Moteur à air comprimé - Définition
Un moteur à air comprimé est un moteur tirant sa puissance mécanique de la détente d'air comprimé préalablement stocké dans un réservoir.
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 dit " 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, utilisées 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-t-il 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 standard.
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.
C'est l'ingénieur Louis Mékarski qui perfectionna le système et le rendit tout à fait opérationnel en vue d'équiper des réseaux de tramways. Il fut utilisé à Paris 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.
La mise en œuvre sur l'automobile a fait aussi l'objet de quelques réalisations. Efficace et beaucoup moins polluant que le véhicule électrique (par les composants de ses batteries), 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.
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 ; la voie d’un système pneumatique peut-elle répondre à ces critères ?
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 meilleur rendement qu'un moteur à combustion interne (ce rendement étant le rapport entre l'énergie contenue dans le carburant et la force qui est transmise aux roues motrices), avec de surcroît l'atout qu'un moteur à air comprimé est garanti 100 % zéro pollution.
De plus, le vieillissement des réservoirs est nul et, leur recyclage ne pose pas de problème particulier, contrairement aux batteries d'accumulateurs électriques. Ajoutons que l'échappement et les éventuelles fuites ne causent aucune pollution en principe.
Les recherches actuelles
Une solution pourrait être alors d'améliorer le rendement des moteurs à air comprimé, et deux entreprises s'y emploient actuellement, l'une coréenne Energine, l'autre française MDI.
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, celui-ci prolongeant l'autonomie de la voiture. La voiture marche, et de nombreux journalistes ont pu l'essayer pour en témoigner. L’aspect négatif restant une fois encore au niveau des énormes besoins en électricité, ce prototype présente l’inconvénient d’une autonomie restreinte par les capacités de stockage des batteries 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...).
A noter également un nouveau venu dans ce secteur K'Airmobiles, proposant des véhicules à air comprimé écologiques. A 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 à l'opposé 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 ". 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.
Autres applications
Des moteurs à air comprimé de petite taille sont utilisés dans le fonctionnement de petits appareils : perceuses, fraise de dentiste, etc.