of 36/36
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 2 593 - 1 Moteurs non conventionnels par Georges DESCOMBES Maître de conférences au Conservatoire National des Arts et Métiers Chercheur au CNAM et au Laboratoire de Mécanique Physique de l’Université Pierre-et-Marie-Curie Paris 6 et Jean-Louis MAGNET Attaché à la direction technique SEMT PIELSTICK Professeur associé au Conservatoire National des Arts et Métiers (CNAM) ne brève analyse rétrospective de l’histoire des moteurs à pistons montre que les développements empiriques qui ont marqué la naissance des moteurs ont donné lieu à de remarquables réalisations et les concepts scien- tifiques élaborés dans la même période par les savants A. Beau de Rochas (1815-1893) et R. Diesel (1858-1913) sont toujours de pleine actualité à l’aube de l’an 2000. Le moteur à combustion interne constitue depuis l’époque de la révolution industrielle un domaine privilégié de réflexion de la part de nombreux inven- 1. Généralités.................................................................................................. BM 2 593 - 2 1.1 Définition....................................................................................................... 2 1.2 Schéma de classification ............................................................................. 2 2. Moteur alternatif à combustion interne............................................. 3 2.1 Groupement des cylindres .......................................................................... 3 2.2 Moteur sans soupapes ................................................................................. 8 2.3 Moteur à pistons opposés ........................................................................... 9 2.4 Moteur à pistons oscillants.......................................................................... 12 2.5 Moteur à piston à géométrie variable ........................................................ 12 2.6 Moteur à pistons à double effet .................................................................. 12 2.7 Moteur dissymétrique .................................................................................. 14 2.8 Moteur sans vilebrequin .............................................................................. 15 2.9 Moteur à engrenages ................................................................................... 18 2.10 Moteur à boule chaude ................................................................................ 19 2.11 Moteur à six temps....................................................................................... 19 3. Moteur rotatif à combustion interne .................................................. 19 3.1 Moteur tournant ........................................................................................... 19 3.2 Moteur à piston rotatif ................................................................................. 20 3.3 Moteur à palettes.......................................................................................... 24 4. Moteur alternatif à combustion externe............................................ 24 4.1 Aperçu historique ......................................................................................... 24 4.2 Concept du moteur à gaz chaud ................................................................. 25 4.3 Thermodynamique appliquée ..................................................................... 25 4.4 Mécanisme fonctionnel................................................................................ 28 4.5 Marché applicatif .......................................................................................... 30 4.6 Tendances pressenties ................................................................................. 34 5. Conclusion .................................................................................................. 34 6. Remerciements.......................................................................................... 34 Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. BM 2594 U U

Moteurs non conventionnels

  • View
    221

  • Download
    2

Embed Size (px)

Text of Moteurs non conventionnels

  • Moteurs non conventionnels

    par Georges DESCOMBESMatre de confrences au Conservatoire National des Arts et MtiersChercheur au CNAM etau Laboratoire de Mcanique Physique de lUniversit Pierre-et-Marie-Curie Paris 6

    et Jean-Louis MAGNETAttach la direction technique SEMT PIELSTICKProfesseur associ au Conservatoire National des Arts et Mtiers (CNAM)

    1. Gnralits.................................................................................................. BM 2 593 - 21.1 Dfinition....................................................................................................... 21.2 Schma de classification ............................................................................. 2Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique BM 2 593 - 1

    ne brve analyse rtrospective de lhistoire des moteurs pistons montreque les dveloppements empiriques qui ont marqu la naissance des

    moteurs ont donn lieu de remarquables ralisations et les concepts scien-tifiques labors dans la mme priode par les savants A. Beau de Rochas(1815-1893) et R. Diesel (1858-1913) sont toujours de pleine actualit laube delan 2000.

    Le moteur combustion interne constitue depuis lpoque de la rvolutionindustrielle un domaine privilgi de rflexion de la part de nombreux inven-

    2. Moteur alternatif combustion interne............................................. 32.1 Groupement des cylindres .......................................................................... 32.2 Moteur sans soupapes................................................................................. 82.3 Moteur pistons opposs ........................................................................... 92.4 Moteur pistons oscillants.......................................................................... 122.5 Moteur piston gomtrie variable ........................................................ 122.6 Moteur pistons double effet .................................................................. 122.7 Moteur dissymtrique.................................................................................. 142.8 Moteur sans vilebrequin .............................................................................. 152.9 Moteur engrenages ................................................................................... 182.10 Moteur boule chaude ................................................................................ 192.11 Moteur six temps....................................................................................... 19

    3. Moteur rotatif combustion interne .................................................. 193.1 Moteur tournant ........................................................................................... 193.2 Moteur piston rotatif ................................................................................. 203.3 Moteur palettes.......................................................................................... 24

    4. Moteur alternatif combustion externe............................................ 244.1 Aperu historique ......................................................................................... 244.2 Concept du moteur gaz chaud ................................................................. 254.3 Thermodynamique applique ..................................................................... 254.4 Mcanisme fonctionnel................................................................................ 284.5 March applicatif .......................................................................................... 304.6 Tendances pressenties ................................................................................. 34

    5. Conclusion .................................................................................................. 34

    6. Remerciements.......................................................................................... 34

    Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. BM 2594

    UU

  • MOTEURS NON CONVENTIONNELS ________________________________________________________________________________________________________

    teurs passionns et lexprience montre que cette effervescence ne se dmentpas au cours du temps. Ainsi, des ides originales de substitution la cinmati-que usuelle de transformation du mouvement par bielle-manivelle sont-ellesrgulirement proposes. Certains concepts, imagins ds les annes 1900,mergent de nouveau en cette fin de sicle et la meilleure matrise des technolo-gies peut constituer une aide la ractivation de certains dentre eux. Onconstate nanmoins quils conduisent le plus souvent des ralisations de tech-nologie complexe dont le niveau de fiabilit se rvle contrast.

    Le moteur pistons rotatifs Wankel constitue en revanche un exemple clbrede ralisation innovante qui a atteint le stade de dveloppement industriel bienquil nait pas connu le succs commercial escompt.

    On observe galement que le concept ancien de moteur gaz chaud combustion externe qui ne donne actuellement lieu qu des applications mar-ginales mriterait vraisemblablement une attention plus soutenue sur le marchalternatif des machines thermiques hybrides.

    La solide exprience engrange depuis plus dun sicle par le moteur conven-tionnel constitue nanmoins un handicap majeur pour toute machine thermiquenovatrice, concurrente ou non. Les investissements lourds qui sont attachs laproduction de masse dun moteur imposent en effet tout concept novateur defaire la preuve de sa supriorit intrinsque en terme de performances nergti-ques, mcaniques et conomiques pour tre susceptible dbranler la suprma-Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.BM 2 593 - 2 Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique

    tie du moteur conventionnel pistons.

    1. Gnralits

    1.1 Dfinition

    Un moteur volumtrique combustion interne transformelnergie libre par la combustion en nergie mcanique sur sonarbre rcepteur. De manire usuelle, le comburant est prlev latmosphre ambiante, subit une succession de transformations ausein du capsulisme, puis est expuls de nouveau lambiance.Lintroduction approprie dun carburant liquide ou gazeux au seinde lair comburant se traduit par la combustion du mlange ractifair-combustible selon le cycle thermodynamique mixte volume et pression constante au sein mme du capsulisme. La transforma-tion du mouvement rectiligne alternatif du piston en mouvementcirculaire du vilebrequin est ralise par lintermdiaire de la cin-matique usuelle bielle-manivelle.

    Un moteur conventionnel pistons est ainsi un moteur arobie,alternatif et combustion interne au sein duquel la combustion dunmlange ractif air combustible, liquide ou gazeux, se traduit par laproduction dune nergie mcanique rcupre sur le vilebrequin.Cest le cas reprsentatif du moteur thermique pistons utilis dansles deux domaines applicatifs de prdilection des moteurs de pro-pulsion dune part et des moteurs stationnaires dautre part(tableau 1). Les moteurs qui ne rpondent pas aux critres de slec-tion prcits sont alors explicitement identifis sous lappellationmoteurs non conventionnels et ils font lobjet de cet article.

    1.2 Schma de classification

    Conformment larticle introductif aux moteurs thermiques [36]Introduction aux moteurs alternatifs, le schma de classification est

    ordonnanc selon le mode de conversion dnergie qui conduit aborder successivement, dune part, les moteurs combustioninterne et, dautre part, combustion externe, en distinguant, au seinde ces deux classes, les moteurs alternatifs et les moteurs rotatifs.

    Une slection complmentaire hirarchise au sein de chacune deces classes les moteurs pistons en fonction de leurs particularitscinmatiques et nergtiques. Ces deux critres peuvent influencerde manire isole ou simultane les dispositions constructives dumoteur thermique.

    Seuls, les moteurs non conventionnels ayant fait lobjet daumoins une application industrielle sont pris en compte, car cetexpos ne vise pas rpertorier la collection complte des conceptsqui ont t proposs au cours dun sicle dhistoire des moteurs pistons. Dans la mesure du possible, un plan est droul en quatretapes. Un bref aperu historique prcde la prsentation duconcept selon les domaines prsums de lapplication. Un descriptifidentifie ensuite leurs particularits et lon conclut par un commen-taire sur sa prennit ventuelle ou sur les applications drives quipeuvent en rsulter. La prsentation de lexpos est labore demanire progresser, autant que possible, des applications les plusproches du march actuel vers les conceptions les plus marginalesau sein de chaque classe.

    Une analyse bibliographique montre que le moteur conventionnel pistons a constitu de tous temps un domaine privilgi de

    Tableau 1 Panorama du march applicatifdes moteurs alternatifs

    Moteurs de propulsion Moteurs stationnaires

    Propulsion routire Matriels dentretien

    Propulsion ferroviaire Groupes lectrognes

    Propulsion marine Centrales lectriques

    Propulsion arienne Groupes de servitude

  • ________________________________________________________________________________________________________ MOTEURS NON CONVENTIONNELS

    rflexion de la part de nombreux inventeurs passionns, dont cer-tains pensent que le moteur alternatif combustion interne sous saforme conventionnelle nest pas la solution optimise la produc-tion dnergie mcanique sur un arbre moteur. De nombreuxconcepts de substitution sont ainsi proposs depuis lpoque de larvolution industrielle ; lexprience confirme que cette efferves-cence ne se dment pas laube de lan 2000. Deux axes de rflexionconcernent de manire rcurrente la remise en cause de la cinma-tique usuelle de transmission du mouvement par bielle-manivelledune part et, dans une moindre mesure, celle du processus dvo-lution thermodynamique au sein du capsulisme. On observe que, siles projets de cycles thermodynamiques loufoques doivent trerfuts sans ambigut, un certain nombre de propositions origina-les sur la cinmatique de transformation du mouvement nest passans intrt potentiel.

    On remarque dailleurs que certains concepts proposs ds lesannes 1900 mergent de nouveau en cette fin de sicle et lameilleure matrise des technologies peut constituer une aide laractivation de certains dentre eux. Lexprience montre toutefoisque ces concepts, parfois originaux, conduisent frquemment ra-liser des dispositifs de technologie complexe mettre en uvre etdont le niveau de fiabilit se rvle contrast. On insiste donc auprsdes inventeurs potentiels, souvent solitaires, sur la ncessit deprendre le conseil pralable de motoristes expriments avant de selancer dans de coteuses investigations. Il convient galement de

    2. Moteur alternatif combustion interne

    2.1 Groupement des cylindres

    La disposition et le nombre de cylindres dun moteur alternatifsont fonction du domaine dapplication et des contraintes technolo-giques et conomiques qui en rsultent (figure 1). La puissance dumoteur est fonction de sa cylindre qui est dfinie par lalsage, lacourse et le nombre de cylindres associs. Pour un moteur donn,laccroissement des performances est li laugmentation du cou-ple et de la vitesse de rotation, mais les lois de similitude montrentquil existe un majorant en terme de masse et de rgime maximaladmissibles [63].

    Il convient de limiter, dune part, les contraintes mcaniques quirsultent de laugmentation des masses et, dautre part, lescontraintes thermiques qui sont fonction du rapport surface-volume. On montre en effet que la diminution du rapport surface-volume du capsulisme entrane une difficult croissante refroidirconvenablement le cylindre. Il existe simultanment un temps mini-mal au-dessous duquel la combustion du mlange ractif ne peutToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique BM 2 593 - 3

    sassurer que des travaux antrieurs nont pas dj t raliss. plus tre ralise de manire satisfaisante.

    Figure 1 Concepts de regroupementsde cylindres

    un vilebrequinun arbre de sortie

    deux vilebrequinsun arbre de sortie

    trois vilebrequinsun arbre de sortie

    quatre vilebrequinsun arbre de sortie

    trois vilebrequinstrois arbres de sortie

    quatre vilebrequinsdeux arbres de sortie

    trois arbres de sortiede mme puissance

    quatre vilebrequins

    trois arbres de sortiede diffrentes puissances

  • MOTEURS NON CONVENTIONNELS ________________________________________________________________________________________________________

    Une grande varit de dispositions gomtriques caractrise legroupement des cylindres dun moteur pistons et elle voluedepuis le monocylindre jusquaux multicylindres tags. On souli-gne que F. Forest qui est lun des prcurseurs des moteurs fait bre-veter, en 1891, une machine quatre cylindres verticaux aveccompression et dtente variable qui contribue vraisemblablementde manire dcisive au dveloppement des moteurs polycylin-driques.

    Les diffrentes configurations gomtriques des moteurs pis-tons visent maximiser le nombre de temps moteurs par tour et lapuissance du moteur en optimisant simultanment lquilibrage etla rgularit cyclique dune part, en minimisant autant que possiblelencombrement du moteur dautre part. Le lecteur se reportera larticle [B 2 770] quilibrage des machines alternatives pour ltudecinmatique et dynamique des moteurs.

    2.1.1 Classification

    Le groupement multicylindrique des moteurs est ralis en lignesimple ou multiple dont la disposition peut tre verticale, horizon-tale et, plus rarement, inverse. Les lignes de cylindres peuvent treplaces en V, en range oppose en I et, une poque plusancienne, en W, H, U, X et Y ou encore en toile.

    22 500 mm

    8 500 mm

    14 000 mm

    Moteur Diesel 2 temps double effetToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.BM 2 593 - 4 Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique

    Ces diverses configurations ont une rpercussion sur larchitec-ture de lattelage mobile et des arbres de transmission de puissance(figure 1). Les groupes moteurs sont identifis par un prfixe enchiffre romain voluant de I IV qui indique le nombre de vilebre-quins monts sur le mme bti. Les chiffres arabes identifient lenombre de cylindres tandis que la disposition des cylindres en ligneou en V est repre par les lettres L ou V.

    La figure 2 illustre un exemple dapplication un cargo o loncompare, puissance identique, lencombrement dun moteurDiesel deux temps double effet celui dun moteur Diesel polycy-lindrique.

    2.1.2 Panorama rtrospectif

    Un aperu succinct illustre certains des groupements de cylindresqui ont t utiliss au cours de lhistoire des moteurs. Les figures 3 11 rassemblent quelques-uns des concepts comments [8].

    Moteur en toile

    La disposition compacte des cylindres en toile simple(figure 3a) ou multiple (figure 3b) a t trs utilise dans le domainede laronautique au dbut du sicle, afin de rgulariser le couplemoteur pour saffranchir de la prsence dun volant dinertie etrduire la masse embarque du moteur.

    Le calcul montre dailleurs que la rgularit cyclique du moteurimpose un nombre impair de cylindres dans le cas usuel dun cycle quatre temps en deux tours.

    Moteur en V invers

    Le moteur Deschamps destin laviation amricaine comportaitdouze cylindres placs en V invers (figure 4) et fonctionnait selonun cycle deux temps. Il tait muni dune distribution fourreaux,son taux de compression tait de 16 et ce moteur fournissait unepuissance de lordre de 880 kW 1 600 tr/min pour une cylindre de49 litres. Il tait suraliment par deux compresseurs centrifugespour chacune des deux ranges de cylindres et un absorbeur devibrations de torsion tait plac une extrmit du vilebrequin.

    Moteur multivilebrequin Le moteur daviation Breton comportait trois vilebrequins en

    vue de rduire la vitesse de rotation tout en conservant de grandes

    Exemple : la dsignation I9L40/46 identifie un moteur neuf cylin-dres en ligne de 400 mm dalsage et 460 mm de course.

    Figure 2 Encombrement compar, puissance identique, de deux moteurs de propulsion marine (SEMT)

    Figure 3 Moteur pistons :concept gomtrique des moteurs en toile

    Figure 4 Moteur pistons :concept gomtrique des moteurs inverss en V et en W

    Moteur Diesel 4 temps

    moteur en toile doublebmoteur en toile simplea

  • ________________________________________________________________________________________________________ MOTEURS NON CONVENTIONNELS

    vitesses de pistons et un grand nombre de temps moteurs parminute. Il sagissait dun douze cylindres refroidi par air et chaquegroupe de deux cylindres opposs tait implant sur un carter danslequel tournait un arbre vilebrequin. Ce moteur prsentait la particu-larit complmentaire de fournir une puissance variable de 15 45 kW grce au dplacement latral des cames sur larbre qui per-mettait de fermer la soupape dadmission et douvrir celle dchap-pement correspondante. La figure 5a donne un exemple de moteur trois vilebrequins.

    Lingnieur Cauzan a propos, en 1927, un projet de moteur 4 vilebrequins (figure 5b), groupant 4 cylindres disposs en V demanire originale en vue de rduire lencombrement des culasses[43].

    Enfin, pour le groupement dun trs grand nombre de cylindres,des dispositions plusieurs vilebrequins parallles ont t propo-ses en associant quatre moteurs en V comportant jusqu 48 cylin-dres.

    Moteur en W

    Lassociation de trois ranges de cylindres ne sest gure appli-que quaux 12 et 18 cylindres disposs en W 60o (figure 4).

    Le moteur daviation Lorraine en W comportait trois ranges de4 cylindres et dveloppait une puissance de lordre de 330 kW audcollage. Il a t class premier du concours de grande endurance,Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique BM 2 593 - 5

    en 1924, avec un total cumul de 410 heures de fonctionnement etsa production a dpass 8 000 exemplaires dans les annes 1920 1930.

    Moteur en I

    Le concept de moteur cylindres disposs en I (figure 6) feralobjet dun dveloppement ultrieur, mais on note dores et djquil pouvait comporter un ou plusieurs vilebrequins, ainsi que desbielles dportes sur leurs manetons. Il se caractrisait par uneexcellente qualit dquilibrage.

    Moteur en X et Y

    La disposition de quatre ranges de cylindres a t ralise avecles moteurs en X dans lesquels quatre bielles taient articules surchaque manchon de vilebrequin et permettaient de grouper avec unmaximum de lgret et un minimum dencombrement 24 cylindressur un vilebrequin identique celui dun moteur 6 cylindres en ligne.Un point sensible dune telle ralisation concernait bien entendu lencessaire amortissement des vibrations de torsion.

    F. Forest a dessin un moteur 24 cylindres disposs en X de368 kW (figure 7) destin la propulsion dun sous-marin, de mmequun moteur 18 cylindres placs en Y.

    Lingnieur Michell a ralis galement en 1920 un moteur deuxtemps pistons opposs avec 3 cylindres disposs en Y.

    Figure 5 Moteur pistons multivilebrequin

    Figure 6 Moteur pistons : concept gomtrique du moteur en I

    concept gomtrique du moteur Cauzan en 4 V (1927)b

    moteur trois vilebrequins et pistons en oppositiona

    Figure 7 Moteur pistons :concept gomtrique du moteur Forest 24 cylindres en X (1895)

  • MOTEURS NON CONVENTIONNELS ________________________________________________________________________________________________________

    Moteur en H

    Une seconde configuration a donn lieu aux moteurs en H formspar la juxtaposition de deux moteurs en I tournant en sens inverse(figure 8). Ils taient dots dune bonne qualit dquilibrage. Cettedisposition permettait de grouper sous une forme compacte, maisplus lourde que la prcdente, seize ou vingt-quatre cylindres touten conservant des conditions satisfaisantes dquilibrage.

    Moteur en U

    La disposition en U verticale (figure 9) comportait deux vilebre-quins synchroniss et a t utilise en propulsion automobile demme que sur certains types de moteur Stirling.

    La disposition en U invers, retenue en aronautique, permettaitpour sa part de placer les cylindres cte cte et de les runir parune chambre de combustion commune. Les orifices dadmissiontaient situs lextrmit infrieure dun cylindre tandis que les ori-fices dchappement taient placs en bas de lautre cylindre. Cettedisposition en U qui comportait un canal original de communicationdes orifices de balayage et dchappement favorisait le balayagedes gaz.

    Moteur pistons diffrentiels

    On souligne la ralisation originale de moteurs duplex et quadru-

    Figure 8 Moteur pistons : concept gomtrique du moteur en HToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.BM 2 593 - 6 Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique

    plex disposition horizontale et verticale. Leur objectif visait conserver les avantages du moteur quatre temps tout en dimi-nuant son encombrement et sa consommation. Le capsulismecomportait des cylindres de diamtre tag et un piston diffrentiel.Le petit et le grand piston correspondaient des cylindres gales etchacun deux constituait avec son cylindre un moteur spar. Lecylindre annulaire tait complt de chambres de combustion dsi-gnes chambres-blocs et dessines afin de minimiser le rapport sur-face volume du capsulisme.

    Le moteur Colmant employait deux pistons dont lun tait moteurtandis que lautre avait pour fonction de comprimer le mlange(figure 10). Lors de sa phase descendante, le piston P comprimaitdans la chambre C le mlange aspir dans cette mme chambrependant sa course ascendante prcdente. Lexpulsion des gaz br-ls et le remplissage se produisaient lorsque le piston P dcouvraitles lumires dadmission et dchappement places dans la paroi ducylindre. Une version drive de ce concept dveloppait 29,6 kW 1 470 tr/min.

    Le moteur bicylindrique Sautter Harl destin lautomobile et laviation comportait lui aussi un piston auxiliaire de transfert et iltait muni de plus dun piston concentrique deux diamtres sedplaant dans un cylindre double alsage (figure 11). Ce pistonpouvait dcouvrir successivement les orifices A et E dadmission etdchappement. Lorifice A dadmission permettait la mise encommunication du cylindre avec un collecteur commun aux deuxcylindres, lorifice E dchappement tant destin la phasedchappement.

    La figure 12 illustre le concept du moteur Boudreaux Verdet.

    Moteurs Lycoming et Mathis Vga

    Le moteur aronautique Lycoming constitu de quatre rangesde neuf cylindres dveloppait une puissance de lordre de 5 150 kWpour une cylindre totale de 127 litres.

    Le moteur Mathis Vga, ralis pour sa part en 1938, apparte-nait la classe des moteurs davion de puissance suprieure 1 470 kW. Il comportait une toile massive de quarante-deux cylin-dres rpartis en sept fois six cylindres en ligne refroidis par eau etil produisait une puissance de 1 692 kW pour une masse de1 280 kg. Cette classe de moteurs a t, toutefois, rapidement sup-plante par les moteurs raction, dont la capacit de dbit estsans commune mesure avec celle par dfinition plus restreinte desmoteurs pistons, pour propulser des avions rapides exigeant defortes puissances.

    Figure 9 Moteur pistons : concept gomtrique du moteur en U

    Figure 10 Concept gomtrique du moteur Colmant piston de balayage additionnel

    Bielle

    Cylindre

    Piston moteur

    Piston secondaire

    chappement

    Chambre

    Canal

    Prchambre

    TigeAdmission

  • ________________________________________________________________________________________________________ MOTEURS NON CONVENTIONNELS

    matriels dentretien qui requirent des gammes de puissancesmodres et une contrainte de production de masse un cot mini-mal.

    Lune des dispositions les plus lourdes actuellement commerciali-ses est la configuration polycylindrique douze cylindres dispo-ss en ligne simple qui dveloppe une puissance suprieure 60 000 kW en application moteur de propulsion pour les porte-containeurs. Lalsage est de 960 mm, la course est de 2,50 m pourun rgime de rotation de 100 tr/min.

    Propulsion routire La disposition non exclusive en ligne simple quatre ou six

    cylindres est usuelle dans le domaine de la propulsion routireautomobile et de transport industriel ; elle rpond bien aux impra-tifs de production en grande srie. Ladoption plus marginale dungroupement de deux, trois ou cinq cylindres nest pas elle non plusdnue dintrt dans le contexte environnemental actuel.

    Les moteurs militaires destins la propulsion des matriels decombat doivent tre quant eux simultanment puissants, lgers etcompacts [107]. Le groupe motopropulseur de type Diesel est leplus souvent constitu de six douze cylindres disposs en V.LEngin blind de reconnaissance (EBR) est, pour sa part, propulspar un moteur allumage command Panhard 12H6000S douzecylindres horizontaux disposs plat en deux groupes de six, direc-tement opposs et refroidis par air canalis. Ce moteur dveloppe

    Figure 11 Concept gomtrique du moteur Sautter Harl piston tag

    Arbresecondaire

    Dflecteur

    chappement

    Piston concentrique

    Admission

    Mlangegazeux

    Chambre decompression

    PistonauxiliaireToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique BM 2 593 - 7

    2.1.3 Tendances actuelles

    Les configurations multicylindriques usuelles sont en ligne simpleverticale ou horizontale, en ligne double place en V ou encore cylindres opposs disposs plat.

    La disposition la plus simple est celle du moteur monocylindretrs utilise pour les applications la propulsion lgre et aux petits

    une puissance de 147 kW 3 500 tr/min pour une cylindre de6 310 cm3.

    Traction ferroviaire Les locomotrices sont le plus souvent tractes par des moteurs

    en ligne double dispose en V douze ou seize cylindres ; Les automoteurs, destins la desserte des lignes secondaires,

    sont plutt quips, jusqu maintenant, de moteurs placs horizon-talement plat afin de prserver lespace disponible au transportdes voyageurs.

    Propulsion marine Les transports de fret sont, souvent, quips de moteurs deux

    temps dont les cylindres sont placs en ligne avec un vilebrequin enattaque directe sur lhlice de propulsion, dans la mesure o lescontraintes dencombrement en hauteur sont somme toute mod-res.

    Les car-ferries, qui doivent couvrir de faibles distances viveallure, fonctionnent en revanche avec des moteurs semi-rapides double range de cylindres placs en V. Lencombrement en hauteurde ces transporteurs doit en effet tre rduit de manire ce que lepont dembarquement ne prsente pas de discontinuit depuislentre jusqu la sortie des vhicules qui seffectue sur une mmeligne horizontale. Le rgime de rotation est de lordre de 500 tr/minet le vilebrequin comporte un rducteur sur larbre de sortie delhlice.

    Le moteur Vasa 64 dvelopp par le constructeur finlandaisWartsil, six cylindres en ligne, quatre temps, tourne actuellementsur banc dessais et produit une puissance de 2 MW par cylindre ; lapression de combustion est de 190 bar, le rgime de rotation de333 tr/min, la vitesse du piston tant de lordre de 10 m/s.

    Propulsion aronautique

    Les moteurs destins laviation lgre sont disposs de prf-rence horizontalement plat, afin de dgager la visibilit du pilote ;on se rfre, en particulier, aux travaux du Professeur Gironnet [34]qui conoit et ralise un moteur original de type GMK240 Dieselsuraliment deux ranges horizontales de 3 cylindres qui prsenteun matre couple-minimal.

    Production dlectricit

    La production dlectricit dans les territoires aux rseaux noninterconnects dOutre-mer et les pays en voie de dveloppementest, pour sa part, le plus souvent ralise par des moteurs doublerange de 12 18 cylindres placs en V. Le rgime de rotation est

    Figure 12 Moteur Boudreaux Verdet piston diffrentiel

  • MOTEURS NON CONVENTIONNELS ________________________________________________________________________________________________________

    impos par la frquence du rseau (50 60 Hz) et le nombre deples de lalternateur ; il se situe entre 400 et 580 tr/min pour les cen-trales lectriques de base dune puissance maximale de 200 MW,pour des niveaux moindres de puissance, de lordre de 20 40 MW,le rgime de rotation plus lev du moteur (1 000 1 500 tr/min) per-met de minimiser lencombrement de lalternateur.

    2.2 Moteur sans soupapes

    2.2.1 Gnralits

    La mise en communication du cylindre avec les orifices dadmis-sion et dchappement peut tre assure au moyen de lumiresamnages dans la paroi du cylindre (figure 13). Ces orifices sontmasqus et dmasqus par le piston au cours de son mouvement.Ce dispositif permet de rduire le nombre de pices en mouvementet dobtenir un moteur trs compact, mais ltanchit au gaz cons-titue un point dlicat rsoudre dans la mesure o les segmentssont soumis une discontinuit de la surface de contact gnre parla prsence des lumires.

    Un procd ancien de distribution lumire contrle par une oudeux chemises mobiles a t appliqu dans les domaines de lauto-

    Figure 13 Cinmatique de distribution sans soupapes : chappement et balayage par lumire

    Solution JunkersSolution DoxfordToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.BM 2 593 - 8 Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique

    mobile par Panhard et Levassor (figure 14) et Peugeot, dont lesmoteurs sans soupapes ont quip un haut de gamme de vhiculestrs luxueux. Ce dispositif a galement t appliqu dans ledomaine de laviation par Napier et Bristol. Toutefois, la complexitde la cinmatique associe un systme bielle-manivelle, dans lecas des chemises coulissantes, ou un excentrique, dans le casdune chemise louvoyante, na pas contribu prenniser ce type dedistribution.

    Les figures 13, 14 refltent quelques applications de lpoque,mais on observe que le concept plus fonctionnel de distribution parlumire statique est, bien entendu, dactualit sur de nombreuxmoteurs deux temps de vhicules deux roues, ainsi que sur lemarch plus marginal des moteurs pistons rotatifs. De mme, destravaux avancs de recherches sont rgulirement poursuivis sur lemoteur deux temps dans le domaine automobile.

    2.2.2 Moteur 2 temps carburation stratifie

    La distribution dun moteur deux temps de petite cylindre estusuellement ralise par des lumires qui sont alternativementdgages et obtures par le piston au cours de son mouvement.Dans le cas dun moteur mlange pralable homogne, une frac-tion importante de la charge frache des gaz dadmission schappedirectement par la lumire dchappement encore ouverte pendantla phase de balayage et est donc lorigine dune surconsommationen carburant et dune pollution par les hydrocarbures (figure 15).

    Pierre Rochelle, chercheur au LMP (Laboratoire de Mcanique etPhysique) de lUniversit de Paris 6 [84], imagine une solution origi-nale destine rduire les pertes en gaz frais lchappement. Ceconcept brevet vise retarder lintroduction du mlange air-carburant dans le cylindre au moyen dun rservoir tampon et duncanal de transfert rallong lumire haute (figure 15), en balayantpralablement les gaz brls par de lair frais.

    Au temps combustion, les lumires sont fermes et la pressionqui slve brusquement dans le capsulisme chasse le piston versle bas. Pendant cette course de dtente, la pression dans le carteraugmente et le remplissage en air du volume tampon est ralis(figure 15a). Les lumires sont ensuite dcouvertes par le haut dupiston et lchappement commence.

    Par effet de contre-balayage, une partie des gaz brls occupesensiblement le demi-canal de transfert ; cela retarde lalimentationdu systme et diminue ainsi la fuite des gaz frais (figure 15b). Lori-fice est dcouvert son tour et lair comprim dans le carter pntre

    dans le cylindre par lintermdiaire des canaux de transfert latraux.On obtient donc un refoulement des gaz brls et une admissionretarde des gaz frais depuis le canal vers le cylindre (figure 15c).Les gaz frais parviennent ainsi plus tardivement lchappementque lair frais. Lors de la phase ascendante du second temps, lepiston ferme les lumires, le canal et comprime alors les gaz(figure 15d).

    Les rsultats dessais sur un moteur modifi de 50 cm3 montrentquune rduction significative de lordre de 50 60 % des missionsdhydrocarbures est obtenue avec une diminution simultane de30 % de la consommation en carburant. Une lgre baisse de coupleobserve dans les hauts rgimes est imputable la diminution delivraison dair conscutive au circuit plus complexe et moins per-mable des gaz ainsi qu lhtrognit du mlange globalementpauvre.

    Figure 14 Cinmatique de distribution sans soupapes :chemise coulissante (moteur Panhard et Levassor, 1923)

    Biellette decommande

    intrieure

    Eau de refroidissement

    Admission chappement

    Bougie

    Culasse

    Piston

    Cylindre

    Chemiseexterne

    Chemiseinterne

    Bielle

    Maneton

    Vilebrequin

    Arbre deddoublement

    Biellette decommandeextrieure

  • ________________________________________________________________________________________________________ MOTEURS NON CONVENTIONNELS

    chappement

    Admission

    Cylindre

    Piston

    InjectionLumires

    Clapet

    Rservoir tampon

    Canal detransfert

    ba

    Figure 16 Moteur IAPAC (Monnier et al. 1991)

    Injecteur

    Volume tampon

    Admissiondair

    chappement

    BougieToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique BM 2 593 - 9

    2.2.3 Moteur IAPAC

    On mentionne brivement les travaux de recherches galementconduits par lInstitut franais du ptrole sur un moteur deux tempsdnomm IAPAC (Compressed Air Assisted Fuel Injection Process)[28], qui relvent du mme concept dans une version plus laboreque la prcdente avec un niveau technologique galement pluscomplexe (figure 16).

    2.3 Moteur pistons opposs

    Atkinson prend date, en 1881, pour un moteur deux pistonsopposs dans un mme cylindre et F. Forest propose, ds 1886, unconcept de moteur monocylindre, dans lequel le vilebrequincommunique des mouvements sensiblement identiques au signeprs un systme de deux pistons voluant en sens contraire ausein dun mme cylindre (figure 17). Il faut pour cela dimensionnerle rayon de manivelle de manire telle que les efforts dinertie pri-maire du piston quilibrent prcisment les efforts dinertie primairedu piston oppos.

    Lintrt dune telle cinmatique rside dans sa capacit rduirelencombrement vertical du moteur en lui confrant simultanmentune qualit naturelle dquilibrage. Le calcul montre que dans le casdun vilebrequin unique, les termes dinertie de rangs pairs desdeux pistons se soustraient et peuvent mme avoir une sommenulle si lembiellage est symtrique. En revanche, il subsiste un cou-ple dinertie non quilibr.

    2.3.1 Domaine dapplication

    Les figures 18, 19, 20, 21 illustrent quelques-unes des disposi-tions applicatives qui sont commentes dans ce paragraphe.

    Le concept de moteur pistons opposs est appliqu parF. Dyckhoff et A. Bochet, ingnieur en chef de Sautter Harl, en 1901.Il sagit dun moteur horizontal pistons opposs de 210 mm dal-sage qui fonctionne selon un cycle quatre temps. Il fournit unepuissance de 22 kW 360 tr/min et propulse en premire mondialela pniche Petit Pierre en 1903 en prsence de Rudolf Diesel etdonne lieu ultrieurement une application moteur Diesel de sous-marin.

    Figure 15 Principe du moteur LMP carburation stratifie (Rochelle 1992)

    dc

    Figure 17 Moteur pistons opposs : concept

  • MOTEURS NON CONVENTIONNELS ________________________________________________________________________________________________________

    Deux clbres familles de moteurs allemands pistons oppossont t commercialises, dune part, par Von Oechelhaeuser pourdes applications sur moteurs gaz de grande puissance et, dautrepart, par Junkers, collaborateur de Von Oechelhaeuser, sur desmoteurs Diesel deux temps qui comportent six cylindres et deuxvilebrequins destins notamment laronautique.

    La compagnie des moteurs Hill Diesel produit des moteurs deuxtemps avec deux pistons opposs par cylindre (figure 18), lun despistons contrlant les orifices de transfert et lautre les orificesdchappement. Il est utilis pour des applications marines et auto-mobiles et lon cite lexemple dun monocylindre de 63 mm dal-sage et 89 mm de course qui produit une puissance de 7 360 W 1 200 tr/min. Son encombrement occupe le volume restreint duncube de lordre de 60 cm de ct seulement.

    Le moteur Victoria comporte pour sa part deux cylindres opposso chaque cylindre double alsage permet dassurer la doublefonction de compression du mlange et de production dnergiemcanique par un piston diffrentiel. Ce moteur prsente la particu-larit dtre rversible par suite de la symtrie de ses organes. Onsouligne que lun des concepts de moteurs gaz chauds utilise ga-lement la disposition pistons opposs en application des moteursStirling.

    2.3.2 Moteurs CLM

    Figure 18 Moteur pistons opposs : moteur Diesel deux temps

    Tige de piston

    Bielle

    Vilebrequin

    PistonToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.BM 2 593 - 10 Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique

    En 1927, la socit anonyme des automobiles Peugeot acquiertauprs de la socit allemande Junkers une licence de fabrication etde commercialisation de moteurs Diesel deux temps pistonsopposs et cre la filiale Compagnie Lilloise de Moteurs CLM [22].Les premiers moteurs fabriqus et vendus par CLM sont des mono-et bicylindres qui dveloppent des puissances de 7 360 et 12 880 Wpar cylindre dans une plage de rgime de 1 000 1 200 tr/min. Ilsprsentent la particularit de ne pas avoir de joint de culasse et ontune distribution sans soupapes dont les lumires dadmission dis-poses tangentiellement aux parois favorisent la turbulence de lairet facilitent aussi le dmarrage du moteur (figure 19).

    On observe que les pistons ne sont pas rigoureusement opposset les manetons du vilebrequin sont disposs de telle sorte que lepiston dchappement ait une avance de 15o. Ce dcalage permet demaintenir louverture lchappement avant louverture ladmis-sion et de fermer lchappement avant ladmission, ce qui autoriseune suralimentation une pression voisine de la pression debalayage. Linertie de lensemble piston suprieur tant naturelle-ment plus leve que celle de lensemble infrieur, lquilibrage desmasses en mouvement est amlior en rduisant alors la course dupiston suprieur par rapport celle du piston infrieur. Lacomplexit et la masse importante des quipages mobiles un vile-brequin conduisent le motoriste construire des moteurs deuxvilebrequins linstar du motoriste Junkers.

    Lingnieur Duclos introduit un piston et un cylindre supplmen-taires lensemble piston suprieur et piston de balayage dunmoteur deux temps pistons opposs destin la production daircomprim sous une pression de lordre de six bars. Le rendementdu groupe moteur compresseur est satisfaisant dans la mesure oles pertes mcaniques sont peine suprieures celles du moteurseul, ce qui ne serait pas le cas avec un compresseur spar etentran par le vilebrequin du moteur. La socit CLM reprend souslicence ce concept et substitue au piston supplmentaire un pistonde balayage double effet, la face suprieure tant ddie aucompresseur dair et la face infrieure au balayage (figure 20). Desprototypes compresseur bi-tag de meilleur rendement ont ga-lement t tudis et raliss.

    2.3.3 Moteur Napier Deltic

    Le moteur Napier Deltic constitue une remarquable application dumoteur deux temps pistons opposs. Il comporte dix-huit cylin-dres rpartis en trois ranges de six cylindres disposes sous la

    forme dun triangle quilatral et chaque paire de pistons oppossest dphase de 20.

    La transmission de puissance est ralise par lintermdiaire demcanismes engrenages en prise sur chacun des trois vilebre-quins quips darbres dquilibrage (figure 21). Lnergie mcani-que est recueillie sur un arbre de puissance qui entrane galementune turbine de suralimentation.

    La premire gnration de moteur Napier Deltic est quipe, en1950, dune suralimentation mcanique et fournit une puissance de1 840 kW 2 000 tr/min ; une version ultrieure suralimentationrefroidie dveloppe pour sa part 2 720 kW 2 100 tr/min.

    Ce moteur donne lieu des applications diversifies en tractionferroviaire, en propulsion de ptroliers de mme que pour la pro-duction dlectricit et lentranement de groupes de servitude.

    Figure 19 Moteur Junkers pistons opposs

    arbrevilebrequins accoupls par train dengrenage

    pistons opposs dans le mme cylindre c

    mV et V' e, r', e'p et p'

    e

    e'

    V

    V'

    m

    r'

    r'

    p'

    p

    c

  • ________________________________________________________________________________________________________ MOTEURS NON CONVENTIONNELSToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique BM 2 593 - 11

    2.3.4 Moteur militaireLe moteur Orion destin propulser les vhicules blinds de

    larme amricaine est un moteur deux temps pistons opposs quicomporte quatre vilebrequins et douze pistons opposs.

    Le motoriste Rolls Royce livre pour sa part larme britannique,en 1964, son premier groupe moteur polycarburant deux temps et pistons opposs. Ce moteur est spcialement mis au point pour desapplications militaires et vise rpondre aux exigences simultanesdencombrement et de masse rduits, de grande puissance et capa-ble de fonctionner avec des carburants diffrents. Le moteur K60 six cylindres a une masse globale de 760 kg, dveloppe une puis-sance de 27 kW/litre 3 750 tr/min et fonctionne au gazole comme aukrosne. Il comporte deux vilebrequins en acier forg lextrmitdesquels un amortisseur de vibrations fluide est implant.

    2.3.5 Moteur pistons libres

    Le concept de gnrateur de gaz pistons libres (figure 22) drivedun moteur Diesel deux temps suraliment pistons opposs [1]. Il

    en diffre, en revanche, par labsence de bielles, vilebrequin et sou-papes et les gaz chauds qui sont produits par le gnrateur alimen-tent une turbine de dtente qui fournit la puissance utile. Ce conceptqui a donn lieu de clbres ralisations au milieu du XXe sicledans les domaines de la production dlectricit et de la propulsionferroviaire et marine est dvelopp dans larticle [BM 2 594]Moteurs rcupration dnergie.

    Figure 20 Moteur huile lourde CLMde 440 kW pistons opposs (1935)

    Figure 21 Moteur pistons opposs :cinmatique de transmission de puissance

    Transmissions

    Compresseur

    Turbine

    Figure 22 Moteur pistons opposs libres

    ABC1234

    gnrateurrservoir de gazturbine gazpistoncylindre moteurcylindre matelascylindre compresseur

    56789

    10

    carterclapet daspirationclapet de refoulementinjecteurstabilisateursoupape de recyclage

    A

    B

    C

    1 1

    3 34 4

    6

    9

    10

    8

    7 5

    2

  • MOTEURS NON CONVENTIONNELS ________________________________________________________________________________________________________

    Figure 23 Moteur pistons oscillantsFigure 24 Piston Bicri gomtrie variable

    Huile

    Enveloppeexterne

    Clapetdadmission

    dhuile

    Corps dupiston

    Chambredhuile

    Clapet delimitationde pression

    ChambredhuileToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.BM 2 593 - 12 Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique

    2.3.6 Tendances

    La production des moteurs qui ont t en particulier utiliss pourla propulsion des matriels aronautiques, ferroviaires et automobi-les a cess pour la plupart dans les annes 50. Il y a lieu de ne pasconfondre le concept de pistons opposs voluant au sein dunmme cylindre avec lapplication toujours dactualit du moteur cylindres opposs et disposs le plus souvent plat.

    2.4 Moteur pistons oscillants

    Le principe de ce moteur illustr par la figure 23 est driv du con-cept cinmatique pistons opposs (figure 18) et il comporte deuxpistons dont le mouvement oscillant sassimile la trajectoire dunetorode [92].

    Lapplication dveloppe par Tschudi comporte deux paires depistons relis deux arbres de puissance par lintermdiaire degalets tournants et le moteur Richard James, dvelopp en 1929 etrevu en 1963 au Canada, vise lui aussi optimiser la compacit et lesperformances du moteur.

    2.5 Moteur piston gomtrie variable

    Les moteurs Continental quipent de nombreux chars de combatamricains partir des annes 1930 et la version suralimentecomporte des pistons rapport volumtrique variable de concep-tion originale bien que dune mise en uvre dlicate [107]. Lobjectifvise raliser un taux de compression variable en fonctionnementafin de matriser les pressions maximales de combustion aux fortescharges tout en conservant une valeur suffisante du rapport volu-mtrique lors des dmarrages.

    Le piston Bicri prsent sur la figure 24 est ralis en deux par-ties, lune tant lie laxe tandis que lautre est constitue dunecoiffe qui peut se dplacer dune position basse une positionhaute, ce qui permet de faire varier lespace mort par lintermdiairedun matelas dhuile aliment par la bielle. La position du pistonenveloppe est dfinie par lquilibre des pressions qui rgnent res-

    pectivement dans la chambre de combustion et dans la rservedhuile prrgle par un clapet de dcharge. Ce moteur est aban-donn au profit de la turbine AGT 1 500 dans les annes 70.

    2.6 Moteur pistons double effet

    2.6.1 Gnralits

    Le nombre de temps exprime le nombre de courses de pistonncessaire laccomplissement du cycle et lon note ce sujetquune confusion a parfois t introduite en dsignant sous lappel-lation errone de moteur un temps le moteur double effet fonc-tionnant en ralit suivant le cycle deux temps.

    Le concept de moteur pistons double effet est driv de celuiappliqu la machine vapeur (J. Watts, 1784) et il vise obtenirdeux impulsions par tour.

    Le piston double effet du moteur Lenoir (1860) permet dedcrire un cycle qui se ralise alternativement sur chacune de sesfaces (figure 25). Lorsque dun ct du piston le volume balay aug-mente, de lautre ct il diminue. Sur une course du piston, soit undemi-tour du moteur, ladmission du mlange et sa combustion sedroulent du ct o le volume augmente tandis quau mme ins-tant, de lautre ct du piston, le volume diminue et les gaz prc-demment brls sont vacus.

    Les premiers moteurs quatre temps double effet ont tconstruits par langlais Griffin, en 1887, et lingnieur franaisLetombe, vers 1888. Ce concept de pistons double effet a treconduit dans les premires dcennies du XXe sicle sur desmoteurs deux temps simple range de cylindres et trs rarementdisposs en V. Lattelage mobile tait constitu dun piston crosse(figure 26) qui conduisait une sparation de lattelage moteur etdu cylindre. Cette configuration permettait de minimiser leffet pen-dulaire de la bielle et de rduire simultanment la consommationdhuile de graissage.

    Cette technologie a t applique aux moteurs lents de grandepuissance en propulsion marine, aux moteurs gaz de haut-four-neau et des applications plus rcentes poste fixe.

  • ________________________________________________________________________________________________________ MOTEURS NON CONVENTIONNELS

    Figure 25 Cycle du moteur Lenoir sans compression pralable un tour

    PMB point mort basPMH point mort haut

    A : admissionB : chappement

    A : dtenteB : chappement

    A : chappementB : admission

    A : chappementB : dtente

    PMB PMHCourse

    B

    BB

    A

    B

    B

    A

    AA

    A

    Moment d aux gaz seulsMoment rsultant

    090

    180 270 360 430 540 610 720

    Allumage dansle compartiment

    arrire

    Allumage dansle compartiment

    avant

    0 90 180 360 430 540 610 720270

    Allumage Momentrsultantpropre

    moment moteur dun monocylindre double effetb

    moment moteur dun monocylindre simple effeta

    Angle ()

    Angle ()Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique BM 2 593 - 13

    La figure 27 reflte lvolution compare des couples moteursinstantans en fonction de langle de manivelle de deux moteursmonocylindres, lun simple effet, lautre double effet.

    2.6.2 Moteur Vogt

    A. Witz [106] mentionne, dans son trait des moteurs gaz [106],un curieux moteur deux temps double effet dans lequel une lamedeau est interpose dans le cylindre moteur entre le mlange ractifet le piston. Le capsulisme est rempli partiellement deau lorsque lepiston est au point mort bas et le mlange comprim occupelespace suprieur. Lorsque ltincelle jaillit, cette nappe deaurefoule le piston qui produit le temps moteur auquel succde letemps chappement.

    Le moteur Vogt, dont lalsage est de 80 mm et la course de150 mm, dveloppe une puissance proche de 1 470 W un rgime

    de 100 tr/min. On na toutefois aucune prcision sur le dispositifdallumage qui doit fonctionner au milieu dune masse deau dontlinertie doit par ailleurs solliciter vivement lquipage mobile.

    dfaut dinformation sur lintrt de cette curieuse masse deau,on peut formuler la suggestion suivante. Linventeur tentait peut-tre de se rapprocher dun cycle de Carnot selon lequel la chargegazeuse introduite dans le cylindre est dabord comprime suivantune isotherme. Cela ncessite linjection dun liquide non combusti-ble et volatil que lon mlange la charge pendant la premirepriode de la compression. Lvaporation du liquide absorbe ainsi lachaleur engendre par la compression et maintient la tempratureconstante. Pendant la fin de course de compression, la chargegazeuse est comprime ensuite selon une adiabatique.

    2.6.3 Moteur pistons tags

    La socit britannique Bernard Hooper Engineering dveloppe, audbut des annes 1990, un moteur pistons tags destin initiale-ment la propulsion routire automobile, puis rorient vers lesunits de production de faible puissance poste fixe. Le pistontag est constitu dun tage suprieur en contact direct avec lesgaz de combustion, tandis que ltage infrieur remplit la fonctiondune pompe de balayage dun moteur conventionnel deux temps(figure 28). Le mlange air-carburant est introduit dans lespaceannulaire infrieur et il est transfr ensuite vers la chambre decombustion lors du mouvement ascendant du piston. La section deltage suprieur est de lordre de 2/3 de celle de ltage infrieur.

    Les avantages annoncs par le concepteur concernent une rduc-tion significative de lordre de 1/3 de lencombrement et de la massedu moteur de mme que des missions modres de vibrations.

    Une version quatre cylindres disposs en V produit une puis-sance de 54 kW 5 500 tr/min pour une cylindre de 994 cm3.

    Le ministre britannique de la dfense a habilit le constructeurpour raliser une unit de production dnergie destine dlivrerune puissance massique de 2 kW/kg un rgime de 5 250 tr/min.

    Figure 26 Moteur crosse, simple et double effet

    Crosse

    Bielle

    Piston simple effet Piston double effet

    Figure 27 volution compare des couples moteurs instantans en fonction de langle de manivelle

  • MOTEURS NON CONVENTIONNELS ________________________________________________________________________________________________________

    2.6.4 Moteur capsulisme torique

    Le Professeur Bras (Insa de Toulouse) imagine, en 1983, une cin-

    Figure 28 Moteur pistons tags (Poulton, 1994)

    Chambre decombustion

    Piston moteur

    Piston debalayage

    chappement

    Admission

    Canal de transfert Bougie

    Figure 29 Moteur capsulisme torique (Bras 1983)

    volume froidvolume chaudpiston

    1A1B

    2

    bras de pistonchambrerefroidisseur

    345

    rgnrateurrchauffeuraxe de piston

    678

    1A

    2

    34 1B

    7 6

    85

    6

    Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.BM 2 593 - 14 Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique

    matique originale pour un moteur gaz chaud double effet dont lecapsulisme est de forme torique [60]. Le piston mouvement recti-ligne alternatif est remplac par un piston assujetti tourner autourdun axe et sa trajectoire a la forme dun arc de tore qui impose unprofil identique au cylindre qui le contient (figure 29).

    Le moteur double effet capsulisme comporte quatre chambres(4) dans chacune desquelles un piston (2) est li laxe de piston (8)par lintermdiaire dun bras (3), lui-mme plac sur des liaisonsrotodes. Chacun des pistons ralise, avec sa chambre, dune part,un capsulisme de dtente (volume chaud 1B) et son rchauffeur (7),et, dautre part, un capsulisme de compression (volume froid 1A) etson refroidisseur (5). Le capsulisme chaud dune chambre est reliau capsulisme froid de la chambre adjacente et le rgnrateur (6)est positionn entre le rchauffeur et le refroidisseur. Les principesthermodynamiques sont identiques ceux dun moteur doubleeffet conventionnel.

    Ladoption de la technologie capsulisme torique permet dviterle contact entre le piston et la chambre chaude, car le guidage se faitsur laxe. Les frottements entre les pistons et les chambres sont ga-lement rduits, car le piston nengendre pas defforts radiaux sur lachambre sous rserve que les acclrations centrifuges nengen-drent pas de dformations au niveau du piston et du bras de piston.Ce concept permet enfin dobtenir une tanchit sur un arbreoscillant. Linconvnient principal concerne la fabrication onreusedes pistons et des chambres qui ncessite un outillage labor.

    2.7 Moteur dissymtrique

    Lors de sa conception, lquilibrage dun moteur alternatif nces-site une tude mcanique pralable de lattelage mobile afindvaluer lvolution instantane des efforts et des moments quisexercent au cours dun cycle en fonction de la charge et du rgime.Le groupement, le nombre de cylindres et la forme du vilebrequindu moteur constituent, bien videmment, des facteurs prpond-rants de ltude de lquilibrage et des vibrations de la machine.

    Laxe du piston est usuellement confondu avec celui du cylindre etplac dans le mme plan que laxe du vilebrequin. Lanalyse dyna-mique lmentaire dune configuration donne montre en particu-lier que la pression latrale du piston contre la paroi du cylindredonne naissance un couple de basculement du piston autour deson axe, qui se traduit par une source potentielle de bruit et dusure. Figure 30 Moteur dissymtrique

    Dans un moteur symtriqueDans un moteur dsax

    Rgime de rotation 1450 tr/min et rapport bielle manivelle gal 4

    Aspiration Compression Dtente chappement--1

    0

    1

    2

    A

    M

    O

    r

    e

    Piston

    M

    Oe

    piston dissymtriqueccylindre dsaxa

    ractions latrales totalesb

  • ________________________________________________________________________________________________________ MOTEURS NON CONVENTIONNELS

    Une possibilit thorique pour rduire cette source acoustiqueconsiste dsaxer le cylindre en dplaant son axe (OM) par rap-port celui du vilebrequin (MA), ce dplacement tant ralis dansle sens de la rotation (figure 30a). Laxe du cylindre tant dportdune valeur e, le dsaxement sexprime par le rapport e/r o r est lerayon de la manivelle. Dans ces conditions, la pousse latrale estnulle lorsque la bielle est dirige paralllement laxe du cylindre etelle se trouve rduite dans les autres cas.

    La figure 30b illustre lvolution compare des ractions latralesentre deux moteurs, lun cylindre symtrique, lautre cylindredsax [29]. On constate que le dsaxage accrot le maximum deraction au dbut de la compression et diminue le maximum audbut de la dtente. Cet effet saccentue lorsque le dsaxageaugmente ; il existe ainsi une limite suprieure qui est atteinte lors-que les deux maximums sont identiques. Les forces dinertie vo-luant comme le carr du rgime, ce majorant diminue donc aveclaugmentation de la vitesse de rotation, ce qui neutralise alorslintrt pratique du dsaxement pour les moteurs rgime rapide.

    Le piston peut lui-mme prsenter une dissymtrie et sa formeusuellement fond plat est remplace par un fond pseudo-obliquedont linclinaison modifie alors la direction de la pousse des gaz.On constate, sur la figure 30c, que si la pousse est dirige selonlaxe de la bielle, la composante latrale est neutralise.

    Lexprience montre quil est ncessaire de prvoir alors des seg-

    mation du mouvement peut tre ralise par plusieurs plateauxavec bielles spciales ou par un renvoi dangle.

    Si une symtrie convenable de lensemble de la machine est ra-lise par rapport un plan normal en son milieu, on constate quechaque paire de pistons voluant dans un mme cylindre a un cen-tre de gravit commun fixe. Dans ces conditions, la rsultante gn-rale des forces dinertie des masses coulissantes est nulle et un telmoteur na donc pas dautre dfaut dquilibrage que celui qui peutrsulter des variations du moment angulaire des masses tournantesprovoqu par les fluctuations du couple moteur.

    Figure 31 Moteur plateaux Sterling quatre cylindresToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique BM 2 593 - 15

    ments spcifiques cette configuration dissymtrique.

    Si le dsaxage des cylindres par rapport au vilebrequin nest, notre connaissance, plus pratiqu, on note quun dsaxage de laxedu piston par rapport laxe du cylindre permet de rduire le bruitde point mort haut ; il peut atteindre une valeur proche de 1 mm surcertains moteurs actuels franais dautomobile pour un alsage delordre de 80 mm.

    2.8 Moteur sans vilebrequin

    De nombreux inventeurs ont imagin des cinmatiques de substi-tution au vilebrequin conventionnellement utilis dans le moteuralternatif afin de rduire son encombrement et la source de vibra-tion de torsion associe la cinmatique usuelle bielle-manivelle. Ilexiste, en effet, dautres mcanismes, le plus souvent complexes etdun niveau de fiabilit perfectible, qui sont susceptibles de transfor-mer un mouvement alternatif en mouvement circulaire.

    2.8.1 Moteur arbre parallle

    Le moteur sans vilebrequin Sterling est construit au dbut du si-cle sous la forme dun moteur quatre cylindres horizontaux. Ilcomporte deux pistons par cylindre dont lun fonctionne suivant lecycle deux temps. Au lieu dun vilebrequin classique, il possde unarbre dispos paralllement aux axes des deux cylindres ; cet arbreporte deux plateaux oscillants sur chacun desquels quatre pistonssont articuls au moyen de portes glissantes (figure 31). La cylin-dre de ce moteur vocation marine est de 6 litres ; le taux decompression est de 14 ; sa masse est de 1 300 kg et il dveloppe unepuissance de 103 kW 1 800 tr/min.

    2.8.2 Moteur barillet

    2.8.2.1 Concept

    Lobjectif du moteur barillet dnomm encore moteur axial vise obtenir un groupement original trs compact des cylindres, quisont disposs selon une parallle laxe longitudinal du moteur. Lespistons qui peuvent tre opposs ou non sont relis par une biellerigide articule un plateau tournant mont obliquement sur sonaxe. Des roulements billes diminuent le frottement et la transfor-

    2.8.2.2 Domaine dapplication

    La figure 32 reflte le principe dun tel moteur. Ce concept semblemerger, ds 1875, sur une machine vapeur. Deux minents moto-ristes de lpoque ralisent des moteurs bass sur ce concept entre1910 et 1912. Gnme construit deux moteurs barillet respective-ment de neuf et quatorze cylindres tandis que Salmson produit unmoteur neuf cylindres avec admission boisseau tournant. Lemoteur combustion interne Macomber qui comporte cinq cylin-dres propulse un vhicule automobile aux tats-Unis en 1912 et plu-sieurs tentatives sont effectues jusquaux annes 1930.

    Le Major C.G. Nevatt, Prsident de lInstitution des Ingnieurs delAutomobile de lpoque, prend le relais au sein de la compagnie destramways et wagons Bristol et G. White prsente un concept demoteur sept cylindres quip dun arbre de puissance en formede Z. Le moteur axial Bristol dveloppe une puissance de 110 kW 3 000 tr/min et une consommation rduite de 15 % est annonce, parrapport un moteur conventionnel de mme cylindre qui fournit,dans les mmes conditions, une puissance limite 85 kW environ.

    Des travaux de recherches sont conduits, dans les annes 1980,par les constructeurs franais en vue de rhabiliter le concept demoteur barillet. Une exprimentation avance est ralise parlingnieur concepteur M. Brille sur un dmonstrateur sept cylin-dres de deux litres de cylindre au Laboratoire de Mcanique Physi-que de lUniversit Paris 6. Le mouvement du barillet seffectue avecun niveau rduit de frottement au moyen de roulements. Cettetude dtaille ne dbouche nanmoins pas sur une applicationindustrielle.

    La figure 33 illustre enfin le concept de transmission de puissancepar plateau oscillant dun moteur quatre temps et quatre cylindressur lequel travaille actuellement une quipe duniversitaires italiens.

    2.8.2.3 Perspectives

    Le moteur axial, trs bien quilibr, prsente un encombrementrduit, mais la transformation originale du mouvement est, enrevanche, la source de vibrations et de bruit et son niveau de fiabilitse rvle perfectible.

    Lalimentation des cylindres souffre elle aussi dun manque dho-mognit inhrente la disposition gomtrique des cylindres. Onobserve que le moteur barillet, dont le concept demeure sduisant,fait toujours lobjet de recherches ponctuelles conduites actuelle-ment par une quipe de chercheurs sovitiques en vue de concevoirun moteur original pistons taux de compression variable.

  • MOTEURS NON CONVENTIONNELS ________________________________________________________________________________________________________

    Plateau oscillant

    Vilebrequin en Z

    Montage bielle rotules

    came tambourb

    cames et excentriquesaToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.BM 2 593 - 16 Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique

    2.8.3 Moteur cames

    Les systmes cames ou excentriques peuvent tre contactmono- ou bilatral et laxe de rotation est perpendiculaire laxede translation (figure 34a), tandis que, dans le dispositif came tambour, les axes de rotation et de translation sont parallles(figure 34b) [61]. Des tentatives de substitution de cames au vile-brequin traditionnel sont effectues sur les moteurs Siva et Canda,en application aronautique au dbut du sicle. Ce concept, qui

    permet de raliser deux courses par tour, se heurte de nombreuxobstacles technologiques lors de sa ralisation, mais dautres ten-tatives ultrieures ont vraisemblablement donn lieu des applica-tions isoles au cours de cette mme priode.

    2.8.3.1 Moteur Dyna Cam

    Le moteur amricain Dyna Cam est destin la propulsion aro-nautique lgre et il fait lobjet dune cinmatique originale de trans-mission du mouvement [7]. Il comporte six pistons double tteoppose qui transmettent leur mouvement sur une came quatrelobes de forme sinusodale. Les poussoirs de came sont des galetsde grande taille placs lintrieur des pistons et la came coulissedans les pistons lorsque le moteur fonctionne.

    Ce moteur refroidissement liquide, dune masse de lordre de136 kg, a travers cinq gnrations de modifications en lespacedune dizaine dannes afin de le fiabiliser ; la conception de ses pis-tons a volu simultanment prs dune dizaine de fois.

    Les avantages de cette ralisation vocation aronautiqueconcernent principalement la compacit de la machine dont le nom-bre de pices est divis par deux par rapport un moteur conven-tionnel. Les niveaux vibratoires et sonores sont simultanmentrduits et cela constitue un avantage marqu pour lenvironnement proximit des arodromes. Ce moteur certifi par lAmerican fede-ral association of aeronautics produit une puissance de 147 kW 1 800 tr/min et un couple de 47,5 N m 1 200 tr/min.

    2.8.3.2 Concept Waissi

    Lingnieur amricain Gary R. Waissi [103] suggre un dessin demoteur o les deux pistons sont eux aussi placs en opposition etsolidaires lun de lautre (figure 35).

    Le mouvement alternatif des pistons est transmis larbre moteurpar un disque tournant log au sein des pistons et port par despaliers.

    Ce concept vise rduire, l encore, le nombre de pices en mou-vement et une analyse dtaille des efforts et moments dinertiemontre que ce moteur bnficie dune qualit naturelle dquili-brage.

    Figure 32 Principe de transmission du mouvementdun moteur barillet

    Figure 33 Concept de transmission par galets et plateau mobile (Laforgia [57])

    Galets

    Piston

    Plateau mobile

    Figure 34 Transformation du mouvement par cames

  • ________________________________________________________________________________________________________ MOTEURS NON CONVENTIONNELS

    Figure 35 Transmission de puissance par disque (Waissi [103])

    Figure 36 Concept Ficht avec mcanisme coulisse

    TransmissionPiston Arbre depuissanceToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique BM 2 593 - 17

    2.8.3.3 Moteur Ficht

    Le moteur Ficht destin fonctionner en groupe lectrogne defaible puissance (quelques dizaines de kilowatts) comporte unmcanisme coulisse mouvement linaire qui vise supprimer labielle usuelle des moteurs conventionnels [96]. La transformationdu mouvement est obtenue laide dun guide de coulisse rectangu-laire plac entre les tiges de pistons et un coulisseau en prise sur levilebrequin (figure 36).

    Deux mcanismes coulisses disposs en croix 90, en liaisonsur un coude manivelle, peuvent constituer une unit de quatrecylindres en toile (figure 37).

    Un dmonstrateur dune masse de lordre de 50 kg est actuelle-ment en cours de dveloppement et fonctionne selon un cycle deux temps injection directe.

    2.8.3.4 Concept Sutter

    G. Sutter propose, dans les annes 1990, un projet de transmis-sion de leffort de pression du piston par un systme de cames soli-daires de larbre de sortie [97]. Le piston pousse un galet sur troiscames identiques, deux extrieures et une intrieure dont le sens derotation est oppos aux deux autres (figure 38). Ces trois camesdont les axes de rotation sont concentriques sont relies entre ellespar deux trains plantaires dont les couronnes sont fixes par rapportau carter du moteur. Les porte-satellites sont eux-mmes lis auxcames extrieures et les plantaires sont fixs la came intrieure.La puissance mcanique est recueillie sur lun des deux arbres cames.

    Ce concept tendu un moteur cames qui comporte six cylin-dres prsente des similitudes avec les moteurs en toile antrieure-ment dvelopps en aronautique.

    Un dmonstrateur a tourn sur banc dessais des rgimes derotation de larbre de puissance de 300 2 000 tr/min.

    2.8.4 Moteur Newbold

    V. Newbold imagine une cinmatique de transformation du mou-vement non usuelle ; son dmonstrateur de type Diesel, dveloppen 1979, comporte trois cylindres dcals de 120 au sein desquelsle mouvement alternatif des pistons est transform par un disquerotatif chancr.

    Figure 37 Concept Ficht 4 cylindres

    Figure 38 Moteur cames (Sutter [97])

    Principe du moteur monocylindrique

    Piston

    Galets

    Train plantaire

    Train plantaire

    Cames extrieures

    Came intrieure

    Moteur six cylindres

  • MOTEURS NON CONVENTIONNELS ________________________________________________________________________________________________________

    Les tests raliss sur cinq versions successives conduisent leconcepteur raliser un prototype dont la masse rduite du moteurnu est dune douzaine de kilogrammes pour une puissance de37 kW.

    Une application la production locale dlectricit est envisageet ce concept pourrait tre intgr la panoplie des motorisationshybrides imagines pour une ventuelle propulsion combine ther-mique-lectrique.

    2.8.5 Moteur Split Cycle

    Ce projet de moteur Split cycle est labor au milieu des annes1990 par une quipe de chercheurs australiens selon un conceptinhabituel de nombreux points de vue. Le mcanisme de transfor-mation du mouvement ne comporte plus ni bielle, ni vilebrequin ; lapousse des gaz, qui sexerce sur la tte des pistons, est en prisedirecte sur un engrenage mcanique tourillonnant sur une couronneinterne (figure 39). Le rapport de la course sur lalsage est, parailleurs, rduit une valeur actuelle de lordre de 1/8 qui pnalise apriori le travail de dtente unitaire produit par les forces de pressiondu gaz sur le piston. Ce handicap semble tre contournable en mul-tipliant le nombre de temps moteur (nombre dexplosions), et enaugmentant sensiblement la longueur du bras de levier de larbre

    Couronne

    Piston

    Transmissionpar engrenagesToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.BM 2 593 - 18 Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique

    rcepteur.

    Ainsi, le prototype actuel comporte une toile de 24 cylindres et lalongueur du bras de levier est multiplie par un facteur voisin de 6par rapport celui dun moteur conventionnel. Le cycle est deuxtemps et le dispositif dalimentation injection directe comporte uncircuit dinjection dair comprim sous basse pression, dune part, etun circuit dinjection dessence, dautre part. Un dmonstrateurmonocylindre tourne actuellement sur banc dessais lInstitut fran-ais de mcanique avance dAubire, mais lon ne dispose pasdinformations complmentaires sur ses spcifications dtailles.On observe que le faible temps dvolu la combustion au sein ducapsulisme dont le rapport surface-volume est inhabituel ne contri-bue vraisemblablement pas faciliter le processus de conversiondnergie. Le dispositif de transformation du mouvement par engre-nages et liaisons mcaniques ponctuelles peut galement tre unesource de pertes mcaniques et dusure.

    2.9 Moteur engrenages

    Le concept de vilebrequin de type hypocyclode vise minimiserle moment angulaire de la bielle classique et il peut tre coupl despistons double effet (figures 40, 41, 42). Lun des premiersmoteurs commercialiss selon ce concept semble avoir vu le jourdans un atelier de tannerie.

    Lingnieur Andreau ralise, en 1921, un moteur quatre cylin-dres en ligne, qui comporte une course de dtente suprieure lacourse de compression. Les essais au banc montrent que laconsommation proche de 245 g kW1 h1 est rduite, mais le sys-tme de transmission du mouvement par engrenage savre dunecomplexit rdhibitoire.

    Les moteurs Filtz engrenages et Varcin crmaillres(figure 41), destins laronautique, sont eux aussi dune techno-logie complexe et se rvlent dune grande fragilit par suite deschocs marqus sur les dentures.

    Lembiellage rhombodal est galement utilis sur certainsmoteurs air chaud et il constitue une seconde gnration demoteurs Stirling. La figure 43 illustre le principe dun moteur mono-cylindre simple effet qui comporte deux vilebrequins coupls pardeux engrenages disposs symtriquement par rapport laxe ducylindre. Cette architecture complexe confre une bonne qualitdquilibrage ce moteur.

    Figure 39 Concept de moteur Spilt cycle

    Figure 40 Moteur engrenages

    Figure 41 Moteur crmaillre Varcin

    Transmission de puissance

    Bielle

    Vilebrequin

    Piston

    PistonCrmaillre

  • ________________________________________________________________________________________________________ MOTEURS NON CONVENTIONNELS

    2.11 Moteur six temps

    Figure 42 Moteur Ligez

    Transmission de puissance

    Piston

    changeurde chaleur

    Piston chaud

    Figure 44 Transmission hypocyclode multiple

    Transmission hypocyclode

    Arbre cames

    additionnel

    Arbre camesToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique BM 2 593 - 19

    E.R. Wittley [105] exprimente enfin, en 1990, un dmonstrateurde 288 cm3 quip dun vilebrequin engrenage et dun piston double effet (figure 44).

    2.10 Moteur boule chaude

    Le moteur boule chaude appel parfois semi-Diesel se situeentre le moteur allumage command et le moteur allumage parcompression. Il apparat vers 1890 en Grande-Bretagne. Le combus-tible est introduit dans la chambre de combustion pendant lacompression et une surface haute temprature en forme de boulecreuse contribue lever la temprature du mlange comprim au-dessus de sa temprature dauto-inflammation. Le jet de combusti-ble est projet sous forme dun brouillard pais sur la paroiincandescente ; au contact de ces parois chaudes, le combustibledoit se vaporiser et se mlanger avec lair. Lallumage est ainsi pro-voqu par llvation de temprature due conjointement lacompression et la boule chaude.

    Le cycle du moteur est deux temps avec balayage par le carteret, plus rarement, quatre temps, mais le fonctionnement aux fai-bles charges se rvle dlicat matriser par suite des difficultsdallumage.

    Le moteur boule chaude est utilis de prfrence en propulsionmarine, lorsque la vitesse et la charge du moteur peuvent demeurersensiblement constantes, mais il donne aussi lieu des utilisationsen propulsion automobile et en traction ferroviaire. Il cde ensuite lepas aux moteurs Diesel proprement dits.

    Bien que le fonctionnement six temps nait pas eu de lendemain,ce point dhistoire mrite dtre mentionn. Le concept de cycle sixtemps, imagin par lingnieur Griffin en 1883, introduit deux tempssupplmentaires qui sont consacrs laspiration de lair et sonexpulsion ainsi qu celle des gaz brls rsiduels rests dans lecylindre.

    Le balayage des gaz de mme que le refroidissement des cylin-dres sont ainsi nettement amliors, mais la puissance du moteurest en revanche pnalise. Le rendement est lui-mme dgrad parsuite de laugmentation des pertes mcaniques dans ce cycle qui nefournit quune course motrice tous les trois tours. Griffin ralisealors une version double effet du moteur six temps qui constitueprobablement lun des premiers moteurs compression doubleeffet. Aim Witz observe dans son trait des moteurs [106] que cemoteur possde une remarquable rgularit cyclique qui lui permetde remporter une mdaille dor au concours ouvert en 1888 par lasocit des Arts de Londres.

    3. Moteur rotatif combustion interne

    3.1 Moteur tournant

    Le moteur Millet est probablement le premier moteur tournantconu ds 1887 et il comporte cinq cylindres disposs en toile enrotation autour du vilebrequin fixe. Il est muni dune distribution partiroir tournant, aliment lessence et allumage par bougies. Ilquipe le tricycle de Millet dont un exemplaire est dpos au Musedes arts et mtiers du CNAM.

    Dans le domaine aronautique, les moteurs dnomms rotatifsconstituent une classe clbre de moteurs davions, construits, enparticulier, avant la premire guerre mondiale. Les frres Sguinralisent, ds 1907, un moteur original qui se caractrise par la rota-tion de lensemble carter cylindres et de son hlice autour duvilebrequin fixe (figure 45). Ce concept amliore de manire signifi-cative le refroidissement dlicat des moteurs par suite de la faiblevitesse de vol des avions de lpoque. De plus, leffet associ devolant contribue mieux quilibrer les masses en mouvement.

    Figure 43 Moteur embiellage rhombodal

    Embiellage rhombodal

    Piston froid

  • MOTEURS NON CONVENTIONNELS ________________________________________________________________________________________________________

    Figure 45 Essai au banc du moteur tournantToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.BM 2 593 - 20 Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique

    Ladmission du combustible est obtenue de manire originale parla rotation des cylindres qui produit un effet centrifuge et permetlaspiration des gaz en provenance du carburateur et les refoule versles cylindres au travers du piston qui comporte en son centre unesoupape automatique (figure 46).

    Le moteur rotatif 7 cylindres Omga de 50 ch est ralis plu-sieurs milliers dexemplaires entre 1911 et 1916, tandis que lasocit Gnme et Rhne produit pour sa part la majorit desmoteurs rotatifs qui quipent les avions franais du dbut de la pre-mire guerre mondiale.

    Le moteur birotatif Burlat [12] dont le principe repose sur le tho-rme de cinmatique de La Hire prsente la particularit davoir unvilebrequin lui-mme tournant dans le mme sens et vitesse dou-ble de celle des cylindres (figure 47).

    Le moteur birotatif Mawen possde quant lui des cylindres dis-poss en toile et refroidis par air qui tournent vitesse rduite ensens inverse de celui de la rotation du vilebrequin et lintrieurdune couronne fixe (figure 48). Les cylindres communiquent avecla face intrieure de cette couronne par une courte tubulure muniede segments que la force centrifuge et des ressorts appliquent demanire assurer ltanchit. Ce concept a t expriment laube de la Seconde Guerre mondiale sur un moteur cinq cylin-dres dune puissance de lordre de 160 kW.

    La construction de ces moteurs rotatifs daviation dcline inluc-tablement dans la mesure o ils sont limits en puissance massiquepar les efforts dinertie centrifuge et les effets gyroscopiques quirsultent de la rotation du moteur.

    3.2 Moteur piston rotatif

    3.2.1 Introduction

    De nombreuses ides de moteurs pistons rotatifs ont t propo-ses depuis le dbut du sicle en vue damliorer la compacit desmoteurs et de supprimer les effets dinertie alternative gnrs parla cinmatique usuelle bielle-manivelle. Trois ingnieurs, Cooley,Sensaud de Lavaud et Maillard semblent avoir ouvert la voie lacinmatique du moteur Wankel, mais leurs travaux ont d tre inter-rompus ds les premiers stades de la conception de leur moteur

    Figure 46 Coupes longitudinale et transversale dun moteur tournant sept cylindres

    Figure 47 Schma du moteur birotatif Burlat

    Piston

    Biellessecondaires

    Couvercle desroulements

    Bielle matresse

    Soupape daspirationautomatique

  • ________________________________________________________________________________________________________ MOTEURS NON CONVENTIONNELS

    Figure 48 Moteur birotatif sans soupape Mawen

    Patin

    Bougie

    Culasse annulaire fixe

    Lumire

    Sens de rotationdes cylindres

    Sens de rotationdu vilebrequin

    a

    bCoupe a-b

    Figure 49 volution de la trajectoire dun piston rotatif

    S3

    S1

    S2

    O'

    O

    Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique BM 2 593 - 21

    tandis que Wankel a persvr jusqu la ralisation industrielle. Lepremier moteur Wankel est ralis en 1954 et le vhicule NSU RO 80 moteur birotor Wankel est commercialis en 1968. Des accordsultrieurs de licence sont conclus entre NSU et diffrentes firmesdont le constructeur franais Citron et le constructeur amricainGeneral Motors.

    3.2.2 Concept

    Flix Wankel observe quil est possible de raliser un cycle qua-tre temps au sein dun capsulisme piston rotatif lorsque lon faittourner un rotor de forme triangulaire lintrieur dun carter dontla courbe enveloppe est de type trochode (figure 49). Le triangleS1 S2 S3 tourne autour de son centre O pendant que celui-ci tourneautour du point O, centre de lenveloppe, en dcrivant une circonf-rence de rayon :

    OO = e, valeur de lexcentration.

    Cette excentration qui permet aux cts du triangle de sloigneret de se rapprocher de la courbe enveloppe dfinit ainsi des cham-bres volume variable et il en rsulte un couple autour du centre Olorsque laction du piston fournit une force applique en O.

    Dans ce mouvement, lorsque le centre O du triangle tourne dunangle a autour du point O (figure 50), le triangle a lui-mme tourndun angle b autour du point O avec la condition fixe :

    a = 3b.

    Les points O et O tant les centres respectifs de larbre moteur etde son excentrique, il faut donc trois rvolutions de larbre moteurpour que le piston en fasse une autour de son centre O. Lasservis-sement du mouvement angulaire de rotation sans glissement durotor celui du mouvement de lexcentrique est obtenu par deuxengrenages dont les primitifs sont deux circonfrences de centres Oet O afin de rpondre la condition a = 3b.

    3.2.3 Fonctionnement

    Le stator de forme trochodale et refroidi par eau comporte uncanal dadmission et un canal dchappement tandis que les bou-gies dallumage sont disposes loppos de ces deux orifices. Lecapsulisme piston rotatif comporte trois chambres gomtrie

    variable au sein desquelles les phases successives du cycle quatretemps sont ralises en un seul tour. Les schmas, illustrs par lafigure 51, permettent de suivre lvolution du cycle engendr parune telle cinmatique et ce sont les artes du rotor qui masquent etdmasquent les orifices dadmission et dchappement pratiqusdans le carter trochode enveloppe.

    Comme dans un moteur alternatif, des corrections sont apportesaux temps douverture et de fermeture des admissions et chappe-ments, de mme que sur le point dallumage. On agit pour cela surles dimensions et la position des lumires dentre et de sortie degaz, la correction dallumage demeurant fonction du nombre detours de larbre moteur et de la dpression dans la tubuluredadmission.

    Ltanchit au gaz constitue un point sensible de lapplicationdans la mesure o les lignes de contact des sommets du rotor avecle stator sont trs rduites et sont soumises de surcrot aux discon-tinuits engendres par les lumires dadmission et dchappe-ment. Dans le cas du moteur Comotor Wankel commercialis parCitron, les gaz de chaque chambre sont tanchs par deux seg-ments darte, lun chaque sommet du triangle et deux segmentsde flanc sur chaque face latrale (figure 52). chaque extrmit dusegment darte, un segment dangle glisse sur la face dun carterlatral. La jonction dlicate entre les segments dangle et les seg-ments de flanc est ralise par des barillets sur lesquels les extrmi-ts des segments de flanc sont ajustes. Ltanchit est obtenuepar leffet conjugu de la force centrifuge et un ensemble de res-sorts qui maintiennent une pression permanente de ces diffrentespices avec le stator.

    Figure 50 Engrenages dasservissement du mouvement de rotation du rotor

    O'

    OS

  • MOTEURS NON CONVENTIONNELS ________________________________________________________________________________________________________

    10

    62

    13

    15

    9

    73 4

    I II

    A

    B

    C

    A

    B C

    A C

    A

    C

    Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.BM 2 593 - 22 Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique

    3.2.4 Particularit

    Lvaluation de la cylindre compare dun tel capsulisme celledun moteur alternatif mrite un commentaire particulier. Sur lafigure 53, on a reprsent les volumes maximal V et minimal n de lachambre de combustion qui conduisent dfinir le rapport volum-trique r selon la relation :

    (1)

    et, par analogie avec un moteur alternatif, la cylindre C dunechambre sexprime selon :

    C = V n (2)

    Le cycle quatre temps dun moteur alternatif seffectue en deuxtours de vilebrequin et la cylindre totale est le produit de la cylin-dre unitaire par le nombre de cylindres. Pour un moteur monorotorWankel, il faut, au contraire, trois tours darbre moteur pour que lestrois chambres aient effectu un cycle complet. Pour deux tours decet arbre, deux chambres seulement ont t actives et la cylindre

    Figure 51 volutions successives du cycle dun moteur piston rotatif

    Figure 52 Segments dtanchit

    Admission

    1-2-3-4

    Compression

    5-6

    Explosion dtente

    7-8-9

    chappement

    10-11-12-13

    1112

    8

    III IV

    BB

    Chambre

    Segmentde flanc

    Segment jointdtanchit

    circulaireentre rotor

    et carter latral

    Barillet

    Segment darteet segment dangle

    Ressort

    Segment darte

    Segment dangle

    Ressorts

    Barillet

    Segment de flancRessorts

    r Vn -----=

  • ________________________________________________________________________________________________________ MOTEURS NON CONVENTIONNELS

    V

    vv

    vv

    Figure 54 Dmonstrateur piston rotatif quatre lobes et cinq alvolesToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique BM 2 593 - 23

    totale comparative du monorotor Wankel est donc gale deux foisle volume dune chambre.

    Pour un tour du rotor sur lui-mme, il y a trois cycles complets quise traduisent par un temps moteur par tour dans le cas dun mono-rotor, deux dans le cas dun birotor. En formulant lhypothse selonlaquelle chaque temps du cycle occupe de lordre dun quart ducycle total, soit 90 de rotation du rotor, larbre moteur tournant troisfois plus vite que ce rotor, chaque temps se dveloppe sur une enve-loppe de rotation de 270 de larbre au lieu de 180 dans un moteurclassique. Le recouvrement des temps moteurs qui en rsulte se tra-duit par une rgularit accrue de couple et une aptitude de sou-plesse qui peut autoriser comparer un birotor un moteuralternatif six cylindres, quatre temps.

    3.2.5 Perspectives dapplication

    Les recherches qui ont t engages au cours de la mme priodesur un moteur piston rotatif quatre lobes voluant dans unechambre cinq alvoles nont nanmoins pas donn lieu uneralisation industrielle (figure 54), de mme que les investigationsralises par le constructeur Isuzu sur un dmonstrateur troisalvoles.

    Une tentative de dislisation a t conduite par le motoriste RollsRoyce en vue dune application militaire et a donn lieu la ralisa-tion dun prototype double piston rotatif (figure 55). Pour atteindrele taux de compression ncessaire lauto-inflammation dumlange ractif, le moteur comporte deux tages constitus respec-tivement dun piston de compression et dun piston de travailmoteur accoupls tous deux par un systme dengrenages et tour-nant dans le mme sens la mme vitesse. Ce prototype na pasdonn lieu une industrialisation et lon observe que ltanchitradiale qui constitue un point sensible de lapplication en version

    allumage command devient un obstacle majeur pour atteindre etmaintenir un objectif suffisant de fiabilit en version Diesel.

    Une quipe de chercheurs amricains travaille actuellement surun concept de moteur dnomm Rand Cam Engine en collaborationavec des industriels britanniques et amricains. Il semble que leprincipe de cette machine prsente des similitudes avec le moteurWankel et un dmonstrateur dont le taux de compression est de 17dvelopperait actuellement une puissance de 44 kW.

    Lexprience de ces dernires dcennies montre enfin que lemoteur pistons rotatifs na pas connu ce jour le succs commer-cial initialement escompt. On observe toutefois que son industria-lisation sest produite dans un contexte conomique et industriel decrise ptrolire trs dfavorable lmergence dun concept nova-teur bien des points de vue. Un dlai est dans ces conditions indis-pensable pour fiabiliser la technologie avance dun tel concept etmatriser simultanment loutil de production. On souligne quunevictoire aux Vingt-Quatre Heures du Mans a t remporte plus

    Figure 53 Dfinition des volumes de la chambre de combustion

    Figure 55 Concept de moteur Diesel piston rotatif

    Rotor HP

    Bougie

    Entre du canalde transfert

    Admission chappement

    Rotor BP

    Refoulement du canalde transfert

  • MOTEURS NON CONVENTIONNELS _______________________________________________________________________________________