Système pour la Conversion de Mouvements et d'Energies Renouvelables Moteurs
& Pompes
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Machines spéciales de STIRLING

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PROBLEMATIQUE DE CONCEPTION

1. Quelques constats 2. Sources d'énergies utilisables sur un véhicule 3. architecture hybride 4. Cahier des charges


Les machines qui sont ou seront présentées dans la rubrique "moteurs et pompes" ont été conçues dans la perspective de créer des moteurs thermiques à vocation écologique. Bien évidemment, à partir d'un mécanime moteur, il est aisé de convertir la machine en pompe ou compresseur.

L'analyse qui suit, rigoureuse et sans concession, démontre que
la pollution actuelle liée au transport routier n'est pas DIRECTEMENT liée aux moteurs thermiques, mais à 3 facteurs les faisant intervenir indirectement, par ordre d'importance décroissante:
                * la mauvaise utilisation qui en est faite
                * leurs surconsommations de carburants d'origine fossile
                * les très nombreux défauts chroniques inhérents à la cinématique contraignante du mécanisme piston/bielle/manivelle

Après cette étude, il devient possible de définir le cahier des charges, particulièrement ambitieux et exigeant,
des moteurs de nouvelle génération conçus par SYCOMOREEN.
 

1. Quelques constats

1.a) Les moteurs à combustion interne : un succès éternel ?

            La plupart des véhicules terrestres sont mus par des moteurs à combustion interne, dont les 2 représentants principaux sont le moteur à allumage commandé (moteur « essence ») et le moteur à allumage spontané (moteur « Diesel »). Ces 2 types de moteurs se sont développés principalement tout au long du XXèmesiècle grâce à l’extraction massive d’hydrocarbures à faible coût. De nos jours, la différence entre "Diesel" et "essence" est techniquement de moins en moins marquée.

            Le succès qu’ont connu ces 2 technologies est dû en grande partie aux carburants qu’elles utilisent. Les hydrocarbures sont en effet facilement transportables et transvasables sous forme liquide. De plus, grâce au dioxygène présent partout dans l'atmosphère, l’énergie chimique massique qu’ils peuvent libérer est très grande par rapport à celle d’autres sources, ce qui procure une grande autonomie au véhicule. Par ailleurs, cette énergie chimique est facilement exploitable par combustion avec le dioxygène de l’air. Les gaz sous pression ainsi créés exercent alors des contraintes mécaniques sur des pièces dont le mouvement est généralement transformé en mouvement de rotation continue par une chaîne cinématique.

            Toutefois, le succès des moteurs à combustion interne, s’il est encore bien présent, s’essouffle pour les raisons suivantes :

* épuisement à moyen-terme des réserves d’hydrocarbures (de 30 à 100 ans selon les estimations)

* taxation extrêmement importante (environ 250%) des carburants

* pollution atmosphérique engendrée, principalement par les oxydes d’azote et de carbone

Quelques commentaires sont nécessaires pour nuancer ce qui précède :

* Point 1

            L’épuisement des réserves de pétrole ne signifie pas pour autant la mort des moteurs à combustion interne. Pour les raisons évoquées plus haut, cette source d’énergie reste encore indispensable pour un véhicule sur le plan de son autonomie : les autres sources d’énergie actuellement connues et potentiellement implantables sur un véhicule, qui sont maintenant étudiées depuis plusieurs années, voire dizaines d’années (électrique, hydraulique, pneumatique, pile à hydrogène, éolienne, solaire…), procurent une autonomie au véhicule d’environ 200 km dans le meilleur des cas, à cause d’une énergie massique du « carburant » insuffisante. L’énergie nucléaire, utilisée sur les sous-marins et porte-avions, n’est pas envisageable pour une automobile car elle nécessite des volumes très grands pour les dispositifs d’échanges thermiques entre « eau chaude irradiée » et « eau froide non irradiée », ainsi que des enceintes anti-rayonnement. De plus, la radioactivité pose de gros problèmes en cas d’accident brisant le réacteur.

            Quant aux sources d’énergie non embarquées sur le véhicule comme les énergies solaire ou éolienne, chacun conviendra qu’elles sont beaucoup trop aléatoires pour un véhicule terrestre, bien qu’elles soient séduisantes sur le plan écologique. Leur rendement est également très faible (en général moins de 20%).

            Enfin, signalons que même en l’absence de réserves fossiles d’hydrocarbures, l’homme est capable d’en fabriquer de la façon la plus écologique qui soit : à partir de la culture de colza, on peut obtenir des diesters utilisés sur les véhicules de compétition tels que les Peugeot 406 « Pique » et « Cœur » qui obtiennent des performances très honorables (environ 170 Ch). Enfin, on sait fabriquer industriellement de grandes quantités d’alcool, et certains constructeurs ont étudié la possibilité de l’utiliser comme carburant, , même pour des véhicules gourmands en carburant (Ford Taurus, moteurs Renault « flex » au Brésil…), à partir de la culture de cane à sucre ou bien à l’aide du procédé :

* Point 2

            La taxation du carburant par les Etats des pays industrialisés représente une manne financière énorme. On peut simplement signaler que la justification de cette taxation par des raisons écologiques ne tient absolument pas. Les hydrocarbures sont simplement taxés parce qu’ils représentent 90% de l’énergie utilisée par les véhicules, ce qui permet automatiquement de grosses rentrées d’argent.

            En France, un connaisseur en combustion Diesel ne peut que sourire de la faible taxation du gasoil dans les années 80, alors que les moteurs de cette époque étaient fortement polluants, et de la hausse récente des taxes sur ce même carburant pour des raisons soi-disant écologiques, alors que les moteurs Diesel modernes sont devenus moins polluants que les moteurs essence, grâce à l’injection directe haute pression et aux filtres à particules dont l’emploi n’est malheureusement pas encore généralisé. Que s’est-t-il passé en 25 ans ? Alors que dans les années 80, le parc automobile était constitué majoritairement de moteurs essence, on taxait massivement l’essence. De nos jours, les rapports se sont inversés puisqu’environ 2 voitures neuves vendues sur 3 sont des Diesel et que le transport routier à l’aide de camions Diesel a explosé. D’un point de vue purement fiscal, il a donc fallu modifier l’assiette de taxation des carburants en l’orientant sur le Diesel. De nos jours, en France, on constate même l'alignement progressif du litre de Gasoil sur le litre de SuperSP, ce qui est extraordinaire lorsqu'on connaît la différence de raffinage entre les deux types d'hydrocarbure.

            Pour nous résumer, quelle que soit la source d’énergie considérée, c’est celle qui est majoritairement utilisée à un moment donné qui est surtaxée indépendamment de toute autre considération. La taxation des hydrocarbures n’est donc pas vraiment un danger pour les moteurs à combustion interne car si une autre source d’énergie se généralise, c’est elle qui sera surtaxée, donc pénalisée, et ceci en faveur des hydrocarbures.

* Point 3

          Le point 3 est de loin le plus important. La pollution atmosphérique engendrée par les moteurs à combustion interne n’est en effet pas contestable et c’est le principal argument recevable qui met en question l’avenir du moteur à combustion interne tel qu’on le connaît aujourd’hui.

Cette pollution a un double impact :

impact sur la santé de la population

Les effets des gaz d’échappement, à cause de différents éléments (oxydes de carbone COx, oxydes d’azote NOx, dérivés d’hydrocarbures imbrûlés HC, ozone O3, poussières diverses…) sont encore quantitativement mal connus, mais qualitativement mieux cernés : crises d’asthme plus fréquentes et plus sévères, difficultés respiratoires chroniques, allergies, cancers divers…

impact sur la planète Terre

Il est dû au dioxyde de carbone CO2 qui est un gaz à effet de serre. Depuis peu de temps, un consensus commence à se dégager au sein des météorologues et scientifiques sur les faits suivants :

1. Il existe bel et bien un réchauffement climatique de la planète depuis environ 1 siècle.

2. Ce réchauffement est anormal par la vitesse à laquelle il se produit, 100 ans étant une durée extrêmement courte à l’échelle temporelle des changements climatiques « normaux » de la planète.

3. Ce réchauffement est largement imputable à l’activité humaine qui a libéré des millions de tonnes de CO2 dans l’atmosphère en exploitant des énergies fossiles comme les hydrocarbures et le charbon

.

Les moteurs à combustion interne sont alors en ligne de mire, bien qu’il faille relativiser leur rôle. Les usines diverses, les incinérateurs, le chauffage des bâtiments ou les centrales thermiques à base de pétrole ou de charbon ont un rôle au moins équivalent à celui des moteurs. Ceci n’est toutefois pas une raison pour ne pas s’interroger sur la pollution des moteurs et tenter de la limiter.

Précisons ici certains points. La pollution d’un véhicule roulant sur route dégagée, à allure pratiquement constante, à un régime moteur convenable, c’est à dire celui où le rendement thermodynamique du moteur est optimal, est acceptable : d’une part, on aura les consommations les plus faibles pour l’automobile, d’autre part, le volume de gaz d’échappement rejeté par km est faible dans la mesure où l’allure de la voiture est convenable (plus de 50 km/h), ce qui signifie que l’air n’est pas notablement vicié par le passage de la voiture. Enfin, la concentration de population sur de telles routes est faible, ce qui signifie que peu de personnes respireront l’air vicié, et que, même si elles le respiraient, ceci ne serait pas dramatique pour leur santé car il ne serait pas trop pollué.

            En revanche, la pollution d’un véhicule dans un milieu urbain est inacceptable pour 2 raisons principales :

*  Elle est extrêmement importante à cause de la combinaison de plusieurs facteurs :

                   -  La forte concentration de véhicules, qui est en elle-même polluante, induit des phénomènes amplifiant encore plus cette pollution :

- Des ralentissements, synonymes d’accélérations et de freinages fréquents et de pertes par effet Joule : il y a surconsommation de carburant, donc surpollution.

- Les moteurs tournent au ralenti avec un véhicule pratiquement immobile : non seulement les moteurs n’ont pas un rendement thermodynamique optimal, mais en plus ils fonctionnent « pour rien » car le véhicule fait du sur place.

- Le confinement des gaz d’échappement dans des zones spatialement limitées et non suffisamment aérées par le vent : espaces entre les automobiles à l’arrêt, espaces entre les immeubles, etc…

* Les villes regroupent une population importante. Il n’est donc pas acceptable pour la santé de cette population que l’air y soit vicié. Le nez et la bouche des enfants sont notamment au niveau des pots d’échappement, c’est à dire au plus mauvais endroit !

            Malgré tous ces problèmes, 99.9% des véhicules terrestres utilisent des moteurs à combustion interne comme unique source d’énergie mécanique. Les constructeurs et les Etats se "mobilisent" d'une façon particulièrement timide pour développer des solutions alternatives, et la population se plaint plus du bruit et des problèmes de stationnement des automobiles que des gaz qu’elles émettent. Hier comme aujourd’hui,  les moteurs à combustion interne continuent de connaître un succès réel, mais infondé, faute de mieux.

1.b) Les moteurs à combustion interne : invention malfaisante ?

            A ce point de notre analyse, les moteurs apparaissent comme une invention nécessaire pour se déplacer, car l’énergie qu’ils utilisent est facile à exploiter, mais terriblement polluante, notamment en ville. Faut-il pour autant mépriser cette technologie ? En fait, les moteurs à combustion interne sont victimes de l’utilisation aberrante que la société en fait, ce qui est le résultat de phénomènes complexes de couplages politico-économiques et sociaux.

            Tout comme un crayon est fort utile pour écrire et très dangereux si on le plante dans l’œil de son voisin, les moteurs à combustion interne sont très utiles pour se déplacer, mais dangereux s’ils sont mal utilisés, ce qui est malheureusement le cas. Leur mode de fonctionnement est en effet totalement inadapté à l’utilisation qui en est faite sur des trajets urbains :

* La voiture consomme du carburant même à l’arrêt, ce qui représente 30% du temps d’un trajet en ville : c’est un non-sens aussi bien économique qu’écologique.

* La puissance disponible, même pour une voiture de faible cylindrée (les « citadines »), est disproportionnée par rapport aux besoins réels d’un trajet urbain : c’est ainsi qu’en dehors des périodes d’arrêt, les limitations de vitesse et les bouchons font que le véhicule utilise rarement plus de 50% de ses ressources (Cf. fig. 1.).

15 à 30 Ch suffisent largement à lancer un véhicule de 0 à 50 km/h dans un temps relativement court, comme le montre le théorème de l’énergie cinétique :      

où m désigne la masse du véhicule (1000 kg), vmax sa vitesse une fois lancé (50 km/h), v0 sa vitesse initiale  (0 km/h), P la puissance délivrée par le moteur (20 Ch soit 14.3 kW) et Dt le temps nécessaire pour passer de v0 à vmax.

Dans ce calcul, on a négligé tous les frottements de résistance à l’avancement du véhicule (pneus, transmissions imparfaites…) et la force aérodynamique, ceci étant légitime en dessous de 50 km/h.

L’application numérique donne Dt = 6.75 s, ce qui n’est pas si long après un feu rouge d’une minute… et un autre 100 m plus loin.

Pour conclure, le moteur à combustion interne n’est pas malfaisant, mais l’usage qui en est fait l’est énormément ! Il faut radicalement changer la façon dont on l’utilise, mais comment ?

1.c) Comment utiliser au mieux un moteur à combustion interne ?

            Tout ce qui précède montre la nécessité d’adjoindre aux moteurs à combustion interne une ou plusieurs autres sources d’énergie mécanique dont le fonctionnement différent permettrait de moins polluer au cours de trajets urbains, voire de ne plus polluer du tout. En particulier à l’arrêt, l’idéal serait de ne consommer aucune énergie, ce qui est fort logique et n’est malheureusement évident que pour trop peu de personnes. Tout ceci nous amène à la conception d’un moteur hybride combinant plusieurs sources d’énergie et utilisant judicieusement chacune d’entre elles en fonction des sollicitations auxquelles on le soumet.

            Nous venons d’énoncer ici une idée majeure de la problématique de conception. L’exemple le plus connu est le moteur hybride thermique/électrique que seuls quelques très rares constructeurs japonais comme Honda ou Toyota sont parvenus à industrialiser récemment, bien que l’idée date de plus de 50 ans ! (Cf. Fig. 2.)

Fig. 2

Architecture du groupe motopropulseur de la Honda IMA (Integrated Motor Assist) :

On distingue à gauche un moteur 4 cylindres suivi d’un moteur électrique très compact directement accouplé sur l’arbre du vilebrequin, puis, à droite, de la transmission vers la boîte de vitesses. Sur la droite, vue des bobinages du moteur électrique de seulement 65 mm d’épaisseur. Ce moteur développe 6 kW à 1000 tr/min, ce qui lui permet d’augmenter le couple moteur de 5.7 daN.m, soit environ 1/3 du couple total que peut délivrer le groupe motopropulseur (15,9 daN.m).


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