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.
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Principe [modifier]
Les systèmes pneumatiques [modifier]
Pour mieux comprendre les principes 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 une différence 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 [modifier]
Historique [modifier]
La détente de l'air comprimé a été utilisée très tôt comme énergie de propulsion pour divers véhicules. Si l'air stocké après compression ne contient pas de polluant, et si le moteur n'a pas besoin de lubrifiant, ce type de moteur n'émet en effet ni fumées, ni gaz polluant et est plus silencieux qu’un moteur à explosion.
Les premières applications pratiques de véhicules à moteur à air comprimé remontent au XIXe siècle, à l'époque du développement des chemins de fer où dans certaines situations, comme les réseaux miniers et le creusement des tunnels, il était nécessaire d'éviter les pollutions et les risques d'incendie inhérents à la locomotive à vapeur.
On peut aussi citer les tramways du système Mékarski mis en service en 1879 à Nantes puis en région Parisienne et qui y circulèrent pendant 40 ans.
La mise en œuvre de ce moteur pour l'automobile a fait aussi l'objet de quelques réalisations. Moins polluant et surtout moins lourd que le véhicule électrique (à cause des composants des batteries et du poids des accumulateurs au plomb de l'époque), mais souffrant aussi d'une autonomie limitée, le concept semble oublié du monde « écologique » et bénéficie pour l'instant de peu d'attention des pouvoirs publics pour sa promotion et son développement.
Impact sur l’environnement [modifier]
Le choix du moteur à air comprimé pour l’automobile repose sur le souhait de disposer d'une énergie ne polluant pas atmosphère au lieu d’utilisation, stockable à faible coût pour une augmentation modérée de la masse du véhicule.
La constitution de la réserve d’air comprimé nécessite la conversion, au moyen d’un compresseur, d’énergie électrique en énergie pneumatique. Cette transformation électricité / air comprimé entraîne une perte d’énergie du fait du rendement du compresseur.
Le rendement maximal théorique peut être obtenu par des calculs de thermodynamique. Il apparaît que le rendement de la motorisation à air comprimé est inférieur aux motorisations thermiques modernes (rendement d'environ 40 %) et aux motorisations électriques (rendement supérieur à 75 %)[1]. L'étude de l'Université de Berkeley sur le moteur à air comprimé constate que le rendement de la voiture à air comprimé est inférieur à 27 %, ce faible rendement est la conséquence de la perte d'énergie lors de la compression et l'expansion de l'air.
Considérant que l'air comprimé est obtenu à l'heure actuelle par un compresseur électrique et que près de 70 % de l'électricité produite dans le monde provient des centrales au gaz, pétrole et charbon, les voitures à air comprimé auraient une empreinte carbone plus élevée que les voitures électriques[réf. nécessaire]. Cette empreinte pourrait devenir inférieure à celle des voitures électriques par la production directe d'air comprimé par des compresseurs non électriques[Comment ?], utilisant directement l’énergie hydraulique ou éolienne par exemple, ainsi que par l'absence du recyclage très onéreux des systèmes électriques (batteries) embarqués dans les véhicules.
Les recherches actuelles [modifier]
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[2], l'autre française MDI[3] 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...).
En 2006-2007 un groupe de chercheurs français a tenté de produire des véhicules à air comprimé écologiques, à assistance pneumatique: les "K'Airmobiles". Le projet fut abandonné en 2009, faute de trouver les supports financiers, mais surtout suite aux résultats expérimentaux démontrant la difficulté d'utiliser l'air comprimé dans un système embarqué, du fait de la faible capacité énergétique de l'air comprimé et des importantes pertes thermodynamiques rencontrées lors de son expansion, ne permettant qu'une autonomie inférieure à 10 km dans le meilleur des cas (avec un réservoir A.C. de 300 L à 240 bars). En 2010, grâce à un groupe d'investisseurs nord américains, les brevets pour le moteur-turbine K'Air ayant finalement pu être enregistrés, le projet a été réinitialisé mais cette fois en vue de la construction d'une unité de production d'énergie verte (éolien + solaire)
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 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 [modifier]
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, cloueurs, fraise de dentiste, etc. La transmission pneumatique de l'information a été utilisée depuis très longtemps, depuis les premiers navires à vapeur, par exemple, jusque dans les ascenseurs, les camions ou les avions. La politique du tout électrique a conduit à l’abandon progressif de ce moyen de transmission au début des années 2000.
La transmission pneumatique de petits objets et de documents a également été largement utilisée depuis 2 siècles et il existe encore de nombreux exemples de tubes pneumatiques[5] dans les banques, les supermarchés, les péages autoroutiers...
L'air comprimé a également été utilisé sur des chaînes de montage de matériels horlogers, avec des cellules logiques pneumatiques ; l'air issu des cellules sert en outre à mettre le tunnel de la chaîne en légère pression, évitant ainsi les dépôts de poussière sur les éléments en cours d'assemblage.
Notes et références [modifier]
Annexes [modifier]
Articles connexes [modifier]
Liens externes [modifier]
- [PDF] Correction de MDI à l'étude de l'Université de Berkeley sur le moteur à air comprimé MDI, sur le site mdi.lu
- (en) Compressed Air Trams, sur le site tramwayinfo.com
- (en) Étude de l'Université de Berkeley sur le moteur à air comprimé MDI, sur le site iop.org
