Moteur à gaz

Le moteur à gaz est un moteurs utilisant un gaz comme carburant.

Histoire

Première utilisation d'un moteur à combustion interne dans une automobile primitive, François Isaac de Rivaz - 1808

L'Hippomobile à gaz de Lenoir

Moteur à gaz horizontal Otto, de 4 chevaux de force, actionnant dans le domaine d'Ambreville (Eure) 1868: Pompe à eau pour la ferme-Pompe à eau pour le château-Pompe à purin-Machine à battre, avec élévateur de grains-Meules à concasser-Hache-paille-Laveur de racines-Coupe-racines-Cribleur de menues pailles-2 meules à affûter-Tire-sacs-Tarare-Trieur de grains-Pressoir mécanique-Pompe à cidre^[1]

Dans son brevet de 1799, Lebon avait prédit que son « gaz hydrogène » (du gaz de bois, dont on peut supposer qu'il contenait au moins 50% de dihydrogène) serait « une force applicable à toutes espèces de machine ». Le gaz de houille inventé par William Murdoch à la même époque, est nommé « gaz hydrogène carboné » puis gaz d'éclairage (« gas light », voir aussi gaz de ville, et gaz manufacturé) et contient 50% de dihydrogène, 32% de méthane, 8% de monoxyde de carbone.

À partir de 1804, c'est chose faite, François Isaac de Rivaz construit les premiers moteurs à gaz utilisant du gaz de houille. Il s'inspire du fonctionnement du Pistolet de Volta pour construire le premier moteur à combustion interne dont il obtint le brevet le 30 janvier 1807.

Le 12 Juin 1854, L'inventeur italien, Eugenio Barsanti (en) décrit le principe d'un moteur à combustion interne et associé à Felice Matteucci (en) construit un premier prototype opérationnel de moteur à gaz le moteur Barsanti-Matteucci (en) fonctionnant au gaz d'éclairage. Pour la production en série, ils portent leur choix sur la société sidérurgique John Cockerill. Barsanti se rend au siège de l'entreprise à Seraing (Belgique), mais y meurt soudainement de la fièvre typhoïde le 30 Mai 1864. Matteucci abandonne le projet. En 1895, Cockerill acquerra les droits sur un autre moteur à gaz, le moteur Delamare-Deboutteville-Malandrin.

En 1859, Étienne Lenoir dépose un « brevet d'un moteur à gaz et à air dilaté », un moteur à combustion interne à deux temps, dérivé d'une machine à vapeur, qui utilise le gaz de houille. Il est suivi par un moteur à essence.

Le gaz d'éclairage est encore utilisé dans un moteur à gaz de quatre mètres de haut et qui développe 3CV de puissance, par Nikolaus Otto en 1867. Pour ce moteur, il reçoit la médaille d'or des moteurs à gaz à l'Exposition universelle de 1867 à Paris^[2]. Les grands constructeurs automobiles, Deutz AG, Daimler AG, Mercedes-Benz, et BMW sont redevable aux innovations du moteur à gaz apportées par celui-ci et à la création de la « Gasmotoren-Fabrik Deutz AG » (Deutz AG), fondée par Otto en 1872.

Le moteur à gaz concurrence la vapeur pour des puissances de plus en plus élevées et il finit par remplacer celle-ci. Il investit les usines où on peut l'alimenter en gaz issu des cokeries (gaz riche) ou en gaz de haut-fourneau (gaz pauvre) où il peut actionner les soufflantes et dynamos. Toutefois le gaz de haut fourneau est pauvre, difficile à allumer et chargé de poussières.

Machine soufflante S.A.John Cockerill de 158 tonnes avec un seul cylindre développant une puissance de 600 chevaux, grand prix à l'Exposition universelle de 1900 à Paris

Le 12 février 1884, le Français Édouard Delamare-Deboutteville dépose, le premier brevet concernant une automobile. Il s'agit d'un véhicule de transport mis au point en 1883 avec l'aide de Léon Malandin: pourvu d'une banquette avant et d'une plate-forme arrière, il est équipé de quatre roues, d'un moteur bicylindre horizontal fonctionnant au gaz de pétrole, d'une transmission aux roues arrière par chaîne, d'un arbre de transmission et d'un différentiel^[3]. Le 5 juillet 1889, la société John Cockerill à Seraing, qui préfère perfectionner des modèle existant (un moyen de se dispenser de la recherche fondamentale), acquière le monopole de fabrication de leur moteur, le « Simplex », dont on a beaucoup discuté à l'époque des applications tant au gaz pauvre de gazogène qu'aux gaz les plus divers, tels que le gaz de bois, gaz de naphte, etc. Des expériences menées à Cockerill sur les gaz de haut fourneau montrent qu'à puissance égale un moteur à gaz consomme 10 fois moins que la chaudière alimentant la machine à vapeur la plus perfectionnée. En 1895, un moteur de 4 CV Delamare-Deboutteville et Malendrin est acheminé à Cockerill, ensuite modifié pour qu'il puisse produire 8 CV. En 1898, Cockerill produit un moteur 200 chevaux mono cylindre et en 1899, c'est une machine soufflante de 158 tonnes avec un seul cylindre développant une puissance de 600 chevaux, qui obtient le grand prix à l'Exposition universelle de 1900 à Paris. En 1920, l'usine possède trois centrales électriques d'une puissance 35000kW, distribuant 162 millions de kWh, produit par des groupes électrogènes fonctionnant au gaz, de 5200 kW chacune^[4]. A l'Exposition universelle de 1905, à Liège, une machine de 1500 CV est exposée. Elle côtoie des machines à vapeur, des turbines à vapeur et des moteurs diesels^[5].

Voiture équipée d'un gazogène

Vers 1920, Georges Imbert (1884 - 1950) invente le gazogène à bois, très utilisé en Europe jusqu'à ce que le pétrole devienne plus économique. Les gazogènes, descendants directs des thermolampes de Lebon, libèrent le moteur à gaz de la dépendance de l'usine à gaz. Durant la Seconde Guerre mondiale, l'Allemagne ayant fait main basse sur une grande partie de l'essence et tout le charbon, des gazogènes furent ajustés aux flancs des camionnettes^[6].

À partir de 1897, le gazole concurrence le gaz avec le moteur Diesel, invention de Rudolph Diesel (1958-1913). La vapeur un moment détrônée revient également en force avec les turbines à vapeur. En 1886, Gottlieb Daimler brevète le premier moteur essence à explosion quatre temps et signe le premier véhicule motorisée à quatre roues.

L'idée d'utiliser le gaz dans les moteurs revient en force à partir de 1970 (Moteur à hydrogène notamment). Le protocole de Kyoto, signé le 11 décembre 1997, vise à la réduction des émissions de gaz à effet de serre dont fait partie le dioxyde de carbone, donne une nouvelle justification à la recherche de carburants alternatifs, dont l'hydrogène, et pour les constructeurs automobiles, la production de véhicules propres parmi lesquels se trouve le véhicule à hydrogène. La BMW Hydrogen 7, présentée pour la première fois au salon de Los Angeles en novembre 2006, serait la première voiture de série fonctionnant à l'hydrogène^[7].

Moteurs à gaz théoriques

Il y a deux moteurs à gaz théoriques à étudier, essentiellement :

• le moteur à explosion (cycle d'Otto ou de Beau de Rochas)
• le cycle de Joule des turboréacteurs, et ce cycle tronqué : le moteur Diesel.

Cycle d'Otto

Le gaz est aspiré par les valves d'admission à T= T₀ et p= p₀ (déjà mélangé avec de la vapeur d'essence fournie par le carburateur ou l'aiguille d'injection) : le volume passe de V1 à V2 (V2-V1 s'appelle la cylindrée ; V2/V1 le rapport de compression a.

Depuis cet état B , les valves se ferment et le piston comprime (adiabatiquement) le gaz jusqu'en V1, où la pression est p_c et la température T_c.

Alors, on déclenche l'étincelle électrique entre les deux bornes de la bougie. A volume V1 constant, l'explosion a lieu, et toute la chaleur de la réaction chimique Q1 sert à élever la température du gaz à une valeur très élevée Td et la pression devient très élevée p_d : c'est elle qui repousse violemment le piston : c'est le temps moteur ; celui qui fait tourner la bielle, puis la manivelle du vilebrequin. Ceci jusqu'en V2, de pression p_e.

Les valves d'expulsion s'ouvrent, la pression baisse à p₀, retour à l'état B ; le piston chasse les gaz brûlés hors du moteur dans le tuyau d'échappement : fin du cycle.

Il y a 2 allers et 2 retours, soit 4 temps , dont un seul est moteur : nécessité d'un volant d'inertie (et souvent 4 cylindres synchronisés chacun à 180° de l'autre, par la forme du vilebrequin).

Il est facile de voir que le cycle est moteur puisque le gaz chaud est détendu, et du gaz froid est comprimé :

Le gaz a reçu de l'état C à l'état D : Q1 , chaleur de combustion de l'essence, qui a fait monter la température de Tc à Td : Q1 = C (Td-Tc). De l'état E à l'état A : Q2 = C(Tb-Te)<0 les gaz sont chauds à l'évacuation.

Bien sûr , c'est un cycle : W+ Q1 +Q2 = 0

Le rendement est donc r:= - W/Q1 = 1 + Q2/Q1 = 1 - (Te-Tb)/(Td-Tc)= 1 - Tb/Tc (car on montre que Te/Td = Tb/Tc, en appliquant deux fois la loi de Laplace lors des deux phases adiabatiques) ; en appliquant la loi de Laplace entre B et C,

r= 1- Tb/Tc = 1-1/aγ − 1

Application numérique :

• p_b = 1 bar ; T_b = 300K ; γ = 7/5 et a= 8
• p_c = 18.4 bars , T_c = 690 K  : r= 56.5%
• Q1 = 1800 kJ/kg avec C = 0.72 donnant une élévation Td-Tc = 2500 K
• Pd = 4.62*Pc = 85 bars et Td = 3190 K
• La détente donne Te = 4.62*300 = 1390 K
• On perd à l'échappement Q2 = - 785 kJ/kg, ce qui est un gâchis énorme et qu'on essaiera de réutiliser.

Critique de l'application numérique :

on ne monte pas à 85 bars et pas à Td=3190 K : il y a légère avance à l'allumage de l'étincelle. La détonation n'est pas instantanée donc pas tout à fait isochore ; gamma n'est pas constant à aussi haute température, et SURTOUT il se produit des réactions chimiques entre N₂ et O₂ conduisant aux fameux polluants NO_x, que les pots catalytiques sont chargés de détruire au mieux.

D'autre part, expérimentalement, on n'observe pas de tels rendements, mais plutôt : 40%. Et compte-tenu des organes mécaniques, plutôt 35% au final, pour une voiture bien réglée. Pour un moteur industriel de plusieurs MW équipé de turbocompresseurs, les rendements peuvent alors atteindre la barre des 45% net.

On ne peut pas augmenter plus la compression a , car p_c =18 bars et Tc =690K : de l'air chargé de vapeur d'essence explose si on n'y mettait pas un antidétonant (auparavant tétraéthyle de plomb et maintenant sans plomb, pour raison de pollution des emblavures d'autoroutes) ; cela va être le gros avantage du Diesel, pour lequel on ne comprime que de l'air : la compression a va pouvoir être plus grande.

Cycle de Joule

Ce cycle est composé :

• d'une compression adiabatique réversible de p₁ à p₂
• d'une transformation isobare réversible de V₂ à V₃ (V₃ > V₂)
• d'une détente adiabatique réversible de la pression p₂ à p₁
• d'une transformation isobare réversible de V₄ à V₁

On obtient assez facilement que le rendement est r = -W/Q = 1-(V₁/V₂)^0.4 Pour a = 16, r = 67% !

Cycle de Joule tronqué: cycle Diesel

De l'état B à l'état C : idem mais la compression V2/V1 = a est plus grande~ 16. p_c = 48.5bars et T_c = 900K Mais, on injecte par les brûleurs le fioul à pression constante. Avec le même Q1 = 1800 kJ/kg , l'élévation de Td-Tc est 2500/1.4 = 1745 K Td = 2645 K. Puis le gaz chaud se détend adiabatiquement jusqu'au volume V2 seulement (état E) : le cycle de Joule est tronqué : De l'état E ( à Te = 1380K, on ouvre les valves d'échappement et on laisse s'échapper Q2 = - 780 kJ/kg ce qui est le gâchis usuel. Le travail est donc W = - 1020 kJ/kg

d'où le rendement r := -W/Q1 = 56.7%

Critique des résultats : le rendement n'est pas aussi élevé, mais la pression restant sous les 48.5 bars, on cerne mieux la technologie, surtout depuis le perfectionnement des injecteurs. Néanmoins globalement le moteur est plus lourd, les reprises moins bonnes ; mais le fioul est moins cher.

Conclusion : il n'y a peu de moto-diesel ; et les camions sont plutôt diesel. Mais les avancées technologiques rivalisent, et le prix de l'essence étant surtout dû aux taxes, difficile de comparer les deux technologies. Globalement, néanmoins les diesels sont plus polluants.

Notes et références

Voir aussi

• Cycle de Carnot dans gaz parfait

• autres cycles : à régénération, Stirling, Ericsson, Brayton, multiétages, turboréacteur, statoréacteur...