Moteur à piston libre - Free-piston engine

Moteur à piston libre utilisé comme générateur de gaz pour entraîner une turbine

Un moteur à piston libre est un moteur à combustion interne linéaire « sans manivelle » , dans lequel le mouvement du piston n'est pas contrôlé par un vilebrequin mais déterminé par l'interaction des forces des gaz de la chambre de combustion , un dispositif de rebond (par exemple, un piston dans un cylindre fermé) et un dispositif de charge (par exemple un compresseur à gaz ou un alternateur linéaire ).

Le but de tous ces moteurs à pistons est de générer de l'énergie. Dans le moteur à pistons libres, cette puissance n'est pas fournie à un vilebrequin mais est plutôt extraite soit par la pression des gaz d'échappement entraînant une turbine, soit par l'entraînement d'une charge linéaire telle qu'un compresseur d'air pour la puissance pneumatique , soit en incorporant un alternateur linéaire directement dans les pistons pour produire de l'électricité.

La configuration de base des moteurs à pistons libres est communément appelée piston simple, piston double ou pistons opposés , en référence au nombre de cylindres de combustion. Le moteur à piston libre est généralement limité au principe de fonctionnement à deux temps , car une course de puissance est nécessaire à chaque cycle avant et arrière. Cependant, une version à quatre temps à cycle divisé a été brevetée, GB2480461 (A) publiée le 2011-11-23.

Première génération

Figure 1 de US1657641

Le moteur moderne à pistons libres a été proposé par RP Pescara et l'application originale était un compresseur d'air à piston unique . Pescara a créé le Bureau Technique Pescara pour développer des moteurs à pistons libres et Robert Huber a été directeur technique du Bureau de 1924 à 1962.

Le concept du moteur était un sujet de grand intérêt dans la période 1930-1960, et un certain nombre d'unités disponibles dans le commerce ont été développées. Ces moteurs à pistons libres de première génération étaient sans exception des moteurs à pistons opposés, dans lesquels les deux pistons étaient liés mécaniquement pour assurer un mouvement symétrique. Les moteurs à pistons libres offraient certains avantages par rapport à la technologie conventionnelle, notamment la compacité et une conception sans vibration.

Compresseurs d'air

La première application réussie du concept de moteur à pistons libres a été celle des compresseurs d'air. Dans ces moteurs, les cylindres des compresseurs d'air étaient couplés aux pistons mobiles, souvent dans une configuration à plusieurs étages. Certains de ces moteurs utilisaient l'air restant dans les cylindres du compresseur pour renvoyer le piston, éliminant ainsi le besoin d'un dispositif de rebond.

Les compresseurs d'air à piston libre étaient utilisés entre autres par la marine allemande et présentaient les avantages d'un rendement élevé, d'une compacité et d'un faible bruit et vibrations.

Générateurs de gaz

Après le succès du compresseur d'air à piston libre, un certain nombre de groupes de recherche industriels ont commencé à développer des générateurs de gaz à piston libre. Dans ces moteurs, il n'y a pas de dispositif de charge couplé au moteur lui-même, mais la puissance est extraite d'une turbine d'échappement. (La seule charge pour le moteur suralimente l'air d'admission.)

Un certain nombre de générateurs de gaz à piston libre ont été développés, et de telles unités étaient largement utilisées dans des applications à grande échelle telles que les centrales électriques stationnaires et marines. Des tentatives ont été faites pour utiliser des générateurs de gaz à piston libre pour la propulsion des véhicules (par exemple dans les locomotives à turbine à gaz ) mais sans succès.

Applications modernes

Les applications modernes du concept de moteur à piston libre comprennent les moteurs hydrauliques, destinés aux véhicules hors route, et les générateurs de moteur à piston libre, destinés à être utilisés avec les véhicules électriques hybrides.

Hydraulique

Ces moteurs sont généralement du type à piston unique, le cylindre hydraulique agissant à la fois comme dispositif de charge et de rebond à l'aide d'un système de commande hydraulique. Cela donne à l'unité une grande flexibilité opérationnelle. D'excellentes performances à charge partielle ont été signalées.

Générateurs

Article principal: générateur linéaire à piston libre

Des générateurs linéaires à piston libre qui éliminent un vilebrequin lourd avec des bobines électriques dans les parois du piston et du cylindre sont étudiés par plusieurs groupes de recherche pour une utilisation dans les véhicules électriques hybrides comme prolongateurs d'autonomie . Le premier générateur à piston libre a été breveté en 1934. Les exemples incluent le moteur Stelzer et le bloc d' alimentation à piston libre fabriqué par Pempek Systems [4] sur la base d'un brevet allemand. Un générateur linéaire à piston libre à un seul piston a été présenté en 2013 au Centre aérospatial allemand (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt ; DLR).

Ces moteurs sont principalement du type à double piston, ce qui donne une unité compacte avec un rapport poids/puissance élevé. Un défi avec cette conception est de trouver un moteur électrique avec un poids suffisamment faible. Des problèmes de contrôle sous la forme de variations élevées d'un cycle à l'autre ont été signalés pour les moteurs à double piston.

En juin 2014, Toyota a annoncé un prototype de générateur linéaire à moteur à piston libre (FPEG). Lorsque le piston est poussé vers le bas pendant sa course motrice, il traverse les enroulements du cylindre pour générer une rafale de courant alternatif triphasé. Le piston génère de l'électricité sur les deux courses, réduisant les pertes mortes du piston. Le générateur fonctionne sur un cycle à deux temps, utilisant des soupapes d' échappement à commande hydraulique , une injection directe d'essence et des soupapes à commande électronique. Le moteur est facilement modifiable pour fonctionner avec divers carburants, notamment l'hydrogène, le gaz naturel, l'éthanol, l'essence et le diesel. Un FPEG à deux cylindres est intrinsèquement équilibré.

Toyota revendique une cote d'efficacité thermique de 42 % en utilisation continue, dépassant largement la moyenne actuelle de 25 à 30 %. Toyota a présenté une unité de 24 pouces de long sur 2,5 pouces de diamètre produisant 15 ch (plus de 11 kW).

Caractéristiques

Les caractéristiques de fonctionnement des moteurs à pistons libres diffèrent de celles des moteurs conventionnels à vilebrequin. La principale différence est due au fait que le mouvement du piston n'est pas limité par un vilebrequin dans le moteur à piston libre, ce qui conduit à la caractéristique potentiellement intéressante du taux de compression variable. Cependant, cela présente également un défi de contrôle, car la position des points morts doit être contrôlée avec précision afin d'assurer l'allumage du carburant et une combustion efficace, et d'éviter des pressions excessives dans le cylindre ou, pire, le piston heurtant la culasse. . Le moteur à piston libre présente un certain nombre de caractéristiques uniques, certaines lui confèrent des avantages potentiels et d'autres représentent des défis qui doivent être surmontés pour que le moteur à piston libre soit une alternative réaliste à la technologie conventionnelle.

Comme le mouvement du piston entre les extrémités n'est pas limité mécaniquement par un mécanisme à manivelle, le moteur à piston libre présente la caractéristique intéressante d'un taux de compression variable, qui peut fournir une optimisation étendue du fonctionnement, une efficacité de charge partielle plus élevée et un fonctionnement multi-carburant possible. Ceux-ci sont améliorés par le calage variable de l'injection de carburant et le calage des soupapes grâce à des méthodes de contrôle appropriées.

La longueur de course variable est obtenue par un schéma de contrôle de fréquence approprié tel que le contrôle PPM (Pulse Pause Modulation) [1], dans lequel le mouvement du piston est interrompu au PMB à l'aide d'un vérin hydraulique contrôlable comme dispositif de rebond. La fréquence peut donc être contrôlée en appliquant une pause entre le moment où le piston atteint le PMB et la libération de l'énergie de compression pour la course suivante.

Comme il y a moins de pièces mobiles, les pertes par frottement et le coût de fabrication sont réduits. La conception simple et compacte nécessite donc moins d'entretien et cela augmente la durée de vie.

Le mouvement purement linéaire entraîne des charges latérales très faibles sur le piston, d'où des besoins de lubrification moindres pour le piston.

Le processus de combustion du moteur à piston libre est bien adapté au mode d' allumage par compression à charge homogène (HCCI), dans lequel la charge prémélangée est comprimée et auto-allumée, ce qui entraîne une combustion très rapide, ainsi que des exigences moindres pour un contrôle précis du calage de l'allumage. De plus, des rendements élevés sont obtenus grâce à une combustion à volume presque constant et à la possibilité de brûler des mélanges pauvres pour réduire les températures des gaz et donc certains types d'émissions.

En faisant fonctionner plusieurs moteurs en parallèle, les vibrations dues aux problèmes d'équilibrage peuvent être réduites, mais cela nécessite un contrôle précis de la vitesse du moteur. Une autre possibilité consiste à appliquer des contrepoids, ce qui entraîne une conception plus complexe, une augmentation de la taille et du poids du moteur et des pertes de charge supplémentaires.

En l'absence d'un dispositif de stockage d'énergie, comme le volant d'inertie dans les moteurs classiques, il ne sera pas capable d'entraîner le moteur pendant plusieurs tours. Par conséquent, si le moteur ne parvient pas à développer une compression suffisante ou si d'autres facteurs influencent l'injection/l'allumage et la combustion, le moteur peut s'arrêter. Il en résulte des ratés d'allumage et la nécessité d'un contrôle précis de la vitesse.

Avantages

Les avantages potentiels du concept de piston libre comprennent :

  • Conception simple avec peu de pièces mobiles, donnant un moteur compact avec de faibles coûts de maintenance et des pertes par friction réduites.
  • La flexibilité opérationnelle grâce au taux de compression variable permet une optimisation du fonctionnement pour toutes les conditions de fonctionnement et le fonctionnement multi-carburant. Le moteur à piston libre est en outre bien adapté au fonctionnement à allumage par compression à charge homogène (HCCI).
  • Une vitesse de piston élevée autour du point mort haut (PMH) et une expansion rapide de la course motrice améliorent le mélange air-carburant et réduisent le temps disponible pour les pertes de transfert de chaleur et la formation d'émissions dépendantes de la température telles que les oxydes d'azote (NOx).

Défis

Le principal défi pour le moteur à piston libre est le contrôle du moteur, qui ne peut être considéré comme entièrement résolu que pour les moteurs hydrauliques à piston libre à un seul piston. Des questions telles que l'influence des variations d'un cycle à l'autre dans le processus de combustion et les performances du moteur pendant le fonctionnement transitoire des moteurs à double piston sont des sujets qui nécessitent une étude plus approfondie. Les moteurs à vilebrequin peuvent connecter des accessoires traditionnels tels que l'alternateur, la pompe à huile, la pompe à carburant, le système de refroidissement, le démarreur, etc.

Le mouvement de rotation pour faire tourner les accessoires conventionnels des moteurs automobiles tels que les alternateurs, les compresseurs de climatisation, les pompes de direction assistée et les dispositifs antipollution pourrait être capté à partir d'une turbine située dans le flux d'échappement.

Moteur à pistons opposés

La plupart des moteurs à pistons libres sont du type à pistons opposés avec une seule chambre de combustion centrale. Une variante est le moteur à pistons opposés qui a deux chambres de combustion séparées. Un exemple est le moteur Stelzer .

DEVELOPPEMENTS récents

Au 21e siècle, la recherche se poursuit sur les moteurs à pistons libres et des brevets ont été publiés dans de nombreux pays. Au Royaume-Uni, l'Université de Newcastle entreprend des recherches sur les moteurs à pistons libres.

Un nouveau type de moteur à piston libre, un générateur linéaire à piston libre est en cours de développement par le centre aérospatial allemand.

En plus de ces prototypes, des chercheurs de la West Virginia University aux États-Unis travaillent au développement d'un prototype de moteur monocylindre à pistons libres avec des ressorts mécaniques à une fréquence de fonctionnement de 90 Hz.

Les références

Sources

  • Mikalsen R., Roskilly AP Un examen de l'historique et des applications des moteurs à pistons libres. Ingénierie thermique appliquée , volume 27, numéros 14-15, pages 2339-2352, 2007. [5] .

Liens externes