Si vous dirigez une armée, il y a de fortes chances que vous ayez besoin de beaucoup d’énergie portable pour tout, des communications aux systèmes de contrôle des armes. Quand il s’agit de vos générateurs, chaque once compte. Plus vous pouvez les obtenir petits et légers, mieux c’est.

La société LiquidPiston, basée dans le Connecticut, développe un générateur de haute puissance pour l’armée américaine qui utilise le propre moteur rotatif X de la société – une petite bête légère et puissante qui ressemble à un rêve devenu réalité. Il peut fonctionner à l’essence, au diesel, au gaz naturel, au kérosène ou au carburéacteur et est évolutif de 1 à 1000 chevaux (PDF).

Le co-fondateur et PDG Alex Schkolnik décrit la conception comme une combinaison des meilleures parties des moteurs à cycle Otto et Atkinson, le Diesel et la rotative Wankel tout en résolvant les gros problèmes des deux derniers. Cela semble impressionnant, mais cela ne signifie pas grand-chose à moins que vous ne compreniez comment chacun de ces moteurs fonctionne et quels sont leurs divers avantages et inconvénients. Alors jetons un œil sous le capot, d’accord?

Sucer, Squeeze, Bang, Coup

Aux fins de cette discussion, le cycle Otto, le cycle Atkinson et le diesel sont tous des moteurs à quatre temps. Cela signifie que pour chaque impulsion de puissance produite, les pistons bougent quatre fois, le vilebrequin tourne deux fois et l’allumage se produit une fois. Ces quatre temps sont appelés admission, compression, puissance et échappement, ou comme on les appelle familièrement, aspirer, presser, cogner et souffler.

L’efficacité de tout moteur à pistons donné peut être expliquée en termes de taux de compression du cylindre. Le taux de compression statique fait référence à la différence entre le volume dans le cylindre lorsque le piston est en bas de la course – le début de la compression – et le volume lorsque le piston est en haut de la course, ou la fin de la compression. Le calcul du taux de compression dynamique prend également en compte les gaz entrant et sortant du cylindre. En général, plus le taux de compression est élevé, mieux c’est. Un taux de compression élevé tire le meilleur parti du carburant dans le réservoir.

Les différences entre ces moteurs résident dans le nombre et la forme des pièces mobiles, les schémas d’admission d’air et de carburant et l’allumage du carburant. Comme point de départ pour discuter des quatre temps en général, examinons le moteur à combustion interne à essence typique que l’on trouve dans de nombreuses voitures, alias le moteur à cycle Otto.

Cycle d’Otto

Un moteur à cycle Otto se compose d’un ou plusieurs pistons se déplaçant dans des cylindres. Les pistons sont fixés à un vilebrequin via des connecteurs qui transforment le mouvement de haut en bas du piston en mouvement de rotation du vilebrequin. Ce mouvement de rotation est transmis à la boîte de vitesses et aux roues, faisant avancer ou reculer la voiture.

Pendant la course d’admission, le piston se déplace vers le bas vers le point mort bas, et le cylindre se remplit d’un mélange de carburant et d’air provenant d’une soupape en haut du cylindre. Sur la course de compression, le piston remonte vers le point mort haut et serre le mélange air-carburant, le comprime et le chauffe. La puissance est produite lorsque la bougie d’allumage fait des étincelles, enflammant le mélange air comprimé-carburant et repoussant le piston vers le bas, ce qui fait tourner le vilebrequin une seconde fois. Enfin, le piston recule vers le point mort haut sur la course d’échappement et pousse le mélange air-carburant usé à travers l’orifice d’échappement. La vitesse à laquelle le moteur fait cela est de 600 à 1000 tours par minute (tr / min) au ralenti au point où un moteur à essence grand public donné passe à la ligne rouge – généralement autour de la barre des 5500 à 7000 tr / min.

Plus un moteur à cycle Otto a de pistons, plus il fonctionnera en douceur. Les principaux avantages du moteur à cycle Otto sont qu’il ne brûle pas beaucoup d’huile, qu’il est économe en carburant et qu’il a moins d’émissions nocives que les moteurs diesel. L’un des principaux inconvénients est que ces moteurs ont beaucoup de pièces mobiles et, lorsqu’ils tombent en panne, ils ont tendance à tomber en panne de manière spectaculaire.

Animation par MichaelFrey via Wikimedia Commons

Cycle d’Atkinson

Les moteurs à cycle Atkinson existent depuis la fin des années 1800 et se trouvent couramment dans les voitures hybrides aujourd’hui. L’Atkinson est un moteur à combustion interne à quatre temps tout comme le cycle Otto, mais il y a une grande différence: la soupape d’admission reste ouverte pendant la première partie de la course de compression.

Cela peut sembler inutile, mais ce mélange air-carburant n’est pas seulement perdu par l’admission ouverte – il est poussé dans le piston suivant, préchauffé et prêt à brûler. Comme le calage variable des soupapes n’était pas encore une chose, les moteurs à cycle Atkinson d’origine utilisaient une liaison pour faire varier le calage du piston.

Le taux d’expansion du moteur à cycle Atkinson est supérieur au taux de compression, ce qui signifie qu’il est plus efficace. Il a moins de puissance, mais lorsqu’il est associé à un moteur électrique, les deux se complètent. D’autres avantages sont la réduction des pertes de pompage – le pompage de l’air et du carburant et le pompage des gaz d’échappement nécessitent du travail, et moins de puissance est nécessaire pour exécuter ces fonctions.

Diesel

Le moteur de Rudolph Diesel est également un quatre temps, mais il fait les choses un peu différemment. Pendant la course d’admission, le cylindre ne prend que de l’air – pas de carburant. La course de compression serre l’air et le chauffe jusqu’à ~ 1300 ° F. Au début de la course motrice, le carburant est injecté dans le cylindre où il s’enflamme instantanément au milieu de l’air chaud, forçant le piston vers le bas. La course d’échappement est la même – le mélange air-carburant usé est évacué par la soupape d’échappement.

La chose intéressante à propos du Diesel est le manque de bougies d’allumage. Ils n’en ont pas besoin – la compression réchauffe suffisamment l’air pour que, lorsque le carburant est injecté, il explose sans avoir besoin d’une étincelle. Les moteurs diesel ont une meilleure économie de carburant que les moteurs à cycle Otto, mais ils coûtent plus cher à l’achat et à l’entretien que les voitures à moteur à essence. Le carburant diesel est également souvent plus cher.

Parce qu’ils sont allumés par compression, les moteurs diesel ont un taux de compression plus élevé (et des cylindres plus longs) que les moteurs à essence. Cela produit plus de couple, ce qui est bon pour les charges lourdes, mais le coût vient d’une vitesse de décollage plus lente.

Animation par Y_tambe via Wikimedia Commons

Rotatif Wankel

Voici où les choses deviennent vraiment intéressantes. Felix Wankel a développé son moteur rotatif dans les années 1950 sur la base d’un rêve qu’il avait eu à l’adolescence. Au lieu de pistons et de cylindres, une rotative Wankel a un grand rotor à trois côtés se déplaçant dans un boîtier de forme ovale. Le rotor est relié à un arbre excentrique et, en raison de sa conception, le moteur convertit la pression de combustion directement en mouvement de rotation de l’arbre excentrique.

Le Wankel est un moteur compact avec moins de pièces mobiles. Il utilise les mêmes quatre courses, mais uniquement dans le sens thermodynamique – le rotor et l’arbre excentrique sont les seules pièces qui bougent. L’arbre excentrique agit comme un vilebrequin, fournissant de la puissance à la transmission.

Les moteurs Wankel fonctionnent plus doucement et peuvent tourner plus haut, mais ils sont conçus pour brûler de l’huile afin de maintenir les joints internes lubrifiés. Comme vous pouvez l’imaginer, cela signifie qu’ils ont des émissions terribles.

Sur la gauche, un moteur de cyclomoteur Honda Metropolitan de 49 cm3. Sur la droite, le moteur X-Mini 70cc de LiquidPiston. Image via LiquidPiston

Rotary X: un wankel à l’envers

La chose à couper le souffle à propos du moteur X rotatif est la quantité de puissance par rapport à la taille. Par exemple, LiquidPiston a fait la démonstration de son moteur à l’armée en construisant un générateur CAPS (Compact Artillery Power System) pour alimenter le système de contrôle de tir numérique sur un obusier M777.

Aujourd’hui, le système nécessite un générateur qui a besoin d’un camion pour le déplacer. LiquidPiston en a construit un qui pèse 18,6 kg (41 livres) et qui a à peu près la taille d’un PC de jeu. L’armée a été tellement impressionnée qu’elle a attribué à LiquidPiston un contrat de recherche sur l’innovation dans les petites entreprises pour développer davantage le générateur pour «une gamme de cas d’utilisation militaire».

Si vous voulez comprendre le fonctionnement du moteur Rotary X, prenez presque tout ce que vous savez sur le Wankel et retournez-le. Le Wankel a un rotor triangulaire dans un boîtier ovale, et le Rotary X a un rotor de forme ovale dans un boîtier triangulaire. Les deux moteurs n’ont que deux pièces mobiles principales: le rotor et l’arbre.

Chacune des trois chambres de logement du Rotary X est comparable à un piston. Les orifices et chambres d’admission et d’échappement sont intégrés au rotor lui-même. Pour chaque révolution du rotor, il y a trois événements de combustion. Ce moteur est capable d’être si petit et efficace parce que LiquidPiston a repensé le cycle thermodynamique pour extraire plus de puissance. La vidéo ci-dessous l’explique assez bien.

Verrons-nous jamais ces moteurs dans les voitures grand public? Peut-être un jour, mais il reste encore beaucoup à faire avant. Plus que probablement, il faudrait un grand fabricant pour adopter la technologie et la mettre dans une voiture comme Mazda a mis les Wankels dans les RX-7 et 8. Même dans ce cas, il n’est pas garanti de décoller, bien que LiquidPiston dise qu’ils sont adaptés pour être le moteur principal ou faire partie d’un système hybride.

LiquidPiston propose des kits de développement x-mini à partir de 30000 $, mais vous devez promettre de ne pas procéder à de l’ingénierie inverse. Cependant, il y a probablement suffisamment d’informations pour créer une version imprimable en 3D, nous attendrons donc de voir ce que vous proposez.