Kevin Cameron, rédacteur technique, partage sa richesse de connaissances, d'expériences, de connaissances, d'histoire et bien d'autres choses encore.
Cycle World
Les dernières locomotives à vapeur américaines ont été livrées il y a 60 ans. Quelque 2 700 navires de la Liberté - lancés en production durant la Seconde Guerre mondiale pour surmonter les lourdes pertes subies par les sous-marins allemands - ont également été propulsés par des moteurs à pistons d'un type antique même au début des années 1940. Les locomotives et les bateaux Liberty utilisaient de la vapeur à environ 220 psi et 440 degrés Fahrenheit, il n'y avait donc pas besoin de matériaux résistants à la chaleur comme cela est nécessaire dans les soupapes d'échappement des moteurs à essence à allumage par étincelle.
-ton train, il a dû exercer une force maximale pour mettre en mouvement une telle masse énorme. Pour ce faire, de la vapeur a été admise dans les deux cylindres à double effet du moteur sur toute la course des pistons. Au fur et à mesure que le train prenait de la vitesse, la vapeur était admise de moins en moins dans la course des pistons, ce qui augmentait l'effi cacité. Pour voir pourquoi, imaginez un piston en fin de course, avec de la vapeur à la pleine pression admise. Lorsque la soupape d'échappement de ce cylindre s'ouvre, toute cette vapeur est libérée à pleine pression - son énergie gaspillée
Pour éviter cette perte, une fois le train en mouvement, un mécanisme de soupape complexe commence à arrêter le débit de vapeur vers chaque cylindre plus tôt dans le coup du piston. Ceci augmente l'efficacité car elle permet à la vapeur de se dilater lorsque le piston se déplace de sorte que, lorsque la coupure de la vapeur se produit de plus en plus tôt, la pression restant à la fin de la course du piston devient de moins en moins. Une fois que le train se déplace à la vitesse désirée, l'ingénieur qui fait fonctionner la locomotive déplace le mécanisme de coupure variable pour fournir de la vapeur le plus rapidement possible. Chaque cylindre recevant de la vapeur juste assez longtemps pour que le train continue de tourner à vitesse constante, cette coupure de vapeur précoce augmente l'efficacité en permettant à la vapeur d'être utilisée pour la plus grande partie de la course de chaque piston. la soupape s'ouvre vers la fin de sa course. Un processus efficace de moteur thermique prend autant d'énergie que possible hors du fluide de travail (dans ce cas, la vapeur) de sorte que le minimum est gaspillé.
Par les chiffres.
Cycle Monde
Imaginons que nous ayons Nous avons décidé de faire nos labours de printemps avec un moteur de fusée au lieu d'un tracteur ou d'une équipe de chevaux. Il n'y aurait aucun problème à trouver un petit moteur-fusée capable de donner, par exemple, 1 000 livres de poussée pour entraîner les socs dans le sol. Mais pensez au gaspillage: l'échappement de la fusée se déplace à des milliers de pieds par seconde, emportant une fortune dans l'énergie cinétique gaspillée. Des quantités non rentables de carburant sont brûlées dans le processus - des centaines de livres par minute - ce qui est un déchet inabordable. C'est pourquoi un moteur-fusée ne devient efficace qu'à des vitesses élevées comparables à sa propre vitesse d'échappement.
Un moteur à essence à allumage par étincelle ressemble plus à une machine à vapeur fonctionnant en coupure précoce. Le piston remonte vers le point mort haut, l'étincelle d'allumage initie la combustion à environ 35 degrés avant le point mort haut (BTDC), et le dégagement de chaleur qui en résulte atteint une pression de combustion maximale de 1 000 à 1 200 psi. Le gaz chaud à haute pression au-dessus du piston est maintenant l'équivalent d'un bouchon de vapeur qui est vissé dans le cylindre près du PMH, après quoi la soupape de vapeur se ferme. Dans les deux cas - moteur à vapeur et moteur à combustion interne - l'efficacité maximale est atteinte en permettant au gaz haute pression de se dilater contre le piston en mouvement, sa pression diminuant rapidement lorsque le piston s'éloigne du PMH.
Vers la fin de la course , ce processus d'expansion a permis au gaz chaud d'abandonner une grande partie de son énergie en poussant le piston. Dans un moteur à allumage commandé à plein régime, la pression restante est d'environ 100 psi - seulement un dixième ou moins de sa pression initiale.
Dans le cas de ces moteurs de navires Liberty il y a longtemps, la pression de vapeur restant près de la fin d'une course de piston était suffisamment élevée pour qu'une perte sérieuse soit subie si cette vapeur venait juste d'être rejetée dans l'atmosphère. Par conséquent, la vapeur d'échappement de ce cylindre a été admise dans un second cylindre avec un alésage beaucoup plus grand, dans lequel il s'est détendu une seconde fois, donnant une puissance utile supplémentaire. Et puis dans encore un troisième et même plus grand cylindre à vapeur, il y a eu une troisième expansion avant d'être finalement épuisé dans l'atmosphère. Quel genre d'efficacité a résulté de tout cela? La consommation de carburant était d'environ 0,83 livre de carburant de pétrole par cheval-heure. Si nous avions produit la même puissance avec un moteur à essence, la consommation aurait été d'environ 0,50 livre / hp ou pour le diesel de 0,35 pound / hp.
En Formule 1, les systèmes d'alimentation hybrides sont maintenant la règle, et turbo -Les chargeurs sont couplés à des générateurs électriques.
Environ un tiers de l'énergie chimique de la combustion de l'essence sort de l'échappement. Une partie de ceci peut être récupérée par un turbocompresseur. La plus grande évolution du moteur à pistons de l'avion a été le Wright Turbo-Compound 18, qui a réduit la consommation de carburant à 0,42 livre / hp, faisant des vols directs de New York à Londres ou à Paris dans les années 1950. Son énergie d'échappement a entraîné trois turbines de puissance, qui ont été ramenées au vilebrequin du moteur, ajoutant plus de 300 ch au décollage. L'économie de carburant était bonne, mais la maintenance était coûteuse et fréquente
En Formule Un, les systèmes d'alimentation hybrides sont désormais la règle, et les turbocompresseurs sont couplés à des générateurs électriques. Pour éviter le retard de turbo (développement de puissance retardé par l'inertie de la roue de turbine), l'énergie électrique du stockage embarqué est utilisée pour lancer rapidement le turbo pour augmenter le régime. Lorsqu'un déversoir rejette normalement l'excès d'échappement dans l'atmosphère pour éviter un sur-survoltage, toute puissance excédentaire de la turbine est utilisée pour produire de l'électricité qui est retournée au stockage embarqué.
Augmenter l'efficacité nécessite davantage de matériel et de technologies de contrôle. Dans les centrales électriques à cycle combiné, une turbine à gaz fournit la plus grande partie de la puissance, mais sa chaleur d'échappement soulève de la vapeur pour entraîner également une turbine à vapeur. Le contrôle est facile car ces usines fonctionnent à un régime et à une charge constants. Les camions longue distance, dont le fonctionnement est le plus proche de la vitesse et de la charge constante, sont les prochains candidats pour de telles technologies économes en énergie. Est-ce que les voitures ou même les motos vont suivre des schémas de récupération d'énergie de plus en plus complexes?
L'histoire offre une mise en garde. Des locomotives à vapeur triple expansion plus efficaces ont été construites et testées, mais leur complexité et leur nombre élevé de pièces les ont rendues coûteuses et peu fiables dans le service ferroviaire.
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