Brevet FR2946098A1 — publié le 20101203

PROCEDE DE FONCTIONNEMENT D'UN MOTEUR A EXPLOSION ET MOTEUR A EXPLOSION FONCTIONNANT SELON CE PROCEDE Domaine technique La présente invention concerne un procédé de fonctionnement d'un moteur à explosion du type alternatif, comportant au moins un cylindre, un piston mobile selon un mouvement axial alternatif logé à l'intérieur de ce cylindre, ce piston ayant une tête et un bras articulé à cette tête, et au moins une soupape d'admission et une soupape d'échappement ménagées sur le cylindre au-dessus dudit piston, procédé dans lequel on utilise du dihydrogène gazeux produit par électrolyse d'eau. Elle concerne également un moteur à explosion du type alternatif, comportant au moins un cylindre, un piston mobile selon un mouvement axial alternatif logé à l'intérieur de ce cylindre, ce piston ayant une tête et un bras articulé à cette tête, et au moins une soupape d'échappement ménagée sur le cylindre au-dessus dudit piston. Technique antérieure Il existe de nombreux types de moteurs basés sur la combustion d'un carburant, notamment d'un carburant fossile. Le principe de fonctionnement de ces moteurs est bien connu, bien que des perfectionnements importants tendant à augmenter le rendement, diminuer la consommation et réduire la pollution aient été apportés ces dernières années et restent encore à faire. On sait par ailleurs que de nombreuses sources d'énergie naturelles sont en raréfaction et principalement les réserves de carburants fossiles. En outre, l'agriculture dont les produits pourraient permettre de générer des huiles ou des éthanols, notamment de colza et de canne à sucre, doit avant tout permettre de nourrir la population humaine et animale. Actuellement, les ressources agricoles ne suffisent plus pour atteindre ces objectifs. Il est donc avantageux de rechercher des sources d'énergie qui sont à la fois abondantes et qui ont l'avantage d'être renouvelables, pour subvenir aux besoins qui sont en constante croissance. Le soleil, le vent sont déjà largement utilisés pour produire de l'énergie électrique, mais il se pose le problème du stockage de cette énergie, ce qui réduit le champ de son utilisation. L'eau douce peut représenter une solution attrayante, mais le réchauffement de la planète démontre que cette ressource risque également de se raréfier, parce qu'elle est indispensable en priorité pour subvenir aux besoins de la population humaine, de la vie animale et de la vie végétale. En revanche, l'eau de mer représente 70% de la surface du globe et se régénère au gré des pluies et de la fonte des glaces. L'utilisation de l'eau de mer comme source énergétique peut représenter une alternative intéressante aux sources d'énergie actuelles, à condition de mettre au point un moyen simple, économique et efficace pour l'exploiter en vue de la production d'énergie. Le moteur alternatif actuel, alimenté par des carburants fossiles ou des carburants synthétiques, qu'il soit à deux ou à quatre temps, représente encore aujourd'hui une des façons les plus efficaces de produire de l'énergie mécanique directement utilisable pour assurer toutes les fonctions d'entraînement, de propulsion, de traction ou similaires immédiatement exploitable. En effet, la pression exercée par une détonation sur la tête d'un piston d'un moteur de ce type, est sensiblement perpendiculaire à la surface de celui-ci, provoque son déplacement et génère le mouvement rotatif d'un arbre de sortie de ce moteur. Bien que les dispositifs rotatifs comme le moteur Wankel et la quasi-turbine aient été développés pour éviter l'obligation de transformer un mouvement alternatif en un mouvement rotatif, l'angle avec lequel la pression de l'explosion ou de la détente s'exerce est moins favorable que sur un moteur alternatif. On notera que la quasi-turbine offre un angle légèrement meilleur que celui du procédé Wankel. L'un des inconvénients majeurs du moteur alternatif actuel est dû au fait que l'explosion qui génère un dégagement d'énergie intense, se produit alors que le piston est au point mort haut (PMH). A ce moment, le bras de levier défini par l'angle de la bielle et le centre du vilebrequin est le plus petit. 10 Pour que les conditions soient idéales, l'explosion, dans le moteur alternatif devrait intervenir alors que la bielle est horizontale par rapport à l'axe du vilebrequin, c'est-à-dire alors que le bras de levier est lui aussi maximal. Certains systèmes, tels le moteur pistolet, proposent de différer l'explosion afin 15 que ses effets maximum interviennent alors que le piston du moteur alternatif correspondant a dépassé de plusieurs dizaines de degrés son point mort haut (PMH). Il en résulte que les moteurs à explosion actuels, qui utilisent des carburants 20 fossiles ou similaires, même s'ils sont relativement performants, ne permettent pas de produire de l'énergie mécanique dans des conditions optimales. En outre, l'utilisation des combustibles fossiles qui sont en voie d'épuisement, est destinée à s'arrêter dans un avenir relativement proche. Enfin, l'utilisation des combustibles fossiles est polluante puisqu'elle rejette des masses d'anhydride 25 carbonique et des particules non brûlées, en partie responsables du réchauffement climatique et de la pollution de notre atmosphère. Exposé de l'invention 30 C'est pourquoi, la présente invention propose un moteur à explosion, dont le fonctionnement est optimisé de telle manière que l'énergie produite au cours5 du cycle de fonctionnement est utilisée au mieux pour générer des forces mécaniques, qui n'utilise pas de carburants fossiles et qui ne produit pas de rejets polluants générés au cours de son fonctionnement. Dans ce but, le procédé de fonctionnement du moteur à explosion selon l'invention, tel que défini en préambule est caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : a.- une première étape au cours de laquelle on produit, par électrolyse de l'eau, un volume prédéterminé de dihydrogène gazeux ; b.- une deuxième étape au cours de laquelle on admet par ladite soupape d'admission dans un espace localisé au-dessus de la tête dudit piston, au moins une partie du dihydrogène gazeux produit par électrolyse ; c.- une troisième étape au cours de laquelle on provoque l'explosion du dihydrogène gazeux admis dans le cylindre, au moment où le piston a dépassé le point mort haut (PMH) ; d.- une quatrième étape au cours de laquelle on injecte un volume prédéterminé d'eau dans ledit cylindre, dans un espace disposé au-dessus dudit piston, pour vaporiser instantanément cette eau sous l'effet de la chaleur produite par l'explosion du dihydrogène gazeux ; et e.- une cinquième étape au cours de laquelle on évacue la vapeur d'eau produite par évaporation de l'eau injectée et la combustion du dihydrogène gazeux, par ladite soupape d'échappement. De façon avantageuse, au cours de ladite première et de ladite quatrième étape, l'on utilise de l'eau salée pour produire du dihydrogène gazeux par électrolyse et pour générer de la vapeur d'eau dans ledit cylindre. De préférence, lesdites deuxième, troisième et quatrième étapes de fonctionnement s'effectuent pendant que ledit piston passe du point mort haut (PMH) au point mort bas (PMB) et ladite cinquième étape de fonctionnement s'effectue pendant que ledit piston passe du point mort bas (PMB) au point mort haut (PMH). D'une manière particulièrement avantageuse, ledit moteur comporte plusieurs cylindres comprenant chacun un piston logé dans cylindre, caractérisé en ce que l'on effectue les différentes étapes dans chacun des cylindres, les étapes correspondant à l'un des cylindres étant décalées dans le temps par rapport aux étapes correspondantes dans les autres cylindres. Dans ce but également, le moteur à explosion selon l'invention, tel que défini en préambule est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour : a.- produire, par électrolyse de l'eau, un volume prédéterminé du dihydrogène gazeux au cours d'une première étape ; b.- admettre dans un espace localisé au-dessus de la tête dudit piston, au moins une partie du dihydrogène gazeux produit par électrolyse, au cours d'une deuxième étape; c.- provoquer l'explosion du dihydrogène gazeux admis dans le cylindre, au moment où le piston a dépassé le point mort haut (PMH), au cours d'une troisième étape; d.- injecter un volume prédéterminé d'eau dans ledit cylindre, dans un espace disposé au-dessus dudit piston, pour vaporiser instantanément cette eau sous l'effet de la chaleur produite par l'explosion du dihydrogène gazeux, au cours d'une quatrième étape; et e.- évacuer la vapeur d'eau produite par évaporation de l'eau injectée et la combustion du dihydrogène gazeux, par ladite soupape d'échappement, au cours d'une cinquième étape. De façon avantageuse, le moteur comporte un réservoir d'eau salée et des moyens pour prélever de cette eau salée pour produire du dihydrogène gazeux par électrolyse et pour générer de la vapeur d'eau dans ledit cylindre. Selon un mode de réalisation préféré, le moteur comporte des moyens pour que lesdites deuxième, troisième et quatrième étapes de fonctionnement s'effectuent pendant que ledit piston passe du point mort haut (PMH) au point mort bas (PMB) et en ce que ladite cinquième étape de fonctionnement s'effectue pendant que ledit piston passe du point mort bas (PMB) au point mort haut (PMH). Dans un moteur ayant plusieurs cylindres comprenant chacun un piston logé dans cylindre, on prévoit de préférence des moyens de commande pour que dans chacun des cylindres, les étapes correspondant à l'un des cylindres soient décalées dans le temps par rapport aux étapes correspondantes dans les autres cylindres. Selon un premier mode de réalisation, il comporte avantageusement une soupape d'admission agencée pour admettre par aspiration, à l'intérieur dudit cylindre au moins une partie du dihydrogène gazeux produit par électrolyse. Selon un deuxième mode de réalisation, il comporte avantageusement au moins un injecteur agencé pour injecter, à l'intérieur dudit cylindre, au moins une partie du dihydrogène gazeux produit par électrolyse. Description sommaire des dessins La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente une vue de principe illustrant le moteur de l'invention, - la figure 2 est une vue qui illustre une première phase du cycle de fonctionnement du moteur de la figure 1, - la figure 3 représente une vue qui illustre une deuxième phase du cycle de fonctionnement du moteur de la figure 1, - la figure 4 représente une vue qui illustre une troisième phase du cycle de fonctionnement du moteur de la figure 1, et - la figure 5 représente une vue qui illustre une quatrième phase du cycle de fonctionnement du moteur de la figure 1. Meilleures manières de réaliser l'invention En référence à la figure 1, le moteur à explosion 10 comporte au moins un cylindre 11 dans lequel est disposé un piston 12 à déplacement linéaire 15 alternatif, solidaire d'une bielle 13 montée en rotation à une de ses extrémités 14 sur un volant 15, rotatif et porté par un arbre central 16, cette bielle 13 étant par ailleurs montée pivotante à son extrémité opposée 17 sur le piston 12. Au-dessus du cylindre 11 est disposée une culasse 18 dans laquelle sont logés une soupape d'admission 19, une soupape d'échappement 20, un injecteur 21 20 et une bougie d'allumage 22, dont les fonctions seront définies ci-après. Le moteur 10 est associé à un réservoir 23 d'eau salée, par exemple d'eau de mer, à une batterie d'accumulateurs 24 et à un alternateur 25, entraîné par le volant 15, par exemple par une courroie 26, pour recharger les accumulateurs 24. Le réservoir 23 contient un dispositif d'électrolyse 27, agencé pour produire 25 du dihydrogène gazeux par électrolyse de l'eau salée contenue dans le réservoir 23. En cours de fonctionnement, le dihydrogène gazeux produit par électrolyse alimente le moteur 10 pendant une des phases opératoires, au moyen d'un 30 conduit 28 qui relie le haut du réservoir 23 à la soupape d'admission 19. Au cours d'une autre phase opératoire, de l'eau salée, à l'état liquide alimente le10 moteur 10, à travers un conduit 29 qui relie le bas du réservoir 23 à l'injecteur 21. Une pompe à injection 30 est disposée entre le réservoir 23 et l'injecteur 21, en vue d'injecter l'eau sous pression dans l'espace délimité par le haut du piston 12 et le fond du cylindre 11. Les phases du fonctionnement seront décrites plus en détail en référence aux figures 2 à 5, qui illustrent les principes du procédé et le mode de construction du moteur 10. La figure 2 illustre une phase au cours de laquelle du dihydrogène gazeux produit par électrolyse est amené au haut (sur la figure) du cylindre 11 à travers la soupape d'admission, comme le montre la flèche A. Cette amenée s'effectue soit par une aspiration due à la dépression qui est produite dans le cylindre 11 au moment de la descente du piston 12, soit par injection. Dans ce dernier cas, il serait nécessaire de prévoir un injecteur approprié (non représenté). Le piston 12 a dépassé le point mort haut (PMH) et l'espace entre le haut du piston 12 et le fond du cylindre 11 est rempli de dihydrogène gazeux. La figure 3 illustre une phase au cours de laquelle on provoque l'explosion du dihydrogène gazeux au moyen d'une étincelle produite par la bougie d'allumage 22. Cette explosion a pour effet de générer une force de poussée sur le piston 12, avec pour effet son déplacement vers le bas (sur la figure) entraînant le volant 15 grâce au couplage du piston 12 et du volant 15 par la bielle 13. La phase suivante, illustrée par la figure 4 consiste à injecter au moyen de l'injecteur 22, une certaine quantité d'eau prélevée dans le réservoir 23, dans l'espace situé entre le piston 12 et le fond du cylindre 11. L'alimentation de l'injecteur 22 est représentée schématiquement par la flèche B. Cet espace est porté à très haute température, de sorte que l'eau injectée se vaporise instantanément en se transformant en vapeur d'eau à très haute pression. Cette pression contribue à refouler le piston 12 vers le bas (sur la figure) du cylindre et à générer un couple d'entraînement du volant 15. Grâce aux poussées conjuguées dues à l'explosion du dihydrogène gazeux et à l'expansion de la vapeur d'eau produite dans le cylindre 11, le volant 15 tourne en entraînant le piston 12 au-delà du point mort bas (PMB). Une phase d'évacuation des gaz contenus dans le cylindre 12 est entamée pendant la � remontée � du piston 12. Cette phase opératoire est représentée par la figure 5. Les gaz d'échappement sont évacués à travers la soupape d'échappement 20, comme le montre la flèche C. On notera que le moteur 10 est du type à deux temps, ce qui le rend particulièrement efficace puisque pour chaque étape active, qui correspond à la descente du piston 12 sous l'effet d'une poussée générée au haut du cylindre, il n'y a qu'une phase réactive qui correspond à la montée du piston 12 et à l'échappement des gaz. L'électrolyse de l'eau salée sert à générer un faible volume de dihydrogène gazeux, puisque la partie la plus importante de la force de poussée est produite par la vaporisation instantanée de l'eau injectée dans le cylindre. De ce fait, un générateur électrique, par exemple un alternateur faiblement dimensionné est suffisant pour produire l'énergie électrique nécessaire. Bien que le moteur 10 décrit comporte un seul cylindre 11, le moteur à explosion de l'invention peut être pourvu de plusieurs cylindres montés en parallèle et qui ont des modes opératoires similaires. Dans ce cas, le moteur 10 serait pourvu d'un vilebrequin couplé aux différentes bielles des différents pistons. En outre, le moteur 10 tel que décrit peut subir diverses modifications et se présenter sous diverses variantes couvertes par l'invention. Un des avantages fondamentaux du moteur de l'invention réside dans le fait que le dihydrogène gazeux, dont le stockage est habituellement considéré comme risqué, est consommé directement au moment de sa production, ce qui supprime intégralement les risques inhérents au stockage.5 Revendications1. Procédé de fonctionnement d'un moteur (10) à explosion du type alternatif, comportant au moins un cylindre (11), un piston (12) mobile selon un mouvement axial alternatif logé à l'intérieur de ce cylindre, ce piston ayant une tête et un bras articulé à cette tête, et au moins une soupape d'admission (19) et une soupape d'échappement (20) ménagées sur le cylindre (11) au-dessus dudit piston (12), procédé dans lequel on utilise du dihydrogène gazeux produit par électrolyse d'eau, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes suivantes : a.- une première étape au cours de laquelle on produit, par électrolyse de l'eau, un volume prédéterminé de dihydrogène gazeux ; b.- une deuxième étape au cours de laquelle on admet par ladite soupape d'admission (19) dans un espace localisé au-dessus de la tête dudit piston (12), au moins une partie du dihydrogène gazeux produit par électrolyse ; c.- une troisième étape au cours de laquelle on provoque l'explosion du dihydrogène gazeux introduit dans le cylindre (11), au moment où le piston (12) a dépassé le point mort haut (PMH) ; d.- une quatrième étape au cours de laquelle on injecte un volume prédéterminé d'eau dans ledit cylindre (11), dans un espace disposé au- dessus dudit piston (12), pour vaporiser instantanément cette eau sous l'effet de la chaleur produite par l'explosion du dihydrogène gazeux ; et e.- une cinquième étape au cours de laquelle on évacue la vapeur d'eau produite par évaporation de l'eau injectée et la combustion du dihydrogène gazeux, par ladite soupape d'échappement (20). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au cours de ladite première et de ladite quatrième étape, l'on utilise de l'eau salée pour produire du dihydrogène gazeux par électrolyse et pour générer de la vapeur d'eau dans ledit cylindre (11). 11 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites deuxième, troisième et quatrième étapes de fonctionnement s'effectuent pendant que ledit piston (12) passe du point mort haut (PMH) au point mort bas (PMB) et en ce que ladite cinquième étape de fonctionnement s'effectue pendant que ledit piston (12) passe du point mort bas (PMB) au point mort haut (PMH). 4. Procédé selon la revendication 1, pour un moteur (10) ayant plusieurs cylindres (11) comprenant chacun un piston (12) logé dans cylindre, caractérisé en ce que l'on effectue les différentes étapes dans chacun des cylindres (11), les étapes correspondant à l'un des cylindres étant décalées dans le temps par rapport aux étapes correspondantes dans les autres cylindres. 5. Moteur à explosion du type alternatif (10), comportant au moins un cylindre (11), un piston mobile (12) selon un mouvement axial alternatif logé à l'intérieur de ce cylindre, ce piston ayant une tête et un bras articulé à cette tête, et au moins une soupape d'échappement (20) ménagée sur le cylindre au- dessus dudit piston, caractérisé en ce qu'il comporte : a.- des moyens (27) pour produire, par électrolyse de l'eau, un volume prédéterminé de dihydrogène gazeux au cours d'une première étape ; b.- des moyens (19) pour admettre dans un espace localisé au-dessus de la tête dudit piston (12), au moins une partie du dihydrogène gazeux produit par électrolyse, au cours d'une deuxième étape; c.- des moyens (22) pour provoquer l'explosion du dihydrogène gazeux injecté dans le cylindre (11), au moment où le piston (12) a dépassé le point mort haut (PMH), au cours d'une troisième étape; d.- des moyens (21) pour injecter un volume prédéterminé d'eau dans ledit cylindre (11), dans un espace disposé au-dessus dudit piston (12), pour vaporiser instantanément cette eau sous l'effet de la chaleur produite par l'explosion du dihydrogène gazeux, au cours d'une quatrième étape; et e.- des moyens (20) pour évacuer la vapeur d'eau produite par évaporation de l'eau injectée et la combustion du dihydrogène gazeux, par ladite soupape d'échappement, au cours d'une cinquième étape. 6. Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir d'eau salée (23) et des moyens (30) pour prélever de cette eau salée pour produire du dihydrogène gazeux par électrolyse et pour générer de la vapeur d'eau dans ledit cylindre (11). 7. Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour que lesdites deuxième, troisième et quatrième étapes de fonctionnement s'effectuent pendant que ledit piston (12) passe du point mort haut (PMH) au point mort bas (PMB) et en ce que ladite cinquième étape de fonctionnement s'effectue pendant que ledit piston (12) passe du point mort bas (PMB) au point mort haut (PMH). 8. Moteur selon la revendication 5, ce moteur ayant plusieurs cylindres (11) comprenant chacun un piston (12) logé dans cylindre, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commande pour que dans chacun des cylindres (11), les étapes correspondant à l'un des cylindres soient décalées dans le temps par rapport aux étapes correspondantes dans les autres cylindres. 9. Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte une soupape d'admission (19) agencée pour admettre par aspiration, à l'intérieur dudit cylindre (11) au moins une partie du dihydrogène gazeux produit par électrolyse. 10. Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un injecteur agencé pour injecter, à l'intérieur dudit cylindre, au moins une partie du dihydrogène gazeux produit par électrolyse.