CHAPITRE XXV

OTEURS A GAZ

4if — La conception ordinaire du moteur à air chaud suppose que l'enceinte qui sert de laboratoire à la conversion de la chaleur en travail dynamique, c'est-à-dire le cylindre récepteur, reste distincte de celle dans laquelle on développe celte chaleur cUe-incmc par Tunion de Toxygène de l'air avec le combustible. Le courant oxydant qui parcourt ce foyer, pour s'échapper ensuite par la cheminée, reste d'ailleurs en 'général essentiellement distinct de la masse élastique qui sert de véhicule au calorique dans cette transformation d'énergie.

Déjà nous avons rencontré, avec les types de Avenier de la Grée, Belou, Cayley, Gordon, llock, Jenkins, Pascal, etc., une première modification, destinée à diminuer la grande perle de chaleur qui résulte de cet état de choses. Les deux capacités en question y restent encore géométriquement distinctes, mais le même fluide les traverse toutes les deux. Toutefois nous avons reconnu que l'avantage ainsi réalisé se trouve très atténué dans la pratique par divers inconvénients, qui tiennent principalement à l'emploi, malgré ces conditions nouvelles, de l'ancien mode de combustion avec de la houille en morceaux sur une grille.

En poursuivant plus loin la même idée, on se trouve conduit à opérer directement la combustion dans le cylindre lui-môme. On

supprime alors la grille, et l'on commence par amener le combustible à un état d'extrême division, qui assure entre lui et l'oxygène de l'air l'union la plus intime et une réaction presque instantanée, permettant de chauffer l'une après l'autre chaque cylindrée.

De là trois catégories spéciales de machines à air chaud. Si le combustible est solide, on obtient le moteur à poussière de charbon ; s'il est liquide, le moteur à pétrole; s'il est gazeux, le moteur à gaz. Parmi ces trois types, le dernier, de beaucoup le plus simple, s'est infiniment plus répandu que les deux autres. C'est par lui que nous commencerons cette étude.

41» — Les ressources de la chimie nous présenteraient au besoin une grande variété pour le choix d'un gaz combustible. Quelques-uns peuvent môme s'obtenir en grand dans des conditions vraiment industrielles. Je citerai par exemple l'oxyde de carbone dans certains gazogènes; le gaz tonnant ou gaz oxyhydrique, c'està-dire un mélange d'hydrogène avec un poids huit fois plus grand d'oxygène; le gaz de l'éclairage, qui est constitué par un mélange variable d'hydrogène bicarboné, d'hydrogène protocarboné et d'oxyde de carbone, avec des traces de produits accessoires. Ce dernier fluide efface comme importance tous les autres, pour son emploi dans le cas qui nous occupe. Il est nécessaire d'ajouter cependant que l'on s'est fréquemment servi, pour actionner des moteurs, du gaz à l'eau (*). Son application ne lardera sans doute pas à s'étendre aux très grandes forces. On a fait tout récemment de notables progrès dans cette direction. La dépense de combustible oscille, avec le moteur Otto alimenté au gaz Dowson, dans les

(*) On désigne sous ce nom un mélange en proportions variables d'acide carbonique, d'oxyde de carbone, d'azote, d'hydrogène et d'oxygène, que l'on obtient en faisant traverser par un courant d'air et do vapeur d'eau une colonne de charbons incandescents. M. Pascal a, le premier, réalisé cette application dès 1801. On peut citer également dans cette voie les appareils Crowe, 0owson, Parker et Strong.

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environs de 700 grammes d'anthracite ou de coke par cheval effectif et par heure.

La machine à gaz d'éclairage (*) qui a pris récemment un si grand

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essor, remonte en réalité à la fin du siècle dernier, et a été, en 1799, brevetée par Lebon, ingénieur des Ponts et Chaussées. Après des essais de Rivaz en 1807 (*), Samuel Brown en 1823(*), Demiohélis et Honnier, Talbot et Gristoforis('), on rencontre comme solutions vraiment industrielles la machine de M. Uugon(*) en 1858, et la première machine de M. Lenoir(^) en 1859» puis une série infiniment nombreuse de types, dont nous décrirons tout à Theure les principaux.

413 — La capacité de travail dont sera susceptible une certaine quantité de gaz d'éclairage résulte du produit de trois facteurs, à savoir : l'équivalent mécanique 424; un coefficient d'utilisation pratique qui ne saurait jamais dépasser |, et qui reste presque toujours beaucoup au-dessous de cette valeur ; enfin la chaleur de combustion de ce mélange complexe. En ce qui concerne ce dernier élément, on a indiqué des nombres assez variables ('). On caractérise d'ordinaire le rendement effectif d'un semblable moteur par le nombre de litres de gaz qui lui est nécessaire, pour enb'etenir pendant une heure la puissance d'un cheval, c'est-à-dire ce que l'on appelle un cheval-heure Ç).

[<} Jules Armcngaud. Vaéronaule, avril 1878, p. 112.

[*) Ibidem, p. 112.

(3) Ibidem, p. 114.

(*) Voy. n» 515.

(») Voy. n« 426.

(^) Indépendamment de certaines divergences dans les expériences et les modes de calcul employés, une certaine variabilité du résultat est inhérente à celle de la composition chimique d'mi produit aussi complexe. On peut citer, en ce qui concerne la chaleur de combustion d'un métré cube de gaz, les nombres suivants exprimés en calories :

4000 — Ruhlmann. Handbùch der mechatmckeii Wârm Théorie, 5340 — Péclet. La chaleur, t. I, p. 116.

5520 — WïXt. Annale» de chimie et de physique, 1883, p. 304. 6000 — Schottler. Die Gasmaschine.

8000 — Richard. Les moteurs à gaz, p. 30. 0000 — Résal. Mécanique gétiérale, t. IV. 11900 — Âdams. On the Heating Power of Coal Gas.

Si Ton adopte, comme une moyenne assez élevée, le chiffre de 8000 calories pour le mètre cube, on pourra prendre corrélativement le nombre rond 10000 rapporté au kilogramme de gaz.

i;') Le cheval-heure représente un nombre de kilogramroétres égal à :

662 TIlËRMODYmMlOUK.

Cette énergie peut se développer dans le mélange d'air et de gaz suivant deux modes distincts : la combustion ou la d(^lona(ion(% La transmission de Vonde explosive est considérablement plus vivo que celle de la simple inflammation. La dilution par des produits inertes tend à ramener du second mode au premier. La compression a, au contraire, pour efîet de faire passer du régime de la combustion simple à celui de la détonation proprement dite.

L'allure pratique de l'explosion dans les machines à gaz varie avec la nature du mélange, sa compression préalable, rinlensilé do l'allumage, l'influence des parois, la vitesse du piston, etc. Le point le plus haut du diagramme ('), pour lequel la tension arrive à son maximum, correspond à l'instant où les diminutions de pression dues à laction des parois et au travail qui s'accomplit sur le piston, arrivent à compenser, pour la dépasser ensuite, la tendance à l'augmentation de force élastique qui résulte de Tachèvement de la déflagration. Quand l'inflammation s opère vite et bien, cet instant s'atteint en un dixième de seconde environ.

Pendant un temps aussi court, la vapeur d'eau produite dans cette sorte d'eudiomètre n'a pas le temps de reprendre la forme liquide, quand on réalise le régime de détonation proprement dite. Mais si l'onde explosive s'arrête parce que la température devient trop faible, la flamme peut être ramenée en arrière par la condensation de la vapeur, ainsi que l'ont constaté MM. Berthelol et Vieille.

La dissociation exerce dans ces phénomènes une influence importante, en limitant l'essor de la température avec la combustion proprement dite(^), bien qu'elle soit sans influence sur la propaga-

(•) Pour rélude de ces importants plicnoniénes envisagés en eux-mêmes, on se reportera aux beaux travaux de MM. Bunsen, Schlœsing, BerUielot et VieiUc, Hallard et Lechatelier. M. W'itz s'est attaché, dans ses expériences, à se rapprocher autant que possible des conditions pratiques des moteurs à gaz.

(*) Le diagramme est la courbe représentative de la relation effective que preseale la pression avec le volume engendré par le piston dans le cylindre. Il est fourni par l'indicateur de Watt, ou par les instruments plus perfectionnés qu'on lui a substituée depuis quelque temps. Leur description nous occupera dans la quatrième Partie àe ce Coui*s.

(') Bertlielot. Sur quelques relations entre les températures de combustion, If"^ chaleurs spéciGques, la dissociation et la pression des mélanges tonnants. Compff^ rendus de V Académie des sciences, 23 avril 1883, p. 1180.

MOTEl'IlS A GAZ. 065

tion de l*onde explosive. Même avant ce point. MM. Mallard et Lechatelier ont observé (*) une disparition de calorique, qu'ils attribuent à une augmentation de la chaleur spécifique sous volume constant. Ces savants expérimentateurs y voient un symptôme corl'élatif d'un travail moléculaire préparatoire de l'acte décisif de la dissociation.

Une autre influence encore plus efficace tend de même à réduire la température maxima, et, avec elle, le coefficient économique s. Je veux parler de l'action conductrice des parois. L'hypothèse de l'adiabaticité que l'on conserve encore dans certains calculs, faute de posséder des clartés suffisantes sur le véritable régime intérieur de ces machines, s'éloigne ûlors considérablement de la réalité. On a donc intérêt à maintenir les parois à la plus haute température compatible avec leur conservation ('). La combustion est d'autant plus rapide, et, par suite, la pression explosive d'autant plus élevée, que la vitesse de délente est plus considérable. II convient par conséquent de conduire rapidement le piston. La compression préalable joue elle-même un rôle nettement favorable à cet égard. La dilution de la partie active dans une grande masse de gaz inerte n'empêche pas l'accomplissement de la combustion totale, mais elle intervient comme modérateur de la température. Elle agit jusqu'à un certain point à la manière de la paroi, en exerçant une action refroidissante. II faut toutefois noter cette différence essentielle, que la chaleur enlevée par le métal passe en pure perte dans l'eau froide qui l'environne, tandis que celle qui est soustraite par le gaz étranger sert à élever la pression de ce dernier, de manière à travailler sur le piston. En outre, en diminuant la température générale, elle amortit d'autant l'action de paroi, qui dépend de l'écart des états thermiques.

M. Dugald Clerk, dans les expériences qu'il a exécutées sur le

(') Annales des mines t 7* série, t. VU.

{*) Witz. Annales de chimie et de physique, 1883, p. 520. — BcrUielot et Vieille Sur la farce des matières explosives^ t. I. — Comptes rendus de V Académie des sciences^ 8 janvier 1883, 18 mars 1X84). — SchloUer. Sui* le régime de la combustion dans les machines à gaz. Journal des ingénieurs allemands, t. XXX, 1886, p. 209, 525, GUO. — Douglas. Explosion of hcterogcneous mixtures of coal gas and air. The Engineer, 22 avril 1887.

moteur à gaz dont il est Tinventeur, a trouvé, en ce qui concerne la répartition de la chaleur, les résultats suivants :

Conversion en travail 17,85

Perte par réchappement 29,28

Perte par les parois 52,89

Dans une expérience de Trcsca sur un moteur à gaz à double effet, le métal emportait jusqu'à 85 7o ^^ 1^ chaleur de combustion!*). MM. Perry et Ayrton ont constaté dans leurs essais une perle par les parois égale à 2,22 fois le travail utile indiqué par le diagramme.

414 — L'emploi des moteurs à gaz se recommande parla grande élévation de la température, condition essentielle d'un bon coefficient économique s. Le rendement thermique e, se trouve lui-même amélioré, ainsi que nous l'avons déjà dit, en ce que le phénomène de la combustion reste enfermé dans l'intérieur du cvlindre. La suppression d'un générateur spécial constitue une grande simpliûcation. La mise en marche devient instantanée. On en peut dire autant de l'arrêt. Il en résulte, outre l'économie de temps cl la facilité du service, la suppression des dépenses de mise en feu et de mise hors feu, ainsi que de toute consommation pendant le repos. Tout départ inopiné est impossible. Les dangei*s d'explosion inhérents aux chaudières à vapeur qui renferment une grande masse volatilisable emmagasinée, n'existent plus dans les conditions actuelles. Le chauffeur disparaît avec la chaudière. Les restrictions administratives, les conditions d'assurances se trouvent facilitées. Le fonctionnement est commode, silencieux pour les bonnes machines, très propre, exempt des incommodités inhérentes à l'emploi de l'eau et du charbon. Le combustible arrive de luimême aux étages les plus élevés des habitations à travers les conduites montantes. Sous ce rapport, il fournit une solution du trans-

(') Richard. Les moteurs à gaz, p. 265.

port de la force, qui se trouve portée à domicile au moyen d'usines centrales d*élaboration, et d'une canalisation déjà créée pour Téclailage. Ce mode d'emploi de l'énergie se prête admirablement à la subdivision en petites forces, pour faciliter le travail domestique et actionner jusqu'à des machines à coudre. Ces moteurs se répandent également pour l'élévation des matériaux aux abords des constructions, pour le fonctionnement des machines électriques ('), etc.

On a souvent essayé f), mais avec peu de succès, l'application du moteur à gaz aux tramways. Il est trop encombrant, et ne présente pas les mêmes facilités que la vapeur pour le changement de marche. On a mieux réussi en ce qui concerne la commande directe de certaines machines-outils, telles que le marteau à gaz de Robson et Rukney (').

En compensation d*aussi grands avantages, il est nécessaire d'ajouter que la température disponible est tellement élevée que l'on ?e voit ordinairement obligé d'en amortir l'essor, au détriment de l'adiabaticité, déjà si compromise. Le cycle réel s'éloigne ainsi considérablement de celui de Carnot, la courbe de détente s'abaissant beaucoup au-dessous de l'adiabatique , et le coefficient Sj devient très faible. Remarquons enfin que le gaz est un combustible de seconde main, relativement cher, et limité, par sa nature môme, à l'emploi dans les villes (*).