Piston hypereutectique - Hypereutectic piston
Un piston hypereutectique est un piston de moteur à combustion interne coulé à l'aide d'un alliage hypereutectique, c'est-à-dire un alliage métallique dont la composition dépasse le point eutectique . Les pistons hypereutectiques sont constitués d'un alliage d'aluminium qui contient beaucoup plus de silicium qu'il n'en est soluble dans l' aluminium à la température de fonctionnement . L'aluminium hypereutectique a un coefficient de dilatation thermique plus faible , ce qui permet aux concepteurs de moteurs de spécifier des jeux beaucoup plus serrés.
Le matériau le plus couramment utilisé pour les pistons automobiles est l'aluminium en raison de son poids léger, de son faible coût et de sa résistance acceptable. Bien que d'autres éléments puissent être présents en plus petites quantités, l'élément d'alliage préoccupant dans l'aluminium pour les pistons est le silicium. Le point auquel le silicium est entièrement et exactement soluble dans l'aluminium aux températures de fonctionnement est d'environ 12 %. Soit plus ou moins de silicium que cela se traduira par deux phases distinctes dans la structure cristalline solidifiée du métal. C'est très courant. Lorsque beaucoup plus de silicium est ajouté à l'aluminium que 12%, les propriétés de l'aluminium changent d'une manière utile pour les pistons des moteurs à combustion. Cependant, avec un mélange de 25 % de silicium, il y a une réduction significative de la résistance du métal, de sorte que les pistons hypereutectiques utilisent généralement un niveau de silicium compris entre 16 % et 19 %. Des moules spéciaux, des techniques de coulée et de refroidissement sont nécessaires pour obtenir des particules de silicium uniformément dispersées dans tout le matériau du piston.
Les pistons hypereutectiques sont plus solides que les pistons en fonte d'aluminium plus courants et utilisés dans de nombreuses applications hautes performances. Ils ne sont pas aussi solides que les pistons forgés, mais leur coût est beaucoup moins élevé car ils sont coulés.
Avantages
La plupart des moteurs automobiles utilisent des pistons en aluminium qui se déplacent dans un cylindre en fer . La température moyenne d'une couronne de piston dans un moteur à essence en fonctionnement normal est généralement d'environ 300 °C (570 °F) et le liquide de refroidissement qui traverse le bloc moteur est généralement régulé à environ 90 °C (190 °F). L'aluminium se dilate plus que le fer dans cette plage de températures, donc pour que le piston s'adapte correctement au cylindre à une température de fonctionnement normale, le piston doit avoir un ajustement lâche à froid.
Dans les années 1970, l'inquiétude croissante suscitée par la pollution des gaz d'échappement a amené le gouvernement américain à créer l' Environmental Protection Agency (EPA), qui a commencé à rédiger et à appliquer des règles obligeant les constructeurs automobiles à introduire des changements permettant à leurs moteurs de fonctionner plus proprement. À la fin des années 1980, la pollution des gaz d'échappement des automobiles s'était sensiblement améliorée, mais des réglementations plus strictes ont obligé les constructeurs automobiles à adopter l' injection de carburant à commande électronique et des pistons hypereutectiques. En ce qui concerne les pistons, il a été découvert que lorsqu'un moteur était froid au démarrage, une petite quantité de carburant était emprisonnée entre les segments de piston. Au fur et à mesure que le moteur se réchauffait, le piston s'est dilaté et a expulsé cette petite quantité de carburant qui s'est ajoutée à la quantité d'hydrocarbures non brûlés dans l'échappement.
En ajoutant du silicium à l'alliage du piston, l'expansion du piston a été considérablement réduite. Cela a permis aux ingénieurs de spécifier un jeu réduit entre le piston et la chemise de cylindre. Le silicium lui-même se dilate moins que l'aluminium. Un autre avantage de l'ajout de silicium est que le piston devient plus dur et moins sensible aux éraflures, ce qui peut se produire lorsqu'un piston en aluminium souple est mis en régime à froid dans un cylindre relativement sec au démarrage ou lors de températures de fonctionnement anormalement élevées.
Le plus gros inconvénient de l'ajout de silicium aux pistons est que le piston devient plus cassant à mesure que le rapport silicium/aluminium augmente. Cela rend le piston plus susceptible de se fissurer si le moteur subit un pré-allumage ou une détonation.
Alliages de remplacement performants
Lorsque les passionnés d'automobile veulent augmenter la puissance du moteur, ils peuvent ajouter un certain type d' induction forcée . En comprimant plus d'air et de carburant dans chaque cycle d'admission, la puissance du moteur peut être considérablement augmentée. Cela augmente également la chaleur et la pression dans le cylindre.
La température normale des gaz d'échappement des moteurs à essence est d'environ 650 °C (1 200 °F). C'est aussi approximativement le point de fusion de la plupart des alliages d'aluminium et c'est seulement l'afflux constant d'air ambiant qui empêche le piston de se déformer et de tomber en panne. L'induction forcée augmente les températures de fonctionnement pendant "sous boost", et si l'excès de chaleur est ajouté plus rapidement que le moteur ne peut l'évacuer, les températures élevées des cylindres provoqueront l'auto-allumage du mélange d'air et de carburant sur la course de compression avant l'étincelle . Il s'agit d'un type de cognement du moteur qui provoque une onde de choc soudaine et une pointe de pression, ce qui peut entraîner une défaillance du piston en raison de la fatigue de surface induite par les chocs, qui ronge la surface du piston.
L'alliage de piston de performance "4032" a une teneur en silicium d'environ 11 %. Cela signifie qu'il se dilate moins qu'un piston sans silicium, mais comme le silicium est entièrement allié au niveau moléculaire (eutectique), l'alliage est moins cassant et plus flexible qu'un piston hypereutectique "smog" (faible compression). Ces pistons peuvent survivre à une détonation légère avec moins de dommages que les pistons d'origine. Les alliages 4032 et hypereutectiques ont un faible coefficient de dilatation thermique, permettant un ajustement plus serré du piston à l'alésage du cylindre à la température d'assemblage.
L'alliage de piston de performance "2618" contient moins de 2% de silicium et pourrait être décrit comme hypo (sous) eutectique. Cet alliage est capable de subir le plus de détonations et d'abus tout en subissant le moins de dommages. Les pistons fabriqués avec cet alliage sont également généralement plus épais et plus lourds en raison de leurs applications les plus courantes dans les moteurs diesel commerciaux . À la fois en raison des températures plus élevées que la normale que ces pistons subissent dans leur application habituelle et du coefficient de dilatation thermique plus élevé en raison de la faible teneur en silicium provoquant une plus grande croissance thermique, ces pistons nécessitent un plus grand jeu entre le piston et l'alésage du cylindre aux températures d'assemblage. Cela conduit à une condition connue sous le nom de « claquement de piston », qui se produit lorsque le piston bascule dans le cylindre et provoque un bruit de tapotement audible qui se poursuit jusqu'à ce que le moteur se soit réchauffé à des températures de fonctionnement, dilatant le piston et réduisant le jeu entre le piston et la paroi du cylindre.
Forgé contre coulé
Lorsqu'un piston est coulé , l'alliage est chauffé jusqu'à l'état liquide, puis versé dans un moule pour créer la forme de base. Une fois l'alliage refroidi et solidifié, il est retiré du moule et le moulage brut est usiné à sa forme finale. Pour les applications qui nécessitent des pistons plus solides, un processus de forgeage est utilisé.
Dans le processus de forgeage, le moulage brut est placé dans une matrice alors qu'il est encore chaud et semi-solide. Une presse hydraulique est utilisée pour placer la limace brute sous une pression énorme. Cela supprime toute porosité possible et pousse également les grains d'alliage ensemble plus étroitement que ce qui peut être obtenu par une simple coulée seule. Le résultat final est un matériau beaucoup plus résistant.
Les pistons de performance du marché secondaire fabriqués à partir des alliages 4032 et 2618 les plus courants sont généralement forgés.
Par rapport aux pistons forgés en alliage 4032 et 2618, les pistons hypereutectiques ont moins de résistance. Par conséquent, pour les applications de performance utilisant le boost, l'oxyde nitreux et/ou des régimes élevés, les pistons forgés (fabriqués à partir de l'un ou l'autre alliage) sont préférés. Cependant, les pistons hypereutectiques subissent moins de dilatation thermique que les pistons forgés. Pour cette raison, les pistons hypereutectiques peuvent exécuter un jeu piston-cylindre plus serré que les pistons forgés. Cela fait des pistons hypereutectiques un meilleur choix pour les moteurs d'origine, où la longévité est plus importante que les performances ultimes. Certains véhicules utilisent des pistons forgés en usine. Les Dodge Vipers ont utilisé des pistons forgés des années modèles 1992-1999, puis sont passés à l'hypereutectique. La dernière génération de Vipers (2013-2017) utilisait des pistons forgés. Toutes les Honda S2000 utilisent des pistons forgés.