Principes de base & terminologie

Dans toute machine à vapeur, la vapeur sous pression en agissant sur la tête d’un piston le repousse et génère donc un mouvement rectiligne, en général converti en un mouvement de rotation par un système conventionnel bielle/vilebrequin. A la fin de la course, la pression est relâchée et le piston revient à sa position originelle sous l’effet d’un volant d’inertie (moteur à simple effet) ou de la pression de la vapeur injectée cette fois sur l’autre face du piston (moteur à double effet).
Il y a donc deux phases principales distinctes : « Admission » & « Échappement » et il faut avoir un système de « vannes » correspondantes. Le schéma de principe est assez simple :



On remarque qu’il y aura un certain volume qui subsistera, même avec le piston en position haute et vannes fermées. On l’appelle « Espace mort ».
Regardons ce qui se passe durant un aller et retour complet du piston, c’est à dire un cycle :



- Le piston étant en position haute, la vanne d’admission vapeur est ouverte, la vanne d’échappement est fermée.
- Le piston descend sous l’effet de la pression jusqu’à pleine course et arrive en position basse.
- La vanne d’admission vapeur est alors fermée et la vanne d’échappement est ouverte. La pression tombe vers la pression atmosphérique et le piston remonte vers la position haute, vidant toute la vapeur du cylindre.
- En fin de cycle l’espace mort est alors à pression atmosphérique.

Il y a deux points particuliers dans le cycle :
- Ce sont ceux où la bielle est alignée avec l’axe du vilebrequin.  Dans ces positions, aucune force appliquée au piston ne générera une rotation du vilebrequin. On les appelle des points « morts ». Il y a deux points morts :
. L’un lorsque sur le schéma le piston est en position haute avec le volume du cylindre à sa valeur minimum. On l’appellera le « Point Mort Haut » ou « PMH ».
. L’autre lorsque sur le schéma le piston est en position basse avec le volume du cylindre à sa valeur maximum. On l’appellera le « Point Mort Bas » ou « PMB ».

Note : Aux débuts historiques de la vapeur, la majorité des machines était à « balanciers » et les cylindres étaient inversés, la bielle sortant vers le haut ; les machines marines entraînaient des roues à aubes dont l'arbre était situé sur le pont. La machine était donc placée dans la cale mais dans une position à l'envers par rapport aux machines qui ont entraîné par la suite une hélice. Dans les anciennes publications les concepts de point haut et bas sont donc eux aussi inversés. Même chose sur les pieds et têtes de bielle. Dans toutes les explications à venir, nous conserverons la notation expliquée ci-dessus et qui est plus intuitive avec nos petites machines usuelles.

Quelques remarques sur ce principe de base :
- La vitesse du piston contrairement à la vitesse angulaire du vilebrequin n’est pas constante et linéaire. C’est une fonction sinusoïdale, nulle aux points morts haut & bas, maximum à mi-course.
- Aux points morts, le piston est stoppé et inverse sa course avec tous les efforts mécaniques que cela peut engendrer pour absorber l’inertie des pièces en mouvement.