4 temps - Suppression des soupapes et des ressorts

Nous sortons du domaine exclusif de la moto : parmi les solutions techniques évoquées ci-dessous, certaines n'ont jamais équipé aucun véhicule connu, qu'il s'agisse de motos, voitures, avions, bateaux ou soucoupes volantes !
Bien que toutes issues de longues réflexions, parfois d’une vie de travail dans le cas de Roland Cross (de 1923 à 1963) et de Frank Aspin (de 1935 à 1975), certaines de ces innovations n'ont pas dépassé le stade des études. D'autres ont connu un certain succès, avant d'être abandonnées, soit pour des raisons économiques, soit parce qu'elles n'avaient plus lieu d'être. D'autres, enfin, sont toujours utilisées, un siècle après leur invention.

Comment peut-on prédire l'avenir des diverses inventions ? A la suite de la première guerre mondiale, apparut un grand nombre d'innovations dans le domaine des moteurs à combustion interne. Ce fut le début de l'ère de Ricardo et de Cross, des carburants spéciaux, et des moteurs à soupapes rotatives, annoncés comme une technologie du futur, autorisant des taux de compression élevés, en fonction des carburants disponibles et produisant par là même des puissances supérieures.

Comment peut-on prédire l'avenir des diverses inventions ? Bien que l’on puise écrire que la messe était dite dès 1907 en ce qui concerne les innovations techniques (soupapes desmodromique en 1893, turbocompresseur en 1905, fourche télescopique en 1906, pot catalytique en1907…) leurs développements ne furent freinés que par la chimie et la micrométrie. Sans métaux et matériaux composites et sans les instruments pour les calibrer et les mesurer, elles ne pouvaient rester qu’à l’état expérimental. Mais, les deux guerres mondiales qui secouèrent le siècle dernier, furent les formidables catalyseurs qui les sortirent des laboratoires. Pour le constater, il suffit de consulter les archives de l’Institut National de la Propriété Intellectuelle en France ou celle du Patents Office au Royaume-Uni pour observer l’effervescence qui anima les constructeurs, ingénieurs et autres bureaux d’étude au lendemain de ces conflits. Ce fut le début de l'ère des carburants spéciaux, de l’injection directe, du compresseur, du turbo compresseur et des moteurs à soupapes rotatives… annoncés comme technologie du futur, autorisant des taux de compression élevés, en fonction des carburants disponibles et produisant par là même des puissances supérieures.

Il était donc loin d'être évident, dans les années '20, que le moteur à soupapes qui règne aujourd'hui de manière quasi universelle ait été le moteur d'avenir. Harry Ricardo, dans son livre "The High Speed Internal Combustion Engine" ne prédisait-il pas que les soupapes rotatives étaient une solution d'avenir ?

N.B. : Pour plus de clarté, j'ai découpé la présente page en trois chapitres distincts. : "Valves rotatives", "chemises mobiles" et "procédés divers".
Certains s'étonneront peut-être du fait que le terme "soupape" est rarement utilisé ici. Pour l'anecdote, je fais figurer ci-contre le schéma d'une "soupape rotative". Il ne s'agit pas d'une élucubration personnelle mais d'un brevet déposé par Herbert Rihm et Walter Rogge en 1978. L'idée est assez éloignée, pour le moins, de celle qui anima Vallilee, Cross ou Aspin dans leur quête de l'amélioration des systèmes de distribution des moteurs à combustion interne.

1911

Comment ne pas s’interroger lorsque l’on est un ingénieur ou un ingénieur-constructeurs sur le fonctionnement des moteurs à vapeur et à combustions interne ? En effet, quoi de plus paradoxal que de transformer une translation (course du piston) en rotation (vilebrequin, distributions primaire et secondaire, embrayage, pignons de la boites de vitesses, roues motrices…) pour le transformer à nouveau en translation (poussoirs et tiges de culbuteurs) afin d’obtenir la rotation des culbuteurs et la translation des soupapes… Que tout cela est d’une complexité inutile et anti-mécanique, qui entraîne des pertes d’énergie et de rendement en multipliant les pièces en mouvement et les points faibles…

On aborde ici un long chapitre de moteurs, dits à "valves rotatives" qui, comme son nom l'indique, remplacent les soupapes par des disques, valves coniques ou cylindriques et qui sera ponctué de nombreux brevets depuis 1911 jusqu'à nos jours.

Bien que le premier brevet soit né en France en 1981 (Fernand Forest), il fallut attendre 1911 pour que le sujet britannique demeurant au Canada, Léonard Vallilee, prenne enfin un brevet significatif concernant les valves rotatives. Les valves sont constituées par des disques plats, basé sur le même principe que celles utilisées sur les moteurs à gaz. Elles ne sont pas commandées par une chaîne ou des engrenages, comme dans beaucoup d'applications similaires, mais par des guides actionnés par un arbre à cames, impliquant un mouvement alternatif des dites valves. La pression de la chambre de combustion est évacuée en arrière des valves rotatives, n'augmentant pas, ainsi, la pression et la friction sur celles-ci.

La friction étant le "talon d'Achille" de ce genre de dispositif. Nombre de projets, de variantes, seront motivées par la diminution de cette fameuse friction, frein au développement de ce genre de systèmes.

1914

Doc.http://www.isdm.co.uk/aspin/AspinEssay/essay.htm

Mueller élabore un moteur proche dans le principe du moteur "Vallilee". Les disques sont cette fois-ci actionnés par une "croix de malte", sorte de mécanisme d'horlogerie. Mueller est le premier à suggérer ce système qui sera repris par la suite

C'est lorsque la pression dans le cylindre est à son maximum qu'il aura le plus de conséquences sur l'usure des pièces en mouvement.

Dans le système adopté par Mueller, les valves sont immobiles au moment des temps de compression / explosion et se déplacent de 45° à chaque engrènement des "croix" qui les actionnent.

1920

Petite période "creuse" entre 1915 et les années '20 qui seront prolifiques dans le domaine des valves rotatives. En 1920, Marcel Echard, ingénieur français, dépose un brevet portant une attention particulière sur les problèmes de frictions, il utilise un piston compensateur dont la pression est maintenue constante par un dispositif de ressort dans l'axe de la valve rotative, celle-ci étant isolée par un "fluide" distinct du lubrifiant moteur, c'est à dire non mélangé avec l'huile du moteur, polluée par les gaz d'échappement. Le piston en relation avec la valve proprement dite, de forme tronconique, est actionné par une vis sans fin.
Ce brevet se destine aux moteurs "à explosion, à vapeur surchauffée, ainsi qu'aux moteurs mixtes utilisant, en plus de l'explosion ou combustion, l'addition d'eau à l'état quelconque".

1921

En 1921, un dénommé Francis présente un moteur à valves rotatives. Les valves d'admission sont ici tronconiques et un soin particulier a été apporté à leur lubrification, celle-ci étant assurée par de petites fenêtres pratiquées dans le corps des valves. Il n'y a cependant aucun dispositif permettant d'évacuer l'excédant de lubrifiant. L'huile étant alors brûlée dans le cylindre.

1921

A la même date, Dennison suggère une autre variation du moteur à soupapes rotatives, ayant pour but d'en améliorer la lubrification. Il utilise pour cela un train de pignons épicycloïdaux permettant de faire varier la vitesse de rotation de la valve, pour obtenir une ouverture et une fermeture rapides, pendant que la vitesse de rotation est moindre lors des phases de pleine ouverture, toujours pour diminuer les efforts lors de la phase critique de compression/expansion. Pour diminuer les forces de friction, la combustion agit perpendiculairement à l'axe de rotation des valves, et sur chaque côté du rotor. L'entraînement de l'axe de la valve par l'axe moteur s'effectue au moyen d'une courroie plate, solution peu usitée en 1921.

1923

Roland Claude Cross, sujet britannique demeurant 199 Wellsway à Bath, fait partie des ingénieurs ayant effectué le plus de recherches sur les moteurs "sans soupapes". Son activité et les brevets qu'il a déposés s'étendent sur une période allant de 1926 à 1946.

Dés sa première version en 1923, qui connaîtra des évolutions perpétuelles jusqu'en 1946, le brevet de Roland Claude Cross présente un moteur dont l'admission de l'air est gérée par un cylindre horizontal positionné au dessus de la chambre de combustion. L'air y étant admis à un taux supérieur à la pression atmosphérique au moyen d'un compresseur fixé sur l'axe d'entraînement de la valve rotative. Le carburant est admis dans le cylindre par un orifice percé environ à mi-course du piston par un injecteur et injecté dans le cylindre "principal" par une pompe constituée d'un second cylindre annexe, muni lui-même d'un petit piston. L'échappement s'effectue "à fond de course", ne correspondant pas directement à l'air libre, mais évacué au moyen d'une "soupape" rotative commandée.

En 1936, Cross dépose un brevet qui apporte un soin particulier aux problèmes de friction, tentant de contrôler la pression appliquée sur le distributeur rotatif commandant la distribution. Il utilise pour cela un distributeur qu'il qualifie de "flottant", en ce sens qu'il n'est pas relié rigidement à d'autres organes de manière "à transmettre des pressions variables à d'autres organes en contact avec lui". Pour cela, le distributeur est surmonté par une traverse rattachée à deux biellettes verticales elles mêmes maintenues par des leviers articulés horizontaux. Le but étant que, lorsqu'une pression est appliquée sur le distributeur, les leviers sont pressés vers le bas, appliquant ainsi une contre-pression sur le distributeur.
Différentes évolutions de ce système seront déposées jusqu'en 1946, toujours dans le but de diminuer sur le distributeur de manière efficace, et avec un nombre de pièces limitées.

1924

Frank W.Ofeldt, américain, dépose en 1924 un brevet de soupapes rotatives dont le but est de présenter un dispositif optimisant la forme de la "valve"; permettant de maintenir cette dernière en contact permanent avec son siège, tout en assurant une lubrification optimale des différentes pièces en mouvement. On notera que la "valve" est en fait constituée ici par un diaphragme de forme concave. Assez complexe, ce dispositif semble oublier un paramètre essentiel : Celui de la fluidité du passage des gaz, ce qui va à l'encontre du rendement. Il ne fera pas école.

1925

Crawford tente également d'apporter une réponse aux problèmes de frictions sur les moteurs à valves rotatives, mais cette fois ci au moyen d'une vis sans fin, maintenant un espace entre les surfaces de friction. La valve tronconique est ici entraînée par un arbre vertical et un couple de pignons.

1926

Peacey présente un moteur ressemblant à un précurseur des premiers moteurs "Aspin", il privilégie une bonne étanchéité des gaz, utilisant un "rotor" d'angle compris entre 120 et 160°, la lubrification étant assurée par l'injection d'huile sur l'axe vertical commandant le "rotor". Il présente l'inconvénient d'une pression importante sur ce dernier lors des phases de compression/expansion.

1927

Adalbert Freyler, ingénieur d'origine Hongroise, demeurant à Vienne (Autriche) associé au docteur George Knapp, citoyen américain, installé également à Vienne déposent en 1927 un brevet de moteur dont l'admission et l'échappement sont commandés par une valve rotative disposée horizontalement au dessus de la chambre de combustion.

La valve rotative, entraînée par l'intermédiaire d'un couple conique commandé par un arbre vertical, est partitionnée par une paroi séparant les orifices d'admission et d'échappement, chacun s'ouvrant alternativement sur la chambre de combustion par une fenêtre distincte.

De manière à donner un diamètre différent à l'admission et à l'échappement, dont les conduits sont situés respectivement à droite et à gauche du dessin ci-joint, la valve est de forme conique.

La lubrification est assurée par un conduit incliné pratiqué dans la culasse amenant l'huile à la surface de la valve par l'intermédiaire d'orifices pratiqués au dessus de la valve. Cette dernière est maintenue en contact avec la culasse au moyen d'un ressort.

Une moto de marque "Freyler" utilisant ce type de moteur a été fabriquée en 1928 (ci-joint, à droite).

1933

L'histoire de Frank Aspin débute en 1933 par l'acquisition d'une Rudge Ulster de 250cm3, équipée d'une culasse à admission par valve rotative. Il fournissait 31 chevaux (soit 124 chevaux/litre) à 10.000 tr/mn avec un taux de compression de 14:1 et un régime maximum à 14.000 tr/mn. Soit 2 fois, au moins, la vitesse de rotation d'un moteur équivalent équipé de soupapes "classiques". En 1960, Aspin déclarait pouvoir obtenir 50 chevaux sur la même base.

Le premier brevet de 1935 décrit un dispositif avec valve rotative de forme conique commandée par un arbre vertical entraîné par un couple conique et un train de pignons horizontaux, au sommet de l'arbre, entraînant la valve rotative. La chambre de combustion et forme de dôme est d'un diamètre légèrement supérieure à celle du cylindre. Il est fait ici appel à de nombreux roulements à billes et l'ensemble est lubrifié par une dérivation spécifique en provenance de la pompe à huile. La valve est maintenue en contact avec la surface de son logement au moyen d'un ressort et les conduits d'admission et d'échappement sont d'un dessin très pur, direct, favorisant un bon écoulement des gaz. La bougie est disposée verticalement.

En 1938, des améliorations notables sont présentées avec, notamment, l'utilisation de roulements anti-friction pour maintenir l'arbre relié à la valve rotative et d'un engrenage de type "vis sans fin" pour entraîner ce même arbre.

En 1940, un nouveau brevet présente une version disposant d'un refroidissement liquide de la valve de distribution, présenté sur un moteur multicylindres. En 1942, retour à un entraînement de la valve par un train de pignons horizontaux, probablement moins coûteux en terme de dispersion d'énergie, dans une version refroidie cette fois-ci soit hydrauliquement, soit par air. Le sommet du piston devient conique. Une autre amélioration, toujours en 1942, présente une injection d'un liquide dans la face interne de la valve afin d'en améliorer le refroidissement. Le système évolue par améliorations successives jusqu'en 1977 où la valve dispose de passages (lumières, sur un deux temps) opposées et symétriques, au nombre de deux pour l'admission et deux pour l'échappement afin d'obtenir un effet de "squish". Les conduits d'admission étant dotés de volets permettant de régler le débit de l'air admis. L'allumage est confié à deux bougies, disposées symétriquement, pour chaque cylindre.

Les différentes inventions de Frank Aspin ne sont pas toutes évoquées ici : les brevets qu'il a déposés entre le 23 juillet 1935 pour le premier et le 5 juillet 1977 est quasiment innombrable.

Ces brevets ne sont pas restés à l'état de papier ou de simples projets. De nombreux essais ont été effectués et se sont concrétisés par des motos, la plupart du temps destinés à la compétition. Ainsi, ci-dessous à gauche, une "Cotton" équipée d'un Rudge "Python" à distribution ressemblant fort au moteur équipant la "Rudge" évoquée ci-dessus, ou, au centre, ce bitza à base de cadre BSA, moteur Velocette à distribution Aspin à destination visiblement touristique. Réalisations et expérimentations qui se poursuivent encore de nos jours tel, à droite, ce moteur, apparemment sur base Honda qui nous vient du Warwickshire, en Grande-Bretagne.

1942

Walter F.Isley, Detroit, Michigan, dépose pour la Briggs Manufacturing Company un brevet dont le distributeur, de forme conique, nous rappelle fortement les réalisations de Aspin, dès 1933, particulièrement en ce qui concerne la forme du dit distributeur.
Une des différences essentielles étant constituée par l'entraînement de la valve rotative, constitué ici par un couple conique en sortie du vilebrequin entraînant un arbre vertical, qui lui même entraîne un arbre horizontal au sommet du moteur au moyen d'un deuxième couple conique. Cet arbre horizontal entraînant lui même la valve rotative par l'entremise d'un troisième couple conique.
Disposition rappelant dans sa première partie celle de l'ACT d'un Norton Manx.
Quoi qu'il en soit, on verra plus simple et moins disperseur d'énergie chez Aspin, par exemple.
Je ne sais si vous avez fait attention à ce détail, mais une chose m'étonne souvent sur certains brevets : On ne voit pas, ici, où se situe la bougie censée initier la combustion du mélange permettant la continuité du cycle de fonctionnement du moteur.

1942

Les brevets de John Tjaarda, ingénieur américain chez Briggs, portent sur une période très courte de deux ans : 1942 et 1943. Ces moteurs, sont destinés à une utilisation dans l'aviation. Leur système de distribution présente une valve tronconique, vissée sur une partie cylindrique tournant sur deux roulements à bille de forte section. Une des premières préoccupations de Tjaarda a été de réduire la température de fonctionnement du moteur en favorisant les échanges thermiques par l'utilisation de cylindres en aluminium (chemises en acier) dotés de nombreuses et fines ailettes visibles sur le schéma du brevet.
Un des brevets présente un bicylindre en "V" à l'angle très ouvert. Les brevets n'expliquent pas le choix d'un tel angle, probablement plus difficile à équilibrer qu'un moteur à 180°.

1943

Edward Andew (dit "Ted") Mellors, sujet britannique, pilote moto de classe internationale qui fut champion d'Europe en 1938, dépose en 1943 un brevet concernant une distribution par valves rotatives qui présente la particularité de disposer d'une valve distincte pour chacune des fonctions d'admission et d'échappement. De la même manière que pour le système Mueller de 1914, les valves sont actionnées par des "croix de Malte" impliquant un mouvement discontinu dans le but d'obtenir une immobilité lors des phases de compression/expansion, limitant les frottements lors de ces phases et diminuant l'usure des pièces en mouvement. Chaque mouvement de la valve correspond à une rotation de 45°
Les boisseaux rotatifs, bien que de forme tronconiques sont ici disposés horizontalement par rapport à la chambre de combustion et sont maintenus en contact avec la surface de leur logement par un puissant ressort, un levier, actionné par une came rotative, éloignant le boisseau de la surface du logement lors de la phase de rotation.
Le système de distribution "Mellors" fut utilisé sur une moto 250cm3 New Imperial, qui existe toujours.

1944

Waldo George Gernandt, américain comme son nom ne l'indique pas, dépose en 1944 un brevet pour la Briggs, dont il est employé, constitué d'un système à deux valves rotatives, l'une pour l'échappement et l'autre pour l'admission, de forme conique, rappelant le "Aspin" antérieur. L'entraînement s'effectue par l'intermédiaire d'un couple conique en sortie de vilebrequin, entraînant un arbre vertical qui actionne lui même un arbre au moyen d'un autre couple conique. Les valves étant elles mêmes entraînées chacune par une vis sans fin disposées sur ce dernier arbre.
En vue de disperser la chaleur générée par la friction des valves, ces dernières sont logées dans une chambre à double paroi contenant du sodium. Ce denier faisant l'objet d'un accroissement de volume en raison de l'élévation de température, ces chambres ne sont pas remplies à 100% du précieux liquide.
Le rendement et les applications de ce système ne sont pas connus.

1950

Pour faire face à la concurrence qui commence sérieusement à l'inquiéter Norton, même si son moteur monocylindre "classique" continue à remporter de nombreuses places d'honneur ou de victoires, Norton se laisse séduire par Laurie Bond qui lui présente une culasse à valve rotative.

Il s'agit d'un axe creux (un tuyau, pour simplifier), placé transversalement au-dessus de la culasse avec deux compartiments étanches : un pour l'admission et l'autre pour l'échappement, chacun étant doté d'une lumière correspondant à une ouverture dans la culasse.

Sur le schéma, l'extrémité gauche de l'axe correspond avec le carburateur et la droite avec l'échappement

Sur cette autre vue du système, on voit la lumière d'échappement correspondre avec le conduit d'échappement.

On observe également, que, pour ne pas trop modifier la base de son moteur de type "Manx", on a conservé l'axe vertical de commande de l'arbre à cames; ce qui peut paraître illogique. Mais les budgets étant limités, ce choix s'explique amplement, d'autant que nombre de prédécesseurs employèrent une telle solution.

Quoi qu'il en soit, les techniciens buteront dans un premier temps sur un problème d'étanchéité entre la culasse et la soupape rotative.

Mais ce qui fit abandonner le projet est la trop grande quantité d'huile nécessaire à son fonctionnement. En phase de décélération, le trop plein d'huile imbrûlé noyait la bougie, arrêtant le moteur.

Par ailleurs, il semblerait que les puissances obtenues avec ce type de culasse n'aient jamais été supérieures à celles fournies par une distribution de type classique.

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Les brevets évoqués ci-dessus sont loin d'être exhaustifs : d'autres systèmes, plus ou moins connus, ont été inventés. On peut citer, par exemple, Asaka en 1983 (valve horizontale), Coman en 1987, Hansen en 1988, Guy Nègre (France) en 1988 (moteur destiné à la Formule 1 automobile), Hansen en 1991, Kutlucinar entre 1996 et 2001. De nombreux constructeurs se sont également intéressés aux valves rotatives. Outre Rudge, qui servit de base aux premiers développements de Aspin, ce dernier vendit ses brevets à Velocette et BSA, qui consacrèrent du temps et de l'argent au développement de ces solutions.
Dans le domaine de l'automobile, on sait que au moins Ford, Vauxhall et British-Leyland développèrent des prototypes utilisant cette technique, toujours basée sur les brevets de Aspin. Notons que dans le cas de British-Leyland, la valve n'était pas entraînée mécaniquement mais par un moteur électrique asservi électroniquement.
De même, NSU, DMW et BSA (encore) firent des essais de moteurs à valve rotatives, avec des dispositifs proches des brevets de Roland Cross. Certains classent également un développement effectué par Lotus dans les moteurs à valves rotatives. Mais il s'agit, dans ce cas, d'un moteur fonctionnant selon le cycle à deux temps. On devrait, alors, classer dans cette catégorie des moteurs tels que ceux de la Gillet d'Herstal "Tour du monde", ou des français Marcel-Henri Peauvert, Achille Vincent, ainsi que, pourquoi pas, les deux temps à distributeurs rotatifs utilisés par Royal-Sport, Sevitame, MZ, Kawasaki ou Suzuki.
Il est vrai que dans le cas de Lotus, le rotor est situé au dessus de la culasse. Comme les gaz ne font pas l'objet d'une pré-compression, comme dans un deux temps classique, il est fait appel à un compresseur. Est-ce réellement une simplification ? Sans compter que, en compétition, un tel système verrait sa cylindrée "légale" doublée par rapport à un moteur "atmosphérique".

1997

Plus proche de nous, la société anglaise "RCV", fondée en 1997 a développé un moteur fonctionnant selon le cycle à quatre temps, inventé par Keith Lawes, dont le schéma ci-joint montre que le cylindre n'est pas fixe, mais rotatif. Ce cylindre, entrainé par l'embiellage, est doté de lumières régulant l'admission et l'échappement.
Outre le fait d'utiliser un embiellage en porte à faux, ce moteur rappelle tout de même beaucoup le système Knight de 1922, avec le même inconvénient : des surfaces de frottement importantes.
Evidemment, avec l'amélioration de la qualité des huiles, les problèmes de lubrification doivent être moins aigus de nos jours. Mais il y a fort à parier que les problèmes d'usure doivent être similaires.
Ce moteur, qui est commercialisé pour des maquettes de véhicules et pour des scooters, présente des avantages en terme de consommation, de couple et de puissance.
Pour en savoir plus : http://www.rcvengines.com

Cependant, ces problèmes n'ont pas dissuadé tout le monde puisque, depuis lors, la firme Coates a repris un système assez similaire, avec des soupapes rotatives sphériques : http://www.coatesengine.com/photo_gallery.html

Sources :	Didier Mahistre, qui m'a transmis la quasi-totalité des brevets figurant sur cette page et que je ne remercierai jamais assez pour avoir complété le texte, comblant ainsi de nombreuses omissions.
	http://www.dself.dsl.pipex.com
	http://www.isdm.co.uk/Aspin/AspinEssay/essay.htm
	http://www.stobbe.dk/library/engines/bristol/bristol.asp