C’est en 1867 que le scientifique Nikolaus Otto invente le moteur à combustion interne à 4 pistons.
Une invention allemande
Nikolaus August Otto (Holzhausen 14 juin 1832 – Cologne 28 janvier 1891) est un inventeur industriel allemand, qui a développé le moteur à combustion interne à quatre temps. Moteur qui à offert la première pratique alternative au machine à vapeur comme source d’énergie.
Il est le fondateur de la société industrielle Deutz AG (IVECO depuis 1975) et le père de Gustav Otto, cofondateur de BMW avec Karl Rapp en 1917.
Otto a construit son premier moteur à essence en 1861. Trois ans plus tard, il a formé un partenariat avec l’industriel allemand Eugen Langen, et ensemble ils développèrent un moteur amélioré.
Il présenteront, à l’Exposition de Paris de 1867, un moteur atmosphérique à gaz qui constitue une amélioration significative par rapport au moteur de Lenoir. Cette machine, qui remporte la médaille d’or de l’exposition, utilise le principe du piston libre et offre un rendement trois fois supérieur à celui du moteur Lenoir.
Nikolaus Otto décrit en 1876 la course du piston en un mouvement de haut en bas dans un cylindre. A cette occasion il construira un moteur à combustion interne utilisant le cycle à quatre temps (quatre coups de piston pour chaque allumage).
Le moteur Otto-Langen fonctionne selon un principe original : l’explosion du mélange air-carburant projette un piston libre vers le haut d’un cylindre vertical. Ce piston, non relié directement à un vilebrequin, est ensuite ramené vers le bas par son propre poids et la pression atmosphérique, transmettant l’énergie mécanique via un système de crémaillère et d’embrayage à sens unique. Ce fonctionnement particulier permet d’exploiter plus efficacement l’énergie de l’explosion.
Le succès commercial du moteur Otto-Langen est immédiat. La société Deutz AG, fondée par Otto et ses associés, en produira plus de 5 000 exemplaires. Cette machine, bien qu’encombrante et bruyante, représente une étape cruciale dans l’évolution des moteurs à combustion interne en démontrant qu’ils peuvent rivaliser avec les machines à vapeur en termes d’efficacité. Elle prépare le terrain pour l’introduction du moteur à quatre temps qui révolutionnera définitivement l’industrie quelques années plus tard.
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Procès et polémiques autour des brevets d'Otto
En 1876, Otto dépose son premier brevet en Alsace-Lorraine, alors un des Etats allemands. Ce brevet est transformé en brevet impérial allemand n° 532 en 1877[9]. Otto dépose ensuite ce brevet et ses extensions dans plusieurs autres pays, notamment en France, en Angleterre et aux États-Unis[10].
Otto et son associé Langen considèrent que ces dépôts leur confèrent un droit exclusif sur tout moteur à quatre temps.
Pourtant, le brevet d’Otto sera infirmé en 1886 après que l’on eut découvert que Beau de Rochas avait déjà décrit ce principe dès 1862.
Durant les années 1880, ils initient plusieurs actions en contrefaçon visant les inventeurs et industriels produisant de tels moteurs, comme, par exemple, l’ingénieur Lenoir en France. Les procès correspondants, dans lesquels Otto et Langen demandent des dommages et intérêts et l’arrêt de fabrication des moteurs visés par leurs réclamations, donnent des résultats variables. À partir du milieu des années 1880, des tribunaux allemands (1884-1886[11]), français (1886[12],1889[13],1890[14]) et anglais invalident largement les demandes et le contenu des brevets d’Otto et Langen. Parmi les éléments ayant conduit à ces décisions se trouvent notamment le brevet et le mémoire de 1862 du français Beau de Rochas qui décrivent précisément le cycle et le fonctionnement d’un moteur à quatre temps[15] : même si Beau de Rochas n’a construit aucun moteur de ce type, ses publications suffisent à établir qu’Otto ne peut se prévaloir, dans ses brevets, de propriété intellectuelle sur ces principes déjà connus et publiés[h].
Si Otto reste le premier à avoir réalisé un moteur à quatre temps fonctionnel, d’autres constructeurs peuvent, après ces décisions judiciaires, en fabriquer sans risques de poursuites[i].
Le moteur à quatre temps
Un moteur à quatre temps (ou quatre cycles) est un moteur à combustion interne basé sur le cycle de Beau de Rochas. Le cycle à quatre temps a été breveté en 1862 par l’ingénieur français Alphonse Beau de Rochas, mais comme Otto a été le premier à construire un moteur basé sur ce principe, il est communément appelé cycle Otto.
Il a été développé par Nikolaus Otto en 1867.
Conscients de certaines limitations du moteur lancé en 1867, Otto et l’équipe de Deutz conçoivent un moteur entièrement différent, qui, présenté à l’exposition universelle de 1878, marquera l’histoire du génie mécanique[7] : il s’agit du tout premier moteur à quatre temps à allumage commandé.
Perfectionné par Gottlieb Daimler et Wilhelm Maybach en 1887, ainsi que par l’ingénieur français Fernand Forest en 1890, suivi par Rudolf Diesel en 1893.
Il est toujours le principal type de motorisation des véhicules automobiles terrestres au début du XXème siècle.
Le cycle de Beau de Rochas ?
Le Français Alphonse BEAU DE ROCHAS invente, en 1862, le cycle à 4 temps (admission, compression, combustion-détente (temps moteur) et échappement). Seulement, le carburant pouvant faire fonctionner ce moteur, n’existe pas encore ! On en reste donc aux machines à combustion externe.
Le cycle de Beau de Rochas ou cycle à quatre temps ou encore cycle d’Otto est un cycle thermodynamique théorique.
Son principal intérêt pratique réside dans le fait que les moteurs à explosion à allumage commandé, généralement des moteurs à essence tels que ceux utilisés dans les automobiles, ont un cycle thermodynamique pratique qui peut être représenté de manière approchée par le cycle de Beau de Rochas.
Le cycle à quatre temps des moteurs à explosion classiques est le cycle le plus utilisé dans le domaine des transports et de l’industrie (automobile et camions, générateurs, etc.).
Le principe a été défini par Beau de Rochas puis implémenté successivement par Nikolaus Otto, Étienne Lenoir et Rudolf Diesel.
Description
Ce cycle est caractérisé par quatre temps ou mouvements linéaires du piston :
- Admission :
Le cycle commence à un point mort haut, quand le piston est à son point le plus élevé. Pendant le premier temps le piston descend (admission), un mélange d’air et de carburant est aspiré dans le cylindre via la soupape d’admission. - Compression :
La soupape d’admission se ferme, le piston remonte (compression) comprimant le mélange admis. - Combustion-détente :
Le mélange air-carburant est alors enflammé, habituellement par une bougie d’allumage, aux environs du deuxième point mort haut (remontée complète du piston).L’expansion des gaz portés à haute température lors de la combustionforce le piston à descendre pour le troisième temps (détente). Ce mouvement est le seul temps moteur (produisant de l’énergie directement utilisable). - Échappement :
Lors du quatrième et dernier temps (l’échappement) les gaz brulés sont évacués du cylindre via la soupape d’échappement poussés par la remontée du piston.
