Voir la source de Moteur à gaz

[[Fichier:Moteur à gaz horizontal Otto.png|thumb|[[Nikolaus Otto|Moteur à gaz horizontal Otto]], de 4 chevaux de force, actionnant dans le domaine d'[[Ambreville]] ([[Eure (département)|Eure]]) [[1868]]<ref name="Figuier2">[[Louis Figuier]].Les merveilles de la science, ou Description populaire des inventions modernes  [https://books.google.be/books?id=npmOk6jtgSEC&hl=fr&pg=PP13#v=onepage&q&f=false Livre numérique Google]</ref>]]
Un '''moteur à gaz''' est un [[moteur à combustion et explosion|moteur à explosion]] utilisant un [[gaz]] comme [[carburant]].

== Histoire ==
=== {{s-|XIX}} ===
[[Image:Rivaz Engine.jpg|thumb|left|Première utilisation d'un moteur à combustion interne dans une automobile primitive, [[François Isaac de Rivaz]] - 1808.]]
Dans son brevet de [[1799]], [[Philippe Lebon|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, [[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 obtient le brevet le {{Date|30|janvier|1807}}.

L'inventeur anglais [[Samuel Brown (ingénieur)]] fait lui aussi breveter en 1823 et 1826 un moteur à gaz, dont la combustion interne produit le vide dans le piston.

Le {{date|12 juin 1854}}, l'inventeur italien, [[Eugenio Barsanti]] décrit le principe d'un [[moteur à combustion interne]] et, associé à [[Felice Matteucci]], construit un premier prototype opérationnel de moteur à gaz le {{Lien |fr = moteur Barsanti-Matteucci |lang = en |trad = Barsanti-Matteucci engine |texte= moteur Barsanti-Matteucci}} fonctionnant au gaz d'éclairage. Pour la [[production en série]], ils portent leur choix sur la [[Cockerill-Sambre|société sidérurgique John Cockerill]]. Barsanti se rend au siège de l'entreprise à [[Seraing]] ([[Belgique]]), mais y meurt soudainement de la fièvre typhoïde le {{date|30 mai 1864}}. {{quand|Matteucci abandonne le projet}}. 

En [[1858]], [[Pierre Hugon (ingénieur)|Pierre Hugon]] dépose le brevet français n°210-212 : « par rapport au pouvoir des moteurs par l'explosion de mélanges gaz / air », il est l'inventeur du moteur Hugon, un moteur à combustion interne<ref name="DMGL">{{lien web|langue=en|url=http://www.dmg-lib.org/dmglib/main/biogrViewer_content.jsp?id=24472004&skipSearchBar=1|titre=HUGON, Pierre (1814 - ?)|site=[[Digital Mechanism and Gear Library]]}}</ref>. Il s'agit d'un moteur fixe utilisé comme outil de production et non de propulsion.

En [[1859]], [[Étienne Lenoir]] dépose le « 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]].

En [[1867]], le gaz d'éclairage est encore utilisé par [[Nikolaus Otto]] dans un moteur à gaz de quatre mètres de haut qui développe une puissance de {{unité|3 [[cheval-vapeur|chevaux]]}}. Pour ce moteur, il reçoit la médaille d'or des moteurs à gaz à l'[[Exposition universelle de 1867]] à [[Paris]]<ref>[https://books.google.com/books?id=xwk723HxrjkC&lpg=PA92&dq=Moteur%20%C3%A0%20gaz&hl=fr&pg=PA92#v=onepage&q=Moteur%20%C3%A0%20gaz&f=false Les grandes étapes de l'histoire économique: revisiter le passé pour comprendre le présent et anticiper l'avenir : Couverture Yves Carsalade  Ecole Polytechnique, 2002]</ref>. Les grands constructeurs automobiles, [[Deutz AG]], [[Daimler AG]], [[Mercedes-Benz]], et [[BMW]] sont redevables 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]].

[[Image:Hugon Engine Advert 1871.jpg|vignette|Moteur Hugon de 1871]]

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.

[[File:Machine soufflante John Cockerill 1900.jpg|thumb|Machine soufflante [[Cockerill-Sambre|S.A.John Cockerill]] de {{nombre|158|tonnes}} avec un seul cylindre développant une puissance de {{unité|600|chevaux}}, grand prix à l'[[Exposition universelle de 1900]] à Paris]]

Le {{date|12 février 1884}}, le français [[Édouard Delamare-Deboutteville]] dépose le premier brevet concernant 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<ref>[http://www.universalis.fr/encyclopedie/automobile-delamare-deboutteville/ Automobile Delamare-Deboutteville], sur universalis.fr</ref>. En 1895, un moteur de {{unité|4 [[Cheval-vapeur|ch]]}} Delamare-Deboutteville et Malendrin est acheminé à Cockerill, ensuite modifié pour qu'il puisse produire {{unité|8 ch}}.

En [[1886]], [[Gottlieb Daimler]] brevète le premier moteur essence à explosion quatre temps et signe le premier véhicule motorisée à quatre roues. 

En 1895, Cockerill acquiert les droits du moteur à gaz, d'[[Édouard Delamare-Deboutteville]].

À partir de 1897, le [[gazole]] concurrence le gaz avec le [[moteur Diesel]], invention de [[Rudolf Diesel]] (1858-1913). La vapeur un moment détrônée revient également en force avec les [[Turbine à vapeur|turbines à vapeur]].

Le {{date|5 juillet 1889}}, la [[Cockerill-Sambre|société John Cockerill]] à [[Seraing]], qui préfère perfectionner des modèles existants<ref group=alpha>Un moyen de se dispenser de la recherche fondamentale</ref>, acquiert 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 pétrole|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 {{nobr|10 fois}} moins que la chaudière alimentant la [[machine à vapeur]] la plus perfectionnée. En 1898, Cockerill produit un moteur {{unité|200 ch}} monocylindre.

En 1899, c'est une [[machine soufflante]] de {{nobr|158 tonnes}} avec un seul cylindre développant une puissance de {{unité|600 chevaux}}, qui obtient le grand prix à l'[[Exposition universelle de 1900]] à Paris. 

À l'[[Exposition universelle de 1905]], à [[Liège]], une machine de {{unité|1500 ch}} est exposée. Elle côtoie des [[machine à vapeur|machines à vapeur]], des [[turbine à vapeur|turbines à vapeur]] et des [[moteur diesel|moteurs diesel]]<ref>[https://books.google.com/books?id=yNzaHdsjALMC&lpg=PA215&dq=moteur%20%C3%A0%20gaz&hl=fr&pg=PA215#v=onepage&q=moteur%20%C3%A0%20gaz&f=false Christine Renardy Liège et l'Exposition universelle de 1905, Renaissance Du Livre, 2005]</ref>.

En 1920, l'usine possède trois centrales électriques d'une puissance de {{unité|35 MW}}, distribuant {{nobr|162 GWh}}, produit par des [[groupe électrogène|groupes électrogènes]] fonctionnant au gaz, de {{unité|5200 kW}} chacun<ref name="Halleux">Robert Halleux. Cockerill. Deux siècles de technologie. Éditions du Perron. 2002</ref>. 

=== {{s-|XX}} ===
[[Fichier:Bundesarchiv Bild 183-V00670A, Berlin, Auto mit Holzgasantrieb.jpg|thumb|left|Voiture équipée d'un [[gazogène]].]]
Vers 1920, [[Georges Imbert]] invente le [[gazogène|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 sur tout le charbon, des [[gazogène]]s furent ajustés aux flancs des camionnettes<ref name="Ours">[http://ours.courageux.pagesperso-orange.fr/debutgaz.htm LES DÉBUTS OBSCURS DU GAZ D’ÉCLAIRAGE] sur un site pagesperso-orange.fr</ref>.
   
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 {{date|11 décembre 1997}}, vise à la [[Projet de réduction d'émissions de gaz à effet de serre|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 [[véhicule propre|véhicules propres]] parmi lesquels se trouve le [[véhicule à hydrogène]]. 
{{clr|left}}
=== {{s-|XXI}} ===
La [[BMW Hydrogen 7]], présentée pour la première fois au [[Salon de l'automobile de Los Angeles|salon de Los Angeles]] en {{date|novembre 2006}}, serait la première voiture de série fonctionnant à l'hydrogène<ref>[http://www.moteurnature.com/actu/2006/bmw-hydrogen-7.php BMW Hydrogen 7, première voiture de série fonctionnant à l'hydrogène] sur le site moteurnature.com</ref>.

== Moteurs à gaz théoriques ==
Il y a deux '''moteurs à gaz''' théoriques :
* le moteur à explosion ([[Cycle de Beau de Rochas|cycle d'Otto]] ou de Beau de Rochas)
* le [[Cycle de Brayton|cycle de Joule]] des turboréacteurs, et ce cycle tronqué : le [[moteur Diesel#Architecture|cycle Diesel]].

=== Cycle d'Otto (ou de Beau de Rochas) ===
{{section à sourcer|date=janvier 2019}}
{{Article détaillé|Cycle de Beau de Rochas}}
Le gaz est aspiré par les soupapes d'admission à <math>T_b=T_0</math> et <math>P_b= P_0</math> (déjà mélangé avec de la vapeur d'essence fournie par le [[carburateur]] ou l'aiguille d'injection) : le volume passe de <math>V_1</math> à <math>V_2</math> (<math>V_2-V_1</math> s'appelle la [[cylindrée]] ; <math>\frac{V_2}{V_1}</math> le [[Taux de compression (mécanique)|taux de compression]] <math>a</math>).

Depuis cet état <math>B</math>, les soupapes se ferment et le piston comprime (adiabatiquement) le gaz jusqu'en <math>V_1</math>, où la pression est <math>P_c</math> et la température <math>T_c</math>.

Alors, on déclenche l'étincelle électrique entre les deux bornes de la bougie. À volume <math>V_1</math> constant ([[processus isochore]]), l'explosion a lieu, et toute la chaleur de la réaction chimique <math>Q_1</math> sert à élever la température du gaz à une valeur très élevée <math>T_d</math> et la pression devient très élevée <math>P_d</math> : c'est elle qui repousse violemment le piston : c'est le temps moteur ; celui-ci entraîne la [[bielle (mécanique)|bielle]], qui fait tourner la [[manivelle]] du [[vilebrequin (moteur)|vilebrequin]]. Cette détente (supposée adiabatique) se poursuit jusqu'en <math>V_2</math>, de pression <math>P_e</math> et de température <math>T_e</math>.

Les soupapes d'échappement s'ouvrent, la pression baisse à <math>P_0</math>, retour à l'état <math>B</math> ; le piston chasse les gaz brûlés hors du moteur dans le tuyau d'échappement : fin du cycle.

Il y a {{nombre|2|allers}} et {{nombre|2|retours}}, soit {{nombre|4|temps}}, dont un seul est moteur : nécessité d'un [[volant d'inertie]] (et souvent {{nombre|4|cylindres}} calés à 180° (2x360'/4) de l'autre, par la forme du vilebrequin).

Le gaz a reçu de l'état C à l'état D : <math>Q_1</math>, [[Pouvoir calorifique|chaleur de combustion]] du mélange air/essence, qui a fait monter la température de <math>T_c</math> à <math>T_d</math> : <math>Q_1 = C_V .(T_d-T_c)</math>.
<math>C_V</math> est la [[capacité thermique massique|capacité thermique isochore massique]].

De l'état <math>E</math> à l'état <math>A</math> : <math>Q_2 = C_V.(T_e-T_b) < 0</math> les gaz sont chauds à l'évacuation.

Bien sûr, c'est un cycle : <math>W+ Q1 +Q2 = 0</math>

Le rendement est donc <math> r= - \frac{W}{Q_1} = 1 + \frac{Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{(T_e-T_b)}{(T_d-T_c)}= 1 - \frac{T_b}{T_c}</math> (car on montre que <math>\frac{T_e}{T_d} = \frac{T_b}{T_c}</math>, en appliquant deux fois la [[Loi de Laplace (thermodynamique)|loi de Laplace]] lors des deux phases adiabatiques) ; en appliquant la loi de Laplace entre <math>B</math> et <math>C</math>, 

: <math>\mathrm{r= 1- \frac{T_b}{T_c} = 1 - \frac{1}{(a^{\gamma-1})}}</math>

Application numérique :
* <math>P_b = 1 \text{ bar ; } T_b = 300 \text{ K ; } \gamma = \frac75</math> et '''<math>a = 8</math>'''
* <math>P_c = 18{,}4 \text{ bars, } T_c = 690 \text{ K : } r = 56,5 \%</math>
* <math>Q_1 = 1800 \text{ kJ/kg} </math> avec <math>C_V = 0{,}72 \text{ kJ/kg/K} </math> donnant une élévation <math>T_d-T_c = 2500\text{ K}</math>
* <math>P_d = 4{,}62*P_c = 85\text{ bars et }T_d = 3190\text{ K}</math>

La détente donne <math>Te = 3190/2{,}30 = 1390\text{ K} </math>
* On perd à l'échappement <math>Q_2 = - 785 \text{ kJ/kg}</math>, ce qui est un gâchis énorme et qu'on essaiera de réutiliser.

Critique de l'application numérique :

On ne monte pas à <math>\scriptstyle{P_d = 85\text{ bars}}</math> et pas à <math>\scriptstyle{T_d = 3190\text{ K}}</math> : il y a une légère avance à l'allumage de l'étincelle. L'explosion 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 ''N{{sub|2}}'' et ''O{{sub|2}}'' conduisant aux fameux polluants ''NO{{sub|x}}'', que les [[Pot catalytique|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 % finalement, pour un moteur bien réglé. Pour un moteur industriel de plusieurs MW équipé de [[turbocompresseur]]s, les rendements peuvent alors atteindre la barre des 45 % net.  

On ne peut pas augmenter plus le taux de compression a, car <math>\scriptstyle{P_c = 18\text{ bars et }T_c = 690\text{ K}}</math> : de l'air chargé de vapeur d'essence explose si on n'y mettait pas un antidétonant (auparavant du [[Tétraéthylplomb|tétraéthyle de plomb]] et maintenant des [[composé aromatique|composés aromatiques]] dans l'essence 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 : le taux de compression va pouvoir être plus grand.

=== Cycle de Joule ===
{{section à sourcer|date=janvier 2019}}
Le cycle de Joule comprend 4 temps : 
* une compression adiabatique réversible de <math>\scriptstyle P_1 \text{ à } P_2</math>
* une transformation isobare réversible de <math>\scriptstyle V_2 \text{ à } V_3 (V_3 > V_2)</math>
* une détente adiabatique réversible de <math>\scriptstyle P_2 \text{ à } P_1 </math>
* une transformation isobare réversible de <math>\scriptstyle V_4 \text{ à } V_1</math>

On obtient assez facilement que le rendement théorique est 
: <math>\scriptstyle{ r = -\frac{W}{Q} = 1-\left( \frac{V_1}{V_2} \right)^{0{,}4}}</math>
Pour :
* a = 16, 
* r = 67 %

=== Cycle de Joule tronqué : cycle Diesel ===
{{section à sourcer|date=janvier 2019}}
{{Article détaillé|Moteur Diesel#Architecture{{!}}Cycle Diesel}}
De l'état B à l'état C : identique au cycle d'Otto (compression adiabatique) mais le [[Taux de compression (mécanique)|taux de compression]] V2/V1 = a est plus grand ~ 16.

A l'état C on a : <math>P_c = 48{,}5 \text{ bars, } T_c = 909 \text{ K}</math>

Mais, on injecte par les injecteurs le [[fioul]] à pression constante (processus isobare).

Avec le même Q1 = {{unité|1800|kJ/kg,}} l'élévation de température (Td-Tc) est {{nombre|2500}} / {{nombre|1,4}} = {{unité|1785|K}}, soit Td = 2695 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 = {{unité|1380 K}}), on ouvre les soupapes d'échappement et on laisse s'échapper Q2 = - {{unité|780 kJ/kg}}.

Le travail est donc W = - {{unité|1020 kJ/kg}} d'où le rendement r = -W/Q1 = 56,7 %

Critique des résultats : le rendement réel n'est pas aussi élevé, mais la pression en fin de compression 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 essentiellement du fait de taxes moins élevées que sur les autres carburants mais cet avantage fiscal tend à disparaitre, entre autres en France<ref name=fi>[https://france-inflation.com/prix-carburants.php Le prix du Gazole plus cher que l'Essence fin 2018 !], sur rance-inflation.com du 18 janvier 2019, consulté le 22 janvier 2019</ref>.

En conséquence, il y a peu de motos diesel et les camions sont plutôt équipés de Diesel. Mais les avancées techniques rivalisent, et le prix de l'essence étant surtout dû aux taxes, il est difficile de comparer les deux techniques<ref name=fi/>.

== Notes et références ==
=== Notes ===
{{références|groupe=alpha}}

=== Références ===
{{Références|taille=40}}

== Voir aussi ==
=== Articles connexes ===
* [[Gazogène]]
* [[Cycle de Carnot]] dans [[Gaz parfait#Cycle de Carnot d'un gaz parfait de Laplace|gaz parfait]]...
* [[Gaz naturel pour véhicules]]
* [[GPL carburant]]

{{Palette|Moteurs à combustion interne}}
{{Portail|génie mécanique|industrie|histoire des sciences|automobile|camion||énergie|énergie fossile}}  

[[Catégorie:Moteur à explosion|gaz]]
[[Catégorie:Gaz combustible]]
[[Catégorie:Invention française]]
[[Catégorie:Invention du XIXe siècle]]