Tout ce que vous avez toujours voulu savoir sur les pistons – Caractéristique – Voiture et chauffeur

Les limaces d'aluminium à l'intérieur de votre moteur vivent dans un enfer de feu. À plein régime et à 6000 tr/min, un piston dans un moteur à essence est soumis à près de 10 tonnes de force toutes les 0,02 seconde alors que des explosions répétées chauffent le métal à plus de 600 degrés Fahrenheit.

De nos jours, cet Hadès cylindrique est plus chaud et plus intense que jamais, et il est probable qu'il ne fera qu'empirer pour les pistons. Alors que les constructeurs automobiles recherchent une efficacité accrue, les fabricants de pistons se préparent à un avenir dans lequel les moteurs à essence à aspiration naturelle les plus puissants produisent 175 chevaux par litre, contre 130 aujourd'hui. Avec la suralimentation et les rendements accrus, les conditions sont encore plus difficiles. Au cours de la dernière décennie, les températures de fonctionnement des pistons ont grimpé de 120 degrés, tandis que les pressions maximales des cylindres sont passées de 1500 psi à 2200.

Un piston raconte une histoire sur le moteur dans lequel il réside. La couronne peut révéler l'alésage, le nombre de soupapes et si oui ou non le carburant est directement injecté dans le cylindre. Pourtant, la conception et la technologie d'un piston peuvent également en dire long sur les tendances et les défis plus larges auxquels l'industrie automobile est confrontée. Pour inventer une maxime : comme va l'automobile, va le moteur ; et au fur et à mesure que le moteur va, le piston aussi. Dans la quête d'une meilleure économie de carburant et d'une réduction des émissions, les constructeurs automobiles demandent des pistons plus légers et à faible friction avec l'endurance nécessaire pour supporter des conditions de fonctionnement plus difficiles. Ce sont ces trois préoccupations - durabilité, frottement et masse - qui consomment les journées de travail des fournisseurs de pistons.

À bien des égards, le développement des moteurs à essence suit la voie tracée par les diesels il y a 15 ans. Pour compenser l'augmentation de 50% des pressions maximales du cylindre, certains pistons en aluminium ont désormais un insert en fer ou en acier pour soutenir le segment supérieur. Les moteurs à essence les plus chauds nécessiteront bientôt une galerie de refroidissement ou un canal fermé sur le dessous de la couronne qui est plus efficace pour évacuer la chaleur que la méthode actuelle consistant simplement à pulvériser de l'huile sur le dessous du piston. Les gicleurs projettent de l'huile dans une petite ouverture au bas du piston qui alimente la galerie. La technologie apparemment simple n'est cependant pas facile à fabriquer. Créer un passage creux signifie couler le piston en deux pièces et les assembler par friction ou soudage au laser.

Les pistons représentent au moins 60 % de la friction du moteur, et les améliorations ici ont un impact direct sur la consommation de carburant. Les patchs en résine imprégnée de graphite réduisant les frottements et sérigraphiés sur la jupe sont désormais presque universels. Le fournisseur de pistons Federal-Mogul expérimente une face conique sur le segment racleur qui permet de réduire la tension du segment sans augmenter la consommation d'huile. Un frottement inférieur de l'anneau peut débloquer jusqu'à 0,15 chevaux par cylindre.

Les constructeurs automobiles sont également avides de nouvelles finitions réduisant les frottements entre les pièces qui frottent ou tournent les unes contre les autres. Le revêtement dur et glissant de type diamant, ou DLC, est prometteur pour les chemises de cylindre, les segments de piston et les axes de poignet, où il peut éliminer le besoin de roulements entre l'axe et la bielle. Mais c'est cher et a peu d'applications dans les voitures d'aujourd'hui.

"Les [fabricants] discutent souvent du DLC, mais il reste à savoir s'ils intégreront ou non les voitures de production", déclare Joachim Wagenblast, directeur principal du développement de produits chez Mahle, un fournisseur allemand de pièces automobiles.

La modélisation informatique de plus en plus sophistiquée et les méthodes de fabrication plus précises permettent également des formes plus complexes. En plus des bols, des dômes et des empreintes de soupape nécessaires pour le jeu et pour obtenir un taux de compression particulier, les jupes asymétriques présentent une zone plus petite et plus rigide du côté poussée du piston pour réduire les concentrations de frottement et de contrainte. Retournez un piston et vous verrez des parois coniques d'à peine plus de 0,1 pouce d'épaisseur. Des parois plus fines nécessitent un contrôle plus strict des tolérances qui sont déjà mesurées en microns, ou en millièmes de millimètre.

Des parois plus minces exigent également une meilleure compréhension de la dilatation thermique d'un objet qui doit parfois passer du point de congélation à plusieurs centaines de degrés en quelques secondes. Le métal de votre moteur ne se dilate pas uniformément lorsqu'il chauffe, donc l'optimisation des tolérances nécessite une expérience de conception et des capacités d'usinage précises pour créer de légères excentricités dans les pièces.

"Rien de ce que nous fabriquons n'est délibérément droit ou rond", déclare Keri Westbrooke, directrice de l'ingénierie et de la technologie chez Federal-Mogul. "Nous construisons toujours une compensation."

Les pistons des moteurs diesel subissent leur propre évolution à mesure que les pressions maximales des cylindres augmentent vers 3600 psi. Mahle et Federal-Mogul prévoient un passage de l'aluminium coulé aux pistons en acier forgé. L'acier est plus dense que l'aluminium mais trois fois plus résistant, ce qui donne un piston plus résistant aux pressions et températures plus élevées sans augmentation de poids.

L'acier permet un changement notable de géométrie en raccourcissant la hauteur de compression du piston, définie comme la distance entre le centre du maneton et le sommet de la couronne. Cette zone représente 80% du poids du piston, donc plus court signifie généralement plus léger. Surtout, une hauteur de compression inférieure ne se contente pas de rétrécir les pistons. Cela permet également un bloc moteur plus court et plus léger car la hauteur du pont est réduite.

Mahle fabrique des pistons en acier pour les applications turbo-diesel de pointe, telles que l'Audi R18 TDI, quatre fois victorieuse au Mans, et le moteur LMP2 Skyactiv-D de Mazda. La société commencera à expédier ses premiers pistons en acier pour un moteur diesel de production léger, un quatre cylindres Renault de 1,5 litre, plus tard cette année.

La pertinence durable du moteur à combustion interne est due à l'évolution continue de ses composants. Les pistons ne sont pas sexy. Ils ne sont pas aussi modernes qu'une batterie lithium-ion, aussi complexes qu'une transmission à double embrayage ou aussi intéressants qu'un différentiel à vecteur de couple. Pourtant, après plus d'un siècle de progrès dans l'automobile, les pistons alternatifs continuent de produire la majeure partie de la puissance qui nous anime.

Applications : Ferrari 458 Italia (illustrée), 458 Spider

Type de moteur : DACT V-8

Cylindrée : 274 pouces cubes, 4 497 cm3

Puissance spécifique : 125,0 ch/l

Régime moteur max : 9 000 tr/min

Alésage : 3,70 po

Poids : 2,1 livres

Applications : Ford Fiesta (illustrée), Focus

Type de moteur : trois cylindres en ligne à DACT turbocompressé

Cylindrée : 61 pouces cubes, 999 cm3

Puissance spécifique : 123,1 ch/l

Régime moteur max : 6500 tr/min

Alésage : 2,83 pouces

Poids : 1,5 lb

Applications : Ram Heavy Duty (illustré)

Type de moteur : six cylindres en ligne diesel à poussoir turbocompressé

Cylindrée : 408 cu in, 6690 cc

Puissance spécifique : 55,3 ch/l

Régime moteur max : 3200 tr/min

Alésage : 4,21 po

Poids : 8,9 lb

Applications : Ford F-150, Mustang (illustré)

Type de moteur : DACT V-8

Cylindrée : 302 cu in, 4951 cc

Puissance spécifique : jusqu'à 84,8 ch/l

Régime moteur max : 7000 tr/min

Alésage : 3,63 pouces

Poids : 2,4 livres

Applications : Dodge Dart ; Fiat 500 Abarth (illustrée), 500L, 500 Turbo

Type de moteur : 4 cylindres en ligne SACT turbocompressé

Cylindrée : 83 pouces cubes, 1368 cm3

Puissance spécifique : jusqu'à 117,0 ch/l

Régime moteur max : 6500 tr/min

Alésage : 2,83 pouces

Poids : 1,5 lb

Applications : camions lourds (International Prostar illustré)

Type de moteur : six cylindres en ligne diesel SACT turbocompressé

Cylindrée : 912 pouces cubes, 14 948 cm3

Puissance spécifique : jusqu'à 40,1 ch/l

Régime moteur max : 2000 tr/min

Alésage : 5,39 pouces

Poids : 26,4 lb

Applications : Dodge Viper (illustré)

Type de moteur : poussoir V-10

Cylindrée : 512 cu in, 8382 cc

Puissance spécifique : 76,4 ch/l

Régime moteur max : 6400 tr/min

Alésage : 4,06 po

Poids : 2,8 livres

Applications : Ford Expedition, Explorer Sport, F-150 (illustré), Taurus SHO, Transit ; Lincoln MKS, MKT, navigateur

Type de moteur : V6 à double turbocompresseur à DACT

Cylindrée : 213 cu in, 3496 cc

Puissance spécifique : jusqu'à 105,8 ch/l

Régime moteur max : 6500 tr/min

Alésage : 3,64 pouces

Poids : 2,6 livres

Applications : Scion tC (illustré) ; Toyota Camry, RAV4

Type de moteur : quatre cylindres en ligne à DACT

Cylindrée : 152 cu in, 2494 cc

Puissance spécifique : jusqu'à 72,2 ch/l

Régime moteur max : 6500 tr/min

Alésage : 3,54 pouces

Poids : 2,5 livres

Applications : scie à chaîne MS441 CM Magnum (illustrée), scie à chaîne MS441 C-MQ Magnum

Type de moteur : monocylindre à deux temps

Cylindrée : 4 pouces cubes, 71 cm3

Puissance spécifique : 79,7 ch/l

Régime moteur maximal : 13 500 tr/min

Alésage : 1,97 po

Poids : 0,4 lb

Applications : Dodge Challenger SRT Hellcat

Type de moteur : V-8 à poussoir suralimenté

Cylindrée : 376 cu in, 6166 cc

Puissance spécifique : 114,7 ch/l

Régime moteur max : 6200 tr/min

Alésage : 4,09 pouces

Poids : 3,0 lb

À mesure que la charge de travail des pistons augmente, les exigences sur les bielles augmentent également. Des pressions de combustion plus élevées se traduisent par des contraintes plus importantes sur les bâtons reliant les pistons à la manivelle. À l'exception rare des pièces exotiques en titane, les bielles sont généralement fabriquées à partir d'acier en poudre, comprimé et chauffé dans un moule, ou forgées à partir d'acier pour des applications plus performantes. Le changement technologique majeur concerne les chapeaux de tête de bielle fissurés pour les bielles en métal poudré et forgées. Auparavant, la tige et le capuchon d'extrémité du maneton étaient fabriqués en pièces séparées. Les tiges aux capuchons fissurés sortent du moule en une seule pièce en forme de clé à douille. L'extrémité du maneton est gravée puis cassée en deux à la presse. La surface irrégulière résultante améliore l'alignement ; donne une connexion capuchon-tige plus sûre ; et permet un assemblage de bielle plus mince et plus léger.

Pistons non métalliques : les céramiques et les composites offrent l'attrait d'une dilatation thermique plus faible, d'un poids plus léger et d'une résistance et d'une rigidité supérieures à celles de l'aluminium. Dans les années 1980, Mercedes-Benz a utilisé une subvention du gouvernement allemand pour créer un moteur 190E avec des pistons en composite de carbone qui a parcouru 15 000 miles sans problème. Bien que la technologie soit solide, la fabrication était le facteur limitant. Une étude de la NASA de 1990 a révélé que l'usinage d'un seul piston à partir d'une billette de carbone-carbone coûtait 2 000 $. L'alternative était un processus de pose manuel qui prenait du temps.

Rotors Wankel : D'accord, d'accord, nous savons que ce n'est pas un piston alternatif, mais le rotor triangulaire en fonte est l'analogue du piston du moteur Wankel car il convertit l'énergie de combustion en couple. En l'absence de nouveau Mazda RX à l'horizon, notre seul espoir pour un renouveau rotatif semble être Audi, qui nous a taquiné avec un prolongateur d'autonomie de type Wankel dans son concept hybride rechargeable Audi A1 e-tron 2010.

Pistons ovales : À une époque où les moteurs de moto à deux temps étaient la norme, Honda a présenté un moteur à quatre temps au Grand Prix mondial de moto en 1979. Il s'agit de l'un des moteurs les plus étranges de l'histoire. Le vélo NR500 GP de Honda était propulsé par un moteur V-4 avec un angle en V de 100 degrés, des cylindres ovales surmontés de huit soupapes chacun et deux bielles par piston. L'étanchéité des pistons ovales s'est avérée difficile (l'activité initiale de Soichiro Honda fournissait des segments de piston à Toyota), mais c'était l'un des moindres soucis de l'équipe. Les motos se retiraient régulièrement des courses du GP du monde et échouaient parfois à se qualifier. En trois ans, Honda est revenu à un moteur de course traditionnel à deux temps.

Moteurs à pistons opposés : le moteur diesel à deux temps à pistons opposés et cylindres opposés (OPOC) d'EcoMotors revendique une amélioration de l'efficacité pouvant atteindre 15 % par rapport à un moteur à allumage par compression conventionnel. En plaçant la chambre de combustion entre deux pistons, l'entreprise a éliminé les culasses et le train de soupapes, sources de pertes de chaleur et de frottements importants. Un moteur OPOC avec moins de pièces devrait également être moins cher et plus léger, s'il ne se retrouve pas sur l'étagère avec le fantastique carburateur Fish.

Eric Tingwall est diplômé en génie mécanique et en journalisme, une combinaison qu'il a poursuivie avec le rêve de travailler chez Car and Driver. Tout en vivant son rêve, il a coupé des pièces de voiture en deux, conduit dans une voiture factice stationnaire à 50 mph, a parcouru Virginia International Raceway dans les voitures de performance les plus chaudes et a expliqué la physique derrière l'homme de tube farfelu, ondulant, gonflable et à bras oscillant.

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Car and Driver, numéro de mai 2023