Dommages des pistons causés par des dysfonctionnements de combustion
Dysfonctionnements de combustion sur les moteurs à essence
La combustion du mélange air-carburant dans le cylindre suit un déroulement très précis. Elle est déclenchée peu avant le point mort haut par une étincelle lancée par la bougie. La flamme se propage depuis la bougie d’une manière circulaire et parcourt la chambre de combustion avec une vitesse de combustion croissante de 5 à 30m/s. La pression dans la chambre de combustion monte en flèche et atteint son niveau maximal juste après le point mort haut. Cependant, une combustion normale peut être perturbée par différents facteurs qui correspondent à trois cas de dysfonctionnements de combustion :
1. Allumage par incandescence (pré-allumage) :
Provoque une surcharge thermique du piston.
2. Combustion détonante :
Provoque l’érosion de la matière et une surcharge mécanique des pistons et du système rotatif.
3. Excès de carburant :
Provoque une usure avec consommation d’huile et grippage des pistons.
1. Allumage par incandescence (pré-allumage) :
Provoque une surcharge thermique du piston.
2. Combustion détonante :
Provoque l’érosion de la matière et une surcharge mécanique des pistons et du système rotatif.
3. Excès de carburant :
Provoque une usure avec consommation d’huile et grippage des pistons.
Combustion normale
Combustion détonante
Allumage par incandescence
Concernant 1. Allumage par incandescence (pré-allumage) :
Dans le cas d’un allumage par incandescence, la combustion est déclenchée par un élément incandescent dans la chambre de combustion, et ceci avant le point d’allumage proprement dit. Les éléments en cause peuvent être la soupape d’échappement, la bougie d’allumage, les pièces d’étanchéité et des dépôts sur ces pièces ou sur les surfaces entourant la chambre de combustion. La flamme agit de façon incontrôlée sur les pièces, ce qui entraîne une très forte augmentation de la température à la tête de piston. Au bout de seulement quelques secondes d’allumage par incandescence ininterrompu, la température atteint le point de fusion du matériau constituant le piston.
Sur les moteurs dont la chambre de combustion est essentiellement hémisphérique, la tête de piston se perce de trous généralement situés dans le prolongement de l’axe de la bougie d’allumage.
Dans les chambres de combustion présentant des surfaces d’écrasement importantes entre la tête de piston et la culasse, le cordon de feu fond généralement au niveau de l’endroit le plus sollicité des surfaces d’écrasement (voir glossaire). Ce processus se reproduit fréquemment jusqu’au segment racleur d’huile et à l’intérieur du piston.
Une combustion détonante entraînant des températures de surface élevées de parties isolées de la chambre de combustion peut également provoquer des allumages par incandescence.
Concernant 2. Combustion détonante :
Lors d’une combustion détonante, l’allumage est déclenché normalement par l’étincelle de la bougie. Le front de flamme se propage en partant de la bougie et produit des ondes de pression qui provoquent des réactions critiques dans le gaz non brûlé. Il s’ensuit dans le mélange restant un auto-allumage simultané en plusieurs endroits. La vitesse de combustion est alors multipliée par 10 à 15. L’augmentation de la pression par degré d’angle du vilebrequin et la pointe de pression augmentent de façon sensible. En outre, des vibrations de pression très haute fréquence se produisent dans la course de détente. De plus, les surfaces qui entourent la chambre de combustion sont surchauffées. Une chambre de combustion dont tous les dépôts sont éliminés est un signe évident de combustion détonante.
Sur la plupart des moteurs, un cliquetis léger et temporaire, même sur une période prolongée, n’occasionne pas de dommages.
En revanche, un cliquetis important prolongé entraîne des érosions au niveau du cordon de feu et de la tête du piston. La culasse et le joint de culasse peuvent également être endommagés. Certains éléments de la chambre de combustion (par exemple la bougie d’allumage) peuvent surchauffer au point de provoquer des allumages par incandescence (pré-allumages) avec une forte surchauffe du piston (dilatation et fusion).
Un fort cliquetis continu entraîne rapidement des ruptures du cordon entre segments et de la jupe, souvent non accompagnées de dilatations et de fusions et de grippage.
La fig. 1 montre l’allure de la pression dans la chambre de combustion. La courbe bleue correspond à la pression avec une combustion normale et la courbe rouge à celle d’une combustion détonante. Des pointes de pression se produisent.
Concernant 3. Excès de carburant :
Un mélange trop riche, une baisse de la pression de compression ou des irrégularités d’allumage conduisent à une combustion incomplète avec excès de carburant. La lubrification des pistons, des segments et des zones de travail des cylindres devient inefficace. Une friction mixte avec une usure et une forte consommation d’huile ainsi que des grippages en sont la conséquence.
Dans le cas d’un allumage par incandescence, la combustion est déclenchée par un élément incandescent dans la chambre de combustion, et ceci avant le point d’allumage proprement dit. Les éléments en cause peuvent être la soupape d’échappement, la bougie d’allumage, les pièces d’étanchéité et des dépôts sur ces pièces ou sur les surfaces entourant la chambre de combustion. La flamme agit de façon incontrôlée sur les pièces, ce qui entraîne une très forte augmentation de la température à la tête de piston. Au bout de seulement quelques secondes d’allumage par incandescence ininterrompu, la température atteint le point de fusion du matériau constituant le piston.
Sur les moteurs dont la chambre de combustion est essentiellement hémisphérique, la tête de piston se perce de trous généralement situés dans le prolongement de l’axe de la bougie d’allumage.
Dans les chambres de combustion présentant des surfaces d’écrasement importantes entre la tête de piston et la culasse, le cordon de feu fond généralement au niveau de l’endroit le plus sollicité des surfaces d’écrasement (voir glossaire). Ce processus se reproduit fréquemment jusqu’au segment racleur d’huile et à l’intérieur du piston.
Une combustion détonante entraînant des températures de surface élevées de parties isolées de la chambre de combustion peut également provoquer des allumages par incandescence.
Concernant 2. Combustion détonante :
Lors d’une combustion détonante, l’allumage est déclenché normalement par l’étincelle de la bougie. Le front de flamme se propage en partant de la bougie et produit des ondes de pression qui provoquent des réactions critiques dans le gaz non brûlé. Il s’ensuit dans le mélange restant un auto-allumage simultané en plusieurs endroits. La vitesse de combustion est alors multipliée par 10 à 15. L’augmentation de la pression par degré d’angle du vilebrequin et la pointe de pression augmentent de façon sensible. En outre, des vibrations de pression très haute fréquence se produisent dans la course de détente. De plus, les surfaces qui entourent la chambre de combustion sont surchauffées. Une chambre de combustion dont tous les dépôts sont éliminés est un signe évident de combustion détonante.
Sur la plupart des moteurs, un cliquetis léger et temporaire, même sur une période prolongée, n’occasionne pas de dommages.
En revanche, un cliquetis important prolongé entraîne des érosions au niveau du cordon de feu et de la tête du piston. La culasse et le joint de culasse peuvent également être endommagés. Certains éléments de la chambre de combustion (par exemple la bougie d’allumage) peuvent surchauffer au point de provoquer des allumages par incandescence (pré-allumages) avec une forte surchauffe du piston (dilatation et fusion).
Un fort cliquetis continu entraîne rapidement des ruptures du cordon entre segments et de la jupe, souvent non accompagnées de dilatations et de fusions et de grippage.
La fig. 1 montre l’allure de la pression dans la chambre de combustion. La courbe bleue correspond à la pression avec une combustion normale et la courbe rouge à celle d’une combustion détonante. Des pointes de pression se produisent.
Concernant 3. Excès de carburant :
Un mélange trop riche, une baisse de la pression de compression ou des irrégularités d’allumage conduisent à une combustion incomplète avec excès de carburant. La lubrification des pistons, des segments et des zones de travail des cylindres devient inefficace. Une friction mixte avec une usure et une forte consommation d’huile ainsi que des grippages en sont la conséquence.
Dysfonctionnements de combustion sur les moteurs diesel
Outre le parfait état mécanique du moteur, une pulvérisation extrêmement fine et précise par l’injecteur de même qu’un début d’injection exact jouent un rôle prépondérant pour une combustion optimale. Dans ce cas seulement, le carburant injecté peut s’enflammer avec un retard d’auto-allumage minime et brûler intégralement sous une pression normale. Là aussi, on distingue trois types graves de dysfonctionnements de combustion :
1. Retard d’auto-allumage
2. Combustion incomplète
3. Injecteurs qui gouttent
Concernant 1. Retard d’auto-allumage :
Le carburant injecté ne s’enflamme qu’avec un certain retard (retard d’auto-allumage) dans les cas suivants :
Le degré de pulvérisation dépend directement de l’état de l’injecteur. Un injecteur fonctionnant correctement d’après le test effectué avec l’appareil de contrôle peut se bloquer suite au montage ou en raison de tensions dues à la température et ne plus pulvériser correctement en cours de fonctionnement.
La température de compression est tributaire de la pression de compression, donc de l’état mécanique général du moteur. Il y a toujours un certain retard d’auto-allumage sur un moteur froid. Lors de la compression, les parois froides du cylindre absorbent beaucoup de chaleur de l’air d’aspiration plus froid. La température de compression qui règne au début de l’injection n’est alors pas suffisante pour enflammer immédiatement le carburant injecté. Ce n’est qu’après la progression de la compression que la température d’allumage est atteinte et que le carburant injecté s’enflamme brusquement. Ceci provoque une augmentation explosive de la pression, accompagnée de bruit et d’un fort échauffement de la tête du piston. Des cassures, par exemple des cordons entre segments du piston, et des fissures thermiques dans la tête de piston en sont les conséquences.
Concernant 2. Combustion incomplète :
Lorsque le carburant arrive au mauvais moment ou non pulvérisé dans la chambre de combustion, il ne peut pas brûler entièrement pendant le bref temps disponible. Il en est de même si le cylindre n’est pas suffisamment approvisionné en oxygène, autrement dit en air d’aspiration. Des filtres à air bouchés, des soupapes d’admission s’ouvrant mal, des défauts au niveau du turbocompresseur ou une usure des segments et des soupapes peuvent en être la cause. Le carburant non brûlé se dépose en partie sur les surfaces du cylindre et affaiblit ou détruit le film lubrifiant. Les surfaces de travail du cylindre, les surfaces de glissement des segments, et finalement les surfaces de la jupe du piston sont rapidement usées ou grippées. Une consommation d’huile et une perte de puissance motrice en sont la conséquence.
Concernant 3. Injecteurs qui gouttent :
Les injecteurs peuvent se rouvrir suite à des variations de la pression après la fin de l’injection. Ces variations de pression peuvent venir de la vanne de refoulement de la pompe d’injection, des conduites ou des injecteurs. Pour prévenir cette injection incorrecte, la pression est évacuée du système à raison d’une valeur définie au travers de la vanne de refoulement de la pompe d’injection. Si la pression de tarage des injecteurs est réglée sur une valeur trop faible ou si un maintien fiable de la pression est impossible (injecteurs mécaniques), les injecteurs peuvent se rouvrir encore plusieurs fois brièvement en dépit de la baisse de la pression. Les injecteurs qui fuient ou qui gouttent provoquent également une arrivée incontrôlée de carburant dans la chambre de combustion. Le carburant anormalement injecté dans les deux cas rencontre la tête du piston sans être brûlé en raison de l’absence d’oxygène. Là, le carburant se consume à très haute température et surchauffe localement la matière du piston au point que des particules peuvent être arrachées de la surface du piston par la force d’inertie et l’érosion des gaz de combustion. Ceci provoque des érosions importantes de la matière de la tête du piston.
1. Retard d’auto-allumage
2. Combustion incomplète
3. Injecteurs qui gouttent
Concernant 1. Retard d’auto-allumage :
Le carburant injecté ne s’enflamme qu’avec un certain retard (retard d’auto-allumage) dans les cas suivants :
- Il n‘a pas été pulvérisé de manière suffisamment fine.
- Il n‘a pas été injecté au bon moment dans le cylindre.
- La température de compression n‘était pas encore assez élevée au début de l‘injection.
Le degré de pulvérisation dépend directement de l’état de l’injecteur. Un injecteur fonctionnant correctement d’après le test effectué avec l’appareil de contrôle peut se bloquer suite au montage ou en raison de tensions dues à la température et ne plus pulvériser correctement en cours de fonctionnement.
La température de compression est tributaire de la pression de compression, donc de l’état mécanique général du moteur. Il y a toujours un certain retard d’auto-allumage sur un moteur froid. Lors de la compression, les parois froides du cylindre absorbent beaucoup de chaleur de l’air d’aspiration plus froid. La température de compression qui règne au début de l’injection n’est alors pas suffisante pour enflammer immédiatement le carburant injecté. Ce n’est qu’après la progression de la compression que la température d’allumage est atteinte et que le carburant injecté s’enflamme brusquement. Ceci provoque une augmentation explosive de la pression, accompagnée de bruit et d’un fort échauffement de la tête du piston. Des cassures, par exemple des cordons entre segments du piston, et des fissures thermiques dans la tête de piston en sont les conséquences.
Concernant 2. Combustion incomplète :
Lorsque le carburant arrive au mauvais moment ou non pulvérisé dans la chambre de combustion, il ne peut pas brûler entièrement pendant le bref temps disponible. Il en est de même si le cylindre n’est pas suffisamment approvisionné en oxygène, autrement dit en air d’aspiration. Des filtres à air bouchés, des soupapes d’admission s’ouvrant mal, des défauts au niveau du turbocompresseur ou une usure des segments et des soupapes peuvent en être la cause. Le carburant non brûlé se dépose en partie sur les surfaces du cylindre et affaiblit ou détruit le film lubrifiant. Les surfaces de travail du cylindre, les surfaces de glissement des segments, et finalement les surfaces de la jupe du piston sont rapidement usées ou grippées. Une consommation d’huile et une perte de puissance motrice en sont la conséquence.
Concernant 3. Injecteurs qui gouttent :
Les injecteurs peuvent se rouvrir suite à des variations de la pression après la fin de l’injection. Ces variations de pression peuvent venir de la vanne de refoulement de la pompe d’injection, des conduites ou des injecteurs. Pour prévenir cette injection incorrecte, la pression est évacuée du système à raison d’une valeur définie au travers de la vanne de refoulement de la pompe d’injection. Si la pression de tarage des injecteurs est réglée sur une valeur trop faible ou si un maintien fiable de la pression est impossible (injecteurs mécaniques), les injecteurs peuvent se rouvrir encore plusieurs fois brièvement en dépit de la baisse de la pression. Les injecteurs qui fuient ou qui gouttent provoquent également une arrivée incontrôlée de carburant dans la chambre de combustion. Le carburant anormalement injecté dans les deux cas rencontre la tête du piston sans être brûlé en raison de l’absence d’oxygène. Là, le carburant se consume à très haute température et surchauffe localement la matière du piston au point que des particules peuvent être arrachées de la surface du piston par la force d’inertie et l’érosion des gaz de combustion. Ceci provoque des érosions importantes de la matière de la tête du piston.