Aucune partie d’un moteur n’est plus sollicitée que ses pistons. Lorsqu’un piston monte en compression, la pression du mélange air-carburant confiné au-dessus s’élève aux alentours de 15bars. Puis une étincelle enflamme le mélange. Au cours des 45 degrés suivants de rotation du vilebrequin, le mélange brûle, atteignant une pression maximale de peut-être 90 bars. La température du gaz grimpe de 2500°C. Le point de fusion de l’aluminium pur est légèrement inférieur à 650°C, et l’alliage pour une plus grande résistance le réduit à 500 degrés.
Comment le métal peut-il survivre ? Premièrement, les pistons ne sont exposés à la combustion que le dixième du temps de rotation du moteur, soit 60 à 80 degrés sur les 720 du cycle à quatre temps. Deuxièmement, la surface du piston est protégée par une mince « couche limite » de gaz stagnant qui s’accroche à lui, assurant une isolation efficace. De plus, l’aluminium conduit la chaleur trois fois plus rapidement que le fer ou l’acier, tout en ayant un peu plus du tiers de son poids. Cela signifie que la chaleur absorbée par la couronne du piston est rapidement évacuée vers une partie plus froide du piston. Parce que l’aluminium est léger, une plus grande partie peut être utilisée pour évacuer la chaleur de combustion.
Les pistons en bref :
– La clé d’une combustion rapide et efficace est une chambre de combustion plate et sans relief avec au moins une zone de renfoncement à la forme des têtes de soupapes.
– Pour minimiser la friction des roulements, les pistons doivent être aussi légers que possible. Le forgeage allie légèreté et résistance améliorée à la fatigue sous contrainte.
– Pour que la pression du gaz puisse maintenir les segments de piston toujours au fond de leurs gorges, les segments sont allégés en étant toujours plus fins.
Alors que les performances des moteurs augmentent, avec des alésages plus grands et des courses plus courtes, le poids du piston doit être réduit pour réduire les vibrations et les contraintes sur les roulements et les pièces mécaniques. Les pistons traditionnels conduisent leur chaleur vers la paroi du cylindre plus frais à travers des têtes de pistons épaisses, mais un tel poids est impossible à amener à haut régime. Par conséquent, les pistons légers, minces et à jupe courte d’aujourd’hui sont également refroidis par des jets d’huile du moteur.
Les gens parlaient autrefois d’une vitesse de piston limite (généralement donnée entre 20 et 25m/s), mais ce qui limite vraiment le régime est la contrainte extrême de l’accélération du piston. Alors que les pistons d’un moteur de Formule 1 de l’ère V-10 atteignaient des accélérations maximales atteignant 10.000 G. Les pistons dans un moteur d’une sportive de 600cc capable d’atteindre 15.000trs/min subissaient 7.000 G. Plus l’accélération est élevée, plus les efforts de la bielle sur l’axe du piston sont conséquents et plus les fissures peuvent se former dans le matériau.
Parce qu’ils sont les plus proches de la chaleur, les segments de piston supérieurs doivent être plaqués ou remplis d’un métal à point de fusion élevé tel que le chrome (1850°C) ou le molybdène (2600°C). Cela retarde l’usure en limitant le soudage localisé et l’arrachement subséquent de particules métalliques en surface. Les segments supérieurs ont généralement une face cylindrique pour assurer l’étanchéité même avec une certaine inclinaison du piston. Les seconds segments dits d’étanchéité ou de compression (rarement utilisés dans les moteurs de course) ont généralement une face effilée. Le segment racleur d’huile est constitué de deux rails très minces et flexibles exerçant une pression spécifique élevée, pressés vers l’extérieur par un expandeur élastique. Un contrôle durable de l’huile est essentiel à la longue durée de vie des catalyseurs d’échappement.
Bien que certains moteurs diesel à usage intensif aient des pistons en acier, ceux utilisés dans les moteurs à allumage commandé sont coulés ou forgés à partir de deux types d’alliages d’aluminium de base : soit un alliage aluminium-silicium à faible expansion et résistant à l’usure, soit un alliage à haute résistance à chaud alliage aluminium-cuivre-nickel-magnésium.
Les pistons ont évolué d’une forme en forme de seau avec un haut dôme des années 1960 aux proportions actuelles de « cendrier » à sommet plat, chaque détail de leur face inférieure ayant reçu un allègement notable grâce à des études de résistance des matériaux assez poussées. Les pièces façonnées ainsi étroitement aux exigences de la nature ont une beauté fascinante. Ils ne peuvent pas avoir d’autres formes et fonctions également.
