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Michel GRATADOUR : Président-Directeur Général du Moteur Moderne
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La machine à vapeur alternative a été le premier moteur thermique appliqué. Créée sur des bases remontant à Denis Papin (1679), elle a été développée progressivement au cours du 18 e siècle (Thomas Newcomen 1712, James Watt 1784) et a rendu possible la première phase d’industrialisation au cours du 19 e siècle. La création de la turbine à vapeur se situe vers la fin du 19 e siècle (Charles Parsons 1884 pour la turbine à réaction, Auguste Rateau 1901 pour la turbine multicellulaire à action).
La première réalisation d’un moteur à explosion est due à Étienne Lenoir (moteur à gaz sans compression préalable 1860). L’invention des principes du moteur à explosion à allumage commandé, tel qu’il existe aujourd’hui, peut être attribuée à Beau de Rochas (1862) et la première réalisation à Nikolaus Otto (1876) ; celle du diesel revient évidemment à Rudolf Diesel (1892). Les premières réalisations (allumage commandé), essentiellement orientées vers la propulsion automobile, s’inspirent largement de la machine à vapeur (dimensionnement, mécanismes de distribution) telle que celle de Delamare-Deboutte ville (1883) ; les réalisations ultérieures s’en sont distinguées assez rapidement. Les applications préindustrielles automobiles ne sont concrétisées dans la dernière décade du 19 e siècle (précurseurs G. Daimler, C. Benz, W. Maybach ; en France R. Panhard et E. Levassor). Le seul moteur rotatif ayant atteint le stade de développement industriel a été conçu par Félix Wankel (1929) et a été mis au point avec l’aide du constructeur automobile NSU au cours des années 1960.
La turbine à gaz, dont certains auteurs font remonter le principe à l’Antiquité, doit attendre le début du 20 e siècle pour voir éclore ses premières réalisations (Armangeaud et Le Male). La Seconde Guerre mondiale a accéléré le développement des propulseurs aéronautiques à réaction utilisant la turbine à gaz.
L’article Moteurs thermiques regroupe l’ensemble des chapitres relatifs aux moteurs alternatifs ou volumétriques. Les turbines à gaz et à vapeur sont, quant à elles, traitées dans l’article [B 4 400].
La multiple variété des aspects abordables en matière de moteurs volumétriques (étendue des connaissances de base, des conceptions envisageables, du dimensionnement, des domaines d’applications, …) ne permet pas une présentation exhaustive du sujet dans le cadre de cette rubrique. Les chapitres ont été conçus autour d’un plan, élaboré par le regretté J. Pichard, qui privilégie les thèmes les plus généralisables : combustion, alimentation en air et en carburant, aspects mécaniques (équilibrage, vibroacoustique, insonorisation, suspension), refroidissement, lubrification, dépollution, moyens d’essais, etc. Dans cet esprit, il a été souvent fait appel à des spécialistes ou motoristes de l’industrie automobile, car ce domaine est celui qui produit les moteurs les plus répandus et les plus diversifiés, dans une gamme de dimension moyenne.
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2. Comparaison succincte des différents moteurs thermiques
Cette comparaison est limitée aux trois types de moteurs thermiques les plus marquants : moteurs volumétriques (englobant allumage commandé et Diesel), turbine à gaz et turbine à vapeur.
Elle est donnée par le tableau 1 qui peut être assorti des commentaires suivants, le tableau 2 précisant plus particulièrement la comparaison au niveau des moteurs à pistons.
Les raisons essentielles des différences qui apparaissent dans le tableau 2 y figurent en tête :
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l’alernativité du fonctionnement thermodynamique des moteurs volumétriques qui tient à l’unité de lieu de son déroulement (cylindres) et qui impose l’intégration de toute les fonctions du cycle (sauf en deux temps où les transvasements réclament un organe séparé) ;
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la continuité du fonctionnement thermodynamique des turbomachines qui permet le déroulement simultané des phases du cycle à l’intérieur d’organes distincts, ce qui rend possible le fractionnement du cycle (artifices thermodynamiques).
Ces raisons sont aussi à la base des comportements vibratoire et acoustique différents de ces moteurs. L’alternativité du fonctionnement des moteurs volumétriques engendre des sollicitations (forces et couples dus au mouvement des pistons et à la pression des gaz) dont la fréquence fondamentale, déterminée par le produit (nombre de cylindres x régime de rotation), est relativement faible, alors que les turbines sont douées d’un fonctionnement théoriquement équilibré auquel se superposent des sollicitations d’origine essentiellement aérodynamique (astationnarité des écoulements crées par les ailettages) de faibles amplitude, à fréquence très élevée. Les effets de ces sollicitations sont plus facilement atténués que ceux des sollicitations qui agissent sur les moteurs alternatifs pour lesquels l’atténuation (acoustique et vibratoire) des plus basses fréquences constitue un problème difficile à résoudre.
La faible durée de la combustion des moteurs volumétriques (quelques millisecondes pour les moteurs automobiles) autorise l’utilisation de mélanges air-combustibles très énergétiques (dosages voisins du rapport stœchiométrique) qui génèrent une température des gaz élevée (jusqu’à...
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