L’un des premiers exemples de conversion d’un mouvement rotatif en mouvement alternatif est le mécanisme à manivelle. Les premières manivelles sont apparues en Chine pendant la dynastie Han (202 av. J.-C. - 220 apr. J.-C.).
Plusieurs scieries en Asie romaine et en Syrie byzantine au cours des IIIe-VIe siècles après J.-C. utilisaient des mécanismes à bielle pour transformer le mouvement rotatif d'une roue hydraulique en mouvement linéaire qui entraînait les lames de scie.
Invention du vilebrequin
En 1206, l'ingénieur arabe Al-Jazari perfectionna ce principe en inventant le vilebrequin, un élément clé des moteurs alternatifs modernes. Ses travaux sur la transmission du mouvement ont jeté les bases du développement des moteurs à combustion interne des siècles plus tard.
Le vilebrequin a été inventé dans l'Antiquité, mais son développement a traversé plusieurs étapes.
Les premiers exemples de mécanismes similaires se trouvent dans la Rome antique, où l'ingénieur Philon de Byzance (IIIe siècle av. J.-C.) décrit des dispositifs utilisant un système de bielles et de manivelles. Cependant, ce n’était pas un vilebrequin complet.
Qui a inventé le vilebrequin ?
La conception la plus proche du vilebrequin moderne est apparue au IXe siècle, grâce à l'ingénieur musulman Al-Jazari (1136-1206). Dans son livre « Le livre de la connaissance des dispositifs mécaniques ingénieux », il a illustré un mécanisme de vilebrequin et de bielle, utilisé dans l'une de ses machines hydrauliques. Ce fut une étape clé dans l’évolution du vilebrequin tel que nous le connaissons aujourd’hui.
Le développement du vilebrequin moderne s'est produit avec la révolution industrielle, en particulier avec l'avènement des moteurs à combustion interne au XIXe siècle. Ici, des noms comme James Watt et Nikolaus Otto ont joué un rôle clé dans son perfectionnement et son application dans les machines et les automobiles.
Evolution des moteurs à pistons
Les moteurs à piston ont joué un rôle fondamental dans l’histoire de l’énergie mécanique. Un moteur à piston libre est un type de moteur à combustion interne dans lequel le mouvement du piston n'est pas contrôlé par un vilebrequin, mais par l'interaction entre les forces des gaz de la chambre de combustion, un dispositif de rebond et un dispositif de charge.
L'énergie générée dans ces moteurs est extraite de la pression des gaz d'échappement pour entraîner une turbine, faire fonctionner un compresseur d'air ou générer de l'électricité grâce à un alternateur linéaire intégré aux pistons.
Le développement des moteurs à piston s'est accéléré en Europe au cours du XVIIIe siècle, en commençant par les moteurs atmosphériques, puis avec la machine à vapeur de James Watt. Cette invention a révolutionné l’industrie et les transports, facilitant la création de chemins de fer et de bateaux à vapeur.
Au cours du XIXe siècle, de nouvelles innovations sont apparues telles que le moteur Stirling et le moteur à combustion interne, qui sont devenus la technologie dominante au XXe siècle. Son application dans les automobiles, les navires et l’aviation a permis de grands progrès dans la mobilité et le commerce mondial.
Actuellement, les moteurs à combustion interne alternatifs fonctionnent à l’essence, au diesel, au gaz de pétrole liquéfié (GPL) ou au gaz naturel comprimé (GNC) et sont essentiels à la propulsion des véhicules et à la production d’électricité.
Première génération de moteurs à pistons libres
Le moteur à piston libre moderne a été proposé par RP Pescara et était initialement utilisé comme compresseur d'air à piston unique.
Pescara a créé le Bureau Technique de Pescara pour le développement de ces moteurs, avec Robert Huber comme directeur technique de 1924 à 1962.
Entre 1930 et 1960, plusieurs moteurs à pistons libres de première génération ont été développés, notamment ceux de conception opposée, dans lesquels deux pistons étaient liés mécaniquement pour assurer un mouvement symétrique.
Ces moteurs offraient des avantages tels que des vibrations plus faibles et une plus grande compacité par rapport aux moteurs conventionnels, et étaient utilisés dans des applications industrielles et militaires.
Moteurs alternatifs en vedette à travers l'histoire
Au fil du temps, divers moteurs alternatifs ont marqué des étapes importantes dans l’ingénierie mécanique.
- Moteur radial Pratt & Whitney R-4360 « Wasp Major » (Seconde Guerre mondiale) : Ce moteur 28 cylindres de 3 500 ch (2 600 kW) a propulsé la dernière génération de gros avions à moteur à pistons avant l'adoption généralisée des moteurs à réaction et à turbopropulseurs en 1944. Avec une capacité totale de 71,5 L (27,4 gal), il était remarquable pour son rapport puissance/poids élevé et a permis la construction de bombardiers et de transports aériens plus efficaces.
- Moteur diesel Wärtsilä-Sulzer RTA96-C (2006) : Considéré comme l'un des plus gros moteurs alternatifs en production, ce moteur turbocompressé est utilisé dans les plus grands porte-conteneurs tels que l' Emma Mærsk . Dans sa version 14 cylindres, il mesure 13,5 m de haut, 27 m de long et pèse plus de 2 300 tonnes, générant plus de 84,42 MW (114 800 ch). Chaque cylindre a une capacité de 1 820 L, soit un total de 25 480 L pour les versions plus grandes. Son efficacité permet de transporter de grands volumes de marchandises avec une consommation de carburant optimisée.
Impact et avenir des moteurs alternatifs
Les moteurs alternatifs ont été à la base de la révolution industrielle et du développement technologique des transports terrestres, maritimes et aériens. Son évolution a permis l’expansion des réseaux ferroviaires, l’essor de l’aviation commerciale et la mondialisation des échanges.
Malgré l’essor des technologies électriques et à hydrogène, les moteurs à combustion interne continuent d’évoluer avec des améliorations d’efficacité et de réduction des émissions polluantes.
Les recherches actuelles explorent de nouveaux carburants tels que l’hydrogène, les biocarburants et les carburants synthétiques pour prolonger la durée de vie des moteurs alternatifs dans le cadre d’un modèle énergétique plus durable. De plus, la combinaison de moteurs thermiques avec des technologies hybrides pourrait permettre une transition progressive vers l’électrification des transports sans perdre les avantages des systèmes actuels.
L’avenir des moteurs alternatifs dépendra de leur capacité à s’adapter à des réglementations environnementales plus strictes et à la recherche de matériaux plus légers et plus efficaces. Son héritage dans l’histoire de l’ingénierie continuera d’être fondamental dans l’évolution de la mobilité mondiale.