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PERFECTIONNEMENTS AUX MOTEURS A COMBUSTION INTERNE, COMPORTANT AU MOINS UN COMPRESSEUR DE SURALIMENTATION ENTRAINE PAR UNE TURBINE A GAZ D'ECHAPPEMENT.
On connaît des moteurs à combustion interne dans lesquels la sur- alimentation du ou des cylindres est obtenue par un bloc de suralimentation comportant une turbine à gaz d'échappement couplée à un compresseur. Bien qu'un tel bloc de suralimentation permette habituellement d'obtenir une pres- sion satisfaisante dans des moteurs à quatre temps, il est très difficile dans le cas de moteurs à deux temps d'obtenir de cette manière une suralimen- tation de l'ordre de grandeur désiré, car l'énergie des gaz d'échappement est en elle-même trop faible pour entraîner le bloc de suralimentation.
Afin de remédier à cet inconvénient, on a utilisé à côté du com- presseur entraîné indirectement par les gaz d'échappement, un autre compres- seur de suralimentation entraîné par le moteur à combustion., lequel compres- seur peut être monté en série ou en parallèle avec le premier compresseur.
On a également proposé d'utiliser simplement un compresseur unique partielle- ment entraîné par l'énergie des gaz d'échappement et partiellement par le vilebrequin du moteur à l'aide d'une transmission adéquate.
Dans ces deux cas, la construction du moteur est, cependant, con- sidérablement compliquée du fait des mesures prises pour obtenir la surali- mentation, et, en même temps,, certains inconvénients relatifs au fonctionne- ment du moteur surgissent sous forme de difficultés de démarrage dues à la grande différence de compression entre la période de démarrage sui s'effec- tue sensiblement sans surpression d'alimentation,et la période de fonction- nement normal pendant laquelle la pression d'alimentation est élevée.
La présente invention a pour objet essentiel un moteur à combus- tion interne, particulièrement un moteur à deux temps, dans lequel on peut obtenir une suralimentation de toute valeur désirée par un dispositif de con- stitution simple, cette suralimentation étant pratiquement indépendante du circuit propre du moteur. Dans ce but, l'invention. concerne un moteur à com- bustion interne ayant au moins un compresseur de suralimentation entraîné par
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une turbine à gaz d'échappement, et muni d'un dispositif agissant indépendam- ment du fonctionnement normal du. moteur, pour augmenter l'énergie motrice du flux gazeux alimentant ladite turbine à gaz d'échappement.
Le dispositif agissant indépendamment du fonctionnement normal du moteur peut, selon l'in- vention, être -constitué par au moins une chambre de combustion munie d'un ou de plusieurs brûleurs montés en amont de la ou des turbines à gaz d'échap- pement.
Contrairement aux moteurs à combustion interne connus, de type analogue à celui de l'invention, c'est-à-dire des moteurs comportant un bloc de suralimentation entraîné par l'énergie des gaz d'échappement, la présente invention procure l'avantage essentiel de permettre à tout moment, grâce à un dispositif de construction très simple, d'effectuer une suralimentation de valeur désirée.
La simplicité de construction qui est d'une telle impor- tance pour la fabrication et le fonctionnement du moteur., est étroitement liée au fait que le compresseur de suralimentation ne doit pas nécessaire- ment, afin de créer une pression d'admission suffisamment élevée, être en- traîné par le moteur lui-même, mais recevoir son énergie uniquement de fa- çon normale, c'est-à-dire par la turbine à gaz d'échappement, étant donné qu'il est possible, conformément à l'invention, d'accroître l'efficacité d'une telle turbine en accroissant l'énergie des gaz d'échappement.
En particulier dans le cas d'un moteur DIESEL, il est important de pouvoir produire à tout moment, c.àed. également pendant le démarrage, la pression normale d'alimentation, étant donné que l'allumage nécessite une certaine compression. Comme la pression en fin de compression et en consé- quence la pression maximum dans les cylindres augmentent avec la pression d'alimentation, cette dernière doit, quelles sui soient les dimensions du moteur DIESEL, être du marne ordre pendant le démarrage et pendant le fonc- tionnement normal.
Pour obtenir cela, un bloc de suralimentation entraîné uniquement par l'arbre principal du moteur ne peut être utilisé, car un tel bloc est incapable de produire une pression d'alimentation suffisante au démarrage, et ne peut remplir sa fonction que lorsque le moteur tourne à sa vitesse normale; partant, il est connu d'utiliser un bloc de surali- mentation à roue libre entraîné par un moteur de démarrage indépendant ca- pable de produire à lui seul la pression d'alimentation nécessaire.
Cepen- dant il n'est pas besoin d'avoir recours à un tel expédient dans le cas du moteur à combustion interne de l'invention, le moteur de démarrage qui peut être par exemple un moteur électrique, étant destiné, dans ce cas., à en- traîner uniquement le bloc de suralimentation proprement dit jusqu'à ce que ce dernier puisse fonctionner par ses propres moyens, c.à.d. jusqu'à ce que le compresseur de suralimentation fournisse la quantité nécessaire d'air pour le fonctionnement de la chambre de combustion.
Le ou les brûleurs peuvent alors être allumés et le bloc de sur- alimentation peut, après que le moteur de démarrage a été arrêté, être ame- né à sa vitesse normale de rotation,, ou du moins à une vitesse de rotation suffisante pour que la pression d'admission et en conséquence la pression en fin de compression, nécessaire à l'inflammation dans le cylindre, soient atteintes.
La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de ladite invention. Le dessin re- présente deux modes de réalisation d'un moteur suralimenté comportant une chambre de combustion pour accroître l'énergie fournie par les gaz d'échap- pement à la turbine du bloc de suralimentation.
La fige 1 représente schématiquement -un moteur dans lequel la chambre de combustion est montée sur le collecteur d'échappement, ou en fait partie.
La fig. 2 montre une disposition dans laquelle la chambre de com- bustion est montée sur une tuyauterie séparée qui est indépendante du collec- teur d'échappement, et est située entre le compresseur et la turbine du bloc de suralimentation.
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Le moteur représenté sur la fig. 1 comporte 3 cylindres 1 qui sont en communication, par l'intermédiaire du collecteur d'échappement 2-3, avec une chambre de combustion 4 munie d'un brûleur 5. Une tuyauterie 6, qui peut être constituée par un diffuseur, relie la chambre de combustion 4 à la turbine à gaz d'échappement 7 du bloc de suralimentation du moteur à combustion, les gaz sortent de cette turbine par un,tuyau d'échappement 8.
La turbine à gaz d'échappement 7 est couplée à un compresseur de suralimen- tation 9 pourvu d'une tubulure d'aspiration 10 et d'une tubulure de refoule- ment 11. Cette dernière débouche dans un radiateur 12 à partir duquel l'air comprimé et refroidi peut s'écouler dans les cylindres 1 par l'intermédiai- re du collecteur d'aspiration 13-14
Si le moteur représenté sur la fig.
l est un moteur à deux temps, et si la chambre de combustion 4 n'est pas en fonctionnement, les gaz d'é- chappement passant dans la turbine 7 ne contiendront pas une quantité suffi- sante d'énergie pour entraîner de façon satisfaisante le bloc de suralimenta- tion 7-9. L'énergie contenue dans les gaz d'échappement peut cependant être accrue en brûlant dans la chambre de combustion 4, du combustible injecté par le brûleur 5, l'air de balayage des cylindres 1 contenant la quantité d'oxygène nécessaire pour cette combustion.
La chambre de combustion 4 peut cependant être également alimentée en air comburant par un tuyay 15 branché en dérivation sur la tubulure de refoulement 11 du compresseur 9, et la quantité d'air fournie de cette façon peut être réglée par des moyens appro- priés, par exemple par un papillon 16 monté dans le tuyau 15. Ce dernier, au lieu d'être branché en dérivation sur la tubulure de refoulement 11, peut partir directement du compresseur 9, et si ce dernier est un compresseur à plusieurs étages l'air comburant destiné à la chambre 4 peut être soutiré de l'un des étages à une pression convenable.
Le moteur à combustion représenté schématiquemzent sur la fig. 2 comporte essentiellement les mêmes organes que le moteur représenté sur la fig. 1 et ces derniers portent les mêmes chiffres de référence que dans la fig. 1. Dans la f ig. 2, le collecteur d'échappement 2-3 et la chambre de combustion 4 sont montés en dérivation sur la turbine 7 et chacun d'eux est relié à une admission différente de celle-ci,de sorte que les gaz d'échap- pement ne se mélangent pas avec l'air refoulé par le compresseur 9 avant de pénétrer dans la turbine 7.
Dans ce cas la chambre de combustion 4 peut évi- demment être mise hors de fonctionnement lorsqu'aucune augmentation de l'é- nergie des gaz d'échappement n'est requise, ce qui, particulièrement, peut être le cas lorsque le moteur est à quatre temps et tourne à sa vitesse nor- male après avoir été démarré avec de l'air d'alimentation provenant du bloc de suralimentation 4-7-9.
Comme dans le cas du moteur de la fig. 1, le compresseur 9 de la fig. 2 peut être un compresseur à plusieurs étages et le tuyau 15 qui ali- mente en air frais la chambre de combustion 4, et dans lequel est prévu un papillon 16, peut être relié à ce compresseur à la sortie d'un étage de com- pression convenable de ce dernier.
Dans la f ig. 2 on a de plus représenté un moteur de démarrage 17, par exemple un moteur électrique, pour le démarrage du bloc de suralimenta- tion. Ce démarrage s'effectue de la façon suivante
Le papillon 16 est placé dans une position convenable d'ouverture, par exemple la position de plus grande ouverture, et le moteur électrique 17 est excité. Ce dernier entraîne alors la turbine 7 et partant le compresseur 9 qui produit un flux d'air à travers les tuyaux 11 et 15, la chambre 4, le conduit 6, la turbine 7 et le tuyay d'échappement 8 de cette dernière.
Lors- que le flux d'air est suffisant pour que la chambre de combustion 4 puisse fonctionner, le brûleur 5 est allumé et l'excitation du moteur 17 coupée, la turbine 7 étant alors à même d'entraîner par ses propres moyens le com- presseur 9 de sorte que le bloc de suralimentation fonctionne par lui-même.
Lorsque le bloc a atteint une certaine vitesse de rotation, par exemple sa vitesse de régime, on peut faire démarrer le moteur à combustion à sa pres- sion normale, et comme la quantité d'énergie dans les gaz d'échappement croît
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progressivement, le brûleur 5 peut être réglé de façon à fournir moins de chaleur jusqu'à ce que le moteur à combustion ait atteint sa vitesse de ré- gime.
Dans un moteur à deux temps, il sera normalement nécessaire d'avoir recours à une combustion dans la chambre 4 même après que la vitesse de ré- gime aura été atteinte,tandis que les gaz d'échappement d'un moteur à qua- tre temps sont susceptibles, à la vitesse de régime, de contenir en eux- mêmes une quantité suffisante d'énergie pour entraîner le bloc de suralimen- tation, de sorte qu'après quelque temps, le brûleur 5 peut être éteint. Le papillon 16 est évidemment réglé selon la combustion ayant lieu dans la chambre 4 pendant que le brûleur 5 fonctionne, par exemple selon la quanti- té de combustible arrivant à ce brûleur.
Il est possible de faire démarrer le moteur à combustion de la fig. 1 d'une façon sensiblement analogue au moyen d'un moteur non représen- té correspondant au moteur 17 de la fig. 2. Il n'est pas nécessaire de cou- pler ce moteur à la turbine 7 et on peut le disposer de fagon à entraîner le compresseur 9 directement ; ce cas un mécanisme à roue libre est in- séré entre la turbine et le compresseur, de sorte que celle-ci ne démarre pas jusqu'à ce que le flux d'air refoulé par le compresseur augmente suffi- samment.
Il va de soi que l'on peut apporter des modifications aux dispo- sitifs qui viennent d'être décrits, notamment par substitution de moyens techniques équivalents sans que l'on sorte pour cela du cadre de l'inven- tion. En particulier, on peut monter, en un point convenable du dispositif, un échangeur de chaleur dans lequel le flux d'air se dirigeant vers la cham- bre de combustion peut être préchauffé par les gaz d'échappement de la tur- bine 7; ou encore la quantité totale d'énergie supplémentaire destinée à être fournie à la turbine 7 peut être transmise au fluide moteur de cette dernière au moyen d'un échangeur de chaleur ou de tout autre dispositif thermique, qui dans les modes de réalisation représentés sur le dessin, peuvent être subsitués à la chambre de combustion 4.
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IMPROVEMENTS TO INTERNAL COMBUSTION ENGINES, INCLUDING AT LEAST ONE SUPERCHARGING COMPRESSOR DRIVEN BY AN EXHAUST GAS TURBINE.
Internal combustion engines are known in which the supercharging of the cylinder or cylinders is obtained by a supercharging unit comprising an exhaust gas turbine coupled to a compressor. Although such a supercharging unit will usually provide satisfactory pressure in four-stroke engines, it is very difficult in the case of two-stroke engines to achieve supercharging in this way. desired order of magnitude, since the energy of the exhaust gas in itself is too low to drive the supercharger.
In order to overcome this drawback, next to the compressor driven indirectly by the exhaust gases, another supercharger driven by the combustion engine has been used, which compressor can be mounted in series or in parallel with the first compressor.
It has also been proposed to simply use a single compressor driven partly by the energy of the exhaust gases and partly by the crankshaft of the engine using a suitable transmission.
In both these cases the construction of the engine is, however, considerably complicated owing to the measures taken to obtain the supercharging, and at the same time certain drawbacks relating to the operation of the engine arise in the form of difficulties. starting periods due to the large difference in compression between the starting period which takes place substantially without supply overpressure, and the period of normal operation during which the supply pressure is high.
The main object of the present invention is an internal combustion engine, particularly a two-stroke engine, in which supercharging of any desired value can be obtained by a simple constitution device, this supercharging being practically independent of the own circuit. of the motor. For this purpose, the invention. relates to an internal combustion engine having at least one supercharger driven by
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an exhaust gas turbine, and fitted with a device acting independently of the normal operation of the. engine, to increase the motive power of the gas flow supplying said exhaust gas turbine.
The device acting independently of the normal operation of the engine can, according to the invention, be -constituted by at least one combustion chamber provided with one or more burners mounted upstream of the exhaust gas turbine (s). pement.
Unlike known internal combustion engines, of a type similar to that of the invention, that is to say engines comprising a supercharging unit driven by the energy of the exhaust gases, the present invention provides the advantage essential to allow at any time, thanks to a device of very simple construction, to perform a supercharging of the desired value.
The simplicity of construction which is of such impor- tance for the manufacture and operation of the engine., Is closely related to the fact that the supercharger need not necessarily, in order to create a sufficiently high intake pressure , be driven by the engine itself, but receive its energy only in the normal way, i.e. by the exhaust gas turbine, since it is possible, according to the invention, to increase the efficiency of such a turbine by increasing the energy of the exhaust gases.
Particularly in the case of a DIESEL engine, it is important to be able to produce at all times, i.e. ed. also during start-up, the normal supply pressure, since ignition requires some compression. As the pressure at the end of compression and consequently the maximum pressure in the cylinders increases with the supply pressure, the latter must, whatever the dimensions of the DIESEL engine, be of order during starting and during operation. - normal operation.
To achieve this, a supercharger unit driven only by the main shaft of the engine cannot be used, since such a unit is unable to produce sufficient supply pressure when starting, and can only perform its function when the engine is running. at its normal speed; hence, it is known to use a freewheeling supercharger unit driven by an independent starter motor capable of producing on its own the necessary supply pressure.
However, there is no need to have recourse to such an expedient in the case of the internal combustion engine of the invention, the starter motor, which may for example be an electric motor, being intended in this case. , only to drive the supercharger itself until it can operate on its own, ie. until the supercharger supplies the necessary amount of air for the operation of the combustion chamber.
The burner (s) can then be ignited and the supercharging unit can, after the starter motor has been stopped, be brought to its normal speed of rotation, or at least to a speed of rotation sufficient for the inlet pressure and consequently the pressure at the end of compression, necessary for ignition in the cylinder, are reached.
The description which will follow with regard to the appended drawing, given by way of non-limiting example, will make it clear how the invention can be implemented, the particularities which emerge both from the text and from the drawing being, of course, part of said invention. . The drawing shows two embodiments of a supercharged engine having a combustion chamber for increasing the energy supplied by the exhaust gases to the turbine of the supercharger unit.
Fig. 1 schematically represents an engine in which the combustion chamber is mounted on the exhaust manifold, or is part thereof.
Fig. 2 shows an arrangement in which the combustion chamber is mounted on separate piping which is independent of the exhaust manifold, and is located between the compressor and the turbocharger of the supercharger.
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The motor shown in fig. 1 comprises 3 cylinders 1 which are in communication, via the exhaust manifold 2-3, with a combustion chamber 4 provided with a burner 5. A pipe 6, which may be constituted by a diffuser, connects the combustion chamber 4 to the exhaust gas turbine 7 of the supercharger unit of the combustion engine, the gases leave this turbine through an exhaust pipe 8.
The exhaust gas turbine 7 is coupled to a supercharger 9 provided with a suction pipe 10 and a discharge pipe 11. The latter opens into a radiator 12 from which the exhaust manifold. compressed and cooled air can flow into cylinders 1 through the suction manifold 13-14
If the motor shown in fig.
It is a two-stroke engine, and if the combustion chamber 4 is not in operation, the exhaust gases passing through the turbine 7 will not contain a sufficient amount of energy to drive satisfactorily. the supercharger unit 7-9. The energy contained in the exhaust gases can however be increased by burning, in the combustion chamber 4, fuel injected by the burner 5, the purging air from the cylinders 1 containing the quantity of oxygen necessary for this combustion.
The combustion chamber 4 can however also be supplied with combustion air by a pipe 15 connected as a bypass on the discharge pipe 11 of the compressor 9, and the quantity of air supplied in this way can be regulated by suitable means, for example by a butterfly 16 mounted in the pipe 15. The latter, instead of being connected as a bypass on the delivery pipe 11, can leave directly from the compressor 9, and if the latter is a multistage compressor, the air oxidizer intended for chamber 4 can be withdrawn from one of the stages at a suitable pressure.
The combustion engine shown schematically in fig. 2 essentially comprises the same components as the engine shown in FIG. 1 and the latter bear the same reference numerals as in FIG. 1. In f ig. 2, the exhaust manifold 2-3 and the combustion chamber 4 are mounted in bypass on the turbine 7 and each of them is connected to an inlet different from it, so that the exhaust gases do not mix with the air delivered by compressor 9 before entering turbine 7.
In this case the combustion chamber 4 can obviously be put out of operation when no increase in the energy of the exhaust gases is required, which, in particular, can be the case when the engine is running. four-stroke and runs at normal speed after being started with supply air from supercharger 4-7-9.
As in the case of the motor of FIG. 1, the compressor 9 of FIG. 2 can be a multistage compressor and the pipe 15 which supplies the combustion chamber 4 with fresh air, and in which a butterfly valve 16 is provided, can be connected to this compressor at the outlet of a compression stage. suitable pressure of the latter.
In f ig. 2 also shows a starting motor 17, for example an electric motor, for starting the supercharging unit. This start-up is carried out as follows
The throttle 16 is placed in a suitable open position, for example the position of greatest opening, and the electric motor 17 is energized. The latter then drives the turbine 7 and hence the compressor 9 which produces an air flow through the pipes 11 and 15, the chamber 4, the duct 6, the turbine 7 and the exhaust pipe 8 of the latter.
When the air flow is sufficient for the combustion chamber 4 to operate, the burner 5 is ignited and the excitation of the motor 17 is cut off, the turbine 7 then being able to drive the com. - presser 9 so that the supercharging unit works by itself.
When the block has reached a certain speed of rotation, for example its revving speed, the combustion engine can be started at its normal pressure, and as the quantity of energy in the exhaust gases increases.
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gradually, the burner 5 can be adjusted so as to provide less heat until the combustion engine has reached its engine speed.
In a two-stroke engine, it will normally be necessary to have recourse to combustion in chamber 4 even after engine speed has been reached, while the exhaust gases of a four-stroke engine. These times are liable, at operating speed, to contain within themselves a sufficient amount of energy to drive the boost block, so that after some time the burner 5 can be turned off. The butterfly 16 is obviously regulated according to the combustion taking place in the chamber 4 while the burner 5 is operating, for example according to the quantity of fuel arriving at this burner.
It is possible to start the combustion engine of fig. 1 in a substantially analogous manner by means of a motor, not shown, corresponding to the motor 17 of FIG. 2. It is not necessary to couple this motor to the turbine 7 and it can be arranged so as to drive the compressor 9 directly; in this case, a freewheel mechanism is inserted between the turbine and the compressor, so that the latter does not start until the flow of air delivered by the compressor increases sufficiently.
It goes without saying that modifications can be made to the devices which have just been described, in particular by substituting equivalent technical means without going beyond the scope of the invention. In particular, it is possible to mount, at a suitable point of the device, a heat exchanger in which the air flow directing towards the combustion chamber can be preheated by the exhaust gases of the turbine 7; or the total amount of additional energy intended to be supplied to the turbine 7 can be transmitted to the driving fluid of the latter by means of a heat exchanger or any other thermal device, which in the embodiments shown in the diagram drawing, can be substituted for the combustion chamber 4.