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Auteur(s)
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Michel GRATADOUR : Président-Directeur Général du Moteur Moderne
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Lire l’articleINTRODUCTION
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 Moteurs thermiques- Introduction aux moteurs alternatifs 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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Conclusions. Perspectives
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3. Domaines d’application
Les moteurs volumétriques sont dédiés aux applications suivantes selon le critère de choix retenu :
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coût de construction : applications grand public ou industrielles de faible puissance installées (quelques kilowatts), transports terrestres particuliers (deux-roues, automobile) où coexistent les variantes allumage commandé et Diesel (automobile) ;
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coût d’exploitation (carburant, durée de vie) : transports routier (poids lourds), maritime et ferroviaire (réseau non électrifié), véhicules et engins de chantier, tracteurs et machines agricoles, applications de moyenne puissance (quelques centaines à quelques milliers de kilowatts). Dans ces domaines, le moteur Diesel a une situation de quasi-monopole ; parmi les exceptions, on peut citer : les poids lourds américains à moteur à allumage commandé (position en net déclin), les moteurs à gaz (dual-fuel ou allumage commandé) pour flottes captives ou certaines applications industrielles.
Dans l’état actuel des choses, la turbine à gaz trouve ses applications essentielles dans les secteurs où ses performances spécifiques élevées (puissance massique en particulier) sont déterminantes : propulsions aéronautique et navale (navires rapides). Elles est aussi employée dans des applications industrielles quand la disponibilité sur place d’un carburant à bas prix le permet (installations de pompage pétrolier par exemple), dans les installations à énergie totale productrices d’électricité, de chaleur et d’air comprimé, ou en association avec la turbine à vapeur (cycle mixte gaz-vapeur) pour les installations de forte puissance (centrale électrique).
Enfin, la turbine à vapeur n’est pratiquement plus employée que pour la génération d’énergie électrique (centrale thermique ou nucléaire) dans des unités dépassant 1 000 MW.
On peut résumer la situation actuelle en remarquant que les turbomoteurs (à gaz ou à vapeur) fonctionnent sur une plage de variation de régime de rotation restreinte (à la limite du fonctionnement à régime constant) avec une variation par conséquent limitée de la puissance motrice développée. Par contre, les moteurs volumétriques s’avèrent généralement aptes à couvrir une plage de fonctionnement en régime de rotation et en charge très étendue ; par exemple, pour une application automobile, le régime peut...
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