La distribution et l'embiellage des moteurs en étoile.

Pour mieux comprendre avant la réalisation de mon 9 cylindres voici une petite étude réalisée sur le sujet.

Derniére modification le 06/06/2015

Un peu d'histoire (source Wikipédia complétée par "myself" en rouge) : Ces types de moteurs peuvent être fixes ou rotatifs :

Dans sa version classique, le vilebrequin, très court, ne comporte qu'un seul maneton auquel est connectée l'une des bielles dite « bielle maîtresse », sur laquelle viennent s'articuler les « bielles filles », de façon à ce que les courses soient égales. En fait (sauf dans le sytème du Rhone 9 JB de 14 "entre autres"), la course des bielles secondaires n'est pas tout à fait égale à celle de la bielle maîtresse et pas dans le bon angle. Aucun des axes des pieds des bielles secondaires ne se déplace sur une trajectoire circulaire, elles sont elliptiques, et, chacune des trajectoires est différente des autres. Dans le but de compenser les variations de course des pistons secondaires, chaque axe de pied de bielle est à une distance légèrement différente du centre du maneton !!. Tous ces facteurs donnent à chaque piston un mouvement unique qui, sauf pour le piston relié à la bielle maîtresse, n'est pas sinusoïdal.

L'architecture en étoile, en général, a été très utilisée en aviation. Le nombre de cylindres est impair pour des raisons d'équilibrage et de régularité cyclique, soit 3, 5, 7, 9 et 11 pour un moteur simple étoile.

Cette architecture présente certains avantages :

Mais présente des inconvénients non négligeables :

Le plus puissant moteur rotatif qui ait été construit, (Gnome et Rhône 1914/1915), développait environ 240 ch réels. Le réglage de la puissance se faisait par coupure d'allumage sur un groupe de cylindres : la procédure utilisée avec ce dernier moteur : trois cylindres au ralenti, six cylindres au décollage, et neuf cylindres à pleine puissance. Sans action sur les commandes, l'avion partait en roulis par le seul effet gyroscopique, lorsque l'on enclenchait les neuf cylindres.

Avantages et inconvénients:

Deux des principaux avantages de ces moteurs sont qu'ils sont plus faciles à refroidir par air, d'autant plus qu'ils sont montés sur des avions. Un moteur en étoile est également compact, plus léger et moins coûteux que d'autres architectures. Le graissage se fait toujours par carter sec, ce qui facilite l'adaptation de ce type de moteur au vol acrobatique : l'huile est stockée dans un réservoir séparé du moteur appelé « bâche », et, après avoir fait son office dans le moteur, est réaspirée dans le collecteur du bas moteur par une pompe spéciale (émulsion air/huile) et retourne au réservoir. Lorsque le moteur est arrêté, l'huile résiduelle s'écoule dans les cylindres du bas, s'infiltre lentement dans les chambres de combustion, ce qui explique la forte émission de fumée au démarrage de ces moteurs et la nécessité de les « brasser » (tourner l'hélice manuellement pour évacuer l'huile des chambres) avant de les lancer après un arrêt prolongé.

En revanche, la commande de distribution (commande des soupapes), l'alimentation en carburant qui doit se faire de façon identique pour tous les cylindres et la torsion due au mouvement sont un peu plus difficiles à gérer que pour un moteur en ligne. Le chasseur Hawker Sea Fury (vitesse maxi de 740 km/h, soit 37 km/h plus rapide qu'un Mustang P-51) construit à la fin de la guerre, utilisait un moteur en étoile, mais en l'occurrence, il s'agissait d'un Bristol Centaurus, moteur de 18 cylindres sans soupapes de 2 480 ch dont le diamètre est inférieur à celui d'un moteur en étoile équivalent à distribution classique.

Les cylindres peuvent être agencés en plusieurs rangées, de une à quatre. La puissance du moteur dépendant de la cylindrée, cette organisation permettait de placer jusqu'à 28 cylindres en quatre rangées (comme sur le moteur Wasp Major de Pratt & Whitney), pour éviter d'augmenter la cylindrée unitaire au-delà de 3,3 litres. La puissance maximale dépend également du régime de rotation ; pour éviter de dépasser le mur du son en bout de pales d'hélice et pour éviter d'avoir recours à un réducteur lourd et gourmand en puissance, le moteur doit nécessairement tourner à un régime « lent » de l'ordre de 2 000 à 3 000 tr/min. Les dernières forteresses volantes B-29 étaient équipées de moteurs Pratt & Whitney 28 cylindres (quatre rangées de sept), 3 500 ch. À ce niveau, la complexité générale et le refroidissement devenaient très problématiques. La mise au point des réacteurs de forte puissance a entraîné l'abandon de cette configuration.

Production:

Le moteur en étoile le plus puissant qui ait été construit en série a été le Pratt & Whitney Cyclone R-4360-21 à 28 cylindres en quadruples étoile de 4 300 ch dans sa version VDT, qui a notamment été monté sur le B-36 Peacemaker ainsi qu'entre autres sur l'hydravion géant Spruce Goose. Un autre appareil français célèbre récemment retiré du service actif (il en reste un seul maintenu en état de vol par une association), le Noratlas, était équipé de moteurs en étoile 14-cylindres sans soupapes construits par la Snecma sous licence Bristol : la distribution de ceux-ci était assurée par des chemises louvoyantes (combinaison de rotation et de translation) qui découvraient des lumières séquentiellement: ce dispositif était très efficace et fiable, mais occasionnait une importante consommation d'huile.

L'étude de la distribution à présent:

Une image d'un Double étoile 9 Wasp soit un 18 cylindres pour commencer à vous titiller un peu.

wasp

Et puis ça pour l'écorché (réducteur à pignons conique) : chouette non ?

etoile


Le but de cette étude: est dans un premier temps de comprendre comment un système de distribution complexe mais n'utilisant qu'un seul arbre à came concentrique à celui du vilbrequin et désservant tous les cylindres "presque" succéssivement pourrait obtenir un bon calage de la distribution par un calcul mathémathique précis.

Tout d'abor un moteur en étoile contrairement à un moteur en ligne n'a qu'un vilebrequin équipé d'un seul maneton qui vient entrainer une bielle mère sur laquelle est articulé les 'N' "bielles filles" 8 sur cet exemple de moteur d'avion "Constellation" à 18 cylindres par l'ajout d'une deuxième étoile de 9 cylindres. Tous les cylindres d'une même étoile sont donc dans le même plan vertical.

embiellage

Pour assurer la distribution de ces moteurs deux solutions étaient possibles. Soit de monter un AAC par cylindre avec une transmission de 1/2 comme un quatre temps classique pour chaque cylindre soit de trouver un moyen d'avoir un seul AAC pour tous les cylindres, avec un nombre de cames et une réduction adaptées aux différents type  d'étoile. C'est ce calcul que je vous propose pour obtenir le type et la réduction d'AAC pour les types les plus courants de moteur en étoile.

Ce neuf cylindres à bien un AAC concentrique à "4" cames visible à gauche (disons 2 fois quatre cames pour assurer le bon fonctionnement Adm. & Ech.).
La foison de pignonnerie qui est affichée coté droit  permettait d'entrainer des balanciers (mais c'est une autre histoire).

aac

Sur cette image on peut comprendre la logique de l'arbre à cames en tête concentrique avec sa réduction qui synchronise le mouvement. Celui-ci actionne les poussoirs (avec leurs galets) qui sont reliés aux tiges de culbuteur et qui agissent ensuite sur les culbuteurs qui eux-mêmes activent les soupapes.

distri

Voici une animation qui permet de comprendre le système (pour un 5 cylindres):

animation

Maintenant un peu de mathématique s'impose pour obtenir un résultat probant quel que soit le cas: Excel vas nous aider.

A Noter que cette étude se limitera aux moteurs: de 3 à 11 Cylindres ce qui n'est déja pas mal (mais ça marche aussi pour tous les nombres impairs sans limite).

Ceci se fera avec un tableau Excel permettant de vérifier les angles et coincidences entre cames et position des pistons.La prise en compte d'une came impose qu'il en faudra une deuxième sur un autre plan (deux cames: admission et échappement c'est normal sur un 4T le principe pour une came se vérifie donc pour la deuxième qui est juste en décalage). Ce tableau reprend donc "pas par pas (d'un cylindre au PMH)" le positionnement des pistons et des cames suivant la configuration entrées par l'utilisateur et affichent les valeur qui permettent d'y trouver une coincidence qui doit être constante (cylindres impairs d'abord, pairs ensuite).

Téléchargement du fichier excel ici.

Dans la pratique voici les valeurs à appliquer pour les différents moteurs qui sont "tous" des moteurs à nombre de cylindres impairs mais je vous laisse essayer de trouver une combinaison gagnantes avec une valeur de cylindre pair grâce à mon tableau !

Nombre de cylindres
Nombre de cames
Rapport de réduction
3
1
2
5
2
4
7
3
6
9
4
8
11
5
10


Vous noterez vite que si l'on rajoute deux cylindres on rajoute une came et la réduction de l'AAC est toujours du nombre de cames multiplié par deux (ce qui semble logique et est commun à tout les arbres à cames: un cycle d'AAC correspond à un cycle moteur soit 2 tours pour les quatres temps).

Donc le rapport de l'AAC est toujours de: Nbr Cylindres -1 et le nombres de cames: (Nbr de Cylindre -1) / 2.
Etrange mais pas tant que ça en fin de compte: la relation mathématique est bien logique.


En pratique à présent.

Si vous utilisez mon tableau vous pourrez modifier les cellules B1 et B2 (en rouge) pour obtenir un résultat. Au départ le Cylindre N° 1 et la premiére des cames sont à 0° (cas d'école bien sur pour simplifier) puis suivant les décalages des pistons (valeur croissante) et des cames (valeur décroissante) vous devriez retrouver les coincidences suivantes:

Pour un sept cylindres par exemple: B1 = 7 et B2 = 3 le calcul de B3 étant automatique comme toutes les cellules écrites en vert. Un cycle de deux tours est suffisant pour la démonstration j'ai donc numéroté les cylindre de 1 à 38 pour couvrir les besoins des 19 Cylindres de même pour les cames ou les valeurs des cames se répétent dans le tableau mais seules les cellules des cames utilisées doivent être retenues.

Voici donc l'ordre d'allumage d'un 7 cylindres (14 pistons sur deux tours) et 3 cames: c'est à dire les pistons impairs puis les pairs en cascade:
  • Piston 1 et came 1 (B6:C6)
  • Piston 3 et came 2 (B8:D8)
  • Piston 5 et came 3 (B10:E10)
  • Piston 7 et came 1 (B12:C12)
  • Piston 2 (9 dans le cycle) et came 2 (B14:D14)
  • Piston 4 (11 dans le cycle) et cames 3 (B16:E16)
  • Piston 6 (13 dans le cycle) came 1 (B18:C18)
  • Piston 1 (15 dans le cycle mais pas affiché) came 2 .... Etc .....


exemple


Position des bielles filles sur la bielle maitresse.


On à tendance à penser que les axes des "bielles filles" sur la "bielle maitresse" d'un moteur étoile sont composés d'un polygone dont la taille des cotés sont égaux.

Je vais vous apporter la preuve que c'es faux !


Voici un exemple de cinq cylindres en étoile dont la position du piston 2 n'est pas au PMH (point mort haut) malgré une rotation effective du vilbrequin de 72°. D'aprés mon schémas, si l'axe de la bielle mère est effectivement placé à 72° (1/5eme de tour) puisqu'étant sur le maneton du vilebrequin, et, si les axes des bielles filles ont étés également repartis sur le pentagone dessiné (divisé par 72°) on voit alors que l'axe de la bielle filles du piston N°2 n'est qu'a 62,44° soit un manque de 9°56 par rapport à sa position idéale. Si celle-ci était respectée alors la bielle serait à la verticale donc parallèle au cylindre N°1  et ceci est reproduisible sur toutes les positions des pas d'un cylindre. Cette valeur dépend de l'entraxe de la bielle essentiellement puisque c'est elle qui modifie la variation d'angle.

A vous de faire ce calcul (moi j'ai fait rapidement une esquisse SW qui permet de prendre ces mesures). Il faudra les refaires pour toutes les bielles d'un coté, sachant que dans ce cas l'axe 2 et 3 sont concernés mais les axes 4 et le 5 leurs sont symétriques.

Je n'ai pas trouvé de formule Excel pour vous aider alors courage !

decalage


Pour info sur une bielle maitresse de 36mm de course (voir mon 9 en étoile) et avec un rayon de 40mm pour les axes des bielles filles et une longuer de bielle de 140mm: j'ai donc en angularité par rapport à l'axe de la bielle mère.:
  • Bielle N° 1 ou 8 : à 48,87° au lieu de 40° par rapport à l'axe.
  • Bielle N° 2 ou 7 : à 93,67° au lieu de 80° par rapport à l'axe.
  • Bielle N° 3 ou 6 : à 132° au lieu de 120° par rapport à l'axe.
  • Bielle N° 4 ou 5 : à 164,27° au lieu de 160° par rapport à l'axe.
Ce qui donne ça avec la bielle de mon ancien projet remplacée depuis par le sytème sans bielle maitresse du Rhone 9 JB de 14, on vois donc bien que les écarts ne sont pas symétriques mais se raprochent vers le bas de la bielle.

Bielle

Aprés quelques recherches sur les bielles je suis tombé sur un site qui affiche cette photo d'un 7 (ou 14 ou 21) en étoile, et, la bielle maitresse semble correspondre à mon calcul puisque l'écartement des axes des bielles filles semble aussi suivre ma configuration. Vous noterez aussi que cette bielle est "à chapeau, et, rivetée" et qu'une conduite d'huile est insérée dans son corp encore des prouesses technique de ces constructeurs pour cette époque.

Hispane Suiza

Et enfin la solution ultime: plus de bielle maitresse (l'accord parfait):

Solution utilisée dès 1914 par Rhone (rachetée par Gnome plus tard) et aussi utilisée depuis ici sur les moteurs hydraulique les bielles ne sont plus raccordées à une bielle maitresses mais enclosent sur un "noyau" sur lequel elle coulissent librement en rotation pour rester en ligne avec l'axe de piston. Cette solution permet d'avoir toujours les bielles dans l'axe du maneton de vilebrequin donc pas de décalage par rapport au autres cylindres. Un angle donné correspond bien pour chaque cylindre.

Trouvé sur un document Rhone (Gnome et Rhone) moteur 9 en étoile modèle 9 JB fabriqué en 1914.

http://dev.museesafran.com

gnome

Mon adaptation sur le 9 cylindres (6 bielles visibles seulement pour la visibilité) avec des déports latéraux en escalier sur celles-ci pour permettre un peu plus de portée et de coulissement. Les flasques extérieures maintiennent les bielles latéralement en contact avec le noyau central et contre celui-ci.

plus de bielle

Détail du maintien de la bielle par les flasques latérales en rouge (avec un jeu limité de l'ordre du 1/100eme). Les bielles en jaune ne sont pas maintenues sur le noyau en bleu mais peuvent glisser sur sa périphérie afin de prendre la position idéale en direction de l'axe du cylindre qui leur est affecté. Les déports en escalier permettent à une bielle de parcourir plus de degrés en rotation tout en glissant contre la bielle voisine ,et, en ayant une surface plus importante de contact avec le noyau. A noter que le noyau étant sur roulement les frottements bielle/noyau sont trés limités et l'usure donc moindre puisque celui-ci reste quasiment "fixe" par rapport aux bielles.

detail

Schémas expliquant que ces bielles doivent pivoter le long de l'axe du noyau pour être alignées aux axes de pistons correspondant.
Les axes en pointillés sont les axes des cylindres. Ceux en noir ceux des bielles

Voici les angles entre les bielles lorsque le piston 1 est au PMH:


  • Angle entre Bielle 1 et 2: 48.87°
  • Angle entre Bielle 2 et 3: 44.8°
  • Angle entre Bielle 3 et 4: 38.32°
  • Angle entre Bielle 4 et 5: 32.71°
  • Angle entre Bielle 5 et 6: 30.58°
  • Les angles sont identiques de l'autre coté bien sur: (dans cette configuration).

On voit donc que comme sur le principe de la bielle maitresse les écarts diminuent ves le bas (18,3° d'écart en fait entre la bielle1 et 2 et la 5 et la 6). Ce sera l'inverse l'orsque le piston 1 sera au point mort bas. Ceci explique donc la nécessité du coulissement des bielles sur le noyau.

schémas II

Géométriquement chaque bielle respecte sa longueur et sa position dans le cylindre au PMH et au PMB, donc les taux de compression et les points d'avance sont géométriquement identiques comme si il s'agissait de 9 bielles qui seraient articulées directement sur le maneton de vilebrequin. En fait le noyau reste positionné comme une tête de bielle pour chacune d'entre elles.


Et comme j'aime bien chercher sur le NET je suis tombé sur ceci "qui m'a fait trés plaisir". Comme quoi mes visions modernes issue des anciennes ne sont pas encore tout à fait utopiques puisqu'un constructeur utilise actuellement un système similaire sauf que les bielles restent dans l'axe des cylindres et que le noyau tourne il faut que j'étudie ce systéme de patins articulés de plus prés pour, peut être: une autre version de mon 9 cylindres équipé de celui-ci ........ pourquoi pas ?

http://www.beaverauto.com/moteur_fr.html

beaver

Et une vidéo expliquant pourquoi ceci est parfait au niveau équilibrage:

equilibrage

Je cherche encore alors !



J'espére vous avoir appris quelque chose.




En cours