thumb|Generator de gaze cu pistoane libere de tip Pescara pentru turbine cu gaze Un motor cu pistoane libereEgon Cernea, Mașini termice cu pistoane libere, București: Editura Tehnică, 1963 este un motor cu ardere internă liniar, în care mișcarea pistonului nu este controlată de un arbore cotit, ci este determinată de interacțiunea forțelor date de gazele din camera de ardere, un dispozitiv de revenire (de exemplu, un piston într-un cilindru închis) și un dispozitiv de utilizare a energiei produse (sarcina), de exemplu un compresor de gaz, o turbină cu gaze sau un alternator liniar.
Scopul tuturor acestor motoare cu piston este de a genera energie. În motorul cu pistoane libere, această energie nu este livrată unui arbore cotit, ci este extrasă fie prin presiunea gazelor evacuate care acționează o turbină cu gaze, fie prin acționarea unei sarcini liniare, cum ar fi un compresor de aer, fie prin încorporarea unui alternator liniar direct în pistoane pentru a produce energie electrică.
Motoarele cu pistoane libere pot fi construite cu un singur piston, cu un piston dublu sau cu pistoane opuse în fiecare dintre cilindri. Motorul cu pistoane libere este de obicei limitat la principiul de funcționare al motorului în doi timpi, deoarece este necesară o cursă de putere pentru fiecare cursă de revenire din ciclu. Totuși, o versiune în patru timpi cu ciclu divizat a fost brevetată, patent GB2480461 (A), publicat la 23 noiembrie 2011.
Prima generație thumb|Figura 1 din US1657641 Motorul modern cu piston liber a fost propus de Raúl Pateras Pescara aplicația sa inițială fiind un compresor de aer cu un singur piston. Pescara a înființat Bureau Technique Pescara pentru a realiza motoare cu pistoane libere, iar Robert Huber a fost directorul tehnic al biroului din 1924 până în 1962.
Principiul motorului a fost un subiect de mare interes în perioada 1930–1960, fiind dezvoltate o serie de unități disponibile comercial. Aceste motoare cu pistoane libere din prima generație au fost, fără excepție, motoare cu pistoane opuse, în care cele două pistoane erau legate mecanic printr-un mecanism de sincronizare pentru a asigura o mișcare simetrică. Motoarele cu pistoane libere aveau unele avantaje față de tehnologia convențională, cum ar fi compactitatea și o funcționare cu vibrații reduse.
În 1912 M. Matricardi a brevetat în Italia un model timpuriu al unui motor cu piston liber.
În 1922 Raúl Pateras Pescara împreună cu un grup de ingineri au construit în cadrul Bureau Technique Pescara din Franța primele prototipuri, care au inspirat cercetările și dezvoltările ulterioare privind motoarele cu pistoane libere din Europa.
În 1925 Walter G. Noack (1881–1945), inventatorul cazanului Velox și Jean von Freudenreich (1888–1959) au patentat în Elveția un sistem cu pistoane libere.
În 1928 Birger Ljungström a publicat în Suedia proiectul său extrem de eficient, fără arbore cotit, cu pistoane opuse, menționat în brevete, considerându-l un generator de gaz superior pentru turbine.
Compresoare de aer Prima aplicație de succes a conceptului de motor cu pistoane libere a fost la compresoare de aer. În aceste motoare, cilindrii compresorului de aer erau cuplați la pistoanele mobile, adesea într-o configurație cu mai multe trepte. Unele dintre aceste motoare utilizau aerul rămas în cilindrii compresorului pentru a readuce pistonul, eliminând astfel necesitatea unui dispozitiv de revenire.
Compresoarele de aer cu pistoane libere au fost utilizate, printre altele, de marina germană și aveau avantajele unui randament ridicat, a compactității, zgomotului și vibrațiilor reduse.
Generatoare de gaze După succesul compresorului de aer cu pistoane libere, o serie de grupuri de cercetare industrială au început dezvoltarea generatoarelor de gaze cu pistoane libere. La acestea nu există un dispozitiv de sarcină cuplat la motor, ci puterea este extrasă din gazele evacuate într-o turbină cu gaze. Mișcarea de rotație a turbinei poate astfel acționa o pompă, o elice, un generator electric sau alt dispozitiv.
În această configurație, singurul consum de putere este cea pentru supraalimentare, comprimând aerul de admisiune, deși, teoretic, dacă se dorește, o parte din acest aer ar putea fi deviat pentru a fi utilizat ca sursă de aer comprimat. O astfel de modificare ar permite motorului cu pistoane libere, atunci când este utilizat împreună cu turbina acționată de gazele de evacuare menționată anterior, să furnizeze atât putere motrice (la cupla turbinei), cât și aer comprimat la cerere.
Au fost dezvoltate o serie de generatoare de gaze cu pistoane libere, iar astfel de unități au fost utilizate pe scară largă în aplicații cum ar fi centralele electrice staționare și marine. S-au făcut încercări de a utiliza generatoare de gaze cu pistoane libere pentru propulsia vehiculelor (de exemplu, în locomotivele cu turbină cu gaze), dar fără succes.
Aplicații moderne Aplicațiile moderne ale conceptului de motor cu pistoane libere sunt la motoare hidraulice, destinate vehiculelor off-road, și la generatoare destinate utilizării la vehicule electrice hibride.
Hidraulică Aceste motoare sunt de obicei de tip cu un singur piston, cilindrul hidraulic acționând atât ca dispozitiv de forță, cât și de revenire, utilizând un sistem de control hidraulic. Acest lucru conferă unității o flexibilitate operațională ridicată. Au fost raportate performanțe excelente la sarcini parțiale.
Generatoare electrice , care nu au nevoie de un arbore cotit greu, cu bobine electrice în pereții pistonului și cilindrului sunt cercetate de mai multe grupuri de cercetare pentru utilizarea la vehiculele electrice hibride ca . Primul generator cu pistoane libere a fost brevetat în 1934. Exemple sunt și sistemul cu pistoane libere produs de Pempek Systems, Douglas Carter, Edward Wechner, The Free Piston Power Pack: Sustainable Power for Hybrid Electric Vehicles bazat pe un brevet german. Un generator liniar cu un singur piston liber a fost prezentat în 2013 la Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt – DLR.
Aceste motoare sunt de obicei cu două pistoane, oferind o unitate compactă cu un raport putere/greutate ridicat. O provocare cu acest design este de a găsi un motor electric cu o greutate suficient de mică. Au fost raportate și probleme de control din cauza variațiilor mari de la un ciclu la altul.
În iunie 2014 Toyota a anunțat un prototip de generator liniar cu pistoane libere. Pe măsură ce pistonul se deplasează în timpul cursei de putere, acesta trece prin înfășurările din cilindru pentru a genera curent electric alternativ trifazat. Pistonul generează curent în ambele curse, reducând pierderile permanente ale pistonului. Generatorul funcționează pe baza unui ciclu în doi timpi cu injecție directă de benzină, utilizând supape de evacuare comandate electronic și acționate hidraulic. Motorul este simplu de modificat pentru a funcționa cu diverși combustibili, inclusiv hidrogen, gaz natural, etanol și motorină. Un astfel de generator cu două pistoane este echilibrat din principiu.
Toyota afirmă că în funcționarea continuă randamentul termic este de 42 %, depășind cu mult media actuală de 25–30 %. Toyota a prezentat o unitate cu lungimea de c. 600 mm și diametrul de c. 60 mm, cu o putere de 15 CP (11 kW).
Caracteristici Caracteristicile de funcționare ale motoarelor cu piston liber diferă de cele ale motoarelor convenționale cu arbore cotit. Motorul cu pistoane libere are o serie de caracteristici unice, unele îi conferă avantaje potențiale, iar altele reprezintă provocări care trebuie depășite pentru ca motorul cu piston liber să fie o alternativă realistă la tehnologia convențională. Principala diferență constă în faptul că la motoarele cu pistoane libere mișcarea pistoanelor nu este impusă de un arbore cotit, ceea ce duce la caracteristica potențial valoroasă a raportului de comprimare variabil. Aceasta poate oferi o optimizare extinsă a funcționării, un randament mai bun la sarcini parțiale și o posibilă funcționare cu policarburant. Totuși, acest lucru aduce și probleme, deoarece poziția punctelor moarte trebuie controlată cu precizie pentru a asigura aprinderea combustibilului și o ardere eficientă și pentru a evita presiunile excesive în cilindru sau, mai rău, lovirea pistonului de chiulasă. Acestea se rezolvă prin sincronizarea variabilă a injecției de combustibil și sincronizarea supapelor prin metode de control adecvate.
Lungimea variabilă a cursei se obține printr-o schemă adecvată de control a frecvenței, în care mișcarea pistonului este controlată în punctul mort exterior cu ajutorul unui cilindru hidraulic, care variază volumul camerei tampon care asigură revenirea pistonului.
Mișcarea pur liniară duce la forțe laterale foarte mici asupra cilindrului, prin urmare, necesități mai mici de lubrifiere.
Procesul de ardere al motorului cu pistoane libere este potrivit pentru modul de lucru în care amestecul combustibil se autoaprinde în urma comprimării, rezultând o ardere foarte rapidă, împreună cu cerințe mai mici pentru un control precis al momentului aprinderii. De asemenea, se obțin randamente mari datorită arderii la volum aproape constant și posibilității de a arde amestecuri sărace pentru a reduce temperaturile gazelor, prin urmare anumite tipuri de emisii.
Neavând un dispozitiv de stocare a energiei cinetice, precum volantul motoarelor convenționale, motoarele cu pistoane libere sunt mai susceptibile la opriri cauzate de variații foarte mici ale sincronizării sau a presiunii din ciclul motorului. Este necesar un control precis al vitezei și al sincronizării, deoarece, dacă motorul nu reușește să acumuleze o compresie suficientă sau dacă alți factori influențează injecția/aprinderea și arderea, motorul poate da rateuri sau chiar se poate opri.
Avantaje Avantajele potențiale ale conceptului de piston liber sunt: Design simplu, cu puține piese mobile, rezultând un motor compact, cu costuri de întreținere reduse și pierderi prin frecare reduse. Flexibilitate operațională datorită raportului de comprimare variabil, care permite optimizarea funcționării pentru regimurile de sarcini parțiale și funcționarea cu mai mulți combustibili. Motorul cu pistoane libere este potrivit pentru funcționarea cu aprindere prin comprimare. Viteza mare a pistonului, atât în jurul punctului mort superior (PMS), cât și în timpul comprimării și destinderii îmbunătățesc uniformizarea amestecului combustibil–aer și reduc timpul pentru pierderile de căldură și formarea emisiilor dependente de temperatură, cum ar fi oxizii de azot (NOx).
Probleme Principala provocare pentru motorul cu pistoane libere este controlul motorului, despre care se poate spune că este complet rezolvat doar pentru motoarele cu un singur piston liber comandat de un piston hidraulic. Probleme precum influența variațiilor de la un ciclu la altul în procesul de ardere și performanța motorului în timpul funcționării tranzitorii în motoarele cu două pistoane sunt subiecte care necesită cercetări suplimentare.
Mișcarea de rotație necesară antrenării accesoriilor convenționale ale motoarelor automobilelor, cum ar fi alternatorul, compresorul de aer condiționat, pompele de combustibil, servodirecție și cele ale dispozitivelor antipoluare ar putea fi realizată de o turbină cu gaze plasată în sistemul de evacuare a gazelor arse.
Motor cu pistoane opuse Majoritatea motoarelor cu piston liber sunt de tipul cu pistoane opuse, cu o singură cameră de ardere centrală (între ele). O variantă este motorul care are două camere de ardere separate. Un exemplu este motorul Stelzer.
Realizări recente În secolul al XXI-lea, cercetările privind motoarele cu pistoane libere continuă și în multe țări au fost publicate brevete. În Regatul Unit, Universitatea Newcastle desfășoară cercetări privind motoarele cu pistoane libere.
Un nou tip de motor cu pistoane libere, un generator electric liniar cu pistoane libere, este dezvoltat de centrul aerospațial german.