Vehicule a air comprime


Vehicule a air comprime

Véhicule à air comprimé

Le véhicule à air comprimé est un type de véhicule mû par un moteur à air comprimé.

Sommaire

La technologie

Il faut faire la distinction entre l’énergie primaire et l’énergie induite résultante (encore appelée énergie élastique).
En comprimant l’air dans un réservoir, l’air comprimé ne représente en rien une forme d’énergie, mais bien une accumulation de force capable d’exercer sur son environnement soit :[1]

  • une force telle que l’on peut générer un mouvement cinétique représentant abstraitement une énergie mesurable,
  • une détente lui permettant simplement de retrouver son état initial, comme un ressort.

Ce n’est qu'ensuite, en fonction de l’exploitation faite en aval de ce réservoir de force, si on l’utilise dans le cadre de la translation d’une masse, qu’on pourra alors parler de l’énergie induite et utiliser les unités y afférant.

Pneumatique contre électrique

Le moteur pneumatique pourrait être préféré aux moteurs électriques car :

  • Il permet un mouvement cyclique lent (10 à 60 cycles/minute),
  • Il offre un couple important pour un volume minimum,
  • La conception mécanique séquentielle du moteur est simple et robuste,
  • Le milieu environnant (température, humidité, etc.) importe peu,
  • Son coût d’entretien et de fabrication est faible,
  • Il suffit d’une qualification simple pour la maintenance, donc aucun réseau de service après-vente n’est véritablement nécessaire,
  • Le stockage de l’air comprimé en bonbonnes est à priori exempt de toute forme de pollution,
  • Le réservoir offre une possibilité de recharge de plus de 10 000 cycles, en théorie infinie : il ne s'use pas.
  • Le recyclage est possible facilement et totalement.

Motorisation

Règles de physique

La loi de Mariotte énonce que pour les gaz (parfaits) : PV = nRT.

Ceci sous entend qu’à température identique :

  • la pression multipliée par le volume d’un gaz contenu dans un réservoir correspond à une constante ;
  • la variation de la pression d’un gaz est inversement proportionnelle au volume de ce dernier.

Mais aussi, qu’en cas de variation de l’un de ces deux paramètres le facteur T peut être modifié à son tour. C’est ce qui amène aux notions de thermodynamique, de détente adiabatique ou non de l’air comprimé. Plus le changement du rapport pression/volume est rapide et brutal, moins le gaz à le temps d’y satisfaire et répercute une partie de la conversion sur son facteur température.

C’est pourquoi les modalités d’utilisation de l’air comprimé dans un système expliquent qu’au niveau des moteurs à air comprimé, deux grandes orientations existent, conceptuellement assez différentes :

L’exploitation thermodynamique

En cas de détente rapide d’une grande quantité d’air comprimé, correspondant à un important abaissement de pression, celui-ci ne peut pas retrouver physiquement l’entièreté de son volume original ; il s’ensuit une variation de température, à savoir un refroidissement important, tandis que l’expansion du volume utile peut n’être que de 40% environ du volume théorique. A l’inverse, à la compression, la réduction volumique entraîne généralement une élévation de température se traduisant une fois encore par un volume total d’air compressé inférieur à sa valeur théorique. Certaines technologies nécessitant des débits relativement importants lorsqu’ils sont exploités pour animer des moteurs puissants, ceux-ci doivent donc obligatoirement tenir compte de ces contraintes thermodynamiques.

L’exploitation dynamique

Pour produire une poussée mécanique tout en contournant cet obstacle, ou en réduisant ses effets, il faut ainsi respecter certaines règles :

    • permettre une détente aussi lente que possible, c’est à dire en travaillant avec de faibles débits (avec comme contrepartie négative la limitation au niveau puissance résultante du moteur),
    • limiter les écarts brusques de pression trop importants (par l’usage de détendeurs et autres chambres de décompression intermédiaire),
    • maintenir au mieux la température du gaz constante, sinon même augmenter les performances de la compression/détente par un refroidissement/échauffement de l’air utile.

Les véhicules

Les voitures

Actuellement deux entreprises, MDI et Energine, basent le développement de leurs projets sur le principe de petites voitures, allégées au maximum.

MDI

Article détaillé : Motor Developpement International.

Cette société propose une gamme de véhicules développés sur un concept identique. Mais leur différents projets restent à l’étude mais n’ont encore abouti à ce jour à aucune forme de commercialisation.

Depuis le mois de février 2007, un accord de cession et de licence pour l'application exclusive de cette technologie en Inde avec le géant de l'automobile indien TATA a été signé. La société TATA s'engage à soutenir les recherches sur les moteurs à air comprimé et à commercialiser ensuite les modèles proposés par MDI[2]

Energine

Les ingénieurs de cette 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 fonctionne et a été essayée par des journalistes.

Autres

En ce qui concerne la Quasiturbine, il s’agit d’un projet (non d’un véhicule) qui, selon ses concepteurs, pourrait aussi bien fonctionner avec un carburant explosif qu'avec de l'air comprimé.

Autonomie d'une voiture à air comprimé


Un réservoir de volume V contenant de l'air à la pression Pa qu'on laisse se détendre contient effectivement de l'énergie mécanique qu'on peut récupérer.

Dans le meilleur des cas (détente adiabatique réversible, rendement égal à 100 %), la puissance délivrée (en J/kg d'air) sera :

W= -\frac{\gamma}{\gamma-1}* Z * r * Ta * [{\frac{Pr}{Pa}}^{(\frac{\gamma-1}{\gamma})} - 1]

avec gamma = Cp/Cv = 1.4 pour de l'air Z = coefficient de compressibilité = 1 r = constante du gaz = R/M R= 8.314 J/mole.K et M masse molaire en kg/mole (= 0.028 pour de l'air) Ta = température absolue (en °K) à l'aspiration = t (en °C) +273

Si t = 27 °C alors Ta = 300 °K Si Pr =1 bar ( = atmosphère) alors W = -311 775*[(1/Pa)^0.286 -1)

pour Pa = 300 bar W = 250.76 kJ/kg et Ro = 423 kg/m3 pour Pa = 100 bar W = 228.24 kJ/kg et Ro = 141 kg/m3

où Ro est la masse volumique de l'air à la pression considérée

Si on a un réservoir de 300 litres (soit 5 fois un réservoir normal), soit 0.3 m3 pour Pa = 300 bar on a 126 kg d'air (en supposant le gaz parfait,ce qui n'est vraiment exact dans cette gamme de pression) pour Pa = 100 bar on a 42 kg d'air

On peut donc produire (en supposant que la pression est toujours maximale jusqu'à l'utilisation du dernier kg d'air ce qui majore considérablement ...) pour Pa = 300 bar Energie = 31500 kJ = 8.75 kWh pour Pa = 100 bar Energie = 9576 kJ = 2.7 kWh

Si le moteur fait 20 kW (puissance moyenne appelée par un petit moteur de voiture hors pointes, la Nano de Tata fournit 25 kW, il est difficile de faire plus léger et moins performant en vitesse, et dans notre cas, il faut transporter un réservoir supportant 100 à 300 bars de pression, soit quelques centaines de kg...) - pour Pa = 300 bar durée de fonctionnement = 26 minutes - pour Pa = 100 bar durée de fonctionnement = 8 minutes

Ces valeurs sont très majorantes de ce qui se passe réellement : le rendement du moteur est pris égal à 1(il est peut-être de 0.7 ou 0.8 voire moins ?), pas de chute de la pression (alors que la pression passe de 300 bar ou 100 bars à 1 bar au fur et à mesure de la consommation de l'air, avec une chute sérieuse du rendement)... et stockage de 300 litres d'air à 300 bars ou 100 bars ce qui n'est pas très réaliste sur un véhicule de particulier (on imagine le poids du réservoir qui doit supporter cette pression pour un tel volume)...

Autrement dit l'autonomie d'un tel vehicule serait de l'ordre d'une poignée de minutes.

Les VAP et VPP

K’Airmobiles est le nom donné à un ensemble de projets de véhicules à assistance pneumatique (VAP) et véhicules à propulsion pneumatique (VPP), visant a échapper aux contraintes de la thermodynamique.

Voir aussi

Liens internes

Liens externes

Références

  1. L' "accumulation de force" est une formulation douteuse : l'air comprimé accumulé représente de plein droit une énergie potentielle, de valeur égale à celle qu'on y a introduite pour le comprimer, moins la perte thermodynamique résultant du retour à l'équilibre thermique. On peut parler d'énergie potentielle de l'air comprimé.
  2. Site internet MDI : [1]
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