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Procédé et dispositif pour la transformation en force motrice de combustibles liquides, semi-liquides ou gazeux, naturels ou autres. ,
Le brevet principal du 25 février 1949 a ev pour objet un procédé nouveau pour la transformation en éner- gie' notamment pour la production de force motrice, de combustibles tels que des hydrocarbures utilisés sous forme de liquides, de semi-liquides ou de vapeurs, soit à l'état naturel, soit après avoir subi un traitement préalable.
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La caractéristique essentielle du procédé, que tend à protéger le brevet.principal, consiste à soumettre le combustible de départ à un traitement dans une chambre de catalyse où un catalyseur d'oxygénation est maintenu dans des conditions de température et de pression réglées, telles que l'oxydation s'opère en dehors des limites d'inflammabi- lité, aucune explosion ou combustion intempestives ne pouvant é'tre engendrée dans ou transmise hors de ladite chambre.
Dans les exemples d'application décrits, le dispositif ou groupement d'organes, que le procédé ainsi défini implique, comporte une ou plusieurs chambres de ca- talyse ou capacités qui reçoit ou reçoivent le combustible et l'agent d'oxygénation. Datas cs capacités s'élabore un fluide dont la pression et la température, en présence d'un catalyseur, sont contrôlées de manière à maintenir le fluide contenu en dehors des liantes d'inflammabilité.
Le fluide sortant de la chambre de catalyse est amené à un générateur de puissance, tel qu'une turbine, dont une partie de l'énergie est utilisée pour la production de force motrice, la portion non utilisée étant ramenée dans le cycle (remise en circu- lation) en vue de leur admission dans les chambres ou capa- cités, où s'opère la catalyse et cela dans des conditions de pression et de température réglées pour assurer dans ces capacités une combinaison excluant toute explosion et toute inflammation.
L'économie, les résultats techniques et écono- miques que procurent ce procédé et ce dispositif, basés sur l'intercalation d'une opération de catalyse convenablement contrôlée, sont à voir dans une sécurité parfaite de fonc- tionnement du groupe moteur (sans explosion, sans combustion intempestives), avec la possibilité d'utilisation de com- bustibles de moindre qualité, et l'obtention d'un rendement thermique largement supérieur à celui obtenu dans les moteurs @ usuels..
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L'invention conforme à la présente addition est à voir dans diverses applications du procédé et du dispositif dont les caractéristiques essentielles viennent d'être rap- pelées.
Dans les applications décrites ci-après, le fluide moteur sortant de la chambre de catalyse est admis dans un organe récepteur, tel qu'un cylindre muni d'un piston ; une certaine quantité de fluide, non utilisée pour la pro- duction directe de force motrice, est, de préférence, pré- levée pour être remise en circulation dans la chambre de catalyse,
La figure 1 est un exemple d'application, à un moteur à piston, du procédé suivant le brevet principal, rappelé ci-dessus; elle montre le dispositif ou groupement d'organes permettant ce mode d'application. a est un cylindre à l'intérieur duquel se déplace en sons alternatifs, un piston b;
il est muni d'une entrée d'air.± et d'une sortie il pour les gaz d'échappement (CO2+H2O + azote). e dé s i gne la chambre ou capacité contenant un catalyseur d'oxydation, laquelle peut' avanta- geusement Être, disposée au-dessus de la tête du cylindre. f e s t une tuyauterie, munie d'une s ou pape de retenue f', reliant le fond supérieur du cylindre à la chambre de cata- lyse. D'un réservoir à combustible ¯g, un conduit h communique avec la chambre de catalyse e¯ soit directement, soit en débouchant dans le tube f. Sur le conduit h est interposée une pompe à combustible i.
Un by-pass permet de cour- circuiter la pompe i. Un tube k relie la chambre de catalyse à une chambre m munie d'une soupape o. Un tube n relie la chambre m avec la partie supérieure du cylindre. La soupape o, placée à l'intérieur de la chambre m est actionnée par un dispositif mécanique p, mû lui-même par le moteurE L'air est admis par le tubulure c à l'intérieur du'cylindre dû?., @
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après avoir été comprimé, au cours de la course de compression du piston, il est amené dans la chambre de catalyse par la tubulure f. Le combustible hydro-carboné s'écoule constamment dans l'intérieur de la chambre de catalyse à travers la tubulure h.
En marche normale, la majeure partie du fluide moteur n'est pad évacuée à la fin de la course de détente du piston, figurée en pointillé, et la fraction non évacuée, mélangée avec de l'air admis par c, est comprimée au cours de la course de compression du piston; sa chaleur étant alors utilisée pour maintenir le catalyseur à la température désirée.
L'effet combiné de l'admission constante de combus- tible, du mélange comprimé de CO2+H2O + Azote et d'un gaz oxygénant, est d'oxyder et de réduire le catalyseur, d'oxyder le combustible, d'effectuer cette réduction et cette oxyda- tion à la température convenable et de fournir un mélange de fluide moteur, composé de fluide frais et de fluide recyclé, utilisé précédemment, à une température et à une pression convenables, pour le fonctionnement du moteur, Afin Que le fonctionnement de l'installation puisse é'tre clairement compris, on admettra que l'air et le combustible sont introduits dans le moteur en quantités appropriées aux dimensions dudit moteur et il sera expliqué que ce qui se passe pendant chaque cycle et à différentes positions du piston;
il sera entendu que les chiffres sont donnés uniquement à titre d'exemple. Le moteur aura un volume de cylindrée de 1.000 cm3 par exemple.
Dans la figure 1, le piston est figuré en trait plein dans sa position au moment où il atteint le point mort supérieur de sa course de compression. A la fin de cette course, la chambre de catalyse contient environ 45 cm3 de gaz sous une pression de l'ordre de 100 atmosphères et à une température d'environ 850 C. A ce moment, la soupape o s'ouvre et le fluide moteur (CO2 + H2O + Azote) est introduit
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à la partie supérieure du cylindre à une pression de l'ordre de 100 atmosphères et à une température d'environ 850 C.
La soupape o ne reste ouverte, sous l'effet du mécanisme p; que pendant un temps très faible au cours de la course de détente du piston, jusqu'à ce que la tête de celui-ci atteigne une position indiquée approximative ment par les lignes poin- tillées x; à ce moment il reste alors environ dans la chambre de catalyse 43 cm3 de gaz à 66 atomsphères. Ensuite, la soupape o se ferme. Par suite de la détente des gaz, la pres- sion dans la chambre de catalyse est tombée à 66 at omsphère s environ, mais celle dans le cylindre est tombée légèrement plus'rapide;lent que la pression dans la chambre de catalyse, la température du mélange gazeux dans le cylindre étant environ de 650 C.
Par-suite de la détente du mélange gazeux, le piston est amené à la fin de sa course descendante, figurée en pointillé, et à ce moment la chambre du cylindre est en communication avec l'orifice d'échappement d. Le tube d'échappement d est étranglé en d' pour limiter le taux d'échappement des gaz. La quantité de gaz s'échappant par d et la période pendant laquelle le cylindre est en commu- nication avec les orifices .± et d sont juste suffisante pour permettre l'évacuation d'environ 340 cm3 de gaz d'échap- pement, mesurés à la pression et à la température atmosphé- riques et pour permettre également l'admission d'environ 310 cm3 d'air à la pression atmosphérique; les gaz qui s'é- chappent du cylindre sont à une température d'environ 150 C.
En conséquence, .quand le piston reprend sa marche ascendante,
2 le cylindre contient l'équivalent de 690 cm3 de CO t H20 + Azote calculés à la température atmosphérique et à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique, et de 310 cm3 d'air frais à la même pression, ce qui corres- pond à une teneur en oxygène en volume de 6,5 %. Au cours de la course de compression du piston, le mélange des gaz
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non évacués et de l'air admis par c, est comprimé jusqu'à ce que le piston achève sa course et les conditions de pression et de température précédemment spécifiées ci-dessus sont rétablies.
Au cours du cycle entier, le combustible est envoyé dans la chambre de catalyse dans la ,proportion correspondant à l'oxygène consommé pendant le cycle entier, de telle sorte qu'en tenant compte de l'excès de gaz évacués à travers l'ouverture d, par rapport à l',air admis à travers l'ouverture c, le gaz contenu dans la chambre de catalyse est ramené à un volume de 45 cm3 environ sous une pression d'environ 100 atmosphères.
Si l'on met en parallèle d'une part le procédé et le dispositif suivant le brevet principal, et le mode d'application qui vient d'être décrit, il est aisé de voir, qu'en utilisant un moteur où l'organe transmetteur de force motrice exécute un mouvement alternatif, ce sont les organes marnes de ce moteur qui, dans le cycle de fonctionnement, assurent le contrôle de l'alimentation de la chambre de cata- lyse, etcela' toujours de manière qu'il ne puisse se produire dans cette chambre ni explosion, ni combustion intempestives; les gaz et vapeurs amenés de la chambre de- catalyse dans le cylindre étant exclusivement formés de CO2, d'H2O et d'Azote.
Il va sans dire que le moteur peut comporter une pluralité de cylindres, auquel cas on peut utiliser une ou plusieurs chambres de catalyse et de préférence autant de chambres que de cylindres. Ainsi, dans un moteur à plu- sieurs cylindres, des chambres de catalyse peuvent être dans une période de réduction et de remise en pression, tandis que les autres sont en cours d'oxydation et de détente
Dans l'exemple qui vient d'être cité, il est remarquable, qu'en raison de la basse te mpératu re desgaz d'échappement, il résulte que la consommation de combustible est réduite dans une grande proportion pour une même produc- ti on d'énergie.
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Un autre avantage du dispositif est que le pis- ton et le cylindre ne sont jamais en contact avec le combus- tible. Par suite, il ne peut pas y avoir ni dépôt de matière carbonacée, ni pollution des huiles lubrifiantes par du combustible lourd dans le cas où l'ajustage du piston lais- serait à désirer.
La température moyenne dans le cylindre sera inférieure environ de 8000 C à celle existant dans les cy- lindres des moteurs usuels, ce qui évite la carbonisation de l'huile de graissage et diminue les pertes de chaleur par radiation. L'économie réalisée dans le prixde la cons- truction du moteur est importante, étant donné qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser des bougies d'allumage, ni aucun autre dispositif d'allumage. le rendement du combustible est uniquement fonction de sa chaleur de combustion. L'indice d'octane est donc sans importance. La volatilité du combustible est égale- ment sans importance à condition qu'il soit en phase vapeur à la température et à la pression de catalyse et d'oxydation du combustible.
Les moteurs à haute pression et à grande vitesse impliquent des températures élevées impraticables. Dans un moteur conforme à l'invention, l'emploi de l'oxydation catalytique permet d'employer des températures moins élevées ainsi qu'une très grande pression, et, en conséquence, l'usai d'un taux de compression jusqu'ici considéré comme impossible.
Les figures 2 et 3 montrent un autre exemple d'application du procédé et du dispositif à un moteur à pist@
Dans le cylindre 10), muni d'un orifice 12 pour l'admission du combustible et de l'air et d'un orifice d'é- chapment 13, se déplace un piston 11, présentant à sa partie supérieure une saillie 14. La tête de cylindre 15 est munie d'un orifice 16 assurant une communication constante
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entre le cylindre et une chambre de catalyse 17, placée sur la tête du cylindre. L'orifice 16 a une forme identique à ce lle de la saillie 14. A l'intérieur de la chambre de cata- lyse 17 est placé un noyau 18 ayant à sa périphérie des échancrures contenant un catalyseur 20. La chambre de cata- lyse 17 est entourée par une matière isolante 19.
Dans l'es- pace annulaire situé entre la masse isolante 19 et la paroi de la chambre de catalyse 17, estplacé un circuit de chauf- fage électrique 21.
A la fin de la course de détente, le cylindre est en communication avec les ouvertures 12 et 13 permettant, par l'ouverture 12, son alimentation avec un mélange d'air et de combustible et, par l'ouverture 13, l'évacuation d'une faible proportion des gaz d'échappement CO2 t H2O+ Azote.
Le rapport entre les gaz inertes dans le cylindre et l'ensem- ble de l'air et du combustible introduits sera de l'ordre de 4 à 1; la proportion d'oxygène étant alors d'environ 4,5 %. La pression dans le cylindre, immédiatement après la fermeture des ouvertures 12 et 13, c te s t à dire au commen- cement de la course de compression du cylindre, peut être considérée comme étant la pression atmosphérique. Les volumes du cylindre et de la chambre de catalyse sont tels que lors- que le cylindre aura atteint son point mort haut, le mélange gazemx sera comprimé à une pression de l'ordre de 80 atmos- phères ou plus. Au cours d'un cycle opératoire complet, l'oxydation a lieu comme cela a été expliqué dans la des- cription de la figure 1.
Toutefois, dans la figure 2, la plus grande partie de l'oxydation a lieu pendant la course de détente.
Les avantages caractérisant la réalisation de la figure 2 sont en général les marnes que ceux caractérisant la construction suivant la figure 1, à l'exception toutefois que le combustible est en contact avec le piston et la paroi
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du cylindre. C'est pour cette raison que la construction suivant la figure 1 est préférée, le combustible utilisé pour la réalisation de la figure 2 doit être plus volatil que celui' utilisé pour la réalisation suivant la figure 1. La réali- sation suivant la figure 2 contient toutefois quelques caractéristiques qui peuvent être avantageuses pour certains usages. Ainsi, un tel moteur peut déterminer une rotation dans le sens des aiguilles d'une montre ou en sens inverse, ce qui est un avantage pour les moteurs marins, et pour certaines autres applications!.
La figure 4 représente une autre réalisation dont la construction et le fonctionneront sont semblables à ceux du moteur des figures 2 et 3, mais qui présente une amélioration en ce qui concerne la quantité de combustible oxydé en cours de la marche ascendante et descendante du piston, laquelle est maintenue entre certaines limites, comme cela va é'tre expliqué dans la description ci-après.
Un cylindre 30, à l'intérieur duquel se déplace, en sens alternatifs, un piston 21, est muni d'une entrée d'air et de combustible identique à celle figurant sur la figure 2, mais quin'a pas été figurée. Une ouverture 26 permetune communient ion-constante entre le cylindre et la 'chambre de catalyse 37, montée sur la tête 35 dudit cylindre.
La tête du piston porte une saillie 34, en forme de tronc de cône, de forme identique à ce l le de l'orifice 36. La chambre de catalyse est entourée d'une matière isolante 38.
A l'exception de ce qui sera décrit ci-après, la construction et le fonctionnement sont les marnes que ceux de la figure 2.
Un porte-catalyseur creux, vissé dans la partie
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supérieure de la C1,"11:1"J2 Je catalyse, A3 lte "'.i.G. 2:':1C;C'' composé d'une partie supérieure 40, sur laquelle est vissée une partie inférieure 41 constituant le support de catalyseur proprement dit; un catalyseur 42 est placé dans une gorge
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annulaire située entre la collerette annulaire 43, formant la partie inférieure' de 41, et un anneau 44 faisant partie intégrante de ou vissé sur la partie 41.
La partie intérieure du porte-catalyseur a une forme sphérique de façon à constituer une chambre à valve munie d'une bille flottante 45 faisant office de valve. Le porte-catalyseur présente une ouverture 49 à la partie in- férieure correspondant à l'orifice 36 de la tête du cylindre ce qui constitue en même temps un siège pour la bille 45.
Le mouvement ascendant de la bille, lorsqu'elle ne repose pas sur son siège , est limité par une butée 46, fixée sur la paroi supérieure de 40. Au-dessus de la chambre à valve, la paroi de 40 est munie d'orifices 47. La collerette 43, l'anneau 44 et le catalyseur 42 ne viennent pas en contact intime avec la paroi intérieure de la chambre de catalyse 37 et la partie inférieure de 41 est également à une certaine distance de la tête du cylindre.
Grâce à ce dispositif}. il existe deux passages entre l'orifice 36 et la chambre de catalyse, l'un à travers l'orifice 49 à l'intérieur du support de catalyseur, l'autre à travers le passage annulaire 50 entre le,porte-catalyseur et la paroi intérieure de la cham- bre de catalyse, le flux utilisant ces deux passages, lesquels communiquent entre eux par les orifices 47 pratiqués dans la partie 40 du support de catalyseur, Pendant la marche ascendante du piston 31, les gaz de recirculation CO2+ H2O Azote (la majeure partie n'ayant pas été évacuée à travers l'orifice d'échappement), mélangés avec l'air et du combustibl= frais admis par l'ouverture d'admission,
sont comprimés et insufflés partiellement à travers le passage 50 et partielle- ment à travers l'orifice central 49 dans la chambre à valve; la bille 45 étant soulevée de son siège par les gaz subissant la compression, au cours de la marche ascendante du piston.
La fraction du fluide qui est introduit à tra-
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vers l'orifice 49 n'entre pas en contact avec le catalyseur 42, mais s'emmagzsine dans la chambre de réaction puis se détend durant la marche descendante du piston et s'écoule à travers le passage 50 et 1( orifice 36, pour arriver dans le cylindre. La bille, durant cette descente du piston, vient s'appliquer sur son siège en fermai l'ouverture 49.
Au cnrs de ce mouvement de détente du fluide, ce de rn ie r vient en contact avec la masse de catalyseur. le rapport entre l'orifice 49 et le passage 50, ainsi que le rapport entre le volume des catalyseurs et le volume de la chambre de catalyseur permet d'adapter le moteur aux meilleures pefformances. Par exemple, il est plutôt avantageux d'effectuer l'oxydation catalytique en majeure partie au cours du mouvement de descente du piston.
La figure 5 représente une autre réalisation montrant d'autres moyens pour l'introduction du combustible et de l'air .
Un cylindre 60, muni d'un piston 61 et d'une ouverture d'échappement 62, communique par l'intermédiaire d'un ou plusieurs orifices 63 avec une chambre de catalyse 64, contenant des catalyseurs 65. La construction de la chambre de catalyse et le s moyens employés à l'intérieur de cette chambre pour supporter le catalyse ur ne sontpas une caractéristique essentielle de ce dispositif qui est indiqué uniquement pour montrer des moyens nouveaux pour l'introduction du combustible frais et de l'air.
Dans cette réalisation, comme il a déjà été montré dans la figure 1, le c ombustible est introduit dans la chambre de catalyse en un point situé à l'extérieur du cylindre, de préférence directement dans la chambre de catalyse par une tubulure 66, soit en continu, soit de préférence au moyen d'une pompe d'injection non figurée.
L'air est introduit directement dans la chambre de catalyse par une tubulure 67 munie d'une
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soupape de retenue 68, laquelle n'est ouverte seulement que lorsque la pression dans la chambre de catalyse et le cylindre tombe au-dessous d'une valeur déterminée, laquelle est de préférence aux environs de celle existant dans la chambre de catalyse et le cylindre quand le pis ton atteint le voi- sinage de la partie inférieure de sa course descendante.
Au lieu d' introduire lair directement dans la chambre de catalyse, on peut l'introduire directement dans le cylindre, mais au lieu d'ouvrir l'orifice d'air aux en- virons de la fin de la course de détente du piston, comme cela est réalisé dans la figure 1, la tubulure d'air 70 figurée en ligne pointillée débouche près de la tête du cy- lindre, de telle sorte que la tubulure 70 et le cylindre seront en communication immédiatement après le départ du piston pour sa course de détente et jusqu'à ce qu'il ait presque terminé sa course de compression.
Toutefois l'air ne sera pas admis dans le cylindre pendant la totalité de ce temps ; tubulure d'air 70 est munie d'une soupape de retenue 71, laquelle s'ouvre seulement lorsque la pression dans le cylindre tombe au-dessous d'une valeur déterminée par avance, laque lle est légèrement s upérie ure à la pression dans le cylindre à la fin de sa course de détente. le moteur décrit et représenté par la figure 1 est spécialement adapté pour satisfaire aux exigences des moteurs d'avion. La charge de combustible sera largement infér-eure à celle des moteurs d'avion usuels, et les trouble dûs au plomb tétraéthyle seront complètement éliminés, puis- que l'obligation de remédier par ce dernier aux faibles indices d'octane n'existe plus.
De plus, l'usage d'un com- bustible dé sécurité est recommandé éliminant les dangers d' incendie'.
Dans tous les modes de réalisation décrits ci* dessus, une fraction seulement des gaz contenus dans le
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cylindre est évacuée, l'autre fraction étant recyclée dans la chambre de catalyse avec de l'air. Cette recirculation de fluide n'est pas indispensable pour la réalisation du procédé. Il peut même être avantageux dans certains cas d'évacuer complètement les gaz du cylindre et de n'admettre au catalyseur que de l'air ou de l'oxygène ou un mélange des deux avec adjonction d'azote.
Les catalyseurs employés dans les réalisations ci-dessus sont les memes que ceux décrits dans le brevet principal.
Bien qu'il a été spécifié que l'introduction d'oxygène dans le système était effectuée par l'utilisation d'air, il est naturellement possible d'utiliser tout gaz contenant de l'oxygène, y compris de l'oxygène pur, leque l peutêtre obtenu actuellement à bas prix.