Architecture des moteurs à pistons

L'architecture des moteurs à piston définit, entre autres, la position des cylindres. Il peut s'agir de moteurs à explosion, de moteurs hydrauliques ou de systèmes pneumatiques.

Illustration d'un moteur en L et de deux moteurs en V, avec différents degrés d'ouverture.

Architectures « classiques »

Cylindres en ligne

Article détaillé : Moteur avec cylindres en ligne.

Les cylindres sont placés les uns à côté des autres. Dans l'industrie automobile, les moteurs de petite cylindrée sont souvent des moteurs avec cylindres en ligne. Depuis plus de 30 ans, les moteurs à 4 cylindres en lignes sont devenus la norme dans l'industrie automobile. Ces moteurs sont réputés pour leur douceur de fonctionnement.

Cylindres en V

Article détaillé : Moteur avec cylindres en V.

Les cylindres sont alignés en deux rangs décalés d'un certain angle (15 à 135°^[1]), ce qui raccourcit considérablement le moteur par rapport à une architecture en ligne. La majorité des moteurs à 6 cylindres et plus, produits en 2005, étaient en V. Une nouvelle technologie consiste en la désactivation d'une rangée de cylindres : celle-ci est mise hors service lorsque le véhicule n'a pas besoin de toute la puissance.

Un moteur en V peut être plus ou moins droit ou couché. Lorsque l'angle est de 90° et qu'un des deux cylindres est à l'horizontale, on parle volontiers de « cylindres en L », sans que le moteur soit vraiment différent d'un moteur en V.

Exemples : Ducati 90° axe transversal, Moto Guzzi 90° axe longitudinal à air, Voxan 72° axe transversal, refroidi par eau, Harley-Davidson et Buell 45° axe transversal refroidi par air.

Cylindres en W

Article détaillé : Moteur avec cylindres en W.

Ils peuvent être :

• À trois cylindres : chaque cylindre est décalé par rapport à l'autre d'un certain angle. Par exemple : angle du 1^er par rapport au 2^e : 15° ; angle du 3^e par rapport au 1^er : 30°. Synonyme : moteur en éventail.

• En V : les cylindres des deux lignes sont eux-mêmes disposés en quinconce, permettant de diminuer un peu la longueur du bloc. Exemples : W12, comme le Napier Lion de Napier & Son et le Lorraine 12 E par Lorraine-Dietrich (France, 1924) qui équipait le Potez 25 ou l'Oiseau blanc ; Bugatti Veyron 16.4 et son W16

Cylindres en H

Article détaillé : Moteur avec cylindres en H.

Le moteur en H est tout simplement la superposition de deux moteurs à plat avec leurs carters d'huile mis en commun avec deux villebrequins.

Exemple : moteur Napier Sabre II 24 cylindres, équipant notamment le Hawker Tempest et développant une puissance de 2 130 chevaux^[2].

Cylindres en étoile

Article détaillé : Moteur en étoile.

Les cylindres sont répartis radialement autour du vilebrequin. Utilisé pour des moteurs d'avions et certains moteurs de motos (Megola, etc.).

Ces moteurs peuvent être rotatifs, l'ensemble des cylindres constitue alors le volant d'inertie.

Cylindres opposés horizontalement ou à plats

Article détaillé : Boxer (moteur).

Les cylindres sont opposés à plat. Parfois appelés « Boxer », ces moteurs permettent d'abaisser le centre de gravité des voitures. Les pistons se déplaçant dans un même plan horizontal mais dans des directions opposées, les forces d'inertie du premier et du second ordre sont équilibrées. Par contre dans un bicylindre boxer, les couples d'inertie du premier et du second ordre ne sont pas équilibrés en raison du fait que les cylindres opposés ne sont pas dans le même plan transversal. Dans le cas d'un 4-cylindres, tant les forces que les couples d'inertie du premier ordre sont équilibrés^[3].

Exemples : Citroën 2 CV (et dérivés), Citroën GS, « Coccinelle » et Combi Volkswagen, Porsche 911 et son « Flat-six », Subaru Impreza, Alfa Romeo (de l'Alfasud à l'Alfa 146), motos BMW et Honda Gold Wing, la plupart des moteurs d'avions légers en 4 et 6 cylindres...

Cylindres en éventail

Les cylindres sont étalés dans un plan. Louis Blériot a traversé la Manche avec un avion muni d'un trois-cylindres en éventail fabriqué par Alessandro Anzani.

Moteur en carré

Article détaillé : Moteur carré.

Il s'agit de moteurs à plusieurs vilebrequins parallèles.

Avantages :

• Moins de longueur
• Possibilité de monter des distributeurs rotatifs sur tous les cylindres (moteurs 2-temps)

Architectures alternatives

L'architecture des moteurs à explosion ou à combustion interne a peu évolué dans son principe depuis le début du XX^e siècle. De nombreuses architectures alternatives ont été élaborées avec des succès variés mais pour l'instant limités.

Architectures produites en série

Moteur Wankel

Article détaillé : Moteur Wankel.

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

Moteurs à pistons opposés

Pistons opposés à plat

Junkers Jumo 205

Les moteurs à pistons opposés, à deux vilebrequins ou plus, ont eu leur heure de gloire à partir des années 1930. Ils ne se sont avérés efficaces qu'en cycle Diesel 2-temps et n'ont jamais été développés en version essence comme figuré sur cette animation.

Ils ont propulsé des sous-marins, des locomotives (Fairbanks-Morse 38D8 1/8 ), des chars d'assaut (Leyland L60 et Kharkov Morozov 6TD) et des avions (Junkers Jumo 205). Un système à un seul vilebrequin et culbuteurs a été développé par Sulzer (type ZG) et repris par la société MAP puis par Rootes-Commer sur le TS3^{[4],[5],[6],[7]}.

Moteur Napier-Deltic

Fonctionnement

Moteur Napier-Deltic pour locomotive.

Ces moteurs Diesel à trois vilebrequins ont été produits et exploités dans les années 1950 à 1980 sur des locomotives et des vedettes rapides.

Architectures prototypées

Moteur Quasiturbine

Article détaillé : Quasiturbine.

Il s'agit d'un moteur à piston purement rotatif entrainant directement l'axe moteur, sans le mouvement radial des moteurs Wankel. Le rotor Quasiturbine est constitué de quatre pièces (pales) articulées. Il n'y a pas eu de prototype à combustion interne jusqu'à présent.

Moteur six-temps

Historique

Le premier moteur à « cycle composé quatre temps sans soupapes » (appelé parfois « à six temps »), a été créé par Giovanni Cargnelutti à Ospedaletto di Gemona (Udine, Italie) durant l'entre-deux guerres. Il a été baptisé « Centauro » par son inventeur. L'entreprise familiale Officine Meccaniche Valentino Cargnelutti, fondée par son père, a construit trois prototypes de motos et les a équipés avec des moteurs de 125 cm³ et 175 cm³.

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^[8].

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.

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.

Moteur Crower à six temps

Article détaillé : Moteur Crower à six temps.

Un moteur à six temps, dont les deux derniers temps sont faits avec de la vapeur produite par la chaleur des cylindres et pistons

Autres architectures

Moteur Scuderi à deux étages

Des architectures plus complexes ont été ou sont étudiées, pour certaines expérimentées, sans perspective d'industrialisation pour l'instant.

Moteurs à compression variables

En anglais : « Variable Compression Ratio » ou VCR.

Afin d'augmenter le rendement à régimes et charges intermédiaires, divers systèmes permettant de faire varier le taux de compression du moteur ont été étudiés depuis les années 1930. Les contraintes imposées par les différents systèmes, qui impliquent généralement des déplacements de parties importantes du moteur ont empêché la généralisation de la compression variable^[9].

Un nouveau type de compression variable est actuellement en cours d'industrialisation avec le moteur MCE-5. Le principe utilisé qui n'implique aucun déplacement du vilebrequin ou des cylindres offre le gros avantage d'annuler les efforts latéraux sur les pistons, ce qui permet un gain supplémentaire important de rendement.

Divers moteurs à cames ont été étudiés

Le moteur Dynacam

C'est un moteur en barillet avec un arbre central dont les archives ne sont plus accessibles sur Internet. Les droits ont été repris par la société Axial Vector engines^[10].

Le moteur Revetec

Article détaillé : Moteur à combustion contrôlée.

Notes et références

1. ↑ (en) Are eight cylinders enough? - Popular Mechanics, janvier 1972, P. 176
2. ↑ Coupe du moteur Napier-Sabre II - MotorLexikon.com
3. ↑ Technique : Le moteur boxer - MotorLegend.com, 1^er août 2005
4. ↑ http://www.auto-innovations.com/site/dossier5/moteurcamless.html
5. ↑ http://www.auto-innovations.com/site/brevetech/opoc.html
6. ↑ http://www.histomobile.com/dvd_histomobile/fr/tech/120-1.asp
7. ↑ Opposed Piston Engines - Jean-Pierre Pirault and Martin Flint - SAE International
8. ↑ (fr) Cargnelutti - Moteur à 6 temps ?
9. ↑ Principe des moteurs VCR
10. ↑ (en) Site de Axial Vector engines Corporation (AVEC)

Annexes

Articles connexes

• Rendement d'un moteur à explosion
• Liste des motoristes aéronautiques par pays

Moteurs hydrauliques :

• Moteur à pistons radiaux
• Moteur à pistons axiaux

Liens externes

• (fr) L'architecture : nombre et disposition des cylindres
• (de) Flugmotoren (Moteurs d'avions) - Motorlexikon