CHAPITRE SIXIEME THÉORIE EXPÉRIMENTALE DES MOTEURS A GAZ

De raction de la paroi sur les combustions.

La théorie générique que nous venons d'établir est incomplète, car elle ne tient pas compte de l'action des parois sur le cycle.

La paroi du cylindre joue en effet un rôle considérable dans toutes les machines à feu.

Son action est bien connue dans la machine à vapeur : la vapeur d'eau qui afflue de la chaudière, rencontre une paroi de fonte parfaitement décapée et relativement froide, et elle se condense par contact immédiat. Le métal se recouvre par suite d'une couche liquide plus ou moins épaisse, laquelle se vaporise de nouveau pendant la détente. En somme, il y a condensation partielle pendant la durée de l'admission et évaporation pendant la détente et la décharge ; il en résulte un déchet qu'on ne peut atténuer que par l'emploi d'une enveloppe de vapeur vive. Cette enveloppe réduit la condensation pendant la première période et fournit à la paroi le calorique qui est emporté dans la seconde période : le résultat de cette double action est d'augmenter le travail pendant la détente et d'annuler presque entièrement la perte au condenseur, en réduisant au minimum la quantité d'eau renfermée dans le cyUndre à fin de course. Telle est, esquissée à grands traits, la théorie de l'enveloppe de vapeur formulée par M. Hirn^ elle est fondée sur l'expérience et elle a trouvé dans l'analyse mathématique le plus solide appui. Les chemises de vapeur, dont on niait autrefois l'utilité, ont reconquis la vogue qu'elles n'auraient jamais dû perdre, et aujourd'hui les constructeurs se gardent bien de négliger ce perfectionnement dû au génie de Watt : non seulement l'enveloppe de vapeur entoure le cylindre de nos meilleurs moteurs, mais on en est venu à remplir de vapeur vive les fonds de cylindre, les couvercles et les pistons eux-mêmes. Des expériences précises

me permettent d'évaluer à 20 % l'économie qui résulte de cette pratique (*).

Les avantages incontestables des machines à multiple expansion et à détente en cascade s'expliquent aussi par des considérations du même genre ; l'emploi de deux ou plusieurs cylindres étages diminue la différence de température entre la vapeur et le métal du cylindre et Ton réduit ainsi l'évaporation instantanée de l'eau, qui mouillait la paroi à la fin de la détente et au moment où se fait l'échappement au condenseur. « C'est, dit Hirn, la cause la plus désastreuse de perte de chaleur dans la machine à vapeur. » (").

L'action de paroi n'est pas moindre dans les moteurs à gaz, nous pouvons l'affirmer a priori : il me sera même bien facile de démontrer qu'elle est beaucoup plus importante.

En effet, tous les moteurs à gaz, dont la force dépasse un ou deux chevaux, sont entourés d'une enveloppe d'eau froide, qui soustrait au cycle une quantité de calorique bien plus considérable que celle qui peut être fournie par une chemise de vapeur ; la chaleur emportée par cette circulation continue d'eau relativement glacée est de fait énorme. Dans un excellent moteur Otto, sur lequel j'ai expérimenté à l'usine à gaz de Roubaix, j'ai constaté qu'il se dissipait de la sorte A0% de la chaleur disponible et 48 ^ de la chaleur utilisable ; de son côté, notre illustre maître M. Tresca avait relevé autrefois une perte de 52 % dans un moteur Lenoir; M. Cartwright a évalué cette même perte kM% dans un moteur Otto-Crossley et MM. Stewart et Brooks concluent de leurs remarquables expériences que l'eau de circulation emporte plus de la moitié de la chaleur totale de combustion du gaz dépensé. Tout le déchet qui résulte de l'imperfection du cycle, de la détente incomplète, de la décharge des gaz chauds et des résistances passives disparaît devant cette déperdition colossale. Aussi voyons ce qui se passe dans un moteur Otto : alors qu'il est parfaitement construit, fort bien entretenu et admirablement conduit, sa consommation par cheval-heure est inférieure à 1 000 litres. Or, à vide, il consomme 400 litres par heure et par cheval nominal, soit près de la moitié de sa dépense normale ! Où passe le calorique dépensé ainsi pour mouvoir la machine sans produire un seul kilogrammètre de travail utile ?

(i) Voir à ce sujet un intéressant travail de M. Thurston, analysé par M. Bryan Domkin, dans le tome GIV des Proceedings of the Institution of Civil Engineers : on y lira que les enveloppes ont donné jusqu'à 38 o/o d'économie dans certaines conditions de construction et de marche.

(i) Cette théorie est développée dans le livre que nous venons de publier sous le titre de la Machine à vapeur, chez MM. J.-B. Baillieroet Fils, Paris, 1891.

Il passe au ruisseau avec Teau de circulation.

Tel est l'effet de l'enveloppe d'eau dans les moteurs à gaz.

Malheureusement l'intervention de cet agent refroidissant s'impose aussitôt que l'on aborde les productions de forces considérables : on ne peut songer à supprimer la chemise d'eau; mais on doit chercher à atténuer ses ruineux effets. Pour cela, il est nécessaire de connaître parfaitement le jeu des moteurs ; il faut donc commencer par analyser les phénomènes qui constituent la série utile des opérations avant de chercher à améliorer le rendement du mécanisme. En un mot, le physicien doit précéder l'ingénieur.

J'ai essayé de remplir le premier rôle (*).

Il s'agissait de reproduire artificiellement, pour ainsi dire, les phénomènes d'explosion et de détente qui se succèdent derrière le piston des moteurs, en les faisant varier dans leurs principales circonstances.

A cet effet, j'ai opéré dans le cyhndre de fonte dont je m'étais servi précédemment pour étudier le refroidissement des gaz et des vapeurs; cet appareil a été décrit (') à plusieurs reprises et représenté par la gravure, ce qui me dispensera d'entrer dans de trop minutieux détails. Je me bornerai aux traits principaux.

Le cylindre, qui est disposé verticalement, a un diamètre intérieur de aOO»'",! et une hauteur de 400 miUimètres. Un piston hbre, à garniture métallique de bronze, se meut dans ce cylindre, de bas en haut, sous l'action du mélange tonnant : sa course n'est que de 323 millimètres, attendu qu'il en a 77 d'épaisseur; son poids et de 14*^8300; la résistance au mouvement, produite par le frottement des cercles de bronze, équivaut en moyenne à une force d'environ 17 kilogrammes. L'effort à développer pour soulever le piston est donc de 31 kg. 500. Le mouvement ascensionnel de ce piston peut être accéléré ou ralenti à volonté, grâce à un contrepoids et à un frein; dans le premier cas, une corde attachée à l'extrémité de la tige et enroulée sur une poulie transmet au piston la force vive d'une masse de 73 kiloo:rammes tombant le long d'un coulisseau, dans le second cas, un collier de pression fait frein sur la tige et permet d'enrayer tout mouvement, s'il devient nécessaire de le faire.

Grâce à ce double dispositif, la vitesse du piston et, par suite, la

(l) Ce qui suit est une analyse sommaire de mes Études s^ir les Moteurs à gaz tonnanU publiées chez M. (iauthier-Villars, brochure in-8o, 70 i)lanchcs, avec planrlios et figures, 1884. Voir aussi ma confi^rcnce sur Vdction de pnroi à la Sori<Hn iiuluslriollc du Nonl.

(2i Annales de Chimie et de Pht/sique, 5'^ série, 1, XV, ii. 433 (1878): t. XVni, n. 280 (1879); t. XXIH, p. 131 (1881).

rapidité de la détente se trouve à la disposition de Topérateur, et il peut la faire croître de 0",25 à 10 mètres par seconde.

Le mélange tonnant est admis sous le piston à travers un robinet dont la manœuvre est aisée ; des crans de repère, tracés sur la tige du piston, indiquent le volume de gaz enfermé dans le cylindre et permettent de le jauger avec une exactitude suffisante. Le mélange est enflammé par l'étincelle d'une forte bobine d'induction, jaillissant au fond d'une petite cavité ménagée dans la paroi du cylindre. L'explosion a lieu et projette le piston vers la partie supérieure : des évents ménagés au couvercle livrent issue à l'air comprimé ; en les fermant, on constitue un dash^ot qu'on peut utiliser pour amortir le choc du piston et atténuer l'ébranlement qui l'accompagne toujours. Le piston s'arrête lorsque le travail résistant de la pression atmosphérique, celui de son propre poids et celui des frottements ont absorbé sa force vive: il redescend lentement, au fur et à mesure du refroidissement et de la condensation des produits de la combustion.

Les pressions développées sous le piston sont mesurées par un appareil Richard, monté sur le cylindre et commandé par un cordon attaché à la tige du piston : les diagrammes tracés de la sorte ont donc leurs ordonnées proportionnelles aux pressions et leurs abscisses proportionnelles aux volumes occupés par les gaz. Un diapason horizontal inscrit ses vibrations sur une ligne parallèle aux abscisses et marque les temps avec une précision extrême : le diapason que j'ai employé donnait la note ut^^ et battait par conséquent 128 vibrations simples par seconde, de sorte qu'il était facile d'observer au moins le

^rrrr dc secondo.

En relevant les courbes de l'indicateur et en évaluant leur aire, il devenait possible de connaître toutes les circonstances caractéristiques d'une explosion et de calculer le travail effectué, pour une dépense de gaz connue, dans des conditions quelconque^. Le mélange tonnant, étant composé sur la cuve à eau, on en introduisait un volume variable dans le cylindre, à l'aide d'une vessie en caoutchouc, en soulevant le piston jusqu'aux repères désignés à l'avance : l'étincelle jaillissait, l'indicateur traçait sa courbe en même temps que le diapason marquait une sinusoïde plus ou moins allongée ; on lisait à la fois, sur le même papier, les volumes et les pressions occupés par les gaz, la vitesse d'ascension du piston, la durée totale du phénomène de détente, etc. L'enveloppe à circulation d'eau ou de vapeur, dont le cylindre était revêtu, maintenait à point voulu la température

des parois de Fenceinte, dont Teffet thermique sur les gaz qu'elle renferme m'était parfaitement connu par mes études précédentes. Toutes les conditions de Texpérience étaient de la sorte bien déterminées.

Les trois ressorts de l'indicateur, employés dans ces essais fléchissaient de 1 miUimètre pour une pression de 33, 70 ou 139 grammes par centimètre carré : la course du cylindre enregistreur était réduite dans le rapport de 1 à 2,543. Ces données sont importantes pour le calcul du travail indiqué ^ : S étant la surface du piston du cylindre d'expériences, en centimètres carrés, <r l'aire du diagramme en millimètres carrés, <p la pression en kilogrammes, par centimètre carré, qui fait fléchir le ressort de 1 millimètre, et enfin r la course réelle du piston par millimètre d'abscisse du diagramme (cette course étant exprimée en mètres), on a, en kilogrammètres :

En effectuant les calculs, il vient :

pour les trois ressorts employés.

L'aire a des diagrammes peut être calculée parla formule de Simpson ou à l'aide du planimètre d'Amsler.

Telle est la méthode à laquelle j'ai eu recours pour étudier les phénomènes explosifs qui se produisent dans le cylindre des moteurs à gaz.

De savantes recherches ont déjà été faites, avec le plus grand succès, sur la combustion des mélanges tonnants : MM. Bunsen, Berthelot. Mallard, Le Chàtelier et Vieille paraissent avoir élucidé complètement cet important sujet. Toutefois aucun de ces habiles et infatigables pliysiciens n'a opéré dans les conditions mêmes qui se rencontrent dans la pratique, c'est-à-dire dans une enceinte fermée par un piston mobile de large surface : leurs remarquables expériences ont été poursuivies en vase clos et sans détente. Or, dans mon cylindre, la détente joue un rôle très considérable et les phénomènes observés se présentent sous un nouveau jour.

L'emploi des grandes détentes présente en particulier le double et précieux avantage de limiter les températures et de réduire les pressions développées dans l'explosion. En limitant les températures, j'écarte les effets de dissociation qui ne se produisent assurément pas

au-dessous de 1,500* G ; de plus, en réduisant et en graduant les pressions, j'évite les mouvements oscillatoires, qu'on ne réussit généralement à supprimer que par un étranglement des conduites, au préjudice de la rapidité et de l'exactitude des indications.

Une première série d'essais démontra que les phénomènes ne dépendaient nullement de l'étincelle d'inflammation ; en efifet, soit qu'on employât un ou six éléments Bunsen, soit que la bobine d'induction fût petite ou grande, soit même qu'on y adjoignît une cascade de trois bouteilles, les résultats de la détonation restaient identiques.

Dès le début de ces recherches, je reconnus que le gaz d'éclairage offrirait les plus sérieuses difficultés d'expérimentation, par suite des variations de composition qu'il présente d'un jour à l'autre dans une même ville. Certaines expériences exécutées au mois de février ne purent point être réunies à celles du mois de juin, bien qu'elles aient été faites dans des conditions identiques : ce fait s'explique par les observations très nettes, relatives au pouvoir calorifique du gaz d'éclairage, que nous avons rapportées ci-dessus. Une variation de 8 ^ ne permet point de rapprocher deux expériences et d'analyser leurs résultats.

C'est ainsi .'que je fus amené à entreprendre des recherches spéciales sur un mélange tonnant de composition constante: j'ai eu recours au mélange d'oxyde de carbone et l'air. L'oxyde de carbone était produit par la réaction de l'acide sulfurique sur le prussiate jaune de potasse: un laveur retenait l'acide cyanhydrique qui accompagne le gaz en proportions notables. Le mélange était fait sur la cuve à eau: les gaz étaient donc saturés de vapeur d'eau. J'ai cru pouvoir négliger cet élément dans le calcul du pouvoir calorifique des divers mélanges tonnants que j'ai employés: mes chiffres de rendement seront donc un peu trop faibles de ce chef.

Le mélange théorique d'oxyde de carbone et d'air est de 2 vol., 404 d'air pour 1 volume de gaz combustible: en prenant 2 vol., 675 d'air pour assurer une combustion complète, nous formons un mélange qui dégage par litre à zéro, 0 cal., 83.

A 15**, le calorique dégagé par litre serait égal à Ocal., 78; à 64**,

0 cal., 66.

Avec l'oxygène pur, augmenté de a d'air, on recueillerait i cal., 93

par litre de mélange tonnant à zéro et 1 cal., 82 à 15°.

La proportion du comburant venant à augmenter, la chaleur varie ainsi qu'on le voit ci-dessous:

1 CO + 1.625 air ICO + 2,150 air 1 CO + 2,675 air 1 CO + 8,200 air

Calories par litre 0,78 0,86 0,83 0,75

Le premier objectif de mes recherches était d'observer l'effet produit sur une explosion par la vitesse de la détente: cette vitesse peut

être représentée par ^ ' rapport du déplacement du piston au temps.

Le tableau ci-dessous fait ressortir à l'évidence Finfluence des vitesses de détente.

Mélange de J volume d'oxyde de carbone avec 2 vol. 675 d'air

à iôo C.

(Volume du mélange, 2 lit.,081).

VITESSE