- Culture -
L'invention du moteur
Petite histoire de l’invention du moteur
Sommaire
Les différents types moteurs
L'histoire des moteurs est intimement liée à celle des systèmes de propulsion de projectile ...
Un des premiers moteurs vraiment indépendant de la nature, adaptable en situation, fut la machine à vapeur...
Au XIXe siècle le moteur à explosion, qui utilise la chaleur dégagée par combustion d’un carburant...
Devant le besoin de toujours plus de puissance pour propulser les avions militaires, les moteurs à réaction...
Les tous premiers moteurs
Un moteur est une machine ou un dispositif conçu pour convertir une forme d'énergie en énergie mécanique.
Les tous premiers moteurs fabriqué par les hommes furent certainement les systèmes de propulsion de projectile inventé par les chasseurs : l’arc, les systèmes de catapulte, la fronde…
En se sédentarisant les générations suivantes inventèrent en observant la nature.
Les moteurs les plus anciens utilisent les forces naturelles, sans ajout de techniques ou presque :
- les moteurs utilisant une pression (voile, moulin à vent) ;
- les moteurs à élastique (arc, arbalète, catapulte à torsion, horloge à ressort) ;
- les moteurs utilisant la gravité (roue à aubes sur cours d’eau ou sur réserve d’eau, clepsydre, catapulte à contrepoids, tournebroche à poids, horloge à poids).
Un des premiers moteurs utilisé la vapeur
Un des premiers moteurs vraiment indépendant de la nature, adaptable en situation, fut la machine à vapeur.
La machine à vapeur est un moteur à combustion externe qui transforme l’énergie thermique de la vapeur d’eau en énergie mécanique. Les évolutions les plus significatives de cette invention datent du XVIIIe siècle.
Ce moteur est basé sur une chaudière produisant de la vapeur d’eau, vapeur qui est utilisée pour mouvoir un piston dans un cylindre, ce mouvement est transformé en rotation par un jeu de bielles, couple entraînant un volant d’inertie, puis une machine,un mécanisme quelconque, ou des roues.
L'éolipile
La première machine à vapeur rudimentaire connue est l’éolipile (ou éolipyle, æolipyle) (nommée d’après Éole, le dieu du vent dans la mythologie grecque) décrite par Héron d’Alexandrie, connu pour être un grand inventeur, dans l’Égypte romaine du Ier siècle.
Plusieurs dispositifs à vapeur ont ensuite été expérimentés ou proposés, comme le cric à vapeur de Taqi al-Din, une turbine à vapeur dans l’Égypte ottomane du XVIe siècle, et la pompe à vapeur de Thomas Savery dans l’Angleterre du XVIIe siècle.
Cette machine, la plus ancienne à utiliser la vapeur, est constituée d’une sphère creuse montée sur une marmite avec une tige axiale et munie de deux tuyères qui produisent un mouvement de rotation quand la vapeur s’échappe.
Cet instrument permettait de montrer que la vapeur d’eau était douée d’une force motrice. On parle alors de l’effet moteur de la vapeur d’eau.
La chaudière, remplie d’eau, est placée sur le feu. Une sphère s’élève au-dessus de la chaudière, fixée sur un axe horizontal, et avec deux tubes verticaux qui laissent s’échapper la vapeur d’eau. Celle-ci propulse la sphère, qui tourne sur l’axe horizontal.
Liste de vidéos sur le sujet
0:16
0:16
0:16
0:16
Le moteur de Thomas Newcomen
La région du Devon était riche en étain et de nombreuses mines y étaient exploitées. L’évacuation des eaux d’infiltration constituait alors un problème majeur, et l’inondation des puits empêchait l’extraction du minerai à partir d’une certaine profondeur.
L’apport de Newcomen fut de mettre au point une machine à vapeur utilisable pour l’exhaure et qui remplacera par la suite toutes les machines traditionnellement dépendantes de la force d’un cours d’eau.
En 1712, le moteur atmosphérique de Thomas Newcomen est devenu le premier moteur à succès commercial utilisant le principe du piston et du cylindre, qui était le type fondamental de moteur à vapeur utilisé jusqu’au début du XXe siècle.
Le moteur à vapeur fut utilisé pour pomper l’eau des mines de charbon.
XIXe siècle : le moteur à explosion
Le moteur à explosion, qui utilise la chaleur dégagée par combustion d’un carburant, fut développé et adapté aux premières automobiles ainsi qu’aux premiers avions.
L’origine du moteur à explosion remonte au XIXe siècle, avec des inventeurs comme Nikolaus Otto, qui a développé en 1876 le premier moteur à quatre temps, et Rudolf Diesel, qui a créé le moteur diesel en 1897.
Le moteur à explosion est le fruit d’un travail de longue haleine. En effet, en 1680, Denis Papin (inventeur français) met en place ce mécanisme. Avec la première invention, une chaudière externe qui utilisait de la vapeur permettait d’alimenter le moteur. Mais, il y avait un problème car il fallait procéder à la décomposition du moteur en différents organes, d’où l’instabilité du système et une altération du rendement moteur.
C’est en 1860 que l’ingénieur franco-belge Étienne Lenoir crée un système de combustion interne à l’aide du gaz de ville et propose le premier modèle de moteur à explosion à deux temps. Avec ce type de moteur, il était possible d’avoir une puissance de 3 chevaux.
Le moteur à explosion, également appelé moteur à combustion interne, est un dispositif mécanique qui convertit l’énergie chimique contenue dans un carburant en énergie mécanique grâce à un processus de combustion contrôlée. Son principe de fonctionnement repose sur la combustion d’un mélange air-carburant à l’intérieur d’un cylindre, ce qui génère une explosion qui pousse un piston, produisant un mouvement rotatif.
Depuis, il poursuit ses progrès en terme de rendement et d’adaptation aux normes antipollution. Ce moteur est équipé de bielles et pistons, mais la production de chaleur se fait au même endroit que la production de travail.
Fonctionnement
Le cycle de fonctionnement d’un moteur à explosion se divise en plusieurs étapes :
- Admission : Aspiration du mélange air-carburant dans le cylindre.
- Compression : Le piston remonte, comprimant le mélange, ce qui augmente sa température et sa pression.
- Combustion : Une étincelle (dans le cas des moteurs à essence) ou la compression (dans les moteurs diesel) enflamme le mélange, provoquant une explosion contrôlée.
- Échappement : Les gaz brûlés sont expulsés du cylindre.
Ce cycle se répète rapidement, permettant la production continue de puissance pour entraîner des véhicules ou des machines.
Types
Il existe plusieurs types de moteurs à explosion, notamment :
- Moteur à essence : Fonctionne avec de l’essence et utilise une bougie d’allumage.
- Moteur diesel : Fonctionne avec du gazole, utilisant la compression pour provoquer l’auto-allumage.
- Moteur à gaz : Utilise du gaz naturel comme carburant, offrant des avantages environnementaux et économiques.
Le moteur à réaction
Devant le besoin de toujours plus de puissance pour propulser les avions militaires, les moteurs à réaction furent activement développés pendant la Seconde Guerre mondiale en parallèle avec les moteurs fusée pour les missiles.
Comme ces derniers ont un rapport poids/puissance ou une puissance massique sans équivalent, malgré des rendements plutôt faibles, ils sont toujours développés activement pour mouvoir avions et fusées.
Rapide histoire des moteurs à réaction
L’historique du développement de tels moteurs commence en 1910. Lors du Salon de l’Aéronautique, le roumain Henri Coandă présente le premier « turbo-propulseur », qui amènera un premier brevet (identifié sous le numéro 534 801 concernant la « propulsion par réaction sur l’air ») dépose le 3 mai 1921 (obtenu le 13 janvier 1922) par le français Maxime Guillaume. Cependant ces premiers essais sont peu concluant. Durant la Seconde Guerre Mondiale, le docteur allemand Von Ohain et Ernst Heinkel s’allient pour faire voler le premier avion destiné à recevoir le premier turboréacteur allemand : le Heinkel He178.
Les premiers réacteurs prototypes n’étaient ni fiable ni très performants et furent un peu écartés des potentiels cellules d’avions sur lesquels les monter, car la guerre épuise rapidement les ressources et on préférait développer des avions à hélices classiques et prouvés performants. Cependant, le premier chasseur fonctionnel était le Messerschmit Me262 « Schwalbe », qui fut ensuite produit en série car considéré comme révolutionnaire : plus rapide et armé que les chasseurs traditionnels, mais moins maniables et avec une accélération bien plus lente.
Après la guerre, on développa les premiers turbopropulseurs, turbofans et autres concepts (post-combustion durant les années 1950, statoréacteur en 1949, mur du son le 1er Octobre 1947…).
Le moteur à réaction est un dispositif de propulsion utilisé principalement dans l’aviation moderne, basé sur le principe d’action-réaction formulé par Isaac Newton. Il fonctionne en expulsant des gaz à haute vitesse vers l’arrière, ce qui génère une poussée vers l’avant du véhicule.
Principes fondamentaux
- Lois de Newton : La poussée est créée par l’expulsion de gaz à grande vitesse, selon la troisième loi de Newton.
- Cycle de Brayton : Le fonctionnement repose sur quatre étapes principales :
- Compression : L’air extérieur est aspiré et comprimé par un compresseur.
- Injection de carburant : Le carburant est injecté dans l’air comprimé.
- Combustion : Le mélange est enflammé, produisant des gaz chauds à haute pression.
- Éjection : Les gaz brûlés sont expulsés à grande vitesse à travers une tuyère, générant la poussée.
Composants principaux
- Entrée d’air : Canalise l’air dans le moteur.
- Compresseur : Augmente la pression de l’air.
- Chambre de combustion : Mélange l’air comprimé avec le carburant et enflamme le mélange.
- Turbine : Convertit l’énergie des gaz chauds en énergie mécanique pour entraîner le compresseur.
- Tuyère : Accélère les gaz brûlés pour produire la poussée.
Types de moteurs à réaction
- Moteurs à simple flux : Plus anciens, utilisés dans des avions militaires ou petits avions commerciaux.
- Moteurs à double flux : Plus avancés, utilisés dans les grands avions commerciaux, avec deux flux d’air (principal et secondaire) pour une meilleure efficacité.
Le musée du moteur
L'histoire du Moteur en quelques dates
1647 : Naissance de Denis Papin l’inventeur de la première machine à combustion externe.
1673 : Christiann HUYGHENS, le génial physicien hollandais, qui avait déjà inventé le pacifique moteur à ressort animant les montres présentées à COLBERT, réalise une sorte de machine à poudre noire verticale, dont on ne peut réellement, faute de mécanique convenable (bielle et manivelle), récupérer l’énergie produite.
1698 : L’Anglais SAVERY perfectionne la machine de Papin.
1705 : L’Anglais Thomas NEWCOMEN met au point la première machine à vapeur à usage réellement industriel.
1708 : POTTER, encore un Anglais, parvient à automatiser la machine de NEWCOMEN.
1769 : Joseph CUGNOT réalise le fardier, premier véhicule à moteur à vapeur (conservé au musée du C.N.A.M. à Paris). L’Écossais James WATT perfectionne la machine à vapeur en inventant le régulateur à boules, le piston à double effet, le condenseur, etc…
La nouvelle ère
Ouvrons une parenthèse pour rappeler que c’est en mars 1789, que Antoine Laurent de LAVOISIER montra qu’aucune combustion n’est possible sans oxygène. C’était là une découverte fondamentale à partir de laquelle allait naître l’ère industrielle. Hélas, dans les temps troublés qui suivirent, le génial physicien fut guillotiné sous le prétexte que » La République n’avait pas besoin de savants « .
1801 : Gustave LEBON, le découvreur du gaz d’éclairage dépose le brevet du principe d’un moteur à combustion interne sans compression, utilisant le gaz comme carburant. Il ne le fabrique pas !
En fait, ce sont les guerres napoléoniennes qui ont, nécessité faisant loi, amené l’industrie à rechercher des sources nouvelles d’énergie et à commencer à rationaliser quelque peu les productions industrielles. C’est d’ailleurs à cette époque que naît l’idée du Tunnel sous la Manche. Signalons qu’en 1815, l’Anglais DAVY avait défini les rapports entre la masse d’un combustible et celle de l’oxygène nécessaire à sa combustion.
Reprenons maintenant notre chronologie.
1816 : En Ecosse, le Pasteur Robert STIRLING invente un moteur à air chaud susceptible d’utiliser toutes les sources de chaleur.
1828 : L’Anglais Peter BARLOW fabrique un moteur électrique primitif, qui fonctionne, appelé » Roue de Barlow « . Il n’a pas de puissance utilisable.
1834 : L’Allemand Montz JACOBI construit un moteur électrique.
1844 : A son tour, le Français FROMENT met au point un moteur électrique
1851 : Mickael FARADAY imagine le principe du moteur électrique.
1854 : Les italiens Eugenio BARSANTI et Felice MATTEUCCI déposent le brevet d’un moteur à gaz utilisants deux pistons libres entraînant un volant grâce à deux tiges crémaillères.
1858 : Jean Joseph LENOIR invente un nouveau type de moteur qu’il construit en 1859. Le brevet, déposé en 1860, porte sur un « système de moteur à air dilaté par la combustion de gaz enflammé par l’électricité ». Pierre HUGON fait breveter un moteur du même type (il était directeur de la Compagnie des Gaz de Paris). Ce sera le départ pour les moteurs à vocation automobile construits par l’allemand OTTO.
1859 : L’Américain Edwin DRAKE creuse le premier puits de pétrole en Pennsylvanie. Progrès capital !
1860 : Année fertile ! L’Italien PACINOTTI fabrique lui aussi un moteur électrique, tandis qu’apparaît le premier alternateur.
1862 : Le Français Alphone BEAU DE ROCHAS invente 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.
1876 : L’Allemand Nicholaus OTTO utilisant le cycle BEAU DE ROCHAS, réalise le premier moteur à combustion interne à compression. Ce sera le départ des moteurs à vocation automobile et industrielle.
1897 : Né à Paris en 1858, mais expulsé en 1871 pour cause de conflit franco prussien, l’ingénieur allemand Rudolf DIESEL, invente le moteur qui porte toujours son nom.
Arrêtons ici cette chronologie, pourtant simplifiée, mais suffisamment longue pour que nos lecteurs comprennent toutes les difficiles démarches intellectuelles, scientifiques et industrielles qui ont permis la réalisation des moteurs modernes. En soulevant le capot de leur voiture, en actionnant leur tronçonneuse ou leur tondeuse à gazon, en regardant voler de merveilleuses petites maquettes d’avion, ou encore en se déplaçant sur un U.L.M. ou avec un hors-bord, ils constateront facilement à quel point de perfection est parvenu le moteur à explosion contemporain.
Évidemment, à Saumur, ce MUSEE ne contient pas tous les exemplaires des moteurs imaginés par l’Homme, mais il vaut le déplacement.
Aujourd’hui, plus de trois cents moteurs sont exposés en parfait état et une grande quantité d’autres attendent de retrouver une nouvelle jeunesse. Le musée envisage l’avenir sans problème, si ce n’est celui de recevoir ses visiteurs dans un local déjà trop exigu, avec des moteurs d’un poids allant de 80 g à 21 tonnes.
Ce MUSÉE saumurois est donc tout à la fois le conservateur d’un passé technique remarquable mais aussi un extraordinaire moyen d’approcher et de comprendre l’histoire et l’évolution d’une grande partie des techniques françaises, de 1898 à nos jours.
