Lorsque nous pensons à la technologie automobile du futur, nous pensons généralement aux carburants alternatifs, qu’il s’agisse de l’hydrogène ou de l’énergie électrique provenant de batteries futuristes. Il s’avère que l’avenir pourrait bien être une nouvelle forme de combustion interne: le moteur à « pistons libres ».
Cette technologie remodèle radicalement les moteurs, en remplaçant le vilebrequin qui transfère normalement la puissance des pistons par une chambre de compression et une turbine turbo. Les moteurs à pistons libres offrent un potentiel d’efficacité radicalement amélioré. Les moteurs à pistons libres prototypes sont déjà 50 à 60 pour cent plus efficaces que n’importe quel moteur actuellement en production – et il existe un potentiel bien plus important.
Comment ça marche?
Un piston libre possède la plupart des mêmes composants que n’importe quel moteur à combustion interne. La principale différence réside dans la manière dont il capte la puissance de la combustion.
Dans un moteur standard, le carburant et l'air sont injectés dans la chambre de compression et enflammés. Cette combustion pousse vers le bas le piston qui est relié au vilebrequin. Dans les voitures, l’énergie du vilebrequin en rotation passe par une transmission et est acheminée vers les roues motrices.
Dans un moteur à pistons libres, la combustion se déroule de la même manière, mais il n’y a pas de vilebrequin. À première vue, cela semble fou, car les pistons ne font que vibrer dans leurs cylindres. Mais c’est en réalité un coup de génie – oui, c’est bien ce que je voulais dire – de génie. En opposant horizontalement deux cylindres et en les faisant exploser simultanément, les pistons compriment l'air entre eux. Cet air est acheminé via un compresseur qui ressemble beaucoup à un turbocompresseur.
S'il est techniquement possible d'entraîner un essieu directement à partir de cette turbine, en pratique cette turbine est mise à profit au mieux pour entraîner un générateur électrique.
L'idée d'un tel moteur existe depuis 1807, mais les défis liés au démarrage et à l'allumage des pistons Les mouvements simultanés ont empêché les concepteurs de tirer pleinement parti du moteur à pistons libres… jusqu'à présent.
Les avantages
Alors, avec ces défis, pourquoi s’embêter? Eh bien, tout est question d’efficacité. Dans un moteur à combustion interne standard, une grande partie de la puissance est perdue sous forme de chaleur et de vibrations. Les moteurs à essence modernes ne peuvent convertir que 18 à 25 pour cent de l’énergie potentielle du carburant qu’ils brûlent en énergie utilisable. Les moteurs à essence les plus efficaces peuvent momentanément atteindre jusqu'à 35 pour cent, mais seulement dans des conditions idéales.
Dans un moteur à combustion interne standard, une grande partie de la puissance est perdue sous forme de chaleur et de vibrations.
L'absence de vilebrequin dans le système à piston libre signifie qu'il n'y a aucun changement d'impulsion constante qui crée les vibrations et les frictions qui nuisent à l'efficacité. Ces avantages sont évidents depuis deux siècles, mais avec la précision de la technologie moderne, il en existe un autre: les taux de compression variables.
Avec un vilebrequin de la taille de la chambre de combustion, la longueur du mouvement du piston est fixe. Dans les moteurs expérimentaux modernes à pistons libres, la taille de la chambre et la longueur de la course motrice peuvent être modifiées à la volée, modifiant ainsi de révolution en révolution, l'unité de gestion moteur adaptant la taille de la chambre de combustion à l'air de carburant idéal mélange.
De plus, cette variabilité devrait permettre aux moteurs à pistons libres de fonctionner avec n’importe quoi, de l’hydrogène au gaz naturel. En fait, je ne serais pas surpris si l’un de ces moteurs fonctionnait au scotch single malt.
- 1. La salle de contrôle du laboratoire FKLG du DLR Institute of Vehicle Concepts (Source: DLR)
- 2. Batterie à plat. Pile vide? – Le générateur linéaire à piston libre agit comme un prolongateur d’autonomie, fournissant l’énergie électrique nécessaire aux véhicules électriques (Source: DLR)
Toutes ces qualités rendent le moteur à pistons libres idéal comme générateur embarqué, rôle dans lequel il pourrait révolutionner la conception des groupes motopropulseurs.
Sérieusement, quand puis-je en avoir un?
Jusqu’à présent, deux prototypes de moteurs à pistons libres sont en préparation. Le premier, sans surprise, vient de scientifiques/magiciens noirs allemands du Centre aérospatial allemand (DLR).
Leur prototype, surnommé « Freikolbenlineargenerator », qui, je ne suis pas sûr, soit une preuve que les Allemands ont ou non le sens de l'humour, en est encore aux premiers stades de développement. Pourtant, malgré cela, il promet d’offrir le genre de performances dont d’autres ingénieurs en motorisation ne peuvent que rêver.
Le moteur de Toyota serait capable de générer 15 chevaux à partir d’un ensemble de huit pouces de diamètre et deux pieds de long.
Le générateur linéaire Freikolben utilise des cylindres qui se font face. Cette orientation du piston lui permet d'être encore plus compact que les moteurs à pistons libres typiques. Cela le rend parfait pour une utilisation comme prolongateur de portée.
Prenons par exemple la Chevrolet Volt. Il dispose de batteries et est capable de fonctionner uniquement à l’électricité. Mais lorsque les batteries sont épuisées, elle dispose d'un moteur à essence de 1,4 litre qui peut les recharger et propulser la voiture elle-même au-dessus de 65 mph. Cela fonctionne bien, mais malheureusement, même les moteurs à essence de petite cylindrée sont encombrants, lourds et coûteux.
Le générateur linéaire Freikolben peut accomplir le même travail, tout en étant suffisamment petit pour être monté sous le plancher d'une voiture, ce qui permet d'économiser de l'espace pour d'autres choses comme le chou frisé, disons.
Mais un moteur miracle sur l’établi d’un savant fou teutonique est loin d’être une production réelle, n’est-ce pas ?
Eh bien, Toyota est également de la partie. Cet été, le grand constructeur automobile japonais a annoncé son propre moteur à pistons gratuit ou « générateur linéaire ». La version Toyota utilise un seul cylindre plutôt qu'une paire opposée, et est capable d'une efficacité thermique de 42 pour cent en fonctionnement constant conditions. C’est mieux que ce que n’importe quel moteur de production est capable de réaliser – même momentanément, dans des conditions optimales.
Le moteur de Toyota serait capable de générer 15 chevaux à partir d’un ensemble de huit pouces de diamètre et deux pieds de long. Deux d’entre eux seraient probablement plus que suffisants pour recharger les batteries d’un véhicule moderne à autonomie étendue et offrant d’énormes économies d’espace et d’énergie. La technologie allemande est étonnante, mais le moteur de Toyota pourrait bientôt équiper la Prius.
Conclusion
L’électricité pure – ou peut-être l’hydrogène – reste presque certainement la future source d’énergie à long terme pour les voitures. Cependant, aucune de ces technologies n’est tout à fait prête. L’électrique s’en rapproche, mais reste bien trop cher pour la plupart des consommateurs américains, sans parler des milliards de consommateurs chinois et indiens qui aspirent à posséder une voiture.
Les moteurs à pistons libres peuvent constituer une technologie de pont essentielle susceptible d’améliorer considérablement l’efficacité de la combustion interne. Ils peuvent également avoir une durée de vie plus longue que les formes traditionnelles de combustion interne, grâce à leur capacité à brûler presque tout ce qui est inflammable… Je vous regarde, chiffons huileux.
Si des géants de l’industrie comme Toyota décident de mettre leur poids derrière la technologie, elle pourrait très bientôt se retrouver dans les voitures de production. Espérons.
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