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RÉFLEXIONS SUR LE FONCTIONNEMENT DU TRACTEUR

MASSEY-FERGUSON 95CV

RÉALISATION NO. 22 DU SITE QUANT’HOMME

par Michel St-Georges

(ingénieur D. Sc. A.)

Page créée le 7 janvier 2002


 Faisant suite aux Calculs Sommaires sur la Consommation des Tracteurs Modifiés par Mr.Christophe Martz publié sur le site Quant’homme, je désirerais apporter une modeste contribution à la compréhension du fonctionnement du moteur. Mais avant de commenter le fonctionnement du tracteur équipé d’un Processeur Multi-Carburants (PMC) de Paul Pantone, voici d’abord une réflexion sur le fonctionnement des moteurs et sur le fonctionnement du PMC.


1 - Fonctionnement d’un moteur à combustion interne - généralités

Considérons d’abord un moteur à combustion interne général, fonctionnant à l’essence où aux huiles lourdes (mazout ou fioul):



Figure 1- Schéma d’un moteur classique

Ce schéma n’est bien sûr pas exact pour un moteur diesel puisque l’injection se fait directement dans le cylindre, mais la réflexion reste valable. Considérant un volume de contrôle n’englobant que le moteur, les interfaces avec l’extérieur sont les suivants :

L’admission d’air

L’admission de carburant

L’échappement des gaz brûlés

La production d’une puissance mécanique

L’évacuation d’eau chaude produite par la chaleur perdue au travers des parois des chambres de combustion

Le retour d’eau refroidie par le radiateur

Le rendement du moteur, avoisinant les 25% en pratique pour un cycle diesel et encore moins pour un moteur à essence, concerne la transformation de l’énergie chimique du mélange air / carburant en puissance mécanique utile. L’énergie perdue, les 75% de l’énergie du mélange combustible, est perdue sous forme de chaleur et évacuée d’une part par les gaz d’échappement, et d’autre part par le système de refroidissement du moteur. Le système de refroidissement peut être à eau (chemise à eau, circulateur et radiateur) où à air pulsé.

2-  Le PMC de Paul Pantone

Toute la magie de l’invention de Mr. Pantone est de réussir à récupérer une bonne partie de l’énergie perdue par l’échappement (échappement froid en sortie de PMC) et à mettre cette énergie sous une forme que le moteur à combustion interne est directement capable de transformer en puissance mécanique . Le PMC produit un carburant hautement efficace, à partir de mélanges variés ; dans le cas du tracteur, à partir d’un mélange air et vapeur d’eau. Le PMC produit vraisemblablement un carburant gazeux en utilisant la chaleur du pot d’échappement comme source d’énergie. Ce fait est démontré par les éléments suivants :

Le pot d’échappement en sortie de PMC est nettement plus froid qu’à l’entrée

Il ne peut s’agir d’un simple effet de réchauffement des gaz circulant dans le PMC. En effet, l’échauffement des gaz avant l’admission au moteur dilate les gaz, réduisant la quantité de mélange admis dans le cylindre, le moteur aspirant une volume toujours constant : l’échauffement réduit la puissance moteur. Hors la puissance est souvent augmentée pour une consommation fortement réduite.

Les calculs de Mr. Martz démontrent que la dissociation d’eau en hydrogène et oxygène dans le PMC n’est pas suffisante pour expliquer la diminution de consommation. Il est possible que les autres gaz présents dans le PMC soient également modifiés (azote, etc.).

Noter qu’il n’y a pas de génération d’énergie dans le PMC ; l’énergie de l’échappement est récupérée, utilisée pour modifier la composition chimique du gaz circulant à l’intérieur du réacteur.

Les gaz produits par le PMC sont stables, puisque l’admission au moteur se produit nettement plus loin, jusqu’à plus de 1 mètre entre la sortie du PMC et la combustion dans le moteur. S’il s’agissait de composés ou de molécules instables, ils se décomposeraient ou se recombineraient dans la tuyauterie avant d’arriver au moteur. De ce fait, des atomes libres comme un simple atome d’hydrogène, d’oxygène ou d’azote (H, O et N) ne sont peut-être pas à considérer. A moins que ce ne soit justement l’explication : le PMC produirait des atomes libres, dont la recombinaison libère beaucoup plus d’énergie que la simple combustion de molécules d’hydrogène contenant deux atomes (H2) en présence de molécules d’oxygène contenant également deux atomes (O2). La valeur calorifique de la combustion d’hydrogène utilisée par Mr. Martz est cette dernière réaction :

H2+ O2= 2 H2O

Je n’ai pas de connaissance sur la stabilité des atomes libres ; il faudrait consulter un spécialiste.

Un autre élément d’importance est que l’augmentation du rendement moteur ne peut s’expliquer par la présence de vapeur d’eau. En effet, la vapeur d’eau présente à l’admission du moteur dilue les gaz combustibles (carburant et oxygène), ce qui a pour effet de réduire les températures et pressions dans le cylindre, en réduisant la puissance et le rendement du moteur. De plus, la vapeur d’eau gazeuse augmente le travail de compression dans le cylindre ; les calculs de Mr. Martz indiquent que le travail de compression est supérieur à celui récupéré lors de la détente (bilan négatif). Le fonctionnement d’un moteur est normalement peu affecté par l’humidité de l’air : en air sec ou humide, il y a peu de différence.

Il se passe donc autre chose dans le PMC, encore à identifier.

Selon les différents montages de PMC réalisés, la réduction de consommation est assez variable, entre une réduction par un facteur 3 voire 5 et pas de réduction du tout. Il pourrait s’agir d’une sensibilité du PMC aux réglage du mélange. Un banc d’essai instrumenté permettrait de contrôler les paramètres de fonctionnement et peut-être d’éviter ces dérives.



3 -  Moteur du tracteur MF 95CV équipé d’un PMC *

Le moteur du tracteur Massey-Ferguson 95CV équipé d’un PMC est schématisé comme suit :



Figure 2- Schéma du moteur de tracteur équipé d’un PMC

Par rapport au moteur non équipé d’un PMC, le seul interface supplémentaire est l’arrivée d’eau. Noter que le volume de contrôle est déplacé pour contenir le PMC et le bulleur. Par rapport au moteur de la figure 1, la température de l’échappement s’est fortement abaissée : c’est de là que vient l’énergie mécanique supplémentaire produite par le moteur. Il s’agit bien d’une récupération de l’énergie contenue dans les gaz brûlés. La combustion des gaz produits par le PMC profite aussi de l’excellent rendement du moteur combiné au PMC, puisque l’énergie perdue en chaleur lors de la combustion des gaz du PMC est de nouveau récupérée à l’échappement et produit de nouveaux gaz.

Plus les gaz à l’échappement sont froids, et plus la récupération d’énergie est importante. Pour un PMC bien dimensionné, les gaz en sortie peuvent même être légèrement plus froids que l’air ambiant. La récupération d’énergie dans l’échappement est alors maximale. Pour augmenter encore le rendement, il faudrait également récupérer l’énergie perdue dans la chemise à eau du moteur, donc dans le circuit de refroidissement.

4 -  Pour aller de l’avant avec le PMC

Je ne suis pas au courant de tous les développement de Mr. Pantone ; il est possible que plusieurs des pistes évoquées ici soient déjà exploitées ou testées.

La première chose à faire est d’avoir un banc d’essai bien instrumenté qui permette de mesurer de nombreux paramètres de fonctionnement du PMC. Certaines de ces mesures ont certainement été effectuées dans le montage de Mr. Martz. J’aimerais bien en connaître les détails…

Le banc d’essai devrait au moins permettre la mesure des informations suivantes :

À l’entrée du PMC

Température, composition et débit d’air

Température et débit d’eau en provenance du bulleur

Température, composition et débit des gaz brûlés

À la sortie du PMC

Température, composition et débit du gaz produit

Température des gaz brûlés

Sur le moteur

Température et débit de carburant

Puissance mécanique produite – relativement facile avec une génératrice

Température et débit d’eau de refroidissement – entrée et sortie

Et sûrement encore d’autres…

Ces mesures permettraient de quantifier le rendement et la qualité de la combustion du moteur (pollution) pour chaque configuration testée. La quantité d’énergie récupérée par le PMC pourrait être comparée à l’énergie interne des gaz produits (H2, O2, etc.). Des bilans énergétiques sur chacun des composants (PMC, moteur, bulleur, circuit de refroidissement) pourraient permettre de mieux cerner ce qui s’y passe.

Plusieurs pistes pourraient être intéressantes :

Essai en faisant circuler de l’air seul dans le PMC. Cet essai pourrait permettre de voir si la composition chimique de l’air est altérée par le passage dans le PMC.

Ajouter un refroidisseur intermédiaire (intercooler) entre la sortie du PMC et l’entrée moteur pour augmenter la quantité de mélange aspirée par le moteur et donc augmenter la puissance moteur. Eventuellement préchauffer l’admission d’eau dans ce refroidisseur si les températures s’y prêtent. Ou encore faire passer le tuyau des gaz du PMC au travers du bulleur pour chauffer l’eau et refroidir les gaz.

Sur un moteur refroidi par eau, chauffer le bulleur par l’eau de refroidissement. L’inconvénient est la mise en température plus lente (chauffe du moteur), mais on bénéficie d’une source de chaleur thermostatée comme le fait remarquer Mr. David. De plus, l’échappement étant normalement assez froid en sortie de PMC, il y a peu d’énergie disponible pour le bulleur. Un autre avantage est de récupérer une partie de l’énergie perdue dans le circuit de refroidissement, d’où un rendement potentiel encore supérieur.

5 -  Conclusion

Les pertes énergétiques d’un moteur à combustion interne proviennent de la transformation incomplète de l’énergie de combustion (énergie chimique) en énergie mécanique. Ces pertes se retrouvent sous forme de chaleur évacuée du moteur par le pot d’échappement et le circuit de refroidissement (air soufflé ou chemises à eau). Le PMC de Paul Pantone récupère les pertes de chaleur du moteur sous une forme directement convertible en énergie mécanique par ce même moteur. La récupération d’énergie maximale sera obtenue pour un échappement et un circuit de refroidissement froids. Le PMC récupère la chaleur perdue et l’utilise pour transformer l’air et la vapeur d’eau aspirés par le moteur en un gaz combustible.

Pour avancer dans la compréhension du comportement du PMC, il est nécessaire d’effectuer des essais contrôlés sur banc instrumenté. L’instrumentation de ce banc permettrait de faire des bilans énergétiques sur les différents composants : moteur, PMC, échappement, circuit de refroidissement, etc. Caractériser la transformation du gaz par le PMC pourrait être possible en effectuant des essais à l’air seul. Pour augmenter la puissance du moteur, un refroidisseur intermédiaire entre le PMC et le moteur pourrait être utile. Enfin, pour maximiser la récupération d’énergie par le PMC, il faudrait également utiliser la chaleur perdue dans le circuit de refroidissement.

Michel St-Georges -  Ingénieur, D. Sc. A. -
aimesg@hotmail.com
 
* qu'on appellera plus tard système "G Pantone "

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