Présentation de la géometrie et mise en place du problème

Un piston est constitué de deux parties, une partie supérieure, pleine, appelé tête de piston et une partie inférieure appelé jupe (alésage de piston). Comme on peut le voir sur l'image ci-dessous, la partie qui est en contact avec la chambre de combustion est la tête de piston. Elle est soumise à plusieurs flux de chaleur variables sur un cycle de fonctionnement (4 temps). Nous allons alors nous focaliser sur la tête de piston et mener notre étude uniquement sur ce bloc.

 

 

 

 Zoom sur la tête de piston

 

 

 

Un piston est soumis à plusieurs flux calorifiques d'origines différentes. Dès l'admission, les gaz frais échangent de la chaleur avec le piston à travers sa face supérieure. Pendant la phase de compression du mélange air/carburant la températures des gaz augmente le long de cette phase, ce qui donne lieu à des échanges thermiques instationnaires. Pendant la phase de combustion/détente les gaz sont portés à une température avoisinant 2500 K, il y a donc des échanges thermiques par convection, de plus la flamme et les parois rayonnent sur le piston ce qui peut potentiellement générer un flux par rayonnement. Et finalement pendant la phase d'échappement les gaz brûlés se refroidissent progressivement, ce qui crée un flux convectif variable en fonction du temps.

Par ailleurs, le piston reçoit un jet d'huile qui impacte la face inférieure de la tête de la chemise. Ce jet d'huile est directement pompé du carter, redirigé à l'aide d'une buse vers le piston avec un certain débit (dépendant du régime moteur). Elle a généralement une température de 100°C (fixé grâce à un échangeur). La principale fonction de cette huile est la lubrification de la liaison pivot (Bielle/piston) et donc limiter les frottements entre la bague bronze et le  goujon.

De plus, comme on peut le voir sur la figure ci dessus à gauche, il y a des gorges sur les parois extérieures du piston, trois segments sont montés dans ces gorges. La principale fonction des segments est de garantir une étanchéité dynamique entre le carter et le cylindre, les segments vont frotter contre la chemise ce qui va sans doute générer de la chaleur par frottement, on peut aussi s'attendre à du transfert de chaleur par conduction entre le piston et chaque segment. La partie libre (hors segments) des parois latérales échangera de l'énergie calorifique avec le fluide piégé dans un petit volume annulaire-de l'ordre du dixième de mm d'épaisseur- qui sépare la chemise du piston.  

Après l'atomisation du carburant par les trous micro-métrique de l'injecteur, une partie des gouttelettes va finir sur la surface du piston, elles vont coalescer et créer un film liquide qui va se vaporiser. Le piston sera donc refroidit localement et brièvement, par l'impact du spray et par la vaporisation.