Moteur à pistons opposés

Le renouvellement des gaz brûlés par du carburant nécessite l'application d'une surpression externe sur chaque piston. On peut l'obtenir par :

• Pré-compression dans le carter ;
• Un compresseur externe (par ex. turbo, compresseur à lobes).

Pour obtenir l'ignition, il faut laisser l'admission ouverte un certain temps, au-delà de la fermeture de l'échappement. Dans les moteurs à cylindre en U, on réalise ce déphasage en faisant tourner la bielle d'échappement d'un angle compris entre 12 et 20°.

Il existe de ce moteur des versions avec un ou deux vilebrequins.

• Dans le premier cas, un des pistons est connecté au vilebrequin par une bielle courte, et l'autre par une fourche et une paire de longues bielles.
• Dans le second cas il faut accoupler les deux vilebrequins, par exemple au moyen d'un pignon (comme pour le moteur Junkers Jumo 205), d'une chaîne ou d'une courroie de transmission, ou enfin d'un arbre.

Il y a eu par le passé encore d'autres variantes :

• Les culbuteurs étaient connectés aux pistons et au vilebrequin par une bielle placée sous le cylindre^[5].
• Un arbre courait parallèlement à deux cylindres, entraînant à chacune de ses extrémités un piston axial. Ce dernier repoussait via des bielles les pistons l'un vers l'autre^[6].

Le moteur dessiné ci-contre est une version simplifiée du moteur de course DKW du constructeur Kurt Bang, du bureau d'études Prüssing. Il en existait deux versions : l'une avec cylindrée de 250 cm³, l'autre d'une cylindrée de 350 cm³. Il comportait deux cylindres et quatre pistons, deux vilebrequins et un compresseur mécanique. Les vilebrequins étaient en prise avec un pignon. Le mélange était assuré par un carburateur, d'où une consommation élevée.

1. Buse d'aspiration du mélange venant du carburateur
2. Compresseur mécanique (ici un compresseur d'avion ; à l'origine un compresseur Zentrix).
3. Chambre de refroidissement pour l'emmagasinement et la redistribution au cylindre
4. soupape de sécurité
5. vilebrequin d'échappement
6. vilebrequin d'admission (incliné d'environ 20° par rapport à l'autre vilebrequin, de façon à créer un déphasage)
7. Cylindre avec les gorges latérales pour l'admission et l'échappement
8. détente, orifice pour l'échappement
9. Circuit de refroidissement
10. Bougie d'allumage

Le compresseur aspire le mélange et l'injecte dans la chambre de précombustion, placée du côté de la détente, ce qui permet au mélange, par conduction thermique, de refroidir quelque peu le piston d'échappement. Une soupape de sécurité évite les surpressions. De là, le mélange est admis dans le cylindre. Après l'allumage, les deux pistons sont chassés vers l'extérieur et communiquent ainsi leur énergie cinétique aux arbres. Le piston d'échappement commence par libérer la rainure d'évacuation des gaz brûlés, faisant chuter la pression, ce qui provoque une accélération de l'évacuation. L'autre piston ne libère qu'ensuite la rainure permettant l'admission du mélange frais dans le cylindre, mélange qui achève de chasser les gaz brûlés résiduels. À mesure que l'orifice d'admission se dégage, celui d'échappement se referme. Le mélange frais s'accumule dans le cylindre, provoquant une suralimentation. Une fois que la lumière l'admission est refermée par le piston, la compression commence.

• Faibles pertes de chaleur à travers les parois du cylindre, car sa surface est réduite, surtout en fin de course des pistons, où les gaz brûlés sont très chauds ; les parois de la chambre de combustion sont pour l'essentiel masquées par les pistons. Dans un moteur à pistons en opposition, ces derniers s'écartent à la détente, et la surface des parois de la chambre de combustion est à peu près divisée par deux.
• Quasi-insensibilité du couple-moteur à la vitesse de l'arbre – le couple moteur dépend du rendement volumétrique. Avec un moteur deux-temps à un seul piston, le rendement volumétrique dépend fortement de la vitesse angulaire ; ce n'est plus le cas avec un moteur à deux pistons opposés.
• Meilleur échappement : l'allongement de la durée d'échappement permet un renouvellement complet des gaz.
• La séparation des lumières d'admission et d'échappement permet d'asservir très précisément leur ouverture/fermeture au cycle moteur. Cela diminue le gradient thermique entre les pistons et le corps de cylindre, et favorise le mécanisme de va-et-vient.
• Une impulsion tourbillonnaire peut être communiquée à l'air admis, ce qui favorise la carburation ainsi que l'échappement^[7].
• Symétrie du mécanisme, ne nécessitant pas d'équilibrage^[8].

• Émission de micro-particules et de monoxyde de carbone par relargage de lubrifiant à travers les canaux d'échappement. C'est très problématique avec des catalyseurs rechargeables. De nouveaux développements (Achates, OPOC) auraient, d'après leurs constructeurs, si bien résolu ce problème (par recours à des huiles de meilleure qualité, et par application d'un film lubrifiant soigneusement dosé), que toutes les normes modernes d'émissions sont respectées sans qu'il soit nécessaire d'ajouter un filtre à particules^[9]. Une autre solution consiste à utiliser des pistons auto-lubrifiants en graphite (cf. infra le cas du moteur Golle).
• Consommation d'huile : les causes sont les mêmes que pour l'émission de micro-particules, et la solution est la même ; ce problème peut donc être regroupé avec le précédent.
• Problème d'endurance à cause des fortes montées en température du côté échappement, en particulier du piston^{[A 1]}. Ce problème n'est pas si marqué avec les versions Diesel, car la température des gaz d'échappement est moins élevée. Il est clair que tous les moteurs à haut régime, du fait des sollicitations thermiques et mécaniques intenses, sont affectés par ce problème^[10]. La solution passe par un étalement du refroidissement et le recours à des nouveaux matériaux.

• La régularité du régime n'augmente qu'avec le nombre de cylindres ;
• Pour les moteurs à vilebrequin unique (OPOC), masse oscillante plus élevée ;
• Latéralisation de l'admission et de l'échappement. Les problèmes liés à cette asymétrie peuvent être résolus par une optimisation de forme des pistons^[9].

L'une des premières applications est due à l'industriel Wilhelm von Œchelhäuser qui, en 1892, conçut les moteurs à gaz de la Deutsche Continental Gasgesellschaft (Dessau) sur ce principe. Il fut assisté en cela d'Hugo Junkers. Le moteur carburait au gaz de haut fourneau^[11]. Il fut livré en 1896 aux hauts fourneaux de Hörde (Forges Phoenix) à Dortmund. Il développait une puissance de 220 ch pour une génératrice de type dynamo.

Junkers développa l'idée : il conçut sur ce principe des moteurs à essence, puis des moteurs Diesel stationnaires et pour véhicules à très faible consommation.

Le moteur à pistons opposés Junkers Jumo 205, d'une puissance de 880 ch à 2 800 tr/min a été le moteur d'avion Diesel le plus répandu^{[12],[13],[14]}. Il est vrai que, rapporté à sa puissance, il était plutôt lourd ; mais grâce à sa faible consommation spécifique, les bombardiers allemands purent battre plusieurs records du monde d'endurance. Sa mise au point fut laborieuse, en particulier à cause de l'échauffement du piston d'échappement^[15].

Les moteurs Diesel à pistons opposés Junker de la série « HK », produits entre 1930 et 1980 selon le principe de la modularité, d'une cylindrée unitaire de 700 cm³, ont été essentiellement utilisés pour les génératrices électriques et les moteurs embarqués. C'étaient des moteurs mono, bi ou tri-cylindres, pouvant développer de 8 à 38 ch^[16],[17]. Les moteurs de camions ont ensuite été produits par Krupp sous licence, avant d'être supplantés par les deux-temps à soupape d'échappement, à cause de l'encrassement de l'échappement^[18].

Jusqu'en 1945, les Diesels à pistons opposés de Junkers-Dieselkraftmaschinen GmbH étaient fabriqués à Chemnitz. Après la division de l'Allemagne, cette usine échut au combinat Diesel-Kraftmaschinenwerk Karl-Marx-Stadt qui poursuivit la fabrication de la série « HK 65 » sous la marque NZD 9/12^[19]. Ces moteurs équipaient des navires comme source principale ou auxiliaire de puissance ; mais l'usine produisait aussi des mono-cylindres pour des machines de moindre puissance : rouleaux compresseurs, machines de dragage, toupies à béton, tracteurs ou locomotives^[20]. Ils ont été en outre utilisés pour des pompes et des générateurs de secours^[21]. C'était d'ailleurs à la demande de l'URSS que la RDA produisait autant de moteurs à deux-temps : l'Allemagne n'en utilisait plus guère ; et lorsqu'en 1980 la production en fut abandonnée, le combinat a continué de fournir des pièces de rechange jusqu'en 1989.

Avant la Seconde Guerre mondiale, DKW tenta d'équiper une moto de course avec un moteur deux-temps à pistons opposés de 250 cm³, à carburateur Zoller. Il en restait encore quelques exemplaires après la guerre : les DKW GS250. Le pilote Kurt Kuhnke (1910 – 1969), qui en avait récupéré un, courut sous sa propre bannière (ses débuts de sportif datent de 1950) avec ce qu'on appelait alors une « KS1 ». Son moteur chauffait beaucoup, ce dont Kuhnke s'aperçut dès la première course. La puissance du moteur de 250 cm³ était d'environ 45 ch à 7 000 tr/min^[22]. L'adhésion de l'Allemagne à la Fédération Internationale de Motocyclisme (FIM) sonna le glas de la carrière sportive du moteur DKW : après la guerre, la FIM interdit les moteurs à compresseur dans les compétitions.

En 1989, une équipe d'ingénieurs du département Véhicules de l'université de technologie de Darmstadt s'est assignée pour objectif, sous la houlette des experts en restauration Herrmann Herz et Bert Breuer, de faire du légendaire moteur DKW une machine stable thermiquement. Leurs recherches ont abouti en deux ans à faire du DKW à pistons opposés un moteur de 250 cm³ développant 65 ch, soit 20 ch de plus ce qui avait été obtenu à la grande époque du DKW^[23].

Le moteur Diesel Napier Deltic du constructeur britannique Napier & Son, apparu sur le marché vers 1950 et commercialisé jusque dans les années 1980, constitue une forme très particulière du moteur à pistons opposés : fondé sur le Napier-Culverin produit sous licence Junkers, ce moteur compact était destiné à équiper des vedettes rapides et des locomotives, et développait une puissance de 3 000 ch. Il comportait trois vilebrequins, 18 cylindres et 36 pistons et nécessite une soufflante à l'admission pour chasser les gaz brûlés.

Le nom « deltic » vient de son architecture en lettre Delta (Δ).

En 1898, l'ingénieur Lucian Vogel de MAN-Nuremberg a conçu un moteur Diesel bi-cylindre quatre-temps de ce type (le Kutschenwagen-Motor de 5 ch). Il n'a toutefois jamais été commercialisé^[24].

Bien d'autres constructeurs se sont attaqués à ce type de moteur au cours du XX^e siècle : Commer (avec une conception unique -et très britannique- : les pistons opposés étant connectés à de très gros culbuteurs attelés sur un vilebrequin unique^[25] , un moteur surnommé Knocker - esprit frappeur - en raison de son martellement mécanique très caractéristique) ^[25]Compagnie Lilloise des Moteurs, Doxford, Fairbanks-Morse, Gobron-Brillié, British Leyland, Krupp, Napier, Rolls-Royce et Sulzer : ce fut le plus souvent pour des génératrices, des navires et sous-marins et des locomotives, mais parfois aussi des camions, des voitures et des motocyclettes. Ils ont parfois équipé des chars d'assaut : tel était le cas pour le char Chieftain britannique, motorisé par un six-cylindres à pistons opposés (le Leyland L60) et un trois-cylindres comme moteur auxiliaire (Leyland H30). Le T-64 soviétique était lui aussi équipé d'un moteur cinq-cylindres à pistons en opposition.

Le moteur à piston opposés dix-cylindres verticaux 10D100, développant 3 000 ch, a été très utilisé dans les locomotives Diesel de la série SŽD 2TE10L des ateliers ferroviaires de Louhansk.