Moteur à air comprimé

Un moteur à air comprimé est un type de moteur tirant sa puissance mécanique de la détente d'air comprimé, entre la pression à l'entrée du moteur et celle après l'échappement (usuellement la pression atmosphérique).

Les moteurs à air^[1] sont de plusieurs types : à piston, à palettes, à turbine et à engrenages^[2],[3]. Ces moteurs ont des rapports puissance/poids et puissance/volume très favorables, et ils sont relativement simples et fiables. Ils ont un rendement mauvais si on tient compte des pertes dans le dispositif de compression, mais pour des applications de faible puissance ou d'utilisation intermittente cet inconvénient a peu d'importance, ce qui rend ce type de moteur omniprésent en milieu industriel où l'énergie pneumatique est disponible, pour des actionneurs variés, notamment de l'outillage pneumatique.

Ni un moteur à combustion interne ni une turbine à gaz ne sont considérés comme des moteurs à air comprimé, bien qu'ils tirent aussi leur puissance mécanique de la détente du gaz : ce sont des machines thermiques. Ils fonctionnent avec de l'air à la pression ambiante; l'augmentation de pression n'est que le résultat d'une forte hausse de température résultant d'une combustion. Il existe un type intermédiaire, où l'air comprimé passe par une chambre de combustion pour augmenter sa température et sa pression avant d'entrer dans le moteur à air comprimé.

De manière générale, on extrait un travail de l'air comprimé (air avec une pression plus grande que la pression de l'air ambiant) en utilisant une paroi soumise d'un côté à la pression de l'air ambiant, et de l'autre côté à la pression de l'air comprimé sur une surface S. La force engendrée sur la paroi par la différence de pression Δp est alors :

F = Δp × S 

Si la force engendrée est supérieure à la résistance au mouvement du piston, ledit piston va se déplacer et générer ainsi un travail mécanique.

On peut classifier les différents moteurs possibles selon la trajectoire de déplacement du piston et la manière de transmettre le mouvement.

Ces moteurs peuvent être à turbine, à pistons ou à palettes, assurant la rotation continue d’un axe, pouvant se substituer aux moteurs électriques, particulièrement pour des applications qui nécessitent une grande souplesse de fonctionnement, et notamment un couple élevé à vitesse faible ou nulle. L'absence d'étincelles de ce type de moteur permet l'utilisation dans des milieux avec une atmosphère explosive.

Ces moteurs pneumatiques sont des vérins pneumatiques, contraints mécaniquement de manière à permettre seulement un déplacement linéaire.

Les vérins « simple effet » ne travaillent que dans un sens sous l'effet du fluide comprimé; le retour du piston à sa position initiale est assuré par un ressort. Les vérins « double effet » comportent deux chambres, de part et d’autre du piston, qui sont alternativement alimentées en air comprimé pendant que l'autre est mise à l’échappement.

Ces vérins permettent d’obtenir des vitesses de déplacement importantes, moyennant un dimensionnement correct des valves d’admission et d’échappement et de l’alimentation en air comprimé.

Le déplacement linéaire peut être transformé en une rotation d’angle limité par un dispositif mécanique.

Les moteurs pneumatiques sont utilisés dans tous les outils pneumatiques avec un mouvement de rotation : Visseuses, foreuses, meuleuses, clés à choc, fraise de dentiste.

Ce moteurs sont très souvent des moteurs à palettes, mais les outils utilisés par les dentistes utilisent également des moteurs à turbine, plus légers.

Les moteurs à air comprimé sont utilisés comme démarreurs en lieu et place de démarreurs électriques lorsque ces derniers n'ont pas suffisamment de puissance sur de gros moteurs thermiques; ou pour des applications spécifiques nécessitant plus de fiabilité. Les démarreurs pneumatiques à broche sont similaires à des démarreurs électriques, seul le moteur diffère, plus petit à puissance identique. Ils sont employés sur les moteurs à turbine et les moteurs à combustion; sur de nombreux modèles de gros turbopropulseurs installés sur des avions commerciaux et militaires et sur certains groupes électrogènes.

Comparés aux aux démarreurs électriques, les démarreurs à air comprimé ont un meilleur rapport puissance/masse et n'ont pas l'inconvénient d'une élévation de température si le temps de démarrage du moteur nécessite une action prolongée.

Divers véhicules sont équipés de moteurs pneumatiques depuis le début du XIX^e siècle. Les moteurs à pistons utilisés présentent certains avantages (pas de pollution, rapport masse/puissance...), mais l'autonomie possible reste limitée à quelque dizaines de kilomètres pour un système embarqué incluant le stockage de l'air comprimé, dont la densité énergétique est relativement faible. Les tramways et les locomotives pour les mines et les tunnels sont utilisés à grande échelle entre 1876 et la première moitié du XX^e siècle , les distances parcourues pour ces applications dans un rayon limité, les possibilités de stockage embarqué important, les rechargements en air possibles en points fixes et l'absence de pollution font alors du moteur pneumatique un propulseur idéal. Ces applications disparaissent progressivement au cours du XX^e siècle, remplacées par des technologies de moteurs plus performants.Les recherches les plus récentes sur cette application concernent principalement des automobiles, dans un contexte de véhicule non polluant. Aucune de ces recherches n'aboutit, en 2025, sur des projets viables pour ces applications à l'automobile; l'autonomie limitée à environ 40 km reste un frein au modèle de cette technologie^[4].

Les tramways du système Mékarski mis en service en 1879 à Nantes sont équipés de moteurs à pistons, avec des cylindres de diamètres entre 13 et 19 cm, et une course respective des pistons de 26 et 25 cm^[5].

Le sous-marin français Le Plongeur utilise un moteur à air comprimé de 80 chevaux-vapeur pour la navigation sous marine, faisant de lui le premier sous-marin au monde à être propulsé par un moteur, à air comprimé en 1863^[6].

L'énergie du marteau-piqueur est, depuis l'origine, l'air comprimé. Des moteurs à air comprimé sont largement utilisés dans le fonctionnement d'appareils d'ateliers ou de laboratoires : visseuses, perceuses, cloueurs, fraise de dentiste, etc.

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• Véhicule à air comprimé

• (en) Compressed Air Trams, sur le site tramwayinfo.com

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