DURÉE

de Texplosion t

OOURSB du piston {

TBATAIL théorique ^

calculé par le diagramme ^*

TIOK 9é

kgm

Quelques essais ont été faits avec im mélange de 1 volume d'oxyde de carbone, ^ volume d*oxygène et 0 vol., 078 d'air excédent; mais

dans ces conditions, la charge devient brisante et les résultats perdent toute rigueur, par suite de l'excessive vitesse de la détente, qui dépasse 9",80 par seconde ; les lancés du piston de l'indicateur déforment la courbe et l'estimation de l'aire du diagramme devient incertaine. Je renonce à produire les chiffres relatifs à ces essais.

Les expériences, dont nous venons de rapporter les résultats, démontrent à l'évidence que l'utilisation croît avec la vitesse; en opérant sur le gaz d'éclairage, nous voyons se dégager les mêmes

conclusions, malgré quelques divergences introduites par les varialions de composition du gaz des usines. Le travail théorique S a été calculé en admettant un pouvoir de S.250 calories par mètre cube de gaz.

Mélange de 1 volume de gaz d'éclairage avec 9 vol. 4- d'air. (Volume du mélange, 2 lit. 081).

dl dt

kgm

Mélange de 1 volume de gaz d'éclairage avec 9 vol. i dUair. (Volume du me'lange, 3 lit. 096).

dl dt

kgm

Mélange de 1 volume de gaz ^éclairage avec 6 vol. 83 d*air. (Volume du mélange, 1 lit. 066).

dl dt

kgm

kgm 17,6

Mélange de 1 volume de gaz d'éclairage avec 6 vol, 33 d'air. (Volume du mélange, 2 lit. 081).

dl dt

kgro

kgffl

L'effet de la vitesse de délente est encore sensible avec des mélanges tonnants de richesse différente, ainsi que le prouve le Tableau suivant :

Mélanges d'oxyde de carbone et d'air de teneurs difféi entes. (Volume du mélange, 2 lit. 081).

COUPOSITION EN VOLUMES

dt dl

kgm

lCO+8,2air .

lCO+2,675air.

lCO+2,216air.

lCO+l,625air.

L'utilisation croit donc avec la vitesse: ce premier point est acquis pour nous jusqu'à la vitesse de 6 mètres par seconde, laquelle dépasse de beaucoup celle des pistons de nos moteurs.

Nous reproduisons ci-contre une courbe tracée par l'indicateur dans l'explosion d'un mélange tonnant: colle que nous avons choisie (fig. 22) est précisément relative à un mélange de 1 volume de gaz et de 6 volumes d'air. Le diagramme supérieur donne les pressions en ordonnée et les volumes en abscisse; la sinusoïde inférieure, inscrite par le diapason, marque les temps ; une vibration simple correspond

à TSiô de seconde. Nous avons recueilli un nombre considérable de

diagrammes plus ou moins semblables à celui-ci (*), correspondant à tous les mélanges et à toutes les vitesses:

leur étude a été des plus fructueuses, car ces diagrammes ne permettent pas seulement de calculer le coefficient d'utilisation, mais ils nous font connaître encore la suite

Fig. 22

des températures et des pressions développées dans les produits de la combustion et nous pouvons en déduire les pressions qui se développeraient en vase clos, à volume constant. Et d'abord, la température initiale t étant connue, on détermine la

température T instantanément produite, par la formule 7 = u' dans

laquelle P est la pression maximum du diagramme et H la pression

atmosphérique, é^ale à 1 kg, 033. Puis, dans le cours de la détente,

les températures T des gaz à chaque point de la courbe sont données

P'V* PV par la formule -Tnr = -^jt = constante, P, V, et T étant les données

initiales, P'VT' celles qui répondent au- point considéré. Dans toutes ces formules, les températures sont absolues.

Nous pouvons donc suivre les progrès de la combustion des mélanges tonnants et analyser une explosion dans toutes ses phases.

La pression P" qu'aurait atteinte le gaz à volume constant se cal-

cule par la formule P"V' =: P'V : nous prendrons pour y, rapport des chaleurs spécifiques, la valeur déterminée ci-dessus, égale kl,30. Enfin la température T", qui aurait été réalisée dans ces conditions

fictives, s'obtient par la relation Tp = -kî *

Voici, par exemple, le résultat de ces calculs pour le diagramme de la figure 22; le volume initial était égal à 2 lit., 081.

dl Vitesse de détente =^7 = 4™, 30

P = 2kg,l

(l) Nous en avons reproduit les divers types dans nos Études sur les Moteurs à gaz tonnant; le lecteur désireux d'approfondir ces questions, s'y reportera avec profit.

Temps

V* Détente —

Pressions P'

Températures T' . . .

Pressions P" . . . .

Températures T" . . .

2fcn

Ce mélange a donc mis 0%0i6 pour atteindre une pression de 7 kg, 18 et une température de 1960^ absolus: à ce moment, la combustion est achevée, puisque la pression et la température baissent aussitôt sous l'action refroidissante de la paroi.

Cette action refroidissante est par le fait même déterminée, car nous savons de combien la température réalisée est inférieure à la température théorique. J'ai pu calculer de la sorte la perte élémentaire et j'en ai déduit la vitesse de refroidissement v pour un excès e, dans un cylindre de surface S et de volume V: elle est

L'étude, dont je viens de retracer les grandes lignes, m'a conduit à formuler les deux lois qui suivent:

PREMIERE LOI Vutilisation croît avec la vitesse de détente.

DEUXlÈxME LOI

La combustion des mélanges tonnants est d^autant plus rapide que la vitesse de détente est plus grande.

Ces lois sont d'une importance capitale dans la question des moteurs à gaz tonnant.

En effet, cette influence si grande de la vitesse de détente n'est qu'une conséquence de l'action de paroi ; comment pourrait-on expliquer autrement cette modification de tout l'ensemble des phénomènes explosifs avec la vitesse de la détente? Ce ne peut être que par le refroidissement au contact de la surface métallique qui, s'exerçant pen-

dant un temps plus ou moins considérable, vient soustraire le calorique au sein même de ce foyer et diminue l'intensité de la réaction. Or, ce n'est pas seulement la rapidité de la combustion qui manifeste cette influence, mais la surface du diagramme elle-même est réduite, le travail diminue et l'utilisation baisse, ainsi que nous l'avons constaté ci-dessus. Pour tirer le meilleur possible du calorique disponible dans les mélanges tonnants, il importe donc d'opérer la détente des produits de la combustion dans le temps le plus court et de réduire le plus possible la surface de la paroi du cylindre, c'est-à-dire de faire

y minimum. C'est le phénomène qui a été observé, après nous,

par M. Vieille; la pression maximum explosive dépend du rapport de la surface de refroidissement du récipient au volume de la masse gazeuse. Nous reconnaissons aussi immédiatement l'avantage

de réaliser le maximum de —' rapport de la quantité de chaleur disponible au volume occupé parle mélange tonnant (*): en d'autres termes, nous découvrons qu'il y a, non pas seulement un avantage théorique, mais encore un réel bénéfice pratique à comprimer préalablement les gaz avant la détonation. Enfin, pourquoi le succès étonnant du moteur Langen et Otto? Assurément, le cycle des moteurs atmosphériques est le plus parfait, mais cette réponse ne justifierait pas suffisamment la supériorité industrielle qu'ils ont acquise d'emblée, si nous ne démontrions que leur cycle réel est le moins déformé de tous, par suite de la rapidité extrême de la détente des gaz: en effet, on n'aréahsé dans aucun moteur une vitesse de piston égale à celle des moteurs atmosphériques Langen et Otto, Gilles et autres, qui tous ont donné les meilleurs résultats.

L'action de paroi est donc le grand régulateur des phénomènes explosifs. Elle suffit pour activer ou ralentir plus ou moins une combustion, pour produire une combustion lente et graduelle: pas n'est besoin de recourir aux pliénomènes de dissociation, pour expliquer cette réaction prolongée du comburant sur le combustible. En effet, nous reproduisons ce phénomène dans des conditions telles que la dissociation est impossible, puisque la température dans notre cylindre ne dépasse pas 1.500**. La dilution rend cet effet plus

(1) Ce résultat peut être rapproché d'une observation de M. Frankland : d'après ce savant, des mélanges d'oxyde de carbone et d'oxygène n'émettent que pou de lumière quand on les brûle ou qu'on les fait détoner à l'air libre, mais produisent un éclat considérable quand on les fait détoner dans des vases de verre clos, de manicro à empêcher leur expansion, et, par suite, l'accroissement de la surface refroidissante au moment de la combustion (Comptes rendus, t. LXVII, p. 736).

sensible, c'est évident, car cette masse de gaz inerte, dans laquelle le mélange tonnant actif est noyé, n'agit pas autrement que la paroi, c'est-à-dire par refroidissement : mais la combustion prolongée (le nachbrennen des allemands, la slow combustion des anglais) peut se produire indépendamment de la dilution. Cette déduction parfaitement logique de nos expériences nous paraît importante: elle infirme et confirme tour à tour la théorie que M. Dugald Clerk a si /brillamment soutenue devant ses collègues du génie civil de Londres. ^ Avec le savant ingénieur anglais nous estimons que la combustion ne doit pas être ralentie à dessein ni retardée; ce retard est une imperfection qu'il ne faut point chercher: M. Otto a donc eu tort de le faire. Malheureusement ce retard, ce nachbrennen (l'allemand rend ici mieux notre pensée) ne peut pas être complètement évité. Pourquoi donc? Parce que, dit M. Dugald Clerk, le calorique ne se développe que progressivement dans la détonation du mélange gazeux, au fur et à mesure de la combinaison d'une fraction dissociée; parce que, dirai-je,~avec plus de vérité, l'action de paroi ne peut être que réduite, elle ne peut être totalement supprimée. Je me retrouve d'accord avec M. Dugald Clerk quand il affirme que le succès de M. Otto est dû à la compression seule et non pas à l'extrême dilution du mélange tonnant dans le produit de la combustion d'une précédente cylindrée. « Sans compression préalable, dit:il, un moteur ne peut engendrer de force économiquement et sous dimensions restreintes : quelle que soit la dilution du mélange, quel que soit le mode d'introduction de l'air dans le cylindre, quelle que manière de stratîfier les couches qu'on emploie, sans compression, il n'y a pas de réussite possible. Les proportions du mélange tonnant sont les mêmes dans nos dernières machines que dans le moteurLenoir primitif, la durée de l'inflammation n'est pas moindre ; il n'y a de différence que dans la compression. La combustion, ou plutôt la propagation de la combustion, est plus rapide dans le moteur moderne, parce que la masse du mélange employé par cylindrée est plus considérable, alors que le temps nécessité pour l'achèvement de la combustion n'a pas augmenté (*). » Tout se réduit en somme à diminuer le plus possible l'étendue des surfaces de contact d'une masse de gaz donnée avec la paroi qui l'enserre. Voilà où il faut tendre. Les successeurs d'Otto l'ont bien compris et si la consommation des moteurs Crossley,

(1) On the theory of tbe gas engine, by Dugald Clerk, London, 1882, p. 33. Je me contenterai d'emprunter au texte original la dernière phrase de cette citation ! « The combustion, or ratber Ibc rate of inflammation, is indeed quicker in tbe modem engine because the Tolume volume of mixture used ai each stroke is greater, and yet tbe timo taken to completely inflame he mixture is no more than in tbe old type. »

Lenoir, Simplex, Charon et autres est descendue à 600 litres par cheval-heure, c'est à leur forte compression que ce résultat est dû.

Cette influence si considérable de la paroi me paraît bien établie par ce qui précède : toutefois, j'ai voulu ajouter une dernière preuve expérimentale, pour compléter victorieusement cette démonstration. Deux séries parallèles de recherches ont été exécutées avec un gaz tonnant identique, emprunté à un même réservoir, à des températures de 15", 64% et 93^

Le gaz combustible a été tour à tour l'oxyde de carbone et le gaz d'éclairage.

L'allure des courbes de détente a été tout à fait différente (*) : à chaud, la pression initiale s'établit instantanément, tandis qu'à froid l'arrondi du diagramme témoigne d'une combustion graduelle et lente ; la courbure de la ligne de détente varie elle-même et elle répond tour à tour aux formules pv. <*•** et pv. ^»^. Enfin l'utilisation est augmentée ou diminuée du même coup, ainsi que le prouvent les chiffres suivants :

A froid

A chaud

A froid

A chaud

On ne saurait donc nier que l'action de la paroi ne modifie le mode de combustion.

Nous verrons plus loin que la pratique des moteurs confirme entièrement toutes ces déductions théoriques et nous démontrerons que le refroidissement est la cause la plus puissante de déformation du cycle ; c'est par un effet consécutif que se produisent les combustions lentes qu'on attribuait à la dissociation.

Hàtons-nous de constater que nos conclusions concordent absolument avec les principes posés d'intuition par M. Beau de Rochas, dont nous ignorions les grandes idées, au moment où nous avons publié nos premières études sur les moteurs à gaz tonnant. Le précurseur d'Otto était en effet encore inconnu, en 1883, de la plupart des théoriciens; mais c'était un devoir de justice pour nous de déclarer ici que nos lois expérimentales avaient été énoncées par lui 14 ans avant que nous ne les ayons formulées d'après nos expériences.

MM. Dugald Clerk et Schœttler ont bien voulu appuyer de leur

(1) Études sur les Moteurs à gaz tonnant^ page 66.

Température de u paroi

UtiUsation

BéDéflce

- IGO —

grande notoriété la plupart de nos observations; M. Slaby, qui s*est trouvé en désaccord avec nous sur quelques points d'application, a toujours reconnu le bien fondé de nos conclusions générales. Nous sommes donc autorisé à en faire le point de départ de la théorie expérimentale des moteurs.

MM. Salanson et Debuchy ont aussi publié sur cette question un intéressant mémoire, sous le titre de : Recherches expérimentales sur le moteur à gaz, dans lequel ils ont étudié l'influence du dosage des mélanges tonnants, de son homogénéité, de sa dilution et de son înflammabilité. Ces habiles opérateurs se sont servis d'un moteur à gaz spécialement établi pour se prêter aux essais les plus variés: on mesurait son travail effectif à l'aide d'un frein appliqué sur l'arbre moteur et l'on déduisait du travail recueilli la valeur du rendement dans les conditions de l'essai. Ils ont formulé quelques lois parmi lesquelles nous citerons les suivantes :

1"* On doit employer dans les moteurs à gaz des mélanges au dosage le plus faible possible : il n'y a de limite à cet égard que la limite même d'inflammabilité du mélange.

2" On doit chercher à avoir une pression initiale au cylindre la plus élevée possible à la température la plus basse possible.

3** Une stratification bien comprise permet d'abaisser le dosage moyen : on arrive au même résultat par l'emploi de détonateurs plus actifs pour l'inflammation.

Ces trois lois sont d'accord avec les nôtres, et elles mettent en pleine lumière l'influence des parois, car l'avantage des basses températures résulte de la réduction de l'effet nuisible des parois," lequel est fonction de la différence de température du gaz chaud et du métal relativement froid. Nous disons qu'il importe d'élever le plus possible la température du métal ; nos collègues préfèrent abaisser la température du gaz : cela revient au même au point de vue théorique.

La nature du diluant joue aussi un rôle considérable d'après MM. Salanson et Debuchy et leurs conclusions, conformes à celles de MM. Imray et Dewar, sont d'une grande importance, car elles permettent d'expliquer le bénéfice incontestable de la marche à quatre temps et de l'emploi d'un cyhndre unique préconisé par Otto. MM. Mallard et Le Châteher avaient déjà constaté que la pression maximum d'un mélange d'oxygène et d'oxyde de carbone est attemte après un intervalle de temps plus long, quand le diluant est de l'acide carbonique, au lieu d'être un autre gaz inerte, tel que l'azote :

(1) Cotte éludo a été publiée dans le BtUleiin de la Société technique de V Industrie du gaz en France, 1887.

Texpérience directe faite sur le moteur conduit aux mêmes conclusions, lien résulte que, dans le moteur Otto et les moteurs similaires, le résidu gazeux conservé derrière le piston retarde la combustion plus que ne le ferait une charge d'air pur; en vertu de la seconde loi de MM. Salanson et Debuchy, la température initiale développée sera donc moindre et le rendement deviendra meilleur. Les inventeurs qui se donnent la peine de balayer les gaz brûlés par une injection d'air feraient donc fausse route.

L'emploi des mélanges fortement explosifs pour l'inflammation du mélange tonnant est rationnel, si l'on s'en rapporte aux expériences dont nous rendons compte, car il permet d'enflammer avec certitude des mélanges extrêmement pauvres ; c'est ainsi que la stratification des couches de gaz exercerait son action. Toutefois, MM. Salanson et Debuchy se bornent à dire que dans le moteur Otto, il y a une tendance à la stratification, et ils ajoutent ces mots significatifs : « Il ne faudrait pas conclure qu'en tous les points d'une tranche perpendiculaire à l'axe du cylindre, le dosage soit le même : dans une telle tranche, il se trouvera des dosages divers ». Avec ce correctif, nous ne voyons pas de difficulté à admettre que l'introduction graduée d'un mélange de plus en plus riche produit an dosage moyen relativement inférieur contre le piston et très supérieur dans la lumière même de la culasse, par laquelle se fait l'introduction de la charge explosive : l'allumage se trouve dès lors effectué avec une grande intensité par un dard de flamme.

En somme, les expériences que nous venons d'analyser facilitent l'explication des succès obtenus par Otto et, à cet égard, elles méritent l'attention de tous ceux qui cherchent à établir une théorie expérimentale des moteurs ; nous regrettons seulement que MM. Salanson et Debuchy ne se soient pas suffisamment intéressés aux effets résultant d'une forte compression, car cette omission constitue une lacune dans leur beau mémoire, dont nous reconnaissons du reste hautement l'importance théorique et l'utilité pratique.

Des divers régimes de détonation et de combustioD.

J'ai exposé ci-dessus le procédé par lequel j'ai pu suivre les progrès de la combustion d'un mélange tonnant et analyser une explosion dans toutes ses phases. Nous avons vu que, même à volume cons-

M0TBUR8 A GAZ 11

tant, le phénomène est loin d'être instantané (*).Le temps nécessaire pour que la pression explosive atteigne son maximum ne dépend pas seulement de la composition du mélange tonnant, mais il varie encore avec la surface des parois de Tenceinte, et par suite aussi avec la rapidité de la détente, qui a pour efifet de découvrir une même surface de paroi pendant un temps plus ou moins long. Le Tableau suivant qui résume mes expériences, met ce fait hors de doute :