Moteur à air comprimé
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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 (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage...) exercée par celui-ci sur les parois de son conteneur (Dans le domaine du transport, un container (de l'anglais), parfois francisé en conteneur, est un caisson métallique, en forme de...).

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 (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) d’une première chambre compensée par l’expulsion de l’air contenu dans la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La...), crée un différentiel (Un différentiel est un système mécanique qui a pour fonction de distribuer une vitesse de rotation de façon adaptative aux besoins d'un ensemble mécanique.) de pression entre les deux chambres, exerçant ainsi une force sur la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa...) du piston telle que F = (P1 - P2) * S.

Toutefois, il est important de remarquer que la vitesse (On distingue :) de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la...) du piston, sur une période de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.), 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 (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) et pression sont inversement proportionnels, conformément à la loi de Boyle-Mariotte, pour une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou...) de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper tout le...) 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 (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...) 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 (Graphie) d’équilibre de l’ensemble. Nous parlerons ainsi de la " force pneumatique " exercée par le système pour compenser la poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.) externe.

De manière générale, les systèmes ouverts permettent d’exercer leur force pneumatique sur leur environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement...), à l’inverse des systèmes isolés qui l’utilisent pour réagir aux contraintes extérieures.

Application aux véhicules

Historique

Tramway Mékarski à la gare de l'Est (Paris).
Tramway (Le tramway (ou tram) est une forme de transport en commun urbain ou interurbain circulant sur des voies ferrées équipées de rails plats (alors que ceux des...) Mékarski à la gare (Une gare est d'ordinaire un lieu d'arrêt des trains. Une gare comprend diverses installations qui ont une double fonction :) de l'Est (Paris).

L'utilisation de la détente de l'air comprimé (L'air comprimé est de l'air ambiant, mis sous pression avec un compresseur, le plus souvent aux alentours de 10 bars mais parfois jusque 300 bars.) comme force motrice remonte à l'époque du développement des chemins de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou d'alliages. Le...), 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 (Les premières locomotives (au XIXe siècle) étaient propulsées par une machine à vapeur, ce qui leur a valu le nom de locomotives à vapeur. Ce type de transport est resté...) standard.

Les premiers systèmes de Tomlinson (1820) aux États-Unis ou d'Andraud (1830) en France furent des échecs, car l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de...) comprimé circulait dans une conduite le long de la voie et la locomotive (Une locomotive est un engin moteur, c'est-à-dire se déplaçant par ses propres moyens, utilisé par le transport ferroviaire pour fournir l'énergie de traction à un train. Le plus souvent, la locomotive se trouve à l'avant du...) devait être équipée pour le prélever en continu.

Un nouveau système conçu par Andraud et Tessier de Motay, à Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne et de la Seine...), en 1840, où la locomotive était équipée d'un réservoir que l'on remplissait en certains points du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node) l'extrémité...), prouva la faisabilité du système.

C'est l'ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature technologique, concrets et souvent complexes, liés à la conception, à la réalisation et à la mise en œuvre de...) Louis Mékarski qui perfectionna le système et le rendit tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à fait opérationnel en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) 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 (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) 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 (L'Arpajonnais était un chemin de fer secondaire sur route reliant les Halles de Paris à Arpajon, mis en service en 1893-1894 et supprimé en 1937.) pour la desserte nocturne "silencieuse" des Halles de Paris jusqu'en 1933.

La mise en œuvre sur l'automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de...) a fait aussi l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) de quelques réalisations. Efficace et beaucoup moins polluant (Le polluant a pour définition la plus souvent retenue : un altéragène biologique, physique ou chimique, qui audelà d'un certain seuil, et parfois dans certaines conditions...) que le véhicule électrique (Un véhicule électrique est un véhicule dont la propulsion est assurée par un moteur fonctionnant exclusivement à l’énergie électrique, à la différence des véhicules...) (par les composants de ses batteries), mais souffrant aussi d'une autonomie limitée, le concept semble oublié du monde (Le mot monde peut désigner :) " écologique " et ne bénéficie pour l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré...) 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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) 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 (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) du fait que le 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.) offre un meilleur rendement qu'un moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou...) à combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.) interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à...) (ce rendement étant le rapport entre l'énergie contenue dans le carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.) et la force qui est transmise aux roues (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par son centre.) motrices), avec de surcroît l'atout qu'un moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à partir d'une énergie (éolienne,...) à air comprimé est garanti 100 % zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans l’écriture des nombres en notation...) pollution (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le contexte, selon le milieu considéré et selon ce que l'on...).

De plus, le vieillissement (La notion de vieillissement décrit une ou plusieurs modifications fonctionnelles diminuant progressivement l'aptitude d'un objet, d'une information ou d'un organisme à assurer ses fonctions.) des réservoirs est nul et, leur recyclage (Le recyclage est un procédé de traitement des déchets industriels et des déchets ménagers qui permet de réintroduire, dans le cycle de production d'un produit, des matériaux qui le...) 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 (Vehicule initialement de la marque Daewoo, la Daewoo Matiz est devenue Chevrolet Matiz en France. Cette petite citadine est produite en Corée du Sud et...), un prototype hybride (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés, sous-espèces (croisement intraspécifique), espèces...) 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 (La marche (le pléonasme marche à pied est également souvent utilisé) est un mode de locomotion naturel. Il consiste en un déplacement en appui alternatif sur les jambes, en position debout et en ayant toujours au...), 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 (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également...), 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 (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois...) de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) 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 (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début...) 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 (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant. Elle fait appel à un propulseur qui transforme en force motrice l'énergie fournie par le milieu...) pneumatique. La technologie utilisée est à l'opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits opposés lorsqu'ils sont insérés au même niveau, l'un en...) 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 (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le...) 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 (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou...) énorme du réservoir pour une autonomie réduite.

Enfin, des chercheurs Québécois proposent la Quasiturbine (Le moteur Quasiturbine ou Qurbine est un type de moteur rotatif à combustion, inventé par la famille québécoise Saint-Hilaire et initialement breveté...) qui s'inspire de la turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air, gaz de combustion), dont le couple est transmis au moyen d'un arbre.), perfectionne le piston et améliore le moteur rotatif (Un moteur rotatif est un moteur à explosion tournant autour de son vilebrequin qui reste fixe. Ce type de moteur a eu son heure de gloire au début de l'aviation (de 1910 à 1920 environ) quand...). 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 (L'automne est l'une des quatre saisons des zones tempérées. Elle se place entre l'été et l'hiver.) 2004 à Montréal (Montréal est à la fois région administrative et métropole du Québec[2]. Cette grande agglomération canadienne constitue un centre majeur du commerce, de l'industrie, de la culture, de la finance et des affaires...).

Autres applications

Des moteurs à air comprimé de petite taille sont utilisés dans le fonctionnement de petits appareils : perceuses, fraise de dentiste, etc.

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