Comment fonctionnent les moteurs à soupapes à manchon

Pendant la Seconde Guerre mondiale, les ingénieurs du régime nazi ont mis au point certaines des armes aériennes les meilleures et les plus avancées de l'époque. Un avion de chasse allemand, le Focke-Wulf Fw 190, a pendant un temps surpassé tout ce que les Alliés pouvaient mettre en l'air..

Heureusement pour les Alliés, l'ingénierie de leur côté a finalement fait basculer le pendule de supériorité aérienne à leur avantage. Un moteur robuste et non conventionnel dont beaucoup de gens aujourd'hui n'ont probablement jamais entendu parler a contribué à neutraliser le Fw 190 et le reste de la Luftwaffe. À sa manière, un moteur a contribué à propulser les Alliés vers la victoire [source: Rickard].

Le moteur à soupapes à manchon, qui a été utilisé à la fois sur les automobiles et les avions, propulsait des chasseurs britanniques rapides tels que le Hawker Typhoon et le Hawker Tempest. Avec leur puissance brute, ils ont aidé les Alliés à contrôler le ciel, à fournir un soutien aérien aux forces terrestres et finalement à gagner la guerre..

Mais qu'est-ce qu'un moteur à soupapes à manchon, et qu'est-ce que ce drôle de nom? Et pourquoi ne voyons-nous ni n'entendons-nous beaucoup parler d'eux aujourd'hui?

Le moteur tire son nom du manchon métallique à paroi mince qui glisse de haut en bas dans chaque cylindre pendant le processus de combustion. En règle générale, les trous dans le manchon et dans le cylindre le contenant s'alignent à des intervalles prévisibles pour expulser les gaz d'échappement et aspirer de l'air frais.

Malgré son record honorable dans les services armés, la configuration complexe des soupapes à manchon a perdu face à ce que nous utilisons aujourd'hui dans les moteurs à combustion interne, les poussoirs. Dans les avions, bien sûr, les moteurs à pistons de tous types ont largement cédé la place aux moteurs à réaction..

Mais attendez - ne rejetez pas encore la valve à manchon comme une relique historique inutile.

Au moins une entreprise cherche à remettre en marche le vénérable moteur à soupapes à manchon, mais avec quelques rebondissements modernes.

Dans les prochaines pages, nous examinerons ce qui fait tourner le moteur à soupapes à manchon. Nous examinerons également pourquoi il est tombé en disgrâce, ainsi que les raisons pour lesquelles il est appelé maintenant, plus d'un siècle après son invention, pour servir dans un autre type de «combat».

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1. Technologie de moteur à soupape à manchon
2. Vannes à manchon par terre - Utilisation dans les moteurs automobiles
3. Vannes à manchon par air - Utilisation dans les moteurs d'avion
4. Et après?

Arrivé comme il le faisait à l'apogée de l'ère industrielle, le moteur à soupapes à manchon ressemble à un engin qui serait parfaitement à l'aise dans un roman steampunk. Les ingénieurs modernes s'émerveillent de son intelligence. Et cluck-cluck à sa grande complexité.

Alors là, vous avez été prévenu. En fait, c'est une très belle chose une fois que vous comprenez comment toutes ces pièces fonctionnent ensemble. Maintenant retroussez vos manches, car nous sommes sur le point de nous salir avec le fonctionnement interne d'un moteur à soupapes à manchon.

Ce moteur a tellement de choses qu'il défie presque toute description. Mais nous allons essayer. Les moteurs à soupapes à manchon, comme leurs homologues à poussoirs, peuvent se présenter dans de nombreuses configurations différentes. Un tel arrangement, les moteurs radiaux à soupapes à douille utilisés sur les avions, ressemblent un peu à ce que vous pourriez obtenir si un robot Rock 'Em Sock' Em avait un bébé avec une sentinelle "squiddie" de "The Matrix".

Pour comprendre ce qu'est et ce qu'est un moteur à soupapes à manchon, il peut être utile de comprendre d'abord ce qu'il n'est pas. Ce n'est pas, avant tout, le système populaire avec lequel la plupart d'entre nous sont familiers, un moteur à clapet. Les soupapes à clapet sont la norme de facto sur les moteurs à combustion interne actuels. Avec eux, des soupapes en forme de champignon sous la tension de ressorts s'ouvrent et se ferment rythmiquement pour contrôler l'entrée et la sortie du carburant, de l'air et des gaz d'échappement dans le cylindre.

Une soupape à manchon, par contre, utilise un manchon coulissant, parfois rotatif, pour contrôler la quantité d'air et de carburant qui explosent à chaque course de compression. Le principe de base de l'allumage du carburant et de l'air pour entraîner un ensemble de pistons et faire tourner un vilebrequin est le même que pour les autres moteurs à combustion interne.

Voici une autre caractéristique distincte des vannes à manchon. Sur les conceptions où le manchon tourne, les orifices qui y sont découpés s'alignent avec les orifices d'admission ou les orifices d'échappement du cylindre, selon la partie de la course qui se déroule. Un piston monte et descend dans chaque manchon, même si le manchon glisse d'avant en arrière. Le mouvement du manchon est entraîné par des engrenages connectés au vilebrequin.

Vous vous grattez toujours la tête sur ce qui se passe exactement? Voici les étapes:

• Course de compression: le piston s'approche du point mort haut, tous les orifices du cylindre sont fermés et la bougie d'allumage se déclenche et enflamme le mélange carburant / air
• Course de combustion: l'allumage force le piston vers le bas dans le cylindre; lorsque le piston atteint le point mort bas, la chemise (ou le manchon) se déplace pour aligner ses ouvertures découpées avec les orifices d'échappement du cylindre
• Course d'échappement: les gaz d'échappement sont expulsés lorsque le piston remonte; les orifices d'échappement se ferment
• Course d'admission: le manchon tourne dans l'autre sens, exposant les orifices d'admission d'air; le piston descend en aspirant de l'air frais; le manchon se déplace pour fermer l'orifice d'admission pour le prochain coup de tir, puis tout le processus se répète

Maintenant, multipliez cela par plusieurs cylindres et ajoutez un vilebrequin pour qu'ils tournent, et vous avez vous-même un moteur à soupape à manchon!

Si cela semble compliqué, eh bien, c'est parce que ça l'est. L'un des principaux inconvénients de ces moteurs était leur complexité. Cela a un peu plus de sens, cependant, lorsque vous voyez l'ensemble du processus en action. Regardez la vidéo sur cette page pour mieux la visualiser.

Alors pourquoi quelqu'un voudrait-il se balader avec un moteur aussi compliqué? Après tout, ils avaient notoirement soif d'huile lubrifiante; et ils n'ont pas aimé les impuretés telles que le sable. La réponse est qu'ils offrent l'avantage de l'efficacité volumétrique. En d'autres termes, ils sont bien meilleurs que les moteurs ordinaires pour faire entrer et sortir l'air de la chambre de combustion. En outre, la disposition des ports offre de meilleures caractéristiques de tourbillon. C'est pour l'ingénieur, ils créent de l'air turbulent, ce qui fait brûler plus efficacement le mélange air et carburant [source: Raymond].

Né en Indiana, Charles Yale Knight a acheté une automobile Knox à trois roues vers 1901 afin de pouvoir rapporter et publier son journal agricole dans le Midwest américain. Mais il a trouvé que le cliquetis créé par les valves de la voiture était une grave douleur dans les oreilles. Il a donc fait ce que tout entrepreneur qui se respecte avec une formation en machinerie industrielle ferait: il a décidé de construire lui-même un meilleur moteur..

Avec le soutien d'un riche soutien, il a développé et testé de manière approfondie des prototypes. En 1906, il avait fait suffisamment de progrès pour révéler sa voiture «Silent Knight» à 4 cylindres de 40 chevaux au Salon de l'auto de Chicago..

Le moteur Knight ne comportait pas un, mais deux manchons par cylindre, le manchon intérieur coulissant dans l'extérieur. Le piston, à son tour, a glissé à l'intérieur du manchon intérieur. Le chevalier, fidèle à son surnom, était incroyablement silencieux. Même si le moteur Knight s'est avéré supérieur aux soupapes à clapet bruyantes et fragiles de son époque, les constructeurs automobiles américains lui ont donné l'épaule froide, au départ.

Knight et son bienfaiteur financier L.B. Kilbourne s'est bien mieux comporté à l'étranger. Après quelques améliorations de la conception, le moteur Knight a trouvé son chemin sur les voitures Daimler en Angleterre (à ne pas confondre avec Daimler-Benz).

Le Silent Knight a été un succès, et bientôt d'autres fabricants ont voulu participer à l'action de la soupape à manchon - y compris les constructeurs automobiles américains. Les voitures et camions légers Willys, Daimler et Mercedes-Benz, entre autres, utilisaient le moteur Knight à soupape à manchon [source: Wells].

Cependant, dans les années 1920, la conception des soupapes à manchon avait dépassé la configuration manchon dans un manchon de Knight. Les modèles à manchon unique, y compris le Burt-McCollum, étaient plus légers, moins complexes et moins coûteux à construire, et donc préférables aux fabricants. Avec d'autres modifications de la part des fabricants de moteurs tels que Bristol et Rolls-Royce, ils prendraient même le ciel.

Harry R. Ricardo (plus tard "Sir" Harry Ricardo), né à Londres en 1885, n'a pas attendu l'université pour commencer ses études d'ingénieur. Il a observé et absorbé au genou d'un machiniste local quand il était jeune garçon, et rentrait chez lui de l'atelier du machiniste pour appliquer ses nouvelles connaissances dans la construction de moteurs. Il dira plus tard:

«En tant qu'enfant, j'ai toujours été fasciné par les moteurs et les mouvements mécaniques en général, et surtout, par le grand mystère quant à la façon dont de telles choses étaient réellement fabriquées ... avec le recul, je pense que j'ai appris plus de valeur réelle de ces tentatives de conception et de fabrication que de toute autre chose "[source: Université de Cambridge].

Ricardo, à l'âge adulte de son ingénieur, était un dépasseur incurable. En plus de peaufiner les moteurs des réservoirs qui ont aidé à sortir de l'impasse de la Première Guerre mondiale, il a mené des recherches révolutionnaires sur l'attribution d'indices d'octane à différentes qualités de carburant..

Sa contribution la plus notable au cours de la Seconde Guerre mondiale a peut-être été son travail sur l'amélioration du moteur à soupapes à manchon..

Ricardo a théorisé dans les années 1920 qu'un moteur d'avion à soupapes à manchon pouvait générer une plus grande puissance qu'un moteur à poussoir comparable car il pouvait générer un taux de compression plus élevé..

Il s'est avéré qu'en 1941, des avions britanniques, y compris l'avion de combat principal Supermarine Spitfire, subissaient les coups du supérieur allemand Focke-Wulf Fw 190. Les Fw 190 ont également lancé des raids d'attaque au sol sur les installations alliées en toute impunité, car rien ne pouvait attrapez-les à basse altitude après avoir largué leurs bombes.

Le Hawker Typhoon à moteur à soupapes à manchon, entré en service en 1942, a changé cela. Propulsé par un moteur Napier Sabre de 2 180 chevaux, le «Tiffy» supplémentaire de mise en route signifiait qu'il pouvait non seulement abattre des intrus rapides de la Luftwaffe, mais aussi transporter des bombes. Plus tard dans la guerre, les typhons équipés de bombes et de roquettes se révéleront essentiels pour soutenir les forces terrestres alliées en resserrant l'étau sur les nazis et en mettant fin à la guerre en Europe [source: Rickard].

Malgré le record militaire exemplaire du moteur à soupapes à manchon, l'écriture était sur le mur: les moteurs à réaction domineraient l'aviation commerciale et militaire à partir des années d'après-guerre..

L'héritage de Knight, Ricardo et d'autres ne disparaîtrait pas complètement - les passionnés de moteurs commémoreraient le moteur à soupapes à manchon avec des modèles fabriqués à la maison et sur des sites Web dans les décennies à venir. Certains modèles réduits d'avions volants utilisent des moteurs miniatures à soupapes à manchon. Et il est concevable que la technologie puisse connaître une résurgence sur certains des marchés automobiles les plus importants et les plus dynamiques au monde..

Ainsi, le moteur à soupapes à manchon était-il une impasse évolutive, en ce qui concerne l'avancée de la combustion interne??

Disons-le de cette façon. Tout comme Hollywood aime recycler les vieux concepts et leur donner une nouvelle tournure quand il manque de nouvelles idées, l'industrie automobile aussi. Les voitures électriques, vous vous en souvenez peut-être, étaient un gros problème avant (ironiquement) le démarreur électrique rendait les voitures à combustion interne très pratiques. L'électricité a pratiquement disparu de l'automobile grand public jusqu'à ce que les préoccupations environnementales les ramènent de la tombe vers le début du siècle.

Et ainsi, de même, le boîtier pourrait se dérouler avec le moteur à soupapes à manchon endormi. Comme le dit le proverbe, «ce qui est vieux est de nouveau nouveau».

Pinnacle Technologies, basée à San Carlos, en Californie, compte sur une demande refoulée de transports propres et bon marché en Asie pour reprendre son interprétation moderne de la vanne à manchon. Un nouveau moteur est basé sur ce que l'entreprise décrit comme une architecture à quatre temps, à allumage par étincelle (SI), à pistons opposés et à soupapes à manchon..

Le fondateur de Pinnacle, Monty Cleeves, affirme que son moteur breveté peut améliorer l'efficacité de 30 à 50% par rapport aux moteurs à combustion interne actuels [source: Pinnacle Engines].

"Cette technologie de moteur permet la consommation de carburant et les émissions de CO2 d'un hybride à un prix que le monde entier peut se permettre", a déclaré Cleeves dans un communiqué de la société.

Pinnacle dit ne pas s'inquiéter du fait que les véhicules électriques rendent sa technologie obsolète de si tôt. Au lieu de cela, il pense qu'il existe une grande opportunité de desservir des marchés à croissance rapide tels que l'Inde et la Chine. Eux-mêmes et d'autres pays en développement veulent réduire les émissions de gaz à effet de serre tout en améliorant le niveau de vie de leurs citoyens, grâce à la possession de véhicules à moteur. Étant donné que les véhicules électriques et les hybrides ont toujours une prime de prix significative, Pinnacle affirme que sa soupape à manchon repensée est une bonne «technologie de pont» jusqu'à ce que l'électricité devienne plus abordable pour tout le monde.

Pinnacle, qui a reçu plusieurs millions de dollars en capital-risque, a déclaré qu'il poursuivait un accord de licence avec un constructeur automobile asiatique et qu'il prévoyait que la production débuterait en 2013..

Note de l'auteur: Fonctionnement des moteurs à soupapes à manchon

En tant que grand geek des avions militaires, j'avais entendu parler de moteurs à soupapes à manchon avant cette affectation. Mais c'était à peu près l'étendue. Étant donné leur statut de note de bas de page dans l'histoire, j'avais toujours pensé à eux simplement dans l'abstrait. Contrairement à un moteur à soupapes à champignon que vous pouvez étudier dans votre propre allée, ces «choses à soupapes à manchon» étaient pour moi juste une technologie oubliée, bien que pittoresque, comme les locomotives à vapeur. Ainsi, lorsque j'ai exploité la puissance des Interwebs pour les voir en action, j'ai été instantanément frappé de respect et d'admiration. Il y a 100 ans, comment les gens ont-ils compris tous les angles, tolérances, équilibres de poids et plus encore nécessaires pour donner vie à ces machines incroyablement complexes? Le fait que les entrepreneurs cherchent aujourd'hui à insuffler une nouvelle vie au concept en dit long sur le génie et la vision de ces pionniers d'origine. On pourrait affirmer que les moteurs à soupapes à manchon d'origine du XXe siècle étaient «surdimensionnés», c'est-à-dire qu'ils étaient trop compliqués pour leur propre bien. Ou il se pourrait simplement que, faute des progrès de la science des matériaux et de la précision de la conception assistée par ordinateur dont nous jouissons aujourd'hui, ils étaient simplement en avance sur leur temps..

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Sources

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• Roush, Wade. "Pinnacle regarde au-delà de Detroit comme le marché pour son moteur à pistons opposés." Xconomy. 4 octobre 2011. (14 février 2012) http://www.xconomy.com/san-francisco/2011/10/04/pinnacle-looks-beyond-detroit-as-the-market-for-its -opposed-piston-engine /? single_page = true
• Smith, Sam. "Les 10 moteurs les plus inhabituels de tous les temps." Voiture et chauffeur. Octobre 2010. (16 février 2011) http://www.caranddriver.com/features/the-10-most-unusual-engines-of-all-time-feature
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• Wells, Jerry. «Pioneer Sleeve Valve Engine». Enginehistory.org. (17 février 2012) http://www.enginehistory.org/pioneering_sleeve_valve.shtml
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• YouTube.com. "Moteur à soupape à manchon Brotherhood, opération à manchon." 20 août 2010. (17 février 2012) http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&v=sPd6VJQeSYw&NR=1