Moteur à essence

Le moteur Otto est un gros moteur à combustion interne monocylindre stationnaire à quatre temps , conçu par l'Allemand Nicolaus Otto . C'était une machine à bas régime, et ne fonctionnait qu'une fois sur deux en raison du cycle Otto , également conçu par Otto.

Trois types de moteurs à combustion interne ont été conçus par les inventeurs allemands Nicolaus Otto et son partenaire Eugen Langen . Les modèles étaient un moteur à compression de 1862 qui a échoué, un moteur atmosphérique de 1864 et le moteur à cycle Otto de 1876, connu aujourd'hui sous le nom de moteur à essence . Les moteurs étaient initialement utilisés pour des installations stationnaires, car Otto ne s'intéressait pas aux transports. D'autres fabricants tels que Daimler ont perfectionné le moteur Otto pour une utilisation dans les transports.

Nicolaus August Otto était alors un jeune homme voyageant en tant que vendeur dans une épicerie. Au cours de ses voyages, il découvrit le moteur à combustion interne construit à Paris par l'expatrié belge Jean Joseph Etienne Lenoir . En 1860, Lenoir réussit à créer un moteur à double effet fonctionnant au gaz d'éclairage avec un rendement de 4 %. Le moteur Lenoir de 18 litres ne pouvait produire que 2 chevaux.

En testant une réplique du moteur Lenoir en 1861, Otto prit conscience des effets de la compression sur la charge de carburant. En 1862, Otto tenta de produire un moteur pour améliorer l'efficacité et la fiabilité médiocres du moteur Lenoir. Il essaya de créer un moteur qui comprimerait le mélange de carburant avant l'allumage, mais échoua, car ce moteur ne fonctionnait pas plus de quelques minutes avant d'être détruit. De nombreux ingénieurs tentèrent également de résoudre le problème sans succès.

En 1864, Otto et Eugen Langen fondèrent la première société de production de moteurs à combustion interne, NA Otto and Cie (NA Otto and Company). Otto and Cie réussit à créer un moteur atmosphérique performant la même année.

L'usine manqua d'espace et fut déplacée vers la ville de Deutz, en Allemagne, en 1869, où la société fut renommée Gasmotoren-Fabrik Deutz (Société de fabrication de moteurs à gaz Deutz).

Gottlieb Daimler était le directeur technique et Wilhelm Maybach était le responsable de la conception du moteur. Daimler était un armurier qui avait également travaillé sur le moteur Lenoir auparavant.

En 1876, Otto et Langen réussirent à créer le premier moteur à combustion interne qui comprimait le mélange de carburant avant la combustion pour une efficacité bien supérieure à celle de tout autre moteur créé jusqu'alors.

La première version du moteur atmosphérique utilisait une conception à colonne cannelée conçue par Eugen Langen. Le moteur atmosphérique avait sa course motrice délivrée vers le haut à l'aide d'une crémaillère et d'un pignon pour convertir le mouvement linéaire du piston en mouvement rotatif. Le rapport de détente de ce moteur était beaucoup plus efficace que celui du moteur Lenoir de 1860 et conférait au moteur son efficacité supérieure .

Le moteur Lenoir était un moteur qui brûlait du carburant sans essayer au préalable de comprimer le carburant/mélange. Le moteur atmosphérique Otto/Langen fonctionnait avec une efficacité de 12 % et produisait 0,5 ch (0,37 kW ; 0,51 PS ) à 80 tr/min. Lors de la compétition à l' Exposition universelle de 1867 à Paris, il surpassa facilement l'efficacité du moteur Lenoir et remporta la médaille d'or, ouvrant ainsi la voie à la production et aux ventes qui financèrent des recherches supplémentaires.

La première version utilisait un cadre pour stabiliser la crémaillère. Ce dernier fut rapidement abandonné à mesure que la conception fut simplifiée. Les moteurs ultérieurs se débarrassèrent également du cylindre cannelé. Le moteur atmosphérique utilisait un système d'allumage à flamme de gaz et était fabriqué dans des puissances de 0,25 à 3 ch (0,19 à 2,24 kW ; 0,25 à 3,04 PS ).

En 1872, lorsque NA Otto & Cie se réorganisa sous le nom de Gasmotoren-Fabrik Deutz , la direction choisit Daimler comme directeur de l'usine, contournant même Otto, et Daimler rejoignit l'entreprise en août, emmenant Maybach avec lui comme concepteur en chef. Alors que Daimler réussit à améliorer la production, la faiblesse de la conception du piston vertical de l'Otto, associée à l'insistance obstinée de Daimler sur les moteurs atmosphériques, conduisit l'entreprise dans une impasse.

Malgré son succès commercial, la société produisant 634 moteurs par an en 1875, le moteur Otto et Langen se trouvait dans une impasse technique : il ne produisait que 3 ch (2,2 kW ; 3,0 PS ), mais nécessitait une hauteur libre de 10 à 13 pieds (3,0 à 4,0 m) pour fonctionner. En 1882, après avoir produit 2 649 moteurs, la production de moteurs atmosphériques a été interrompue. C'est également l'année où Gottlieb Daimler et Wilhelm Maybach ont quitté l'entreprise.

Après 14 ans de recherche et de développement, Otto réussit à créer le moteur à combustion interne à charge comprimée le 9 mai 1876. Otto trouva un moyen de superposer le mélange de carburant dans le cylindre pour provoquer une combustion progressive, plutôt qu'explosive. Il qualifia cela de charge stratifiée. Cela entraîna une combustion contrôlée et une poussée plus longue du piston dans le cylindre plutôt que l'explosion qui détruisit tous les moteurs essayés auparavant. Le carburant était toujours du gaz d'éclairage, tout comme les moteurs atmosphériques de Lenoir et les siens.

Ce moteur utilisait quatre cycles pour produire de l'énergie. Il est aujourd'hui connu sous le nom de moteur à cycle Otto . Il s'agit du même moteur que celui qui a été essayé pour la première fois en 1862.

Otto a tourné son attention vers le cycle à 4 temps en grande partie grâce aux efforts de Franz Rings et Herman Schumm, amenés dans l'entreprise par Gottlieb Daimler . C'est à ce moteur (le moteur silencieux Otto), et non au moteur Otto & Langen, que le cycle Otto fait référence. Il s'agit du premier moteur à succès commercial à utiliser la compression dans le cylindre (breveté par William Barnett en 1838). Le moteur Rings-Schumm est apparu à l'automne 1876 et a connu un succès immédiat.

La disposition des cylindres du moteur à compression était horizontale. Il était équipé d'une commande de soupape à tiroir avec allumage par flamme de gaz , ce qui permettait de surmonter les problèmes que Lenoir ne pouvait pas résoudre avec l'allumage électrique, qui n'était pas fiable à l'époque. Au cours des 15 années précédant le développement du moteur Otto, la puissance de sortie n'a jamais dépassé 3 ch. Quelques années après le développement du moteur Otto, la puissance du moteur a augmenté jusqu'à atteindre 1000 ch.

Le moteur à cycle Otto a finalement été adopté pour fonctionner au ligroin , puis à l'essence et à de nombreux gaz. Pendant la Seconde Guerre mondiale, les moteurs Otto fonctionnaient avec plus de 62 carburants différents, tels que le gaz de bois, le gaz de houille, le propane, l'hydrogène, le benzène et bien d'autres. Le moteur est limité aux carburants légers. Un développement ultérieur de ce moteur, connu sous le nom de moteur Diesel , peut brûler des carburants lourds et des huiles.

Deutz a également développé le carburateur et un système d'allumage à basse tension fiable en 1884. Cela a permis l'utilisation de carburant à base de pétrole liquide pour la première fois et a rendu possible l'utilisation du moteur dans les transports. Ces travaux ont été menés parallèlement à ceux de Gottlieb Daimler et de Wilhelm Maybach qui ont également développé un carburateur qui a remplacé l'allumage à tube chaud d'origine sur la Daimler Reitwagen , et un système d'allumage magnéto qui a constitué la base du magnéto de la Robert Bosch Corporation . Daimler a continué le développement du moteur d'Otto pour les transports tandis que Deutz est passé aux moteurs Diesel.

En 1886, l'office allemand des brevets annula le brevet Deutz qui aurait pu être valable jusqu'en 1891 en raison de la découverte d'un brevet antérieur pour un moteur à quatre temps par le Français Alphonse Beau de Rochas . Deutz fut incapable de démontrer que son système d'induction à charge stratifiée était différent de celui décrit dans le brevet de Rochas et perdit son monopole et l'un de ses 25 brevets. En 1889, plus de 50 entreprises fabriquaient des moteurs de conception Otto.

Les moteurs Otto étaient équipés de plusieurs mécanismes différents pour déclencher l'étincelle. L'Otto est l'un des premiers moteurs à utiliser une bougie d'allumage , un dispositif qui produit une petite étincelle électrique pour enflammer la charge de carburant. Il s'agissait généralement d'un bras de déclenchement pivotant qui saisit brièvement un levier de commutation d'alimentation et lui exerce une traction rapide. Le levier de commutation est ensuite relâché et peut revenir à sa position d'origine en préparation du cycle suivant. Ce système nécessite une batterie électrique externe , une bobine d'allumage et un système de charge électrique similaire aux moteurs automobiles modernes.

Les moteurs Otto ultérieurs utilisaient un petit magnéto directement sur le moteur. Plutôt que de déclencher un interrupteur, le bras d'allumage de la bougie applique une rotation rapide au rotor du magnéto, qui revient ensuite en arrière sous la tension du ressort. Cette rotation rapide de la bobine du magnéto produit un flux de courant très bref qui déclenche la bougie et enflamme le carburant. Cette conception a l'avantage de ne pas nécessiter de batterie externe, et c'est ainsi que fonctionnent les moteurs à gaz portables modernes, en incorporant la partie magnétique du magnéto dans le volant d'inertie . Les moteurs portables modernes excitent le magnéto à chaque rotation du volant d'inertie, et utilisent donc un interrupteur électrique à came pour empêcher l'allumage de la bougie sauf pendant la course motrice du moteur (voir étincelle gaspillée ).

Il s'agit d'une démonstration du fonctionnement de la régulation de vitesse dans le moteur Otto. Les billes en rotation constituent le régulateur centrifuge et, lorsque la machine tourne plus lentement, la petite roue se déplace vers la gauche, insérant la tige dans le rouleau voisin et la poussant vers le haut pour déclencher l'admission de carburant afin de faire tourner le moteur pendant un tour.

Si la machine est sous charge et tourne encore trop lentement, la came reste insérée et fait démarrer le moteur à plusieurs reprises à chaque cycle d'allumage. Lorsque le régime moteur augmente, le régulateur tire la petite roue vers la droite et la machine se met en roue libre sans injecter de carburant, bien que la bougie continue de s'allumer sans carburant dans le cylindre.

Cette méthode de contrôle de la vitesse est souvent appelée méthode Hit or Miss car le moteur a des ratés d'allumage (par manque de mélange de carburant) lors des temps de combustion où le moteur tourne plus vite que la vitesse régulée, mais il a des ratés d'allumage lors des temps de combustion où la vitesse est trop faible. Aucun carburant n'est utilisé lors des temps de combustion ratés.

Les moteurs Otto utilisent une chemise d'eau qui s'écoule autour de la paroi du cylindre, à l'instar des systèmes de refroidissement des moteurs modernes. Les moteurs Otto stationnaires exposés à la Western Minnesota Steam Threshers Reunion partagent tous un seul grand radiateur de chaleur à l'extérieur du bâtiment. Ce système de dissipation de chaleur centralisé et distant contribue également à maintenir le bâtiment du moteur au frais.

Otto et son manager Gottlieb Daimler étaient en désaccord sur l'orientation future du moteur Otto. Alors qu'Otto voulait produire de gros moteurs pour des applications stationnaires, Daimler voulait produire des moteurs suffisamment petits pour être utilisés dans les transports. Après une période de désaccord, Daimler quitta l'emploi d'Otto en 1882 et emmena Wilhelm Maybach avec lui. En 1883, Daimler et Maybach créèrent un moteur de 0,5 ch qui était petit et efficace.

En 1885, Daimler et Maybach ont créé le moteur « Grandfather Clock », en partie inspiré par les idées d'Otto, et ont construit un cadre à deux roues autour de celui-ci. C'était le premier moteur à essence à grande vitesse. Le fils de Daimler, Paul , a été la première personne à rouler sur ce vélo motorisé, le Daimler Reitwagen , qui est le premier véhicule à moteur à combustion interne.

Deutz a continué à produire de gros moteurs stationnaires, tandis que Daimler s'est tourné vers les bateaux, les dirigeables, les locomotives, les automobiles, les camions et d'autres utilisations de transport. Deutz est le plus ancien producteur de moteurs au monde. La société de Daimler et Maybach, Daimler Motoren Gesellschaft , a ensuite fusionné avec Benz pour former Daimler-Benz , adoptant Mercedes-Benz comme marque de commerce automobile.

La société d'Otto, Deutz AG , est l'une des plus grandes entreprises de production de moteurs au monde. Pratiquement tous les constructeurs automobiles du monde produisent des véhicules utilisant des moteurs à cycle Otto qui sont si omniprésents qu'ils sont appelés moteurs à combustion interne, moteurs à essence et moteurs à allumage par étincelle.