Limites des voitures actuelles
M.Cricchio, F.D'Aniello
(*) - G.Rizzo (**)
(*)
Istituto Alfano I - (**) DIMEC, Università di Salerno
Résumé
La recherche de bonnes alternatives aux voitures conventionnelles n'est pas une chose récente. Plusieurs solutions ont déjà été analysées pendant des années, mais il n'y a pas eu de résultat significatif pouvant être appliqué. Jusqu'à présent, les moteurs à combustion interne sont l'alternative la plus mise en avant, ceci est principalement lié à leure grande fiabilité et au fait que leur technologie est arrivée à l'état de maturité. Néanmoins, les questions associées à l'épuisement des combustibles fossiles, et aux problèmes environnementaux liés à la combustion, ont conduit à augmenter les efforts de recherche sur l'étude et le développement de systèmes de propulsion innovateurs.
Aspects historiques
Le moteur atmosphérique
La voiture a été inventée il y a plus de deux siècles et, depuis lors, beaucoup de chercheurs essayent de la réinventer. En 1909, un inventeur a dit : "... La technologie automobile a atteint son étape technologique finale…". L'histoire automobile est strictement liée à celle du moteur à combustion interne, dont l'ancêtre était "le moteur à poudre" de Leonardo.
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| Moteur de Leonardo, le précurseur des moteurs à combustion interne modernes |
Après le premier prototype de "Moteur Atmosphérique", plusieurs autres systèmes de propulsion ont été inventés. Au 19ème siècle, ils étaient déjà dans une étape de développement satisfaisante et leur utilisation était répandue, contribuant significativement à la révolution Industrielle. Néanmoins, ces moteurs étaient toujours trop grands, lourds et à basse efficacité.
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| Fonctionnement du moteur atmosphérique de Otto |
Fonctionnement du moteur à gaz de Lenoir
(efficacité d’environ 3%)
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Le moteur à quatre temps
L'innovation réelle dans la conception des moteurs vient du Beau de Rochas, qui a suggéré le moteur à quatre temps, et de Otto, qui a effectué son projet en 1876, améliorant l'efficacité et la puissance. Depuis la première décennie du 20e siècle, les moteurs à combustion interne sont le plus généralement utilisés pour des systèmes de propulsion mobiles, dominant la concurrence. En fait, le premier record de vitesse a été réalisé en 1902 par une automobile à vapeur (moteur à combustion externe).
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| The first Four-stroke Engine, Nikolaus August Otto (1876) |
Serpollet's
Steam Engine, which has set the world record of speed at 121 Km/h
(Nizza, 1902) |
En résumé, les avantages principaux des moteurs à combustion internes conventionnels sont:
- Un grand ratio entre la puissance et le poids et à une grande efficacité ;
- Une haute densité d'énergie des combustibles fossiles, ce qui conduit à une grande autonomie de la voiture;
- Un bas prix du carburant (avant la crise de l'énergie);
- Un réseau de distribution des carburants grand et diffus.
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| Le modèle Ford T, le premier véhicule produit avec une chaîne de production (1914) |
Le développement du moteur
Même si la fonction de base de chaque moteur reste essentiellement la même; au cours des trente dernières années, la prévention de la pollution de l'environnement et les évolutions rapides de la technologie micro-électronique, ont permis de développer des systèmes réduisant la pollution et les consommations de carburant et d’améliorer la sécurité et le confort.
Dans les moteurs à explosion, les carburateurs ont été graduellement substitués par des systèmes d'injection dont le contrôle est électronique. En effet, les carburateurs n'étaient pas capables de garantir des limites au sujet des émissions de polluant. Pour les moteurs à compression, les vieux systèmes d'injection sont substitués par les systèmes "Common Rail" (rampe commune). Avec cette amélioration, le moteur est défini par certains auteurs célèbres comme étant "…un ordinateur avec un déclencheur mécanique...".
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Depuis 1970, Les limites des émissions d'échappement ont été réduites |
Architecture d'un carburateur |
Alternatives
Le besoin d'une réduction continue des émissions de CO2 a nourri les activités de recherche sur des alternatives aux systèmes de propulsion. Selon les sources d'énergie utilisées, les systèmes de propulsion sont divisés en systèmes thermiques, électriques et hybrides. L'analyse des deux dernières catégories sera présentée séparément. Ainsi, certaines de ces alternatives ont été examinées:
- Le moteur de Brayton (turbine à gaz): favorable en ce qui concerne le ratio entre la puissance et le poids (d'habitude, il est utilisé à des fins aéronautiques), mais efficacité inférieure à celle des moteurs traditionnels (particulièrement dans des conditions de charges variables); il est caractérisé par le coût élevé de ces matériaux.
- Le moteur de Rankine (turbine à vapeur): utilisé pour des applications fixées, tels que les systèmes thermaux-électriques et co-générateur; il possède un poids élevé et une basse adaptabilité aux conditions de fonctionnement.
- Le moteur de Stirling: il est caractérisé par un grand nombre d'avantages grâce à l'utilisation du cycle régénérateur thermodynamique qui possède une grande efficacité. Les laboratoires de Recherche de Philips, un des leader dans le développement des moteurs à vapeur, travaillent dans le but de faire de ce moteur un concurrent des moteurs à combustion interne conventionnels.
- Le moteur de Wankel: moteur à piston rotatif, qui possède une taille inférieure et des vibrations moindres que les moteurs à combustion interne traditionnels, mais il induit une consommation et des émissions plus grandes.
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| Le moteur rotatif de Wankel |
"Turboflite", un modèle de Chrysler équipé par une turbine à gaz (1961) |
Prototype de Ford Torino, équipé par un moteur Stirling (moteur à air chaud) |
Limites des moteurs thermiques
Quelles sont les principales limites des voitures en ce qui concerne des aspects environnementaux ? Ces limites sont liées à la façon de convertir l'énergie nécessaire au mouvement de la voiture. L'énergie nécessaire est une fonction du poids et de la vitesse, elle peut être limitée en réduisant les frictions dans le système de transmission, ainsi que la résistance de pneus et en utilisant des profils de voitures aérodynamiques.
Les limites thermodynamiques
Un moteur thermique (dans la plupart des cas, il s'agit d'un moteur à combustion interne) convertit l'énergie chimique du carburant en énergie thermique (par un processus de combustion) et en énergie mécanique ainsi qu'en d'autres sortes d'énergies (la somme des énergies produites étant égale à l'énergie d'entrée, comme l'expose la Première Loi de la thermodynamique). L'efficacité représente le rapport entre ce qui est dépensé et ce qui est obtenu par le transfert d'énergie.
Qu'arrive-t-il à l'énergie chimique non convertie en énergie mécanique ?
- Environ 25 à 30 % sont dissipés dans le circuit de refroidissement, conçu pour que le moteur travaille toujours dans une gamme de températures donnée.
- La plus grande quantité de cette énergie, entre 30 et 40 %, est dissipée avec les gaz d'échappement.
- Le moteur lui-même, tandis que son travail est très chaud, décharge une partie de sa chaleur dans un processus appelé "émettant" qui représente environ 2 à 8 % de l'énergie chimique.
- Une autre fraction (environ 10-15 %) est liée à l'énergie mécanique perdue dans le moteur à cause de la friction (et convertie à son tour en chaleur) et de l'énergie fournie aux auxiliaires.
Les fractions d'énergie absorbées par ses différents mécanismes sont en grande partie indicatives, elles dépendent de la sorte de moteur (à explosion, Diesel), de sa puissance et, pour un moteur donné, sur ses conditions de fonctionnement (moment de torsion, nombre de tour par minute, température).
Pour améliorer l'efficacité du moteur, les pertes internes par friction doivent être réduites ainsi que les pertes liées au pompage et le cycle thermodynamique doit être optimisé. Mais, même avec un moteur idéal, l'efficacité de la conversion de l'énergie thermique en énergie mécanique est inférieure à 1 et dans des cas réels elle ne dépasse pas 0.40, en raison des limites exposées par la Seconde Loi de la Thermodynamique. Une quantité significative d'énergie est donc perdue dans l'environnement et gaspillée. Le processus de combustion
L'énergie thermique en entrée est obtenue par la combustion de combustibles fossiles, un mélange d'hydrocarbures, contenant du carbone et de l'hydrogène. Ce processus produit du dioxyde de carbone (CO2), qui est responsable de l'effet de serre et du réchauffement terrestre. De plus, le processus de combustion émet aussi des polluants: des hydrocarbures non brûlés, du protoxyde d'azote, du monoxyde de carbone (dans les moteurs à explosion) et des particules (dans les moteurs diesel). Leur effet est particulièrement dangereux dans des zones urbaines. Ces émissions sont réglementées dans beaucoup de pays selon des lois sévères et elles sont réduites par des systèmes de commande des émissions complexes.
Liens
http://library.thinkquest.org/C006011/english/sites/index.php3?v=2
http://www.aardvark.co.nz/pjet/chrysler.shtml
http://www.stanleysteamers.com/serpollet.htm
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