Moteur axial

Un moteur axial (parfois appelé moteur à barillet ou moteur à vilebrequin en Z ) est un type de moteur à pistons disposés autour d'un arbre de sortie avec leurs axes parallèles à l'arbre. Le barillet fait référence à la forme cylindrique du groupe de cylindres (résultat de l'espacement régulier des pistons autour du vilebrequin central et de leur alignement parallèle à l'axe du vilebrequin) tandis que le vilebrequin en Z fait allusion à la forme du vilebrequin.

En tant que moteur à cames , un moteur axial peut utiliser soit un plateau oscillant , soit un plateau oscillant pour traduire le mouvement du piston en rotation. Un plateau oscillant est similaire à un plateau oscillant, en ce sens que les pistons appuient sur le plateau en séquence, conférant un moment latéral qui est traduit en mouvement rotatif. Ce mouvement peut être simulé en plaçant un disque compact sur un roulement à billes en son centre et en appuyant vers le bas à des endroits progressifs autour de sa circonférence. La différence est que tandis qu'un plateau oscillant se nute, un plateau oscillant tourne. Une conception alternative, le moteur à came Rand, remplace le plateau par une ou plusieurs surfaces de came sinusoïdales . Des aubes montées parallèlement à un arbre monté à l'intérieur d'un « barillet » cylindrique qui sont libres de glisser de haut en bas chevauchent la came sinueuse, les segments formés par le rotor, les parois du stator et les aubes constituant des chambres de combustion. En effet, ces espaces remplissent le même rôle que les cylindres d'un moteur axial, et la surface sinueuse de la came agit comme la face des pistons. Par ailleurs, cette forme suit les cycles normaux de combustion interne, mais avec le gaz brûlant qui exerce directement une force sur la surface de la came, qui se traduit en une force de rotation en synchronisant une ou plusieurs détonations. Cette conception élimine les multiples pistons réciproques, les rotules et le plateau oscillant d'un moteur à « barillet » conventionnel, mais dépend essentiellement de l'étanchéité efficace assurée par les surfaces coulissantes et rotatives.

L'avantage principal de la conception axiale est que les cylindres sont disposés en parallèle autour de l'arbre de sortie/vilebrequin, contrairement aux moteurs radiaux et en ligne , les deux types ayant des cylindres perpendiculaires à l'arbre. Il s'agit donc d'un moteur cylindrique très compact, ce qui permet de faire varier le taux de compression du moteur pendant son fonctionnement. Dans un moteur à plateau oscillant, les tiges de piston restent parallèles à l'arbre, et les forces latérales du piston qui provoquent une usure excessive peuvent être éliminées presque complètement. Le palier de pied de bielle traditionnel, l'un des paliers les plus problématiques d'un moteur traditionnel, est éliminé.

Bien que les moteurs axiaux soient difficiles à rendre utilisables à des régimes de fonctionnement typiques, certains moteurs à cames ont été testés, offrant une taille extrêmement compacte (de l'ordre d'un cube de six pouces (150 mm)) tout en produisant environ quarante chevaux à environ 7 000 tr/min, ce qui est utile pour les applications aériennes légères. L'attrait des moteurs légers et mécaniquement simples (beaucoup moins de pièces mobiles majeures, sous la forme d'un rotor plus douze aubes axiales formant vingt-quatre chambres de combustion), même avec une durée de vie limitée, a une application évidente pour les petits aéronefs sans pilote.

En 1911, la Macomber Rotary Engine Company de Los Angeles commercialisa l'un des premiers moteurs à combustion interne axiaux, fabriqué par la Avis Engine Company d' Allston, Massachusetts . Il s'agissait d'un moteur à quatre temps refroidi par air, doté de sept cylindres et d'un taux de compression variable, modifié en modifiant l'angle du plateau oscillant et donc la longueur de la course du piston. On l'appelait « moteur rotatif », car l'ensemble du moteur tournait à l'exception des carters d'extrémité.

L'allumage était assuré par une magnéto Bosch entraînée directement par les engrenages à cames. Le courant haute tension était ensuite acheminé vers une électrode fixe sur le carter de palier avant, d'où les étincelles jaillissaient vers les bougies d'allumage des culasses lorsqu'elles passaient à moins de 1,6 mm ( 1/16 po) de celle-ci. Selon la documentation de Macomber, il était « garanti de ne pas surchauffer ».

Le moteur était censé tourner entre 150 et 1 500 tr/min. À la vitesse normale de 1 000 tr/min, il développait 50 ch. Il pesait 100 kg et mesurait 710 mm de long sur 480 mm de diamètre.

L'aviateur pionnier Charles Francis Walsh pilota un avion propulsé par un moteur Macomber en mai 1911, le « Walsh Silver Dart ».

En 1913, Statax-Motor de Zurich , en Suisse, a introduit un moteur à plateau oscillant. Un seul prototype a été produit, qui est actuellement conservé au Science Museum de Londres . En 1914, la société a déménagé à Londres pour devenir la Statax Engine Company et a prévu d'introduire une série de moteurs rotatifs ; un 3 cylindres de 10 ch, un 5 cylindres de 40 ch, un 7 cylindres de 80 ch et un 10 cylindres de 100 ch.

Il semble que seul le modèle de 40 ch ait été produit, installé sur un Caudron G.II pour le Derby aérien britannique de 1914 , mais retiré avant le vol. Hansen a présenté une version entièrement en aluminium de ce modèle en 1922, mais on ne sait pas s'ils l'ont produite en quantité. Des versions bien améliorées ont été introduites par la division allemande de Statax en 1929, produisant 42 ch dans une nouvelle version à soupapes en manchon connue sous le nom de 29B . Greenwood et Raymond de San Francisco ont acquis les droits de brevet pour les États-Unis, le Canada et le Japon, et ont prévu un 5 cylindres de 100 ch et un 9 cylindres de 350 ch.

En 1917, Anthony Michell obtient des brevets pour son moteur à plateau oscillant. Sa particularité réside dans le transfert de la charge des pistons au plateau oscillant, grâce à des patins basculants glissant sur un film d'huile. Une autre innovation de Michell est son analyse mathématique de la conception mécanique, incluant la masse et le mouvement des composants, de sorte que ses moteurs soient en parfait équilibre dynamique à toutes les vitesses.

En 1920, Michell a créé la Crankless Engines Company à Fitzroy (Australie) et a produit des prototypes fonctionnels de pompes, de compresseurs, de moteurs de voiture et de moteurs d'avion, tous basés sur la même conception de base.

Le concepteur de moteurs Phil Irving a travaillé pour la Crankless Engine Company avant de rejoindre HRD .

Plusieurs entreprises ont obtenu une licence de fabrication pour la conception de Michell. La plus prospère d'entre elles était la société britannique Waller and Son, qui produisait des propulseurs à gaz.

Le plus gros moteur sans vilebrequin Michell était le XB-4070, un moteur d'avion diesel construit pour la marine américaine. Composé de 18 pistons, il était évalué à 2 000 chevaux et pesait 2 150 livres.

Des moteurs à barillet expérimentaux destinés à l'aviation furent construits et testés par l'Américain John O. Almen de Seattle, Washington , au début des années 1920. Au milieu des années 1920, l' Almen A-4 refroidi par eau (18 cylindres, deux groupes de neuf cylindres opposés horizontalement) avait passé avec succès les tests d'acceptation de l' United States Army Air Corps . Cependant, il n'entra jamais en production, apparemment en raison de fonds limités et de l'importance croissante accordée par l'Air Corps aux moteurs radiaux refroidis par air . L'A-4 avait une surface frontale beaucoup plus petite que les moteurs refroidis par eau de puissance comparable, et offrait ainsi de meilleures possibilités de rationalisation. Il était évalué à 425 ch (317 kW) et ne pesait que 749 livres (340 kg), offrant ainsi un rapport puissance/poids supérieur à 1:2, une réussite de conception considérable à l'époque.

Heraclio Alfaro Fournier était un aviateur espagnol qui fut anobli à l'âge de 18 ans par le roi Alphonse XIII d'Espagne pour avoir conçu, construit et piloté le premier avion d'Espagne. Il a développé un moteur à barillet pour l'aviation qui a ensuite été produit par l' Indian Motocycle Manufacturing Company sous le nom d' Alfaro . C'était un parfait exemple de conception « tout mettre dedans », car il comprenait un système de soupape à manchon basé sur une culasse rotative, une conception qui n'est jamais entrée en production sur aucun moteur. Il a ensuite été développé pour être utilisé dans l' hélicoptère Doman par Stephen duPont, fils du président de l'Indian Motorcycle Company, qui avait été l'un des étudiants d'Alfaro au Massachusetts Institute of Technology .

Le moteur axial Bristol du milieu des années 1930 a été conçu par Charles Benjamin Redrup pour la Bristol Tramways and Carriage Company ; il s'agissait d'un moteur à plateau oscillant de 7 litres et 9 cylindres. Il a été conçu à l'origine comme un groupe motopropulseur pour les bus, peut-être parce que son format compact lui permettrait d'être installé sous le plancher du véhicule. Le moteur avait une seule soupape rotative pour contrôler l'admission et l'échappement. Plusieurs variantes ont été utilisées dans les bus Bristol à la fin des années 1930, le moteur passant par plusieurs versions du RR1 au RR4, qui avaient une puissance de sortie de 145 ch à 2900 tr/min. Le développement a été interrompu en 1936 suite à un changement de direction de la société Bristol.

Le moteur à plateau oscillant britannique Wooler de 1947 est peut-être le plus raffiné de ces modèles. Ce moteur à 6 cylindres a été conçu par John Wooler, plus connu comme concepteur de moteurs de motos, pour une utilisation dans les avions. Il était similaire au moteur axial Bristol mais possédait deux plateaux oscillants, entraînés par 12 pistons opposés dans 6 cylindres. Le moteur est souvent appelé à tort moteur à plateau oscillant. Un seul exemplaire est conservé dans la galerie des avions du Science Museum de Londres.

Certains petits moteurs à canon ont été produits par HLF Trebert Engine Works de Rochester, New York, pour un usage marin.

Le moteur Dyna-Cam est à l'origine une conception des frères Blazer, deux ingénieurs américains de l' industrie automobile de l'ère du laiton qui travaillaient pour Studebaker en 1916. Ils ont vendu les droits à Karl Herrmann, le directeur technique de Studebaker, qui a développé le concept pendant de nombreuses années, pour finalement obtenir le brevet américain 2237989 en 1941. Il possède 6 pistons à double extrémité fonctionnant dans 6 cylindres, et ses 12 chambres de combustion sont alimentées à chaque tour de l'arbre de transmission. Les pistons entraînent une came de forme sinusoïdale, par opposition à un plateau oscillant ou à un plateau oscillant, d'où son nom.

En 1961, à l'âge de 80 ans, Herrmann vendit les droits à l'un de ses employés, Edward Palmer, qui créa la Dyna-Cam Engine Corp. avec son fils Dennis. Le fils d'Edward, Dennis, et sa fille Pat aidèrent ensuite à installer le moteur dans un avion Piper Arrow . Le moteur vola pendant environ 700 heures de 1987 à 1991. Leur moteur à la plus longue durée de vie fonctionna pendant près de 4 000 heures avant d'être révisé. Dyna-Cam ouvrit un centre de recherche et développement vers 1993 et ​​remporta de nombreux prix de la NASA, de la marine américaine, du corps des marines des États-Unis, de la California Energy Commission, de l'Air Quality Management District et de la Los Angeles Regional Technology Alliance pour différentes variantes du même moteur Dyna-Cam. Environ 40 prototypes de moteurs furent construits par le groupe Herrmann et 25 autres par le groupe Dyna-Cam depuis qu'ils acquièrent le moteur et ouvrent leur atelier. Un nouveau brevet a été accordé à Dennis Palmer et Edward Palmer, le premier en 1985, puis plusieurs autres vers 2000 à Dennis Palmer. En 2003, les actifs de la Dyna-Cam Engine Corporation ont été acquis par Aero-Marine Corporation, qui a changé son nom en Axial Vector Engine Corporation. Axial Vector a ensuite totalement repensé le moteur à cames. Le nouveau moteur d'Axial Vector, comme beaucoup d'autres sur cette liste, souffre du problème du « tout mettre », y compris les soupapes et l'allumage piézoélectriques , les chemises de cylindre en céramique sans segments de piston et une variété d'autres fonctionnalités avancées. Il a peu de similitudes avec les moteurs Herrmann et Dyna-Cam d'origine, puisque le moteur Dyna-Cam utilisait des soupapes, des segments de piston et des accessoires conventionnels, n'avait pas de matériaux céramiques non éprouvés et a réellement volé dans un avion et a également propulsé un bateau de ski « Eliminator » de 20 pieds (6,1 m) pendant plus de quatre ans.

La société britannique Covaxe Limited (connue sous le nom de FairDiesel Limited jusqu'en 2017) conçoit des moteurs diesel à deux temps à pistons opposés qui utilisent des cames non sinusoïdales, pour des applications industrielles et aéronautiques. Leurs modèles de moteurs vont d'un 2 cylindres, alésage de 80 mm à un 32 cylindres, alésage de 160 mm.

La société néo-zélandaise Duke Engines, fondée en 1993, a créé plusieurs moteurs différents et en a installé un dans une voiture en 1999. Le moteur fonctionne sur une plate-forme de moteur à combustion interne à 5 cylindres, 3 litres, 4 temps avec sa disposition axiale unique, qui en est à sa troisième génération. En raison d'une conception sans soupape, le moteur Duke perd moins d'énergie entre les temps de puissance. Les prototypes actuels des moteurs Duke prétendent correspondre aux caractéristiques des moteurs à combustion interne conventionnels mais avec moins de pièces et 30 % plus légers. Cela va dans le sens du développement d'un moteur plus efficace. Au cours du développement, le Duke a été testé chez MAHLE Powertrain au Royaume-Uni et aux États-Unis ; les résultats des tests montrent qu'il a des capacités multicarburants. Les avantages du moteur Duke en termes de légèreté et de compacité devraient rendre cette conception idéale pour les moteurs de motos ; et ces avantages pourraient également rendre le groupe motopropulseur adapté aux avions légers. (Il existe peu de données sur la question de savoir si le moteur Duke est lisse ; l'arbre principal est doté d'un gros contrepoids).

Un modèle classique de construction espagnole, pistons parallèles fonctionnant en opposition, plateau oscillant sinusoïdal, en 2023 avec deux versions, une de la taille d'une voiture, avec refroidissement liquide, comme prototype, et une unité à quatre cylindres refroidie par air, 125 cc, 22 CV, 4,5 kg, destinée aux drones et aux gros aéromodèles, en phase de pré-production.

Le module d'énergie cylindrique (CEM) est un moteur à plateau oscillant à onde sinusoïdale qui peut également être utilisé comme pompe autonome, alimenté par une source externe. L'ensemble rotor à plateau oscillant rotatif est déplacé d'avant en arrière à l'aide d'axes d'entraînement de piston, qui suivent une piste de came sinusoïdale stationnaire qui encercle l'ensemble rotor.

Le CEM a été conçu par l'inventeur américain Eddie Paul , à l'origine pour être utilisé sur des pompes à incendie . Il a ensuite été adapté pour être utilisé dans les automobiles et devait être utilisé dans le projet non réalisé du Duesenberg Torpedo Coupé en 2005. En tant que groupe motopropulseur du Coupé, le CEM tournerait sur un axe, aspirerait du carburant et assurerait une autolubrification et serait capable de fonctionner à l'essence ou au diesel . Il ne créerait également que 1/6 de la chaleur d'un moteur conventionnel, ce qui signifie que le refroidissement par air serait suffisant.

Une société américaine, Devize Motors, développe actuellement un nouveau moteur utilisant des pistons opposés.

• L'application la plus connue est celle des torpilles , où la forme cylindrique est souhaitable. La torpille moderne Mark 48 est propulsée par un moteur à plateau oscillant de 500 ch couplé à un propulseur à jet-pompe . Elle est alimentée par du carburant Otto II , un monergol qui ne nécessite aucun apport d'oxygène et peut propulser la torpille jusqu'à 65 nœuds (120 km/h) (74,56 mph).
• D'autres applications incluent les moteurs pneumatiques et hydrauliques, les transmissions hydrostatiques telles que la Hondamatic CVT de Honda , et les pompes de climatisation . De plus, certains moteurs Stirling utilisent un agencement de plateau oscillant, par exemple le moteur STM 4-120 de Stirling Thermal Motors.