Histoire de l'invention du moteur à combustion interne
 

Préambule: l'invention des machines


Vers 4200 avant JC, des roues étaient déjà utilisées sur les tours de potiers, ce fut le tout début de la mécanique.
La roue de chariot a été inventée en Europe et en Mésopotamie environs 3400 ans avant JC, ce qui produisit un immense progrès pour le transport des marchandises lourdes et encombrantes comme par exemple les troncs d'arbre. Des dessins de chariots ont été retrouvés sur des bas-reliefs de ces époques là (une photo d'une roue de chariot antique).
Par la suite, apparurent des chariots à 4 roues avec des rayons en bois (une photo d'une roue à rayons de l'époque) et un essieu avant articulé au moyen d'un timon (une photo d'un chariot antique de ce type). Mais vers 1700 avant JC, les Égyptiens fabriqueront des chars à deux roues à rayons pourvus d'une barre articulée centrale permettant d'atteler deux chevaux. Plus légers et plus rapides, ils permirent de transporter des soldats (un dessin).

Le moulin à vent est probablement la machine la plus ancienne. Il apparu en Perse et en Egypte vers 600 ans avant JC avec des ailes horizontales en forme de voile de bateau. Ces ailes étaient fixées sur un axe vertical entraînant directement une meule servant à moudre des graines de céréales.
Par la suite, des moulins comportant un axe horizontal furent combinés avec des pompes à godets placées dans des cours d'eau, ils étaient utilisés pour l'irrigation des terres cultivées.

Une autre machine datant de l'antiquité est le moteur hydraulique. Des roues à haubes étaient utilisées entre autres sur des moulins à eau et des scieries; iI en existait déja en Grèce au 1er siècle avant JC (une photo). Par ailleurs dès le IIIe siècle après JC, certaines scieries comportaient des engrenages et un système bielle-manivelle en bois (voir cette page). Ainsi, ce système mécanique qui est à la base des moteurs à pistons a été inventé dès l'antiquité.

C'est à l'époque romaine, environs un siècle avant JC, que l'on vit apparaître les premiers systèmes "vis + écrou". Ils étaient fabriqués en bronze avec des filets creusés manuellement. C'est également à cette époque que le pressoir à vis directe a été inventé par le mathématicien et inventeur égyptien Héron d'Alexandrie pour la production vinicole. Les vis était taillées à la main dans des rondins de bois.

Par ailleurs, une machine à vapeur rudimentaire appelé aéolipile existait à la même époque, elle fut également inventée par Héron d'Alexandrie. Mais ce n'était qu'une attraction de foire et elle n'eut aucune application pratique (figures ci-dessous). On l'appelle communément la "boule d'Héron" (plus de détails sur cette page).

                                                      


Une autre invention d'Héron en rapport avec le feu et l'eau figure dans son mémoire "Pneumatica", il y décrit un système de portes automatiques s'ouvrant lorsqu'on allume un feu: 
"Lorsque le feu sacré était allumé sur l'autel d'un temple, l'air d'un récipient hermétique placé en dessous se réchauffait. En se dilatant, il poussait l'eau contenue dans le fond de ce récipient jusqu'à ce qu'elle atteigne le niveau d'un siphon. Toute l'eau se déversait dans un récipient attaché à l'extrémité de la chaîne, qui se mettait alors en mouvement sous l'effêt de son poids. Le déplacement horizontal de sa partie centrale entraînait les deux pivots en rotation et ainsi les deux portes du temple s'ouvraient automatiquement." Afin de faire croire à un miracle, ce dispositif était caché en contrebas.

                      

(voir cette page bien illustrée au sujet des diverses inventions de Héron)

Bien plus tard en 1690, le physicien français Denis Papin qui était l'assistant du célèbre savant néerlandais Christian Huygens, découvrit le principe de base des machines à vapeur à piston.
Il construisit un appareil expérimental constituée d'un petit cylindre partiellement rempli d'eau et surmonté d'un piston rendu étanche un moyen de garnitures en cuir. Lorsque l'ensemble était placé sur un feu, l'eau se transformait en vapeur et la pression faisait remonter le piston jusqu'à une butée. Lors du refroidissement, le piston redescendait sous l'effet du vide et de son propre poids (voir cette animation).
Par la suite, il améliora sa machine avec une poulie afin que le piston puisse soulever une charge en descendant et trouva de nouvelles applications à son invention (un dessin de sa "machine à élever l'eau", une pompe mue par la pression de la vapeur).

Quant à la machine à vapeur qui fut à l'origine de la révolution industrielle, elle a été inventée par l'anglais Thomas Newcomen en 1712 (dessin ci-dessous). Une centaine de ces machines à balancier furent produites pour des pompes à eau et aussi pour soulever des charges lourdes.
 

          

Mais en 1769, l'Ecossais James Watt inventa une machine beaucoup plus efficace. Elle comportait de nombreuses améliorations dont un condenseur qui permettait de doubler le rendement et également un parallélogramme articulé monté à une extrémité du balancier (un dessin). Il permettant au piston de pousser le balancier et de fonctionner ainsi en double effet. De plus, le balancier pouvait entraînait un volant d'inertie par l'intermédiaire d'une bielle montée à son autre extrémité. Ce fut la toute première machine à vapeur rotative construite en série.
Produites indistriellement à partir de 1776, ces machines furent utilisées dans de nombreuses industries (un dessin et plus d'explications sur cette page).

                             une machine de Watt conservée dans un musée

C'est également James Watt qui inventa la première unité de puissance, le hp (horse-power) ou cv (cheval-vapeur). Pour fournir à ses clients une indication sur la puissane de ses machines, il comparait leur capacité de traction avec celle d'un cheval de trait. Les bancs d'essais constitués de freins furent inventés à la fin du 19e siècle, la puissance mesurée s'exprima alors en bhp (brake-horse-power) ou en chevaux-frein.
C'est en hommage à ce grand inventeur que depuis 1960, la puissance s'exprime systématiquement en Watts et kiloWatts dans le système international d'unités SI (rappelons qu'un cv est égal à 736 Watts). Toutefois, en ce qui concerne les moteurs thermiques à pistons, on utilise encore le cv comme unité de puissance afin de comparer facilement la puissance des moteurs modernes avec celle des anciens.

Et c'est en 1812 que la première locomotive à vapeur, la Salamanca conçue par l'ingénieur Matthew Murray, fut mise en service. Elle fut utilisée jusqu'en 1834 pour le transport du charbon de la mine à la ville de Middleton (un photo d'une maquette et plus de détails). Quant au chemin de fer, il existait déja dans des mines au début du XVIIe siècle pour des trains des chariots pesants traînés par des chevaux (cela permettait de diminuer fortement l'effort de traction). Á cette époque, les rails étaient constitués de madriers en bois recouverts de tôle d'acier.
La première ligne de chemin de fer destinée à transporter des passager fut mise en service en 1825 à Darlington dans le nord de l'Angleterre par la Cie Stockton and Dalington. La locomotive construite par Stephenson tractait des wagons transportant 450 personnes à 24 Km/h (plus de détails sur cette page).
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Le tout premier prototype d'automobile dont on ait la preuve qu'il ait réellemen fonctionné fut construit par Nicolas Cugnot, un ingénieur du génie militaire. Le fardier de Cugnot, était entraîné par une machine à vapeur à 2 cylindres fixée en porte-à-faux à l'avant de l'unique roue motrice et directrice. Par ailleurs, la chaudière était chauffée au bois. Le fardier roula en public à environs 4 Km/h lors d'une démonstration à Paris en Octobre 1769 avec 4 personnes à bord (sa charge utile était d'environs 4 Tonnes).
Il fut question de poursuivre son développement mais le nouveau ministre de la guerre refusa de financer les travaux. Il expliqua qu'il ne pensait pas que cet engin puisse être d'une quelconque utilité pour l'armée pour les raisons suivantes: la durée de marche de la chaudière avant ravitaillement en bois était limitée à 15 minutes et de plus, ce ravitaillement prenait du temps. Par ailleurs, le fardier devait transporter une grande quantité de bois et d'eau pour sa machine ce qui réduisait sa charge utile.

Conservé intact par la suite, il est exposé à Paris au musée du Conservatoire National des Arts et Métiers depuis 1801 (une photo). Une réplique fonctionnelle a été construite en France par une association, elle a été achevée en 2009: une photo prise au salon Rétromobile de 2011.
(plus de détails sur cette réplique et une vidéo de ce fardier en marche lors de sa présentation en public)

(Il existe une autre réplique fonctionnelle, a été construite indépendamment aux USA à la même époque. Elle est exposée depuis 2010 dans un musée de l'automobile situé en Floride.)

Enfin, des automobiles à vapeur furent produites en petites séries de la fin du 19e siècle aux années 30 (une photo d'une Jacquot de 1878, une photo d'une Stanley américaine de 1921, une photo d'un moteur à vapeur Stanley de 1909 et une page au sujet de ce constructeur).
Á la même époque, il fut également construit des camions, des trains routiers et des tracteurs agricoles à vapeur.

Extrait d'un site Internet: "Le 26 janvier 1906, Fred Marriott porta le record de vitesse terrestre à 195,65 km/h de moyenne à Daytona Beach en Floride, dont un essai enregistré à 205,5 km/h, à bord d'un véhicule à vapeur d'eau, le "Rocket Stanley Steamer" (photo ci-dessous et plus de détails sur cette page).

               

Par ailleurs, la machine à vapeur est d'ailleurs toujours d'actualité, les alternateurs de certaines grosses centrales électriques dont les centrales nucléaires, sont entraînés par des turbines à vapeur à haute pression. Et jusqu'aux années 80, le super-pétroliers et les gros paquebots comme le France étaient propulsés par des turbines à vapeur du même type car il n'existait pas encore de moteurs diesel suffisamment puissants.

(voir cet excellent site consacré à ce sujet)

 

 

Le moteur à combustion interne

(Un exemple de machine à combustion externe est la machine à vapeur dans laquelle la combustion ne se produit pas dans dans les cylindres, mais dans la chaudière. Un autre est le moteur Sterling, le gaz est chauffé au préalable dans un cylindre appelé chambre chaude.)

Le moteur à combustion interne fut inventé sous différentes formes à partir du début du XIXe siècle, mais c'est à partir de 1860 qu'il connut ses évolutions les plus importantes.
 

En voici les principaux exemples en ce qui concerne les moteurs à 2 et 4 temps:
(les turbines à gaz et les turboréacteurs sont également des machines à combustion interne mais elles concernent d'autres domaines que l'objet principal de ce site: les motos et les automobiles)

En 1804, le Suisse François De Rivaz construisit un moteur fonctionnant au gaz de houille. Le pincipe était inspiré du pistolet à gaz que Volta avait inventé en 1777.
Le piston placé dans un cylindre vertical était relié aux roues par une chaîne avec une roue libre. La force provoquée par la combustion faisait monter le piston qui n'entraînait les roues que lorsqu'il redescendait sous son propre poids. De Rivaz monta son moteur sur une charette qui se déplaça sur 26 mètres à 3 Km/h

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Ce fut la première voiture au monde propulsée par un moteur à combustion interne. Mais sa conception était très rudimentaire, il fallait introduire et rallumer manuellement le gaz à chaque mouvement et elle resta en l'état de modèle de démonstration.

En 1807, les frères Claude et Nicéphore Nièpce (par ailleurs inventeur de la photographie en 1826) produisirent un moteur, le pyréolophore, fonctionnant avec un mélange de poudre de charbon et de résine végétale additionnée à du pétrole. Un bateau propulsé par ce moteur remonta la Saône (une photo d'une réplique du moteur au musée N.Nièpce et plus de détails).

En 1820, le pasteur Anglais W. Cecil construisit un moteur à hydrogène (voir cette page)
Ce moteur assez complexe fonctionna à vide à 60 rpm d'une manière parfaitement régulière en démonstration publique.
Mais Cecil avait seulement pour pour but d'apporter la preuve qu'il était possible de faire fonctionner un moteur d'une façon continue grâce à la combustion d'un gaz et ce moteur resta en l'état de prototype.

En 1823, l'Anglais *Samuel Brown déposa à son tour un brevet de moteur à hydrogène. 
En  1826, il monta un moteur à 2 cylindres de 8800 cc et 4 hp (une machine à vapeur modifiée) sur un chariot qui parcourut plusieurs kilomètres avec des passagers à une vitesse moyenne de 11 km/h.
Par la suite, il créa une compagnie afin de produire des moteurs pour bateau, péniche et pompe à eau.


                                                                  le moteur de Brown

                                                             

En 1833, l'Anglais Lemuel Wellmen Wright construisit un moteur 2 temps à gaz (voir cette page).


En 1853, deux Italiens, Barsanti et Matteucci présentèrent à leur tour un moteur à hydrogène.
L'abbé Eugenio Barsanti était professeur de physique et de mathématiques et Felice Matteucci était ingénieur en mécanique. 
 

Les brevets avec les dessins de détail de ce moteur et des évolutions suivantes ont été conservés à la Fondation Bersanti et Matteucci (voir cette page).


                                             le moteur tel qu'il se présentait à l'époque

Le principe de ce moteur, inventé par W.Cecil et mis en pratique par Brown, consistait à utiliser la dépression causée par la détente rapide au refroidissement de la vapeur d'eau produite par la combustion de l'hydrogène dans de l'air humide pour exercer une force d'aspiration sur le piston.

Le fonctionnement très particulier de ce moteur 2 temps mérite un détour (une photo d'une réplique moderne):
Le temps "moteur" avait donc lieu du point mort bas au point mort haut (ces termes étant bien entendu indépendants de la disposition "tête en bas" particulière à ce moteur). L'inflammation du mélange gazeux était provoquée par un distributeur de flamme (sans compression préalable) après le point mort bas. En fait, le piston était mis en mouvement (aspiré) par la différence entre la pression négative qui régnait dans le cylindre (après une combustion très brève), et la pression atmosphérique qui s'exerçait du coté à l'air libre.
Les gaz d'échappement (composés principalement d'azote et de vapeur d'eau) étaient évacués au point mort haut. L'admission du mélange air/hydrogène s'effectuait par aspiration durant la course suivante, du point mort haut au point mort bas. 
Le refroidissement était assuré par le brassage des gaz durant cette phase.
Le ciel de culasse était constitué d'un piston auxiliaire coulissant commandé par des excentriques et des biellettes. Il avait pour rôle d'entraîner le tiroir de distribution et également de provoquer l'évacuation des gaz brûlés par pression lors de son déplacement.
A remarquer que le rendement de ce moteur était d'autant plus élevé que l'air état humide. Par ailleurs, conformément aux théories de Cecil, ce moteur à dépression fonctionnait de manière optimale avec un mélange d'environs 1 volume d'hydrogène pour 7 volumes d'air, soit 12,5 % d'H2 dans le volume total de gaz.

(les photos qui figurent ci-dessous sont celles d'une réplique non fonctionnelle en modèle réduit construite pour le musée de la fondation Bersanti et Matteucci situé à Lucca en Italie, voir cette video montrant un monocylindre en rotation)

 
 
                                   

Le système d'attelage mobile était très original (photos ci-dessous):
Les tiges de pistons comportaient chacune deux crémaillères. Les deux premières entraînaient tour à tour l'arbre avec son volant d'inertie durant les temps "moteurs" des pistons, par l'intermédiaire d'un système de pignons et de roues libres à rochet. Les deux autres crémaillères, perpendiculaires aux premières, entraînaient un pignon central assurant une liaison permanente et synchronisée entre les mouvements des pistons qui montaient et descendaient tour à tour. De plus, ce système de transformation de mouvement par crémaillères et pignons procurait un bon rendement mécanique. 

(En effet avec un tel système, le couple moteur reste proportionnel à la force exercée par la pression sur le piston durant toute sa course. Avec un système bielle-manivelle, le couple instantanné varie en fonction de la force exercée sur le piston suivant une loi sinusoïdale, avec un maximum lorsque la bielle et la manivelle de vilebrequin forment un angle de 90°)


                                                        

     
            
Au total, grâce à un rendement thermique également appréciable du fait du pouvoir calorifique (PCI) très élevé de l'hydrogène (pratiquement le triple de celui de l'essence), le rendement global de ce moteur était très convenable. Avec une cylindrée de plusieurs dizaines de litres, la puissance s'élevait 8 hp à environs 130 rpm et la consommation de gaz était modérée.

Ce moteur fonctionna pour la première fois lors d'une démonstration publique à Florence en 1856.
Il fut présenté ensuite à Londres en 1857 et connut alors une certaine renommée internationale. Le premier brevet fut validé en 1858. 
Divers développements avec une version monocylindre et une autre à pistons opposés avec des bielles et un vilebrequin (figure ci-dessous) firent l'objet de nouveaux brevets jusqu'en 1868 mais tous ne fonctionnèrent pas. La version la plus puissante atteignit 20 hp, un chiffre impressionnant pour l'époque.
 

Bersanti et Mattucci procédèrent également à des essais de moteurs conçus pour fonctionner au gaz d'éclairage au lieu de l'hydrogène.

Malheureusement, à cause du décès prématuré de l'un des deux inventeurs (l'ingénieur Matteucci), ce moteur ne connut pas le stade de la production industrielle qu'il méritait et qui était prévue. Des accords avait été conclus avec l'entreprise de mécanique belge Cockerill pour la contruction en sous-traitance d'une série de moteurs de 4 hp et des commandes avaient été passées depuis plusieurs pays d'Europe. Mais Bersanti n'étant pas ingénieur, il fut contraint d'y renoncer.

Par ailleurs, comme ceux de Cecil et de Brown, le moteur décrit ci-dessus était conçu pour fonctionner uniquement à l'hydrogène. Or à l'époque, la production de ce gaz ne pouvait se faire que par électrolyse de l'eau en utilisant des piles électriques, c'était un procédé laborieux (la dynamo fut inventée par Gramme en 1869). De plus, l'hydrogène est un gaz très inflammable donc dangereux à stocker et à transférer. C'est pour ces raisons que les moteurs à hydrogène ne connurent pas un grand développement, contrairement aux autres moteurs à gaz dont il est question plus bas.

De récents essais effectués par plusieurs constructeurs dont BMW, on démontré que l'utilisation de l'hydrogène dans un moteur d'automobile fonctionnant comme un moteur à essence n'était pas viable à cause de la consommation énorme d'hydrogène.
Par contre, des essais très satisfaisant ont été réalisés par une filiale d'Airbus sur des turbopropulseurs de petits avions à hélice et des études sont en cours pour des turboréacteurs.
Par contre, la pile à combustible qui produit de l'électricité par oxydation de l'hydrogène, est une solution efficace et des vélos électriques ainsi que de trains Suisses utilisent ce procédé zéro pollution.
Il existe aujourd'hui de nombreux procédés (pétrochimiques, biologiques ou électriques) qui permettent de produire de l'hydrogène et c'est surement le carburant écologique de l'avenir notamment avec le biogaz.

 

Le premier moteur qui connut un véritable développement industriel a été conçu par l'ingénieur Français Etienne Lenoir. 

Reprenant les travaux de Pierre Hugon, il déposa son brevet en France en 1859 sous le nom de "moteur à air dilaté par la combustion du gaz" (une photo et une autre photo). 
Ce moteur 2 temps fonctionnait au gaz de houille (le gaz de ville de l'époque). C'était un moteur à double effet sans phase de compression préalable des gaz avant la combustion. L'admission et la combustion se déroulaient successivement durant la course descendante de piston et l'échappement avait lieu durant la course montante du piston. La distribution s'effectuait au moyen de tiroirs commandés par des excentriques et des biellettes.
Quant à l'allumage il s'effectuait par un système électrique inventé par Lenoir à pile de Volta, trembleur (rupteur), bobine de Ruhmkorff et "inflammateur" (l'ancêtre de la bougie), ce qui obligeait à imprégnier régulièrement la pile avec de la saumure.
La batterie d'accumulateurs au plomb et bain de solution d'acide fut inventée par Gaston Planté la même année en 1859, mais ce n'était qu'un prototype de laboratoire.
La conception de ce moteur dérivait directement de celle des machines à vapeur, il développait 2 hp à un peu moins de 100 rpm et son rendement thermique était très faible.

Ces tout premiers moteurs 2 temps sans compression sont parfois appelés "moteurs 3 temps" (admission, combustion, échappement).
 

                     



                              


A partir de 1860, le moteur Lenoir sera construit à des centaines d'exemplaires de 1 à 4 hp destinés à des pompes ou à des usines dans lesquelles les machines étaient entraînées par des courroies à partir d'un moteur unique (voir cette illustration).
Toutefois, ce succès ne dura pas longtemps, car sa consommation de gaz était très importante en regard de sa puissance (3000 litres de gaz par cheval et par heure). Il s'avéra aussi qu'avec son système de refroidissement en circuit ouvert, il consommait une grande quantité d'eau. Il dévait donc être installé impérativement près d'une rivière ou d'un lac.

D'autres constructeurs comme Hugon proposèrent par la suite des moteurs à gaz plus économes et mieux refroidis (un exemple: le Körting à double effet).

(ce n'est qu'au début du XXe siècle que l'électricité arriva dans les usines au moyen de groupes électrogènes et à partir de 1920 en haute tension par des centrales électriques, les machines motrices d'usine disparurent alors)

La première voiture à essence de l'histoire:

En 1863, Lenoir fit construire à titre expérimental une voiture en bois à 3 roues équipée d'une version développant 1,5 hp de son moteur (un dessin de cette voiture). Elle pouvait fonctionner au gaz ou à la "benzine" (nom de l'essence à l'époque) grâce au carburateur à vaporisation par gaz chauds qu'il avait inventé en 1860. Cette voiture fut présentée en démonstration et parcourut une dizaine de kilomètres en 90 minutes (soit moins de 7 Km/h...)  Mais le moteur était trop peu puissant pour le poids de l'ensemble et ce véhicule ne fut construit qu'en un unique exemplaire.
En 1865, un moteur Lenoir à essence de 6 hp fut monté sur un bateau. Il parcourut la Seine pendant 2 annnées.

A la même époque en 1870, l'Allemand Siegfried Marcus fit fonctionner une voiture de sa conception avec de l'essence qu'il produisit en distillant du pétrole par ses propres moyens. Mais elle ne fut au point qu'en 1875 et resta en l'état de prototype unique (ci-dessous une photo d'une réplique de cette voiture et plus de détails sur cette page)

    
 

(cette voiture conservée dans un musée, la statue de Marcus ainsi que tous les documents d'époque la concernant ont été détruits sur ordre d'Adolph Hitler parce que Marcus était Juif)

Par ailleurs, Marcus fut le premier à produire de l'essence à partir du pétrole. Auparavant la benzine utilisée pour les moteurs (une sorte de pétrole lampant léger) était obtenue par distillation d'huile de baleine ou de goudron d'usine à gaz. La production industrielle d'essence de pétrole commença dans divers pays d'Europe à la fin des années 1890 dans de petites raffineries (avant les Etats Unis), lorsque les Marques de voitures de série se multiplièrent.

Les 2 temps à piston auxiliaire:

                                                   

                                            schéma du moteur de Dugald Clerk


Le prototype de ce moteur à clapets fut construit en 1880 par Dugald Clerk. Ce fut le premier moteur 2 temps efficace et il rencontra par la suite un certain succès commercial.

Un autre exemple semblable au moteur de Clerk fut conçu par Hippolyte Lepape en 1903 avec le moteur "Bichrone" adaptable à toutes sortes de bicyclettes (une photo et un dessin ).

En 1978 Motobécane monta également un second cylindre sur la 99 Z, un cyclomoteur 49,9 cc. Il était placé en dessous du vilebrequin et le piston était entraîné par un excentrique. Le but était d'augmenter le volume de gaz aspiré dans le carter et par la même occasion, ce second piston améliorait l'équilibrage dynamique du moteur.
Ce moteur suralimenté était légèrement plus puissant que le moteur standard mais il bénéficiait surtout d'un meilleur couple moteur. Mais Motobécane ne persista pas dans cette voie car en France le vitesse des cyclomoteurs fut limitée par la loi à 45 Km/h.

 

(voir plus de détails et aussi sur cette autre page).
 

Le système à carter-pompe, avec l'admission, le transfert des gaz et l'échappement contrôlés uniquement par la jupe de piston, sera inventé vers 1890 par l'Anglais Joseph Day:

Ce système fut adopté quelques années plus tard par des constructeurs de petits moteurs comme ceux des motos 2 temps, mais il fut rarement utisé sur des gros moteurs à cause des difficultés de lubrification des cylindres et de l'attelage mobile qu'il entraîne.
Le système de balayage des gaz sera amélioré par Schnürle dans les années 20 grâce à une position optimisée des différentes lumières et transferts (ports) procurant un balayage en boucle (explication sur cette page).

Les moteurs Diesel 2 temps inventés dans les années 1900 sont alimentés par des compresseurs (volumétriques ou turbo) avec un carter séparé et un vilebrequin graissé sous pression (voir ces dessins et cette page sur le principe du Diesel 2 temps à échappement par soupape).

 

                                        le moteur de Joseph Day
                            (on remarque le graissage par pompe manuelle)




Les moteurs 2 temps à gaz Otto Langen:
 

                                      une photo d'une réplique

Nikolaus Otto et son associé Eugen Langen produisirent en Allemagne à partir de 1864 des moteurs 2 temps à gaz au sein de la société Otto Langen.
Ces moteurs étaient appelés moteurs "atmosphériques" car le temps moteur était celui ou le piston redescendait sous son propre poids et sous la force de la pression atmosphérique (ces moteurs étaient montés tête en bas). La force provoquée par la combustion servait seulement à faire remonter le piston sans entraîner le volant moteur. En effet, ces moteurs ne comportaient ni bielle ni vilebrequin. Une crémaillère usinée sur la tige de piston entraînait un pignon relié au volant moteur par une roue libre.
La distribution s'effectuait au moyen de tiroirs commandes par des excentriques. Quant à l'allumage, il se faisait moyen d'un bec de gaz et d'un distributeur de flamme également commandé par un excentrique.
Ces 2 temps armosphériques étaient proches des moteurs à gaz de Bersanti et Matteucci qui tentèrent de faire valoir leur brevet mais ils furent déboutés.
Otto avait étudié de près le moteur Lenoir et les moteurs Otto Langen étaient beaucoup plus efficaces que ce dernier. Grâce à une compression des gaz avant l'allumage, leur rendement était bien meilleur et ils consommaient moitié moins de gaz que le moteur Lenoir. Toutefois de part leur principe, ces moteurs n'étaient pas très puissants, les plus importants ne dépassaient pas 3 hp.
Otto et Langen reçurent de nombreuses commandes. C'étaient des moteurs verticaux destinés à l'entraînement de machines dans des usines. En 1869, la société fut alors recapitalisée pour se donner de moyens de production plus importants dans une nouvelle usine et prit le nom de Gazmotoren Fabrik Deutz (future Deutz). 
Gottlieb Daimler, un jeune ingénieur et Wilhelm Maybach son protégé, qui construisirent plus tard leurs propres moteurs, furent embauchés comme directeur d'usine et chef du bureau d'études.

Dans les années qui suivirent, de nombreux autres constructeurs produisirent des moteurs à gaz de toutes sortes. En 1900, un gros compresseur destiné à des usines et entraîné par un moteur à gaz de 1000 hp conçu par Cockrill avec le Français Delamarre-Debouteville fut présenté à l'exposition universelle de Paris sous l'appellation "machine soufflante" (une photo).
 

Les moteurs 4 temps de Nikolaus Otto:

De son coté, Nikolaus Otto était convaincu qu'il était possible d'améliorer encore le rendement des moteurs. Après 14 années des recherches et d'essais, il parvint en 1876 à faire fonctionner efficacement pour la première fois un moteur horizontal à gaz fonctionnant suivant un cycle à 4 temps/4 stroke. L'idée consistait à répartir parfaitement les 4 phases du cycle sur 4 courses de piston.
Otto fut aidé dans ses recherches par les ingénieurs Franz Rings et Herman Schumm amenés chez Deutz par Gottlieb Daimler.
 

A noter que sur les premiers moteurs 4 temps d'Otto l'admission s'effectuait par un soupape automatique à dépression et l'échappement au moyen d'un tiroir (figure du haut ci-dessous). Par la suite, il mit au point un système d'échappement par soupape. L'arbre à cames était entraîné par un couple conique (figure du bas). Ce fut d'ailleurs l'un des tout premiers moteurs utilisant un arbre à cames
Quant à l'allumage, il s'effectuait un moyen d'un brûleur à essence et d'un distributeur de flamme commandé par l'arbre à cames (voir cette page).

                            
    

 

                    

 

Ce moteur à 4 temps chauffait moins que le moteur de Lenoir car le cylindre était refroidi par les gaz frais durant la course d'admission. De plus il était plus économe en gaz, car sur sur un 2 temps une partie du mélange carburé part à l'échappement durant le transfert des gaz. Mais surtout, grâce à la compression préalable des gaz et à la parfaite efficacité des phases d'admission et d'échappement, son rendement était excellent. Par ailleurs, il était beaucoup moins bruyant que les 2 temps. 
Le premier prototype développait 3 hp à 180 rpm, mais par la suite, Otto construisit des moteurs beaucoup plus puissants (une page au sujet d'un moteur Otto de 175 hp).
Pour ces raisons, il rencontrera un vif succès commercial. Le moteur Deutz 4 temps conçus par Otto fut également construit sous license dans de nombreux pays dont les USA.
En 1884, Deutz mit au point un carburateur breveté par Hermann Schumm ainsi qu'un système d'allumage électrique haute tension.

Nikolaus Otto déposa un brevet, mais il fut invalidé quelques années plus tard lorsque l'on découvrit que le principe du cycle à 4 temps avait été inventé en auparavant par le Français Alphonse Beau de Rochas. Il l'avait précisément décrit dans un mémoire publié en 1862, mais faute de moyens, il n'avait pu le mettre en pratique. Otto l'a "réinventé" et mis en application, mais le cycle à 4 temps est donc bien nommé "cycle de Beau de Rochas" et non "Otto cycle" comme l'appellent souvent les Anglo-Saxons.

En 1888, le Français Etienne Lenoir construisit un 4 temps moteur fonctionnant suivant le cycle de Beau de Rochas mais il ne connut pas de développement industriel.

Le cycle à 2 temps, imaginé au XVIIIe siècle et mis en pratique au début du XIXe siècle ne porte pas de nom d'inventeur car son principe n'a jamais fait l'objet d'un brevet. En fait, le moteur 2 temps a été inventé avant le moteur 4 temps, pour la simple raison que son principe était plus simple et qu'il dérivait directement de celui des machines à vapeur.
 

Avant l'invention du moteur Diesel en 1897, les moteurs fixes appelés à l'époque "moteurs stationnaires", fonctionnaient au gaz. Les usines utilisaient du gaz de ville extrait de le houille, appelé à l'époque "gaz d'éclairage" (composé d'environs 50 % d'hydrogène, 40 % de méthane et 10 % de monoxyde de carbone). Il était disponible dans certaines grandes villes depuis 1812. Le gaz naturel n'était utilisé que localement à l'époque, faute de pouvoir le transporter en grande quantités.
Le développement des moteurs à gaz dans les usines durant ces années là, est dû au fait qu'ils était moins encombrants et plus simples à conduire que les installations à vapeur avec leurs chaudières à charbon qui existaient depuis le début du 19-ème siècle. 

Une première voiture propulsée par un moteur 4 temps à essence, sera construite en France en 1884 par Edouard Delamare Deboutteville.
 

 
 

C'était une calèche propulsée par un ensemble moteur 4 temps horizontal constitué de deux blocs séparés avec les vilebrequins et la transmission par engrenages à l'air libre. La cylindrée totale atteignait de 4064 cc et il développait 8 hp à 250 rpm. Le premier moteur expérimental fonctionnait au gaz, mais l'ingénieur Delamarrre Deboutteville parvint finalement à le faire fonctionner avec de l'essence grâce au rudimentaire carburateur à mèche sur lequel il travaillait depuis 1882. Cette voiture fut construite avec l'aide de Léon Malandin le coauteur du brevet (plus de détails).
Par la suite, Delamarre Debouteville construisit un modèle perfectionné avec une transmission par chaine (photo ci-dessus). Cette voiture parcourut quelques kilomètres sur une route de la région Rouennaise à coté des ateliers de Delamarre Debouteville qui construisait des moteurs à gaz. 

A noter que l'essence est composée principalement de 84 % de molécules de carbone et 16 % de molécules d'hydrogène en masse. Sa combustion produit donc beaucoup plus de CO2 que celle du GPL qui contient moins de 40 % de molécules de carbone.

Il existait des bouteilles de gaz de ville sous pression dans le commerce, mais aucune voiture à gaz ne fut produite en série à l'époque des pionniers car l'autonomie en gaz aurait été trop faible.
Il ne fut également pas construit de tracteurs agricoles à gaz dans ces années là (par contre, il en existe de nos jours). Les tout premiers tracteurs construits à la fin du 19ème siècle marchaient à la vapeur (une photo).
En 1892, l'Américain John Froelich conçut le premier tracteur à essence produit en série (un dessin) et à partir de 1918 on vit apparaitre les premiers tracteurs à kérosène, un carburant moins cher à l'époque que l'essence (une photo). Ces moteurs comportaient un réchauffeur de kérosène et devaient être démarrés à l'essence. Quant au tout premier tracteur Diesel, il fut produit par Benz en 1923 (une photo).
 

Noter qu'avec de l'essence le rendement était inférieur à celui procuré par le gaz, car il permettait d'obtenir un mélange carburé bien plus homogène que les carburateurs rudimentaires de l'époque. Pour cette raison, le gaz fut conservé sur les moteurs fixes industriels jusqu'à l'arrivée des premiers Diesels à la fin du XIXe siècle.


Toutefois, de nos jours on trouve encore des moteurs fixes de moyenne puissance fonctionnant au gaz, par exemple sur des groupes électrogènes de secours de grands hotels ou d'hopitaux (voir un exemple). Ces moteurs qui fonctionnent avec divers gaz (gaz de ville, biogaz, etc) comportent des bougies d'allumage comme les automobiles fonctionnant à l'essence ou au GPL. Il existe aussi des moteurs Diesel "dual fuel" (gasoil ou gaz) de moyenne puissance qui sont installés sur des groupes électrogènes et aussi comme moteurs de propulsion sur des bateaux.
Par ailleurs, des véhicules utilitaires Diesel dual fuel marchant au GNV (gaz naturel pour véhicules) ou au gasoil commencent à faire leur apparition sur la route. Certains autobus de le régie des transports de Paris (RATP) fonctionnent au GNV.
De gros moteurs lents 2 temps dual fuel sont aussi installés dans des centrales électriques de moyenne puissance et également sur des bateaux. 
Le gaz de ville d'aujourd'hui est du gaz naturel (GNL) principalement composé de méthane. Il est beaucoup moins polluant quant aux résidus de combustion que le gasoil et le gaz de houille utilisé autrefois dans les moteurs.
Enfin, sur les moteurs à gaz, on observe une moindre usure des organes internes que sur les moteurs Diesel ou à essence.

En 1873, le Français Amédée Bollée construisit une voiture à vapeur appelée "L'obéissante". C'était une sorte d'autobus capable de transporter 12 passagers et elle parcourut 200 Km en démonstration. Pour ces performances, cette voiture est considérée comme l'ancêtre de l'automobile particulière (plus de détails).
Amédée Bollée fils construisit des voitures à vapeur jusqu'en 1896 avant d'adopter le moteur à essence.


La première voiture à essence fabiquée en série a été présentée par Carl Benz en 1886.

Mais malgré ses réelles qualités, le public ne fut guère enthousiasmé par cette voiture à trois roues. Elle ne fut produite qu'à 25 exemplaires (photo du modèle de série). La Benz Patent Motorwagen N° 1 était propulsée par un moteur à essence monocylindre 4 temps horizontal de 954 cc développant 0,9 hp à 400 rpm (une photo d'une réplique du moteur). La transmission s'effectuait au moyen d'une courroie et de chaines (une photo). La vitesse maxi s'élevait à 16 Km/heure.

Á lire: un essai d'une réplique fidèle de cette voiture construite récemment par Mercedes pour son musée (en s'associant en 1926 Daimler et Benz seront à l'origine de la création de Mercedes Benz)

 

 

                                           réplique moderne de la Benz Patent Motorwagen N°1

(la Benz Velo à 4 roues lancée en 1894 rencontra beaucoup plus de succès et ce fut la première voiture produite à plus de 1000 exeplaires).



En 1891 Panhard & Levassor présenta une voiture propulsée par un V-twin 4 temps:

La Panhard & Levassor Type A sera la première voiture au monde produite en grande série avec environs 200 exemplaires.
(le terme "grande série" s'entendant bien sûr compte tenu des chiffres de production de l'époque)

Ce moteur à essence construit sous license Daimler comportait un carburateur à surface inventé par Maybach (plus de détails). Dans sa dernière version poussée 1206 cc par Panhard & Levassor il atteignait 3,75 hp à 800 rpm ce qui permettait à la voiture d'approcher les 30 Km/heure.
 

                            

Environs 200 voitures de ce type furent construites dans différentes versions (P2C et P2D) de 1891 à 1896 et il s'en vendit partout en Europe et même en Russie.
Par ailleurs, en s'associant en 1926 Daimler et Benz seront à l'origine de la création de Mercedes Benz.

                  

 

En 1889, Gottlieb Daimler avait présenté à l'exposition universelle de Paris un prototype de voiture mue par un V-twin à essence 4 temps 565 cc à distribution desmodromique (plus de détails et une galerie de photos). C'est une évolution de ce moteur qui équipera la Panhard & Levassor de 1891 (une photo de V-twin Daimler).

(voir en rubrique "la distribution desmodromique" plus de détails les moteurs de Gottlieb Daimler).

A la même époque, Peugeot produisit une centaine de voitures de différents modèles (de la Type 3 à la Type 13) propulsées par des moteurs V-twin Daimler construits chez Panhar & Levassor.


Voir la liste impressionnante des Marques d'automobiles Françaises et étrangères de cette époque

En ce qui concerne l'histoire de la moto Française et étrangère de 1886 à 2004, consultez cette excellente page très complète du site de Patrice Courtade.

A noter que sans l'invention du carburateur, les automobiles n'auraient jamais connu un tel succès. A l'époque, l'essence était vendue comme dégraissant dans les drogueries et dans les pharmacies sous le nom de "ligroïne" (éther de pétrole lampant dérivé d'huile de baleine) ou "benzine" (distillat de goudron d'usine à gaz), des produits proches du white spirit.

Quant à l'avion, son invention aurait été totalement impossible sans moteur à essence. Après quelques précurseurs comme Clément Ader qui réussirent à effectuer quelques brefs bons en l'air, le premier vol signicatif fut réalisé le 17 Décembre1903 aux USA par les frères Wright qui réussirent à maintenir leur appareil, le Flyer, en l'air sur une distance de 284 mètres pendant 59 secondes (une photo).
Dès 1906, il existait plusieurs constructeurs d'avions en Europe et aux USA. C'est à cette époque que l'on vit apparaitre les premiers moteurs en étoile et un meeting aérien fut organisé à Indianapolis en 1910.

Quant au pétrole lampant, il était utilisée pour l'éclairage et comme solvant à peinture. D'ailleurs, dès le 9ème siècle, Al-Razi décrivait la distillation du pétrole au moyen d'un alambic, pout produire du pétrole lampant destiné à incendier les navires ennemis. En effet, on trouvait du pétrole en très faibles quantités dans la nature sous forme de mares à l'air libre, mais il était très peu utilisé car il ne brûlait pas à l'état brut.

Quand l'automobile commença à se développer à la fin des années 1890, elle se vendit alors sous le nom d' "essence spéciale pour automobiles" dans divers petits commerces en bidons de 5 ou 10 litres (une photo) de différentes Marques locales de raffinage de pétrole (voir ce documentent). L'indice d'octane de ces essences tournait autour de 50, à comparer avec le SP 95 (sans plomb) de nos jours
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Les premières "pompes à essence" précises n'apparaîtront que vers 1920 quand les raffineries se sont multipliées dans le Monde en même temps que les grandes Marques Américaines de produits pétroliers comme Standard Oil (aujourd'hui Esso, comme SO).

C'est à cette époque que du plomb sera ajouté à l'essence d'automobiles et d'avions. Cela permit d'augmenter l'indice d'octane de l'essence et d'adopter des taux de compression plus élevés sur les moteurs au bénéfice de la puissance. De nos jours, l'essence au plomb est interdite en Europe et aux USA (sauf pour les avions à moteur qui fonctionnent à l'Avgas 110).

 

La première moto au Monde propulsée par un moteur à essence:

En 1884, Gottlieb Daimler et son associé Wilhelm Maybach construisirent un moteur horizontal à essence de 98 cc qui comportait une système de distribution desmodromique. Par la suite, ils produisirent un monocylindre vertical de 264 cc qui développait 0,5 hp à 700 rmp (photo).
Pour tester cette invention sur un véhicule, Daimler construisit en 1885 la "Reitwagen" (littéralement voiture montée à cheval), une sorte de draisienne en bois sécurisé par deux roulettes (ci-dessous une photo d'une réplique) 
 

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Ce premier deux roues au monde équipé d'un moteur disposait de deux rapports possibles avec sa transmission par courroie comportant 2 poulies motrices. Elle pouvait rouler à 12 Km/h et le fils de Gottlieb Daimler parcourut 3 Km à son guidon lors d'une démonstration publique en Novembre 1885 (une photo de Gottlieb Daimler en personne sur son engin).
Il existe une réplique fonctionnelle de cet engin construite chez Mercedes dans les années 2000.

En 1979, l'ingénieur Italien Giuseppe Murnigotti conçut un véhicule à deux roues et deux places propulsé par un moteur 2 temps à hydrogène. Il resta en l'état de projet sur le papier et un brevet fut déposé. Mais un modèle non fonctionnel a été construit pour le musée des sciences et technologies de Milan (un dessin).

(une page au sujet de l'histoire de la moto depuis cette époque jusqu'à nos jours avec ses divers aspects et leur évolution au cours du temps)

(en ce qui concerne l'histoire de la moto française et étrangère de 1886 à 2004, consultez également cette excellente page très complète du site de Patrice Courtade)

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https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/93/ZweiRadMuseumNSU_Hildebrand_Wolfmueller.JPG/1920px-ZweiRadMuseumNSU_Hildebrand_Wolfmueller.JPG
En ce qui concerne la première moto à essence construite en série, c'est une machine Allemande:

En 1894, Hildebrand & Wolfmüller un constructeur Allemand de machines à vapeur, déposa un brevet pour une "motorrad" (moto en Français) propulsée par un bicylindre parallèle 4 temps de 1500 cc monté horizontalement et refroidi par eau. Il développait 2,5 hp à 240 rpm (plus de détails sur cette page).
Des centaines d'exemplaires furent vendus malgré un prix élevé et surtout l'absence d'embrayage et de boite de vitesse. La transmission se faisait directement par les deux longues bielles avec les manivelles de vilebrequin à l'air libre fixées au moyeu de la roue arrière. De plus détail pittoresque, étant donné l'absence de volant moteur les pistons étaient rappelés au point mort haut au moyen de bandes élastiques (voir ce dessin détaillé).
Un exemplaire de cette machine est exposé dans un musée en Allemagne.
 

En 1894, le Français Felix Millet construisit une "bicyclette à moteur" dont le moteur 5 cylindres en étoile à essence de 1924 cc était monté au milieu de la roue arrière appelée "roue soleil" par Millet. Ce moteur 4 temps refroidi par air était solidaire de la roue et tournait autour du vilebrequin fixe. Il développait 1,2 hp à 366 rpm et la machine fut chronométrée à 53 Km/h. Ce 5 cylindres est le premier moteur en étoile rotatif connu.
Deux prototypes furent construits par Millet, mais Alexandre Darracq le fabricant de vélocipèdes qui devait produire cette machine en série, y renonça à cause de sa complexité (plus détails). Ces deux machines existent toujours, l'une d'elles est exposée au musée des arts et métiers à Paris et l'autre est dans la cave d'un lycée technique.
En 1900, Darracq se lança dans la construction d'automobiles.

En 1897, les frères Werner commercialisèrent en France une bicyclette à moteur équipée d'un moteur 4 temps à essence 217 cc de 1 hp monté à l'avant (comme sur un Vélosolex) et qui entraînait la roue au moyen d'une courroie (voir cette page et des photos). 
En 1901, ils produisirent une machine plus aboutie avec un moteur de 2,5 hp placé en bas du cadre devant les pédales (une photo), ils l'appelèrent "Motocyclette" Werner (une publicité). Des exemplaires de cette moto ont été conservés. Par la suite, le nom motocyclette fut donné légalement en France à toutes les bicyclettes à moteur.
Pour les 50 cc, après les BMA (les bicyclettes à moteur auxiliaire) de l'après guerre comme par exemple la Honda Type A de 1947, le terme "cyclomoteur" (moped en Anglais) arrivera au début des années 50 lorsque les 50 cc se sont répandus en Europe. Auparavant, les petites cylindrées jusqu'à 125 cc étaient appelées "motocyclette légère" et plus tard "vélomoteur".
Les termes Allemand et Anglais "motorrad" et "motorcycle" avaient été créés en Allemagne en 1894 par Hildebrand & Wolfmüller.

Voir aussi la Holden 4 cylindres anglaise de 1897 sur cette page et une photo de son moteur 4 cylindres à plat.

 

Pour en savoir plus sur les motos anciennes, ne ratez pas cette encyclopédie de la moto sur le site "Moto-Collection" (voir ce lien).
 

Les motos à vapeur:

En 1868, Louis-Guillaume Perreaux (voir cette page à son sujet) déposa un brevet de "vélocipède rapide et à vapeur" dont la chaudière à vapeur sèche fonctionnait à l'alcool. Il monta une machine à vapeur de sa conception sur un vélocipède Michaux en bois. La transmission à la roue arrière se faisait au moyen de deux courroies (une vue rapprochée du "moteur").
 

          
 

Perreaux envisagea de produire son invention en série et la proposa à la vente mais il est peu probable qu'il ait trouvé acquéreur. Le vélocidède de Perreaux est exposée en France au musée de Sceaux. 
Il est officiellement considéré comme l'inventeur de la moto en même temps que Sylvester H. Roper qui construisit également un vélocipède à vapeur aux Etats Unis (voir cette page), il mourut d'ailleurs d'une crise cardiaque à son guidon. Cette moto se trouve de nos jours au sein d'une collection privée aux USA.
 
Diverses motos à vapeur furent produites par d'autres constructeurs par la suite (voir cette page). 

Le moteur à allumage par compression inventé par Rudolf Diesel:
 

Pardon aux amateurs de belle mécanique qui n'aiment pas les moteurs Diesel, mais d'un point de vue technique leur invention et leur évolution ne manquent pas d'interêt. Il en existe même de beaux et de très sophistiqués, voir cette photo du V12 d'avion RED A03 et cette photo du V12 de la Peugeot 908 HDI d'endurance.



Rudolf Diesel est né à Paris en 1858 dans une famille d'immigrés Allemands, il était bilingue. Il entra à l'école polytechnique de Munich en 1978, c'est alors que lui vint l'idée d'un moteur à haut rendement capable de transformer l'énergie thermique en énergie mécanique suivant un cycle différent du moteur à allumage commandé. Il débuta comme ingénieur stagiaire chez Sulzer Frères, une sociétè Suisse de construction de machines à vapeur. En 1881 à l'âge de 23 ans, il fut nommé directeur d'une usine de machines frigorifiques.

Il déposa son brevet de moteur en 1892 et grâce au soutien financier de l'industriel Alfred Krupp, il construisit son premier prototype fonctionnel en Allemagne en 1894 au sein de la fabrique de machines d'Augsbourg (future M.A.N.), il développait 20 hp à 172 rpm (une photo de ce moteur). Mais les dirigeants de cette fabrique étaient sceptiques quant à l'avenir de ce concept et ils ne donnèrent pas suite au projet.

Le combustible était injecté grâce à un système à air comprimé. Après avoir essayé du charbon pulvérisé, du pétrole lampant et diverses huiles végétales, Rudolf Diesel et l'ingénieur Français Frédéric Dyckhoff (son ami et associé qui dirigeait une fabrique de machines à vapeur) parvinrent finalement à obtenir un fonctionnement satisfaisant avec de l'huile de cacahuète en 1898. Ils pensèrent alors faire la fortune des agriculteurs mais peu après 1900, les raffineurs de pétrole se dépêchèrent d'inventer le gasoil.

En 1898, Il fondera avec Dyckhoff la Société Française des Moteurs Diesel (SFMD) tout en continuant à développer et à vendre des prototypes dans ses propres ateliers (Allgemeine Gesellschaft für Dieselmotoren) en Allemagne. Rudolf Diesel vendit peu de moteurs de sa fabrication mais son brevet se vendit rapidement dans le monde entier et il devint millionnaire.
Le moteur inventé par Rudolf Diesel présentait de nombreux avantages par rapport au moteur à gaz: il ne nécessitait pas de système d'allumage, il utilisait un carburant liquide facile à stocker et bon marché et surtout, grâce à son excellent rendement, il était économe en combustible. Par contre, il était plus coûteux à construire car ses pièces devaient être dimensionnées en fonction des pressions internes élevées.

Le premier moteur Diesel qui connut un développement industriel à été conçu en Suisse en 1898 par Sulzer Frères en collaboration avec Rudolf Diesel lui-même. Ce moteur qui servait à entraîner des machines et de grosses dynamos fut produit en 12 exemplaires.
Par la suite, Sulzer développa d'autres moteurs Diesel de plus en plus puissants.

                                               le moteur Diesel construit en 1898 par Sulzer
                                               c'était un 4 temps (4 stroke) de 20 hp à 160 rpm

                                             
Lorsque les Diesel commencèrent à se développer au début du 20e siècle, ils remplacèrent progressivement les machines à vapeur et les moteurs à gaz et ils furent utilisés sur des groupes électrogènes d'usines (à la place des moteurs stationnaires avec leurs courroies), dans *des centrales électriques et sur des bateaux à la place des antiques machines à vapeur. Là encore, la suppression des chaudières simplifiait la conduite et procurait un gain de place.

*La première centrale électrique de grande puissance, la "Pearl Street Station" (plus de détails), fut installée à New York par Thomas Edison en 1882. Elle comportait 6 énormes dynamos spécialement conçues attelées à des machines à vapeur à charbon et permettait avec une puissance maxi de 1000 KW de faire fonctionner en 110 Volts courant continu l'éclairage de quelques bâtiments de bureaux de Manhattan dans un périmètre de 800 mètre. En 1895, elle fut remplacée par une centrale plus puissante.

Le courant alternatif arrivera en 1883 grâce aux inventions de Nikola Tesla (l'alternateur) et de Lucien Gaulard et John Gibbs (le transformateur) ce qui permit de distribuer en démonsration du courant en 2000 Volts sur 80 Km.
Mais ce n'est qu'à partir des années 1920, que l'électricité sera largement distribuée dans les pays industrialisés. Des moteurs Diesel commencèrent alors à remplacer les machines à vapeur et les moteurs à gaz dans certaines petites centrales électriques. Par la suite, les centrales de grande puissance utilisèrent des turbines à gaz ou à vapeur et c'est encore le cas de nos jours.

Le premier moteur Diesel installé sur un bateau le fut à l'intiative de Frédéric Dyckhoff de la SFMD (voir cette page). Il fut construit en France en 1903 sous license par Sautter-Harlé, une compagnie industrielle de matériel électrique qui fabriquait également des moteurs à essence. 
Ce moteur conçu par Adrien Bochet un ingénieur de Sautter-Harlé, fut installé sur une péniche appelée le "Petit Pierre" et Rudolf Diesel en personne était à bord lors des essais. C'était un bicylindre horizontal 4 temps de 16,6 litres à soupapes latérales et pistons opposés qui développait 26 hp à 360 rpm (une photo d'époque). A puissance égale, il était plus petit et plus léger que les prototypes de Rudolf Diesel (ce moteur 4 temps à pistons opposés est certainement un cas unique, en général le moteurs à pistons opposés sont des 2 temps).
La marche arrière s'effectuait par un système d'inversion du sens de marche du moteur par décalage d'arbre à cames breveté par Dyckhoff en 1899.

Par la suite, la Sociéte Française des Moteurs Diesel produisit avec Sautter-Harlé des moteurs pour la Marine Nationale dont 12 moteurs de sous marin de 300 hp. Adrien Bochet fut nommé administrateur de la SFMD en 1907. En 1909, le Quevilly, un pétrolier à voiles quatre-mâts barque, se voyait recevoir deux moteurs Diesel de 300 CV, ce qui en faisait le premier grand navire de haute mer ainsi motorisé.
La SFMD fut absorbée par les chantiers navals de Normandie en 1911 et l'outillage de construction des moteurs fut déménagé à Petit-Quevilly près de Rouen.

A partir de 1897, Sautter-Harlé commercialisa des groupes électrogènes avec des petits moteurs à essence de sa fabrication. Ils furent principalement utilisés pour assurer l'éclairage sur de gros voiliers.
De 1907 à 1912 Sautter-Harlé construisit des automobiles propulsées par des moteurs à 2, 4 et 6 cylindres vendues sous la Marque "Sautter, Harlé et Cie" (plus de détails et une publicité de 1908).


En 1905, Sulzer déposa un brevet pour un Diesel deux temps, à cylindrée égale ce type de moteur était plus puissant qu'un 4 temps (voir aussi cette page).

A la même époque, le Vénoge un bateau de 36 mètres construit par Sulzer en 1905, transportait des marchandises sur le lac Léman en Suisse. Il était propulsé par un bicylindre en ligne vertical Sulzer 2 temps Type 2 D 20 à échappement par soupapes qui développait 90 hp à 260 rpm (un document et ci-dessous une photo d'un moteur bicylindre Sulzer de la même époque).
 

              
 

Une dynamo montée sur l'arbre d'hélice permettait de recharger des batteries qui avaient pour fonction d'alimenter un moteur électrique de marche arrière monté sur le même arbre. 
Ce bateau a été conservé et restauré, il navigue toujours et transporte des passagers.

(voir le site de l'association du Vénoge, la Vénoge est une rivière qui se jette dans le lac Léman)

Par la suite, Sulzer conçut un système permettant de faire fonctionner ses moteurs 2 temps dans les deux sens (moteur réversible). Ce système apportait une solution élégante pour la marche arrière et de nombreux navires furent équipés de moteurs de ce type.
A ma même époque, d'autres constructeurs comme Fiat, M.A.N. et Doxford entre autres, commencèrent à produire des gros Diesel lents 2 temps pour la marine et les centrales électriques de moyenne puissance.

Le turbocompresseur sera inventé en 1909 par Alfred Büchi, un ingénieur de Sulzer qui commença alors à expérimenter des moteurs 2 temps turbodiesel.

Mais l'arrivée des moteurs Diesel sur des camions fut retardée par le lobby des constructeurs de machines à vapeur qui réussirent à faire imposer de lourdes taxes sur le gasoil destiné à des véhicules terrestres.

C'est à la même époque qu'ont été produits en série les premiers moteurs à essence destinés à des embarcations légères. Dès 1895, Daimler commercialisa un 4 cylindres à essence de 2,1 litres et 5,9 hp destinés à des bateaux. Les premiers moteurs hors-bord, des 4 temps, furent produits en 1904 rapidement suivis par des 2 temps.

Mais les moteurs Diesel ont définitivement pris leur essor à partir des années 1920 dans le domaine des transports maritimes, de l'industrie et des centrales électriques de moyenne puissance, grâce aux inventions de Prosper L'Orange (chambre de précombustion) et de Lucien-Eugène Inchauspé (pompe d'injection mécanique améliorée par Robert Bosch en 1927).
Auparavant, le gasoil était injecté au moyen de systèmes à air comprimé.

Les moteurs Diesel rapides (plus de 300 rpm) ont alors commencé à se développer grâce à ces inventions mais des locomotives à vapeur alimentées au charbon ont continué à être construites jusqu'à la fin des années 1930. Là encore, Sulzer fut l'un des pionniers de la traction ferroviaire diesel (voir cette page).
A la fin des années 1920, on vit apparaître les premiers moteurs Diesel sur de gros avions. Ils étaient construits en aluminium (Packard aux USA et Junkers 2 temps à pistons opposé en Allemagne). Ces moteurs étaient appréciés pour leur faible consommation et pour le prix réduit du carburant.

En ce qui concerne les véhicules routiers, c'est également à cette époque que sont arrivés les premiers camions et tracteurs agricoles équipés de ce type de moteur, même si certains constructeurs restèrent longtemps fidèles aux moteurs à essence moins chers à fabriquer.
Les tout premiers tracteurs agricoles furent produits à la fin du 19ème siécle, ils étaient propulsés par des machines à vapeur (une photo) qui laissèrent rapidement place à des moteurs à essence (une photo du Big Four 4 cylindres de 1906).

En 1922 avant de s'associer avec Mercedes, Benz produira en Allemagne le premier tracteur Diesel dont le moteur bicylindre développait 25 hp à 800 rpm (une photo) et en 1923 le premier camion Diesel, son 4 cylindres 8,8 litres développait 50 hp à 1000 rpm (une photo).

Mais ce n'est qu'en 1934 que l'on verra pour la première fois un moteur Diesel sur une  automobile avec la Citröen Rosalie. Le moteur 4 cylindres Ricardo anglais de 1,77 litres (75 x 100 mm) développait 40 ch à 3500 tr/mn. Il était uniquement destiné à des petites séries spéciales de voitures commerciales (voir cette page et une photo de ce moteur).

En 1936, Mercedes lança la 260 D, une berline équipée d'un 4 cylindres 2,54 litres développant 45 hp à 3000 rpm (une photo de ce moteur).
Toutefois, ce modèle assez lourd était principalement destiné à l'armée et aux taxis du fait de sa longévité et de sa faible consommation. Celà n'empêchera pas Mercedes de la décliner en plusieurs versions dont un cabriolet.
Il faudra attendre 1959 pour voir arriver sur le marché une autre voiture à moteur Diesel avec la Peugeot 403 équipée d'un 4 cylindres Indenor 1,8 litres de 48 hp. Cette voiture connut un franc succès auprès des taxis Français et une version camionnette bâchée fut également produite. Par la suite, Peugeot proposa une motorisation Diesel sur tous les modèles qui suivirent.
Les premiers moteurs turbodiesel d'automobiles arrivèrent en 1987 avec Fiat et Audi.
 

En 1886, l'Anglais Herbert Ackroyd-Stuart inventa un moteur "à boule chaude" appelé aussi "semi-diesel" (brevet de 1890)

Sur ce type de moteur le carburant était injecté à basse pression dans une boule creuse en acier reliée à la chambre de combustion par un conduit étroit. Elle devait être partiellement remplie de carburant et préalablement chauffée à la flamme pour permettre le démarrage. La chaleur accumulée par cette boule durant la combustion combinée à celle procurée par la compression assurait l'allumage lorsque le moteur était en marche.

Le prototype de 1886 fonctionnait au pétrole lampant. Ce fut le premier moteur à combustion interne utilisant un système d'injection. Le carburant était injecté à basse pression dans la sphère par une pompe à piston à débit variable commandée par l'arbre à cames.
A partir de 1891, il fut construit en série en Angleterre par Hornsby-Ackroyd (une photo). Des moteurs à boule chaude furent alors utilisés sur des tracteurs agricoles qui furent les premiers à utiliser un moteur à combustion interne (une photo). L'un d'eux fut plus tard monté sur une locomotive par Richard Hornsby and Sons. 
Le principe de ce moteur fut rapidement combiné au cycle à 2 temps. Le graissage s'effectua alors par injection d'huile dans la pipe d'admission (plus de détails sur le fonctionnement de la version 2 temps).
Appréciés pour leur faible coût en carburant, des moteurs à boule chaude furent construits par plusieurs fabricants en Europe et aux USA dans ces années là.

Des moteurs de ce type furent construits en série de 1911 à 1925 par la compagnie Suédoise Bolinder pour des bateaux fluviaux Irlandais. Les "Type E" bicylindres développaient 15 hp. Par la suite, Bolinder a construit des moteurs 4 cylindres à compresseur de 500 hp pour des bateaux Suédois (plus de détails).
De 1932 à 1953, Bolinder-Munktell a produit des tracteurs agricoles propulsés par des moteurs 2 temps à boule chaude à 2 et 3 cylindres, les plus puissants développaient 56 hp à 1800 rpm. Par la suite, Bolinder-Munktell fut racheté par Volvo.

Des moteurs 2 temps à boule chaude furent également montés à partir de 1921 sur des tracteurs agricoles Allemands à moteur monocylindre de Marque Lanz, les "Bulldog" (une photo). Grâce à leur taux de compression réduit, ces moteurs acceptaient divers types de carburants, même les moins chers. A chaque type de carburant correspondait un type de boule.
Par la suite, ce moteur reçut des améliorations avec une pression d'injection augmentée et des tracteurs Lanz monocylindres à boule chaude de 25 hp continuérent à être commercialisés jusqu'à 1954. C'est à cause de leur difficulté de démarrage et des vibrations que ces moteurs furent abandonnés. Lanz adopta alors de classiques Diesel multicylindres.

(voir cette page et plus de détails sur le fonctionnement des moteurs à boule chaude).

Brayton avant Diesel ?

En 1872, Georges Brayton breveta aux USA un moteur 2 temps fonctionnant au fuel suivant un cycle "à pression constante".
 

                   

Le "Ready Motor" fut le premier moteur fonctionnant au fuel construit en série. Il utilisait un mélange d'air et de naphta (une sorte de fuel) effectué par un carburateur à surface. Le mélange carburé était alors comprimé dans un premier cylindre avant d'être introduit dans le cylindre de détente. Mais contrairement au moteur Diesel, il utilisait un allumage commandé constitué d'une lampe veilleuse et d'un système à grille incandescente (plus de détails). La vitesse de rotation était limitée par un système centrifuge.
Il fut commercialisé à partir de 1875 dans diverses versions à simple et double effet de 4 à 40 hp qui servirent à entraîner des machines et des dynamos. En 1881, un moteur Brayton de 15 hp fut monté avec succès aux USA sur le premier sous marin auto-propulsé au Monde (voir cette page).
En 1887, Brayton construisit un moteur 4 temps plus efficace et des essais furent effectués sur un prototype d'automobile propulsée par un moteur de 12 hp.
La production des moteurs Brayton cessa un peu après 1900 à cause de la concurrence des Diesel dont le rendement était nettement meilleur.

(le cycle de Brayton est toujours d'actualité, c'est le cycle théorique des turbines à gaz et des turboréacteurs)

Petite parenthèse en ce qui est du domaine de la moto:

Quelques rares motos à moteur Diesel ont vu le jour, très peu ont été commercialisées. En voilà quelques unes:

En 1999, Shark-Neander proposa en Allemagne une cruiser 1400 bicylindre Turbodiesel à deux vilebrequins contrarotatifs et 4 soupapes radiales par cylindre (voir la photo). C'est la seule moto diesel destinée à la série dont le moteur ait été conçu spécialement pour elle, il est l'œuvre de l'ingénieur Rupert Baindl qui a également conçu en 1996 le monocylindre 750 Suzuki BMR champion d'Europe des Supermonos en 1998. Mais malgré ses qualités et ses 112 hp, elle n'a jamais été produite en série faute de clients intéressés (plus de détails et un essai sur cette page).

Le prototype Thunder Star 1200 présenté en 2005 (une sportive Diesel !) équipée d'un moteur Volkswagen Lupo 1200 cc 3 cylindres de 60 hp à la base n'a jamais fonctionné correctement à cause des tentatives infructueuses du constructeur d'augmenter la puissance avec un turbo plus gros (une photo et un essai).

EVA un constructeur Hollandais, à produit en 2011 une moto propulsée par le moteur de la Smart, c'était un 3 cylindres turbodiesel 800 cc de 45 hp conçu par Mercedes associé à un variateur à courroie. La Track T-800 CDI vibrait beaucoup et ses accélérations étaient molles. Elle non plus n'a pas trouvé acquéreur.

L'une des seules qui se soit vendue est la Royal Enfield Taurus construite en Inde à partir de 1993. Elle est propulsée par un monocylindre de groupe électrogène Lombardini 325 cc 6,5 hp construit en Inde sous license et monté dans une partie cycle de 500 Bullet. 
On imagine ses accélérations compte tenu d'un poids de 168 Kg et sa vitesse de pointe atteint un petit 80 Km/h (voir cette page).

Extrait du site "La Moto Classic":
"On estime qu'il y a environ 80 Royal Enfield Diesel sur le territoire français, donc ce n'est pas tous les jours que vous en verrez une à vendre. La moto n'ayant jamais été importée en France, le problème, ce sont les papiers, et le seul spécialiste reconnu de l'hexagone a réussi à les faire homologuer comme véhicule de collection par la FFVE. La cote de ces machines reste assez stable, autour de 5000 €, le prix de la rareté, probablement. Le moteur est assez costaud si on l'utilise comme il se doit ; on fera juste attention aux vibrations qui ont tendance à fendre le réservoir tandis que les roulements de bras oscillant peuvent prendre du jeu pour les mêmes raisons"

Toutefois, les moteurs turbo HDI des Audi R 10 et Peugeot 908 Sport-prototypes dépassaient largement les 100 hp/litre, alors pourquoi pas une grosse moto genre BMW K 1600 GT à moteur 4 cylindres turbodiesel common rail de 130 ou 140 hp ?
Primo à puissance égale, un moteur Diesel restera toujours plus lourd qu'un moteur à essence à cause des pressions internes et du couple élévés qui obligent à dimensionner les organes mécaniques en conséquence. Restent le temps de réponse du turbo, le bruit désagréable et surtout l'odeur du gasoil à quoi s'ajoutent les fumées et les émissions de particules. Le seul maigre avantage du Diesel serait l'autonomie en carburant.

En résumé, le moteur Diesel n'est pas du tout adapté à la moto, sauf peut-être pour des machines tout-terrain destinées à l'armée comme la M 1030 M1 dérivée d'un trail bike Kawasaki KLR 650 et produite en 2004 (une photo).
 

      
 

Son moteur à été "Dieselisé" par Hayes spécialement pour le corps des Marines Américain (une photo). L'arbre d'équilibrage a été purement et simplement supprimé parce qu'il n'était plus adapté au poids du piston spécial, dommage...
La M 1030 M1 est un "tracteur" polycarburant (gasoil ou kérosène JP8) de 584 cc et 28 hp à 5500 rpm qui vibre, pèse 176 Kg à sec, plafonne à 135 Km/h mais consomme moins de 3 litres/100 Km. Les suspensions ont été adaptées au poids supplémentaire transporté par les Marines (une photo).
Une version M2 a été produite par la suite, avec une cylindrée de 670 cc elle développe 32 hp et atteint 150 Km/h. Une version de record avec un carénage a été chronométrée à 195 Km/h.
La M 1030 a été produite à 466 exemplaires et il en a été revendu par la suite dans des surplus de l'armée. On en trouve d'occasion et aux enchères aux USA avec des faibles kilométrages à partir de 5500 $, avis aux amateurs...