de steph_tsf » Jeu Oct 16, 2008 12:07 am
Parallèle avec les moteurs diesel.
Moteur Peugeot Diesel "Indenor" monté dans les Peugeot 404 dans le milieu des années 1970 : cylindrée 2.000 cm3, puissance 57 cv donc 41 kW, conso de l'ordre de 8 litres au 100 km.
Moteur VW Diesel de 2008 : cylindrée 2.000 cm3, puissance 103 kW, conso de l'ordre de 6 litres au 100 km.
Qu'est-ce qui a donc fait progresser les moteurs diesel, en 30 ans ?
Réponse :
- en termes d'économie (basse consommation), c'est l'atomisation de plus en plus fine du gasoil au niveau des injecteurs.
- en terme de puissance, c'est le principe de la suralimentation qui fait avaler plus d'air (de comburant) qui augmente de ce fait la cylindrée apparente.
Que signifie en réalité "atomisation plus fine" ?
Réponse : c'est la taille de la gouttelette en sortie de l'injecteur. Elle a fortement diminué tout au long des années. La combustion est un phénomène de surface.
En réalité, il faut se mettre dans la tête que nous n'interagissons pas avec la matière au sens strict. Nous ne faisons qu'interagir avec la surface qui la délimite. Je répète : nous ne faisons qu'interagir avec la surface qui la délimite.
De là à dire que je vire Cathare et Parfait, en niant l'existence de la matière ... vue de mon point de vue ... Joli débat.
On dit que plus on atomise (plus on pulvérise avec des petites gouttes), plus le rendement du moteur Diesel augmente.
On le dit, on le sait, mais on oublie de se poser la question du pourquoi.
Grosso-modo, c'est simple. Si le jet est composé de grosses gouttes pas bien espacées entre elles, il y a bien un début de combustion gasoil-oxygène, mais uniquement un début. Il y a auto-étouffement car à l'intérieur de ce jet trop dense et pas aéré, très vite l'oxygène vient à manquer localement. Et si les gouttes sont encore grosses lorsque l'oxygène vient à manquer localement, la combustion est loin d'être totale.
Ce qui peut arriver de plus moche à une combustion Diesel, c'est de manquer d'air.
D'ou l'existence d'une armée de bidouilleurs qui tentent d'amener l'oxygène au lieu même de sa consommation, en périphérie de la gouttelette de Diesel.
Les plus "hérétiques" prétendent que le meilleur moyen d'amener de l'oxygène sur les gouttelettes, c'est de les encapsuler à titre individuel avec de l'eau "mystique" H2O ou H3O ou H3/4O, en réalité des macromolécules creuses en forme de ballon de football qui juste au bon moment et par l'effet de la "lumière divine" du Laser, se dissocient en ions H et en ions O, en s'empressant de préciser que ce processus qui prélève beaucoup d'énergie à l'état naturel (ça va refroidir la chambre de combustion), se voit "diablement" facilité grâce à l'utilisation d'un catalyseur à base d'Unobtainium, que l'on piège à l'échappement et que l'on recycle illico.
Ceci est fondamental. Il faut toujours garder ceci à l'esprit, parlant d'un Diesel. En ce qui concerne un moteur à l'essence eurosuper, c'est différent et plus compliqué car là, la combustion peut uniquement démarrer si on maintient un rapport air/essence bien déterminé. Et il faut pas mal d'astuce et de chance pour que durant le processus de combustion, ce paramètre se maintienne dans des limites acceptables, sans trop d'ecxès d'air qui a pour effet d'arrêter la combustion. Exactement l'inverse du Diesel.
Donc, déjà au bout de quelques lignes d'explication, on voit bien ce qui se passe dans un Diesel : on vise une combustion totale avec excès d'air. Et on voit aussi comment on a toutes les chances de rater cet idéal : des paquets trop denses, trop serrés, où l'air vient à manquer. Si ce manque d'air survient, il y a diminution de la chaleur, et comme nous sommes en réalité dans un courant d'air causé par la soupape d'admission qui se ferme et par le piston qui descend, au bout de quelques microsecondes, du fait de ce courant d'air, les grosses gouttes s'éloignent quelque peu les unes des autres, et nous voilà reparti pour un bon cycle de combustion, jusqu'à ce que l'air vienne à nouveau à manquer, localement. On espère toutefois que l'on arrive à bruler la totalité du caburant avant que le piston ne se remette à remonter, car là, s'il y a du carburant non brûlé qui persiste, ce serait une perte.
Contrairement au moteur à l'eurosuper, qui au fil des années a vu son régime maxi augmenter dans de fortes proportions (de 5.000 t/m à 15.000 t/m, surtout en moto), en Diesel il n'y a pas eu cette progression parce que le Diesel, jusqu'à présent et malgré toutes les recherches, brûle à son aise, sans qu'il ne soit possible d'accélérer sa combustion. Quasiment tous les moteurs Diesels ont un régime maxi de l'orde de 4.000 t/m, régime auquel quoi qu'il arrive, la combustion est totale, presque sans rejets de HC.
Bien évidement, une armée de bidouilleurs tentent d'accélerer la combustion du diesel. Un Diesel qui tourne à 12.000 t/m sans rejets HC aurait une puissance maximale théoriquement triplée, qui en pratique sera au moins doublée.
Mais voilà, toute cette explication ne suffit pas ! Car si tout le carburant brûle de toutes façons, on a quand même extrait toute l'énergie du carburant. Non ?
Non.
Il faut maintenant prendre en considération le fait que le piston est connecté à une bielle. Et que le rendement instantané de la bielle est d'autant meilleur qu'elle se trouve juste entre le point mort haut et le point mort bas, à 90 degrés. Avoir une forte combustion tout au début du cycle, avec une forte montée de pression lorsque le piston est tout en haut est improductif car le piston pousse alors sur son chapeau de bielle, et à la limite, si la poussée intervient juste un peu trop tôt, on risque que le piston ne reparte à contresens. Idem si la poussée se prolonge trop longtemps, lorsque le piston est tout en bas. C'est improductif car le piston tire alors sur son chapeau de bielle, et si la poussée continue jusqu'en bas, le piston qui doit remonter doit vaincre sa propre pression motrice.
On voit donc que le mauvais séquencement de la combustion, même si totale, peut induire des pertes mécaniques fondamentales et importantes.
On a vu qu'il faut bien "aérér" le jet qui lui-même doit être constitué de gouttelettes les plus fines possibles pour éviter des surconsommations locales d'oxygène.
Et on voit maintenant que, comme si cela ne suffisait pas, il faut en outre que cette atomisation et que cette dispersion donne lieu à un timing de combustion ultra-précis, ceci dans une ambiance de courant d'air plus ou moins turbulent (cela dépend du régime), et ce qui n'arrange rien à ce stade, dans un vent d'ions qui influent également sur la dispersion et la combustion.
Mais n'empêche, quantité de bricolos, mathématiciens et chercheurs passent leur temps à modéliser mathématiquement le jet qui sort d'un injecteur (là, ils ne sont même pas d'accord sur la méthode ou le modèle) , ceci pour débusquer le "jet parfait" sur simulation, en variant la pression, la forme du bec, la forme de la chambre de combustion, les turbulences déjà présentes au niveau du collecteur d'admission, le laminage causé par les soupapes, etc ...
Une véritable histoire de fous. Une cuisine de sorcières.
Vient alors le moment (douloureux) de passer de la simulation à la réalité : presque toujours le "jet parfait" trouvé par miracle se transforme en quelque chose de quelconque, et l'on s'empresse alors de blâmer soit le physicien qui a fourni le modèle, soit l'informaticien qui a mal codé le modèle, soit le mécanicien qui a fabriqué l'injecteur et sa pompe.
Cela fait trente années que ce cirque avance, à petits pas, mais tout de même avec des résultats tangibles : l'injecteur-pompe, le common-rail et tout récemment l'injecteur piezo-électrique. De 41 kW à 103 kW et de 8 litres au 100 km à 6 lites au 100 km.
Mais bon, bof, la progression n'est pas fantastique, malgré tout le battage médiatique. Beaucoup de pub, beaucoup d'autosatisfaction.
Alors que la progression des performances des microprocesseurs informatiques a été de l'ordre de 1000, en l'espace de 30 années.
Alors voilà, je jette une série de bouteilles à la mer.
Peut-on raisonablement faire un parallèle entre tout cela et :
- l'augmentation attendue de la densité énergétique des batteries (133 Wh/kg actuellement - c'est le paramètre d'autonomie)
- l'augmentation attendue de la puissance massique des batteries (0,5 kW/kg actuellement - c'est le paramètre de puissance)
Si l'on visualise bien que nous n'interagissons qu'avec la surface de la matière, est-ce qu'on ne peut pas prévoir que s'agissant de batteries, la question essentielle, celle qui conditionnera le progrès, c'est la surface active ?
Si l'on accepte cette idée, est-ce qu'on peut prévoir que le paramètre fondamental et déterminant soit la "taille de l'alvéole", sachant que de simples règles de géométrie (villosités, fractales) peuvent garantir que malgré la réduction de la taille de l'alvéole, la surface qu'elle développe soit constante ?
Et dès lors, en observant cette construction, est-il vrai que réduire d'un facteur 2 la taille de l'alvéole, en linéaire, a pour effet de multiplier par 4 le nombre d'alvéoles, donc multiplier par 4 la surface totale active ?
Et que peut-être, si les batteries deviennent de véritables édifices en 3D, et pas seulement des films enroulés, alors, en jouant sur la profondeur et les empilements, si on a la même réduction d'un facteur 2 de la taille de l'alvéole, en linéaire, est-il vrai que cela a pour effet de multiplier par 8 le nombre d'alvéoles, donc multiplier par 8 la surface totale active ?
Juste une comparaison maintenant.
Assez parlé des moteurs Diesel et de l'atomisation du jet.
Assez parlé des batteries qui peut-être n'attendent qu'à être développées au moyen de techniques de microgravure 2D, de nanogravure 2D, d'ingénierie biologique 2D, d'ingénierie biologique 3D.
Regardons un peu du côté de nos poumons et de nos muscles.
Quelle est la surface équivalente des poumons d'un homme ?
Si l'on considère les muscles de la jambe, par exemple ceux qui font avancer un cycliste, quel est leur puissance maxi et leur poids ? Ceci est à comparer à la puisance massique d'un moteur électrique, généralement élevée car de l'ordre de 2 kW/kg.
Si l'on considère l'alimentation en énergie du muscle : sucre, oxygène, ... quelle est la densité énergétique, comme on l'exprime pour les batteries : combien de Wh/kg ? Les Wh/kg, c'est le travail (Wh) effectué par les muscles, alimentés par la masse (kg) d'aliments nécessaires pour garantir l'intégrité structurelle et fonctionnelle du muscle pendant l'effort.
Si l'on considère l'alimentation en énergie du muscle : sucre, oxygène, ... quelle est la puissance massique de celle-ci, c'est-à-dire quelle est la puissance instantanée qu'un muscle peut en tirer, pour un kilo d'une telle alimentation ? Ceci est à comparer à la puisance massique d'une batterie, généralement de l'ordre de 0,5 kW/kg.
à vos calculettes ...
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steph_tsf le Jeu Oct 16, 2008 12:33 am, édité 1 fois.