Qu’est-ce qu’un Moteur à Piston Libre et comment fonctionne-t-il ?

Qu’est-ce qu’un Moteur à Piston Libre et comment fonctionne-t-il ?

C’est Edward Butler en 1884 qui est à l’origine du moteur à combustion interne. Cela a été le point de départ à l’invention de nombreuses machines comme un véhicule automobile, avions, véhicules marins, etc. que nous utilisons encore aujourd’hui.

Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi les applications du moteur à combustion interne sont limitées au seul mouvement de rotation ? Cette question augmente la curiosité et donne naissance au moteur à piston libre. Étudions-le en détail.

Qu’est-ce qu’un moteur à piston libre

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

Le fonctionnement du moteur à Piston libre

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.

La production d’énergie est l’objectif principal de ce type de pistons qui peut être obtenu par l’un de ces moyens :

  • 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.

Besoin d’un moteur à piston libre

L’énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais elle peut être transformée d’un état à un autre. Elle peut aussi être transférée d’un objet à un autre. Avec ces connaissances, 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 turbines, compresseurs, etc. Il fallait trouver la source d’énergie qui peut faire fonctionner ces machines, les sources qui étaient disponibles. La plus connue de toutes est la combustion de combustibles comme le bois, le charbon, etc. Cela nécessitait une installation imposante. En sus, le résultat était relativement inefficace 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 qui utilise un combustible fractionné pur qui à son tour diminue la pollution causant les émissions.
  • Le moteur 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.

Les utilisations du moteur à piston libre

1. Générateur d’électricité

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

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

  • 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).
  • 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.
  • 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 qui est stockée dans l’accumulateur (batterie) utilisé dans le générateur électrique pour l’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.

Pour l’utilisation du moteur comme compresseur d’air, aucun dispositif de chargement n’est utilisé mais il y a le couplage du cylindre du compresseur d’air avec les plaques qui sont montées à l’extrémité arrière du piston.

Le fonctionnement du compresseur d’air est le suivant :

  • Idem que le carburant du générateur d’électricité entre à la fin de la course d’expansion et s’enflamme à la course de compression du moteur respectivement, 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.
  • 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.
  • Cet air comprimé est ensuite évacué par la soupape d’échappement du compresseur pour la suite des travaux. A 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 de l’électricité.

Dans cette application du moteur 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 de la génératrice électrique à turbine qui utilise le moteur comme source d’énergie est le suivant :

  • L’entrée du carburant par l’orifice d’admission du moteur a lieu à la fin de la course d’expansion du moteur.
  • 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.
  • 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 F P utilisé.
  • Cette combustion génère une impulsion de haute pression qui pousse le piston et provoque l’expansion des gaz produits lors de la combustion.
  • Les gaz expansés pendant la course d’expansion sont ensuite évacués par la haute pression à travers l’orifice d’échappement du moteur pendant la course d’expansion.
  • 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.

En dehors des applications mentionnées ci-dessus, les moteurs à pistons libres avec différents dispositifs de chargement et de rebondissement sont largement utilisés dans diverses machines comme les machines hydrauliques, les appareils marins, les appareils aérospatiaux, etc. Mais le principe de fonctionnement de base de tous ces dispositifs est le même, c’est-à-dire que le mouvement alternatif du piston provoqué par la combustion du carburant est le rendement mécanique obtenu par la combustion de la substance chimique du carburant.

Composants Principaux du moteur à piston libre

Le moteur à piston libre fonctionne selon le même principe que le moteur à combustion interne d’une automobile, c’est-à-dire que la combustion de l’air-carburant dans un cylindre fermé produit un mouvement alternatif dans le piston qui est le travail mécanique obtenu. Les composants des deux moteurs sont donc presque identiques. Il s’agit essentiellement d’un moteur à deux temps.

Les principaux composants du moteur à piston libre

Chambre de combustion ou cylindre

Comme le moteur à combustion interne, un cylindre de combustion est la chambre cylindrique rigide à l’intérieur de laquelle se produit la combustion de l’air-carburant, et c’est aussi le carter à l’intérieur duquel se déplace le piston.

Pistons

C’est la partie cylindrique rigide du moteur qui produit un mouvement de va-et-vient à l’intérieur de la chambre de combustion en raison de la combustion du mélange air-carburant.

Tête du moteur

C’est la tête du moteur à laquelle la bougie d’allumage ou l’injecteur de carburant est fixé, la tête du moteur est montée sur la chambre de combustion tout comme le moteur à combustion interne.

Bougie d’allumage et injecteur de carburant

La bougie d’allumage est utilisée pour allumer le mélange air-carburant et l’injecteur de carburant injecte le carburant diesel pendant la compression de l’air qui résulte dans la combustion.

Cylindre de rebond

C’est un cylindre avec un piston qui est relié au piston principal. La fonction principale du cylindre de rebond est de stocker l’énergie pendant l’expansion du moteur et de l’appliquer pour relancer la course de compression pour le travail.

Dispositifs de chargement

Il s’agit des dispositifs utilisés dans les moteurs à pistons libres pour remplacer le vilebrequin du moteur à combustion interne. Le choix du dispositif de chargement à utiliser dépend de l’application requise du moteur

Carburant

Bien sûr, tout comme un moteur à allumage commandé, la partie la plus importante d’un moteur à allumage commandé est le carburant qui peut être de l’essence ou du diesel selon le type de moteur à allumage commandé utilisé, c’est-à-dire le moteur à allumage commandé ou le moteur à allumage par compression. Le carburant est l’énergie chimique qui est brûlée à l’intérieur de la chambre de combustion pour produire un travail mécanique, c’est-à-dire un mouvement alternatif du piston.

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