Le terme moteur « bloc court » est utilisé le plus souvent lorsque les choses vont vraiment mal, et moins souvent lorsque vous voulez quelque chose de nouveau. Expliquons-nous : un bloc moteur court est un ensemble composé d'un bloc-cylindres moteur et d'un certain nombre de composants du moteur, qui est le plus souvent nécessaire lorsque le piston est usé, ce qui entraîne des réparations coûteuses. C'est le bloc court qui constitue une excellente alternative à l'achat d'un moteur entier, car lorsque le groupe de pistons s'use, de nombreuses pièces du moteur ne s'usent pas et ne nécessitent pas de remplacement, donc pour beaucoup, cela n'a aucun sens d'acheter un ensemble moteur complet, et le bloc court est spécialement conçu pour inclure uniquement les composants de remplacement essentiels. Le deuxième cas (quand vous voulez quelque chose de nouveau) est celui où un bloc court n'est pas seulement une alternative à l'ensemble moteur, mais un moyen d'améliorer la dynamique de la voiture - un bloc aussi court peut avoir des cylindres avec des pistons d'un plus grand diamètre.
Un moteur à bloc court comprend généralement des pistons avec des segments (déjà enfoncés dans le bloc-cylindres), des bielles et un vilebrequin. Les blocs courts nécessitent toujours l'installation de pièces internes supplémentaires, qui comprennent (sans toutefois s'y limiter) :
- la pompe à huile,
- Carter d'huile,
- un collecteur d'échappement,
- culasse (culasse),
- joints
Cependant, le bloc court est différent du bloc court et l'ensemble de certains composants dépend du modèle de moteur et de la voiture. De nombreux blocs courts sont disponibles avec des arbres à cames et de nombreuses pièces supplémentaires (y compris des joints, un petit nombre de capteurs).
Bloc court d'un moteur 4 cylindres avec un jeu de pistons, bielles et vilebrequin
Mais il existe aussi un bloc dit long - il s'agit d'un bloc court amélioré et plus complet, qui comprend, en plus de ce dont est équipé le bloc court, une culasse, un carter d'huile, un collecteur d'échappement, un couvercle de soupape et un certain nombre d'autres parties. En fait, le bloc long constitue presque un moteur complet.
Un bloc moteur fait partie des moteurs à pistons à 2 cylindres ou plus. Le bloc-cylindres remplit deux fonctions principales : c'est un boîtier dans lequel sont logés tous les composants, mécanismes et pièces du moteur. Deuxièmement, le bloc-cylindres constitue la base des pièces rapportées du moteur : carter, culasse.
Matériau du bloc-cylindres
Fonte– un matériau traditionnel à partir duquel les blocs étaient fabriqués jusqu'à récemment. La fonte est utilisée avec des additifs : nickel, chrome. Qualités positives d'un bloc-cylindres en fonte : moins de sensibilité à la surchauffe, rigidité requise à un degré élevé. L'inconvénient est la masse importante, qui affecte la dynamique de la voiture.
Aluminium– occupe le deuxième rang dans la fabrication de blocs-cylindres. Les qualités positives d'un bloc aluminium sont : la légèreté et un meilleur refroidissement. L'inconvénient réside dans le problème du choix du matériau à partir duquel le cylindre doit être fabriqué.
Dans les conditions modernes, des technologies ont été développées pour la fabrication de cylindres dans les blocs-cylindres de moteurs en aluminium : Locasil - pressage de chemises aluminium-silicium, Nicasil - sous la forme d'un revêtement de nickel sur la surface en aluminium du bloc-cylindres.
L'inconvénient de la technologie du nickel est que si le piston brûle ou si la bielle se brise, le revêtement en nickel se détériore et le bloc-cylindres ne peut pas être réparé. Cela change dans son ensemble. Contrairement à la fonte, qui fait également l'objet d'un kit de réparation.
Bloc-cylindres en alliage de magnésium combine la dureté de la fonte et la légèreté de l'aluminium. Mais un tel bloc est très coûteux et n'est pas utilisé dans la production de convoyeurs.
Chacun des matériaux a ses propres avantages et inconvénients, il est donc incorrect d'indiquer clairement lequel est le meilleur.
Exigences de base pour le bloc-cylindres du moteur
- les trous de tous les lits doivent assurer l'alignement ;
- les lits doivent avoir le même diamètre. L'exception concerne les conceptions spéciales ;
- les axes des lits et le plan du bloc cylindre doivent être parfaitement parallèles.
Aperçu des principales pièces du bloc-cylindres
Cylindre du moteur. La partie principale d’un cylindre de moteur est la chemise. Deux types de manchons sont utilisés :
- chemises pressées directement dans le bloc-cylindres. Généralement en blocs d'aluminium ;
- qui sont divisés en « humide » et « sec ».
Culasse. Il comprend : une chambre de combustion, des points de fixation de la courroie de distribution, une chemise de refroidissement et des canaux de lubrification, des trous filetés pour les bougies d'allumage (injecteurs), des trous pour les canaux d'entrée et de sortie.
Le bloc-cylindres (bloc moteur) est la partie principale et fondamentale d'un moteur à combustion interne, il représente l'essentiel de la charge et abrite les principaux composants et mécanismes. Par conséquent, des exigences strictes sont imposées au bloc-cylindres : il est fabriqué à partir de matériaux de haute qualité et traité sur des machines spéciales de haute précision. Fondamentalement, les blocs-cylindres sont fabriqués en fonte grise perlitique avec de petits ajouts d'éléments d'alliage, mais récemment, on les trouve souvent en aluminium et même en magnésium. Les blocs sont principalement fabriqués en fonte pour les camions et les tracteurs, et en aluminium pour les voitures et les voitures de sport. Sur les moteurs sportifs turbocompressés hautement accélérés, les blocs sont désormais fabriqués à partir de matériaux combinés, dont la partie intérieure est moulée en aluminium et la partie extérieure (où se trouve l'enveloppe de refroidissement) est en magnésium.
Les blocs en aluminium et composites permettent une réduction significative du poids de l'ensemble du moteur et de la voiture dans son ensemble, ce qui est un gros plus pour les voitures de sport. En raison de la conception complexe de type labyrinthe avec un grand nombre de cavités cachées, les blocs-cylindres sont coulés sous haute pression. C'est la haute pression qui permet d'obtenir la forme correcte et d'éviter la formation d'inhomogénéités et de cavités d'air dans le « corps » du métal.
Les blocs-cylindres, qui sont fabriqués à partir d'un métal composite, sont produits d'une manière plus complexe : d'abord, la partie centrale est coulée sous haute pression à partir d'aluminium de haute pureté, et ensuite seulement la partie extérieure est en magnésium. La technologie de fabrication de blocs à partir de métaux combinés (Figure 1) est très complexe et responsable, c'est pourquoi cette conception n'est utilisée que sur des voitures très chères et, en règle générale, sur une production non en série, où la réduction du poids du moteur est justifiée. . Cependant, les blocs en fonte peuvent supporter des charges plus élevées, ils sont plus résistants à la surchauffe et ont une capacité thermique inférieure. La capacité thermique de la fonte permet au moteur de se réchauffer plus rapidement jusqu'à la température de fonctionnement, ce qui réduira la durée de fonctionnement du moteur à combustion interne lors de l'échauffement en fonctionnement en hiver. N'oubliez pas que la conductivité thermique de la fonte est bien inférieure (environ 4 fois) à celle de l'aluminium, c'est pourquoi le système de refroidissement de ces moteurs fonctionne dans des conditions plus difficiles.
Lire aussi
Lors de la fabrication d'un bloc-cylindres, le mode de montage des chemises de cylindre est pris en compte (Figure n°3). Les chemises de cylindre sont fabriquées en acier de haute qualité. Les chemises de cylindre sont soit amovibles, soit coulées (intégrées au bloc) ; actuellement, les chemises coulées sont le plus souvent utilisées. Les chemises coulées sont installées dans le moule avant même la formation du bloc-cylindres lui-même, qui est coulé avec les chemises, ce qui permet la diffusion d'un métal dans un autre. Cette méthode de fabrication d'un bloc-cylindres réduit le coût de production d'un moteur à combustion interne, mais réduit également la maintenabilité du moteur dans son ensemble. En cas de panne due à l'usure naturelle ou à d'autres facteurs, il n'est pas possible de remplacer le manchon et l'ensemble est mis au rebut. Les manches amovibles peuvent être « mouillées » ou « sèches ». Le revêtement « humide » est en contact avec le liquide de refroidissement, tandis que le revêtement « sec » est installé dans un manchon interne supplémentaire et n'entre pas en contact avec le liquide. De plus, dans les moteurs en aluminium de la première série, il y avait un problème aigu dans l'utilisation de la technologie d'installation des chemises, donc si la chemise était coulée ou installée « à sec », alors après un certain temps, la chemise rivetait le bloc-cylindres en raison de divers vibrations linéaires dues à l’influence des températures. Pour cette raison, la préférence a été donnée aux cartouches « flottantes » « humides ». Depuis le début des années 1980, la technologie consistant à presser une chemise à paroi mince entourée d'aluminium dans le bloc-cylindres a commencé à être utilisée. Mais cette méthode présente de nombreux inconvénients.
La chemise du système de refroidissement joue un rôle très important dans le bloc-cylindres d'un moteur à combustion interne : elle permet au liquide de refroidissement d'accéder aux parties chauffées du groupe cylindre-piston. La chemise de refroidissement est constituée de vides dans les cavités internes du bloc et est conçue de telle manière que le liquide de refroidissement puisse éliminer efficacement et uniformément la chaleur des pièces chauffées.
Le bloc-cylindres contient également des canaux permettant d'alimenter en fluide lubrifiant (huile moteur) toutes les surfaces frottantes. Le plus souvent, ces canaux sont réalisés dans une pièce moulée finie et les sorties inutiles sont fermées par des bouchons.
Le bloc-cylindres contient tous les principaux composants d'un moteur à combustion interne : vilebrequin, pistons, mécanisme d'entraînement de distribution, carter d'huile, etc. Il est très important de maintenir leur position relative dans la tolérance spécifiée sur le dessin. Le non-respect de ces exigences entraîne des défauts ou une forte réduction de la durée de vie du moteur à combustion interne. Lors de la fabrication et du traitement d'un bloc-cylindres, il est très important de maintenir les tolérances pour la perpendiculaire des axes des cylindres et de l'axe du vilebrequin. C'est pourquoi, lors du traitement d'un bloc-cylindres, la sélection et la préparation correctes des bases sont importantes, garantissant la cohérence de l'installation des pièces par rapport aux outils et aux pièces de travail de la machine dans toutes les opérations. Le plus souvent, des plans assez grands et deux trous situés les plus éloignés sont utilisés comme bases d'installation lors du traitement des blocs. Pour les blocs, les plans de séparation ou plans des pieds et les trous de montage sont le plus souvent choisis comme bases de montage, et les trous pour les chemises de cylindre et les douilles de roulement sont choisis comme base d'ébauche.
Les douilles pour l'installation des chapeaux de palier principaux sont généralement traitées avec un jeu de fraises, suivies d'un traitement avec une broche préfabriquée sur des machines à brocher spéciales et des machines à brocher horizontales conventionnelles équipées de dispositifs de fixation de la pièce et d'orientation du brochage.
Les surfaces d'extrémité des gros blocs sont traitées sur des aléseuses horizontales.
Les plans des couvercles de cylindre (culasses) des blocs de gros moteurs, notamment dans les cas où les surfaces des pièces présentent des saillies ou des évidements, sont traités sur des machines rotatives. Les plans de petits blocs sont traités sur des machines à brocher longitudinales.
L'usinage des trous principaux est réalisé sur des aléseuses horizontales universelles et des perceuses radiales selon les marquages.
Le perçage des trous borgnes est réalisé à l'aide de barres d'alésage en porte-à-faux dans la broche de la machine. Lors du traitement de trous traversants, ainsi que pour garantir l'emplacement correct et la précision des trous, les machines sont équipées de dispositifs dans lesquels les barres d'alésage sont guidées par des bagues fixes ou rotatives.
Dans la production à grande échelle, le perçage des trous pour les manchons dans les grands blocs est réalisé à l'aide de fixations placées sur la table d'une aléseuse horizontale avec des supports permanents et rigidement fixés pour les barres d'alésage et le bloc est installé sur des surfaces de base permanentes. Dans la production à grande échelle, lors du traitement des trous pour manchons dans des blocs de moyennes et petites tailles, les machines verticales et multibroches sont largement utilisées. Sur ces machines, la pièce est montée sur la cavité inférieure et les trous de contrôle, et des barres d'alésage avec un jeu de fraises tournent dans les bagues de guidage supérieure et inférieure. Simultanément au perçage des trous pour les manchons, les brides sur lesquelles repose le manchon sont découpées. Ces brides doivent être usinées avec précision en hauteur et strictement perpendiculaires à l'axe des trous pour les chemises, car cela détermine les dimensions de la chambre de compression et la fiabilité de l'étanchéité à la jonction du bloc et des culasses.
Le bloc-cylindres comporte des surfaces d'appui pour l'installation du vilebrequin ; la culasse est généralement fixée au sommet du bloc ; la partie inférieure fait partie du carter. Ainsi, le bloc-cylindres est la partie de base (corps) du moteur, à laquelle le reste de ses unités et composants sont en quelque sorte fixés.
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Les cylindres eux-mêmes dans le bloc-cylindres peuvent faire partie du moulage du bloc-cylindres ou être des chemises remplaçables séparées (« chemises »), qui peuvent être « humides » ou « sèches » - selon qu'elles sont en contact direct avec le liquide de refroidissement dans la chemise de refroidissement du moteur. En plus de la fonction de pièce de boîtier, le bloc-cylindres a des fonctions supplémentaires : c'est la partie principale du système de lubrification - à travers des canaux dans le bloc-cylindres, l'huile sous pression est fournie aux points de lubrification, et dans les moteurs à refroidissement liquide - le système de refroidissement : le liquide de refroidissement circule à l'intérieur du bloc-cylindres à travers les cavités qui forment la chemise de refroidissement.
Les parois de la cavité interne du cylindre servent également de guides au piston lorsqu'il se déplace entre des positions extrêmes. La longueur des composants du cylindre est donc prédéterminée par la course du piston.
Matériel pour la fabrication de blocs-cylindres
L'usure des cylindres de moteurs automobiles est une conséquence de l'effet complexe sur les parois des cylindres de nombreux processus physiques et chimiques rapides, qui, selon la nature de leur manifestation, sont divisés en trois principaux types d'usure : érosive, qui se produit sous la forme le résultat de l'abrasion mécanique, de la prise et d'autres processus destructeurs lors du contact direct des surfaces métalliques frottantes ; corrosif, qui se produit lors de toutes sortes de processus oxydatifs sur les surfaces de friction ; abrasif, provoquant la destruction des surfaces de friction en présence de particules dures ou, comme on dit, abrasives entre elles, y compris des produits d'usure.
Le cylindre fonctionne dans des conditions de pression variable dans la cavité au-dessus du piston. Ses parois intérieures sont en contact avec des flammes et des gaz chauds chauffés à une température de 1 500 à 2 500 °C. La vitesse moyenne de glissement des segments de piston le long des parois des cylindres des moteurs automobiles atteint 12 à 15 m/sec. Par conséquent, le matériau utilisé pour fabriquer les parois internes des cylindres doit avoir une résistance mécanique élevée et la structure des parois elle-même doit avoir une rigidité accrue. Les parois des cylindres doivent être capables de bien résister à l'abrasion sous lubrification limitée et avoir une résistance globale élevée à d'autres types d'usure possibles (abrasive, corrosive et certains types d'érosion) qui réduisent la durée de vie des cylindres. En plus de tout cela, les matériaux utilisés pour la fabrication des cylindres doivent avoir de bonnes propriétés de coulée et être faciles à traiter sur les machines.
Conformément à ces exigences, la fonte grise perlitique avec de petits ajouts d'éléments d'alliage (nickel, chrome, etc.) est utilisée comme matériau principal pour la fabrication des blocs-cylindres. Des alliages de fonte fortement alliés, d'acier, de magnésium et d'aluminium sont également utilisés. Les blocs fabriqués à partir de ces matériaux ne sont en aucun cas équivalents dans leurs propriétés.
Ainsi, un bloc en fonte est le plus rigide, c'est-à-dire, toutes choses égales par ailleurs, qu'il peut supporter un degré de contrainte plus élevé et qu'il est le moins sensible à la surchauffe. La capacité thermique de la fonte est environ la moitié de celle de l'aluminium, ce qui signifie qu'un moteur doté d'un bloc en fonte se réchauffe plus rapidement jusqu'à la température de fonctionnement. Cependant, la fonte est très lourde - 2,7 fois plus lourde que l'aluminium, sujette à la corrosion, et sa conductivité thermique est environ 4 fois inférieure à celle de l'aluminium, de sorte que le système de refroidissement d'un moteur avec un carter en fonte fonctionne dans des conditions plus intenses.
Les blocs-cylindres en aluminium sont légers et refroidissent mieux, mais dans ce cas, il y a un problème avec le matériau à partir duquel les parois des cylindres sont fabriquées. Si les pistons d'un moteur doté d'un tel bloc sont en fonte ou en acier, ils useront alors très rapidement les parois des cylindres en aluminium. Si vous fabriquez les pistons en aluminium souple, ils « saisiront » simplement les parois en aluminium et le moteur se bloquera.
Ainsi, la première génération de moteurs à bloc aluminium utilisait des chemises « humides » en fonte grise insérées dans le bloc, « flottantes » dans le liquide de refroidissement et servant directement de parois de cylindre. Cette conception, développée dans les années 1930, s'est répandue dans les années 1950, et seulement en Europe, où elle était utilisée par les constructeurs de voitures de sport et de luxe (BMW, Jaguar, Rover, certaines sociétés italiennes), et en URSS, où l'aluminium les blocs-cylindres ont été utilisés dans presque toutes les voitures de notre propre conception, y compris les camions - ce qui, en plus des avantages ci-dessus, a permis de réviser le bloc-cylindres simplement en remplaçant les chemises, ce qui a eu un effet économique important.
Cependant, elle avait aussi ses défauts. Un bloc en aluminium à manchons humides - particulièrement plus avancé technologiquement dans la fabrication avec fixation inférieure des manchons - s'avère sensiblement moins rigide qu'un bloc en fonte pleine, de sorte qu'il est sensible à la surchauffe et tolère moins bien les efforts. L'aluminium est beaucoup plus cher que la fonte et la technologie de fabrication d'un bloc-cylindres en aluminium revêtu demande beaucoup plus de main-d'œuvre et complique considérablement la production. De plus, certains alliages d'aluminium sont très sujets à la corrosion lors de l'utilisation de certaines marques d'antigel, ce qui créait parfois des inconvénients de fonctionnement importants (sous l'économie planifiée de l'URSS, ce problème a été résolu simplement en adoptant une norme d'État unique pour le liquide de refroidissement TOSOL, neutre aux alliages d'aluminium). Ainsi, jusque dans les années 80-90, la fonte restait le matériau principal pour la fabrication des bloc-cylindres, notamment sur les voitures américaines.
Parfois, les moteurs équipés d'un bloc-cylindres en fonte utilisaient également des chemises de cylindre amovibles. Cela donnait le même avantage en termes de facilité de révision, ainsi que la possibilité de fabriquer des revêtements à partir d'un matériau de meilleure qualité et résistant à l'usure, mais aussi plus cher, que le bloc en fonte lui-même. Par exemple, en URSS, les chemises de cylindre étaient généralement constituées de fonte spéciale résistante aux acides (ou équipées d'inserts en ce matériau), ce qui réduisait considérablement la corrosion des parois des cylindres lors de l'interaction avec les produits de combustion du carburant qui se condensaient après l'arrêt du moteur. en cours d'exécution.
Dans les années 1980, une technologie dans laquelle des manchons en fonte « sèche » à paroi mince ou en composite, entourés de tous côtés par de l'aluminium, étaient pressés dans un bloc d'aluminium, s'est de plus en plus répandue. De tels moteurs sont assez courants aujourd'hui. Cependant, de tels blocs n'étaient pas non plus sans inconvénients, puisque les coefficients de dilatation thermique de la fonte et de l'aluminium ne correspondent pas, ce qui nécessite des mesures particulières pour éviter que la chemise ne se détache du bloc lorsque le moteur chauffe et réduise potentiellement sa durabilité.
Une approche alternative implique un bloc entièrement en aluminium dont les parois des cylindres sont spécialement renforcées. Par exemple, en utilisant l'exemple de cette direction - le moteur Chevrolet Vega de 1971 - le bloc a été coulé à partir d'un alliage contenant jusqu'à 17 % de silicium (nom commercial Silumal), et un traitement spécial des parois des cylindres par gravure chimique a enrichi leurs couches superficielles de cristaux de silicium (une composition acide spécialement sélectionnée a éliminé l'aluminium de la surface du mur sans toucher le silicium), l'amenant à la dureté requise (le silicium lui-même est beaucoup plus dur que la fonte). Cependant, l'expérience s'est avérée infructueuse : le moteur s'est avéré très sensible à la qualité des lubrifiants et à la surchauffe, avait une durée de vie insatisfaisante et tombait souvent en panne bien avant l'épuisement de la durée de vie standard en raison de l'usure du les parois cylindriques, dont la restauration s'est avérée être en dehors des conditions d'usine, contrairement aux blocs en fonte, courants à l'époque, sont impossibles. Cela a entraîné un énorme scandale et des millions de pertes pour GM.
Par la suite, cette technologie a été perfectionnée par les constructeurs européens - Mercedes-Benz, BMW, Porsche, Audi, et dans les années 80-90, elle a été appliquée à leurs modèles de production. Un tel bloc peut même être percé dans des limites limitées, puisque l'épaisseur de la couche d'aluminium renforcée avec une concentration accrue en cristaux de silicium est de l'ordre de plusieurs microns. Cependant, la sensibilité des blocs entièrement en aluminium à la surchauffe et à la qualité des lubrifiants n'a pas disparu - ces moteurs nécessitent un niveau élevé de fonctionnement et d'entretien, et leurs conditions de température sont surveillées avec vigilance par l'électronique de contrôle.
Relativement récemment, la société allemande Kolbenschmidt a également développé une technologie dans laquelle des manchons prêts à l'emploi en aluminium-silicium avec des parois renforcées avec une teneur élevée (jusqu'à 27 %) en silicium (technologie Locasil) sont pressés dans un bloc d'aluminium ordinaire - cela réduit les coûts. et résout partiellement le problème de la maintenabilité.
Une alternative est la technologie Nicasil - un revêtement de nickel sur les parois des cylindres en aluminium avec pulvérisation de cristaux de carbure de silicium. Le principe de fonctionnement ici est le même : augmenter la dureté des parois des cylindres en aluminium. Cette technologie était utilisée dans une mesure limitée dans les années 60 et 70 pour les moteurs de voitures de sport très coûteuses, en particulier celles utilisées en Formule 1. Parmi les moteurs modernes, ces blocs étaient équipés des moteurs M60 et M52 de BMW, et leurs ventes dans certains pays, cela s'est accompagné d'un scandale - le "Nikasil" a été détruit par réaction avec certains types de carburants contenant une forte concentration de soufre (ce qui est typique notamment de certaines régions des États-Unis et de la Russie). Le principal inconvénient du « Nikasil » est que le mince revêtement de nickel est facilement endommagé, par exemple lorsqu'une bielle se brise ou qu'un piston brûle, et ne peut plus être réparé. La révision est également impossible - il suffit de remplacer le bloc (les pistons de taille réparation ne sont pas conçus pour de tels moteurs).
Les blocs en alliage de magnésium allient la dureté de la fonte et la légèreté de l'aluminium. Mais les alliages moulés en magnésium sont relativement chers, ils sont donc extrêmement rarement utilisés et généralement sur des moteurs sportifs hautement spécialisés. Une exception est le moteur Zaporozhets avec un carter en alliage de magnésium aviation ML-5 (et des cylindres individuels en fonte).
À l'aube de l'automobile, des blocs-cylindres en bronze pouvaient également être utilisés, en raison de la grande aptitude à la fabrication de cet alliage lors de la coulée.
voir également
- Une configuration de moteur à combustion interne est un terme technique désignant la disposition des principaux composants d'un moteur à combustion interne alternatif (PICE).
- Le carter est la partie principale du corps du moteur. L'intérieur isolé du carter constitue la plus grande cavité du moteur contenant le vilebrequin. La partie supérieure du carter contient le bloc-cylindres
Pendant de nombreuses décennies, les moteurs ont été fabriqués à partir des matériaux les plus courants : acier, fonte, cuivre, bronze et aluminium. Une bonne partie du plastique, parfois quelques petits éléments, comme les corps de carburateur, sont en alliages de magnésium. Dans le sillage de la tendance vers des structures légères et une puissance accrue tout en améliorant la composante environnementale, la composition des matériaux a sensiblement changé depuis. De quoi sont faits les moteurs aujourd’hui ? Voyons cela.
La plupart des propriétaires de voitures connaissent probablement la tendance principale de l'industrie automobile moderne : augmenter la puissance du moteur tout en réduisant constamment son volume et son poids. Le secret de cette combinaison réside, entre autres, dans les nouveaux matériaux et designs. Et, bien sûr, une étude minutieuse de tous les éléments du groupe motopropulseur, ainsi que l'absence plus cachée de marges de sécurité excessives (lire : non rentables).
Curieusement, toutes sortes de nanotubes et autres produits de haute technologie, dont on parle constamment dans les médias, ne sont en fait presque jamais utilisés dans la construction de moteurs. Dans les moteurs de production, les matériaux les plus chers et les plus complexes sont les revêtements nickel-silicium, les composites métal-céramique (par exemple, connus sous le nom de FRM chez Honda), diverses compositions polymère-carbone et les alliages de titane, qui font également leur apparition dans les moteurs de production. comme les alliages à haute teneur en nickel, comme l'Inconel. En général, la construction de moteurs reste un domaine très conservateur du génie mécanique, où les expériences audacieuses de production de masse ne sont pas les bienvenues.
Le progrès est assuré principalement par un « réglage fin » et par l’utilisation de technologies connues de longue date, à mesure qu’elles deviennent moins chères. La majeure partie des unités de série est principalement constituée d'alliages de fonte, d'acier et d'aluminium - en fait, les matériaux les moins chers en construction mécanique. Cependant, il reste encore de la place pour les nouvelles technologies.
La partie la plus importante de tout moteur est le bloc-cylindres. C'est elle la plus lourde. Pendant de nombreuses décennies, la fonte a été le matériau principal de la fabrication des blocs. Il est assez durable, s’adapte bien à n’importe quelle forme et ses surfaces traitées sont très résistantes à l’usure. La liste des avantages comprend également un prix bas. Les moteurs modernes de petite cylindrée sont encore fabriqués en fonte et il est peu probable que l'industrie abandonne complètement ce matériau dans un avenir proche.
La tâche principale dans l'amélioration des alliages de fonte est de maintenir une dureté de surface élevée tout en améliorant ses qualités auxiliaires, sinon cela peut conduire à la nécessité d'utiliser des chemises en fonte pour le bloc-cylindres en alliage plus résistant à l'usure. Cela se fait occasionnellement, mais principalement sur les moteurs de camions, où cette technologie est financièrement justifiée.
L'aluminium est également utilisé depuis très longtemps comme matériau de bloc et est amélioré à peu près dans le même sens. Les efforts visent principalement à améliorer ses capacités de traitement, à réduire le coefficient de dilatation tout en maintenant la ductilité nécessaire du matériau et à augmenter les aspects nécessaires de la résistance des alliages.
Des technologies permettant d'utiliser de l'aluminium recyclé de faible pureté sont également développées. Pour ces alliages, des technologies autres que le moulage sont utilisées et il existe une tendance à fabriquer des blocs-cylindres de moteurs plus compacts en aluminium. Par exemple, le moteur Volkswagen de la série EA211 dispose aujourd'hui d'un bloc en aluminium, qui s'avère 40 % plus léger que la fonte.
Les alliages de magnésium sont beaucoup moins populaires. Ils sont plus légers que l'aluminium, mais ont une résistance à la corrosion nettement inférieure et ne tolèrent pas le contact avec du liquide de refroidissement chaud ou des fixations en acier à haute température. Sur les blocs moteurs six cylindres en ligne des séries BMW N52 et N53, par exemple, seule la partie extérieure du bloc, la « chemise » du système de refroidissement, est en alliage de magnésium. Pour un bloc relativement long d'un moteur six cylindres, cela donne un gain de poids d'environ 10 kg par rapport à une conception entièrement en aluminium. Les alliages de magnésium sont également utilisés pour les carters de moteurs à cylindres amovibles. Il s'agit principalement de moteurs de motos.
Composants du moteur
Si les nouvelles technologies et les nouveaux matériaux ne sont pas très favorables en général à la plus grande partie du moteur, alors des surprises intéressantes sont possibles en particulier. Les chemises de cylindre de n’importe quel bloc sont le point d’application de toutes les dernières technologies et matériaux. La fonte à haute résistance, les méthodes de durcissement superficiel des alliages d'aluminium à haute teneur en silicium, les revêtements galvaniques à base d'alliage de carbure de silicium avec du nickel, les matrices métallo-céramiques et la pulvérisation d'acier sont largement utilisés même sur les moteurs de production. Nous ne parlerons pas de fonte et d’aluminium à haute teneur en silicium ; néanmoins, les technologies elles-mêmes sont non seulement anciennes, mais aussi répandues. Mais il vaut mieux parler du reste des matériaux un peu plus en détail.
Manchons en fonte trempée par technologieImage de synthèse(Compacted Graphite Iron) semble implémenter un degré extrêmement élevé de boost dans les moteurs diesel. Cette fonte est très différente de la fonte grise courante. Il a une résistance à la traction 75 % plus élevée, un module d'élasticité 40 % plus élevé et est deux fois plus résistant aux charges alternées. Et son coût et sa résistance relativement faibles permettent de créer des blocs en fonte d'une masse inférieure à celles en aluminium. Mais son utilisation se limite principalement aux chemises et aux vilebrequins. Les manchons sont très fins, thermoconducteurs et en même temps aussi avancés et fiables que les manchons en fonte classiques. Et les vilebrequins rivalisent en résistance avec ceux en acier forgé à un coût nettement inférieur.
enrobage par technologieNicasil, en général, n'est pas rare et loin d'être nouveau, mais il reste l'un des plus high-tech et prometteurs dans son domaine. Il a été inventé en 1967 pour les moteurs à pistons rotatifs et a réussi à briller dans l'industrie automobile de masse. Porsche l'utilise pour les chemises de cylindre depuis les années 1970, et dans les années 1990, ils ont essayé de l'utiliser sur des moteurs produits en plus grande série, par exemple chez BMW et Jaguar, mais les lacunes de la technologie et le prix élevé ont forcé à l'abandonner. en faveur de méthodes moins coûteuses de durcissement superficiel des alliages à haute teneur en silicium, par exemple en utilisant la technologie Alusil.
De plus, la raison la plus probable de l'échec est précisément l'augmentation du coût des blocs-cylindres avec ce revêtement, associée à la faible fabricabilité du processus de revêtement galvanique et à un pourcentage élevé de défauts qui ne sont pas immédiatement détectés, qui ont ensuite été attribués avec succès à un niveau élevé. -l'essence soufrée.
Néanmoins, ce revêtement reste toujours le meilleur choix pour créer une surface de travail dans n'importe quel métal mou, c'est pourquoi, sous diverses appellations commerciales, il est utilisé dans la construction de moteurs de masse et surtout de course. Par exemple, sous la marque SCEM dans les moteurs Suzuki. Ses inconvénients sont principalement liés au coût de transformation très élevé et à la faible adaptabilité à la production de masse lorsqu'il est utilisé avec de gros blocs multicylindres.
Matrice métal-céramique (MMC) , mieux connu sous le nom de FRM dans les moteurs Honda, est un autre matériau original et intéressant. Par exemple, le moteur de la supercar NSX avait des chemises fabriquées à l'aide de cette technologie. Encore une fois, la technologie est loin d’être nouvelle, mais, comme le matériau, elle est très prometteuse. Le revêtement de type Nicasil appartient également au MMC, mais il doit être appliqué par méthode galvanique et le nickel assez dur joue le rôle de matrice.
Dans la technologie FRM, le matériau de la matrice est l'aluminium et le MMC est obtenu en versant un manchon en fibre à base de filament de carbone dans un bloc d'aluminium. L’utilisation de la fibre de carbone est plus avancée technologiquement. De plus, la matrice s'avère beaucoup plus épaisse, un peu plus molle, beaucoup plus élastique et complètement intégrée au matériau du bloc. Le peeling, comme cela s'est produit avec Nicasil, est tout simplement impossible. En raison de la structure du matériau, il ne craint presque pas les éraflures et les dommages locaux, et en cas d'usure, le cylindre peut être alésé en raison de la grande marge d'épaisseur.
Ce type de couverture présente également des inconvénients. Premièrement, un prix considérable, et deuxièmement, une attitude dure envers les segments de piston, car leur structure est mal « réglable ». Il n'y a aucun moyen de créer un réseau d'affûtage à part entière, cependant, l'huile est de toute façon bien retenue dans les fibres. Les bords des fibres sont très durs, et même les segments ultra-durs ont une durée de vie limitée, et le piston aux points de contact s'use intensément au moindre faux-rond, ce qui nécessite l'utilisation de pistons avec un jeu minimal et une jupe très courte. De plus, le revêtement est très résistant à l'huile. En conséquence, les moteurs connaissaient constamment une consommation d'huile accrue, ce qui, à un certain stade, ne leur permettait pas de répondre à des exigences environnementales strictes.
Cependant, ce problème n'est désormais plus d'actualité : de nouveaux catalyseurs et de nouvelles générations d'huiles à faible teneur en cendres permettent de ne plus s'en soucier. Et, bien sûr, le prix d'application d'un revêtement de ce type est sensiblement plus élevé que celui des manchons en aluminium ou en fonte, mais toujours inférieur à celui des matériaux de type Nicasil.
Les revêtements MMC de différents types sont également utilisés dans une gamme de pièces de moteur. Par exemple, dans les sièges de soupape de la culasse, renforçant les lits extérieurs des arbres à cames, en particulier les endroits chargés où sont fixés les éléments structurels. Cela permet d'utiliser largement des pièces entièrement en aluminium et de réduire le poids de la structure grâce à la simplification. Certaines pièces du moteur peuvent comporter de gros composants MMC, tels que des soupapes. Mais c'est encore le lot des conceptions non-séries.
Alliages de titane Ils tentent également depuis longtemps de l’utiliser dans la conception de machines. Dans les moteurs, ce matériau solide, léger et très flexible, doté d’une excellente résistance chimique, a une utilisation très limitée en raison de son coût élevé. Mais vous pouvez trouver des modèles en série avec des pièces en titane. Les bielles en titane, par exemple, sont installées depuis longtemps dans les moteurs Ferrari et dans la division tuning AMG. Le titane est également un bon choix pour les ressorts, rondelles, culbuteurs et autres éléments de distribution, pièces d'échangeurs de chaleur EGR, ainsi que diverses fixations. De plus, il est utilisé pour produire des pièces de fonctionnement pour des turbines hautes performances, et parfois pour produire des vannes et même des pistons.
Théoriquement, les pièces fabriquées à partir d'alliages de titane à haute teneur en silicium avec une teneur élevée en composés intermétalliques et en sicylides peuvent être utilisées dans les moteurs, mais la plupart des alliages de titane subissent déjà une sérieuse perte de résistance à des températures supérieures à 300 degrés - un changement de ductilité dans une large plage. et un coefficient de dilatation élevé, qui ne permet pas d'en faire des pièces durables et de faible poids. L’impression 3D à partir d’alliages de titane a une utilisation limitée dans la construction de moteurs, par exemple pour créer des systèmes d’échappement sur les voitures de sport.
Mais les revêtements viennent de nitrure de titane- l'un des moyens les plus populaires pour durcir les segments de piston. Ce matériau fonctionne parfaitement sur les chemises de cylindre renforcées en silicone. Il est également utilisé en pulvérisation sur les chanfreins des soupapes, y compris celles en titane, sur les extrémités des poussoirs du mécanisme de soupape et d'autres composants du moteur. Depuis les années 1990, l’utilisation de cette méthode de trempe n’a cessé de croître et elle remplace le chromage, la nitruration et le durcissement à haute fréquence. Le nitrure de titane est également un type de revêtement prometteur pour les chemises de cylindre : il peut être appliqué à l'aide de la méthode PA-CVD (dépôt chimique en phase vapeur par plasma), ce qui signifie que de telles technologies pourraient devenir commercialement disponibles dans un avenir proche s'il existe une demande pour de nouveaux revêtements de cylindres résistants à l'usure.
L'impression 3D déjà mentionnée est également activement utilisée pour créer des pièces en alliage Inconel de haute résistance et de haute précision, résistantes à la chaleur. Cette famille d'alliages nickel-chrome résistants à la chaleur a une longue histoire dans la fabrication de soupapes d'échappement, de bagues de compression supérieures, de ressorts et même de collecteurs d'échappement, de carters de turbine et de fixations pour les applications à haute température.
Ces dernières années, en raison du développement des technologies d'impression 3D et de l'utilisation active d'alliages d'Inconel, les moteurs à combustion interne à petite échelle acquièrent de plus en plus de pièces à partir de ce matériau très prometteur. La plage de fonctionnement des pièces fabriquées à partir de celui-ci est d'au moins 150 à 200 degrés supérieure à celle des aciers les plus résistants à la chaleur et atteint 1 200 degrés. En tant que matériau de renforcement, les alliages Inconel sont utilisés commercialement depuis assez longtemps ; par exemple, dans les moteurs Mercedes-Benz, le revêtement Inconel est utilisé sur les moteurs des séries M272/M273.
Plastiques continuent également à être introduits dans la conception des moteurs. Les éléments des systèmes d'admission et de refroidissement en plastique sont déjà monnaie courante. Mais une nouvelle expansion de la gamme de plastiques résistants à l'huile et à la chaleur avec un faible gauchissement a permis de créer des carters en plastique pour moteurs à combustion interne, des couvercles de soupape, des guides et des boîtiers de petites structures à l'intérieur du moteur. Des concepts de moteurs avec un bloc-cylindres en plastique, ou plutôt constitué de compositions polymère-carbone, ont déjà été présentés au public. Avec une résistance légèrement inférieure à celle des alliages légers, le plastique est moins cher à produire et est bien mieux traité.
Quel est le résultat ?
L'étude de la question de l'applicabilité des matériaux dans la construction de moteurs montre une direction claire : pour réduire le poids et améliorer d'autres caractéristiques, l'utilisation de certains supermatériaux soit n'est pas particulièrement nécessaire, soit est en principe impossible en raison de leurs propriétés physiques et chimiques. Le développement de la technologie suit une voie évolutive : amélioration à la fois de la production elle-même et des matériaux traditionnels, réorganisation du processus de travail et optimisation de la conception. Ainsi, même à moyen terme, il est peu probable que nous assistions à une révolution dans la production de moteurs à combustion interne ; nous parlerons plutôt d'un abandon progressif de ce type de moteur en principe au profit des technologies électriques, même s'il n'y a pas eu mais il y a eu une percée technologique rapide là-bas.
