Description d’un moteur à pistons et composants du piston
Chapitre I : Etude bibliographique
I.1.Description générale d’un moteur à pistons :
Un moteur à piston est constitué, d’un bloc qui comprend un cylindre dans lequel se déplace un piston relié à un vilebrequin par une bielle.
Le mouvement du piston s’effectue entre deux positions extrêmes appelées point mort haut (PMH) et point mort bas (PMB), correspondant respectivement au volume minimal et maximal du milieu réactionnel (Figure 1.1).
Un moteur d’automobile, comprend toujours plusieurs cylindres : 1,2, 4, 5, 6, 8, ou 12 selon les modèles [1].
Le piston est réalisé en alliage léger avec une tête plate, bombée ou légèrement rentrante sous les soupapes et la bougie.
L’extrémité du piston débouche sur la chambre de combustion, bordé par une paroi métallique fixe (fonte ou alliage léger) dite culasse ; cette dernière peut présenter les formes les plus diverses selon les critères recherchés par le constructeur dans la conception des chambres à combustion.
Il existe, notamment, des chambres plates hémisphériques, en toit, en baignoire, creusée dans la tête du piston. Un joint métalloplastique, dit joint de culasse, assure l’étanchéité entre le bloc moteur et la chambre de combustion.
L’énergie dégagée par la combustion, engendre un mouvement rectiligne du piston, transformé en mouvement rotatif en sortie de vilebrequin, par l’intermédiaire du système bielle manivelle.
Figure I.1 : schéma de l’ensemble cylindre-piston-culasse.
I.2.Le piston :
Le piston est l’organe qui, en se déplaçant dans le cylindre ou la chemise, transmet la poussée des gaz au vilebrequin par l’intermédiaire de la bielle. Il est en général moulé dans un matériau léger et d’une bonne conductivité thermique comme les alliages d’aluminium [2].
Le piston sert à comprimer les gaz en vue d’une explosion, et qui après l’explosion transforme une énergie thermique en énergie mécanique. Outre ces deux rôles primordiaux, le piston à d’autres rôles aussi importants pour le bon fonctionnement du moteur :
- Aspirer le mélange de gaz dans la chambre de combustion lors de sa descente. Expulser les gaz brulés lors de sa remontée.
- évacuer la chaleur crée par les explosions répétées.
- Assurer l’étanchéité entre la chambre de combustion et le carter du vilebrequin rempli d’huile.
- Résister à la très forte chaleur et aux contraintes mécaniques.
Et enfin, être le plus léger possible pour diminuer les masses en mouvement [3].
Figure I.2 : Le piston [4]
I.2.1. Composants du piston :
I.2.1.1. Tête de piston
Partie supérieure du piston.
Partie du piston sur laquelle agit la pression du fluide de travail et qui porte tous les segments ou quelques-uns d’entre eux composée du fond du piston et de la couronne porte-segments [5].
I.2.1.1. a. Fond du piston
Surface du piston du côté de la chambre de combustion [5].
Reçoit les efforts nés de la combustion. Son épaisseur, inversement proportionnelle au module d’élasticité du matériau, à la température de fonctionnement, doit croître avec la pression maximale des gaz avec l’alésage, pour que l’allongement n’atteigne la valeur A% du matériau à la température du matériau considérée.
Le fond est également la surface d’entrée des flux thermiques qui traverseront le piston. Lorsque ce piston doit concourir à l’établissement d’une turbulence du mélange (air+ combustible), ce qui est fréquent en diesel, sa surface n’est plus plate et devient plus ou moins tourmentée.
Il s’ensuit que le flux thermique pénétrant dans le piston s’accroît puisque la surface d’échange croît et le coefficient de transfert thermique augmente.
I.2.1.1.b. La couronne porte-segments :
Partie de la surface latérale du piston comprise entre le fond du piston et le bord inférieur de la gorge de segment de piston la plus basse, et qui reçoit les segments de piston [5].
Dissipe une partie d’énergie calorifique qui entre par le fond et assure l’étanchéité au gaz et à l’huile. L’étanchéité aux gaz :
- Assure la compression de l’air.
- Limite les fuites de gaz de combustion (donc les pertes d’énergie d’huile).
- évite que les gaz refoulant l’huile, ne provoquent le dommage des segments, le grippage au niveau de la jupe et les fumées au reniflard (évacuation des vapeurs présentes dans le carter d’huile).
I.2.1.2. Jupe de piston :
Partie inférieure du piston qui assure son guidage, et qui peut comporter ou pas des gorges de segments de piston. Dans le cas des moteurs à deux temps, la jupe de piston couvre les orifices de transfert du fluide de travail pendant une partie de la course [5].
I.2.1.3. Logement d’axe (trou d’axe) :
Ce logement et en particulier le raccordement des bossages au fond, doivent posséder une rigidité conduisant à des déformations aussi faibles que possible tout en n’étant pas trop lourde. Il y a intérêt à situer ce logement d’axe aussi près que possible du centre de gravité du piston afin d’en diminuer le basculement.
I.2.2. Matériaux utilisés dans la fabrication des pistons :
Les principales propriétés ayant une influence sur le comportement des pistons sont les suivantes :
- La densité.
- Les propriétés mécaniques des matériaux aux températures de fonctionnement.
- Conductivité thermique.
- Coefficient de dilatation.
- Qualités de frottement, de résistance à l’usure.
Parmi les matériaux utilisés dans la fabrication du piston, on cite :
I.2.2.a. Alliages d’aluminium
Les alliages d’aluminium au cuivre (2à10% de Cu) ductiles et forgeables possèdent des caractéristiques mécaniques importantes à froid mais qui se dégradent rapidement à chaud. On préfère, en conséquence les alliages au silicium (12% de Si) car :
- Ils se comportent moins mal à chaud.
- Ils possèdent un coefficient de dilatation moins élevé (20.10-6 K-1).
- Ils offrent de meilleures qualités de frottement.
I.2.2.b. Acier
L’acier est le métal industriel possédant les meilleures caractéristiques. Mais du fait de sa mauvaise conductivité thermique, il ne peut être utilisé que dans les cas de piston refroidi. [10]
I.2.2.c. Fonte
La fonte possède un faible allongement A% avant l’apparition de fissure, ce qui l’handicape dans son emploi lorsque le moteur est soumis à de fréquentes et brutales variations de régime. Par ailleurs son gain de poids moins accusé que dans la solution acier (E plus faible), incite à limiter son emploi au moteur semi-lent. [10]
I.2.3. Fonction du piston :
Dans le cylindre d’un moteur, l’énergie liée au carburant est convertie en chaleur et en pression pendant la course d’expansion.
Les valeurs de chaleur et de pression augmentent considérablement en une courte période de temps. Le piston, en tant que partie mobile de la chambre de combustion, a pour tâche de convertir une partie de cette énergie libérée en travail mécanique.
La couronne de piston transfère les forces de compression résultant de la combustion du mélange air-carburant via le bossage d’axe de piston, l’axe de piston et la bielle, vers le vilebrequin. [11]
I.2.3.1. Variété de tâches :
Les tâches les plus importantes que le piston doit accomplir sont :
- Transmission de puissance depuis et vers le gaz de travail ;
- Délimitation variable de la chambre de travail (cylindre) ;
- Obturation de la chambre de travail ;
- Guidage linéaire de la bielle (moteurs à pistons de coffre) ;
- Dissipation thermique ;
- Soutien des échanges gazeux par admission et échappement d’air (moteurs quatre temps) ;
- Support de la formation du mélange (au moyen d’une forme appropriée de la surface du piston sur le côté chambre de combustion);
- Contrôle des échanges gazeux (dans les moteurs à deux temps);
- Guidage des éléments d’étanchéité (segments de piston);
- Guidage de la bielle dans le sens longitudinal du vilebrequin (pour bielles guidées par le haut).
À mesure que la puissance spécifique du moteur augmente, les exigences relatives au piston augmentent également. [11]
I.2.3.2. Exigences sur le piston :
Remplir différentes tâches telles que
- Adaptabilité aux conditions d’exploitation ;
- Résistance au grippage et douceur de roulement simultanée ;
- Faible poids avec une stabilité de forme suffisante ;
- Faible consommation d’huile ;
- Faibles valeurs d’émissions de polluants ; et
- Pertes par frottement les plus faibles possibles se traduisent par des exigences en partie contradictoires, tant en termes de conception que de matériaux.
Ces critères doivent être soigneusement coordonnés pour chaque type de moteur. La solution optimale peut donc être assez différente pour chaque cas individuel. [11]
