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Moteur à combustion à deux temps pourvu d'une turbine à gaz d'échappement actionnant le ventilateur qui fournit l'air de balayage.
L'énergie des gaz d'échappement des moteurs à combustion, énergie qui est utilisée pour actionner des turbines, est fonction de la masse, de la pression et de la température de ces gaz. Lorsque le régime du moteur à combustion varie, la quantité de gaz d'échappement reste sensiblement constante mais, par contre, leur pression et leur température s'abaissent fortement lorsque la char- ge décroît, -ce qui entraine une diminution correspondan- te de leur énergie.
Lorsqu'on utilise des turbines à gaz d'échap- pement pour actionner un ventilateur produisant le mou- vement de l'air de balayage et de combustion, les con- ditions sont essentiellement différentes pour les moteurs à quatre temps' et pour les moteurs à deux temps. Dans @
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les moteurs à quatre temps, il n'est pas absolument in- dispensable, en particulier pour les faibles régimes, que la pression de l'air de combustion produite par le ventilateur soit plus élevée que la contre-pression d'échappement, c'est-à-dire que la pression des gaz d'échappement avant la turbine.
On peut donc, dans les ventilateurs qui four- nissent l'air de combustion et qui sont actionnés par les gaz d'échappement, établir par exemple la loi de variation indiquée dans le diagramme de la fig. pour la pression de l'air de combustion et pour la pression d'échappement en fonction de la charge. Sur ce diagramme on a porté en abcisses, suivant Ox, les différantes charges et en ordonnées, suivant Oy, les pressions cor- respondantes dans la tuyauterie d'échappement (courbe E) et dans la conduite d'air de combustion (courbe A).
Pour des régimes supérieurs à environ 3/4 de charge, la pression de l'air de combustion est supé- rieure à la contre-pression d'échappement ; par contre, elle est inférieure pour les régimes situés au-dessous de 3/4 de charge. Cela signifie qu'aux charges élevées il se produit un balayage de l'espace mort du cylindre par l'air de combustion frais, tandis qu'au contraire, à charge réduite, il subsiste dans l'espace mort supé- rieur, une certaine quantité de gaz brûlé, et que le piston descendant ne reçoit du ventilateur que de l'air sous une pression plus faible que la contre-pression d'échappement, c'est-à-dire qu'il aspire en partie lui- même à travers le ventilateur.
Ces conditions sont sans inconvénient dans les moteurs à quatre temps, car le
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cylindre de travail reçoit toujours à faible charge une masse d'air suffisante, même dans le cas où la contre pression d'échappement est supérieure à la pression de l'air de combustion.
Les conditions sont différentes dans les moteurs à deux temps. Comme le montre le diagramme de la fig.2, dans lequel les courbes A et E représentent respectivement, en fonction de la charge, les variations de la pression de l'air de balayage et de celle des gaz d'échappement, la pression de l'air de balayage doit, même à faible charge, être supérieure à la contre-pres- sion d'échappement, car sans cela le cylindre ne serait pour ainsi dire pas balayé et ne recevrait pas d'air frais. Cependant, dans les moteurs à deux temps les températures d'échappement sont, par suite du mélange des gaz d'échappement avec l'excédent d'air de balayage, notablement plus basses que dans les moteures à quatre temps.
Il en résulte que, même pour un très bon rende- ment de la turbine à gaz d'échappement et du ventila- teur, l'énergie des gaz d'échappement mélangés à l'air de balayage ne suffit plus, même à charge normale, pour produire de l'air de balayage sous une pression supé- rieure à la pression des gaz d'échappement. Les gaz d'échappement ne peuvent alors fournir au ventilateur qu'une fraction de l'énergie motrice qui lui est né- cessaire.
Pour cette raison, on a déjà proposé de pro- duire l'énergie motrice manquante par un moteur électri- que monté sur l'arbre du ventilateur. On a également pro- posé d'accoupler par une commande rigide le ventilateur @
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et la turbine à gaz d'échappement avec le moteur princi- pal, et de prélever sur ce dernier l'énergie qui fait défaut. Enfin, on a également été amené à prélever dans le cylindre des gaz d'échappement à pression et tempéra- faires ture supérieures et à travealler ceux-ci directement dans un étage de turbine, sans les mélanger au restedes gaz d'achappement. Pour cela, on suppose que tous les cylindres sont construits de la même manière et que, lorsque le régime baisse, ils sont tous réglés de la même façon.
La présente invention a pour but de fournir l'énergie motrice faisant défaut au ventilateur qui four- nit l'air de balayage en accouplant au moteur à deux temps un ou plusieurs cylindres auxiliaires montés sur le même arbre et réglés indépendamment du régime du moteur prin- cipal, de telle sorte que ce ou ces cylindres auxiliai- res peuvent fournir des gaz d'échappement possédant une énergie supérieure à celle des gaz d'échappement du mo- teur principal, ces gaz d'échapnement travaillant dans une turbine particulière montée sur le même arbre que le ventilateur qui forunit l'air de balayage, ou bien dans un étage particulier de la turbine ordinaire à gaz d'échappement. Ces cylindres auxiliaires supplémentaires peuvent être constitués par des cylindres à quatre ou à deux temps.
Ils doivent seulement satisfaire à deux conditions, à savoir fournir des gaz d'échappement pos- sédant une énergie plus élevée que ceux du moteur prin- cipal et pouvoir être réglés d'une façon indépendante du régime du moteur principal, de telle manière que, quelles que soient les conditions de fonctionnement, on dispose
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d'une quantité suffisante d'énergie contenue dans les gaz d'échappement pour obtenir constamment une pression de balayage supérieure à la contre-pression d'échappement.
La description qui va suivre, en regard du des- sin annexé, donné à titre d'exemple, fera bien comprendre de quelle manière l'invention peut être réalisée.
Les fig. 1 et 2 sont des diagrammes dont l'ob- ject a été exposé ci-dessus.
La fig. 3 représente, partie en élévation, par- tie en coupe verticale, un mode d'exécution dans lequel le système auxiliaire est constitué par des cylin- dres à quatre temps.
Les fig. 4 à 6 montrent des modes de réalisa- tion dans lesquels le système auxiliaire se compose de cylindres à deux temps.
Sur la fig.3, on a représenté en a un mo- teur à combustion à deux temps, qui peut comporter, par exemple, quatre cylindres. Les différentes cylindres sont pourvus d'une tuyauterie commune b d'air de balayage et de combustion et également d'une tuyauterie commune d'échappement c. En outre, il est prévu un cinquième cy- lindre d à quatre temps qui travaille sur le même vile- brequin que le moteur à deux temps. Sur la soupape d'échappement e de ce cylindre est raccordée une tuyauterie d'échappement f indépendante de la conduite c.
L'air de balayage et de combustion nécessaire aux moteurs à deux temps est fourni par un ventilateur g qui est actionné par deux turbines à gaz d'échappement i et j, montées avec lui sur un même arbre h.La Première
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de ces turbines, i, est alimentée par la tuyauterie d'échappement c du moteur a deux temps ; par contre, la deuxième turbine j est reliée à la conduite d'échappe- ment f du cylindre à quatre temps d, et elle est alimentée par les gaz d'échappement de ce dernier.
Le réglage de la pompe à carburant du cylindre à,quatre temps peut être effectué indépendamment du réglage correspondant du cylindre a deux temps, de telle manière qu'on dispose constamment de gaz d'échappement possédant une température et par conséquent une énergie suffisante pour fournir l'effort moteur necessaire à la pompe de balayage.
De même, la commande de la soupape d'échappement e de ce cylindre peut être réglée indépendamment du régime du moteur à deux temps, soit à la main, soit par le régulateur de la machine, de telle façon que cette soupape s'ouvre plus tôt ou plus tard, ce qui cor- respond par suite à une contre-pression d'échappement variable et à une température variable des gaz d'échap- pement, de sorte que l'énergie des gaz d'échappement de ce cylindre à quatre temps peut être prélevée en quan- tité quelconque. La turbine à gaz d'échappement j qui est raccordée à cette soupape fournit à l'énergie dotrice de la turbine j l'appoint qui manque pour la produc- tion de la pression nécessaire de l'air de balayage fourni par le ventilateur.
Dans le cas de moteurs à deux temps à double effet, on peut aussi prévoir une disposition telle que l'un ou plusieurs des cylindres à deux temps fonctionnent par un de leurs côtés suivant le cycle à quatre temps et
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soient reliés à une turbine particulière ou à un étage spécial de la turbine à gaz d'échappement ordinaire.
Dans ce cas, ce côté de cylindre doit également pouvoir être réglé indépendamment du régime des autres cylindres à deux temps, de telle manière qu'il fournisse l'énergie additionelle de gaz d'échappement nécessaire pour actionner le ventilateur d'air de balayage.
Les cylindres auxiliaires qui fournissent l'énergie d'échappement supplémentaire peuvent aussi être constitués par des cylindres à deux temps. La figure 4 représente en élévation, à titre d'example, un tel mode de réalisation. Sur cette figure, on a désigné à nouveau par a le moteur principal à deux temps dont les cylindrer al sont reliés à la tuyauterie b d'air de balayage et de combustion ainsi qu'à la tuyauterie d'échappement c, tandis que le cylindre a2 possède une tuyauterie d'échappement particulière cl.
On a figuré en g le ventilateur qui fournit au moteur à deux temps l'air de balayage et de combustion.
Il est actionné par deux turbines à gaz d'échappement i et j montées avec lui sur un même arbre h. La turbine i est alimentée par les gaz d'échappement des cylindres à deux temps al par l'intermédiaire de latuyauterie c3, tandis que la seconde turbine j est reliée à la conduite d'échappement cl du cylindre à deux temps a2. De la con- duite cl, part une dérivation c2 vers la tuyauterie prin cipale d'échappement c3.
Au point de branchement des tuyauteries cl, c2 est prévu un organe commandé, par exemple un clapet 1 qui est commandé de façon à diriger d'abord sur la turbine j les gaz d'échappement chauds et àhaute pression produits par le début de l'échappement,
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ce qui permet à la turbine j de fournir au ventilateur g la puissance qui lui manque, puis à être ensuite inverse de manière à obturer la conduite cl et à ouvrir la canalisation c2 pour diriger ainsi dans la conduit d'échappement c3, qui aboutit à la turbine i, les gaz d'échappement mélangés à l'excédent d'air de balayage et par conséquent plus froids.
Le réglage du cylindre à deux temps a2 s'effectue, dans ce cas également, suivant une autre loi que celui des cylindres à deux temps normaux a1, de telle manière qu'il puisse constamment fournir l'énergie d'échappement qui fait défaut pour actionner le ventilateur.
La figure 5 montre en élévation un autre mode de réalisation dans lequel le cylindre auxiliaire a2 est également un cylindre à deux temps, et dans lequel le prélèvement des gaz d'échappement à pression et tempé- rature plus élevées est effectué de telle façon qu'une partie ou que l'ensemble des lumières d'échappement kl de ce cylindre soient à une hauteur supérieure à celle des lumières k des autres cylindres à deux temps. On prélève par conséquent sur ces cylindres des gaz d'échap- pement possédant une pression et une température plus élevées, et ces gaz d'échappement sont dirigés sur une turbine à gaz d'échappement particulière j, tandis que les gaz d'échappement des autres cylinders sont envoyés dans la turbine à gaz d'échappement ordinaire i de la même manière que dans l'example précédent.
Au lieu d'un seul cylindre auxiliaire, on peut éventuellement utiliser d'après l'invention un système de plusieurs cylindres à quatre ou à deux temps,
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en liaison avec le moteur à deux temps. De même, le sys- tème de cylindres auxiliaires peut être relié à un étage particulier de la turbine principale au lieu d'être rac- cordé à une turbine particulière, cette dernière étant alors supprimée.
La figure 6 représente en plan un mode d'exé- cution dans lequel le moteur polycylindrique à deux temps comporte deux cylindres a2 reliés à une tuyauterie d'échappement particulière cl qui est raccordée à une turbine à gaz d'échappement j; cette turbine, qui fonctionne avec la plus grande énergie des gaz d'échap- pement, est placée immédiatement à côté du moteur, de telle manière qu'il est possible d'obtenir une bonne transmission des gaz sans perte importante d'énergie, et par conséquent de pression et de température. Les autres cylindres échappent dans une tuyauterie d'échappement commune c qui actionne la turbine à gaz d'échappement i travaillant avec le reste d'énergie des gaz d'échappement.
Dans tous les cas où l'on utilise des cylindres à deux temps pour produire l'appoint d'énergie d'échappe- ment, le réglage de ces cylindres à deux temps s'effectue suivant une autre loi que le réglage des cylindres ordinaires de travail.
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Two-stroke combustion engine with an exhaust gas turbine operating the fan which supplies the purging air.
The energy of combustion engine exhaust gases, the energy that is used to drive turbines, is a function of the mass, pressure and temperature of these gases. When the speed of the combustion engine varies, the quantity of exhaust gas remains substantially constant but, on the other hand, their pressure and temperature drop sharply when the load decreases, which leads to a corresponding decrease in their energy.
When exhaust gas turbines are used to drive a fan producing the movement of the scavenging and combustion air, the conditions are essentially different for four-stroke engines and for engines. two-stroke. In @
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in four-stroke engines, it is not absolutely essential, especially at low speeds, that the pressure of the combustion air produced by the fan is higher than the exhaust back pressure, it is that is, the pressure of the exhaust gas before the turbine.
It is therefore possible, in the fans which supply the combustion air and which are actuated by the exhaust gases, for example to establish the law of variation indicated in the diagram of fig. for combustion air pressure and for load dependent exhaust pressure. On this diagram we have plotted on the abscissa, along Ox, the different charges and on the ordinate, along Oy, the corresponding pressures in the exhaust pipe (curve E) and in the combustion air pipe (curve A). .
For speeds greater than about 3/4 load, the combustion air pressure is greater than the exhaust back pressure; on the other hand, it is lower for the speeds located below 3/4 load. This means that at high loads there is a flushing of the dead space of the cylinder by the fresh combustion air, while on the contrary, at reduced load, there remains in the upper dead space a certain quantity of gas burned, and that the descending piston receives from the fan only air at a pressure lower than the exhaust backpressure, that is to say, it draws in part itself to through the fan.
These conditions are not inconvenient in four-stroke engines, because the
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The working cylinder always receives a sufficient mass of air at low load, even if the exhaust back pressure is greater than the pressure of the combustion air.
The conditions are different in two-stroke engines. As shown in the diagram in fig. 2, in which the curves A and E represent respectively, as a function of the load, the variations in the pressure of the purging air and that of the exhaust gases, the pressure of the purging air must, even at low load, be greater than the exhaust backpressure, otherwise the cylinder would hardly be swept and would not receive fresh air. However, in two-stroke engines the exhaust temperatures are, as a result of the mixing of the exhaust gases with the excess purge air, notably lower than in four-stroke engines.
It follows that, even for a very good efficiency of the exhaust gas turbine and the fan, the energy of the exhaust gases mixed with the purging air is no longer sufficient, even at normal load. , to produce purging air at a pressure greater than the pressure of the exhaust gases. The exhaust gases can then supply the ventilator with only a fraction of the motive energy which it needs.
For this reason, it has already been proposed to produce the missing motive power by an electric motor mounted on the fan shaft. It has also been proposed to couple the fan @ by a rigid control.
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and the exhaust gas turbine with the main engine, and to extract the missing energy from the latter. Finally, it has also been necessary to take exhaust gases at higher pressure and temperature from the cylinder and to run them directly in a turbine stage, without mixing them with the rest of the exhaust gases. For this, it is assumed that all cylinders are constructed the same and that when the revs drop they are all set the same.
The object of the present invention is to supply the missing motive power to the fan which supplies the purging air by coupling to the two-stroke engine one or more auxiliary cylinders mounted on the same shaft and regulated independently of the speed of the main engine. - main, so that this or these auxiliary cylinders can supply exhaust gases having an energy greater than that of the exhaust gases from the main engine, these exhaust gases working in a particular turbine mounted on the same shaft as the fan which supplies the scavenging air, or else in a particular stage of the ordinary exhaust gas turbine. These additional auxiliary cylinders can be constituted by four or two stroke cylinders.
They only need to satisfy two conditions, namely to supply exhaust gases with higher energy than those of the main engine and to be able to be regulated independently of the speed of the main engine, in such a way that, whatever the operating conditions, we have
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sufficient amount of energy contained in the exhaust gas to consistently achieve a sweep pressure greater than the exhaust back pressure.
The description which will follow, with reference to the appended drawing, given by way of example, will make it clear how the invention can be implemented.
Figs. 1 and 2 are diagrams, the object of which has been explained above.
Fig. 3 shows, partly in elevation, partly in vertical section, an embodiment in which the auxiliary system consists of four-stroke cylinders.
Figs. 4 to 6 show embodiments in which the auxiliary system consists of two-stroke cylinders.
In FIG. 3, a two-stroke combustion engine has been shown at a, which may include, for example, four cylinders. The different cylinders are provided with a common piping b of purging and combustion air and also with a common exhaust piping c. In addition, a fifth four-stroke d cylinder is provided which operates on the same crankshaft as the two-stroke engine. On the exhaust valve e of this cylinder is connected an exhaust pipe f independent of the pipe c.
The purging and combustion air required for two-stroke engines is supplied by a fan g which is driven by two exhaust gas turbines i and j, mounted with it on the same shaft h.
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of these turbines, i, is supplied by the exhaust pipe c of the two-stroke engine; on the other hand, the second turbine j is connected to the exhaust pipe f of the four-stroke cylinder d, and it is supplied by the exhaust gases from the latter.
The adjustment of the fuel pump of the four-stroke cylinder can be carried out independently of the corresponding adjustment of the two-stroke cylinder, so that exhaust gases are always available having sufficient temperature and therefore sufficient energy to supply. the motor effort required for the scavenging pump.
Likewise, the control of the exhaust valve e of this cylinder can be adjusted independently of the speed of the two-stroke engine, either by hand or by the machine regulator, so that this valve opens more. sooner or later, which consequently corresponds to a variable exhaust back pressure and a variable temperature of the exhaust gases, so that the energy of the exhaust gases of this four cylinder time can be taken in any quantity. The exhaust gas turbine j which is connected to this valve supplies the energy supplied to the turbine j with the make-up which is lacking for the production of the necessary pressure of the purging air supplied by the fan.
In the case of double-acting two-stroke engines, it is also possible to provide an arrangement such that one or more of the two-stroke cylinders operate from one of their sides following the four-stroke cycle and
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be connected to a particular turbine or to a special stage of the ordinary exhaust gas turbine.
In this case, this cylinder side must also be capable of being adjusted independently of the speed of the other two-stroke cylinders, so that it provides the additional exhaust gas energy necessary to operate the purge air fan.
The auxiliary cylinders which provide the additional exhaust energy can also be constituted by two-stroke cylinders. FIG. 4 shows in elevation, by way of example, such an embodiment. In this figure, a again denotes the main two-stroke engine, the cylinders of which al are connected to the purging and combustion air piping b as well as to the exhaust piping c, while the cylinder a2 has a particular exhaust pipe cl.
The fan which supplies the two-stroke engine with purging and combustion air is shown in g.
It is powered by two exhaust gas turbines i and j mounted with it on the same shaft h. Turbine i is supplied by the exhaust gases from the two-stroke cylinders a1 through the pipe c3, while the second turbine j is connected to the exhaust pipe cl of the two-stroke cylinder a2. From the duct cl, a bypass c2 leaves towards the main exhaust pipe c3.
At the point of connection of the pipes c1, c2 is provided a controlled member, for example a valve 1 which is controlled so as to direct first onto the turbine j the hot and high pressure exhaust gases produced by the start of the exhaust,
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which allows the turbine j to supply the fan g with the power which it lacks, then to be then reversed so as to close the duct cl and to open the duct c2 to thus direct into the exhaust duct c3, which results in the turbine i, the exhaust gases mixed with the excess scavenging air and therefore cooler.
The adjustment of the two-stroke cylinder a2 is carried out, in this case also, according to a different law from that of the normal two-stroke cylinders a1, in such a way that it can constantly supply the exhaust energy which is lacking for activate the fan.
Figure 5 shows in elevation another embodiment in which the auxiliary cylinder a2 is also a two-stroke cylinder, and in which the extraction of the exhaust gases at higher pressure and temperature is carried out in such a way that some or all of the exhaust ports kl of this cylinder are at a height greater than that of the ports k of the other two-stroke cylinders. Exhaust gases having a higher pressure and temperature are therefore taken from these cylinders, and these exhaust gases are directed to a particular exhaust gas turbine j, while the exhaust gases from other cylinders are sent to the ordinary exhaust gas turbine i in the same way as in the previous example.
Instead of a single auxiliary cylinder, it is optionally possible according to the invention to use a system of several cylinders with four or two strokes,
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in conjunction with the two-stroke engine. Likewise, the system of auxiliary cylinders can be connected to a particular stage of the main turbine instead of being connected to a particular turbine, the latter then being eliminated.
FIG. 6 shows a plan of an embodiment in which the two-stroke polycylindrical engine comprises two cylinders a2 connected to a particular exhaust pipe cl which is connected to an exhaust gas turbine j; this turbine, which operates with the greatest energy of the exhaust gases, is placed immediately next to the engine, in such a way that it is possible to obtain a good transmission of the gases without significant loss of energy, and consequently of pressure and temperature. The other cylinders escape into a common exhaust pipe c which drives the exhaust gas turbine i working with the rest of the energy from the exhaust gases.
In all cases where two-stroke cylinders are used to produce the additional exhaust energy, the adjustment of these two-stroke cylinders is effected according to a different law from the adjustment of ordinary cylinders of exhaust. job.