Mise à jour des pistons et segments

La conception de base du piston et du segment est à peu près la même que lors de l'invention du premier moteur à combustion interne. Le piston est toujours une pastille ronde de métal qui glisse de haut en bas dans le cylindre. Et les anneaux sont toujours utilisés pour sceller la compression, minimiser les fuites de combustion et contrôler l'huile.

Malgré les similitudes avec les homologues précédents, la conception des pistons est devenue un processus très compliqué où même la forme est minutieusement tracée sur un programme de modélisation informatique connu sous le nom d'analyse par éléments finis (FEA). Les pistons ne sont pas non plus vraiment ronds de nos jours. Beaucoup sont spécifiquement conçus pour être une forme elliptique à froid qui se dilate en une forme ronde lorsque les moteurs se réchauffent à la température de fonctionnement. Cependant, la force causée par le processus de combustion exerce la plus grande partie de la pression initiale sur la zone de la tête du piston lorsque le front de flamme se dilate.

Pour les segments de piston, la tendance se poursuit vers des segments en acier plus minces avec des revêtements de surface avancés. Bien qu'ils ne soient pas directement dus à l'injection directe et à l'induction forcée, les revêtements de face des segments de piston continuent d'évoluer pour répondre aux exigences élevées de ces moteurs. Généralement, tout nouveau moteur sur le marché utilise aujourd'hui de l'acier pour tous les anneaux ainsi qu'un certain type de revêtement par dépôt physique en phase vapeur (PVD).

Alors que les matériaux et les conceptions des pistons ont évolué au fil des ans pour compenser les pressions plus élevées et la dilatation thermique, la sélection d'un piston optimisé pour les conditions de la chambre de combustion peut être difficile car il y a tellement de variables à prendre en compte. Les constructeurs de moteurs doivent tenir compte du type de matériau, du processus de fabrication, qu'il soit forgé, coulé ou billette, du jeu de segments, y compris les revêtements, du coût, etc. Les pistons forgés offrent la plus grande résistance et durabilité, mais ils peuvent ne pas être le meilleur choix pour toutes les applications, même s'ils sont disponibles. Les conceptions de billettes offrent une flexibilité en matière de conception et plus de flexibilité pour le dimensionnement, mais elles sont également plus coûteuses à produire en raison de la quantité d'usinage nécessaire pour couper un bouchon en aluminium en une pièce utilisable. Les pistons coulés sont fabriqués en grandes quantités mais ne sont pas aussi solides que ceux fabriqués à partir de billettes ou de pièces forgées. Il appartient en fin de compte aux constructeurs de moteurs de déterminer la meilleure combinaison pour le client.

La suralimentation des moteurs plus petits est la tendance que les équipementiers suivent ces jours-ci, ce qui permet aux moteurs plus petits et plus économes en carburant d'avoir une puissance similaire à celle de leurs cousins ​​à plus grande cylindrée, mais cela augmente également la charge et la température que les pistons et les segments doivent supporter. Les petits moteurs à haut rendement nécessitent un piston fabriqué dans un matériau capable de supporter des températures et des pressions de combustion plus élevées. Les pistons moulés d'hier ne suffisent plus pour les applications d'aujourd'hui à injection directe d'essence (GDI) ou à injection directe turbocompressée (TGDI).

La plupart des moteurs GDI utilisent des cames à calage variable des soupapes (VVT). Alors que le VVT ​​peut fournir beaucoup de place pour régler les performances du moteur, cette configuration nécessite la nécessité de décharges de soupape plus profondes sur les dessus de piston pour donner suffisamment de jeu pour les soupapes lorsque la came avance et ralentit. Les phaseurs de came de la plupart des moteurs avec VVT peuvent faire pivoter les cames jusqu'à 40 degrés, et certains peuvent décaler la synchronisation des cames jusqu'à 60 degrés. C'est beaucoup de rotation de came, donc si les pistons n'ont pas le bon jeu pour les décharges de soupape, des pièces métalliques précieuses pourraient entrer en collision si les soupapes sont maintenues ouvertes trop longtemps.

Les pistons pour les moteurs GDI sont de conception très similaire aux moteurs à injection dans l'orifice, à l'exception de la zone de la couronne. La plupart des pistons des moteurs GDI ont une dépression dans la couronne qui dirige le carburant vers la bougie une fois qu'il a été injecté. Cette flaque d'un mélange de carburant relativement riche est dirigée vers la bougie d'allumage pour initier la combustion. Une fois que la bougie d'allumage a enflammé la piscine de carburant, le reste du carburant dans la chambre peut être brûlé pour produire un mélange plus efficace.

Pour la plupart des moteurs performants et à haut rendement, les pistons forgés sont la voie à suivre car ils sont fabriqués à partir des alliages les plus durables tels que le 4032 et le 2618. En ce qui concerne la résistance à la traction, les deux alliages ne sont pas très éloignés. 4032 a une cote d'environ 55 000 psi et 2618 est évalué à environ 65 000 psi. Un piston 4032 est légèrement plus léger qu'un piston en 2618. Les pistons fabriqués avec des alliages 4032 ont une teneur en silicium d'environ 10 à 12 % et sont populaires pour des applications telles que l'oxyde nitreux ou les moteurs à induction forcée légèrement survoltés. La teneur en silicium donne à l'aluminium un taux d'expansion inférieur à celui de l'alliage 2618 et peut être utilisé avec un piston plus serré par rapport à la paroi du cylindre pour une meilleure durabilité. Les pistons fabriqués à partir de 4032 ont également la caractéristique supplémentaire de ne pas faire autant de bruit lorsque le moteur atteint sa température de fonctionnement.

L'alliage est chauffé à l'état liquide pour faire un moulage, puis versé dans un moule pour créer la forme de base du piston. Une fois l'alliage refroidi et devenu solide, le moule est retiré et le moulage brut est usiné à sa forme finale. De nombreux moteurs d'origine utilisent des pistons coulés car ils sont peu coûteux et fonctionnent bien à des niveaux de puissance inférieurs. Pour les applications de puissance plus élevée qui nécessitent des pistons plus puissants, un hypereutectique moulé est un bon choix pour les constructions modérées. Les pistons hypereutectiques ne sont pas aussi solides que les pistons forgés en alliage 4032 ou 2618. Par conséquent, la plupart des constructeurs de moteurs utilisent un piston forgé pour les applications de performance qui utilisent le boost, l'oxyde nitreux, des régimes élevés ou une combinaison de ceux-ci. Cependant, les pistons hypereutectiques coulés se dilatent thermiquement moins que les pistons forgés fabriqués à partir d'un alliage 4032 à faible dilatation. Par conséquent, les pistons hypereutectiques peuvent avoir un jeu piston-cylindre plus serré que les pistons forgés. Les pistons hypereutectiques sont généralement la meilleure option à utiliser pour les moteurs d'origine, en particulier lorsque la longévité est concernée plutôt que les performances pures.

Les équipementiers et les fabricants de bagues du marché secondaire poursuivent la tendance vers des bagues plus fines et à faible tension pour réduire la friction et car elles sont plus conformes à la paroi du cylindre. Ils offrent également une meilleure étanchéité avec moins de soufflage que les anneaux en fonte ductile traditionnels. Un anneau de compression traditionnel en fonte ductile produit environ 7 à 8 livres de tension, contre environ la moitié de celle des anneaux en acier de style plus mince utilisés dans certaines divisions de course de haut niveau. Un anneau de 1,0 mm ou moins offre une réduction significative de la friction et de la traînée, mais il nécessite également un matériau d'anneau plus solide et plus durable.

Les anneaux en acier au carbone, qui sont utilisés à la fois pour les moteurs performants et les ensembles de remplacement OEM des modèles récents, sont 35 % plus résistants que la fonte grise. Les anneaux en acier au carbone peuvent être recouverts de molybdène, chromés ou non plaqués.

Un autre type d'anneau en acier est disponible en acier inoxydable, qui est le matériau de choix pour de nombreuses classes de course professionnelles et d'autres applications haut de gamme avec des anneaux aussi étroits que 0,7 mm. Les bagues en acier inoxydable ne peuvent pas être coulées dans un alésage en fonte sans un traitement de surface tel que la nitruration gazeuse ou le PVD avec un alliage de titane ou de chrome.

Les revêtements PVD sont la dernière technologie grand public. Ces revêtements offrent un frottement extrêmement faible et offrent d'excellentes caractéristiques d'usure. Le seul inconvénient de ces revêtements sont les coûts, mais à mesure que la demande du marché augmente et que de plus en plus de fournisseurs acquièrent cette technologie, le coût d'offre de ces revêtements diminuera, selon

Il est essentiel que le jeu de segments de piston et le piston se complètent en termes de jeu entre l'arrière du segment de piston et le fond de la gorge du piston, appelé jeu arrière. Si le jeu n'est pas suffisant, des dommages au moteur se produiront très probablement lors de l'installation du piston et des segments. Les fabricants d'anneaux recommandent fortement de vérifier les anneaux pour un jeu arrière suffisant afin de vérifier qu'ils sont le jeu d'anneaux correct pour l'application.

Les revêtements sont disponibles dans divers composés et procédés, du graphite à la céramique en passant par l'anodisation et plus encore. Les revêtements de piston offrent certains avantages dans des applications spécifiques. Les fabricants et les entreprises de revêtement utilisent des noms de propriété pour les revêtements dans de nombreux cas, mais il n'y a essentiellement que quelques types de film sec à pulvérisé sur céramique à DLC ou PVD qui s'imprègne dans la surface du métal. Les revêtements PVD déposent un film mince (2-10 microns; 0,0001″-0,0004″) sur la surface de l'anneau. Le processus de revêtement PVD est réalisé sous vide poussé, ce qui le rend coûteux, mais les fabricants pensent que le coût diminuera à mesure que la demande augmentera.

La nitruration gazeuse est un processus de traitement thermique qui imprègne la surface du métal avec de l'azote pour durcir le métal. Lorsqu'il est utilisé sur des segments de piston, il durcit toute la surface du segment à une profondeur d'environ 0,001˝, ce qui améliore considérablement sa résistance à l'usure latérale ainsi qu'à l'usure frontale. Les anneaux nitrurés au gaz ont une dureté qui se traduit par une échelle Rockwell d'environ 68 HRC, soit près de 50 % plus dur que les anneaux en acier et quatre fois plus dur que les anneaux en fonte grise. Les anneaux sont si durs, en fait, que l'usure des anneaux est pratiquement inexistante. Les fabricants de bagues qui utilisent ce traitement disent que les cylindres s'useront avant les bagues !

Tout comme les restaurants de restauration rapide proposent des repas de qualité et des combinaisons comprenant un sandwich, des frites et une boisson, des kits de piston et de segment sont disponibles et constituent un choix populaire parmi les constructeurs de moteurs. Les kits de piston et de segment peuvent être constitués de pistons coulés, hypereutectiques ou forgés et d'un ensemble de segments assortis de votre choix. Les pistons comprennent de nouvelles goupilles de poignet et sont disponibles dans des alésages standard ainsi que des alésages surdimensionnés pour s'adapter à des combinaisons de moteurs spécifiques. Vous pouvez économiser du temps et de l'argent en obtenant des composants correspondants dans un seul paquet.

Il a été dit qu'environ 50 à 60% du frottement total généré par un moteur provient du piston et des segments. Les meilleurs constructeurs et fabricants de moteurs le savent, c'est pourquoi nous constatons maintenant tant de gains de puissance. La partie difficile consiste à réduire la friction ET à sceller la combustion et à transférer l'énergie au vilebrequin, mais le gain peut être important si vous le faites correctement.