Les constructeurs automobiles modernes ne nous gâtent pas avec des raffinements techniques en termes de conception et de configuration des moteurs. Les moteurs à combustion interne classiques et les turbodiesels règnent aujourd’hui en maîtres. Mais il y a encore des expérimentateurs qui proposent des solutions originales. Et dans le passé, il y avait encore plus de projets de ce type. Aujourd’hui, Drom parle des moteurs les plus insolites pour les voitures et les motos.
En règle générale, sous le capot de toutes les voitures actuelles sont installés des moteurs à essence à quatre temps qui fonctionnent selon le cycle dit Otto – injection, compression, course, échappement. Il s’agit de moteurs thermiques à combustion interne typiques avec allumage du mélange combustible par une bougie, où les soupapes d’échappement s’ouvrent après la fermeture des soupapes d’admission. Le principal inconvénient de ces moteurs est leur faible rendement (jusqu’à 28 %).
Plus d’un tiers des voitures modernes sont équipées de turbodiesels avec un mécanisme de manivelle similaire, mais avec un taux de compression plus élevé et avec un allumage du mélange de travail par compression et haute température dans le cylindre. Le rendement des moteurs diesel est plus élevé, mais pas encore très élevé – jusqu’à 50 %.
Ces deux types de moteurs sont utilisés aujourd’hui sur la grande majorité des voitures, et tout a longtemps été connu et dit à leur sujet. Notre tâche consiste à parler de systèmes moins répandus, qui présentent soit de sérieuses différences par rapport aux moteurs Otto et Diesel « classiques », soit qui sont construits sur un principe totalement différent.
Moteur à piston rotatif Wankel
- Entreprises – NSU, Mazda, Citroën, VAZ
- Quelques modèles de voitures – NSU Ro 80, Mazda RX-7, VAZ-21059 et 21079, Citroën GS.
Pour commencer, bien sûr, nous devrions commencer par la conception à piston rotatif, qui a été introduite pour la première fois par les ingénieurs Walter Freude et Felix Wankel il n’y a pas si longtemps – en 1957. Il est logique que ce moteur ait reçu le nom de l’un des créateurs – Wankel. La particularité de ce groupe motopropulseur est un piston à trois côtés (rotor), entraîné par la force de la pression du gaz. Le mouvement du rotor par rapport au cylindre « ovale » au profil original (stator) est assuré par deux engrenages : le premier est situé sur la surface interne du rotor, le second est fixé de manière rigide à la surface interne du couvercle latéral du moteur. Leur interaction produit un mouvement circulaire excentrique dans lequel le rotor entre en contact avec la surface interne de la chambre de combustion par ses faces. Le mouvement rotatif est transmis à un arbre spécial et de là à la transmission. Une paire mécanique régule le mouvement du rotor et la seconde le convertit en rotation de l’arbre excentrique. Pour un tour complet de l’arbre, le rotor a le temps de tourner de 120°, et dans chacune des trois cavités isolées, le cycle complet à quatre temps d’un moteur à combustion interne est reproduit : injection, compression, course et échappement. Les avantages évidents de ce type de moteur sont sa compacité, sa légèreté, le nombre réduit de pièces (pas de pistons, de bielles, de vilebrequin), un système de lubrification simplifié, un faible niveau de vibrations et une grande cylindrée. Les principaux inconvénients sont le faible rendement des joints d’étanchéité entre le rotor et la paroi du cylindre, la consommation élevée d’huile spéciale, la tendance à la surchauffe, les bougies exigeantes et la puissance élevée à un régime relativement élevé.
La première voiture de série équipée d’un moteur à piston rotatif a été la NSU Ro 80 allemande en 1967, mais la véritable popularité de ces moteurs a été apportée, bien sûr, par la société japonaise Mazda, célèbre non seulement pour ses légendaires modèles RX, mais aussi pour la seule victoire au Mans du prototype « 757 ». D’ailleurs, Mazda prévoit de revenir au thème du moteur rotatif cette année. Divers constructeurs ont expérimenté les régimes à différents moments. Même AvtoVAZ dans les années 80 a été marquée par des « cinq » et des « sept » rotatifs, qui étaient utilisés par la police de la route ou par les « forces de l’ordre ».
Moteur à taux de compression variable
- Entreprises – Infiniti, Saab, AVL, FEV, MCE-5
- Modèle de voiture – Infiniti QX50
Une technologie qui n’est actuellement utilisée que sur un seul véhicule, le crossover Infiniti QX50 qui sortira en 2019. Nissan y travaille depuis plus de 20 ans, et le moteur turbo VC-T (Variable Compression Turbocharged) de 2,0 litres est enfin capable d’ajuster automatiquement le taux de compression (de 8 à la puissance maximale à 14 à faible charge) en ajustant la longueur des pistons de 6 mm. Cela permet non seulement d’éviter presque complètement les modes sous-optimaux et, par conséquent, les explosions, mais aussi d’augmenter le rendement et d’économiser jusqu’à 27 % de carburant par rapport aux « six » en V, selon les ingénieurs japonais. Cette astuce est réalisée de la manière suivante : il existe un joint mobile de la bielle avec son col inférieur, qui fonctionne au moyen d’un système de leviers entraîné par un moteur électrique. En même temps, la puissance de la centrale électrique est impressionnante : 270 ch, et le couple – 390 Nm (en Russie, le moteur est déformé à 249 ch et 380 Nm). Les principaux inconvénients de la conception sont considérés comme étant sa complexité et le poids plus élevé (environ 10 kg) de l’unité de puissance.
Les ingénieurs de Ford, Mercedes-Benz, Peugeot et Volkswagen ont déjà travaillé sur des moteurs à taux de compression variable, mais personne n’a jamais obtenu de brevet. Il existait également des systèmes plus anciens avec un piston supplémentaire qui modifiait le volume de la chambre de combustion. Il y a également eu des expériences avec des pistons à hauteur variable, qui se sont avérées très lourdes. En 2000, la société FEV Motorentechnik a installé dans le moteur turbo 1.8T de Volkswagen un système avec… un arbre à cames élévateur, dont le mouvement était effectué à l’aide d’embrayages excentriques. La même année, les Suédois de Saab ont fait la démonstration de leur vision. Le moteur turbo SVC (Saab Variable Compression) 5 cylindres de 1,6 litre pouvait soulever la partie supérieure du bloc-cylindres divisé. À peu près à la même époque, les Français de MCE-5 Development ont présenté un moteur doté de bielles divisées uniques avec culbuteurs dentés. Mais aucune de ces solutions n’a jamais été appliquée aux voitures de série.
Moteur Knight Sleeve Valve
- Entreprises – Daimler, Mercedes-Benz, Peugeot, Panhard, Willys-Knight, Mors, Avions-Voisin
- Quelques modèles de voitures – Avions-Voisin C, Willys-Knight, Daimler 22HP
Nous allons maintenant voyager au tournant des XIXe et XXe siècles, lorsque Charles Knight eut l’idée de créer un moteur sans soupapes classiques. En 1908, il fit breveter son invention, qui était équipée de ce qu’on appelle des « soupapes à tiroir » : il s’agissait d’une sorte d’accouplement, entraîné par un arbre à engrenages spécial, glissant autour du piston et ouvrant ainsi les orifices d’entrée et de sortie dans les parois du cylindre. Un tel système s’est avéré non seulement efficace, mais aussi silencieux, durable, avec un bon rendement et aucun problème de « collage » des soupapes à disque conventionnelles. Outre ces avantages évidents, il y en avait d’autres : un bon balayage des gaz d’échappement, une forme de chambre de combustion inchangée (donc pas de détonation), pas de culasse conventionnelle et un placement idéal des bougies d’allumage. Le principal inconvénient était considéré comme une consommation d’huile accrue.
Néanmoins, de tels moteurs ont équipé un certain nombre de modèles de marques automobiles célèbres telles que Daimler, Panhard, Peugeot, Mercedes-Benz, Willys et d’autres jusqu’aux années 40 du siècle dernier. Par la suite, après une augmentation significative du régime moteur et l’introduction du refroidissement au sodium pour les soupapes à disque conventionnelles, le système est devenu obsolète.
Le moteur Lanchester Twin-Crank Twin
- Entreprises – Lanchester, Ford
- Quelques modèles de voitures – Lanchester 12HP, Ford A/C/F
En 1896, Karl Benz fit breveter un « moteur à opposition » à deux cylindres. Trois ans plus tard, la société Lanchester fut fondée et, un an plus tard, elle présenta sa première voiture, la Lanchester Phaeton, équipée d’un tel moteur à deux vilebrequins. Ce moteur particulier est considéré comme le premier Flat-Twin de série. Ce moteur atmosphérique de 4,0 litres refroidi par air produisait jusqu’à 10,5 ch à 1 250 tr/min. Un vilebrequin était au-dessus de l’autre et chaque piston avait trois ( !) bielles : une centrale épaisse et deux plus légères sur les côtés. La plus épaisse allait à un arbre et les plus fines à l’autre. En conséquence, les arbres tournaient dans des directions opposées.
À l’aube de l’industrie automobile, de tels moteurs équipaient non seulement les voitures Lanchester, mais aussi les premiers modèles Ford – « A », « C » et « F ».
« Opposition » à deux cylindres dans un seul bloc (Panhard Flat-Twin)
- Société – Panhard
- Quelques modèles de voitures – Panhard Dyna, Panhard 24, Panhard Dyna X84
De 1945 à 1967, la société française Panhard a produit un certain nombre de modèles équipés du moteur dit Flat-Twin. René Panhard n’était pas un pionnier dans l’utilisation de « opposés » à deux cylindres, mais il a pour la première fois combiné le bloc-cylindres et la culasse dans un boîtier en aluminium. En plus de cette solution technique unique dans le moteur Flat-Twin, d’autres découvertes intéressantes ont été faites. Par exemple, au lieu de ressorts de soupapes, des torsions ont été utilisées pour la première fois, et le refroidissement était double refroidissement par air.
Le volume de ces moteurs était faible – de 0,61 à 0,85 litre, et la puissance était de 42 à 60 ch. Néanmoins, cela n’a pas empêché le modèle X84 de participer aux courses du Mans et même d’obtenir de bons résultats dans sa catégorie jusqu’à 750 cm³. La Panhard 24 coupé était également une très belle voiture.
Moteurs à cycle Atkinson et Miller
- Entreprises – Toyota, Lexus, Ford, Nissan
- Quelques modèles de voitures – Toyota Prius, Lexus hybrides, Ford Escape, Nissan Altima
Comme nous l’avons dit au début de cet article, la plupart des moteurs automobiles modernes fonctionnent selon le cycle Otto. Mais il existe encore d’autres variantes : les noms des ingénieurs James Atkinson et Ralph Miller sont à jamais associés à la lutte pour améliorer le rendement et augmenter l’efficacité.
Que proposait Atkinson ? Tout d’abord, en compliquant le mécanisme de manivelle, il modifiait le rapport des temps de course : les courses du piston pendant la compression et les temps de course devenaient plus courts que pendant l’admission et l’échappement, grâce à un vilebrequin unique. Les soupapes d’admission du cycle Atkinson se ferment complètement à mi-chemin du point mort haut. Deuxièmement, les quatre cycles Atkinson se produisent en un seul tour du vilebrequin, alors qu’un moteur Otto conventionnel en nécessite deux. Les avantages de ce type de moteur sont un rendement élevé et un faible impact sur l’environnement. Les inconvénients sont la complexité de la conception et le faible couple aux « bas régimes ». C’est pourquoi ces groupes motopropulseurs sont utilisés dans les hybrides, où cette caractéristique est compensée par la traction électrique.
Ralph Miller a également travaillé sur le taux de compression, mais a emprunté (en 1947) une voie différente. Au lieu de réduire mécaniquement le taux de compression avec un rapport de course constant, il a proposé de le réduire au détriment du taux d’admission, en conservant la même cylindrée pour tous les pistons, comme sur le moteur Otto. Il existe deux variantes de cette solution, mais toutes deux sont basées sur une fermeture tardive des soupapes d’admission : « admission raccourcie » (où les soupapes d’admission se ferment avant la fin de la course d’admission) et « compression raccourcie » (les soupapes d’admission se ferment plus tard que la course d’admission). Mais toutes deux sont conçues pour réduire le taux de compression du mélange de travail, et donc lorsque le carburant est enflammé au PMH, il a un degré d’expansion beaucoup plus important que dans un moteur Otto. Cela permet une meilleure utilisation de l’énergie des gaz en expansion dans le cylindre, ce qui augmente le rendement thermique de la conception et améliore par conséquent l’économie et l’élasticité. De plus, les pertes de pompage sont réduites dans la course de compression car il est plus facile de comprimer le carburant dans un moteur à cycle Miller. Les inconvénients de ce schéma sont la réduction de puissance (en particulier à haute vitesse) due à un remplissage plus mauvais des cylindres.
Diesel « opposition » avec vilebrequin oscillant (Commer Rootes TS3 Tilling-Stevens)
- Entreprise – Rootes
- Quelques modèles de voitures – Commer Q25, C-Series, Karrier
Le seul moteur diesel de notre revue d’aujourd’hui, mais quel moteur diesel : un TS3 « opposition » à deux temps (ce n’est pas pour rien qu’il a été surnommé « Knocker ») avec un vilebrequin oscillant unique développé par Tilling-Stevens ! Cependant, il n’a été installé de 1954 à 1968 que sur les bateaux, les bus et les camions de la société britannique Rootes, peu connue du grand public. Ce moteur était non seulement situé sous le siège du conducteur, mais il présentait également un certain nombre de caractéristiques intéressantes : chaque cylindre comportait deux pistons « opposés », qui transmettaient le couple à un seul vilebrequin au moyen d’un culbuteur spécial et de deux bielles sur chaque piston, et il y avait un compresseur mécanique avec un entraînement par chaîne ! Le moteur TS3 avait trois cylindres, une cylindrée de 3,25 litres et produisait une puissance considérable de 105 ch et 366 Nm à seulement 1 200 tr/min. On disait que c’était un moteur très compact et fiable, dont le seul inconvénient était considéré comme un niveau sonore élevé.
À la fin des années 1960, un prototype d’unité similaire à 4 cylindres est apparu, et la « mule » qui en était équipée a même réussi les tests avec une longueur de près de 2 millions de kilomètres, mais l’affaire n’est pas allée plus loin : en 1968, Chrysler Corporation a racheté la société Rootes, et le développement a été interrompu.
Moteur à pistons opposés de Gobron-Brillie
Moteur à deux temps et deux cylindres à pistons opposés (Gobron-Brillie Opposed Piston).
- La société s’appelle Gobron-Brillie
- Quelques modèles de voitures : Gobron-Brillie 8CV, Gobron-Brillie Opposed
Remontons au XIXe siècle, et plus précisément à 1898, lorsque le Français Gustave Charles-Alexis Gobron et son compatriote Eugène Brillieu fondèrent la société automobile Société des Moteurs Gobron-Brillie. Seulement six mois plus tard, leur premier enfant est né : la Gobron-Brillie 8CV, qui utilisait un moteur au design unique. Avec un volume de 1,6 litre et deux cylindres disposés verticalement, elle avait quatre pistons qui se déplaçaient les uns vers les autres. Les pistons inférieurs étaient reliés au vilebrequin par les bielles habituelles, et les pistons supérieurs (dont la course était plus courte) par un système original de tiges, de culbuteurs et d’excentriques. Il n’y avait qu’un seul arbre à cames et l’ensemble du mécanisme était entièrement synchronisé. À peu près à mi-course des pistons supérieurs (c’était la zone où le mélange était enflammé), des bougies d’allumage étaient installées, ainsi que des soupapes d’admission et d’échappement actionnées par des tiges poussoirs. L’allumage du carburant se produisait entre les pistons, à peu près à mi-course des pistons supérieurs.
En plus d’un système aussi complexe, mais, selon les contemporains, assez fiable et d’un fonctionnement très souple, la voiture était dotée d’un système d’alimentation inhabituel, où, au lieu d’un carburateur traditionnel, on utilisait un ensemble de pistons plongeurs, capables d’alimenter n’importe quel type de carburant dans la chambre. On dit que Gobron-Brillie pouvait même conduire avec de l’alcool ou des boissons alcoolisées fortes comme le whisky et le cognac !
Moteur rotatif – vilebrequin fixe, cylindres et pistons rotatifs (Adams-Farwell)
- Entreprise – Adams-Farwell
- Certains modèles de voitures – Adams-Farwell Models 5, 6, 7 et Series 6
Cette idée s’appelle « à l’envers » : si dans un moteur à combustion interne classique le vilebrequin tourne et le bloc-cylindres reste immobile, alors dans le moteur, qui a été inventé en 1895 par l’ingénieur Fay Oliver Farwell, le vilebrequin se tenait toujours à un endroit. La légende veut que Farwell, travaillant pour la société américaine The Adams Co., ait été incité à concevoir un moteur 3 cylindres à 4 temps dans lequel les cylindres tournent sur des paliers d’origine autour d’un vilebrequin monté de manière rigide par la vue d’… un moulin ordinaire !
Neuf ans plus tard, en 1904, une voiture équipée de ce moteur unique et plutôt puissant (25 ch) pour l’époque, fut mise en production sous le nom d’Adams-Farwell Model 5. Elle présentait d’ailleurs quelques caractéristiques inhabituelles : au lieu d’un carburateur, le carburant pénétrait dans les chambres par des trous spéciaux, et le moteur n’avait pas de silencieux (il était assez silencieux). Le principal inconvénient était la consommation excessive d’huile, mais malgré cela, en 1906, Adams-Farwell présenta le modèle 6 avec un moteur 5 cylindres de 8,0 litres. Et en 1910, les moteurs de l’entreprise étaient même utilisés sur les premiers hélicoptères conçus par Emil Berliner.
Moteur à cycle séparé
- Entreprises – Scuderi, Paut Motor, Bonner Motor
- Certains modèles d’automobiles – non installés
Comme vous le savez, dans un moteur à combustion interne classique, les quatre cycles se produisent dans un seul cylindre. Mais, il s’avère qu’il y avait des passionnés dans le monde – et dans un passé récent – qui prônaient de véritables exotiques avec séparation des cycles. Par exemple, en 2006, des Américains du groupe Scuderi ont décidé que le cylindre dit « froid » serait responsable des cycles d’admission et de compression, et qu’un autre cylindre, dit « chaud », serait responsable de la course et de l’échappement. Lorsqu’il y a expansion des gaz dans le cylindre de travail, l’horloge d’admission se produit dans le cylindre compresseur « froid ». Lorsqu’il y a un relâchement dans le cylindre de travail, il y a une compression dans le cylindre froid. À la fin de la course de compression, les pistons approchent de leur point mort haut, le mélange « s’écoule » du cylindre « froid » vers le cylindre « chaud » par la soupape de décharge et s’enflamme. De plus, les différents cylindres peuvent avoir des diamètres et des courses de piston différents, ce qui permet un réglage très flexible. En 2009, Scuderi a présenté un prototype, mais il n’a jamais été plus loin : le moteur est économique, mais très complexe sur le plan structurel.
La société croate Paut Motor a également expérimenté les cycles divisés. En 2011, elle a même présenté un prototype qui, avec une cylindrée de 7 litres, ne pesait que 135 kg, comportait beaucoup moins de pièces et présentait des frottements et un bruit réduits par rapport au moteur Scuderi. Mais ce projet est également mort.
Eh bien, le moteur à cycles divisés le plus complexe est probablement le moteur Bonner, dans lequel les cylindres sont disposés en croix et le vilebrequin effectue un mouvement planétaire grâce à un système d’engrenages. La distribution du gaz est assurée par des soupapes spéciales situées au fond des cylindres et des tiroirs rotatifs dans le bloc. Les pistons peuvent être déplacés sous pression d’huile, ce qui permet d’obtenir un taux de compression variable. Quel fouillis ! Pas étonnant que ce moteur ait peu de chances d’arriver un jour à la « série ».
Moteur à turbine à gaz
- Entreprises – Kenworth, Rover, Fiat, GM, Lotus, Chrysler, Ford
- Quelques modèles de voitures – Fiat Turbina, Chrysler Turbine, Rover Jet1, GM Firebird, Ford Thunderbird
Si nous n’avons jamais vu de moteurs à cycle divisé sur des voitures de série, il existait des voitures équipées de moteurs à turbine à gaz dans la nature. Depuis le début des années 50, les constructeurs de voitures particulières ont décidé de jouer à ce jeu et ont continué jusqu’à la fin des années 60. L’ère des GTE n’a pas été longue, mais elle nous a donné toute une série de modèles extraordinaires : Rover Jet1, Fiat Turbina, Ford Thunderbird, Chrysler TurboFlite.
Une turbine à gaz est un moteur plus simple et beaucoup plus puissant qu’un moteur à combustion interne classique. Il n’est pas surprenant que l’industrie automobile, qui avant même les années 50 du siècle dernier empruntait activement un certain nombre de solutions techniques à l’industrie aéronautique, ne soit pas restée à l’écart et ait décidé d’essayer d’utiliser des moteurs de ce type sur les voitures particulières. De plus, la conception du GTE en elle-même n’est pas compliquée : des arbres avec des roues de compresseur et de turbine, dont la première alimente en air comprimé la chambre de combustion avec du carburant. En brûlant et en se dilatant, le mélange de travail fait tourner la roue de turbine, qui utilise l’énergie pour faire tourner le compresseur et, bien sûr, la propulsion par réaction.
Moteur avec actionnement des soupapes par desmodromique
- Entreprises – Bignan, Ducati, Norton, Mercedes-Benz, BMW, Ferrari, Honda
- Quelques modèles – motos : Ducati, BMW, Honda, Norton, MV Agusta ; voitures : Mercedes-Benz SLR
Dans un moteur à combustion interne classique, les soupapes sont ouvertes de force (par des culbuteurs spéciaux) et fermées par des ressorts puissants. C’est la vitesse de ces ressorts et leur résistance insuffisante qui provoquent la rupture de la liaison cinématique, le « blocage » des soupapes et, par conséquent, la limitation du régime moteur. Dans le cas d’un actionneur desmodromique, les soupapes sont également forcées et fermées.
L’histoire de ce savoir-faire remonte au début du XXe siècle, lorsqu’en 1910, un ingénieur anglais nommé Arnott a obtenu un brevet pour un système de distribution desmodromique. À cette époque, il était particulièrement pertinent, car la qualité des ressorts ne pouvait souvent pas supporter même des régimes et des charges très faibles. En pratique, le « desmodrom » a d’abord été utilisé sur la Peugeot L76 de course en 1912, puis huit ans plus tard, il est apparu sur la voiture de sport française Bignan. Les premières motos à transmission desmodromique furent des modèles de la société britannique Norton en 1924. Depuis, ce type de transmission a également été utilisé sur les motos Mercedes-Benz, Ferrari, BMW, F.B. Mondial et Honda. Cependant, la société italienne de motos Ducati reste à ce jour la plus fervente adepte de ce système.
