RT" , R
V^ = — BtpV = -^,
ce qui donne :
Q' = Cv (T"-ï) + ^ (T'-{) = (C. + ^) (T'-l).
La chaleur utilisée ou transformée en travail pendant la détente adiabatique, sera donc Q— Q', et le rapport de la chaleur utilisée à la chaleur dépensée aura pour valeur :
mais il faut obsenrer que, dans ce cas, la capacité calorifique sous Yolumq constant (Cy) n'a pas la même valeur, 0,1682, que ponr les gaz permanents, parce que le mélange CQntient de la vapeur d'eau dont la capacité calorifique, sous volume constant, est égale, à peu près, à 0,34, comme nous Tavons fait observer ci-dessus.
De plis, la température très élevée qui résulte de l'explosion, dans la plupart de ces machines, étant incompatible avec la durée et le bon fonctionnement des appareils, il y a le plus souvent nécessité de refroidir les gaz pendant et après cette explosion en faisant circuler de l'eau à une température relativement basse, autour du cylindre ; de sorte que dans la pratique, la quantité totale de chaleur Q, dont une partie sert à effectuer le travail à détente, est bien plus considérable que celle qui est attribuée à Q dans les expressions ci-dessus.
Effet utile de la chaleub dans l'hypothèse d'une EXPLOSION NON INSTANTANEE. — On admet dans cette hypothèse qui est, plus que la première, l'expression de la réalité, que la combustion du gaz se prolonge pendant une partie plus ou moins considérable de la course du piston ; il y a production simultanée de travail et de chaleur. Pendant cette partie de la course, il dispariut une quantité de chaleur correspondante au travail transmis au piston.
La figure (28) représente le cycle correspondant à ce mode de fonctionnement.
On peut d'abord observer que, dans ce cas, la pression initiale due à la combustion d'une quantité déterminée de gaz qui a pénétré dans le cylindre pendant la péiiode d'aspiration,. ne peut être aussi considérable que dans la première hypothèse, parce que toute la chaleur qui doit se produire pendant la combustion complète, n'est pas encore produite au commencement de cette partie de course pendant laquelle la combustion est accompagnée d'une production de travail, et qu'à l'instant oii se termine cette combustion, il y a déjà une partie de la chaleur qui a été consommée par ce travail. Il y a donc à la fois, une diminution dans la température des gaz et dans leur tension.
204 CHAPITRE TROISièME.
La loi Buivant laquelle se manifeste la tension, pendant cette! période du mouvement, dépend essentiellement de la loi progression de !a combustion, loi tout à fait inconnue et ( les diagrammes relevés à l'aide de l'indicateur ne peuvei accuser que d'une façon très incorrecte, à cause de la rapidil excessive avec laquelle le phénomène s'accomplit ; mais, l'observation attentive de ces diagrammes, il semble résulti que l'on peut admettre, sans trop grave erreur, que la tension, dès le début de l'explosion, s'élève à sa valeur masima, puis qu'elle conserve cette valeur pendant toute la durée de la combustion, la cbaleur produite pendant cette durée étant suffisante pour maintenir la tension initiale et élever progressivement la température au degré nécessaire pour obtenir eo résultat. La température n'atteint alors son maximum qu'à la fin de la période de combustion.
En supposant la détente poussée jusqu'à ce que la tension devienne égale à la tension extérieure p, en négligeant, pour les mêmes motifs que ci-dessus, la période OA du mouvement qui correspond à l'aspiration et à une partie de la période d'expulsion des gaz brûlés, puis en représentant par :
P la pression subitement développée dès le début de l'explosion ; t la température du mélange avant l'explosion ;
T la température au début de cette explosion ;
T' la température à la lin ;
T"latempératureàlaShde la détente;
v, V, V les volumes successivement occupés par 1 kilog. de gaz, avant et après la combustion et à la fin de la détente, il vient
Q = Cv (T-ï) -f- Ct (T'-T) + AP (V'-t).
Le travail potentiel PV étant égal à -^- et le travail Pv à
La chaleur Q' qui doit passer au réfrigérant pour compléter le cycle fictif qui correspond au cycle eflfectif, aura pour valeur
Q' == Cv (T"-0 + Ap (V-v) et comme on a
réqnation devient
Q' = C\ (T"-0 +~(V'-i) = (^ + Cy) (T"-0 ;
^ Q^ Cv(T'-Q+^(T'-T) - (^ + Cv) (T"-0 ^ Ct (V-t) + ^ (T'-T)
^ Cv (T'-O + ^ (T'-T)
Dans ce cas, comme dans le précédent, AR = -j^ 29,272 =
4ri20
0,06887. Quant à la valeur de Cv, nous avons dit qu'elle devait être un peu supérieure à celle qui correspond aux gaz réputés permanents jusqu'en ces derniers temps, parce que ces mélanges détonants contiennent de la vapeur d'eau après l'explosion. Voici comment on peut la déterminer.
Nous avons vu, dans les préliminaires de ce chapitre, qu'un mélange d'air et de gaz, dans la proportion de 0,07 de gaz pour 0,93 d'air, pesant 1*^"',2445 par mètre cube, à la tension 0,76 et à la température centigrade 0*, était porté de cette température à 1865* par la production de 420 calories pendant l'explosion sous volume constant ; on tire de là :
lfc"-,2445 . Cv . 1865« = 420<îai- ;
La capacité calorifique de ces mélanges, pour d*autres proportions de gaz, pourrait s'évaluer par la même méthode, mais
la capacité calorifique sous volume constant de l'air atmosphérique étant 0,1682, et les mélangea détonants employés dans les machines à gaz contenant, généralement, moins de 0,07 de gaz dans les appareils modernes , il en résulte que cette capacité calorifique, dans les applications, est comprise entre 0,l(i82 et 0,181 et que l'on peut, sans grave erreur, adopter pour toutes ces applications une valeur moyenne de 0,175. Dans les circonstances où l'on jugera utile de la déterminer avec plus de précision, on pourra employer la méthode que nous venons d'exposer ci-dessus.
Applications théoriques des expressions d'effet utile obtenues cidessuS: dans l'hypothèse oîi il n'y aurait aucune perte extérieure de chaleur pendant la période de travail.
1" Ca9. Explosion instantanée. — Nous adopterons le mélange contenant 0,07 de gaz, qui peut élever la température de 0° à 1865° par son explosion sous volume constant et élever la tension de P^™- à 7"n'-,83.
Cette hypothèse donne : ^ = jatm. . p = 7atin.^83 ; t= 273" absolus ; T = 273 + 1865 = ■2138° absolus comme nous l'avons vu ci-dessus.
D'autre part, nous avons également trouvé, pour ces proportions relatives de gaz et d'air, d = 0,947 et Cv = 0,181.
Quant à la valeur de T", elle peut être déterminée à l'aide de T /p\o,«ii l'expression ■"ri/ =" ( ~ 1 démontrée dans le chapitre consacré
& la recherche des travaux à détente.
Cette expression fournit :
2138 /7,83\o.' T" -\ l ) îO" absolus ou 8 lent :
yV\o,4i^2]38 '\v/ "1169^
.d'oii T" = lieO" absolus ou 896" centigrades.
On trouve également :
d'où J — 4,356, et V = 4,356. v.
Le coefficient d'effet utile théorique correspondant à cette condition hypothétique de fonctionnement, deviendra alors :
Q Q. , (Cv+^)(T"-
Le cycle de Carnot, pour la même chute de température, 1865'*, aurait fourni :
Le cycle correspondant au mode de fonctionnement, dont nous venons d'adopter l'hypothèse, n'est donc pas très avantageux et le peu d'effet utile théorique de la chaleur dépensée, qui en résulte, tient à la température trop élevée que les gaz possèdent encore dès le début de L'échappement. Nous montrerons plus tard comment il se modifie dans la pratique.
2* Cas. Explosion non instantanée. — Pour cette seconde hypothèse, nous adopterons, comme pour la première, C5v = 0,181; p = iatm.. ^ = 273*» absolus ; rf== 0,947.
De plus, nous admettrons que la période de travail sous tension constante, qui correspond à l'accroissement de volume Y' — 1?, se prolonge de façon que Ton ait V — t? = 0,20 . v. L'examen de plu9ieurs diagrammes relevés sur des machines de MM. Lenoir et Hugon, nous a semblé autoriser cette hypothèse dans les conditions habituelles de vitesse du piston de ces machines. Il est évident, du reste, que plus la vitesse de ce piston deviendra considérable, plus cette période du mouvement s'allongera relativement à la longueur de la course.
Pour déterminer les températures T et T', nous emploierons les considérations suivantes :
Le mètre cube de mélange détonant, dans les proportions d'air et de gaz que nous avons admises, pèse 1^^^- ,2445 à 0^
SOUS la tension 0,76 et donne naissance, par sa combustion, à i20 calories comme nous l'aTons vu ci-dessus. Si nous supposons c = 1 mètre cube, nons aurons :
V'-r = 0,20 . V ; d'où c = 0,833 . V. Le travail P (V'-o) deviendra P (V'-0,833 .V) = O.UT.P.V, et la quantité de chaleur consommé par ce travail, sera 0,U7 . A.PV.
Mais PV'=?^T' pour 1""- degaz, et PV = li<i'-,2445 J ï' pour le mètre cube que nous avons admis.
La quantité de chaleur pour porter ce mètre cube de 273" à T sous volume constant, puis de T à T' sous tension constante, doit être égale à 420 calories.
Cette condition donne :
l""' ,2445 . a {T'-t) + AP (V -c) = 420,
d'où T'= 2018" absolus.
J)ans cette condition de marche, la température maxima, relativement à celle qui se produisait dans la première hypothèse, s'est donc abaissée de
Quant à la valeur de T. elle peut être déterminée par la loi des volumes proportionnels aux températures absolues d'une même quantité de gaz, sous tension constante; cette loi donne:
T:T =v:\'; et T : 2018° = !■"' : l'"^20 ; d'où T =• 1681' absolus.
La tension maxima P qui se produit, dans cette hypothèse, dès te début de l'explosion, sous le volume v, sera déterminée par le rapport
P ; latm, = x68l-> : 273 ; d'où P = est^.lô.
La température T" sera fournie par le r
Texplosion d'un mélange de gaz d'éclairage et d'air, lorsqu'elles sont à double effet, et poussé toujours dans le même sens pendant une course, lorsqu'elles sont à simple effet. Le mélange détonant successivement admis des deux côtés du piston dans le premier cas, et périodiquement admis du même côté du piston dans le second cas, est enflammé soit par une étincelle électrique, comme dans la machine Lenoir, soit par un petit bec de gaz allumé qu'une disposition mécanique spéciale introduit brusquement dans le mélange à l'instant où l'explosion doit se produire ; c'est ce dernier mode d'inflammation qui semble prévaloir dans les dernières machines à gaz parce que, comme on le dit vulgairement, il est moins sujet à rater, et n'exige pas l'entretien d'une pile électrique.
La première idée des machines à gaz remonte assez haut ; un Anglais, John Barber, prit en 1791 une patente pour une sorte d'appareil à réaction analogue à un éolypile de Héron , dont le courant moteur serait alimenté par la combustion continue d'un mélange d'air et de gaz combustible. En 1799, le Français Lebon prit un brevet pour un moyen nouveau d'employer les combustibles à la production de la chaleur et de la lumière, et il donne immédiatement après, la description d'une machine fonctionnant par Taction d'un mélange d'air et de gaz et composée, comme les machines actuelles, d'un cylindre renfermant un piston poussé tantôt dans un sens, tantôt dans l'autre par l'explosion d'un mélange détonant.
Jusqu'en 1858, d'autres brevets furent encore pris par un assez grand nombre d'inventeurs, mais aucun d'eux ne parvint à construire et à faire accepter dans l'industrie un appareil de cette nature capable de satisfaire à toutes les conditions d'un bon service.
Les premiers moteurs à gaz qui aient fonctionné d'une manière satisfaisante, sont ceux de M. Hugon dont le brevet date de 1858 et ceux de M. Lenoir qui prit son brevet en 1860.
Après le moteur Lenoir, est venu le moteur à gaz et à pression atmosphérique de MM. Otto et Langen qui ont eu le grand mérite de réduire notablement la dépense de gaz pour une production de travail déterminée, et enfin nous avons vu paraître
e cette quantité de chaleur qu'il est oécessaii-e de neu traliaer est d'autant plus cousidûrable que la température due à l'explosion est plus élevée et comme cette température esl d'autant plus haute que l'explosion est plus rapide, il en résulte qu'en augmentant la durée de l'explosion, on diminue la quantité de chaleur inutilement produite et que l'on augmente l'effet utile.
2" Dans les machines de très peu d'importance oii le rapport de la quantité de mélange détonant, à la surface de refroidissement du cylindre moteur est plus petit que dans les machines de plusieurs chevaux , il est possible , en augmentant la durée de l'explosion par une plus forte proportion d'air, de rendre inutile l'enveloppe d'eau renouvelée. L'expérience a démontré que le refroidissement normal par les surfaces métalliques pouvait devenir suffisant dans ce cas ;
3° Dans la plupart des machines, l'explosion ayant lieu d'une manière rapide et la température ainsi que la pression les plus hautes, se produisant dans un temps très court, le refroidissement par l'enveloppe extérieure, paraît devoir agir avec plus d'efficacité sur la période de détente que sur ta température et sur la pression initiales ; de sorte que les diagrammes doivent accuser des courbes de pression très rapidement décroissantes.
Nous allons montrer maintenant, par l'examen des phénomènes qui s'accomplissent dans les machines de MM. Lenoir et Hugon, combien les résultats pratiques diffèrent de ces résultats théoriques dans les appareils qui fonctionnent dans les conditions d'emploi du gaz que nous avons admises ci-dessuB.
Machine de M. Lenoir.
Quoique le brevet de la machine de M. Lenoir ne date que de 1860, tandis que le brevet de M. Hugon a été pris en 1858, l'appareil Lenoir est le premier qui ait reçu des applications
que Ton peut supposer égale à la pression atmosphérique extérieure que nous représenterons par p et à une température t ;
2** Le mélange s'enflamme et élève la tension de j» à P et la température de ^ à T. Cette explosion se produit avec une grande rapidité et il est probable qu'elle peut, sans grave erreur, être considérée comme ayant lieu sous volume constant; la figure (27) représente cette hypothèse. Mais si l'explosion n'est pas tout à fait instantanée, il se produit un accroissement de volume et un travail pendant la durée de la combustion et le long d'un chemin relativement très petit à cause de la rapidité du phénomène; la figure (28) représente cette deuxième hypothèse. Pour une durée si courte, on peut sans erreur bien sensible, admettre que l'accroissement de volume pendant l'explosion, se produit sous tension constante P et que la température T au commencement de la combustion, s'est élevée à T' lorsque cette combustion est complète ;
3** Les produits de la combustion se détendent adiabatiquement jusqu'à la fin de la course où la tension lede vient égale à la tension initiale j9 et où la température s'est abaissée à T'';
4® Le piston revient en arrière, comprime les gaz et les ramène au volume v. Pendant cette période, un réfrigérant abaisse la température de T^' à ^ en absorbant de la chaleur de façon à maintenir la tension p constante. Ceci est évidemment possible puisque c'est la même quantité de gaz qui occupe le volume V klsk température t et le volume total engendré par le piston à la température T", sans que la tension j? soit changée;
5® Le piston expulse les produits gazeux à la température t et sous la pression j? maintenues constantes, le long du chemin AO.
Que la machine soit à simple ou à double effet, on peut négliger ce qui se passe de l'autre côté du piston, pour les mêmes motifs que ceux qui ont été exposés à l'occasion des machines à air chaud. Quant aux portions égales de courses OA qui ^correspondent à la période d'aspiration sous tension constante ^ et à la période d'expulsion ou de compression sous la même tension constante, on peut les négliger, puisque la quantité de
Tune des fentes I, tantôt par l'autre, suivilnt la position qu'occupe le tiroir. Cette fente du tiroir ne débouche par directement dans la cavité K ; elle est recouverte d'un demi-cylindre en cuivre, percé de petits trous et fixé au fond de cette cavitéK, afin de diviser le courant de gaz en petits lilets et de faciliter son mélange avec l'air. L'arrivée de cet air s'effectue par la partie inférieure de la capacité K qui, de ce côté, est eu communication directe avec l'atmosphère; il en résulte évidemment que les courants d'air et de gaz arrivent à angle droit dans cette cavité K oîi ils se mélangent rapidement ;
L, est le tuyau d'arrivée du gaz , muni d'un robinet pour en modifier à volonté la proportion dans le mélanfje, suivant la quanlité de travail dont on a besoin ;
M, tuyau d'échappement des gaz brûlés ; ce tuyau est semblable au tuyau d'arrivée, mais tourné en sens inverse pour verser au dehors les produits de l'explosion ;
N, est le tiroir d'échappement à peu près semblable au tiroir d'admission et percé d'une fente verticale au fond de la cavité centrale ; par cette fente, cette cavité est en communication avec le tuyau d'échappement N pendant toute la durée de l'écbappemsnt ;
0, est un tuyau qui amène l'eau froide dans l'enveloppe;
P, tuyau donnant issue à l'eau de circulation à sa sortie de Tenveloppe;
V, V. inflammatenrs du gaz vissés dans les deux couvercles. Chacun d'eux se compose, comme l'indique la figure (31), d'un boulon métallique taraudé, traversé par un petit cylindre isolant en porcelaine dans lequel sont insérés deux fils de platine conducteurs de l'électricifé. Ces inflammateurs débouchent dans le cylindre en face des lumières E et font une petite saillie qui peut pénétrer dans une cavité ménagée dans le piston, afin de réduire l'espace nuisible.
X fil correspondant avec le pôle positif d'une bobine d'induction du Ruhmkorff mise en action par une petite pile.
le métal du cylindre lui-même , ce qui complète le circuit et, d'autre part, pour se rapprocher du conducteur X et provoquer le jaillissement de Tétincelle aussitôt que le courant s'établit. Une disposition particulière manœuvrée par la machine fait passer le courant d'électricité tantôt d'un côté du cylindre, tantôt de l'autre. Les inflammations du mélange détonant se produisent à l'instant précis oii le cylindre a reçu, par l'aspiration du piston , le volume de mélange qui doit être brûlé pour une course.
Les tiroirs sont mus par des excentriques circulaires qui doivent être calés sur l'arbre moteur de façon à produire les mouvements suivants.
Au commencement d*une course, par exemple celle de gauche à droite, l'ouverture I du tuyau d'arrivée doit commencer à envoyer le gaz dans la cavité K et la lumière E doit commencer à communiquer avec la même capacité, le tiroir se mouvant de droite à gauche. Ce tiroir continue sa course jusqu'à ce que les deux lumières I et E soient entièrement découvertes , puis il revient en arrière jusqu'à ce qu'elles soient fermées ; en cet instant, le piston doit être dans la position où se produit l'inflammation et le tiroir continue sa course de gauche à droite jusqu'à la fin de la course du piston sans qu'il y ait communication entre le cylindre et la cavité K. A la fin de la course du piston moteur, le tiroir se trouve vers la droite dans la position symétrique de celle qu'il occupait au commencement de la course du piston et l'admission se reproduit par la seconde fente I et par l'autre lumière E.
Quant au tiroir d'échappement, au commencement de la course du piston de gauche à droite, il se trouve dans la position indiquée sur le dessin et en mouvement de gauche à droite. Ce mouvement se continue jusqu'à ce que la lumière de droite soit entièrement découverte, puis le tiroir revient en arrière de façon à occuper, à la fin de la course du piston, la position qu'il avait avant cette course.
Pour la course de droite à gauche, le tiroir continue à se mouvoir de droite à gauche puis revient à la fin de cette course dans la position indiquée sur le dessin.
On voit, d'après cela, que pendant chaque course du piston, la lumière d'échappement est constamment ouverte du côtû opposé à celui qui renferme le gaz dans sa période de travail utile.
Nous ne connaiasonB point d'expériencea récentes faites sur la machine de M. Lenoir, mais M. Tresca en a fait plusieurs en 1861 et nous exposerons les résnltats qu'il a ohtenus.
Machine dont le piston avait 0'^,30 de course et 0"',30 de diamèlre, faisant moyennement 47 à 48 révolutions par minute, et fonctionnant avec un mélange de 0,084 de gaz d'éclairage et 0,916 d'air atmosphérique.
Travail pratique mesuré au frein 1,S5 chev.
Période d'admission du mélange détonant 0,50 de la c^'
Consommation de gaz par cheval et par heure 2,712 m. cubes.
Une seconde expérience faite le même jour a fourni des résultats moins satisfaisants, le travail s'est trouvé réduit à 1,42 chev. et la consommation de gaz s'est élevée à 3,435 mètres cuhes par cheval et par heure.
Pendant la durée de cette dernière observation, M. Tresca a pu mesurer l'eau consommée par le refroidissement de la machine et l'élévation de température qu'elle avait reçue pendant son passage dans l'enveloppe. 11 a pu constater que pendant cette expérience, la quantité de chaleur ainsi emportée s'élevait à environ 0,85 de la chaleur totale produite par la combustion du gaz, comptée à raison de fiOOO calories par mètre cube de gaz ; mais il fait remarquer que la machine ne fonctionnait pas dans de bonnes conditions et que, très probablement, la chaleur ainsi piïrdue était moins considérable dans la 1" expérience.
D'autres expériences ont ensuite été faites sur une machine
caoutchouc que le gaz traversait avant de pénétrer dans l'appareil distributeur. Cette poche, par son élasticité, régularisait rinjection de gaz comme les régulateurs à piston flottant des machines soufflantes régularisent le souffle dans les hauts fourneaux ; il faisait disparaître le fâcheux effet des résistances au mouvement dans la conduite à l'instant où le gaz y devait prendre sa vitesse maxima.
Cette machine avait, comme la précédente, un piston dont la course était de 0",30, mais son diamètre n'était que de 0"*,16.
Yoici les résultats obtenus :
Durée de l'expérience 1*^,30 minutes.
"N'ombre de tours par minute 81,11
Travail mesuré au frein, sur l'arbre moteur . 1,02 che. ' Consommation de gaz par cheval et par heure 2,878 m. c. Volume d'eau de circulation, par heure, 0"',800
Température de l'eau avant son entrée dans
l'enveloppe 18*
Température de l'eau à sa sortie de l'enveloppe 40' Température des gaz d'échappement 280**
La consommation était un peu trop forte à cause d'une fuite notable au tiroir d'échappement.
Ces résultats diflfèrent peu de ceux qui avaient été obtenus dans la première expérience que nous avons citée et la quantité de chaleur emportée par le liquide y était encore très considérable.
Dans toutes ces expériences, M. Tresca a pu constater, à ïaide de diagrammes relevés avec l'indicateur, que la tension développée par l'explosion , était d'abord considérable et s'élevait presque instantanément jusque dans le voisinage de la tension théorique calculée comme nous l'avons dit précédemîûent, puis qu'elle décroissait avec une extrême rapidité.
Nous avons reproduit dans la figure (32) un diagramme xelevésur ces machines, comme spécimen des variations que subit la tension pendant la période de travail. Si Ton fait la part des oscillations du piston de l'indicateur dues à la rapidité de l'impulsion primitive et à la force vive emmagasinée par la partie mobile de cet indicateur^ on voit que la courbe de dé-
tente serait, approximativement mos en retranchant et en ajoutant de part et d'autre de cette courbe deux petites surfaces équivalentes. La teusiou, dans ces machines, baisse donc bien plus rapidement que dans la détente isothermique repréi Sentée par la courbe m m et que dans la détente adiabatiqce représentée par la courbe my, ce qui doit être dû à l'énergique refroidissement des gaz sous l'action de l'enveloppe réfrigérante. Ainsi une tension de 6,5 atmosphères absolues y descend à l"'""- dans une période de travail à détente plus petite que la moitié de la course totale du piston, même en admettant que le sommet m de la courbe soit trop éloigné du point k par suite du défaut d'instantanéité dans les mouvements de l'appareil indicateur des tensions.
La nécessité de refroidir les gaz, pour demeurer dans des conditions pratiques de fonctionnement, est donc ici désastreuse et entraîne une énorme perte de travail pendant la période de détente qui a une très grande importance dans des appareils oij la période de travail sous pression approximativement constante, est ai courte.
On ne doit donc tirer que peu d'effet utile de la chaleur produite par la combustion du gaz.
Choisissons, pour déterminer cet effet utile, la première expérience que nous avons citée et dans laquelle la consommation s'élevait à 2"'^, 712 de gaz par cheval et par heure. On a : Chaleur produite par heure, 2""7I2 . 6000<^«'- = 16272 calories.
Travail transmis dans le même temps à l'arbre moteur, 75.60" . 60' = 270000'""'
Ce travail correspond à une utilisatiou de
■ — jTj^ = 635 calories.
Donc rapport de la chaleur utilisée à la chaleur dépensée,
Le cycle théorique correspondant à ce mode de fonctionnement aurait fourni environ 0,30 dans l'hypothèse où il nV aurait aucune perte de chaleur ; de sorte que la perte par refroidissement des gaz tant par Faction de Tenveloppe que par les autres surfaces de refroidissement, et par lès résistances passives de toute nature, s'est élevée à 0,30 — 0,04 = 0,26 do la chaleur totale produite par la combustion du gaz.
Cet appareil est donc bien loin de la perfection théorique et le champ qui reste ouvert aux perfectionnements, tant sous le rapport du cycle de fonctionnement que sous le rapport de l'utilisation du cycle adopté, est encore très vaste.
Machine de M. Hugon.
Quoique la machine de M. Hugon soit, en certains points, semblable à celle de M. Lenoir, elle en diffère cependant en d'autres points assez importants.
M. Lenoir fait ses machines horizontales, M. Hugon les fait souvent verticales, mais elles peuvent également être faites horizontales ; M. Lenoir enflamme le mélange détonant par une étittcelle électrique, M. Hugon l'enflamme par un petit bec de gaz allumé qu'il introduit brusquement dans le cylindre au moment oii se termine l'aspiration du mélange détonant. Dans la machine Lenoir le mélange de l'air et du gaz se fait dans Vappareil distributeur et dans le cylindre, tandis que M. Hugon opère ce mélange dans un appareil spécial avant de le diriger vers' le tiroir de distribution ; enfin M. Hugon diminue la proportion de gaz dans le mélange afin de ralentir la combustion et de produire une température moins élevée , et il injecte, dans le même but, une certaine quantité d'eau dans le cylindre où elle se réduit en vapeur, travaille avec les gaz chauds et abaisse la température pendant la combustion.
Nous emprunterons encore à un rapport de M. Tresca, les résultats de quelques expériences qu'il a faites sur une de ces machines.
Cet appareil différait en quelques points essentiels de celui
de M. Leuoir ; le mélauRe de gaz et d'air y était produit avant la chapelle de distribution, par un soufflet ordinaire à soupapes, mis en mouvement par la machine elle-même. Ce soufflet aspirait le gaz et l'air atmosphérique qui y arrivaient par dem conduits spéciaux et refoulait le mélange vers l'appareil d« distribution qui avait la plus grande analogie avec la distribution des machines à vapeur à détente avec deux glissièrea superposées. Les extrcmitéa de la première glissière ou premier tiroir frottant sur ia table fixe des lumières, portaient deux cavités dans lesquelles venaient déboucher deux becs de ga a mobiles se mouvant avec ce tiroir et eu communication ave- « l'atmosphère aux extrémités de la course de celui-ci. Ces bec^, au bout de chaque excursion, venaient chacun à leur tour^ e placer près de becs fixes toujours allumés et logés dans deu. ^ï cavités ménagées dans l'épaisseur de la table du tiroir, s' j allumaient, puis rentrant dans la chapelle de distributioiz^, venaient se placer devant les lumières, déterminaient l'explo sion, s'éteignaient par suite de l'agitation des gaz produite pi«.T cette explosion, pour Tenir ensuite se rallumer de la rnên».* façou et reproduire le même phénomène qui s'accomphssait alternativement aux deux extrémités du cylindre.
Les quatre becs, tant fixes que mobiles, étaient alimentés par du gaz à une tension assez élevée, de 60 à 70 centimètres d'eau, et cette tension était encore produite par un soufflet a soupapes mû par la machine. L'eau injectée dans le cylindre pendant la marche, y arrivait par un petit tuyau muni d'un robinet pour en régler la quantité et le bas de ce cylindre était) en outre, muni d'un robinet purgeur.
Le piston avait 0"',33 de diamètre et 0™,32 de course, t* mélange était admis dans le cyhndre pendant les 0,410 de l"course, pour le mouvement de haut en bas du piston, ^^ pendant les 0,446 de cetti! course pour le mouvement de b^* en haut.
Dans ces conditions de course, de diamètre du piston et d^
Une machine à vapeur sans détente ni condensation fonctionant sous la pression absolue de 4^^°^-, comme la machine à az pendant une petite partie de la course, produirait un travail utile d'environ 40 chevaux, sous les mêmes dimensions et 30ur le même nombre de tours.
Machine d'Otto et Langen.
Les principaux inconvénients des machines de MM. Lenoir et Hugon consistent, comme Pindiquent les diagrammes que nous avons rapportés, dans la soudaineté de l'explosion, dans rénorme température brusquement produite qui crée l'obligation d'un refroidissement ai'tificiel très énergique dès le début de l'explosion, afin que la température du cylindre moteur et du piston ne s'élève pas jusqu'à une limite incompatible avec la dnrée et la bonne marche de l'appareil, et dans la rapidité avec laquelle décroit la pression sous l'influence de ce refroidissement qui, d'après les lois delà physique, doit être proportionnel à la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur du cylindre moteur. Il faut observer, de plus, que ce même refroidissement produit par une enveloppe d'eau continuellement renouvelée et qui va dissiper sans utilité la chaleur qu'elle emporte, agit sur un fluide d'une très faible capacité calorifique et auquel il suffit d'enlever quelques calories pour produire une diminution de température et de tension, considérable, et que la chaleur neutralisée par le travail doit pour les mêmes motifs, faire baisser rapidement la pression. La première idée rationnelle qui s'est présentée à l'esprit des inventeurs, après les tentatives que nous venons d'exposer, a été de rechercher les moyens de diminuer la rapidité de la combusstion du gaz et de transmettre au piston moteur la plus grande quantité possible de travail pendant la courte durée de la pression maxima, afin de neutraliser utilement par une production de travail, la plus grande partie possible de la chaleur qu'il était indispensable de dissiper rapidement, pour demeurer dans des conditions de fonctionnement pratiquement possibles.
Tensions maxima moyennes à l'instant de Texplosion, d'après les diagrammes :
I" au-dessus du piston 3^'™', 78
2" au-dessous du piston 4^""-, 211
Tension maxima moyenne pour les deux courses
La figure (3!!) offre un spécimen des diagrammes obtenus et montre que la tension maxima est moindre dans cette machine que dans celle de M. Lenoir ; mais elle y baisse aussi avec nno extrême rapidité sans aucun rapport avec la loi de détents adiabatique.
On peut tirer de ces faits d'expérience, les conséqueDces suivantes :
I" Le travail transmis au piston, par tour, s'éleTant i 301'""',60 d'après les diagrammes relevés des deux côtés decû piston, et le travail utile transmis à l'arbre du volant, à 175'^'n-,93 seulement, le rapport du travail utilisé au travail reçu par le piston et transmissible au dehors, était égal à 175,93 ;-i01,GO
La perte occasionnée par les résistances passives de toute nature, s'élevait donc à 0,417 du travail transmis au piston- C'est presque le double de la perte due aux mêmes résistances dans les machines à vapeur ordinaires ; mais ce fait s'expliqua dans une certaine mesure par l'intensité des efforts brusquement transmis et par leur peu de durée, d'oii résultent des deformations périodiques dans les pièces de transmission de mouvement et une consommation correspondante de travail; pui^ ces machines , pour la même puissance effective sont beaucoup plus considérables que les machines à vapeur, et Ja partd* travail afférente aux résistances passives doit y être, propoï" tionnellement, plus grande.
td
16°^' ,61 dans le même temps, le gaz entrait dans le mélange ^our une part proportionnelle de
etVair pour une part proportionnelle de 0,9328 ;
3' La consommation totale de gaz, en y comprenant la quantité de gaz nécessaire à l'entretien des becs allumeurs, s'élevait à 26"', 631 pour un travail effectif de 2,072 chevaux pendant cinq heures ; il en résulte que la consommation par cheval et par heure, était dans cette machine, de
, * - = 2,570 mètres cubes.
Cette consommation était un peu plus faible que celle de la machine de M. Lenoir que nous avons citée plus haut. La machine de M. Hugon, au point de vue de la consommation de gaz, pour un travail déterminé, ne possède donc pas une supériorité bien marquée sur celle de M. Lenoir. M. Tresca considère Tinjection d'eau comme augmentant le travail dans chaque révolution, et les diagrammes relevés tantôt avec injection, tantôt sans injection d'eau, l'ont aussi démontré ; mais cette augmentation de travail était faible et les tensions initiales à Tinstant des explosions, n'en étaient guère modifiées. L'injection paraît agir plus favorablement comme moyen d'abaisser la température pendant la période de travail et à Téchappeiiient, et aussi d'aider à la conservation des organes et à leur Itthrification, ce qui rend le système de M. Hugon plus applicable aux machines d'une certaine puissance que la machine ie M. Lenoir.
Dans la machine dont nous nous occupons, la tension maxima au moment de Texplosion, ne s'élevait moyennement qu'a 4*^,035 absolues, pour un mélange contenant 0,0G72 de gaz, et Ton peut trouver, approximativement, la tension maxima îw Ton aurait dû réaliser dans le cas où il n'y aurait point eu d'eau injectée ni de refroidissement extérieur.
Le diagramme de la figure (33) semble réaliser, relativement * la période d'admission et à la durée de l'explosion, l'hypothèse
théorique que nons avons admise précédemment et qui est représentée par la fisure (23) . Dans cette hypothèse, la proportion de gaz dans le mélange était de 0,07, c'est-à-dire à peu près égale à la proportion 0,0672 que nous venons de constater dans la machine de M. Ilugon, et nous avons trouvé que dans cette hypothèse, la tension initiale devait s'élever à 6 ^'■"■,16 environ. La proportion de gaz étant un peu moindre dans le cas pratique qui nous occupe, nous trouverions très probablement à l'aide des mêmes calculs que ci-dessus, une tension initiale comprise en 5,5 et 6 atmosphères. L'action de l'injection d'eau et du refroidissement extérieur, a donc fait baisser la tension initiale, dans cette machine, d'au moins l'»'™',5;
4" Le volume d'eau injectée dans le cylindre, a été de 58,2 litres pour 15904 révolutions, ou pour 31808 courses de pistou ; l'injection par course ne s'élevait donc qu'à
■ ' p - =^ O^^OOOOOISS; soit 1,83 centimètres cubes;
5° On peut se rendre compte, de la manière suivante, de l'emploi de la chaleur produite par la combustion du gaz pendant la durée des observations de M. Tresca, qui a été de ^m heures. v
Chalel'k UTifjRÉE. — 1,6 travail transmis à l'arbre du volant était de 175''"-,93 par révolution; soit pour les 15904 révolutions 175,93 . 15904 = 2797991'"''-.
Chaque calorie pouvant produire 425''"-, la quantité de chaleur utilisée était de
6583 calories.
CflALBUK EMPORTÉE PAR LES «AZ EBOLÉS. — Eu Supposant
\e ■m^laci^B de gaz et d'air à la température 0" à son entrée dans la machine, son poids de I'"'-,2445 par mètre cube à cette température, sous la tensian 0'",76, sa capacité calorifique sous volume constant, de 0,175 d'apri?s nos observations précédentes, sa température à l'échappement, de 186° qui ont été
trouve pour chaleur totale perdue avec les gaz qui s'échappent de l'appareil :
0,175 . 1^1.2445 . 376°»\61 . 186o = 15256 calories.
Ghaleub pebdue poub l'alimentation des becs allu- MEUBS. — Le volume de gaz qu'ils ont consommé étant de 1"', 320, la chaleur perdue pour ce service, était de
1,320 . 6000<^- = 7920 calories.
ChALEUB EMFOBTÉE PAR l'eAU DE CEftCTTLATION. — Le VO^
lume d'eau qui a passé dans l'enveloppe étant de 1°^%286,^ pesant environ 1286^*'- et recevant un accroissement de température de 25® cent. , la chaleur emportée par cette cause de perte était de
1286^^»- . 25« = 32150 calories.
ChALEUB EMPORTEE PAR l'eATT D'INJECTION TRANSFORMÉE EN
VAPEUR. — Le poids d'eau ainsi vaporisée dans le cylindre s'élevait à 58^**-,2 et la vapeur qui en résultait s'échappait à la température de 186® et sous une pression que Ton peut supposer de 1**™- .
Or, d'après les expériences de M. Regnault, 1^*^- de vapeur saturée à 100° centigrades abandonne en se transformant en eau à 0^, une quantité de chaleur égale à 637 calories, et pour élever la température de cette vapeur de 100<» à 186**, sa capacité calorifique sous volume constant, est d'environ 0^^^ ,34.
Chaque kil. de vapeur ainsi abandonnée, emportait donc environ: 637 + 0,34 (186« — 100« ) = 666 calories ;
Soit, pour les 58>^"-,2 666 . 58,2 = 38761 calories.
En récapitulant, on trouve :
Chaleur utiUsée 6583 «^i-
Chaleur emportée par les gaz brûlés .... 15256 Chaleur perdue pour les becs d'allumage. . . 7920 Chaleur emportée par Teau de circulation . . 32150 Chaleur emportée par l'eau d'injection vaporisée 38761
Total. . . . 100670 caï-
224 CHAPITRE TROISIÈMB.
La chaleur totale développée par les ae^^BSl de gaz brûlé pour tout le service de la machine, était de
26,631 . eoOn = 159786 calories.
La différence 159786 — 100670 = 59116 calories servait à surmonter toutes les résistances passives de l'appareil et se dissipait dans l'atmosphère par toutes les surl'aces de refroi- ■dissemeot. ^^
Cette machine n'utilisait donc que ^^H
,l^^\. = 0,0412 de la chaleur totale 159766
On peut comparer ce résultat peu salisfaisant à celui que l'on obtiendrait avec la même quautité de chaleur fonctiounart suivant le cycle de Camot entre les mêmes limites de température, dans l'hypothèse d'une température initiale du mélange détonaut, égale à 0° cent., ou 273° absolus, et d'une absence complète de déperdition de chaleur et de résistances passives. P^n esaminant attentivement le diagramme représenté par la ti^ure (33) qui a été relevé pendant la marche normale de la machine, on voit que le maximum de tension était atteint lorsque le volume du mélange détonant avait augmenté d'environ 0,20 du volume admis avant l'explosion et, en cet instant, la tension s'élevait moyennement à 4»'™- absolues. On reconnaît Jiussi, très aisément, que à partir de ce point, la tension baisse bien plus rapidement que suivant la loi de détente isothermique et que, par conséquent, le point de maximum de tfinsion est également le point de maximum de température.
Comme les tensions d'une même masse de gan sont inversement proportionnelles aux volumes qu'elle occupe à la même t(!mpérature, et directement proportionnelles aux températures iilisolues qu'elle possède sous le même volume, ou aura en désignant par :
V le volume du m'éîarge admis à 273° absolus , et à I s'""- ;
La machine fonctionnait donc entre les limites de température 1310*^ et 273® absolus, au moins approximativement, car on ne peut prétendre qu'à des approximations en pareilles matières.
Entre ces limites, le cycle de Camot donne
de la chaleur totale dépensée.
Ainsi en désignant par x la chaleur totale dépensée, la machine de Hugon utilisait 0,0412 . â;;
Le fonctionnement suivant le cycle de Carnot utiliserait théoriquement 0,791 . â? ; de sorte que le rapport entre ces deiix effets utiles serait de
La machine de Hugon produisait donc , dans cette expérience et pour une dépense quelconque de chaleur, un efi'et utile transmis à Tarbre du volant et applicable à un usage extérieur quelconque, égal à 0,0521 de la quantité de travail que l'on pourrait tirer de la même dépense de chaleur fonctionnant, entre les mêmes limites de température, suivant le cycle de Carnot, et dans Thypothèse oii il n'y aurait aucune perte inutile de chaleur, point de résistances passives, en un mot dans Thypothèse d'un appareil réalisant toutes les conditions théoriques du maximum d'effet utile.
Le calcul des machines à gaz de cette catégorie, est d^une simplicité élémentaire , en adoptant pour base de ce calcul les dûSres de consommation déterminés par les expériences précédentes.
Ainsi supposons qu'il s'agisse de calculer les dimensions principales d'une machine de 6 chevaux d'effet utile, du système de M. Hugon, avec la condition d'imprimer à l'arbre du Tolantune vitesse de 50 révolutions par minute.
La consommation de ces machines s'élève, d'après ce que nous avons vu, à 2™', 570 par cheval et par heure, y compris
les becs d'allumage, qui consommaient 1"',320 pour 5 heures ,
de travail et pour 2,072 chevaux d'effet utile; soit J
■■-^— ., = 0°'S126 par cheval et par heure. ^
La dépense pour le travail produit ne s'élevait donc qu'à 2,570 - 0,126 = 2"'^444 par cheval et par heure.
Les 6 chevaux exigeront donc une dépense de gaz égale à 2,444 X 6 ^ 14.C64 mètres cubes. Connue le gaz doit entrer dans le mélange pour 0,0672 du volume total, et l'air pour 0,9328 de ce volume que nous désignerons par V, il viendra :
U'"%664 = 0,Otl72 . V, d'où V = 218,22 mètres cubes.
Il faudra donc que le piston, pendant les périodes d'admission du mélange détonant, engendre ce volume en 100 courses par minute ou eu 6000 courses par heure, et le volume engendré dans chacune sera de ' = 0,03637 mètre cube,
En admettant que l'admission aura lieu pendant les 0,45 de lacourse totale, le volume total en'^endré par le piston dans chaque course, sera, en le désignant par v,
0,46 . V = 0"",O3637 ; d'où c = 0,0808 mètre cube. ^
Si l'on veut donner à la course le double du diamètre d du pistoD, il Tiendra :
0,785 d*.2d= O'"=,0808 ; d'où d' =^^^;
et d = 1^0,05146 = 0"',372.
La longueur de la course eerait donc de O*,?!!. ■
Quant aux organes de transmission de mouvement , ils de- I
vraient être calculés pour résister sans inconvénient au maxi- I
mum d'effort exercé sur le piston, calculé comme nous l'avona I
indiqué précédemment, en faisant sur ce maximum théorique, ]
une réduction d'environ ^ pour tenir compte de l'action du refroidissement.
Une machine à Tapeur sans détente ni condensation fonctionnant sons la pression absolue de 4^^°^-, comme la machine à gaz pendant une petite partie de la course, produirait un travail utile d*enyiron 40 chevaux, sous les mêmes dimensions et pour le même nombre de tours.
Machine d'Otto et Langen.
Les principaux inconvénients des machines de MM. Lenoir et Hugon consistent, comme Tindiquent les diagrammes que nous avons rapportés, dans la soudaineté de Pexplosion, dans rénorme température brusquement produite qui crée Tobligation d'un refroidissement artificiel très énergique dès le début de Texplosion, afin que la température du cylindre moteur et du piston ne s'élève pas jusqu'à une limite incompatible avec la durée et la bonne marche de l'appareil, et dans la rapidité avec laquelle décroît la pression sous l'influence de ce refroidissement qui, d'après les lois de la physique, doit être proportionnel à la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur du cylindre moteur. Il faut observer, de plus, que ce même refroidissement produit par une enveloppe d'eau continuellement renouvelée et qui va dissiper sans utilité la chaleur qu'elle emporte, agit sur un fluide d'une très faible capacité calorifique et auquel il suffit d'enlever quelques calories pour produire une diminution de température et de tension, considérable, et que la chaleur neutralisée par le travail doit pour les mêmes motifs, faire baisser rapidement la pression. La première idée rationnelle qui s'est présentée à l'esprit des inventeurs, après les tentatives que nous venons d'exposer, a été de rechercher les moyens de diminuer la rapidité de la combusstion du gaz et de transmettre au piston moteur la plus grande quantité possible de travail pendant la courte durée de la pression maxima, afin de neutraliser utilement par une production de travail, la plus grande partie possible de la chaleur qu'il était indispensable de dissiper rapidement, pour demeurer dans des conditions de fonctionnement pratiquement possibles.
ir
les becs d'allumage, qui consommais .
de travail et pour 2,072 chevaux dV .,
^'^^^ = 0"',126 par n
iar.5 'z ; dr :..
La dépense pour le travail , 2,570 - 0,126 = 2™%444 par . .
Les 6 chevaux exigeront C:
2,444 X 6 = 14,664 métro .
dans le mélange pour O.r 0,9328 de ce volume quo :.
Il faudra donc que la p;b • sien du mélange détona.. par minute ou en liOtiU v...
gendre dans chacnno ■
En admettant (ju Ja course totale, !..
chaque course, m
Si l'on piston, il
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. .-^ le -l ..•
. -..uttari:-.:
]i-i. -.:..:.: jL-itepériji.
i.auto température d-:-:
rtciiiie quantité de cij:-
.-• 'iJisseraent, ces caloria
.-::':i poussé par l'air te se
...zziié de calories qui doit
.ir :: f zieutralisée par le trawa
.i-'.:e qui se dissipera à travers
. - ..MU.t;ile l'opération B'eflfectue,et
. i . wiutiLnt plus faible que lapre-
.c d >|ue le piston aura reçu pl^
..* .40 oiiemin.
wuus qui semblent avoir gnii^ ...> ^es efforts qu'ils ont faits pocr
. . xposée à Paris en 1867, a reçu - . L'.CLionnements depuis cette époqne, ..*.:l ■■u fût modifié, et on peut troa- .'/iu/nique de M, Oppermann, année > ..e '.a dernière disposition qu'ils ont .uuipose d'un cylindre vertical très >a iiauteur d'une enveloppe en fonte >*icue une espèce de colonne de form^ .lûeinent boulonnée sur une fouda- .:> jticre le cylindre et l'enveloppe est .uiuunication par le haut et par le bas ;o même hauteur que le cylindre et vt'tto façon Teau qui s'échauffe autour 0 rt'servoir latéral par le tuyau de . i >e trouve remplacée par un courant .V LUC rv^ervoir par le tuyau de communi* ciivuli:?sement obtenu par l'évaporatioi
dans le réservoir latéral et par le rayonnement de toutes les Borfaces de l'appareil à une température supérieure à la température de l'atmosphère, suffit.
Le cylindre est tout ouvert par le haut ; de sorte que la machine est à simple effet et que le piston ne reçoit Taction des gaz dilatés par l'explosion , que de bas en haut. Le mouvement qui lui est communiqué par l'explosion se transmet par une longue tige guidée extérieurement et portant d'un côté une crémaillère qui règne à peu près sur toute sa longueur (l'",40 à 1",70) et qui engrène avec un pignon placé sur l'arbre du volant. Ce pignon est fou sur cet arbre pendant la marche ascendante de la crémaillère et, pendant sa marche descendante, il cesse d'être fou et entraine l'arbre moteur dans son mouvement. Cette faculté que possède le pignon d'agir sur l'arbre moteur quand celui-ci tourne dans le sens correspondant à la course descendante du piston, en laissant cet arbre continuer son mouvement dans la même direction lorsqu'il tourne lui même dans la direction contraire pendant la montée du piston, était primitivement obtenue par l'emploi d'une roue à rochet fixée sur l'arbre à l'intérieur du pignon, mais dans les machines modernes, elle est réalisée à l'aide de ce que l'on nomme l^fMnekon de friction dont on peut trouver la disposition assez compliquée dans le portefeuille économique que nous avons cité précédemment. Il résulte de ce mode de transmission du travail qu'à l'instant où l'explosion se produit , après que le piston s'est élevé d'une certaine quantité en aspirant le mélange d'air et de gaz, ce piston qui n'éprouve d'autres résistances que son poids, celui de sa tige, son frottement contre les parois du cylindre et la pression atmosphérique sur sa face supérieure, part avec une extrême rapidité qui ne se ralentit qu'au moment oii la pression des gaz dilatés est devenue égale a la pression atmosphérique, plus le poids du piston avec sa ■ ' tige et sa crémaillère. Au-delà de ce point, le mouvement montant se continue encore, en surmontant les mêmes résistances qui sont à peu près constantes pendant toute cette -course et, d'autre part, sous l'influence de la pression des gaz dilatés qui continue à décroître et de la force vive emmagasinée
par toute la masse métallique eo mouvement, pendant riode d'accroissement de vitesse. Dis que cette force vi neutralisée par les résistances que nous avons désignées, le mouvement montant s'arrête, mais avec l'aide de la force vive emmagasinée, les produits de la combustion ont pu se détendre jusqu'à une pression bien inférieure à la pression atmosphérique et il s'est fait, dans le cylindre, une sorte de vide partiel accompagné d'un notable abaissement de température. C'est alors que la pression atmosphérique devenant prédominante et s'ajoutant au poids de l'attirail qui vient d'être projeté de bas en haut, détermine le mouvement descendant du piston et que la crémaillère entraîne le pignon qui a cessé d'être fou et qni emporte l'arbre moteur dans sa rotation. Ce mouvement descendant, avec communication de travail à l'arbre moteur, m continue jusqu'à ce que la tension des gaz brûlés progressirement comprimés, fasse équilibre au poids du piston et de sa tige et à la pression atmosphérique ; à partir de ce moment, les lamières d'échappement s'ouvrent et les gaz brûlés s'échappent sous la pression de l'atmosphère et du poids du piston qui descend jusqu'à la partie inférieure du cylindre moteur. Pendant cette dernière période, il n'y a plus de travail transmis à l'arbre moteur qui continue à tourner envertude la vitesse acquise, plus vite que le pignon, lequel par conséquent redevient foo quoiqu'il tourne dans le même sens que l'arbre , parce qu'une différence de vitesse angulaire, dans ce cas , équivaut à une vitesse du pignon contraire à celle de l'arbre du volant. On voit, d'après cette description, que la véritable force motrice utilisée dans cet appareil, est la pression atmosphérique unie à la pesanteur, et que le travail produit par la dilatation des gaz brûlés ne sert qu'à créer dans le cylindre le vide partiel nécessaire à l'action de l'air atmosphérique et à la restitution par 1^ poids du piston et de sa tige, du travail qu'ils avaient coU" sommé pendant leur ascension.
Ce mode de production d'un travail moteur présente une très grande analogie avec celui quia reçu, pour la première foi**' sou application dans la machine atmosphérique de Newcomeï*' Dans celle-ci, c'est la vapeur qui sert à élever un piston de bi»^
en haut, sans produire de travail utile, puis, sa course montante terminée, un jet d^eau froide dans le cylindre , condense cette vapeur, fait un vide plus ou moins parfait et permet à la pression atmosphérique qui devient prédominante, de produire le travail utile pendant la course de haut en bas. La machine de MM. Otto et Langen est donc, dans une très large mesure, une machine atmosphérique.
Pour recommencer une nouvelle course de bas en haut,
quand le piston est au bas du cylindre, il y a dans la machine
un mécanisme spécial qui est mis en jeu à la an de la course
descendante du piston, par un taquet fixé à la partie supérieure
de la tige de celui-ci. Ce taquet, à la fin de la course de haut
en bas, pèse sur un levier de relevage qui, plus tard et par l'ao-
tioû d^un mécanisme particulier, soulève ensuite le piston et
sa tige par l'intermédiaire du même taquet, et c'est pendant
cette reprise de la tige par ce levier qu'elle vient d'abaisser que
8e fait l'aspiration de l'air et du gaz dans le bas du cylindre
moteur. Après cette aspiration qui ne se produit que pendant
îme petite fraction de la course totale du piston, un bec de gaz
enflamme le mélange et projette rapidement ce piston jusqu'au
sommet de sa course.
L'air et le gaz ne sont point mélangés avant de pénétrer dans le cylindre, comme dans la machine de M. Hugon; ils pénètrent dans le bas de ce cylindre par deux ouvertures séparées ; l'air ^ent directement de l'atmosphère et le gaz arrive par un tuyau muni d'un robinet; ils sont appelés tous les deux par le vide qui résulte du relevage du piston au début de sa course montante. On peut faire varier la quantité de gaz qui entre dans le mélange en ouvrant plus ou moins le robinet qui lui livre passage, et l'on peut faire varier le nombre de coups de piston en modérant plus ou moins la rapidité de descente du piston pendant la durée de l'échappement, à l'aide d'un autre robinet placé sur le tuyau par lequel les gaz brûlés sont rejetés dans l'atmosphère.
Le mécanisme de cet appareil présente une singulière particularité, c'est que la vitesse de rotation de l'arbre du volant ne dépend nullement du nombre de coups de piston, ce qui s'ex-
pligne par l'intermitteDce de la solidarité des mouvements de la tige du piston et de l'arbre moteur. On peut, dans cet appareil, régler Tactioa dti mécanisme de transmission de mouïr ment à tous les organes qui déterminent les phases essentielles d'une opération complète d'impulsion du piston, sans tenir compte de la vitesse de rotation de l'arbre du volant. Celui-ci fonctionne comme une toupie qui reçoit de temps en temps irn conp de fouet pour entretenir son mouvement; c'est la course descendante du piston qui constitue ici le coup de fouet.
11 est évident, du reste, que plus les coups de piston se succèdent rapidement, plus l'arbre du volant reçoit de travail dans la même temps et plus sa vitesse de rotation est régulière, et que dans les appareils où les coups de piston sont peu nombreux, il faut un volant plus lourd que dans les autres pour régulariser suffisamment la vitesse de rotation.
Le mécanisme de cet appareil est très compliqué et ne peut ûtre bien compris qu'à l'aide de dessins complets ; nous avons indiqué ci-dessus l'ouvrage qui les renfermait. Quant au mode d'inflammation du mélange détonant, il ne présente rien de bien important dans cette machine, et nous aurons plus loin à en décrire quelques-uns qui ne lui sont point inférieurs.
La période d'admission du mélanzo détonant ne comprend qu'une faible partie de la course totale du piston qui est très longue relativement au diamètre de celui-ci; elle ne dépasse
guère = à ^ de cette course qui, elJe.mème , est assez variable
p.irce que la composition du mélange détonant et, par suite, l'intensité de l'impulsion, ne sont pas toujours exactement les mêmes.
Nous donnons , dans la figure (34), un spécimen des diagrammes relevés sur cette machine à l'aide de l'indicateur.
L'admission a lieu le long du chemin OA ot la course entière est représentée par OC.
Immédiatement après la période d'admission, l'explosion élève la tension de l"^""- absolue à 5"""- environ ; le maximum
DBS MACHINES A GAZ. 233
correspond à la période d'admission ; puis il se produit une diminution de pression très rapide. La courbe présente en x une cavité qui ne peut provenir d'un abaissement de la tension jnsqn'à cette limite qui est inférieure à la pression barométrique ; elle est, sans doute, le résultat de la répulsion très rapide du piston de Tindicateur qui a dépassé, en vertu de sa Titesse acquise, la position d'équilibre entre la force élastique de son ressort et la tension des gaz. La vraie courbe des tensions se rapproche probablement de la ligne pointillée 'p q dans cette région. Un peu au-delà de x la courbe se relève, la tension dépasse la pression atmosphérique puis s'abaisse vers la
fin de la course jusqu'à ^ d'atmosphère environ. Pendant le
retour du piston, la compression des gaz brûlés n'empêche pas leur tension de baisser pendant la plus grande partie de cette course, ce qui est dû à un refroidissement très énergique sous Faction de Tenveloppe d'eau et aussi à une condensation d'une partie de la vapeur d'eau qui résulte de l'explosion. La tension sous le piston ne commence à se relever qu'à une faible distance du point oii doit commencer la période d'échappement qui ne correspond pas à une hauteur beaucoup plus grande que sa période d'admission. Dans cet appareil, la détente très prolongée des produits de la combustion et la durée relativement assez longue du refroidissement par l'enveloppe extérieure, pendant la course descendante, abaissent la température dea gaz à l'échappement , jusqu'à une limite bien inférieure à la température de ceux qui s'échappent des machines de MM. Hugon et Lenoir; cette température, dans la nouvelle machine, descend jusqu'à 50'' à GO** centigrades ; de sorte qu'il 7 a peu de chaleur qui va se dissiper dans l'atmosphère, de* ce chef.
M. Tresca a fait sur une machine d'Otto et Langen de l'ancien modèle exposé en 1867, quelques expériences dont voici le& résultats:
Diamètre du piston 0™,15
Maximum de course possible ou longueur du cylindre 1",00 environ.
■a» CHAPITRE TROISIEME.
Nombre de tours do l'arbre du volant. 81 par min".
Travail mesuré au frein sur l'arbre du
Tolaot. 0,45G cheval.
Consommation de gaz par heure . . O^SSeS
En rapportant cette consommation à la puissance d'un
cbeval, on trouve 0"",569;r — r^ = ]"'',247 par cheval et par
0,456 heure.
La dt'pense d'allumage mesurée par une expérience spéciale, s'est élevée à O'"'.0CO par heure.
Une machine plus puissante n'exigerait pas une plus grande dépense pour l'allumage.
La machine dont il s'agit consommait donc en totalité ;
Par la combustion dans le cylindre . 0"',569
Pour l'allijmage O^'.OGO
Total, . . 0,629 mètre cube, pour un travail de 0,456 de cheval, soit, par cheval et par
heure, 0,629Tr-j^= l"'',âl^ de gaz.
Cette consommation ne s'élève donc qu'à la moitié environ de celle des machines de MM. Lenoir et Hugon.
Depuis ces expériences, l'appareil a été simplifié et a reçu dans son mécanisme des perfectionnements de détails qui ont notablement amélioré son effet utile, et aujourd'hui les constructeurs garantissent une consommation de 1 mètre cube de gaz par cheval et par heare.
Si l'on compare cet effet utile à celui qui résulterait de l'emploi de la chaleur conformément au cycle de Carnot, en admettant qu'il n'y ait point de résist^mces passives dans ce dernier cas, que la température extérieure, soit de 20» cent., ou 293" absolus, que la température intérieure maxima T soit celle qui porterait la tension des gaz à 5»^™- absolues, comme dans le diagramme précité, après une augmentation de volume égale à la moitié du volume d'admission, v, on trouve ; puin.. 5nim, ^^p 2D3°:r.T:
La chute de température serait donc de 2197"*— 293*» = 1904*». et Ton aurait,
~T~ " 2Î97 == ^'^^' D^autre part, une consommotion de 1"' de gaz correspond aune production de 6000 c*^*, qui fournissent un cheval par heure, ou 75.3600" = 270000^"^.
La quantité de chaleur utilisée, est donc de
— — — — 625 calories,
et le rapport de la chaleur totale dépensée à la chaleur utilisée, de
Comme le cycle de Carnot fournit le maximum d'effet utile que Ton peut tirer de la chaleur, pour une chute de température donnée, on trouve, en comparant le rendement effectif à ce travail théorique maximum :
Cette machine fournit donc, pratiquement, les 0,121 du travail théorique maximum que Ton pourrait produire avec une quantité donnée de chaleur subissant la même chute de température. Sous ce point de vue, elle ne le cède pas aux meilleures machines à vapeur, mais le combustible qui Talimente coûte beaucoup plus cher que celui qui alimente ces dernières. La quantité d'eau nécessaire pour refroidir le cylindre n'est pas très considérable à cause de la basse température à laquelle les gaz brûlés se trouvent amenés par la détente très longue qu'ils subissent ; M. Tresca estime que la quantité de chaleur enlevée aux gaz par le liquide de l'enveloppe, ne dépasse
guère --de la chaleur totale développée par la combustion du
gaz dans la machine.
Les premiers appareils de MM. Otto et Laugen produisaient pendant leur marche, un bruit de ferrailles assez incommode ;
les nouveaux ont été fort améliorés bous ce point de vue , mais l'incouvénient n'a pas entièrement disparu et il constitue encors un assez grave obstacle à leur adoption, dans beaucoup de circonstances. La plupart des machines construites sur ce type, sont d'une faible puissance, les plus fortes ne dépassent pas deux ou trois chevaux, et l'on remarque que les principaux inconvénients que présentent les petites, s'aggravent lorsque l'on augmente leur puissance.
Nouvelle machine d'Otto.
Les inconvénients que nous avons signalés dans la maohioe de MM. Ottoet Langen , c.-à-(i. le bruit incommode que font les pièces à mouvement intermittent, le défaut de solidarité continu entre le mouvement du piston et celui de l'arbre moteur, font que cet appareil, au point de vue de l'application, ne présente pas les conditions d'un bon fonctionnement pendant un temps indéfini; aussi l'un des associés, M. Otto de Cologne, a essayé d'atteindre le même but par une antre voie et de faire une machine offrant tous les avantages de la disposition mécanique ordinaire des machines à vapeur, unis aux avantages spéciaux de l'emploi du gaz.
Cette nouvelle machine est fixée à l'extrémité d'un bâti en fonte et elle est horizontale ; le piston y est relié à l'arbre du volant par une bielle et une manivelle ; le cylindre est tout ouvert du côté de la bielle et le piston ne reçoit l'action des gaz dilatés par l'explosion que du côté opposé. Elle présente donc, à part une disposition diflérentc des organes accessoires, l'aspect extérieur d'une machine à vapeur à simple effet.
L'accroissement de travail transmis au piston pendant la période d'explosion du mélange combustible, y est obtenu par une augmentation de la vitesse du piston résultant d'un accroissement du nombre de révolutions de l'arbre du volant, et le ralentissement de la combustion du mélange d'air et de gaz y iploi du minimum possible de gaz dai
présence d'une partie des gaz brûlés pendant une explosion, dans le mélange détonant introduit par aspiration dans le cjlindre, pour une nouvelle opération.
L'emploi simultané de tous ces moyens de ralentir la combustion, afin d'élever moins haut la température intérieure et de donner au piston le temps de recevoir beaucoup de travail en une course, a parfaitement réalisé les espérances de Tinventeur, conmie nous le montrerons tout à Theure à Taide d'un diagramme relevé sur une de ces machines en marche.
Pour effectuer dans un même cylindre et sans l'emploi d'une pompe spéciale, toutes les opérations que comporte un semblable moyen d'appliquer le gaz à la production d'un travail moteur, il a fallu adopter un mode de fonctionnement assez singulier et qui oblige à employer un volant très lourd relativement à la puissance de la machine, pour régulariser suffisamment la vitesse ; le voici :
Supposons que le piston B (fig. 35) soit arrivé, à la fin de sa course de droite à gauche , dans la position qu'indique la figure, après avoir chassé les produits de la combustion par rorifice q pendant toute cette course ; l'espace A qui reste, sera encore occupé par une partie des gaz brûlés qui ont fourni la course précédente de gauche à droite, et cet espace dans lequel lo piston ne pénètre jamais, offre un volume égal, à peu près,
aux - du volume que ce piston vient d'engendrer dans sa
course, ou aux -z du volume total qui existe entre le fond du
cylindre qui a la forme d'une calotte, et le piston à l'extrémité de sa course de gauche à droite.
Si, à partir de cette position B, le piston commence sa course de gauche à droite, le mélange d'air et de gaz aspiré par le ▼ide partiel qui se produit dans le cylindre, arrivera par le conduit L et occupera le volume engendré par le piston jusqu'à la fin de la course. Nous expliquerons plus tard le mode de fonctionnement de tout l'appareil de distribution.
Lorsque le piston est arrivé à l'extrémité de sa course vers la droite, le conduit L se ferme, puis la course de droite à gauche
adS CHAPITRE TROISIEME.
commence immédiatement sous l'action du volant calé sur l'arbre de la manivelle. Pendant cette course en retour, le mélange des gaz brûlés qui étaient restés dans la capacité A, de l'air et du gaz nouveaux qui ont pénétré dans le cylindre, ne trouvant plus d'issue, se comprime jusqu'à ce que le pistou soit arrivé à sa position de départ B. Ce mélange n'occupe plus'
du volume qu'il occupait à la fin de
alors que les
l'aspiration. C'est en ce moment que se produit l'in sous l'influence de laquelle le piston fournit une nouvelle course de gauche à droite et reçoit le travail qui doit entretenir le mouvement de la machine ; puis il revient vers la position B en. expulsant les produits de la combustion par l'oritice 5' qui ne s'ouvre que pendant cette période. Les mêmes phases se reproduisent ensuite indéfiniment.
Il résulte de ce mode de fonctionnement, que le piston no reçoit de travail moteur que pendant une course sur quatre, ou pendant une course pour deux tours de l'arbre de la manivelle, et que le volant reste chargé de régulariser jusqu'à une limite convenable, la vitesse de la machine dont le mouvement ne se trouve entretenu que par ces impulsions périodiques à intervalles très écartés.
Le cycle fermé fictif qui correspond à ce mode d'emploi de la chaleur est assez simple.
Pendant les deux courses d'aspiration du mélange et d'expulsion des gaz brûlés, on peut admettre que la face intérieure du piston n'éprouve qu'une pression égale à la pression atmosphérique extérieure, puisqu'il y a libre communication entre ce cylindre et l'atmosphère ; de sorte que la quantité de chaleur consommée par le travail transmis au piston pendant la course d'aspiration, sera égale à la quantité de chaleur reproduite par la compression du même volume de gaz pendant la période d'échappement. On pourra donc négliger entièrement ces deux périodes et le cycle correspondant à une opération complète se réduira à deux opérations ; celle de transmission du travail de la chaleur au piston et celle de compression du mélange aspiré, jusqu'à la tension à laquelle il se trouve à l'instant de son in-
flammation. La masse du mélange détonant étant la même pendant la période de travail transmis à Textérieur et pendant la période de compression, ces deux opérations renferment toutes les conditions d'un cycle fermé et réversible.
Déplus, nous admettrons que les parois du cylindre dans lequel s'efiectue l'opération, sont imperméables à la chaleur, et que la tension des gaz pendant la durée de l'explosion ou pendant une petite partie de la course, peut être considérée comme constante.
Beprésentons par :
i' » OA figure (36) le volume des gaz comprimés, avant l'explosion ;
P" "B AH leur tension en cet instant ;
T'" leur température avant l'explosion ;
P » AG leur tension dès le début de l'explosion ;
T leur température au même moment ;
y «r OB = «9 leur volume à la fin do la courte période pendant laquelle on peut considérer la tension maxima P comme constante ;
T' leur température sous le volume V ; c'est la température maxima;
V «s OC le volume des gaz à la fin de la période de transmission du travail ;
P' =» EC leur tension en ce moment ;
T" leur température au même instant;
t "■ DC, la pression atmosphérique extérieure ;
i la température du mélange à la fin de la période d'aspiration;
Nous supposerons encore que l'on agisse sur 1 ^^i- de mélange détonant;
La quantité de chaleur Q produite par l'explosion, sera
Q = Cv(T' — T'") + AP(V'-v),
mais comme V = nv, ou r = —, Pexpression deviendra
Q = C,(T'-T"') + APV(Î^).
D'autre part, le travail potentiel PV = —r- et l'équation prend la forme suivante :
La quantité de chaleur Q' qui va se perdre dans l'atmosphère après la période de travail moteur, peut être considérée comme absorbée par un réfrigérant qui, soua volume constant, abaisserait la température T" que possède le mélange à la lin [de la détente, jusqu'à t température du nouveau mélange qui aura remplacé les gaz brûlés au commencement de la compression. Il viendra alors :
Q' = CvlT"-i, Quant à la quantité de chaleur produite par la compression du mélange depuis la tenaion atmosphérique'^, jusqu'à ia tension P", elle se retrouve toute entière dans le gaz comprimé dont elle a élevé la température de i à T'".
Lo coefficient théorique d'utilisation de la chaleur aura pour valeur :
Qr-Q' = i Cy (T" - 0 ■
Application numéhique, — Nous supposerons que le volume de gaz, d'air brûlé et d'air frais soumis à l'action de la chaleur, soit de 1"", à la température 0° cent, ou 273» absolus, et sous la tension de O", 76 de mercure; qu'il pèse dans ces conditions, l''ii',258 ce qui ne doit pas s'écarter beaucoup du poids des mélanges habituellement employés; que la température extérieure soit telle que la température l du mélange explosible à la fin de l'aspiration, soit de 50° cent, ou 323° absolus, ce qui augmentera le volume adopté de 1"°* ; que
V = j. 5, hypothèse qui parait être motivée par l'examen d'un
diagramme que nous exposerons plus tard ; et enfin que le mé-
Ces données nous fournissent :
2kii. 258 densité à = ^wx^^^ =■ 0,9731; i — 323*> absolus;
ii==5= 1,1666, et ^-=^=0,143;
AR 29,272 o.7078rf 425.0,9731 =-^'^7^7»'
Yaleub de T'". — Pendant la compression adiabatique, la température, primitivement de 323<*, devient égale à T''' et Ton a la proportion
m^-\i) "(fv) -(W« = 1,456; d'où T'"—l,456.323»— 470«,29 absolus, ou 197*,29 centigrades.
YAiiEUBS DE T ET DE T\ — Le travail produit pendant que les gaz enflammés passent du volume v au volume Y, est égal à
F (Y — c) = 6,143. PY, et la chaleur consommée par ce travail a pour valeur
