vignette|Cylindres opposés du moteur Junkers Jumo 205. Le moteur à pistons opposés, ou à pistons antagonistes, est un moteur à explosion dans lequel les deux pistons agissent alternativement sur un même cylindre pour faire varier le volume de la chambre de combustion au centre du cylindre. Ce type de moteur a été breveté pour la première fois en 1877 par Ferdinand KindermannD'après ..
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 toujoursD'après , le moteur d'avion Gobron-Brillié de 1906 était à quatre pistons. un moteur 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 en moteur Diesel, moteur à essence ou moteur à gaz.
En raison de sa densité de puissance élevée, le moteur deux-temps à pistons en opposition a équipé des années 1930 aux années 1960 une multitude de navires, de sous-marins, de chars d'assaut (moteur Leyland L60 équipant le FV4201 Chieftain et Kharkov Morozov 6TD) et même d'avions. Les variantes continuent de se multiplier., mais il est de plus en plus souvent remplacé par des moteurs Diesel à quatre-temps suralimentés.
Récemment (en 2010-2011), trois start-ups américaines s'y sont de nouveau intéressées : EcoMotors avec l'OPOC destiné aux camions ( par bloc de deux cylindres et quatre pistons.), Achates, et Pinnacle qui développe une version quatre-temps.
Caractéristiques techniques L'échange des gaz (version « deux-temps ») 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°.
Transformation de mouvement 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 cylindreStefan Zima , .. 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..
Exemple de conception et fonctionnement vignette|droite|Coupe de principe d'un moteur à cylindres opposés. vignette|Vue en perspective d'un moteur à cylindres opposés. vignette|Animation du mouvement des pistons 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 , l'autre d'une cylindrée de . 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. Buse d'aspiration du mélange venant du carburateur Compresseur mécanique (ici un compresseur d'avion ; à l'origine un compresseur Zentrix). Chambre de refroidissement pour l'emmagasinement et la redistribution au cylindre soupape de sécurité vilebrequin d'échappement vilebrequin d'admission (incliné d'environ 20° par rapport à l'autre vilebrequin, de façon à créer un déphasage) Cylindre avec les gorges latérales pour l'admission et l'échappement détente, orifice pour l'échappement Circuit de refroidissement 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.
Avantages et inconvénients des moteurs à pistons antagonistes
Avantages comparatifs 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'échappementCf. .. Symétrie du mécanisme, ne nécessitant pas d'équilibrage..
Inconvénients inhérents à la conception 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.. 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 pistonAinsi le moteur Leyland , qui équipait le char d'assaut Chieftain, était sujet à de fréquentes déchirures du carter et des Zylinderlaufbuchsen (d'après Stefan Zima, , ).. 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 Ungewöhnliche Motoren. , .. 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.
Histoire et utilisations Junkers vignette|Cylindres opposés du moteur Junkers-Jumo-205. 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 fourneauStefan Zima, , .. Il fut livré en 1896 aux hauts fourneaux de Hörde (Forges Phoenix) à Dortmund. Il développait une puissance de 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.
Moteurs d'avions Le moteur à pistons opposés Junkers Jumo 205, d'une puissance de à a été le moteur d'avion Diesel le plus répandu. – tiré de ... 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'échappementUngewöhnliche Motoren .. vignette|De gauche à droite : un moteur , un et un .
Moteurs pour petites unités 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 , 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 . (description du montage).. 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'échappementUngewöhnliche Motoren. , ..
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 .. 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.. Ils ont été en outre utilisés pour des pompes et des générateurs de secours.. 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.
Le moteur DKW des motos de compétition