Je poursuis ici ma réflexion sur l’utilisation du disque d’inertie et ses éventuelles applications dans le transport :
L’énergie cinétique emmagasinée dans un disque peut se calculer par la formule :
Ec = (1/30*pi*w)² * r² * m
Avec
W = vitesse de rotation en tours.min-1
r = rayon en mètres
m = masse en kg
(merci Sceptique !
)
La formule met en évidence la faible contribution du poids du disque dans l’énergie emmagasinée. Pour augmenter les performances il est beaucoup plus intéressant d’augmenter le diamètre ou la vitesse de rotation. (Doubler la vitesse ou le diamètre revient à quadrupler la quantité d’énergie accumulée)
Néanmoins, en faisant varier à la hausse ces deux paramètres, on atteint rapidement des limites techniques ou technologiques :
- Le diamètre du disque sera fatalement limité par l’encombrement du véhicule. Sur une automobile classique, difficile de dépasser les 170cm de diamètre.
- La vitesse de rotation est limitée par de multiples contraintes technologiques : perturbations aérodynamiques, altération de la tenue de route du véhicule due à l’effet de couple, performances des roulements, risques de désintégration du disque lié à la force centriguge, etc.
Beaucoup de ces inconvénients peuvent être résolus en fonctionnant sous vide et avec des paliers de sustentation magnétique, système gourmand en énergie et pas forcément encore très abouti.
En faisant référence aux moteurs à combustion interne actuels, dont les plus pointus dépassent allègrement 10000 tours par minute, je pense qu’on doit pouvoir atteindre facilement
6 à 8000 tours/min sur nos disques d’inertie sans recourir à des techniques avancées. J'espère ne pas être trop optimiste
Les performances du dispositif restent globalement inférieures à des batteries traditionnelles. Mais l’espoir est permis dans le futur avec le développement de cette technologie :
Un disque de 100kg et 170cm de diamètre tournant à 20000 tours par minute accumulerait 3.5 fois plus d’énergie qu’une batterie Li-Ion dernier cri de même poids!
Partons des recherches menées par Sceptique sur les besoins énergétiques des véhicules particuliers, visibles sur les pages internet de sa signature :
Etude d'un hybride péri-urbain type 106 adapté
(…)
On prend le moteur thermique ci-dessus de 10 kW (4 fois plus petit que le standard). On ajoute 120 kg de batteries au plomb de capacité 3 600 Wh (cout indicatif 500-1000 Euros) et 2 moteurs électriques de puissance totale 6 kW (3 kW sont suffisants pour rouler à 50 km/h le supplément est là pour démarrer correctement) sur les roues arrières avec un commutateur au tableau de bord. Ce système est donc très peu sophistiqué. Le moteur électrique est utilisé au démarrage jusqu'à 40-50 km/h, puis l'utilisateur bascule sur le thermique.
en fait les 3600 Wh seront utilisés à 80% (rendement batterie+moteur) soit 2800 Wh utiles. A noter que le moteur étant 4 fois plus petit (250 cm3 au lieu de 1000), tous les organes (moteur, boite de vitesse, suspensions, transmissions, chassis, roues ...) seront plus petits. Le poids de la batterie et du moteur électrique sera compensé. Le coût sera comparable au véhicule actuel : la partie mécanique plus simple compensant la partie électrique.
Considérons toutes les autres données égales par ailleurs
On conserve le
moteur thermique de 10kW
On remplace la batterie de 120kg et les deux moteurs électriques par un
disque d’inertie de 130kg (le disque faisant à la fois office d’accumulateur et de moteur)
Le diamètre du disque est de
1,80m (ce qui est assez encombrant : il faudrait prévoir les formes de la carrosserie en conséquence, plus large en partie basse afin de ne pas trop affecter le Cx de l’ensemble)
La chaine cinématique entre le disque et les roues est directe, au moyen d’une transmission à variateur type Toroïdal qui permet une infinité de rapports de démultiplication
En tournant à la vitesse de
5000 tours par minute ce disque emmagasinerait
3900Wh soit sensiblement la même quantité d’énergie que la batterie au plomb de même masse.
(5000 tours/min semble une valeur raisonnable, puisque n’importe quel moteur à explosion peut tourner à cette vitesse)
On arriverait donc aux mêmes performances que l’hybride décrit par Sceptique.
Certes, les performances de notre disque ici étudié sont similaires à une batterie au plomb, donc médiocres. Il faudrait monter à 10000 trs/min pour obtenir la capacité d’une batterie Li-Ion, mais avec beaucoup plus d’incertitudes techniques.
… mais les avantages du disque d’inertie ne sont pas négligeables :
- conception aisée et sans matériaux rares/polluants
- ses performances ne s’altèrent pas au fil des recharges, du temps ou des conditions météorologiques
- Possibilité de recharger facilement dans les descentes/freinage pour peu que la chaîne cinématique soit bien étudiée.
- et surtout, possibilité de recharger en quelques minutes si l’on dispose d’un moteur électrique relié au secteur (chez soi ou sur des bornes libre-service)
Poussons le concept encore plus loin, avec le même véhicule sans moteur thermique,
mû uniquement par le disque d’inertie.
Notre disque tourne toujours à
5000 tours par minute, mais il pèse
150kg.
L’énergie emmagasinée est alors de 4.5kw soit la même performance qu’une batterie au plomb
Avec un rendement de 70% jusqu’à la roue, le disque peut donc rouler pendant 38 minutes en développant la puissance de 6kW
Cette énergie accumulée permet de parcourir 50km de trajet périurbain à 50km/h avec 20 démarrages de 0 à 50.
Des performances qui peuvent paraitre médiocres, mais qui deviennent bien plus intéressantes si on considère qu’avec une infrastructure adaptée on pourrait recharger le disque très facilement et rapidement au moyen de bornes disposées partout sur le réseau routier. Un moteur électrique branché sur le secteur, on connecte le véhicule sur une prise mécanique et en quelques minutes le disque est rechargé.
Etude d’un vélomobile caréné à propulsion humaine avec assistance au pédalage par disque d'inertie
Petit véhicule monoplace caréné à trois roues à usage urbain
Masse :
110kg avec conducteur et assistance
Dimensions (m):
2 x 0.9
Légalement dans la catégorie des VAE (vélos à assistance électrique) donc puissance maximale de l’assistance :
250W
Ni permis, ni carte grise, ni assurance, ni casque, pistes cyclables autorisées
Ce véhicule comprend un disque d’inertie de
8kg, soit sensiblement le même poids qu’un système d’assistance électrique complet
Rayon du disque :
0.4m
Il tourne à la vitesse de
8000 tours/minute
L’énergie emmagasinée est de
122Wh.
C’est certes deux fois moins qu’une batterie au plomb. Mais ce n’est pas rien :
Avec un rendement du disque à la roue de 70% (pessimiste), l’assistance peut fonctionner à puissance maximale pendant 20 minutes, suffisant pour gravir une bonne côte comme on peut en trouver en milieu urbain.
D’après les données Sceptique, un tricycle caréné comparable à celui décrit ici a besoin de 175W pour vaincre les frottements à 30km/h, soit 30 minutes ou 15km de fonctionnement sur terrain plat en mode assistance uniquement. .
Avec un cycliste qui dégage 100W (raisonnable), le disque peut l’assister pendant plus d’une heure à 30km/h.
Gardarem lou V12 !
Quand on a un javelin dans la main, tous les problèmes ressemblent à un T-72.
