Moteurs non conventionnels

Moteurs non conventionnels

par Georges DESCOMBESMaître de conférences au Conservatoire National des Arts et MétiersChercheur au CNAM etau Laboratoire de Mécanique Physique de l’Université Pierre-et-Marie-Curie Paris 6

et Jean-Louis MAGNETAttaché à la direction technique SEMT PIELSTICKProfesseur associé au Conservatoire National des Arts et Métiers (CNAM)

1. Généralités.................................................................................................. BM 2 593 - 21.1 Définition....................................................................................................... — 21.2 Schéma de classification ............................................................................. — 2

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

ne brève analyse rétrospective de l’histoire des moteurs à pistons montreque 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 del’an 2000.

Le moteur à combustion interne constitue depuis l’époque de la révolutionindustrielle un domaine privilégié de réflexion de la part de nombreux inven-

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

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

4. Moteur alternatif à combustion externe............................................ — 244.1 Aperçu historique ......................................................................................... — 244.2 Concept du moteur à gaz chaud ................................................................. — 254.3 Thermodynamique appliquée ..................................................................... — 254.4 Mécanisme fonctionnel................................................................................ — 284.5 Marché applicatif .......................................................................................... — 304.6 Tendances pressenties ................................................................................. — 34

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

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

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

UU

MOTEURS NON CONVENTIONNELS ________________________________________________________________________________________________________

teurs passionnés et l’expérience montre que cette effervescence ne se démentpas au cours du temps. Ainsi, des idées originales de substitution à la cinémati-que usuelle de transformation du mouvement par bielle-manivelle sont-ellesrégulièrement proposées. Certains concepts, imaginés dès les années 1900,émergent de nouveau en cette fin de siècle et la meilleure maîtrise des technolo-gies peut constituer une aide à la réactivation de certains d’entre eux. Onconstate néanmoins qu’ils conduisent le plus souvent à des réalisations de tech-nologie complexe dont le niveau de fiabilité se révèle contrasté.

Le moteur à pistons rotatifs Wankel constitue en revanche un exemple célèbrede réalisation innovante qui a atteint le stade de développement industriel bienqu’il n’ait pas connu le succès commercial escompté.

On observe également que le concept ancien de moteur à gaz chaud àcombustion externe qui ne donne actuellement lieu qu’à des applications mar-ginales mériterait vraisemblablement une attention plus soutenue sur le marchéalternatif des machines thermiques hybrides.

La solide expérience engrangée depuis plus d’un siècle par le moteur conven-tionnel constitue néanmoins un handicap majeur pour toute machine thermiquenovatrice, concurrente ou non. Les investissements lourds qui sont attachés à laproduction de masse d’un moteur imposent en effet à tout concept novateur defaire la preuve de sa supériorité intrinsèque en terme de performances énergéti-ques, mécaniques et économiques pour être susceptible d’ébranler la supréma-

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tie du moteur conventionnel à pistons.

1. Généralités

1.1 Définition

Un moteur volumétrique à combustion interne transformel’énergie libérée par la combustion en énergie mécanique sur sonarbre récepteur. De manière usuelle, le comburant est prélevé àl’atmosphère ambiante, subit une succession de transformations ausein du capsulisme, puis est expulsé de nouveau à l’ambiance.L’introduction appropriée d’un carburant liquide ou gazeux au seinde l’air comburant se traduit par la combustion du mélange réactifair-combustible selon le cycle thermodynamique mixte à volume età pression constante au sein même du capsulisme. La transforma-tion du mouvement rectiligne alternatif du piston en mouvementcirculaire du vilebrequin est réalisée par l’intermédiaire de la ciné-matique usuelle bielle-manivelle.

Un moteur conventionnel à pistons est ainsi un moteur aérobie,alternatif et à combustion interne au sein duquel la combustion d’unmélange réactif air combustible, liquide ou gazeux, se traduit par laproduction d’une énergie mécanique récupérée sur le vilebrequin.C’est le cas représentatif du moteur thermique à pistons utilisé dansles deux domaines applicatifs de prédilection des moteurs de pro-pulsion d’une part et des moteurs stationnaires d’autre part(tableau 1). Les moteurs qui ne répondent pas aux critères de sélec-tion précités sont alors explicitement identifiés sous l’appellationmoteurs non conventionnels et ils font l’objet de cet article.

1.2 Schéma de classification

Conformément à l’article introductif aux moteurs thermiques [36]Introduction aux moteurs alternatifs, le schéma de classification est

ordonnancé selon le mode de conversion d’énergie qui conduit àaborder successivement, d’une part, les moteurs à combustioninterne et, d’autre part, à combustion externe, en distinguant, au seinde ces deux classes, les moteurs alternatifs et les moteurs rotatifs.

Une sélection complémentaire hiérarchise au sein de chacune deces classes les moteurs à pistons en fonction de leurs particularitéscinématiques et énergétiques. Ces deux critères peuvent influencerde manière isolée ou simultanée les dispositions constructives dumoteur thermique.

Seuls, les moteurs non conventionnels ayant fait l’objet d’aumoins une application industrielle sont pris en compte, car cetexposé ne vise pas à répertorier la collection complète des conceptsqui ont été proposés au cours d’un siècle d’histoire des moteurs àpistons. Dans la mesure du possible, un plan est déroulé en quatreétapes. Un bref aperçu historique précède la présentation duconcept selon les domaines présumés de l’application. Un descriptifidentifie ensuite leurs particularités et l’on conclut par un commen-taire sur sa pérennité éventuelle ou sur les applications dérivées quipeuvent en résulter. La présentation de l’exposé est élaborée demanière à progresser, autant que possible, des applications les plusproches du marché actuel vers les conceptions les plus marginalesau sein de chaque classe.

Une analyse bibliographique montre que le moteur conventionnelà pistons a constitué de tous temps un domaine privilégié de

Tableau 1 – Panorama du marché applicatifdes moteurs alternatifs

Moteurs de propulsion Moteurs stationnaires

Propulsion routière Matériels d’entretien

Propulsion ferroviaire Groupes électrogènes

Propulsion marine Centrales électriques

Propulsion aérienne Groupes de servitude

________________________________________________________________________________________________________ MOTEURS NON CONVENTIONNELS

réflexion de la part de nombreux inventeurs passionnés, dont cer-tains pensent que le moteur alternatif à combustion interne sous saforme conventionnelle n’est pas la solution optimisée à la produc-tion d’énergie mécanique sur un arbre moteur. De nombreuxconcepts de substitution sont ainsi proposés depuis l’époque de larévolution industrielle ; l’expérience confirme que cette efferves-cence ne se dément pas à l’aube de l’an 2000. Deux axes de réflexionconcernent de manière récurrente la remise en cause de la cinéma-tique usuelle de transmission du mouvement par bielle-manivelled’une part et, dans une moindre mesure, celle du processus d’évo-lution thermodynamique au sein du capsulisme. On observe que, siles projets de cycles thermodynamiques loufoques doivent êtreréfutés sans ambiguïté, un certain nombre de propositions origina-les sur la cinématique de transformation du mouvement n’est passans intérêt potentiel.

On remarque d’ailleurs que certains concepts proposés dès lesannées 1900 émergent de nouveau en cette fin de siècle et lameilleure maîtrise des technologies peut constituer une aide à laréactivation de certains d’entre eux. L’expérience montre toutefoisque ces concepts, parfois originaux, conduisent fréquemment à réa-liser des dispositifs de technologie complexe à mettre en œuvre etdont le niveau de fiabilité se révèle contrasté. On insiste donc auprèsdes inventeurs potentiels, souvent solitaires, sur la nécessité deprendre le conseil préalable de motoristes expérimentés avant de selancer dans de coûteuses investigations. Il convient également de

2. Moteur alternatif à combustion interne

2.1 Groupement des cylindres

La disposition et le nombre de cylindres d’un moteur alternatifsont fonction du domaine d’application et des contraintes technolo-giques et économiques qui en résultent (figure 1). La puissance dumoteur est fonction de sa cylindrée qui est définie par l’alésage, lacourse et le nombre de cylindres associés. Pour un moteur donné,l’accroissement des performances est lié à l’augmentation du cou-ple et de la vitesse de rotation, mais les lois de similitude montrentqu’il existe un majorant en terme de masse et de régime maximaladmissibles [63].

Il convient de limiter, d’une part, les contraintes mécaniques quirésultent de l’augmentation des masses et, d’autre part, lescontraintes thermiques qui sont fonction du rapport surface-volume. On montre en effet que la diminution du rapport surface-volume du capsulisme entraîne une difficulté croissante à refroidirconvenablement le cylindre. Il existe simultanément un temps mini-mal au-dessous duquel la combustion du mélange réactif ne peut


s’assurer que des travaux antérieurs n’ont pas déjà été réalisés. plus être réalisée de manière 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 même puissance

quatre vilebrequins

trois arbres de sortiede différentes puissances


Une grande variété de dispositions géométriques caractérise legroupement des cylindres d’un moteur à pistons et elle évoluedepuis le monocylindre jusqu’aux multicylindres étagés. On souli-gne que F. Forest qui est l’un des précurseurs des moteurs fait bre-veter, en 1891, une machine à quatre cylindres verticaux aveccompression et détente variable qui contribue vraisemblablementde manière décisive au développement des moteurs polycylin-driques.

Les différentes configurations géométriques des moteurs à pis-tons visent à maximiser le nombre de temps moteurs par tour et lapuissance du moteur en optimisant simultanément l’équilibrage etla régularité cyclique d’une part, en minimisant autant que possiblel’encombrement du moteur d’autre part. Le lecteur se reportera àl’article [B 2 770] Équilibrage des machines alternatives pour l’étudecinématique et dynamique des moteurs.

2.1.1 Classification

Le groupement multicylindrique des moteurs est réalisé en lignesimple ou multiple dont la disposition peut être verticale, horizon-tale et, plus rarement, inversée. Les lignes de cylindres peuvent êtreplacées en V, en rangée opposée en I et, à une époque plusancienne, en W, H, U, X et Y ou encore en étoile.

22 500 mm

8 500 mm

14 000 mm

Moteur Diesel 2 tempsà double effet


Ces diverses configurations ont une répercussion sur l’architec-ture de l’attelage mobile et des arbres de transmission de puissance(figure 1). Les groupes moteurs sont identifiés par un préfixe enchiffre romain évoluant de I à IV qui indique le nombre de vilebre-quins montés sur le même bâti. Les chiffres arabes identifient lenombre de cylindres tandis que la disposition des cylindres en ligneou en V est repérée par les lettres L ou V.

La figure 2 illustre un exemple d’application à un cargo où l’oncompare, à puissance identique, l’encombrement d’un moteurDiesel deux temps à double effet à celui d’un moteur Diesel polycy-lindrique.

2.1.2 Panorama rétrospectif

Un aperçu succinct illustre certains des groupements de cylindresqui ont été utilisés au cours de l’histoire des moteurs. Les figures 3à 11 rassemblent quelques-uns des concepts commentés [8].

■ Moteur en étoile

La disposition compactée des cylindres en étoile simple(figure 3a) ou multiple (figure 3b) a été très utilisée dans le domainede l’aéronautique au début du siècle, afin de régulariser le couplemoteur pour s’affranchir de la présence d’un volant d’inertie etréduire la masse embarquée du moteur.

Le calcul montre d’ailleurs que la régularité cyclique du moteurimpose un nombre impair de cylindres dans le cas usuel d’un cycleà quatre temps en deux tours.

■ Moteur en V inversé

Le moteur Deschamps destiné à l’aviation américaine comportaitdouze cylindres placés en V inversé (figure 4) et fonctionnait selonun cycle à deux temps. Il était muni d’une distribution à fourreaux,son taux de compression était de 16 et ce moteur fournissait unepuissance de l’ordre de 880 kW à 1 600 tr/min pour une cylindrée de49 litres. Il était suralimenté par deux compresseurs centrifugespour chacune des deux rangées de cylindres et un absorbeur devibrations de torsion était placé à une extrémité du vilebrequin.

■ Moteur multivilebrequin

● Le moteur d’aviation Breton comportait trois vilebrequins envue de réduire la vitesse de rotation tout en conservant de grandes

Exemple : la désignation I9L40/46 identifie un moteur à neuf cylin-dres en ligne de 400 mm d’alésage et 460 mm de course.

Figure 2 – Encombrement comparé, à puissance identique, de deux moteurs de propulsion marine (SEMT)

Figure 3 – Moteur à pistons :concept géométrique des moteurs en étoile

Figure 4 – Moteur à pistons :concept géométrique des moteurs inversés en V et en W

Moteur Diesel 4 temps

moteur en étoile doublebmoteur en étoile simplea


vitesses de pistons et un grand nombre de temps moteurs parminute. Il s’agissait d’un douze cylindres refroidi par air et chaquegroupe de deux cylindres opposés était implanté sur un carter danslequel tournait un arbre vilebrequin. Ce moteur présentait la particu-larité complémentaire de fournir une puissance variable de 15 à45 kW grâce au déplacement latéral des cames sur l’arbre qui per-mettait de fermer la soupape d’admission et d’ouvrir celle d’échap-pement correspondante. La figure 5a donne un exemple de moteurà trois vilebrequins.

● L’ingénieur Cauzan a proposé, en 1927, un projet de moteur à4 vilebrequins (figure 5b), groupant 4 cylindres disposés en V demanière originale en vue de réduire l’encombrement des culasses[43].

● Enfin, pour le groupement d’un très grand nombre de cylindres,des dispositions à plusieurs vilebrequins parallèles ont été propo-sées en associant quatre moteurs en V comportant jusqu’à 48 cylin-dres.

■ Moteur en W

L’association de trois rangées de cylindres ne s’est guère appli-quée qu’aux 12 et 18 cylindres disposés en W à 60o (figure 4).

Le moteur d’aviation Lorraine en W comportait trois rangées de4 cylindres et développait une puissance de l’ordre de 330 kW audécollage. Il a été classé premier du concours de grande endurance,


en 1924, avec un total cumulé de 410 heures de fonctionnement etsa production a dépassé 8 000 exemplaires dans les années 1920 à1930.

■ Moteur en I

Le concept de moteur à cylindres disposés en I (figure 6) feral’objet d’un développement ultérieur, mais on note d’ores et déjàqu’il pouvait comporter un ou plusieurs vilebrequins, ainsi que desbielles déportées sur leurs manetons. Il se caractérisait par uneexcellente qualité d’équilibrage.

■ Moteur en X et Y

La disposition de quatre rangées de cylindres a été réalisée avecles moteurs en X dans lesquels quatre bielles étaient articulées surchaque manchon de vilebrequin et permettaient de grouper avec unmaximum de légèreté et un minimum d’encombrement 24 cylindressur un vilebrequin identique à celui d’un moteur 6 cylindres en ligne.Un point sensible d’une telle réalisation concernait bien entendu lenécessaire amortissement des vibrations de torsion.

F. Forest a dessiné un moteur à 24 cylindres disposés en X de368 kW (figure 7) destiné à la propulsion d’un sous-marin, de mêmequ’un moteur 18 cylindres placés en Y.

L’ingénieur Michell a réalisé également en 1920 un moteur à deuxtemps à pistons opposés avec 3 cylindres disposés en Y.

Figure 5 – Moteur à pistons multivilebrequin

Figure 6 – Moteur à pistons : concept géométrique du moteur en I

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

moteur à trois vilebrequins et pistons en oppositiona

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


■ Moteur en H

Une seconde configuration a donné lieu aux moteurs en H forméspar la juxtaposition de deux moteurs en I tournant en sens inverse(figure 8). Ils étaient dotés d’une bonne qualité d’équilibrage. Cettedisposition permettait de grouper sous une forme compactée, maisplus lourde que la précédente, seize ou vingt-quatre cylindres touten conservant des conditions satisfaisantes d’équilibrage.

■ Moteur en U

La disposition en U verticale (figure 9) comportait deux vilebre-quins synchronisés et a été utilisée en propulsion automobile demême que sur certains types de moteur Stirling.

La disposition en U inversé, retenue en aéronautique, permettaitpour sa part de placer les cylindres côte à côte et de les réunir parune chambre de combustion commune. Les orifices d’admissionétaient situés à l’extrémité inférieure d’un cylindre tandis que les ori-fices d’échappement étaient placés en bas de l’autre cylindre. Cettedisposition en U qui comportait un canal original de communicationdes orifices de balayage et d’échappement favorisait le balayagedes gaz.

■ Moteur à pistons différentiels

On souligne la réalisation originale de moteurs duplex et quadru-

Figure 8 – Moteur à pistons : concept géométrique du moteur en H


plex à disposition horizontale et verticale. Leur objectif visait àconserver les avantages du moteur à quatre temps tout en dimi-nuant son encombrement et sa consommation. Le capsulismecomportait des cylindres de diamètre étagé et un piston différentiel.Le petit et le grand piston correspondaient à des cylindrées égales etchacun d’eux constituait avec son cylindre un moteur séparé. Lecylindre annulaire était complété de chambres de combustion dési-gnées chambres-blocs et dessinées afin de minimiser le rapport sur-face volume du capsulisme.

Le moteur Colmant employait deux pistons dont l’un était moteurtandis que l’autre avait pour fonction de comprimer le mélange(figure 10). Lors de sa phase descendante, le piston P comprimaitdans la chambre C” le mélange aspiré dans cette même chambrependant sa course ascendante précédente. L’expulsion des gaz brû-lés et le remplissage se produisaient lorsque le piston P découvraitles lumières d’admission et d’échappement placées dans la paroi ducylindre. Une version dérivée de ce concept développait 29,6 kW à1 470 tr/min.

Le moteur bicylindrique Sautter Harlé destiné à l’automobile et àl’aviation comportait lui aussi un piston auxiliaire de transfert et ilétait muni de plus d’un piston concentrique à deux diamètres sedéplaçant dans un cylindre à double alésage (figure 11). Ce pistonpouvait découvrir successivement les orifices A et E d’admission etd’échappement. L’orifice A d’admission permettait la mise encommunication du cylindre avec un collecteur commun aux deuxcylindres, l’orifice E d’échappement étant destiné à la phased’échappement.

La figure 12 illustre le concept du moteur Boudreaux Verdet.

■ Moteurs Lycoming et Mathis Véga

● Le moteur aéronautique Lycoming constitué de quatre rangéesde neuf cylindres développait une puissance de l’ordre de 5 150 kWpour une cylindrée totale de 127 litres.

● Le moteur Mathis Véga, réalisé pour sa part en 1938, apparte-nait à la classe des moteurs d’avion de puissance supérieure à1 470 kW. Il comportait une étoile massive de quarante-deux cylin-dres répartis 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 été, toutefois, rapidement sup-plantée par les moteurs à réaction, dont la capacité de débit estsans commune mesure avec celle par définition plus restreinte desmoteurs à pistons, pour propulser des avions rapides exigeant defortes puissances.

Figure 9 – Moteur à pistons : concept géométrique du moteur en U

Figure 10 – Concept géométrique du moteur Colmant à piston de balayage additionnel

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Bielle

Cylindre

Piston moteur

Piston secondaire

Échappement

Chambre

Canal

Préchambre

TigeAdmission


matériels d’entretien qui requièrent des gammes de puissancesmodérées et une contrainte de production de masse à un coût mini-mal.

L’une des dispositions les plus lourdes actuellement commerciali-sées est la configuration polycylindrique à douze cylindres dispo-sés en ligne simple qui développe une puissance supérieure à60 000 kW en application moteur de propulsion pour les porte-containeurs. L’alésage est de 960 mm, la course est de 2,50 m pourun régime de rotation de 100 tr/min.

■ Propulsion routière

● La disposition non exclusive en ligne simple à quatre ou sixcylindres est usuelle dans le domaine de la propulsion routièreautomobile et de transport industriel ; elle répond bien aux impéra-tifs de production en grande série. L’adoption plus marginale d’ungroupement de deux, trois ou cinq cylindres n’est pas elle non plusdénuée d’intérêt dans le contexte environnemental actuel.

● Les moteurs militaires destinés à la propulsion des matériels decombat doivent être quant à eux simultanément puissants, légers etcompacts [107]. Le groupe motopropulseur de type Diesel est leplus souvent constitué de six à douze cylindres disposés en V.L’Engin blindé de reconnaissance (EBR) est, pour sa part, propulsépar un moteur à allumage commandé Panhard 12H6000S à douzecylindres horizontaux disposés à plat en deux groupes de six, direc-tement opposés et refroidis par air canalisé. Ce moteur développe

Figure 11 – Concept géométrique du moteur Sautter Harlé à piston étagé

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Arbresecondaire

Déflecteur

Échappement

Piston concentrique

Admission

Mélangegazeux

Chambre decompression

Pistonauxiliaire


2.1.3 Tendances actuelles

Les configurations multicylindriques usuelles sont en ligne simpleverticale ou horizontale, en ligne double placée en V ou encore àcylindres opposés disposés à plat.

La disposition la plus simple est celle du moteur monocylindretrès utilisée pour les applications à la propulsion légère et aux petits

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

■ Traction ferroviaire

● Les locomotrices sont le plus souvent tractées par des moteursen ligne double disposée en V à douze ou seize cylindres ;

● Les automoteurs, destinés à la desserte des lignes secondaires,sont plutôt équipés, jusqu’à maintenant, de moteurs placés horizon-talement à plat afin de préserver l’espace disponible au transportdes voyageurs.

■ Propulsion marine

● Les transports de fret sont, souvent, équipés de moteurs à deuxtemps dont les cylindres sont placés en ligne avec un vilebrequin enattaque directe sur l’hélice de propulsion, dans la mesure où lescontraintes d’encombrement en hauteur sont somme toute modé-rées.

● Les car-ferries, qui doivent couvrir de faibles distances à viveallure, fonctionnent en revanche avec des moteurs semi-rapides àdouble rangée de cylindres placés en V. L’encombrement en hauteurde ces transporteurs doit en effet être réduit de manière à ce que lepont d’embarquement ne présente pas de discontinuité depuisl’entrée jusqu’à la sortie des véhicules qui s’effectue sur une mêmeligne horizontale. Le régime de rotation est de l’ordre de 500 tr/minet le vilebrequin comporte un réducteur sur l’arbre de sortie del’hélice.

Le moteur Vasa 64 développé par le constructeur finlandaisWartsilä, six cylindres en ligne, quatre temps, tourne actuellementsur banc d’essais et produit une puissance de 2 MW par cylindre ; lapression de combustion est de 190 bar, le régime de rotation de333 tr/min, la vitesse du piston étant de l’ordre de 10 m/s.

■ Propulsion aéronautique

Les moteurs destinés à l’aviation légère sont disposés de préfé-rence horizontalement à plat, afin de dégager la visibilité du pilote ;on se réfère, en particulier, aux travaux du Professeur Gironnet [34]qui conçoit et réalise un moteur original de type GMK240 Dieselsuralimenté à deux rangées horizontales de 3 cylindres qui présenteun maître couple-minimal.

■ Production d’électricité

La production d’électricité dans les territoires aux réseaux noninterconnectés d’Outre-mer et les pays en voie de développementest, pour sa part, le plus souvent réalisée par des moteurs à doublerangée de 12 à 18 cylindres placés en V. Le régime de rotation est

Figure 12 – Moteur Boudreaux Verdet à piston différentiel


imposé par la fréquence du réseau (50 à 60 Hz) et le nombre depôles de l’alternateur ; il se situe entre 400 et 580 tr/min pour les cen-trales électriques de base d’une puissance maximale de 200 MW,pour des niveaux moindres de puissance, de l’ordre de 20 à 40 MW,le régime de rotation plus élevé du moteur (1 000 à 1 500 tr/min) per-met de minimiser l’encombrement de l’alternateur.

2.2 Moteur sans soupapes

2.2.1 Généralités

La mise en communication du cylindre avec les orifices d’admis-sion et d’échappement peut être assurée au moyen de lumièresaménagées dans la paroi du cylindre (figure 13). Ces orifices sontmasqués et démasqués par le piston au cours de son mouvement.Ce dispositif permet de réduire le nombre de pièces en mouvementet d’obtenir un moteur très compact, mais l’étanchéité au gaz cons-titue un point délicat à résoudre dans la mesure où les segmentssont soumis à une discontinuité de la surface de contact générée parla présence des lumières.

Un procédé ancien de distribution à lumière contrôlée par une oudeux chemises mobiles a été appliqué dans les domaines de l’auto-

Figure 13 – Cinématique de distribution sans soupapes : échappement et balayage par lumière

Solution JunkersSolution Doxford


mobile par Panhard et Levassor (figure 14) et Peugeot, dont lesmoteurs sans soupapes ont équipé un haut de gamme de véhiculestrès luxueux. Ce dispositif a également été appliqué dans ledomaine de l’aviation par Napier et Bristol. Toutefois, la complexitéde la cinématique associée à un système bielle-manivelle, dans lecas des chemises coulissantes, ou à un excentrique, dans le casd’une chemise louvoyante, n’a pas contribué à pérenniser ce type dedistribution.

Les figures 13, 14 reflètent quelques applications de l’époque,mais on observe que le concept plus fonctionnel de distribution parlumière statique est, bien entendu, d’actualité sur de nombreuxmoteurs à deux temps de véhicules à deux roues, ainsi que sur lemarché plus marginal des moteurs à pistons rotatifs. De même, destravaux avancés de recherches sont régulièrement poursuivis sur lemoteur à deux temps dans le domaine automobile.

2.2.2 Moteur 2 temps à carburation stratifiée

La distribution d’un moteur deux temps de petite cylindrée estusuellement réalisée par des lumières qui sont alternativementdégagées et obturées par le piston au cours de son mouvement.Dans le cas d’un moteur à mélange préalable homogène, une frac-tion importante de la charge fraîche des gaz d’admission s’échappedirectement par la lumière d’échappement encore ouverte pendantla phase de balayage et est donc à l’origine d’une surconsommationen carburant et d’une pollution par les hydrocarbures (figure 15).

Pierre Rochelle, chercheur au LMP (Laboratoire de Mécanique etPhysique) de l’Université de Paris 6 [84], imagine une solution origi-nale destinée à réduire les pertes en gaz frais à l’échappement. Ceconcept breveté vise à retarder l’introduction du mélange air-carburant dans le cylindre au moyen d’un réservoir tampon et d’uncanal de transfert rallongé à lumière haute (figure 15), en balayantpréalablement les gaz brûlés par de l’air frais.

Au temps combustion, les lumières sont fermées et la pressionqui s’élève brusquement dans le capsulisme chasse le piston versle bas. Pendant cette course de détente, la pression dans le carteraugmente et le remplissage en air du volume tampon est réalisé(figure 15a). Les lumières sont ensuite découvertes par le haut dupiston et l’échappement commence.

Par effet de contre-balayage, une partie des gaz brûlés occupesensiblement le demi-canal de transfert ; cela retarde l’alimentationdu système et diminue ainsi la fuite des gaz frais (figure 15b). L’ori-fice est découvert à son tour et l’air comprimé dans le carter pénètre

dans le cylindre par l’intermédiaire des canaux de transfert latéraux.On obtient donc un refoulement des gaz brûlés et une admissionretardée des gaz frais depuis le canal vers le cylindre (figure 15c).Les gaz frais parviennent ainsi plus tardivement à l’échappementque l’air frais. Lors de la phase ascendante du second temps, lepiston ferme les lumières, le canal et comprime alors les gaz(figure 15d).

Les résultats d’essais sur un moteur modifié de 50 cm3 montrentqu’une réduction significative de l’ordre de 50 à 60 % des émissionsd’hydrocarbures est obtenue avec une diminution simultanée de30 % de la consommation en carburant. Une légère baisse de coupleobservée dans les hauts régimes est imputable à la diminution delivraison d’air consécutive au circuit plus complexe et moins per-méable des gaz ainsi qu’à l’hétérogénéité du mélange globalementpauvre.

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

Biellette decommande

intérieure

Eau de refroidissement

Admission Échappement

Bougie

Culasse

Piston

Cylindre

Chemiseexterne

Chemiseinterne

Bielle

Maneton

Vilebrequin

Arbre dedédoublement

Biellette decommandeextérieure


��

��

Échappement

Admission

Cylindre

Piston

InjectionLumières

Clapet

Réservoir tampon

Canal detransfert

ba

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Figure 16 – Moteur IAPAC (Monnier et al. 1991)

Injecteur

Volume tampon

Admissiond’air

Échappement

Bougie


2.2.3 Moteur IAPAC

On mentionne brièvement les travaux de recherches égalementconduits par l’Institut français du pétrole sur un moteur deux tempsdénommé IAPAC (Compressed Air Assisted Fuel Injection Process)[28], qui relèvent du même concept dans une version plus élaboréeque la précédente avec un niveau technologique également pluscomplexe (figure 16).

2.3 Moteur à pistons opposés

Atkinson prend date, en 1881, pour un moteur à deux pistonsopposés dans un même cylindre et F. Forest propose, dès 1886, unconcept de moteur monocylindre, dans lequel le vilebrequincommunique des mouvements sensiblement identiques au signeprès à un système de deux pistons évoluant en sens contraire ausein d’un même cylindre (figure 17). Il faut pour cela dimensionnerle rayon de manivelle de manière telle que les efforts d’inertie pri-maire du piston équilibrent précisément les efforts d’inertie primairedu piston opposé.

L’intérêt d’une telle cinématique réside dans sa capacité à réduirel’encombrement vertical du moteur en lui conférant simultanémentune qualité naturelle d’équilibrage. Le calcul montre que dans le casd’un vilebrequin unique, les termes d’inertie de rangs pairs desdeux pistons se soustraient et peuvent même avoir une sommenulle si l’embiellage est symétrique. En revanche, il subsiste un cou-ple d’inertie non équilibré.

2.3.1 Domaine d’application

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

Le concept de moteur à pistons opposés est appliqué parF. Dyckhoff et A. Bochet, ingénieur en chef de Sautter Harlé, en 1901.Il s’agit d’un moteur horizontal à pistons opposés de 210 mm d’alé-sage qui fonctionne selon un cycle à quatre temps. Il fournit unepuissance de 22 kW à 360 tr/min et propulse en première mondialela péniche Petit Pierre en 1903 en présence de Rudolf Diesel etdonne lieu ultérieurement à une application moteur Diesel de sous-marin.

Figure 15 – Principe du moteur LMP à carburation stratifiée (Rochelle 1992)

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dc

Figure 17 – Moteur à pistons opposés : concept

��


Deux célèbres familles de moteurs allemands à pistons opposésont été commercialisées, d’une part, par Von Oechelhaeuser pourdes applications sur moteurs à gaz de grande puissance et, d’autrepart, par Junkers, collaborateur de Von Oechelhaeuser, sur desmoteurs Diesel à deux temps qui comportent six cylindres et deuxvilebrequins destinés notamment à l’aéronautique.

La compagnie des moteurs Hill Diesel produit des moteurs à deuxtemps avec deux pistons opposés par cylindre (figure 18), l’un despistons contrôlant les orifices de transfert et l’autre les orificesd’échappement. Il est utilisé pour des applications marines et auto-mobiles et l’on cite l’exemple d’un monocylindre de 63 mm d’alé-sage et 89 mm de course qui produit une puissance de 7 360 W à1 200 tr/min. Son encombrement occupe le volume restreint d’uncube de l’ordre de 60 cm de côté seulement.

Le moteur Victoria comporte pour sa part deux cylindres opposésoù chaque cylindre à double alésage permet d’assurer la doublefonction de compression du mélange et de production d’énergiemécanique par un piston différentiel. Ce moteur présente la particu-larité d’être réversible par suite de la symétrie de ses organes. Onsouligne que l’un des concepts de moteurs à gaz chauds utilise éga-lement la disposition à pistons opposés en application des moteursStirling.

2.3.2 Moteurs CLM

Figure 18 – Moteur à pistons opposés : moteur Diesel deux temps

Tige de piston

Bielle

Vilebrequin

Piston


En 1927, la société anonyme des automobiles Peugeot acquiertauprès de la société allemande Junkers une licence de fabrication etde commercialisation de moteurs Diesel deux temps à pistonsopposés et crée la filiale Compagnie Lilloise de Moteurs CLM [22].Les premiers moteurs fabriqués et vendus par CLM sont des mono-et bicylindres qui développent des puissances de 7 360 et 12 880 Wpar cylindre dans une plage de régime de 1 000 à 1 200 tr/min. Ilsprésentent la particularité de ne pas avoir de joint de culasse et ontune distribution sans soupapes dont les lumières d’admission dis-posées tangentiellement aux parois favorisent la turbulence de l’airet facilitent aussi le démarrage du moteur (figure 19).

On observe que les pistons ne sont pas rigoureusement opposéset les manetons du vilebrequin sont disposés de telle sorte que lepiston d’échappement ait une avance de 15o. Ce décalage permet demaintenir l’ouverture à l’échappement avant l’ouverture à l’admis-sion et de fermer l’échappement avant l’admission, ce qui autoriseune suralimentation à une pression voisine de la pression debalayage. L’inertie de l’ensemble piston supérieur étant naturelle-ment plus élevée que celle de l’ensemble inférieur, l’équilibrage desmasses en mouvement est amélioré en réduisant alors la course dupiston supérieur par rapport à celle du piston inférieur. Lacomplexité et la masse importante des équipages mobiles à un vile-brequin conduisent le motoriste à construire des moteurs à deuxvilebrequins à l’instar du motoriste Junkers.

L’ingénieur Duclos introduit un piston et un cylindre supplémen-taires à l’ensemble piston supérieur et piston de balayage d’unmoteur deux temps à pistons opposés destiné à la production d’aircomprimé sous une pression de l’ordre de six bars. Le rendementdu groupe moteur compresseur est satisfaisant dans la mesure oùles pertes mécaniques sont à peine supérieures à celles du moteurseul, ce qui ne serait pas le cas avec un compresseur séparé etentraîné par le vilebrequin du moteur. La société CLM reprend souslicence ce concept et substitue au piston supplémentaire un pistonde balayage à double effet, la face supérieure étant dédiée aucompresseur d’air et la face inférieure au balayage (figure 20). Desprototypes à compresseur bi-étagé de meilleur rendement ont éga-lement été étudiés et réalisés.

2.3.3 Moteur Napier Deltic

Le moteur Napier Deltic constitue une remarquable application dumoteur deux temps à pistons opposés. Il comporte dix-huit cylin-dres répartis en trois rangées de six cylindres disposées sous la

forme d’un triangle équilatéral et chaque paire de pistons opposésest déphasée de 20°.

La transmission de puissance est réalisée par l’intermédiaire demécanismes à engrenages en prise sur chacun des trois vilebre-quins équipés d’arbres d’équilibrage (figure 21). L’énergie mécani-que est recueillie sur un arbre de puissance qui entraîne égalementune turbine de suralimentation.

La première génération de moteur Napier Deltic est équipée, en1950, d’une suralimentation mécanique et fournit une puissance de1 840 kW à 2 000 tr/min ; une version ultérieure à suralimentationrefroidie développe pour sa part 2 720 kW à 2 100 tr/min.

Ce moteur donne lieu à des applications diversifiées en tractionferroviaire, en propulsion de pétroliers de même que pour la pro-duction d’électricité et l’entraînement de groupes de servitude.

Figure 19 – Moteur Junkers à pistons opposés

arbrevilebrequins accouplés par train d’engrenage

pistons opposés dans le même cylindre c

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

e

e'

V

V'

m

r'

r'

p'

p

c



2.3.4 Moteur militaireLe moteur Orion destiné à propulser les véhicules blindés de

l’armée américaine est un moteur deux temps à pistons opposés quicomporte quatre vilebrequins et douze pistons opposés.

Le motoriste Rolls Royce livre pour sa part à l’armée britannique,en 1964, son premier groupe moteur polycarburant à deux temps età pistons opposés. Ce moteur est spécialement mis au point pour desapplications militaires et vise à répondre aux exigences simultanéesd’encombrement et de masse réduits, de grande puissance et capa-ble de fonctionner avec des carburants différents. Le moteur K60 àsix cylindres a une masse globale de 760 kg, développe une puis-sance de 27 kW/litre à 3 750 tr/min et fonctionne au gazole comme aukérosène. Il comporte deux vilebrequins en acier forgé à l’extrémitédesquels un amortisseur de vibrations à fluide est implanté.

2.3.5 Moteur à pistons libres

Le concept de générateur de gaz à pistons libres (figure 22) dérived’un moteur Diesel deux temps suralimenté à pistons opposés [1]. Il

en diffère, en revanche, par l’absence de bielles, vilebrequin et sou-papes et les gaz chauds qui sont produits par le générateur alimen-tent une turbine de détente qui fournit la puissance utile. Ce conceptqui a donné lieu à de célèbres réalisations au milieu du XXe siècledans les domaines de la production d’électricité et de la propulsionferroviaire et marine est développé dans l’article [BM 2 594]Moteurs à récupération d’énergie.

Figure 20 – Moteur à huile lourde CLMde 440 kW à pistons opposés (1935)

Figure 21 – Moteur à pistons opposés :cinématique de transmission de puissance

Transmissions

Compresseur

Turbine

Figure 22 – Moteur à pistons opposés libres

ABC1234

générateurréservoir de gazturbine à gazpistoncylindre moteurcylindre matelascylindre compresseur

56789

10

carterclapet d’aspirationclapet de refoulementinjecteurstabilisateursoupape de recyclage

A

B

C

1 1

3 34 4

6

9

10

8

7 5

2


Figure 23 – Moteur à pistons oscillantsFigure 24 – Piston Bicéri à géométrie variable

Huile

Enveloppeexterne

Clapetd’admission

d’huile

Corps dupiston

Chambred’huile

Clapet delimitationde pression

Chambred’huile


2.3.6 Tendances

La production des moteurs qui ont été en particulier utilisés pourla propulsion des matériels aéronautiques, ferroviaires et automobi-les a cessé pour la plupart dans les années 50. Il y a lieu de ne pasconfondre le concept de pistons opposés évoluant au sein d’unmême cylindre avec l’application toujours d’actualité du moteur àcylindres opposés et disposés le plus souvent à plat.

2.4 Moteur à pistons oscillants

Le principe de ce moteur illustré par la figure 23 est dérivé du con-cept cinématique à pistons opposés (figure 18) et il comporte deuxpistons dont le mouvement oscillant s’assimile à la trajectoire d’unetoroïde [92].

L’application développée par Tschudi comporte deux paires depistons reliés à deux arbres de puissance par l’intermédiaire degalets tournants et le moteur Richard James, développé en 1929 etrevu en 1963 au Canada, vise lui aussi à optimiser la compacité et lesperformances du moteur.

2.5 Moteur à piston à géométrie variable

Les moteurs Continental équipent de nombreux chars de combataméricains à partir des années 1930 et la version suralimentéecomporte des pistons à rapport volumétrique variable de concep-tion originale bien que d’une mise en œuvre délicate [107]. L’objectifvise à réaliser un taux de compression variable en fonctionnementafin de maîtriser les pressions maximales de combustion aux fortescharges tout en conservant une valeur suffisante du rapport volu-métrique lors des démarrages.

Le piston Bicéri présenté sur la figure 24 est réalisé en deux par-ties, l’une étant liée à l’axe tandis que l’autre est constituée d’unecoiffe qui peut se déplacer d’une position basse à une positionhaute, ce qui permet de faire varier l’espace mort par l’intermédiaired’un matelas d’huile alimenté par la bielle. La position du pistonenveloppe est définie par l’équilibre des pressions qui règnent res-

pectivement dans la chambre de combustion et dans la réserved’huile préréglée par un clapet de décharge. Ce moteur est aban-donné au profit de la turbine AGT 1 500 dans les années 70.

2.6 Moteur à pistons à double effet


Le nombre de temps exprime le nombre de courses de pistonnécessaire à l’accomplissement du cycle et l’on note à ce sujetqu’une confusion a parfois été introduite en désignant sous l’appel-lation erronée de moteur à un temps le moteur à double effet fonc-tionnant en réalité suivant le cycle à deux temps.

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

Le piston à double effet du moteur Lenoir (1860) permet dedécrire un cycle qui se réalise alternativement sur chacune de sesfaces (figure 25). Lorsque d’un côté du piston le volume balayé aug-mente, de l’autre côté il diminue. Sur une course du piston, soit undemi-tour du moteur, l’admission du mélange et sa combustion sedéroulent du côté où le volume augmente tandis qu’au même ins-tant, de l’autre côté du piston, le volume diminue et les gaz précé-demment brûlés sont évacués.

Les premiers moteurs à quatre temps à double effet ont étéconstruits par l’anglais Griffin, en 1887, et l’ingénieur françaisLetombe, vers 1888. Ce concept de pistons à double effet a étéreconduit dans les premières décennies du XXe siècle sur desmoteurs deux temps à simple rangée de cylindres et très rarementdisposés en V. L’attelage mobile était constitué d’un piston à crosse(figure 26) qui conduisait à une séparation de l’attelage moteur etdu cylindre. Cette configuration permettait de minimiser l’effet pen-dulaire de la bielle et de réduire simultanément la consommationd’huile de graissage.

Cette technologie a été appliquée aux moteurs lents de grandepuissance en propulsion marine, aux moteurs à gaz de haut-four-neau et à des applications plus récentes à poste fixe.


Figure 25 – Cycle du moteur Lenoir sans compression préalableà un tour

PMB point mort basPMH point mort haut

A : admissionB : échappement

A : détenteB : échappement

A : échappementB : admission

A : échappementB : détente

PMB PMHCourse

B

BB

A

B

B

A

AA

A

Moment dû aux gaz seulsMoment résultant

090

180 270 360 430 540 610 720

Allumage dansle compartiment

arrière

Allumage dansle compartiment

avant

0 90 180 360 430 540 610 720270

Allumage Momentrésultantpropre

moment moteur d’un monocylindre à double effetb

moment moteur d’un monocylindre à simple effeta

Angle (¡)

Angle (¡)


La figure 27 reflète l’évolution comparée des couples moteursinstantanés en fonction de l’angle de manivelle de deux moteursmonocylindres, l’un à simple effet, l’autre à double effet.

2.6.2 Moteur Vogt

A. Witz [106] mentionne, dans son traité des moteurs à gaz [106],un curieux moteur à deux temps à double effet dans lequel une lamed’eau est interposée dans le cylindre moteur entre le mélange réactifet le piston. Le capsulisme est rempli partiellement d’eau lorsque lepiston est au point mort bas et le mélange comprimé occupel’espace supérieur. Lorsque l’étincelle jaillit, cette nappe d’eaurefoule le piston qui produit le temps moteur auquel succède letemps échappement.

Le moteur Vogt, dont l’alésage est de 80 mm et la course de150 mm, développe une puissance proche de 1 470 W à un régime

de 100 tr/min. On n’a toutefois aucune précision sur le dispositifd’allumage qui doit fonctionner au milieu d’une masse d’eau dontl’inertie doit par ailleurs solliciter vivement l’équipage mobile.

À défaut d’information sur l’intérêt de cette curieuse masse d’eau,on peut formuler la suggestion suivante. L’inventeur tentait peut-être de se rapprocher d’un cycle de Carnot selon lequel la chargegazeuse introduite dans le cylindre est d’abord comprimée suivantune isotherme. Cela nécessite l’injection d’un liquide non combusti-ble et volatil que l’on mélange à la charge pendant la premièrepériode de la compression. L’évaporation du liquide absorbe ainsi lachaleur engendrée par la compression et maintient la températureconstante. Pendant la fin de course de compression, la chargegazeuse est comprimée ensuite selon une adiabatique.

2.6.3 Moteur à pistons étagés

La société britannique Bernard Hooper Engineering développe, audébut des années 1990, un moteur à pistons étagés destiné initiale-ment à la propulsion routière automobile, puis réorienté vers lesunités de production de faible puissance à poste fixe. Le pistonétagé est constitué d’un étage supérieur en contact direct avec lesgaz de combustion, tandis que l’étage inférieur remplit la fonctiond’une pompe de balayage d’un moteur conventionnel à deux temps(figure 28). Le mélange air-carburant est introduit dans l’espaceannulaire inférieur et il est transféré ensuite vers la chambre decombustion lors du mouvement ascendant du piston. La section del’étage supérieur est de l’ordre de 2/3 de celle de l’étage inférieur.

Les avantages annoncés par le concepteur concernent une réduc-tion significative de l’ordre de 1/3 de l’encombrement et de la massedu moteur de même que des émissions modérées de vibrations.

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

Le ministère britannique de la défense a habilité le constructeurpour réaliser une unité de production d’énergie destinée à délivrerune puissance massique de 2 kW/kg à un régime de 5 250 tr/min.

Figure 26 – Moteur à crosse, simple et double effet

Crosse

Bielle

Piston à simple effet Piston à double effet

Figure 27 – Évolution comparée des couples moteurs instantanés en fonction de l’angle de manivelle


2.6.4 Moteur à capsulisme torique

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

Figure 28 – Moteur à pistons étagés (Poulton, 1994)

��

��

��

��

��

��

Chambre decombustion

Piston moteur

Piston debalayage

Échappement

Admission

Canal de transfert Bougie

Figure 29 – Moteur à capsulisme torique (Bras 1983)

volume froidvolume chaudpiston

1A1B

2

bras de pistonchambrerefroidisseur

345

régénérateurréchauffeuraxe de piston

678

1A

2

34 1B

7 6

85

6


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

Le moteur à double effet à capsulisme comporte quatre chambres(4) dans chacune desquelles un piston (2) est lié à l’axe de piston (8)par l’intermédiaire d’un bras (3), lui-même placé sur des liaisonsrotoïdes. Chacun des pistons réalise, avec sa chambre, d’une part,un capsulisme de détente (volume chaud 1B) et son réchauffeur (7),et, d’autre part, un capsulisme de compression (volume froid 1A) etson refroidisseur (5). Le capsulisme chaud d’une chambre est reliéau capsulisme froid de la chambre adjacente et le régénérateur (6)est positionné entre le réchauffeur et le refroidisseur. Les principesthermodynamiques sont identiques à ceux d’un moteur à doubleeffet conventionnel.

L’adoption de la technologie à capsulisme torique permet d’éviterle contact entre le piston et la chambre chaude, car le guidage se faitsur l’axe. Les frottements entre les pistons et les chambres sont éga-lement réduits, car le piston n’engendre pas d’efforts radiaux sur lachambre sous réserve que les accélérations centrifuges n’engen-drent pas de déformations au niveau du piston et du bras de piston.Ce concept permet enfin d’obtenir une étanchéité sur un arbreoscillant. L’inconvénient principal concerne la fabrication onéreusedes pistons et des chambres qui nécessite un outillage élaboré.

2.7 Moteur dissymétrique

Lors de sa conception, l’équilibrage d’un moteur alternatif néces-site une étude mécanique préalable de l’attelage mobile afind’évaluer l’évolution instantanée des efforts et des moments quis’exercent au cours d’un cycle en fonction de la charge et du régime.Le groupement, le nombre de cylindres et la forme du vilebrequindu moteur constituent, bien évidemment, des facteurs prépondé-rants de l’étude de l’équilibrage et des vibrations de la machine.

L’axe du piston est usuellement confondu avec celui du cylindre etplacé dans le même plan que l’axe du vilebrequin. L’analyse dyna-mique élémentaire d’une configuration donnée montre en particu-lier que la pression latérale du piston contre la paroi du cylindredonne naissance à un couple de basculement du piston autour deson axe, qui se traduit par une source potentielle de bruit et d’usure. Figure 30 – Moteur dissymétrique

Dans un moteur symétriqueDans un moteur désaxé

Régime de rotation 1450 tr/min et rapport bielle manivelle égal à 4

Aspiration Compression Détente Échappement--1

0

1

2

A

M

O

r

e

Piston

M

Oe

piston dissymétriqueccylindre désaxéa

réactions latérales totalesb


■ Une possibilité théorique pour réduire cette source acoustiqueconsiste à désaxer le cylindre en déplaçant son axe (OM) par rap-port à celui du vilebrequin (MA), ce déplacement étant réalisé dansle sens de la rotation (figure 30a). L’axe du cylindre étant déportéd’une valeur e, le désaxement s’exprime par le rapport e/r où r est lerayon de la manivelle. Dans ces conditions, la poussée latérale estnulle lorsque la bielle est dirigée parallèlement à l’axe du cylindre etelle se trouve réduite dans les autres cas.

La figure 30b illustre l’évolution comparée des réactions latéralesentre deux moteurs, l’un à cylindre symétrique, l’autre à cylindredésaxé [29]. On constate que le désaxage accroît le maximum deréaction au début de la compression et diminue le maximum audébut de la détente. Cet effet s’accentue lorsque le désaxageaugmente ; il existe ainsi une limite supérieure qui est atteinte lors-que les deux maximums sont identiques. Les forces d’inertie évo-luant comme le carré du régime, ce majorant diminue donc avecl’augmentation de la vitesse de rotation, ce qui neutralise alorsl’intérêt pratique du désaxement pour les moteurs à régime rapide.

■ Le piston peut lui-même présenter une dissymétrie et sa formeusuellement à fond plat est remplacée par un fond pseudo-obliquedont l’inclinaison modifie alors la direction de la poussée des gaz.On constate, sur la figure 30c, que si la poussée est dirigée selonl’axe de la bielle, la composante latérale est neutralisée.

L’expérience montre qu’il est nécessaire de prévoir alors des seg-

mation du mouvement peut être réalisée par plusieurs plateauxavec bielles spéciales ou par un renvoi d’angle.

Si une symétrie convenable de l’ensemble de la machine est réa-lisée par rapport à un plan normal en son milieu, on constate quechaque paire de pistons évoluant dans un même cylindre a un cen-tre de gravité commun fixe. Dans ces conditions, la résultante géné-rale des forces d’inertie des masses coulissantes est nulle et un telmoteur n’a donc pas d’autre défaut d’équilibrage que celui qui peutrésulter des variations du moment angulaire des masses tournantesprovoqué par les fluctuations du couple moteur.

Figure 31 – Moteur à plateaux Sterling à quatre cylindres


ments spécifiques à cette configuration dissymétrique.

Si le désaxage des cylindres par rapport au vilebrequin n’est, ànotre connaissance, plus pratiqué, on note qu’un désaxage de l’axedu piston par rapport à l’axe du cylindre permet de réduire le bruitde point mort haut ; il peut atteindre une valeur proche de 1 mm surcertains moteurs actuels français d’automobile pour un alésage del’ordre de 80 mm.

2.8 Moteur sans vilebrequin

De nombreux inventeurs ont imaginé des cinématiques de substi-tution au vilebrequin conventionnellement utilisé dans le moteuralternatif afin de réduire son encombrement et la source de vibra-tion de torsion associée à la cinématique usuelle bielle-manivelle. Ilexiste, en effet, d’autres mécanismes, le plus souvent complexes etd’un niveau de fiabilité perfectible, qui sont susceptibles de transfor-mer un mouvement alternatif en mouvement circulaire.

2.8.1 Moteur à arbre parallèle

Le moteur sans vilebrequin Sterling est construit au début du siè-cle sous la forme d’un moteur à quatre cylindres horizontaux. Ilcomporte deux pistons par cylindre dont l’un fonctionne suivant lecycle à deux temps. Au lieu d’un vilebrequin classique, il possède unarbre disposé parallèlement aux axes des deux cylindres ; cet arbreporte deux plateaux oscillants sur chacun desquels quatre pistonssont articulés au moyen de portées glissantes (figure 31). La cylin-drée de ce moteur à vocation marine est de 6 litres ; le taux decompression est de 14 ; sa masse est de 1 300 kg et il développe unepuissance de 103 kW à 1 800 tr/min.

2.8.2 Moteur à barillet

2.8.2.1 Concept

L’objectif du moteur à barillet dénommé encore moteur axial viseà obtenir un groupement original très compacté des cylindres, quisont disposés selon une parallèle à l’axe longitudinal du moteur. Lespistons qui peuvent être opposés ou non sont reliés par une biellerigide articulée à un plateau tournant monté obliquement sur sonaxe. Des roulements à billes diminuent le frottement et la transfor-

2.8.2.2 Domaine d’application

La figure 32 reflète le principe d’un tel moteur. Ce concept sembleémerger, dès 1875, sur une machine à vapeur. Deux éminents moto-ristes de l’époque réalisent des moteurs basés sur ce concept entre1910 et 1912. Gnôme construit deux moteurs à barillet respective-ment de neuf et quatorze cylindres tandis que Salmson produit unmoteur à neuf cylindres avec admission à boisseau tournant. Lemoteur à combustion interne Macomber qui comporte cinq cylin-dres propulse un véhicule automobile aux États-Unis en 1912 et plu-sieurs tentatives sont effectuées jusqu’aux années 1930.

Le Major C.G. Nevatt, Président de l’Institution des Ingénieurs del’Automobile de l’époque, prend le relais au sein de la compagnie destramways et wagons Bristol et G. White présente un concept demoteur à sept cylindres équipé d’un arbre de puissance en formede Z. Le moteur axial Bristol développe une puissance de 110 kW à3 000 tr/min et une consommation réduite de 15 % est annoncée, parrapport à un moteur conventionnel de même cylindrée qui fournit,dans les mêmes conditions, une puissance limitée à 85 kW environ.

Des travaux de recherches sont conduits, dans les années 1980,par les constructeurs français en vue de réhabiliter le concept demoteur à barillet. Une expérimentation avancée est réalisée parl’ingénieur concepteur M. Brille sur un démonstrateur à sept cylin-dres de deux litres de cylindrée au Laboratoire de Mécanique Physi-que de l’Université Paris 6. Le mouvement du barillet s’effectue avecun niveau réduit de frottement au moyen de roulements. Cetteétude détaillée ne débouche néanmoins pas sur une applicationindustrielle.

La figure 33 illustre enfin le concept de transmission de puissancepar plateau oscillant d’un moteur à quatre temps et quatre cylindressur lequel travaille actuellement une équipe d’universitaires italiens.

2.8.2.3 Perspectives

Le moteur axial, très bien équilibré, présente un encombrementréduit, mais la transformation originale du mouvement est, enrevanche, la source de vibrations et de bruit et son niveau de fiabilitése révèle perfectible.

L’alimentation des cylindres souffre elle aussi d’un manque d’ho-mogénéité inhérente à la disposition géométrique des cylindres. Onobserve que le moteur à barillet, dont le concept demeure séduisant,fait toujours l’objet de recherches ponctuelles conduites actuelle-ment par une équipe de chercheurs soviétiques en vue de concevoirun moteur original à pistons à taux de compression variable.


Plateau oscillant

Vilebrequin en Z

Montage bielleà rotules

��

��

��

came à tambourb

cames et excentriquesa


2.8.3 Moteur à cames

Les systèmes à cames ou à excentriques peuvent être à contactmono- ou bilatéral et l’axe de rotation est perpendiculaire à l’axede translation (figure 34a), tandis que, dans le dispositif à came àtambour, les axes de rotation et de translation sont parallèles(figure 34b) [61]. Des tentatives de substitution de cames au vile-brequin traditionnel sont effectuées sur les moteurs Siva et Canda,en application aéronautique au début du siècle. Ce concept, qui

permet de réaliser deux courses par tour, se heurte à de nombreuxobstacles technologiques lors de sa réalisation, mais d’autres ten-tatives ultérieures ont vraisemblablement donné lieu à des applica-tions isolées au cours de cette même période.

2.8.3.1 Moteur Dyna Cam

Le moteur américain Dyna Cam est destiné à la propulsion aéro-nautique légère et il fait l’objet d’une cinématique originale de trans-mission du mouvement [7]. Il comporte six pistons à double têteopposée qui transmettent leur mouvement sur une came à quatrelobes de forme sinusoïdale. Les poussoirs de came sont des galetsde grande taille placés à l’intérieur des pistons et la came coulissedans les pistons lorsque le moteur fonctionne.

Ce moteur à refroidissement liquide, d’une masse de l’ordre de136 kg, a traversé cinq générations de modifications en l’espaced’une dizaine d’années afin de le fiabiliser ; la conception de ses pis-tons a évolué simultanément près d’une dizaine de fois.

Les avantages de cette réalisation à vocation aéronautiqueconcernent principalement la compacité de la machine dont le nom-bre de pièces est divisé par deux par rapport à un moteur conven-tionnel. Les niveaux vibratoires et sonores sont simultanémentréduits et cela constitue un avantage marqué pour l’environnementà proximité des aérodromes. Ce moteur certifié par l’American fede-ral association of aeronautics produit une puissance de 147 kW à1 800 tr/min et un couple de 47,5 N · m à 1 200 tr/min.

2.8.3.2 Concept Waissi

L’ingénieur américain Gary R. Waissi [103] suggère un dessin demoteur où les deux pistons sont eux aussi placés en opposition etsolidaires l’un de l’autre (figure 35).

Le mouvement alternatif des pistons est transmis à l’arbre moteurpar un disque tournant logé au sein des pistons et porté par despaliers.

Ce concept vise à réduire, là encore, le nombre de pièces en mou-vement et une analyse détaillée des efforts et moments d’inertiemontre que ce moteur bénéficie d’une qualité naturelle d’équili-brage.

Figure 32 – Principe de transmission du mouvementd’un moteur à barillet

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

Galets

Piston

Plateau mobile

Figure 34 – Transformation du mouvement par cames


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

Figure 36 – Concept Ficht avec mécanisme à coulisse

TransmissionPiston Arbre depuissance


2.8.3.3 Moteur Ficht

Le moteur Ficht destiné à fonctionner en groupe électrogène defaible puissance (quelques dizaines de kilowatts) comporte unmécanisme à coulisse à mouvement linéaire qui vise à supprimer labielle usuelle des moteurs conventionnels [96]. La transformationdu mouvement est obtenue à l’aide d’un guide de coulisse rectangu-laire placé entre les tiges de pistons et un coulisseau en prise sur levilebrequin (figure 36).

Deux mécanismes à coulisses disposés en croix à 90°, en liaisonsur un coude manivelle, peuvent constituer une unité de quatrecylindres en étoile (figure 37).

Un démonstrateur d’une masse de l’ordre de 50 kg est actuelle-ment en cours de développement et fonctionne selon un cycle àdeux temps à injection directe.

2.8.3.4 Concept Sutter

G. Sutter propose, dans les années 1990, un projet de transmis-sion de l’effort de pression du piston par un système de cames soli-daires de l’arbre de sortie [97]. Le piston pousse un galet sur troiscames identiques, deux extérieures et une intérieure dont le sens derotation est opposé aux deux autres (figure 38). Ces trois camesdont les axes de rotation sont concentriques sont reliées entre ellespar deux trains planétaires dont les couronnes sont fixes par rapportau carter du moteur. Les porte-satellites sont eux-mêmes liés auxcames extérieures et les planétaires sont fixés à la came intérieure.La puissance mécanique est recueillie sur l’un des deux arbres àcames.

Ce concept étendu à un moteur à cames qui comporte six cylin-dres présente des similitudes avec les moteurs en étoile antérieure-ment développés en aéronautique.

Un démonstrateur a tourné sur banc d’essais à des régimes derotation de l’arbre de puissance de 300 à 2 000 tr/min.

2.8.4 Moteur Newbold

V. Newbold imagine une cinématique de transformation du mou-vement non usuelle ; son démonstrateur de type Diesel, développéen 1979, comporte trois cylindres décalés de 120° au sein desquelsle mouvement alternatif des pistons est transformé par un disquerotatif échancré.

Figure 37 – Concept Ficht à 4 cylindres

Figure 38 – Moteur à cames (Sutter [97])

Principe du moteur monocylindrique

Piston

Galets

Train planétaire

Train planétaire

Cames extérieures

Came intérieure

Moteur à six cylindres


Les tests réalisés sur cinq versions successives conduisent leconcepteur à réaliser un prototype dont la masse réduite du moteurnu est d’une douzaine de kilogrammes pour une puissance de37 kW.

Une application à la production locale d’électricité est envisagéeet ce concept pourrait être intégré à la panoplie des motorisationshybrides imaginées pour une éventuelle propulsion combinée ther-mique-électrique.

2.8.5 Moteur Split Cycle

Ce projet de moteur Split cycle est élaboré au milieu des années1990 par une équipe de chercheurs australiens selon un conceptinhabituel à de nombreux points de vue. Le mécanisme de transfor-mation du mouvement ne comporte plus ni bielle, ni vilebrequin ; lapoussée des gaz, qui s’exerce sur la tête des pistons, est en prisedirecte sur un engrenage mécanique tourillonnant sur une couronneinterne (figure 39). Le rapport de la course sur l’alésage est, parailleurs, réduit à une valeur actuelle de l’ordre de 1/8 qui pénalise apriori le travail de détente unitaire produit par les forces de pressiondu gaz sur le piston. Ce handicap semble être contournable en mul-tipliant le nombre de temps moteur (nombre d’explosions), et enaugmentant sensiblement la longueur du bras de levier de l’arbre

Couronne

Piston

Transmissionpar engrenages


récepteur.

Ainsi, le prototype actuel comporte une étoile de 24 cylindres et lalongueur du bras de levier est multipliée par un facteur voisin de 6par rapport à celui d’un moteur conventionnel. Le cycle est à deuxtemps et le dispositif d’alimentation à injection directe comporte uncircuit d’injection d’air comprimé sous basse pression, d’une part, etun circuit d’injection d’essence, d’autre part. Un démonstrateurmonocylindre tourne actuellement sur banc d’essais à l’Institut fran-çais de mécanique avancée d’Aubière, mais l’on ne dispose pasd’informations complémentaires sur ses spécifications détaillées.On observe que le faible temps dévolu à la combustion au sein ducapsulisme dont le rapport surface-volume est inhabituel ne contri-bue vraisemblablement pas à faciliter le processus de conversiond’énergie. Le dispositif de transformation du mouvement par engre-nages et liaisons mécaniques ponctuelles peut également être unesource de pertes mécaniques et d’usure.

2.9 Moteur à engrenages

Le concept de vilebrequin de type hypocycloïde vise à minimiserle moment angulaire de la bielle classique et il peut être couplé à despistons à double effet (figures 40, 41, 42). L’un des premiersmoteurs commercialisés selon ce concept semble avoir vu le jourdans un atelier de tannerie.

L’ingénieur Andreau réalise, en 1921, un moteur à quatre cylin-dres en ligne, qui comporte une course de détente supérieure à lacourse de compression. Les essais au banc montrent que laconsommation proche de 245 g · kW–1 · h–1 est réduite, mais le sys-tème de transmission du mouvement par engrenage s’avère d’unecomplexité rédhibitoire.

Les moteurs Filtz à engrenages et Varcin à crémaillères(figure 41), destinés à l’aéronautique, sont eux aussi d’une techno-logie complexe et se révèlent d’une grande fragilité par suite deschocs marqués sur les dentures.

L’embiellage rhomboïdal est également utilisé sur certainsmoteurs à air chaud et il constitue une seconde génération demoteurs Stirling. La figure 43 illustre le principe d’un moteur mono-cylindre à simple effet qui comporte deux vilebrequins couplés pardeux engrenages disposés symétriquement par rapport à l’axe ducylindre. Cette architecture complexe confère une bonne qualitéd’équilibrage à ce moteur.

Figure 39 – Concept de moteur Spilt cycle

Figure 40 – Moteur à engrenages

Figure 41 – Moteur à crémaillère Varcin

Transmission de puissance

Bielle

Vilebrequin

Piston

PistonCrémaillère


2.11 Moteur à six temps

Figure 42 – Moteur Ligez

Transmission de puissance

Piston

Échangeurde chaleur

Piston chaud

Figure 44 – Transmission hypocycloïde multiple

Transmission hypocycloïde

Arbreà cames

additionnel

Arbreà cames


E.R. Wittley [105] expérimente enfin, en 1990, un démonstrateurde 288 cm3 équipé d’un vilebrequin à engrenage et d’un piston àdouble effet (figure 44).

2.10 Moteur à boule chaude

Le moteur à boule chaude appelé parfois semi-Diesel se situeentre le moteur à allumage commandé et le moteur à allumage parcompression. Il apparaît vers 1890 en Grande-Bretagne. Le combus-tible est introduit dans la chambre de combustion pendant lacompression et une surface à haute température en forme de boulecreuse contribue à élever la température du mélange comprimé au-dessus de sa température d’auto-inflammation. Le jet de combusti-ble est projeté sous forme d’un brouillard épais sur la paroiincandescente ; au contact de ces parois chaudes, le combustibledoit se vaporiser et se mélanger avec l’air. L’allumage est ainsi pro-voqué par l’élévation de température due conjointement à lacompression et à la boule chaude.

Le cycle du moteur est à deux temps avec balayage par le carteret, plus rarement, à quatre temps, mais le fonctionnement aux fai-bles charges se révèle délicat à maîtriser par suite des difficultésd’allumage.

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

Bien que le fonctionnement à six temps n’ait pas eu de lendemain,ce point d’histoire mérite d’être mentionné. Le concept de cycle à sixtemps, imaginé par l’ingénieur Griffin en 1883, introduit deux tempssupplémentaires qui sont consacrés à l’aspiration de l’air et à sonexpulsion ainsi qu’à celle des gaz brûlés résiduels restés dans lecylindre.

Le balayage des gaz de même que le refroidissement des cylin-dres sont ainsi nettement améliorés, mais la puissance du moteurest en revanche pénalisée. Le rendement est lui-même dégradé parsuite de l’augmentation des pertes mécaniques dans ce cycle qui nefournit qu’une course motrice tous les trois tours. Griffin réalisealors une version à double effet du moteur à six temps qui constitueprobablement l’un des premiers moteurs à compression à doubleeffet. Aimé Witz observe dans son traité des moteurs [106] que cemoteur possède une remarquable régularité cyclique qui lui permetde remporter une médaille d’or au concours ouvert en 1888 par lasociété des Arts de Londres.

3. Moteur rotatif à combustion interne

3.1 Moteur tournant

Le moteur Millet est probablement le premier moteur tournantconçu dès 1887 et il comporte cinq cylindres disposés en étoile enrotation autour du vilebrequin fixe. Il est muni d’une distribution partiroir tournant, alimenté à l’essence et à allumage par bougies. Iléquipe le tricycle de Millet dont un exemplaire est déposé au Muséedes arts et métiers du CNAM.

Dans le domaine aéronautique, les moteurs dénommés rotatifsconstituent une classe célèbre de moteurs d’avions, construits, enparticulier, avant la première guerre mondiale. Les frères Séguinréalisent, dès 1907, un moteur original qui se caractérise par la rota-tion de l’ensemble carter cylindres et de son hélice autour duvilebrequin fixe (figure 45). Ce concept améliore de manière signifi-cative le refroidissement délicat des moteurs par suite de la faiblevitesse de vol des avions de l’époque. De plus, l’effet associé devolant contribue à mieux équilibrer les masses en mouvement.

Figure 43 – Moteur à embiellage rhomboïdal

Embiellage rhomboïdal

Piston froid


Figure 45 – Essai au banc du moteur tournant


L’admission du combustible est obtenue de manière originale parla rotation des cylindres qui produit un effet centrifuge et permetl’aspiration 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 Oméga de 50 ch est réalisé à plu-sieurs milliers d’exemplaires entre 1911 et 1916, tandis que lasociété Gnôme et Rhône produit pour sa part la majorité desmoteurs rotatifs qui équipent les avions français du début de la pre-mière guerre mondiale.

Le moteur birotatif Burlat [12] dont le principe repose sur le théo-rème de cinématique de La Hire présente la particularité d’avoir unvilebrequin lui-même tournant dans le même sens et à vitesse dou-ble de celle des cylindres (figure 47).

Le moteur birotatif Mawen possède quant à lui des cylindres dis-posés en étoile et refroidis par air qui tournent à vitesse réduite ensens inverse de celui de la rotation du vilebrequin et à l’intérieurd’une couronne fixe (figure 48). Les cylindres communiquent avecla face intérieure de cette couronne par une courte tubulure muniede segments que la force centrifuge et des ressorts appliquent demanière à assurer l’étanchéité. Ce concept a été expérimenté àl’aube de la Seconde Guerre mondiale sur un moteur à cinq cylin-dres d’une puissance de l’ordre de 160 kW.

La construction de ces moteurs rotatifs d’aviation décline inéluc-tablement dans la mesure où ils sont limités en puissance massiquepar les efforts d’inertie centrifuge et les effets gyroscopiques quirésultent de la rotation du moteur.

3.2 Moteur à piston rotatif

3.2.1 Introduction

De nombreuses idées de moteurs à pistons rotatifs ont été propo-sées depuis le début du siècle en vue d’améliorer la compacité desmoteurs et de supprimer les effets d’inertie alternative générés parla cinématique usuelle bielle-manivelle. Trois ingénieurs, Cooley,Sensaud de Lavaud et Maillard semblent avoir ouvert la voie à lacinématique du moteur Wankel, mais leurs travaux ont dû être inter-rompus dès les premiers stades de la conception de leur moteur

Figure 46 – Coupes longitudinale et transversale d’un moteur tournant à sept cylindres

Figure 47 – Schéma du moteur birotatif Burlat

Piston

Biellessecondaires

Couvercle desroulements

Bielle maîtresse

Soupape d’aspirationautomatique

��

��

��


Figure 48 – Moteur birotatif sans soupape Mawen��

Patin

Bougie

Culasse annulaire fixe

Lumière

Sens de rotationdes cylindres

Sens de rotationdu vilebrequin

a

bCoupe a-b

Figure 49 – Évolution de la trajectoire d’un piston rotatif

S3

S1

S2

O'

O


tandis que Wankel a persévéré jusqu’à la réalisation industrielle. Lepremier moteur Wankel est réalisé en 1954 et le véhicule NSU RO 80à moteur birotor Wankel est commercialisé en 1968. Des accordsultérieurs de licence sont conclus entre NSU et différentes firmesdont le constructeur français Citroën et le constructeur américainGeneral Motors.

3.2.2 Concept

Félix Wankel observe qu’il est possible de réaliser un cycle à qua-tre temps au sein d’un capsulisme à piston rotatif lorsque l’on faittourner un rotor de forme triangulaire à l’intérieur d’un carter dontla courbe enveloppe est de type trochoïde (figure 49). Le triangleS1 S2 S3 tourne autour de son centre O’ pendant que celui-ci tourneautour du point O, centre de l’enveloppe, en décrivant une circonfé-rence de rayon :

OO’ = e, valeur de l’excentration.

Cette excentration qui permet aux côtés du triangle de s’éloigneret de se rapprocher de la courbe enveloppe définit ainsi des cham-bres à volume variable et il en résulte un couple autour du centre Olorsque l’action du piston fournit une force appliquée en O’.

Dans ce mouvement, lorsque le centre O’ du triangle tourne d’unangle a autour du point O (figure 50), le triangle a lui-même tournéd’un angle b autour du point O’ avec la condition fixée :

a = 3b.

Les points O et O’ étant les centres respectifs de l’arbre moteur etde son excentrique, il faut donc trois révolutions de l’arbre moteurpour que le piston en fasse une autour de son centre O’. L’asservis-sement du mouvement angulaire de rotation sans glissement durotor à celui du mouvement de l’excentrique est obtenu par deuxengrenages dont les primitifs sont deux circonférences de centres Oet O’ afin de répondre à la condition a = 3b.

3.2.3 Fonctionnement

Le stator de forme trochoïdale et refroidi par eau comporte uncanal d’admission et un canal d’échappement tandis que les bou-gies d’allumage sont disposées à l’opposé de ces deux orifices. Lecapsulisme à piston rotatif comporte trois chambres à géométrie

variable au sein desquelles les phases successives du cycle à quatretemps sont réalisées en un seul tour. Les schémas, illustrés par lafigure 51, permettent de suivre l’évolution du cycle engendré parune telle cinématique et ce sont les arêtes du rotor qui masquent etdémasquent les orifices d’admission et d’échappement pratiquésdans le carter trochoïde enveloppe.

Comme dans un moteur alternatif, des corrections sont apportéesaux temps d’ouverture et de fermeture des admissions et échappe-ments, de même que sur le point d’allumage. On agit pour cela surles dimensions et la position des lumières d’entrée et de sortie degaz, la correction d’allumage demeurant fonction du nombre detours de l’arbre moteur et de la dépression dans la tubulured’admission.

L’étanchéité au gaz constitue un point sensible de l’applicationdans la mesure où les lignes de contact des sommets du rotor avecle stator sont très réduites et sont soumises de surcroît aux discon-tinuités engendrées par les lumières d’admission et d’échappe-ment. Dans le cas du moteur Comotor Wankel commercialisé parCitroën, les gaz de chaque chambre sont étanchés par deux seg-ments d’arête, l’un à chaque sommet du triangle et deux segmentsde flanc sur chaque face latérale (figure 52). À chaque extrémité dusegment d’arête, un segment d’angle glisse sur la face d’un carterlatéral. La jonction délicate entre les segments d’angle et les seg-ments de flanc est réalisée par des barillets sur lesquels les extrémi-tés des segments de flanc sont ajustées. L’étanchéité est obtenuepar l’effet conjugué de la force centrifuge et un ensemble de res-sorts qui maintiennent une pression permanente de ces différentespièces avec le stator.

Figure 50 – Engrenages d’asservissement du mouvement de rotation du rotor

O'

OS

β α


10

62

13

15

9

73 4

I II

A

B

C

A

B C

A C

A

C


3.2.4 Particularité

L’évaluation de la cylindrée comparée d’un tel capsulisme à celled’un moteur alternatif mérite un commentaire particulier. Sur lafigure 53, on a représenté les volumes maximal V et minimal n de lachambre de combustion qui conduisent à définir le rapport volumé-trique r selon la relation :

(1)

et, par analogie avec un moteur alternatif, la cylindrée C d’unechambre s’exprime selon :

C = V – n (2)

Le cycle à quatre temps d’un moteur alternatif s’effectue en deuxtours de vilebrequin et la cylindrée totale est le produit de la cylin-drée unitaire par le nombre de cylindres. Pour un moteur monorotorWankel, il faut, au contraire, trois tours d’arbre moteur pour que lestrois chambres aient effectué un cycle complet. Pour deux tours decet arbre, deux chambres seulement ont été actives et la cylindrée

Figure 51 – Évolutions successives du cycle d’un moteur à piston rotatif

Figure 52 – Segments d’étanchéité

Admission

1-2-3-4

Compression

5-6

Explosion détente

7-8-9

Échappement

10-11-12-13

1112

8

III IV

BB

Chambre

Segmentde flanc

Segment jointd’étanchéité

circulaireentre rotor

et carter latéral

Barillet

Segment d’arêteet segment d’angle

Ressort

Segment d’arête

Segment d’angle

Ressorts

Barillet

Segment de flancRessorts

r Vn -----=


V

vv

vv

Figure 54 – Démonstrateur à piston rotatif à quatre lobes et cinq alvéoles


totale comparative du monorotor Wankel est donc égale à deux foisle volume d’une chambre.

Pour un tour du rotor sur lui-même, il y a trois cycles complets quise traduisent par un temps moteur par tour dans le cas d’un mono-rotor, deux dans le cas d’un birotor. En formulant l’hypothèse selonlaquelle chaque temps du cycle occupe de l’ordre d’un quart ducycle total, soit 90° de rotation du rotor, l’arbre moteur tournant troisfois plus vite que ce rotor, chaque temps se développe sur une enve-loppe de rotation de 270° de l’arbre au lieu de 180° dans un moteurclassique. Le recouvrement des temps moteurs qui en résulte se tra-duit par une régularité accrue de couple et une aptitude de sou-plesse qui peut autoriser à comparer un birotor à un moteuralternatif six cylindres, quatre temps.

3.2.5 Perspectives d’application

Les recherches qui ont été engagées au cours de la même périodesur un moteur à piston rotatif à quatre lobes évoluant dans unechambre à cinq alvéoles n’ont néanmoins pas donné lieu à uneréalisation industrielle (figure 54), de même que les investigationsréalisées par le constructeur Isuzu sur un démonstrateur à troisalvéoles.

Une tentative de diésélisation a été conduite par le motoriste RollsRoyce en vue d’une application militaire et a donné lieu à la réalisa-tion d’un prototype à double piston rotatif (figure 55). Pour atteindrele taux de compression nécessaire à l’auto-inflammation dumélange réactif, le moteur comporte deux étages constitués respec-tivement d’un piston de compression et d’un piston de travailmoteur accouplés tous deux par un système d’engrenages et tour-nant dans le même sens à la même vitesse. Ce prototype n’a pasdonné lieu à une industrialisation et l’on observe que l’étanchéitéradiale qui constitue un point sensible de l’application en version à

allumage commandé devient un obstacle majeur pour atteindre etmaintenir un objectif suffisant de fiabilité en version Diesel.

Une équipe de chercheurs américains travaille actuellement surun concept de moteur dénommé Rand Cam Engine en collaborationavec des industriels britanniques et américains. Il semble que leprincipe de cette machine présente des similitudes avec le moteurWankel et un démonstrateur dont le taux de compression est de 17développerait actuellement une puissance de 44 kW.

L’expérience de ces dernières décennies montre enfin que lemoteur à pistons rotatifs n’a pas connu à ce jour le succès commer-cial initialement escompté. On observe toutefois que son industria-lisation s’est produite dans un contexte économique et industriel decrise pétrolière très défavorable à l’émergence d’un concept nova-teur à bien des points de vue. Un délai est dans ces conditions indis-pensable pour fiabiliser la technologie avancée d’un tel concept etmaîtriser simultanément l’outil de production. On souligne qu’unevictoire aux Vingt-Quatre Heures du Mans a été remportée plus

Figure 53 – Définition des volumes de la chambre de combustion

Figure 55 – Concept de moteur Diesel à piston rotatif��

Rotor HP

Bougie

Entrée du canalde transfert

Admission Échappement

Rotor BP

Refoulement du canalde transfert


récemment, en 1991, par le constructeur japonais Mazda quicommercialise par ailleurs un véhicule haut de gamme équipé d’unmoteur à pistons rotatifs birotor suralimenté par deux turbo-compresseurs, dont la cylindrée est de 2616 cm3 et fournit une puis-sance proche de 177 kW à 6 500 tr/min pour un couple de 288 N · mà 5 000 tr/min.

Aussi, et bien que la solide expérience de plus d’un siècle dontbénéficie le moteur alternatif conventionnel constitue évidemmentun handicap lourd pour toute machine thermique novatrice poten-tiellement concurrente ou non, le moteur à pistons rotatifs con-serve néanmoins des atouts potentiels face aux nombreuxconcepts de moteurs hybrides qui émergent en cette fin de siècle.Un effort particulier demeure à poursuivre pour réduire les con-sommations.

3.3 Moteur à palettes

Le concept de moteur rotatif à palettes implantées sur un statorest imaginé par J. Lefeuvre [58] et fait l’objet d’un brevet initial en1971. Ce concept évolue en 1973 avec des palettes de forme par-ticulière placées sur le rotor lui-même. Cette machine volumétri-

4. Moteur alternatif à combustion externe

4.1 Aperçu historique

C. Ader réussit à faire décoller, le 9 octobre 1890, un aéroplane parla seule force motrice de son moteur à vapeur qui entraîne unehélice quadripale. Il s’agit de l’Eole qui se soulève de quelques cen-timètres et parvient à voler sur une vingtaine de mètres. Le secondavion de C. Ader qui est exposé au Musée des arts et métiers réussit,en 1897, un vol de 300 m à 0,50 m d’altitude. Il est tracté par deuxhélices quadripales entraînées par deux moteurs à vapeur d’unepuissance unitaire de l’ordre de 15 kW et alimentés par un généra-teur commun de vapeur.

Cette réussite majeure est l’œuvre d’un savant qui est à la foismotoriste et avionneur. Le moteur est à double expansion de vapeuret le générateur tubulaire assure une vaporisation efficace grâce àun foyer à brûleurs alimentés en alcool. Ce moteur fonctionne selonle principe de Carnot et il exploite les propriétés d’expansion del’eau lorsqu’elle entre en ébullition sous l’action d’une source de


que à quatre temps est ainsi constituée d’un stator (1) et d’unrotor cylindrique (2) au sein duquel quatre palettes (3) qui coulis-sent radialement constituent quatre chambres à géométrie varia-ble (figure 56).

Chacune des palettes comporte une partie plane dont une extré-mité décrit au cours de la rotation du rotor une trajectoire quiépouse le profil du stator. L’autre extrémité de palette munie degalets prend appui sur une came fixe qui permet le guidage radialdes palettes en rotation. Des segments d’étanchéité sont placés enbout de palettes et comportent un dispositif à rattrapage de jeuautomatique.

L’originalité de ce concept réside dans sa capacité d’équilibrage etd’encombrement très réduit. Un démonstrateur de 1 240 cm3, quiproduit une puissance d’environ 26 kW à 2 500 tr/min, équipeactuellement la moto du concepteur.

chaleur externe.

La source chaude d’une machine à vapeur provient d’une chau-dière alimentée en eau, soumise à l’action d’un foyer transformantl’eau en vapeur. La source froide se situe au niveau d’un condenseurà la sortie duquel l’eau liquide sous basse pression est mise en cir-culation par une pompe. La puissance motrice est issue de la diffé-rence de pression de la vapeur qui règne sur chaque face d’unpiston à double effet. La cinématique bielle-manivelle transforme lemouvement rectiligne alternatif du piston en mouvement rotatifdestiné à entraîner le circuit récepteur.

L’époque des machines à vapeur à pistons est désormais révoluesur le continent occidental et ce thème n’est donc pas développédans le cadre de cet article. On observe néanmoins que 20 % dumarché de la propulsion ferroviaire utilise encore ce type de moteurà vapeur en 1997 en Chine, le complément se partageant à hauteurde 20 % environ pour la traction électrique et 60 % pour les moteursDiesel.

■ Le moteur alternatif à combustion externe à gaz chaud est poursa part inventé dès 1816 par les frères Stirling et une applicationindustrielle voit le jour dans une fonderie écossaise à Dundee vers1844. Ce moteur comporte un cylindre moteur à double effet et deuxcylindres régénérateurs permettent le transfert de chaleur. Lafigure 57 montre la coupe de l’un de ces cylindres régénérateurs, demême que la forme particulière du piston qui permet de faire passeralternativement l’air de la chambre froide à la chambre chaude pla-cée au-dessus d’un foyer, à volume constant. Le piston moteur estactionné par la différence de pression qui existe entre chacune deces chambres. Les pertes d’air par défaut d’étanchéité dans le circuitfermé sont compensées par une pompe et ce moteur développe unepuissance de l’ordre de 15 kW et consomme 25 kg de charbon àl’heure.

■ L’ingénieur Ericsson conçoit et réalise également, dès 1826, unmoteur initialement sans régénérateur avec des enceintes séparéespour le réchauffage de l’air et une autre pour le refroidissement. Levéritable cycle Ericsson est créé en 1851. Il s’agit d’un cycle ouvert àrégénération où l’air est aspiré et refoulé à l’atmosphère et la circu-lation d’air est réalisée à pression constante dans le régénérateur(figure 58). Le moteur, qui propulse le bateau transatlantique en1853, développe une puissance de l’ordre de 180 kW et il fait l’objet,de même que ses dérivés, d’une production à plusieurs milliersd’exemplaires installés sur des navires américains et dans des ate-liers de manufactures.Figure 56 – Moteur à palettes


Figure 57 – Moteur à air chaud Stirling (1844)

Chambrefroide

Régénérateur

Piston

Chambrechaude

Cylindremoteur

Cylindresrégénérateurs

Foyer

Balancier

Figure 59 – Concept de moteur Stirling (Poulton [81])

��

��

Régénérateurs

Réchauffeur

Vapeur

Liquide

Plateau oscillant

Arbre moteur

Piston

Refroidisseur

Liquide


4.2 Concept du moteur à gaz chaud

Le moteur à gaz chaud est un moteur dans lequel l’énergie chimi-que est libérée par une combustion réalisée à l’extérieur du capsu-lisme. Le dispositif de transmission de chaleur est constitué d’unrégénérateur, d’un refroidisseur et d’un préchauffeur. Le mouve-ment des pistons résulte de la variation de pression du fluidemoteur qui circule en circuit fermé au sein du capsulisme.

La transmission du mouvement sur l’arbre de puissance peuts’effectuer selon des configurations très variées et la figure 59 illus-tre le cas d’une cinématique par un plateau oscillant.

On observe que le moteur à gaz chaud présente un intérêt théori-que majeur puisque, d’une part, il a contribué en son temps au déve-loppement de la théorie thermodynamique des moteurs et, parailleurs, comporte une compression préalable qui sera généraliséeultérieurement dans les moteurs à combustion interne.

4.3 Thermodynamique appliquée

4.3.1 Rendement d’une machine thermique réversible

S. Carnot établit, en 1824, les concepts fondateurs qui régissentl’évolution du rendement maximal d’une machine thermique fonc-tionnant entre deux sources.

Le rendement thermodynamique du moteur est le rapport du tra-vail W recueilli au cours d’un cycle et de la quantité de chaleur QMreçue au cours de ce même cycle, soit encore, conformément aupremier principe (3) de la thermodynamique :

W + QM – Qm = 0 (3)

l’expression (4) où Qm est la quantité de chaleur cédée au cours ducycle :

(4)

4.3.2 Cycle de Carnot

Le rendement maximal d’une transformation cyclique ditherme,fonctionnant entre deux sources SM et Sm est régi par le théorèmede Carnot où les transformations thermodynamiques sont suppo-sées réversibles au plan mécanique comme au plan thermique.

Ce concept de réversibilité suppose donc non seulementl’absence de pertes internes, mais interdit également tout échangede chaleur accompagné d’un écart fini de température. En consé-quence, les transferts de chaleur au contact des sources doivent seproduire de manière isotherme et les passages d’un niveau de tem-pérature à l’autre au cours desquels les échanges de travail avecl’extérieur ont lieu sont réalisés selon un processus adiabatique.

Une telle transformation cyclique ditherme réversible constitue lecycle de Carnot et elle est constituée de deux isothermes et deuxisentropes (adiabatiques réversibles) (figure 60).

La chaleur QM est prélevée selon l’isotherme 1-2 (TM) à la sourcechaude et la chaleur Qm est cédée suivant l’isotherme 3-4 (Tm) à la

Figure 58 – Moteur à air chaud Ericsson (1852)

Cylindrecompresseur

Cylindremoteur

Soupaped’évacuation

à l’atmosphère

Régénérateurde chaleur

Soupaped’admission

Foyer

h –WQM---------

QM QmÐ

QM------------------------= =


source froide. Le second principe de la thermodynamique appliquéà l’évolution fermée peut s’exprimer par l’intégrale de Clausius :

(5)

En intégrant chacun des termes selon les relations :

(6)

il en résulte la relation :

(7)

Cette relation (7) pemet d’aboutir au rendement de la transforma-tion et du travail mécanique récupéré sous les formes (8) et (9) :

(8)

dQT

--------

1

2

E dQT

--------

2

3

E dQT

--------

3

4

E dQT

--------

4

1

E+ + + 0=

dQT

--------

1

2

EQM

TM---------= ; dQ

T--------

2

3

E 0= ; dQT

--------

3

4

EQm

Tm---------= ; dQ

T--------

4

1

E 0=

QM

TM---------

Qm

Tm---------Ð 0=

hQM QmÐ

QM------------------------

TM TmÐ

TM----------------------= =

Figure 60 – Cycle de Carnot

T

S0

1

4

2

3

TM

Tm

p T

43TM


(9)

Le rendement du cycle de Carnot constitue un majorant en termed’énergie mécanique récupérable sur l’arbre du moteur et l’expres-sion (9) montre que seule la fraction QM[1 – (Tm/TM)] de la chaleurde la source chaude est susceptible d’être transformée en travail. Lafraction complémentaire QM(Tm/TM) constitue le terme de chaleurnon utilisable et tend vers zéro lorsque la température de la sourcefroide tend elle-même vers le zéro absolu ou lorsque la températurede la source chaude devient très grande.

Le théorème de Carnot constitue ainsi un postulat incontournabledans l’étude thermodynamique théorique des moteurs, mais onobserve toutefois qu’aucune machine expérimentale n’est capablede fonctionner suivant ce cycle. Avant d’inventer le célèbre cycleportant son nom et désormais généralisé, R. Diesel a tenté en sontemps de réaliser une machine dérivée de ce concept et a rapide-ment constaté l’impossibilité de réaliser un moteur fonctionnantselon un tel cycle de Carnot.

4.3.3 Cycle à régénération

Les transformations adiabatiques qui sont retenues dans le cyclede Carnot (figure 60) ne constituent pas une solution unique pourfaire évoluer le fluide moteur alternativement de la températured’une source à la température de l’autre. Il existe en effet une famillede cycles à récupération de chaleur qui permet d’obtenir elle aussiun rendement thermodynamique identique à celui de Carnot. Cescycles théoriques à régénération, dus en particulier aux inventeursStirling et Ericsson, imposent tous en revanche la présence d’unéchangeur de chaleur.

4.3.3.1 Cycle Ericsson

Le cycle thermodynamique théorique d’Ericsson d’une machinemotrice ditherme réversible est constitué d’une succession de qua-tre évolutions d’un gaz entre deux sources de chaleur à températureconstante et séparées par un échangeur adiabatique vis-à-vis del’extérieur (figure 61). Il se compose de deux isothermes et de deuxisobares et fournit le même rendement thermodynamique que lecycle de Carnot.

Le rapport des pressions extrêmes P est défini par la relation :

(10)

tandis que le rapport des volumes extrêmes répond à l’expression :

(11)

étant supposé parfait, k identifiant le rapport des températuresextrêmes : TM et Tm, la pression moyenne est rapportée à la pres-sion p1 selon la relation :

(12)

4.3.3.2 Cycle Stirling

Le cycle thermodynamique théorique de Stirling d’un moteurditherme réversible est constitué d’une succession de quatre évolu-tions d’un gaz entre deux sources de chaleur, séparées par unéchangeur isochore (figure 62).

Le rendement du cycle de Stirling fonctionnant entre deux sour-ces de chaleur de températures respectives TM et Tm grâce à unéchangeur parfait, répond aux relations (13) et (14) où l’indice s rap-pelle que le rendement a de l’échangeur est supposé égal à l’unité :

(13)

–W QM 1Tm

TM--------Ð=

Figure 61 – Cycle Ericsson

V S1

14

2

2

3

TMTm

Tm

p consta

nte

p consta

nte

Pp1

p2------=

V2

V4------

p1

p2------

Tm

TM--------=

p

pp1------

1 kÐ[ ]1p--- P( )ln

1 1P----kÐ

-------------------------------------=

hs 1Tm

TM--------Ð=


soit, encore, en posant : (14)

La puissance de ce cycle est fonction du travail cyclique et de sadurée ; la somme des travaux effectués au cours du cycle est égale

Figure 62 – Cycle Stirling

p

V

T

S1

14

4

2 2

3

3

TM

TM

Tm Tm

Vco

nstan

te

Vco

nstan

te

kTM

Tm--------= hs

k 1Ðk

------------=

Figure 63 – Cycle Stirling à échangeur parfait : évolution du rapport des pressions en fonction du rapport des volumes extrêmes

On constate ainsi que le travail fourni par le cycle théorique de

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

5

10

15

20

P 01=k

2

3

4

5

6

7

8

9

01=k

2

3

4

5

6

7

8

9

ε


à la somme des travaux des forces extérieures appliquées au sys-tème, affectée du signe opposé. Pour un gaz parfait, le travails’exprime selon la relation :

(15)

avec n nombre de molécules par volume,

R constante molaire des gaz.

En exprimant le rapport des volumes extrêmes sous la forme :

VM/Vm = e

le rapport des pressions s’exprime selon :

(16)

et permet de traduire la somme des travaux sous la nouvelle forme :

SW = nR(TM – Tm) ln(e) = nRTm(k – 1) ln(e) (17)

On peut ainsi identifier la pression moyenne du cycle selon (18),en rapportant le travail produit au volume engendré par le déplace-ment du piston moteur (V1 – V2) :

(18)

La valeur moyenne de la pression au cours du cycle peut utile-ment être rapportée à la pression initiale selon (19) et permetd’aboutir à l’expression adimensionnelle (20) conformément àl’équation d’état pV = nRT :

(19)

(20)

L’efficacité a du régénérateur étant inférieure à l’unité, la sourcechaude de température T1 apporte au système un complémentd’énergie thermique destiné à compenser la perte aQE aurégénérateur :

(1 – aQE) = (1 – a)nCV [TM – Tm] (21)

Le rendement de la transformation s’exprime ainsi selon lesrelations :

(22)

(23)

Le rendement thermodynamique du cycle s’exprime alors sous laforme compactée :

(24)

et son évolution en fonction de l’efficacité de l’échangeur qui estreprésentée sur les figures 64a et 64b est bornée par les valeursrespectives h0 et hs exprimées selon les relations suivantes :

— pour a = 0 :(25)

— pour a = 1 :

(26)

Wå + p Vd1

2

E p Vd3

4

E+ –nRTm p2

p1------ln nRTM

p3

p4------ln+= =

p2

p1------

p3

p4------ e= =

p WåVM VmÐ----------------------

nRTm k 1Ð( ) e( )ln

VM 1 1e---Ðè ø

æ ö------------------------------------------------= =

pp1------

nRTm k 1Ð( ) e( )ln

p1eVm 1 1e---Ðè ø

æ ö------------------------------------------------=

pp1------ k 1Ð( )

ee 1Ð----------- e( )ln=

Stirling augmente avec les rapports, d’une part, des températu-res de ses deux sources et, d’autre part, des deux volumesextrêmes (figure 63).

Son rendement est indépendant des volumes extrêmes dusystème et il croît avec le rapport des températures de ses deuxsources.

L’analyse de ces relations montre, également, que le fonction-nement d’un moteur utilisant ce cycle s’effectue avec desconsommations qui augmentent pour des charges décroissan-tes et ce point sera confirmé par l’expérience dans le paragra-phe destiné aux applications.

hQå

QM 1 aÐ( )QE+-----------------------------------------

QM Qm+

QM 1 aÐ( )QE+-----------------------------------------= =

hnR TM TmÐ[ ] eln

nRTM eln 1 aÐ[ ]nCV TM TmÐ[ ]+------------------------------------------------------------------------------------------=

h k 1Ð[ ] eln

k eln 1 aÐg 1Ð------------- k 1Ð[ ]+

-------------------------------------------------=

h0k 1Ð[ ] eln

k eln k 1Ðg 1Ð------------+

-------------------------------=

hsk 1Ð

k------------=


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0,3

0,5

0,8

0,9

0,7

0,6

0,4

0,2

0,1

1η

k

1=α

0

06,0

08,0

09,0

59,0

1=α

0

06,0

08,0

09,0

59,0

1η

fonction du rapport des températures des deux sourcesaFigure 65 – Concept de moteur Stirling à simple effet

Refroidisseur

Réchauffeur

Vc

D

P

Ve


On remarque que le rendement d’un cycle de Stirling évolue rapi-dement dans le même sens que l’efficacité de son échangeur etl’influence de la nature du fluide moteur intervient par la présencedu rapport des capacités thermiques massiques g = Cp /CV.

4.4 Mécanisme fonctionnel

Le moteur Stirling fonctionne selon un cycle à quatre temps quiprésente des particularités majeures par rapport au cycle des mo-teurs conventionnels. Le fluide actif circule en circuit fermé et sonéchauffement est réalisé au sein d’un réchauffeur porté à hautetempérature. Il s’agit le plus souvent d’hélium ou d’hydrogène, quiprésentent tous deux une excellente conductivité thermique. Le re-froidissement du fluide actif au sein du refroidisseur pourrait êtrecomparé par analogie au temps admission d’un moteur conven-tionnel.

■ Le moteur Stirling à simple effet est constitué d’un cylindre(figure 65) dans lequel deux pistons distincts délimitent deux capa-cités de volume variable Ve et Vc. Un piston de déplacement D faitcirculer le gaz de travail entre les parties froide et chaude tandis quele piston moteur P comprime le gaz lorsque celui-ci est chaud ettransmet l’énergie mécanique fournie par l’expansion du gazréchauffé.

La figure 66 schématise les quatre temps d’un cycle idéal deStirling qui est décrit de la manière suivante :

— le piston moteur comprime le gaz froid de l’évolution 1 à 2 ;— lors de l’évolution 2 à 3, le piston de déplacement pousse le

gaz froid jusqu’à la chambre d’expansion ;— le gaz se détend dans la chambre d’expansion de 3 à 4 ;— le piston de déplacement repousse le gaz chaud jusqu’à la

chambre de compression de 4 à 1 au travers du même ensembled’échanges thermiques.

Le gaz est refroidi par le régénérateur et le refroidisseur.

La figure 67 illustre le cycle thermodynamique théorique associéà cette transformation, qui impose en toute rigueur un mouvementdiscontinu des pistons D et P afin d’obtenir une évolution des varia-tions de volumes Ve et Vc en fonction du temps.

Le mouvement réel des pistons est bien entendu continu et il estrégi par une cinématique bielle-manivelle adéquate qui conduit aucycle associé (figure 68) et à la variation réelle des volumes Ve et Vcen fonction du temps.

La figure 69 illustre les réalisations de deux embiellages convena-blement déphasés :

— l’une concerne le moteur expérimental à air chaud de LeyboldHeraüs construit en verre à des fins pédagogiques ;

— l’autre concerne l’embiellage rhomboïdal d’un moteur Stirlingstationnaire simple effet destiné à la production d’électricité.

■ Le concept de moteur à double effet désormais usuel est deconstruction plus simple et il ne comporte plus qu’un seul piston parcylindre. Les quatre pistons schématisés sur la figure 70 sontdéphasés d’un angle de 90° et font successivement office de pistonde déplacement et de piston moteur.

Les configurations les plus fréquentes de groupement des cylin-dres sont alors les dispositions en V, en U, à deux vilebrequins ouencore à barillet où le tranformateur de mouvement est réalisé parun plateau oscillant.

Figure 64 – Cycle Stirling à échangeur réel :évolution du rendement pour un rapport 4 des volumes extrêmes

k=

17,5

53

2

1,5

1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 00

0,3

0,5

0,8

0,9

0,7

0,6

0,4

0,2

0,1

α

k=

10k

=107,5

53

2

1,5

fonction de l’efficacité de l’échangeurb


Figure 66 – Cycle idéal de Stirling

compressionréchauffage

1-22-3

expansionrefroidissement

3-44-1

Espace d’expansion (chaud)

Piston de déplacement

Réchauffeur de gaz

Régénérateur

Refroidisseur de gaz

Espace de compression (froid)

Piston de travail

1 2 3 4


Figure 67 – Moteur Stirling à simple effet :évolutions thermodynamiques théoriques

p

V

3

2

1

4

D

P

Ve

Vc

Ve

Vc

t

compressiondétenteréchauffagerefroidissement

1-22-33-44-1

variation théorique des volumesb

cycle théoriquea

Figure 68 – Moteur Stirling à simple effet :évolutions thermodynamiques réelles

p

V

3

2 1

4

D

P

Ve

Vc

Ve

Vc

t

compressiondétenteréchauffagerefroidissement

1-22-33-44-1

variations réelles des volumesb

cycle réela


��

��

1

Froid

��

2 (1 → 2)

��

3 (2 → 3)

1

��4 (3 → 4)

(4 → 1)

ChaudChaud

ChaudChaud

90

0

180

270

1 1 1

2 2 2

3 3 3

4 4 4

4'

3'

2'

1'

Volumes

Embiellage moteur Embiellagede transport

Résultant côtépiston moteur

Dép

has

age

--80¡

54'

asag

e0¡

54'

États extrêmes


4.5 Marché applicatif


Des recherches très actives sont conduites depuis ces dernièresdécennies, entre autres par les sociétés Philips aux Pays-Bas, UnitedStirling et Kockums en Suède, Mechanical Technology aux États-Unis [32] [95] [76]. Ces travaux qui visent à exploiter les qualitésintrinsèques du moteur à gaz chaud se concrétisent par des applica-

tions ponctuelles sur des secteurs privilégiés du marché (navigationde surface, navigation militaire sous-marine, proximité de sourceslocales d’énergies diversifiées disponibles, domaine spatial, produc-tion décentralisée d’électricité).

Le moteur Stirling se caractérise en effet par des émissions rédui-tes de polluants de même que des niveaux acoustiques et vibratoi-res très modérés et cet avantage résulte directement du mode decombustion à caractère continu à l’extérieur du capsulisme.

La température maximale de la source chaude admissible par lesmatériaux utilisés est en revanche limitée et limite ainsi l’optimisa-

Figure 69 – Cinématiques de transmission du mouvement

��

��Froid

ChaudChaud360 1

1 1Dép

h--8

Temps

Échangeur chaud

Récupérateur

Refroidisseur

Chambre de compression

Piston moteur

Joint dynamique

Vilebrequin

Piston de compression

Charge (alternateur rotatif)

Arbre d’entraînement de la charge

Mécanisme d’entraînement en losange

embiellage rhomboïdalb

moteur Leybolda


Cylindre

Régénérateurrefroidisseur

Réchauffeur Chambre chaude

Refroidisseur

Régénérateur Figure 71 – Liaison d’étanchéité du fluide moteur

Filtre

Piston

Cylindre

Joint annulaired’étanchéité coulissant

Tige de piston

Joint racleur

Joint annulaired’étanchéité coulissant

Crosse de piston

Pression

Max

Min

TempsPression


tion du rendement énergétique. Il est, par ailleurs, nécessaired’implanter des échangeurs thermiques volumineux pour assurerun transfert convenable de la chaleur de combustion au fluidemoteur.

L’étanchéité du fluide moteur au niveau de la liaison entre le cylin-dre et le système bielle-vilebrequin (figure 71) est en revanche déli-cate à réaliser et à conserver.

4.5.2 Moteur à piston libre

Afin de s’affranchir de la difficulté d’étanchéité inhérente auconcept de piston lié, la société Mechanical Technology développeun moteur Stirling à piston libre destiné notamment à la productiondécentralisée d’électricité.

Le concept de moteur Stirling à piston libre présente la particula-rité de transformer l’énergie thermique en une énergie directementutilisable (figure 72). Le piston libre est actionné par le différentielde pression qui règne entre les faces de la tige du piston. Cetteconfiguration de moteur incorpore à l’intérieur d’une enceinte uni-que et hermétique le piston de transfert, tandis que le piston libreagit directement sur la machine entraînée.

Le programme associé de recherches, développé depuis quelquesannées par MTI en partenariat avec le département énergétique dela NASA, conduit à la réalisation récente d’un prototype de moteurà piston libre lié à un alternateur linéaire d’une puissance de 25 kW[2].

Une application au domaine spatial est également en cours detest de même qu’un démonstrateur de moteur hybride thermiqueélectrique destiné à la propulsion d’un bus.

4.5.3 Propulsion marine

■ Le moteur Stirling à quatre cylindres disposés en V, développépar la filiale suédoise Subpower, est destiné aux applications denavigation de surface et sous-marine et sa cylindrée unitaire est de275 cm3 [11]. La combustion est réalisée par un mélange réactif

gazole et oxygène dont le niveau de pression au sein du réacteur estde 17 bar environ et le fluide moteur (hélium ou hydrogène) évolueen circuit fermé sous une pression moyenne de l’ordre de 130 bar.La puissance recueillie sur l’arbre moteur est de 60 kW à un régimede rotation de 2 000 tr · min–1, les consommations respectives degazole et d’oxygène étant de 5 et 19 g/s.

Figure 70 – Concept de moteur Stirling à double effet

Chambre froide

Figure 72 – Concept de moteur Stirling à piston libre

Échangeur chaudRécupérateur

Refroidisseur

Chambre de compression

Piston moteur

Charge (alternateur linéaire)

Moteur électriqueentraînant le pistonde transfert

Pistonmoteur

Alternateurlinéaire

Palierscéramiques

Commandeélectronique

Tigepiston

Échangeurde chaleur

Récupérateur

Refroidisseur

Paliers céramiques

Pistonde

transfert


■ Des travaux de recherches ont par ailleurs été conduits dans lesannées 1970 par un groupe international sur un prototype demoteur Stirling à quatre cylindres et à embiellage rhomboïdal. Lacylindrée unitaire de la chambre chaude est de 499 cm3 et le fluidede travail est de l’hélium dont le niveau de température est de630 °C dans le réchauffeur. La température de la source froide est de40 °C et la puissance développée est de l’ordre de 85 kW à1 500 tr · min–1.

Les tableaux 2 et 3 reflètent l’évolution des pressions et des ren-dements en fonction de la charge et du régime de rotation dumoteur : N identifie le régime de rotation du moteur, Pme la pressionmoyenne effective, Pm la pression moyenne de l’hélium, Cs laconsommation spécifique, hc et hg les rendements respectifs decombustion externe, d’une part, et de transformation globale,d’autre part. Ces résultats montrent que le niveau de rendement glo-bal demeure modéré et qu’il décroît de manière sensible avec laréduction de puissance.

Le tableau 4 rassemble les résultats comparés du bilan thermiqueau point de puissance nominale entre ce moteur Stirling et unmoteur Diesel suralimenté supposé équivalent. Ces chiffres mon-trent que le dimensionnement du dispositif de réfrigération dumoteur Stirling est nécessairement supérieur à celui des échan-geurs du moteur Diesel.

■ Un programme d’envergure est mis en œuvre conjointement parles sociétés Deere, Mechanical Technology et United Stirling dansles années 1980.

La première version de moteur comporte quatre cylindres dispo-sés en U et deux vilebrequins reliés à un arbre de sortie. La puis-sance fournie est de 40 kW et la masse du moteur est de 340 kgenviron, soit une puissance massique de 0,12 kW/kg.

Une version, de technologie plus simple, à quatre cylindres dispo-sés en V et simple vilebrequin produit pour sa part une puissancemaximale de l’ordre de 60 kW pour une masse de 271 kg, soit unepuissance massique ramenée à 0,22 kW/kg.

La figure 73 illustre l’évolution respective de puissance et de ren-dement en fonction du niveau de pression du fluide actif et durégime de rotation. La puissance optimale proche de 60 kW est obte-nue pour une pression d’hélium de 150 bar à 4 000 tr · min–1, tandisque le rendement maximal est de l’ordre de 38 % à 1 500 tr · min–1.

70

nce

(kW

)

Test


Tableau 2 – Moteur Stirling à 4 cylindres et à embiellage rhomboïdal : pressions et rendement

N Pme Pm hc hg Cs

(tr/min) (bar) (bar) (%) (g/kWh)

1 500 16,5 98 0,86 29,0 216

1 500 12,0 73 0,84 26,4 237

1 500 7,6 49 0,83 24,1 260

1 500 2,8 24 0,75 14,2 440

Tableau 3 – Moteur Stirling à 4 cylindres et à embiellage rhomboïdal : évolution des pressions et rendement

en fonction de la vitesse

N Pme Pm hc hg Cs

(tr/min) (bar) (bar) (%)

1 500 16,5 98 0,86 29,0 216

1 320 12,9 73 0,83 27,2 230

1 080 8,6 49 0,78 21,0 287

720 4,0 24 0,58 13,4 467

Tableau 4 – Bilan thermique comparé entre un moteur Stirling à 4 cylindres et à embiellage rhomboïdal

et un moteur Diesel équivalent

Puissances Moteur Stirling Moteur Diesel

arbre(%) 0,29 0,39

échappement(%) 0,10 0,36

rayonnée et convectée(%) 0,05 0,015

frottements(%) 0,10 0,035

réfrigérant(%) 0,46 0,20

Wú

Wú

Wú

Wú

WúFigure 73 – Évolution des performances en fonction du niveaude pression du fluide moteur

0 1 000 2 000 3 000 4 0000

10

20

30

40

50

60

Pu

issa

N (tr/min)

Simulation 15 MPa

13 MPa

11 MPa

9 MPa

0 1 000 2 000 3 000 4 0000

5

10

15

20

25

30

40

35

Ren

dem

ent

(%)

N (tr/min)

TestSimulation

15 MPa

9 MPa

rendement en fonction du régimeb

puissance en fonction du régimea


Les auteurs entreprennent simultanément une analyse économi-que afin de chiffrer les investissements nécessaires à la productiond’un tel moteur pour des applications à poste fixe ou de propulsion(figure 74).

4.5.4 Système d’asservissement

L’évolution de puissance d’un moteur Stirling est obtenue parvariation de la masse du fluide actif qui régit la pression moyennedu cycle. Un dispositif d’asservissement peut faire varier simultané-ment l’alimentation en air et en carburant afin de maintenir une tem-pérature constante du réchauffeur. La température dans leréchauffeur peut être mesurée par un thermoélément et le signal estadressé à un calculateur qui commande l’ouverture d’un voletd’admission d’air et ajuste simultanément le dosage en carburant(figure 75).

4.5.5 Applications complémentaires

La société suédoise Kockums qui est très active sur le marché dumoteur Stirling produit quant à elle des moteurs pour des applica-tions militaires sous-marines (Suède, Japon, Australie) ; le mélangeréactif est composé de gazole et d’oxygène.

Des centrales thermiques solaires installées en Californie utilisent

Gicleur

Récupérateur des gaz perdus

Chambre de combustion

Réchauffeur de gaz

Régénérateur

Refroidisseur de gaz

Piston

Garniture d’étanchéité

Tige et crosse de piston

Bielle

Arbre auxiliaire

Vilebrequin


également des moteurs Stirling couplés à des caloducs (échangeursdiphasiques de conductivité élevée).

Le moteur Stirling peut enfin être utilisé dans des applications decogénération (figure 76).

Figure 74 – Système de réglage de puissance

Figure 75 – Dispositif de commande air-carburant

thermocoupledispositif électroniquepapillon des gazsouffleur de combustionréservoir de carburantpalpeurpompe de carburantfiltreclapet de déchargeplongeursoupape de différence de pressionsoupape régulatrice de pression

123456789

101112

1

2

3

4

611

10 12

9

85

7

1

4

3

2

Vidage

Court-circuitage

Alimen-tation

réservoir d’hydrogènecompresseur d’hydrogènesoupape de commandesoupape de mise en court-circuit

1234

dispositif de commande air-carburantbsystème de réglage de puissancea

Dispositif Bosch K-Jetronic


Figure 76 – Moteur Stirling. Pompe à chaleur

Chaleur del’air extérieur

Maison 1

Radiateurmaison 2

Radiateurmaison 1

MoteurStirling

Chaleur de l’airextérieur

Ch

aleu

r d

e m

ote

ur

Conden-seur

Vaporisateur

Conden-seur

Com-presseur

Augmentationde températureet de pression

Vaporisateur

Abaissementde pression


On mentionne un concept de moteur Stirling à pistons rotatifsqui comporterait deux pistons rotatifs placés sur le même arbred’une part, constituant ainsi les unités respectives de compressionet de détente, deux régénérateurs étant disposés de manière symé-trique autour de l’axe tournant d’autre part. La figure 77 illustre ceconcept au sujet duquel nous ne disposons pas d’informationsdétaillées.

4.6 Tendances pressenties

La combustion externe, caractéristique du moteur Stirling, permetd’utiliser des carburants diversifiés. Le combustible peut être d’ori-gine fossile sous forme solide, liquide ou gazeuse ou encore d’ori-gine solaire ou nucléaire. La source de chaleur peut être une pileatomique, le soleil ou une masse quelconque réchauffée qui consti-tue la base de la source chaude d’un moteur à accumulation de cha-leur. Ce dispositif calorifugé peut être considéré comme une pilecalorifique par analogie à la pile électrique et contenir une ou plu-sieurs matières solides ou liquides réchauffées d’une manière quel-conque à une température élevée. Cet accumulateur est alorsrechargé comme dans le cas d’un accumulateur électrique.

Les combustibles solides tels que le charbon, les déchets indus-triels, les résidus forestiers ouvrent enfin des perspectives locales àl’utilisation des moteurs à gaz chaud dans les domaines agricoles etforestiers. L’énergie solaire peut également être exploitée pour la

production d’électricité, l’irrigation et le dessalement des eaux etl’on observe que deux moteurs Stirling sont depuis peu approvi-sionnés en énergie thermique par des sources couplées utilisantsimultanément l’énergie solaire et un combustible solide.

Le moteur à air chaud occupe actuellement un segment restreintà quelques applications spécifiques du marché, mais ses qualitésintrinsèques et l’impérieuse nécessité de préserver l’environnementconstituent des atouts qui sont de nature à susciter un regain d’inté-rêt pour ce type de machine thermique. Le moteur Stirling mérite eneffet une attention plus soutenue de la part des motoristes pour lemarché européen dans la panoplie alternative des machines thermi-ques hybrides destinées à la production locale d’énergie.

5. ConclusionCertains des procédés de substitution aux principes usuels de

fonctionnement d’un moteur alternatif conventionnel méritentd’être intégrés dans la panoplie alternative des machines thermi-ques hybrides. Si l’expérience montre que la mise au point de cesconcepts novateurs se révèle laborieuse par suite des inévitablescontraintes technologiques et économiques majeures, ces travauxde recherches contribuent toutefois à faire évoluer les technologiesplus traditionnelles.

Ainsi, le moteur à « explosion » qui fait l’objet de bien des pas-sions depuis l’ère de la révolution industrielle se trouve-t-ilconfronté à de nouveaux défis et le talent des ingénieurs motoristesdemeure nécessaire pour contribuer à répondre aux enjeux énergé-tiques et environnementaux du XXIe siècle.

6. RemerciementsLa réalisation du présent manuscrit est le résultat d’une collabora-

tion active avec nos collègues industriels, universitaires, membresdes sociétés savantes et spécialistes des institutions chargées de laconservation et de la promotion du patrimoine dans le domaine desmoteurs thermiques. Nous les remercions vivement de leur contri-bution qui a été apportée de manière spontanée lors de l’élaborationet de la relecture de cette publication.

Figure 77 – Moteur Stirling à pistons rotatifs

Arbre depuissance

Réchauffeur

Unité de détenteRégénérateur

Refroidisseur

Unité decompression

POUR

EN

SAVO

Moteurs particuliers

par Georges DESCOMBESMaître de conférences au Conservatoire National des Arts et MétiersChercheur au CNAM etau Laboratoire de Mécanique Physique de l’Université Pierre-et-Marie-Curie Paris 6

et Jean-Louis MAGNETAttaché à la direction technique SEMT PIELSTICKProfesseur associé au Conservatoire National des Arts et Métiers (CNAM)

Références bibliographiques[1] ACHTEN (A.J.). – A review of free piston

engine concepts. SAE Paper 941776, 1994.[16] CHARTIER (Ph.). – Véhicules routiers et envi-

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Documents

Moteurs non conventionnels