La transition de la vapeur vers le diesel

Latransitiondelavapeurverslediesel
AntoineRoblin
Ilnoussembleévidentdenosjoursquelemoteuràessenceoudieselestbienplusefficacequele
moteuràvapeurtoutens’affranchissantdecontraintespratiquestellesquel’obligationdedéplacer
une citerne d’eau pour alimenter une machine à vapeur. Cependant, de la même manière
qu’aujourd’huinousnousposonslaquestiondesavoirsilavoitureélectriquereprésentel’avenirde
lamobilitédeshommes,lemoteuràcombustionnereprésentaitqu’uneinnovationdansunmonde
oùlavapeurdéplaçaitleshommes.Ilestainsiintéressantd’observerlesraisonspourlesquellesles
trainsoulesbateauxontconvergéversdesmoteursdiesel.
C’estainsiquePaulDumanois,polytechniciendelapromotion1904etingénieurdelamarine,s’est
intéresséàl’emploidumoteurdieselauseindelaflottedeguerrefrançaise.Eneffet,cettedernière
fournituncahierdeschargessuffisammentstrictpourmotoriserlesnaviresafinqu’ilspuissententre
autreavoirunrayond’actiontrèslargeetunepropulsionpuissante.Ledieselprometunallègement
du bateau car est bien moins gourmand en combustible que le moteur à vapeur bien que le bloc
moteurdiesel,plusmassif,soitpluslourd.Apuissanceégal,ledieselpermettaitdoncdeconsommer
moins pour aller plus loin et aurait pu satisfaire la marine française. Cependant, comme toute
nouvelle technologie, les avantages de ce type de motorisation sont limités. Prenons le cas des
cuirasséspourlesquelsledieselauraitconsidérablementaugmentélerayond’action.Cesimposants
navires nécessitent en effet des puissances supérieures à 6000 chevaux que ne pouvaient alors
fournirunemotorisationdiesel.
Revenons un peu sur le fonctionnement du moteur diesel afin de comprendre d’où viennent ses
limites. Le principe du moteur à combustion repose sur l’explosion d’un mélange de combustible
(essenceoudieselparexemple)etd’airquivapousserunpistongrâceàlapressionengendréepar
cetteexplosion.Unsystèmedebiellespermetensuitedeconvertircettetranslationdupistonenun
mouvementderotationquiferaensuiterevenirlepistonenpositioninitialeparl’inertiedespièces
tournantes.C’estcemouvementderotationquiestensuitetransmisàdesrouesdevoitureouàune
hélice de bateau. La particularité du moteur diesel réside dans la génération de l’explosion du
mélange air – combustible. Là où une bougie provoque l’explosion dans un moteur à essence, le
diesel explose tout seul sous l’augmentation de pression engendrée par le retour du piston.
Cependant,celanécessitedespressionsdel’ordrede4foissupérieuresàunmoteuressenced’oùun
renforcement des pièces mécaniques et donc une augmentation de masse. Mais d’un autre côté,
c’est aussi ces forts taux de compression qui permettent d’optimiser l’explosion du mélange et de
diminuerainsilaconsommationdecettemotorisation.
Cependant,cette«autoexplosion»peutengendrerquelquesproblèmesquePaulDumanoisdétaille
danssonMémoireausujetd’unmoteuràcombustionmixte[1].Prenonslecasd’explosionsratées
oùlemélangen’explosepaslorsdelacompressionmaximale.Cetyped’incidentspeutseproduire
lorsquelemoteurestfroidparexempleetsolliciteénormémentleblocmoteur.Eneffet,lemélange
non brûlé reste dans le cylindre et vient s’ajouter à celui du cycle suivant. Si ce mélange très riche
explose,uneplusgrandequantitéd’énergieestdéveloppéeetlapressiondevientbiensupérieureà
lapressionnominale.Onestimequecetincidentpeutmultiplierpar4lapressiongénéréedansles
cylindres. Pour résister à cela, le concepteur n’a d’autre choix que de renforcer les cylindres et
l’ensemble des pièces mécaniques, ce qui augmente le poids par cheval qui est la valeur
déterminantepourlamarine.Maisqu’enest-ilalorsdurefroidissement?L’augmentationdelataille
desparoisentraineeneffetuneaugmentationdetempératurecarlachaleurs’évacuemalautravers
decesépaissespiècesmétalliques.Etsilatempératureaugmente,celanuitàlalubrificationd’oùde
possibles risques de grippage et cela peut même aller jusqu’à l’enflammement de l’huile ce qui
détruiraitlemoteur.
C’est face à ce problème parmi d’autres que la conception du moteur diesel a dû être revue.
Augmenter la course des pistons permet justement de diminuer les frottements du piston sur son
cylindreenalignantmieuxlesbiellesentreelles.Cecientrainealorsunencombrementverticalbien
plus important et augmente le volume de la chambre de combustion. Ce volume est une donnée
importantecarpluscedernierestgrandpluslapuissanceaugmentejusqu’àunelimitesupérieureoù
lacombustiondumélangedevientincomplètecequicréedesdépôtsdecokeetencrassealorsles
cylindres.
Malgrésasimplicité,sasécuritéetl’économiedecombustiblequ’ilengendre,M.Dumanoismontre
que la puissance limitée et la masse plus importante du moteur en lui-même rend inintéressant la
motorisationdieselsurlesbâtimentsdeguerre.Enrevanche,ilnotebienquecetypedepropulsion
est tout à fait valable sur les navires de commerce où les contraintes de faible poids et forte
puissancenesontpasprimordiales.
Comment tout de même adapter le moteur diesel pour la marine de guerre? Comme cela a été
énoncéauparavant,c’estlapressionexcessivedueàd’éventuelsratésàl’allumagequimèneàune
très forte augmentation du poids par cheval. Le problème venant du contrôle de l’allumage du
mélange, le moteur à combustion mixte permet de mieux gérer cet allumage tout en fonctionnant
toujourssurleprincipedudiesel.
dessinencouped'unmoteuràcombustionmixte,tiréde[2]
Le moteur mixte ci-dessus fait fonctionner 2 pistons de taille différente comme expliqué dans
l’ouvrageDernièreévolutiondumoteuràgazd’AiméWitz(1910)[2]quirépertorieunelargegamme
demotorisationsdel’époque.Lepetitcylindreestvéritablementbasésurunfonctionnementdiesel
etsapetitetaillepermetdes’affranchirdesproblèmesdeconceptionliésauxsurpressionsévoqués
précédemment. En effet, les pressions étaient plus faibles, les parois n’ont pas besoin d’être
grandement renforcées pour résister à d’éventuels incidents. Un canal de communication dont le
débitestréglévialapièce(6)permetaumélangedeserépartirentreles2cylindres.L’explosionse
réalisealorsdanslecylindredepetitdiamètreetlejetdeflammeestensuitecommuniquéaugrand
cylindre. Bien entendu, le petit piston a une légère avance par rapport à son voisin de manière à
compenserletempsdeprogressiondujetdeflammed’uncylindreàl’autre.
C’estcetypedemotorisationmixtequeDumanoisétudieplusparticulièrementdanssonmémoire.
En effet, malgré une augmentation de consommation de l’ordre de 3%, les pressions diminuent ce
quipermetd’allégerleblocmoteur.Deplus,lacombustionétantplusfiable,onpeutinjecterplusde
combustible pour augmenter la puissance du moteur. D’autre part, cela permet aussi de faire des
cylindres de grand alésage, ce qui est nécessaire pour réaliser l’augmentation de puissance
demandéeparlamarinedeguerre.Cettesolution,malgrélasurconsommationqu’elleengendreet
unecomplexitéimportante,représentealorsuntrèsboncompromispourmotoriserlesnaviresde
guerredel’époque.
Même si les moteurs modernes n’ont finalement pas retenu cette architecture mixte, il est
intéressantdevoircommentlesingénieursdusiècledernieravaientrenduplusfiableslediesel.On
peut facilement faire l’analogie avec les moteurs électriques actuels, qui ne permettent pas pour
l’instantdesepasserdemoteursconventionnelsouencoreaveclespremiersclippersàvapeurdu
XIXèmesièclequicomportaientencoredesvoilesencomplémentd’unmoteuràvapeur.Leprincipe
de la motorisation mixte étudiée par Dumanois répondait à un compromis nécessaire pour
l’utilisation du diesel tout comme la motorisation hybride de notre siècle permet d’utiliser une
propulsionélectriqueassistéeparunmoteurconventionnel.
Références:
[1]Mémoireausujetd’unmoteuràcombustionmixte:applicationdumoteuràcombustioninterne
aux navires de guerre par M. Paul Dumanois, extrait du "Mémorial du génie maritime", édité par
l’imprimerienationale
[2] Dernière évolution du moteur à gaz par Aimé Witz, édité par la Librairie des sciences et de
l’industrieL.Geisler
[3]ThéoriedesmoteursthermiquesparE.Jouguet,éditéparO.Doin