L’amélioration du transfert thermique réduit la température des soupapes de 70°C
Burscheid (Allemagne), 23 août 2017…Federal-Mogul Powertrain annoncera au Salon IAA
de Francfort 2017 de nouveaux matériaux de sièges et guides de soupapes offrant une
meilleure conductivité thermique. Adaptés à la production en série, les nouveaux matériaux à
haute conductivité thermique (HTC) et le nouveau revêtement d’interface thermique (TIM)
sont à même d’abaisser la température de la tête de soupape de 70°C.
Les températures extrêmes des soupapes que l’on rencontre sur les moteurs downsizés
actuels fortement boostés sont susceptibles d’engendrer une durée de vie en fatigue réduite
des soupapes. Ces températures s’avèrent critiques au niveau des guides et joints de queues
de soupapes, rendant nécessaires d’onéreux alliages d’acier. Avec un point d’allumage tardif
pour réduire le cliquetis et un enrichissement protégeant les composants des températures
critiques, ce sont les émissions de CO2 qui augmentent », explique Gian Maria Olivetti,
directeur technique de Federal-Mogul Powertrain. « En abaissant les températures de têtes
de soupapes, nous contribuons à éliminer ces problèmes et en développant des technologies
compatibles avec la production en série, nous sommes en mesure de répondre aux
applications grand public ». Les matériaux HTC peuvent également favoriser une répartition
de température circonférentielle plus homogène du matériau de la bague de siège de
soupape et de la culasse environnante, en éliminant ainsi les points chauds locaux au
bénéfice d’une réduction de l’usure et d’une diminution des distorsions relatives à la
température.
Comment un meilleur transfert thermique se traduit par des soupapes plus froides
La bague de siège de soupape constitue le principal chemin thermique allant de la tête de
soupape à la chemise de refroidissement de la culasse. En évacuant davantage de chaleur de
la tête de soupape, les nouveaux matériaux de siège abaissent la température dans les zones
les plus chaudes de la chambre de combustion et diminuent la température des gaz à la fin de
la course de compression : amélioration de la résistance au cliquetis et possibilité de
bénéficier d’une plage d’avance à l’allumage plus large pour assurer une optimisation de la
combustion. Ils permettent également de réduire les émissions de CO2 en supprimant le
besoin d’enrichissement du carburant comme moyen de refroidissement. Concernant les
alliages de têtes de soupapes d’échappement, chaque baisse de 20°C de la température
élimine la nécessité d’une mise à niveau vers la spécification d’alliage suivant, plus cher.
Le guide de soupape constitue le principal chemin thermique de la queue de soupape à la
culasse. En évacuant davantage de chaleur de la queue de soupape, le nouveau matériau de
guide de soupape abaisse les températures locales en-deçà des seuils critiques auxquels les
joints de queues de soupapes et l’huile lubrifiante commencent à se dégrader.
Matériaux HTC pour une dissipation thermique accrue
Les matériaux HTC de Federal-Mogul Powertrain sont des formulations de poudres
métalliques employées dans les guides et sièges de soupapes, avec des spécifications
extrêmement configurables. Les sièges de soupapes font appel à une infiltration de cuivre
pour accroître le transfert thermique ; les guides de soupapes, où les températures sont moins
élevées et qui ont besoin de porosité afin de retenir l’huile, utilisent un savant mélange de
particules libres de cuivre et des alliages de cuivre fins reliés entre eux. Dans le cas de
bagues de sièges de soupapes à double couche composite, le matériau secondaire de la
bague n’est plus le simple « support » bon marché d’une couche d’assise fonctionnelle en
contact avec la tête de soupape ; il répond à des objectifs d’ingénierie, en évacuant
davantage de chaleur de la tête de soupape.
Revêtement TIM : un élément différenciateur
Le revêtement TIM de Federal-Mogul Powertrain améliore sensiblement le transfert thermique
à travers l’espace entre la bague de siège ou guide et la culasse en remplissant les interstices
entre les irrégularités des surfaces opposées. On élimine ainsi les minuscules poches d’air qui
interrompent habituellement le chemin thermique tout en améliorant la conformabilité par
rapport à la surface de la culasse. Les matériaux HTC sont à même de réduire la température
des soupapes, mais les résultats des tests montrent que sur certains moteurs, le revêtement
TIM peut offrir une réduction nettement plus importante en faisant office de pont thermique et
en supprimant la barrière entre les deux composants. Etant à base de cuivre, le revêtement
TIM qui nécessite une séquence adaptée de prétraitements afin d’être performant a demandé
de la part de Federal-Mogul Powertrain un développement important de façon à assurer une
bonne adhérence même sur les surfaces poreuses et ce, sans compromettre les avantages
de la conductivité thermique.
« En raison du développement réussi du revêtement TIM pour la fabrication en série, cette
technologie peut être immédiatement adoptée par nos clients », confie Denis Christopherson,
Responsable R&D Groupe Sièges et Guides de soupapes de Federal-Mogul Powertrain. « En
améliorant le flux thermique à la frontière entre la culasse et la bague, le revêtement TIM
permet de concrétiser pleinement les avantages du matériau en termes de transfert
thermique ».
Résultats de tests à l’appui
Les tests réalisés au Centre d’essais Federal-Mogul Powertrain de Burscheid sur des moteurs
essence à injection directe turbocompressés sophistiqués et très cotés ont montré l’efficacité
des nouveaux matériaux. L’association des technologies HTC et TIM s’est traduite par une
baisse de 26 à 32°C des pics de température des têtes de soupapes d’admission.
L’amélioration des températures de têtes de soupapes d’échappement s’est avérée encore
plus marquante ; le pic a été réduit de 70°C sur une soupape à tige pleine et de 67°C sur une
soupape creuse à remplissage sodium. Les résultats des tests ont été utilisés pour corréler
les prévisions des programmes de simulation thermique avancée de Federal-Mogul
Powertrain. Ces programmes garantissent une évaluation précise des futures applications et
une sélection optimale des matériaux, alors que la conception du moteur n’existe qu’au stade
initial du concept.
Les matériaux HTC et TIM sont prêts pour la production et des échantillons de guides et
bagues de sièges de soupapes font actuellement l’objet d’essais préliminaires chez plusieurs
clients. Federal-Mogul Powertrain a reçu une première demande, avec un démarrage de
production envisagé en 2018. Bien que principalement destinés aux applications essence très
cotées, ces matériaux seraient tout aussi bénéfiques aux sièges et guides de soupapes sur
les moteurs turbodiesel hautes performances et les moteurs diesel de poids lourds. Federal-
Mogul Powertrain exposera ses nouveaux matériaux aux côtés de nombreux autres produits
au Salon IAA de Francfort sur le stand E33 dans le Hall 4.1 du 12 au 15 septembre (Journées
presse et professionnelles uniquement).
Source : Federal-Mogul
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