Pendant la Seconde Guerre mondiale, les ingénieurs du régime nazi ont conçu 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 envoyer en l'air.
Heureusement pour les Alliés, l'ingénierie de leur côté a finalement fait basculer le pendule de la supériorité aérienne à leur avantage. Un moteur robuste et non conventionnel dont beaucoup de gens n'ont probablement jamais entendu parler aujourd'hui a aidé 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. Grâce à 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 exactement, et qu'est-ce que c'est que ce drôle de nom ? Et pourquoi ne les voyons-nous pas ou n'en entendons-nous pas beaucoup parler 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 qui le contient s'alignent à des intervalles prévisibles pour expulser les gaz d'échappement et aspirer de l'air frais.
Malgré son bilan honorable dans les forces armées, la configuration complexe des soupapes à manchon a perdu au profit de ce que nous utilisons aujourd'hui dans les moteurs à combustion interne, les soupapes à poussoir. Dans les avions, bien sûr, les moteurs à pistons de tous types ont largement cédé la place aux moteurs à réaction.
Mais attendez, ne considérez pas encore la vanne à manchon comme une relique historique inutile.
Au moins une entreprise cherche à remettre en service le vénérable moteur à soupapes à manchon, mais avec quelques rebondissements modernes.
Dans les prochaines pages, nous verrons 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 aujourd'hui, plus d'un siècle après son invention, pour servir dans un autre type de "combat".
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Arrivé comme il l'a fait au plus fort 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 devant son intelligence. Et cot-cot devant sa grande complexité.
Alors là, vous êtes 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 à faire qu'il défie presque toute description. Mais nous essaierons. Les moteurs à soupapes à manchon, comme leurs homologues à soupapes à poussoir, peuvent se présenter sous de nombreuses configurations différentes. Un de ces arrangements, les moteurs radiaux à soupapes à manchon utilisés dans 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, d'abord et avant tout, le système populaire avec lequel la plupart d'entre nous sont familiers, un moteur à soupapes à champignon. Les soupapes à champignon sont la norme de facto sur les moteurs à combustion interne d'aujourd'hui. Avec eux, les soupapes en forme de champignon sous la tension des 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, d'autre part, utilise un manchon coulissant, parfois rotatif, pour contrôler la quantité d'air et de carburant qui explose 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 à l'intérieur de chaque manchon, même lorsque le manchon glisse d'avant en arrière. Le mouvement du manchon est entraîné par des engrenages reliés au vilebrequin.
Toujours se gratter la tête sur ce qui se passe exactement ? Voici les étapes :
Maintenant, multipliez cela par plusieurs cylindres et ajoutez un vilebrequin pour qu'ils tournent, et vous obtenez un moteur à soupapes à manchon !
Si cela semble compliqué, eh bien, c'est parce que ça l'est. L'un des principaux coups contre ces moteurs était qu'ils étaient si complexes. 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.
Lancez votre tourbillon :Vannes à manchon et efficacité volumétriqueAlors pourquoi quelqu'un voudrait-il faire le singe avec un moteur aussi compliqué ? Après tout, ils étaient notoirement assoiffés d'huile lubrifiante; et ils n'aimaient pas 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. De plus, la disposition des orifices offre de meilleures caractéristiques de tourbillon. C'est de l'ingénierie car ils créent de l'air turbulent, ce qui permet au mélange d'air et de carburant de brûler plus efficacement [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 claquement créé par les soupapes de la voiture était une douleur sérieuse dans les oreilles. Il a donc fait ce que ferait tout entrepreneur qui se respecte ayant une formation en machines industrielles :il a entrepris de construire lui-même un meilleur moteur.
Avec le soutien d'un riche bailleur de fonds, il a développé et testé de manière approfondie des prototypes. En 1906, il avait fait suffisamment de progrès pour dévoiler sa voiture "Silent Knight" à 4 cylindres et 40 chevaux au Salon de l'auto de Chicago.
Le moteur Knight comportait non 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 champignon bruyantes et fragiles de l'époque, les constructeurs automobiles américains lui ont d'abord donné l'épaule froide.
Knight et son bienfaiteur financier L.B. Kilbourne s'est considérablement mieux comporté à l'étranger. Après quelques améliorations de la conception, le moteur Knight a trouvé sa place 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 des soupapes à manchon, y compris des constructeurs automobiles aux États-Unis. Les voitures et camions légers Willys, Daimler et Mercedes-Benz, entre autres, ont utilisé le moteur à soupapes à manchon Knight [source :Wells].
Cependant, dans les années 1920, la conception des vannes à manchon avait dépassé la configuration de manchon dans un manchon de Knight. Les conceptions à manchon unique, y compris le Burt-McCollum, étaient plus légères, moins complexes et moins coûteuses à construire, et donc préférables aux fabricants. Avec d'autres modifications apportées par des fabricants de moteurs tels que Bristol et Rolls-Royce, ils prendraient même leur envol.
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 les genoux d'un machiniste local lorsqu'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 :
"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 premiers et des tentatives de conception et de fabrication très grossières que de toute autre chose" [source :Université de Cambridge].
Ricardo, à l'âge adulte d'ingénieur, était un surdoué 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 des années de la Seconde Guerre mondiale a peut-être été son travail sur l'amélioration du moteur à soupapes à manchon.
Ricardo a émis l'hypothèse dans les années 1920 qu'un moteur d'avion à soupapes à manchon pouvait générer une puissance supérieure à celle d'un moteur à soupapes à poussoir comparable, car il pouvait générer un taux de compression plus élevé.
Il s'est avéré qu'en 1941, des avions britanniques, dont l'avion de chasse Supermarine Spitfire, subissaient les coups du Focke-Wulf Fw 190 supérieur allemand. Les Fw 190 ont également lancé des raids d'attaque au sol sur des 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 était capable non seulement d'abattre les intrus rapides de la Luftwaffe, mais aussi de 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 alors qu'ils resserraient l'étau sur les nazis et mettaient fin à la guerre en Europe [source :Rickard].
Malgré le bilan militaire exemplaire du moteur à soupapes à manchon, l'écriture était sur le mur :les moteurs à réaction allaient dominer 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 faits maison et sur des sites Web dans les décennies à venir. Certains modèles réduits d'avions utilisent des moteurs miniatures à soupapes à manchon. Et il est concevable que la technologie connaisse une résurgence sur certains des marchés automobiles les plus importants et les plus dynamiques au monde.
Alors, 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 d'anciens concepts et leur donner une nouvelle tournure lorsqu'il manque de nouvelles idées, l'industrie automobile fait de même. Les voitures électriques, vous vous en souvenez peut-être, étaient très importantes avant (ironiquement) que le démarreur électrique ne rende les voitures à combustion interne très pratiques. L'électricité a pratiquement disparu de l'automobile traditionnelle jusqu'à ce que les préoccupations environnementales la ramènent de la tombe au tournant du siècle.
Et donc, de la même manière, l'affaire pourrait se dérouler avec le moteur à soupapes à manchon endormi. Comme le dit le dicton, "ce qui est vieux redevient nouveau".
Pinnacle Technologies, basée à San Carlos, en Californie, compte sur la demande refoulée de transport propre et bon marché en Asie pour adopter son interprétation moderne de la vanne à manchon. Un nouveau moteur est basé sur ce que la société 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 offre l'économie 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 publié par la société
Pinnacle dit ne pas craindre que les véhicules électriques rendent sa technologie obsolète de sitôt. Au lieu de cela, il pense qu'il existe une grande opportunité de desservir des marchés en croissance rapide tels que l'Inde et la Chine. Eux 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 valve 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 commencerait en 2013.
En tant que grand connaisseur d'avions militaires, j'avais entendu parler de moteurs à soupapes à manchon avant cette mission. Mais c'était à peu près tout. 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" n'étaient pour moi qu'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 immédiatement frappé de crainte et d'admiration. Comment les gens d'il y a 100 ans ont-ils trouvé tous les angles, tolérances, équilibres de poids nécessaires et plus encore 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 originaux. On pourrait dire que les moteurs originaux à soupapes à manchon du XXe siècle étaient "sur-conçus" - c'est-à-dire qu'ils étaient trop compliqués pour leur propre bien. Ou peut-être simplement que, dépourvus des avancées 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.
