Pendant la Seconde Guerre mondiale, les ingénieurs nazis ont construit certaines des armes aériennes les plus puissantes que le monde ait jamais vues. Le Focke-Wulf Fw 190 n’était pas seulement un autre chasseur ; pendant un certain temps, il a surpassé tout ce que les Alliés pouvaient voler. C’était rapide. C’était mortel. Et c’était un problème.
Heureusement pour les puissances alliées, l’ingénierie a finalement fait reculer le pendule. Ils n’ont pas gagné avec une bombe plus flashy ou une bombe plus rapide. Ils ont gagné avec un moteur dont la plupart des gens n’ont jamais entendu parler aujourd’hui. Un groupe motopropulseur robuste et non conventionnel a neutralisé la Luftwaffe. À sa manière, ce moteur a contribué à gagner la guerre.
Le moteur à soupapes à manchon propulsait des chasseurs britanniques rapides comme le Hawker Typhoon et le Hawker Tempest. Avec leur puissance brute, ces avions contrôlaient le ciel. Ils ont fourni un soutien aérien aux troupes terrestres. Ils ont mis fin au conflit.
Mais qu’est-ce qu’un moteur à manchon ? Pourquoi porte-t-il un nom si bizarre ? Et pourquoi a-t-il presque disparu aujourd’hui ?
Comment fonctionne le moteur à manchon
Le nom vient du matériel. Des manchons métalliques à paroi mince glissent de haut en bas à l’intérieur de chaque cylindre. Les trous dans le manchon et les trous dans la paroi du cylindre s’alignent à des intervalles prévisibles. Ce mouvement aspire de l’air frais et expulse les gaz d’échappement.
Cela a fonctionné. Mais la configuration complexe a perdu au profit des soupapes à poussoir que nous utilisons aujourd’hui dans les moteurs à combustion interne. Dans l’aviation, les moteurs à pistons ont largement cédé la place aux avions à réaction.
Ne le considérez pas encore comme une relique inutile.
Au moins une entreprise tente de ramener le vénérable robinet à manchon. Il revient avec des touches modernes. Nous regardons ce qui le fait tourner. Pourquoi il est tombé en disgrâce. Et pourquoi il est appelé maintenant pour un autre type de combat.
La technologie derrière le bruit
Arrivé au plus fort de l’ère industrielle, le moteur à soupapes à manchon ressemble à un accessoire d’un roman steampunk. Les ingénieurs modernes s’émerveillent de son intelligence. Ils gloussent également devant sa grande complexité.
C’est une belle chose une fois qu’on comprend les pièces. Retroussez vos manches. Nous sommes déprimés et sales.
Ce moteur défie toute description simple. Mais voici la logique de base. Les moteurs à soupapes à manchon peuvent se présenter dans de nombreuses configurations. Un arrangement, le moteur à soupapes à manchon radial utilisé sur les avions, ressemble à un croisement entre un robot Rock ‘Em Sock ‘Em et une sentinelle de The Matrix.
Pour l’obtenir, comprenez d’abord ce que ce n’est pas. Ce n’est pas le moteur à soupapes à clapet. Les vannes à clapet sont aujourd’hui la norme de facto. Les vannes en forme de champignon s’ouvrent et se ferment de manière rythmique sous la tension du ressort. Ils contrôlent le carburant, l’air et les déchets.
La vanne à manchon utilise un manchon coulissant, parfois rotatif. Il contrôle la quantité d’air et de carburant qui explose à chaque course de compression. Le principe est le même. Allumez le carburant et l’air. Entraîner les pistons. Faites tourner un vilebrequin.
Sur les conceptions où le manchon tourne, les orifices découpés s’alignent avec les orifices d’admission ou d’échappement. Cela dépend du coup. Un piston monte et descend dans le manchon. La manche glisse d’avant en arrière. Les engrenages connectés au vilebrequin entraînent le mouvement du manchon.
Vous vous grattez toujours la tête ? Voici les étapes.
- Course de compression : Le piston s’approche du point mort haut. Tous les ports sont fermés. La bougie d’allumage se déclenche. Le mélange carburant/air s’enflamme.
- Course de combustion : L’allumage force le piston vers le bas. Lorsqu’il atteint le point mort bas, le revêtement se déplace. Ses ouvertures découpées s’alignent avec les orifices d’échappement du cylindre.
- Course d’échappement : Les gaz d’échappement sont expulsés. Le piston remonte. Les ports d’échappement se ferment.
- Course d’admission : Le manchon tourne dans l’autre sens. Il expose les ports d’admission d’air. Le piston descend. Il aspire de l’air frais. Le manchon se déplace pour fermer l’orifice d’admission. Le processus se répète.
Multipliez cela par plusieurs cylindres. Ajoutez un vilebrequin. Vous possédez vous-même un moteur à manchons.
Si cela semble compliqué, ça l’est. L’un des principaux inconvénients de ces moteurs était leur complexité. Cela a du sens quand on voit le processus en action. Regardez des vidéos pour le visualiser.
Pourquoi l’efficacité volumétrique est importante
Alors pourquoi faire des conneries avec un moteur aussi compliqué ? Ils étaient notoirement assoiffés d’huile lubrifiante. Ils n’aimaient pas les impuretés comme le gravier.
La réponse est l’efficacité volumétrique.
Ces moteurs sont bien meilleurs que les moteurs ordinaires pour faire entrer et sortir l’air de la chambre de combustion. La disposition des ports offre de meilleures caractéristiques de tourbillonnement. C’est du génie pour créer de l’air turbulent. Le mélange air-carburant brûle plus efficacement.
“La soupape à manchon, quant à elle, utilise un manchon coulissant, parfois rotatif, pour contrôler la quantité d’air et de carburant qui explose à chaque course de compression.”
Charles Yale Knight n’était pas seulement le fils d’un agriculteur de l’Indiana avec un cahier. C’était un homme qui détestait le bruit. Vers 1901, il a acheté une automobile Knox à trois roues principalement pour se rendre à son journal agricole. Le cliquetis mécanique des segments de piston et des soupapes à clapet était insupportable. Cela a ruiné sa paix. Il a donc fait ce que font les ingénieurs lorsqu’ils sont ennuyés. Il a construit un moteur plus silencieux.
Avec l’argent d’un riche bailleur de fonds, Knight ne s’est pas contenté de peaufiner un design. Il a réinventé le système de soupapes. En 1906, il dévoile le « Silent Knight » au Salon de l’auto de Chicago. Il s’agissait d’une machine 4 cylindres de 40 chevaux qui défiait le statu quo.
L’ingénierie était élégante dans sa simplicité. La plupart des moteurs de l’époque utilisaient des soupapes à clapet, ces petites structures en forme de marteau qui s’ouvrent et se ferment. Ils étaient bruyants. Ils étaient fragiles. Ils nécessitaient des ajustements fréquents. La solution de Knight ? Deux manchons par cylindre.
Considérez-le comme un piston dans un piston. Le manchon intérieur s’est glissé dans un manchon extérieur. Le piston lui-même s’est déplacé à l’intérieur de ce manchon intérieur. Le débit de gaz n’était pas contrôlé par les volets qui s’ouvraient. Elle était contrôlée par le mouvement physique de ces manches. Le résultat fut exactement ce que son nom promettait : le silence.
Les constructeurs automobiles nationaux l’ont ignoré. Pourquoi? Parce qu’ils étaient enfermés dans la fabrication de valves à clapet. L’infrastructure, l’outillage, l’expertise – tout cela rappelait l’ancienne méthode. Le Silent Knight était supérieur en termes de durabilité et de réduction du bruit, mais l’industrie ne voulait tout simplement pas bouger.
Outre-Atlantique, l’histoire était différente.
Les raffinements apportés au design ont attiré l’attention des fabricants britanniques. Daimler en Angleterre (la société d’origine, bien avant la fusion Mercedes-Benz) a adopté cette technologie. Ce n’était pas seulement une nouveauté. C’était une déclaration. D’autres marques ont emboîté le pas. Willys aux États-Unis a finalement fait son apparition, tout comme Mercedes-Benz et Rolls-Royce. Si vous vouliez un luxe tranquille dans les années 1910 et au début des années 20, vous achetiez un moteur Knight.
Mais le progrès ne s’arrête pas. Dans les années 1920, l’architecture des vannes à manchon a commencé à évoluer. La conception à double manche de Knight était robuste, mais elle était lourde. Complexe. Cher à usiner.
Entrez dans le design à manche unique.
Des entreprises comme Burt-McCollum ont simplifié la mécanique. Une manche au lieu de deux. Plus léger. Moins de frictions. Moins cher à produire. Pour les fabricants grand public, les aspects économiques étaient indéniables. Le modèle Knight était dépassé par ses propres successeurs.
Puis vinrent les ailes.
Les constructeurs de moteurs comme Bristol et Rolls-Royce ont repris les concepts raffinés des soupapes à manchon et les ont poussés vers l’aviation. Le moteur d’avion à pistons avait besoin de fiabilité en altitude et d’une puissance délivrée en douceur. Les valves à manchon offraient une grande surface de valve par rapport à leur taille, permettant une meilleure respiration à des régimes élevés. Elles ne souffraient pas des mêmes contraintes thermiques que les vannes à clapet.
Le robinet à manchon n’est pas mort par incompétence. Il a été évincé par l’efficacité et les économies de poids. Mais pendant un bref instant, elle a dominé le monde de l’automobile haut de gamme puis a conquis le ciel.
Pourquoi les vannes à manchon ont échoué lors de la production de masse
La principale raison pour laquelle les vannes à manchon ont disparu du garage du conducteur moyen n’était pas une défaillance technique.
Harry R. Ricardo n’avait pas besoin d’une salle de conférence pour apprendre l’ingénierie. Né à Londres en 1885, celui qui deviendra plus tard Sir Harry Ricardo a passé son enfance jusqu’aux genoux dans l’atelier d’un machiniste local. Il a absorbé la mécanique du mouvement, puis a ramené ces connaissances rudimentaires chez lui pour construire ses propres moteurs. Avec le recul, Ricardo a admis que ces premières tentatives bâclées lui avaient appris plus sur la fabrication réelle que n’importe quelle éducation formelle ne pourrait jamais le faire.
Il a grandi pour devenir un surperformant incurable. Pendant la Première Guerre mondiale, il a peaufiné les moteurs des chars pour contribuer à sortir de l’impasse. Il a été le pionnier du système d’indice d’octane que nous utilisons encore aujourd’hui pour évaluer la qualité du carburant. Mais sa contribution à la Seconde Guerre mondiale fut sans doute la plus significative sur le plan mécanique.
La solution à manchon pour la domination de la Luftwaffe
En 1941, la Royal Air Force était mise à rude épreuve. Le Spitfire britannique, pilier de leur force de chasse, a été surclassé par le Focke-Wulf Fw 190 allemand. Les avions allemands ont lancé des attaques au sol à basse altitude en toute impunité. Rien ne pouvait les rattraper. Rien, jusqu’à l’entrée en service du Hawker Typhoon en 1942.
Le typhon était une bête. Il était propulsé par un moteur Napier Sabre de 2 180 chevaux doté d’une conception de moteur à soupapes. Ricardo avait émis l’hypothèse dans les années 1920 que les moteurs d’avion à soupapes à manchon pouvaient générer des taux de compression plus élevés que les moteurs comparables à soupapes à poussoir, ce qui se traduisait par une plus grande puissance. Il avait raison.
Le couple supplémentaire a permis au Typhoon de se lever et de partir non seulement pour abattre les intrus de la Luftwaffe, mais également pour transporter des bombes. Plus tard dans la guerre, les Typhoons équipés de bombes et de fusées se sont révélés essentiels. Ils ont soutenu les forces terrestres alliées alors que l’étau se resserrait autour des nazis.
“Enfant, j’ai toujours été fasciné par les moteurs et les mouvements mécaniques en général, et par-dessus tout, par le grand mystère de la façon dont de telles choses étaient réellement fabriquées… avec le recul, je pense que j’ai appris plus sur la valeur réelle de ces premières tentatives très rudimentaires de conception et de fabrication que de toute autre chose.”
Pourquoi la technologie des vannes à manchon est importante pour les marchés en développement
Malgré son bilan militaire exemplaire, le moteur à soupapes à manchon a été confronté à une dure réalité. Les moteurs à réaction arrivaient. Ils domineraient l’aviation commerciale et militaire dans les années d’après-guerre. L’âge d’or du moteur à combustion interne pour l’aviation était effectivement révolu.
Mais l’héritage n’a pas disparu. Les passionnés ont commémoré la technologie dans des modèles faits maison et des archives en ligne. Certains modèles réduits d’avions volants utilisent encore des versions miniatures. Et maintenant, la technologie pourrait connaître une résurgence sur les marchés automobiles les plus importants et à la croissance la plus rapide au monde.
Le moteur à manchons est-il une impasse évolutive ?
Regardons le cycle plus large. Hollywood recycle les vieux concepts lorsque les idées se tarissent. L’industrie automobile aussi. Les voitures électriques représentaient un gros problème avant que le démarreur électrique ne rende la combustion interne pratique. Les appareils électriques ont disparu jusqu’à ce que les préoccupations environnementales les fassent sortir de la tombe au tournant du siècle.
Le même schéma pourrait se dérouler avec le moteur à manchon pour les applications automobiles modernes.
Pinnacle Technologies, basée à San Carlos, en Californie, parie sur la demande refoulée de transports propres et bon marché en Asie. Ils développent une interprétation moderne du robinet à manchon. Leur moteur est un moteur à quatre temps, à allumage par étincelle (SI), à pistons opposés.
Le fondateur Monty Cleeves affirme que le moteur breveté offre une amélioration de l’efficacité de 30 à 50 pour cent par rapport aux moteurs à combustion interne actuels.
“Cette technologie de moteur offre l’économie de carburant et les émissions de CO2 d’un hybride à un prix abordable pour le monde entier”
Pinnacle ne s’inquiète pas du fait que les véhicules électriques (VE) rendent bientôt leur technologie obsolète. Ils voient une énorme opportunité dans des marchés en croissance rapide comme l’Inde et la Chine. Ces pays en développement veulent réduire les émissions de gaz à effet de serre tout en améliorant le niveau de vie grâce à la possession de véhicules automobiles. Les véhicules électriques et hybrides comportent toujours un prix plus élevé.
La valve à manchon repensée de Pinnacle agit comme une « technologie de pont ». Il offre un terrain d’entente jusqu’à ce que l’électricité devienne abordable pour tout le monde.
L’entreprise a obtenu plusieurs millions de dollars en capital-risque. Ils recherchent un accord de licence avec un constructeur automobile asiatique. La production devait commencer en 2013. Reste à savoir si ce délai a été respecté ou si la technologie a depuis trouvé une place permanente dans la chaîne d’approvisionnement mondiale. Mais la promesse fondamentale demeure : une efficacité élevée, un faible coût et une conception ancrée dans l’idée centenaire d’un garçon qui aimait démonter les machines.
