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Le diesel multivilebrequin à pistons opposés (1)



par François Dovat

Ce type de moteur présente les avantages principaux d’un excellent balayage en équicourant ainsi que d’un rendement thermodynamique de premier ordre dû à sa course double qui induit un meilleur rapport surface / volume des chambres de combustion. En outre, étant donné qu’il ne comporte ni culasses, ni joint de culasse, ni distribution, sa fiabilité est supérieure. Dans les sous-marins nucléaires de l’US Navy, des diesels Fairbanks-Morse à pistons opposés assurent l’entraînement des générateurs et la propulsion de secours. Des moteurs du même type avaient d’ailleurs équipé les sous-marins diesel-électriques américains dès la seconde guerre mondiale.

En 1929, lorsque le professeur Hugo Junkers rendit publique la direction de ses recherches concernant le moteur Diesel à pistons opposés d'aviation, le premier vol d’essai avait juste été accompli avec succès à Dessau. Trois ans plus tard, les Jumo 204 entraient en service régulier sur un quadrimoteur Junkers G 38. Ils durent être provisoirement retirés du service en raison d’ennuis de pistons et de chemises, mais dès 1937 ils assuraient les liaisons transatlantiques Nord et Sud de la Lufthansa, montés sur des hydravions.

Les Junkers diesel 2-temps pour avions comportaient 6 cylindres en ligne verticaux, 12 pistons et 2 vilebrequins accouplés par un train d’engrenages servant également de réducteur pour l’hélice. Les pistons inférieurs découvraient les lumières d’admission, les supérieurs ouvrant celles d’échappement. Afin de procurer le diagramme de distribution voulu, le vilebrequin inférieur (d’admission) était retardé d’une douzaine de degrés sur le supérieur (d’échappement). De ce fait, ce dernier recevait approximativement les 3/4 de la puissance brute et il était mis au bénéfice de l’engrènement le plus direct sur l’arbre d’hélice. En outre, comme le vilebrequin inférieur entraînait le compresseur de balayage, les pompes à huile et à eau ainsi que le générateur, la puissance nette transmise à l’hélice par son train d’engrenage était réduite en dessous du quart du total. Un arbre flexible absorbait les vibrations de torsion entre ledit vilebrequin et tous ces accessoires, notamment le compresseur centrifuge à double entrée – entraîné à 8,49 fois le régime du moteur par un train surmultiplicateur à 2 étages.

Le bloc moteur était une magnifique pièce d’alliage léger coulé, absolument symétrique, dans laquelle des chemises humides étaient maintenues en place par une bague-écrou périphérique. Les paliers de vilebrequin étaient constitués de trois pièces démontables, de façon à permettre l’introduction des chemises.

Deux arbres à cames, disposés symétriquement de chaque côté du bloc et entraînés à partir de la roue dentée d’accouplement centrale, commandaient 12 pompes d’injection par l’intermédiaire de culbuteurs. Chaque pompe envoyait sa dose de carburant à 2 injecteurs, ce qui fait que chaque cylindre comportait 4 injecteurs à 90° les uns des autres. Tout le système était conçu et fabriqué par Junkers et était capable de procéder à l’injection en moins d’un millième de seconde sous une pression de quelque 600 bars.

Figure 1 : Jumo 205 D

Figure 2 : Jumo 205 C au Musée Suisse des Transports, Lucerne

Figure 3 : Jumo 205 C, système d'injection

Figure 4 : Jumo 205 C, embiellage


Figure 5 : Jumo 205 C


Figure 6: Jumo 205 C

Les collecteurs d’admission et d’échappement étaient également doublés et symétriques, des deux côtés du moteur, ce qui favorisait le balayage. Cinq rangées de petites lumières d’admission circulaires percées tangentiellement au bas des chemises imprimaient à l’air d’admission un mouvement hélicoïdal qui devenait circulaire pendant l’injection.

Un damper hydraulique et un arbre de torsion coaxial logé à l’intérieur de l’arbre d’hélice – creux – filtraient les vibrations.

Le moteur était fermé par trois carters en alliage de magnésium.

Les pistons n’étaient pas refroidis par jet d’huile et la surchauffe de ceux d’échappement était compliquée par le fait qu’entre l’instant où le segment de tête commençait à ouvrir les lumières et l’instant où la tête de piston avait largement ouvert les dites lumières, se produisait, entre la chemise, la couronne du piston et le segment de tête, un véritable coup de chalumeau dû à l’expulsion des gaz brûlés encore sous haute pression et température. Junkers solutionna ce problème par l’adoption de pistons composés de deux parties principales et dont la tête en acier emprisonnait un anneau périphérique profilé en L entre elle et le corps du piston en alliage léger. Cet anneau scellait l’espace entre la paroi du cylindre et la couronne du piston grâce à un jeu minimum que la pression de combustion tendait à réduire encore.

Mais, bien entendu, l’efficacité de tels anneaux est affectée si l’alésage du cylindre subit des variations au long de leur course. La température des chemises des premiers Jumo 204 et 205 atteignait environ 240°C dans la zone des chambres de combustion, bien que le liquide de refroidissement circulât normalement à 83°C autour d’elles. La dilatation conséquente des cylindres imposait des contraintes considérables sur les anneaux de pression qui avaient à s’ouvrir lors de chaque passage au point mort haut. On remédia à ce défaut en fraisant des canaux autour des chemises dans la zone critique, rapprochant ainsi le liquide de refroidissement des parois des cylindres et augmentant également la surface de transfert thermique. La perte de rigidité des chemises due à ces canaux fut compensée en emmanchant des fourreaux autour d’elles.

Grâce à ces améliorations, on pu non seulement augmenter la puissance à 2200 t/mn de 600 ch (205 C) à 700 ch (205 D), mais aussi adopter le refroidissement à l’éthylène-glycol circulant jusqu’à 130°C et réduire par là la taille et le poids des radiateurs.

Les Jumo 204 avaient une cylindrée de 28 litres et un rapport alésage/course de 1,75. On diminua ce rapport à 1,52 sur les Jumo 205 de 16,6 litres et à 1,23 sur les Jumo 206 destinés à remplacer les obsolètes Jumo 204. On eut alors à faire face à une détérioration du balayage due au fait que l’air d’alimentation, centrifugé à la circonférence des cylindres, laissait en place un noyau de gaz brûlés. Un nouveau dessin des lumières d’admission serait venu à bout de ce phénomène et aurait permit de diminuer le volume d’air de balayage de 1,6 à 1,3 fois la capacité des cylindres. Si les 4 rangées de lumières supérieures continuaient à être perforées tangentiellement, en revanche la rangée inférieure était percée radialement, directement contre l’axe du cylindre afin d’y projeter un souffle d’air comprimé expulsant les gaz résiduels. La puissance au décollage (une minute maximum) du 205 D put être ainsi portée à 880 ch à 3000 t/mn, soit une vitesse moyenne de piston faramineuse pour un diesel de 16 m/sec ! Le Jumo 206 aurait atteint 1200 ch à 2600 t/mn, mais pour une raison inconnue de l’auteur, cette version à alésage augmenté n’a jamais donné satisfaction et ne fut construite qu’en un petit nombre de moteurs d’essai. Son développement continua néanmoins jusqu’en 1940 et donna naissance au Jumo 208 à turbocompresseur et compresseur centrifuge à 2 vitesses d’entraînement mécanique en 2ème étage. La puissance de ce magnifique moteur aurait culminé à 1500 ch à 3000 t/mn, mais seulement 12 exemplaires en furent construits.

Figure 7: Jumo 208

La température des gaz d’échappement de ces diesels 2 temps ne dépassait pas 550°C (contre 800 à 1000°C pour les moteurs à essence) et ne constituait donc pas un obstacle à l’installation d’une turbine d’échappement construite avec les aciers dont on disposait à l’époque, particulièrement en Allemagne pendant la guerre. Divers systèmes d’accouplement de la turbine au compresseur et au moteur furent expérimentés. Le système décrit plus haut fut finalement retenu aussi pour le Jumo 205, qui reçut alors l’appellation Jumo 207. En 1941, dans sa version de série 207 B3 équipée d’un réfrigérant d’air d’admission (ou Intercooler) semi-circulaire disposé autour du carter inférieur, ce moteur pouvait développer 1000 ch à 3000 t/mn, soit 60 ch au litre de cylindrée. Sa consommation spécifique n’aurait pas dépassé 170 g/ch/h à pleine puissance. Certains exemplaires furent équipés d’un système de surpuissance GM-1 à injection de N2O qui permettait de maintenir la puissance maximum jusqu’à l’altitude de 10 000 mètres, le plafond absolu pouvant atteindre 14 à 15 000 mètres…

L’ultime version 207 D, apparue en 1943, avait un alésage porté de 105 à 110 pour une cylindrée de 18,25 litres et une puissance de 1200 ch, soit 66 ch/l !

Figure 8: Jumo 207B3

Avant le démarrage, le circuit de lubrification était amorcé et mis sous pression par une pompe à main. Le lancement lui-même était généralement obtenu par injection d’air comprimé sous 40 à 80 bars directement dans les cylindres. Toutefois, certains moteurs étaient équipés d’un démarreur électrique et d’autres d’un système pour cartouches à poudre.

Durant la guerre, les diesels de Junkers, peu aptes aux soudaines variations de régime et de puissance rencontrées en combat aérien en raison de leur alimentation en air par un compresseur centrifuge, furent surtout montés sur des avions et des hydravions de reconnaissance lointaine : Bv 138, BvHa 139, Do 18, Do 26, et Ju 86 D pour les Jumo 205 ; Bv 222 et Ju 86P&R pour les Jumo 207, alors que les quelques Jumo 208 furent installés sur des Ju 86 R. En tout plus de 900 moteurs furent produits.

Le Dr Ing. Gasterstädt, responsable du développement des diesels chez Junkers, révéla en 1937 peu avant sa mort quelques chiffres intéressants dans un exposé à l’intention de ses collègues du monde entier. Ces moteurs équipaient alors des appareils civils et n’étaient pas couverts par le secret militaire qui avait par ailleurs rendu les systèmes d’injection directe d’essence allemands si mystérieux. On apprit alors que dans un 205 C développant 660 ch à 2400 t/mn, le taux de compression était de 17 :1, la pression d’admission de 0,42 bars, la pression de compression de 61 bars par une température de 600 à 700°C, et la pression de combustion de 102 bars sous quelque 1400°C.

(© François Dovat)
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Idée & conception © 1999-2011 van Damme Stéphane.


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