De Benz à Otto : le siècle de destin du moteur à combustion interne

Le périple d'un siècle d'ingénierie du moteur à combustion interne, du moteur quatre temps de Nikolaus Otto à la Patent-Motorwagen de Benz.
Le périple d'un siècle d'ingénierie du moteur à combustion interne, du moteur quatre temps de Nikolaus Otto à la Patent-Motorwagen de Benz.

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L'histoire du moteur à combustion interne commence véritablement en 1876 avec le moteur quatre temps à compression de Nikolaus Otto ; en 1886, Karl Benz transforme sa Patent-Motorwagen en automobile, et le siècle qui suit est une course à l'ingénierie ponctuée par l'architecture des cylindres, les crises de rendement et des détours comme le turbo et le diesel. Cet article suit ce siècle à travers un récit chronologique fondé sur des sources d'archives.

Points forts

  • Le brevet du cycle quatre temps a été déposé en 1862 par Alphonse Beau de Rochas ; c'est Otto qui a construit le premier moteur pratique en 1876.
  • Premier brevet automobile : 29 janvier 1886, Benz Patent-Motorwagen, numéro de brevet 37435.
  • Après l'annulation du brevet d'Otto, plus de 50 entreprises produisaient le même design en 1889.
  • En Europe, la part de marché du diesel est passée de 52 % en 2015 à 18 % en 2023.
  • La BMW 2002 Turbo, deux ans avant la Porsche 911 Turbo, est devenue la première automobile de série turbocompressée d'Europe.

De Lenoir à Otto : Pourquoi le moteur quatre temps était-il une révolution ?

Le point de départ du récit n'est pas Otto lui-même, mais la meilleure solution d'avant lui. En 1860, Étienne Lenoir avait produit un moteur à combustion interne à double effet fonctionnant au gaz d'éclairage ; mais la machine était à la fois volumineuse et inefficace : d'un volume de 18 litres, elle ne délivrait que 2 ch (environ 1,5 kW), et les trois quarts du carburant étaient perdus. Nikolaus Otto, alors commerçant itinérant, a découvert ce moteur par une annonce dans un journal et en a testé une copie en 1861. Ce que le test lui a enseigné était simple mais décisif : la compression du mélange carburé avant la combustion était la clé du rendement. Sa première tentative de compression en 1862 échoua car le moteur fut détruit en quelques minutes ; mais l'idée était la bonne.

C'est précisément là qu se produit l'épisode de brevet le plus ironique de l'histoire de l'automobile. Le brevet du cycle quatre temps - admission, compression, puissance et échappement ; quatre courses de piston sur deux tours de moteur - avait été déposé en 1862 par l'ingénieur français Alphonse Beau de Rochas, mais il n'avait jamais construit la machine. Comme c'est Otto qui a construit le premier le moteur, le cycle porte aujourd'hui son nom. Otto a ouvert la voie pas à pas, avec son fils et via NA Otto & Cie, la première entreprise mondiale de moteurs à combustion interne fondée avec Eugen Langen en 1864 : à l'Exposition universelle de Paris de 1867, son moteur atmosphérique remporta la médaille d'or ; consommant moitié moins de gaz que les moteurs concurrents, cette machine délivrait 12 % de rendement et 0,5 ch. L'entreprise déménagea à Deutz en 1869 et prit le nom de Gasmotoren-Fabrik Deutz - l'actuelle Deutz AG, le plus ancien fabricant de moteurs au monde.

Le véritable bond survint après 14 années de recherche et développement : le 9 mai 1876, Otto créa le moteur quatre temps fonctionnant selon le principe de la charge comprimée. Grâce à sa méthode dite de charge stratifiée qui rendait la combustion contrôlable, ce design atteignit la maturité commerciale dès l'automne suivant sous le nom de moteur Rings-Schumm et devint la première machine commerciale à succès utilisant la compression interne. Grâce à sa fiabilité, son rendement et son fonctionnement relativement silencieux, plus de 30 000 moteurs à cycle Otto furent produits en 10 ans. Le saut technique révélé par ce chiffre est clair : le passage à la compression fit passer le rendement de 5 % à 15 % dans la période 1880-1890 ; soit une amélioration d'un facteur trois par rapport aux moteurs de l'ère de la vapeur, dont le rendement était inférieur à 5 %. Le cycle à quatre temps à allumage par étincelle fait encore fonctionner aujourd'hui la majorité des automobiles sur les routes.

L'épilogue juridique de l'histoire est lui aussi instructif. En 1886, le brevet d'Otto fut annulé à la suite de la découverte du brevet plus ancien de Beau de Rochas ; Deutz ne put prouver au tribunal que son propre système de charge en couches différait du brevet français. Le résultat fut libérateur pour l'ingénierie : dès 1889, plus de 50 entreprises fabriquaient des moteurs de conception Otto. Cette tension classique entre invention pratique et priorité de brevet ouvrit la porte à toute l'industrie de l'époque. Un côté du débat reste d'ailleurs vivace : en France, le cycle est parfois appelé "cycle de Beau de Rochas", et d'autres soulignent la part de Reithmann - les contributions des trois inventeurs ne sont pas des alternatives, mais des compléments.

La route vers l'automobile : Daimler, Maybach et la Patent-Motorwagen de Benz

Otto voulait des moteurs grands et fixes ; le directeur technique de Deutz, Gottlieb Daimler, et le concepteur en chef Wilhelm Maybach visaient quant à eux à rendre le moteur mobile, c'est-à-dire à le réduire suffisamment pour l'installer sur des véhicules. Cette différence de philosophie de production conduisit le duo à quitter l'entreprise en 1882. Le fruit de cette séparation fut rapide : en 1883, un petit moteur efficace de 0,5 ch, et en 1885 le premier moteur à essence à haut régime, surnommé la "Grandfather Clock" (horloge de grand-père). Le Daimler Reitwagen, construit autour de ce moteur, fut le premier véhicule à moteur à combustion interne.

Quant à l'acte de naissance de l'automobile, il fut signé non pas à Cologne, mais à Mannheim. Karl Benz entra dans l'histoire avec le brevet numéro 37435 qu'il déposa le 29 janvier 1886 pour un "véhicule à moteur à gaz". La Benz Patent-Motorwagen, achevée en 1885 ; était un véhicule léger à trois roues propulsé par un moteur à essence monocylindre, et elle portait deux titres à la fois : première véritable automobile à moteur à combustion interne à essence et première automobile entrée en production en série. Avant Benz, la page n'était évidemment pas vierge - les tentatives de véhicules à moteur se poursuivaient depuis près d'un siècle, y compris le véhicule à vapeur de Nicolas-Joseph Cugnot en 1769 ; mais la ligne allant de la machine de Lenoir, avec ses 4 % de rendement, au cycle à compression d'Otto ne déboucha sur la route qu'avec l'essence et le châssis léger de Benz.

Il faut aussi noter la part de Deutz dans cette chaîne : le carburateur développé en 1884 et le système d'allumage basse tension fiable permirent pour la première fois l'utilisation du pétrole liquide comme carburant dans les moteurs. Le carburant de l'automobile naquit comme un sous-produit technique. La lignée de Daimler et Maybach fut couronnée à la fin des années 1890 par l'automobile développée pour Emil Jellinek : Son moteur de 35 ch permettant d'atteindre environ 90 km/h, le véhicule portait le nom de Mercedes, la fille de Jellinek. Le jugement de l'époque était impitoyable - la première voiture de Benz, dans les années 1880, était une bien mauvaise alternative au cheval ; mais le progrès qu'elle avait initié s'est approfondi sans interruption pendant un siècle.

Architecture des cylindres : Que nous disent les configurations en ligne, en V et à plat ?

Tant que le cycle d'Otto est resté constant, un siècle de compétence s'est surtout joué sur la manière dont les cylindres étaient agencés. Il existe trois configurations de base, chacune répondant à une priorité d'ingénierie différente :

  • En ligne (inline) : Les cylindres sont disposés en une seule rangée. C'est simple et équilibré ; le prix à payer est la longueur - à nombre de cylindres égal, le bloc occupe nettement plus de place qu'en configuration en V.
  • V : Les cylindres sont disposés en angle sur deux rangées ; un V8 est typiquement construit avec un angle de 60°–90°, avec deux rangées de quatre cylindres chacune. Il réduit la longueur et permet un compartiment moteur compact.
  • Flat (boxer, cylindres opposés horizontalement) : L'angle entre les rangées est de 180°. Avec son centre de gravité bas et son équilibre vibratoire, il offre un profil équilibre-performance différent dans les applications axées sur la performance.

La correspondance historique de ce triangle se précise aussi : avant et après la guerre, les cylindrées et les nombres de cylindres ont grossi ; dans les années 1970, le moteur par défaut du marché américain était presque entièrement le V8. Les chocs pétroliers que nous verrons ci-dessous ont produit la pression qui a renversé ces choix d'architecture du jour au lendemain.

L'ère de la voiture compacte d'après-guerre : La Coccinelle, la Fiat 500 et la Mini

Après les deux guerres mondiales, l'histoire du moteur s'est écrite non pas en grand, mais en petit. La voiture familiale de l'Europe d'après-guerre, la Volkswagen Coccinelle - officiellement la Type 1 - produite sans interruption entre 1938 et 2003, a défini avec son refroidissement par air et son moteur arrière le gabarit de la petite voiture de l'époque. Cette configuration a eu une influence directe : l'originale Fiat 500 est partie de l'architecture de la Beetle de 1938 pour son inspiration et, en vendant 3,4 millions d'exemplaires entre 1957 et 1975, est devenue une icône. La Mini, elle, est arrivée en 1959. Le dénominateur commun des trois n'était pas la cheapeté, mais la fiabilité et la simplicité ; les petites voitures européennes de l'époque classique étaient autrefois considérées comme le sommet de la simplicité et des faibles coûts d'utilisation. En langage d'ingénierie, c'est le nom donné à l'époque où réduire le nombre de cylindres et la cylindrée tout en accroissant la fiabilité est devenu plus vendable qu'augmenter la puissance.

Comment le choc pétrolier de 1973 a-t-il changé la conception des moteurs ? Le downsizing et la révolution du turbo

1973 petrol krizinin ardından turboşarj devrimini başlatan BMW 2002 Turbo, Avrupa'nın ilk seri üretim turboşarjlı yol otomobili olarak tarihe geçti.

En 1973, l'embargo de l'OPEP a d'abord doublé, puis quadruplé le prix du baril et montré dans toute sa nudité à quel point la flotte automobile américaine, avide de carburant, était fragile. La terminologie de la conception des moteurs est née de ce choc : le concept de Malaise era qui définit la période commence avec la flambée soudaine du coût de l'essence ; les constructeurs ferment l'ère des carrosseries et des moteurs surdimensionnés et se tournent vers l'efficacité. Aux États-Unis, les cylindrées des V8 par défaut ont été réduites de presque moitié ; l'origine de ce que nous appelons aujourd'hui le "downsizing" remonte exactement à la crise de l'OPEC. L'historique corporatif de Toyota confirme la même douleur : la baisse de l'offre de pétrole et la hausse des prix avaient encore alimenté la pénurie de matériaux et de produits de l'époque.

La réponse à la contrainte d'efficacité côté performance fut de récupérer l'énergie des gaz d'échappement : le turbocompresseur. Trois noms sont considérés comme les pionniers de cette révolution et voici la chronologie :

  1. BMW 2002 Turbo - présentée au Salon de l'automobile de Francfort 1973, après trois ans de développement ; doté d'un moteur M10 SOHC inline-4 de 2,0 litres (1990 cc) avec turbocompresseur KKK et injection Kugelfischer, il devint la première berline de série turbocompressée d'Europe, deux ans avant la solution similaire de Porsche.
  2. Porsche 911 Carrera Turbo (930) - a placé le turbocompresseur au centre de l'identité performance de la marque.
  3. Saab 99 Turbo - en 1978, en transportant le turbo dans une simple berline familiale, il a créé un public de passionnés qui allait durer des décennies ; la Volvo 240 Turbo a suivi cette même lignée pragmatique.

La lecture équilibrée est la suivante : si la 2002 Turbo et la 911 Turbo ont fait du turbo un symbole de performance, la 99 Turbo et la 240 Turbo l'ont transformé en un luxe d'usage quotidien. L'impact global du trio pionnier fut de faire passer le turbocompresseur d'une technologie de course de niche à un outil d'efficacité grand public - l'élégante réponse à la nécessité que la crise pétrolière imposait à l'ingénierie.

L'Ascension du Diesel et sa Chute avec le Dieselgate

À la fin du vingtième siècle, le diesel était l'un des chevaux de bataille de l'efficacité ; au premier quart du vingt-et-unième siècle, elle s'est transformée en crise de fiabilité. Le tournant : septembre 2015 : dans le scandale du Dieselgate, Volkswagen a installé dans des millions de véhicules diesel un logiciel de triche appelé "defeat device" destiné à tromper les tests d'émissions du monde entier. Selon les constats de l'EPA américaine, l'entreprise a violé le Clean Air Act avec environ 590 000 véhicules diesel des années-modèles 2009-2016. La littérature scientifique confirme que le logiciel frauduleux produisait illégalement de faux résultats d'émissions de NOx. Le scandale ne se limite pas au dossier d'une seule entreprise ; il est admis comme une connaissance répandue dans le secteur que de nombreux constructeurs ont arrangé leurs valeurs de CO₂ mesurées et leur consommation de carburant. Après le scandale, VW a suspendu les ventes de ses modèles diesel actuels jusqu'à l'arrivée d'une technologie capable de satisfaire les nouvelles normes.

Le résultat est mesurable et sévère. En Europe, la part de marché des voitures diesel est passée de 52 % en 2015, année de l'explosion du scandale, à 18 % en 2023 ; sur la même période, la part des véhicules électriques a rapidement augmenté. Dire que le diesel est "mort" serait exagéré, mais la fin d'une ère sur le parc automobile européen est indiscutable - et cette clôture a créé le vide principal qui a ouvert la voie à l'essor de l'électricité.

La Route de Traverse : le Moteur Wankel et les 45 Ans d'Obstination de Mazda

Le détour le plus cherché en dehors du chemin principal est le moteur rotatif de l'ingénieur allemand Felix Wankel ; son origine remonte à son concept de 1929 et a mûri dans les années 1950. Cette idée élégante, qui établit le cycle de travail avec un rotor tournant au lieu d'un piston et d'un cylindre, a trouvé son fidèle partisan au Japon : Mazda, en signant en 1959 un contrat de développement avec NSU, s'est engagée tôt et durablement. L'aventure rotary a commencé en 1967 avec la Cosmo Sport (Mazda 110S) ; elle s'est poursuivie jusqu'à la fin des années 1960 avec des modèles comme la R100, et au cours des 45 années suivantes, le moteur a été mûri en augmentant les cylindrées et en ajoutant la turboalimentation. Bien qu'il soit resté en marge du courant principal, le Wankel vit dans la mémoire de l'ingénierie comme la lignée expérimentale la plus longue, prouvant que le cycle d'Otto n'était pas la seule alternative.

L'explosion japonaise : Comment la crise pétrolière a changé le maître de l'époque ?

La dernière grande rupture du siècle s'est produite dans la géographie de la production. Dans les années 1970, alors que les voitures japonaises étaient encore considérées comme un tabou par les générations précédentes, la question de savoir si la crise pétrolière de 1973 a déclenché cette explosion reste débattue aujourd'hui. Les deux extrémités du débat sont claires : d'un côté, la crise a fait des véhicules économes en carburant et à petit moteur le produit le plus recherché au monde du jour au lendemain ; d'autre part, l'ascension des constructeurs japonais ne peut pas être réduite à un simple choc pétrolier tarifé. Toyota traite sa réponse à la première crise pétrolière comme un chapitre distinct de son histoire d'entreprise - autrement dit, elle affirme que ce fut un tournant systématiquement pris en compte dans la stratégie de l'entreprise, et non un vent fortuit de la crise. Vu avec les yeux de l'ingénieur, l'équation est cohérente : l'efficacité était devenue un paramètre de conception, et à partir de 1973, la culture qui gérait le mieux ce paramètre a hérité du marché de l'époque. Que certains des pionniers du turbo soient des constructeurs européens axés sur l'efficacité comme Saab et Volvo constitue le volet européen de cette même logique.

Conclusion : Le présent d'un cycle de 150 ans

La lignée qui va de la machine d'Otto de 1876 au compartiment moteur vidé après le Dieselgate se lit selon une seule logique : la contrainte de chaque époque a écrit la priorité de conception de la suivante. Le rendement de 4 % de Lenoir a imposé la compression ; la compression a donné naissance à l'automobile ; la pénurie d'après-guerre a fait rétrécir ; la crise pétrolière a imposé l'efficacité et le turbo ; les réglementations sur les émissions ont d'abord glorifié le diesel puis l'ont fait chuter. Le cycle quatre temps à allumage par étincelle roule toujours sur les routes - mais il appartient à celui qui lit l'histoire d'ajouter que la ligne d'arrivée de cette course de 150 ans est désormais tracée en électrique.

Sources