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Moteur à air comprimé
Un moteur à air comprimé est un moteur tirant sa puissance mécanique de la détente d'air comprimé préalablement stocké dans un réservoir.
Sommaire
Principe
Les systèmes pneumatiques
Pour mieux comprendre les principes conceptuels de fonctionnement des systèmes pneumatiques, il faut se libérer dès le départ de la confusion existant entre le principe de détente de l’air comprimé et celui de la force exercée par celui-ci sur les parois de son conteneur.
La plupart des systèmes pneumatiques actuels sont dits « systèmes ouverts » car reposant simplement sur la possibilité d’expansion volumique du mécanisme grâce à la détente de l’air comprimé dans l’atmosphère.
Par exemple, dans les vérins double-effet, la mise sous pression d’une première chambre compensée par l’expulsion de l’air contenu dans la seconde, crée un différentiel de pression entre les deux chambres, exerçant ainsi une force sur la surface du piston telle que F = (P1 - P2) * S.
Toutefois, il est important de remarquer que la vitesse de déplacement du piston, sur une période de temps donnée, est également fonction de la capacité de « débit » des valves d’injection et/ou d’éjection.
À l’inverse, les systèmes composés de une ou plusieurs chambres, utilisés en milieu fermé, forment des « systèmes isolés ».
Ici, par exemple dans les amortisseurs, le fonctionnement du système repose sur les variations de compression de l’air contenu, consécutif à l’enfoncement forcé du piston.
Dans la chambre, volume et pression sont inversement proportionnels, conformément à la loi de Boyle-Mariotte, pour une quantité de gaz déterminée (P * V = Constante).
La force exercée par le piston se voit ainsi directement compensée par la force de pression de la chambre qui rééquilibre le système en faisant varier son volume, donc en fait la longueur de la chambre (F = Constante / d').Plus la quantité d’air contenue dans le volume initial de la chambre est importante et donc sa pression, moins le piston devra se déplacer pour retrouver le point d’équilibre de l’ensemble. Nous parlerons ainsi de la « force pneumatique » exercée par le système pour compenser la poussée externe.
De manière générale, les systèmes ouverts permettent d’exercer leur force pneumatique sur leur environnement, à l’inverse des systèmes isolés qui l’utilisent pour réagir aux contraintes extérieures.
Application aux véhicules
Historique
L'utilisation de la détente de l'air comprimé comme force motrice remonte à l'époque du développement des chemins de fer où, dans certaines situations, comme les réseaux miniers et urbains, il était nécessaire d'éviter les risques et pollutions inhérents à la locomotive à vapeur ordinaire.
Les premiers systèmes de Tomlinson (1820) aux États-Unis ou d'Andraud (1830) en France furent des échecs, car l'air comprimé circulait dans une conduite le long de la voie et la locomotive devait être équipée pour le prélever en continu.
Un nouveau système conçu par Andraud et Tessier de Motay, à Paris, en 1840, où la locomotive était équipée d'un réservoir que l'on remplissait en certains points du réseau, prouva la faisabilité du système.
Les premières applications pratiques de véhicules à moteur à air comprimé, sur rail, datent du percement de tunnels ferroviaires (1872) et de quelques expérimentations de tramways. Malheureusement, le refroidissement du cylindre moteur par la détente de l'air comprimé transformait l'humidité de l'air moteur en cristaux de glace qui occasionnaient des blocages.
C'est l'ingénieur Louis Mékarski qui perfectionna le système, en associant l'air comprimé et l'eau surchauffée sous pression, et le rendit tout à fait opérationnel en vue d'équiper des réseaux de tramways. Il fut utilisé dans les tramways parisiens de 1876 à 1879 sur le réseau des Tramways-Nord. Dès 1878 l'ensemble du réseau des tramways nantais étaient équipés de véhicules à air comprimé qui donnèrent satisfaction jusqu'en 1917.
À partir de 1890, d'autres villes s'équipent en tramways Mékarski comme Vichy (1895), Aix-les-Bains (1896), La Rochelle (1899) et Saint-Quentin (1901).
Des locomotives Mékarski étaient également en service sur l'Arpajonnais pour la desserte nocturne « silencieuse » des Halles de Paris jusqu'en 1933.
Locomotive à air comprimé Porter, construite en 1923, utilisée par la mine d'or Homestake, South Dakota, USA.
Un des projets de métro aérien de New York devait utiliser des locomotives à air comprimé et eau surchauffée. Le moteur fonctionnait au freinage en récupération d'énergie, pour recharger le réservoir d'air comprimé et réchauffer le réservoir d'eau.
À partir de 1896, la H K Porter Company de Pittsburgh mit sur le marché les locomotives à air comprimé inventées par Charles B. Hodges. Le moteur à double puis triple expansion (cylindres à haute et basse pression) était complété par un échangeur de chaleur atmosphérique. L'air comprimé refroidi par la première détente était réchauffé par l'air ambiant, ce qui rendait inutile le dispositif à eau surchauffée et améliorait grandement le rendement global. Des milliers de locomotives Porter équipèrent les mines de charbon de l'est des États-Unis jusqu'aux années 1930. D'autres constructeurs dans le monde entier ont produit en grande quantité des machines similaires pour les mines et les usines d'industries qui ne tolèrent pas la fumée ni la poussière. L'autonomie augmenta avec la possibilité de construire des réservoirs d'air à très haute pression (jusqu'à 250 bars). Ces machines ont servi jusqu'aux années 1950, avant d'être dépassées par le développement de moteurs à gaz peu polluants et de meilleurs accumulateurs électriques.
La mise en œuvre sur l'automobile a fait aussi l'objet de quelques réalisations. Efficace et beaucoup moins polluant (par les composants de ses batteries) que le véhicule électrique, mais souffrant aussi d'une autonomie limitée, le concept semble oublié du monde « écologique » et ne bénéficie pour l'instant d'aucun lobby industriel pour sa promotion et son développement.
Plusieurs sociétés travaillent sur l'application du moteur à air comprimé pour l'automobile. Plus de renseignements dans la catégories Référence en bas de la page.
L’environnement
Au départ, la réflexion repose sur le souhait de pouvoir utiliser à faible coût une énergie non polluante que l’on puisse transformer et stocker facilement pour motoriser un véhicule.
D’autre part, cette propriété amène à constater qu’il faut donc préalablement convertir l’énergie en pression et que, comme toute conversion d'énergie, la transformation énergie / air comprimé entraîne des pertes.
On peut se laisser tenter par cette technologie du fait que le moteur à air comprimé offre un bien meilleur rendement qu'un moteur à combustion interne[réf. nécessaire] (ce rendement étant le rapport entre l'énergie contenue dans le réservoir et l'énergie qui est transmise aux roues motrices), de plus, un moteur à air comprimé n'entraine aucune pollution lors de la traction.
Le vieillissement des réservoirs est réduit par la corrosion moindre de l'air, leur recyclage ne pose pas de problème particulier. Ajoutons que l'échappement et les éventuelles fuites ne causent pas non plus de pollution.
Les recherches actuelles
Une solution pourrait être alors d'améliorer l'intégration sans modifications majeures des infrastructures pour les moteurs à air comprimé. Deux entreprises s'y emploient actuellement, l'une coréenne Energine[1], l'autre française MDI[2] dirigée par le motoriste Guy Nègre. Un nouveau venu, Régis Munoz, vient d'inventer un moteur rotatif qui fonctionne également avec de l'air comprimé. Ce moteur rotatif peut fonctionner en moteur roue comme un moteur électrique.
Les ingénieurs de la première société ont pu réaliser, à partir d'une Daewoo Matiz, un prototype hybride moteur électrique/moteur à air comprimé (PHEV, Pneumatic Hybrid Electric Vehicle). Le moteur à air comprimé sert en fait à entraîner un alternateur qui fournit l'électricité prolongeant l'autonomie du véhicule. L'automobile est fonctionnelle, de nombreux journalistes ont pu l'essayer pour en témoigner. L’aspect négatif restant est l'autonomie restreinte par les capacités de stockage des batteries électriques actuelles.
Quant à la seconde entreprise, française, sa technologie diffère. Le moteur à air comprimé est le moteur principal, secondé en cas de besoin de puissance supplémentaire par un moto-alternateur. La mise au point de l'ensemble continue. Les applications possibles sont nombreuses (automobiles, marines, industrielles...).
Un nouveau venu dans ce secteur, K'Airmobiles[3], propose des véhicules à air comprimé écologiques. À ce jour deux prototypes de véhicules à assistance pneumatique ont pu être réalisés et les responsables cherchent maintenant à se donner les moyens de développer plusieurs projets de véhicules urbains ou de loisir entièrement à propulsion pneumatique. La technologie utilisée est différente de celles utilisées par MDI et Energine et permet une autonomie parfaitement raisonnable, le plus généralement avec des réservoirs d'air comprimé d'une capacité de 50L à 200 bars.
Un autre projet d’étude a amené l’Université de Reims à construire l’« Air-Bike[4] ». Bien qu’opérationnel, cet engin présente néanmoins un sérieux handicap : la dimension énorme du réservoir pour une autonomie réduite.
Enfin, des chercheurs Québécois proposent la Quasiturbine qui s'inspire de la turbine, perfectionne le piston et améliore le moteur rotatif. Un prototype de Go-Kart à air comprimé assez satisfaisant, bien que peu puissant et toujours d’autonomie limitée, a pu ainsi être présenté en automne 2004 à Montréal, suivi d'un prototype de petit véhicule.
Autres applications
L'énergie du marteau-piqueur professionnel est, depuis l'origine, l'air comprimé. Des moteurs à air comprimé sont largement utilisés dans le fonctionnement d'appareils d'ateliers ou de laboratoires : visseuses, perceuses, fraise de dentiste, etc.
Références
Liens internes
Liens externes
- (fr) Moteur rotatif de Régis Munoz
- (fr) La voiture à air comprimé : Le dossier.
- (uk) Compressed Air Trams: English article
Catégories : Moteur | Propulsion alternative
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