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Procédé de conduite de moteurs à combustion interne.
Un inconvénient reconnu des moteurs à combustion interne est leur inaptitude à fournir un couple plus élevé, de sorte que pour une cylindrée donnée, leur puissance ne peut être accrue qu'en augmentant leur vitesse de rotation et non pas, comme dans une machine à vapeur, en augmentant la charge des cylindres.
On a déjà essayé de remédier à cet inconvénient en accouplant à un moteur à combustion interne auxiliaire un compresseur d'air dans lequel on comprimait à la pression de service l'air de combustion destiné au moteur proprement dit, ce qui a permis, effectivement, d'accroître le couple d'un pourcentage allant jusque 100 % et davantage.
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Toutefois cette construction ne s'est pas avérée pratique, car elle exige l'emploi d'un compresseur distinct dont la cylindrée doit être aussi grande que celle du moteur principal. A cela s'ajoute encore la cylindrée du moteur à combustion interne auxiliaire actionnant le compresseur, ce qui non seulement augmente le coût de la construction au-delà des limites pratiques mais encore diminue sensiblement le rendement mécanique.
La présente invention a pour objet un moteur à combustion interne à deux temps, divisé en deux groupes fonctionnant à des vitesses différentes, - un groupe moteur et un groupe compresseur à combustion interne -, et agencé de manière qu'on puisse prendre directement aux cylindres compresseurs à combustion interne l'air de combustion destiné au groupe moteur, sans recourir à un compresseur distinct.
A cet effet on comprime préalablement à 1,5-3 atmos- phères abs., dans un compresseur rotatif, l'air de balayage destiné aux cylindres compresseurs à combustion interne, afin qu'au besoin on puisse charger ces cylindres du triple de leur volume d'air.
On comprime ensuite à environ 25 atmosphères, dans les cylindres compresseurs à combustion interne, cet air de balayage préalablement comprimé, et on le refoule dans un réservoir à travers une soupape commandée. Puis on ramène aux cylindres compresseurs environ la moitié de cet air, que l'on échauffe à environ 1800 abs. avec admission de combustible et que l'on détend avec production de travail pour engendrer l'énergie requise pour la compression de la charge d'air suivante.
On envoie aux cylindres moteurs proprement dits l'autre moitié, non ramenée aux cylindres compresseurs, de
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l'air comprimé à 25 atmosphères et refoulé, et dans ces cylindres moteurs entièrement exemptés de tout travail de compression on échauffe l'air pendant son entrée dans ces cylindres, avec admission de combustible, sous la pression constante de 25 atmosphères, à environ 1800 et on le détend avec production de travail.
En raison de l'absence de travail de compression, la consommation d'air dans les cylindres moteurs n'est que de 2,7 m3 par cheval-heure de travail effectif.
Par contre, dans les moteurs à combustion interne à compression, le débit s'élève à 4,5 m3 par cheval-heure de travail de compression.
Etant donné que, par cheval-heure de travail de com- pression, on peut comprimer à 25 atmosphères 4,5 m3 d'air donnant 4.5/2.7 = 1,67 cheval-heure dans les cylindres moteurs,
2,7 il faut débiter pour cette puissance de 1,67 cheval-heure 4,5 + 4,5 = 9 m3 d'air, et encore 4,5 m3 dans les cylindres moteurs. Au total on a donc 13,5 m3 par 1,67 cheval-heure de travail effectif, correspondant en chiffres ronds à 8 m3 par cheval-heure.
Cependant, quand on envoie aux cylindres compres- seurs à combustion interne, du compresseur rotatif, de l'air déjà porté à la pression de 2 atmosphères abs., la cylindrée requise se réduit à 9/2 = 4,5 m3 pour les cylindres compres- seurs, ce qui donne conjointement avec les 4,5 m de cylin- drée pour les cylindres moteurs, un total de 9 m3 pour 1,67 cheval-heure, correspondant à 5,4 m3 par cheval-heure de travail effectif.
Ceci correspond assez exactement au volume de cylin- drée requis pour les moteurs Diesel ordinaires, et étant donné que pour le cycle à deux temps des moteurs Diesel on emploie généralement de toute façon un compresseur de balayage, le
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compresseur rotatif requis en supplément ne signifie aucune augmentation du coût de la construction.
Le coût de la construction est même sensiblement réduit comparativement aux moteurs Diesel existants car en raison de la combustion à pression constante la pression maximum n'est que de 25 atmosphères au lieu de 60 à 70 atmosphères pour les moteurs Diesel actuels, de sorte qu'on peut construire beaucoup plus légèrement les embiellages et les cylindres ainsi que l'assemblage de ces cylindres sur le carter à manivelles.
A cela il faut encore ajouter que les cylindres moteurs ne doivent pas avoir, en principe, de lumières de balayage, et que la cylindrée devient ainsi utilisable à 100 %, tandis que, autrement, au moins 20 % sont perdus dans le moteur à deux temps en raison de la présence de lumières d'échappement.
Dans les cylindres compresseurs à combustion interne,on peut également réduire à 10 % la perte de cylindrée due à la présence des lumières d'échappement, étant donné que dans ces cylindres la pression d'air de balayage est de 2 atmosphères et plus. On réduit intentionnellement à 10 % la perte de cylindrée pour éviter une perte de pression de l'air de balayage pendant le balayage.
La perte totale de cylindrée ne serait donc que de 5 % comparativement aux 20 % du mode de fonctionnement antérieur. Toutefois, étant donné qu'au démarrage sous pleine charge les cylindres moteurs doivent fonctionner, dans certains cas, avec des charges allant jusque 50 %, pour lesquelles il peut y avoir encore à fin de course,pendant cette période, une pression finale dépassant 10 atmosphères qui rendrait difficile l'ouverture de la soupape d'échappement,
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il peut être avantageux de prévoir également des lumières d'échappement dans les cylindres moteurs. Mais même dans ce cas la perte de cylindrée est de 50 % moindre que jusqu'à présent dans le cycle à deux temps des moteurs à combustion interne, car même alors elle reste encore inférieure à 10 %.
D'autres caractéristiques encore ressortiront de la description ci-après, faite avec référence aux dessins annexés, dans lesquels:
Fig. 1 représente schématiquement à titre d'exemple un moteur à deux temps à six cylindres, permettant d'exécuter le procédé conforme à l'invention,
Figs. 2 et 3 représentent deux autres exemples d'exécution, et Figs. 4 et 5 montrent des détails.
Les cylindres I, II, III sont les cylindres moteurs où il ne se produit pas de compression sur la face active des pistons. IV, V, VI sont les cylindres compresseurs à combustion interne qui ne fournissent aucune puissance effective, mais qui servent à comprimer l'air tant pour leur consommation propre que pour celle des cylindres moteurs. On peut maintenir dans les deux moitiés du moteur des vitesses de rotation totalement différentes, l'arbre à manivelles étant divis é.
Dans tous les cylindres le cycle est à deux temps; dans les cylindres moteurs les gaz de combustion sont refoulés par le haut à travers les soupapes commandées a quand le piston remonte après avoir accompli la course motrice; dans les cylindres compresseurs à combustion interne ils sont refoulés par le bas à travers des lumières b des cylindres, tandis que le balayage et l'alimentation d'air préalablement comprimé sont opérés par le haut à travers les soupapes commandées c.
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L'air de balayage préalable comprimé à environ 2 atmosphères dans le compresseur rotatif f passe par le réservoir à air}! et les soupapes à air de balayage c. dans les cylindres compresseurs à combustion interne IV à VI,et en même temps ces trois cylindres IV à VI se chargent par le haut, à travers les soupapes d'admission commandées c, à une pression d'environ 2 atmosphères, après quoi les soupapes se referment.
Puis l'air est comprimé à environ 25 atmosphères et est refoulé à travers les soupapes d dans le réservoir i., d'où il est toutefois ramené dans la proportion d'environ 50 % aux cylindres IV à VI en même temps qu'on y admet du combustible et avant que les soupapes d se soient refermées, de sorte que la chaleur de combustion porte cet air à environ 1800 abs. et qu'ensuite l'air se détend en fournissant du travail.
Les autres 50 % de l'air refoulé dans le réservoir i entrent par les soupapes g dans les cylindres moteurs et y subissent un échauffement et une détente, avec admission de combustible.
L'allumage est assuré par une bougie à incandescence pour autant qu'il ne se produit pas spontanément en raison de la température de compression élevée de l'air.
On porte le combustible à une forte pression au moyen d'une pompe à combustible, de la manière connue, et on l'injecte dans les cylindres en k, en le pulvérisant, en même temps (ou un peu avant) que l'air comprimé entre dans les cylindres.
Pour le démarrage sous pleine charge on met d'abord en marche le groupe de cylindres IV à VI qui ne doit fournir qu'un travail de compression et auquel on peut ainsi imprimer immédiatement une vitesse de rotation élevée, tandis que l'autre groupe, constitué par les cylindres moteurs proprement dits,
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ne peut subir d'accélération qu'en rapport avec son couple et avec la charge.
Toutefois on peut accroître ce couple dans la même mesure sous l'effet de la puissance de compression fortement augmentée de l'autre groupe dont la vitesse pendant cette période de démarrage est deux à quatre fois plus élevée que celle du groupe moteur, de sorte qu'on peut ainsi alimenter les cylindres moteurs de charges plus fortes allant jusque 50 % et plus, jusqu'à ce que la vitesse de rotation du groupe moteur soit devenue si élevée que le débit de l'autre groupe ne puisse plus satisfaire à la demande d'air accrue, car à égalité des vitesses des deux groupes la charge des cylindres moteurs ne doit pas dépasser 20 %, étant donné qu'en régime normal il faut chercher à produire une longue détente dont on ne fait abstraction qu'au démarrage ou lors d'une surcharge momentanée.
Il ne faut pas confondre ce procédé avec le procédé connu consistant à refouler la charge d'air comprimée d'un cylindre moteur dans une chambre de combustion communiquant ouvertement avec le cylindre, dans laquelle on amorce l'allumage et la combustion, car dans ce procédé connu il se produit non pas un refoulement dans un réservoir de l'air comprimé, sous pression constante et avec fermeture de soupapes,, dans le but d'alimenter d'air comprimé les autres cylindres à combustion interne, mais une compression à l'encontre d'une pression croissant jusqu'à fin de course.
Par contre, suivant le nouveau procédé, le réservoir dans lequel on refoule sous une pression constant l'air comprimé, est continuellement rempli d'air à 25 atmosphères et est séparé du cylindre compresseur à combustion interne par une soupape commandée qui ne s'ouvre qu'au moment où est atteinte, pendant la course de compression, la pression de 25
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atmosphères et qui ne se referme qu'au moment où la quantité d'air refoulée est entièrement ou partiellement ramenée au cylindre, la combustion se produisant, avec admission de com- bustible, à la pression constante du réservoir.
Par suite, la capacité du réservoir doit toujours être 10 à 50 fois plus grande que le volume d'une charge d'air du cylindre à 25 atmosphères et 7500; elle doit donc être, en règle générale, aussi grande ou plus grande que la capacité totale du cylindre, la quantité d'air refoulée pendant une course étant 1/10 de la cylindrée. Pour un réservoir de 1 li- tre et une cylindrée d'également 1 litre, la pression lors du refoulement d'une charge de cylindre égale à 1/10 de litre
10 à 25 atmosphères augmente de 25 x 0,1 = 2,5 atmosphères pour devenir égale à 27,5 atmosphères et retombe à 25 atmosphères pendant la course motrice; pour une capacité de réservoir de 5 litres et une cylindrée de 1 litre la pression n'augmente et ne diminue encore que de 0,5 atmosphère.
La combustion se produit sans variation de pression, car à cet instant il existe une communication ouverte avec le réservoir 1 où est maintenue une pression constante d'environ 25 atmosphères.
De même, le refoulement dans le réservoir 1 de l'air comprimé à 25 atmosphères, ne s'accompagne d'aucun accroisse- ment de pression notable, vu que le réservoir possède une capacité 10 à 50 fois plus grande que la quantité d'air re- foulée chaque fois sous 25 atmosphères.
En 3/4 de charge ou en demi-charge on pourrait ré- duire à 3/4 ou à 1/2, de la façon usuelle, la quantité d'air de balayage; toutefois pour le cycle à deux temps il en ré- sulte un balayage incomplet, ce qui aurait pour effet de nuire
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à la phase de combustion suivante. En outre, comme jusqu'à présent, on devrait comprimer inutilement à 25 atmosphères la totalité de la charge d'air, qui dans certains cas peut se composer à concurrence de 1/2 à 3/4 de gaz de combustion nuisibles. Par ailleurs, étant donné que pour une consommation de puissance réduite la quantité de combustible admis doit aussi être réduite, il s'ensuivrait une diminution sensible du rendement total.
Suivant l'invention, on procède en divisant la cylindrée totale requise de telle manière que, dans un moteur polycylindrique, la moitié seulement des cylindres fournit le travail effectif requis, tandis que l'autre moitié opère la compression pour les àux groupes.
Les cylindres compresseurs fonctionnent tout comme les cylindres moteurs comme moteur à combustion interne indépendant, mais ils ne fournissent pas de travail effectif car leur puissance est entièrement absorbée pour la compression de l'air, ce cas se présentant notamment quand ils doivent comprimer le double de la quantité d'air requise pour la consommation propre de leur cycle à combustion interne, à condition que les cylindres compresseurs à combustion interne aient la même cylindrée que les cylindres moteurs.
A cette fin, au cours du balayage, on charge les cylindres compresseurs à une pression d'air d'environ 2 atmosphères abs. Environ 50 % de cet air sont consommés pour la combustion propre des cylindres compresseurs et 50 % restent disponibles pour les cylindres moteurs ; cet effet il faut refouler dans le réservoir, après chaque course motrice, la totalité de l'air comprimé à 25 atmosphères dans les cylindres compresseurs à combustion interne et en ramener 50 % dans ces cylindres compresseurs, l'échauffer dans ces cylindres à en-
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viron 1800 abs. avec admission de combustible et le détendre avec production de travail, tandis que les autres 50 % sont envoyés aux cylindres moteurs et y sont convertis, avec admission de combustible, en travail effectif.
La consommation d'air dans les cylindres moteurs tombe alors à 2,7 m3 par cheval-heure, car ces cylindres sont exemptés du travail de compression.
Pour comprimer à 25 atmosphères ces 2,7 m3 d'air il faut consommer dans les cylindres compresseurs 0,6 cheval-heure, ce qui exige une consommation d'air de 4,5 x 0,6 = 2,7 m3, étant donné que la consommation d'air pour 1 cheval-heure de travail de compression dans les cylindres compresseurs à combustion interne est de 4,5 m3. Avec les 2,7 m3 qu'il faut fournir aux cylindres moteurs, les cylindres compresseurs devraient donc débiter 5,4 m3 d'air par cheval-vapeur-heure de travail effectif et avoir ainsi une cylindrée de 100 % plus grande que celle des cylindres moteurs, donnée par la proportion 2,7 : 5,4.
Toutefois on peut y obvier en admettant l'air aux cylindres compresseurs à l'état préalablement comprimé à 2 atmosphères, ce qui peut !être assuré par une soufflerie à pistons rotatifs boulonnée au moyen d'un palier-flasque sur le carter à manivelles du groupe compresseur du moteur et entraînée par l'arbre-manivelle de ce groupe. La cylindrée des cylindres compresseurs à combustion interne ne doit alors plus être supérieure à celle des cylindres moteurs du même moteur.
De cette façon, en combinaison avec le fonctionnement à compression préalable et refoulement, conforme au nouveau procédé, et malgré la compression produite en dehors des cylindres moteurs, on réussit à produire avec la même cylindrée que celle des moteurs à combustion interne travail-
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lant suivant les procédés connus jusqu'à présent, une puissan- ce égale à celle de ces moteurs, car le groupe compresseur exige alors une cylindrée correspondant à une consommation de 5.4/2 = 2,7 m3 et le groupe moteur en exige autant, ce qui au 2 total correspond à 5,4 m3 par cheval-heure de travail effec- tif ;
d'autre part, on obtient ainsi le très grand avantage de pouvoir faire fonctionner le groupe moteur avec un couple susceptible d'être accru et diminuéeà volonté, comme dans une machine à vapeur, et pour une faible charge, par suite d'une détente plus longue, le rendement s'améliore encore, tandis qu'autrement il diminue dans les moteurs à combustion interne.
Le réglage du travail de compression des cylindres compresseurs à combustion interne est assuré automatiquement par un piston de compression influencé par la pression du récepteur, et ce piston décale à l'encontre d'un ressort l'arbre à came de la distribution à soupapes d'admission et adapte ainsi à la demande de pression la vitesse de rotation du compresseur à combustion interne. En outre ce piston commande un papillon d'étranglement monté dans la conduite d'aspiration de la soufflerie de compression préalable, ce qui permet de régler la quantité d'air à comprimer préala- blement en réduisant jusque 1,5 atmosphère la compression préalable.
Pour éviter l'emploi d'une grande masse de volant pour la compensation du coefficient d'irrégularité et pour pouvoir mettre le moteur en marche sous pleine charge sans position de point mort, on emploie de préférence 6 cylindres ou plus, dont toujours la moitié fonctionnent comme cylin- dres compresseurs à combustion interne avec un arbre à mani- velles spécial, distinct de l'arbre à manivelles du groupe moteur, de sorte qu'on peut les faire fonctionner à des vi- tesses différentes.
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Si le moteur à combustion interne ne fonctionne jamais sous pleine charge, mais s'il faut l'arrêter fréquemment et le faire démarrer ensuite sous pleine charge, on peut aussi employer suivant le nouveau procédé, au lieu d'un moteur à six cylindres, une forme d'exécution ne comprenant que trois cylindres, les trois cylindres uniquement moteurs étant omis ; trois cylindres n'envoient alors en service qu'un petit excédent d'air comprimé dans un accumulateur d'air comprimé, mais pour le reste ils transforment eux-mêmes en travail effectif l'air comprimé (Fig. 2).
Dans ce cas, à chaque démarrage sous pleine charge, on élimine la compression en laissant ouvertes les soupapes d'admission d'air de balayage ± même pendant la course de compression, de sorte que pendant ce laps de temps le moteur est exempté de tout travail de compression et que la puissance augmente ainsi déjà d'environ 1/3.
Pendant ce laps de temps l'air comprimé requis est admis, en d, de l'accumulateur d'air comprimé, ce qui permet d'augmenter fortement le couple pendant un temps plus ou moins long selon la capacité de l'accumulateur d'air. Ces cas de fonctionnement se présentent notamment pour la marche des véhicules et, étant donné qu'en règle générale il faut arrêter le véhicule en le freinant, on peut l'agencer de manière que pendant ce temps il ne soit pas fourni de travail mais qu'il se produise une compression qui ralentit la marche du véhicule au lieu d'un frein sur roues, ce qui est déjà connu en soi, mais n'a pu encore être réalisé pratiquement avec la conduite actuelle des moteurs à combustion interne;
en effet, par suite de la présence d'une chambre de compression dans les cylindres moteurs des moteurs à combustion existants, il n'est pas possible de refouler de l'air comprimé, et il n'existe pas
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de soupape pour admettre de l'air comprimé au début de la course motrice.
En outre, on emploie souvent des moteurs à com- bustion interne seulement pour actionner un compresseur d'air, par exemple pour produire de l'air comprimé destiné à des outils penumatiques.
Dans ce cas, suivant le nouveau procédé, on prélève directement aux cylindres à combustion interne l'excédent (environ 50 %) de l'air directement comprimé dans les cy- lindres compresseurs à combustion interne (en omettant le com- presseur d'air distinct requis jusqu'à présent), et on emploie à cet effet une soupape d'échappement préalable réglée pour 4 à 10 atmosphères, tandis que la fraction d'air requise pour la consommation d'énergie du processus de compression, com- primée encore par le piston à 25 atmosphères (ou non compri- mée davantage), s'échauffe à environ 1800 abs. à volume cons- tant, par suite de l'admission de combustible, et se détend ensuite (Fig. 3).
En pareils cas on peut complètement omettre les cylindres moteurs (pour autant qu'on n'exige pas du moteur, en outre, qu'il fournisse encore un travail autre que celui de la compression d'air), et on envoie à une autre installa- tion de consommation l'air comprimé en excès dans les cylin- dres compresseurs à combustion interne, au lieu de l'échauf- fer et le détendre dans les cylindres moteurs avec admission de combustible.
Les caractéristiques de l'invention sont les sui- vantes:
1) On comprime l'air à la pression de combustion dans les cylindres compresseurs à combustion interne d'où .on le refoule d'abord dans un réservoir sous environ 25 at-
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mosphères abs. et de ce réservoir on ramène environ la moitié de l'air dans les cylindres compresseurs avec admission de combustible, tandis que l'autre moitié est envoyée aux cylindres moteurs où ne se produit pas de compression. La combustion a lieu dans les deux groupes, de.la manière connue, sous pression constante.
2) La cylindrée totale requise est divisée en une cylindrée où se produit uniquement le travail moteur proprement dit et où ne se produit aucun travail de compression sur la face active du piston, et en une cylindrée destinée à la compression, où les cylindres produisent uniquement la compression, tant pour leur consommation propre que pour la consommation d'air des cylindres moteurs, chacune des deux moitiés du moteur étant susceptible d'être actionnée à des vitesses de rotation différant de celles de l'autre.
3) Le fonctionnement est tel que le balayage et l'alimentation des cylindres compresseurs à combustion interne soient opérés simultanément par le haut, à travers des soupapes d'admission commandées, sous une pression atteignant 2 atmosphères abs. (ou davantage).
4) On peut prélever au moyen d'une sortie d'air réglée pour 4 à 10 atmosphères, dans un but autre que la production de force motrice effective, une partie de l'air comprimé dans les cylindres compresseurs à combustion interne, tandis qu'on comprime le restant à 25 atmosphères (ou on ne le comprime pas davantage), on le brûle avec admission de combustible, avec ou sans accroissement thermique de la pression,et on le détend dans ces cylindres pour fournir l'énergie requise pour le travail de compression total.
5) En réduisant suffisamment la fraction perdue de la course du piston, servant à ouvrir les lumières des cylin-
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dres-à combustion interne, on assure que même pendant le balayage la pression effective ne puisse diminuer notablement par rapport à la pression préalable de l'air de balayage afin d'éviter des pertes de pression et d'énergie de l'air préalablement comprimé.
6) On donne une issue à la pression effective des cylindres moteurs à la fin de la course motrice au moyen de lumières d'échappement et on ne refoule par la culasse du cylindre que le contenu non comprimé du cylindre.
Une autre proposition consiste à refouler dans le réservoir seulement la moitié de l'air comprimé qui a été admis aux cylindres moteurs, et à chasser l'autre moitié dans une chambre de combustion, communiquant ouvertement avec le cylindre compresseur à combustion interne, dans laquelle se produisent de manière comme l'admission de combustible et la combustion, l'accroissement de pression produit ordinairement pendant le processus de combustion étant toutefois empêché, comme précédemment, du fait qu'on dérive la pression effective dans le réservoir par une soupape d'échappement, cette fraction de gaz combustible qui passe ainsi dans le réservoir (et en outre, au besoin, une partie de l'air directement refoulé précédemment dans le réservoir) étant ramenée immédiatement après au cylindre compresseur à combustion interne.
Le but qu'on cherche à atteindre suivant le procédé est donc ici également la combustion à pression constante, la pression qui existe à tout moment dans le réservoir servant en outre à fixer et à régler la pression de combustion maximum, avec cette seule différence que la quantité d'air comprimée pendant la course de compression n'est refoulée qu'à raison d'environ une moitié dans le réservoir pendant la compression, tandis que l'autre moitié est refoulée dans une chambre de combustion communiquant ouvertement avec le cylindre compres' @
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seur à combustion interne correspondant afin de favoriser le mélange avec le combustible admis et, partant, la combustion qui toutefois, à la différence du fonctionnement ordinaire à combustion interne, doit être opérée sous une pression constante.
Une caractéristique de l'invention consiste donc en ce qu'on empêche l'accroissement de pression, ayant lieu au cours du fonctionnement ordinaire à combustion interne, du fait qu'en maintenant ouvert pendant le processus de combustion la soupape d'échappement d'air comprimé raccordée au réservoir on laisse d'abord échapper dans le réservoir une partie des gaz combustibles qui retourne toutefois dans le cy- lindre pendant une phase subséquente de la course du piston.
Vu que pour la combustion au gaz on donne à la cham.bre de combustion des dimensions suffisamment grandes pour qu'elle soit apte à recevoir déjà sous environ 4 à 5 atmos- phéres de pression effective de gaz, la quantité de gaz requise pour chaque course du piston, l'air entrant dans la chambre de combustion comprime fortement le gaz de cette chambre au cours de la compression subséquente à environ 25 atmosphères et se mélange en même temps intimement à ce gaz, de sorte qu'il se forme dans la chambre de combustion un mélange d'air et de gaz combustible fortement comprimé qui satisfait à tous les desiderata relatifs à une combustion rapide.
En outre il a été reconnu que pour une compression constante avec cycle à deux temps, conforme à l'invention, la compression ne se produit rapidement, même dans les cylindres moteurs, pour autant qu'on emploie du gaz comme combustible, que lorsque le mélange du gaz combustible avec l'air comprimé arrivant du réservoir se produit directement à l'entrée de la soupape, car à cet endroit seulement existe un courant d'air et de gaz dans un espace réduit, suffisant à créer un tourbillon
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énergique.
Suivant l'invention, on place l'admission de gaz combustible dans le siège de la soupape d'admission d'air comprimé raccordée au réservoir, en munissant se siège sur son pourtour d'un grand nombre de petites lumières 1 qui constituent l'entrée de gaz et que le cône de la soupape ferme ou ouvre ensemble.
La Fig. 4 montre le cylindre compresseur à combustion interne comportant la chambre de combustion m, la soupape d'échappement d pour l'excédent d'air comprimé de la course de compression à combustion interne et pour la dérivation dans le réservoir i de l'excès de volume pendant la combustion, empêchant un accroissement de pression, et la soupape d'air de balayage c. Au lieu du réservoir 1 on peut aussi prévoir un accumulateur d'air comprimé.
La Fig. 5 montre le cylindre moteur muni de la soupape d'admission d'air comprimé g qui laisse passer l'air fortement comprimé du réservoir 1 dans le cylindre moteur, et les lumiè - res 1 prévues dans le siège de soupape en vue de l'admission de gaz qui est ainsi commandée par le cône de la soupape d'admission d'air comprimé.
On comprime le gaz combustible en deux phase à environ 30 atmosphères de pression effective, et on en dérive environ la moitié, à la fin de la première phase, sous 4 à 5 atmosphères de pression effective, dans la chambre de combustion du cylindre compresseur à combustion interne, tandis qu'on dérive l'autre moitié,à la fin de la seconde phase, sous environ 30 atmosphères,dans le cylindre moteur,ou bien on produit le gaz sous 4 à 5 atmosphères dans un gazogène à haute pression d'où on en envoie une partie directement dans la chambre de combustion du cylindre compresseur à combustion interne,tandis qu'on comprime
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l'autre partie, en une phase, à environ 30 atmosphères, pour l'envoyer au cylindre moteur.
REVENDICATIONS ---------------------------
1. Procédé de conduite de moteurs à combustion interne,caractérisé en ce qu'on refoule d'abord dans un réservoir l'air comprimé dans les cylindres à combustion interne eux-mêmes et on ramène de ce réservoir une partie de l'air avant que la combustion sous pression constante ait lieu.
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A method of driving internal combustion engines.
A recognized drawback of internal combustion engines is their inability to deliver higher torque, so that for a given displacement their power can only be increased by increasing their rotational speed and not, as in a steam engine. , by increasing the load on the cylinders.
Attempts have already been made to remedy this drawback by coupling to an auxiliary internal combustion engine an air compressor in which the combustion air intended for the engine itself is compressed to the operating pressure, which has effectively enabled increase the torque by a percentage of up to 100% and more.
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However, this construction has not proved to be practical, since it requires the use of a separate compressor, the displacement of which must be as large as that of the main engine. Added to this is further the displacement of the auxiliary internal combustion engine operating the compressor, which not only increases the cost of construction beyond practical limits but also significantly reduces mechanical efficiency.
The present invention relates to a two-stroke internal combustion engine, divided into two groups operating at different speeds, - an engine group and an internal combustion compressor unit -, and arranged so that one can take directly from the cylinders internal combustion compressors the combustion air intended for the power unit, without the need for a separate compressor.
For this purpose, the purge air intended for internal combustion compressor cylinders is previously compressed to 1.5-3 atmospheres abs., In a rotary compressor, so that these cylinders can be charged to three times their capacity if necessary. air volume.
This pre-compressed purging air is then compressed to about 25 atmospheres in the internal combustion compressor cylinders and discharged into a reservoir through a controlled valve. Then we return to the compressor cylinders about half of this air, which is heated to about 1800 abs. with fuel intake and which is expanded with production of work to generate the energy required for the compression of the next air charge.
The other half, not reduced to the compressor cylinders, is sent to the engine cylinders, of
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air compressed to 25 atmospheres and delivered, and in these engine cylinders completely exempt from any compression work, the air is heated during its entry into these cylinders, with fuel intake, under the constant pressure of 25 atmospheres, to about 1800 and we relax it with production of work.
Due to the absence of compression work, the air consumption in the engine cylinders is only 2.7 m3 per horse-hour of effective work.
In contrast, in internal combustion compression engines, the flow rate is 4.5 m3 per horse-hour of compression work.
Since, per horse-hour of compression work, we can compress to 25 atmospheres 4.5 m3 of air giving 4.5 / 2.7 = 1.67 horse-hour in the engine cylinders,
2.7 it is necessary to deliver for this power of 1.67 horse-hour 4.5 + 4.5 = 9 m3 of air, and another 4.5 m3 in the engine cylinders. In total we therefore have 13.5 m3 per 1.67 horse-hour of effective work, corresponding in round figures to 8 m3 per horse-hour.
However, when the internal combustion compressor cylinders of the rotary compressor are supplied with air already brought to the pressure of 2 atmospheres abs., The required displacement is reduced to 9/2 = 4.5 m3 for the cylinders. compressors, which together with the 4.5 m of cylinder capacity for the engine cylinders give a total of 9 m3 for 1.67 horse-hours, corresponding to 5.4 m3 per horse-hour of actual work.
This corresponds fairly exactly to the cylinder volume required for ordinary diesel engines, and since for the two-stroke cycle of diesel engines a scavenging compressor is generally used anyway, the
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Rotary compressor required additionally does not mean any increase in construction cost.
The cost of construction is even significantly reduced compared to existing Diesel engines because due to combustion at constant pressure the maximum pressure is only 25 atmospheres instead of 60 to 70 atmospheres for current Diesel engines, so that the crankshafts and cylinders can be built much more lightly as well as the assembly of these cylinders on the crankcase.
To this we must also add that the engine cylinders should not have, in principle, scavenging lights, and that the displacement thus becomes 100% usable, while, otherwise, at least 20% is lost in the twin engine. time due to the presence of exhaust lights.
In internal combustion compressor cylinders, the loss of displacement due to the presence of the exhaust ports can also be reduced to 10%, given that in these cylinders the purging air pressure is 2 atmospheres and more. The displacement loss is intentionally reduced to 10% to avoid a loss of purge air pressure during sweeping.
The total displacement loss would therefore only be 5% compared to 20% in the previous operating mode. However, given that when starting under full load the engine cylinders must operate, in certain cases, with loads of up to 50%, for which there may still be at the end of the stroke, during this period, a final pressure exceeding 10 atmospheres which would make it difficult to open the exhaust valve,
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it may be advantageous to also provide exhaust ports in the engine cylinders. But even in this case the displacement loss is 50% less than so far in the two-stroke cycle of internal combustion engines, because even then it still remains below 10%.
Still other characteristics will emerge from the following description, given with reference to the appended drawings, in which:
Fig. 1 schematically shows by way of example a two-stroke six-cylinder engine, making it possible to carry out the process according to the invention,
Figs. 2 and 3 show two other examples of execution, and Figs. 4 and 5 show details.
Cylinders I, II, III are the engine cylinders where there is no compression on the active face of the pistons. IV, V, VI are internal combustion compressor cylinders which do not provide any effective power, but which serve to compress the air both for their own consumption and for that of the engine cylinders. Totally different rotational speeds can be maintained in the two halves of the engine, the crankshaft being divided.
In all cylinders the cycle is two-stroke; in the driving cylinders the combustion gases are discharged from above through the controlled valves a when the piston rises after having completed the driving stroke; in internal combustion compressor cylinders they are discharged from below through openings b in the cylinders, while the scanning and supply of pre-compressed air are operated from above through the controlled valves c.
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The pre-purging air compressed to approx. 2 atmospheres in the rotary compressor f passes through the air reservoir}! and purge air valves c. into internal combustion compressor cylinders IV to VI, and at the same time these three cylinders IV to VI charge from above, through the controlled intake valves c, at a pressure of about 2 atmospheres, after which the valves close.
Then the air is compressed to about 25 atmospheres and is forced through the valves d into the reservoir i., From where it is however returned in the proportion of about 50% to the cylinders IV to VI at the same time as admits fuel into it and before the valves d have closed, so that the heat of combustion brings this air to about 1800 abs. and then the air relaxes providing work.
The other 50% of the air discharged into the tank i enters through the valves g into the engine cylinders and undergoes heating and expansion there, with admission of fuel.
Ignition is ensured by an incandescent spark plug as long as it does not occur spontaneously due to the high compression temperature of the air.
The fuel is brought to a high pressure by means of a fuel pump, in the known manner, and it is injected into the cylinders in k, spraying it, at the same time (or a little before) as the air. tablet enters the cylinders.
For starting under full load, the group of cylinders IV to VI is first started, which must only provide compression work and to which a high speed of rotation can thus be immediately given, while the other group, consisting of the actual engine cylinders,
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can only be accelerated in relation to its torque and to the load.
However, this torque can be increased to the same extent under the effect of the greatly increased compression power of the other group, the speed of which during this starting period is two to four times higher than that of the motor group, so that '' it is thus possible to supply the motor cylinders with higher loads of up to 50% and more, until the speed of rotation of the motor group has become so high that the flow rate of the other group can no longer meet the demand increased airflow, because at equal speeds of the two groups the load of the engine cylinders must not exceed 20%, given that in normal mode it is necessary to try to produce a long expansion which is not disregarded when starting or during a momentary overload.
This process should not be confused with the known process consisting in discharging the charge of compressed air from an engine cylinder into a combustion chamber openly communicating with the cylinder, in which ignition and combustion are initiated, because in this known process it is not a discharge into a reservoir of compressed air, under constant pressure and with closing valves, with the aim of supplying compressed air to the other internal combustion cylinders, but a compression at the same time. 'against increasing pressure until the end of the stroke.
On the other hand, according to the new process, the tank into which the compressed air is delivered under constant pressure, is continuously filled with air at 25 atmospheres and is separated from the internal combustion compressor cylinder by a controlled valve which does not open. that at the moment when is reached, during the compression stroke, the pressure of 25
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atmospheres and which only closes when the quantity of discharged air is wholly or partially returned to the cylinder, combustion taking place, with fuel inlet, at constant pressure in the tank.
Therefore, the tank capacity should always be 10 to 50 times greater than the volume of a cylinder air charge at 25 atmospheres and 7500; it must therefore be, as a general rule, as large or greater than the total capacity of the cylinder, the quantity of air discharged during a stroke being 1/10 of the displacement. For a 1 liter tank and a displacement of also 1 liter, the pressure during the delivery of a cylinder charge equal to 1/10 of a liter
10 to 25 atmospheres increases by 25 x 0.1 = 2.5 atmospheres to become equal to 27.5 atmospheres and falls back to 25 atmospheres during the power stroke; for a tank capacity of 5 liters and a displacement of 1 liter, the pressure increases and decreases by only 0.5 atmospheres.
Combustion takes place without pressure variation, because at this moment there is an open communication with the tank 1 where a constant pressure of about 25 atmospheres is maintained.
Likewise, the delivery into the reservoir 1 of the compressed air at 25 atmospheres is not accompanied by any appreciable increase in pressure, since the reservoir has a capacity 10 to 50 times greater than the quantity of. air returned each time at 25 atmospheres.
In 3/4 load or half load, the quantity of purging air could be reduced to 3/4 or to 1/2, in the usual way; however for the two-stroke cycle this results in an incomplete scan, which would have the effect of harming
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to the next combustion phase. Further, as heretofore, the entire air charge, which in some cases may consist of 1/2 to 3/4 of harmful flue gases, should be unnecessarily compressed to 25 atmospheres. Furthermore, since for a reduced power consumption the quantity of fuel admitted must also be reduced, this would result in a significant decrease in the total efficiency.
According to the invention, one proceeds by dividing the total displacement required in such a way that, in a multi-cylinder engine, only half of the cylinders provide the actual work required, while the other half performs the compression for the two groups.
Compressor cylinders work just like engine cylinders as an independent internal combustion engine, but they do not provide effective work because their power is entirely absorbed for the compression of the air, this case occurring in particular when they have to compress twice the amount of the quantity of air required for the proper consumption of their internal combustion cycle, provided that the internal combustion compressor cylinders have the same displacement as the engine cylinders.
To this end, during the sweeping, the compressor cylinders are charged to an air pressure of about 2 atmospheres abs. About 50% of this air is consumed for the clean combustion of the compressor cylinders and 50% remains available for the engine cylinders; For this purpose, after each power stroke, all of the air compressed to 25 atmospheres in the internal combustion compressor cylinders must be forced into the tank and 50% of it returned to these compressor cylinders, heated in these cylinders at in-
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around 1800 abs. with fuel admission and relax it with work output, while the other 50% are sent to the engine cylinders and are converted there, with fuel intake, into effective work.
The air consumption in the engine cylinders then drops to 2.7 m3 per horse-hour, because these cylinders are exempt from compression work.
To compress these 2.7 m3 of air to 25 atmospheres, it is necessary to consume in the compressor cylinders 0.6 horse-hour, which requires an air consumption of 4.5 x 0.6 = 2.7 m3, being given that the air consumption for 1 horse-hour of compression work in internal combustion compressor cylinders is 4.5 m3. With the 2.7 m3 that must be supplied to the engine cylinders, the compressor cylinders should therefore deliver 5.4 m3 of air per horsepower-hour of effective work and thus have a displacement of 100% greater than that of the engine cylinders, given by the proportion 2.7: 5.4.
However, this can be avoided by admitting air to the compressor cylinders in a state previously compressed to 2 atmospheres, which can be provided by a rotary piston blower bolted by means of a flange bearing on the crankcase of the compressor unit of the engine and driven by the crank shaft of this unit. The displacement of the internal combustion compressor cylinders must then no longer be greater than that of the engine cylinders of the same engine.
In this way, in combination with the operation with pre-compression and discharge, in accordance with the new process, and despite the compression produced outside the engine cylinders, it is possible to produce with the same displacement as that of the working internal combustion engines.
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according to the methods known until now, a power equal to that of these engines, because the compressor unit then requires a displacement corresponding to a consumption of 5.4 / 2 = 2.7 m3 and the engine unit requires the same, which in total corresponds to 5.4 m3 per horse-hour of actual work;
on the other hand, we thus obtain the very great advantage of being able to operate the motor unit with a torque capable of being increased and decreased at will, as in a steam engine, and for a low load, following an expansion longer, efficiency improves further, while otherwise it decreases in internal combustion engines.
The adjustment of the compression work of internal combustion compressor cylinders is ensured automatically by a compression piston influenced by the pressure of the receiver, and this piston shifts against a spring the camshaft of the valve timing d intake and thus adapts the rotational speed of the internal combustion compressor to the pressure demand. In addition, this piston controls a throttle valve mounted in the suction line of the pre-compression blower, which makes it possible to adjust the quantity of air to be pre-compressed by reducing the pre-compression to 1.5 atmospheres.
To avoid the use of a large flywheel mass for the compensation of the irregularity coefficient and to be able to start the engine under full load without neutral position, preferably 6 or more cylinders are used, always half of which operate as internal combustion compressor cylinders with a special crankshaft, separate from the crankshaft of the power unit, so that they can be operated at different speeds.
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If the internal combustion engine never runs under full load, but has to be stopped frequently and then started under full load, the new process can also be used instead of a six-cylinder engine. an embodiment comprising only three cylinders, the three cylinders only engines being omitted; three cylinders then send in service only a small excess of compressed air into a compressed air accumulator, but for the rest they themselves transform the compressed air into effective work (Fig. 2).
In this case, at each start under full load, the compression is eliminated by leaving the purge air intake valves ± open even during the compression stroke, so that during this time the engine is exempt from any compression work and the power thus increases already by about 1/3.
During this period of time the required compressed air is admitted, at d, of the compressed air accumulator, which allows the torque to be greatly increased for a longer or shorter time depending on the capacity of the accumulator. air. These cases of operation arise in particular for the running of vehicles and, given that as a general rule the vehicle must be stopped by braking it, it can be arranged in such a way that during this time no work is provided but that 'compression occurs which slows down the running of the vehicle instead of a wheel brake, which is already known per se, but has not yet been practically possible with the current operation of internal combustion engines;
in fact, due to the presence of a compression chamber in the engine cylinders of existing combustion engines, it is not possible to deliver compressed air, and there is no
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valve to admit compressed air at the start of the driving stroke.
In addition, internal combustion engines are often used only to drive an air compressor, for example to produce compressed air for penumatic tools.
In this case, according to the new process, the excess (about 50%) of the air directly compressed in the internal combustion compressor cylinders is taken directly from the internal combustion cylinders (omitting the air compressor. required until now), and for this purpose a pre-exhaust valve set for 4 to 10 atmospheres is used, while the fraction of air required for the energy consumption of the compression process, further compressed by the piston at 25 atmospheres (or not further compressed), heats up to about 1800 abs. at constant volume, as a result of the admission of fuel, and then expands (Fig. 3).
In such cases, the engine cylinders can be omitted altogether (provided that the engine, moreover, is not required to perform further work other than that of air compression), and send to another installation of excess compressed air consumption in internal combustion compressor cylinders, instead of heating and expanding it in engine cylinders with fuel intake.
The characteristics of the invention are as follows:
1) The air is compressed to the combustion pressure in the internal combustion compressor cylinders from where it is first discharged into a tank at about 25 at-
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mospheres abs. and from this reservoir approximately half of the air is returned to the compressor cylinders with fuel intake, while the other half is sent to the engine cylinders where no compression occurs. The combustion takes place in both groups, in known manner, under constant pressure.
2) The total displacement required is divided into a displacement where only the actual engine work occurs and where no compression work occurs on the active face of the piston, and into a displacement intended for compression, where the cylinders only produce compression, both for their own consumption and for the air consumption of the engine cylinders, each of the two halves of the engine being capable of being actuated at rotational speeds different from those of the other.
3) The operation is such that the purging and the feeding of the internal combustion compressors are operated simultaneously from above, through controlled intake valves, under a pressure reaching 2 atmospheres abs. (or more).
4) By means of an air outlet set for 4 to 10 atmospheres, for a purpose other than the production of effective motive force, a part of the compressed air in the internal combustion compressor cylinders can be taken off, while 'the remainder is compressed to 25 atmospheres (or not further compressed), burnt with fuel inlet, with or without thermal increase in pressure, and expanded in these cylinders to provide the energy required for the total compression work.
5) By sufficiently reducing the lost fraction of the piston stroke, serving to open the cylinder ports.
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dres-internal combustion, it is ensured that even during the sweeping the effective pressure cannot decrease appreciably compared to the preliminary pressure of the purging air in order to avoid losses of pressure and energy of the previously compressed air .
6) The effective pressure of the engine cylinders is released at the end of the driving stroke by means of exhaust ports and only the uncompressed contents of the cylinder are discharged through the cylinder head.
Another proposal consists in discharging into the reservoir only half of the compressed air which has been admitted to the engine cylinders, and to expel the other half into a combustion chamber, openly communicating with the internal combustion compressor cylinder, in which occur in such a manner as the intake of fuel and combustion, the increase in pressure ordinarily produced during the combustion process being however prevented, as before, by the fact that the effective pressure in the tank is bypassed by a pressure relief valve. exhaust, this fraction of combustible gas which thus passes into the tank (and in addition, if necessary, part of the air directly discharged previously into the tank) being returned immediately afterwards to the internal combustion compressor cylinder.
The goal which one seeks to achieve according to the process is thus here also combustion at constant pressure, the pressure which exists at all times in the tank serving moreover to fix and to regulate the maximum combustion pressure, with this only difference that the amount of air compressed during the compression stroke is only discharged at a rate of about half into the reservoir during compression, while the other half is discharged into a combustion chamber openly communicating with the compressed cylinder '@
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corresponding internal combustion valve in order to promote mixing with the admitted fuel and hence combustion which, however, unlike ordinary internal combustion operation, must be carried out under constant pressure.
It is therefore a feature of the invention that the increase in pressure, which takes place during ordinary internal combustion operation, is prevented by keeping the exhaust valve open during the combustion process. compressed air connected to the reservoir, part of the combustible gases are first allowed to escape into the reservoir, which nevertheless returns to the cylinder during a subsequent phase of the piston stroke.
Since, for gas combustion, the combustion chamber is given dimensions large enough for it to be able to receive already under about 4 to 5 atmospheres of effective gas pressure, the quantity of gas required for each stroke of the piston, the air entering the combustion chamber strongly compresses the gas in this chamber during subsequent compression to about 25 atmospheres and at the same time mixes intimately with this gas, so that it is formed in the combustion chamber. combustion chamber a mixture of air and highly compressed combustible gas which satisfies all the requirements relating to rapid combustion.
Furthermore, it has been recognized that for constant compression with a two-stroke cycle, according to the invention, the compression only takes place rapidly, even in engine cylinders, provided that gas is used as fuel, only when the mixing of the combustible gas with the compressed air coming from the tank occurs directly at the inlet of the valve, because only there is a current of air and gas in a small space, sufficient to create a vortex
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energetic.
According to the invention, the fuel gas inlet is placed in the seat of the compressed air inlet valve connected to the tank, by providing the seat on its periphery with a large number of small openings 1 which constitute the gas inlet and the valve cone closes or opens together.
Fig. 4 shows the internal combustion compressor cylinder comprising the combustion chamber m, the exhaust valve d for the excess compressed air of the internal combustion compression stroke and for the bypass in the tank i of the excess of volume during combustion, preventing pressure build-up, and the purge air valve c. Instead of the reservoir 1, it is also possible to provide a compressed air accumulator.
Fig. 5 shows the engine cylinder fitted with the compressed air intake valve g which allows the highly compressed air from reservoir 1 to pass into the engine cylinder, and the lights 1 provided in the valve seat for the purpose of gas intake which is thus controlled by the cone of the compressed air intake valve.
The two-phase fuel gas is compressed to about 30 atmospheres effective pressure, and about half of it is derived, at the end of the first phase, at 4 to 5 atmospheres effective pressure, in the combustion chamber of the compressor cylinder at internal combustion, while the other half is bypassed, at the end of the second phase, under about 30 atmospheres, in the engine cylinder, or the gas is produced at 4 to 5 atmospheres in a high pressure gasifier of where part of it is sent directly into the combustion chamber of the internal combustion compressor cylinder, while it is compressed
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the other part, in one phase, at about 30 atmospheres, to send it to the engine cylinder.
CLAIMS ---------------------------
1. A method of driving internal combustion engines, characterized in that the compressed air is first delivered into a tank in the internal combustion cylinders themselves and part of the air is brought back from this tank before that combustion under constant pressure takes place.