Générateurs à haut rendement pour véhicules hybrides

Une conception de moteur non conventionnelle attire l'attention en tant qu'alternative potentielle aux piles à combustible à hydrogène ou aux moteurs conventionnels dans certains véhicules hybrides. Appelé moteur à piston libre, il pourrait être utilisé pour produire de l'électricité aussi efficacement que les piles à combustible tout en coûtant moins cher.

Puissance des pistons : Dans une conception de moteur non conventionnelle, une tige avec un piston à chaque extrémité fait la navette entre deux chambres de combustion. Les aimants au centre de la tige passent devant des bobines métalliques (orange) pour créer un courant électrique.

Les moteurs à pistons libres ne sont pas nouveaux : ils ont été inventés dans les années 1920. Mais l'attention accrue accordée récemment aux voitures hybrides a conduit un nombre croissant de groupes de recherche et de constructeurs automobiles à lancer des programmes de recherche pour développer la technologie. Contrairement aux moteurs conventionnels, il n'y a pas de liaison mécanique entre le piston et un vilebrequin (d'où le nom de piston libre). Étant donné que la conception permet une combustion améliorée et moins de friction, les moteurs pourraient être beaucoup plus efficaces pour générer de l'électricité que les générateurs conventionnels ou la nouvelle technologie de pile à combustible.

Avoir un moyen bon marché et efficace de produire de l'électricité devient de plus en plus important à mesure que les constructeurs automobiles développent des véhicules électriques avec des générateurs embarqués pour recharger la batterie et étendre l'autonomie. De tels véhicules, appelés hybrides rechargeables de série ou véhicules électriques à autonomie étendue, seront commercialisés à partir de fin 2010. (Cliquez ici pour une comparaison des différents types de véhicules hybrides et électriques.) Le premier utilisera des générateurs basés sur des moteurs conventionnels. Mais les modèles ultérieurs pourraient incorporer des piles à combustible ou d'autres générateurs non conventionnels, tels que des moteurs à pistons libres.

Le rendement potentiel élevé des moteurs à pistons libres leur donne un avantage par rapport aux générateurs conventionnels, et leur capacité à utiliser une variété de carburants est un avantage par rapport aux piles à combustible à hydrogène. De plus, les moteurs à pistons libres ne nécessitent pas de matériaux coûteux tels que les catalyseurs en platine nécessaires aux piles à combustible, ils pourraient donc également être moins chers.

Les constructeurs automobiles tels que GM, Lotus et Volvo ont commencé à étudier la possibilité d'utiliser de tels moteurs dans les futurs véhicules. Pendant ce temps, au cours des deux dernières années, un nombre croissant d'équipes de recherche universitaires ont commencé à développer les moteurs. Jusqu'à présent, la plupart se sont concentrés sur les simulations informatiques. Une exception est un groupe de recherche au laboratoire national de Sandia dirigé par le chercheur de Sandia Peter Van Blarigan qui a testé les composants physiques des moteurs à pistons libres. Il assemble un prototype complet de moteur à pistons libres, un projet qu'il espère terminer d'ici un an.

Dans les moteurs à combustion interne conventionnels, plusieurs pistons sont reliés par des bielles à un vilebrequin qui, via la transmission, entraîne les roues. Les moteurs à pistons libres suppriment le vilebrequin : les pistons ne sont reliés à rien. Au lieu de cela, deux pistons opposés font simplement la navette d'avant en arrière à l'intérieur d'une chambre. Pour générer de l'électricité, les pistons pourraient être équipés de rangées d'aimants qui passent devant des bobines métalliques pour créer un courant électrique.

Les expériences de Van Blarigan suggèrent que ces moteurs pourraient être efficaces à 50% pour générer de l'électricité, proche de l'efficacité des piles à combustible à hydrogène et beaucoup plus efficaces que les générateurs conventionnels. Les moteurs à pistons libres sont efficaces en partie parce qu'ils ont moins de pièces mobiles que les moteurs conventionnels. La configuration du moteur permet également de régler le moteur de manière pratique pour que le carburant dans une chambre de combustion brûle très rapidement. Une combustion plus rapide permet au moteur d'obtenir plus de travail avec une quantité donnée de carburant, améliorant ainsi l'efficacité. Il peut également améliorer les émissions.

La conception à piston libre peut également permettre au moteur d'être instantanément optimisé pour différents carburants, tels que l'hydrogène, le gaz naturel, l'éthanol, l'essence et le diesel. Idéalement, les conducteurs pourraient utiliser n'importe quel carburant bon marché et facilement disponible.

Le développement des moteurs à pistons libres n'en est cependant qu'à ses débuts. Le piston libre a des caractéristiques uniques - simplicité et compression variable - qui le rendent intrigant, dit Gary Smyth , le directeur scientifique du laboratoire de recherche sur les systèmes de propulsion de GM. Mais [ils] posent également un certain nombre de défis.

Van Blarigan dit qu'une préoccupation majeure est le bruit des moteurs : les explosions rapides sont très fortes et seront difficiles à étouffer. Mais le plus gros problème est peut-être le contrôle. Dans un moteur conventionnel, le mouvement des pistons est limité par les bielles et le vilebrequin, qui aident à égaliser les variations d'un cycle à l'autre. Le moteur à piston libre est plus flexible. Cela permet d'utiliser différents carburants, mais cela nécessite une sorte de mécanisme de contrôle actif pour s'assurer que chaque cycle est le même : des variations pourraient entraîner de mauvaises performances et une augmentation des émissions. Des ordinateurs à grande vitesse et la capacité de contrôler électroniquement le mouvement du piston dans un générateur à piston libre (via les bobines et les aimants) pourraient aider les ingénieurs à résoudre ce problème.

On ne sait pas si les moteurs seront nettement moins chers et plus efficaces que les moteurs conventionnels, dit John Heywood , professeur de génie mécanique au MIT. Il y a eu suffisamment de développement pour dire que cela fonctionne. Mais avec des géométries de moteur très différentes, il est difficile de déterminer à quel point il est bon. Est-ce vraiment mieux ? Au fur et à mesure que la recherche progresse, elle devra répondre à des questions sur l'efficacité, les émissions, les performances et surtout les coûts, dit Heywood.

Pendant ce temps, les moteurs à combustion interne conventionnels ne cessent de s'améliorer, ce qui pourrait rendre difficile l'implantation de la conception à piston libre.

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