Je vais arrêter pour ce soir. La suite viendra demain. Bonsoir à tous !

Architectures alternatives

Les moteurs à explosion ou à combustion interne ont une architecture qui a peu évoluée dans son principe depuis le début du XXème siècle.

De nombreuses architectures alternatives ont été élaborées avec des succès variés mais pour l'instant limités.

Moteur à six temps

Historique

Le premier moteur à six temps a été créé par Giuseppe Cargnelutti durant l'entre-deux guerres. Il écrivait ceci :
« La combinaison des cycles est obtenue au moyen de deux éléments moteurs travaillant selon deux cycles différents.
La chambre d'explosion est unique. Il y a deux cylindres en tandem et deux pistons de diamètre différent.
Le piston qui a le plus gros diamètre se déplace a un régime double de celui du piston de plus faible alésage.
Le premier fonctionne selon le cycle à quatre temps, le second selon le cycle à deux temps.
Les illustrations permettent de se rendre compte de la disposition des organes.
Le fonctionnement est le suivant :
L'aspiration se produit quand le piston de l'élément à quatre temps se déplace à partir du point mort haut.
Pendant ce temps, le piston de l'élément à deux temps accomplit la moitié de sa course à partir du point mort bas.
Par suite de la différence du diamètre des deux pistons, il se produit une dépression qui est comblée par les gaz qui arrivent par la lumière découverte par le piston et le distributeur rotatif.
Quand le mouvement inverse se produit pour le piston de l'élément à quatre temps nous avons le temps de compression au cours duquel le piston de l'élément à deux temps achève sa course et a masqué la lumière d'admission.
Au temps de travail, les deux pistons se meuvent vers leur point mort inférieur.
Au moment où le piston de l'élément à quatre temps est au point inférieur , le piston de l'élément à deux temps arrive seulement au milieu de sa course et démasque la lumière d'échappement.
La remontée du piston de l'élément à quatre temps aide à l'expulsion des gaz.
Puis arrive dans le cylindre une chasse d'air frais refoulé par le carter de l'élément à deux temps.
Quels sont les avantages de ce type de moteur ? C'est d'abord la prolongation des phases d'admission et d'échappement.
La commande desmodromique assure la possibilité de tourner à des régimes très élevés. Le rendement thermique est excellent, les gaz se détendent dans un plus grand espace que celui d'un quatre temps classique et pendant un temps plus long et en outre une bonne partie de l'énergie, consommée au temps d'admission et à celui d'échappement se trouve récupérée.
Bien entendu les applications de ce moteur ne sont pas limitées à la moto, mais s'étendent à toutes les branches utilisant des moteurs à explosion et en particulier de l'aviation. »

Récemment, une entreprise australienne a développé un système a priori analogue.

Fonctionnement

La combinaison des cycles est obtenue au moyen de deux éléments moteurs travaillant selon deux cycles différents. La chambre d'explosion est unique. Il y a deux cylindres en tandem et deux pistons de diamètres différents. Le piston qui a le plus gros diamètre se déplace à un régime double de celui du piston de plus faible alésage. Le premier fonctionne selon le cycle à quatre temps, le second selon le cycle à deux temps.
L'aspiration se produit quand le piston de l'élément à quatre temps se déplace à partir du point mort haut. Pendant ce temps, le piston de l'élément à deux temps accomplit la moitié de sa course à partir du point mort bas. Par suite de la différence du diamètre des deux pistons, il se produit une dépression qui est comblée par les gaz qui arrivent par la lumière découverte par le piston et le distributeur rotatif.
Quand le mouvement inverse se produit pour le piston de l'élément à quatre temps nous avons le temps de compression au cours duquel le piston de l'élément à deux temps achève sa course et a masqué la lumière d'admission. Au temps de travail, les deux pistons se meuvent vers leur point mort inférieur. Au moment où le piston de l'élément à quatre temps est au point inférieur, le piston de l'élément à deux temps arrive seulement au milieu de sa course et démasque la lumière d'échappement. La remontée du piston de l'élément à quatre temps aide à l'expulsion des gaz.
Arrive ensuite dans le cylindre une chasse d'air frais refoulé par le carter de l'élément à deux temps.

Avantages

C'est d'abord la prolongation des phases d'admission et d'échappement. La commande desmodromique assure la possibilité de tourner à des régimes très élevés. Le rendement thermique est excellent, les gaz se détendent dans un plus grand espace que celui d'un quatre temps classique et pendant un temps plus long et en outre une bonne partie de l'énergie, consommée au temps d'admission et à celui d'échappement se trouve récupérée.
Les défauts du moteur à combustion interne classique dont son rendement, ses vibrations la difficulté de sa dépollution ont suscité de nombreuses propositions alternatives, pour beaucoup restées à l'état de dessins ou de maquette, pour certaines de prototypes fonctionnels et pour quelques rares de production industrielle.

Pour l'instant, aucune ne semble devoir détrôner le bon vieux moteur avec un piston à mouvement alternatif par cylindre, son vilebrequin unique et ses soupapes...

Le moteur de motocyclette 6 temps de Giuseppe Cargnelutti

Schémas descriptifs du fonctionnement du moteur 6 temps (les bielles ne sont pas représentées)

Je n'ai pas encore eu le temps de réaliser une animation du moteur à 6 temps, mais voici une série de croquis explicatifs :



Dessins en coupe du moteur de Giuseppe Cargnelutti

Moteur Stirling

Le Moteur Stirling est un moteur à combustion externe, le fluide principal est un gaz à une modeste pression et est soumis à 4 cycles : chauffage, détente, refroidissement puis compression. On l'appelait au début moteur à air chaud.

Schéma de fonctionnement du moteur Stirling à l'origine



Plan accompagant le brevet de Robert Stirling



Robert Stirling n'a pas inventé le moteur Stirling, mais il l'a muni en 1816 d'une amélioration suffisamment importante pour lui donner une réelle extension : un récupérateur entre les deux pistons.

Peu connu du grand public, mais une référence des spécialistes, ce moteur a de nombreux avantages. Il fut très répandu au temps de la domination des machines à vapeur.

Actuellement, on sait cependant construire des machines à air chaud ou moteurs Stirling dont le rendement dépasse de très loin celui des moteurs à explosion

Histoire

Souvent les chaudières à vapeur explosaient, Robert Stirling imagina un moteur sans chaudière soumise à de trop fortes pressions.
Stirling déposa son brevet le 27 septembre 1816.
En 1843, son frère James "industrialisa" ce moteur, pour une utilisation dans l'usine où il était ingénieur.
1938, la société Philips investit dans un "moteur Stirling", un moteur de plus de 200 chevaux, avec un rendement supérieur à 30%.

Principe, avantages et inconvénients

Le principe est relativement simple : le fluide principal qui produit un travail est un gaz (air, hydrogène ou hélium) à une modeste pression et est soumis à un cycle de Carnot à 4 temps, séparé par deux phases de déplacement : chauffage, détente, déplacement vers la source froide, refroidissement, compression, retour vers la source chaude.
Alimentation: La source chaude du moteur peut être alimentée par une source quelconque : combustion externe de dérivés du pétrole, le gaz naturel, le charbon, le bois, etc. mais aussi énergies renouvelables comme l'énergie solaire ou l'énergie géothermique.

• Silencieux : L'absence d'explosion au cours du cycle moteur le rend particulièrement silencieux et réduit les contraintes mécaniques.
• Entretien facile : L'entretien du moteur Stirling est également facilité par son absence d'échange de matière avec son environnement.
• Bon rendement : Son rendement peut avoisiner les 40%, contre environ 35% pour les moteurs à explosion : si la différence de 5 points parait faible, elle signifie quand même près de 15% (5/35) d'économie d'énergie. Les moteurs électriques dépassent aisément son rendement (85-95% pour un moteur électrique), mais ne peuvent pas le remplacer pour certaines applications.

Le moteur Stirling est aussi une fabuleuse machine thermique réversible. Lorsque ce moteur est entraîné par un autre moteur, la tête de combustion descend à - 200°C ou monte à plus 700°C selon le sens d'entraînement. Les sytèmes de réfrigération à base de Stirling présentent l'avantage de ne pas employer de gaz destructeur de la couche d'ozone comme le fréon.

Difficulté : La principale difficulté de conception de ce moteur est l'étanchéité du ou des pistons. De plus la variation de régime de ce moteur est très difficile à réaliser car elle ne peut se faire qu'en agissant sur le taux de compression du fluide de travail.

Vue écorchée d'un moteur Stirling



Schéma de fonctionnement



Utilisation

Il a été utilisé pour une classe de sous-marins suédois, non seulement en raison de son silence, propriété cruciale pour les sous-marins, mais aussi pour la beaucoup plus faible production de gaz imbrûlés nécessaire à l'apport d'un gradient thermique (une différence de température) à un moteur Stirling ; en effet, un sous-marin en plongée ne peut évacuer des gaz qu'en les compressant à une pression au moins égale à celle du milieu ambiant, nécessitant (ou gaspillant) une part non négligeable de l'énergie disponible à bord.

Ce moteur équipe aussi certaines classes de frégates américaines, des drones. La Nasa l'a étudié pour fournir de l'énergie aux satellites et sondes spatiales car son rendement est meilleur que les panneaux solaires. Ce projet a été abandonné au profit des panneaux solaires car ceux-ci ne comportant pas de pièces mobiles, les risques de pannes sont moindres que sur un moteur avec de nombreuses pièces mécaniques.

Groupe électrogène entraîné par un moteur Stirling utilisé comme chargeur de batterie sur un voilier.



La principale application commerciale du Stirling est dans le domaine de la réfrigération industrielle et militaire. Il sert de machine pour la liquéfaction des gaz et comme refroidisseur pour les système de guidage militaire infrarouge.

Les trois types de moteur Stirling

Un Stirling alpha contient deux pistons de puissance séparés, un piston « chaud », et un piston « froid ». Le piston chaud est situé près de l'échangeur à la plus haute température, et le piston froid, est situé près du point d'échange de température la plus basse. Ce type de moteur a un ratio puissance-volume très élevé, mais a des problèmes techniques, liés (fréquemment) aux températures trop élevées du piston chaud pour ses joints.

Un Stirling bêta a un simple piston de puissance placé coaxialement avec un piston de « déplacement ». Le piston de déplacement sert uniquement à propulser le gaz de l'échangeur de température chaud, vers l'échangeur de température froid. Sur un cycle complet, ce piston ne consomme pas d'énergie. Ce moteur ne requiert pas de « joint » mobile dans la partie chaude du moteur, et peut atteindre des rendements élevés de compression, grâce aux pistons qui sont capables de se chevaucher pendant leur déplacement.

Un Stirling gamma est un Stirling bêta, sur lequel le piston de puissance, n'est pas monté coaxialement avec le piston de déplacement. Cette configuration produit un rapport de compression plus faible, mais est généralement plus simple mécaniquement, et est souvent utilisé dans les moteurs Stirling à plusieurs cylindres.

Avant d'aborder les diverses architectures de moteurs, nous allons voir quelques éléments principaux des moteurs à combustion interne actuels :

Les éléments permettant de transformer le mouvement linéaire alternatif en mouvement circulaire continu.

le couple piston-bielle



le vilebrequin (exemple : moteur 6 cylindre en ligne BMW)



calage des manetons sur un vilebrequin pour 6 cylindres en ligne

Vue en coupe d'une culasse d'un moteur Diésel avec double arbre à cames en tête



Fonctionnement des éléments supportés par une culasse : arbres à cames et soupapes



Nota : Le fonctionnement est le même pour un moteur à essence (explosion) que pour un moteur Diésel (combustion) : la bougie fait alors place à un injecteur.

L'arbre à cames est une pièce mécanique utilisée dans des moteurs thermiques à combustion interne pour la commande synchronisée des soupapes. Il se compose d'une tige cylindrique disposant d'autant de cames que de soupapes à commander indépendamment, glissant sur le patin d'un culbuteur ou directement sur un poussoir.

La rotation de l'arbre déclenche le basculement de chaque culbuteur ou l'enfoncement de chaque poussoir lié directement à la soupape.

Il court le long des cylindres ou au-dessus de la culasse (arbre à cames en tête) ou il est disposé latéralement au moteur (arbre à cames latéral) et il lui faut utiliser des tiges de culbuteurs et des culbuteurs pour commander l'ouverture des soupapes.

Vue d'un arbre à cames



Schéma du fonctionnement d'un élément (pour 1 cylindre) d'un arbre à cames



Ecorché d'une culasse avec vue d'un seul arbre à cames en tête pour un moteur à 4 soupapes par cylindre



Il y a plusieurs types de montages des arbres à cames :
• simple arbre à cames (en tête ou latéral) comportant à la fois les cames d'admission et les cames d'échappement ;
• double arbre à cames (toujours en tête), l'un supportant les cames d'admission et parfois celle d'injection s'il y a des injecteurs-pompes, le second supportant les cames d'échappement.

Les cames peuvent commander directement les soupapes par l'intermédiaire de poussoirs, comme sur les schémas et clichés ci-dessus, ou par l'intermédiaire de culbuteurs, notamment lorsque l'arbre à cames est unique et possède à la fois des cames dédiées à l'admission et d'autres à l'échappement.

Vue d'un culbuteur

Dans un cycle à 4 temps, l'arbre à cames ne fait qu'un tour par cycle alors que le vilebrequin en fait deux. Il est entrainé soit par une chaîne (chaîne de distribution), soit par une courroie crantée (courroie de distribution).

Vue d'une chaîne de distribution pour double arbre à cames en tête

Architectures produites en série

Les moteurs à pistons opposés

A ma connaissance, cette architecture concerne essentiellement des moteurs Diésel fonctionnant suivant le cycle à deux temps. Certains ont l’axe de leurs cylindres disposé horizontalement, d’autre verticalement. Ils possèdent donc de deux vilebrequins reliés par un arbre disposé à 90°, dont les extrémités sont équipées de couples de pignons coniques qui permettent une synchronisation du fonctionnement des équipages mobiles bielles-pistons.

J’ai personnellement travaillé sur un chantier de dragage d’une retenue (barrage) pour l’irrigation, dans le matériel duquel figurait un relais de pompage flottant qui supportait une pompe à déblais entraînée par un moteur Morse (d’origine US) diésel 2 temps, six cylindres verticaux avec pistons opposés, développant 800 ch. Ce moteur disposait également d’un compresseur d’air mécanique rotatif Roots à vis globiques (ou lobes) qu’il entraînait lui-même. Ce compresseur assurait le balayage et la suralimentation du moteur.

Schéma de fonctionnement d'un moteur à explosion 2 temps à pistons opposés horizontaux avec balayage et suralimentation par compresseur mécanique à palettes



Compresseur mécanique ROOTS à vis globiques ou lobes



Le même animé en 12 images



Nota : les compresseurs Roots sont composés de deux éléments tournants qui s'engrennent et se comportent comme une pompe à engrenage dont les pignons seraient hélicoïdaux. Les éléments (vis globiques ou lobes) comportent une denture ayant un profil spécial permettent une bonne étanchéïté entre les "lobes" à vitesse assez élevée.
Ce mécanisme est également utilisé comme pompe à vide primaire dans les installations où il est nécessaire de descendre bien en-dessous de la pression atmosphérique.

Moteur à cylindres disposés en étoile et moteurs rotatifs Gnôme

Le moteur rotatif pour avions dont l'archétype est la gamme des moteurs produits par la société française Gnôme et Rhône, conçus au début du XXe siècle, visait à réduire le poids, caractéristique primordiale pour un avion. Il sont dérivés des moteurs à cylindres disposés en étoile.

Les moteurs en étoile

Ce sont des moteur classique à combustion interne dont tous les cylindres sont disposés en cercle sur un même plan (ou sur deux plans très rapprochés) autour du vilebrequin. Cette géométrie a été imaginé au départ pour les moteurs d'avions dont les cylindres étaient refroidis par l'air, de manière à en optimiser le refroidissement. Dans le cas d'un moteur en ligne refroidi par l'air, le premier cylindre situé derrière l'hélice aurait été bien refroidi alors que les suivant l'auraient été de plus en plus mal en fonction de leur éloignement du premier. Dans ce cas il était nécessaire de prévoir un refroidissement par liquide ce qui en augmentait le poids.

Il faut citer le cas du montage de moteurs en étoile sur des blindés, les chars de fabrication US "Sherman", utilisés lors de la seconde guerre mndiale et des années plus tard encore dans de nombreux pays.

Vue d'un moteur en étoile



Schéma de fonctionnement d'un moteur en étoile



Historique des moteurs Gnôme

Peut-être à partir des idées de deux précurseurs américains, Stephen Balzer et Adams-Farwell, ce principe a été industrialisé vers 1907 par les frères Laurent et Louis Séguin sous la marque Gnôme puis amélioré par Louis Verdet dans sa société Le Rhône avant que les deux sociétés fusionnent en société Gnôme & Rhône. La société allemande Oberursel en a utilisé une licence.

Utilisation sur avion

Moteur rotatif Le Rhône 9C - Moteur rotatif Oberursel UR-II

Au cours de la Première Guerre mondiale, ce type de moteurs fut produit à des dizaines de milliers d'exemplaires et équipait en grand nombre les avions des deux camps avec des puissances de plus de 100 ch pour un poids inférieur à 150 kg.

Les moteurs usuels ont leur corps fixe, les pistons actionnent un vilebrequin qui fait tourner l'arbre moteur ; sur celui-ci, un volant d'inertie régularise le mouvement, et on attache l'hélice motrice.
Le principe du moteur rotatif est d'inverser cette architecture : c'est le vilebrequin qui est fixé sur l'avion et l'hélice est attachée directement sur le corps, rotatif, du moteur.
Il en résulte un gain de poids par deux effets :

la rotation des cylindres produit un important courant d'air autour des cylindres, ce qui permet d'augmenter le refroidissement et de se passer de dispositifs de refroidissement supplémentaires
la suppression du volant d'inertie car le corps rotatif (cylindres) constitue une masse d'inertie, beaucoup plus massive qu'un volant-type.
Le moteur rotatif doit être équilibré (son centre de masse doit être dans l'axe du vilebrequin), pour cela c'est un moteur en étoile.

Rançon de ses avantages, le moteur rotatif présente un inconvénient : la masse d'inertie du moteur est trop importante. Toute tentative pour réorienter l'appareil se traduit par conséquent par une force de précession ( résultant de l'effet gyroscopique ou force de Coriolis ) considérable, très sensible sur des avions très légers comme ceux de l'époque. Pour une hélice dextrogyre :

l'avion se cabre (resp : pique) lorsqu'on veut tourner à gauche (resp : droite)
l'avion tourne à gauche (respectivement : droite) lorsqu'on se met à piquer (resp : cabrer). Ces effets devaient être compensés par le pilote.

Parmi les multiples avions ayant utilisé les moteurs :

avions français: Blériot XI, Nieuport 11, Nieuport 17;
avions allemands: Fokker Triplan Dr1;
avions russes: Sikorsky S.16, Sikorsky S.20

Autres utilisations

Moteur rotatif de la moto "Megola"Un moteur rotatif (à 3 puis 5 cylindres) a été monté dans des automobiles construites de 1889 à 1913 par Adams-Farwell.

Des moteurs de ce type ont été utilisés sur des motos et des automobiles dans les années 1920 sans succès durable.

Photos de moteurs Gnôme

Moteur d'avion Le Rhône 9C



Moteur d'avion Oberursel UR II



Moteur Gnôme monté sur une motocyclette Mégola en 1922

Les générateurs de gaz à pistons libres avec turbine à gaz

A la fin de l'ère de la Vapeur, les idées ingénieuses fusent à une époque où le coût du pétrole est dérisoire. Dans les années 1948/49, la turbine à gaz avait la côte. Renault par la sortie de sa fameuse voiture "Etoile Filante" se prêtait déjà à rêver de l'automobile du futur sans moteurs à pistons.

La transposition sur les rails ne tarda pas à venir lorsque le 15 mars 1952, le 040 GA 1 sortit des ateliers R.N.U.R de Choisy-le-Roi.

Son groupe thermique comprenait un générateur S.I.G.M.A à piston libre qui alimentait une turbine à gaz RATEAU à 6 étages. Ce système, on le doit au marquis de Pescara, amoureux de la thermodynamique, qui voulait imposer trois atouts dans le monde des moteurs, qui motivèrent les stratégies de la régie :

- une puissance massique plus élevée qu'un moteur diesel,
- un rendement meilleur (théoriquement),
- la possibilité d'utiliser un carburant gras et peu coûteux : le "fuel n°2".

Monté à partir d'une caisse de 040 DF 1, la 040 GA 1 fut abondamment testé sur la relation Paris-Cambrai. Elle pouvait développer la puissance de 750 kW en régime continu . A cause de ses formes massives pour pouvoir loger le système "PESCARA", elle fut aussitôt surnommée "la Baleine" par les cheminots de la SNCF. On lui trouva de très bonnes performances, ce qui tombait bien puisque dans le même temps la direction de la SNCF déclara vouloir remplacer en totalité son parc vapeur, mais ce fut un échec retentissant. Conclusion, le système du Marquis n'eut guère de suite sur le rail. Cependant, il trouvera quand même un intérêt dans le milieu marin.

En ce qui concerne la propulsion navale, les utilisations furent plus durables. Il y eut des applications dans la marine marchande, mais nous nous intéresserons à celle qui vit dans le courant des années 1950 notre Marine nationale équiper une série de dragueurs de mines de ce système de propulsion.

Une première application du système Pescara connue des sous-mariniers (les anciens), fut celle du compresseur d’air Junker qui équipait les sous-marins de construction allemande. L’idée d’utiliser le processus pour générer du gaz destiné à faire fonctionner une turbine vint ensuite.

Le générateur SIGMA-PESCARA est un moteur diésel à pistons libres, c'est-à-dire sans transformation du mouvement linéaire alternatif des pistons en mouvement circulaire continu à l’aide du couple bielle-manivelle : il n’y a donc pas de vilebrequin. Pour le démarrage, les pistons sont lancés l’un vers l’autre à l’aide d’air comprimé. En fin de compression l’air contenu dans le cylindre atteint entre 600° et 800° C. Le carburant est alors injecté puis vaporisé et à ce moment la combustion créée une forte augmentation de pression qui tend à écarter les pistons moteurs. Les pistons secondaires qui leur sont accouplés ont deux fonctions :
• sur leur face externes, ils compriment de l’air dans ce qu’on appelle les « matelas » à pression variable, dont la finalité est de limiter la course des équipages mobiles dans leur phase de détente, et de les repousser l’un vers l’autre dans leur phase de compression.
• sur leur face interne, ils aspirent et compriment de l’air qui est stockée dans des réservoirs annexes utilisés pour le balayage des cylindre à la fin de l’échappement et la suralimentation en air du moteur.

Schéma simplifié d'un générateur de gaz à pistons libres



Détails d'un générateur de gaz à pistons libres





Les gaz d’échappement sont canalisés vers une turbine à gaz dans laquelle ils vont se détendre et créer du travail, soit pour entraîner un générateur électrique, soit directement la ligne d’arbre après être passés par un réducteur, comme pour les turbines à vapeur.

Le schéma animé ci-après montre le fonctionnement simplifié du dispositif.

Moteur Wankel (moteur à piston rotatif)

Ce moteur, aussi appelé moteur rotatif, fut inventé et développé par Félix Wankel, qui vendit ensuite le brevet correspondant.

C’est le type de moteur qui équipe le coupé Mazda de Daniel Marcot. Le moteur Mazda est un bi-rotor, c'est-à-dire qu’il est composé de deux ensembles monté en parallèle mais dont les cycles sont décalés d’ 1/6, soit six cycles moteurs par tour.

Il est le seul moteur à explosion, purement rotatif (Moteur à piston rotatif), qui ait connu un développement industriel. Il fonctionne avec un mélange d'air et d'essence, comme le moteur à quatre temps à essence. Il effectue trois cycles moteur par tour.

Les différences fondamentales par rapport à ce dernier sont :

• Un piston triangulaire tourne dans une enceinte en forme de haricot, délimitant trois chambres de combustion de contenance variable ;
• Ce piston tourne excentré, tout en l'entraînant, autour de l'axe moteur qui traverse l'enceinte ;
• Il ne comporte pas de soupape, mais des lumières comme un moteur à deux temps.

Histoire

Le premier constructeur à croire au concept de l'ingénieur Wankel fut NSU. Cette firme lui permit de développer ses moteurs et fut la première à en équiper des automobiles, dont la fameuse RO80 ; ce modèle fut malheureusement le chant du cygne pour ce constructeur.

Citroën reprit timidement le flambeau en réalisant des séries expérimentales client M35 et GS birotor. Peu après, l'intégration de Citroën au groupe PSA mit fin aux développements.

Mazda qui a commencé la production d'automobiles propulsées par un moteur rotatif, en même temps que Citroën, est désormais le seul constructeur au monde à équiper, en 2005, sa série RX8 avec le Wankel.

Ce dernier constructeur a même réussi à conquérir le titre de Champion du monde des constructeurs de course d'endurance avec un prototype mû par un quadrirotor Wankel turbo-compressé. Victoire éphémère, car elle a entraîné l'interdiction de ce type de motorisation par la Fédération Internationale de la discipline, sous la pression des autres constructeurs automobiles.

Moteur Wankel ouvert



Schéma de fonctionnement du moteur rotatif Wankel



Détail d'un cycle Wankel (trois par tour du rotor)



Moteur bi-rotor Wankel de la GS Citroën



Moteur bi-rotor Wankel par Mazda





Vue d'un rotor et de sa chambre

Moteur Napier-Deltic

Ces moteurs à 3 villebrequins ont été produits et exploités dans les années 1950 sur des locomotives et des navires. Leur compacité était intéressante, mais leur maintenance délicate les fit abandonner.

Schéma de fonctionnement d'un moteur Napier-Deltic

Architectures prototypées

Moteur MCE-5 à taux de compression variable

Il existe une opinion bien ancrée chez tous les spécialistes moteurs et particulièrement chez les constructeurs automobiles : le rapport (ou taux) variable de compression est la solution la plus efficace pour ramener la consommation de carburant des moteurs à combustion interne à des valeurs plus basses tout en laissant la porte ouverte à plusieurs méthodes pour l’obtenir. En effet, le cycle Beau de Rochas à rapport volumétrique variable est la meilleure méthode pour réduire la consommation de carburant des moteurs à combustion interne, tout en se conformant au normes antipollution les plus rigoureuses.

Dans un proche avenir, tous les moteurs à combustion interne, qu’ils fonctionnent suivant un cycle à volume constant (explosion) ou à pression constante (diésel) seront conçus pour permettre de faire varier le rapport volumétrique ou taux de compression (Variable Compression Ratio en anglais). Ce cycle de fonctionnement est également appelé cycle d'Atkinson.

Meilleure est la compression du mélange air/carburant, meilleur est le rendement. Cependant, trop compressé, le mélange s'auto-enflamme, ce qui entraîne un phénomène de cliquetis. Une solution à ce problème consisterait à varier dynamiquement le volume de la chambre de combustion. En effet, en ville par exemple, le moteur fonctionne souvent au ralenti, très loin de sa charge optimale et, donc avec un mauvais rendement, que l'on peut constater par une consommation élevée. D'où l'intérêt d'adapter le volume de la chambre de combustion entre faible charge et de fortes sollicitations.

Déjà en 1928, Louis Damblanc dépose un brevet pour moteur à compression variable. Après Volkswagen en 1987, c'est Saab qui dépose en 1990 son brevet et teste son moteur sur 100 000 km, avant de l'abandonner pour bruit et vibrations excessives.

L'idée de MCE-5, fondé par Vianney Rabhi est de faire varier le volume de la chambre de combustion en faisant varier la hauteur du piston dans l'axe du cylindre grâce à un secteur de roue dentée et une crémaillère, avec un calcul électronique de la position optimale. Le VCR est particulièrement intéressant couplé avec un turbocompresseur, ce moteur imposant un faible taux de compression sur un moteur classique, alors qu'avec le VCR le taux de compression restera optimal. Parmi ses avantages, le VCR accepte plusieurs types de carburant (gaz…) et les gaz d'échappement étant plus chauds, le pot catalytique monte plus vite en température.

Il reste néanmoins à régler des problèmes de poids, de tenue mécanique et des questions de coûts industriels. Mais son industrialisation à l'horizon 2015-2020 reste très possible, surtout en cas de forte hausse du prix des carburants. Une adaptation du VCR est possible, mais semble peu pertinente en termes économiques.

Présentation

La société MCE-5 DEVELOPMENT et le CERTAM présenteront à la Convention d'affaires européenne Moteurs, organisée par le Technopôle du Madrillet les 13 et 14 octobre 2003, un moteur à taux de compression variable, résultat de 4 années de R&D. Ce moteur a été développé par un réseau de plus de 20 PME, avec le soutien de grands industriels, du Ministère de la Recherche, de l'ADEME et de l'ANVAR.

C'est en fait le moteur que nous vous présentions lors de notre actualité du 28 janvier 2003. Le MCE-5 a les grands avantages de proposer une cinématique à la fois simple, efficace et intégrée dans un bloc moteur rigide. L'idée géniale est de relier le vilebrequin et le piston par un levier. La variation de hauteur d'une des extrémités du levier modifie le taux de compression volumétrique. De plus, les efforts transversaux générés par l'inclinaison de la bielle sont subis par le mécanisme et non plus par le piston. Ce dernier n'est donc pas en contact avec le cylindre. Il n'y a donc pas de frottement et d'usure du cylindre. Par contre, les masses alternatives élevées limitent son régime.

Fonctionnement

Le piston est relié par une tige à crémaillère à grosse denture hélicoïdale, à un patin qui coulisse sur un support vertical robuste solidaire du bloc moteur, muni lui-même de petites crémaillères, par l’intermédiaire de rouleaux de faible diamètre comportant des engrenages à fine denture à chaque extrémité.

La crémaillère du piston vient s’engrener avec un robuste secteur denté qui, à l’opposé, s’engrène avec une autre crémaillère reliée à un vérin hydraulique vertical. Cette autre crémaillère est également guidée verticalement par un patin roulant sur un robuste support solidaire du bloc moteur par l’intermédiaire de petits rouleaux à engrenage. Au centre du secteur denté il y a un axe sur lequel vient s’insérer le pied de bielle. La tête de bielle est montée sur un maneton du vilebrequin.

Les effets de ce montage sont que :
• la course du piston est le double du diamètre d’excentration du maneton de vilebrequin ;
• le déplacement du piston ne subit pas d’effort latéraux provoqués normalement par la force latérale variable de la réaction du système bielle-manivelle lorsque la bielle est raccordée au piston ;
• bien que la course du piston soit constante, l’action du vérin hydraulique sur la crémaillère qu’il commande provoque, en faisant pivoter le secteur denté sur son axe, un décalage vertical vers le haut ou vers le bas dont la conséquence est la variation du rapport volumétrique de compression.

Le vérin hydraulique est piloté électroniquement en fonction des informations recueillies par diverses sondes sur la charge du moteur et d’autres paramètres.

Ces explications seront clarifiées par le schéma de fonctionnement du moteur MCE-5.

Vue 3D du moteur MCE-5 en fonctionnement



Schéma de fonctionnement du moteur MCE-5



Quelques détails :

Rouleau de guidage des patins



Secteur denté recevant le pied de bielle

Moteur Quasiturbine

Le moteur Quasiturbine ou Qurbine est un type de moteur rotatif à combustion, inventé par la famille québecoise Saint-Hilaire et initialement breveté en 1996. Ce moteur sans vilebrequin utilise un rotor articulé à quatre faces tournant dans un ovale complexe calculé par ordinateur, et formant des chambres à volume croissant et décroissant lors de la rotation. Le centre du rotor est libre et accessible, et le rotor tourne sans vibration ni temps mort tout en produisant un fort couple moteur à faible vitesse de rotation. Elle est de plus capable de fonctionner avec différents carburants. La conception de la Quasiturbine permet également de fonctionner en moteur à air comprimé, moteur à vapeur, compresseur à gaz ou pompe.

Elle constitue aussi une théorie d'optimisation des concepts de moteurs compacts et efficaces.

Schéma de principe du moteur Quasiturbine



Comparaison Quasiturbine avec moteur à pistons



Éléments du moteur Quasiturbine



Fonctionnement

Dans le moteur Quasiturbine, les quatre temps d'un cycle Beau de Rochas (Cycle Otto) typiques sont distribués séquentiellement autour d'un quasi-ovale, à la différence du mouvement alternatif du moteur à piston. Dans le moteur Quasiturbine de base à rotor unique, un stator quasi-ovale encercle le rotor articulé à quatre faces qui tourne en se déformant tout en suivant exactement le contour du boîtier. L’étanchéité du rotor est assurée par des joints contre les parois latérales, et par des joints de contour contre la périphérie intérieure du stator, constituant quatre chambres de volume variable. Contrairement au moteur Wankel dont le vilebrequin déplace radialement les faces du piston rotatif successivement vers l'intérieur et l'extérieur, les faces du rotor de la Quasiturbine basculent alternativement en référence au rayon du moteur, mais elles restent à une distance fixe du centre du moteur à tout instant durant la rotation, produisant une pure force tangentielle de rotation. Puisque la Quasiturbine n'a pas de vilebrequin, les variations de volume interne ne suivent pas nécessairement le mouvement sinusoïdal habituel des moteurs, ce qui lui confère des caractéristiques très différentes de celles du piston ou du moteur Wankel.

Lorsque le rotor tourne, sa déformation et la forme du stator font en sorte que chaque section du stator se rapproche et s’éloigne, comprimant et détendant ainsi les chambres à la façon des « temps moteur » associés au piston alternatif. Cependant, alors qu’un moteur à piston à quatre temps produit une combustion par cylindre à chaque deux révolutions, soit une demi combustion de puissance par révolution et par cylindre, les quatre chambres du rotor de la Quasiturbine produisent 4 temps de combustion par révolution du rotor ; c'est-à-dire huit fois plus qu'un piston dans le moteur à pistons à quatre temps.

Un prototype du moteur Quasiturbine



Schéma de fonctionnement du moteur Quasiturbine



Avantages

Les moteurs Quasiturbine sont plus simples, ils ne contiennent aucun engrenage et ont beaucoup moins de pièces mobiles. Par exemple, comme l’admission et l'échappement sont de simples ouvertures dans le stator, il n’y a pas de soupape, ni de tringlerie. Cette simplicité et la taille réduite et compacte permettent d'épargner sur les coûts de construction.

Vues éclatées du moteur Quasiturbine et cinématique du fonctionnement






Puisque son centre de masse est immobile durant la rotation, la Quasiturbine a très peu ou pas de vibration. En raison de son cycle ininterrompu sans temps mort, la Quasiturbine peut être alimentée en air comprimé ou à la vapeur sans vanne de synchronisation, et aussi avec du liquide comme moteur hydraulique ou pompe.

D'autres avantages incluent un couple élevé à bas régime, la propension à la combustion de l’hydrogène, et la compatibilité au mode photo-détonation avec la Quasiturbine à chariots, là où le haut rapport surface / volume devient un facteur atténuant de la violence de la détonation : par rapport à de nombreuses propositions innovantes dans le domaine de la conception de moteurs, la Quasiturbine ouvre un nouveau champ de développement, en particulier en ce qui concerne la photo-détonation.

Inconvénients

Le moteur Quasiturbine est typiquement construit d’aluminium et de fonte dont les pièces se dilatent et se contractent à différents degrés lorsque exposées à la chaleur, ce qui tend à provoquer certaines fuites. Un problème semblable existait dans les moteurs Wankel de première génération, mais les développements techniques ont permis de maîtriser ces difficultés dans les deux cas.

Historique

La Quasiturbine a été conçue par une famille de 4 chercheurs sous la direction du Dr Gilles Saint-Hilaire, un physicien thermonucléaire. L'objectif originel était de concevoir un turbo-moteur dont la turbine de la partie compresseur et la turbine chaude de puissance seraient dans le même plan. Pour réaliser cela, il a fallu conceptuellement détacher les pales de l’arbre central et les joindre les unes aux autres comme une chaîne tournant à la manière d'un rotor unique, et agissant pendant un quart de tour comme compresseur, et comme moteur le quart de tour suivant. Le concept général de la Quasiturbine a été breveté en 1996. De petites unités pneumatiques et vapeur sont disponibles pour la recherche, la formation universitaire et la démonstration industrielle. Des prototypes à combustion ont également pour objectif la démonstration.

Usages

Le haut rapport puissance / poids de la Quasiturbine la rend particulièrement appropriée comme moteur d'avions et sa très faible propension à générer des vibrations la favorise pour plusieurs usages, tels que : tronçonneuse, parachute motorisé (paramoteur) ou moto-neige. Des variations du concept de base de la Quasiturbine la rendent également utilisable comme compresseur d'air et comme turbocompresseur. En novembre 2004, une démonstration du moteur Quasiturbine a été faite sur un go-kart.

Comparaison avec le moteur Wankel

Le moteur Wankel a un rotor triangulaire rigide synchronisé par engrenage avec le stator, et entraîné par un vilebrequin tournant à 3 fois la vitesse du rotor, lequel éloigne radialement vers l’extérieur et rappelle vers l’intérieur les faces du rotor. La tentative du Wankel de réaliser les 4 temps moteur avec un rotor à 3 cotés limite l’optimisation du chevauchement des fenêtres, et en raison du vilebrequin le Wankel a des caractéristiques d'impulsions de volume sinusoïdales semblables à celles du piston. Le rotor articulé à quatre faces de la Quasiturbine, quant à lui, tourne sur une piste de support circulaire intérieure et entraîne l’arbre moteur à la même vitesse que le rotor. Elle n’a pas d’engrenage de synchronisation, ni de vilebrequin, ce qui permet aux modèles avec chariots une mise en forme « presque à volonté » des caractéristiques d'impulsion de pression pour des besoins spécifiques, y compris pour atteindre la photo-détonation.

Le moteur Wankel divise le périmètre en 3 sections tandis que la Quasiturbine le divise en 4, pour une élongation inférieure de 30 % des chambres à combustion. La géométrie du Wankel impose de plus un volume résiduel au point mort haut qui limite son taux de compression et l’empêche de se conformer au diagramme Pression-Volume. Le Wankel a trois temps mort de 30 degrés chacun par rotation de son rotor, alors que la Quasiturbine n'en a aucun, ce qui rend possible la combustion continue par transfert de flamme, et elle peut même être alimentée à l'air comprimé ou à la vapeur sans vanne de synchronisation (ou aussi par du liquide comme moteur hydraulique ou pompe). Pendant la rotation, les joints d’apex du Wankel interceptent le stator à des angles variant de -60 avec +60 degrés, tandis que les joints de contours de la Quasiturbine sont presque perpendiculaires au stator en tout temps. Tandis que le moteur Wankel exige un double (ou plus) rotor hors de phase pour la compensation des vibrations, la Quasiturbine s’accommode d’un rotor unique, puisque son centre de masse est immobile durant la rotation. Enfin, alors que l’arbre du Wankel tourne de façon continue, ce n’est pas le cas pour son rotor, lequel arrête sa rotation (voire l'inverse) à chaque point mort haut et bas, une modulation importante de vitesse angulaire du rotor produisant d’importants efforts internes qui ne se retrouvent pas dans la Quasiturbine.

Photo-détonation

La photo-détonation est le mode optimum de combustion, tel une combustion volumétrique produite par laser, un mode que la forme sinusoïdale d'impulsion du moteur Wankel et du piston ne peut supporter. Dans le diesel la combustion est contrôlée par le thermo-allumage ; la combustion dans le moteur à piston à essence est contrôlée par un front d’onde thermique ; le cognement de la détonation est contrôlé par une onde de choc supersonique ; tandis que la photo-détonation est une combustion volumétrique contrôlée par un intense rayonnement dans la chambre de combustion. Puisque la Quasiturbine n'a aucun vilebrequin et peut avoir des chariots, l'impulsion de volume peut être mise en forme suivant la lettre cursive minuscule « i », avec une durée au sommet de 15 à 30 fois plus brève que l’impulsion du Wankel ou du piston, et avec une rampe linéaire rapide de montée et de descente. Ce genre d'impulsion de volume auto-synchronise la photo-détonation et réduit le stress subi par la mécanique en raccourcissant la durée des moments de hautes pressions. La Quasiturbine ouvre la porte à une telle machine du futur... qui rendrait désuets les concepts de véhicule hybrides.

Efficace à faible puissance

L'efficacité d'un moteur à essence de 200 ch chute de manière importante lorsqu'il est utilisé pour produire seulement 20 ch en raison de la dépressurisation nécessaire dans le collecteur d'admission, dépressurisation qui devient moins importante lorsque la puissance produite par le moteur augmente. Un moteur à photo-détonation n'a pas besoin de produire ce vide d'admission puisqu'il admet tout l'air possible, et principalement pour cette raison, son efficacité demeure élevée même à faible puissance moteur.

Le développement d’un moteur à photo-détonation aura une très faible pénalité d’efficacité à basse puissance ; il sera plus respectueux de l'environnement et se contentera d'essence à bas taux d'octane ou de carburant diesel à bas taux de cétane sans additif ; il sera compatible avec de multiples carburants, y compris la combustion directe d'hydrogène; et il permettra une drastique réduction du système de propulsion en poids, taille, entretien et coût.

Alternative à l'hybride

C'est justement l'objectif du concept hybride d'économiser sur la faible efficacité à bas régime moteur. Dit autrement, la raison du concept hybride moderne est d’éviter la pénalité d’efficacité à basse puissance des puissants moteurs des véhicules d’aujourd'hui, généralement utilisés avec un facteur de charge moyen de seulement 15%. Il y a là un potentiel d'économie de carburant de 50%, dont la moitié est récupérable par la méthode hybride. Mais accroître l’efficacité de cette manière exige des composants de puissance et de stockage d'énergie additionnels, avec des inconvénients contre-productifs associés aux augmentations de poids, d’espace, d’entretien, de coût et des processus de recyclage environnemental. Le moteur à photo-détonation fournira un moyen plus direct d'atteindre au moins le même résultat.

Profils des éléments du moteur Quasiturbine



Vue interne d'un modéle mu à l'air comprimé



Schéma animé d'un modèle destiné à fonctionner à la vapeur



Nota : Remarquez que les deux dernières images représentent des modèles présentant deux orifices d'admissions et deux orifices d'échappement opposés deux à deux pour le fonctionnement à l'aide de fluides sous pression (air comprimé et vapeur).

Moteur rotatif à chambre circulaire (MRCC)

L'architecture des moteurs dits « à explosion » ou « à combustion interne » est organisée autour d'un système bielle manivelle dont le principe consiste à transformer un mouvement alternatif de translation en un mouvement de rotation continu.

Le moteur rotatif Wankel a pu laisser penser qu'une solution élégante était possible, mais les avantages n'ont pas été évidents :

• une des raisons étant liée à la forme de la chambre de combustion qui ne permet pas une combustion parfaite, d'où une certaine proportion de CO et d'imbrûlés dans • l'échappement
• l'autre défaut de base étant imputable à des problèmes d'étanchéité des joints situés aux sommets des triangles curvilignes du rotor.

Dans ce contexte, le Moteur Rotatif à Chambre Circulaire (MRCC) propose une nouvelle technologie susceptible de faire évoluer le concept du moteur thermique.

Aspect du MRCC



Principe

Le principe de base du MRCC consiste à créer, dans l'alésage cylindrique d'un stator, deux volumes variables diamétralement opposés, dits « capsulismes actifs », dans lesquels sont organisées les phases successives d'un cycle moteur à 4 temps.

Caractéristiques du MRCC

• Très compact
• Transmission directe des efforts (pas de système bielle manivelle)
• 2 cycles thermodynamiques complets par tour d'arbre moteur

Moteur lent
Régime nominal de 1000 à 1500 tr/mn pour des puissances de 30 à 50 ch.

Pas de distribution ni de soupape
Simple boisseau rotatif tournant à vitesse constante

Admission des gaz en zone froide et détente en zone chaude du stator
Meilleur remplissage de la chambre de combustion
Possibilité de fonctionner à l'hydrogène

Injection directe ou indirecte
Possibilité d'injecter dans le boisseau ou directement en aval dans la zone d'admission. Les problèmes bien connus de l'injection directe dans la chambre de combustion ne sont pas à craindre : la phase d'injection se déroule dans la partie froide et basse pression du stator.

Rapport de compression variable en fonction du régime et de la charge
Le dispositif hydraulique de synchronisation conduit à un rapport de compression variable en fonction du régime et de la charge. Ces variations, qui constituent le " comportement intrinsèque " de la machine, sont très favorables au plan de la combustion et du rendement notamment pour un fonctionnement à charge partielle.

Les avantages du MRCC

PAR RAPPORT AU MOTEUR 4 TEMPS CLASSIQUE

• Meilleure longévité
• Faible vitesse de segments
• Robustesse des solutions hydrauliques

• Moins de nuisance sonore
• Pas de pièce lourde à mouvement alternatif
• Moins de vibrations : car rotation dans un cylindre, sans balourd

• Moins de pollution gazeuse
• Bonne maîtrise des paramètres de combustion (nombre et type de bougies, 'Tumble', vitesse des gaz à l'admission)
• Peu de NOx (courte durée de maintien des gaz à haute température en raison de la cinématique de fonctionnement)
• Postcombustion naturelle réalisée par l'air secondaire admis dans les capsulismes passifs. Cet air, qui participe au refroidissement des palettes par ventilation, est évacué dans l'échappement

PAR RAPPORT AU MOTEUR WANKEL

• Taux de compression élevé
• Contrairement au moteur Wankel, le MRCC n'impose pas un compromis difficile entre les paramètres de design, le choix du rapport volumétrique et les dimensions du moteur.

• Meilleure combustion
Les problèmes de combustion dus à la forme allongée de la chambre de combustion du Wankel et au déplacement du "front de flamme" n'existent pas dans le MRCC

• Etanchéïté simplifiée
Le MRCC n'est pas confronté aux problèmes d'étanchéité du Wankel car, contrairement à ce dernier, la forme cylindrique du stator permet aux segments de fonctionner avec un angle d'appui constant sur les parois.

Les trois éléments du MRCC



Vue 3D de la partie interne et du MRCC monté



Les cycles de fgonctionnement du MRCC



Pour voir l'animation des cycles de fonctionnement http://www.mrcc-industries.com/mrcc.htm

Avant d'aborder les turbine à gaz et les réacteurs divers, nous allons évoquer l'injection de carburant dans les moteurs et notamment ceux à combustion interne (essence et diésel).

L’injection dans les moteurs à combustion interne

Le circuit d’alimentation en carburant standard

Sa fonction est de doser, d'introduire et de pulvériser dans les cylindres le combustible stocké dans le réservoir. Il peut être décomposé en trois parties principales :

• le circuit d'alimentation
• le circuit d'injection
• le circuit de retour.

Les principaux composants du circuit sont :

• le réservoir
• le décanteur
• le filtre
• la pompe d'alimentation
• la pompe d'injection
• les injecteurs.

Le circuit d'alimentation

Sa fonction est d'alimenter en combustible la pompe d'injection à une pression déterminée, mais aussi de filtrer le combustible aspiré dans le réservoir avant l'entrée de la pompe d'injection. Les composants du circuit sont le réservoir, le décanteur, la pompe d'alimentation, le filtre et la pompe d'injection. Le circuit d'alimentation est un circuit B.P. (Basse Pression).

Le réservoir permet l'autonomie du véhicule. Il est équipé d'une crépine qui permet de pré-filtrer le combustible. La pompe d'alimentation alimente la pompe d'injection en combustible sous pression. Il existe deux types de pompe d'alimentation:

• pompe à piston pour une pompe d'injection en ligne (0.8 à 1.2 Bars)
• pompe à membrane pour une pompe d'injection rotative (0.2 à 0.4 Bars).
Ces deux types de pompes sont auto-régulatrices. Le pré-filtre et le filtre permettent la filtration du carburant avant la pompe d'injection.

Le circuit d'injection

Sa fonction est, grâce à la pompe d'injection, le dosage, la distribution et l'ajustement du débit en fonction de la vitesse et de la charge. Mais aussi, par les injecteurs, d'introduire, de pulvériser et de répartir le combustible dans les cylindres.

Le circuit d'injection est un circuit H.P. (Haute Pression) et est organisé comme ceci :

• pompe d'injection
• tuyauteries H.P.
• injecteurs.
• tuyauteries de retour d'injecteur.

Le circuit de retour

Il permet la récupération du carburant en excédent ou des fuites des deux précédents circuits. Le combustible est ramené, à l'aide de tubulures B.P., au réservoir. C'est un circuit B.P.. Sur les injecteurs des systèmes d'injection directe Diesel modernes, une partie du carburant est utilisée pour commander hydrauliquement la levée de l'aiguille. Lors de l'ouverture de l'injecteur, un débit de commande est donc créé, qui est renvoyé dans le circuit de retour. Il ne s'agit donc pas à proprement parler d'un débit de fuite, mais d'un retour de carburant associé au fonctionnement normal de l'injecteur. Toutefois, cette recirculation a pour effet de réchauffer le carburant et donc de réduire sa masse volumique. C'est pourquoi ce débit de retour est considéré comme une fuite qui doit être minimisée autant que faire se peut.

L'injection indirecte (dans les pipes d'admission) étant maintenant dépassé techniquement, nous allons nous intéresser à l'injection directe dans les cylindres.

Injection directe

L'injection directe est une technologie utilisée dans les moteurs à combustion interne. Elle consiste à diffuser le carburant directement dans la chambre de combustion plutôt qu'en amont dans la tubulure d'admission pour les moteurs à allumage commandé, ou dans une préchambre pour les moteurs diesel. L'injection directe est apparue en grande série tout d'abord sur les moteurs diesel. Elle est aujourd'hui très répandue sur ce type de motorisation.

Historique

L'injection directe fut tout d'abord appliquée dans le domaine aéronautique.

C'est le français Georges Regembeau qui introduit le principe sur une traction au début des années 1950. Le système est adapté pour la première fois sur un véhicule de série sur la Mercedes 300 SL.

Dès 1952, le principe fut appliqué sur le moteur deux temps des modèles Goliath et Gutbrod.

En 1987, Fiat met sur le marché un moteur diesel à injection directe conjuguant faible coût et encombrement raisonnable sur la Croma Turbo diesel. La technologie présente un potentiel prometteur et Bosch fait l'acquisition des brevets, avant de développer les éléments qui permettront à Volkswagen de produire une gamme de moteurs TDI qui rencontreront un grand succès faisant du constructeur le leader européen du diesel.

C'est Mitsubishi qui réadaptera l'injection directe au moteur essence.

Avantages et inconvénients

L'injection directe est mise en oeuvre afin d'obtenir :

• une réduction des émissions polluantes,
• une réduction de la consommation de carburant,
• une augmentation des performances, en particulier l'augmentation du couple à bas régime.

Pour les moteurs à allumage commandé, outre les trois derniers avantages cités ci-dessus, il faut ajouter l'augmentation du taux de compression et par conséquent une augmentation du rendement du moteur.

Sur les moteurs diesel, les premiers systèmes à injection directe étaient accompagnés d'une augmentation du bruit de combustion. Ce bruit est maintenant maîtrisé sur les systèmes d'injection directe à rampe commune.

Technique

Les systèmes d'injection directe diesel ou essence utilisent largement l'électronique pour piloter la quantité de carburant introduite dans la chambre de combustion. Les plus récents sont de type à rampe commune (appelé aussi communément common rail en anglais).

Schéma d'un système d'injection à rampe commune



Description du système

Un système d'injection directe diesel à rampe commune est composé :

• d'un injecteur par cylindre, jouant le rôle de valves pilotées électrohydrauliquement,
d'une pompe à carburant basse pression entraînée par le moteur, qui aspire le carburant dans le réservoir pour l'amener au système d'injection ;

• d'une pompe haute pression (Pinj > 1000 bars), elle aussi entraînée par le moteur, qui alimente la rampe commune en carburant ;

• d'un accumulateur hydraulique, appelé rampe commune, qui constitue une réserve de carburant sous haute pression pour les injecteurs ;

• d'une électrovanne située entre la pompe à carburant et la pompe haute pression, qui contrôle le débit de carburant ;

• d'un limiteur de pression à tarage mécanique ou piloté, qui contrôle la pression dans la rampe commune ;

• d'un capteur de pression dans la rampe commune ;

• d'un capteur de température carburant ;

• d'un calculateur électronique d'injection (communément appelé ECU pour Electronic Control Unit en anglais) pilotant les actionneurs : les injecteurs, l'électrovanne de contrôle du débit et éventuellement le tarage du limiteur de pression, à partir des informations mesurées par les capteurs.

Dans la pratique, c'est le calculateur de contrôle moteur qui joue le rôle de calculateur d'injection, et utilise à ce titre l'ensemble des informations issues des capteurs du contrôle moteur : position de la pédale d'accélération, pression dans le collecteur d'admission, température et débit de l'air à l'admission, régime moteur et position angulaire de l'arbre à came, ainsi qu'éventuellement l'accélération mesurée sur le bloc cylindre.

Super, merci "lieutenant" Bonnerue,

Tes cours ne sont pas inutiles car je viens de me rendre compte que j'avais pas mal de lacunes bien que m'interessant à la physique.
Alors merci encore.
Ce soir je me coucherais moins idiot que ce matin.

Pompes mécaniques à injection "classiques"

Il existe plusieurs dispositifs d'injection directe par pompes d'injection mécaniques et injecteurs, ou encore par injecteurs-pompes.

Les pompes peuvent être séparées (une par cylindre) ou par blocs de pompes alimentant plusieurs cylindres et comportant donc autant de pistons que de cylindres à alimenter.

L'énumération de tous les types de pompe d'injection serait trop fastidieux, aussi allons nous nous intéresser à deux types utilisés dans la propulsion navale. J'ai repris mon cours "moteurs" de l'école de Maistrance pour redessiner une pompe Sulzer et une pompe Bosch. Je terminerai par la description d'un injecteur-pompe GMC, basé sur le système Bosch à rampe hélicoïdale.

Pompe d'injection mécanique Sulzer

Dessin en coupe



Description du fonctionnement