Le moteur à piston libre, c’est quoi ?

L’introduction du moteur à combustion interne en 1884 par Edward Butler a été le boom dans le monde des machines. C’est ce moteur  qui donne lieu à l’invention de nombreuses machines comme le véhicule automobile, les avions, les véhicules marins, etc.

La plus belle chose qui fait de ce moteur une machine parfaite est la conversion de l’énergie chimique en énergie mécanique. Quand nous entendons le mot moteur, la première chose qui nous vient à l’esprit est le véhicule automobile parce que le moteur à combustion interne est largement utilisé dans l’automobile depuis plus d’un siècle maintenant.

Mais pensons comme un ingénieur! Puisqu’un moteur est la source parfaite qui fournit le travail mécanique alors pourquoi son application est limitée au seul mouvement de rotation ? Cette question augmente la curiosité et donne naissance au moteur à piston libre. Étudions-le en détail.

Un moteur à piston libre est un moteur à combustion interne dans lequel le vilebrequin est enlevé et le travail mécanique est obtenu uniquement par le mouvement alternatif du piston ou par tout autre moyen.

La production d’énergie est l’objectif principal de ce type de pistons qui peut être obtenu par n’importe quel moyen, soit par la pression des gaz d’échappement qui peuvent être utilisés pour entraîner la turbine ou par le mouvement linéaire du piston qui peut être utilisé comme compresseur d’air pour la puissance pneumatique ou en couplant l’alternateur linéaire avec le piston mobile pour produire l’électricité.

Où peut-on utiliser un moteur à piston libre ?

Comme nous savons tous que l’énergie ne peut être ni créée ni détruite mais qu’elle peut être transformée d’un état à un autre et peut aussi être transférée d’un objet à un autre, avec cette connaissance l’homme a inventé diverses machines pour diminuer l’effort humain, une des meilleures invention de l’homme est le moteur qui se modifie depuis des décennies, une de ces modifications est le moteur à piston libre qui est inventé pour les raisons suivantes :

• Grâce au développement de machines telles que les turbines, les compresseurs, etc. il fallait trouver une source d’énergie pour faire fonctionner ces machines. Les sources qui étaient disponibles (la plus commune de toutes est la combustion du combustible comme le bois, le charbon, etc) exigeaient une grande installation et étaient également inefficaces en raison du manque de symétrie. Ce problème a été résolu avec l’invention du moteur à piston libre dans lequel il existe un moyen symétrique et efficace de convertir l’énergie chimique en travail mécanique.
• La combustion des combustibles comme le bois, le charbon, etc. causaient beaucoup de pollution en raison des impuretés qu’ils contenaient, ce problème de pollution a été résolu plus tard avec l’introduction du moteur à piston libre qui utilise un combustible fractionné pur qui à son tour diminue la pollution.
• Le moteur à piston libre offre une grande souplesse d’application, ce qui signifie qu’il offre de nombreuses façons différentes d’utiliser le travail mécanique produit par la combustion du carburant. Ce qui le rend facile à utiliser comme source d’énergie.

C’est pour ces raisons que le nouveau concept de moteur qui peut être utilisé à des fins différentes a été développé et nommé moteur à piston libre.

Comment fonctionne le moteur à piston libre ?

 

Les applications du moteur à piston libre sont si larges que pour mieux comprendre le fonctionnement de ce moteur, nous devons détailler parmi tant d’autres points d’applications que voici :

1. Générateur d’électricité

Le générateur d’électricité est l’appareil utilisé pour produire de l’électricité à l’aide du moteur à piston libre comme source d’énergie externe, pour produire de l’électricité, un alternateur linéaire est couplé au moteur à piston libre comme dispositif de charge.

Le fonctionnement de ce générateur d’électricité est le suivant :

1. Le carburant entre dans la chambre de combustion du moteur lors de la course d’expansion et s’enflamme à la fin de la course de compression soit par la bougie d’allumage (moteur à essence) soit par compression (moteur diesel).
2. Cette combustion du carburant à l’intérieur de la chambre de combustion produit des impulsions de contraintes élevées sur la surface du piston qui, à leur tour, produisent le mouvement alternatif du piston.
3. Ce mouvement alternatif du piston est ensuite transféré à l’alternateur linéaire qui sert de dispositif de chargement et est couplé au piston.En raison du mouvement alternatif de l’aimant permanent fixé à la bielle du piston, il y a une fluctuation du champ magnétique qui induit le courant et la tension dans la bobine et de l’électricité est produite et est stockée dans l’accumulateur (batterie) utilisé dans le générateur électrique pour une utilisation ultérieure.

2. Compresseur d’air

C’est le dispositif qui est utilisé pour comprimer ou augmenter la pression de l’air pour les différents usages comme les machines pneumatiques à l’aide d’un moteur à piston libre comme source externe d’énergie.

Le fonctionnement du compresseur d’air à piston libre est le suivant :

1. (Idem que le carburant du générateur d’électricité) l’air entre à la fin de la course d’expansion et s’enflamme à la course de compression du moteur à piston libre mais il y a l’entrée de l’air frais à l’intérieur du cylindre du compresseur d’air pendant la course d’expansion par la soupape d’entrée du cylindre du compresseur.
2. En raison de cette combustion, il se produit un mouvement de va-et-vient du piston qui comprime à son tour l’air à l’intérieur du compresseur à l’aide de la plaque de serrage montée à l’extrémité arrière du piston.
3. Cet air comprimé est ensuite évacué par la soupape d’échappement du compresseur.

Note : à la fin de la course d’expansion, l’air du compresseur pénètre dans le cylindre à l’extrémité arrière et force le piston à recommencer la course de compression.

3. Rotation de la turbine

Le moteur à pistons libres est également utilisé pour faire tourner la turbine du générateur d’électricité de la turbine pour la production d’électricité.

Dans cette application du moteur à piston libre au lieu du mouvement alternatif du piston, la pression d’échappement du moteur est utilisée pour appliquer une force sur les aubes de la turbine qui à son tour provoque la rotation de la turbine.

Le fonctionnement du générateur électrique à turbine qu’utilise le moteur à piston libre comme source d’énergie est le suivant :

1. L’entrée du carburant par l’orifice d’admission du moteur a lieu à la fin de la course d’expansion du moteur.
2. Après l’entrée de l’orifice d’entrée du carburant se ferme et la compression du carburant due à la course de compression se produit, ce qui à son tour augmente la pression du carburant à l’intérieur de la chambre de combustion.
3. Après cette compression, le carburant s’enflamme soit par bougie d’allumage (moteur à essence), soit par compression (moteur diesel) selon le type de moteur à piston libre utilisé.
4. Cette combustion génère une impulsion de haute pression qui pousse le piston et provoque l’expansion des gaz produits lors de la combustion.
5. Les gaz expansés pendant la course d’expansion sont ensuite évacués par la haute pression à travers l’orifice d’échappement du moteur.
6. Ces gaz d’échappement à haute pression sont soufflés sur les pales de la turbine du générateur électrique, ce qui provoque la rotation de la turbine et la production de l’électricité.

 

Le principe de fonctionnement est simple. On peut le résumer comme suit:  le mouvement alternatif du piston provoqué par la combustion du carburant est le rendement mécanique obtenu par la combustion de la substance chimique (carburant).