Répondre à : JubiQuiz N° 616.

[Mildes Participant @mildes]

La traduction de l’article :

Découvrez un aventurier hors pair du monde des moteurs de course. Il fabrique des pièces de moteur sur une fraiseuse-tour LeBlond de 115 ans qu’il a achetée pour la modique somme de 250 £. Il a installé un banc d’essai à turbine hydraulique HP Andersen dans son garage et en a même installé un autre dans sa maison familiale.

Bien qu’il soit un père de famille sans aucun soutien financier extérieur, John Ellwood a transformé ses rêves de technologies de moteurs alternatives et de records en une réalité concrète et durable. Son histoire devrait inspirer tous ceux qui nourrissent des ambitions similaires mais qui, jusqu’à présent, n’ont pas eu la motivation nécessaire pour concrétiser leurs idées audacieuses.

Né à Frosterley, dans le nord de l’Angleterre, en 1962, Ellwood obtient à l’âge de 26 ans une licence en électronique physique, obtenue grâce à des études à temps partiel. Après un bref séjour en Afrique du Sud, il s’installe en Suède, à Stockholm, où il réside toujours. Il travaille comme indépendant dans le secteur de l’électronique et de l’instrumentation, souvent à l’étranger.

Ellwood raconte qu’en 1994, alors qu’il travaillait au Kazakhstan, il a souffert d’un froid intense, de maux de dents chroniques, de soins dentaires russes douteux et de vodka « médicinale ». Il se souvient néanmoins s’être réveillé un matin « avec une vision délirante de la façon de construire un nouveau type de moteur ».

Il s’agissait d’un moteur hybride deux temps/quatre temps. Il fonctionne selon le cycle quatre temps, mais l’air de suralimentation est pompé à travers le carter comme sur un moteur deux temps. Le carter est équipé de deux clapets (ou ensembles de clapets) : l’un pour l’admission d’air atmosphérique, l’autre pour le transfert d’air du carter vers la soupape d’admission, via ce que l’on peut considérer comme le plénum.

Le fonctionnement de ce type de moteur hybride à quatre temps implique que pour chaque ouverture de la soupape d’admission lors de la descente du piston, il y a deux remontées durant lesquelles l’air est admis dans le carter. Le clapet d’échappement garantit que, lors de ces deux remontées, l’air admis provient uniquement de l’atmosphère ; il ne peut être aspiré du plénum vers le carter. On obtient ainsi une forme de suralimentation.

Il convient de noter que, selon le consultant technique de RET, si le plénum est suffisamment grand pour limiter la restriction du flux d’air entrant, même après deux cycles de remplissage, sa pression peut être légèrement supérieure à la pression atmosphérique ; et si le plénum est dimensionné pour permettre une pression nettement supérieure à la pression atmosphérique, il est probable qu’il crée une restriction du flux d’air entrant et sortant du carter. Et ceci sans tenir compte des pertes de pompage supplémentaires dues au cycle thermodynamique.

Il est à noter qu’Ellwood a découvert par la suite que d’autres avaient déjà exploité ce concept avec succès. Sa vision de 1994 était la première à lui en avoir connaissance. « J’ai découvert depuis qu’en 1912, il existait en Suède un moteur hybride bicylindre à plat secret à usage militaire », explique-t-il. Depuis 2010, Shindaiwa applique ce concept avec sa technologie de moteur Hybrid 4, une application très proche de celle d’Ellwood.

Certains critiqueront ce concept, arguant qu’en comparaison avec un moteur atmosphérique classique, il implique une complexité accrue du circuit hydraulique, une perte de possibilités de réglage de l’admission et de l’échappement, et un travail supplémentaire fourni par le piston. Mais le fait est qu’Ellwood n’a pas simplement eu cette idée : il l’a concrétisée. C’est un véritable préparateur de moteurs d’exception, et il faut l’admirer pour cela.

Shindaiwa a appliqué ce concept à 18 types d’outils électroportatifs de moins de 100 cm³ à bas régime. Selon la marque, il offre une densité de puissance quasi identique à celle d’un moteur deux temps, avec une courbe de puissance plus linéaire. De plus, la distribution plus précise permettrait d’optimiser la consommation de carburant et de réduire significativement les émissions. Enfin, la lubrification par prémélange simplifie la conduite et permet au moteur de fonctionner dans n’importe quelle position.

Moteur hybride Ellwood 1173 cm³ vu côté distribution. Deux des trois prises d’air du carter, à clapets et à papillon, sont visibles, ainsi que (à 45° de l’axe principal) la sortie de charge, également à clapet. La troisième prise d’air est dissimulée en dessous. (Photo : Victor Gotbring)

De retour du Kazakhstan, Ellwood a conçu son premier moteur hybride en acquérant pour 80 £ un vieux monocylindre quatre temps Godden Speedway de 499 cm³, atmosphérique, fonctionnant au méthanol (RET 17, septembre 2006). Durant son temps libre, pendant trois mois en 1995, il a transformé ce moteur à quatre soupapes par cylindre, à arbre à cames en tête et à chaîne, capable d’atteindre 10 000 tr/min.

Il a notamment soudé des clapets d’admission sur son épais carter en aluminium. « Une scie à métaux, une perceuse et une lime ont suffi à le démolir ; un morceau de tuyau en caoutchouc, deux clapets d’admission d’une Yamaha RD350, un joint de carter et un carburateur Rotax ont permis de transformer cette vieille machine en hybride », se souvient-il. Un passage au banc d’essai Dynojet de Hasse Holmqvist, situé à proximité, avec un taux de compression de 8:1, a révélé une puissance maximale de 30 ch à 6 000 tr/min (mesurée au vilebrequin), contre 25,7 ch à 5 500 tr/min avec le système déconnecté – soit un gain de 16,7 %.

« L’année suivante, nous avons remplacé le clapet d’admission par un modèle plus grand, de type Husky 250 cm³, ce qui a permis un gain immédiat de 16 ch à 7 000 tr/min », rapporte Ellwood. « Au-delà de 7 000 tr/min, la puissance diminuait, même si le moteur montait régulièrement jusqu’à 10 000 tr/min. Hasse a été impressionné par la réactivité à l’accélération et à la décélération ; le moteur pouvait maintenir un régime stable sans ratés d’allumage et atteindre 10 000 tr/min. »

Ellwood a également construit un cadre adapté à la course sur route pour y loger le moteur. N’étant pas autorisé à participer à des courses sur route en Suède en 1996, il s’est tourné vers le dragster, où il a constaté que la seule catégorie pour laquelle sa moto était éligible était celle de Top Fuel Motorcycle. « Se retrouver devant des milliers de spectateurs sur une moto qui semblait tout droit sortie de l’hibernation du hangar de Rip Van Winkle était assez intimidant », confie-t-il.

En 1997, les autorités ont autorisé Ellwood à participer aux courses sur route Supermono. « Je me suis éclaté à sillonner la piste, à engranger des points, à créer des nuages de fumée à faire pâlir une locomotive à vapeur et à improviser des réparations mécaniques », raconte-t-il. « J’arrivais toujours à la ligne d’arrivée – en dernière position – mais j’étais content que le moteur tienne le coup. »

« La transition du méthanol [utilisé en speedway] à l’essence n’avait pas été simple. Il y avait tellement de facteurs à prendre en compte : le taux de compression, le calage de la distribution, le pourcentage d’huile deux temps, la carburation, l’allumage, etc. La boîte de vitesses BSA, avec ses disques d’embrayage en liège, était déplorable, et la plupart des courses devaient être disputées en deuxième. Mais le moteur était docile et pouvait passer d’un virage en épingle à cheveux à son régime maximal en bout de ligne droite. »

L’ancienne boîte de vitesses a finalement été remplacée par une Quaife à quatre rapports et un embrayage Hemmings. On a expérimenté l’injection électronique Haltech programmable par ordinateur et l’allumage électronique Ignitor en 1998, « mais plus j’utilisais de technologie, plus ça se compliquait ! »

Ellwood utilise une vanne rotative de type Aspin, remplaçant ainsi sa vanne d’origine de type Cross.

Ellwood acheta ensuite une moto de speedway Jawa du milieu des années 1980, qu’il convertit en hybride « afin de pouvoir me concentrer à nouveau sur le méthanol ».

La Jawa était utilisée en speedway en Norvège et en Suède. « Je faisais la course avec les anciens, mais la plupart d’entre eux avaient été professionnels dans leur jeunesse. Ils semblaient tous apprécier le concept [hybride], même si parfois elle fumait énormément, tombait plus souvent en panne qu’elle ne fonctionnait, et que la poignée d’accélérateur avait tendance à rester bloquée en bout de ligne droite », raconte-t-il.

« Le moteur était à lubrification par perte totale, avec une pompe qui alimentait la bielle et la culasse en huile. Le problème de fumée était résolu par un simple robinet marche/arrêt. Cela empêchait l’huile de s’infiltrer par la pompe et de remplir le carter lorsque le moteur était arrêté. »

En 2001, Ellwood a reçu un moteur Godden supplémentaire, offert par Mike Larsson, qui a été converti en hybride pour servir de moteur de rechange pour les courses sur route. Il y a donc eu trois hybrides dérivées de moteurs de speedway. « Les trois ont fonctionné sans problème dans des conditions normales et ont démontré un couple impressionnant à bas régime. »

Le premier hybride Godden a participé à la compétition suédoise Glenn Ocklunds Landracing.se, l’équivalent suédois de Bonneville, une course annuelle de vitesse sur kilomètre lancé sur un lac gelé. La compétition a débuté en 2009, lorsqu’Ellwood a établi un record à 111,34 km/h avec injection de protoxyde d’azote dans la catégorie des moteurs de moins de 500 cm³ suralimentés et/ou à injection de protoxyde d’azote.

En 2012, il a battu le record de sa catégorie en atteignant 156,487 km/h, avec une vitesse de pointe de 162 km/h. « Et ce, malgré une chute évitée de justesse, deux passages de vitesse ratés, une perte de contact avec le bouton du protoxyde d’azote et une lutte acharnée dans 15 cm d’eau et de neige fondue sur la glace en train de dégeler », raconte-t-il. Depuis, il a expérimenté un traîneau à réaction, mais ceci est une autre histoire.

Moteur sur mesure

L’aventure des courses hybrides sur route s’est poursuivie par intermittence jusqu’en 2007, année où elle s’est conclue sur son circuit préféré, Oliver’s Mount en Angleterre, « par une sortie de piste lors des essais et trois abandons ». C’est cette année-là qu’Ellwood a décidé de concevoir son propre moteur de moto hybride.

Il explique : « Depuis 1994, date à laquelle j’ai rêvé de ce type de moteur, tout le parcours a été un long apprentissage : comment le concevoir, ce qui fonctionne et ce qui ne fonctionne pas. Bien sûr, je dois concilier mon travail, ma femme et mes quatre enfants, l’entretien de la voiture, etc. C’est pourquoi la conception, la construction et la mise au point de cette nouvelle moto m’ont pris plus de temps que prévu. »

La catégorie Supermono est normalement réservée aux moteurs monocylindres jusqu’à 800 cm³, mais le club Supermono GB au Royaume-Uni autorise Ellwood à utiliser une moto jusqu’à 1 300 cm³. Il en a profité et a ainsi obtenu l’autorisation de participer aux courses Supermono suédoises avec ce qui sera une moto de 1 173 cm³.

Au début de la conception, le piston de 116,5 mm était le plus grand disponible, associé à la course maximale possible de 120 mm pour une cylindrée de 1 279 cm³. La course est désormais de 110 mm pour une cylindrée de 1 173 cm³. « Cette modification en cours de construction a permis de créer un espace entre la roue avant et la culasse du moteur couché, ce qui permet au moteur de tourner à 1000 tr/min supplémentaires et réduit les à-coups de puissance importants sur la roue arrière. »

Il ajoute : « Grâce à sa suralimentation intégrée, ce moteur devrait parfaitement fonctionner en monocylindre de 1173 cm³. Je l’ai conçu pour un régime moteur stable plutôt que pour les hauts régimes. Je pense que cela lui assurera fiabilité et puissance. »

De ce fait, le vilebrequin est équilibré pour un régime de 5000 à 6000 tr/min. « Au-delà, il vibrerait probablement comme un concasseur de pierres ! » s’exclame-t-il.

Il est prévu qu’en plus de fonctionner à l’E85 en compétition Supermono, il puisse fonctionner à l’essence ordinaire, au méthanol, voire au nitrométhane ou au diesel. Tout est donc renforcé : par exemple, les boulons des cylindres ont un diamètre de 16 mm. Le vilebrequin repose sur quatre roulements à billes, deux de chaque côté. Le carter a une épaisseur de 40 mm.

Ellwood déclare : « Je serai déçu si elle ne développe pas 150 ch à 6 000 tr/min avec du E85 et un taux de compression statique de 11:1. Elle pourrait même atteindre 400 ch au nitro. Des essais sont nécessaires pour obtenir les taux de compression optimaux, qui pourraient aller jusqu’à 15:1. »

Il n’a pas seulement conçu le moteur, il a imaginé toute la moto autour. Avec le moteur couché, il n’y a pas de place pour une boîte de vitesses, ce qui représente un coût supplémentaire à ses yeux. « Le moteur mesure 600 mm de long, et si j’avais une boîte de vitesses, l’empattement serait correct pour le drag racing, mais trop long pour la course sur route. J’ai maintenant un embrayage renforcé BDL [intégré au bras oscillant] et je le ferai patiner dans les virages en épingle. »

Les moteurs de 500 cm³ étaient équipés de doubles clapets d’admission sur le carter, tandis que le 1173 cm³ disposait de trois clapets d’admission, chacun doté de son propre corps de papillon dont les trois papillons étaient reliés mécaniquement. L’admission se faisait par un seul clapet vers le plénum.

Pour minimiser les pertes thermiques inhérentes à la compression du mélange air-air, Ellwood utilise un refroidisseur d’air de suralimentation. Il explique : « J’ai un énorme échangeur situé sous le réservoir, tandis qu’en amont, sous la selle, se trouve un massif réservoir de suralimentation (plénum) pour réguler la suralimentation pulsée provenant du dessous du piston. »

En aval du refroidisseur d’air de suralimentation se trouvent quatre injecteurs de carburant, « qui sont activés par lots à chaque cycle, garantissant ainsi une alimentation en carburant optimale. » Comme sur les modèles hybrides précédents, l’injection Haltech et l’allumage Ignitor sont utilisés, et un système d’injection de brouillard d’eau dans le mélange air-air contribue au refroidissement du moteur et à l’oxygénation.

Initialement, la bielle devait être en aluminium, mais pour des raisons de fiabilité, elle est désormais en acier forgé sur mesure CP-Carrillo, actionnée par un piston en alliage forgé CP-Carrillo. Le piston à tête plate porte deux segments. Il coulisse dans une chemise en fonte produite par Westwood.

La culasse monobloc et les carters à section verticale sont usinés à partir d’un lingot, tandis que la culasse est usinée à partir de pièces moulées produites par la petite fonderie d’Ellwood. Ces pièces ont été réalisées à partir de jantes de voiture en alliage fondues qu’il avait récupérées. Lui et ses collègues fondeurs bénévoles ont survécu à une explosion soudaine provoquée par la coulée dans un moule humide !

Ellwood fabrique même lui-même le vilebrequin en acier à l’aide de son ancien tour/fraiseuse, avec des cannelures usinées par Stirep et Sala Hardarna, qui ont trempé le maneton et nitruré les volants moteur – deux entreprises suédoises qui ont fourni leur aide gratuitement.

Le vilebrequin ainsi assemblé est pressé à froid sous une pression de 15 tonnes. L’entreprise locale The Dudes of Speed, spécialiste des moteurs de speedway, lui a prêté sa presse hydraulique, ainsi qu’un gabarit d’équilibrage de vilebrequin, un marteau en cuivre et un bloc d’aluminium massif pour redresser le vilebrequin.

Le même système de lubrification à perte totale que pour ses moteurs hybrides de speedway est utilisé, avec une pompe K&N 12 V envoyant l’huile deux temps au vilebrequin, puis au roulement à aiguilles de la bielle. « Ce roulement apprécie une bonne lubrification », précise Ellwood.

D’autres pompes 12 V sont dédiées à l’injection d’eau et au refroidissement par eau, exclusivement pour la chemise. La culasse à soupapes rotatives ne nécessite, selon Ellwood, qu’un « refroidissement par air, optimisé par le carburant E85 froid ».

L’utilisation de soupapes rotatives simplifie la culasse. Initialement, une soupape rotative de type Cross entraînée par courroie était utilisée (RET 004, printemps 2004). Ellwood raconte : « Usiner ce tube de soupape [Cross] à partir d’aluminium massif, puis le fraiser/tourner en tenant un miroir télescopique, n’a pas été une mince affaire. Mais la finition anodisée dure de la soupape lui donnait une allure incroyable ! »

Hélas, lors du premier démarrage du moteur en décembre 2019, les joints en graphite des soupapes rotatives ont lâché – « après seulement 15 secondes ! »

Après trois tentatives de démarrage infructueuses, Ellwood a abandonné à contrecœur le concept Cross pour opter pour le système Aspin. Inventé par Frank Aspin, ce type de soupape rotative tourne sur l’axe du cylindre et non perpendiculairement à celui-ci. Au lieu d’un cylindre à orifices de type Cross, il utilise un disque horizontal placé au-dessus du cylindre, doté d’une fenêtre qui, en tournant, découvre successivement l’orifice d’admission puis l’orifice d’échappement.

« La fabrication d’une culasse Aspin alternative – avec un entraînement par engrenage conique via la courroie de distribution – a retardé le projet de près de six mois. Seul le codage de l’injection de carburant bloque désormais les essais. Mon vieux portable sous MS-DOS, indispensable pour l’ancien Haltech F9, est hors service et il est très difficile d’en trouver un de remplacement. Je vais peut-être devoir économiser pour un nouveau système d’injection électronique ! »

Au moment de la rédaction de cet article, Ellwood entamait les essais au banc d’essai de son moteur de 1173 cm³. Un compte rendu sera publié dans un prochain numéro. Ellwood précise que ce moteur a également été conçu pour motoriser une motoneige. Outre les courses de Supermono, il prévoit aussi de l’utiliser sur glace avec un mélange de nitrométhane et de méthanol.

Ellwood espère un jour participer à la course de Bonneville, « dans le plus pur style Burt Munroe. Tout est possible dans ses rêves. En réalité, on peut rarement tous les réaliser, mais avec une bonne bande de copains, on peut s’amuser en chemin. »

FICHE TECHNIQUE
Moteur hybride Ellwood
Monocylindre
116,5 x 110 mm = 1173 cm³
Atmosphérique/Suralimentation par le carter
Carburant E85 (compétition sur route)
Bloc et culasse en aluminium
Chemise en fonte
Quatre paliers principaux
Vilebrequin en acier
Bielle en acier
Piston en alliage d’aluminium, deux segments
Distribution par courroie de type Aspin
Une soupape (double fonction), une bougie
Conduit d’admission de 40 mm, conduit d’échappement de 38 mm
Allumage électronique analogique
Injection électronique
Taux de compression supérieur à 11:1
Régime maximal : supérieur à 8000 tr/min

PRINCIPAUX FOURNISSEURS
Piston : CP-Carrillo
Chemise : Westwood
Bielle : CP-Carrillo
Injection : Haltech
Allumage : Allumeur
Pompe à huile : K&N
Usinage de cannelures de vilebrequin : Stirep
Trempe du vilebrequin : Sala Hardarna
Nitruration du volant : Sala Hardarna
Embrayage : BDL
Test Dyno : Hasse Holmqvist/Dynojet