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Perfectionnements aux locomotives Diesel.
L'utilisation de transmissions pneumatiques pour la commande indirecte des locomotives Diesel a donné lieu à des recherches approfondies relativement aux phénomènes accompa- gnant l'emploi de l'air sous pression comme fluide moteur.
Lorsqu'il s'agit d'obtenir un rendement élevé de ces machines, on se heurte à des difficultés de construction provenant de ce que le poids et l'emplacement disponibles sont limités, et il devient donc nécessaire de trouver une solution nouvelle du problème, afin d'obtenir des machines efficaces en prati- que.
Ces difficultés comprennent essentiellement celles relatives au refroidissement du compresseur et à la températu-
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re de l'air sortant des cylindres du compresseur. Cette tem- pérature, qu'on doit maintenir à un degré relativement fai- ble afin d'éviter des inconvénients dans le graissage des cylindres des compresseurs et moteurs nécessite, surtout dans le cas de fortes pressions, des températures extrêmement fai- bles à la fin de la détente de l'air.
Afin d'obtenir un bon rendement, il est en outre nécessaire d'ajouter les calories récupérées, perdues dans le cycle de la combustion interne.
On peut supprimer le refroidissement externe du compresseur à l'aide d'un refroidissement interne, ou du moins le réduire sensiblement, en injectant de l'eau dans les cylindres du compresseur, par exemple. Ce système pré- sente toutefois beaucoup de désavantages par suite de la com- plication des organes additionnels qu'il nécessite, alors que l'exploitation des chemins de fer exige des dispositifs sim- ples et sûrs.
Un appareil trop délicat ou trop compliqué, comportant par exemple des injecteurs d'eau dans les cylin- dres de compresseur et nécessitant des organes de commande ou des pompes à pression très élevée et à commande précise, ou un dispositif exigeant une manipulation experte et exposé à des dérèglements fréquents, ne peut donc être désirable en pratique pour l'exploitation des locomotives, d'autant plus que l'eau injectée est susceptible de former des incrusta- tions dans l'injecteur, sur les soupapes du compresseur ou dans le cylindre même, et peut en conséquence altérer l'ef- ficacité et le rendement, provoquer une usure rapide de la machine et entraîner de graves inconvénients au cours de l'exploitation.
Afin d'éviter ces inconvénients on utilise aujourd' hui de l'eau distillée, qu'il est difficile de se procurer et qui est indésirable pour les locomotives de chemin de fer;
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en outre, si l'eau distillée est susceptible de supprimer les incrustations, par contre elle n'élimine ni la corrosion ni la possibilité qu'il se produise dans les cylindres des coups de bélier hydraulique, causés par des avaries du dis- positif de commande du pulvérisateur.
Grâce à la présente invention on évite entièrement la nécessité d'injecter de l'eau dans les cylindres du com- presseur, on résoud simultanément les problèmes associés au refroidissement du compresseur et à la formation du mélange destiné à être utilisé dans les cylindres de la locomotive, et on peut récupérer la chaleur perdue du compresseur et du moteur, tous ces effets étant assurés à l'aide de dispositifs robustes et peu encombrants, d'un fonctionnement simple et indéréglable, et sans qu'il soit nécessaire de modifier la construction habituelle des compresseurs.
L'invention consiste essentiellement à utiliser la chaleur acquise par l'air comprimé par suite de son passage à travers les cylindres du compresseur en vue de former le mélange, et à refroidir cet air comprimé par un contact direct avec de l'eau, par exemple en le faisant barboter à travers une masse d'eau maintenue à un niveau constant, ou passer à travers une pluie d'eau, éventuellement avec une quantité déterminée d'eau.
L'eau peut être celle servant au refroidissement des moteurs Diesel, et on peut la surchauffer à l'aide des gaz d'échappement de ceux-ci.
Afin d'obtenir un haut rendement des locomotives de chemins de fer, il est nécessaire d'utiliser de fortes pres- sions et comme il est pratiquement impossible d'assurer la compression de l'air en une seule opération, on peut interca- ler le dispositif suivant l'invention entre les phases inter-
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médiaires de compression sans toutefois modifier la disposi - tion qui comporte un élément à haute précision derrière le cylindre.
Les Figs. 1, 2, 3 et 4 du dessin annexé représentent diverses formes de réalisation de l'invention.
Sur la fig. 1, 1 désigne un réservoir dans lequel on maintient de l'eau à un niveau Constant 2, à l'aide de dispositifs d'alimentation automatique habituels. On prélève par exemple cette eau de la circulation de refroidissement du moteur Diesel, et on l'admet en 7.
Le tube 4 débite l'air sous pression et par consé- quent chauffé, amené du cylindre compresseur, dans l'eau dans laquelle il est immergé cet air devant donc passer à travers la masse d'eau. La partie immergée du tube 4 comporte un grand nombre de petits orifices 5 destinés à subdiviser l'air bouillonnant à travers l'eau. L'air sous pression se refroidit en passant à l'état divisé à travers l'eau, et la chaleur qu'il cède à cette dernière sert à la vaporiser et à en satu- rer l'air comprimé.
Le d8me 3 du réservoir 1 reçoit l'air saturé et re- froidi, qu'on peut immédiatement utiliser de nouveau ou sur- chauffer au préalable, ou qu'on peut aspirer dans le cylindre compresseur suivant.
On évacue le mélange par la tubulure 6. A l'aide de cet appareil on peut combiner le surchauffage avec l'utilisa- tion des gaz chauds du moteur dont il a été question. Dans ce but il y a lieu d'établir le réservoir 1 de manière que sa forme corresponde à celle des chaudières de récupération, et de faire passer également un nombre convenable de tuyaux chauf- fés par l'espace situé au-dessus du niveau 2. Les gaz chauds sont admis dans la chambre 8, passent par les conduits 10, 11,
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et sont évacués dans le compartiment collecteur 9. Les con- duits 10 traversant la masse d'eau assurent la vaporisation directe et facilitent la saturation,ou la formation d'un mé- lange plus riche, tandis que les conduits 11, léchés par le mélange déjà formé, servent à surchauffer ce dernier.
En subdivisant la chambre 8 de manière connue on peut commander les deux courants de gaz, à l'aide d'une sou- pape à clapet, et assurer le surchauffage. Un brûleur 12, dis- posé en parallèle, sert au chauffage initial de la masse et constitue également une source d'énergie auxiliaire dans le cas où une vaporisation plus intense deviendrait nécessaire par suite de températures de gaz trop basses ou de limites de charge minimum pendant le travail.
Suivant la variante représentée sur la fig. 2, on obtient le même effet en invertissant la construction, le contact intime entre l'air et l'eau étant assuré en subdivi- sant celle-ci en une fine pluie, en réduisant ainsi le volume actif d'eau et en supprimant son inertie thermique dont l'ef- fet est favorable ou défavorable, selon le cas. La figure représente à titre d'exemple une forme de réalisation com- portant deux réservoirs en série, mais on peut bien entendu réaliser le dispositif entier sous forme d'un seul réservoir.
Les deux réservoirs 12, 13, sont reliés par des raccords 14 et par un tuyau 15. L'air admis dans le réservoir 12 par la tubulure 16 passe dans le réservoir 13 par les lumières du tuyau 15. L'eau chaude provenant du refroidissement de la locomotive est admise par le conduit 17, et s'échappe à l'état finement divisé par les ouvertures du collecteur 18. La partie de l'eau qui n'est pas vaporisée s'accumule au fond du réser- voir et pénètre par les raccords 14 dans le réservoir infé- rieur 12, d'ou elle est éventuellement évacuée en 20, pour regagner la chambre d'aspiration de la pompe à eau. Cette
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pompe et le robinet 20 sont commandés de manière qu'il n'y ait qu'un léger excédent d'eau.
L'air et l'eau circulent donc en sens inverse l'un de l'autre. Le mélange saturé et refroidi est évacué en 21; A l'aide de ce dispositif, on peut également utiliser les gaz d'échappement en les admettant dans la chambre 22, en les faisant passer par les tubes 23 et en les évacuant par la chambre 24.
Le système tubulaire remplit un triple r5le: celui de vaporiser directement les gouttelettes projetées contre les tubes, de vaporiser indirectement, en chauffant l'air qui à son tour vaporise l'eau, et de surchauffer le mélange.
Pour réaliser ce dernier but on peut utiliser la pluie d'eau afin de chauffer plus ou moins la section des tubes 23, adjacente à l'orifice d'échappement 21 du mélange formé, en actionnant le clapet 25 ou un dispositif analogue.
Ainsi que dans la réalisation précédemment décrite, le brû- leur 26 est susceptible de coopérer au besoin. On peut pré- voir des séparateurs spéciaux afin de retenir l'eau évacuée.
Dans le cas du dispositif représenté sur la fig. 3, on réduit encore la masse d'eau utilisée, qu'on restreint exactement à la quantité qu'il s'agit de vaporiser. On admet l'air sous pression dans le réservoir 27 par la tubulure 28 et on évacue le mélange formé pendant son passage à travers ce réservoir par la tubulure de sortie 29.
On introduit l'eau à vaporiser par plusieurs tuyères convenablement disposées 30, alimentées par des tuyaux 31 en communication avec la pompe d'injection.
Le volume d'eau que débite cette pompe par unité de temps est réglé automatiquement et est, par exemple, subor- donné au nombre de révolutions du compresseur et à son volume
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d'air par unité de temps. Dans le cas où on utilise les gaz d'échappement du moteur,on admet ceux-ci, par exemple, dans la chambre collectrice annulaire 32, on les fait passer par les tubes 33 dont l'effet est analogue à celui des tubes du dispositif de la fig. 2, et on les évacue par la chambre 34.
Le brûleur 35 est destiné à constituer une source de chaleur auxiliaire. On peut assurer le suichauffage du mélange comme dans le cas du dispositif représenté sur la fig. 2, c'est-à- dire en laissant libre une partie des tubes et en ouvrant ou en fermant les tuyères 30 à proximité de la tubulure 29 de sortie du mélange. On peut toutefois substituer au systè- me de surchauffage représenté d'une manière générale sur les figs. 1 et 2, par exemple, des dispositifs analogues tels que ceux de la fig. 4, constituant une variante de la fig. 3 et comportant les mêmes chiffres de référence.
On voit d'après ces formes de réalisation de l'in- vention qu'il a été possible de résoudre les problèmes com- plexes que présentent le refroidissement de l'air sous pres- sion, la formation d'un mélange saturé ou riche en vapeur d'eau, le surchauffage éventuel de ce mélange et l'utilisation de la chaleur perdue, tout en réduisant au minimum le refroi- dissement externe du compresseur. On obtient ce résultat à l'aide d'appareils simples et peu coûteux (ce qui est parti- culièrement important dans le cas de machines destinées à remplacer des locomotives de chemin de fer dont la construc- tion est habituellement simple et robuste), faciles à ins- pecter et à nettoyer et d'un maniement aisé. Il est également à noter que l'alimentation d'eau est constante et ne nécessite aucun appareil de commande délicat ou compliqué.
Non seulement l'incrustation éventuelle des saturateurs n'affecte pas leur fonctionnement, mais elle exerce un effet favorable en consti-
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tuant un revêtement isolant utile. Les incrustations des tu- bes n'ont qu'une action relative, dont on constate aisément l'effet par la réduction subséquente de la transmission de la chaleur, et il est facile de nettoyer ou de réparer ces tu- bes ou même de les remplacer au cours des inspections pério- diques.
L'utilisation de la chaleur perdue est complète, pour le motif que le refroidissement par saturation atteint approximativement 100 C, ou reste inférieur à cette tempéra- ture dans le cas de la première phase des compresseurs multi- ples.
Grâce à la différence de température appréciable en- tre les gaz et l'air, on peut donc récupérer complètement les calories que renferment les gaz chauds.
Il n'est pas nécessaire d'utiliser de l'eau distil- lée et, même dans le cas de la réalisation représentée sur la Fig.3, si des tuyères s'obstruaient ou pourrait facilement les remplacer ou les nettoyer sans interrompre l'exploitation.
Le système conforme à l'invention permet de traiter de la manière décrite, afin de former un mélange de tempéra- ture et de saturation moyennes, la totalité de l'air compri- mé dérivé des cylindres compresseurs, ainsi qu'une partie de cet air destinée à être mélangée, après le traitement, au volume qui n'a pas été traité.
Dans le cas de moteurs munis du refroidissement à eau surchauffée sous pression du type connu, on peut ajouter au mélange là vapeur engendrée et notamment, dans une phase correspondant au compresseur, on peut utiliser le réservoir 1 (Figs. 1, 2, 3) comme collecteur et vaporisateur d'eau en vue de ce refroidissement.
On a compris cette disposition spéciale parmi les applications auxquelles se prêtent les dispositifs décrits,
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car elle constitue un moyen d'augmenter le rendement.
Suivant une autre réalisation de l'invention s'appli- quant au refroidissement normal, qui s'effectue toujours à des températures élevées dans les moteurs Diesel, on supprime les radiateurs et on fait passer l'air comprimé à travers la masse d'eau de la circulation de refroidissement du moteur. Cet air absorbe un certain excédent de vapeur, selon les températures régnant dans le réservoir de saturation.
Bien entendu, on peut modifier de diverses manières, les dispositifs qui ont été décrits sans sortir du cadre de l'invention.
REVENDICATIONS ---------------------------
1.- Perfectionnements aux locomotives Diesel utili- sant pour la transmission de l'énergie un mélange d'air sous pression et de vapeur d'eau, consistant à utiliser la chaleur acquise par l'air sous pression au cours de son passage par les cylindres du compresseur en vue de former le.'mélange des- tiné à actionner les pistons de la locomotive, et à refroidir cet air sous pression au contact direct de l'eau.
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Improvements to Diesel locomotives.
The use of pneumatic transmissions for the indirect control of diesel locomotives has given rise to extensive research into the phenomena accompanying the use of pressurized air as a driving fluid.
When it comes to obtaining high efficiency from these machines, construction difficulties arise from the limited weight and location available, and it therefore becomes necessary to find a new solution to the problem. , in order to obtain efficient machines in practice.
These difficulties mainly include those relating to the cooling of the compressor and the temperature.
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re air coming out of the compressor cylinders. This temperature, which must be kept at a relatively low degree in order to avoid inconveniences in the lubrication of the cylinders of compressors and engines, necessitates, especially in the case of high pressures, extremely low temperatures at the outlet. end of air relaxation.
In order to obtain a good yield, it is also necessary to add the recovered calories, lost in the cycle of internal combustion.
The external cooling of the compressor can be suppressed with the aid of internal cooling, or at least it can be reduced considerably, by injecting water into the cylinders of the compressor, for example. However, this system has many disadvantages due to the complexity of the additional components which it requires, while the operation of the railways requires simple and reliable devices.
A device that is too delicate or too complicated, for example having water injectors in the compressor cylinders and requiring very high pressure and precisely controlled actuators or pumps, or a device requiring expert and exposed handling to frequent disturbances, cannot therefore be desirable in practice for the operation of locomotives, especially since the injected water is liable to form encrustation in the injector, on the compressor valves or in the cylinder even, and can consequently affect the efficiency and the output, cause rapid wear of the machine and cause serious inconvenience during operation.
In order to avoid these drawbacks today distilled water is used, which is difficult to obtain and which is undesirable for railway locomotives;
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furthermore, if the distilled water is capable of removing encrustations, on the other hand it does not eliminate corrosion or the possibility of hydraulic water hammer occurring in the cylinders, caused by damage to the control device. sprayer control.
By virtue of the present invention the necessity of injecting water into the cylinders of the compressor is entirely avoided, the problems associated with the cooling of the compressor and the formation of the mixture for use in the cylinders of the compressor are simultaneously solved. locomotive, and the waste heat from the compressor and the engine can be recovered, all these effects being ensured by means of robust and space-saving devices, of a simple and foolproof operation, and without the need to modify the construction usual compressors.
The invention essentially consists in using the heat acquired by the compressed air as a result of its passage through the cylinders of the compressor in order to form the mixture, and in cooling this compressed air by direct contact with water, by example by bubbling it through a body of water maintained at a constant level, or passing through a rain of water, possibly with a determined quantity of water.
The water can be that used for cooling diesel engines, and it can be superheated using the exhaust gases thereof.
In order to obtain high efficiency from railway locomotives, it is necessary to use high pressures and since it is practically impossible to ensure the compression of the air in a single operation, it is possible to interpose the device according to the invention between the inter-
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compression medias without modifying the arrangement which has a high-precision element behind the cylinder.
Figs. 1, 2, 3 and 4 of the accompanying drawing represent various embodiments of the invention.
In fig. 1, 1 designates a tank in which water is maintained at a constant level 2, using the usual automatic feed devices. For example, this water is taken from the cooling circulation of the diesel engine, and it is admitted at 7.
The tube 4 delivers the pressurized and consequently heated air, supplied from the compressor cylinder, into the water in which it is immersed, this air therefore having to pass through the body of water. The submerged part of the tube 4 has a large number of small orifices 5 intended to subdivide the air bubbling through the water. Pressurized air cools as it passes through the water in a divided state, and the heat imparted to the latter serves to vaporize it and saturate the compressed air with it.
D8me 3 of tank 1 receives the saturated and cooled air, which can immediately be used again or pre-overheated, or which can be sucked into the next compressor cylinder.
The mixture is evacuated through pipe 6. With the aid of this apparatus, the superheating can be combined with the use of the hot gases of the engine which has been discussed. For this purpose it is necessary to establish the tank 1 so that its shape corresponds to that of the recovery boilers, and also to pass a suitable number of heated pipes through the space located above level 2 The hot gases are admitted into chamber 8, pass through conduits 10, 11,
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and are discharged into the collector compartment 9. The conduits 10 passing through the body of water ensure direct vaporization and facilitate saturation, or the formation of a richer mixture, while the conduits 11, licked by the water. mixture already formed, serve to overheat the latter.
By dividing the chamber 8 in a known manner, it is possible to control the two gas streams, by means of a flap valve, and to ensure the superheating. A burner 12, arranged in parallel, serves for the initial heating of the mass and also constitutes an auxiliary energy source in the event that more intense vaporization becomes necessary as a result of too low gas temperatures or minimum load limits. during work.
According to the variant shown in FIG. 2, the same effect is obtained by inverting the construction, the intimate contact between air and water being ensured by subdividing the latter into a fine rain, thus reducing the active volume of water and eliminating its thermal inertia the effect of which is favorable or unfavorable, as the case may be. The figure shows by way of example an embodiment comprising two reservoirs in series, but it is of course possible to realize the entire device in the form of a single reservoir.
The two reservoirs 12, 13, are connected by fittings 14 and by a pipe 15. The air admitted into the reservoir 12 through the pipe 16 passes into the reservoir 13 through the openings of the pipe 15. The hot water coming from the cooling of the locomotive is admitted through line 17, and escapes in a finely divided state through the openings of the manifold 18. The part of the water which is not vaporized accumulates at the bottom of the tank and penetrates via the connectors 14 in the lower reservoir 12, from where it is possibly evacuated at 20, to return to the suction chamber of the water pump. This
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pump and tap 20 are controlled so that there is only a slight excess of water.
Air and water therefore circulate in the opposite direction to each other. The saturated and cooled mixture is discharged at 21; With the aid of this device, it is also possible to use the exhaust gases by admitting them into the chamber 22, by passing them through the tubes 23 and by discharging them through the chamber 24.
The tubular system fulfills a threefold role: that of directly vaporizing the droplets projected against the tubes, of vaporizing indirectly, by heating the air which in turn vaporizes the water, and of superheating the mixture.
To achieve this last object, the rain of water can be used to heat more or less the section of the tubes 23, adjacent to the exhaust port 21 of the mixture formed, by actuating the valve 25 or a similar device.
As in the embodiment described above, the burner 26 is capable of cooperating if necessary. Special separators can be provided to retain the discharged water.
In the case of the device shown in FIG. 3, we further reduce the mass of water used, which we restrict exactly to the quantity to be vaporized. The pressurized air is admitted into the reservoir 27 through the pipe 28 and the mixture formed during its passage through this reservoir is evacuated through the outlet pipe 29.
The water to be vaporized is introduced through several suitably arranged nozzles 30, supplied by pipes 31 in communication with the injection pump.
The volume of water delivered by this pump per unit of time is automatically regulated and is, for example, subordinated to the number of revolutions of the compressor and to its volume.
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of air per unit of time. In the case where the exhaust gases of the engine are used, these are admitted, for example, in the annular collecting chamber 32, they are passed through the tubes 33, the effect of which is similar to that of the tubes of the device. of fig. 2, and they are evacuated through chamber 34.
The burner 35 is intended to constitute an auxiliary heat source. Suheating of the mixture can be ensured as in the case of the device shown in FIG. 2, that is to say by leaving a part of the tubes free and by opening or closing the nozzles 30 near the outlet pipe 29 for the mixture. However, it is possible to replace the superheating system shown in general in FIGS. 1 and 2, for example, similar devices such as those of FIG. 4, constituting a variant of FIG. 3 and with the same reference numbers.
It can be seen from these embodiments of the invention that it has been possible to overcome the complex problems of cooling air under pressure, forming a saturated or rich mixture. in water vapor, the possible overheating of this mixture and the use of waste heat, while minimizing the external cooling of the compressor. This is achieved with the aid of simple and inexpensive devices (which is particularly important in the case of machines intended to replace railway locomotives, the construction of which is usually simple and robust), easy easy to inspect and clean. It should also be noted that the water supply is constant and does not require any delicate or complicated control apparatus.
Not only does the possible encrustation of saturators not affect their functioning, but it exerts a favorable effect in constituting
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killing a useful insulating coating. The encrustations of the tubes have only a relative effect, the effect of which is easily seen by the subsequent reduction in heat transmission, and it is easy to clean or repair these tubes or even to repair them. replace during periodic inspections.
The use of the waste heat is complete, on the grounds that the saturation cooling reaches approximately 100 ° C., or remains below this temperature in the case of the first stage of the multiple compressors.
Thanks to the appreciable temperature difference between the gases and the air, it is therefore possible to completely recover the calories contained in the hot gases.
It is not necessary to use distilled water and, even in the case of the embodiment shown in Fig. 3, if nozzles would become clogged or could easily replace or clean them without interrupting the operation.
The system according to the invention makes it possible to treat, in the manner described, in order to form a mixture of average temperature and saturation, all of the compressed air derived from the compressor cylinders, as well as part of this. air intended to be mixed, after treatment, with the volume which has not been treated.
In the case of engines fitted with superheated pressurized water cooling of the known type, the vapor generated can be added to the mixture and in particular, in a phase corresponding to the compressor, the tank 1 can be used (Figs. 1, 2, 3). as water collector and vaporizer for this cooling.
This special arrangement has been understood among the applications to which the devices described are suitable,
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because it constitutes a means of increasing the yield.
According to another embodiment of the invention, which applies to normal cooling, which always takes place at high temperatures in diesel engines, the radiators are omitted and the compressed air is passed through the body of water. of the engine cooling circulation. This air absorbs a certain excess of steam, depending on the temperatures in the saturation tank.
Of course, the devices which have been described can be modified in various ways without departing from the scope of the invention.
CLAIMS ---------------------------
1.- Improvements to diesel locomotives using for the transmission of energy a mixture of pressurized air and water vapor, consisting in using the heat acquired by the pressurized air during its passage through the compressor cylinders in order to form the mixture intended to actuate the pistons of the locomotive, and to cool this pressurized air in direct contact with water.