Une meilleure souricière ? Même aujourd’hui, alors que l’électrification semble sur le point de mettre fin à la longue période du moteur à combustion interne en tant que moyen de motivation de choix en matière de transport, des bricoleurs entreprenants continuent de proposer de nouvelles riffs sur le concept séculaire du sucer-écraser-bang-blow. Ma plus récente introduction de moteur bizarre, l'Astron Aerospace Omega rotatif, a fonctionné début 2020. Aujourd'hui, l'inventeur Reggie Huff propose une autre variante du concept rotatif : le moteur à turbine Tomahawk TX Trick-Cycle. Comme pour l'Omega, il a été optimisé pour une utilisation aérospatiale dans une configuration de ventilateur canalisé, mais des applications automobiles sont également envisagées.
Rotatif ou Turbine ?
Regarder les schémas de ce moteur vous fera d’abord mal à la tête. Cela ressemble plus à un riff sur un mécanisme de montre à turbinado qu'à un moteur, et cela ne ressemble certainement ni à une turbine rotative Wankel ni à une turbine à réaction. Mais comme pour l'Astron Omega, la combustion du moteur à turbine Tomahawk TX Trick-Cycle fait tourner les anneaux, il s'agit donc techniquement d'un moteur rotatif. Dans ce cas, huit anneaux différents sont impliqués, trois engrenés avec un anneau central à l'avant, avec un ensemble correspondant à l'arrière du moteur. Il promet la douceur de la turbine car il n'y a pas de masse alternative ou elliptique susceptible de provoquer des vibrations.
Comment ça marche?
Les anneaux centraux avant et arrière abritent tous deux trois chambres de combustion. Les anneaux satellites comportent chacun trois « pistons » en céramique en forme de tomahawk (représentés en noir) qui traversent ces chambres de combustion aux parois en céramique de manière à comprimer et brûler le mélange carburé. Cela signifie que lors de chaque rotation, trois événements de combustion simultanés se produiront tous les 120 degrés dans chacun des deux anneaux centraux. Il y a un décalage de 60 degrés entre le calage des anneaux avant et arrière, alternant les événements de combustion entre l'avant et l'arrière tous les 60 degrés. Cela représente donc 18 événements de combustion par tour, qui se produisent avec la cadence d'allumage d'un moteur à pistons six cylindres à quatre temps.
Faire entrer l’air
La zone située entre les ensembles de rotors avant et arrière sert de collecteur d'admission. Au centre des six rotors satellite se trouvent des pales à vis qui servent de compresseurs centrifuges primaires (pour lesquels il y en a six) pompant l'air ambiant dans ce collecteur à partir des anneaux avant et arrière à une pression relativement basse (4 à 6 psi). Des vis similaires au centre des rotors primaires servent de système de refroidissement à air pulsé et de refroidisseur intermédiaire air-air qui doit être contrôlé par thermostat pour permettre un échauffement approprié dans des conditions froides. Un troisième ensemble de rotors qui se croisent au centre agit comme un compresseur de deuxième étage qui peut composer la pression du premier étage jusqu'à 30 psi (il peut également être contourné afin qu'aucun travail ne soit gaspillé). La zone entre les rotors centraux est le volume à partir duquel l'air est dosé dans les chambres de combustion via des passages qui sont exposés aux fentes du système de soupapes à bague collectrice à calage variable ci-dessus. (N'oubliez pas que les rotors de combustion sont situés à l'extérieur de ces anneaux de soupape et des plénums d'admission.)
Comme pour la plupart des moteurs rotatifs, l’air entre et sort principalement par les orifices de la paroi de la chambre de combustion qui s’ouvrent ou se ferment lorsque la chambre de combustion en mouvement les traverse. Un contrôle de synchronisation supplémentaire est fourni par les vannes à anneau rotatif illustrées ci-dessus (aucune vanne à clapet ou à clapet n'est utilisée).
Injection et allumage
Le carburant est injecté directement dans chaque chambre de combustion de 8 pouces cubes via trois injecteurs par chambre : deux unités à haut débit et une à faible débit pour une utilisation au ralenti et à faible charge. La nature rotative du moteur signifie que l'injection directe a lieu avant la compression (qui est envisagée à un rapport statique d'environ 11:1). Étant donné que l’injection se produit dans une zone à basse pression où la combustion ne se produit jamais, des injecteurs à port simple et peu coûteux peuvent être utilisés. Le compromis est un potentiel réduit de refroidissement de la charge qui se produit lorsque le carburant liquide est injecté directement dans une chambre de combustion chaude et s'évapore.
Une fois le mélange air-carburant écrasé par le piston Tomahawk, quatre bougies d'allumage enflamment le mélange dans chaque chambre. Cela garantit un front de flamme court et une combustion rapide qui transmet un fort couple tangentiel directement au rotor central, sans mouvement inutile ni travail contre-productif « avant le point mort haut ». Vers la fin du cycle de combustion, la pression de combustion agit sur le piston tomahawk, aidant ainsi à faire tourner le rotor du satellite.
Échappement composé et EGR
Le circuit d’échappement et de postcombustion qui se déroule dans chaque turbine satellite peut être le plus délicat à comprendre. À la fin de l'événement de combustion primaire, la chambre atteint un orifice d'échappement (une vanne rotative dans cet orifice peut réguler son ouverture, afin de retenir certains gaz d'échappement dans la chambre comme EGR, mais considérons-la complètement ouverte ici). A cet endroit, les gaz encore sous haute pression s'engouffrent et soufflent contre la « dent » qui précède le tomahawk du satellite, produisant un effet de type turbo avant qu'une partie ne s'échappe par le premier pot d'échappement.
Postcombustion : le cinquième cycle « astuce »
Finalement, la chambre de combustion s'ouvre sur le plénum d'admission où la charge d'admission sous pression aide à récupérer les gaz d'échappement. A ce moment, il est également possible d'introduire du carburant. Lorsque le tomahawk ferme ce tuyau d'échappement, deux bougies d'allumage dans la chambre de postcombustion s'allument, fournissant plus de couple. Finalement, le tomahawk expose le premier orifice du tuyau d'échappement, permettant à une grande partie de l'échappement de s'échapper.
Ce qui ne continue pas, soit s'écoulant directement du deuxième tuyau d'échappement, soit étant expulsé via les orifices de canal incurvés de chaque turbine satellite par déplacement positif lorsque cette chambre se rapproche du rotor principal.
Déplacement et production réclamée
La cylindrée totale statique des six chambres de combustion est de 0,76 litre (46 pouces cubes), mais le volume dans lequel la combustion se produit à pleine puissance pendant les 720 degrés de rotation nécessaires à un moteur à quatre temps typique l'oblige à allumer tous ses cylindres. balaye à 13,7 litres. La puissance projetée dans sa spécification aérospatiale à ventilateur canalisé à part entière est de 7 500 ch à 12 500 tr/min et de 3 150 lb-pi à 12 500 tr/min à partir d'un moteur mesurant 29 pouces de haut et de large et 19,5 pouces de long avec un poids estimé de 217 livres. Une réduction radicale des effectifs serait nécessaire pour le faire fonctionner dans une application automobile en tant que moteur potentiel d'extension d'autonomie utilisant de l'hydrogène ou des hydrocarbures.
Avantages réclamés par TTX
La combustion est quatre fois plus rapide que dans un moteur à pistons et six fois plus rapide que dans un moteur Wankel, apportant ces avantages :
- Un temps minimal de rejet de chaleur vers le moteur signifie 50 à 66 % de chaleur perdue en moins que dans les moteurs à pistons, évitant ainsi la nécessité d'un système de refroidissement coûteux.
- L'efficacité thermique des freins est projetée à 69 pour cent, ce qui devrait se maintenir sur une large plage de régime.
- Le faible risque de pré-détonation permet d'utiliser de l'essence à indice d'octane de 85 ou même de l'hydrogène.
- Les basses températures de la chambre de combustion empêchent la production de NOx, permettant ainsi des mélanges de carburant ultra-pauvres sans avoir besoin de gaz d'échappement coûteux après traitement.
- Le contrôle complet du compresseur, le calage variable des soupapes d'échappement et le cycle à grande vitesse se combinent tous pour permettre un auto-allumage contrôlé de manière sélective afin de brûler de nombreux carburants de manière flexible et pour permettre des stratégies de combustion extrêmement pauvres dans certaines conditions de vitesse et de charge inférieures.
- Peut facilement être hybridé en attachant un ou plusieurs moteurs électriques à l’un des rotors.
En plus des avantages de combustion ci-dessus, le moteur à turbine Tomahawk TX Trick-Cycle offre également les avantages suivants :
- Pas de vidange d'huile : les roulements principaux supportant les différents rotors sont conçus comme des roulements à rouleaux lubrifiés par centrifugation à vie, car la nature de la combustion ne crée aucune poussée axiale. Les engrenages de distribution reliant les rotors (si nécessaire) peuvent nécessiter de la graisse, mais les simples vannes annulaires pour l'étranglement et la vanne EGR rotative à tour partiel ne nécessitent aucune lubrification sous pression.
- Sans huile lubrifiante à brûler, la combustion de l’hydrogène est considérée comme zéro émission, et l’inventeur envisage un moteur mixte hydrogène/essence comme une passerelle possible vers l’économie de l’hydrogène. Un Tomahawk réduit pourrait alors servir de prolongateur d’autonomie pour véhicules électriques à zéro émission et coûterait beaucoup moins cher qu’une pile à combustible.
- Les tomahawks et les parois de la chambre de combustion en céramique, les profils de pression adaptés, ainsi que la possibilité de limite de combustion de courte durée en cas de fuite entraîneraient 98 % de fuites en moins que dans un Wankel sans nécessiter de joints d'apex.
- Le couple élevé du moteur pourrait rendre inutile une transmission à plusieurs vitesses, comme c'est le cas pour les machines électriques.
- Moins de bruit d'échappement dû à des événements de combustion plus petits et plus rapides et à un échappement par étapes.
Problèmes et préoccupations que MotorTrend voit
Naturellement, nous avions des questions sur le Tomahawk et son fonctionnement potentiel dans une application automobile, auxquelles TTX a répondu ci-dessous.
MT : Même avec un rejet de chaleur minimal, la dilatation thermique et la contamination particulaire provenant de sources internes ou externes menaceraient-elles les tolérances strictes requises ?
TTX : Les applications aérospatiales utiliseraient des rotors en titane moulés avec précision et usinés, tandis que l'aluminium usiné selon des spécifications moins précises devrait suffire pour une utilisation automobile. Il existe une disposition pour les joints à brosse centrifuges. Aucune boîte à air n'est envisagée ; La rotation centrifuge des prises d'air au régime du moteur exclut la poussière et les contaminants de l'air, évitant ainsi le besoin de filtration de l'air.
MT : Qu’en est-il de la friction de tous ces rotors contre leurs carters ?
TTX : les recouvrir de matériaux de carbone-graphite imprégnés, de nitrure de titane et d'anodisation dure minimisera la friction, qui commence bien moins qu'avec l'étanchéité à triple anneau d'un moteur à pistons V-8.
MT : Les variations de la charge air/carburant et/ou du calage/puissance des étincelles au cours des trois événements de combustion chronométrés simultanément par tour induiraient-ils des déséquilibres dynamiques ?
TTX : La simplicité des systèmes de vannes permet d'obtenir des profils de débit précisément adaptés. Les nombreux rotors du moteur servent également de volants d'inertie capables d'atténuer ces variations, et les chambres de combustion peuvent être désactivées de manière sélective. Le moteur devrait pouvoir fonctionner sans contrôle informatique complexe, mais le processus de développement résoudra rapidement ce problème.
MT : Le taux d’expansion maximum est-il suffisant pour extraire un travail significatif ?
TTX : Aux extrêmes de la pression de suralimentation et/ou du calage des soupapes d'échappement, le taux d'expansion approche 30:1, ce qui devrait être plus que suffisant.
MT : Dans une industrie automobile fortement investie dans la transition vers l’électrification, a-t-il été difficile de trouver suffisamment de capital-risque pour investir dans un concept aussi novateur ?
TTX : Astron Aerospace et Liquid Piston ont tous deux obtenu un financement par capital-risque ; TCT doit simplement faire valoir ses arguments auprès des bons investisseurs en capital-risque, maintenant que la modélisation informatique initiale est presque terminée.
MT : Que dites-vous à ceux qui prétendent que le concept Tomahawk est trop compliqué et comporte beaucoup trop de pièces de haute précision ?
TTX : Un nombre complet de pièces additionnant chaque boulon, écrou, aimant pour le démarreur/alt, etc. donne un total d'environ 465 pièces, le nombre de pièces vraiment uniques représentant peut-être 20 % de ce nombre. Un V-8 typique à quatre soupapes et boosté par VVT a environ le double de ce nombre, et le TTX devrait peser considérablement moins. Ainsi, même si certains composants du TTX (tels que les rotors) seront relativement chers, le coût global devrait toujours être compétitif, en particulier lorsqu'il est adapté aux exigences réduites de puissance et de sécurité d'une application automobile.
MT : La distorsion thermique lorsque le moteur chauffe pourrait-elle être problématique, étant donné que la chaleur n'est pas appliquée uniformément à l'ensemble du moteur ?
TTX : il génère une fraction de la chaleur résiduelle normale générée par les ICE de production typiques, et la céramique réduira considérablement la distorsion thermique.
MT : Il semble que changer les bougies d’allumage de la chambre de combustion principale pourrait être un cauchemar en matière d’entretien.
TTX : En effet, la conception actuelle nécessiterait la dépose et le démontage du moteur pour accéder à tous les bouchons. L’utilisation de bougies d’allumage à durée de vie extrêmement longue devrait atténuer ce problème.
Trick-Cycle Turbine Ltd. en est encore au début de son parcours de développement et de commercialisation, si tôt que MotorTrend a été choisi pour détailler la technologie du moteur. Les prochaines étapes consistent à rechercher des investisseurs et jusqu'à 2 millions de dollars de financement pour construire les prototypes de moteurs nécessaires pour valider les impressionnantes prévisions d'efficacité suggérées par les modèles informatiques pour le moteur à turbine Tomahawk Trick-Cycle. Et puis, si les prototypes se comportent comme prévu, TTX espère démontrer la puissance élevée et l’efficacité impressionnante du moteur en les utilisant pour battre les records de vitesse terrestre et de tour du monde aérien. MotorTrend admire certainement la confiance audacieuse du président de Trick Cycle, Huff, et de son équipe, et nous surveillerons de près l'entreprise et son Tomahawk au fur et à mesure de son développement.
