Brevet FR2503253A1 — publié le 19821008

La présente invention concerne un générateur électrique à piston libre. On connaît déjà des générateurs à pistons libres qui, selon le principe Diesel, alimentent en gaz chauds à environ 4500C et sous une pression moyenne (environ 3 bars) des turibo-alternateurs de moyenne puissance; de tels générateurs ont un rendement global qui, étant de 35-36 %, est comparable à celui d'un système Diesel-alternateur classique. Ont également été décrits, plus récemment, des moteurs à pistons libres horizontaux, équipés de deux pistons, opposés dans leur mouvement, portant chacun une masse annulaire magnétique et qui, passant alternativement dans un sens et dans l'autre au milieu de bobines induc- trices incluses dans le cylindre o se meuvent les pistons opposés, génèrent dans ces bobines un courant électrique. Dans ce dernier cas, la compression du mélange Diésel à une pression convenable est assurée par le renvoi des deux pistons l'un vers l'autre, grâce à l'énergie accumulée dans deux accumulateurs hydrauliques convenablement conçus quant à leur fonction et à l'entretien de leur capacité d'accumu- lation au cours du temps. On a maintenant trouvé qu'on pouvait réaliser un générateur électrique de moyenne puissance à piston libre unique, vertical, dans lequel le retour du piston est assuré par la force de gravité, et que l'appareillage ainsi réalisé, tout en étant de conception simple, permet la production de courant électrique avec un rendement exceptionnellement élevé et ne dégage en fonctionnement normal que des gaz très peu polluants, ne comportant que très peu ou pas d'imbr lés. La présente invention a pour objet un dispositif générateur de courant électrique de moyenne puissance caractérisé en ce qu'il comprend fondamentalement: - un cylindre vertical ouvert à son extrémité supé- rieure et comportant dans sa partie basse une chambre d'explosion, et équipé sur au moins une portion de sa longueur de bobines inductrices, 2 2503253 - un piston libre, coulissant à l'intérieur dudit cylindre et en contact étanche avec celui-ci, et dont au moins une partie est constituée par une masse magnétique, - des moyens d'injection ou d'amenée d'un mélange comburant-carburant explosible sous pression ou d'une charge explosive, dans la chambre d'explosion, et des moyens assurant l'explosion si nécessaire, - des clapets ou soupapes pour l'évacuation des gaz br lés, dans la partie inférieure du cylindre et un système de synchronisation de l'ouverture et de la fermeture de ces clapets ou soupapes avec le mouvement du piston, - ainsi qu'éventuellement des évents situés dans la partie supérieure du cylindre, au-delà du point mort haut du piston en fonctionnement normal, et des organes de refroidissement disposés dans le corps du cylindre et/ou sur la surface externe du cylindre, sur au moins une partie de la longueur de celui-c!, et sur le piston. Un tel dispositif constitue une machine thermique utilisant le principe connu des moteurs à pistons libres, et plus particulièrement le principe des générateurs de courant électrique à pistons libres qui permettent la production d'un courant continu d'intensité, de tension et de sens variables. Dans le dispositif selon-l'invention, le retour du piston est assuré, non plus comme dans les appareillages actuels par un ensemble complexe de bielles, d'arbres ou d'accumulateurs hydrauliques, mais par la seule force de gravité, ce qui est rendu possible par la disposition verticale du cylindre; cette disposition permet en outre de réduire au maximum les frottements. C'est l'énergie cinétique prélevée sur l'énergie fournie par une explosion qui, convertie en énergie poten- tielle lorsque lepiston est parvenu à son point mort haut, assure lors du retour du piston en position basse au moins une partie de la compression des fluides dans la chambre de combustion, en. vue de l'explosion suivante. La mise en compression et l'exklosion du mélange air-essence, air-fuel ou air-gaz se font comme il est connu pour les 3 2503253 moteurs Diésel ou les moteurs à essence. Selon une forme de mise en oeuvre de la présente invention, l'explosionqui constitue la source de l'énergie à transformer en courant électrique, est fournie par la déflagration ou la détonation d'une quantité convenablement dosée de substance explosive, choisie parmi celles connues de l'homme de l'art comme appropriée aux caractéristiques de l'appareillage, et introduite dans la chambre d'explosion en bas du cylindre lors de chaque retour du piston en position basse, et correspondant aux substancesexplosives déflagrantes ou brisantes connues. Selon une variante tout particulièrement préférée du dispositif selon l'invention, celui-ci comprend un piston à deux étages, dont seul l'étage supérieur est sensiblement du diamètre interne du cylindre, tandis que l'étage inférieur est de diamètre plus réduit et est destiné à venir s'engager seul dans la chambre d'explosion proprement dite, elle-même sensiblement du même diamètre. L'étage inférieur susdit du piston à deux étages est avantageusement pourvu, lui aussi, de segments d'étanchéité, bien que cela ne soit pas indis- pensable. L'invention est décrite ci-après plus en détail en référence à la figure unique des dessins annexés, qui repré- sente en coupe schématique les éléments principaux composant le dispositif selon l'invention, selon une forme de réalisa- tion purement illustrative, qui ne limite aucunement l'invention. Le générateur électrique à piston libre illustré sur cette figure comprend notamment un fût cylindrique 1, placé verticalement et ouvert à l'air libre à son extrémité supérieure. La chambre de combustion ou d'explosion 2 est située dans le bas et le fond du cylindre est fermé. Cette chambre a un volume calculé en fonction de la puissance à obtenir pour chaque explosion et en fonction du type et des caractéristiques du mélange explosif utilisé; elle est alimentée, selon les disponibilités, en mélange air-essence, air-fuel ou air-gaz, dans les meilleures conditions connues 4 2503253 de l'homme de l'art, qui sont éprouvées de longue date dans les moteurs à essence ou les moteurs Diesel, selon le case à savoir: injection mécanique, suralimentation par turbo- soufflante alimentée par les gaz d'échappement, etc... Le cylindre 1 est équipé, dans des conditions que des essais préliminaires auront permis de déterminer comme étant les meilleures conditions de rendement, d'une série au moins de bobines inductrices dont la densité des spires est calculée en fonction de la tension souhaitée aux bornes de circuit, et en tenant compte du fait que la vitesse du piston 3 portant la masse magnétique diminue lorsque le piston s'élève dans le cylindre jusqu'à son point mort haut, qui correspond à l'équilibre des pressions entre l'intérieur de la chambre d'expansion des gaz que surmonte le piston et l'atmosphère. Par mesure de sécurité, le cylindre, dont la longueur hors tout peut être, par exemple, d'environ 400 cm pour un diamètre intérieur d'environ 60 cm, peut être pourvu dans sa partie haute, à un niveau légèrement supérieur à celui qu'atteint le piston à la fin de sa course si le fonctionne- ment est normal, d'un ou plusieurs évents 4, qui peuvent être notamment des lumières ou des soupapes classiques, et qui garantissent que le piston ne monte pas notablement plus haut que prévu dans le cylindre en cas de surpression acci- dentelle. Il faut souligner que ces évents ne sont pas normalement affectés à l'évacuation des gaz brûlés en fonctionnement normal; cette évacuation se fait, comme indiqué plus haut, par les clapets ou soupapes 5 disposés à la partie basse du cylindre et dont l'ouverture est commandée par un dispositif qui est conçu pourprendre comme point de départ de cette ouverture sensiblement le stade o le piston s'apprête à redescendre de son point mort haut; la fermeture des clapets ou soupapes 5 est commandée par ce même organe et déclenchée par le passage du piston en un point de la hauteur du cylindre calculé au préalable comme étant celui à partir duquel le volume de gaz contenu en dessous du piston a été convenablement balayé, la compres- 2503253 sion exercée par la descente du piston jusqu'à son point mort bas, amenant alors à une pression correspondant sensiblement à celle qui doit régner dans la chambre d'explo- sion o peut alors se produire l'auto-allumage ou l'étincelle communiquée par un dispositif d'allumage classique oucomplé- tant celle des gaz introduits pendant ce même temps sous forte pression dans la chambre d'explosion. Pendant la dernière partie de la course de retour du piston dans cette position basse, l'essence, le fuel, le gaz carburant et l'air ou l'explosif, en quantité dosée, est introduit de manière classique, en 6, à la partie basse de la chambre d'explosion. Le refroidissement de cet appareillage est réalisé par tout moyen classique approprié; le cylindre peut par exemple être refroidi par une circulation d'eau dans sa partie basse o sa température est la plus élevée, tandis qu'il peut n'être refroidi dans sa partie supérieure que par des ailettes externes, qui augmentent la surface d'échange thermique avec le milieu ambiant. Le refroidissement du piston peutiquant à lui, être amélioré si on le souhaite par l'adjonc- tion sur la face supérieure du piston d'un élément à ailettes apte à tirer le meilleur profit du déplacement vertical alterné pour libérer dans l'air ambiant une fraction maximale des joules contenus dans la masse du piston. Cet élément 7 est de préférence conique et hélicoldal,en matériau facilitant l'échange,et assure une légère rotation du piston répartissant favorablement l'usure de la paroi. Il faut toutefois noter que la détente des gaz générés par l'explosion peut pratiquement se poursuivre Jusqu'à son terme dans ce système, ce qui fait que, contraire- ment à ce qui se produit dans les systèmes classiques, le refroidissement naturel des gaz brûlés qui en résulte permet d'amener ceux-ci à une température qui, dans la pratique, n'excède pas 2500C. Le piston 3 est équipé d'aimants permanents, par exemple de forme annulaire, noyés dans la masse non magné- tique qui donne sa forme et ses dimensions au piston. La puissance de ces aimants est calculée de façon à assurer avec les bobines inductrices du cylindre le freinage le plus rapide et la création d'un courant continu ayant l'intensité et la tension désirées. Dans le cas du fonctionnement de type Diesel, le piston doit avoir une masse telle que l'énergie cinétique à la fin de sa course de retour assure, dans la chambre de combustion ou d'explosion proprement dite, la pression de 12 à 20 bars nécessaire à l'auto-allumage du mélange Diésel. Un tel piston a avantageusement deux étages, comme indiqué plus haut, de la même façon que ce qui est actuellement connu pour certains types de moteurs. Cette configuration à deux étages permet d'assurer dans de bonnes conditions le balayage des gaz brûlés à la descente du piston; c'est la partie inférieure du piston, de diamètre réduit, qui vient s'engager dans la chambre d'explosion proprement dite. L'explosion une fois obtenue, le piston repart vers le haut et permet l'expansion des gaz dans le volume de plus grand diamètre, qui autorise des bobines et des aimants de plus grande puissance; on limite ainsi la hauteur du cylin- dre à la longueur optimale du point de vue de la détente et de la qualité de la combustion; celle-ci étant quasiment complète puisque rien ne vient la limiter en pratique, la pollution due à d'éventuels imbrûlés est réduite à un minimum. Les aimants permanents, ainsi que la masse non magnétique constituant le piston, doivent pouvoir résister aux chocs répétés et à la température élevée du début de la combustion. Dans le cas du fonctionnement avec charge explosive, le piston peut être plus léger, mais il doit être très résistant aux chocs. Il peut alors avoir un diamètre unique, la chambre d'explosion étant très réduite. Dans ce cas, il n'y a pas à prévoir de compression de gaz au retour du piston, mais simplement un confinement convenable au moment de l'ex- plosion (déflagration ou détonation). Selon cette variante utilisant une charge explosive, il importe par contre de maintenir le circuit fermé en permanence, de telle sorte que le fonctionnement des bobines, ainsi maintenu pendant la phase de descente du piston, freine ce dernier et génère encore un courant continu, mais avec un sens opposé à celui 7 2503253 qui est produit pendant le mouvement d'ascension du piston. A l'opposé, dans le cas d'un mélange de comburant et de carburant, il est avantageux d'ouvrir le circuit dès que le piston est en position haute et de ne le refermer qu'au moment o se produit l'explosion suivante. L'ensemble repose sur un socle convenablement conçu pour encaisser un très grand nombre de chocs provoqués par les explosions ou combustions rapides et répétées. Les bobines sont raccordées en fonction de l'utilisa- tion à laquelle le dispositif est destiné et de la transfor- mation souhaitée du courant obtenu. En fonctionnement, un mélange gazeux convenable air- essence ou air-fuel ou air-gaz s'enflamme sous l'action d'une étincelle ou de la pression, ou une charge explosive appropriée est mise à feu; le piston est propulsé vers le haut à une vitesse assez grande, aussitôt ralentie par la création du courant continu. Les gaz détendus par expansion se refroi- dissent et le piston s'immobilise au sommet de sa course. Le piston redescend, balayant les gaz brûlés et comprimant en fin de parcours les gaz brûlés restants et les gaz injectés sous pression élevée dans la chambre de combustion. L'injec- tion du carburant sous forte pression ou la mise à feu de la charge explosive provoque l'inflammation rapide et l'expansion des gaz produits. Le piston repart alors vers le haut pour un nouveau cycle. Le courant créé dans le circuit alimenté par les bobines d'induction peut être directement utilisable par l'industrie de l'électrolyse, qui représente de nos jours à elle seule entre 10 et 16 X de la consommation électrique industrielle. La liaison à la cuve d'électrolyse comprend l'interposition éventuelle d'appareils de régulation et de transformation classqiues. Ce courant peut aussi servir dans un électrolyseur fonctionnant sous pression (10 à 30 bars) et à température élevée; l'hydrogène et l'oxygène produits sont introduits sous pression dans un turbo-alternateur, tandis qu'on évite la détonation du mélange et y introduisant au moins une 8 2503253 partie des gaz d'échappement du générateur selon l'invention. Le turbo-alternateur ainsi alimenté produit du courant alternatif à la tension désirée. Un stockage de faible volume suffit à assurer la régularité du fonctionnement de la turbine et à compenser le 'fait que la création du courant continu est cyclique. Tout autre moyen ou ensemble de moyens connu de l'homme de l'art et permettant de rendre utile dans les applications envisagées le générateur selon l'invention peut également être adjoint à celui-ci. C'est ainsi que, par exemple, le courant continu produit aux bornes de sortie des bobines, peut être stocké dans des batteries d'accumula- teurs classiques, qui peuvent à leur tour alimenter une génératrice liée à un alternateur. En variante, le courant continu, mais périodique, peut être transformé en courant alternatif et converti à la tension convenable grâce à un synthétiseur électroni4ue tel que celui qui est commercialisé aux U.S.A. sous la dénomination A.C.S. par la Société Exxon Le générateur selon l'invention est destiné à être utilisé soit fixe, soit embarqué (par.exemple à bord de navires). Comme il a été exposé plus haut, l'amélioration du rendement de ce type de générateur par rapport aux rendements obtenus dans les moteurs Diesel de 1000 à 2000 chevaux-vapeur (soit d'environ 735,5 à 1471 KW) provient d'une part de la quasisuppression des frottements, qui absorbent classiquement X environ de l'énergie créée dans les moteurs, et d'autre part de la diminution de la température des gaz d'échappement (source froide), qui, passant de la température habituelle d'environ 4400C à une température n'excédant pas 240 C environ, entraîne une amélioration directe du rendement énergétique et réduit environ de moitié les pertes dues au nécessaire refroidissement du cylindre; comme les pertes habituellement constatées sur les moteurs de cette puissance sont d'environ 28 %, l'amélioration du rendement à ce niveau peut encore être de 14 % environ. Au total, le rendement du générateur proprement dit peut atteindre 57 %, desquels il faut naturellement déduire les pertes inhérentes aux organes de transformation du courant électrique produit. Mais la perte à ce niveau peut être faible si l'on utilise directement dans des instal- lations d'électrolyse le courant produit. Elle peut encore n'être que de 3 % environ si l'on utilise le synthétiseur électronique susdit. Dans le cas d'un ensemble de transfor- mation de courant comprenant une batterie d'accumulateurs et un système génératrice-alternateur, le rendement final est encore de 43 % environ. Dans le cas d'un fonctionnement avec charge explosive, on a pu, bien que le calcul de la puissance et du travail fournis par ce type de matières qui ne s'insère pas exacte- ment dans le schéma des machines thermiques soit difficile, estimer que le rendement.énergétique du générateur selon l'invention atteint même 80 X et que le rendement final est compris entre 60 et 77 X environ: cela tient à ce que ces substances ont un faible PCI (pouvoir calorifique intrinsèque) et que cela permet d'alléger notablement les contraintes de refroidissement du dispositif, donc les pertes à ce niveau, Sans que ces valeurs puissent constituer une limitation de la présente invention, on peut attribuer au cylindre du présent générateur une longueur de 5 à 6 mètres et un diamètre intérieur de 500 mm, tandis que la partie inférieure du piston à deux étages comme susdit a un diamètre de 300-400 mm; cette valeur de 300 à 400 mm est également sensiblement celle du diamètre de la chambre d'explosion. Avec un piston ayant la masse appropriée, la fréquence des mouvements est de 30-40 coups/minute pour un générateur Diesel et de 50-60 coups/minute pour un générateur fonction- nant avec des charges explosives. La puissance-fournie est alors d'environ 1200 à 1800 ch, soit environ 882,6 à 1323,9 KW. La consommation est, pour 1 ch soit 735,5 W environ, d'environ 100 g de fuel ou de 75 g de poudre explosive telle que de la balistite. ta température des gaz à la sortie est de 200 à 2400 C environ et on peut récupérer ces gaz, au moins 2503253 partiellement pour la conduite de la turbo-soufflante chargée de la suralimentation dans le cas d'une alimentation de type Diesel. Dans le cas d'une transformation du courant continu produit au moyen du système d'électrolyseur sous pression et de turbo-alternateur susdit, on peut associer deux ou:trois générateurs selon l'invention et alimenter ainsi un turbo- alternateur de 5000 à 6000 KWh. Pour palier à toute défaillance d'alimentation, ain- si que pour l'arrêt du fonctionnement, il est prévu un système d'amortissement à la partie basse du cylindre en dehors de la chambre d'explosion. il 2503253 REVENDICATIONS 1. Dispositif générateur de courant électrique de moyenne puissance, caractérisé en ce qu'il comprend fondamentalement: - un cylindre vertical (1) ouvert à son extrémité supérieure et- compo ant dans sa partie basse une chambre d'explosion (2) et équipé sur au moins une portion de sa longueur de bobines inductrices, - un piston libre (3) coulissant à l'intérieur dudit cylindre et en contact étanche avec celui-ci, et dont au moins une partie est constituée par une masse magnétique, - des moyens d'injection ou d'amenée (6) d'un mélange comburant-carburant explosible sous pression, ou d'une charge explosive, dans la chambre d'explosion, et des moyens assurant l'explosion si nécessaire, - des clapets ou soupapes (5) pour l'évacuation des gaz brûlés, dans la partie inférieure du cylindre, et un système de synchronisation de l'ouverture et de la fermeture de ces clapets ou soupapes avec le mouvement du piston, - ainsi qu'éventuellement des évents (4) situés dans la partie supérieure du cylindre, au-delà du point mort haut du piston en fonctionnement normal, et des organes de refroi- dissement disposés dans le corps du cylindre et/ou sur la surface externe du cylindre, sur au moins une partie de la longueur de celui-ci, et sur le piston. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il utilise l'explosion d'un mélange air-essence, air-fuel ou air-gaz, ou d'une charge de substance explosive déflagrante ou brisante. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un piston à deux étages, dont seul l'étage supérieur est sensiblement du diamètre interne du cylindre, tandis que l'étage inférieur est de diamètre plus réduit et est destiné à venir s'engager seul dans la chambre d'explosion proprement dite, elle- même sensiblement du même diamètre. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 2503253 1 à 3,caractérisé en ce qu'il comprend, pour l'évacuation des gaz d'échappement, des clapets ou soupapes disposés à la partie basse du cylindre et dont l'ouverture est commandée par un dispositif qui est conçu pour prendre comme point de départ de cette ouverture sensiblement le stade o le piston est au point mort haut, tandis que la fermeture de ces clapets ou soupapes est commandée par ce même organe et déclenchée par le passage du piston en un point de la hauteur du cylindre calculé au préalable comme étant celui à partir duquel le volume de gaz contenu endessous du piston a été convenablement balayé, la compression exercée par la descente du piston jusqu'à son point mort bas,peut amenant alors à une pression correspondant sensiblement à celle qui doit régner dans la chambre d'explo- sion o peut se produire l'auto-allumage ou l'étincelle, ou complétant celle des gaz introduits pendant ce même temps sous forte pression dans la chambre d'explosion. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que le cylindre comporte un refroidissement par circulation d'eau dans sa partie basse et par des ailettes externes dans sa partie supérieure. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 5, caractérisé en ce que le piston a une masse telle que l'énergie cinétique à la fin de sa course de retour assure, dans la chambre de combustion ou d'explosion proprement dite, une pression de 12 à 20 bars. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que les bornes de sortie des bobines d'induction sont reliées à une cuve d'électrolyse, avec interposition éventuelle d'appareils de régulation et de transformation classiques. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est relié successivement à un électrolyseur fonctionnant sous pression et à tempéra- ture élevée, et à un turbo-alternateur dans lequel sont introduits l'hydrogène et l'oxygène produits, ainsi qu'au moins une partie des gaz d'échappement dudit dispositif.