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"MACHINE A COMBUSTION INTERNE AVEC COMPRESSEUR DE BALAYAGE ET DE SURALIMENTATION ACTIONNE PAR UNE TURBINE A GAZ D'ECHAP,
PEMENT"
Il estconnu d'augmenter la puissance des machines à combustion interne en fournissant aux cylindres le mélange d'air et de combustible comprimé au préalable. Ce procédé est connu sous le nom de "suralimentation". On effectue la com- pression au moyen d'un compresseur entraîné par une turbine à gaz, cette turbine à gaz tirant son énergie des gaz d'échappe- ment de la machine à combustion interne.
En plus de la surali- mentation, cette compression permet d'obtenir également le balayage des cylindres, l'air additionnel fourni dans ce but
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servant alors aussi bien à évacuer les résidus de gaz brûlés qu'à abaisser la température des gaz d'échappement.
La quantité d'air de balayage ne peut pas être augmentée à volonté, car il n'est pas possible de faire passer à travers les ouvertures des soupapes et les cylindres des quan- tités importantes d'air pendant le court instant disponible pour cette opération. C'est pourquoi il est impossible, en particu- lier dans le cas des machines à grande vitesse et des moteurs à carburateurs, tels que les moteurs d'aviation, dans lesquels les gaz d'échappement sont encore très chauds par suite da la ri- chesse du mélange gazeux et de la prolongation de la combustion, dans le tuyau d'échappement, de refroidir les gaz d'échappement au moyen de l'air de balayage autant qu'il le serait nécessaire au point de vue de la résistance des tuyères et des ailettes de la turbine à gaz.
Pour rendre possible l'abaissement, avantageux en soi, de la température des gaz d'échappement en y mélangeant de l'air, et l'augmentation connexe de la puissance de la turbine à gaz d'échappement, il a déjà été proposé de fournir cet air additionnel au moyen d'un compresseur d'air distinct, entraîné directement par le moteur à combustion interne. Le but cherché est, certes, atteint de cette manière, mais ce recours à un compresseur distinct nécessite un espace disponible pour ce dernier, augmente le poids total dans une proportion qui est loin d'être négligeable, et diminue l'économie de l'installas tion motrice. Ce sont là des inconvénients tout à fait indésira bles en matière d'aviation, de locomotives et d'automobiles.
La présente invention a pour but d'éviter tous les inconvénients qui viennent d'être mentionnés. Elle a pour objet une machine à combustion interne avec compresseur de balayage et de suralimentation entraîné par une turbine à gaz d'échappement, et refroidissement des gaz d'échappement avant
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leur entrée dans la turbine, et elle est caractérisée en ce que l'air servant au refroidissement des gaz d'échappement est fourni par le compresseur de suralimentation et de balayage lui-même, du fait qu'une partie de l'air fourni par le compresseur est amenée aux gaz d'échappement directement, c'est-à-dire sans passer par le moteur à combustion interne. La conduite de déri- vation (ou bypass) relie dès lors directement le compresseur à la turbine à gaz.
Dans un stade plus développé de l'invention, cette conduite est munie avantageusement d'un organe d'étrangle- ment à l'aide duquel on peut régler à chaque instant le débit d'air, de telle sorte que les gaz d'échappement provenant du moteur à combustion interne soient refroidis jusqu'à la température né- cessaire pour assurer la sécurité de fonctionnement de la turbi- ne à gaz. La dérivation de l'air permet d'obtenir en outre un autre avantage; du fait que la quantité d'air dérivée est variable, la température des gaz avant leur entrée dans la tur- bine varie également. En réglant cette quantité, on a donc la possibilité de modifier la puissance développée par la turbine à gaz.
C'est ainsi, par exemple, qu'en étranglant la conduite de dérivation, on provoque une augmentation de la vitesse de rotation de la turbine à gaz et du compresseur, ce qui permet d'augmenter soit la suralimentation, soit le balayage, soit les deux à la fois. Comme une augmentation de la température des tuyères et des ailettes au-dessus de la température en régime permenant peut être admise sans autre précaution pendant de courtes durées, on dispose donc, en étranglant la conduite d'air de dérivation, d'un moyen de tirer du moteur un supplément de puissance passager. Le réglage du débit de l'air dérivé peut s'effectuer à la main ou d'une manière automatique, par exemple en fonction de la température des gaz d'échappement, etc..
L'invention sera décrite d'une manière plus dé
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taillée en se référant au dessin ci-annexé, dont lesFig. 1 et 2 représentent, partiellement en coupe et à titre d'exemples, deux formes d'exécution de l'objet de l'invention.
A la Fig. 1, on a désigné par 1 un cylindre d'un moteur à combustion interne à un ou plusieurs cylindres, par exemple d'un moteur Diesel ; est la soupape d'admission et 3 la soupape d'échappement. L'air comburant et éventuellement l'air de balayage sont fournis par le compresseur centrifuge 4 et amenés par le tuyau-5 aux cylindres du moteur à combustion interne. Le compresseur est dimensionné de telle sorte qu'il peut fournir notablement plus d'air qu'il n'est nécessaire pour la suralimentation et pour le balayage. Le surplus d'air est amené par la conduite 6 à la tuyauterie d'échappement 8 condui- sant les gaz brûlés à la turbine à gaz d'échappement 7. Un dis- positif d'étranglement 9 est intercalé dans la conduite de déri- vation pour permettre le réglage.
Lorsque la température des gaz d'échappement, par exemple des moteurs à gaz ou des moteurs d'aviation, est élevée, la quantité d'air conduite directement à la turbine à gaz peut être relativement grande, sans toutefois permettre que la température des gaz d'échappement devienne trop basse pour pouvoir développer dans la turbine à gaz la pleine puissance nécessitée par le compresseur. L'élévation du débit d'air en- traîne encore l'avantage que même pour des moteurs de petite puissance, les sections de passage de la roue et des ailettes peuvent avoir des dimensions favorables et que, par conséquent, le rendement de la turbine et du compresseur est élevé.
La Fig. 2 représente un exemple d'exécution applicable aux moteurs à carburateurs, pour lesquels le dispo- sitif proposé présente un intérêt particulier du fait de la température élevée des gaz d'échappement. On a désigné par 10
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un cylindre de moteur à combustion interne à un ou plusieurs cylindres avec sa soupape d'admission 11 et sa soupape d'échap- pement 12. Dans les moteurs à combustion interne où le combusti- ble et l'air comburant sont introduits sous pression dans les cylindres à l'état de mélange, il faut, lorsqu'il est fait usage du balayage des cylindres, amener l'air de combustion et l'air de balayage séparément devant la soupape d'admission, faute de quoi du combustible pourrait être rejeté inutilisé dans le tube d'échappement avec l'air de balayage.
On emploie à cet effet des dispositifs spéciaux connus grâce auxquels la soupape d'admis- sion est mise alternativement en relation avec la conduite de mélange gazeux et avec la conduite d'air de balayage. Il peut être avantageux, de plus, de refroidir l'air comburant, de ma- nière à augmenter la charge du cylindre.
Dans une telle instal- lation,l'air fourni par le compresseur 13 se dirige vers trois points de consommation différents, d'une part par la conduite de dérivation 14 directement à la turbine à gaz 15, puis par la conduite 17 et à travers le clapet 18 pour effectuer le balayage de la chambre de compression du cylindre 10, et enfin par le ré- frigérant 19, le carburateur 20 et le clapet 18 pour servir d'air comburant dans le cylindre 10.- L'air qui va directement à la turbine à gaz 15 se mélange en 21 avec les gaz d'échappement pro- venant des cylindres du moteur à combustion interne et les re- froidit jusqu'à la température de régime admissible pour la tur- bine à gaz.
Pour éviter un retour en arrière des gaz vers le compresseur, par exemple au moment de l'ouverture d'une soupape dàéchappement, laquelle ouverture peut être liée à une augmen- tation de pression dans la conduite d'échappement, on prévoit pour les moteurs à combustion interne, quelle que soit leur na- ture, un clapet de retenue 22. Ici encore, la quantité d'air à dériver peut également se régler au moyen d'un dispositif d'é-
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tranglement comme à la Fig. 1, ou bien être fixée à une valeur déterminée au moyen d'une tuyère, par exemple au moyen de la fen- te annulaire 21.
Dans les moteurs à combustion interne qui peu- vent devoir fonctionner à différentes altitudes, par exemple les moteurs d'avions, de locomotives ou d'automobiles avec carbura- teur ou injection directe du combustible (aussi bien pour les combustibles légers que pour les huiles lourdes) la pression de l'air de suralimentation devra être maintenue assez basse aux faibles altitudes pour ne pas soumettre les organes mécaniques du moteur à des contraintes excessives. On peut désirer cepen- dant maintenir le balayage du moteur.
A cet effet, les conduites d'air de suralimentation (le cas échéant de mélange combus- tible) et d'air de balayage sont amenées séparément au cylindre, aussi bien dans le cas de moteurs à carburateurs que dans le cas de moteurs à injection directe, et on prévoit dans la con- duite de suralimentation un dispositif d'étranglement 23 réglé soit à la main, soit automatiquement. De cette manière, le balaya- ge exerce son plein effet, même lorsque la suralimentation est étranglée, de sorte que la température des gaz d'échappement du moteur reste basse, même aux faibles altitudes et qu'en outre le poids de mélange frais injecté dans le cylindre reste aussi grand que possible.
Dans les moteurs à combustion interne qui fonc- tionnent sans excès d'air ou même avec insuffisance d'air, on peut augmenter passagèrement la puissance en enrichissant le mélange gazeux (moteurs à essence en particulier) et en laissant se poursuivre la combustion des gaz d'échappement jusque devant la turbine à gaz.
Lorsque la conduite de suralimentation est étranglée, auquel cas la quantité d'air de balayage et, par sui- te,le débit total d'air du compresseur deviennent plus petite
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ce qui aurait pour effet de faire baisser le rendement du groupe de suralimentation, on peut néanmoins obtenir de cette manière une augmentation de la puissance de la turbine, et par suite un ren- forcement de l'action de balayage et une augmentation passagère de la puissance du moteur, ce qui présente, en particulier, un grand intérêt pour le lancement des moteurs d'avions.
Si le moteur à combustion interne est un moteur à gaz, le carburateur 20 doit être remplacé par un compres- seur à gaz qui peut être entraîné soit par la turbine à gaz d'é- chappement, soit par une autre sourcede force motrice. Le refroidissement de l'air comburant peut naturellement s'employer aussi avec les moteurs qui reçoivent leur combustible non pas en mélange préalable, mais par injection dans les cylindres. Le raccordement du réfrigérant 19 s'effectue dans ce cas directement sur le clapet 18, comme il est indiqué en traits pleins en 25 sur la Fig. 2. Comme dispositif de commande de l'air de balaya- ge et de-mélange, on peut employer dans certains cas un tiroir tournant. Les tiroirs de tous les cylindres disposés côte à côte peuvent être accouplés entre eux de manière à ne nécessiter pour eux tous qu'une commande unique.