Lemoteur à pistons opposés, ouà pistons antagonistes, est unmoteur à explosion dans lequel les deuxpistons agissent alternativement sur un mêmecylindre pour faire varier le volume de lachambre de combustion au centre du cylindre. Ce type de moteur a été breveté pour la première fois en 1877 par Ferdinand Kindermann[1].
La norme allemande DIN 1940 (édition de) définissait le moteur à pistons opposés comme un moteur double-piston dont les pistons sont antagonistes.
Encore en 2019, c'est pratiquement toujours[2] unmoteur à deux temps. Dans ce moteur, les lumières d'admission et d'échappement se trouvent aux extrémités du moteur, de part et d'autre de la chambre de combustion ; elles sont mises en communication par les pistons quasiment lorsqu'ils sont en extrémité de course. Cela permet un échappement des gaz brûlés et une admission du carburant pratiquement aussi efficaces que dans un moteur à quatre-temps.
Le moteur à pistons opposés peut être décliné enmoteur Diesel,moteur à essence oumoteur à gaz.
En raison de sadensité de puissance élevée, le moteur deux-temps à pistons en opposition a équipé des années 1930 aux années 1960 une multitude de navires, desous-marins, dechars d'assaut (moteur Leyland L60 équipant leFV4201 Chieftain et Kharkov Morozov 6TD) et même d'avions. Les variantes continuent de se multiplier[3], mais il est de plus en plus souvent remplacé par des moteurs Diesel à quatre-tempssuralimentés.
Récemment (en 2010-2011), trois start-ups américaines s'y sont de nouveau intéressées : EcoMotors avec l'OPOC destiné aux camions (150 kW par bloc de deux cylindres et quatre pistons[4]), Achates, et Pinnacle qui développe une version quatre-temps.
Le renouvellement des gaz brûlés par du carburant nécessite l'application d'une surpression externe sur chaque piston. On peut l'obtenir par :
Pour obtenir l'ignition, il faut laisser l'admission ouverte un certain temps, au-delà de la fermeture de l'échappement. Dans lesmoteurs à cylindre en U, on réalise cedéphasage 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 deuxvilebrequins.
Il y a eu par le passé encore d'autres variantes :
Le moteur dessiné ci-contre est une version simplifiée du moteur de course DKW du constructeurKurt Bang, du bureau d'étudesPrüssing. Il en existait deux versions : l'une aveccylindrée 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 uncarburateur, d'où uneconsommation élevée.
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 leurénergie cinétique aux arbres. Le piston d'échappement commence par libérer la rainure d'évacuation des gaz brûlés, faisant chuter la pression, ce qui provoque uneaccélération 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 unesuralimentation. Une fois que la lumière l'admission est refermée par le piston, la compression commence.
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 augaz de haut fourneau[11]. Il fut livré en 1896 aux hauts fourneaux de Hörde (Forges Phoenix) àDortmund. Il développait une puissance de220 ch pour une génératrice de typedynamo.
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 opposésJunkers Jumo 205, d'une puissance de880 ch à2 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 faibleconsommation 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 lesmoteurs embarqués. C'étaient des moteurs mono, bi ou tri-cylindres, pouvant développer de 8 à38 ch[16],[17]. Les moteurs de camions ont ensuite été produits parKrupp 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 àChemnitz. Après ladivision de l'Allemagne, cette usine échut aucombinat Diesel-Kraftmaschinenwerk Karl-Marx-Stadt qui poursuivit la fabrication de la série « HK 65 » sous la marqueNZD 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 oulocomotives[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 laRDA 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 laSeconde Guerre mondiale,DKW tenta d'équiper unemoto de course avec un moteur deux-temps à pistons opposés de 250 cm3, à carburateurZoller. Il en restait encore quelques exemplaires après la guerre : lesDKW 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'environ45 ch à7 000 tr/min[22]. L'adhésion de l'Allemagne à laFédération 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 restaurationHerrmann Herz etBert 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 développant65 ch, soit20 ch de plus ce qui avait été obtenu à la grande époque du DKW[23].
Le moteur Diesel Napier Deltic du constructeur britanniqueNapier & Son, apparu sur le marché vers 1950 et commercialisé jusque dans lesannées 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 de3 000 ch. Il comportait trois vilebrequins, 18 cylindres et 36 pistons et nécessite unesoufflante à l'admission pour chasser les gaz brûlés.
Le nom « deltic » vient de son architecture en lettreDelta (Δ).
En 1898, l'ingénieur Lucian Vogel deMAN-Nuremberg a conçu un moteur Diesel bi-cylindre quatre-temps de ce type (le Kutschenwagen-Motor de5 ch). Il n'a toutefois jamais été commercialisé[24].
Bien d'autres constructeurs se sont attaqués à ce type de moteur au cours duXXe siècle :Commer (avec une conception unique -et très britannique- : les pistons opposés étant connectés à de très grosculbuteurs attelés sur unvilebrequin unique[25] , un moteur surnomméKnocker - 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 etSulzer : ce fut le plus souvent pour des génératrices, des navires et sous-marins et des locomotives, mais parfois aussi descamions, desvoitures et desmotocyclettes. Ils ont parfois équipé deschars d'assaut : tel était le cas pour le charChieftain britannique, motorisé par un six-cylindres à pistons opposés (le Leyland L60) et un trois-cylindres comme moteur auxiliaire (Leyland H30). LeT-64 soviétique était lui aussi équipé d'un moteur cinq-cylindres à pistons en opposition.
Le moteur à piston opposés dix-cylindres verticaux 10D100, développant3 000 ch, a été très utilisé dans leslocomotives Diesel de lasérie SŽD 2TE10L des ateliers ferroviaires deLouhansk.
Ce moteur américain, dont l'acronyme « OPOC » signifie « Opposed Piston Opposed Cylinder », présente deux grandes particularités :
Le vilebrequin ne subit la résultante des forces transmises par les bielles de traction et de compression (qui se compensent mutuellement) que par des roulements. Cela modère la compression sur les roulements, ce qui facilite leur réalisation. Le choix de pistons en opposition présente l'avantage de raccourcir le vilebrequin et d'équilibrer les masses tournantes[26],[27].
Ses autres particularités sont :
Le développement a été assuré à l'origine par Advanced Propulsion Technologies Inc.[29], qui détient par ailleurs le brevet. Il s'agit d'un projet financé par laDARPA, qui y voit des applications importantes pour les hélicoptères militaires, les blindés, les camions ou les génératrices de campagne. Trois variantes ont été mises à l'étude : une version de 10 kW et 6 kg, une de 30 kW et 18 kg (par accouplement de trois modules de 10 kW) et une de 242 kW et 204 kg.
En 2010, l'AméricainBill Gates a investi 23,5 millions de dollars en faveur d'EcoMotors International[30],[31].
Au mois de, le fabricant de camionsNavistar International s'est associé à EcoMotors pour développer un moteur Diesel compressé[32],[33],[34].
Au mois d', le constructeur automobile chinois Djongding a déclaré s'associer à EcoMotors et lancé laproduction en série de moteur de camion Opoc[35].
De 2013 à 2017, EcoMotors International en développait des applications civiles[36],[37].
Achates est un bureau d'étude de Californie[A 2] qui a conçu un moteur à pistons opposés à deux vilebrequins, réducteur et compresseur[38],[39].
Selon Achates, le nombre de cylindres optimal serait de trois car cela équilibre les pressions dans le compresseur et évite le renvoi de gaz d'un cylindre qui vient juste de s'ouvrir dans un cylindre déjà ouvert ; toutefois le moteur d'Achates est un moteur bi-cylindre[A 3].
Unembrayage permet d'adapter la vitesse de rotation de l'arbre moteur selon le régime, ce qui, dans l'état de la technique, s'accompagne d'une baisse de consommation de 15–20 % par rapport à un moteur diesel[40].
Selon certaines sources[41],[42], Achates serait parvenu, par une connaissance fine du cheminement de l'huile et un dosage précis du carburant, à réduire fortement les émissions dedioxyde de carbone, qui sont d'ailleurs déjà faibles dans un moteur quatre-temps.
La chambre de combustion affecte, au moment de l'ignition, la forme d'unellipsoïde de révolution, aux extrémités duquel deuxinjecteurs distribuent le mélange : cette cambrure du cylindre est obtenue par un profilage particulier des pistons, qui repoussent les parois du cylindre dans leur translation. Cela réduit la surface effective de la chambre de combustion et donc, les pertes par échange thermique avec l'extérieur[A 3].
Le recours à deux injecteurs permet d'alterner l'injection de deux mélanges distincts et ainsi d'optimiser le cycle de pression et de température[A 3].
Pinnacle développe un moteur quatre-temps à deux vilebrequins[A 4] : avec un moteur à pistons opposés, cela impose de positionner les soupapes d'admission et d'échappement au centre du cylindre, au-delà de la course extrême des deux pistons. La solution trouvée par Pinnacle consiste à former le cylindre de deux tubes, serrés l'un contre l'autre par un collier étanche. Un des tubes s'ouvre à l'admission (l'autre à l'échappement) par une manchette découvrant une fente périphérique (sleeve-valve) : cela donne favorise l'échappement et la consommation d'huile, au prix d'un moteur plus lourd et plus complexe. Le moteur fonctionne par ailleurs selon le « cycle de Cleeves », qui reprend le principe du moteur Otto ou diesel suivant les circonstances[43].
La compagnie britannique Powerplant Developments a développé un moteur d'avion trois-cylindres à pistons opposés. Ses principaux avantages sont sa légèreté, sa compacité, sa consommation réduite, liés à des intervalles de recouvrement plus longs et à la possibilité d'utiliser dukérosène. Dans ses deux variantes, ce moteur développe 100 à150 ch[44].
Le moteur Golle est un moteur à pistons opposés dont les deux vilebrequins sont connectés par unpignon. Les bielles sont connectées aux pistons par cardans et brimbales. Cette transmission de mouvement est rendue étanche à l'air et l'huile du cylindre par un carter. Le volume entre le cardan et les deux pistons connectés fait compresseur d'air à clapets. Le pistons ne sont pas lubrifiés à l'huile, d'où plusieurs avantages :
Les bagues de piston sont engraphite à grain fin, léger et auto-lubrifiant, et dont la stabilité thermique (jusqu'à2 500 °C) résout le problème d'échauffement à l'échappement[45].
Ce moteur, de par la symétrie et le petit nombre de pièces, est facile à produire. Il était en encore en phase de mise au point (), notamment pour améliorer la résistance des pistons en graphite.
L'entreprise ukrainienne Malychev produit un moteur à pistons opposés, le 6TD-2[46] pour le charT-84, qui développe1 200 ch, pèse 1,2 t et consomme 218 g/kWh degazole. Il est conçu comme un moteurpolycarburant. De même le moteur 10D100 développant3 000 ch pour la motrice 2TE10U par exemple.
L'entreprise britannique Diesel Air Limited[47] a développé un moteur Diesel d'avion à pistons opposés de100 ch. Comme le moteur Junker, il comporte deux vilebrequins accouplés par un pignon d'engrenages. Avec une capacité de1,8 l, il nepèse que 93 kg[48].
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