Technologie des pistons diesel

Plus nous voulons aller vite et loin, plus les moteurs diesel sont poussés, créant une plus grande demande de composants de moteur pour gérer les abus. Ainsi, les options de pistons personnalisés continuent d'augmenter à mesure que nous continuons à innover dans l'industrie du diesel pour découvrir ce qui fonctionne et ce qui ne fonctionne pas. Cela a souvent été l'école des coups durs, mais ces leçons permettent aux fabricants de pistons de concevoir des options personnalisées en fonction de ce qu'ils ont appris et de ce qu'ils savent déjà sur la durabilité et la fonction de l'équipement d'origine (OE).

D'abord et avant tout, le sentiment commun parmi les fabricants de pistons est qu'ils veulent être contactés lorsque vous sélectionnez des pistons. Il y a tellement d'options différentes disponibles que c'est un énorme avantage de tirer parti de leurs connaissances.

"Depuis que nous avons traversé tous les coups durs des moteurs diesel, nous savons ce qui fonctionne, ce qui ne fonctionne pas et ce que vous devez faire pour chaque application", déclare Rick Canning, spécialiste technique, CP Carrillo.

La plupart des pistons diesel d'origine sont moulés, et le moulage, traditionnellement, se situe au bas de la chaîne alimentaire de performance. Les pistons diesel moulés OE, cependant, ont une durabilité éprouvée et peuvent fonctionner, au moins dans une certaine mesure, avec la foule de performance. Un avantage est qu'ils ont un insert en acier pour l'anneau supérieur. De plus, ils utilisent un anneau supérieur de type clé de voûte, créant un mouvement radial qui nettoie l'accumulation de carbone de la rainure - un avantage important pour les diesels.

Les pistons moulés comportent également des galeries de refroidissement d'huile derrière les segments pour aider à contrôler la chaleur, et c'est la combinaison de ces aspects de conception qui leur permet de gérer de légères augmentations de puissance. Dans le cas de Mahle Motorsports, leurs pistons coulés sont parmi les pistons diesel les plus vendus de l'entreprise, selon Joe Maylish.

Les pistons moulés présentent de nombreux avantages, mais lorsque vous poussez les performances bien au-delà des niveaux de stock et que vous recherchez plus que la course de traînée occasionnelle, vous pouvez pousser plus que ce que la fonte peut gérer, ce qui signifie qu'il est temps de passer aux pistons forgés.

"Le forgeage produit une structure de grain plus serrée, écrasant les molécules et les rendant plus solides", explique Canning. Les moteurs de traction ou de drag racing à haute puissance sont une application courante pour les pistons forgés, et bien que les camions soient la maison évidente pour la plupart des moteurs diesel, de plus en plus apparaissent entre les ailes des voitures, ce qui a contribué à repousser encore plus loin l'enveloppe de puissance, prouvant leur place dans la performance.

"Les gens qui introduisent de très grandes quantités de boost et essaient de faire des quantités de puissance scandaleuses, choisissent d'aller avec du forgé", acquiesce Maylish.

Cependant, forgé n'est pas sans inconvénients, et l'un d'eux est le taux d'expansion. "La chaleur de la combustion se dissipe dans la partie supérieure du piston, et comme il s'agit d'un piston forgé, le diamètre du plat doit être réduit, donc quand il reçoit beaucoup de chaleur, il ne grossira pas et ne heurtera pas la paroi du cylindre", dit Canning.

De nombreux pistons forgés utilisent des alliages à faible dilatation afin de maintenir le montage du piston aussi serré que possible, sans créer de problèmes de jeu, et en raison de la chaleur extrême, le jeu est d'une importance cruciale. Le piston moyen en fonte d'aluminium aura besoin d'un jeu de paroi de cylindre d'environ 0,005" à 0,006". Un piston forgé à faible dilatation nécessite 0,007"-0,008", et un alliage à forte dilatation peut nécessiter 0,010"-0,012" ou plus. En raison de ces taux de dilatation variables, les fabricants de pistons insistent toujours sur l'importance des mesures lors du montage.

"Avec un diesel, même les meilleurs composants peuvent être détruits s'ils ne sont pas assemblés correctement", souligne Canning.

Les pistons forgés posent un autre problème. Bien qu'ils soient plus solides que la fonte, ils n'ont pas la durabilité à long terme, car vous n'êtes pas en mesure de forger un piston autour d'un insert en acier pour l'anneau supérieur, ni de créer une galerie de refroidissement d'huile derrière les anneaux. Les avantages d'un anneau trapézoïdal dans un diesel sont excellents pour la longévité, mais l'inconvénient de ce style d'anneau est qu'il provoquera une usure accélérée sans un matériau dur pour le protéger, ce qui est le but de l'insert en acier. C'est le seul véritable avantage des pistons d'origine, et une raison pour laquelle beaucoup de gens s'y tiennent aussi longtemps qu'ils le peuvent.

Le mouvement d'un anneau trapézoïdal dans sa gorge devient plus prononcé lorsqu'un dégagement supplémentaire de la paroi du cylindre est nécessaire pour compenser la dilatation du piston.

"Les moteurs diesel sont très durs pour les rainures des segments", explique Canning. "Les pistons diesel forgés sont anodisés dur pour fournir une protection supplémentaire. Nous n'utilisons pas non plus de rainures de bague trapézoïdale. Nous utilisons une rainure de bague rectangulaire conventionnelle car lorsque le diamètre de la portée est amené de l'alésage, ce que vous avez pour le dégagement vertical et l'espace arrière reste le même."

Un autre aspect des pistons diesel personnalisés est le déplacement de la rainure du segment supérieur en raison des charges de chaleur et de pression extrêmes sur le dessus du piston.

"Pour faire vivre ces pistons dans des applications à haute puissance et à haute température, sur certaines applications, nous abaissons le segment supérieur de 0,600", dit-il.

L'expansion peut s'aggraver à mesure que les niveaux de boost et les performances augmentent, et ce n'est pas non plus le seul facteur lié à la chaleur à prendre en compte. La plupart des pistons d'origine ont une saillie ou un pic au centre du bol qui aide à disperser le carburant pulvérisé par l'injecteur dans le bol environnant. Lorsque le bol se courbe vers le haut, il y a généralement une lèvre ou un surplomb qui redirige le mélange air/carburant vers le centre du bol. Ceci est spécifique de par sa conception pour une combustion plus propre afin de réduire les émissions, mais la chaleur a tendance à se concentrer dans la zone de la lèvre supérieure du bol, et sur un moteur à forte puissance, la chaleur peut s'accumuler dans la lèvre ou le surplomb et entraîner une détonation ou une fissuration dans le piston.

"Les points chauds sont un gros problème sur les moteurs diesel", déclare Canning. "Les bords tranchants causent des problèmes et la chaleur pénètre là où elle peut brûler des trous dans les pistons. Nous avons fabriqué des plats de piston non nitreux avec des rayons généreux allant du plat aux poches de valve, et autour des poches de valve. Tout a un rayon généreux autour pour éviter tout type de dissipateur de chaleur. Tout le dessus est complètement lisse, usiné et arrondi."

Un travail personnalisé est souvent effectué sur les pistons de style OE, en usinant la lèvre conçue autour du bol, ainsi qu'en biseautant ou en mélangeant le bord supérieur du bol pour éliminer la possibilité de points chauds. Cela s'est avéré efficace, mais ne présente pas les mêmes avantages que les pistons personnalisés, qui sont conçus sans points chauds dès le départ.

De nombreux facteurs sont pris en compte lors de la conception d'un piston diesel, notamment le type d'injecteur et le schéma de pulvérisation, ainsi que les stratégies de carburant et d'allumage qui seront utilisées lors du réglage. Cela peut affecter la conception ou l'inclusion d'un pic, et une question fréquemment posée par les consommateurs est liée à l'angle d'injection de la parabole.

"Nous avons créé un plat à bol large qui couvre tous les angles différents", déclare Canning, renforçant à nouveau l'idée qu'il est essentiel pour les fabricants de pistons de tout savoir sur l'application pour fournir le bon piston. "Les petits plats font moins de puissance sans nitreux, mais avec du nitreux, un petit plat c'est mieux."

Un autre aspect d'un piston personnalisé qui peut améliorer la résistance est le bossage de l'axe. L'extrémité de la broche d'une bielle diesel est effilée vers le haut afin d'augmenter la surface d'appui et de répartir la charge sur une zone plus large sur la face inférieure de l'axe du poignet au niveau de la tige lors de la course descendante, ainsi que sur le côté supérieur entre la broche et le piston. Contrairement à l'usinage du cône dans une pièce forgée, c'est un avantage de dupliquer la forme de la tige dans la pièce forgée.

"Depuis que nous avons des tiges Carrillo et des pistons CP, nous avons dupliqué le cône de la tige Carrillo dans le forgeage du piston CP", souligne Canning.

Une autre option de piston est l'acier, qui offre les performances de l'aluminium forgé, mais l'avantage supplémentaire de la durabilité. Les pistons en acier sont incroyablement solides et capables de supporter la chaleur. Sur la base de ces seuls facteurs, ils peuvent sembler être le choix idéal, mais ils présentent également des inconvénients. Si des éraflures se produisent entre la paroi du cylindre et la jupe du piston, l'acier va très probablement endommager la paroi du cylindre, tandis que l'aluminium est plus facile sur les parois du cylindre et tout dommage ne se produira qu'au piston lui-même.

Les revêtements sont une technologie qui ajoute plusieurs options et peut varier entre les pistons personnalisés. Les meilleurs revêtements thermiques ne sont pas destinés à remplacer la qualité, mais lorsque vous repoussez les limites, ils pourraient bien être ce petit avantage supplémentaire qui vous permet de passer sans endommager le piston. Ils peuvent également aider à prévenir les points chauds et vous donner une fenêtre légèrement plus grande pour le réglage.

"Nous proposons un revêtement de barrière thermique sur la couronne du piston", nous a expliqué Mahle's Maylish. "C'est une couche supplémentaire de protection contre les chocs thermiques, pour empêcher l'excès de chaleur de pénétrer dans la couronne du piston."

L'anodisation dure est un processus courant pour protéger les rainures des anneaux, mais certaines entreprises proposent un revêtement anti-usure à base de nickel. Bien qu'elle ajoute de l'épaisseur au matériau, l'anodisation est un processus qui augmente l'épaisseur de la couche d'oxyde naturelle dans le métal, par opposition à un revêtement qui est appliqué, nécessitant un type de finition machine différent.

Les revêtements de jupe sont conçus pour réduire la friction, avec l'intention principale de réduire les éraflures et de réduire la fatigue de la jupe de piston.

"Le matériau que nous utilisons sur les jupes de piston Mahle est Grafal", explique Maylish. "Il a une propriété d'amortissement, et là où il y a un potentiel de contact avec la paroi du cylindre, le Grafal empêchera le contact métal sur métal."

Le roucoulement d'huile est un autre aspect important des pistons diesel. Ils sont refroidis en pulvérisant le dessous du piston et en dirigeant une partie de l'huile dans les cavités derrière les segments. Étant donné que les mêmes galeries ne peuvent pas être moulées dans un piston forgé, de nombreux pistons personnalisés sont conçus pour diriger le jet d'huile afin de maximiser le refroidissement.

En fin de compte, l'un des facteurs les plus importants lors de la commande de pistons diesel est de fournir au fabricant de pistons de votre choix toutes les informations sur votre construction et l'utilisation prévue. Les fabricants de pistons encouragent leur implication pour s'assurer que vous obtenez les pistons dont vous avez besoin.

"Si vous avez des questions de quelque nature que ce soit, appelez-nous", réitère Maylish. "Nous avons des gens qui font partie de notre personnel de vente depuis plus de 20 ans et des gens qui font partie de notre personnel d'ingénierie depuis plus de 30 ans. Nous pouvons vous aider."BE