Présentation
Auteur(s)
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Georges DESCOMBES : Maître de conférences au Conservatoire National des Arts et Métiers - Chercheur au CNAM et au Laboratoire de Mécanique Physique de l’Université Pierre-et-Marie-Curie Paris 6
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Jean-Louis MAGNET : Attaché à la direction technique SEMT PIELSTICK - Professeur associé au Conservatoire National des Arts et Métiers (CNAM)
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Une brève analyse rétrospective de l’histoire des moteurs à pistons montre que les développements empiriques qui ont marqué la naissance des moteurs ont donné lieu à de remarquables réalisations et les concepts scientifiques élaborés dans la même période par les savants A. Beau de Rochas (1815-1893) et R. Diesel (1858-1913) sont toujours de pleine actualité à l’aube de l’an 2000.
Le moteur à combustion interne constitue depuis l’époque de la révolution industrielle un domaine privilégié de réflexion de la part de nombreux inventeurs passionnés et l’expérience montre que cette effervescence ne se dément pas au cours du temps. Ainsi, des idées originales de substitution à la cinématique usuelle de transformation du mouvement par bielle-manivelle sont-elles régulièrement proposées. Certains concepts, imaginés dès les années 1900, émergent de nouveau en cette fin de siècle et la meilleure maîtrise des technologies peut constituer une aide à la réactivation de certains d’entre eux. On constate néanmoins qu’ils conduisent le plus souvent à des réalisations de technologie complexe dont le niveau de fiabilité se révèle contrasté.
Le moteur à pistons rotatifs Wankel constitue en revanche un exemple célèbre de réalisation innovante qui a atteint le stade de développement industriel bien qu’il n’ait pas connu le succès commercial escompté.
On observe également que le concept ancien de moteur à gaz chaud à combustion externe qui ne donne actuellement lieu qu’à des applications marginales mériterait vraisemblablement une attention plus soutenue sur le marché alternatif des machines thermiques hybrides.
La solide expérience engrangée depuis plus d’un siècle par le moteur conventionnel constitue néanmoins un handicap majeur pour toute machine thermique novatrice, concurrente ou non. Les investissements lourds qui sont attachés à la production de masse d’un moteur imposent en effet à tout concept novateur de faire la preuve de sa supériorité intrinsèque en terme de performances énergétiques, mécaniques et économiques pour être susceptible d’ébranler la suprématie du moteur conventionnel à pistons.
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Conclusion4. Moteur alternatif à combustion externe
4.1 Aperçu historique
C. Ader réussit à faire décoller, le 9 octobre 1890, un aéroplane par la seule force motrice de son moteur à vapeur qui entraîne une hélice quadripale. Il s’agit de l’Eole qui se soulève de quelques centimètres et parvient à voler sur une vingtaine de mètres. Le second avion de C. Ader qui est exposé au Musée des arts et métiers réussit, en 1897, un vol de 300 m à 0,50 m d’altitude. Il est tracté par deux hélices quadripales entraînées par deux moteurs à vapeur d’une puissance unitaire de l’ordre de 15 kW et alimentés par un générateur commun de vapeur.
Cette réussite majeure est l’œuvre d’un savant qui est à la fois motoriste et avionneur. Le moteur est à double expansion de vapeur et le générateur tubulaire assure une vaporisation efficace grâce à un foyer à brûleurs alimentés en alcool. Ce moteur fonctionne selon le principe de Carnot et il exploite les propriétés d’expansion de l’eau lorsqu’elle entre en ébullition sous l’action d’une source de chaleur externe.
La source chaude d’une machine à vapeur provient d’une chaudière alimentée en eau, soumise à l’action d’un foyer transformant l’eau en vapeur. La source froide se situe au niveau d’un condenseur à la sortie duquel l’eau liquide sous basse pression est mise en circulation par une pompe. La puissance motrice est issue de la différence de pression de la vapeur qui règne sur chaque face d’un piston à double effet. La cinématique bielle-manivelle transforme le mouvement rectiligne alternatif du piston en mouvement rotatif destiné à entraîner le circuit récepteur.
L’époque des machines à vapeur à pistons est désormais révolue sur le continent occidental et ce thème n’est donc pas développé dans le cadre de cet article. On observe néanmoins que 20 % du marché de la propulsion ferroviaire utilise encore ce type de moteur à vapeur en 1997 en Chine, le complément se partageant à hauteur de 20 % environ pour la traction électrique et 60 % pour les moteurs Diesel.
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Le moteur alternatif à combustion externe à gaz chaud est pour sa part inventé dès 1816 par les frères Stirling et une application industrielle voit le jour dans une fonderie écossaise à Dundee vers 1844. Ce moteur comporte un cylindre moteur...
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