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Moteur à boule chaude Moteur à boule chaude (deux temps) 1. Boule chaude 2. Cylindre 3. Piston 4. Carter
Un moteur à boule chaude, à bulbe chaud ou semi-Diesel1, est un moteur à combustion interne dont le carburant est allumé par le contact avec une surface de métal chauffée au rouge (boule chaude) alors que l'air s'y compresse avec la montée du piston. Bien qu'il y ait un certain allumage lorsque le carburant est introduit, ce dernier épuise rapidement l'oxygène disponible dans la boule, ce qui fait en sorte que le « vrai » allumage se produit lorsqu'une quantité suffisante d'oxygène est admise dans la boule.
La plupart des moteurs à boule chaude ont été produits sous la forme d'un moteur à deux temps basé sur un seul cylindre2. Histoire Un moteur à boule chaude Hornsby-Akroyd, construit selon le design du cylindre horizontal.
Le concept du moteur est élaboré à la fin du XIXe siècle par Herbert Akroyd Stuart (en). Les premiers prototypes sont construits en 1886 et la production débute en 1891 chez Richard Hornsby & Sons (en) sous le nom de Hornsby Akroyd Patent Oil Engine (en)3,4. Le concept est repris plus tard aux États-Unis par les immigrants allemands Mietz et Weiss, qui le combinent au moteur deux-temps développé par Joseph Day.
Des moteurs similaires sont développés pour des utilisations agricoles et marines par J. V. Svensons Automobilfabrik, Bolinders, Lysekils Mekaniska Verkstad, Pythagoras Engine Factory (en) et plusieurs autres entreprises suédoises.
Le moteur d'Akroyd-Stuart a été le premier moteur à combustion interne à utiliser un système d'injection de carburant sous pression et également le premier à utiliser une chambre de combustion à vaporisation séparée. Il est le précurseur de tous les moteurs à boule chaude, qui pourraient être considérés comme des prédécesseurs du moteur Diesel similaire, développé quelques années plus tard.
Cependant, le moteur à huile Hornsby-Akroyd et les autres moteurs à boule chaude sont nettement différents de la conception de Rudolf Diesel, où l'allumage se produit uniquement par la chaleur de la compression : un moteur à boule chaude aura un taux de compression entre 3:1 et 5:1, où un moteur Diesel typique aura un taux de compression beaucoup plus élevé, généralement compris entre 15:1 et 20:1, ce qui le rend plus efficace. De plus le carburant est injecté au début de la course d'admission et non au pic de compression avec une haute pression. Fonctionnement
Le moteur à bulbe chaud partage sa configuration de base avec presque tous les autres moteurs à combustion interne, en ce sens qu'il a un piston, à l'intérieur d'un cylindre, connecté à un volant par bielle et vilebrequin. Le moteur d'origine d'Akroyd-Stuart fonctionnait selon le cycle quatre temps (admission, compression, combustion/détente et échappement), Richard Hornsby a continué à construire des moteurs selon cette conception, de même que plusieurs autres fabricants britanniques tels que Blackstone et Crossley. Cependant les autres fabricants en Europe, Scandinavie et aux États-Unis ont plutôt construit des moteurs fonctionnant sur le cycle deux temps. Ce dernier type a constitué la majorité de la production de moteurs à boule chaude. L'écoulement des gaz à travers le moteur est contrôlé par des soupapes dans les moteurs à quatre temps et par les orifices (lumière) dans la paroi du cylindre en deux temps.
Dans le moteur à boule chaude, la combustion a lieu dans une chambre de combustion séparée, le « vaporisateur » (également appelé « boule chaude »), généralement monté sur la culasse, dans laquelle du carburant est pulvérisé. Il est relié au cylindre par un passage étroit et est chauffé par les gaz de combustion pendant son fonctionnement ; une flamme externe, telle qu'un chalumeau ou une mèche à combustion lente, est utilisée pour le démarrage ; sur les modèles ultérieurs, le chauffage électrique ou la pyrotechnie étaient parfois utilisés. Une autre méthode consistait à inclure une bougie et une bobine d'allumage ; le moteur était démarré à l'essence et commuté à l'huile après avoir atteint sa température de fonctionnement.
Une fois le moteur en marche, la chaleur de compression et d'allumage maintient la boule chaude à la température nécessaire, et la source de chaleur externe peut être retirée. Par la suite, le moteur ne nécessite qu'une alimentation en air, en mazout et en huile de graissage pour fonctionner. Cependant, à faible puissance, la boule peut trop refroidir, il faut alors couper son alimentation en air frais froid. À l'inverse, à mesure que la charge du moteur augmente, la température de l'ampoule augmente également, ce qui fait avancer la période d'allumage ; pour contrer le pré-allumage, de l'eau est envoyé dans la prise d'air5. Si la charge sur le moteur est faible, les températures de combustion peuvent ne pas être suffisantes pour maintenir la température de la boule chaude. De nombreux moteurs à boule chaude ne peuvent pas fonctionner à vide sans chauffage d'appoint pour cette raison.
Le fait que le moteur puisse être laissé sans surveillance pendant de longues périodes tout en fonctionnant a fait des moteurs à boule chaude un choix populaire pour les applications nécessitant une puissance de sortie constante, telles que les tracteurs agricoles, générateurs électriques, pompes et propulsion des bateaux. Moteurs à quatre temps
L'air est aspiré dans le cylindre par la soupape d'admission lorsque le piston descend (la course d'admission). Pendant la même course, du carburant est pulvérisé dans le vaporisateur par une pompe à carburant mécanique6 à travers une buse. L'air dans le cylindre est ensuite poussé vers le haut du cylindre lorsque le piston monte (la course de compression), à travers l'ouverture dans le vaporisateur, où il est comprimé et sa température augmente. Le carburant vaporisé se mélange à l'air comprimé et s'enflamme principalement en raison de la chaleur de la boule générée pendant le fonctionnement, ou de la chaleur appliquée à la boule avant le démarrage. La boule est reliée à un col très étroit où elle se fixe au cylindre, un degré élevé de turbulence est mis en place pendant l'allumage les gaz traversent le col vers le cylindre, où la combustion se termine avec l'air comprimé en haut du cylindre. La pression résultante entraîne le piston vers le bas (la course motrice). L'action du piston est convertie en un mouvement de rotation par l'ensemble vilebrequin-volant. Le piston remonte, expulsant les gaz d'échappement par la soupape d'échappement (la course d'échappement). Le cycle recommence alors. Moteurs à deux temps Tracteur Lanz Bulldog 1943. Démarrage d'un moteur semi-Diesel à deux temps à boule chaude à l'aide d'une lampe de chauffe sur un tracteur Lanz Bulldog.
Le cycle commence avec le piston en bas de sa course. En montant, il aspire de l'air dans le carter par l'orifice d'admission. En même temps, du carburant est pulvérisé dans le vaporisateur. La charge d'air « au-dessus » du piston est comprimée dans le vaporisateur, où elle est mélangée avec le carburant atomisé et s'enflamme. Le piston est entraîné dans le cylindre. En descendant, le piston découvre d'abord l'orifice d'échappement. Les gaz d'échappement sous pression sortent du cylindre. Une fraction après la découverte de l'orifice d'échappement, le piston descendant découvre l'orifice de transfert. Le piston met maintenant sous pression l'air dans le carter, qui est forcé à travers l'orifice de transfert et dans l'espace au-dessus du piston. Une partie de la charge d'air entrant est perdue par l'orifice d'échappement encore ouvert pour s'assurer que tous les gaz d'échappement sont évacués du cylindre, un processus connu sous le nom de « balayage ». Le piston atteint alors le bas de sa course et recommence à monter, aspirant une nouvelle charge d'air dans le carter et complétant le cycle. L'induction et la compression sont effectuées sur la course ascendante, tandis que la puissance et l'échappement se produisent sur la course descendante.
Une alimentation en huile de graissage doit être fournie au carter pour lubrifier le vilebrequin. Le carter étant également utilisé pour fournir de l'air au moteur, l'huile de graissage du moteur est transportée dans le cylindre avec la charge d'air, brûlée pendant la combustion et évacuée par l'échappement. L'huile transportée du carter au cylindre est utilisée pour lubrifier le piston. Cela signifie qu'un moteur à boule chaude à deux temps brûle progressivement son alimentation en huile lubrifiante, une conception connue sous le nom de système de lubrification à « perte totale ». Il y avait également des conceptions qui utilisaient une pompe de récupération ou similaire pour éliminer l'huile du carter et la renvoyer dans le réservoir d'huile de lubrification. Les tracteurs à boule chaude de Lanz et leurs nombreux imitateurs avaient cette caractéristique. Cela a considérablement réduit la consommation d'huile.
De plus, si un excès d'huile de carter est présent au démarrage, il existe un risque que le moteur démarre et accélère de manière incontrôlable pour dépasser largement les limites de vitesse des composants rotatifs et alternatifs. Cela peut entraîner la destruction du moteur. Il y a normalement un robinet d'arrêt qui permet la vidange du carter avant le démarrage.
L'absence de soupapes et le cycle de travail doublé signifie également qu'un moteur à deux temps peut fonctionner dans les deux sens. Une technique de démarrage courante pour les petits moteurs à deux temps consiste à faire tourner le moteur dans le sens contraire du sens de rotation normal. Le piston « rebondira » sur la phase de compression avec une force suffisante pour faire tourner le moteur dans le bon sens et le démarrer. Ce fonctionnement bidirectionnel était un avantage dans les applications marines, car le moteur pouvait, comme le moteur à vapeur, entraîner un navire en avant ou en arrière sans avoir besoin d'une boîte de vitesses. La direction pouvait être inversée soit en arrêtant le moteur et en le redémarrant dans l'autre sens, soit, avec suffisamment d'habileté et de timing de la part de l'opérateur, en ralentissant le moteur jusqu'à ce qu'il ait juste assez d'élan pour rebondir contre sa propre compression et tourner de l'autre côté. C'était une qualité indésirable dans les tracteurs équipés de boîtes de vitesses. À des régimes moteur très bas, le moteur pouvait faire marche arrière presque sans aucun changement de son ou de qualité de fonctionnement et sans que le conducteur ne s'en aperçoive jusqu'à ce que le tracteur roule dans la direction opposée à celle prévue. Les tracteurs Lanz Bulldog comportaient un cadran, entraîné mécaniquement par le moteur, qui montrait une flèche en rotation. La flèche pointait dans le sens de la rotation normale du moteur ; si le cadran tournait dans l'autre sens, le moteur s'était inversé.
"Le moteur à huile Hornsby-Akroyd , du nom de son inventeur Herbert Akroyd Stuart et du fabricant Richard Hornsby & Sons , a été la première conception réussie d'un moteur à combustion interne utilisant du pétrole lourd comme carburant. Il a été le premier à utiliser une chambre de combustion à vaporisation séparée et est le précurseur de tous les moteurs à bulbe chaud , qui sont considérés comme des prédécesseurs du moteur diesel similaire , développé quelques années plus tard. Les premiers moteurs à combustion interne fonctionnaient assez bien avec des carburants gazeux et pétroliers légers. Cependant, en raison de la nature dangereuse du pétrole et du pétrole léger, des restrictions légales ont été imposées à leur transport et à leur stockage. Les carburants pétroliers plus lourds, tels que le kérosène , étaient assez répandus, car ils étaient utilisés pour l'éclairage, mais posaient des problèmes spécifiques lorsqu'ils étaient utilisés dans les moteurs à combustion interne : l'huile utilisée pour le carburant du moteur doit être transformée en vapeur et rester dans cet état pendant la compression. De plus, la combustion du carburant doit être puissante, régulière et complète, pour éviter les dépôts qui viendront obstruer les soupapes et les pièces mobiles du moteur.
Les premiers moteurs prototypes de Herbert Akroyd Stuart ont été construits en 1886. En 1890, en collaboration avec Charles Richard Binney , il a déposé le brevet 7146 pour Richard Hornsby & Sons de Grantham , Lincolnshire , Angleterre. Le brevet était intitulé : "Améliorations des moteurs fonctionnant par explosion de mélanges de vapeur ou de gaz combustible et d'air" .
La conception du moteur à huile de Stuart était simple, fiable et économique. Il avait un taux de compression relativement faible , de sorte que la température de l'air comprimé dans la chambre de combustion à la fin de la course de compression n'était pas assez élevée pour amorcer la combustion. La combustion a plutôt eu lieu dans une chambre de combustion séparée, le « vaporisateur » (également appelé « boule chaude ») monté sur la culasse, dans lequel le carburant a été pulvérisé. Il était relié au cylindre par un passage étroit et était chauffé soit par le liquide de refroidissement du cylindre, soit par les gaz d'échappement en marche ; une flamme externe telle qu'un chalumeau a été utilisée pour le démarrage. L'auto-inflammation s'est produite par contact entre le mélange air-carburant et les parois chaudes du vaporisateur. En contractant l'ampoule à un col très étroit où elle était attachée au cylindre, un degré élevé de turbulence a été créé lorsque les gaz enflammés ont traversé le col dans le cylindre, où la combustion a été achevée. À mesure que la charge du moteur augmentait, la température de l'ampoule augmentait également, ce qui faisait avancer la période d'allumage; pour contrer le pré-allumage, de l'eau s'est égouttée dans la prise d'air.
Le moteur Stuart est de conception à quatre temps . Pendant la course d'admission (1), de l'air frais est aspiré dans le cylindre par l'intermédiaire d'une soupape d'admission à commande mécanique. Simultanément, de l'huile est injectée dans le vaporisateur. La vapeur de l'huile est presque entièrement confinée dans la chambre de vaporisation. Ce nuage de vapeur d'huile chaude est trop riche pour entretenir la combustion. Lors de la course de compression (2) du piston, l'air frais est forcé à travers le col étroit et dans le vaporisateur. Au moment où la compression est terminée, le mélange est juste pour soutenir la combustion et l'allumage se produit pour pousser le piston pendant la course de détente (3). Les gaz d'échappement sont alors libérés pendant la course (4).
Quelques années plus tard, la conception d'Akroyd-Stuart a été développée aux États-Unis par les émigrants allemands Mietz et Weiss, qui ont combiné le moteur à bulbe chaud avec le principe de balayage à deux temps , développé par Joseph Day pour fournir près du double de la puissance, comme par rapport à un moteur à quatre temps de même taille. Des moteurs similaires, à usage agricole et marin, ont été construits par J. V. Svensons Automobilfabrik, Bolinders , Lysekils Mekaniska Verkstad, Pythagoras Engine Factory et de nombreuses autres usines en Suède.
Le moteur d'Akroyd-Stuart a été le premier moteur à combustion interne à utiliser un système d' injection de carburant sous pression et aussi le premier à utiliser une chambre de combustion à vaporisation séparée. C'est le précurseur de tous les moteurs à bulbe chaud , qui sont considérés comme des prédécesseurs du moteur diesel similaire , développé quelques années plus tard. Cependant, le moteur à huile Hornsby-Akroyd et les autres moteurs à bulbe chaud sont nettement différents de la conception de Rudolf Diesel , où l'allumage se produit seul par la chaleur de compression : un moteur à huile aura un taux de compression décent entre 3:1 et 5: 1, où un moteur diesel typique aura un taux de compression beaucoup plus difficile compris entre 15:1 et 20:1, ce qui le rend beaucoup plus efficace. De plus, le carburant est injecté facilement au début de la course d'admission et non au pic de compression avec une pompe d'injection diesel haute pression Moteur à huile Hornsby-Akroyd
Voici un schéma de ce moteur :
Photo du moteur :
Vidéo :
En 1892, TH Barton à Hornsbys a amélioré le moteur en remplaçant le vaporisateur par une nouvelle culasse et a augmenté le taux de compression pour faire fonctionner le moteur à la seule compression avant le moteur de Rudolph Diesel. Cette conception de moteur à huile Hornsby-Akroyd a connu un énorme succès : au cours de la période de 1891 à 1905, un total de 32 417 moteurs ont été produits. Ils fourniraient de l'électricité pour éclairer le Taj Mahal , le rocher de Gibraltar , la Statue de la Liberté (choisi après que Hornsby a remporté le prix du moteur à huile à l' Exposition universelle de Chicago de 1893), de nombreux phares et pour alimenter la première radio transatlantique de Guglielmo Marconi Moteur à huile Hornsby-Akroyd
Sujet: Re: Genèse du moteur à boule chaude Lun 11 Juil 2022, 06:54
Bonjour,
quelques infos sur Joseph Day qui travailla de manière indirecte à la conception du moteur à boule chaude (moteur deux temps sans soupapes) :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Joseph_Day
Joseph Day (né en 1855 à Londres et mort en 1946) est un ingénieur anglais ayant inventé le moteur à essence à deux temps carter-compression1.
Il mit en application un nouveau mécanisme de « compresseur sans soupapes » breveté par Edmund Edwards et le fit connaître. Dès 1889, il travaillait à un projet de moteur qui contournerait les brevets déposés par Otto pour le moteur quatre-temps2 et qu'il appela finalement le « moteur deux-temps sans soupape. » Il comportait en fait deux valves : l'une à l'admission (les moteurs deux-temps actuels utilisent plutôt à cet endroit une valve lamellaire), l'autre dans la couronne du piston, faute d'avoir pensé à des évents d'échange. Il fabriqua 250 de ces moteurs, les adaptant à toutes sortes de génératrices électriques, et obtint un prix à l’International Electrical Exhibition de 1892.
Ce fut l'un de ses ouvriers, Frederick Cock, qui adapta la jupe du piston pour contrôler l'admission et supprimer entièrement les soupapes, donnant naissance au piston classique des moteurs à deux-temps. Seuls deux exemplaires de ces moteurs ont survécu: l'un est exposé au Deutsches Museum de Munich3, l'autre au Science Museum de Londres.
