L'histoire du piston moteur (avec beaucoup de hauts et de bas…)

Les moteurs attirent peut-être toute l'attention. Mais c'est l'humble piston qui gère réellement toute la pression et fait avancer les voitures, les motos, les bateaux, les trains, les avions, les grues et les grosses machines industrielles. Aujourd'hui, nous allons nous pencher sur l'histoire du piston de moteur et sur la manière dont il a finalement déclenché le développement du monde moderne.

Mais avant de "retirer les segments" au sens figuré et de remonter le piston à ses premiers ancêtres, prenons un instant pour nous délecter de sa simplicité de mouvement alternatif.

Présentation du piston (encore)

Une calotte. Une jupe. Deux ou trois segments. Peut-être un peu d'huile moteur. Et une bielle cassée à la main. Mon partenaire avait raison. Le costume d'Halloween de cette année ressemble beaucoup à un piston. Car, en substance, ce sont ces composants mécaniques qui aident à convertir l'énergie en mouvement. Et comme la plupart d'entre nous le savent, ils jouent un rôle important dans les moteurs à combustion interne et les systèmes hydrauliques et pneumatiques.

Bien que, sur le papier, leur travail puisse sembler assez linéaire, il est en fait plein de hauts et de bas. En fait, à l'intérieur d'un moteur à combustion interne, il existe quatre types de mouvements de va-et-vient qui transforment l'énergie chimique en mouvement rotatif.

L'ascension et la chute du piston de moteur

Il existe quatre phases distinctes (ou temps) de mouvements du piston. Et dans un moteur à quatre cylindres, par exemple, chaque piston effectue un temps différent en même temps, de sorte que la puissance reste fluide.

1. Temps d'admission. Le piston descend, aspirant l'air et le carburant par la soupape d'admission.
2. Temps de compression. Le piston remonte et comprime le mélange air-carburant, le préparant à l'allumage.
3. Temps de combustion. La bougie fait son travail, et le mélange s'enflamme, forçant le piston à descendre et générant de la PUISSANCE.
4. Temps d'échappement. Le piston remonte à nouveau, laissant les gaz d'échappement s'échapper par la soupape d'échappement.

Un moteur à deux temps suit les mêmes étapes mais combine les temps de compression et de combustion, ainsi que les temps d'échappement et d'admission. Ainsi, lorsque le piston remonte, le mélange air-carburant se comprime. Près du haut, l'étincelle s'allume et une explosion le force à descendre, générant la PUISSANCE et évacuant les gaz d'échappement tout en aspirant de l'air et du carburant frais.

Et, bien sûr, les moteurs diesel n'ont pas d'étincelle. Au lieu de cela, ils comptent sur une plus grande compression (d'où des taux de compression plus élevés par rapport aux moteurs à essence) pour enflammer le mélange air-carburant, ce qui signifie que le piston est soumis à des charges plus importantes.

Cependant, les moteurs à combustion interne diffèrent en taille et en application. Ainsi, comme on peut s'y attendre, la forme et la taille des pistons doivent également différer. Explorons davantage.

Conception du piston : À la hauteur de la tâche

Oui, les moteurs diffèrent, donc les pistons diffèrent. Et la forme et la taille du piston peuvent modifier considérablement les performances. Je l'ai brièvement évoqué avec mon costume d'Halloween, mais le piston est composé de quatre parties principales.

Nous avons la calotte (ou tête). C'est là que la combustion a lieu. La jupe est comme une tasse sans anse qui guide le piston à l'intérieur du cylindre. Ensuite, les segments de piston, dont il existe deux types : de compression et d'huile. Ceux-ci assurent l'étanchéité du piston contre la paroi du cylindre et empêchent l'excès d'huile et les dépôts de combustion généraux de s'échapper vers d'autres parties du moteur. Et enfin, l'axe de piston. Il relie le piston à la bielle afin que le mouvement alternatif se transmette au vilebrequin.

Types de pistons de moteur

Pistons à tête plate

Ils sont plats sur le dessus (surprise) et créent une distribution de combustion efficace, permettant des taux de compression plus élevés. Ils sont assez courants et utilisés dans de nombreux moteurs à essence.

Pistons bombés (convexes)

Ceux-ci ont un centre surélevé, augmentant la surface de la tête de piston, ce qui diminue le volume de la chambre de combustion. Cela augmente alors le taux de compression (pensez à plus d'énergie du mélange air-carburant). Les moteurs de course en ont souvent car ils produisent plus de PUISSANCE.

Pistons en forme de coupelle (concaves)

Ceux-ci se « courbent » vers le haut et augmentent le volume de la chambre de combustion, abaissant le taux de compression. Les moteurs turbocompressés ou suralimentés peuvent les utiliser car ils créent un plus grand « potentiel de pression de suralimentation ». (Je ne pense pas que ce soit le terme technique, cependant)

Pistons à jupe longue

Ceux-ci sont souvent utilisés dans les gros moteurs à faible taux de compression. La jupe plus longue aide à stabiliser le piston afin qu'il puisse parcourir de plus longues distances plus efficacement. Elle aide également à répartir certaines charges, ce qui contribue à leur durée de vie plus longue.

Pistons à jupe courte (slipper)

D'un autre côté, ou devrais-je dire du côté glissant, nous avons les pistons à jupe courte. Ceux-ci ont une jupe plus petite et se concentrent davantage sur la réduction du poids et des frottements, permettant des régimes moteur plus élevés et de meilleures performances dans les moteurs à haut régime.

Voici un guide côte à côte de leur apparence.

Quelle est la taille (et la petitesse) des pistons ?

Ainsi, l'un des plus grands (sinon le plus grand) moteurs à combustion interne est le moteur Wärtsilä RT-Flex96C. Mesurant une hauteur monstrueuse de 13,5 m et produisant 109 000 ch et 7 600 000 Nm de couple sur 14 cylindres. Les pistons sont donc également assez grands... Chacun pèse plus de 5 tonnes, mesure environ 6 mètres de long et a un alésage de 960 mm. Voici une vidéo pour en savoir plus.

À l'autre extrémité de l'échelle, le plus petit moteur V12 présumé a un alésage de 11,3 mm et une course de 10 mm. Ou encore plus petit, le moteur monocylindre de George Luhrs a un alésage d'environ 3,2 mm et une course d'environ 4 mm.

Les formes et les tailles varient donc !

Mais ils ne sont pas apparus de nulle part. Il y a eu un cheminement vers leur développement. Et s'il y a une chose que nous savons sur les pistons, c'est qu'ils sont toujours (enfin, presque toujours) à la hauteur de la tâche.

L'ascension du piston moteur vers la PUISSANCE

Les premiers hauts et bas des pistons remontent à 150 av. J.-C., lorsqu'ils auraient été utilisés dans des systèmes de pompage d'air pour le travail des métaux (fours). À partir de là, les développements des pistons ont semblé un peu lents car le prochain développement enregistré est apparu sous la forme d'une machine à vapeur - au XVIIIe siècle.

Nicolas-Joseph Cugnot, ingénieur militaire français, a produit un véhicule à vapeur en 1769, devenant l'un des premiers à utiliser la PUISSANCE actionnée par piston. Bien que, il était prétendument un peu imprévisible dans sa direction et sa vitesse.

Cependant, comme une grande locomotive, une fois que les développements ont commencé à rouler, il est devenu difficile de les ralentir.

En avance sur son temps

En 1794, Robert Street a conçu un moteur monocylindre doté d'un foyer à charbon en bas et d'une chemise de refroidissement en haut. Il s'agissait prétendument du premier moteur à carburant liquide (essence).

Le carburant était introduit dans le cylindre et l'air pompé manuellement pour que le piston monte. Le foyer à charbon évaporait le carburant, l'enflammait, puis poussait le piston vers le haut pour entraîner une poutre oscillante reliée à des pompes d'assèchement dans les mines de charbon. Lorsque le piston refroidissait, la gravité le faisait descendre, tirant la poutre et alimentant le plongeur de la pompe à l'extrémité opposée.

Lent, oui. Mais important néanmoins.

Fonctionnant aux vapeurs

Jusqu'à présent, les moteurs fonctionnaient au charbon brûlé à l'extérieur du cylindre (dans un four), ce qui en faisait des moteurs à combustion externe.

La combustion a fait ses premiers pas à l'intérieur du bloc moteur lorsque Samuel Morley a inventé son « moteur à gaz » en 1826. Bien que très inefficace, sa conception enflammait le carburant (un mélange de gaz de houille et d'air), ce qui entraînait une augmentation de la pression dans le cylindre. Une première pour l'époque.

Cependant, je pense qu'il faut adresser une mention spéciale à Robert Boyle, qui a découvert les principes sous-jacents des gaz ici en 1662.

La loi de Boyle stipule qu'à température constante, le volume de gaz est inversement proportionnel à la pression exercée par le gaz. Ou, autrement dit, un gaz s'adaptera à un espace clos, mais à mesure que cet espace diminue, la pression augmente.

Remplacez "espace clos" par "cylindre", et vous avez presque la découverte de Morley.

Gardez cela à l'esprit, car peu de temps après la conception du moteur de Samuel Morley, Benoît Paul Émile Clapeyron est entré en scène. Voici ce qu'il a découvert…

La situation idéale

En 1834, 8 ans après la conception du moteur de Morley, Benoît Paul Émile Clapeyron, ingénieur français, a relié la loi de Boyle à d'autres lois des gaz préexistantes. Il a proposé une nouvelle loi qui nous a aidés à mieux comprendre le comportement des gaz et l'impact de la température des gaz dans des espaces clos. Ce qu'il a proposé, c'est la loi des gaz parfaits. (Voir ici pour sa dérivation)

 

Si nous réorganisons l'équation pour P, la pression, nous pouvons voir que lorsque la compression a lieu et que le volume diminue, la pression augmente. Si l'on considère ensuite que lorsque le carburant s'enflamme, la température augmente également, la pression augmentera encore plus rapidement, ce qui signifie beaucoup plus de PUISSANCE.

Sur quelles épaules repose la compression ? C'est ça. Notre humble piston. 

Un sceau d'approbation

Jusqu'à présent, la majeure partie de notre chronologie a suivi les développements des moteurs. Mais en 1852, John Ramsbottom a inventé le segment de piston, remplaçant les équivalents principalement en chanvre et en cuir.

Un pas dans la bonne direction, certes, mais cela a entraîné une usure inégale. Il l'a donc amélioré.

Et en 1855, le segment de piston fendu de Ramsbottom a fait son apparition sur le marché, devenant une norme dans les moteurs à mouvement alternatif.

Moins de compression. Plus d'impression.

Étienne Lenoir a élevé le niveau du piston en 1860 et a inventé le premier moteur à deux temps. Pour son époque, la conception était assez spéciale, le piston jouant un rôle important et à double effet.

Contrairement aux moteurs modernes, celui de Lenoir ne comprimait pas le mélange de carburant avant l'allumage et il avait également deux temps moteur pour chaque cycle de va-et-vient. En d'autres termes, un temps moteur à chaque extrémité. Une méthode doublement efficace. Ces conceptions auraient suivi celles de Philippe Lebon (à partir de 1801).

Pat, pat, pat, pat (4 temps…)

En 1862, Alphonse Beau de Rochas a théorisé les conditions idéales pour un moteur à combustion interne efficace. Il y avait une séquence de cycle à quatre temps : admission, compression, combustion et échappement. Contrairement au moteur à deux temps de Lenoir en 1860, de Rochas suggérait quatre temps pour une efficacité optimale.

Nikolaus Otto s'en est inspiré et, en 1876, a développé le premier moteur à quatre temps, changeant complètement le potentiel d'un moteur et d'un partenariat piston. (Il est peut-être à noter qu'Otto a également construit un moteur à gaz à 2 temps en 1861 qui a bien marché, remportant l'or à l'Exposition de Paris de 1867 !)

Autour de la Benz

Ensuite, Karl Benz. En 1879, il développe son premier moteur à deux temps et obtient un brevet en 1880. Il le commercialise, le développe, puis finalement le met de côté. 

Car en 1886, il met à profit ses connaissances et brevète la première voiture à essence "pratique", utilisant un moteur quatre temps monocylindre et produisant une étonnante puissance d'environ 0,7 ch (oui, il y a une virgule !). 

Des roues... aux ailes et aux roues

Avec un moteur qui fonctionne et déplace les gens avec succès sans exploser, il est dans la nature humaine de voir si on peut le faire voler, n'est-ce pas ? Les frères Wright l'ont pensé, et leur avion, le Wright Flyer, utilisait un moteur à quatre temps similaire en 1903 - il utilisait également un bloc moteur en aluminium !

Vous voyez, jusqu'à présent, les pistons étaient principalement fabriqués en fonte lourde. Mais à mesure que la demande de moteurs augmentait, la demande d'améliorations de performances augmentait également. Et la réduction du poids des composants semblait un domaine intuitif à explorer.

En 1920, Karl Schmidt a développé les premiers pistons à partir d'un alliage d'aluminium (un alliage Al-Cu utilisé en aviation). Cependant, les gens ont vite découvert (lorsque leurs moteurs tombaient en panne) que l'alliage Al-Cu qu'ils utilisaient était plutôt cassant, en raison de sa forte teneur en fer. Le fer est donc parti et le nickel et le cobalt sont entrés, améliorant l'élasticité.

La courbe de puissance

Il est difficile de déterminer quand exactement, mais c'est à cette époque que les têtes de piston ont commencé à changer de forme. Par exemple, la course automobile devenait plus populaire, et les pistons bombés ont commencé à apparaître plus régulièrement dans les moteurs (probablement pour leur potentiel de PUISSANCE ?)

Et tout comme pour l'adoption de l'aluminium, la Seconde Guerre mondiale a également provoqué des développements rapides dans les moteurs à combustion interne. Les ingénieurs aérospatiaux les ont rendus plus efficaces et plus puissants – pour ensuite les abandonner complètement et laisser les moteurs à réaction prendre le relais (dans les avions plus grands et plus rapides, du moins).

Plus de pistons dans plus de domaines

Ainsi, les moteurs à quatre temps étaient désormais bien établis. Ils se répandaient dans de plus en plus de domaines de la vie, et davantage d'ingénieurs pouvaient s'y intéresser. Et comme nous le faisons toujours, nous modifions les choses.

La science des matériaux était encore en retard, et il y a eu une transition loin des pistons en aluminium. En raison des forces et des températures plus élevées avec les moteurs diesel (et certains moteurs haute performance), les pistons étaient fabriqués à partir de deux matériaux.

La tête était en alliage d'acier et la jupe en aluminium. L'acier offrait une meilleure résistance, une meilleure résistance à l'usure et une meilleure stabilité thermique, tandis que l'aluminium aidait à maintenir le poids. Le même marché a également vu des pistons avec des jupes plus longues pour aider à stabiliser les charges latérales et de meilleurs systèmes de refroidissement.

Forte sous pression

Avance rapide jusqu'à aujourd'hui, et les conceptions de pistons continuent d'évoluer. Nous avons depuis l'introduction de pistons à jupe courte (slipper), réduisant le poids et le frottement et, par conséquent, améliorant l'efficacité et les performances du moteur.

L'ovalisation et le profilage du barillet sont également devenus plus populaires. Cela contribue encore à contrôler les effets de la dilatation thermique et du frottement.

D'ailleurs, nous en utilisons même davantage en même temps. Les V8 sont apparus (et ont disparu ?...), les moteurs radiaux à 9 cylindres dans les avions, les W12 et même le monstrueux moteur RT-Flex96C. Les pistons ont parcouru un long chemin, et je suis sûr qu'ils continueront à être modifiés, améliorés et adaptés à des applications de plus en plus spécialisées.

Mais ce qui est intéressant, pour moi du moins, c'est que parallèlement au développement des pistons et de leurs moteurs, un moyen complètement différent de mouvement mécanique se produisait...

Des « boums » aux « pschitts »

Alors que les moteurs à combustion interne s'appuient sur de nombreuses mini-explosions pour faire bouger les pistons, les systèmes pneumatiques utilisent l'air comprimé pour les déplacer. Et leur histoire est tout aussi intéressante. Il est donc temps de faire un cours intensif sur les systèmes pneumatiques.

Épatant

Les systèmes pneumatiques semblent avoir été développés par nos cousins ​​chasseurs-cueilleurs, plutôt velus et primitifs. Ils les utilisaient comme sarbacanes pour la chasse ! (Apparemment, ils délivraient une pression de 1 à 3 psi...).

À l'époque, je ne pense pas qu'ils aient été identifiés comme des outils pneumatiques parce que le mot pneumatique dérive du mot « Pneuma », qui en grec ancien signifie « vent ».

Et c'est plutôt approprié parce que le mathématicien grec, Héron d'Alexandrie, a inventé certains des tout premiers appareils vraiment pneumatiques. L'un d'eux était l'« éolipile », souvent considéré comme l'une des toutes premières machines à vapeur. (Bien que je ne pense pas qu'elle ressemblait beaucoup à celles des années 1900...). Néanmoins, la pression de l'air a créé un mouvement de rotation, et cela a ouvert la voie à la façon dont l'énergie thermique pouvait devenir mécanique.

À couper le souffle

Au XVIIe siècle, Otto von Guericke a retiré l'air et créé une pompe à vide révolutionnaire en 1650. Elle a créé un vide partiel, ce qui est cool en soi, mais encore plus cool parce qu'elle a permis à d'autres d'étudier la pression de l'air plus en détail, en particulier son impact sur la respiration et la combustion.

Au cours de la révolution industrielle, la pneumatique a progressé. Et de nombreuses théories sont devenues réalité, changeant la façon dont nous utiliserions (ou pourrions utiliser) la pneumatique par la suite. Par exemple, Alfred Beach, l'inventeur américain, a construit un métro pneumatique à New York en 1867.

Peu de temps après, en 1871, Samuel Ingersoll inventa le marteau-piqueur (excellent pour l'exploitation minière) et Charles Brady King le marteau pneumatique en 1890.

Le bon côté de la vie, en PSI

Bien sûr, les développements se sont poursuivis tout au long des XXe et XXIe siècles, où de nombreux systèmes pneumatiques se retrouvent discrètement cachés dans de nombreuses fabrications et utilisations quotidiennes.

Ainsi, alors que vous pourriez trouver un piston de moteur à combustion interne dans le moteur d'une voiture, d'un bus ou d'un train, vous pourriez trouver des pistons pneumatiques dans les systèmes de freinage et de suspension ou même les portes ! Bien sûr, les systèmes pneumatiques se sont étendus au-delà de l'automobile - vous les trouverez dans la manutention, la transformation alimentaire, les installations de jeu sophistiquées et peut-être même dans des collections d'outils vraiment impressionnantes.

Peut-être cela soulève-t-il la question suivante…

Quelles sont les différences entre les pistons pneumatiques et les pistons de moteur à combustion interne ?

Il est probablement plus facile de commencer par les similitudes entre les pistons pneumatiques et les pistons de moteurs à combustion interne. Ce sont tous deux des pistons. Ils transforment donc tous deux la pression en mouvements de va-et-vient répétitifs - généralement pour déplacer quelque chose d'autre (par exemple, des roues, des actionneurs, des outils). Ils nécessitent également tous deux des joints, qu'il s'agisse de segments de piston ou de joints toriques. Mais au-delà de cela, ils diffèrent.

En général, vous utiliserez des systèmes pneumatiques pour des tâches rapides et répétitives (par exemple, les chaînes de montage, la manutention, la production alimentaire et l'outillage - en fait, la « compressibilité » naturelle de l'air le rend particulièrement efficace pour l'absorption des chocs). D'autre part, vous utiliserez des moteurs à combustion interne pour des applications nécessitant une puissance continue (par exemple, les véhicules et les machines lourdes).

Bien sûr, l'air comprimé est également plus sûr que les carburants. Je préférerais fumer ma nourriture moi-même, je pense...

Ainsi, bien qu'ils fonctionnent de manière similaire, les pistons jouent des rôles alternatifs très différents.

Un nouveau type de piston

Maintenant, comme nous le savons, les pistons et les systèmes pneumatiques sont utilisés partout. Mais l'équipe de MetMo a repéré une lacune (ou un vide, si vous voulez) sur le marché. Parce qu'il y a un autre domaine où les pistons et la pneumatique pourraient prendre le dessus… ensemble… un domaine qui nous tient à cœur. Et qui est né de nombreuses situations dangereuses et, osons le dire, hilarantes…

Pour l'instant, surveillez cet espace et préparez-vous à être soufflés. À bientôt.