Le segment de piston est un anneau métallique ouvert et élastique, que l'on distingue en deux types : le segment racleur et le segment racleur, selon leur fonction. On trouve 2 à 4 segments racleurs sur la partie supérieure de la tête de piston et 1 à 2 segments racleurs sur la partie inférieure.
Le rôle du segment de piston est d'assurer l'étanchéité entre le piston et la paroi du cylindre et d'empêcher les gaz sous haute pression présents sur la partie supérieure du piston de s'infiltrer dans le carter. Un défaut d'étanchéité entraîne des fuites de gaz plus importantes lors de la compression, ce qui réduit la pression en fin de compression et rend le démarrage du moteur à combustion interne difficile. Les fuites de gaz à haute température dans le carter augmentent également la température du piston, et l'huile s'oxyde et se dégrade sous l'effet de la chaleur. Outre sa fonction d'étanchéité, le segment de piston assure également le transfert de chaleur. La majeure partie de la chaleur absorbée par la tête du piston est transmise à la paroi du cylindre par le segment de piston (puisque la tête du piston n'est pas en contact direct avec la paroi), puis évacuée par le fluide de refroidissement externe.
Le segment de piston, et plus particulièrement le premier segment, est soumis, outre son mouvement de va-et-vient linéaire à grande vitesse le long de la paroi du cylindre avec le piston, à la pression et à la température élevées des gaz, ainsi qu'à une lubrification insuffisante. Ces conditions réduisent ses propriétés mécaniques et son élasticité, ce qui peut entraîner la carbonisation de l'huile de lubrification et même provoquer un jeu dans le cylindre et des fuites d'air. Il est donc impératif que le segment de piston possède une force élastique suffisante pour assurer une adhérence optimale à la paroi du cylindre. Dans ces conditions, les gaz haute pression ne peuvent s'échapper à travers la surface de contact entre le segment et la paroi. Le gaz, agissant sur la face supérieure du segment, le plaque fermement dans la gorge du piston, assurant ainsi un contact étroit entre sa face inférieure et la gorge. Le gaz pénétrant entre la face interne du segment et sa gorge exerce une pression vers l'extérieur, renforçant l'adhérence du segment à la paroi du cylindre. Par conséquent, les fuites de gaz haute pression sont évitées grâce à la force élastique du segment et à la pression du gaz.
Les segments de piston sont généralement fabriqués en fonte grise ou en fonte alliée de haute qualité. Afin d'améliorer le fonctionnement du premier segment de piston et sa résistance à l'usure, une couche poreuse de chrome ou de molybdène est souvent déposée sur sa surface. Plus récemment, le premier segment de piston est également fabriqué en fonte ductile ou en acier. À l'état libre, le diamètre extérieur du segment est légèrement supérieur à celui du cylindre. Une fois installé dans le cylindre, le segment de piston génère une force élastique et s'appuie contre la paroi du cylindre. Un certain jeu doit être ménagé à l'ouverture (appelé jeu à la coupe ou jeu d'ouverture, généralement de 0,4 à 0,8 mm) afin d'éviter que le segment ne se grippe dans le cylindre lors de la dilatation thermique. Après l'installation du segment dans sa gorge, un certain jeu vertical est également nécessaire (appelé jeu latéral, généralement de 0,08 à 0,16 mm). Lors de l'installation du segment de piston sur le piston, les ouvertures de chaque segment doivent être décalées de 120° à 180°, et l'ouverture du segment de piston doit être décalée de plus de 45° par rapport au trou du siège de l'axe de piston afin d'éviter les fuites après l'installation du segment de piston dans le cylindre.
Afin d'améliorer le fonctionnement du segment de piston et d'optimiser son ajustement au cylindre, certains segments présentent des sections différentes. Une attention particulière doit donc être portée lors de leur installation. La section transversale de base du segment de compression est rectangulaire. Ce segment est facile à fabriquer et largement utilisé, mais ses performances de rodage sont relativement faibles et il ne répond pas aux exigences croissantes des moteurs. Ce segment de compression courant peut être installé librement dans la gorge du segment de compression. Certains moteurs utilisent une structure de segment conique. La surface de travail du segment présente un angle de conicité de 0,5° à 1,5°, ce qui réduit la surface de contact entre le segment et la paroi du cylindre et accélère le rodage. L'angle de conicité permet également de racler l'huile. Cependant, le segment conique s'use rapidement, ce qui affecte sa durée de vie. Il doit être installé avec la partie conique vers le bas.
Certains moteurs à combustion interne utilisent des segments hélicoïdaux. Une partie du bord supérieur du cercle intérieur ou du bord inférieur du cercle extérieur du segment est découpée pour former une section étagée. Cette section est asymétrique entre l'intérieur et l'extérieur. Une fois le segment inséré dans le cylindre et comprimé, sous l'effet de la force interne asymétrique, une inclinaison significative se produit, de sorte que la surface extérieure du segment forme une surface conique avec une partie supérieure plus étroite et une partie inférieure plus large, ce qui réduit la taille du segment. La surface de contact avec la paroi du cylindre facilite le coulissement du segment et permet de racler l'huile vers le bas. De plus, les faces d'extrémité supérieure et inférieure du segment sont en contact avec les faces d'extrémité supérieure et inférieure de la gorge du segment aux endroits correspondants, ce qui non seulement améliore l'étanchéité, mais empêche également le segment de se déplacer verticalement dans la gorge, évitant ainsi les fuites d'huile et l'usure. Lors de l'installation du segment, il est impératif de respecter le sens de montage. Il ne peut être installé à l'envers. La découpe intérieure doit être orientée vers le haut et la découpe extérieure vers le bas. Sur certains moteurs à combustion interne à forte charge thermique, on utilise souvent des segments trapézoïdaux afin d'améliorer la résistance au cokage du segment de piston. Le jeu entre la face d'extrémité du segment et la gorge varie avec le mouvement latéral du piston sous l'effet de la force latérale, ce qui permet d'écraser les dépôts de carbone dans la gorge et d'empêcher le collage du segment. Ce segment se monte aussi facilement qu'un segment de piston classique.
Il existe également un type de segment de piston à tête cylindrique, dont la surface de travail est un arc convexe. Ses faces supérieure et inférieure, en forme de coin, épousent la paroi du cylindre, facilitant ainsi le rodage, assurant une bonne lubrification et une étanchéité optimale. Ces segments sont couramment utilisés pour renforcer les moteurs à combustion interne. À l'instar des segments de compression classiques, ce segment peut être installé librement dans la gorge du piston.
Date de publication : 4 août 2022