épaississement. Une viscosité supérieure à celle requise par le moteur est donc nécessaire. |
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L'oxydation réduit également la consommation de carburant, car il faut faire circuler un liquide plus épais. Elle forme des acides qui peuvent corroder les pièces métalliques. L'oxydation provoque des dépôts qui peuvent obstruer les conduits d'huile et priver le moteur d'huile de lubrification, ou encore bloquer le mouvement des pièces, provoquant leur adhérence. |
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Dans notre secteur, l'oxydation est souvent mesurée par infrarouge, l'unité étant l'absorbance par centimètre. Les constructeurs de moteurs publient des seuils à partir desquels la vidange d'huile est obligatoire. Ainsi, lorsque l'oxydation atteint un certain niveau, la vidange est nécessaire pour conserver la garantie. |
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Dans le protocole de test dont je vais parler aujourd'hui, deux fabricants de moteurs à gaz naturel différents, que j'appellerai X et Y pour éviter de les nommer et pour rester générique, ont été utilisés. |
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Il y avait trois huiles, que j'ai appelées bleue, rouge et verte, ou a, b et c pour cet exemple. Il s'agissait d'une conception 3x2, donc chaque huile était utilisée dans chaque moteur. |
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Au total, le système a fonctionné pendant environ 14 mois, soit 10 000 à 11 000 heures de fonctionnement. Cela représente environ 15 mois de fonctionnement continu à plus de 95 % de sa charge maximale. |
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Les moteurs n'étaient arrêtés que lorsqu'une vidange d'huile était nécessaire. |
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Maintenant, si vous réfléchissez à cette période, |
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Si vous conduisiez votre voiture à une vitesse proche de sa puissance moteur maximale, et disons à une vitesse moyenne de 70 miles par heure, cela représenterait 700 000 miles d'essai. |
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Pour l'exemple d'aujourd'hui, je vais seulement examiner en détail l'un des modèles de moteur, celui que j'ai appelé x. |
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Des échantillons d'huile ont été prélevés toutes les semaines à tous les 10 jours, soit un total d'environ 600 échantillons. |
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De nombreux paramètres ont été mentionnés concernant une vingtaine de propriétés du pétrole. |
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Nous avons également examiné le moteur et effectué des mesures physiques de l'usure et des dépôts. Je ne m'intéresserai pour l'instant qu'à l'oxydation. |
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Voici donc l'ensemble de données. Il a été tronqué. Je l'ai simplifié pour ne montrer que ce dont nous avons besoin aujourd'hui. Donc, les variables de couleur |
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La couleur bleue, verte et rouge correspond à la composition de l'huile. La valeur « huile » est variable et représente l'âge de l'huile en heures, c'est-à-dire le nombre d'heures écoulées depuis la dernière vidange. La valeur « test » correspond au nombre d'heures cumulées depuis le début du test, et « Ox » représente l'oxydation, exprimée en absorbance par centimètre. |
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Vous remarquerez maintenant les rangées ; je les ai colorées en fonction de leur couleur. Ainsi, tout le pétrole que j'ai appelé « pétrole bleu » est représenté en bleu, le pétrole rouge en rouge, etc. J'ai également attribué des formes : le fabricant X est représenté par un carré et le fabricant Y par un cercle. |
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Or, comme je le disais, l'ensemble des données est beaucoup plus vaste que cela. |
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Très bien, prenons donc notre ensemble de données. |
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Représenter graphiquement les données. |
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C'est toujours la première chose que vous faites. |
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Donc dans JMP, |
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Donc, ce que je vais faire, encore une fois, ce n'est pas une démonstration JMP en direct. Je vais donc montrer l'action. |
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À gauche, les mots et la flèche indiquent une action, et un cercle rouge montre où l'effectuer. Utilisez la plateforme graphique : une boîte apparaît, intitulée « Constructeur de graphiques ». |
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Et cela vous amène à cette boîte, Graph Builder. |
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Prenons donc le pétrole comme variable x. Il suffit de cliquer dessus et de le faire glisser vers le bas. |
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Et en l'absence de Y, cela se présente sous forme d'histogramme. |
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Et donc ox est notre variable dépendante ; ox, la variable y et vous obtenez ceci |
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Voilà une valeur aberrante évidente. Même moi, je le vois. On s'en débarrassera plus tard. |
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Ça a l'air plutôt désordonné. |
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Je vais donc faire une distinction entre les deux types de fabricants d'équipement d'origine (OEM). |
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Donc si je prends OEM et que je l'intègre en superposition, |
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J'ai maintenant du bleu et du rouge, mais JMP choisit les couleurs. Le bleu correspond à l'axe X et le rouge à l'axe Y. On constate que les deux modèles de moteur se comportent de manière très différente. |
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L'huile bleue a évidemment une durée de vie plus courte ; l'huile rouge, une durée de vie plus longue. Par conséquent, aujourd'hui, nous n'allons examiner que… |
