Cette
page est faite pour les curieux, ceux et celles qui ne se satisfont
pas d'une présentation technique, mais qui veulent connaître
la petite histoire qui entoure le cheminement de l'invention.
On retourne
20 ans en arrière pour comprendre l'insatisfaction d'une jeune
famille de marins à l'égard des moteurs à pistons.
C'est l'origine du défi et de la motivation qui les ont conduits
à consacrer plus de 10 années à maîtriser
la problématique des diverses technologies de moteur et à
en élaborer une théorie conceptuelle nouvelle et optimisée
à plusieurs égards.
Au
sujet des inventeurs
La Quasiturbine
est une affaire de famille, impliquant des parents et leurs deux fils.
La mère détient une maîtrise à la Sorbonne
et veille à l'éducation des deux fils en bas âge.
Au terme d'une intense carrière en physique des plasmas, suivie
de responsabilités gouvernementales et d'activités de
direction pour le compte d'une grande compagnie de transport de gaz
naturel. Le père (docteur en physique) rêve d'un congé
sabbatique en famille. Ce projet les amènera tous les quatre
sur un voilier dans les Antilles pour quelques temps. Les confrontations
avec le moteur à pistons avaient déjà été
nombreuses de par le passé, mais la famille Saint-Hilaire fut
rapidement exaspérée par les ennuis des plaisanciers avec
leurs moteurs de toutes sortes : outboards, stationnaires, génératrices,
pompes de cale, compresseurs de scuba, trottinettes, tronçonneuses,
etc. ... et parfois même les automobiles de location ! Il fallait
absolument faire quelque chose ?!
Entre temps,
les enfants s'étaient eux aussi surpris à démonter
plusieurs vieux moteurs et il n'était pas rare de retrouver des
bielles et des soupapes dans leurs boîtes à jouets. Le
père Noël leur apportant conséquemment surtout des
outils, des livres de mécanique et des trucs de grands débrouillards
des hautes mers.
Rassasiée
de congés sabbatiques, la famille Saint-Hilaire revient à
son pays nordique en 1984 et s'implique dans une agence de publicité
et d'éditions. Mais ce défi n'était pas assez turbulent
pour nos aventuriers. C'est ainsi qu'ils décident de relancer
leur vieux projet d'améliorer les moteurs à pistons et
se disciplinent à une longue session de travail en famille tous
les dimanches matin... une sorte de rituel des mécanos !
Petit à
petit, le groupe a inventorié plus de 1800 brevets d'inventions
relatifs aux moteurs et acquiert ainsi un bon aperçu des innombrables
redondances conceptuelles. Ils s'intéressent surtout aux concepts
et il faut beaucoup de vigilance pour ne pas se laisser emporter par
les détails de la mise en oeuvre.
Dans la même période, Gilles Saint-Hilaire (le père)
sollicite de nombreux experts en moteurs espérant trouver un
érudit en "conceptologie", mais hélas, il les
trouve toujours affairés autour de leurs vilebrequins. Impossible
donc de leur faire avouer le moindre défaut aux moteurs qu'ils
perfectionnent depuis des décennies. Il fallait donc évaluer
par eux-mêmes les faiblesses conceptuelles des différents
moteurs existants. Une tâche fort difficile, puisqu'on devrait
très bien connaître à la fois le comportement des
sources d'énergie et les machines qui servent à leur transformation
en travail mécanique.
Le
modèle théorique du piston
Une aide
conséquente des deux fils de la famille : spécialisés
en mathématiques, en informatique et en ingénierie ils
sont dans une situation idéale pour les impliquer dans l'étude
de modèles mathématiques des moteurs à pistons.
Guidés par les parents, ils apportent alors une précieuse
collaboration aux calculs des profils de pression, des flux d'admission
et d'échappement, des profits de couple instantanés, des
harmoniques des révolutions, des facteurs d'utilisation des composantes
moteur, des contraintes internes, des rapports "surface/volume",
et bien d'autres éléments.
De ces
calculs surgissent assez rapidement un bon nombre de valeurs qui paraissent
loin d'être optimisées et incitent à proposer un
centre de gravité immobile durant la rotation (zéro vibration).
Mais aussi une meilleure gestion du temps moteur, un jeu de critères
sur la multi-fonctionnalité des composants et leurs facteurs
d'utilisation, ainsi que l'abandon du vilebrequin, responsable d'une
trop grande symétrie dans le mouvement.
Le
moteur rotatif
A cette
étape l'équipe maîtrise assez bien le concept du
moteur à pistons, mais qu'en est-il des moteurs rotatifs et particulièrement
du moteur à piston rotatif Wankel utilisé dans les Mazda
RX ?
Les jeunes adolescents appréhendaient le calcul du moteur à
pistons et ils faisaient pression pour que les parents sollicitent des
experts qui pourraient fournir une modélisation toute faite.
Après plus de 6 mois de démarches et d'attente, ils constatent
que personne ne leur vient en aide et que cette modélisation
n'existait peut-être pas. Ce recours épuisé, les
deux fils, sans doute sollicités par leur vigilante mère,
ont eux-mêmes proposé de bâtir aussi le modèle
de fonctionnement du Wankel.
Opération difficile quand on sait que les surfaces effectives
de poussée tangentielle sont variables et que les valeurs globales
sont toujours des intégrales entre deux points morts successifs.
D'importantes révélations ont découlé des
profils calculés de pression, et surtout des intégrales
de volumes engendrés par les surfaces de poussées, comparées
aux volumes réels en fin de détente.
Ces données indiquaient pourquoi le moteur Wankel était
si énergivore, mais encore mieux, elles expliquaient pourquoi
le Wankel rejetait autant d'hydrocarbures imbrûlés, pourquoi
il ne pouvait pas fonctionner en mode Diesel et pourquoi ces problèmes
étaient inséparables dans ce concept moteur.
Fait intéressant, plusieurs des paramètres calculés
du moteur Wankel étaient, tout comme pour le piston, loin des
valeurs optimales.
Les
fascinantes turbines à gaz
Il restait
à explorer les turbines à gaz et particulièrement
les turbopropulseurs utilisés pour motoriser les hélicoptères,
de grandes stations de pompage ou pour la production d'électricité.
Ces moteurs comprennent toujours une turbine de compression placée
à l'entrée et une turbine de puissance placée à
la sortie des gaz. Il fut rapidement constaté que ces moteurs
rencontraient parfaitement les critères optimum à la valeur
nominale de design, mais s'en éloignaient rapidement hors de
ce régime. Un inconvénient de taille, qui oblige les turbines
à fonctionner efficacement au voisinage de leur puissance maximale.
Comme elles n'ont pas de plage de puissance, elles sont inappropriées
aux usages courants comme par exemple le transport routier.
Il n'y
avait donc pas de moteur parfait. La preuve était maintenant
faite qu'il y avait de la place pour de l'amélioration au sein
des moteurs conventionnels. Ils étaient sur la bonne piste. Il
ne restait qu'à poursuivre avec acharnement !...
La
théorie Quasiturbine
Une fois
les analyses numériques complétées sur les moteurs
à pistons, le moteur Wankel et les turbines à gaz, il
était devenu possible de définir une théorie optimum
du moteur moderne, performant, comprenant une longue liste de caractéristiques
souhaitables.
Cependant,
ils n'avaient pas encore de dispositif à proposer qui puisse
rencontrer simultanément le plus de critères théoriques
possibles. Ce genre de "quadrature du cercle" n'a pas toujours
de solution. Etait-ce possible d'en trouver une qui se rapproche de
la solution idéale et qui soit assez simple à réaliser
?
Le
dispositif Quasiturbine
La théorie
du moteur parfait était là, mais quel était le
dispositif qui permettrait de rencontrer simultanément tous les
critères de cette théorie ?
Au départ,
il était cependant déjà certain que ce nouveau
moteur performant ne pourrait pas avoir de vilebrequin, parce que la
théorie d'optimisation exigeait un cycle fortement asymétrique.
Comme la théorie exigeait aussi un centre de masse ou de gravité
immobile durant la rotation (zéro vibration) et que l'approche
du moteur rotatif était particulièrement souhaitable -
parce qu'il pousse le gaz vers le front d'allumage - les efforts furent
orientés dans cette direction, en rejetant systématiquement
tous les concepts d'excentricités ou de cames.
Après
plus de 3 années de tergiversations, d'idées de toutes
sortes, de multiples prototypes en plastique et de longs débats
sur la complexité, une solution basée sur un rotor à
quatre faces piégé dans un profil en forme de patinoire
semblait paraître prometteuse. Cependant, les approximations géométriques
étaient loin d'en confirmer la certitude et les calculs à
faire apparaissaient fort complexes. Parallélement, des efforts
d'amélioration étaient aussi menés sur les turbines
à gaz. Ils ramenaient toujours la même question : pourquoi
deux turbines (de compression et de puissance) ? Ne serait-il pas possible
d'en avoir une seule placée dans un plan, qui agirait alternativement
comme turbine de compresseur et comme turbine de puissance ?
Or il apparaissait
que pour atteindre cet objectif, les pales ne pouvaient plus être
attachées à un arbre central mais devaient devenir des
pales pivotantes attachées les unes aux autres comme les maillons
d'une chaîne. Heureusement, les deux solutions convergent, elles
étaient en fait identiques !
Il n'est
pas surprenant donc que la Quasiturbine présente des caractéristiques
voisines de celles des turbines, tout en conservant la même plage
de puissance que les moteurs à pistons. Voilà un résultat
encourageant et prometteur.
Des calculs
plus détaillés étaient nécessaires. Après
des mois de calculs analytiques infructueux, il apparaissait évident
que le profil de confinement recherché n'existait pas mathématiquement.
Etait-ce l'échec définitif ou le problème méritait-il
une seconde chance ?
Après
une soigneuse révision en famille, il est estimé que si
une solution exacte n'existe pas, une solution rapprochée existe
probablement. Mais quelle solution et rapprochée de combien ?
Pour le savoir, il faudra renoncer aux méthodes analytiques et
prendre une approche de solutions numériques convergeantes sur
ordinateur. Encore du travail pour les deux fils de la famille...
Un gros effort qui récompensera toute l'équipe. En effet,
pour un rotor d'environ 13 cm de diamètre (5 1/4 po.), l'erreur
résiduelle insoluble trouvée est de seulement 0,031 mm
(0,0012 po.), soit une simple égratignure sur le plan de la mécanique.
L'invention venait de surgir !
Notez ici
que la démarche est unique. Contrairement aux autres inventions
de concepts moteurs du XXème siècle, qui ont d'abord fait
l'objet de construction de prototypes rejetés à posteriori,
la Quasiturbine a fait d'abord l'objet d'une évaluation théorique
avant même la construction du premier prototype, à la façon
de la science contemporaine. Cette différence fondamentale est
en bonne partie due à la disponibilité des ordinateurs
modernes qui permettent toutes sortes de vérifications et limitent
les déceptions ultérieures. Par exemple, le moteur rotatif
Wankel n'aurait probablement pas été construit dans le
contexte que l'on sait, si des ordinateurs avaient été
disponibles pour procéder à une complète modélisation
théorique, ce qui aurait permis d'éviter des coûts,
et de l'effort inutile ...
Finalement,
bien que ce dispositif rencontre pleinement les exigences de la théorie
Quasiturbine, il est possible que d'autres dispositifs soient inventés
dans l'avenir et rencontrent aussi les mêmes critères.
Du point de vue théorique, il n'est donc pas impossible de faire
aussi bien avec un autre dispositif, mais pour faire mieux, il faudra
peut-être l'aide "d'extra-terrestres" !
Le
brevet d'invention
L'année
qui suit permet d'explorer la gamme des paramètres qui définissent
le dispositif Quasiturbine et de sélectionner ceux qui répondent
le mieux aux objectifs de la théorie. Selon qu'on souhaite construire
une pompe, un moteur pneumatique ou à vapeur, un moteur à
combustion interne, la Quasiturbine peut avoir une apparence fort différente.
Il faut aussi développer et préciser l'ensemble des joints
d'étanchéité, ainsi que le mécanisme central
d'entrainement de l'arbre moteur facultatif.
Il leur
faut aussi rédiger le brevet d'invention en tenant compte de
valeurs moyennes des paramètres, lequel fut déposé
en Décembre 1997 (voir le texte sur le site Internet) et accordé
aux E-U le 26 Décembre 2000.
_______________________________
(I) tiré de l'ouvrage " La Quasiturbine écologique,
le meilleur du piston et de la turbine " par Roxan, Ylian, Gilles
et Françoise Saint-Hilaire.
