Les limaces d’aluminium à l’intérieur de votre moteur vivent dans un enfer ardent. À plein régime et à 6000 tr/min, le piston d’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 cela ne peut qu’empirer pour les pistons. Alors que les constructeurs automobiles courent après une efficacité accrue, les fabricants de pistons se préparent à un avenir dans lequel les moteurs à essence à aspiration naturelle les plus puissants produiront 175 chevaux par litre, contre 130 aujourd’hui. La turbocompression et l’augmentation de la puissance s’accompagnent de conditions encore plus difficiles. Au cours de la dernière décennie, les températures de fonctionnement des pistons ont grimpé de 120 degrés, tandis que les pressions de pointe des cylindres ont gonflé 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 le carburant est ou non 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 est confrontée l’industrie automobile. Pour reprendre une maxime : « L’automobile va, le moteur aussi, et le moteur aussi, le piston aussi ». Dans leur quête d’économies de carburant et de réduction des émissions, les constructeurs automobiles demandent des pistons plus légers, à faible frottement et capables de résister à des conditions de fonctionnement plus difficiles. Ce sont ces trois préoccupations – durabilité, frottement et masse – qui consument 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 de pointe des cylindres, certains pistons en aluminium sont désormais dotés d’un insert en fer ou en acier pour soutenir le segment supérieur. Les moteurs à essence les plus chauds auront bientôt besoin d’une galerie de refroidissement, ou d’un canal fermé sur la face inférieure de la couronne, plus efficace pour évacuer la chaleur que la méthode actuelle qui consiste simplement à asperger d’huile la face inférieure du piston. Les gicleurs projettent de l’huile dans une petite ouverture au bas du piston qui alimente la galerie. Cette technologie apparemment simple n’est cependant pas facile à fabriquer. Créer un passage creux implique de mouler le piston en deux pièces et de les assembler par friction ou par soudage au laser.
Les pistons représentent au moins 60 % de la friction du moteur, et les améliorations à ce niveau ont un impact direct sur la consommation de carburant. Les patchs de résine imprégnés de graphite réduisant le frottement et sérigraphiés sur la jupe sont désormais presque universels. Le fournisseur de pistons Federal-Mogul expérimente une face conique sur le segment d’huile qui permet de réduire la tension du segment sans augmenter la consommation d’huile. La réduction de la friction des segments peut débloquer jusqu’à 0,15 cheval-vapeur par cylindre.
Les constructeurs automobiles sont également avides de nouvelles finitions réduisant la friction 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 il est coûteux et a peu d’applications dans les voitures d’aujourd’hui.
« Les discutent souvent du DLC, mais la question de savoir s’ils arriveront ou non dans les voitures de série est un point d’interrogation », déclare Joachim Wagenblast, directeur principal du développement des 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 d’obtenir des formes plus complexes. Outre les cuvettes, les dômes et les indentations des soupapes 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 de la poussée du piston pour réduire les frottements et les concentrations de contraintes. Retournez un piston et vous verrez des parois coniques dont l’épaisseur ne dépasse guère 0,1 pouce. Des parois plus minces nécessitent un contrôle plus strict des tolérances qui se mesurent déjà en microns, ou millièmes de millimètre.
Des parois plus fines exigent également une meilleure compréhension de la dilatation thermique d’un objet qui doit parfois passer d’une température inférieure au point de congélation à plusieurs centaines de degrés en quelques secondes. Le métal de votre moteur ne se dilate pas uniformément lorsqu’il se réchauffe, et l’optimisation des tolérances nécessite donc 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 droit ou rond délibérément », déclare Keri Westbrooke, directrice de l’ingénierie et de la technologie chez Federal-Mogul. « Nous construisons toujours une certaine compensation. »
Les pistons des moteurs diesel connaissent leur propre évolution alors que les pressions de pointe des cylindres augmentent vers 3600 psi. Mahle et Federal-Mogul prévoient un passage de l’aluminium moulé aux pistons en acier forgé. L’acier est plus dense que l’aluminium mais trois fois plus résistant, ce qui conduit à un piston plus résistant aux pressions et aux 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 de l’axe du poignet et le sommet de la couronne. Cette zone représente 80 % du poids du piston, donc plus court signifie généralement plus léger. Il est essentiel qu’une hauteur de compression plus faible ne se contente pas de rétrécir les pistons. Elle permet également d’obtenir un bloc moteur plus court et plus léger, car la hauteur du pont est réduite.
Mahle fabrique des pistons en acier pour des applications turbo-diesel de pointe, telles que l’Audi R18 TDI, quatre fois victorieuse au Mans, et le moteur LMP2 Skyactiv-D de Mazda. L’entreprise commencera à expédier ses premiers pistons en acier pour un moteur diesel de série léger, un quatre cylindres de 1,5 litre de Renault, dans le courant de l’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 modiques qu’une batterie au 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 automobile, les pistons alternatifs continuent de produire la majeure partie de la puissance qui nous fait bouger.
Ferrari F136
Applications: Ferrari 458 Italia (shown), 458 Spider
Engine Type: DOHC V-8
Displacement: 274 cu in, 4497 cc
Specific Output: 125.0 hp/l
Max engine speed: 9000 rpm
Bore: 3.70 in
Weight: 2.1 lb
Ford Fox
Applications: Ford Fiesta (shown), Focus
Engine Type: turbocharged DOHC inline-three
Displacement: 61 cu in, 999 cc
Specific Output: 123.1 hp/l
Max engine speed: 6500 rpm
Bore: 2.83 in
Weight: 1.5 lb
Cummins ISB 6.7
Applications: Ram Heavy Duty (shown)
Engine Type: turbocharged pushrod diesel inline-six
Displacement: 408 cu in, 6690 cc
Specific Output: 55.3 hp/l
Max engine speed: 3200 rpm
Bore: 4.21 in
Weight: 8.9 lb
Ford Coyote
Applications: Ford F-150, Mustang (shown)
Engine Type: DOHC V-8
Displacement: 302 cu in, 4951 cc
Specific Output: up to 84.8 hp/l
Max engine speed: 7000 rpm
Bore: 3.63 in
Weight: 2.4 lb
Fiat Fire 1.4L Turbo
Applications: Dodge Dart; Fiat 500 Abarth (shown), 500L, 500 Turbo
Engine Type: turbocharged SOHC inline-four
Displacement: 83 cu in, 1368 cc
Specific Output: up to 117.0 hp/l
Max engine speed: 6500 rpm
Bore: 2.83 in
Weight: 1.5 lb
Cummins ISX15
Applications: heavy-duty trucks (International Prostar shown)
Engine Type: turbocharged SOHC diesel inline-six
Displacement: 912 cu in, 14,948 cc
Specific Output: up to 40.1 hp/l
Max engine speed: 2000 rpm
Bore: 5.39 in
Weight: 26.4 lb
Chrysler LA-Series Magnum V-10
Applications: Dodge Viper (shown)
Engine Type: pushrod V-10
Displacement: 512 cu in, 8382 cc
Specific Output: 76.4 hp/l
Max engine speed: 6400 rpm
Bore: 4.06 in
Weight: 2.8 lb
Ford EcoBoost 3.5L
Applications: Ford Expedition, Explorer Sport, F-150 (shown), Taurus SHO, Transit; Lincoln MKS, MKT, Navigator
Engine Type: twin-turbocharged DOHC V-6
Displacement: 213 cu in, 3496 cc
Specific Output: up to 105.8 hp/l
Max engine speed: 6500 rpm
Bore: 3.64 in
Weight: 2.6 lb
Toyota 2AR-FE
Applications: Scion tC (shown); Toyota Camry, RAV4
Engine Type: DOHC inline-four
Displacement: 152 cu in, 2494 cc
Specific Output: up to 72.2 hp/l
Max engine speed: 6500 rpm
Bore: 3.54 in
Weight: 2.5 lb
Stihl MS441 Chain Saw
Applications: MS441 C-M Magnum chain saw (shown), MS441 C-MQ Magnum chain saw
Engine Type: two-stroke single-cylinder
Displacement: 4 cu in, 71 cc
Specific Output: 79.7 hp/l
Max engine speed: 13,500 rpm
Bore: 1.97 in
Weight: 0.4 lb
Chrysler Hellcat 6.2L
Applications: Dodge Challenger SRT Hellcat
Engine Type: supercharged pushrod V-8
Displacement: 376 cu in, 6166 cc
Specific Output: 114.7 hp/l
Max engine speed: 6200 rpm
Bore: 4.09 in
Weight: 3.0 lb
As the workload for pistons increases, so do the demands on connecting rods. Higher combustion pressures translate to greater stresses on the sticks linking the pistons to the crank. À l’exception de rares pièces exotiques en titane, les bielles sont généralement fabriquées à partir de poudre d’acier, comprimées et chauffées dans un moule, ou forgées à partir d’acier pour les applications à hautes performances. Le principal changement technologique concerne les chapeaux de tête de bielle fendus, tant pour les bielles en poudre que pour les bielles forgées. Auparavant, la bielle et l’embout du maneton étaient fabriqués séparément. Les bielles dont le chapeau est fissuré sortent du moule en une seule pièce, en forme de clé à molette. L’extrémité du maneton est gravée, puis cassée en deux avec une presse. La surface irrégulière qui en résulte améliore l’alignement, assure une connexion plus sûre entre le capuchon et la bielle, et permet d’obtenir un assemblage de bielle plus fin 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 plus élevées par rapport à 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 fonctionné pendant 15 000 miles sans problème. Bien que la technologie soit solide, la fabrication était le facteur limitant. Une étude de la NASA réalisée en 1990 a révélé que l’usinage d’un seul piston à partir d’une billette en carbone-carbone coûtait 2 000 dollars. L’alternative était un processus de stratification à la main qui prenait beaucoup de temps.
Rotors Wankel : Bon, bon, on sait 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 d’un nouveau Mazda RX à l’horizon, notre seul espoir de renaissance du moteur 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 quatre temps au Grand Prix mondial de moto en 1979. Il est considéré comme l’un des moteurs les plus étranges de l’histoire. La NR500 GP de Honda était équipée d’un moteur V-4 avec un angle de calage de 100 degrés, des cylindres ovales surmontés de huit soupapes chacun, et deux bielles par piston. L’étanchéité des pistons ovales s’avérait difficile (l’activité initiale de Soichiro Honda était de fournir des segments de piston à Toyota), mais c’était le moindre des soucis de l’équipe. Les motos sont régulièrement abandonnées lors des courses du GP mondial et ne parviennent pas toujours à se qualifier. En trois ans, Honda est revenu à un moteur de course traditionnel à deux temps.
Moteurs à pistons opposés : Le moteur à deux temps à pistons opposés et à cylindres opposés (OPOC) à combustion diesel d’EcoMotors revendique une amélioration du rendement pouvant atteindre 15 % par rapport à un moteur à allumage par compression classique. En plaçant la chambre de combustion entre deux pistons, la société a éliminé les culasses et la commande des soupapes, sources de pertes de chaleur et de frictions importantes. Un moteur OPOC avec moins de pièces devrait également être moins cher et plus léger, s’il ne finit pas sur l’étagère avec le fantasque carburateur poisson.
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