A MM

CLAVEL, Ingénieur en chef des Ponts et Chaussées, Agent' Voyer en chef du département de la Gironde;

LOISELEUR, Ingénieur en chef des Ponts et Chaussées , Ingénieur principal de la Voie (\ à la Compagnie du Midi;

VIDAL y Ingénieur des Ponts et Chaussées,

Hommage affectueux.

INTRODUCTION

La très grande place que les moteurs à gaz et à pétrole ont occupée en 1900 dans la partie de l'Exposition réservée aux machines conduit tout naturellement à jeter un regard en arrière et à se demander de quelle époque date cette industrie, quelles sont les phases qu'elle a traversées avant de parvenir à un tel développement ('). L'idée de faire mouvoir une machine en provoquant derrière un piston l'explosion d'un corps convenable semble avoir été antérieure à l'idée d'employer pour le même but la force expansive

(•) Nous n'avons pas l'intention de faire dans cette Introduction l'historique complet du développement de l'industrie des moteurs à gaz; ce sujet a été traité avec beaucoup de science par M. A. Witz dans son Traité théorique et pratique des moteurs à gaz et à pétrole. (Paris, E. Bernard; 1892-1895- 1899.)

VIII INTRODUCTION

de la vapeur. Cette idée se trouve en effet exprimée vers 1680 dans les écrits de l'abbé Hautefeuille et de Huyghens, qui proposent comme explosif la poudre à canon. Les insuccès de ces premières machines à poudre les font rejeter comme des utopies dangereuses, et, depuis Denis Papin jusqu'à Watt, tous les efforts du dix-huitième siècle se portent sur la machine à vapeur.

Il faut arriver à l'inventeur du gaz d'éclairage, Philippe Lebon d'Humbertin, pour voir reparaître la machine à explosion, dont le premier projet est exposé en 1801. Le corps dont l'explosion va repousser le piston de la machine n'est plus la poudre à canon, mais un mélange d'air et de gaz d'éclairage enflammé au moyen de Tétincelle produite par une machine électrique. Lebon indique même qu'il sera très avantageux de comprimer le mélange gazeux explosif avant de Tenflammer ; c'est donc à lui que nous devons attribuer l'honneur d'un des perfectionnements les plus importants que l'on ait introduits dans le fonctionnement de ces moteurs.

Après Lebon, la machine à explosion continue à attirer l'attention des ingénieurs, qui ne comprennent pas d'abord tout le parti qu'ils peuvent tirer des idées du savant français. C'est ainsi que

INTRODUCTION IX

le gaz d'éclairage, qui devait faire la fortune du nouveau moteur, n'est plus employé pour l'alimenter. Les inventeurs proposent comme mélanges détonants toutes sortes de mélanges d'air et de substances diverses : de la poudre de lycopode, des vapeurs de certains hydrocarbures, jusqu'à de l'hydrogène. De 1830 à 1860, nous voyons éclore les types de moteurs les plus divers, qui, par leurs transformations successives, préparent l'avènement du premier moteur à gaz véritablement industriel : le moteur Lenoir.

C'est le 24 janvier 1860 que Lenoir prend le brevet du premier moteur à gaz, qui a eu, au début, tant de succès dans l'industrie. On peut dire que le moteur à gaz industriel est né à cette date, à partir de laquelle il n'a cessé de se perfectionner et de faire concurrence à la machine à vapeur.

Nous diviserons en quatre périodes l'histoire des développements de l'industrie des moteurs à gaz.

LdL première période va de 1860 à l'Exposition universelle de 1867; elle est caractérisée par l'invention du moteur Lenoir et par celle du moteur atmosphérique Otto-Langen, qui paraît pour la première fois à cette Exposition.

Dans la deuxième période^ comprise entre l'Expo-

INTRODUCTION

sition de 1867 et celle de 1878, Otto, reprenant une idée émise avant lui par Beau de Rochas, crée le moteur à quatre temps et l'amène à un état de perfection jusqu'alors inconnu de ce genre de machines. En Amérique, Brayton contribue à répandre les premiers moteurs qui utilisent le pétrole à la place du gaz d'éclairage Q.

A la suite du succès obtenu à l'Exposition de 1878 par le moteur Otto, les ingénieurs se préoccupent d'apporter des perfectionnements au moteur à gaz. La troisième période du développement de l'industrie de ce moteur, période qui s'étend de l'Exposition de 1878 à l'Exposition de 1889, voit naître à côté du type Otto à quatre temps un très grand nombre d'autres types tels que le moteur à deux temps de Dugald Clerk, le moteur à six temps de Griffin, les moteurs à détente prolongée d'Atkinson, de Charon, etc.

Tous ces essais d'autres types que le type à quatre temps sont de moins en moins employés pendant la quatrième période, qui vient de se terminer par l'Exposition de 1900. On ne rencontre

(•) C'est Lenoir qui a le premier appliqué le pétrole au moteur à explosion; il construisit vers 1864 ou 1865 un moteur à essence actionnant une voiture automobile. (Note communiquée pai* M. Hirsch, professeur au Conservatoire des Arts et Métiers.)

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en effet à cette Exposition que des moteurs à quatre temps plus ou moins modifiés au point de vue d'une meilleure utilisation de la détente, plus ou moins perfectionnés au point de vue du réglage, de la mise en marche, de la construction et du fini des diverses pièces. En même temps la puissance de ces moteurs s'accroît ; on arrive à construire des moteurs à un cylindre dont la puissance dépasse 500 chevaux et des moteurs à cylindres jumelles de 1 000 chevaux et plus. Cet accroissement de puissance entraîne toute une révolution dans le mode d'alimentation des moteurs à gaz; le gaz d'éclairage, trop cher, est abandonné pour l'emploi de gaz pauvres produits à aussi bas prix que possible dans des gazogènes dont la construction fait tous les jours de grands progrès. Enfin les besoins de lamécanique agricole, ceux de l'industrie automobile, répandent de plus en plus l'emploi dupétrole, qu'un nouvel aliment, l'alcool, tente, jusqu'iei sans succès, de supplanter.

Telle est la manière dont on peut caractériser le développement de l'industrie des moteurs à gaz. Développons maintenant cet aperçu en étudiant les phases successives dont nous venons de tracer les principaux caractères.

XI INTRODUCTION

Le moteur Lenoir est une machine dans laquelle le fluide moteur, au lieu d'être la vapeur d'eau, est un mélange explosif d'air et de gaz d'éclairage. Le dispositif est celui d'une machine à vapeur ; le moteur est à double effet, la distribution s'effectue au moyen de tiroirs conduits par des excentriques. Imaginons que le cylindre de cette machine soit horizontal et considérons ce qui se passe du côté de la face droite du piston, par exemple :

1° Le piston, étant à l'extrémité droite de sa course et se mouvant de droite à gauche, aspire le mélange tonnant d'air et de gaz pendant la première moitié de sa course;

2° A mi-course du piston, le tiroir d'admission se ferme et l'explosion a lieu ;

3" Le piston achève sa course de droite à gauche sous l'impulsion produite par l'explosion ;

4' Le piston, arrivé à l'extrémité gauche de sa course et revenant de gauche à droite, refoule à

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l'extérieur du moteur les gaz brûlés, auxquels un tiroir d'évacuation livre passage.

Le moteur Lenoir, construit avec soin par un constructeur habile, Marinoni, excita un grand enthousiasme, qui ne tarda pas à dégénérer en une exagération manifeste bientôt suivie d'un dénigrement systématique.

La machine de Lenoir ne méritait ni les éloges dithyrambiques qui lui furent décernés ni les critiques malveillantes qui ne lui furent pas épargnées. Elle fut en effet un précieux auxiliaire de la petite industrie et rendit de grands services à ceux qui surent l'utiliser. En 1864 il y avait à Paris 127 moteurs Lenoir en fonctionnement; leur puissance variait d'un demi-cheval à quatre chevaux ; la dépense de gaz garantie par chevalheure indiqué était de 2 000 litres de gaz (à 5 300 calories par mètre cube), et cette garantie était généralement réalisée.

Le moteur Hugon entra rapidement en concurrence avec le moteur Lenoir. Ces deux moteurs différaient par deux points :

r Le mélange explosif était enflammé par un brûleur ;

2" Le cylindre était refroidi à l'intérieur et lubrifié par une injection d'eau pulvérisée qui.

XIV INTRODUCTION

se transformant en vapeur, ajoutait sa force expansive à celle du gaz au moment de l'explosion. Il en résultait une grande économie d'huile et d'eau et une légère diminution de la consommation en gaz combustible. Cette idée a été reprise dans ces dernières années par la maison Ganz et C" de Budapest, qui l'a appliquée dans un moteur (moteur Banki) exposé en 1900 à Vincennes.

A l'Exposition de 1867 parut, à côté des moteurs Lenoir et Hugon, un moteur construit par un ingénieur allemand qui a laissé dans l'industrie des moteurs à gaz une trace très profonde : nous voulons parler de Nicolas-Auguste Otto. Le moteur construit par Otto en collaboration avec Langen et avec Daimler était un moteur atmosphérique vertical. Pendant la montée du piston, montée qui était produite par l'explosion d'un mélange d'air et de gaz d'éclairage, l'arbre de la machine ne tournait pas; la rotation de cet arbre s'effectuait seulement pendant la descente, qui s'opérait sous l'action de la pression atmosphérique et de son propre poids. D'après des expériences très soignées entreprises par M. Tresca sur un moteur d'un demicheval en fonctionnement au Champ-de-Mars,

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la consommation totale par cheval-heure indiqué fut de 1 359 litres de gaz (à 5 300 calories par mètre cube), en y comprenant le gaz brûlé par le bec d'allumage. Les moteurs Lenoir et Hugon étaient donc fortement distancés parle nouveau moteur; les consommations des trois machines furent en effet

10 (Lenoir), 6 (Hugon), 4 (Otto-Langen).

A la suite de certains perfectionnements indiqués par la pratique, Otto et Langen, qui avaient fondé une grande usine à Deutz, près de Cologne, abaissèrent la consommation par cheval-heure indiqué à 800 litres de gaz (à 5 300 calories par mètre cube). Dans ces conditions, un moteur Otto-Langen était plus économique qu'une machine à vapeur de mômes dimensions. Aussi la fabrique de Deutz construisit-elle en dix ans plus de 5 000 moteurs qui, à l'égal des précédents, n'ont plus aujourd'hui qu'un intérêt rétrospectif.

XVI INTRODUCTION

Malgré tous les perfectionnements dont nous venons de parler, la grande consommation d'un combustible aussi cher que le gaz d'éclairage écartait d'emblée l'application à la grande industrie des moteurs Lenoir, Hugon et même Otto-Langen; elle les Jaissait confinés dans les petites puissances de 1 à 2 chevaux et restreignait par suite considérablement leurs usages. Quelles étaient les causes qui élevaient d'une façon si démesurée la consommation des moteurs à explosion? Quels étaient les moyens d'abaisser CQtte dépense?

C'est ce problème difficile qu'aborda et résolut d'une manière complète en 1862 un ingénieur français, Beau de Rochas. Dans un brevet pris le 1 6 janvier 1 862, ce savant a défini d'une manière bien nette les meilleures conditions de marche du moteur à quatre temps.

Voici, dans une telle machine, quelles sont les opérations qui se succèdent sur une des

INTRODUCTION

faces du piston pendant une double révolution :

temps. Aspiration du mélange tonnant pendant une course entière.

Compression du mélange dans le fond du cylindre.

Allumage, explosion, détente. [Course motrice.]

Refoulement des gaz brûlés hors du cylindre.

Premier

tour

l'arbre.

Deuxième

tour

Tarbre.

1" course

avant.

1" course

arrière.

2* course avant.

2" course arrière.

En môme temps, Beau de Rochas indiqua dans son brevet les règles à suivre pour obtenir la meilleure marche du moteur. Il montra qu'il fallait :

l"" Que le cylindre eût le plus grand volume possible sous la forme du minimum de surface périphérique ;

2° Que le piston eût la plus grande vitesse possible de marche ;

3* Que les gaz fussent détendus aussi loin que possible ;

4* Qu'ils eussent la plus grande pression possible à la fin de la compression.

Malheureusement Beau de Rochas a plutôt tracé un programme de ce qu'il fallait essayer qu'il n'a indiqué le moyen de le réaliser. Comme

XVIII INTRODUCTION

le dit M. Witz, « s'il est vrai qu'il déclare nettement que Ton doit opérer dans un cylindre unique et que les soupapes sont préférables aux tiroirs, on ne saurait nier d'autre part qu'aucun dessin n'est annexé au brevet et que ce document ne renferme que des indications vagues ou impraticables relativement à l'allumage, à la distribution et à l'évacuation. » Aussi le brevet futil inutilement proposé à plusieurs maisons de construction; l'auteur, en avance sur son temps, ne fut pas compris, et dès 1863 le brevet était tombé dans le domaine public. Il y a quelques années, à la suite d'un remarquable rapport de M. Hirsch (*), la Société d'Encouragement à l'Industrie nationale, reconnaissant la priorité et le mérite de Beau de Rochas, lui a décerné un prix de 3 000 francs sous le nom de Prix spécial de Mécanique pour V invention du cycle à quatre temps, La question fut reprise quelques années plus tard par Otto, qui construisit à Deutz le premier moteur à quatre temps, qui a été longtemps la perfection du genre. Ce moteur parut pour la première fois en 1878 à l'Exposition de Paris;

(*) Hirsch, Bulletin de la Société d'Encouragement à V Industrie nationale, 4* série, t. VI ; 1891.

INTRODUCTION XIX

ses résultats pratiques furent excellents dès le début au double point de vue de la régularité de la marche et de la consommation ; une dépense de 900 litres de gaz (à 5 300 calories par mètre cube) par cheval-heure indiqué fut tout à fait courante. En somme le succès delà maison Otto fut complet et ne s'est pas démenti depuis; actuellement, plus de 60 000 moteurs Otto fonctionnent dans l'industrie.

Le gaz d'éclairage présente cet inconvénient de n'être à la disposition de l'industrie que dans les villes. Il importait donc, en vue d'applications plus étendues des nouvelles machines, d'en créer une pouvant fonctionner en tous lieux. Pour cela on s'adressa au p^îrofe. On sait que ce produit se trouve dans la nature et que les pays de production sont plus particulièrement la Russie (région de Bakou, sur les bords de la mer Caspienne) et les États-Unis (*). On a évalué la production

(') L'exploitation des pétroles aux États-Unis appartient presque entièrement à l'United Pipe Line, qui transporte, par tuyaux, les produits de l'extraction à New-York, à Philadelphie, à Baltimore, à Pitlsburg ou à Cleveland. A cet effet, un système de conduites est installé sur tout le territoire pétrolifère ; le diamètre des tuyaux est de 10 à 15 centimètres et leur longueur atteint 10 000 kilomètres. Les pétroles ainsi transportés sont réunis dans de vastes réser-

XX INTRODUCTION

totale du pétrole, en 1896, à 95 millions de fûts de 189 litres chacun; à ce total, les États-Unis participent pour 53 millions de fûts et la Russie pour 40 millions de fûts (*).

Parmi les corps que l'on retire du pétrole brut et que Ton emploie dans l'industrie des moteurs, se trouvent deux types principaux :

1« Le pétrole lampant, huile lampante, kérosène ou photogène;

2^ L'essence de pétrole.

En faisant passer dans des conditions spéciales un courant d'air au travers de l'un ou de l'autre

voirs en tôle d'une capacité atteignant 50 millions de barils. Le transport du liquide au moyen des pipe Unes, qui a pris sa principale extension vers 1881. a abaissé, à cette époque, le prix de revient de plus de 10 pour 100.

(*) Depuis une année, la production américaine a subi une diminution d'un. tiers; la production russe reste stationnaire, tandis qu'un essor formidable s'est produit dans la région des Carpathes (Roumanie, Bukowine et Galicie). Des travaux importants ont permis de découvrir à 400 mètres de profondeur un bassin pétrolifère dont la richesse peut se chiffrer par 4000 barils par jour. La ligne de direction du pétrole, dans ce bassin, est tout entière dans les terrains éocènes ; les grès mous éocènes sont les plus riches en pétrole (un mètre cube de ces roches peut contenir plus d'un hectolitre de pétrole). Depuis deux années, une région jusqu'ici inexploitée entre Schodniça et Stanislasrow s'est couverte de plus del 200 puits d'une production énorme. [Neuburger et NoALHAT, le Pétrole en Europe (Revue technique; 10 janvier 1900).]

INTRODUCTION XXI

de ces liquidas, on obtient un mélange tonnant analogue au mélange d'air et de gaz d'éclairage et qui, comme lui, peut servir à alimenter les moteurs.

C'est un ingénieur américain du nom de Brayton qui résolut le premier le problème industriel du moteur à pétrole d'une certaine puissance. Dans sa machine, connue sous le nom de Ready- Motor Brayton, l'air, comprimé par une pompe, pénètre dans le cylindre moteur à travers une série de disques en bronze perforés entre lesquels se trouve une masse spongieuse, imprégnée d'huile lampante par le jeu continu d'une petite pompe alimentaire. C'est sous forme de rosée que le liquide est entraîné et projeté sur une toile métallique derrière laquelle la combustion se maintient sans interruption et sans explosion. Le moteur Brayton est le type des machines dans lesquelles le mélange combustible est enflammé graduellement sans que sa pression s'élève; le fluide se dilate progressivement derrière le piston, qu'il fait reculer dans le cylindre.

XXII INTRODUCTION

En 1878, le moteur, à gaz industriel était créé ; Otto avait montré ce qu'on pouvait attendre de cette machine, dont la marche douce, régulière, silencieuse, dépassait toutes les espérances ; il s'agissait de la perfectionner en la rendant plus robuste, plus économique et en même temps plus puissante.

Le moteur à quatre temps n'a, sur quatre courses du piston, qu'une seule course motrice; il en résulte dans la marche des irrégularités qu'on n'évite qu'en employant un volant très lourd, ce qui augmente le prix de la machine. On est donc conduit à résoudre le problème qui consiste à obtenir une course motrice sur deux. On pourrait, comme l'a fait Lenoir, employer le double effet, en sacrifiant la compression ; mais en agissant ainsi on sacrifierait l'économie. Il est donc préférable de s'adresser au type dit Moteur à deux temps.

Imaginons deux cylindres parallèles, dont l'un,

INTRODUCTION XXIII

A, est lapompe, et l'autre, B, le cylindre-moteur. Les manivelles qui commandent les bielles des deux pistons sont calées à 90 degrés Tune de l'autre. Dans une première course, le piston A aspire le mélange tonnant venant de l'extérieur ; pendant cette phase du fonctionnement la communication entre A et B est interceptée. Le piston A arrive à l'extrémité de sa course, puis revient en comprimant le mélange tonnant neuf; lorsqu'il esta la moitié de sa course de retour, le piston B arrive à l'extrémité de la sienne et découvre des ouvertures communiquant avec l'air extérieur. En même temps la communication entre les deux cylindres est établie ; le mélange tonnant entre dans le cylindre B et pousse devant lui les gaz de la combustion précédente, qui s'échappent à l'extérieur du moteur. Le piston B revient en arrière et ferme les ouvertures qui le font communiquer avec l'extérieur avant que le mélange neuf s'échappe lui-même du moteur ; ce mélange est alors comprimé dans le cylindre B pendant que la communication entre les deux cylindres est interrompue. Enfin, au début de la course suivante, le mélange neuf est allumé et les gaz brûlés se détendent en poussant le piston B.

XXIV INTRODUCTION

Mais dans ce moteur, qui n'est autre que le moteur Dugald Clerk exposé pour la première fois à Londres en 1879, l'avantage d'avoir une explosion par tour est acheté par l'adjonction au cylindre moteur d'un cylindre comprimeur spécial; la machine est plus compliquée, et d'autre part une partie de la chaleur dégagée par l'opération même de la compression se trouve perdue sans pouvoir être utilisée, puisqu'elle est absorbée par les conduits qui font passer le mélange gazeux d'un cylindre dans un autre. Aussi Benz modifia-t-il cette machine de manière à opérer la compression du mélange tonnant dans le cylindre même de travail et à faire cependant correspondre à chaque tour de l'arbre un coup de piston efficace.

Le critérium de la régularité dans la marche des moteurs est leur application à la commande des dynamos destinées à l'éclairage ; on sait en effet que la moindre irrégularité dans le mouvement de rotation de la dynamo se traduit par une variation très appréciable de l'intensité de la lumière produite. La commande des dynamos par les moteurs à gaz fut appliquée pour la première fois à l'exposition internationale d'électricité faite à Paris en 1881 ; plus de 200 chevaux

INTRODUCTION XXV

furent empruntés à la canalisation de gaz destinée autrefois à éclairer le palais de l'Industrie; un grand nombre de lampes à arc et dé lampes à incandescence furent entretenues par des moteurs à gaz du genre Otto ou du genre Dugald Clerk.

Dans le moteur Otto, le volume invariable de mélange admis, toujours égal à celui de la cylindrée, ne permet pas de détendre suffisamment les produits de l'explosion ; ces gaz sortent à une pression et à une température trop élevées ; il en résulte une perte de travail assez grande que les ingénieurs ne tardèrent pas à s'efforcer d'atténuer.

Dans ce but, Atkinson établit une liaison nouvelle entre la tige du piston et l'arbre de couche, de telle sorte que le cycle fût composé de quatre temps inégaux. Dans le moteur établi par cet ingénieur, la course d'admission n'est que la moitié environ de la course motrice, et le volume admis n'est par suite égal qu'à une demi-cylindrée ; mais les gaz introduits se détendent après l'explosion dans le volume total du cylindre. Le moteur Atkinson présente l'inconvénient d'avoir un dispositif d'organes un peu compliqué, dispositif qui introduit des frottements

XXVI INTRODUCTION

diminuant le travail disponible sur l'arbre et faisant redouter une usure rapide.

Charon résolut le problème de l'allongement de la détente par une méthode assez ingénieuse. Dans le moteur qui porte actuellement ce nom, le mélange d'air et de gaz qui remplit le cylindre à la fin de l'aspiration (1*' temps du cycle) n'est pas soumis tout entier à la compression et à l'explosion. Au retour du piston, la soupape d'admission, qui, dans les conditions ordinaires du fonctionnement Otto, se ferme au début de la course, reste plus ou moins longtemps ouverte, et une partie de la cylindrée explosive est dirigée par le refoulement dans un récipient convenable qui l'emmagasine et permet de la reprendre àl'aspiration du cycle suivant. Ce qui reste dans le cylindre au moment de la fermeture de la soupape d'admission subit alors la compression et sert seul à la production de la force motrice ; il en résulte que la détente des gaz est augmentée de tout le volume qu'occupait dans le cylindre le volume rejeté au dehors pendant la deuxième course du piston. Le fonctionnement est donc le suivant :

l^aemps. Aspiration du mélange tonnant | ^,, ^^^^^^ ^^^^^ pendant toute la course. )

INTaODUGTION XXVII

2" temps. Évacuation dans un récipient i !'• partie de la

spécial. j 1" course arrière.

Compression du mélange ) . ,

tonnant restant dans le ! ^ parue ae la

cylindre.

3* — Allumage, explosion, détente.

4*^ — Évacuation des gaz brûlés. 2* course arrière

1" course arrière.

2" course avant.

Malheureusement rallongement de la détente est obtenu au prix de la diminution de la compression. Or, en diminuant la compression on augmente la consommation en gaz combustible par cheval-heure indiqué; d'autre part, une diminution de la compression favorise les ratés d'explosion, qui entraînent à leur tour une dépense de gaz combustible faite en pure perte sans production d'aucun travail. On se trouve donc en présence, pour une même dépense de gaz combustible, d'une part, d'une augmentation de travail (par allongement de la détente); d'autre part, d'une diminution provenant de l'abaissement de la compression. La pratique seule peut dire si ces deux effets se compensent ou si les avantages l'emportent sur les inconvénients. En réalité le moteur Charon abaissa considérablement dès le début la consommation en gaz combustible. Dans des essais effectués à Solre-le-Château (Nord) en avril 1889 sur un des premiers