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BREVET D'INVENTION " Perfectionnements apportés aux moteurs à combustion interne, notamment à ceux à expansion multiple "
L'invention est relative aux moteurs à combustion interne; et elle concerne plus particulièrement, parce que c'est en leur cas que son application semble devoir offrir le plus d'intérêt, mais non exclusivement, parmi ces engins, ceux à expansion multiple,
Elle a poux but, surtout, de rendre tels, lesdits en- gins, qu'ils soient plus économiques, plus souples et d'une puissance massique plus grande que jusqu'à présent.
On connaît déjà le principe des moteurs, dit/en géné- ral moteurs compound, dans lesquels l'expansion du fluide moteur se fait en au moins deux étages constitués par des cylindres de dimensions différentes, ainsi qu'il est pratiqué dans les machines à vapeur à expansion multiple. Dans de tels moteurs thermiques, la combustion-a lieu seulement dans l'étage haute pression, alors que, dans l'étage basse pression, ont lieu successivement la première partie de la compression du fluide moteur ainsi que la
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deuxième partie de la détente des gaz brûlés.
On connaît également la disposition avantageuse con- sistant à alimenter alternativement en comburant deux cylindres haute pression, fonctionnant suivant un cycle à quatre temps, par un même cylindre basse pression de dimensions convenables, fonc- tionnant suivant un cycle à deux temps.
Selon cette disposition, les cycles des deux cylindres à quatre temps sont décalés de 3600 (pistons cinématiquement en phase) et le piston du cylindre deux temps est calé à environ 180 des pistons quatre temps, Cette disposition avantageuse per- met également de n'utiliser qu'une seule soupape de communication entre chaque cylindre haute pression et le cylindre basse pres:- sion correspondant, cette soupape étant alternativement léchée par les gaz chauds et refroidie par le fluide moteur frais.
L'invention consiste, principalement -- et en même, temps qu'à faire comporter aux moteurs du genre en question au moins deux étages de compression et de détente--,à agencer de manière telle, lesdits moteurs, que l'on puisse faire varier dans des limites étendues le couple moteur en faisant varier, par un réglage adéquat lors de la compression de l'air d'alimen- tation dans un ou plusieurs étages inférieurs, la quantité et la pression de l'air admis aux cylindres de combustion, et ce, de préférence, de manière telle que, au régime d'utilisation la plus courante, la détente dans le dernier étage soit prolongée jusqu'au voisinage de la pression extérieure.
Elle consiste, mise à part cette disposition princi- pale, en certaines autres dispositions qui s'utilisent de pré- férence en même temps et dont il sera plus explicitement parlé ci-après, notamment : en une deuxième disposition consistant, dans les cylindres à deux temps, à donner à la course de détente une longueur plus grande qu'à la course de compression, en une troisième disposition consistant, dans les moteurs du genre en question, d'une part, à avoir recours à une turbine à gaz comme dernier étage de détente à la sortie de laquelle les gaz
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moteurs sont évacués à une pression voisine de la pression am- biante, d'autre part, à faire entraîner par ladite turbine au moins un compresseur de balayage et d'alimentation des cylindres à deux temps et, d'autre part enfin,
à prévoir des moyens permet- tant.de fare varier le couple sur l'arbre du moteur en même temps par la variation quantitative du combustible injecté et par la variation concomitante de la masse et de la pression de l'air d'alimentation que débite le compresseur dont l'énergie fournie par la turbine varie elle-même avec la pression moyenne du cycle moteur;
en une quatrième disposition, consistant à agencer de manière telle, les moteurs à deux temps à équioourant compounds ou non, l'on puisse modifier leur distribution de façon à faire vaen même temps que rier vla massed'air évoluant dans le cycle, , outre, la masse d'ait de balayage, et en une cinquième .disposition consistant à agencer de ma- nière telle, les moteurs du genre en question, que l'on puisse faire varier, en même temps que la pression d'alimentation des cylindres de combustion, le volume de la chambre de combustion et cela, soit d'une façon progressive, soit par des stades suc- cessifs par l'ouverture ou la fermeture de communications éta- blies entre ladite chambre de combustion et des capacités addi- tionnelles.
Elle vise plus particulièrement certains modes d'appli- cation, ainsi que certains modes de réalisation, desdites dispo- sitions et elle vise plus particulièrement encore, et ce à ti- tre de produits industriels nouveaux, les engins du genre en question oomportaht application desdites dispositions, les élé- ments spéciaux propres à leur établissement, ainsi que les ins- tallations fixes ou mobiles, notamment les véhicules automobiles, comportant de tels moteurs.
Et elle pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que des des sins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont, bien en- tendu, donnés surtout à titre d'indication.
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La fig. 1 représente, en coupe schématique, un mo- teur compound établi conformément à L'intention.
Les fig. 2,3,4 sont des diagrammes explicatifs des- tinés à faciliter la compréhension de l'invention.
Les fig. 5 et 6 sont des schémas de deux dispositifs de régulation, établis conformément à l'invention, pouvant être adjoints au susdit moteur.
Les fig. 7 et 8 sont des diagrammes se rapportant au fonctionnement du dispositif faisant l'objet de la fig. 6.
Les fig. 9,10,11 représentent schématiquement des dispositifspour la variation du volume des chambres de com- bustion, établis conformément à l'invention.
La fige 12, enfin, est un schéma correspondant à l'une des dispositions supplémentaires de l'invention.
Selon l'invention et plus spécialement selon celui de ses modes d'application, ainsi que ceux des modes de rêali- sation de ses diverses parties, auxquels il semble qu'il y ait lieu d'accorder la préférence, se proposant, par exemple, d'é- tablir un moteur compound, on s'y prend comme suit ou de façon analogue.
On établit tout d'abord l'ensemble de ce moteur en ayant recours à tout mode de réalisation approprié, tel que celui représenté schémetiquement fig.1, en lui faisant com- porter principalement un certain nombre de cylindres basse pression 1 et un nombre double de cylindres haute pression 2', propres à fonctionner selon un cycle à combustion à quatre temps, en ayant soin de décaler d'environ 1800 les pis- tons 3 et 4',4" coagissant avec lesdits cylindres, cela afin que, pendant la plus grande partie du cycle, les pistons'haute pression montent quand les pistons basse pression descendent et vice versa.
On prévoit, pour assurer la distribution des cylin dres haute pression, ainsi que pour établir ou interrompre la communication entre les cylindres haute pression et basse pression, des obturateurs appropriés tels que des soupapes
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On prévoit, pour assurer la distribution des cylin - dres basse pression fonctionnant suivant le cycle à deux temps à la manière connue des obturateurs tels que des soupapes 7 pour ce qui est de l'échappement et des lumières telles que 8, masquées et démasquées par les pistons basse pression, pour ce qui est de l'admission et du balayage.
Conformément à l'invention on pourra diriger les gaz, à leur sortie des cylindres basse pression, vers une turbine 9. De même, l'air de balayage des cylindres deux temps peut être comprimé à la pression convenable de plusieurs manières connues, par exemple par un compresseur 10 qui peut être avanta- geusement entraîné par la turbine 9, cette dernière pouvant, soit être complètement indépendante du moteur, soit avoir son arbre accouplé à l'arbre moteur.
Le fonctionnement, conforme à l'invention, de l'en- semble venant d'être décrit est le suivant pour cycle à combus- tion à quatre temps (fig.l et diagrammes des fig. 2 à 6)
Lorsque le piston 3 est auvoisinage de son point mort bas, les pistons 41,et 4", décalés d'environ 180 par rapport au piston 3,sont tous deux au voisinage de leur point mort haut.
Donc, lorsque le piston 3 remonte,les deux pistons 4' et 4" des- cendent. La soupape 5 étant ouverte et la soupape 6 fermée, le piston 3, en raison de sa grande dimension par rapport aux pis- tons 4'et 4" comprime dans les deux cylindres 2' et 2" (courbes b1c1, b2c2du diagramme fig.2).Au point c, un peu avant le point mort haut du piston 3,la soupape 5 se ferme. La pression conti- nue alors à monter suivant la courbe c1 dl dans le cylindre 1 et la pression descend légèrement suivant c2 f2 dans le cylindre 2'
Pendant la course de descente du piston 4', la pression a donc augmenté dans le cylindre 2' en même temps que dans le cylindre 1. Dans le cylindre 2", dont la soupape était fermée, la pression a diminué (dxtente a3 i3).
En i3 la soupape 6 s'ouvre
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et la pression tombe jusqu'à la valeur d3. Pendant la descente du piston 3 ( montée des pistons 4' et 4" ) les gaz des cylin- dres 1 et 2" se détendent simultanément suivant les courbes d1 a1 ,tandis que, dans le cylindre 2' dont la soupape 5 est fermée, la pression monte suivant la courbe f2 d2.En d2 a lieu- la combustion. Au voisinage du point mort bas du piston 3 s'ou- vre la soupape d'échappement 7 ; l'échappement commence et, lors- que ledit piston 3 découvre les lumières 8, le balayage s'effectue dans le cylindre 1. Lors du tour- suivant les mêmes opérations àe reproduisent dans le cylindre 1 le fonctionnement dans les cylin- dres à quatre temps 2' et 2" est inversé.
On a ainsi réalisé un cycle à deux étages de compres- sion et de détente pour lequel la combustion a lieu seulement dans les cylindres haute pression qui sont seuls soumis à des pressions et à des températures élevées., Le cylindre 1, fonction- nant suivant le cycle à deux temps, est soumis à des pressions inférieures, mais on conçoit que l'on peut donner aux sections des cylindres 1, d'une part, et 2' et 2", d'autre part, des valeurs telles que les travaux des cylindres 1 et 2', 2" soient peu différents, voire égaux. (Le travail moteur dans les cylin- dres haute pression est égal à la différence des aies hachurées en sens inverse sur la fig. 2 ).
En cas de variation de charge, on pourra maintenir l'égalité des travaux dans les cylindres basse pression et haute pression en faisait varier les temps d'ouverture des sou- papes 5 et 6.
Ces dernières, alternativement léchées par des gaz chauds et par des gaz froids, restent à une température moyenne peu élevée, compatible avec leur bonne tenue.
On conçoit que, pour une même masse de gaz, mise en jeu, le rapport du volume de la chambre de combustion à la surface des parois de l'espace de détente est plus petit que si le même travail total avait été fait dans un seul cylindre; il y a donc moins de chaleur perdue par les parois et le rendement du moteur peut être de ce fait amélioré.
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On sait que l'on améliore d'autant plus le rende- ment que l'on prolonge davantage la détente des gaz, ce grâce à quoi on transforme en travail une plus grande partie de la chaleur contenue dans lesdits gaz.
Or, selon l'invention, on détermine de manière telle les divers éléments de 1 ensemble que, pour la valeur d'utili- sation la plus courante du couple moteur, la détente des gaz brûlés dans le cylindre basse pression soit prolongée jusqu'au voisinage de la pression d'alimentation, ce pourquoi on réalise, ainsi qu'il est montré sur les diagrammes de la fig. 2,une Gour- se de détente d1 a1 plus longue que la course de compression b1 cl,résultat que l'on peut obtenir, par exemple, en fermant la soupape d'échappement 7 en retard.
Si l'on veut maintenant augmenter le couple- moteur, on avance la fermeture de ladite soupape d'échappement; la quan- tité d'air évoluant dans le cycle étant alors plus grande, le couple est plus élevé, ainsi que le montrent les diagrammes de la fig. 3 . Toutefois la détente n'est plus prolongée jusqu'à la pression d'alimentation et l'énergie représentée par la par- tie du diagramme en pointillé est perdue.
Selon l'invention, on peut éviter de perdre cette énergie en dirigeant les gaz d'échappement, à leur sortie des cylindres basse pression, dans une turbineà gaz; 9 qui peut être, soit accouplée à l'arbre moteur, soit mieux, utilisée pour entraîner un compresseur d'alimentation 10, par exemple centrifuge.
Les diagrammes de la fig. 4 montrent que, plus la pression à l'échappement est importante (c'est-à-dire plus le couple moteur est grand), plus l'énergie récupérée dans la tur- bine 9 est importante et plus le compresseur peut suralimenter le moteur à une pression élevée; on augmente de ce fait la puissan- ce motrice dans de grandes proportions tout en conservant un rendement élevé dû à la détente complète des gaz brulés.
Toujours selon l'invention, on peut proportionner
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automatiquement ou à volonté la quantité de combustible injecté à la masse ou à la pression de l'air évoluant dans le cycle, par exemple en ayant recours à un mécanisme tel que celui re- présenté par la fig. 5, permettant de provoquer, par l'action- nement d'une commande unique 11, le décal@age de la came 12 qui commande la soupape d'échappement 7 et le déplacement de la tige 13 assurant le réglage quantitatif de la pompe d'injection 14.
A cet effet, on peut par exemple, ainsi qu'il est re- présenté sur la fig. 5, avoir recours à un levier à trois bran- ches 15 accouplé, d'une part à la tige 13 de réglage quantitatif et -d'autre part,, à un manchon tel que 16 coulissant à la fois, par des rainures d'inalinaisons différentes, sur l'arbre de commande 17 et sur l'arbre à came 18, ces rainures étant telles que le coulissement du manchon 16 entraine une rotation relative desdits arbres.
A la commande quantitative automatique de l'injection, on pourra adjoindre une commande à main 19 agissant sur une biellette 20, de manière à pouvoir, pour chaque masse d'air évo- luant dans le moteur, faire varier le couple en provoquant la variation de la quantité de combustiblei injecté.
L'on peut aussi, selon l'invention, faire varier en même temps que la masse d'air évoluant dans le cycle, la masse d'air de balayage, ce pourquoi on peut; par exemple, avoir re- cours à un mécanisme tel que celui représenté sur les fig. 6, 7 et 8 permettant de modifier en même temps que le point de fer- meture de la soupape d'échappement 7, la valeur angulaire du temps d'ouverture des orifices de balayage.
A cet effet, dans le cas où l'air de balayage pénètre dans le cylindre 1 par des lumières 8, on adjoindra par exemple, auxdites lumières, auxquelles on donne alors avantageusement une faible hauteur, une soupape telle que 20 disposée en chapelle dans le cylindre 1, en un point déterminé de la course du piston 3. La chapelle étant masquée elle-même par le piaton 3 à partir d'une certaine valeur de la course, On dispose d'un temps d'ou- verture ou de fermeture beaucoup plus long pour pouvoir ouvrir
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ou fermer ladite soupape 20 en commençant ou en terminant cette opération quand la chapelle est encore ou déjà masquée.
C'est ainsi que, si l'on adopte uns distribution cor- respondant à la fig.7, la soupape 20 qui commence à s'ouvrir en OA est ouverte en grand pendant tout le temps ou la chapelle est démasquée et n'est refermée qu'en FA, quand la chapelle est déjà masquée;' pour ce même calage de la came 21 qui commande la soupape 20, la came 11 qui commande la soupape d'échappement 7 est calée solidairement de manière telle que ladite soupape 20 soit ouverte de CE en FE.
Si l'on fait tourner les deux arbres à cames 12 et 21 d'un même angle ou d'un angle proportionnel par rapport au vilebrequin, par exemple en les conjuguant par une chaîne 22, l'on voit sur la fig. 8 que l'ouverture de la soupape 20 peut être très retardée après que la chapelle a été elle-même démasquée, mais de toute façon l'admission sera terminée lorsque la cha- pelle aura été de nouveau masquée ; quantité d'air de balayage aura donc diminué.
Par contre le décalage simultané de la sou- pape d'échappement permet de réduire en même temps la course ,de compression et par conséquent de diminuer le couple moteur en diminuant la masse d'air comprimé dans le cylindre,
On conçoit que le dispositif qui vient d'être décrit est applicable à tous les moteurs a deux temps à équicourant, même si leurs cylindres ne sont pas compoundés avec des cylindres à quatre temps. Il permet d'augmenter le rendement desdits moteurs en réalisant la détente prolongée et en proportionnant la quantité d'air de balayage au couple moteur.
Les dispositifs venant d'être décrits permettent de surcharger les moteurs compounds dans de grandes limites.
Toutefois, pour les fortes surcharges, les pressions et les températures dans les cylindres hautes pressions pour- raient atteindre des valeurs dangereuses.
Selon l'invention l'on peut limiter la valeur des pressions dans les cylindres haute pression en faisant .varier d'une manière de préférence automatique la capacité d'espace
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mort desdits cylindres haute pression, en fonction de la pres- sion d'alimentation de ces cylindres, et cela, soit d'une façon continue, ainsi qu'il est représenté sur les fig.
9 et 10, en constituant les culasses de chacun des cy- lindres 2',2" par des pistons 23, aptes à se mouvoir axialement dans le cylindre, par exemple sous l'action d'une commande à vis et écrou irréversible, telle que celle figurée en 24 et 25, l'é- crou étant mis en rotation par une tige'26, soumise à l'action d'une capsule manométrique 27 recevant la pression d'alimenta- tion e l'air de celui des cylindres 2',2" considéré et soumise en outre à l'action de deux ressorts antagonistes 28 et 29, soit d'une façon discontinue, en faisant communiquer par exemple, par l'ouverture d'une soupape 30 (fig.ll), le cylindre 21,211,avec une chambre additionnelle 31.
L'ouverture de ladite soupape étant commandé par exemple par une came 32 dont.la ro- tation est elle-même soumise à un organe sensible aux varia.... tions de la pression d'alimentation des cylindres haute pression.
L'on peut encore conjuguer la'commande de la variation du volume des chambres de combustion des cylindres haute pression en même temps ou séparément avec la variation quantitative de l'injection.
Dans tous les cas, lorsqu'on aura prévu des chambres additionnelles on les munira avantageusement chacune d'un in- jecteur supplémentaire 33.
Enfin, toujours selon l'invention, on peut améliorer les phénomènes de combustion et de détente en disposant de toute manière convenable les orifices d'alimentation des cylindres hau- te pression, par exemple en disposant ces orifices en biais dans lesdits cylindres, ainsi qu'il est représenté sur la fig.12,de manière à gréer un mouvement tourbillonnaire.
Comme il va de soi et ainsi qu'il résulte déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite aucunement à celui de ses mo- des d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement indiqués; elle en embrasse au contraire toutes les variantes, notamment
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toutes celles relatives aux dispositions de commande des sou- papes qui peuvent être envisagées, au décalage entre les pistons haute pression et basse pression, ainsi qu'à toutes les disposi- tions de balayage et de suralimentation généralement employés dans les moteurs thermiques à deux ou à quatre temps.