Des moteurs étranges coincés aux marges du progrès

Le moteur Wankel, le moteur Stirling et divers types d’unités turbo-propulsées ne sont jamais entrés dans le courant dominant de l’automobile. Un certain nombre d’entreprises bien connues — de Mazda à GM, de Mercedes à Volvo — y ont travaillé pendant des décennies. De petites entreprises et des inventeurs individuels ont également persisté. Il s’est pourtant avéré que chaque conception alternative recélait bien plus d’écueils qu’on ne le pensait initialement. Cela ne signifie pas que le développement de groupes motopropulseurs non conventionnels est impossible. Des passionnés continuent de pousser différentes idées en avant, et nous explorons ici quelques-uns des concepts de moteurs les plus exotiques jamais construits.

Moteurs à cycle divisé : deux cylindres, une seule course motrice

Certains concepteurs de moteurs ont conclu que la combinaison classique cylindre, piston, bielle et vilebrequin a fait ses preuves sur plus d’un siècle — et qu’améliorer les moteurs à combustion interne nécessite simplement d’ajuster certains aspects plutôt que de tout réinventer de zéro. Le premier exemple de notre liste est le moteur développé par l’entreprise américaine Scuderi Group, qui conserve les courses classiques d’admission, de compression, de puissance et d’échappement — mais les répartit entre deux cylindres séparés :

• Cylindre froid (compresseur) — gère l’admission et la compression
• Cylindre chaud (de travail) — gère la course motrice et l’échappement

Pendant que le gaz se détend dans le cylindre de travail, une course d’admission s’effectue dans le cylindre froid compresseur. Lorsque le cylindre de travail évacue les gaz, le cylindre compresseur comprime. En fin de course de compression, les deux pistons approchent de leurs points morts hauts, le mélange transite par un canal de dérivation du cylindre froid vers le cylindre chaud où il est enflammé. Ce cycle divisé — essentiellement un cycle Otto modifié — a été breveté en 2006, et en 2009 le Scuderi Group a construit le prototype pilote du Scuderi Split Cycle Engine.

Les cylindres compresseur et de travail peuvent avoir des diamètres et des courses de piston différents, ce qui permet d’ajuster les paramètres du moteur avec souplesse — fonctionnant comme un analogue du cycle Miller avec une détente de gaz supplémentaire. En ajoutant une rampe avec des clapets et une bouteille haute pression au canal entre les cylindres, le moteur peut récupérer de l’énergie au freinage et la restituer à l’accélération. Cependant, depuis un certain nombre d’années, les activités du Scuderi Group se limitent aux prototypes et aux apparitions dans les salons professionnels. Les gains d’efficacité réels n’ont pas encore justifié la complexité considérable de cette conception.

L’entreprise croate Paut Motor s’est elle aussi tournée vers le cycle de travail divisé. Sa conception espacée a attiré l’attention pour plusieurs raisons :

• Nettement moins de pièces mobiles que les moteurs conventionnels
• Pertes par frottement réduites
• Bruit de fonctionnement diminué
• Dimensions compactes : 500×440×440 mm pour une cylindrée de 7 litres
• Masse d’environ 135 kg — soit environ la moitié d’un moteur traditionnel de même cylindrée

L’absence d’huile dans le carter nécessite bien un réservoir de lubrification externe, mais les inventeurs ont considéré cela comme un compromis acceptable. Plusieurs prototypes ont été construits, bien que la puissance finale n’ait jamais été officiellement déterminée. Le dernier prototype a été assemblé en 2011, et le projet est depuis au point mort.

Le moteur deux-temps Bonner : complexité maximale, objectifs ambitieux

Le moteur deux-temps Bonner (du nom de son commanditaire, Bonner Motor) a été inventé en 2006 aux États-Unis par Walter Schmid et pousse la complexité mécanique encore plus loin. Comme le Paut Motor, ses cylindres sont disposés en configuration X, et le vilebrequin effectue un mouvement planétaire via un système d’engrenages. Ses caractéristiques principales comprennent :

• Des soupapes dans le fond des cylindres et des distributeurs rotatifs à tiroir dans le corps du moteur pour la distribution des gaz
• Des pistons externes pouvant se déplacer légèrement sous pression d’huile pour assurer un taux de compression variable
• Un rapport puissance/poids élevé comme objectif principal de conception

En théorie, le moteur Bonner semble convaincant. Dans la pratique, cependant, aucune nouvelle significative n’a émergé du projet depuis des années — apparemment, il n’a pas répondu aux attentes.

Moteurs axiaux : les cylindres disposés comme un revolver

D’autres inventeurs ont conservé les cycles de travail du moteur à combustion interne, mais ont repensé la disposition physique de ses composants. Les moteurs axiaux, qui existent depuis plus d’un siècle, en sont un exemple emblématique. Ils varient dans leurs détails mais partagent un principe commun : les cylindres sont disposés comme des cartouches dans un barillet de revolver, coaxialement à l’arbre de sortie. Différents mécanismes — tels que des broches inclinées et des rondelles coniques — convertissent le mouvement alternatif des pistons en rotation de l’arbre.

Le projet Duke Engines, originaire de Nouvelle-Zélande, en est une variante notable : un moteur axial quatre-temps à cinq cylindres d’une cylindrée de 3 litres. Par rapport à un moteur conventionnel de même cylindrée, l’unité Duke offrait :

• 19 % de masse en moins
• 36 % d’encombrement réduit
• Un potentiel d’application polyvalent dans les secteurs automobile, maritime et aéronautique

Des promesses ambitieuses ont été faites quant à son adoption généralisée — mais les rêves de conquérir le monde sont restés des rêves.

Le moteur RadMax de l’entreprise canadienne Reg Technologies pousse le concept axial encore plus loin. Au lieu de cylindres discrets, une douzaine de compartiments sont formés à l’intérieur d’un tambour commun à l’aide de lames minces. Des plaques montées dans des rainures du rotor se déplacent le long de celles-ci à mesure que le rotor tourne, et des surfaces courbes aux extrémités du tambour définissent les trajectoires des lames et contrôlent les échanges de gaz. Caractéristiques notables :

• Compatible avec plusieurs types de carburant, bien que le diesel ait été le premier objectif
• Un prototype de 2003 ne mesurait que 152 mm de diamètre et de longueur, tout en produisant 42 chevaux — bien plus qu’un moteur conventionnel de taille équivalente
• Des prototypes ultérieurs auraient atteint 127 ch et 380 ch

Malgré ces chiffres prometteurs, toute l’activité de RadMax semble demeurer au stade expérimental.

Moteurs toroïdaux : quand le cylindre devient un beignet

Le moteur VGT (Variable Geometry Toroidal Engine) de l’entreprise canadienne désormais disparue VGT Technologies est un autre cas d’étude où la théorie surpasse la pratique. Testé pour la première fois en 2005, ce moteur remplace le cylindre conventionnel par un toroïde — une chambre en forme de beignet — à l’intérieur duquel tourne un rotor équipé d’une paire de pistons solidaires.

Un disque de distribution mince avec une découpe pour les pistons tourne à travers le toroïde via une transmission par courroie, restreignant le mélange air-carburant pendant la compression et la course motrice. En 2009, les entrepreneurs américains Gary Kelley et Rick Ivas ont développé indépendamment un moteur toroïdal très proche de la conception canadienne. Leurs estimations suggéraient qu’un toroïde d’un demi-mètre de diamètre délivrerait :

• 230 chevaux
• Environ 1 000 N·m de couple
• Le tout à seulement 1 050 tr/min

Leur entreprise, Garric Engines, n’affiche désormais qu’un message succinct sur son site web : « Merci de votre intérêt. La page pourra être mise à jour ultérieurement. »

Le moteur à nutation : des disques oscillants à la place des pistons

Un sort légèrement plus prometteur pourrait attendre le moteur à nutation inventé par l’Américain Leonard Meyer en 2006 — plusieurs exemplaires fonctionnels ont au moins été construits. Le nom dérive du latin nutatio (hochement ou oscillation). La conception de Meyer forme quatre chambres de travail à volume variable entre le corps du moteur et un disque qui effectue une nutation (oscille) d’un côté à l’autre, faisant office de piston. Le disque est coupé en deux selon son diamètre et enfilé sur un arbre de sortie en Z, tandis que des canaux et des soupapes dans le corps assurent les échanges de gaz.

Des prototypes ont été construits par Baker Engineering et sa société sœur Kinetic BEI, avec des résultats impressionnants :

• Disque unique de 102 mm : 7 ch
• Double disque de 203 mm : 120 ch
• Dimensions du moteur à deux disques : 500 mm de longueur, 300 mm de diamètre, cylindrée de 3,8 litres
• Rapport puissance/poids : 2,5 à 3 ch/kg contre 1 à 2 ch/kg pour les moteurs atmosphériques produits en série

La puissance spécifique par litre est moins impressionnante, mais la densité de puissance est notable. Baker et Kinetic semblent affiner la conception, bien que l’activité sur leurs sites web demeure limitée.

LiquidPiston : le moteur Wankel retourné à l’envers

Les concepts de moteurs rotatifs continuent de captiver les innovateurs, comme si s’éloigner de l’arrangement familier piston-cylindre promettait intrinsèquement de meilleures performances. Nikolay Shkolnik, un ancien ingénieur soviétique qui s’est établi aux États-Unis, et son fils Alexander ont développé un moteur qui ressemble au moteur Wankel retourné à l’envers. Un rotor en forme d’arachide tourne à l’intérieur d’une chambre triangulaire — la même géométrie de base que le Wankel — mais, point crucial, les joints sont fixés aux parois de la chambre plutôt qu’au rotor.

Les Shkolnik ont fondé LiquidPiston pour développer le concept, attirant un cofinancement de la DARPA pour une utilisation potentielle dans :

• Les aéronefs légers et les drones
• Les générateurs d’énergie portables
• Les groupes motopropulseurs de véhicules hybrides

Un prototype de 23 cm³ atteint déjà un rendement thermique de 20 % — impressionnant pour cette classe de cylindrée. L’équipe vise désormais un prototype diesel d’environ 13 kg développant 40 ch, avec un rendement thermique projeté grimpant à 45 %.

Le moteur à piston oscillant : passer au carré

Le dernier moteur de notre revue prouve que l’attrait d’une unité plate et compacte est bien réel — et que les rotors ne sont pas le seul moyen d’y parvenir. Le moteur à piston oscillant de Pivotal Engineering met tout simplement le piston traditionnel au carré, rendant le cylindre rectangulaire en vue de dessus. Ce design deux-temps existe depuis plusieurs années, au cours desquelles un certain nombre de prototypes ont propulsé aussi bien des motos que des aéronefs.

L’entreprise cible principalement les applications aéronautiques, et la conception offre quelques avantages réels :

• Rapports puissance/poids et puissance/encombrement élevés
• Excellent potentiel de suralimentation, permis par un canal de refroidissement liquide traversant l’axe fixe du piston — un exploit difficile à réaliser dans les architectures de moteurs conventionnels
• Faible encombrement en hauteur, le rotor carré pouvant être rendu très mince

Autres concepts de moteurs exotiques à connaître

Il existe de nombreuses conceptions de moteurs exotiques remarquables au-delà de celles présentées ici. Quelques mentions honorables :

• Moteur Wankel à 12 rotors — poussant le concept rotatif de Mazda à l’extrême
• Moteur Knight à soupapes à manchon — une conception vieille d’un siècle qui a brièvement rivalisé avec la soupape à champignon
• Moteurs à pistons opposés — deux pistons partageant un même cylindre, sans culasse
• Moteurs à taux de compression variable — permettant un ajustement en temps réel de la compression pour optimiser l’efficacité selon les conditions de charge
• Moteurs cinq-temps — ajoutant un cylindre de détente dédié pour extraire davantage de travail des gaz de combustion
• Moteurs à pales rotatives — dont les composants du rotor se déplacent comme des lames de ciseaux qui convergent et divergent

Pourquoi les moteurs alternatifs n’atteignent-ils pas la production en série ?

Même un bref panorama des conceptions non conventionnelles de moteurs à combustion interne révèle un schéma frappant : des dizaines d’idées ingénieuses, très peu de véhicules de série. Les obstacles récurrents sont constants :

• Usure des joints — les conceptions rotatives échouent fréquemment en raison de la dégradation des joints d’apex au fil du temps
• Charges mécaniques alternées — les concepts à pales rotatives souffrent de fatigue au niveau de la liaison pale-arbre
• Complexité de fabrication — les géométries exotiques sont coûteuses et difficiles à produire à grande échelle
• Fiabilité et longévité — les moteurs non conventionnels n’égalent que rarement le bilan de durabilité des moteurs à pistons traditionnels, affinés sur plus de 100 ans

La deuxième raison pour laquelle les moteurs alternatifs peinent à s’imposer est que la technologie des moteurs à combustion interne conventionnels n’est pas restée immobile. Les derniers moteurs à essence utilisant le cycle Miller atteignent un rendement thermique allant jusqu’à 40 % même sans suralimentation — un chiffre remarquable, étant donné que la plupart des moteurs à essence n’atteignent que 20 à 30 %, et les moteurs diesel 30 à 40 % (les grands diesels marins atteignant jusqu’à 50 %).

Plus important encore, l’alternative mondiale au moteur à combustion interne est déjà là : les moteurs électriques et les piles à combustible. Si les inventeurs derrière ces curiosités exotiques ne résolvent pas leurs défis techniques très prochainement, ils pourraient trouver qu’il n’existe plus de marché pour eux — les véhicules électriques auront déjà pris la route.

Ceci est une traduction. Vous pouvez lire l’original ici : https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html