Matériau du bloc-cylindres
Traditionnellement, les blocs-cylindres des camions et des bus étaient en fonte grise, généralement alliée à au moins une certaine quantité de silicium pour réduire la fragilité du matériau. Comme mentionné précédemment, la plupart des moteurs diesel routiers de moyen et gros calibre utilisent des chemises de cylindre, ce qui signifie que le matériau de base du bloc-cylindres ne supporte pas directement la pression et la température du cylindre du moteur. Récemment, on a observé une tendance à augmenter considérablement la pression des cylindres tout en fabriquant des moteurs plus légers. Cela a conduit à l'émergence des pièces moulées actuelles pour bloc-cylindres à faible-poids et haute-résistance. En comparant le rapport poids-/-puissance des moteurs d'aujourd'hui avec ceux des années 1980 : la puissance produite par livre de poids du moteur dans les moteurs d'aujourd'hui est souvent le double de celle de leurs prédécesseurs - au moins avant de prendre en compte le poids de tout le matériel de contrôle des émissions sur les moteurs actuels. De nos jours, la plupart des fabricants de moteurs diesel (OEM) utilisent de la fonte à graphite compacté (CGI) dans la fabrication des blocs-cylindres, car elle est légère et peut résister à des forces beaucoup plus élevées.
Blocs-cylindres en fonte à graphite compacté (CGI)
Les blocs-cylindres en fonte graphite compactée (CGI) ont joué un rôle clé dans la réduction du poids du moteur au cours de la dernière décennie. Les moteurs diesel contemporains de grande puissance-sont souvent plus légers que les moteurs de la génération précédente qui produisaient seulement la moitié de la puissance. Presque tous les fabricants d'équipement d'origine (OEM) utilisent des blocs-cylindres CGI pour leurs moteurs lourds-. Les avantages de CGI incluent :
• 70 % plus légers que les blocs-cylindres équivalents en fonte grise
• Limite de fatigue 200% supérieure à la fonte grise
• 40 % plus rigide que la fonte grise
Arc de fil transféré au plasma
Dans le passé, Caterpillar utilisait l'arc à fil transféré par plasma (PTWA) comme méthode pour réparer les chemises de cylindre en fonte dans les moteurs diesel, mais cette technologie est désormais utilisée pour permettre aux moteurs diesel légers et moyens-d'utiliser des blocs-cylindres en alliage d'aluminium sans chemises de cylindre. Le procédé PTWA fournit une surface hautement-résistante à l'usure et à la température-sur des substrats à base de fer-en alliage d'aluminium. Le processus combine de l'air comprimé et de l'électricité pour générer un jet de plasma d'une température allant jusqu'à 35 000 °F (19 500 °C), dans lequel un fil est introduit à travers un pistolet rotatif. Cela brise le fil en gouttelettes d'environ 25 microns, qui se lient au niveau moléculaire à la paroi de la chemise de cylindre. Au fur et à mesure que le fil fondu s'oxyde, il forme une structure cristalline appelée wüstite et la couche de gaine finale a une épaisseur d'environ 150 microns. Lorsque le PTWA est utilisé sur des blocs-cylindres en alliage d'aluminium, la surface cible doit être prétraitée-. Le procédé PTWA est souvent appelé gainage. Sans équipement spécialisé, les blocs-cylindres gainés ne peuvent pas être réparés.
Fonctions du bloc-cylindres
Bien qu'il existe certaines différences selon les fabricants, les blocs-cylindres des moteurs diesel doivent remplir tout ou partie des fonctions suivantes :
• Prévoir des alésages de cylindre pour les ensembles pistons.
• Prévoir des alésages de roulements principaux pour le vilebrequin.
• Prévoir des passages de liquide de refroidissement/des chemises d'eau.
• Prévoir des passages/galeries d'huile lubrifiante.
• Prévoir des emplacements de montage pour les autres composants du moteur.
Les blocs-cylindres peuvent contenir des trous longitudinaux pour l'installation des arbres à cames. La figure 9-2 montre les trous et passages susmentionnés. La figure 9-3 montre l'emplacement des bouchons d'expansion ou des bouchons en forme de coupelle-dans un bloc moteur six cylindres typique. Ceux-ci sont généralement installés avec un léger ajustement serré et fixés à l’aide d’un adhésif de résistance moyenne tel que le Loctite Blue.
Alésage du cylindre intégré
La plupart des moteurs automobiles et des-moteurs diesel de petit calibre utilisent des blocs-cylindres intégrés ou sans chemise. Ils sont moins susceptibles d'être utilisés dans les moteurs diesel commerciaux, en particulier ceux de gros calibre. À une certaine époque, des alésages de cylindre intégrés étaient utilisés sur les moteurs à alésage moyen - ; ils étaient appelés par dérision des blocs ponctuels-. En effet, lors de la rénovation, il était difficile de percer les trous pour installer les chemises de cylindre en raison de la proximité des alésages des cylindres les uns par rapport aux autres. Cependant, avec l'avènement du durcissement par induction des blocs-cylindres à base de fer-et des processus de revêtement spécialisés tels que le PTWA susmentionné, cette situation a changé. Les anciens moteurs Cat 3208, Cummins ISB et MB-série 900 (produits jusqu'en 2010) sont des exemples de moteurs avec des ensembles bloc-cylindres sans chemises de cylindre. Les économies initiales réalisées grâce à la fabrication d'une telle conception de bloc-cylindres peuvent être compensées lors des révisions du moteur lorsque le bloc-cylindres doit être remplacé, ré-alésé et équipé de chemises de cylindre, ou renvoyé à l'usine pour réparation. Les avantages des moteurs sans chemises de cylindre sont les suivants :
• Coût initial inférieur
• Aucun risque de défaillance du joint torique de la chemise de cylindre.
• Pas besoin de respecter les spécifications de saillie des chemises de cylindre lors du remontage
Alésage de cylindre trempé par induction-sans chemise de cylindre
À la fin des années 1990, Freightliner/Mercedes-Benz a introduit un moteur sans chemises de cylindre, avec des alésages de cylindre durcis par induction. Les moteurs MB-série 900 à quatre-cylindres et six-cylindres présentaient une fonction unique de durcissement par induction à striation hélicoïdale-dans la zone de récupération de la bande annulaire supérieure. Par rapport à d'autres moteurs sans chemises de cylindre, cela prolonge considérablement la durée de vie des alésages de cylindre. Si les alésages des cylindres s'usaient au-delà des tolérances, ils pouvaient être réalésés - et équipés de chemises de cylindre. Mercedes-Benz a recommandé que seul le fabricant effectue l'alésage-et l'installation des chemises de cylindre sur ces moteurs. Ce moteur a connu un grand succès dans les applications sur -route et hors route-, mais n'a plus été utilisé dans les applications sur route après l'année modèle 2010. Néanmoins, un grand nombre de ces moteurs sont encore utilisés dix ans plus tard.
Habillage PTWA sans chemise de cylindre
Le procédé PTWA brièvement décrit précédemment est utilisé depuis de nombreuses années comme méthode de réparation des blocs-cylindres en fonte sans chemises de cylindre, mais cette technologie est également applicable au revêtement des alésages des cylindres des blocs-cylindres en alliage d'aluminium. Alors que les fabricants d'équipement d'origine (OEM) continuent de s'efforcer de réduire le poids des moteurs diesel, des blocs-cylindres en alliage d'aluminium avec des alésages de cylindre recouverts de PTWA-ont été utilisés dans les moteurs diesel légers-, et ce n'est peut-être qu'une question de temps avant que nous les voyions dans les moteurs diesel lourds-.
Chemise de cylindre humide
La conception du bloc-cylindres permet à la chemise d'eau d'être en contact direct avec la chemise de cylindre dans l'alésage du cylindre ; par conséquent, la chemise de cylindre doit avoir une épaisseur de paroi suffisante pour résister à la pression de combustion maximale du moteur. Les chemises de cylindre humides peuvent transférer efficacement la chaleur au liquide de refroidissement et sont faciles à remplacer lors des révisions. Leur principal inconvénient est qu'ils doivent rester scellés tout au long de leur durée de vie, et une défaillance du joint torique peut entraîner une contamination du liquide de refroidissement de l'huile moteur.
La figure 9–3 montre la position et la méthode d'installation des bouchons en forme de coupelle-dans un bloc à six cylindres droits-.
Classification du bloc-cylindres
Les blocs-cylindres utilisés dans les moteurs diesel commerciaux peuvent être classés par type comme suit :
• Alésages de cylindre intégrés ou sans chemises de cylindre
• Surfaçage sans chemises de cylindre
• Chemises de cylindre humides
• Chemises de cylindre sèches
• Chemises de cylindre combinées humides/sèches
D'autres facteurs, tels que le cycle à deux-temps et le refroidissement par air, se reflètent également dans la conception du bloc-cylindres.