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MOTEUR A COMBUSTION EXTERNE PERFECTIONNE A AIR CHAUD OU A GAZ.
L'invention est relative aux moteurs thermiques du type utilisant un gaz permanent comme moyen ou fluide de travail.
Bes essais ont été tentés pour construire des moteurs sa- tisfaisants de ce genre, mais tous ces moteurs n'ont pu donner de résultats industriels pour diverses raisons, notamment à défaut, en tre autres, de procurer des surfaces de chauffe adéquates, capa- bles de se maintenir dans les conditions de travail. Parmi ces ten- tatives, la principale a été celle de Stirling, dont le moteur u- tilisait un cycle dans lequel les pressions alternaient dans les élé- ments formant le cycle du moteur. Le gaz était comprimé et ensuite détendu isothermiquement, et de la chaleur fournie et reprise à un régénérateur sous volume constant. Dans ce moteur, les conditions nécessaires pour obtenir la différence de pression maximum condui- sent à un échange de chaleur inéfficace dans le régénérateur et le refroidisseur.
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Un autre moteur du type défini, utilisait un régénérateur que le fluide traversait en suivant un trajet d'un ensemble de deux trajets, la pression dans chacun de ces trajets restant sensible- ment constante. Dans ce moteur on employait un cylindre froid dans le but de faire circuler le fluide gazeux à travers le cycle, dans lequel il était échauffé et pouvait se détendre dans des cylindres de travail.
Dans un autre moteur employant un régénérateur de cha- leur à pression constante, un fluide gazeux comprimé était introduit dans le cylindre de travail à partir d'un réservoir, et chauffé se tandis qu'il/détend dans le cylindre de travail.
Conformément à la présente invention, un moteur perfec- tionné employant comme fluide un gaz permanent, comprend des moyens pour comprimer le fluide,un ou un certain nombre d'éléments de chauffe pour chauffer. le fluide, des moyens pour permettre au flui- de comprimé et chauffé de se détendre afin d'accomplir un travail utile dans un ou plusieurs étages ou phases de travail, un régénéra- teur de chaleur comportant des trajets alternés pour le fluide, les pressions du fluide dans chacun des trajets ayant une valeur sensi- blement constante, le fluide, avant son introduction dans les moyens ou chaque étage de moyens propres à permettre au fluide de se déten- dre afin d'exécuter du travail utile, ayant atteint sa température de cycle maximum, le dit fluide étant comprimé et envoyé directe- ment des moyens de compression,
à travers l'un des trajets de régé- nérateur avant de pénétrer dans un élément de chauffage et évacué par l'autre trajet de régénérateur après achèvement de la détente.
Le cycle peut être un cycle fermé ou un cycle ouvert, c'est à dire qu'après avoir passé à travers le régénérateur, le gaz peut être évacué à l'atmosphère dans le cycle ouvert, ou bien il peut circuler en cycle fermé dans le système ; dansce dernier cas, le gaz est envoyé du régénérateur à travers un refroidisseur, et du refroidisseur il retourne au compresseur.
La détente et la compression du gaz peuvent être exécu-
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tées soit par des mécanismes à mouvement de va et vient, soit enco- re par des mécanismes tournants.
Les considérations théoriques qui régissent le choix du fluide pour des moteurs du type défini sont en elles-mêmes bien con- nues.
Les caractéristiques physiques, par exemple, doivent res- ter constantes dans l'échelle des températures et des pressions em- ployées dans le cycle. Le fluide ne doit pas être susceptible de former des combinaisons chimiques, explosives, dangereuses,comme ce serait le cas, par exemple, avec de l'hydrogène. Dans le cas du mo- teur conforme à l'invention, eu égard aux considérations théoriques et pratiques, de l'air sec épuré sera le gaz employé de préférence.
Une modification graduelle et continuelle du fluide est réalisée dans une construction ou disposition conforme à l'invention, à l'ef- fet d'éviter,la formation de combinaisons chimiques dangereuses,, en libérant ou évacuant du fluide en des points choisis, et en complé- tant ou ajoutant du fluide en d'autres points.
On peut employer comme fluide de l'azote ou bien encore de l'air dont l'oxygène a été éliminé. L'air atmosphérique peut être privé de son oxygène par des moyens appropriés avant de pénétrer dans le cycle moteur. Parmi les avantages du moteur conforme à l'in- vention il faut noter un rendement très élevé. On considère que les moteurs industriels engendrent une puissance au frein d'un che- val-heure par 225 grammes de charbon ou 150 grammes d'huile eombusti ble consommés.
Les variations de vitesse et de puissance, et l'inversion sont réalisées sans l'emploi de commandes à engrenages. Le moteur possède une échelle de vitesses très étendue et travaille efficace- ment sous faible charge.
On prévoit un dispositif de contrôle des valves ou sou- papes qui rend simple le contrôle du fonctionnement, toute la marche du moteur pouvant être contrôlée à l'aide d'un seul levier à main.
Des soupapes d'évacuation comportant des sièges régla-
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bles et des pompes peuvent être coordonnées pour régler les diffé- rences de pression employées dans le moteur et par suite permettre de modifier la puissance du moteur sans modifier la fermeture d'ad- mission, et par suite conserver un rendement élevé aux faibles vi- t esses.
Les emplacements des manivelles du moteur et du oompres- seur, dans le type réversible,sont calculés pour éviter les points morts et permettre le contrôle aisé aux faibles vitesses, ce qui est un facteur important dans les installations marines.
D'autres particularités nouvelles de l'invention ressor- tiront de la description qui va suivre d'un moteur qui en comporte application.
Dans les dessins annexés:
Figs. 1 et 2 montrent respectivement, d'une façon sché- matique,une vue en élévation de face et un plan, indiquant les prin oipaux éléments ;
Fig. 3 est une vue en élévation latérale et coupe d'un dispositif de chauffage conditionné pour brûler de l'huile combus- tible ;
Fig. 4 est une élévation de face: , partiellement en oou- pe;
Figs; 5a et 5b sont des vues en coupe et en élévation, obtenues suivant les lignes A-A et B-B de la fig. 3 ;
Fig. 6 est une vue en plan, en coupe, montrant les som- mets des tubes du réchauffeur à haute pression, la moitié supérieu- re étant disposée au-dessus de la chambre de combustion, et la moi- tié inférieure en dessous de cette chambre;
Fig. 7 est une élévation en coupe du régénérateur;
Figs. 8a, 8b , 8c, 9a, 9b, 9c, 9d et 10 montrent des dé- tails de la disposition feuilletée;
Fig. 11 est une vue en élévation et coupe de l'un des refroidisseurs à haute et à basse pression;
Fig. 12 est une vue en élévation par bout du refroidis- seur représenté à la fig. 11;
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Fig. 13 est une vue en élévation latérale, en coupe, partielle, montrant le mécanisme de contrôle ou de commande des soupapes d'un cylindre de détente du moteur ;
Figs. 14 et 15 montrent respectivement une vue en éléva- tion de face et un plan du dispositif de contrôle ou de commande des soupapes, certaines parties ayant été supprimées;
Figs. 16a et 16b sont des vues en élévation de face, et coupe, du moteur et du compresseur, divisés suivant la ligne brisée;
Fig. 17 est une vue en élévation latérale et coupe du compresseur à basse pression.
Dans l'agencement représenté, le fluide gazeux est compri mé dans le compresseur à basse ou premier étage de pression, 77; il est ensuite amené dans le refroidisseur à pression élevée 41a.
Du refroidisseur 41a, le gaz pénètre dans le compresseur à pression élevée 76 et, après compression, pénètre dans le côté à pression élevée du régénérateur 23. Du régénérateur 23 le gaz est envoyé à pression constante dans le côté à haute pression du réchauffeur 1, dont il passe au premier étage de détente 53. Après détente dans l'étage de pression élevée, le gaz traverse le côté à pression bas- se du réchauff eur 1 et passe de là à l'étage de détente à basse pression 54. Après la seconde détente, le gaz est évacué dans le côté à basse pression du régénérateur. Du régénérateur il passe a- lors au refroidisseur à basse pression 41, et de là, en retour, au compresseur à basse pression 77.
Après que le gaz a quitté le compresseur à pression élevée 76, la pression du gaz reste constan- te jusqu'au moment de la détente dans le premier étage et, après dé- tente dans le second étage, il reste à gaible ou basse pression jusqu'au moment de sa compression dans le compresseur à basse pres- sion. La température du gaz au commencement de chaque détente est sensiblement égale, et chaque détente est rendue aussi isothermique que le permettent les conditions pratiques.
Le fluide gazeux après avoir quitté le côté de haute pression du régénérateur 23 pénètre dans le réchauffeur.
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Le réchauffeur 1 comprend une chambre de combustion 2, équipée d'un brûleur à huile combustible 3 disposé à son extrémité antérieure. La chambre 2 est représentée de forme cylindrique, com- portant une enveloppe métallique 4 et un garnissage 5 en matière réfractaire appropriée. La chambre 2 peut, si on le désire, être cons truite de façon à pouvoir être séparée dans l'ensemble du reste du réchauffeur, afin de faciliter les réparations et le remplacement du garnissage 5 de la chambre de combustion. La chambre 2 est fermée à son extrémité postérieure par une plaque 6. Dans la partie supé- rieure postérieure de la chambre on a prévu un carneau 7, destiné au passage des gaz de combustion venant de la chambre dans des car- neaux voisins 8, 8a.
L'extrémité antérieure des carneaux 8, 8a s' ouvre dans une chambre de faible épaisseur 9 s'étendant en travers de la devanture du réchauffeur. Un ventilateur 10 aide à la circula- tion des gaz de combustion qui, lorsqu'ils quittent les carneaux 8, 8a et pénetrent dans la chambre 9, passent en partie par l'ouverture annulaire 11, en retour dans la chambre de foyer 2. Le reste des gaz de combustion traverse des ouvertures 12 et passe dans une chambre de réchauffage préalable d'air, 13. Le courant des gaz de combus- tion est contrôlé ou réglé par des registres 14 montés à l'ouvertu- re de communication entre les chambres de carneaux 8, 8a et la cham- bre 9.
Les gaz de combustion inertes peuvent être introduits dans la chambre 2 en un point plus éloigné de la longueur de la chambre et de l'extrémité du brûleur qu'il n'est représenté dans le dessin, afin que la combustion soit achevée avant que les gaz inertes de circulation ne se mélangent aux produits de combustion.
Le brûleur pourrait également être disposé en un point plus éloigné de l'extrémité postérieure de la chambre et un prolon- gement de l'espace de la chambre de foyer serait ainsi prévu.
Les gaz de combustion pénétrant dans la chambre de chauf fage préalable 13 s'échappant par un carneau de cheminée 15 pour- vu d'un registre 15a.
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Les gaz de combustion qui font retour à la chambre 2, passent le long de la surface du garnissage réfractaire 5 et ser- vent à protéger ce garnissage.
Les oarneaux 8, 8a contiennent individuellement une bat- terie de tubes, 16, 16a, pour conduire le fluide gazeux à chauffer.
Chaque batterie de tubes est reliée à des conduits principaux ou collecteurs 17, 17a; ces derniers collecteurs 17a n'ont pas été re- présentés mais sont analogues aux collecteurs 17: Les collecteurs 17 et tubes 16 sont agencés de façon à conduire le fluide à pression élevée destiné aux cylindres de travail à pression élevée, et les collecteurs 17a ainsi que les tubes 16a sont destinés à conduire le fluide destiné aux cylindres à basse pression.
Les tubes 16, 16a, sont disposée en une série de boucles verticales, de façon à obte- nir la surface de chauffe maximum et une transmission efficace de chaleur des gaz de combustion, et, du fait qu'ils ne sont en con- tact avec les gaz qu'après que ces derniers ont quitté la chambre 2, ces tubes ne sont pas soumis aux températures extrêmes, et le risque de détérioration par brûlure est par conséquent réduit. Les tubes 16, 16a sont de préférence établis de la même matière que cel- le employée d'ordinaire dans les chaudières à vapeur à tubes d'eau, à pression élevée.
Des tubes 18 bouclés, agencés de manière analogue, sont prévus dans la chambre de chauffage préalable 13, et de l'air sous pression est envoyé par un ventilateur, à travers ces tubes 18, au brûleur à huile combustible 3, l'air pénétrant dans les tubes 18 par l'entrée 19. Si on le désire, l'air employé pour vaporiser le combustible peut être $ une température moins élevée que soit l'air primaire ou l'air secondaire réchauffé.
Le ventilateur de circulation 10 est actionné par un moteur 20, et l'arbre d'entraînement 21 est refroidi grâce à une chambre 22 entourant l'arbre, de l'air froid étant envoyé à travers la chambre par le ventilateur qui fournit l'air de combustion au brûleur 3. Le raccord d'air à la chambre 21 a été représenté arra- ché.
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Des poches ou gaines destinées à des thermomètres sont avantageusement disposées dans l'enveloppe du foyer afin de permet- tre un contrôle précis de l'action du réchauffeur.
Des registres peuvent, si on le désire, être disposés au- dessus des ouvertures 12. La circulation est réglée de manière tel- le que pour chaque quantité de 454 grammes de combustible et d'air réohauffé frais pénétrant dans le foyer, 454 grammes de gaz de com- bustion quittent le circuit à la température de circuit minimum, traversent, la chambre de chauffage préalable 13 et sont évacués à l'atmosphère par le carneau de cheminée 15. Si on le désire, le gaz perdu peut fournir de la chaleur à un petit moteur auxiliaire dont la température supérieure est moins élevée, avant de passer au dis- positif de réchauffage préalable.
Le réchauff eur a été décrit comme comprenant deux élémen+ réchauffeurs, l'un pour le fluide à haute pression avant détente et l'autre pour le fluide après détente dans le premier étage.
Deux réchauffeurs simples pourraient naturellement être employés et, dans le cas d'un seul étage de détente, un seul réchauffeur se- rait nécessaire,
On pourrait évidemment modifier l'agencement du réehauf- feur. Par exemple, le réchauffeur peut comprendre un certain nombre de tubes conformés en hélices, droits, en spirales ou suivant toute combinaison de ces conformations, et peut comprendre un carneau de section relativement faible enfermant chaque tube et enroulé avec et de la même manière que ce dernier.
Lorsque le réchauffeur brûle du charbon, la grille, soit alimentée à la main, soit alimentée mécaniquement, peut être montée sur des roues et agencée pour se déplacer sur des guides dans la chambre de foyer 2, de façon que les réparations des barreaux de gr@ le ou du garnissage réfractaire puissent être aisément eff ectuées.
La grille, lorsqu'elle est en place, sera écartée des parois de la chambre, et les gaz inertes de carneaux, de circulation, menés, vers le haut, entre le cadre de grille et le garnissage. Les gaz
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inertes de carneaux se mélangent par suite aux gaz frais de combus- tion et circulent conjointement autour des tubes de réchauffage 16, 16a comme déjà décrit. Le cadre de grille est construit avec une paroi basse de briques réfractaires disposée autour du foyer sauf au voisinage de la porte du foyer. Les côtés, l'avant, l'arrière et le fond de la disposition formant le cendrier. Le combustible est maintenu écarté du garnissage de la chambre de foyer par l'espa- cement dont il a été question plus haut en évitant la scorification et l'endommagement du garnissage.
La paroi basse entourant le foyer localise également les détériorations dues aux machefers et contri- bue à la combustion en procurant une surface incandescente.
Le fluide gazeux à pression élevée qui pénètre dans le réchauffeur 1 a déjà absorbé de la chaleur en traversant le régéné- rateur 23. Le régénérateur 23 comprend une enveloppe externe 24, établie de préférence en acier forgé.' Une conduite interne 25, qui peut être garnie par exemple à l'aide de magnésie, en même temps que des conduits 26 et 27, sont logés., dans l'enveloppe et suppor- tent une structure lamellée 28, cette structure étant plus claire- ment représentée dans les figures 8a, 8b, 8c, 9a, 9b, 9c, 9d et 10.
Cette structure est constituée à l'aide d'une ou d'un certain nom- bre de feuilles ou lames 29, établies à l'aide de plaques ou de ban- des de métal mince et comportant un certain nombre de protubérances 30: Dans le cas d'une structure constituée à l'aide d'une seule ban- de, cette bande est repliée comme il est représenté aux figures 9b et 9c. La bande est rigidement montée dans des fentes 31, sur les conduites 25; 26 et 27. Lorsqu'elles sont montées sur les conduites, les plaques minces sont recourbées en forme de spirales comme il est représenté à la fig. 8c de façon à réduire autant que possible les dimensions externes et à maintenir les plaques parallèles.
A l'aide d'un collier ou autre moyen approprié, la struc ture est maintenue dans cette forme et montée dans l'enveloppe 24.
Il est à noter que la structure procure un certain nombre de passa- ges parallèles dont la moitié sont ouverts du côté extérieur des
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conduites 26 et 27 et le restant vers l'intérieur de ces conduites.
Le fluide gazeux à basse pression, et chaud, venant des cylindres à basse pression, pénètre dans le régénérateur par l'entrée 32, et passe dans une série de passages de la structure lamellaire, en 33.
Après avoir traversé la structure, le fluide gazeux la quitte en 34 et traverse la sortie 35 vers le premier refroidisseur. Le flui- de gazeux, à pression élevée, et froid, pénètre dans le régénérateur par l'entrée 36 et, passant à travers la deuxième série de passages de la structure lamellaire, débouche par la sortie 37.' L'extrémité chaude de la structure lamellaire est fermement assujettie dans 1' enveloppe externe 24, à l'aide d'un collier vissé sur la conduite 26, et maintenue, à la partie inférieure de la garniture, par la conduite externe, à l'aide d'un collier monté à l'extrémité de cette conduite et formant un collet pour la garniture, mais la conduite terminale froide, 27, peut glisser dans la garniture 38 afin de per- mettre la dilatation et la contraction.
La conduite interne 25 est, comme représenté, fermée par les organes terminaux 39 et 40, et ces organes sont conformés de façon à réduire les résistances ou entraves à l'écoulement du fluide gazeux et les pertes par frottement qui en résultent.
Les trajets du fluide à basse pression et chaud, et du fluide à pression élevée et froid peuvent, naturellement, être in- terchangés, et dans ce cas, le fluide chaud pénètrerait dans le ré- générateur par l'ouverture 37 et sortirait par l'ouverture 36, tan- dis que le fluide froid entrerait en 35 et sortirait en 32.
Le régénérateur peut, naturellement, être monté avec son axe longitudinal disposé soit dans le plan vertical, soit dans le plan horizontal, soit dans tout autre plan. La structure lamellai- re peut, si on le désire, être constituée par des tubes concentri- ques, ronds, élliptiques ou de toute autre section voulue, et pour- vus d'évidements ou de saillies pour maintenir l'écartement de pas- sage, de manière qu'aucune tension ciroonférentielle ne soit suppor- tée par la structure lamellaire, mais que ous les efforts soient
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absorbés par l'enveloppe externe ou le tube mort interne. Dans ce cas, les extrémités de la structure lamellaire tubulaire sont agen- cées de façon à maintenir séparés l'air ou le gaz à pression élevée et l'air ou le gaz à basse pression.
La structure lamellaire pour- rait encore être établie suivant tout agencement approprié de pla- ques ou de tubes minces.
Les refroidisseurs au travers desquels le fluide gazeux s'écoule après avoir quitté le côté de basse pression du régénéra- teur, et également après avoir quitté le premier étage de compres- sion ou étage de compression à basse pression, sont identiques, saut en ce qui concerne leurs dimensions.
Ainsi qu'il est représenté aux fige. 11 et 12, le re- froidisseur 41 comprend des serpentins extérieur et intérieur 42 et 43, de préférence construits en tubes de cuivre à ailettes. Les ser- pentins sont montés sur un tube central 44 fermé par les têtes con- formées 45, et enfermé dans un organe tubulaire externe d'acier,46.
Des brides 47,prévues à chaque extrémité du tube externe, sont bou- lonnées aux brides 48 portant les conduites centrales de circula- tion d'eau 49.
Le fluide gazeux pénètre dans le serpentin externe 42 par l'entrée 50 et, après avoir passé par les deux séries de spires s'évacue par la sortie 51. Le second serpentin, ou serpentin inter- ne, 43, est formé de tubes présentant un diamètre réduit comparati- vement au serpentin externe 42. Des poches ou gaines destinées à re- cevoir des thermomètres, 52, sont disposées dans les brides 48. Le fluide refroidisseur de circulation peut être de l'air, de l'eau ou tout autre fluide approprié.
L'agencement précédemment décrit, dans lequel un refroi- disseur distinct est employé pour du fluide à différentes pressions, peut être modifié, et l'on peut avoir recours à un refroidisseur unique employé pour les deux pressions. Le refroidisseur peut éga- lement recevoir une construction lamellaire, ressemblant à celle du régénérateur, mais, comme il va de soi, modifiée suivant le fluide refroidisseur employé.
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Des moyens, de tout type approprié, pour refroidir le fluide refroidisseur de circulation, peuvent être employés lors- qu'on le désire.
Le premier refroidisseur, à travers lequel le fluide gazeux s'écoule après avoir quitté le côté de basse pression du régénérateur, peut être relié à une pompe à gaz, elle-même reliée ou à un réservoir de gaz à basse pression,la l'atmosphère, et u n dis- positif fonctionnant sous l'influence de la pression, qui peut, aussi bien être contrôlé manuellement, est prévu pour mettre la pompe en marche de façon que le gaz soit pompé et introduit dans le circuit du moteur lorsque la pression atteint une valeur déter- minée.
Une soupape de libération de pression peut également être prévue afin de permettre au gaz du cycle de s'échapper vers le ré- servoir de basse pression ou à l'atmosphère:
D'une façon analogue, une pompe et une soupape de libé- ration équiperaient le régénérateur, et seraient agencées de fa- çon que la pompe aspire dans et que la soupape évacue vers le pre- mier refroidisseur.
Les pompes peuvent être actionnées électriquement, et les moteurs mis en marche et arrêtés par des interrupteurs appro- priés actionnés par des moyens influencés par la pression, comme par exemple des manomètres, montés dans le cycle du moteur et équi- pés de contacts électriques réglables, et les moyens influencés par la pression peuvent, alternativement, comprendre des plongeurs chargés, la charge étant réglable en faisant varier, par exemple, la compression d'un ressort. Le mouvement ou déplacement du plon- geur détermine l'ouverture ou la fermeture du circuit de contrôle du moteur d'une manière connue.
Les soupapes d'échappement peuvent être du type connu à ressorts ou à chambre d'équilibrage et peuvent être actionnées par des électro-aimants contrôlés d'une manière analogue aux inter- rupteurs de contrôle du moteur.
Les soupapes d'échappement peuvent encore être action-
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nées par les pressions du moteur et contrôlées par des moyens de charge réglable. Par exemple, la compression d'un ressort mainte- nant fermée un clapet, peut être modifiée par des moyens de régla- ge appropriés.
Des moyens peuvent être employés pour contrôler les divers moyens de charge des dispositifs influencés par la pression, de manière qu'ils puissent être modifiés simultanément à un contrô- le principal.
Les pompes peuvent être actionnées d'une manière conti- nue à partir de l'arbre principal du moteur ou par tout autre sour- ce appropriée de puissance, et des moyens, de genre connu, influen- cés par les pressions gazeuses du cycle, peuvent être employés pour décharger la pompe lorsque c'est nécessaire. Des moyens de réglage appropriés, tels que décrits plus haut, peuvent être employés pour contrôler les moyens de décharge.
La pompe à basse pression et la soupape d'échappement à basse pression peuvent être reliées, par exemple, au couvercle terminal de l'entrée de gaz du premier refroidisseur.
La pompe à pression élevée peut être agencée pour faire passer du gaz du côté de sortie du premier refroidisseur au côté froid de pression élevée du régénérateur.
La soupape d'évacuation à haute -pression peut être re- liée au côté froid de pression élevée du régénérateur, de façon que l'échappement se fasse vers le côté d'entrée du premier refroi- disseur.
Le fluide, après avoir traversé le réchauffeur à sa pres- sion la plus élevée du cycle, est détendu dans les cylindres de tra- vail à haute pression 53: Après détente dans les cylindres 53, le fluide est chauffé à nouveau dans le réchauffeur à basse pression, où il atteint à nouveau, sensiblement, la température maximum du cycle et il est alors détendu dans les cylindres à basse pression 54.' Les deux cylindres 53 compris dans les étages de haute et de basse pression sont individuellement équipés de soupapes d'introduc- tion et d'échappement 55 montées dans la boite de soupapes 56 des
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têtes de cylindres; les cylindres à basse pression sont équipés de manière analogue. Les soupapes 55 sont actionnées à la manière qui va être décrite, ou bien encore de toute manière connue appropriée.
Un organe rigide 56 procure un pivot de support pour un organe 57 en forme de levier, auquel est attaché la queue 58 de la soupape correspondante.. Une tige de soupape 59 est actionnée pour manoeu- vrer les soupapes à partir de moyens appropriés, comme précédemment décrits.: Dans les dessins, tant les soupapes d'entrée que les sou- papes de sortie ont été représentés comme s'ouvrant vers l'extérie@ par soulèvement, mais, naturellement, les unes ou toutes pourraient être agencées pour se fermer en se déplaçant vers l'extérieur. Il est préférable toutefois d'agencer la soupape d'entrée de manière qu 'elle s'ouvre par soulèvement, ainsi qu'il est représenté, afin d'éviter une pression excessive dans le cylindre durant les modifi- cations de vitesse et lors du renversement ou de l'arrêt.
Les que@@ de soupapesse déplacent dans des garnitures d'étanchéité 60, ou d'autres agencements appropriés.
Les pistons de cylindres, 61, actionnent, par l'intermé- diaire des tiges 62, les têtes 63, et des tiges de liaison 64, ac- tionnent l'arbre manivelle 65. Les manivelles 66 sont disposées de façon à éviter le point mort du moteur dans un moteur à inversion , en décalant les manivelles des cylindres à pression élevée d'un an- gle approprié, par exemple de 90 , par rapport aux manivelles des cylindres à basse pression. Dans un moteur sans renversement, les manivelles peuvent toutes êtres placées à 1800 les unes des autres, de façon à procurer un équilibrage dynamique sensiblement parfait.
Dans les dessins, les manivelles des pistons à pression élevée sont décalées de 180 , et les manivelles de basse pression sont dispo- sées d'une manière analogue.
Les cylindres 53, 54 sont à simple effet, et l'espace cylindre du côté de la manivelle, de chaque piston à pression éle- vée, est relié, par l'intermédiaire des lumières 67, avec une cham bre 68: Une conduite de sortie 69 relie cette chambre au côté d'
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évacuation de la boite de soupapes 56. Cette construction procure une pâtre de pistons équilibrés au point de vue gaz, et les efforts ou tensions dans les paliers et la structure sont minimum.
Chaque paroi de cylindre, dans l'étendue du déplacement des segments de piston 70, et refroidie à l'aide d'une chemise à air, 71, et les entrées et sorties de conduites, 72,73, par les- quelles on peut faite passer un courant d'air de circulation ou tout autre fluide refroidissant à une température appropriée.
La surface supérieure des parois de cylindre est proté- gée par de la magnésie, des gaz perdus de combustion chauds, ou d' autres matières. Des orifices 74 sont prévus pour assurer la lubri- fication des cylindres.
Si on le désire, un cylindre de grande longueur peut comporter un cylindre chaud à simple effet ou détendeur à une extré- mité et un cylindre froid à simple effet ou compresseur à l'autre extrémité, avec une tige s'étendant à partir de l'extrémité froide, et procurant la différence d'étendue des surfaces des pistons chaud et froid. La tige pourrait être reliée à l'arbre manivelle par l'intermédiaire de la commande de mouvement usuelle, l'extrémi- té froide étant refroidie par circulation d'eau ou d'air froid, les segments de piston étant disposés à l'extrémité froide du piston lo ng.
Afin de réduire au minimum les pulsations de pression entre les cylindres à haute @ et basse pression, les volumes ré- latifs des cylindres et du réchauffeur intermédiaire ainsi que des conduites de liaison, sont choisis de façon que les volumes du ré- chauffeur et des conduites de liaison soient considérablement plus grands que la moitié du volume du cylindre à basse pression.
Dans la construction représentée dans les dessins, aux figs. 12, 14 et 15 de ces derniers, on a employé un dispositif de commande ou de contrôle de soupape original et préféré. Le disposi- tif de commande ou de contrôle est logé dans un enveloppe ou car- ter 93 supporté par le bâti du moteur. Un arbre à cames 94 est mon- tée dans les paliers 95 agencés dans le carter 93 et porte un cer-
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tain nombre de paires de cames 96, 96a, chaque paire étant associée à une paire de bras basculants ou culbuteurs 98, 98a.
L'arbre à ca- mes 94 est actionné à partir du vilebrequin du moteur 65, par la cc= mande désignée dans son ensemble par la référence 97, et dans un rap fort fixe de vitesses avec l'arbre manivelle Les bras basculants ou culbuteurs 98, 98a sont supportés à pivot sur des excentriques 99, 99a montés rigidement sur un arbre 100 supporté dans des paliers 101 du carter d'engrenages93. L'arbre 100 des culbuteurs est condi- tionné pour être amené en rotation dans une position angulaire dési- rée, à l'aide du volant à main 102. Le volant à main 102 peut, na- turellement, être remplacé par un moyen mécaniquement actionné, ap- proprié. Comme il est représenté, le volant à main 102 est en engrè- nement avec l'arbre 100.
Chaque culbuteur formant les paires 98, 98a porte à un extrémité un galet de came 103 monté à pivot. L'au- tre extrémité 104 de chaque culbuteur forme taquet ou poussoir ainsi qu'il sera expliqué. Les bras oscillants ou culbuteurs, et les excen triques 99,99a de l'arbre 100 sont construits de façon telle que lorsque le volant à main 102 est amené à sa position médiane dans ses limites de déplacement, l'axe de pivotement de chacun des bras oscillants ou culbuteurs est déplacé de manière que l'extrémité for- mant taquet ou poussoir, 104, se meut librement sans faire contact avec une butée 105. La butée 105 est portée par des organes en for- me de levier, 106, montés au voisinage de chaque bras oscillant ou culbuteur constituant les paires 98, 98a, et chacun d'eux est mon- té à pivot sur l'arbre 100.
Si on le désire, les organes en forme de levier peuvent être supprimés, et les butées des bras oscillants ou culbuteurs, ou les poussoirs ou taquets peuvent attaquer directe- ment les tiges ou queues de soupapes.
Dans la construction représentée dans les dessins, cha- que organe en forme de levier, 106, est relié à pivot, par une che- ville 107, à la tige de soupape 59, et forme l'un des bras d'un le- vier coudé comportant un autre bras 108. Les organes en forme de levier, 106, sont agencés par paires correspondant aux paires de bras oscillants ou culbuteurs 98, 98a et, comme on le remarquera
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sur le dessin, chaque paire de leviers 106 est assemblée rigidement ces leviers par l'intermédiaire de la cheville 107 et / étant montés sur un ar- bre commun, travaillent comme un organe unique.
Chaque paire de le- viers porte une butée 105, conditionnée pour être repoussée vers le haut par l'une des extrémités en forme de taquet, 104,du bras oscil- lant ou culbuteur associé..Le mouvement complet de l'arbre 100, dans une direction, déplace l'axe de pivotement des bras oscillants ou culbuteurs de façon telle qu'un bras de chaque paire occupe une po- sition pour laquelle son extrémité formant taquet 104 déplace sa butée associée 105 et par conséquent la soupape correspondante 55 de son amplitude maximum. L'autre bras oscillant ou culbuteur de la paire a, par le même déplacement de l'arbre 100, été déplacé de @ façon que son extrémité formant taquet 104 se meut sans attaquer la butée associée 105.
Le déplacement complet de l'arbre 100, en direc= tion inverse, ramène le premier bras oscillant ou culbuteur hors d' action, et amène le second bras oscillant en position active. Comme on le comprendra aisément, le déplacement du bras oscillant ou cul- buteur dans des positions intermédiaires modifiera le déplacement ou soulèvement de la soupape, avec une variation résultante dans la puissance et la vitesse du moteur. Un bras oscillant ou culbuteur de chaque paire, 98, 98a, avec sa came associée, 96, ou 96a, corres- pond au déplacement en avant du moteur tandis que l'autre bras oscil lant et sa came associée, lorsqu'ils sont amenés en position active; assurent le renversement de marche du moteur.
En remplacement de dispositifs chargeant élastiquement les soupapes pour assurer la fermeture convenable de ces dernières, dans la disposition constructive représentée plus spécialement aux figures 13 et 14 on a fait usage d'une pression fluide,
Un piston 112, disposé dans un cylindre 111, est soumis à la pression régnant dans la conduite de sortie du compresseur à pression élevée, et il est relié à pivot, par une bielle 114, au bras de levier coudé 108. La pression continuellement exercée par le piston 112 sert à maintenir les soupapes de moteur, respectives
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en position fermée, tandis que la disposition permet à ces sou papes de s'ouvrir si une pression élevée dangereuse se produisait dans le cylindre du moteur.
A l'effet de maintenir l'organe d'attaque de la came, ou galet 103, en engagement continu avec sa came 96 ou 96a, un plongeur 115 est en contact avec chaque bras oscillant ou culbu- teur et il est conditionné pour se mouvoir dans un cylindre 116 ouvert au fluide gazeux du côté de haute pression du compresseur à pression élevée.
Des moyens élastiques peuvent naturellement être employ- és pour charger les soupapes dans la position de fermeture, en remplacement de l'agencement à pression fluide qui vient d'être décrit.
L'arbre manivelle du moteur, 65, est prolongé, et le pro longement 75 est employé pour actionner les cylindres @ froide à haute et basse pression, ou compresseurs 76,77. Les deux compres- seurs, sauf en ce qui regarde leurs dimensions, sont analogues quant à leur disposition. Chaque compresseur comprend un cylindre à double effet,78,comportant des entrées 79 et des sorties 80 vers les boites de soupapes supérieure et inférieure 81 et 82 reppecti- vement.L'ouverture d'entrée 79 dans chaque cylindre, mène dans un passage annulaire 83. Ce passage 83 s'ouvre directement dans le cy- lindre, mais avec interposition d'une soupape en forme de plaque ou clapet 84.' Le clapet 84 est monté à glissement sur un organe cen tral 85, constitué de façon à limiter le déplacement interne du cla- pet.
Le clapet 84 est pourvu d'ouvertures qui coïncident avec un passage annulaire interne 86 menant à une chambre 87 s'ouvrant di- rectement à la sortie 80. Un deuxième clapet 92 monté dans chaque boite de soupapes est conditionné pour fermer le passage 86 vers la chambre 87. L'organe 85 comprend une partie filetée, vissée dans la monture de la boite de soupapes, et fait saillie dans la chambre de sortie 87.Une garde de soupape 88 est montée sur le pro- longement de l'organe 85.
Dans chaque cylindre, le piston 89 est pourvu, sur cha-
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cune de ses faces, d'évidements 90 formés de manière que les pistone n'atteignent pas en fin de course les organes 85. Chacun des organes inférieurs 85 est de construction tubulaire afin de permettre le passage des tiges de piston 91. Durant la course descendante des pistons, par exemple, le clapet supérieur 84 est soulevé de son siè- ge par le vide partiel et la pression du côté de l'entrée, et décou- vre le passage annulaire 83 dans la boite de soupapessupérieure, en permettant ainsi la pénétration du gaz dans le cylindre.
En même temps, de l'autre côté du piston, du gaz est comprimé et repousse le clapet 84 correspondant contre son siège pour fermer le passage
83 dans la boite de soupapes inférieure.' Durant la course de retour, ascendante, du piston, le gaz du cylindre est comprimé, la pression servant à maintenir fermées les ouvertures d'entrée 83 jusqu'au mo- ment où la pression dans le cylindre est plus grande que celle qui règne dans la chambre 81 ; le clapet 84 supérieur est alors soulevé à l'encontre de la pression régnant du côté de sortie du compres- seur, et le gaz comprimé est évacué. Le fonctionnement est le même des deux côtés du cylindre. La garde 88 empêche les déplacements excessifs du clapet 84.
Chaque cylindre est pourvu d'une chemise 93 dans laquel- / le on peut faire circuler de l'eau de refroidissement?
Les manivelles qui correspondent respectivement aux cy- lindres à haute et basse pression, sont décalées de façon que les cylindres chaud et froid, à pression élevée, travaillent conjointe- ment, c'est à dire, un cylindre froid se vide tandis qu'un cylindre chaud se remplit, et vice-versa. Les cylindres chaud et froid à bas se pression sont agencés de manière analogue.
On peut naturellement adopter pour les soupapes toute construction connue, appropriée, telle celle de soupapes tubulaires à commande par came, ou bien l'agencement peut comprendre les deux dispositions; par exemple, l'ouverture d'entrée peut être contrôlée par une soupape tubulaire actionnée d'une manière positive, et l' ouverture de sortie peut être contrôlée par un clapet à la manière décrite plus haute,
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Dans la construction décrite, on peut prévoir un ressort pour concourir à la fermeture du clapet 84,
et des moyens connus peuvent être employés pour régler l'effort exercé par ce ressort.'
Tous les passages pour l'écoulement du fluide vers les boites de soupapeset à travers le moteur sont convenablement établi sous forme de trajets de moindre résistance là où la chose est pos- sible pour éviter les frottements et le laminage du fluide.
Le cycle moteur peut être modifié en supprimant les moy- ens pour refroidir le fluide après qu'il est évacué du moteur et en voyé à travers le coté de basse pression du régénérateur.
Dans ce cas, le fluide passe du régénérateur à l'atmos- phère., L'évacuation du régénérateur peut être employée pour alimen- ter le réchauffeur d'air de foyer, et à éviter un ventilateur de ti rage forcé. Dans cette disposition modifiée, des pompes d'alimenta- tion d'air, des dispositifs d'évacuation, des dispositifs de con- trôle de pression et d'autres dispositifs secondaires sont suppri- més.
Afin d'évacuer une partie du fluide moteur, des soupapes à pointeau ou à aiguille peuvent être disposées en des points ap- propriés du cycle, ces soupapes étant continuellement ouvertes lori que le moteur fonctionne, et fermées lorsqu'il est arrêté. Les pom- pes à air de contrôle de pression peuvent fournir le fluide complé= mentaire nécessaire.
Lorsque les pompes sont actionnées par l'arbre du moteur et sont pourvues de moyens de décharge actionnés par des pistons ou plongeur lesquels, à leur tour, sont influencés par les pres- sions du moteur, il est nécessaire de prévoir des moyens auxiliai- res pour mettre le moteur en marche à l'aide du fluide à basse pro sion. Ces moyens auxiliaires peuvent avantageusement comprendre un réservoir à gaz à pression élevée ou bien une pompe auxiliaire.
Des variations considérables de puissance et, ou des variations de vitesse d'inflammation ou d'intensité de combustion peuvent modifier la température du gaz et de l'air du moteur à pa.
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tir d'un degré déterminé.
Ces modifications peuvent être entièrement assurées par la commande de contrôle de pression automatique mais, si on le désire dea chambres, récipients ou espaces à volume variable de cylindre peuvent être formés dans,ou au voisinage, ou reliés à chaque cylindrp pour réduire, si c'est nécessaire ou convenable, les services deman- dés à la commande de pression automatique.
Si le volume d'espace mort d'un cylindre froid est augmen- té, le poids de gaz ou d'air de moteur débité par ce cylindre est réduit, ou vice-versa, et si le volume d'espace mort d'un cylindre chaud est augmenté, le poids d'air ou de gaz de moteur pris par ce cylindre sera réduit, ou vice-versa.
Les variations d'air ou de gaz de moteur dans une chambre, récipient, ou espace à volume variable de cylindre, peuvent être ob- tenues grâce à un piston à garniture d'étanchéité ou tout mécanisme équivalent, agencé de façon à être partiellement introduit dans ou @ tiré de ces chambres, récipients ou espaces.
Ces pistons ou mécanismes équivalents peuvent être action nés à main et, ou mécaniquement; chacun d'eux individuellement et, ou deux ou plusieurs d'entr'eux est ou sont actionnés par un levier ou roue ou volant unique relié à un, ou à plusieurs, ou à tous par des commandes appropriées.
EMI21.1
REVENDICATIONS.
1.- Un moteur perfectionné du type utilisant un fluide ga- zeux permanent, comprenant des moyens pour comprimer le fluide, un élément ou plusieurs éléments chauffants pour chauffer le fluide, des moyens propres à permettre au fluide comprimé et chauffé de se détendre pour exécuter du travail utile dans un ou un certain nom- bre d'étages de fonctionnement ou de travail, un régénérateur de eha 6/ leur comprenant des trajets alternés pour le fluide, la pression du fluide dans chaque trajet ayant une valeur sensiblement constante, le fluide, avant son introduction dans les moyens ou chaque étage des moyens propres à permettre au fluide d'accomplir du travail uti- le, ayant atteint sa température de cycle maximum, le fluide étant
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PERFECTED EXTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH HOT AIR OR GAS.
The invention relates to heat engines of the type using a permanent gas as a working medium or fluid.
Bes attempts have been made to build satisfactory engines of this kind, but all these engines have not been able to give industrial results for various reasons, in particular for the failure, among others, to provide adequate heating surfaces, capacity. able to maintain working conditions. Among these attempts, the main one was that of Stirling, whose engine used a cycle in which the pressures alternated in the elements forming the engine cycle. The gas was compressed and then isothermally expanded, and heat supplied and taken back to a regenerator at constant volume. In this engine, the conditions necessary to achieve the maximum pressure difference lead to inefficient heat exchange in the regenerator and cooler.
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Another engine of the type defined used a regenerator which the fluid passed through following a path of a set of two paths, the pressure in each of these paths remaining substantially constant. In this engine a cold cylinder was employed for the purpose of circulating the gaseous fluid through the cycle, in which it was heated and could relax in working cylinders.
In another engine employing a constant pressure heat regenerator, a compressed gaseous fluid was introduced into the working cylinder from a reservoir, and heated as it expands in the working cylinder.
In accordance with the present invention, an improved engine employing a permanent gas as a fluid, comprises means for compressing the fluid, one or a number of heating elements for heating. the fluid, means for allowing the compressed and heated fluid to relax in order to accomplish useful work in one or more stages or stages of work, a heat regenerator comprising alternating paths for the fluid, the pressures fluid in each of the paths having a substantially constant value, the fluid, before its introduction into the means or each stage of means suitable for allowing the fluid to relax in order to perform useful work, having reached its temperature maximum cycle, said fluid being compressed and sent directly from the compression means,
through one of the regenerator paths before entering a heater and exhausted through the other regenerator path after expansion is complete.
The cycle can be a closed cycle or an open cycle, that is to say that after passing through the regenerator, the gas can be evacuated to the atmosphere in the open cycle, or it can circulate in a closed cycle in the system ; in the latter case, gas is sent from the regenerator through a cooler, and from the cooler it returns to the compressor.
Gas expansion and compression can be performed
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ted either by reciprocating mechanisms, or even by rotating mechanisms.
The theoretical considerations which govern the choice of fluid for motors of the defined type are in themselves well known.
The physical characteristics, for example, must remain constant over the range of temperatures and pressures employed in the cycle. The fluid must not be liable to form chemical, explosive or dangerous combinations, as would be the case, for example, with hydrogen. In the case of the engine according to the invention, having regard to theoretical and practical considerations, purified dry air will be the gas preferably employed.
A gradual and continuous modification of the fluid is carried out in a construction or arrangement according to the invention, with the effect of avoiding the formation of dangerous chemical combinations, by releasing or draining the fluid at selected points, and by supplementing or adding fluid at other points.
Nitrogen or even air from which oxygen has been removed can be used as the fluid. Atmospheric air can be deprived of its oxygen by appropriate means before entering the engine cycle. Among the advantages of the motor according to the invention, a very high efficiency should be noted. It is considered that industrial engines generate a brake power of one horse hour per 225 grams of coal or 150 grams of fuel oil consumed.
Variations in speed and power, and inversion are achieved without the use of gear controls. The motor has a very wide speed range and works efficiently under low load.
A device for controlling the valves or valves is provided which makes it easy to control the operation, the whole running of the engine being able to be controlled with a single hand lever.
Drain valves with adjustable seats
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pumps and pumps can be coordinated to regulate the pressure differences employed in the motor and hence allow the motor power to be changed without changing the inlet shutoff, and hence maintain high efficiency at low speeds. t esses.
The locations of the motor and compressor cranks, in the reversible type, are calculated to avoid dead spots and allow easy control at low speeds, which is an important factor in marine installations.
Other novel features of the invention will emerge from the following description of an engine which includes an application thereof.
In the accompanying drawings:
Figs. 1 and 2 show, respectively, a schematic view in front elevation and a plan, showing the main elements;
Fig. 3 is a side elevational view in section of a heater conditioned to burn fuel oil;
Fig. 4 is a front elevation :, partially in an oop;
Figs; 5a and 5b are views in section and in elevation, obtained along the lines A-A and B-B of FIG. 3;
Fig. 6 is a plan view, in section, showing the tops of the tubes of the high pressure heater, the upper half being disposed above the combustion chamber, and the lower half below this chamber. ;
Fig. 7 is a sectional elevation of the regenerator;
Figs. 8a, 8b, 8c, 9a, 9b, 9c, 9d and 10 show details of the layered arrangement;
Fig. 11 is an elevational and sectional view of one of the high and low pressure coolers;
Fig. 12 is an end elevational view of the cooler shown in FIG. 11;
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Fig. 13 is a side elevational view, in section, partial, showing the control or actuation mechanism of the valves of an expansion cylinder of the engine;
Figs. 14 and 15 show, respectively, a front elevational view and a plan of the device for controlling or controlling the valves, certain parts having been deleted;
Figs. 16a and 16b are front elevational views, and in section, of the engine and compressor, divided along the broken line;
Fig. 17 is a side elevational view in section of the low pressure compressor.
In the arrangement shown, the gaseous fluid is compressed in the low or first pressure stage compressor, 77; it is then fed into the high pressure cooler 41a.
From the cooler 41a gas enters the high pressure compressor 76 and after compression enters the high pressure side of the regenerator 23. From the regenerator 23 the gas is sent at constant pressure to the high pressure side of the heater 1, from which it passes to the first expansion stage 53. After expansion in the high pressure stage, the gas passes through the low pressure side of the heater 1 and passes from there to the low pressure expansion stage 54. Afterwards on the second expansion, gas is vented to the low pressure side of the regenerator. From the regenerator it then passes to the low pressure cooler 41, and from there, in return, to the low pressure compressor 77.
After the gas has left the high pressure compressor 76, the gas pressure remains constant until the moment of expansion in the first stage and, after expansion in the second stage, it remains at low or low pressure. until it is compressed in the low-pressure compressor. The temperature of the gas at the start of each expansion is substantially equal, and each expansion is made as isothermal as practical conditions permit.
The gaseous fluid after leaving the high pressure side of the regenerator 23 enters the heater.
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The heater 1 comprises a combustion chamber 2, equipped with a fuel oil burner 3 arranged at its front end. The chamber 2 is shown cylindrical in shape, comprising a metal casing 4 and a lining 5 of suitable refractory material. The chamber 2 may, if desired, be constructed so that it can be separated throughout from the rest of the heater, in order to facilitate repairs and replacement of the lining 5 of the combustion chamber. The chamber 2 is closed at its rear end by a plate 6. In the upper rear part of the chamber there is provided a flue 7, intended for the passage of the combustion gases coming from the chamber into neighboring flues 8, 8a.
The front end of the flues 8, 8a opens into a thin chamber 9 extending across the front of the heater. A fan 10 assists in the circulation of the combustion gases which, when they leave the flues 8, 8a and enter the chamber 9, partly pass through the annular opening 11, back into the hearth chamber 2. The rest of the combustion gases pass through openings 12 and pass into a pre-air preheating chamber 13. The flow of combustion gases is controlled or regulated by registers 14 mounted at the communication opening between the flue chambers 8, 8a and chamber 9.
Inert combustion gases can be introduced into chamber 2 at a point further along the length of the chamber and from the end of the burner than shown in the drawing, so that combustion is completed before the Inert circulating gases do not mix with combustion products.
The burner could also be placed at a point further from the rear end of the chamber and an extension of the space of the hearth chamber would thus be provided.
The combustion gases entering the pre-heating chamber 13 escape through a chimney flue 15 provided with a damper 15a.
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The combustion gases which return to the chamber 2, pass along the surface of the refractory lining 5 and serve to protect this lining.
The rings 8, 8a individually contain a battery of tubes, 16, 16a, for conducting the gaseous fluid to be heated.
Each battery of tubes is connected to main conduits or collectors 17, 17a; these latter collectors 17a have not been shown but are analogous to collectors 17: collectors 17 and tubes 16 are arranged so as to conduct the fluid at high pressure intended for the working cylinders at high pressure, and collectors 17a thus that the tubes 16a are intended to conduct the fluid intended for the cylinders at low pressure.
The tubes 16, 16a, are arranged in a series of vertical loops, so as to obtain the maximum heating surface and an efficient transmission of heat from the combustion gases, and, since they are not in contact. with the gases only after the latter have left the chamber 2, these tubes are not subjected to the extreme temperatures, and the risk of damage by burning is consequently reduced. The tubes 16, 16a are preferably made of the same material as that commonly employed in high pressure water tube steam boilers.
Looped tubes 18, arranged in a similar manner, are provided in the pre-heating chamber 13, and pressurized air is sent by a fan, through these tubes 18, to the fuel oil burner 3, the air entering. into tubes 18 through inlet 19. If desired, the air used to vaporize the fuel can be at a lower temperature than either the primary air or the heated secondary air.
The circulation fan 10 is operated by a motor 20, and the drive shaft 21 is cooled by a chamber 22 surrounding the shaft, with cold air being sent through the chamber by the fan which supplies the. combustion air to burner 3. The air connection to chamber 21 has been shown cut off.
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Pockets or sheaths intended for thermometers are advantageously placed in the casing of the furnace in order to allow precise control of the action of the heater.
Dampers can, if desired, be placed above the openings 12. The circulation is regulated such that for every 454 grams of fuel and fresh reheated air entering the hearth, 454 grams of fuel. Combustion gases leave the circuit at the minimum circuit temperature, pass through the preheating chamber 13 and are exhausted to the atmosphere through the flue flue 15. If desired, the waste gas can provide heat to a small auxiliary engine, the upper temperature of which is lower, before switching to the preheating device.
The heater has been described as comprising two elements + heaters, one for the high pressure fluid before expansion and the other for the fluid after expansion in the first stage.
Two simple heaters could naturally be used and, in the case of a single expansion stage, only one heater would be necessary,
One could obviously modify the arrangement of the reheater. For example, the heater may comprise a number of tubes shaped as helices, straight, spirals or any combination of these conformations, and may include a relatively small section flue enclosing each tube and wound with and in the same manner as this. latest.
When the heater is burning coal, the grate, either hand fed or mechanically powered, can be mounted on wheels and arranged to move on guides in firebox 2, so that repairs to the large bars. @ or refractory lining can be easily carried out.
The grid, when in place, will be moved away from the walls of the chamber, and the inert flue gases, circulating, led, upward, between the grid frame and the packing. Gas
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The inert flue gases consequently mix with the fresh combustion gases and circulate jointly around the reheating tubes 16, 16a as already described. The grille frame is constructed with a low wall of refractory bricks arranged around the fireplace except in the vicinity of the fireplace door. The sides, front, back and bottom of the arrangement forming the ashtray. The fuel is kept away from the firebox liner by the spacing discussed above to prevent slagging and damage to the liner.
The low wall surrounding the hearth also locates deterioration due to slag and contributes to combustion by providing an incandescent surface.
The high pressure gaseous fluid entering heater 1 has already absorbed heat as it passes through regenerator 23. Regenerator 23 comprises an outer shell 24, preferably made of forged steel. An internal duct 25, which can be lined, for example with magnesia, at the same time as ducts 26 and 27, are housed in the casing and support a laminated structure 28, this structure being lighter. - ment shown in Figures 8a, 8b, 8c, 9a, 9b, 9c, 9d and 10.
This structure is constituted by means of one or a certain number of sheets or blades 29, established with the aid of plates or strips of thin metal and comprising a certain number of protuberances 30: In in the case of a structure formed using a single strip, this strip is folded back as shown in FIGS. 9b and 9c. The strip is rigidly mounted in slots 31, on the pipes 25; 26 and 27. When mounted on the pipes, the thin plates are bent in the form of spirals as shown in fig. 8c so as to reduce the external dimensions as much as possible and to keep the plates parallel.
Using a collar or other suitable means, the structure is held in this shape and mounted in the casing 24.
It should be noted that the structure provides a certain number of parallel passages, half of which are open on the exterior side of the
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pipes 26 and 27 and the remainder towards the interior of these pipes.
The gaseous fluid at low pressure, and hot, coming from the low pressure cylinders, enters the regenerator through inlet 32, and passes through a series of passages of the lamellar structure, at 33.
After having passed through the structure, the gaseous fluid leaves it at 34 and passes through outlet 35 to the first cooler. The cold, high pressure, gaseous fluid enters the regenerator through inlet 36 and, passing through the second series of passages of the lamellar structure, emerges through outlet 37. ' The hot end of the lamellar structure is firmly secured in the outer casing 24, by means of a clamp screwed onto the pipe 26, and held, at the lower part of the liner, by the outer pipe, at the bottom. Using a collar mounted at the end of this conduit and forming a collar for the packing, but the cold end conduit, 27, can slide into the packing 38 to allow expansion and contraction.
The internal pipe 25 is, as shown, closed by the end members 39 and 40, and these members are shaped so as to reduce the resistance or impediment to the flow of the gaseous fluid and the friction losses which result therefrom.
The paths of the hot low pressure fluid, and of the cold high pressure fluid can, of course, be interchanged, and in this case the hot fluid would enter the regenerator through opening 37 and exit through the opening 36, while cold fluid would enter 35 and exit 32.
The regenerator can, of course, be mounted with its longitudinal axis disposed either in the vertical plane, or in the horizontal plane, or in any other plane. The lamellar structure can, if desired, be constituted by concentric, round, elliptical tubes or any other desired section, and provided with recesses or projections to maintain the passage spacing. , so that no ciroonferential tension is supported by the lamellar structure, but that all the forces are
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absorbed by the outer shell or inner dead tube. In this case, the ends of the tubular lamellar structure are arranged so as to keep the air or gas at high pressure and air or gas at low pressure separate.
The lamellar structure could still be established in any suitable arrangement of plates or thin tubes.
The coolers through which the gaseous fluid flows after leaving the low pressure side of the regenerator, and also after leaving the first compression stage or low pressure compression stage, are identical. which concerns their dimensions.
As shown in the figs. 11 and 12, the cooler 41 comprises outer and inner coils 42 and 43, preferably constructed of finned copper tubing. The coils are mounted on a central tube 44 closed by the shaped heads 45, and enclosed in an outer tubular steel member, 46.
Flanges 47, provided at each end of the outer tube, are bolted to the flanges 48 carrying the central water circulation pipes 49.
The gaseous fluid enters the external coil 42 through the inlet 50 and, after passing through the two series of turns, is discharged through the outlet 51. The second coil, or internal coil, 43, is formed of tubes having a diameter reduced compared to the external coil 42. Pockets or sheaths intended to receive thermometers, 52, are arranged in the flanges 48. The circulating coolant can be air, water or all other suitable fluid.
The previously described arrangement, in which a separate cooler is employed for fluid at different pressures, can be modified, and a single cooler employed for both pressures can be used. The cooler may also receive a lamellar construction, resembling that of the regenerator, but, of course, modified according to the coolant employed.
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Means, of any suitable type, for cooling the circulating coolant fluid, may be employed when desired.
The first cooler, through which the gaseous fluid flows after leaving the low pressure side of the regenerator, can be connected to a gas pump, itself connected or to a low pressure gas tank, the atmosphere, and a device operating under the influence of pressure, which can also be controlled manually, is provided to start the pump so that gas is pumped and introduced into the engine circuit when the pressure reaches a certain value.
A pressure release valve can also be provided to allow cycle gas to escape to the low pressure tank or to the atmosphere:
Similarly, a pump and a release valve would be fitted to the regenerator, and would be arranged so that the pump sucks into and the valve discharges to the first cooler.
The pumps can be electrically operated, and the motors started and stopped by suitable switches actuated by means influenced by pressure, such as pressure gauges, mounted in the cycle of the motor and fitted with adjustable electrical contacts. , and the pressure influenced means may, alternatively, comprise loaded plungers, the load being adjustable by varying, for example, the compression of a spring. The movement or displacement of the plunger determines the opening or closing of the motor control circuit in a known manner.
The exhaust valves may be of the known type with springs or with a balancing chamber and may be actuated by electromagnets controlled in a manner analogous to engine control switches.
The exhaust valves can still be actuated
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generated by engine pressures and controlled by adjustable load means. For example, the compression of a spring keeping a valve closed can be changed by appropriate adjustment means.
Means may be employed to control the various loading means of the pressure-influenced devices, so that they can be changed simultaneously with a main control.
The pumps can be operated continuously from the main shaft of the motor or by any other suitable source of power, and by means of known type influenced by the gas pressures of the cycle, can be used to unload the pump when necessary. Appropriate adjustment means, as described above, can be employed to control the discharge means.
The low pressure pump and the low pressure exhaust valve can be connected, for example, to the end cover of the gas inlet of the first cooler.
The high pressure pump may be arranged to pass gas from the outlet side of the first cooler to the high pressure cold side of the regenerator.
The high pressure discharge valve may be connected to the high pressure cold side of the regenerator, so that the exhaust is to the inlet side of the first cooler.
The fluid, after having passed through the heater at its highest pressure of the cycle, is expanded in the high pressure working cylinders 53: After expansion in the cylinders 53, the fluid is heated again in the heater to low pressure, where it again substantially reaches the maximum temperature of the cycle and is then expanded in the low pressure cylinders 54. ' The two cylinders 53 included in the high and low pressure stages are individually fitted with inlet and exhaust valves 55 mounted in the valve box 56 of the
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cylinder heads; low pressure cylinders are equipped in a similar way. The valves 55 are actuated in the manner which will be described, or else in any suitable known manner.
A rigid member 56 provides a support pivot for a lever member 57, to which is attached the stem 58 of the corresponding valve. A valve stem 59 is actuated to operate the valves from suitable means, such as previously described: In the drawings, both the inlet and outlet valves have been shown to open outwardly by lifting, but, of course, any or all of them could be arranged to close. by moving outward. It is preferable, however, to arrange the inlet valve so that it opens by lifting, as shown, in order to avoid excessive pressure in the cylinder during changes in speed and during pumping. overturning or stopping.
The valve blocks move into gaskets 60, or other suitable arrangements.
The cylinder pistons, 61, actuate, via the rods 62, the heads 63, and the connecting rods 64, actuate the crank shaft 65. The cranks 66 are arranged so as to avoid the point. engine death in a reverse engine, by shifting the cranks of the high pressure cylinders by an appropriate angle, for example 90, from the cranks of the low pressure cylinders. In an engine without overturning, the cranks can all beings placed at 1800 from each other, so as to provide a substantially perfect dynamic balance.
In the drawings, the cranks of the high pressure pistons are offset by 180, and the low pressure cranks are arranged in a similar manner.
The cylinders 53, 54 are single-acting, and the cylinder space on the crank side of each high-pressure piston is connected, through the ports 67, with a chamber 68: exit 69 connects this room to the side of
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evacuation of the valve box 56. This construction provides a paste of pistons balanced from a gas point of view, and the forces or tensions in the bearings and the structure are minimum.
Each cylinder wall, within the extent of the displacement of the piston rings 70, and cooled by means of an air jacket, 71, and the inlets and outlets of pipes, 72,73, through which one can pass a current of circulating air or other cooling fluid at an appropriate temperature.
The upper surface of the cylinder walls is protected by magnesia, hot waste gases from combustion, or other material. Orifices 74 are provided for lubricating the cylinders.
If desired, a long cylinder may have a single-acting hot cylinder or pressure regulator at one end and a single-acting cold cylinder or compressor at the other end, with a rod extending from it. cold end, and providing the difference in extent of hot and cold piston surfaces. The rod could be connected to the crank shaft by means of the usual movement control, the cold end being cooled by circulating water or cold air, the piston rings being arranged at the end. of the piston lo ng.
In order to minimize the pressure pulsations between the high and low pressure cylinders, the relative volumes of the cylinders and of the intermediate heater as well as of the connecting pipes, are chosen so that the volumes of the heater and connecting lines are considerably larger than half the volume of the cylinder at low pressure.
In the construction shown in the drawings, in figs. 12, 14 and 15 of these, an original and preferred valve control or monitoring device has been employed. The command or control device is housed in a casing or casing 93 supported by the frame of the motor. A camshaft 94 is mounted in the bearings 95 arranged in the housing 93 and carries a certain
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tain number of pairs of cams 96, 96a, each pair being associated with a pair of rocking arms or rockers 98, 98a.
The camshaft 94 is actuated from the crankshaft of the engine 65, by the cc = mande designated as a whole by the reference 97, and in a strong fixed ratio of speeds with the crank shaft The rocking arms or rocker arms 98, 98a are pivotally supported on eccentrics 99, 99a rigidly mounted on a shaft 100 supported in bearings 101 of the gear housing93. The rocker arm shaft 100 is conditioned to be rotated to a desired angular position, using the handwheel 102. The handwheel 102 can, of course, be replaced by mechanical means. actuated, appropriate. As shown, handwheel 102 meshes with shaft 100.
Each rocker arm forming the pairs 98, 98a carries at one end a cam roller 103 mounted pivotably. The other end 104 of each rocker arm forms a cleat or pusher as will be explained. The rocker arms or rocker arms, and the eccentrics 99,99a of the shaft 100 are constructed such that when the handwheel 102 is brought to its mid-position within its limits of travel, the pivot axis of each of the oscillating arms or rocker arms is moved so that the end forming the cleat or pusher, 104, moves freely without making contact with a stopper 105. The stopper 105 is carried by lever-like members, 106, mounted in the vicinity of each oscillating arm or rocker arm constituting the pairs 98, 98a, and each of them is pivotally mounted on the shaft 100.
If desired, the lever-like members can be omitted, and the stops of the rocker arms or rocker arms, or the lifters or cleats can directly engage the valve stems or stems.
In the construction shown in the drawings, each lever-shaped member 106 is pivotally connected by a pin 107 to the valve stem 59 and forms one of the arms of a le- elbow screw comprising another arm 108. The lever-shaped members, 106, are arranged in pairs corresponding to the pairs of oscillating arms or rockers 98, 98a and, as will be noted
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in the drawing, each pair of levers 106 is rigidly assembled, these levers by means of the pin 107 and / being mounted on a common shaft, work as a single member.
Each pair of levers carries a stopper 105, conditioned to be pushed upwards by one of the cleat-shaped ends, 104, of the associated oscillating arm or rocker arm. The complete movement of the shaft 100, in one direction, moves the pivot axis of the swing arms or rocker arms so that one arm of each pair occupies a position in which its cleat end 104 moves its associated stopper 105 and therefore the corresponding valve 55 of its maximum amplitude. The other oscillating arm or rocker arm of the pair has, by the same movement of the shaft 100, been moved so that its end forming a cleat 104 moves without attacking the associated stop 105.
The complete displacement of the shaft 100, in the opposite direction, brings the first oscillating arm or rocker arm out of action, and brings the second oscillating arm into the active position. As will readily be understood, movement of the rocker arm or rocker arm to intermediate positions will alter the displacement or lift of the valve, with a resulting variation in engine power and speed. One swing arm or rocker arm of each pair, 98, 98a, with its associated cam, 96, or 96a, corresponds to the forward displacement of the engine while the other swing arm and its associated cam, when brought up. in active position; ensure that the engine reverses.
As a replacement for devices which elastically load the valves to ensure proper closure of the latter, in the constructive arrangement shown more specifically in Figures 13 and 14, use was made of fluid pressure,
A piston 112, disposed in a cylinder 111, is subjected to the pressure prevailing in the outlet pipe of the high pressure compressor, and it is pivotally connected, by a connecting rod 114, to the angled lever arm 108. The pressure continuously exerted by the piston 112 serves to maintain the engine valves, respective
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in the closed position, while the arrangement allows these valves to open if a dangerous high pressure occurs in the engine cylinder.
In order to keep the driving member of the cam, or roller 103, in continuous engagement with its cam 96 or 96a, a plunger 115 is in contact with each oscillating arm or rocker arm and is conditioned to move. moving in a cylinder 116 open to gaseous fluid on the high pressure side of the high pressure compressor.
Resilient means can of course be employed to load the valves into the closed position, replacing the fluid pressure arrangement just described.
The motor crankshaft, 65, is extended, and the extension 75 is used to operate the high and low pressure cold cylinders, or compressors 76,77. The two compressors, except as regards their dimensions, are similar in their arrangement. Each compressor comprises a double-acting cylinder, 78, with inlets 79 and outlets 80 to the upper and lower valve boxes 81 and 82 respectively. The inlet opening 79 in each cylinder leads into an annular passage 83. This passage 83 opens directly into the cylinder, but with the interposition of a valve in the form of a plate or valve 84. ' The valve 84 is slidably mounted on a central member 85, formed so as to limit the internal displacement of the valve.
The valve 84 is provided with openings which coincide with an internal annular passage 86 leading to a chamber 87 opening directly to the outlet 80. A second valve 92 mounted in each valve box is conditioned to close the passage 86 to the outlet. the chamber 87. The member 85 includes a threaded portion, screwed into the valve housing mount, and protrudes into the outlet chamber 87. A valve guard 88 is mounted on the extension of the member 85 .
In each cylinder, the piston 89 is provided, on each
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on one of its faces, recesses 90 formed so that the pistons do not reach the members 85 at the end of their stroke. Each of the lower members 85 is of tubular construction in order to allow the passage of the piston rods 91. During the stroke descending from the pistons, for example, the upper valve 84 is lifted from its seat by the partial vacuum and the pressure on the inlet side, and uncovers the annular passage 83 in the upper valve box, thereby allowing the penetration of gas into the cylinder.
At the same time, on the other side of the piston, gas is compressed and pushes the corresponding valve 84 against its seat to close the passage
83 in the lower valve box. ' During the return stroke, upward, of the piston, the gas in the cylinder is compressed, the pressure serving to keep the inlet openings 83 closed until the moment when the pressure in the cylinder is greater than that prevailing in the piston. room 81; the upper valve 84 is then raised against the pressure on the outlet side of the compressor, and the compressed gas is vented. The operation is the same on both sides of the cylinder. Guard 88 prevents excessive movement of valve 84.
Each cylinder is provided with a jacket 93 in which cooling water can be circulated?
The cranks, which correspond respectively to the high and low pressure cylinders, are offset so that the hot and cold cylinders, at high pressure, work together, that is to say, a cold cylinder empties while a hot cylinder fills, and vice versa. The hot and cold low pressure cylinders are similarly arranged.
Any suitable known construction, such as that of tubular cam-controlled valves, can of course be adopted for the valves, or the arrangement can include both arrangements; for example, the inlet opening can be controlled by a tubular valve actuated in a positive manner, and the outlet opening can be controlled by a valve in the manner described above,
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In the construction described, a spring can be provided to assist in closing the valve 84,
and known means can be employed to adjust the force exerted by this spring.
All passages for the flow of fluid to the valve boxes and through the engine are suitably established as paths of least resistance where possible to avoid friction and rolling of the fluid.
The engine cycle can be altered by removing the means to cool the fluid after it is removed from the engine and passed through the low pressure side of the regenerator.
In this case, the fluid is passed from the regenerator to the atmosphere., The exhaust from the regenerator can be used to supply the fireplace air heater, and to avoid a forced draft fan. In this modified arrangement, air supply pumps, exhaust devices, pressure control devices and other secondary devices are omitted.
In order to evacuate a part of the working fluid, needle or needle valves can be arranged at suitable points in the cycle, these valves being continuously open when the engine is running, and closed when it is stopped. Pressure control air pumps can supply the required additional fluid.
When the pumps are actuated by the motor shaft and are provided with discharge means actuated by pistons or plunger which, in turn, are influenced by the pressures of the motor, it is necessary to provide auxiliary means. to start the engine with the help of the low pro sion fluid. These auxiliary means can advantageously comprise a high pressure gas tank or else an auxiliary pump.
Considerable variations in power and / or variations in ignition rate or intensity of combustion can alter the temperature of the gas and air in the engine at pa.
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shooting of a determined degree.
These modifications can be entirely provided by the automatic pressure control control but, if desired, variable cylinder volume chambers, vessels or spaces can be formed in, or adjacent to, or connected to each cylinder to reduce, if this is the case. The services requested from the automatic pressure control are necessary or suitable.
If the volume of dead space of a cold cylinder is increased, the weight of gas or engine air delivered by that cylinder is reduced, or vice versa, and if the volume of dead space of a hot cylinder is increased, the weight of engine air or gas taken by that cylinder will be reduced, or vice versa.
Variations of engine air or gas in a chamber, vessel, or variable-volume cylinder space, can be achieved by a gasketed piston or equivalent mechanism, arranged to be partially introduced. in or @ taken from these chambers, containers or spaces.
These pistons or equivalent mechanisms can be action born by hand and, or mechanically; each of them individually and, or two or more of them, is or are actuated by a single lever or wheel or handwheel connected to one, or more, or to all by appropriate controls.
EMI21.1
CLAIMS.
1.- An improved engine of the type using a permanent gaseous fluid, comprising means for compressing the fluid, one or more heating elements for heating the fluid, means suitable for allowing the compressed and heated fluid to expand to perform useful work in one or a number of operating or working stages, a regenerator of eha 6 / their comprising alternating paths for the fluid, the pressure of the fluid in each path having a substantially constant value, the fluid , before its introduction into the means or each stage of the means suitable for allowing the fluid to perform useful work, having reached its maximum cycle temperature, the fluid being
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