LE MOTEUR SPLIT-CYCLE

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par Jean-Pierre DURAND

    Cet été comme le précédent, nous entendrons certainement parler de "pics de pollution " dans des villes comme Athènes ou Paris. Le monde entier cherche donc à réduire les émissions de gaz à effet de serre notamment produits par les moteurs à explosion conventionnels. Ainsi, de nouveaux concepts ont vu le jour afin de substituer le moteur à explosion conventionnel inventé par Etienne Lenoir en 1860 et mis au point par Beau de Rochas en 1862. Il y a bien sûr eu un léger développement de la voiture électrique ou hybride, des carburants alternatifs comme le diester. Mais  je vais vous présenter un moteur qui pourrait être un début de solution à nos problèmes. Le moteur Split-cycle, qui signifie littéralement " cycle scindé ", a été inventé par l’Australien Rick Mayne. Ce moteur est basé sur un nouveau concept de vilebrequin qui améliore la cinématique des pistons et ainsi lui procure de nombreux avantages.

Un concept totalement nouveau de vilebrequin

        La roue de Genève

    Le principe d’un moteur à explosion classique est de transformer l’énergie d’une combustion en énergie mécanique. Le mouvement du piston est transmis au vilebrequin par l’intermédiaire d’une bielle. Dans le Split-cycle, ce système traditionnel est remplacé par un système de roues. Le vilebrequin du Split-cycle, si l’on peut encore l’appeler ainsi, est basé sur la roue de Genève.(Ci dessous en vert) Cette petite pièce porte ce nom car des horlogers suisses du début du siècle, utilisaient une roue d’indexage ayant le même principe. Elle porte aussi le nom de croix de Malte

    Les pistons de ce moteur qui peuvent être des blocs de plusieurs pistons qui constituent des modules sont répartis de façon égale tout autour d’un bâti cylindrique. Chaque piston ou groupe de pistons prend appui sur une roue de Genève " Mâle " ou " Femelle " (en vert ci dessus). Ces deux formes ne sont pas dans le même plan et surtout n’engrènent pas entre elles. Cela permet d’augmenter le nombre de pistons autour du bâti. La ou les roues dentées, en jaune sur le schéma, qui sont taillées en même temps que la roue de Genève, engrènent avec une couronne fixée dans le bâti.

    Grâce aux roues de Genève, il n’y a plus de bielles et c’est cette nouveauté qui apporte les principales caractéristiques de ce moteur.

    Ci dessous,  les différentes phases de fabrication de l’ensemble roues de Genève et pignons arbrés. On pourrait penser que le prix de revient d’un arbre portant la roue de Genève serait assez important. En fait une société autrichienne fabrique déjà des barres pour environ 10 Francs en forme de roue de Genève  ensuite, un usinage permet de donner la forme définitive et de tailler les pignons.

        2.2 Le cycle scindé

    L’une des principales caractéristiques de la roue de Genève est qu’elle permet de scinder le cycle. Le Split-Cycle étant un moteur à deux temps, je le compare à un moteur conventionnel à deux temps. Dans un moteur conventionnel à deux temps avec des pistons, un vilebrequin et des bielles, le mouvement est sinusoïdal et il n’y a qu’une seule explosion dans chaque cylindre pour un tour de vilebrequin. Le piston passe par le point mort haut (TDC) et par le point mort bas (BDC) pendant un intervalle de temps identique.

    En revanche, le Split-cycle a un cycle scindé tous les 30° de rotation de l’arbre de sortie. Ce mouvement est dû aux roues de Genève. Dans ce moteur, les pistons sont bien sûr en translation sinusoïdale alternée dans un cylindre, il y a une explosion dans la moitié des cylindres fixés au bâti tous les 30° de rotation mais 15° après le " scindage ". Le " scindage " est le moment où le piston change de roue de Genève, c’est à dire dans les positions 0 et 30 sur le document. Les roues de Genève sont en liaison pivot avec la pièce se terminant par l’arbre de sortie qui elle-même est donc en liaison pivot avec le bâti. Donc par rapport au bâti, les roues de Genève sont en rotation autour de leur axe et autour de l’axe de l’arbre de sortie. En conséquence, les pistons sont littéralement tour à tour porté par les roues de Genève; le cycle étant scindé au moment où une roue de Genève quitte le piston pour laisser la suivante prendre la relève. Ainsi, le piston reste plus longtemps au point mort haut qu’au point mort bas. Pour voir de plus près....

 

Les avantages de ce " vilebrequin "

        Une cylindrée

    Si on prend comme définition que la cylindrée d’un moteur est le volume que balaie l’ensemble des pistons dans les cylindres durant un tour de vilebrequin. Dans le moteur conventionnel à deux temps, un cycle entraîne un tour de vilebrequin, la cylindrée équivaut donc au volume balayé par les pistons. Mais avec le Split-cycle, un cycle provoque une rotation de 30° de l’arbre de sortie ; donc le volume balayé par les pistons pour un tour complet est alors supérieur. Voyons un exemple pour un moteur Split-cycle 500 cm3 de 24 cylindres.

        Dimensions

    Cette nouvelle forme de vilebrequin permet de diminuer fortement la taille et le poids de ce moteur. Comme sa cylindrée n’équivaut pas au volume balayé par les pistons et que ces derniers sont répartis autour du vilebrequin, le Split cycle est très compact : aux alentours de 30 cm de diamètre. En conséquence, le poids est aussi diminué puisque qu’il y a moins de matière : environ 45 kg.

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    Au total, un moteur conventionnel est environ 12 fois plus gros et plus lourd que le Split-cycle.

        Le couple

    Dans le moteur Split-cycle le couple de sortie est beaucoup plus important que celui d’un moteur conventionnel. Cette caractéristique est due à la technologie même du vilebrequin.

    En effet le bras de levier des forces exercées par les pistons est bien supérieur dans le Split-cycle. Car en fait, on pourrait comparer ce moteur à un train épicycloïdal. De plus il n’y a pas de bielles entre les pistons et le vilebrequin, on peut ainsi choisir le bras de levier indépendamment de la taille des cylindres contrairement aux moteurs conventionnels qui sont limités. A titre de comparaison un Split-cycle de cylindrée 50 cm3 (c’est à dire le volume balayé par l’ensemble des pistons pendant un tour de l’arbre de sortie) à un couple équivalent à celui d’une Ferrari F40 possédant un moteur V8 32 soupapes, 3 litres, 478 Ch à 7000tr/min qui développe 59.6 m.kg à 4000 tr/min. Ainsi on obtient une conduite plus souple.

        Les frottements

    Les frottements à l’intérieur du moteur Split-cycle sont beaucoup moins importants que dans un moteur conventionnel.

    Faisons une petite comparaison pour deux moteurs de même cylindrée avec le même rapport de réduction. Lorsque les pistons vont effectuer un cycle complet, les deux arbres de sortie auront tourné de 30°. Cependant, le moteur conventionnel possède deux articulations qui auront frotté sur 360°. Le Split-cycle n’a qu’une articulation qui aura tourné de 60°. De plus, les vitesses des pistons sont assez lentes autour de 61m/min (3.6 km/h) contre 765m/min (46km/h) pour le moteur conventionnel donc il y a très peu de causes de frottements. Cela apporte un nouvel avantage à ce moteur car une diminution des frottements permet d’utiliser des matériaux de caractéristiques mécaniques moindres et donc moins chers.

        Le moteur à vapeur

    Voici l’un des majeurs avantages du Split-cycle. Depuis de nombreuses années, les ingénieurs motoristes ont tenté d’ajouter de l’eau au mélange essence et air. Leur but était d’utiliser l’eau sous forme de vapeur afin d’augmenter la pression dans le cylindre. Mais cela n’a jamais marché car les pistons des moteurs conventionnels ont des vitesses beaucoup trop élevés. Dans le Split-cycle, les pistons se déplacent plus lentement autour de 61m/min (3.6 km/h) contre 765m/min (46km/h) pour le moteur conventionnel. Mais de plus, comme le temps passé au point mort haut est allongé, l’eau a le temps de se transformer en vapeur et peut ainsi favoriser la détente. En conséquence le Split-cycle peut accepter un mélange de 2/3 d’eau et 1/3 d’essence.

Conclusion

    Le moteur Split-cycle semble donc avoir un très grand avenir car il propose de nombreuses nouveautés dans le domaine automobile. Le principe de la roue de Genève apporte de grands avantages à ce moteur à commencer par le cycle scindé. De plus sa forme et son poids pourrait changer les formes de nos moyens de transport.

Sources

    Tout a commencé il y a quelques années avec l’émission E=M6 qui présentait ce moteur inventé par Rick Mayne.

    Puis une fois en classe préparatoire PTSI, j’ai décidé d’en faire mon sujet de TIPE. Après une recherche sur Internet, j’ai trouvé le site du fabriquant australien : http://www.splitcycle.com.au/ . J’ai pu commencer à me documenter en consultant ce site. Je les ai questionné à propos de leur moteur et ils m’ont envoyé un CD-ROM parlant de leurs activités. C’est de ce compact disque que je tire la plupart des illustrations de mon TIPE. Il m’a permis de mieux comprendre le fonctionnement du moteur par de nombreux documents et vidéos.

J’ai aussi parallèlement demandé une documentation à l’école IFMA qui étudie ce moteur pour le compte de la compagnie australienne. Monsieur Claude GUILLAUME que je remercie ici, m’a fait parvenir des informations qui sont venus recouper celles que je possédais déjà. Il a aussi répondu par E-mail à toutes les questions que j’ai pu me poser durant l’étude de ce moteur.

Au cours de l’année de PT, j’ai régulièrement visité le site du Split-cycle qui m’a apporté quelques nouvelles informations sur le développement en cours. J’ai également demandé à l’IFMA: http://www.ifma.fr/fr_index.htm si je pouvais visiter leur laboratoire d’étude mais cela n’a pas été possible.

 

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