MAHLE EN «REMET UNE COUCHE» POUR LIMITER LES FROTTEMENTS

MOINS IL Y A DE FROTTEMENTS, PLUS LE MOTEUR PEUT TRAVAILLER DE MANIÈRE EFFICACE ET ÉCONOMIQUE. COMME UNE GRANDE PARTIE DES FROTTEMENTS SE PRODUIT AU NIVEAU DES SEGMENTS DE PISTONS, C’EST LÀ QUE LES INGÉNIEURS DE MAHLE ONT PRODUIT LEUR EFFORT EN METTANT AU POINT UN NOUVEAU REVÊTEMENT.

Les segments de pistons fonctionnent généralement par trois. Un système astucieusement conçu fait en sorte que l’huile moteur parvienne jusqu’à la jupe du piston sans pénétrer dans la chambre de combustion. Concrètement, les deux segments supérieurs assurent l’étanchéité de la chambre de combustion entre l’alésage du cylindre et le piston. Le segment inférieur sert de racleur d’huile et veille à ce que la majeure partie de l’huile moteur reste à l’intérieur du système à combustion. L’ensemble des segments de pistons contribue ainsi grandement à réduire la consommation de carburant et la pollution pour l’environnement.

Les segments de pistons servent par ailleurs à refroidir le piston : grâce au contact avec la surface de glissement du cylindre, les segments transmettent au cylindre refroidi les températures de combustion élevées de la tête de piston.

Mais les segments de piston de qualité peuvent encore bien davantage : ils réduisent les pertes par frottement au sein du moteur, accroissent ainsi les performances, diminuent la consommation et augmentent la durée de vie du moteur.

LES FROTTEMENTS ONT UN COÛT QUE L’ON PEUT MINIMISER
Les frottements au sein du moteur à combustion influent demanière considérable sur la consommation de carburant.MAHLE, l’un des principaux fabricants de pistons au monde, partenaire en développement des constructeurs de moteurs et de véhicules, le sait depuis longtemps déjà et travaille depuis des années pour mettre au point des solutions novatrices minimisant grandement les pertes par frottement au niveau des segments de pistons.

Les ingénieurs MAHLE s’appuient sur une approche globale combinant des outils de simulation numérique et des contrôles moteurs afin de développer des jeux de segments de pistons à frottements réduits, en particulier pour lesmoteurs à essencemodernes.

OÙ IL EST QUESTION DE FORCE TANGENTIELLE ET DE PRESSION SUPERFICIELLE
Les segments-racleurs d’huile doivent exercer une force de pression relativement élevée sur la surface de glissement du cylindre pour empêcher l’huile moteur d’atteindre la tête du piston et d’y brûler. Les ingénieurs parlent ici de force tangentielle.

Cette force tangentielle presse la bande de roulement des segments de pistons contre la surface de glissement du cylindre. Cette force divisée par la surface donne la pression superficielle, essentielle à un bon fonctionnement de l’ensemble. Le principe est le suivant : une force tangentielle élevée est synonyme de frottements importants, et ceux-ci sont indésirables. Pour réduire les forces tangentielles tout en maintenant la pression superficielle spécifique, on peut diminuer la bande de roulement des segments de pistons en optant pour des segments moins hauts. Mais cela les rend plus vulnérables à l’usure. La solution : FMEP [kPa] utiliser un revêtement particulièrement résistant à l’usure pour la bande de roulement des segments.

REVÊTEMENT PVD : MAHLE PROGRESSE À TOUTE VAPEUR
Chrome, molybdène, nitruration gazeuse : tels étaient les matériaux et procédés utilisés jusqu’à maintenant pour accroître la résistance à l’usure des segments de pistons. Les ingénieurs MAHLE ont mis au point une méthode novatrice pour apposer sur les segments de pistons un revêtement performant : le dépôt physique en phase vapeur (Physical Vapour Deposition, en abrégé : PVD). Ce procédé issu du sport automobile consiste à déposer en phase vapeur des couches de carbone de type diamant sous vide poussé. Cela donne un revêtement hautement résistant avec des pertes par frottement nettement réduites. Les revêtements PVD ne sont pas seulement plus durs, ils sont aussi plus résistants.

Les segments de pistons ayant subi ce genre de traitement présentent une résistance accrue à l’usure et une meilleure prévention de l’érosion même dans des conditions d’utilisation rudes et en cas de lubrification réduite. La résistance à l’usure et la longévité des segments de pistons s’en trouvent donc sensiblement accrues.

Ce revêtement permet également d’avoir des pistons de hauteur réduite, ce qui présente un autre avantage : celui d’une flexibilité plus grande. Les segments s’adaptent encore mieux à la forme du cylindre. Cela permet de minimiser la pression spécifique, et donc potentiellement les forces tangentielles sans compromettre la fonctionnalité de l’ensemble.

Jeu de segments avec segment de compression à revêtement PVD, segment à face conique et talon et segment-racleur d’huile en 3 parties.

RÉDUCTION DES FROTTEMENTS :
LIMITER LA CONSOMMATION DE CARBURANT ET LES ÉMISSIONS POLLUANTES POUR UN AVENIR RADIEUX
À titre d’expérience, une chemise de cylindre a étémontée dans le sens longitudinal de manière à ce qu’elle puisse osciller librement. Lorsque lemoteur tourne,des capteurs de force livrent des informations sur les forces de frottement des segments de pistons.

Résultat : les frottements sur le groupe de segments sont réduits de 20 à 30 % selon la charge et le régime. La baisse des frottements est plus importante en cas de régime bas et de charge peu élevée, ce qui correspond aux conditions typiques de la circulation en ville.

Frottements comparés : force de frottement et pression moyenne de frottement (FMEP) mesurées sur des jeux de segments de 1,2/1,2/2,0 mm (bleu) et 1,0/1,0/1,5 mm (rouge). Le jeu composé de segments moins hauts présente une sollicitation tangentielle inférieure de 42 %, ce qui réduit de 28 % environ les frottements sur les segments.