Moteurs « Uniflow - vapeur et modèles à vapeur

Note préliminaire
Le travail qui suit est une simple étude de faisabilité d'un petit moteur Uniflow à partir de deux
idées directrices : un distribution par came, une soupape de décharge lors de la remontée du
piston. Comme j'ai utilisé un logiciel de CAO, j'en ai tiré des plans qui donnent des bases
dimensionnelles pour réfléchir ou faire un prototype et vérifier le concept. Tout ceci est livré tel
quel, brut de décoffrage.
Moteurs « Uniflow»
Le moteur Uniflow se caractérise par un écoulement de la vapeur toujours dans le même sens.
Coupe sur le cylindre d'un Una-Flow. On voit au centre les lumières d'échappement découvertes
Dans les moteurs classiques, en fin d'expansion lorsque le piston remonte, la vapeur inverse son
sens d'écoulement pour repartir vers l'échappement. Ce faisant, après détente cette vapeur qui a
travaillé refroidit la tête de cylindre et les canaux afférents. Sur les moteurs rapides et de grande
puissance cela amène une baisse de rendement et des problèmes de condensation parasite.
Pour avoir un travail efficace de la vapeur surchauffée dans les moteurs classiques il faut avoir une
détente multi-étage avec souvent une re-surchauffe intermédiaire. Ces moteurs sont connus sous le
nom de moteurs compound.
Les Uniflow proposent avec l'aide d'un condenseur de faire cela dans un seul cylindre. Ces moteurs
sont très compacts et ont un excellent rendement, égal ou supérieur aux moteurs triple expansion.
Mais face aux avantages réels de l'Uniflow, il y a une contrepartie. Dès que le piston recouvre les
lumières d'échappement et remonte, il se met à compresser la vapeur résiduelle, ce qui est l'effet
recherché. Ces moteurs à vapeur étant à course longue, le taux de compression est très élevé, ceci a
des effets indésirables au démarrage ou quand il y a un défaut au condenseur : fuite, panne de
pompe, absence d'eau, maintenance, etc .
Modèle réduit de moteur Uniflow
Ainsi donc, malgré son apparente simplicité, le moteur de type Uniflow serait-il un si bon choix en
modélisme ?
Le problème de la recompression va devoir être pris en compte. Comme il existe des tout petits
monocylindres à 4 temps ou 2 temps à auto-allumage1 en modélisme, le problème du passage de
point de compression n'est pas insoluble.
Pour de la vapeur, c'est pourtant une autre affaire. Comme en modélisme on dépasse rarement 3 à 4
bars de pression de vapeur, le problème de restriction d'admission peut devenir prépondérant au
point que le moteur fonctionnera médiocrement voire pas du tout. Même en comptant sur les jeux
d'usinage, la pression finale pourrait être élevée.
Par ailleurs un fonctionnement correct à l'air comprimé ne garantira pas automatiquement un
fonctionnement satisfaisant à la vapeur car la recompression mécanique d'un aérosol composé de
gaz (vapeur d'eau) et de liquide (micro-gouttelettes) suit des lois complexes.
Je mets de côté les Uniflow à vapeur utilisés en compétition d'hydroplane qui sont très spécifiques
ne serait-ce que parce qu'ils sont alimentés par de la vapeur entre 40 bars et 120 bars et ont une
avance à l'admission qui peut atteindre 15° de calage.
Très peu de plans circulent pour des moteurs Uniflow simples et d'usage courant. J'en connais deux
seulement dans la gamme des moteurs simples
•
l'Elmer 48-Uniflow du modéliste américain Elmer Verburg. Il a l'aspect d'un moteur
conventionnel. Ce moteur a une distribution par piston, un gros volant d'inertie et la taille de
l'échappement devrait assurer un bon vidage du piston. Le volume mort très faible pourrait
cependant produire une pression élevée au point mort haut. Je n'ai trouvé sur Internet,
aucune réalisation probante le concernant.
•
Little Husky qui a été publié dans Popular Science -January 1944-pp 148 à 151. Il a été
conçu par C.W Woodson.
Ci-après des images tirées de l'article original.
1 Incorectement nommé « Diesel engine » dans les pays anglo-saxons
Julius de Waal a repris le design après l'avoir converti en métrique.
Soupape de décharge différentielle
P2 est la pression de vapeur délivrée par la chaudière, c'est celle qui s'exerce sur la face supérieure
du piston mobile.
P1 est la pression régnant dans le cylindre et s’exerçant sur la face inférieure du piston mobile.
Cette pression, pendant la phase d'admission, de détente et d'une partie de la remontée est inférieure
à P2, pression de vapeur vive.
Tant que la force P2*S2 est supérieure à P1*S1, la soupape (piston mobile) reste appuyée sur son
siège. Si la force P2*S2 est inférieure à P1*S1 alors la soupape se soulève et la vapeur s'échappe
par les deux évents latéraux.
On peut régler la sensibilité de la soupape en jouant sur le rapport des diamètres D2/D1
Si l'on souhaite que la vanne ne déclenche que lorsque P1=2*P1 alors on doit avoir la surface
S2=2*S1.
Comme il s'agit d'un piston cylindrique cela revient à écrire D22=2*D12.. On en tire
D2=√ 2∗D1 soit D2=1,414*D1.
Si on avait souhaité que la levée se fasse pour P1=1,3*P2 on aurait
√1,3=1,14 soit D2=1,14*D1.
En première analyse, on ne devrait pas être confronté à des phénomènes de battement, cycles
d'ouverture-fermeture à très grande cadence, car la pression croît continuellement lors de la
remontée du piston.
La fermeture de la soupape, sauf grippage, est assurée par la pression de vapeur vive.
Le petit boulon en haut à droite est une purge de condensats lors de l'arrêt prolongé du moteur, afin
d'éviter le grippage. Les condensats ne nuisent nullement au fonctionnement de la soupape, les
liquides étant incompressibles.
→ Ce ne sont, bien sûr,
d'essai cela va de soi.
que des hypothèses à vérifier sur banc
Came
J'ai repris l'idée du Little Husky d'utiliser une came plutôt qu'un excentrique pour les raisons
suivantes :
•
j'y connais à peu près rien en cames et j'ai envie d'en apprendre un peu plus
•
cela permet d'avoir un moteur très ramassé, de hauteur réduite
•
on a accès à tout une gamme de schémas d'admission
•
sur les forums spécialisés on trouve les mille et une manières de fabriquer ces cames.
La contrepartie c'est le suivi de profil par le doigt de contact lorsque le moteur commence à tourner
vite.
J'ai opté pour un profil ultra simple à deux lobes (cercles) concentriques réunis par des droites. Vous
verrez tout cela dans les plans.
Le fonctionnement, à partir d'une simulation semble satisfaisant, mais le sera-t-il en situation
réelle... ?
Le doigt de contact est maintenu pas un petit étrier en tôle de laiton pliée muni de ressorts de rappel.
Comme il extrêmement difficile de fabriquer à cette échelle des ressorts de compression avec une
raideur précise, j'ai opté pour des ressorts de traction dont on pourra à loisir modifier le point
d'ancrage, le pas, le diamètre de fil. On peut de plus les installer sans démontage pénible, ni
déréglages.
ECHELLE
3.000
87.5
40.9
97.19
75
3.5
6
44
24
M3
5
R 1.5
20
3
30
3
35
24.7
Base
M3
5.5
5
13.5
Table
4
3
34
30
24
3 trous
3
4 trous
2.1
4
14
5.5
10
120
24
M3
30
30
13.5
2.6
Colonne
9
2
R 9 .6
12.6
5
17
.9
Echappement
2 pièces symétriques
gauche & droite
3.2
150
R4
.6
9.6
37.4
1.5
2.1
3.2
R 2.5
0
12
32.8
9
2.5
1
2
Bride échappement
2.1
22
6
12
13
9
Valve corps
2
3.2
21
2
2
1.7
4
6
12
6
11.5
14
2.5
Culasse
1.5
1
2
11.7
Goupille élastique
6.2
12.3
3.6
6
M2.5
Piston de distribution
10
2.4
0.8
R1
.2
1.5
1.5
6
13
18.4
4
Bille bronze
soudée à l'étain
M3
Poussoir de came
Prise de pression soupape
Alimentation cylindre
Attache haute ressort
rappel poussoir came
Doigt pression
poussoir came
Attache basse ressort
rappel poussoir came
Alésage arbre
Admission vapeur vive
50
35
3
14
12
M3
9.5
2
4
M6
6
6
4
5.5
M2
9.5
5.5
11
5
M2.5
5
.
R5
15
9.5
7
22.5
35
M2.5
5.5
M2
19
25
M2
6
5
29
11
Porte palier
M2.5
2
11
Conduite vapeur vive
3.2
R1
1.1
1.6
10.9
15.5
R3
Prise de pression vapeur
2.6
3.2
17
7
13
17.7
R
6
5.
14.4
12
0
3.2
13
41.2
R5
.6
150
.6
47
1.6
6.7
2.6
Prise vapeur- dimensions principales
3.2
Etrier de rappel du poussoir de came
0.3
23.1
1.8
26.6
1.8
Ressort de rappel
Dimensions non crtitiques
2.2
2
4
3
Entretoise
2
2
3
6
1.5
2
2
8
2
2 pièces symétriques Gauche-droite
M2
4
3
5.5
6.9
1.7
4
R3
R1
9
.5
0
6
3
0
12
0.8
2.5
12
Attache sup. ressort
.5
R1
1
4
M2
10
4
2.7
4
6
21.9
2.5
4
0.8
3
Bras d'étrier
Attache inf. ressort
Corps vissé sur la culasse
Tête de valve
Piston libre
Prise de pression vapeur vive
Vis de purge
Events de décharge
Prise de pression cylindre
Valve différentielle de décharge
8
7.5
1.2
6
6
3
4
3
M6
M6
6
15
Corps de soupape
13.5
7.5
15
6
3
12
M2
4.5mm
3
4
0.5
8
M6
Piston
6
2.5
3.2
10
Bouchon de valve
Equipage mobile
ECHELLE
ECHELLE
2.000
3.000
Rappel du plat de came
pour réglage volant de bielle
Plat de positionnement
de la came.
Prof.: 0.5mm environ
ECHELLE
2.000
4
0.5
Volant d'inertie
blocage sur l'axe
M2.5
3
Volant de bielle
10
6
6
7
R2
80
4
4
11.5
6
2
35
4.5
20
9.5
11
Maneton de bielle
M3
75.5
3
16.5
5
0.5
10
6
3
80
9.5
5
Arbre moteur
Piston
5.2
12
1.6
8
1.6
11.8
6.5
3.5
5
1.5
10
3
4
Axe piston
Bielle motrice
6.5
3
3
30.8
25.5
19.8
1.6
11.8
5
20
6
0.8
28.1
R2
R2
8.1
Came
R6
9
5
2.5
Came non symétrique
prévue pour rotation
antihoraire
Décalage d'environ 48°
48
M2.5
Nota bene:
Je ne suis pas du tout spécialiste des cames
Je vous livre cette ébauche qui
paraît fonctionner en simulation
Soupape différentiele
Admission vapeur vive
Pièces brasées
Echappement
Piston de distribution
14
M2
3 trous
12
0
9
2
1.8
2.5
3.5
3
6
5
25
2
13.5
9
1.2
M2
4 trous
M2
22
Cylindre
9
9.2
2 trous
12