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LES MOTEURS A PISTONS LIBRES PESCARA


1935-1939 LES COMPRESSEURS A PISTONS LIBRES

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LA DEMOLITION DU TROCADERO




Mon père m'avait expliqué qu'il ne pu industrialiser dans les années 30 un hélicoptère malgré un certain nombre d'efforts. Les résultats qu'il obtint en laboratoire présentait un certain intérêt. Les principales difficultés qu'il rencontrait après avoir mis au point sa méthode de pilotage était due aux transmissions mécaniques. A cette époque, on réalisait mal des démultiplicateurs à engrenages à rapport de multiplication élevée (de l'ordre de 20). La durée de ses vols, en général n'était pas fonction de sa volonté mais fonction de la bonne volonté des engrenages, qui ne tenaient pas. Mon père imagina pour ses hélicoptères, qui comprenaient de nombreux cables, une transmission pneumatique. La question qu'il s'est posé pour réaliser une transmission pneumatique, il faut disposer d'un agent de transmission comme par exemple de l'air comprimé. Il fallait résoudre le problème de supporter les complications et les pertes de rendement inhérent à un groupe moto-compresseur. Mon père m'expliqua son choix de réunir moteur et compresseur en une seule machine. Il imagina une machine à pistons libre qu'il commença à réaliser dans un coin de l'atelier de l'usine de construction des Nacional Pescara. Pendant une dizaine d'années n'ayant confirmé que la machine à pistons libres a souvent tenté bien des esprits, il me confiait ainsi : "croit-on découvrir des choses qu'on ne fait que redécouvrir". "Dans ces appareils, les pistons ne jouissent, en réalité, que d'une liberté dirigée, qui bien entendu, ne saurait alors jusqu'à l'anarchie. On doit, en effet, les asservir avec conditions techniques, et l'art de l'ingénieur a consisté, depuis de nombreux années, a imposé à ces pistons libres la résultante des lois que j'ai été amené à établir avec mes collaborateurs." C'est à dire que nous avons du les éduquer pour qu'ils fassent un bon usage de leur liberté et nous conduise au résultat recherché. Sans autre réserve, on peut dire néanmoins que les pistons sont libres du fait qu'ils ne sont pas solidaires d'une bielle, d'une manivelle et d'un volant, et que, par conséquent, ils ne sont pas obligés de réaliser un mouvement sinusoidal plus ou moins déformés.

PRINCIPE DES AUTO-COMPRESSEURS A PISTONS LIBRES PESCARA

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 Ces appareils ont pour principe la transformation directe de l'énergie fournie par la combustion d'un carburant en énergie de pression d'air comprimé, sans autre intermédiaire que l'énergie cinétique qu'emmagasinent, pour la restituer aussitôt, les pistons communs aux parties moteur et compresseur.  Ces appareils suppriment les transformations mécaniques de mouvements : alternatif en circulaire et vice-versa. Ils évitent à la fois les complications et les pertes d'énergie inhérentes à l'utilisation des organes mécaniques comme transmetteurs d'énergie.
  La figure 1 représente schématiquement le principe d'une telle machine. Un piston moteur, par l'une de ses faces, emmagasine l'énergie de détente des gaz de combustion du moteur sous forme d'énergie cinétique, et par sa face opposée, transmet cette énergie à l'air qu'il comprime. Au moment où il s'arrête, par suite de la transmission totale de l'énergie cinétique qu'il avait reçue, il est renvoyé en sens inverse jusqu'à position de départ, par la détente d'une certaine quantité d'air comprimé contenue dans l'espace mort de la capacité compresseur. Les diagrammes moteur et compresseur de la fig. 1 montrent clairement le prinicipe de marche d'une telle machine.


Dans les machines fonctionnant suivant ce principe, le volant est constitué par les pistons eux-mêmes ; il en résulte :
 1/ Que la vitesse et le nombre d'oscillations par minute de la machine sont fonction de la masse des pistons (inversement proportionnels à la racine carrée de la masse).
 2/ Que la vitesse des pistons est la plus grande pendant la course aller que pendant la course retour, parce que les pressions résultantes sur les pistons sont plus considérables au moment où se produit le travail de la machine.
On peut donc avoir le diagramme des vitesses à partir d'une simple intégration du diagramme des forces.

Sur la fig. 2 on a tracé la courbe des vitesses aller et retour des pistons, ainsi que la courbe des vitesses d'une machine à vilebrequin. De l'examen comparatif de ces courbes, il ressort en faveur des auto-compresseurs à pistons libres, les avantages suivants :
 1/ La détente des gaz du moteur dans sa première partie correspondant aux températures et aux presions élevées est plus rapide dans un auto-compresseur à piston libre que dans un moteur ordinaire. Les pertes de chaleur par les parois et les pertes de gaz par défaut d'étanchéité sont donc plus réduites.
 2/ Au contraire, la course d'aspiration est plus lente dans un auto-compresseur à piston libre que dans un compresseur ordinaire, donc au même régime, le remplissage est meilleur, ou à remplissage égal, les auto-compresseurs à pistons libres peuvent fonctionner à un régime plus élevé que les compresseurs ordinaires.

EQUILIBRAGE DES MASSES EN MOUVEMENT

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L'équilibrage parfait de ces machinees est obtenu en disposant dans un même cylindre moteur, deux pistons opposés de même masse se déplaçant en sens inverse, avec des vitesses égales. Le centre de gravité des masses en mouvement étant immuable, aucune réaction ni aucun couple ne sont transmis au bâti des machines.

AUTO-COMPRESSEURS A DEUX TEMPS

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 Le fonctionnement général est d'ailleurs facilité par cette disposition dans le cas d'un auto-compresseur à deux temps à balayage. L'air de balayage, circulant alors dans le même sens que les gaz brulés à balayer, évacue ces derniers dans de bonnes conditions (balayage équicourant).
Cette disposition présente en outre d'autres avantages :
 1/ Diminution des pertes de chaleur par les culasses ;
 2/ Simplicité extrême de la distribution, automatiquement réalisée par les pistons eux-mêmes suivant leur position par rapport à des lumières pratiquées dans le cylindre moteur (suppression des soupapes du moteur).



Dans une telle disposition, l'application du cycle Diesel à deux temps est tout particulièrement indiquée, elle permet l'obtention de rendements thermiques élevés par l'emploi de taux de compression plus considérables que ceux utilisés dans les moteurs diesels à vilebrequin. Dans ces derniers moteurs, en effet, les taux de compression élevés, qui correspondent aux bons rendements thermiques, occasionnent souvent de grosses difficultésdans la tenue des organes mécaniques (paliers et articulations des bielles). Ils entraînent également une grande augmentation du poids des appareils.

REGULATION

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 La régulation des auto-compresseurs à pistons libres consiste à proportionner la quantité de combustible brûlée au volume d'air débité par la machine.
Les courses dépendent directement de la quantité d'énergie fournie par le moteur. La variation absolue de la longueur des courses se traduit sur la phase de refoulement par la même variation absolue.
L'énergie de retour des pistons est fournie par la détente de l'air contenu dans l'espace mort. L'examen des diagrammes représentés fig. 4 est concluant. Si la machine est réglée par exemple pour la marche à demi-charge, et si elle fonctionne à pleine charge, l'énergie de retour, proportionnelle à l'aire hachurée horizontalement dans le diagramme compresseur, est insuffisante pour assurer le retour des pistons, jusqu'à la position pour laquelle l'inflammation se produit dans le moteur. Cet inconvénient est supprimé par l'emploi de dispositifs spéciaux, dits matelas de compensation.

MATELAS DE COMPENSATION

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 Les matelas de compensation sont constitués par l'air contenu dans les capacités variables, comprises entre l'évidement des pistons moteurs et les pistons fixes, solidaires des culasses. Cet air emmagasine pendant la course aller une quantité d'énergie qu'il restitue presque intégralement à la course retour. Comme cette énergie varie directement avec la course, sa variation peut compenser la variation inverse de l'énergie des matelas d'espace mort. La disposition des matelas de compensation, ainsi que les diagrammes quantitatifs d'énergie de retour, sont représentés sur la fig. 5. On y constate que la somme des énergies contenues dans les matelas ne subit que des variations insignifiantes. Par conséquent, le retour correct des pistons se trouve assuré pour tous les régimes de marche.

Ci-dessous une lettre que mon père m'avait écrite en 1965 :


PREMIERES LOCOMOTIVES EQUIPEES D'UN COMPRESSEUR A PISTONS LIBRES PESCARA

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Une application particulièrement intéressante dans ce domaine, a été faite à l'équipement de locomotives dans lesquelles on a remplacé la chaudière à vapeur par des auto-compresseurs à pistons libres fournissant de l'air comprimé à la même pression que celle de la vapeur 12 à 18 Kg/cm². Une première locomotive d'essai, de 200CV a été équipée par la Société alsacienne de Construction Mécanique en 1936. La transformation d'une locomotive de 500 CV est entreprise.




Un générateur industriel de ce type, d'une puissance de 700CV, est actuellement en essai dans les ateliers ALSTHOM à Belfort. C'est une machine verticale, d'un poids de 6 tonnes environ, oscillant à 5 impulsions par minutes, et fonctionnant entre 1,5 et 4,5 Kg/cm².





PISTONS LIBRES PESCARA (Invention de Raoul PATERAS-PESCARA)

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A partir de 1937 différents modèles de générateurs furent étudiés par le bureau d'étude PESCARA Le premier modèle GS30 fut intégré dans un groupe électrogène qui comprenait deux générateurs GS 30 et une turbo- dynamo de 350 KW. Ce groupe fonctionna jusqu'en 1939 aux usines ALSTHOM de Belfort. Un générateur industriel vertical d'une puissance de 700 CV et d'un poids de 6 tonnes environ, oscillant à 500 impulsions par minute, et fonctionnant entre 1,5 et 4,5 Kgs/cm² Ces essais furent interrompus par la guerre et c'est en juillet 1946 que la SIGMA mis au point le GS 34 et lança la fabrication en série et réalisa de nombreuses installations dans le monde entier. 500.000 CV de GS 34 associés à des turbines permettent la production d'énergie électrique, la propulsion de navires (47), l'entraînement de compresseurs dans onze industries différentes représentant trente groupes terrestres. La vente du GS34 se fait dans 40 pays différents. La première centrale électrique a été mise en service en 1951 à Reims et une locomotive en 1953. Le 8 novembre 1962, au cours de son voyage en Corse, le général de Gaulle a consacré une partie de la matinée à la visite de la centrale thermique d'électricité de France à Aspretto. Cette installation comporte des générateurs à pistons libres PESCARA alimentant des turbines, lesquelles font tourner des alternateurs. Des licences du GS34 ont par ailleurs été cédées à plusieurs industriels, en Allemagne, Angleterre, Hollande, Japon, U.S.A, etc. Durant mes études d'ingénieur, je représentais mon Père et participais à des calculs de thermodynamique pour l'élaboration de brevets sur les tandems et la suppression des espaces morts dans les compresseurs. Je proposais un système d'injection d'huile devant des segments et un moteur à pistons libres générateur directement d'électricité (Principe inverse d'un moteur linéaire de haut- parleur, l'enroulement fixe se fait autour du piston 1c).. Suite à un article dans la revue des ingénieurs de l'école Breguet que j'assumais en 1963, mon Père qui a 73 ans me rejoint à Paris pour intervenir auprès de la S.N. MAREP, CREUSO LOIRE etc. MATRAS s'intéressa à ces moteurs. Je l'accompagnais chez Couanda (inventeur de l'effet COUANDA) au Bd St Michel qui parlait de son animation d'universités américaines Ils parlaient de mouvement perpétuel et d'immortalité. Je proposais un moteur à piston unique avec deux cylindres moteurs selon schéma que j'ai reconstitué à partir de mes notes. En 1963, j'étais chargé de mission ( régularisation en 1965 par lettre reproduite dans ma conclusion, c'était pour moi la reconnaissance très importante de mes compétences par mon Père) et dans les années 80, j'ai proposé sans succès au délégué régional de l'ANVAR de relancer le moteur à pistons libres en considérant d'une part les progrès électroniques pour la régulation et l'apparition de nouveaux matériaux.




FONCTIONNEMENT DU GÉNÉRATEUR A PISTONS LIBRES PESCARA

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Rappelons que les machines à pistons libres sont des moteurs thermiques qui transforment en énergie élastique d'un gaz, l'énergie calorique d'un combustible, sans intermédiaire mécanique. La disposition générale d'une installation constituée par une turbine à gaz alimentée par un générateur Pescara est représentée schématiquement à la figure 1. Le générateur est un moteur Diesel à deux temps et à pistons opposés, ne comportant pas de pièces tournantes. Sa puissance est absorbée par le compresseur de suralimentation et de balayage. Le combustible est introduit dans le centre de l'appareil, par l'injecteur (7), les deux pistons opposés (1) étant au voisinage de leur point mort inférieure dans la chambre de combustion qui contient de l'air fortement comprimé donc échauffé. Cet échauffement de l'air suffit pour allumer le combustible, la combustion ainsi amorcée provoque un nouvel accroissement de pression qui a pour effet de lancer les deux pistons (1) vers les extrémités de la machine. Ce déplacement des pistons engendre une dépression dans les capacités (4), celle-ci provoquant l'ouverture des clapets d'aspiration (5). Pendant que l'air extérieur est ainsi introduit dans les capacités (4), l'air contenu dans les capacités (3) est comprimé par la face extérieure des pistons et c'est cette compression qui absorbe (moins les pertes ) tout le travail développé par la détente. Ce travail se trouve ainsi accumulé dans les capacités (3) qui jouent aussi le rôle de volant pneumatique ou de " matelas " La détente de l'air des matelas projette les pistons vers le centre, les clapets (5) se ferment, alors la pression dans les capacités (4) croît et lorsque cette pression a atteint une certaine limite, les clapets de refoulement (6) s'ouvrent. L'air comprimé entre alors dans le cylindre (2) par les lumières de balayage (8) et chasse les gaz de combustion à travers les lumières d'échappement (9) Evidemment, une partie de l'air (80%) sort du cylindre par les mêmes lumières et se mélange avec les gaz de combustions (20%) dans le réservoir B ; le mélange gazeux sortant de ce réservoir est admis dans la turbine C où il se détend jusqu'à la pression atmosphérique. Après la fermeture des lumières, une certaine masse d'air reste emprisonnée entre les pistons et c'est sa compression ultérieure qui provoque l'échauffement nécessaire à l'allumage d'une nouvelle charge de combustible.

Schéma d'un groupe générateur à pistons libres et turbine à gaz



CARACTÉRISTIQUE du GS 34 de SIGMA

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Ce générateur de gaz selon une technologie de 1938 fournissait une puissance COMMERCIALE DE 1400 CV

- Diamètre des cylindres compresseur 900 mm.
- Diamètre du cylindre moteur 340 mm.
- Course maximum possible des équipages mobiles 550 mm.
- Course maximum en service normal 500 mm.
- Nombre de battements par minute 350 à 600.
- Température maximum des gaz 450°, disponible pour alimenter la turbine.
- Débit maximum des gaz 3654 Kg/s.
- Vitesse moyenne des pistons 9,05 m/s.
- Température des gaz moteurs 507,5°C.
- Consommation spécifique 153,5 g/ch./h.
- Chaleur emportée par l'eau de refroidissement 19,5°
- Rendement théorique 41,15°.
- Puissance totale absorbée par les auxiliaires 2%.
- Masse de 8 tonnes.

Fig. 2 (Encombrement : 4,15 x 1,70 x 2,70 m)


CONSIDERATION THERMODYNAMIQUE

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Les turbines à gaz à compresseur rotatif se sont principalement développées dans l'aviation sous forme de turbopropulseurs et turbo-réacteurs en raison de leur grande puissance massique. Le cycle le plus simple (fig. 3) comprend un compresseur rotatif, une chambre de combustion et une turbine accouplée au compresseur. La puissance utile est la différence entre la puissance développée par la turbine et celle absorbée par le compresseur. En limitant la température des gaz à une valeur compatible avec une bonne endurance de la turbine le rendement de ce cycle est de l'ordre de 20%. Les groupes à générateurs à pistons libres et turbine à gaz résultent de l'association du moteur à piston sans embiellage et de la turbine à gaz. Le générateur de gaz peut être comparé à un moteur diesel suralimenté dans lequel la détente des gaz serait limitée à la valeur nécessaire pour entraîner le compresseur de suralimentation. Les gaz de combustion et l'excès d'air de balayage sont détendus dans une turbine qui produit la puissance utile. Le rendement est double.

Dans les années 50, j'ai pu assister à des réunions sur le boulevard des Pyrénées à Pau en France de Joseph Szidlowsky, patron de Turboméca à Bordes, avec mon Père. Ils marchaient en discutant, la Rolls-Royce conduite par le chauffeur de M. Szidlowsky roulait à leur niveau. Mon Père ne voulait pas vendre ses brevets. Il s'était rendu à Pau pour retrouver les lieux ou se rencontrèrent ses Parents. Son Père officier dans l'armée de Garibaldi (sa statue est à Rome sur le mont Janicule) avait connu devant une pâtisserie sa mère avant de s'embarquer pour l'Argentine. Dans les années 1860, la région basco-béarnaise disposait de bureaux d'expatriation vers l'Amérique du sud et les agents d'émigration étaient très actifs, ils se mêlaient à la population. Certains bateaux à vapeur et voiliers partaient de Bordeaux et de Bayonne. Le prix du passage était de 350 à 400 frs. En1860, il y avait 40000 basco-béarnais en Argentine. Mon Père est né à Buenos Aires en 1890. Ma famille paternelle est revenue en France au début du 20iéme siècle.

Elève ingénieur à l'école Breguet Paris, mon Père m'écrivait.



DIFFERENTS TYPES DE GENERATEURS A PISTONS LIBRES


CONSIDERATIONS SUR LE FONCTIONNEMENT DES DIFFERENTS ELEMENTS QUI COMPOSENT UN GROUPE MOTEUR A PISTONS LIBRES/TURBINE

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* Le générateur à piston libre GS 34.
- Le rendement Thermique du moteur
- Le rendement propre des générateurs : 42% à pleine charge.
- Le rendement de la canalisation : 98%.
- Le refroidissement du générateur est assuré par deux circuits fermés d'eau (16%) et d'huile (6%) qui atteignent 60° à 75° à pleine charge.
- Puissance dans les gaz :
La puissance utile d'un générateur est entièrement contenue dans les gaz d'échappement. Elle est égale à la puissance
de détente adiabatique des gaz ; c'est la puissance d'une turbine idéale qui utiliserait, avec un rendement adiabatique sur l'arbre égal à l'unité, les gaz à la pression et à la température auxquelles ils sortent du générateur. Cette puissance a pour expression :

                     y-1/y
P = P/75 x y/ y- 1 x RT x [ 1 - (P0)
                   (P )
P(CV)puissance dans les gaz.
P (k g/s) débit-poids de gaz
P0 (k g/s) pression atmosphérique.
T (°K) température absolue des gaz
Y= Cp/Cr rapport des chaleurs spécifiques à pression constante et à volume constant
R (m/°C) constante du mélange gazeux.
Nota : Pour le GS34 P= 1270 CV

Pour obtenir la puissance disponible sur l'arbre de la turbine, il faut multiplier le résultat obtenu ci-dessus par le rendement de la conduite de gaz, en tenant compte des chutes de pression et de température en amont de la turbine (et éventuellement de la contre-pression en aval), et par le rendement adiabatique sur l'arbre de la turbine. P= 1070 CV
- Réglage de la compression moteur et de la cadence.
- Réglage de la cadence.
- Fonctionnement aux charges partielles
* Le rendement de la turbine sans réducteur : varie suivant la puissance entre 86% et 88%.
L'écoulement des gaz à travers la turbine est comparable à leur écoulement à travers un orifice calibré ; il est régi par une relation entre la pression, le débit-poids et la température, qui, pour une détente dépassant la valeur critique, est de la forme :
P=Kp/VT
Ou p= (1 /K) PVT
* Facilité d'entretien des groupes qui mettent en œuvre plusieurs générateurs pour alimenter des turbines/hélices, des turbines/compresseurs et des hélices/turbines/compresseurs.
L'indépendance mécanique des générateurs alimentant la turbine donne une disponibilité des groupes voisine de 100%.
En effet, les générateurs sont entretenus à tour de rôle, par exemple pendant les heures de faible débit du compresseur. L'augmentation du nombre de générateurs pour assurer une surpuissance pour permettre l'entretient cyclique sera envisagé.
* Commentaires :
Dans le livre " THERMODYNAMIQUE APPLIQUÉE AUX MACHINES " de l 'IFP

En mai 1959, L'auteur qui est VICHNIEVSKY dit à propos du générateur Pescara industrialisé par SIGMA que c'est une solution élégante dépourvue de système d'embiellage.
Dans l'encyclopédie des sciences et des techniques édités sous le patronage de l'institut français de documentation scientifique et technique dans le chapitre sur les moteurs à combustion interne, voilà ce qu'écrit Luc FELLOT chef des informations techniques à la revue Science Vie :
- " Le générateur à pistons libres réalise en fait la synthèse la plus avantageuse des techniques connues en apportant un rendement inégalé jusqu'à ce jour sur des machines thermiques. "
- " L'avantage d'un tel dispositif est de permettre une combinaison extrêmement favorable de l'effet des fortes pressions de combustion d'un diesel ( auquel le générateur s'apparente) avec une utilisation plus acceptable des gaz de la turbine. "
- " Au stade du générateur, la consommation spécifique descend au-dessous de 155g/CV/h et aux environs de 180 à 200 g/CV /h pour le bilan global. "
- " Une démonstration convaincante…..Sur une locomotive fonctionnant sur ce principe. On a relevé sur cette machine un rendement thermique de 72% et un rendement mécanique de 85%. Le bilan global se situe aux environs de 65%, ce qui est assez exceptionnel. "
- " L'évolution constante du moteur thermique sous toutes ses formes imposera longtemps encore de revenir sur des sentiers battus, mais qu'on aura pris soin de défricher, à nouveau chaque fois, de façon bien différente. "


CONSIDERATION sur le groupe Moteur à piston libre/turbine/compresseur centrifuge

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* Ce groupe à fait l'objet d'applications industrielles. Ce mode d'entraînement permet un réglage de la vitesse (9000 à 3000 tr/mn) car le compresseur (D) est solidaire de la turbine (C).
* Le rapport de compression de ( D ) est trop important pour être obtenu par une seule roue. Le compresseur (D) est donc constitué par une série de " cellules " comprenant chacune une partie mobile, la roue, et une partie fixe du diffuseur.
* L'évolution de l'air dans une cellule est une expression connue.
* Le rendement global à pleine charge, du groupe est de l'ordre de :
* La recherche d'un bon rendement du compresseur centrifuge conduit à se rapprocher le plus possible de la compression iso thermique et à refroidir l'air.

Centrale de Doniambo En Nouvelle Calédonie 25 000 kW servant d'appoint dix mois par an à une centrale hydraulique de 60000 kW Une des deux salles des Générateurs qui comportent Chacune 17 machines.

En 1965 - 500 000 CV de GS34 associés à des turbines permettent la production d'énergie électrique, la propulsion de navires (47), l'entrainement de compresseurs dans onze industries différentes représentnt trente groupes terrestres. La vente GS34 qui est fabriqué par S.I.G.M.A se fait dans 40 pays différents. La première centrale électrique (1250 kW) a été mise en service par à Reims.




CONCLUSION

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La devise des PESCARA 'Rien n'est plus beau que la grandeur nécessaire'

Les émissions sérieuses télévisées sur la pénurie du pétrole et les économies d'énergie ne posent pas la question de la disparition d'un générateur à pistons libres permettant un rendement inégalé en 2006. La transformation d'un mouvement linéaire par une bielle et une manivelle est pénalisant dans le rendement d'un moteur. Qui osera reprendre le piston libre avec une technologie moderne ?




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