Moteur pneumatique

Un moteur pneumatique (moteur à air) ou à air comprimé est un type de moteur qui effectue un travail mécanique en dilatant de l’air comprimé. Les moteurs pneumatiques convertissent généralement l’énergie de l’air comprimé en travail mécanique par mouvement linéaire ou rotatif. Le mouvement linéaire peut provenir d’un actionneur à membrane ou à piston, tandis que le mouvement rotatif est fourni par un moteur pneumatique à palettes, un moteur pneumatique à pistons, une turbine à air ou un moteur à engrenages.

Les moteurs pneumatiques ont pris de nombreuses formes au cours des deux derniers siècles, allant des moteurs portatifs aux moteurs de plusieurs centaines de chevaux. Certains types utilisent des pistons et des cylindres; d’autres sur des rotors à ailettes (moteurs à palettes) et d’autres utilisent des turbines. De nombreux moteurs à air comprimé améliorent leurs performances en chauffant l’air entrant ou le moteur lui-même. Les moteurs pneumatiques rencontrent un succès généralisé dans l’industrie des outils à main, mais sont également utilisés à l’arrêt dans un large éventail d’applications industrielles. Des efforts constants sont déployés pour étendre leur utilisation au secteur des transports. Cependant, les moteurs pneumatiques doivent surmonter les inefficacités avant d’être considérés comme une option viable dans le secteur des transports.

Classification

Linéaire
Afin d’obtenir un mouvement linéaire à partir d’air comprimé, un système de pistons est le plus couramment utilisé. L’air comprimé est envoyé dans une chambre étanche à l’air qui abrite la tige du piston. Également à l’intérieur de cette chambre, un ressort est enroulé autour de la tige du piston afin de maintenir la chambre complètement ouverte lorsque de l’air n’est pas pompé dans la chambre. Lorsque de l’air pénètre dans la chambre, la force exercée sur la tige du piston commence à vaincre la force exercée sur le ressort. Au fur et à mesure que de l’air pénètre dans la chambre, la pression augmente et le piston commence à descendre dans la chambre. Quand il atteint sa longueur maximale, la pression d’air est libérée de la chambre et le ressort termine le cycle en fermant la chambre pour revenir à sa position initiale.

Les moteurs à piston sont les plus couramment utilisés dans les systèmes hydrauliques. Essentiellement, les moteurs à piston sont identiques aux moteurs hydrauliques, sauf qu’ils sont utilisés pour convertir l’énergie hydraulique en énergie mécanique.

Les moteurs à piston sont souvent utilisés en série de deux, trois, quatre, cinq ou six cylindres enfermés dans un boîtier. Cela permet aux pistons de fournir plus de puissance car plusieurs moteurs sont synchronisés les uns avec les autres à certains moments de leur cycle.

Ces moteurs pneumatiques sont des vérins pneumatiques ou des bielles. Dans ce dernier cas, le déplacement linéaire de la tige est obtenu par l’action de l’air comprimé sur une face d’un piston, l’autre face du piston étant à une pression plus basse, généralement proche de la pression atmosphérique. Un cric permet d’exercer une force maximale

F = Δp × S
Δp étant la différence de pression maximale entre les deux faces du piston et S sa section.

Les cylindres à simple effet ne possèdent qu’une seule chambre et le retour du piston dans sa position initiale est assuré par un ressort. Les cylindres à double effet ont deux chambres, alternativement alimentées en air comprimé ou épuisées, situées de part et d’autre du piston.

Ces cylindres permettent d’obtenir des vitesses de déplacement élevées qui, pour être obtenues, nécessitent un dimensionnement correct des soupapes d’admission et d’échappement et l’alimentation en air comprimé.

Le déplacement linéaire peut être transformé en une rotation angulaire limitée par un dispositif mécanique.

Moteurs rotatifs à palettes
Un type de moteur pneumatique, appelé moteur à palettes rotatif, utilise l’air pour produire un mouvement de rotation d’un arbre. L’élément rotatif est un rotor à fente qui est monté sur un arbre d’entraînement. Chaque fente du rotor est équipée d’une aube rectangulaire coulissante. Les aubes s’étendent jusqu’aux parois du boîtier à l’aide de ressorts, de l’action de la came ou de la pression d’air, selon la conception du moteur. L’air est pompé à travers l’entrée du moteur qui pousse sur les aubes créant le mouvement de rotation de l’arbre central. Les vitesses de rotation peuvent varier entre 100 et 25 000 tr / min, en fonction de plusieurs facteurs, dont la quantité de pression d’air à l’entrée du moteur et le diamètre du boîtier.

Ces moteurs peuvent être de simples cylindres permettant d’obtenir directement la rotation d’un axe d’amplitude limitée ou des dispositifs assurant la rotation continue d’un axe, qui peuvent se substituer aux moteurs électriques, en particulier pour les applications nécessitant une grande souplesse de fonctionnement couple à faible vitesse ou zéro. Ces moteurs peuvent être à turbine ou à piston.

Une des applications des moteurs pneumatiques à palettes consiste à démarrer de gros moteurs industriels au diesel ou au gaz naturel. L’énergie stockée sous forme d’air comprimé, d’azote ou de gaz naturel pénètre dans la chambre du moteur étanche et exerce une pression contre les aubes d’un rotor. Cela fait tourner le rotor à grande vitesse. Parce que le volant moteur nécessite beaucoup de couple pour démarrer le moteur, des réducteurs sont utilisés. Les réducteurs réduisent les niveaux de couple élevés avec les plus faibles quantités d’énergie consommées. Ces réducteurs permettent au volant moteur de générer un couple suffisant lorsqu’il est en prise avec le pignon du moteur pneumatique ou du démarreur pneumatique.

Opération
Le fonctionnement d’un moteur à détente au gaz correspond à celui d’une machine à vapeur, les deux appartiennent aux moteurs à pistons. La soupape d’admission s’ouvre, laissant le gaz haute pression dans la chambre d’expansion (cylindre). Après la fermeture de la vanne d’admission, le gaz se dilate jusqu’au point final de la détente. En règle générale, le gaz se refroidit, d. H. sa température baisse d’elle-même. La température ambiante est alors généralement supérieure à celle du gaz et celui-ci peut absorber une partie de la chaleur à travers la paroi du bulbe, c’est-à-dire l’énergie thermique, ce qui augmente légèrement le rendement (= énergie mécanique par pression de sortie x volume de gaz sous pression). Le gaz traverse la vanne de sortie avec la pression résiduelle requise. Le moteur peut être conçu comme un moteur à piston à simple ou double effet. Dans la plage de faible puissance, des pistons rotatifs sont également disponibles.

Le travail mécanique fourni par le moteur à détente gaz provient de l’enthalpie stockée dans le gaz lors de la détente adiabatique. En relaxation isothermique, le travail mécanique libéré augmente autour de l’exergie absorbée.

Une autre façon de remodeler l’enthalpie contenue dans le gaz comprimé en un mouvement rotatif, qui offre un moteur à palettes.

À partir de la fin du XIXe siècle, des moteurs à détente au gaz furent construits, fonctionnant au dioxyde de carbone provenant de bouteilles à pression. Avec ces soi-disant « moteurs carboniques », on a par exemple déplacé des échelles aériennes et Otto Lilienthal les a expérimentés comme moyen de propulsion pour ses avions.

Les moteurs à expansion de gaz peuvent être utilisés comme régulateurs de pression. Le domaine d’application des gros moteurs à détente au gaz (> 5 kW) est la récupération d’énergie lors de l’extraction de gaz dans des gazoducs.

L’utilisation la plus courante est celle des petits moteurs à détente utilisant de l’air comprimé qui entraînent des outils à main. L’utilisation de machines à piston libre fonctionnant comme une pompe est également relativement courante.

En principe, le moteur pneumatique peut également être utilisé comme source d’entraînement du véhicule, mais dans le passé, les réservoirs sous pression devaient être transportés en entropie si petit et l’efficacité globale était si faible que l’utilisation n’était pas économique. Pour les torpilles, les moteurs pneumatiques ont été utilisés pendant longtemps.

Les moteurs pneumatiques étaient et sont utilisés dans les mines souterraines. Dans les climats rigoureux, poussiéreux et humides, dans des tunnels confinés, les lignes de conducteurs et les collecteurs de courant sont difficiles à réaliser. En particulier dans les mines de charbon, des émissions de méthane combustible se produisent. Le méthane et / ou la poussière de charbon forment des mélanges explosifs avec l’air, qui doivent être préservés des étincelles telles qu’elles se produisent dans les circuits électriques.

Des années 1990 aux environs de 2002, il y avait eu des projets et des annonces selon lesquelles il devrait exister un véhicule prêt à la production avec entraînement pneumatique, un aéronef ou une voiture pneumatique. Ces annonces ont été renouvelées par une société française basée au Luxembourg, annonçant son intention de produire OneCat à partir de 2009. L’annonce n’a pas été mise en œuvre.

Application
Les outils pneumatiques, les clés à chocs, les outils à impulsions, les tournevis, les tournevis, les perceuses, les meuleuses, les ponceuses, etc. sont une application répandue des moteurs pneumatiques. Les moteurs pneumatiques sont également utilisés dans de nombreuses applications industrielles. Bien que l’efficacité énergétique globale des outils pneumatiques soit faible et qu’ils nécessitent l’accès à une source d’air comprimé, il existe plusieurs avantages par rapport aux outils électriques. Ils offrent une plus grande densité de puissance (un moteur pneumatique plus petit peut fournir la même quantité de puissance qu’un moteur électrique plus grand), ne nécessite pas de contrôleur de vitesse auxiliaire (ce qui ajoute à sa compacité), génère moins de chaleur et peut être utilisé dans des atmosphères plus instables. car ils ne nécessitent pas d’énergie électrique et ne créent pas d’étincelles. Ils peuvent être chargés pour s’arrêter avec un couple complet sans dommages.

Historiquement, de nombreuses personnes ont essayé d’appliquer des moteurs pneumatiques au secteur des transports. Guy Negre, PDG et fondateur de Zero Pollution Motors, est un pionnier dans ce domaine depuis la fin des années 1980. Engineair a récemment mis au point un moteur rotatif destiné aux automobiles. Engineair place le moteur juste à côté de la roue du véhicule et n’utilise aucune pièce intermédiaire pour transmettre le mouvement, ce qui signifie que la quasi-totalité de l’énergie du moteur est utilisée pour faire tourner la roue.

Histoire des transports
Le moteur pneumatique a été appliqué pour la première fois au secteur des transports au milieu du 19e siècle. Bien que le premier véhicule à air comprimé enregistré soit peu connu, il est dit que les Français Andraud et Tessie de Motay ont conduit une voiture à moteur pneumatique sur une piste d’essai à Chaillot, en France, le 9 juillet 1840. il a été rapporté que le test avait été un succès, la paire n’a pas envisagé d’élargir davantage la conception.

La première application réussie du moteur pneumatique dans les transports a été le moteur pneumatique du système Mekarski utilisé dans les locomotives. Le moteur innovant de Mekarski a surmonté le refroidissement qui accompagne la détente de l’air en réchauffant l’air dans une petite chaudière avant utilisation. Le tramway de Nantes, situé à Nantes, en France, est connu pour être le premier à utiliser les moteurs Mekarski pour alimenter son parc de locomotives. Le tramway a été mis en service le 13 décembre 1879. Il est toujours opérationnel aujourd’hui. Les tramways pneumatiques ont été remplacés en 1917 par des tramways électriques plus efficaces et plus modernes.

L’Américain Charles Hodges a également connu du succès avec les moteurs pneumatiques dans l’industrie des locomotives. En 1911, il conçut une locomotive pneumatique et vendit le brevet à la H.K. Porter Company à Pittsburgh pour utilisation dans les mines de charbon. Étant donné que les moteurs pneumatiques n’utilisent pas la combustion, ils constituaient une option beaucoup plus sûre dans l’industrie du charbon.

De nombreuses entreprises affirment développer des voitures à air comprimé, mais aucune n’est réellement disponible à l’achat ni même à des tests indépendants.

Outils
Les clés à chocs, les outils pour pulser, les tournevis, les tournevis, les forets, les meuleuses, les meuleuses, les ponceuses, les forets dentaires et autres outils pneumatiques utilisent divers moteurs pneumatiques. Ceux-ci comprennent les moteurs à palettes, les turbines et les moteurs à pistons.

Torpilles
Les premières formes de torpilles automotrices les plus performantes utilisaient de l’air comprimé à haute pression, bien que cela fût remplacé par des moteurs à combustion interne ou externe, des moteurs à vapeur ou des moteurs électriques.

Les chemins de fer
Les moteurs à air comprimé ont été utilisés dans les tramways et les shunters et ont finalement trouvé un créneau de succès dans les locomotives minières, bien qu’ils aient finalement été remplacés par des trains électriques souterrains. Au fil des années, la complexité des conceptions a augmenté, donnant naissance à un moteur à triple expansion avec des réchauffeurs air-air entre chaque étape. Pour plus d’informations, voir Locomotive sans fil et système Mekarski.

Vol
Les avions de la catégorie transport, tels que les avions de ligne commerciaux, utilisent des démarreurs à air comprimé pour démarrer les moteurs principaux. L’air est fourni par le compresseur de charge du groupe auxiliaire de bord de l’aéronef ou par des équipements au sol.

Les fusées à eau utilisent de l’air comprimé pour alimenter leur jet d’eau et générer une poussée, elles sont utilisées comme jouets.

Air Hogs, une marque de jouets, utilise également de l’air comprimé pour propulser les moteurs à pistons dans les avions jouets (et certains autres véhicules jouets).

Automobile
Il existe actuellement un intérêt pour le développement des voitures aériennes. Plusieurs moteurs ont été proposés pour ceux-ci, mais aucun n’a démontré les performances et la longue durée de vie nécessaires au transport de personnes.

Énergie
Energine Corporation était une société sud-coréenne qui prétendait livrer des voitures entièrement assemblées fonctionnant sur un moteur hybride air comprimé et électrique. Le moteur à air comprimé est utilisé pour activer un alternateur, ce qui étend la capacité de fonctionnement autonome de la voiture. Le PDG a été arrêté pour avoir frauduleusement promu des moteurs pneumatiques comportant de fausses déclarations.

EngineAir
EngineAir, une société australienne, fabrique un moteur rotatif alimenté par air comprimé, appelé moteur Di Pietro. Le concept de moteur Di Pietro est basé sur un piston rotatif. Différent des moteurs rotatifs existants, le moteur Di Pietro utilise un simple piston rotatif cylindrique (arbre d’entraînement) qui roule, avec peu de friction, à l’intérieur du stator cylindrique.

Il peut être utilisé dans les bateaux, les voitures, les porteurs et autres véhicules. Une pression de seulement 1 psi (6,8 kPa) est nécessaire pour surmonter le frottement. Le moteur a également été présenté au programme New Inventors de ABC en Australie le 24 mars 2004.

K’Airmobiles
Les véhicules K’Airmobiles devaient être commercialisés à partir d’un projet développé en France en 2006-2007 par un petit groupe de chercheurs. Cependant, le projet n’a pas été en mesure de réunir les fonds nécessaires.

Les gens doivent noter qu’entre-temps, l’équipe a reconnu l’impossibilité physique d’utiliser de l’air comprimé stocké à bord en raison de sa faible capacité énergétique et des pertes thermiques résultant de la dilatation du gaz.

Aujourd’hui, utilisant le brevet en instance de brevet «K’Air Generator», converti pour fonctionner en moteur à gaz comprimé, le projet devrait être lancé en 2010, grâce à un groupe d’investisseurs nord-américains, mais dans le but de développer d’abord un système d’énergie.

MDI
Dans le moteur à air Nègre d’origine, un piston comprime l’air de l’atmosphère pour se mélanger à l’air comprimé stocké (qui refroidira de manière importante à mesure qu’il se dilate). Ce mélange entraîne le deuxième piston, fournissant la puissance réelle du moteur. Le moteur de MDI fonctionne avec un couple constant, et le seul moyen de modifier le couple des roues est d’utiliser une transmission à poulie à variation constante, ce qui entraîne une perte d’efficacité. Lorsque le véhicule est arrêté, le moteur de MDI devait être en marche et perdre de l’énergie. En 2001-2004, MDI a adopté un modèle similaire à celui décrit dans les brevets de Regusci (voir ci-dessous), datant de 1990.

Il a été signalé en 2008 que le constructeur automobile indien Tata envisageait un moteur à air comprimé MDI en option sur ses automobiles Nano à bas prix. Tata a annoncé en 2009 que la voiture à air comprimé s’avérait difficile à développer en raison de sa faible autonomie et des problèmes de basses températures du moteur.

Quasiturbine
Le moteur pneumatique Quasiturbine est un moteur rotatif sans piston à air comprimé utilisant un rotor en forme de rhomboïde dont les côtés sont articulés aux sommets.

La Quasiturbine a fait ses preuves en tant que moteur pneumatique utilisant de l’air comprimé stocké

Il peut également tirer parti de l’amplification énergétique possible en utilisant la chaleur externe disponible, telle que l’énergie solaire.

La quasiturbine tourne à partir d’une pression aussi basse que 0,1 atm (1,47 psi).

Étant donné que la Quasiturbine est un moteur à pure expansion, contrairement au moteur Wankel et à la plupart des autres moteurs rotatifs, elle convient parfaitement en tant que moteur à fluide comprimé, moteur pneumatique ou moteur pneumatique.

Regusci
La version du moteur pneumatique d’Armando Regusci couple le système de transmission directement à la roue et offre un couple variable allant de zéro au maximum, améliorant ainsi l’efficacité. Les brevets de Regusci datent de 1990.

Equipe Psycho-Active
Psycho-Active développe actuellement un châssis hybride multi-carburants / air destiné à servir de base à une gamme de véhicules. La performance revendiquée est de 50 ch / litre. Le moteur à air comprimé qu’ils utilisent est appelé moteur DBRE ou à moteur rotatif à lame tubulaire.

Dessins de moteur à air défunt

Moteur de congélation
Milton M. Conger a breveté en 1881 et construit soi-disant un moteur fonctionnant à l’air comprimé ou à la vapeur utilisant un tube flexible qui formera un mur en forme de coin ou incliné à l’arrière du palier tangentiel de la roue et le propulsera avec plus ou moins de vitesse en fonction de la pression du fluide propulseur.