Des pistons alvéolés comme des balles de golf pourraient améliorer la puissance et l'efficacité du diesel

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Alors que le monde essaie de passer aux véhicules électriques, les camions diesel lourds comme le Ford F-250 font toujours fureur pour ceux qui font de gros travaux (ou qui veulent ressembler à eux). De nombreux propriétaires de camions sont toujours à la recherche d'un moyen de produire plus de puissance, de réduire la consommation de carburant et même de réduire les émissions de particules pour réduire le coût de remplissage de leurs réservoirs de liquide d'échappement diesel (DEF). C'est pourquoi les affirmations de Speed ​​of Air (SoA) à propos de leurs pistons sont si attrayantes pour ceux qui cherchent à reconstruire leurs moteurs. Mais est-ce que ces fossettes fonctionnent vraiment ? Ils nous ont envoyé les données pour nous montrer que ce n'est pas juste pour le spectacle.

Les fossettes d'une balle de golf ont une raison d'être : elles créent une couche limite d'air qui réduit la traînée en créant des turbulences à la surface de la balle. Bien que cela n'explique pas totalement comment une balle de golf peut augmenter son altitude (c'est grâce à l'effet Magnus d'une sphère tournant dans un fluide), elle ne perd pas autant de vitesse en raison de la traînée grâce à la turbulence créée par les fossettes . Cette couche turbulente retarde la séparation de l'air à l'arrière (par rapport à sa direction de déplacement) de la balle de golf et réduit la taille du sillage induisant la traînée par rapport à la balle lisse.

Bien sûr, vous vous dites probablement : « Ouais, super, mais un piston n'est pas une bille. En ce qui concerne la façon dont les fluides agissent (et l'air que vous et votre moteur respirez sont des fluides), la création d'une couche limite joue toujours un rôle essentiel dans votre chambre de combustion, en particulier lorsqu'il s'agit de maintenir le carburant en suspension avec l'air. Si vous parvenez à créer une couche limite bien fixée dans la chambre de combustion, la charge d'air et de carburant restera en suspension plus longtemps. Cela aidera également le front de flamme à avancer plus loin dans la charge, ce qui conduit à une plus grande quantité de mélange air-carburant à utiliser pour forcer le piston vers le bas lorsqu'il se dilate dans le cylindre. Lorsque le mélange air-carburant n'est pas capable de brûler complètement, vous obtenez une accumulation de carbone dans la chambre de combustion, les soupapes et le piston.

C'était l'une des façons dont Speed ​​of Air déterminait si leur capitonnage fonctionnait dans la chambre de combustion. "Au cours de la première phase des tests", a déclaré Chris Parkhurst, PDG et directeur général de Speed ​​of Air, "SoA a utilisé diverses techniques de banc d'écoulement pour déterminer les zones de lavage de carburant sur les têtes de piston qui étaient indiquées par une accumulation excessive de carbone." Dimpling n'était pas nécessairement le premier sur leur liste non plus. Ils ont essayé de nombreuses autres techniques de texturation pour essayer de maintenir le mélange air-carburant en suspension plus longtemps, mais ont constaté que l'alvéole du piston en forme de balle de golf fonctionnait le mieux. Aujourd'hui, ils s'appuient sur la dynamique des fluides computationnelle (CFD) pour mieux optimiser leurs conceptions de pistons de moteur Powerstroke, Duramax et Cummins pour les véhicules de poids moyen. Une autre amélioration de conception apportée à ces pistons sont des fentes de libération de pression usinées dans les couronnes de ces pistons. "Ils sont appliqués à nos conceptions de pistons pour décharger la pression dans la zone du bol et accélérer la combustion du mélange air-carburant", a déclaré Parkhurst, et ces coupes conduisent à un moteur plus silencieux par rapport à la conception de piston OE.

SoA a également envoyé ses pistons à des testeurs indépendants dès 2014, où un piston SoA a été utilisé lors de la reconstruction d'un moteur Caterpillar 3516 utilisé dans un camion minier 793D pour Newmont North America et reconstruit par un concessionnaire Cat. Ce moteur a été retiré avec 44 842 heures et reconditionné, les pistons SoA étant le seul changement par rapport aux pièces normales de la reconstruction du moteur. Ce moteur est passé de 16,30 heures d'utilisation par jour sur les pistons Cat à 18,34 heures par jour sur les pistons SoA au moment où il a été retiré pour entretien une fois de plus en 2017 après 915 jours de service. Le raisonnement pour la période de temps plus courte était dû au fait que le reconstructeur du moteur réutilisait les boulons de culasse, une pratique qui était raisonnable et prévisible par le reconstructeur à l'époque.

Malheureusement, les boulons de culasse réutilisés étaient la raison pour laquelle le moteur a été tiré à nouveau comme Newmont North America l'a déclaré dans son rapport "S'il n'y avait pas eu le risque de temps d'arrêt de l'équipement et d'éventuels dommages supplémentaires, causés par une rupture supplémentaire des boulons de culasse, il est raisonnable que le moteur serait resté en service pendant une période plus longue, mais inconnue." Parkhurst a également noté que ce revendeur particulier a arrêté cette pratique peu judicieuse.

Malgré ces problèmes de boulons de culasse, Newmont a noté que les packs de cylindres, les pistons, les segments et les chemises "indiquaient une durée de vie utile restante" et la faible quantité de carbone accumulée sur les pistons ainsi que les très faibles dépôts de carter par rapport aux autres reconstructions. Parmi les autres conclusions importantes du rapport, citons ses émissions de gaz d'échappement, dont les tests ont montré une réduction et une amélioration significatives par rapport au "moteur comparatif". "Étant donné que seulement environ 40% (modification de la couronne de piston et revêtement thermique) de la technologie SoA disponible ont été appliqués", conclut le rapport, "l'opinion considérée est que l'amélioration opérationnelle (est) applicable à la technologie SoA a été obtenue".

SoA nous a également fourni un rapport d'Olsen Ecologic Lab à Fullerton, en Californie, qui comparait un moteur Cummins de 5,9 litres d'origine à un moteur avec seulement un ensemble de pistons Speed ​​of Air installés. Dans ce rapport, il y avait une augmentation de 15,5% de la puissance et une augmentation de 15,2% du couple. Ce n'est pas là que s'arrête la bonne nouvelle non plus, car ce rapport a révélé que la consommation de carburant spécifique au freinage a été réduite de 3,2 %, l'opacité de l'échappement a été réduite (ce qui signifie moins de particules) de 77,6 %, les niveaux de NOx ont été réduits de 61 %. , les hydrocarbures d'échappement ont chuté de 32,5 % et les niveaux de CO2 ont chuté de 41,4 %.

Étant donné qu'il y a plus de zones qui font circuler l'air et le carburant, pourquoi les pistons sont-ils les seuls éléments que SoA a publiés avec leur conception à fossettes ? "Nos brevets couvrent tous les espaces où l'air circule dans le moteur à combustion interne (ICE), y compris les orifices d'admission et d'échappement et les collecteurs, les têtes, les turbos, etc.", a déclaré Parkhurst, "Nous avons fait tout ce que vous pouviez faire pour un ICE concernant les fossettes ; cependant, nos tests ont montré que les pistons fournissent la grande majorité des avantages avec le turbo au niveau suivant." En ce qui concerne les reconstructions commerciales, les collecteurs (d'admission et d'échappement) et les têtes ne sont pas considérés comme aussi consommables que les pistons et les turbocompresseurs. "Donc, pour ces deux raisons, nous nous sommes concentrés sur la commercialisation de quelque chose que nous pouvons réellement vendre sans nous transformer en un simple atelier d'usinage", a poursuivi Parkhurst.

C'est une excellente question, mais à laquelle on ne peut répondre que par des hypothèses. Cela pourrait se résumer à une question de coût par rapport aux avantages à laquelle le marché secondaire n'a généralement pas besoin de répondre. Lors de la construction de telles quantités massives, la vitesse et le coût sont des facteurs énormes, même lorsqu'ils sont minuscules au niveau individuel. C'est pourquoi plus de pièces s'enclenchent plutôt que de se visser pour les véhicules que vous conduisez aujourd'hui. Le coût en temps supplémentaire de l'usinage d'un piston avec ces caractéristiques l'emporte potentiellement sur les avantages de la façon dont un piston fonctionne sans elles. Encore une fois, ce ne sont que des spéculations, mais cela explique pourquoi le marché secondaire existe. Ils n'ont pas besoin d'équilibrer leurs bilans et de justifier leur temps comme le fait un OEM, car leur objectif principal est de répondre à des marchés de niche et spécifiques.

L'un de ces marchés spécifiques que SoA cherche à desservir est celui des propriétaires et exploitants de camions diesel commerciaux de Californie. Pour les moteurs antérieurs à 2010 (ou les châssis non rééquipés d'un moteur plus récent que celui-ci) et fonctionnant dans des véhicules lourds pesant plus de 14 000 livres, la Californie leur a interdit de fonctionner et de s'enregistrer dans l'État. Le problème se résume aux émissions de ces moteurs particuliers, mais les améliorations d'émissions que SoA a montrées avec seulement leurs pistons pourraient devenir leur grâce salvatrice.

"Nous sommes toujours en développement à ce sujet et cela prendra probablement au moins 2 500 heures de tests de durabilité", a déclaré Parkhurst, "mais nous verrons quand nous recevrons une lettre de test émise par le CARB. Nous pensons que nous ciblerons soit CAT C- les familles de moteurs de la série (9/12/15/18 litres) ou éventuellement les séries Detroit 12.7 et 14L 60, en premier." Le kit que Parkhurst nous a décrit serait un kit complet qu'un reconstructeur peut faire avec le moteur toujours monté sur le châssis du véhicule et comprendrait non seulement les pistons de SoA mais aussi un turbocompresseur, un nouveau flash ECM et "un substrat raisonnablement léger", il a déclaré: "Nous sommes à peu près sûrs que notre substrat serait limité au DOC et nous n'aurions pas besoin de DPF, SCR ou EGR. Il y a beaucoup de travail à faire à cet égard, mais cela semble être la voie réalisable."

Pour l'instant, SoA se concentre sur la commercialisation de sa gamme de moteurs diesel de poids moyen. Mais, leur travail s'étendra également aux moteurs de course et à essence dans un avenir proche, tous utilisant le même principe aérodynamique qui fait voler une balle de golf dans les airs. Qui savait que la modeste balle de golf avait tant à offrir à un moteur à combustion interne ?