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Complément à la page du tracteur 22

CALCULS SOMMAIRES SUR LA CONSOMMATION DES TRACTEURS MODIFIES

par C.Martz le 28/10/01

J'ai réalisé quelques calculs sommaires d'énergétique en partant des constatations de consommation en fuel et en eau des tracteurs modifiés. Ceci afin d'essayer de comprendre un peu plus ce qui se passe dans le réacteur d'un point de vue énergétique. Nous allons comparer les rendements sur le fuel avant et après la modification.

Ces calculs sont basés sur la réalisation numéro 22, le tracteur Massey Ferguson de 95 CV.

Je considère que le lecteur a bonne connaissance du montage réalisé ( montage Pantone en parallèle de l'injection d'origine, ne traitant que de l'eau, le "gaz" en sortie de réacteur est injecté après le filtre à air).

Données nécessaires pour comprendre le cheminement :

- 1 CV = 740 W environ
- 1 kWh = 3600 kJ
- Pouvoir calorifique du fuel (environ) : 36 000 kJ/L soit 42 000 kJ/kg soit 1 L de fuel = 10 kWh
- Pouvoir calorifique de l'hydrogène : 120 000 kJ/kg
- Masse molaire de l'hydrogène (H): 1 g/mole
- Masse molaire de l'oxygène (O) : 16 g/mole
- Masse molaire de l'eau (H2O) = 2x1 + 16 = 18 g/mole
- Proportion massique d'hydrogène dans la molécule d'eau : 2/18 = 1/9

Données concernant le tracteur

- Consommation de 21 L/h de fuel en configuration d'origine
- Consommation de 10 L/h de fuel et 6 L/h d'eau après modification
- Puissance moyenne utile de 70 CV ( approximation basse compte tenu de la charge de travail qui n'est pas constante et maximale tout le temps)

Hypothèses :

- Nous supposons que le seul produit issu du traitement de l'eau dans le réacteur est de l'hydrogène. Et nous nous basons sur des calculs de combustion sommaires (chimiques) en négligeant toutes autres formes d'apport d'énergie au moteur.
- Soit X la portion massique d'eau dissociée (dans le réacteur ou dans le moteur) fournissant de l'énergie sous forme d'hydrogène pour la combustion.
- Soit (1-X) la proportion de vapeur restante qui, surchauffée, fournit de l'énergie en se détendant dans le cylindre.
Nous raisonnerons sur 1 h de fonctionnement à puissance moyenne de 70 CV, pour faciliter les calculs, toutes les énergies sont en kWh (1 kWh = 3600 kJ).


Calculs énergétiques :

1) Préliminaire :

Energie utile fournie par le tracteur sur une heure :
E1= puissance du moteur (en Watts) * durée de fonctionnement
= 70*740*3600 = 180 648 kJ = 51.8 kWh

2) Configuration d'origine

Energie thermique fournie par les 21 L de fuel :
E2 = 21*10 = 210 kWh
Rendement global moyen sur le fuel
R1 = E1/E2 = 24.67 %

C'est le rendement moyen constaté pour les véhicules diesel. Dans notre cas c'est le rendement que nous appellerons global propre au moteur étudié. C'est à dire que pour une énergie thermique fournie, ce moteur fournira environ 25% de cette énergie en énergie mécanique. Cette valeur, compte tenu de la construction du moteur NE PEUT ETRE DEPASSEE pour augmenter l'énergie mécanique, il faut augmenter l'énergie thermique fournie.

3) Configuration Pantone

Energie thermique fournie par les 10 L de fuel :E3 = 10*10 = 100 kWh
Rendement global moyen sur le fuel
R2 = E1/E3 = 51.8 %
C'est énorme! Et cela dépasse le rendement théorique du cycle de Carnot pour les moteur diesel ( maxi. de environ 40% sur les moteurs diesel classiques). Il y a donc de l'énergie qui est fournie par une autre source, c'est à dire par le gaz sortant du réacteur.

Cette énergie peut provenir de l'eau injectée sous 2 formes :

- par la combustion de l'hydrogène issu de la décomposition de l'eau, peu importe que cette décomposition se fasse dans le réacteur ou dans la chambre de combustion (T et pression élevée) voir 3.1)

- par la détente de la vapeur d'eau qui ne se serait pas décomposée voir 3. 2)

3.1) Etude de l'énergie fournie par la portion X d'eau décomposée.

Sur 1 kilogramme d'eau, nous supposons qu'une quantité X d'eau est décomposée. En prenant en compte le rapport moléculaire-massique H2/O de l'eau, nous obtenons une masse d'hydrogène de : X*1/9 kg, soit dans le meilleur des cas (X=1, c'est à dire que toute l'eau est crackée) 1/9 kg soit 111.11 g d'hydrogène pur par kilogramme d'eau consommée.

Ces 111.11 g d'H2 fournissent une énergie de 13 333 kJ/kg. C'est à dire que 1 kilogramme d'eau fournit au mieux 13 333 kJ, soit l'énergie équivalente à 13333/36000=0.37 L de fuel. Il faut donc 2.7 litres d'eau crackée à 100% pour obtenir l'énergie de 1 Litre de fuel.

Remarque importante : cette dernière affirmation n'est valable que dans le cas d'une combustion classique d'hydrogène, c'est à dire sans apport d'autre énergie (quantique ou autre..). De plus comme la combustion de l'hydrogène forme de l'eau et qu'il est possible de recondenser cette eau, le "moteur à eau" a la possibilité de "tourner en boucle", les seules pertes venant de la condensation non parfaite. Cette recondensation n'est pas effectuée sur les tracteurs mais elle permettrait de réduire fortement la consommation d'eau.

3.2) Etude de l'énergie fournie par la détente de la (1-X) de la vapeur d'eau.

On considère que sur le même kilogramme d'eau que précédemment, la portion (1-X) de vapeur d'eau qui n'est pas fractionnée va être encore être surchauffée et se détendre dans le cylindre pour augmenter encore la pression sur le piston.
Hypothèse : la vapeur suit évidement un cycle Diesel, nous calculons l'enthalpie (Energie par kilogramme) récupérable par cette vapeur injectée. Voici le cycle Diesel (mixte) dans un diagramme (Pression,Volume). Nous négligeons la boucle de remplissage et de vidange du moteur.

A)Définition du cycle et des niveaux d'énergie

Définition du cycle théorique : 1 à 2 : Compression (isentropique)  2 à 2' et 2 à 3 : Combustion(Augmentation de pression et apport de chaleur isobare )  3 à 4 : Détente (isentropique) = temps moteur 4 à 1 : Vidange = ouverture soupape échappement ( échange de chaleur isochore

On définit alors les niveaux d'énergie pour les différents points :

Point 1 :
- Température de la vapeur arrivant dans le cylindre : 150°C
- Pression de la vapeur arrivant dans le cylindre : 0.7 bars
- Enthalpie H1 : environ 2800 kJ/kg

Point 2 :
- Température de la vapeur après compression : 400°C
- Pression de la vapeur après compression : 15 bars (taux de compression du moteur Diesel : 20 )
- Enthalpie H2 : environ 3300 kJ/kg

Point 2' (effet de la pression de la combustion):
- Température de la vapeur après compression : 400°C
- Pression de la vapeur après l'explosion : 80 bars
- Enthalpie H2' : environ 3300 kJ/kg

Point 3 (effet de la chaleur de la combustion):
- Température de la vapeur après compression : 1000°C
- Pression de la vapeur après l'explosion : 80 bars
- Enthalpie H3 : environ 5000 kJ/kg

Point 4 :
- Température de la vapeur sortant du moteur : 400°C
- Pression de la vapeur sortant du moteur : 1.5 bars
- Enthalpie H4 : environ 3200 kJ/kg

B) Energies échangées dans le moteur

L'énergie récupérable est l'énergie de détente, c'est à dire entre le point 3 et le point 4. La compression 1 à 2,au contraire, demande de l'énergie au moteur.

Energie de compression : H2 - H1 = 500kJ/kg
Energie de combustion : H3 - H2 (ou H2') =1700 kJ/kg ( fournie par le Diesel).
Energie de détente : H3 - H4 = 1800 kJ/kg

L'énergie récupérable fournie par la vapeur dans le moteur est donc : Energie de détente - Energie de combustion - Energie de compression = -500 kJ/kg.

D'APRES NOS HYPOTHESES (températures, pression..), CHAQUE KILOGRAMME DE VAPEUR D'EAU SORTANT DU REACTEUR ET INJECTEE DANS LE MOTEUR DIESEL VA DONC FAIRE PERDRE 500 kJ AU CYCLE AU MOTEUR.

Les niveaux d'énergie de l'eau vaporisée en sortie de réacteur et injectée dans le moteur NE PERMETTENT DONC PAS DE FAIRE GAGNER DE L'ENERGIE AU MOTEUR. AU CONTRAIRE L'EAU VAPEUR POMPE DE LA CHALEUR AU MOTEUR.

POUR RECUPERER L'ENERGIE DE DETENTE DE LA VAPEUR D'EAU, IL FAUDRAIT UNE VAPEUR D'EAU BIEN PLUS SURCHAUFFEE (plusieurs dizaines de bars et centaines de degrés) ET INJECTEE EN MEME TEMPS QUE LE FUEL OU JUSTE APRES L'EXPLOSION. C'est à dire que l'énergie de compression serait nulle et l'énergie combustion fortement réduite ainsi, l'énergie récupérable de la détente de la vapeur par le piston bien plus élevée.

3.3) Bilan global de l'énergie fournie par l'eau.

Nous reprenons les notations antérieures : sur 1 kilogramme X % d'eau est fractionnée, l'énergie fournie par l'hydrogène ou au contraire pompée par l'eau vapeur est :

E = Energie fournie par l'hydrogène - Energie pompée par la vapeur = 13333*X - (1-X)*500 = -500 + 13833 X kJ/kg d'eau injectée.

Nous traçons rapidement le graphique suivant qui donne l'énergie fournie au moteur par kilogramme d'eau en fonction de la proportion d'eau dissociée en H2 et O2 (notée X précédemment).

Interprétation :

On voit qu'il suffit de 5% d'eau fractionnée pour que l'énergie fournie par l'hydrogène compense l'énergie pompée par la vapeur restante. Evidemment à 100% de dissociation, nous retrouvons les 13333 kJ/kg d'eau.

3.4) Correspondance entre l'énergie de l'eau et les consommations constatées.

Nous allons maintenant voir si l'énergie fournie par l'eau est suffisante pour compenser les baisses de consommation constatée. Nous reprenons les hypothèses et calculs précédents et nous nous plaçons dans le meilleur des cas, c'est à dire 100% d'eau dissociée soit X = 1 :

Energie utile fournie par le tracteur sur une heure :

E1= puissance du moteur (en Watts) * durée de fonctionnement
= 70*740*3600 = 180 648 kJ = 51.8 kWh

Energie thermique fournie par les 10 L de fuel :

E(fuel)= 10*10 = 100 kWh

Energie thermique fournie par les 6 L d'eau dissociée :

Nous avons : 13333 Kj = 3.7 kWh soit
E(Eau) = 6*3.7= 22.22 kWh

Rendement global sur le fuel et sur l'eau :

R= E(fournie)/(E(fuel)+E(Eau)) =51.8/(122.22) = 42.4 %

Interprétation :

Nous sommes largement au-dessus du rendement global de 25% calculé dans le 2). Comme nous l'avons dit : ce rendement global propre au moteur ne peut pas être dépassé. Autrement dit : l'énergie fournie par l'hydrogène de l'eau NE SUFFIT PAS A COMPENSER LA BAISSE DE CONSOMMATION DE FUEL CONSTATEE . Le gaz sortant du réacteur est donc un gaz très énergétique composé d'oxygène, d'hydrogène et peut être de composés contenus dans l'air (Azote?) qui est admis dans l'évaporateur d'eau.

Autre interprétation (plus rapide) :

La baisse de consommation constatée de 11 L de fuel contient 110 kWh d'énergie thermique. L'énergie fournie par l'hydrogène des 6 L d'eau est de 22.22 kWh. Il manque donc 110-22.22 = 87.78 kWh d'énergie thermique à fournir au moteur.

Cette énergie est forcément fournie par le gaz sortant du réacteur et ce gaz CONTIENT PLUS D'ENERGIE QUE CELLE FOURNIE PAR LA DECOMPOSITION DE L'EAU EN HYDROGENE ET EN OXYGENE.

4) Conclusion

Le gaz sortant du réacteur est un gaz très énergétique et forcément composé des constituants de l'eau et de l'air. S'il est possible qu'il y ait de l'hydrogène en sortie de réacteur, il ne suffit pas à compenser la baisse de consommation constatée. Des études d'analyse chimique du gaz en sortie de réacteur nous diront précisément quel est ce gaz. Je désire fortement caractériser ce gaz, contactez moi , si vous avez des idées de caractérisation ou pour toute proposition d'étude plus élaborée. Merci.

Copyright : Page rédigée par C.Martz le 28 octobre 2001 uniquement pour le site de " Quanthomme " toute reproduction à des fins commerciales est formellement interdite sans l'accord de l'auteur.

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