Une entreprise du New Jersey travaille sur quelques prototypes de moteur thermique atypique, avec une architecture qui rompt avec les schémas traditionnels. LiquidPiston, c’est le nom de l’entreprise américaine, propose un moteur thermique particulièrement léger et compact, qui dans le domaine de la mobilité pourrait devenir pertinent sur les véhicules hybrides dans le rôle de prolongateur d’autonomie, mais qui le cas échéant peut être mis à l’échelle jusqu’à une puissance de mille chevaux. Partant de la structure de base d’un rotatif, le propulseur hérite d’autres avantages, notamment l’absence de soupapes et d’autres pièces mobiles auxiliaires.
Dans le même temps, LiquidPiston aborde les problèmes typiques des moteurs rotatifs, en proposant une nouvelle architecture que l’entreprise elle-même présente comme « un Wankel inversé ». La première subversion réside dans la géométrie : le moteur est en effet équipé de un stator triangulaire et un rotor à deux lobes, contrairement au Wankel dans lequel c’est plutôt le stator qui a une forme bilobée tandis que le rotor a un contour triangulaire. Une autre inversion réside dans les processus d’échange d’air. En fait, dans le Wankel, les orifices d’admission et d’échappement sont obtenus à l’intérieur du stator, tandis que LiquidPiston déplace tout à l’intérieur du rotor.
C’est une différence substantielle qui mène aux dernières grandes nouvelles. Les chambres de combustion des unités Wankel tournent avec le rotor, tandis que dans le rotatif américain, elles restent limitées aux trois « sommets » du triangle obtenu dans le stator. Cela vous donne plus de liberté pour contrôler les différentes phases, prolonger la phase de détente par rapport à la phase de compression maximiser le travail utile de la combustion, selon le principe régissant le cycle d’Atkinson.
L’opération
Dans le prototype LiquidPiston, un flux d’air traverse le moteur le long de son axe. Une grande partie de ce flux traverse le moteur de part en part et est utile à son refroidissement, mais une fraction de l’air est canalisée à l’intérieur de l’arbre vers le moteur. L’air d’admission est ainsi délivré de temps en temps dans les chambres de combustion individuelles rencontrées lors de la rotation du rotor.
À ce stade, de manière similaire à ce qui se passe dans les unités Wankel, le mouvement du rotor comprime et dilate les chambres de combustion, réalisant les phases de compression, de combustion et de détente. À ce point les gaz brûlés s’écoulent dans un deuxième conduit d’échappement formé dans le rotorlorsque celle-ci rencontre l’unique chambre de combustion lors de sa rotation.
LiquidPiston s’impose comme son propre moteur conserver les avantages de compacité, légèreté, simplicité et équilibre typiques des machines rotatives. Cependant, par rapport au Wankel, le moteur américain possède des chambres de combustion avec un meilleur rapport volume/surface, améliorant la propagation de la flamme et réduisant les pertes de chaleur vers les parois. L’avantage ultime est une efficacité accrue du moteur. De plus, grâce à la forme bilobée du rotor, les joints entre les différentes chambres de combustion sont logés directement dans le stator. Cela permet de lubrifier localement la zone d’accès depuis le stator, sans qu’il soit nécessaire d’introduire de l’huile dans la chambre, réduisant sa consommation par rapport à un Wankel traditionnel et réduisant de plus de trois fois les fuites de gaz d’une chambre à l’autre.
Les prototypes sur le banc : essence et diesel
Deux prototypes différents sont testés dans les laboratoires LiquidPiston. L’un d’eux est le X-Minibloc essence quatre temps à injection indirecte, qui avec sa cylindrée de 70 cm3 ne dépasse pas 2 kilogrammes de poids. Grâce à un taux de compression de 9:1, la puissance maximale est de 3,6 chevaux à 9 000 tr/min, avec un rendement thermique de 22 %. Cependant, on estime que, dans sa version mature, le moteur peut atteindre 5 chevaux à 140 000 tr/min, avec un rendement de 25 % et une puissance spécifique d’environ 71 chevaux/litre.
Il y a alors les essais sur le groupe diesel, qui fonctionne selon le cycle thermodynamique breveté HEHC, acronyme de High Efficiency Hybrid Cycle, qui présente les caractéristiques typiques des cycles Otto, Atkinson et Diesel. L’allumage est spontané, mais contrairement aux moteurs diesel, la combustion est approchée à volume constant, suivie d’une phase de détente prolongée par rapport à la phase de compression. À l’heure actuelle, le prototype de 750 cm3 et 27 kg délivre 40 chevaux à 7 000 tr/min, avec un taux de compression compris entre 16 et 18:1. Le but ultime, cependant, est de descendre à 18 kilogrammes de poids et ramener le taux de compression à 26:1. Cela devrait permettre de monter la puissance à 50 chevaux, faisant passer le rendement thermique de 33 à 45 %.
Pour les unités essence et diesel, il est possible d’augmenter la puissance, en faisant varier l’épaisseur et le diamètre du rotor, ainsi que d’augmenter le nombre de rotors, comme on le voit également sur les groupes motopropulseurs Wankel de Mazda. Ils sont également présents pour les opérations à charge partielle stratégies de contrôle pour désactiver les allumages dans les différentes pièces en alternance. Cette logique est analogue au principe de désactivation des cylindres, qui vise à réduire le nombre de chambres actives pour maximiser la charge et l’efficacité. Enfin, LiquidPiston propose l’injection directe d’eau dans la chambre de combustion, à la fois avec une action de refroidissement et dans le but d’augmenter la pression interne au moyen de vapeur.
Débouchés possibles
Parmi les avantages mentionnés par LiquidPiston, en plus de la compacité et de la légèreté, l’absence de vannes et d’un système de distribution se distingue, ce qui augmente l’efficacité mécanique et simplifie l’architecture, en contenant les coûts de production. De plus, grâce à la phase d’expansion prolongée, les turbulences dans le flux d’échappement sont considérablement réduites, éliminant ainsi le besoin d’un silencieux. Enfin, comme les autres moteurs rotatifs, les vibrations sont atténuées par l’excellent équilibre général, mais contrairement aux Wankels, la consommation d’huile et les phénomènes de soufflage entre les chambres sont considérablement réduits.
Les applications possibles envisagées par la société américaine sont nombreuses : prolongateur d’autonomie sur les véhicules hybrides, groupes électrogènes portables, drones, véhicules de jardin, karts à pédales, propulsion marine et groupes auxiliaires de puissance pour bateaux et avions. L’électrification qui sévit dans l’industrie automobile décourage les grands constructeurs d’investir dans des technologies qui remettent en cause l’architecture plus que centenaire du moteur thermique, dont l’avenir apparaît de plus en plus incertain. Cependant, LiquidPiston continue de tester ses prototypes, en attendant de trouver un débouché commercial à son invention.