Moteur à air comprimé
Un moteur à air comprimé est un type de moteur tirant sa puissance mécanique de la détente d'air comprimé avant l'entrée dans le moteur.
Un moteur à combustion interne tire aussi sa puissance mécanique de la détente d'air comprimé, mais l'air est entré non comprimé dans le moteur à combustion interne. En effet, l'air agissant sur un piston a été comprimé par une combustion dans une phase précédente du processus cyclique de fonctionnement du moteur à combustion interne.
Classement
De manière générale, on extrait un travail de l'air comprimé (sous-entendu : air avec une pression plus grande que la pression de l'air ambiant) en utilisant une paroi (le piston) soumise d'un coté à la pression de l'air ambiant, et de l'autre coté à la pression de l'air comprimé sur une surface S. La force engendrée sur le piston par la différence de pression Δp est alors :
F = Δp × S
Si la force engendrée est supérieure à la résistance au mouvement du piston, ledit piston va se déplacer et générer ainsi un travail mécanique.
On peut classifier les différents moteurs possibles selon la trajectoire de déplacement du piston et la manière de transmettre le mouvement.
Mouvement linéaire
Ces moteurs pneumatiques sont des vérins pneumatiques ou à tiges, contraints mécaniquement de manière à permettre seulement un déplacement linéaire.
Les vérins « simple effet » ne comportent qu’une chambre et le retour du piston à sa position initiale est assuré par un ressort. Les vérins double-effet comportent deux chambres, de part et d’autre du piston, qui sont alternativement alimentées en air comprimé ou mises à l’échappement.
Ces vérins permettent d’obtenir des vitesses de déplacement importantes qui, pour être obtenues nécessitent le dimensionnement correct des valves d’admission et d’échappement et de l’alimentation en air comprimé.
Le déplacement linéaire peut être transformé en une rotation d’angle limité par un dispositif mécanique.
Mouvement de rotation
Ces moteurs peuvent être à turbine ou à pistons, assurant la rotation continue d’un axe, pouvant se substituer aux moteurs électriques, particulièrement pour des applications qui nécessitent une grande souplesse de fonctionnement, et notamment un couple élevé à vitesse faible ou nulle. Du fait de l'absence d'étincelles ce type de moteur est très utilisé dans tous les milieux potentiellement détonants (garage automobile par exemple)
Applications
Démarreur des moteurs de puissance
Par rapport aux démarreurs électriques, les démarreurs à air ont un rapport puissance/poids plus élevé.
- Les démarreurs électriques
- leur câblage peut devenir excessivement chauds s'il faut plus de temps que prévu pour démarrer le moteur, tandis que les démarreurs à air peuvent fonctionner aussi longtemps que dure leur alimentation en air comprimé.
- Les démarreurs à air
- beaucoup plus simples et compatibles avec les moteurs à turbine. Ils sont donc utilisés sur de nombreux modèles de gros turbopropulseurs installés sur des avions commerciaux et militaires.
Véhicules à air comprimé
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.
De même, le sous-marin français Le Plongeur utilisait un moteur à air comprimé pour la navigation sous marine, faisant de lui le premier sous-marin au monde à être propulsé par un moteur en 1863.
La mise en œuvre de ce moteur pour l'automobile a fait aussi l'objet de quelques réalisations. Moins polluant, plus durable[1], 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.
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, 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[2] dans les banques, les supermarchés, les péages autoroutiers, etc.
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.
Développement de nouveaux moteurs
Les développements récents de moteurs à air comprimé concernent principalement des moteurs devant servir à la propulsion de véhicules à air comprimé.
Deux entreprises ont réalisé de tels développements, l'une coréenne Energine[3], l'autre française MDI[4] 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 société Energine 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 l'autonomie restreinte par les capacités de stockage des batteries électriques actuelles.
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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, etc.).
En 2004 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.
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 soutiens financiers, mais surtout à la suite des 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[5] ». Bien qu’opérationnel, cet engin présente un sérieux handicap du fait de l'énorme dimension du réservoir et de son autonomie réduite.
Au début d'année 2014, le groupe Tata Motors annonce un modèle, la Mini Cat[6] fonctionnant entièrement à l'air comprimé. Mais le suicide du Directeur Général de Tata Motors, Karl Slym, est rendu public le , à Bangkok, alors qu’il y séjournait pour participer à une réunion du Conseil d’Administration de Tata Motors Thailand[7] ; depuis, il n'y a eu aucune nouvelle annonce concernant ce véhicule.
Notes et références
- Les batteries vieillissent et s'usent.
- transport pneumatique, sur le site aerocom-france.com
- Energine
- MDI
- Air-Bike
- Tata Mini CAT : la voiture à air comprimé cette année en Inde, journaldugeek.com, le 2 février 2014
- L'étrange suicide du DG de Tata Motors à Bangkok, lemonde.fr du le 27 janvier 2014, consulté le 9 juin 2016.
Annexes
Articles connexes
Liens externes
- [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