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Procédé de suralimentation par soufflante de moteurs à combustion interne à quatre temps.
Dans les moteurs à quatre temps à suralimentation,dont la-. soufflante est actionnée par l'énergie des gaz d'échappement,il .s'agit généralement d'une soufflante centrifuge accouplée direc- tement à une turbine à gaz d'échappement.Un tel dispositif est indiqué par exemple dansles brevets français No. 352980 et 524114 . Il est évident que la soufflante aussi bien que la turbine à gaz d'échappement sont calculés et. construits de façon que leurs rendements soient aussi grands que possible.
Bans cette hypothèse les conditions de pression nécessaires pour un fonctionnement régulier sont données immédiatement de telle sorte que la prussien de suralimentation est plus grande que la pression d'échappement.comme il s'agit presque exclusivement de moteurs à plusieurs cylindres dont les gaz d'échappement doivent être conduits àla turbine par des collecteurs d'échappement partant des soupapes d'échappement des divers cylindres dé travail,il
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est nécessaire d'obtenir une pression d'échappement moyenne qui soit autant que possible un peu clus basse que la pression de suralimentation.
Il est de règle générale en particulier pour les moteurs à grande vitesse,de faire en sorte que les soupapes d'échappement se ferment à la fin de la course d'échappement un peu *prés le point mort et que les soupapes d'admission par centre,9'ou- vrent déj un peu avant ce point mort. on obtient ainsi une meilleure vidange et un meilleur remplissage du cylindre de tra- vail ,mais on obtient surtout une expulsion des restes de.gaz d'échappement par lebalayage de la chambre decombustion.
Une pression d'échappement aussi basse cave possible par rapport à la pression de suralimentation est aussi nécessaire pour cette raison qu'on risque,lorsque la conduite d'échappement est commune, que le cylindre moteur dont l'échappement vient de commencer exerce une pression sur les soupapes d'échappement fer- mées des autres cylindres et qu'il puisse même refouler des gaz d'échappement dans ces cylindres si la pressionde surelaimentation était inférieureà la pression d'échappement.
Dans le dispositif en questicn,c'est à dire par exe@@le aussi dans les brevets français cités,on obtient sans difficulté une pression de suralimentation supérieure à la pression d'échappement moyenne.Théoriquement c'est à dire avec un rendement de 100 % pour la turbine et le ventilateur,le rapport de pression détermi- né par le calcul est d'environ 2 : 1 (surpression) ,mais même si le rendement n'était que de 75 % pour la turbine et peur la soufflante,on pourrait encore obtenir une surpression suffisante pour l'airde suralimentation.
On conçoit immédiatement que dans ces conditions de pression le balayage connu par exemple dans les moteurs! gaz soit directement applicable. pans ce cas général,lorsqu'il faut tenir compte dune chute de pression très élevée, pourles gaz d'échappement, c'est à dire d'une pression d'échappement très basse,il faut généralement que l'énergie des gaz d'échappement soit utilisée presque complètement
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dans la. turbine, Si on désire utiliser ailleurs une partie de la chaleur des gaz d'échappement,il peut etre toutefois néces- saire de maintenir la pression des gaz d'échappement .un peu plus haute. Dans ce cas il n'est plus possible d'obtenir,par les moyens connus;un rapport rationnel entre la pression de charge ei la pression d'échappement.
La présente invention concerne des installations de moteurs à combustion interne à quatre temps dans lesquelles l'air desti- né à le suralimentation est produit par une ou plusieurs soufflai tes entrainéss en partie par au moins une turbine à gaz d'échap- pement et en partie par une force motrice supplémentaire. L'in- vention consiste en ce que la turbine à gaz d'échappement a des dimensions telles ou est réglée de façon telle qu'elle donne à el la seule une pression de charge moyenne inférieure à la pression d'échappement moyenne et que l'action de le force motrice supplé mentaire augmente la pression de-charge jusqu'à, ce qu'elle attei gne une val eur supérieure à la pression d'échappement moyenne en avant de la turbine.
Le réglage de la force motrice supplémentaire en vue de 1'augmentation de la pression de suralimentation peut avoir lieu par exemple entre la demi-charge et la surcharge ou entre la pleine charge et la surcharge. Il peut y avoir deux ou plus de deux soufflantes dont une partie est actionnée par les gaz d'échappement seuls ou par la force motrice supplémentaire seule et fonctionnent en série ,avec les autres ventilateurs. Il peut toutefois y avoir aussi deux ou plus de deux soufflantes action- nées simultanément par des turbines à gaz d'échappement et une force motrice supplémentaire, et fonctionnant en parallèle ou en série.
Enfin il peut n'y avoir qu'une seule soufflanteactionnée par une turbine à gaz d'échappement et comportant un dispositif d'éntrainement par une force motrice supplémentaire.
Le procédé est représenté. dans la fig. l à l'aide du dia- gramme d'indicateur.
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La fig. 2 est un schéma d'une installation de machine servant à la réalisation du procédé.
Les fig. 3 et 4 sont des variantes de la fig. 2.
La ligne a indiquée en traits pleins dans la fig. 1 est la
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courbe du diagramme de l'indicateur lorsque 1 comprecsjon 1ré alable del'air de charge est produite par la turbine seuls; la pression de chergemoyenne pe étant plus petite que la pression d'échappement moyenne pa. La ligne en traits interrompus b est
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la courbe du diagramme de l'indicateur, .lorsque la cLmr6ssion préalable est obtenue simultanément au moyen des turbines ' gaz d'échappement et d'une force motrice supplémentaire. D@ns ce cas la pression de charge moyenne pe1 a été augmentée jusque. une valeur supérieure à la pression d'échappement moyenne pai
La fig.
2 montre un moteur à combustion interne 1 à cinq cylindres dans lequel les gaz d'échappement ou une partie de ces
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gaz sortant des cylindres 2 entrant dans 1 conduite d'échappement S et sont amenés à la turbine à gaz d'échanpement 4. Celle-ci
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est accoup-lée une soufflante 5 qui refoule e de l'air frais de charge par le conduit 6 dans les cylinc1re8 2 du ::.oteur È. combus- tion interne. la turbine 4 comporte, par exemple des pubages cc,rres. pondant à une petite chute de pression,de façon que la pression de l'air de charge refoul é danses cylindres par 1ventilateur
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5 actionné par cette turbine soit inférieure a la Dressiun d'é- chappement. pour augmenter la pression de ch a.rge jusque cl qu'elle e >ttei- gne une va' eur supérienre à la, pression d'écha.::
'peme!1t moyenne en avant de la turbine,on utilise une autre soufflante f actionnée par une force motrice supplément8ire,par exemple un moteur élec- trique 8. La soufflante 7 est montée en avant du ventilateur 5, mais il peut être aussi monté en parallèle avec deventilateur 5, comme le montre la fig. 5.
Enfin la fig..4 montre un mode de réalisation dans lequel la compression de l'air de charge n'a lieu que dens un seul ventila-
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t eur g dont laeommande est assurée par une turbine . gazdlécbeppe- ment 10 et un moteur électrique 11.
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La fcrce motrice supplémentaire peut provenir d'une génératri- ce actionnée par le moteur 1 ou d'un groupe auxiliaire particulier Le groupe auxiliaire peut être constitué par une génératrice ac- tionnée par un moteur à combustion interne ou une machine à vapeur. La soufflante actionnée par une force motrice supplémen- teire peut aussi être entrainée directement par un moteur auxi¯ liaire par exemple '.'.ne turbine à vapeur.
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Blower supercharging process for four-stroke internal combustion engines.
In turbocharged four-stroke engines, including the-. The blower is actuated by the energy of the exhaust gases, it is generally a centrifugal blower coupled directly to an exhaust gas turbine. Such a device is indicated for example in French patents No. 352980 and 524114. It is obvious that the blower as well as the exhaust gas turbine are calculated and. constructed so that their yields are as great as possible.
Under this assumption the pressure conditions necessary for regular operation are given immediately so that the supercharging Prussian is greater than the exhaust pressure. As these are almost exclusively multi-cylinder engines, the gas of which is exhaust must be conducted to the turbine by exhaust manifolds from the exhaust valves of the various working cylinders, it
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It is necessary to obtain an average exhaust pressure which is as much as possible a little lower than the boost pressure.
It is as a general rule, in particular for high-speed engines, to have the exhaust valves close at the end of the exhaust stroke a little * near neutral and that the inlet valves by center, 9 'open a little before this neutral point. this results in better emptying and filling of the working cylinder, but above all an expulsion of the exhaust gas residues by sweeping the combustion chamber.
An exhaust pressure as low as possible compared to the boost pressure is also necessary for this reason that there is a risk, when the exhaust pipe is common, that the engine cylinder whose exhaust has just started exerting pressure. on the closed exhaust valves of the other cylinders and that it can even force exhaust gases into these cylinders if the boost pressure is lower than the exhaust pressure.
In the device in question, that is to say for example also in the French patents cited, one obtains without difficulty a supercharging pressure greater than the average exhaust pressure. Theoretically, that is to say with an efficiency of 100% for the turbine and the fan, the pressure ratio determined by the calculation is about 2: 1 (overpressure), but even if the efficiency was only 75% for the turbine and the blower, sufficient overpressure could still be obtained for the charge air.
It is immediately obvious that under these pressure conditions the sweeping known for example in engines! gas is directly applicable. In this general case, when a very high pressure drop has to be taken into account, for the exhaust gases, i.e. a very low exhaust pressure, it is generally necessary that the energy of the exhaust gases exhaust is used almost completely
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in the. turbine. If it is desired to use some of the heat from the exhaust gases elsewhere, it may however be necessary to keep the pressure of the exhaust gases somewhat higher. In this case, it is no longer possible to obtain, by known means, a rational ratio between the charge pressure and the exhaust pressure.
The present invention relates to installations of four-stroke internal combustion engines in which the air intended for supercharging is produced by one or more blowers driven in part by at least one exhaust gas turbine and in part. part by an additional driving force. The invention consists in that the exhaust gas turbine has such dimensions or is adjusted in such a way that it gives to it only an average charge pressure lower than the average exhaust pressure and that the The action of the additional motive force increases the charge pressure until it reaches a value higher than the average exhaust pressure in front of the turbine.
The adjustment of the additional driving force for the purpose of increasing the boost pressure may take place, for example, between half load and overload or between full load and overload. There may be two or more blowers, part of which is operated by the exhaust gases alone or by the additional motive force alone and operate in series, with the other fans. However, there may also be two or more blowers operated simultaneously by exhaust gas turbines and additional motive power, and operating in parallel or in series.
Finally, there may be only one blower actuated by an exhaust gas turbine and comprising a device for driving by an additional driving force.
The process is shown. in fig. l using the indicator diagram.
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Fig. 2 is a diagram of a machine installation used to carry out the process.
Figs. 3 and 4 are variants of FIG. 2.
The line indicated in solid lines in fig. 1 is the
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curve of the indicator diagram when 1 real pressure of the charge air is produced by the turbine alone; the average fuel pressure pe being smaller than the average exhaust pressure pa. The dashed line b is
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the curve of the indicator diagram,. when the pre-cLmr6ssion is obtained simultaneously by means of the exhaust gas turbines and an additional driving force. In this case the average load pressure pe1 has been increased up to. a value greater than the average exhaust pressure pai
Fig.
2 shows a five-cylinder internal combustion engine 1 in which the exhaust gases or a part of these
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gas leaving the cylinders 2 entering 1 exhaust pipe S and are fed to the exhaust gas turbine 4. The latter
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is coupled a blower 5 which delivers e fresh air charge through the duct 6 in the cylinders 8 2 of the ::. motor È. internal combustion. the turbine 4 comprises, for example cc, rres pubages. resulting in a small pressure drop, so that the pressure of the charge air discharged into the cylinders by the fan
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5 actuated by this turbine is lower than the Exhaust Dressiun. to increase the exhaust pressure until it reaches a value greater than the exhaust pressure ::
On average in front of the turbine, another blower is used which is actuated by an additional driving force, for example an electric motor 8. The blower 7 is mounted in front of the blower 5, but it can also be mounted. in parallel with fan 5, as shown in fig. 5.
Finally, fig..4 shows an embodiment in which the compression of the charge air takes place only in a single ventila-
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t eur g whose remote control is provided by a turbine. exhaust gas 10 and an electric motor 11.
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The additional motive power can come from a generator actuated by the engine 1 or from a particular auxiliary unit. The auxiliary unit can be constituted by a generator powered by an internal combustion engine or a steam engine. The blower operated by an additional motive power can also be driven directly by an auxiliary motor, for example a steam turbine.