La tendance est nette dans l’industrie automobile : les moteurs se doivent d’être toujours plus puissants. Les développeurs de moteurs se penchent à cet égard de plus en plus sur l’injection diesel. Un potentiel énorme a été mis en évidence au cours des dernières années : en combinant l’injection haute pression et la commande électronique de la combustion, il est possible d’augmenter de manière considérable le niveau de performance des diesels.
Une hausse de la puissance spécifique du moteur se traduit nécessairement par des sollicitations thermiques et mécaniques accrues pour les pistons. Il faut en tenir compte lors du développement et de la conception des pistons qui font partie des pièces mises à rude épreuve au sein du moteur à combustion. Lorsque les températures dépassent les 360 °C, comme c’est le cas dans le creux de combustion du piston, et que les pressions d’allumage vont au-delà des 170 bars, les pistons en alliages d’aluminium atteignent leurs limites.
Il s’agissait donc de trouver de nouvelles idées et d’autres matériaux. La solution proposée par les ingénieurs MAHLE consiste en un piston avec une tête en acier forgé résistant à de très hautes températures et une tige en aluminium. Le piston FERROTHERM® était né.
UNE BONNE CONDUITE
Le projet repose sur une répartition bien définie des tâches : la tige en aluminium a uniquement pour fonction de guider correctement le piston dans l’alésage du cylindre, tandis que le « gros du travail » et l’étanchéité sont assurés par la partie supérieure du piston. Son acier forgé autorise des températures nettement plus élevées à la base du piston et des pressions superficielles bien plus grandes entre le moyeu et l’axe de piston. La solidité de l’acier forgé se traduit aussi par une meilleure résistance à l’usure et une grande longévité des gorges sur la partie supérieure du piston.
LE JEU DU COUP-DE-FEU
L’acier présente un autre atout décisif par rapport aux alliages aluminium et silicium : son coefficient de dilatation thermique est sensiblement moins important, ce qui permet de réduire le jeu entre le piston et le cylindre au niveau du segment coup-de-feu. Cela offre de grands avantages en matière d’étanchéité et réduit la fuite des gaz, tandis que la fente circulaire très étroite entre piston et cylindre aide les segments de piston à accomplir leur tâche. Le jeu réduit du segment coup-de-feu a également des conséquences positives pour les émissions de gaz d’échappement, car cela signifie un espace mort limité et donc une combustion optimale et propre.
L’ASTUCE DU « SHAKER »
L’acier a toutefois un inconvénient par rapport à l’aluminium, à savoir une conductibilité thermique moins bonne. Il convient donc de maintenir la température à un faible niveau en optimisant le refroidissement du piston. La solution : des éléments en acier ressort et un mode de construction de la tige du piston destiné à former un canal de refroidissement dans lequel l’huile moteur va être injectée afin d’être ramenée à une température plus basse. La section importante et le mouvement ascendant et descendant du piston donnent un effet « shaker » qui assure un refroidissement suffisant de la tête du piston.
UN MARIAGE SURPRENANT ET RÉUSSI
Comment réunir deux matériaux aussi différents que l’acier et l’aluminium en une même unité fonctionnelle ? Comme le montre l’illustration, la partie supérieure du piston et la tige du piston sont reliées par l’axe. La combustion et les pressions d’allumage se répercutent sur la tête en acier et la force ainsi produite est directement transmise de la tête à la bielle par le biais de l’axe de piston. L’alésage du moyeu est muni d’une douille en métal non ferreux qui accompagne idéalement le mouvement de l’axe de piston. Sur les modèles récents, l’alésage de moyeu est doté d’un revêtement destiné à améliorer encore l’action conjointe de l’axe et du piston. On observe une fente entre la partie supérieure en acier et la tige en aluminium. Cette séparation spatiale a une fonction de dissociation thermique. Les températures au niveau de la tige sont ainsi bien inférieures à celles d’un piston tout aluminium. La chaleur moins grande au niveau de la tige du piston et cette dissociation ont permis d’optimiser la tâche de guidage de la tige. Et cela s’entend : le moteur diesel émet un bruit très doux et uniforme pour une puissance accrue et un couple plus important.
LE PISTON FERROTHERM® : CONVAINCANT EN PREMIÈRE MONTE …
Bien que le piston FERROTHERM® existe sur le marché depuis près de vingt ans, il reste une pièce de construction moderne utilisée en particulier pour les véhicules utilitaires. De nombreux moteurs des marques Volvo, Scania, Detroit Diesel et Caterpillar sont ainsi équipés en usine de pistons FERROTHERM® MAHLE. Encore aujourd’hui, de grands constructeurs ont recours à ce principe génial : des groupes avec pistons en deux parties sont en cours de développement pour Mercedes-Benz et pour un grand fabricant russe de moteurs.
… ET PERFORMANT SUR LE MARCHÉ DE LA RECHANGE
La gamme pour les distributeurs MAHLE comprend elle aussi des pistons FERROTHERM®, reconnaissables dans l’actuel catalogue des pièces de moteurs aux deux numéros d’ébauches : la tête de piston en acier est signalée par la combinaison de lettres « KB », tandis que la tige coulée en aluminium se remarque à la lettre « L » (voir extrait du catalogue).
Aperçu du catalogue de pièces de moteur MAHLE Original : la tête en acier du piston en deux parties FERROTHERM® se reconnaît à la combinaison « KB » ; la tige en aluminium est désignée par la lettre « L ».
L’IMPORTANCE D’UN MONTAGE CORRECT
Les pistons FERROTHERM® sont livrés démontés, la partie supérieure et la tige sont soigneusement emballées l’une à côté de l’autre dans un carton. Il faut faire attention à bien respecter le sens lors du montage de la partie supérieure, de la tige et de la bielle : la partie supérieure et la tige ne peuvent s’assembler que dans un sens.
Section d’un piston FERROTHERM® avec tête en acier.