Brevet FR2894575A1 — publié le 20070615

La présente invention concerne un carburant pour un moteur marin et, particulièrement, bien que non exclusivement, un carburant pour un moteur sous-marin, par exemple un moteur de torpille. 05 En raison des limitations de place dans une torpille, divers carburants, ou combinaisons de carburants, très énergétiques, ont été proposés. US4219374 a proposé un système de carburant comprenant le perchlorate d'hydroxylammonium (HAP) et un carburant soluble ou miscible dans l'eau, suivant les rapports 10 1:9:10 à 16:1:2. US3700393 a proposé d'utiliser une solution aqueuse à 50-90 % de HAP avec le carburant Otto II (Otto), qui est considérée comme particulièrement souhaitable en raison du haut rendement énergétique de ce système. En particulier, le système HAP/Otto donne une très haute température de flamme lors de la 15 combustion et ceci peut conduire à endommager le moteur. GB1605195 décrit un système dans lequel de l'eau de mer est introduite dans un système de combustion pour refroidir Les gaz d'échappement et réduire les dommages causés aux turbines. Toute-fois, Lorsqu'il a été tenté d'utiliser un mélange de carburants 20 HAP/Otto à système de refroidissement par eau de mer, des problèmes ont été rencontrés qui se sont soldés par des dommages au moteur avec formation de dépôts de MgO dans le moteur. La présente invention résulte d'une tentative de surmonter ce problème. 25 Selon un premier aspect de la présente invention, il est proposé un mélange de carburant pour moteur marin, comprenant un monergol, un oxydant, de l'eau de mer et un composé qui se combine avec une partie ou la totalité du magnésium présent dans l'eau de mer, de façon à empêcher la formation de MgO pendant la combustion. 30 Du fait de_ la présence du composé qui peut se combiner avec Le magnésium de l'eau de mer, on évite la formation de MgO et on améliore la fiabilité du moteur. Précédemment, on a évité, pour des raisons de sûreté et de stockage, l'utilisation d'additifs dans le mélange de carburant HAP/Otto. 35 On préfère que le combiné qui se combine avec le magné- ium soit introduit dans l'eau de mer avant l'admission dans La chambre de combustion, afin que le magnésium puisse se combiner avec ledit combiné. Alors que l'invention est née de L'utilisation de mélanges de carburant HAP/Otto, il est applicable à tous Les types 05 de carburant analogues, en particulier les carburants haute température qui demandent de grandes additions d'eau de mer. Dans Les cas où l'on rencontre des température élevée, comme avec l'utilisation d'un monergol et d'un oxydant, on comprend qu'il se forme MgOCI lorsque l'eau de mer bout et que celui-ci fond à ces hautes 10 températures, en perdant La plupart de son chlore pour former MgO, lequel peut se déposer dans le moteur, en particulier sur les pales de turbine. L'utilisation du composé qui se combine avec le magnésium offre la possibilité d'éviter ce problème. Ce composé peut être présent comme additif à un système de carburant connu. 15 L'additif est de préférence une substance qui, dans Les conditions régnant dans la chambre de combustion du moteur, se combine avec Le magnésium pour former une poudre qui ne colle pas aux surfaces de la chambre de combustion ou associées à cette chambre. Des expériences ont montré que le phosphate de magnésium 20 possède ces caractéristiques souhaitables. Des arséniates, des silicates et des chromates peuvent, de La même façon, être utilisés en pratique. Les acides phosphoriques tels que L'acide orthophosphorique (H3PO4), l'acide pyrophosphorique (H4P2O7) et L'acide métaphosphorique (HPO3) sont considérés comme convenant tout parti- 25 culièrement, puisqu'ils sont disponibles sous une forme très pure et autorisent une certaine continuité de Leur action. De plus, ils sont miscibles à l'eau et à la solution de HAP. L'utilisation d'un acide phosphorique altère le pH de La solution de HAP, qui doit être soigneusement ajusté pour éviter 30 toute instabilité lors de son mélange avec le carburant d'Otto. Toutefois, la nécessité qu'il y a d'ajuster le pH de la solution de HAP de manière très soigneuse fait de L'acide phosphorique un additif particulièrement souhaitable, puisque l'on peut éliminer, pendant la fabrication du HAP, l'effet non souhaitable qu'il a sur 35 le HAP (c'est-à-dire de modifier son pH), ce traitement incluant de façon nécessaire un ajustement du pH. On fabrique normalement le HAP en mélangeant des composants d'hydroxylamine et de perchlorate et en équilibrant Leurs quantités relatives, en ajoutant plus de l'un ou plus de l'autre jusqu'à ce que le pH voulu soit atteint. Il suffit simplement donc d'équilibrer ces composants pour obtenir un 05 pH qui soit écarté de la valeur voulue d'une quantité qui sera corrigée lors de l'addition de l'acide phosphorique. Selon une autre possibilité, on pourrait mélanger ensemble les trois composants, puis ajouter des quantités supplémentaires d'hydroxylamine ou de perchlorate comme cela est nécessaire pour équilibrer le pH à 10 la valeur voulue (typiquement entre 3 et 4 pour une solution à 0,1 M). Alors qu'on a étudié les possibilités d'introduire l'additif goutte à goutte dans l'eau de mer, ou de l'ajouter au carburant d'Otto, ceci n'est généralement pas considéré comme étant 15 la meilleure manière d'utiliser l'additif, car des problèmes de mesure ou des problèmes de miscibilité pourraient survenir. L'approche ci-dessus indiquée peut être mise en pratique de manière très avantageuse, car le HAP se présente sous la forme d'une solution avec de l'eau et que, par conséquent, la plupart des additifs 20 appropriés, qui comprennent les acides phosphoriques, seront donc miscibles avec lui. On va maintenant décrire, à titre d'exemple, une manière de mettre en oeuvre l'invention, en relation avec le dessin annexé, lequel montre un moteur destiné à un véhicule marin, construit 25 selon l'invention. Sur la figure unique, est représenté un conteneur 1 rempli d'un carburant Otto, c'est-à-dire d'un carburant pour moteur à carburateur, ou à allumage par étincelle, et un conteneur 2 rempli d'une solution de HAP. Un dispositif de mélange 3 reçoit le 30 carburant Otto, la solution de HAP et L'eau de mer, cette dernière étant fournie via une ouverture formée dans la coque du véhicule par l'intermédiaire d'un tuyau 4. Le mélange résultant est comprimé par une pompe 5 et envoyé dans une chambre de combustion 6, où il est mis à feu. Les gaz de combustion chauds sortent par 35 une tuyère 7 et arrivent sur les pales d'une turbine 8. Cette dernière entraîne une hélice 9 par l'intermédiaire d'une boite de vitesses 10. Le contenu du réservoir 2 est une solution de 82 % de perchlorate d'hydroxylammonium et de 18 % d'eau. Ce niveau de 05 concentration n'est pas crucial. Une gamme de 80 à 82 % de HAP serait satisfaisante, et on considère que toute concentration d'un pourcentage supérieur à 50 % donnerait encore des possibilités de fonctionnement, même si elles sont limitées. IL serait possible de remplacer tout ou partie de la solution de HAP par d'autres 10 oxydants, ou carburants. D'autres oxydants appropriés solubles dans l'eau sont par exemple : nitrate d'hydroxyLammonium, nitrate d'ammonium, perchlorate d'ammonium, perchlorates d'amines organiques, par exemple perchlorate de méthylammonium, diperchLorate d'éthylènediammonium, perchlorates d'ammonium quaternaire, par 15 exempte perchlorate de tétraméthylammonium, perchlorates d'hydroxylamines substituées, par exemple perchlorate de méthyL-hydroxylamine et d'éthylhydroxylamine, perchlorates de métal, par exemple perchlorate de Lithium, perchlorate de sodium, perchlorate de magnésium et perchlorate d'aluminium, et acide perchlorique. On 20 ajoute une certaine quantité d'acide orthophosphorique à la solution de HAP dans ta proportion de 1 à 5 g/l de solution de HAP. Le carburant d'Otto est constitué de trois ingrédients : 76 %, en poids, de dinitrate de propylèneglycol, 22,5 %, en poids, de sébacate de di-n-butyle, et 1,5 %, en poids, de 2-nitro 25 nitrodiphénylamine. Un grand nombre d'autres carburants peuvent convenir. Certaines possibilités peuvent comprendre des polyalcools liquides, tels que glycérine, éthylèneglycol, diéthyLènegLycol, triéthylèneglycol, tétraméthylèneglycol, éther monoéthylique d' éthylèneglycoL, 30 propylèneglycol, di propylèneglycot, diméthoxytétraéthylèneglycol et éther monométhylique de diéthytèneglycol ; des monoalcools Liquides tels que méthanol, éthanol., propanol, butanol et alcool benzy- tique ; des éthers tels que diméthyléther, diéthyléther, et dioxanne ; des cétones liquides telles qu'acétone et méthylbutytcétone, des nitriles Liquides tels qu'acétonitrile ; des suLfoxydes liquides tels que diméthylsulfoxyde, des sulfones Liquides telles que diméthylsulfone et diéthylsulfone et des sulfones cycliques liquides telles que tétrahydrothiophène-1,1-dioxyde, des amines liquides telles qu'éthylamine, diéthyléthanolamine, hydroxylamine, des hydroxylamines substituées telles que méthyl- 05 hydroxylamine et éthylhydroxylamine ; et leurs mélanges. D'autres possibilités comprennent le carburant diesel, des carburants hydrocarburés tels que benzène, des carburants pour avion à réaction tels que carburants JP1-6, des carburants mixtes d'hydrazine et dérivés d'hydrazine, des diesters nitriques liquides 10 tels que dinitroxyéthane, dinitroxypropane, dinitroxybutane, dinitroxypentane et leurs mélanges, et des tallols du commerce. Trois ingrédients sont mélangés ensemble en diverses proportions, qui peuvent être déterminées par l'expérience de façon à convenir pour toutes les circonstances particulières d'utilisa- 15 tion. Le HAP est fabriqué par mélange de proportions prédéterminées d'acide perchlorique et d'hydroxylamine et par équilibrage du mélange grâce à l'adjonction de plus de l'un ou de l'autre des ingrédients de façon à donner un pH tel que l'addition de 5,8 g 20 d'acide orthophosphorique à 85 % par 3,8 l de HAP donne un pH final compris entre 3,3 et 3,4 (solution à 0,1 M). Selon un autre procédé de fabrication possible, il serait possible de mélanger l'hydroxyl- amine et l'acide perchlorique ensemble avec l'acide ortho- phosphorique, puis d'ajuster le pH entre les limites mentionnées 25 ci-dessus par addition de plus d'hydroxylamine ou de plus d'acide perchlorique. On croit que l'utilisation des techniques décrites présentement rend possible en pratique pour la première fois d'employer des mélanges diergol à très haute température dans des 30 moteurs marins. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du procédé et des produits dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre 35 de l'invention. REVENDICATIONS 1. Mélange de carburant pour moteur marin, caractérisé en ce qu'il comprend un monergol, un oxydant, de l'eau de mer et un 05 composé qui se combine avec tout ou partie du magnésium présent dans l'eau de mer afin d'empêcher la formation de MgO pendant la combustion. 2. Mélange selon La revendication 1, caractérisé en ce que le monergol comporte un ester nitrique. 10 3. Mélange selon la revendication 2, caractérisé en ce que le nitrate ester est le dinitrate de propylèneglycol. 4. Mélange selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en outre en ce qu'il comporte un désensibilisant. 5. Mélange selon la revendication 4, caractérisé en ce 15 que le désensibiliseur comprend le sébacate de dibutyle. 6. Mélange selon luné quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un stabilisant. 7. Mélange selon la revendication 6, caractérisé en ce que le stabiliseur est la nitrodiphénylamine. 20 8. Mélange selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'oxyde comprend une solution aqueuse de perchlorate d'hydroxylammonium. 9. Mélange selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit composé est mélangé avec une solution de perchlorate 25 d'hydroxylammonium. 10. Mélange selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit composé comporte un phosphate. 11. Mélange selon la revendication 10, caractérisé en ce que Le phosphate est l'acide phosphorique. 30 -12. Oxydant destiné à être utilisé dans un mélange de carburant selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend une solution aqueuse 'de perchlorate d'hydroxylammonium mélangée avec un composé qui se combine avec le magnésium contenu dans l'eau de mer. 13. Oxydant selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit composé est l'acide phosphorique. 35 • 2894575 7 14. Oxydant selon la revendication 13, caractérisé en ce que L'acide phosphorique est l'acide orthophosphorique. 15. Oxydant selon La revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que l'acide phosphorique est présent à une concentration de 1 05 à 6 g/L de perchlorate d'hydroxylammonium. 16. Oxydant selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'acide phosphorique est présent à une concentration de 1 à 5 g/l de perchlorate d'hydroxylammonium. 17. Procédé de fabrication d'un oxydant selon l'une 10 quelconque des revendications 12 à 16, caractérisé en ce qu'on mélange l'acide perchlorique et l'hydroxylamine de façon à obtenir un mélange d'un pH donné de sorte que, après l'addition de l'acide phosphorique, te pH final soit de 3 à 4 pour une solution à 0,1 M. 18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce 15 qu'il comprend l'opération consistant à mesurer le pH de l'acide perchlorique et de l'hydroxylamine après mélange et l'opération consistant à ajouter plus de l'un ou de l'autre pour ajuster le pH au niveau voulu si nécessaire. 19. Procédé de fonctionnement d'un moteur marin compor 20 tant une chambre de combustion, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire un mélange de carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 dans La chambre. de combustion. 20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que ledit composé et l'eau de mer sont mis ensemble avant l'introù25 duction dans ta chambre de combustion.