Un moteur à pistons libres (en anglais, free-piston engine ou FPE) est un moteur à combustion interne à deux temps, à allumage spontané (comme dans un moteur Diesel) et dans lequel le mouvement du piston répond uniquement à la pression du gaz, sans qu'une bielle(s) ou vilebrequin ne génère une rotation. Les configurations de base des moteurs à pistons libres sont à piston unique, à double pistons, ou à deux pistons opposés.
Sur le plan des avantages, ce type de moteur permet l'utilisation de carburants peu raffinés (type fioulDu pétrole à l'électricité par la ligne droite - Science et Vie , décembre 1979, . ou autres, comme les huiles végétales ou d'origine animale), tout en délivrant un meilleur rendement que les moteurs DieselPrincipe de fonctionnement du moteur linéaire - Science et Vie , décembre 1979, .. Par contre, par leur sensibilité aux variations possibles des cycles de combustion, les moteurs à pistons libres sont difficiles à contrôler et donc susceptibles de faibles performances. Ils sont de plus très bruyants.
Première génération En 1864, l'ingénieur britannique brevète un moteur à piston libre David Beecroft, History of the American Automobile Industry, 2009, , . et, en janvier 1907, la compagnie française Michelin brevète un compresseur d'air à pistons libresBrevet délivré le 15 janvier 1907 à Michelin .. Dans les années 1930, le moteur à pistons libres moderne est développé en Europe par l'Argentin Raoul Pateras Pescara et par la firme allemande Junkers ; une des premières applications est une locomotive de dans laquelle on a remplacé en 1936 la chaudière à vapeur par deux auto-compresseurs Pescara qui fournissent de l'air comprimé à la même pression que la vapeur, qui varie entre 12 et (1.8 MPa).
La première génération de moteurs à pistons libres était du type à deux pistons opposés, dans laquelle les deux pistons sont reliés pour assurer un mouvement symétrique.
Compresseurs La première application réussie du moteur à piston libre est le compresseur d'air. Des cylindres de compression d'air sont couplés aux pistons en mouvement, certains moteurs utilisant l'air restant dans les cylindres de compression pour repousser le piston, éliminant le besoin d'un dispositif de rebond.
Des compresseurs d’air à pistons libres Junkers ont été utilisés dans la marine allemande dès la Seconde Guerre mondiale sur des destroyers (pour produire l'air comprimé nécessaire au lancement de torpilles) W.T. Toutant, « The Worthington–Junkers free-piston air compressor », Journal of the American Society of Naval Engineers 1952., et à bord de sous-marins, pour réajuster les réserves d'air en surfaceLe dernier jour du U 171 - archeosousmarine.net .. Ces moteurs avaient un haut rendement pour un encombrement réduit.
Générateurs de gaz
Après le succès du compresseur d'air à pistons libres, plusieurs groupes de recherche industrielle commencent à développer des générateurs de gaz à pistons libres, le gaz ainsi produit faisant fonctionner une turbine. À la fin des années 1940, les constructeurs automobiles américains General Motors et Ford développent des prototypes de moteurs destinés à propulser leurs véhicules.
Un grand nombre de générateurs de gaz à pistons libres sont mis au point et trouvent de nombreuses applications sur terre (principalement des centrales électriques) et sur mer (navires). Des essais sont également menés en France pour la propulsion de locomotives : en 1952, Renault construit un prototype () doté d'un générateur Sigma-Pescara (Société industrielle générale de mécanique appliquée) d'environ faisant tourner une turbine à gaz, cette locomotive roulera jusqu'en 1960. Deux autres prototypes sont construits par Renault en 1959 et 1961, les 060 GA 1 et 2Les locomotives 060 GA 1 et 2.. La machine est rapidement surnommée « La Boum Boum » pour son bruit puissant et caractéristique et l'explosion de vitres dans les gares traverséesCC 80000 ; les pannes sont nombreuses et le projet abandonné en 1963Locomotives Diesel : A1A A1A et CC de ligne - MLGTraffic..
De 1953 à 1956, la Marine nationale française met en chantier une série de dont 21 sont propulsés par des générateurs de gaz à pistons libres Sigma-Pescara accouplés à deux turbines à gaz développant au total Dragueurs de mines côtiers Sirius avec propulsion à pistons libres - Film Marine nationale/Sigma, YouTube, .. Ils sont tellement bruyants lors du démarrage à froid (car il faut garder les purges de balayage ouvertes assez longtemps), qu’ils ont la réputation de « réveiller tout Cherbourg » mais aussi d'être très pénibles aux oreilles des mécaniciens de quart. Peu fiables mécaniquementMoteurs Pescara, Bory et d'autres - Témoignage sur les moteurs Pescara d'un marin embarqué sur le Bory puis sur le dragueur de mines Algol., ils seront placés en complément de mobilisation, sous cocon, à partir de 1970, les derniers en 1981. Par ailleurs, un aviso-escorteur de la marine française, le Commandant BoryAE Commandant Bory : Caractéristiques principales - Net-Marine., est équipé de à gaz de ce type en 1956 pour évaluation, contre l'avis de l'état-majorAntoine Sanguinetti, Mémoires d'actions et de réactions, L'Harmattan, 2003 , pp. 218-220 .. Le projet est un échec totalAviso-escorteur Commandant Bory - Net-Marine.Turbine à gaz sur le Bory ? - Témoignage sur les moteurs Pescara d'un autre marin embarqué sur le Bory de 1964 à 1966. : entré en service en 1964, soit seulement huit ans après sa mise en service, il sera remotorisé à partir de 1972 avec les mêmes moteurs Diesel, beaucoup plus classiques, que ceux de sept autres avisos escorteurs de la classe Commandant Rivière. Le vice-amiral d'escadre Antoine Sanguinetti raconte que durant la traversée qui ramène le Bory en 1972 de l'océan Indien vers la métropole pour remplacer ses moteurs de propulsion défaillants, le bâtiment subira pas moins de intempestifs de ses moteurs Pescara.
En 1956, General Motors présente au public la XP-500, première automobile au monde motorisée par un moteur à pistons libres 1956 GM XP-500 - Car Styling., un prototype fonctionnel mais sans lendemains. Le moteur alimentait une turbine qui produisait .
Applications modernes
Ce type de moteur suscite un nouvel intérêt au début du siècle en raison de la commercialisation de véhicules électriques équipés de batteries au lithium ou au sodium dont le prix et le volume ne permettent pas une autonomie supérieure à . Dans l’attente de progrès sur ces batteries, il est envisagé d’équiper certains véhicules de prolongateurs d’autonomie. Il s’agit de petits groupes électrogènes rechargeant les batteries pendant le déplacement même des véhicules. Le moteur à piston libre comporte alors un piston aimanté coulissant dans un cylindre bobiné produisant l’électricité alimentant les batteries.. D’autres types de moteurs sont aussi actuellement expérimentés comme prolongateurs d’autonomie.
Notes et références
Annexes
Article connexe Architecture des moteurs à pistons
Liens externes A review of free-piston engine history and applications - R. Mikalsen et A.P. Roskilly, Applied Thermal Engineering, Volume 27, , , pp. 2339–2352 Historique des compresseurs à pistons, libres de 1907 à 1938 - freikolben.ch Historique des générateurs de gaz, de 1912 à 2001 - freikolben.ch
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