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"Nouvelle classe d'appareils à pistons libres'*
On connaît des appareils à pistons libres de types divers, appartenant, les uns à la classe des compresseurs, les autres à ,celle des générateurs. Tous ces appareils possèdent comrae éléments moteurs des cylindres à doubles pistons oppoaés, à combustion interne genre diésel, diversement agencés.
Ces appareils sont tous fondés sur le même principe : l'énergie mécanique engendrée par les éléments moteurs est transformas, pour la majeure partie en énergie cinétique pendant la première partie de chaque course, en imprimant aux masses mobiles des vitesses croissantes; cette énergie cinéti.. que est utilisée, pendant la deuxième partie de la course, pour comprimer de l'air ou des fluides quelconques en même.;temps que la vitesse des masses mobiles diminue et finit par s'annuler. Les Eusses mobiles sont ramenées à leur position initiale
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pendant la course suivante au moyen de matelas, ou de récupérateurs, ou d'autres éléments moteurs à doubles pistons convenablement disposés. Puis les mêmes opérations recommencent.
L'économie de ces machines tient essentiellement à ce que leurs oscillations sont libres et ne mettent pas en jeu le système bielle-manivelle comme agentde transmission principal.
Les appareils moteurs à combustion interne se prêtent bien à de telles applications, à cause de la facilité avec laquelle toutes les opérations concernant la distribution de ces appareils moteurs peuvent être commandées par le déplacement des doubles pistons moteurs eux-mêmes grâce à des lumières pratiquées aux endroits convenables, dans les chemises desdits appareils.
L'étude analytique générale du fonctionnement des appareils à pistons libres à laquelle se sont livrés, MM.
Ernest MERCIER et Maroel EHLINGER, leur a permis de concevoir et de réaliser des appareils à pistons libres d'un type entièrement nouveau, basés exactement sur les mêmes principes mécaniques ci-dessus rappelés, mais dans lesquels, au lieu d'être des cylindres à combustion interne, les cylindres moteurs à doubles pistons opposés utilisent comme fluide moteur, l'énergie interne de fluides qui ne sont le siège d'auaune réaction de oombustion chimique, par exemple de la vapeur d'eau, de l'air oomprimé, ou des gaz à une pression et une température appropriées.
Malgré cette différence fondamentale entre les agents moteurs, la nouvelle classe d'appareils présente des caractéristiques tout-à-fait analogues à celles des appareils à pistons libres à moteurs thermiques, en particulier en ce qui concerne les vitesses linéaires des masses mobiles, le nombre des battements, l'équilibrage des équipages mobiles, l'absence de transmis,-ion bielle-manivelle, etc...
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Il est inutile d'insister sur le fait que ces appareils nouveaux à pistons libres n'ont aucun rapport avec les machines communément appelées "petits chevaux" qui ne possèdent aucune des caractéristiques des machines à pistons libres, et qui, en particulier, n'utilisent pas l'énergie cinétique comme agent de transmission.
Il s'agit ici d'une classe entièrement nouvelle de machines qui peuvent être utilisées, d'une part pour l'obtention économique d'air ou de gaz comprimés, sans faire appel à des combustibles liquides, et d'autre part pour utiliser économiquement l'énergie potentielle de gaz comprimés quelcon- ques.
Cette nouvelle classe de machines ne permet pas, généralement, d'assurer la distribution des cylindres moteurs par le déplacement des pistons moteurs eux-mêmes, comme c'est le cas dans les appareils à combustion interne, ainsi qu'on l'a rappelé plus haut.
Il y a là une difficulté qui peut être résolue, en particulier, par l'emploi d'une commande pneumatique ou à vapeur, pour la manoeuvre de la distribution, par exemple suivant les dispositions du brevet français en date du 12 Septembre 1942, pour : "Perfectionnements aux générateurs à pistons libres", déposé par la demanderesse.
Mais ce même problème peut aussi être résolu au moyen d'une commande mécanique directe, comme il sera expliqué plus bas.
De même que les appareils à pistons libres antérieurement connus, la nouvelle classe d'appareils suivant l'invention peut comporter des agencements extrêmement variés comprenant un nombre quelconque de cylindres moteurs et de cylindres compresseurs, ces derniers pouvant, de leur côté, être montés en parallèle ou en étages.
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Ces appareils possèdent les avantages généraux des appareils à pistons à vapeur, régularité de fonctionnement, économie et sécurité. Il est, en particulier, facile de les régler de manière à maintenir presque rigoureusement constante la longueur de la course.
Dans un appareil à pistons libres à vapeur ou à gaz comprimé, les opérations successives sont les suivantes :
Les pistons moteurs étant supposés être à leur point mort central, les lumières d'échappement qui sont, normalement, comme les lumières d'admission, dans la région centrale du cylindre moteur, doivent être fermées et les lumières d'admission ouvertes : la pression d'admission s'exerce à plein sur les deux pistons moteurs et les deux masses mobiles s'éoartent avec une vitesse sans cesse accélérée. Au moment voulu, d'après la puissance demandée à l'appareil, les lumières d'admission se referment. Le fluide contenu entre les deux pistons se détend et le phénomène se poursuit.
La vitesse continue à s'accélérer jusqu'à son maximum, atteint au moment où la somme des efforts résistants agissant sur chaque mobile est égale à la somme des efforts moteurs. Dans la deuxième partie de la course, le fluide moteur continue à se détendre, la vitesse des masses mobiles--,.se ralentit et finit par s'annuler.
A la fin de la course, ou légèrement avant (avance à l'évacuation), les lumières d'évacuation s'ouvrent. Dans la course de retour (obtenue au moyen de matelas, ou de récupérateurs, ou, préférablement, de cylindres moteurs à double effet), les lumières d'échappement demeurent ouvertes et le fluide contenu entre les pistons mobiles est chassé dans la conduite d'évacuation par le mouvement des pistons. Les lumières d'échappement se ferment à un instant déterminé, avant la fin de la course de retour (période de compression); enfin, les lumières d'admission s'ouvrent, soit en bout de course, soit un instant avant (avance à l'admission).
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Les opérations se répètent ensuite de même.
Dans les machines suivent l'invention, il est aisé de réaliser des machines motrices à pistons libres, à double effet, comme il va être indique..'. Dans ces conditions, il est possible d'éviter de recourir à l'artifice onéreux de matelas ou de récupérateurs.
La sécurité de ces machines est facile à réaliser, par ce fait que si le réglage est correctement assuré, la machine n'a aucune tendance à produire spontanément des courses trop longues ou trop courtes. Si le cas survient, comme suite à une avarie de garniture ou de soupape, par exemple, une sécurité suffisante est assurée par la fermeture des soupapes d'évacuation des moteurs, avant le bout de course, comme il a été dit. Ces soupapes emprisonnent, en effet, entre les pistons moteurs, une'masse de fluide agissant comme matelas de sécurité.
Le dessin annexé montre schématiquement, à titre d'exemple purement indicatif et nullement limitatif, l'application de l'invention à une machine à pistons libres'disposée suivant les données générales du brevet français ? 855.700, à double effet, sans matelas ni récupérateurs.
La figure 1 est une vue en coupe longitudinale.
La figure 2 est une vue de bout.
La figure 3 donne le détail des éléments de suspension et de régulation.
La figure 4 donne le détail du montage de la soie de manivelle de l'arbre de la régulation.
Les figures 5 et 6 donnent le schéma de deux variantes en coupe longitudinale.
Le cylindre moteur 1 est rattaché au cylindre compresseur 2 par une entretoise non représentée sur le dessin.
Dans le cylindre moteur se déplacent les pistons moteurs 5, 4
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et 5 et dans le cylindre compresseur les pistons compresseurs 6, 7 et8.
L'une des deux masses mobiles que comporte la machine se compose des pistons moteurs 3 et 5 et du piston compresseur 7, reliés rigidement tous trois ensemble par une tige centrale telle que 9. Cette tige traverse le piston 4 par un organe d'étanchéité 10, presse-étoupes ou labyrinthe, et le piston compresseur 6 par un organe d'étanohéité 11.
La deuxième masse mobile comporte le piston moteur 4 et les pistons compresseurs 6 et 8, reliés rigidement tous ensemble par deux tiges telles que 12 et 13 qui traversent le piston moteur 3 à travers les organes d'étanchéité 14 et 15, le piston moteur 5 à travers les organes d'étanchéité 16 et 17, et le piston compresseur 7 à travers les organes d'étanohéité 18 et 19.
Le fluide moteur.pénètre dans le cylindre moteur alternativement par les lumières d'admission 20 et 20' qui sont figurées avec leurs obturateurs, ouvert pour 20 et fermé pour 20' - après action et détente, le fluide est évacué alternativement par les lumières d'évacuation 21 et 21' qui sont figurées avec leurs obturateurs, fermé pour 21 et ouvert pour 21'-
De même, l'air pénètre dans le cylindre compresseur alternativement par les lumières d'admission 22 et 22', et en sort par les lumières de refoulement 23 et 23',
Toutes ces lumières sont placées deux à deux dans les plans de symétrie entre les paires de pistons correspondantes.
Le fonctionnement se conçoit de soi-même.
Les deux masses mobiles dont les poids individuels sont égaux et qui subissent à tout instant des actions égales et de sens opposés, suivant les dispositions du brevet français précité N 855.700, sont suspendues de la manière suivante :
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La première masse mobile est suspendue à l'arbre 24 par l'intermédiaire de la tige rigide 25, de la biellette 26 et du levier 27 calé sur l'arbre 24.
La deuxième masse mobile est suspendue à l'arbre 28 par les tiges 12 et 13 prolongées, les biellettes 29 et 30, et les leviers 31 et 32 calés sur l'arbre 28.
' Cet agencement est clairement représenté par la fig. 3. On y voit que les arbres 28 et 24 sont accouplés l'un avec l'autre au moyen des deux bras 33, 34 et de la bielle 35.
Cet accouplement est nécessaire pour maintenir l'espacement correct des deux mobiles au repos; mais il n'a en acune cir- constance à transmettre aucun effort de l'un à l'autre des arbres 28 et 24.
Pour la commande de la distribution et la conduite des auxiliaires, il peut être particulièrement intéressant de transformer le mouvement alternatif des arbres 24 et 28 en un mouvement de-rotation continue. On y parvient, à titre d'exem- ple, au moyen des leviers 36 et 37, agissant par les bielles 38 et 39 respectivement sur les manivelles 40 et 41 entraînant la rotation des arbres 42 et 43, La transmission est possible à cause de la possibilité pour les machines de l'invention de fonctionner à course constante. Il faut cependant prendre une précaution particulière pour le cas où cette constance de la course fviendrait à être troublée.
Si la course est susceptible de varier, par exemple @ de - 1 cm, si les bras de levier 36 et 32 sont dans le rapport de 1 à 2, l'extrémité du levier 36 subira une variation de dé- + placement de - 0,5 cm. Pour que la transmission du mouvement à l'arbre 42 par la bielle 38 s'effectue correctement, il sera nécessaire que le bras de la manivelle 40 subisse une variation + de longueu r de - 0,25 cm.
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La figure 4 montre, à titre d'exemple, un des moyens auxquels on peut recourir pour assurer cette variation :
La soie de la manivelle 40 se termine à chacune de ses extrémités par un bloc de section rectangulaire 44.
Ce bloc peut se déplacer entre les glissières 45,46, portées par le bras de manivelle 47. Les déplacements du bloc 44 sont limités par les butoirs fixes 48, 48', d'une part, et 49,49' de l'autre. Des ressorts convenablement dimensionnés, 50, 51, par exemple en forme de rondelles Belleville, tendent à ramener le bloc 40 à sa position moyenne. Le fonctionnement est évident.
L'arbre 42 et l'arbre 43 (figure 3) portent respectivement les volants 52 et 53 dont l'action combinée avec celle de l'agencement qui vient d'être décrit assure la passage des points morts.
On voit que la machine possède une impulsion motrice et une course de compression utile par battement et qu'elle n'e besoin d'aucun organe accessoire tel que matelas, etc, pour ranener les mobiles vers leurs points morts.
L'invention est évidemment indépendante de la nature des fluides moteurs et comprimés, de leurs pressions et de leurs températures.
La figure 5 se rapporte à un mode de réalisation particulièrement intéressant de la même machine, en faisant usage d'un seul et même cylindre pour les compresseurs et pour les moteurs. Dans ces conditions, il suffit de cinq pistons pour assurer le foncitonnement de la machine qui devient sensiblement plus courte et plus simple. On a conservé sur cette figure les mêmes numéros aux pièces homologues de celles de la figure 1.
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La figure 6 se rapporte à une réalisation, qui, de Même que la précédente, a été, à titre d'exemple, tracée avec un cylindre unique pour les éléments oompresseurs et moteurs. Dans cette réalisation, le compresseur est à deux étages de pression et le moteur est à double expansion. Le fonctionnement est le suivant :
L'admission du fluide moteur s'effectue en 54 par les lumières 55+ Dans le cas de la figure, on se trouve, à la fin de la détente, dans le cylindre haute pression 56.
Dans la course suivante, le fluide ayant subi une première détente en 56, va passer dans les cylindres basse pression 57 et 58, par le réservoir intermédiaire 59. Le fluide subi-. ra une deuxième détente dans ces cylindres et sera ensuite évacué par les lumières 60 et 61. Le coefficient de détente dans les cylindres B.P. peut être, à titre d'exemple, déterminé par la fermeture anticipée plus ou moins avancée des lumières d'échappement du cylindre H.P.
Du côté compresseur, les cylindres basse pression 62 et 63 viennent d'achever leur course d'aspiration. Les lumières d'aspiration 64 et 65 sont donc fermées. Le cylindre haute pression 66 a refoulé le fluide comprimé par la conduite de refoulement 67. Les lumières de refoulement 68 sont donc fermées. Dans la course suivante, les cylindres compresseurs basse pression 62 et 60 refouleront le fluide comprimé dans le cylindre 66. Les lumières 69 et 70 d'une part, et 71 de l'autre s' ouvriront à un moment qui sera déterminé par la fin de la détente de l'air comprimé dans lt espace nuisible de 66.
C'est la valeur de cet espace nuisible qui fixe le taux de compression dans les cylindres compresseurs basse pression.
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"New class of free piston apparatus' *
There are known free piston devices of various types, some belonging to the class of compressors, others to that of generators. All these devices have as engine elements oppoaés double piston cylinders, internal combustion type diesel, variously arranged.
These devices are all based on the same principle: the mechanical energy generated by the driving elements is transformed, for the most part into kinetic energy during the first part of each stroke, imparting increasing speeds to the moving masses; this kinetic energy .. that is used, during the second part of the race, to compress any air or fluids at the same time as the speed of the moving masses decreases and ends up canceling out. The mobile Russians are brought back to their initial position
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during the following race by means of mattresses, or recuperators, or other engine elements with double pistons suitably arranged. Then the same operations begin again.
The economy of these machines is essentially that their oscillations are free and do not involve the connecting rod-crank system as the main transmission agent.
Internal combustion engine devices lend themselves well to such applications, on account of the ease with which all operations relating to the distribution of these engines can be controlled by the displacement of the double engine pistons themselves by means of lights made at the ends. suitable places, in the folders of said devices.
The general analytical study of the operation of free-piston apparatus to which MM.
Ernest MERCIER and Maroel EHLINGER, allowed them to design and produce free piston devices of an entirely new type, based exactly on the same mechanical principles recalled above, but in which, instead of being cylinders with internal combustion, engine cylinders with opposing double pistons use as motive fluid the internal energy of fluids which are not the seat of any chemical combustion reaction, for example water vapor, compressed air, or gases at an appropriate pressure and temperature.
Despite this fundamental difference between the driving agents, the new class of devices has characteristics quite similar to those of free piston devices with heat engines, in particular with regard to the linear speeds of the moving masses, the number of beating, balancing of mobile crews, absence of transmission, -ion connecting rod-crank, etc ...
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It is useless to insist on the fact that these new devices with free pistons have no relation to the machines commonly called "small horses" which do not have any of the characteristics of machines with free pistons, and which, in particular, do not not use kinetic energy as a transmitting agent.
This is an entirely new class of machines which can be used, on the one hand for the economical production of compressed air or gases, without resorting to liquid fuels, and on the other hand to use economically the potential energy of any compressed gas.
This new class of machines does not generally make it possible to ensure the distribution of the engine cylinders by the displacement of the engine pistons themselves, as is the case in internal combustion devices, as has been pointed out. upper.
There is a difficulty there which can be solved, in particular, by the use of a pneumatic or steam control, for the operation of the distribution, for example according to the provisions of the French patent dated September 12, 1942, for : "Improvements to free piston generators", filed by the applicant.
But this same problem can also be solved by means of a direct mechanical control, as will be explained below.
Like the previously known free piston apparatuses, the new class of apparatus according to the invention can comprise extremely varied arrangements comprising any number of engine cylinders and compressor cylinders, the latter being able, for their part, to be mounted in parallel or in stages.
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These devices have the general advantages of steam piston devices, regularity of operation, economy and safety. In particular, it is easy to adjust them so as to maintain the length of the stroke almost strictly constant.
In a steam or compressed gas free piston apparatus, the successive operations are as follows:
With the engine pistons assumed to be at their center dead center, the exhaust ports which are normally like the intake ports in the central region of the engine cylinder should be closed and the intake ports open: pressure intake is fully exerted on the two engine pistons and the two moving masses move apart with ever-increasing speed. At the desired moment, according to the power requested from the device, the intake ports close. The fluid contained between the two pistons relaxes and the phenomenon continues.
The speed continues to accelerate to its maximum, reached when the sum of the resistant forces acting on each moving body is equal to the sum of the motor forces. In the second part of the stroke, the driving fluid continues to relax, the speed of the moving masses -, slows down and ends up canceling out.
At the end of the race, or slightly before (advance to evacuation), the evacuation lights open. In the return stroke (obtained by means of mattresses, or recuperators, or, preferably, double-acting engine cylinders), the exhaust ports remain open and the fluid contained between the moving pistons is expelled into the duct. evacuation by the movement of the pistons. The exhaust ports close at a determined time, before the end of the return stroke (compression period); finally, the admission lights open, either at the end of the race, or a moment before (admission advance).
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The operations are then repeated in the same way.
In the machines according to the invention, it is easy to produce driving machines with free pistons, double-acting, as will be indicated. Under these conditions, it is possible to avoid resorting to the expensive artifice of mattresses or recuperators.
The safety of these machines is easy to achieve, by the fact that if the adjustment is correctly ensured, the machine has no tendency to spontaneously produce too long or too short strokes. If the case arises, as a result of damage to a lining or valve, for example, sufficient safety is ensured by closing the exhaust valves of the engines, before the end of the stroke, as has been said. These valves trap, in fact, between the driving pistons, a mass of fluid acting as a safety mattress.
The appended drawing shows schematically, by way of purely indicative and in no way limiting example, the application of the invention to a machine with free pistons arranged according to the general data of the French patent? 855.700, double-acting, without mattress or recuperators.
Figure 1 is a longitudinal sectional view.
Figure 2 is an end view.
Figure 3 gives the detail of the suspension and regulation elements.
Figure 4 gives the detail of the assembly of the crank tang of the regulation shaft.
Figures 5 and 6 give the diagram of two variants in longitudinal section.
The engine cylinder 1 is attached to the compressor cylinder 2 by a spacer not shown in the drawing.
In the engine cylinder move the engine pistons 5, 4
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and 5 and in the compressor cylinder the compressor pistons 6, 7 and 8.
One of the two moving masses that the machine comprises consists of the driving pistons 3 and 5 and the compressor piston 7, all three rigidly connected together by a central rod such as 9. This rod passes through the piston 4 by a sealing member. 10, cable glands or labyrinth, and the compressor piston 6 by a sealing member 11.
The second mobile mass comprises the motor piston 4 and the compressor pistons 6 and 8, all rigidly connected together by two rods such as 12 and 13 which pass through the motor piston 3 through the sealing members 14 and 15, the motor piston 5 through the sealing members 16 and 17, and the compressor piston 7 through the sealing members 18 and 19.
The working fluid enters the engine cylinder alternately through the intake ports 20 and 20 'which are shown with their shutters, open for 20 and closed for 20' - after action and expansion, the fluid is discharged alternately through the openings of 'evacuation 21 and 21' which are shown with their shutters, closed for 21 and open for 21'-
Likewise, the air enters the compressor cylinder alternately through the intake ports 22 and 22 ', and leaves it through the discharge ports 23 and 23',
All these lights are placed two by two in the planes of symmetry between the corresponding pairs of pistons.
The operation is self-evident.
The two mobile masses, the individual weights of which are equal and which at all times undergo equal actions and in opposite directions, according to the provisions of the aforementioned French patent N 855,700, are suspended as follows:
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The first mobile mass is suspended from the shaft 24 by means of the rigid rod 25, the rod 26 and the lever 27 wedged on the shaft 24.
The second mobile mass is suspended from the shaft 28 by the extended rods 12 and 13, the rods 29 and 30, and the levers 31 and 32 wedged on the shaft 28.
This arrangement is clearly shown in FIG. 3. It can be seen that the shafts 28 and 24 are coupled with one another by means of the two arms 33, 34 and the connecting rod 35.
This coupling is necessary to maintain the correct spacing of the two moving parts at rest; but it has no circumstance to transmit any force from one of the shafts 28 and 24 to the other.
For controlling the distribution and driving the auxiliaries, it may be particularly advantageous to transform the reciprocating movement of the shafts 24 and 28 into a continuous de-rotational movement. This is achieved, by way of example, by means of levers 36 and 37, acting by connecting rods 38 and 39 respectively on cranks 40 and 41 causing the rotation of shafts 42 and 43. Transmission is possible because of the possibility for the machines of the invention to operate at a constant stroke. However, special care must be taken in the event that this constancy of the race should be disturbed.
If the stroke is likely to vary, for example @ of - 1 cm, if the lever arms 36 and 32 are in the ratio of 1 to 2, the end of the lever 36 will undergo a displacement variation of - + 0 , 5 cm. For the transmission of movement to the shaft 42 by the connecting rod 38 to take place correctly, it will be necessary for the arm of the crank 40 to undergo a variation + in length of - 0.25 cm.
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Figure 4 shows, by way of example, one of the means which can be used to ensure this variation:
The tang of the crank 40 ends at each of its ends with a block of rectangular section 44.
This block can move between the slides 45,46, carried by the crank arm 47. The movements of the block 44 are limited by the fixed stops 48, 48 ', on the one hand, and 49,49' on the other. . Suitably sized springs, 50, 51, for example in the form of Belleville washers, tend to return the block 40 to its middle position. The operation is obvious.
The shaft 42 and the shaft 43 (FIG. 3) respectively carry the flywheels 52 and 53 whose action combined with that of the arrangement which has just been described ensures the passage of the dead points.
It can be seen that the machine has a driving impulse and a useful compression stroke by beating and that it does not need any accessory member such as a mattress, etc., to run the moving parts towards their dead points.
The invention is obviously independent of the nature of the driving and compressed fluids, their pressures and their temperatures.
FIG. 5 relates to a particularly interesting embodiment of the same machine, making use of one and the same cylinder for the compressors and for the engines. Under these conditions, five pistons are sufficient to ensure the operation of the machine which becomes appreciably shorter and simpler. The same numbers have been kept in this figure with the parts homologous to those in figure 1.
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FIG. 6 relates to an embodiment, which, like the previous one, was, by way of example, drawn with a single cylinder for the elements oompressors and motors. In this embodiment, the compressor has two pressure stages and the motor is double expansion. The operation is as follows:
The motor fluid is admitted at 54 through openings 55+ In the case of the figure, at the end of the expansion, we are in the high pressure cylinder 56.
In the following stroke, the fluid having undergone a first expansion at 56, will pass into the low pressure cylinders 57 and 58, through the intermediate reservoir 59. The fluid undergone. ra a second expansion in these cylinders and will then be evacuated by the ports 60 and 61. The coefficient of expansion in the LP cylinders can be, by way of example, determined by the more or less advanced early closing of the exhaust ports of the cylinder. HP cylinder
On the compressor side, the low pressure cylinders 62 and 63 have just completed their suction stroke. The suction ports 64 and 65 are therefore closed. The high pressure cylinder 66 has delivered the compressed fluid through the discharge line 67. The discharge ports 68 are therefore closed. In the following stroke, the low pressure compressor cylinders 62 and 60 will deliver the compressed fluid into the cylinder 66. The openings 69 and 70 on the one hand, and 71 on the other will open at a time which will be determined by the end. of compressed air expansion in the detrimental space of 66.
It is the value of this harmful space which fixes the compression ratio in the low pressure compressor cylinders.