<Desc/Clms Page number 1>
MOTEUR A COMBUSTION INTERNE-ET PROCEDE D'UTILISATION DE CE MOTEUR.
L'invention est relative aux moteurs à combustion interne fonc- tionnant suivant le cycle à quatre temps.
Le moteur à combustion interne conforme à la présente invention est caractérisé par des moyens qui sont asservis automatiquement aux varia- tions des conditions de fonctionnement du moteur afin de changer le rapport volumétrique.
Suivant une autre caractéristique du moteur à combustion inter- ne conforme à l'invention, ce dernier, qui est du type comprenant au moins : un ensemble cylindre et pzstona et un dispositif pour fournir sous pression de l'air de balayage à un orifice de balayage, comporte des moyens pour re- froidir cet air avant qu'il atteigne l'orifice de balayage, des moyens pour ouvrir et fermer 13 orifice de' balayage en un point déterminé du cycle du moteur-., et des moyens pour faire varier le temps de fermeture d'un orifice d'échappement en fonction de la variation de la charge entraînée par le moteur.
La présente invention concerne en outre un nouveau cycle d'uti- lisation d'un moteur à combustion interne du type à allumage automatique, et dans lequel on fournit au moteur de l'air précomprimé refroidi; ce cycle étant caractérisé-par le fait qu'on fait varier le rapport volumétrique , (appelé aussi taux de compression) en fonction de la variation de la charge du moteur, on comprime l'air se trouvant dans le moteur à une température suffisante pour enflammer le combustible, on injecte à l'intérieur du cy- lindre du combustible destiné à la combustion et finalement on évacue les produits de la combustion hors du cylindre, en contrôlant la températu- re de l'air se trouvant dans le cylindre avant qu'il soit comprimé en fonction de la variation de la charge entraînée par le moteur.
C'est un fait bien connu que la puissance qui peut être fournie par les moteurs à combustion interne fonctionnant suivant le cycle à quatre temps tels qu'ils sont construits actuellement se trouve limitée par les
<Desc/Clms Page number 2>
températures auxquelles ces moteurs peuvent fonctionner sans détériorer les matériaux dont ils sont construits. Dans la plupart des moteurs, les cylindres contiennent, à pleine charge beaucoup plus d'air qu'il est nécessaire pour obtenir la combustion complète du combustible, mais si on admettait dans les cylindres une quantité de combustible suffisante pour utiliser complètement l'air disponible à la combustion du combustible, les températures réalisées dans les cylindres seraient si élevées qu'elles détruiraient les moteurs.
Les principes de la présente invention s'appliquent également à un moteur fonctionnant suivant le cycle à deux temps.
Dans un moteur à deux temps où chaque course descendante du piston est une course motrice et chaque course ascendante du piston est une course de compression, on doit prévoir des moyens spéciaux pour balayer le cylindre à la fin de la course motrice et au commencement de la course de compression; è'est pourquoi, d'ordinaire, dans un moteur à deux temps, des moyens sont prévus pour comprimer l'air à une pression effective de, par exemple, 0,215 hpz environ, cet air étant admis au cylindre à la fin de la course motrice quand les orifices d'échappement sont ouverts, en vue d'expulser les produits résiduels de la combustion et de fournir aux cylin- dres une charge nouvelle d'air pour assurer la combustion au cours de la cour- se suivante.
En pratique réelle, on peut obtenir ce résultat en méhangeant un groupe d'orifices d'échappement et d'orifices de balayage dans les parois du cylindre sur les côtés opposés par rapport à l'axe de ce dernier et dans une position voisine du point mort bas du piston, de sorte que lorsque le piston s'approche de l'extrémité inférieure de sa course, les orifices s'ou- vrent de telle manière que les gaz d'échappement sortent sur un côté tandis que l'air de balayage pénètre sur l'autre côté du cylindre, monte le long de la paroi de ce dernier, traverse le fond de cylindre et redescend de 1' autre côté pour se diriger vers l'échappement. Aussitôt que le piston se déplace vers le haut pour fermer les orifices, l'échappement et le balayage prennent fin et la phase de compression commence.
Dans un autre mode de réalisation les orifices de balayage sont disposés autour du cylindre de manière à être découverts par le piston vers la fin de'la course motrice,et des soupapes d'échappement sont prévues dans le fond de cylindre, ces dernières s'ouvrant vers la fin de la course motrice pour permettre au produit de la combustion de s'échapper, après quoi les o- rifices de balayage sont ouverts pour permettre;au piston de faire péné- trer l'air de balayage dans le cylindre, la pression régnant dans ce dernier étant tombée au-dessous de la pression de balayage par suite de l'échappe- ment des gaz par les orifices d'échappement.
Avant que le.piston se soit déplacé vers le haut pour recouvrir les orifices de balayage, les soupapes d'échappement sont fermées, et, aussitôt que le piston se déplace vers le haut pour couvrir les orifices de balayage, la phase de compression commen- ce. Ainsi, dans chaque cas, ce qu'on appelle couramment taux de compres- sion est le rapport volumétrique, c'est-à-dire le rapport entre, d'une part, le volume total du cylindre limité à sa partie supérieure par le fond de cylindre et à sa partie inférieure par le piston lorsque les orifices de balayage viennent d'être fermés, et, d'autre part, le volume de l'és- pace mort restant libre entre le fond de cylindre et le piston à la fin de la course de compression, et, dans le moteur de type classique,
la phase de compression commence toujours dès la fermeture des orifices de balayage et se continue jusqu'à ce que le piston atteigne l'extrémité supérieure de sa course.
Si, dans ces conditions, on élève la pression de l'air de bala- yage au-dessus de la valeur usuelle de 0,215 hpz environ pour atteindre une pression plus élevée, le même cycle se reproduit, mais la température et la pression régnant à la fin de la course de compression s'élèvent très ra- pidement et atteignent bientôt des valeurs que le moteur ne peut pas suppor- ter. Il est-exact qu'une augmentation de la pression de compression accroit la puissance du moteur, mais cette propriété èst limitée par la possibilité du moteur, et en particulier des segments de piston, du piston et des soupa- pes, de résister aux températures et aux pressions excessives.
<Desc/Clms Page number 3>
Si on élève la pression de l'air de balayage et qu'on refroi- disse cet air avant qu'il atteigne le moteur de telle sorte que la tempéra- ture au commencement de la course de compression se trouve abaissée, il est possible d'obtenir à la fin de la course de compression une pression et une température plus basses, mais, malheureusement, dans de nombreuses cir- constances pour lesquelles l'air ambiant se trouve à une température élevée et l'eau de refroidissement à une températurè relativement élevée, cet ef- fet de refroidissement réciproque ne suffit pas pour abaisser suffisamment la température à la fin de la course de compression si l'on conserve les re- lations volume-pression classiques.
C'est pourquoi, conformément à la présente invention, on élève la pression de balayage, et on refroidit l'air envoyé sous pression avant qu'il atteigne le moteur, tout en réduisant le rapport volumétrique.
L'invention est illustrée de façon plus ou moins schématique sur les dessins annexés, dans lesquels
La fig. 1 est une vue en coupe partielle d'un moteur fonctionnant suivant le cycle à quatre temps du type Diesel -ou à injection de combustible auquel les perfectionnements objet de la présente invention peuvent être appliqués;
La fig. 2 est un schéma montrant le calage des soupapes dans un moteur perfectionné conformément à la présente invention;
La fig. 3 est une partie d'un diagramme pression-volume montrant le fonctionnement d'un moteur perfectionné conformément à la présente inven- tion ;
La fig. 4 est une vue analogue à la fig, 1,' :mais représentant un moteur fonctionnant suivant le cycle à quatre temps auquel les perfection- nements conformes à la présente invention peuvent être appliqués;
Les fig. 5 et 6 montrent schématiquement le calage des soupapes réalisé conformément à la présente invention pour des cycles avec et sans balayage respectivement ;
La fig. 7 est un diagramme pressions-volumes correspondant au cycle avec balayage relatif au schéma de calage des soupapes représenté sur la fig. 5;
La-fig. 8 est un diagramme pressions-volumes montrant comment on peut augmenter la puissance d'un moteur fonctionnant conformément à la pré- sente invention, par rapport aux moteurs actuels;
La fig. 9 est un diagramme températures-volumes montrant les températures comparées régnant dans le moteur fonctionnant conformément à l'invention et dans les moteurs de types actuels;
La fig. 10 est une coupe partielle schématique d'une variante d'appareil utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention;
La fig. 11 est un graphique représentant les relations existant entre les pressions et les températures dans la variante représentée sur la fig. 10;
La fig. 12 est un graphique montrant l'allure de la courbe de compression de.la variante représentée sur la fig. 10;
La fig. 13 est une coupe verticale d'un moteur perfectionné conformément à l'invention;
La fige 14 est une coupe d'un autre mode de réalisation du dis- ¯positif;
La fig. 15 représente schématiquement les diverses étapes du fonctionnement d'un moteur conforme à l'invention lorsque ce dernier fonction- ne à vide ;
La fig. 16 représente schématiquement le fonctionnement de ce moteur à pleine charge;
<Desc/Clms Page number 4>
La fig. 17 est un schéma montrant le fonctionnement du moteur conforme à l'invention lorsque le balayage s'y fait par brassage;
La fig. 18 est un diagramme de compression, (I: taux de compres- sion combiné; II: rapport volumétrique des gaz dans le cylindre ; III:taux de compression du turbo-compresseur ; taux de compression d'un compres- seur entraîné par moteur séparé ; V: charge du moteur);
La fig, 19 montre un mécanisme de commande de soupapes pour les soupapes d'échappement 105 ;
La fig. 20 est une vue en plan de la fig, 19; et
La fig. 21 représente schématiquement le déplacement de la soupa- pe.
Sur la fig. l est représenté un cylindre typique d'un moteur fonctionnant à quatre temps du type Diesel auquel peuvent être appliqués les perfectionnements objet de la présente invention. Dans le cylindre de-moteur 10 représenté sur cette figure,, un piston 11 se déplace d'un mou- vement alternatif. Dans le fond de cylindre 12 sont disposées de la manière usuelle une soupape d'admission 14 et une soupape d'échappement 15. Ces sou- papes peuvent être commandées de toute manière convenable, par exemple' par des mécanismes à cames, non représentés, pour établir et pour interrompre la communication avec le cylindre et l'orifice d'admission 16 et l'orifice d'échappement 17, respectivement. Les soupapes 14 et 15 peuvent être main- tenues en position fermée par les ressorts usuels ou d'autres moyens, non représentés.
L'orifice d'admission 16 est relié à une canalisation qui peut être alimentée en air au moyen d'un compresseur ou. pompe 19 de type quelconque convenable, l'air passant de la pompe à la canalisation traver- sant de préférence un refroidisseur d'air 20.
Dans l'emploi du moteur décrit ici, on préfère assurer la compres- sion au moyen d'un ventilateur ou pompe 19, bien qu'on n'ait pas l'intention de limiter la présente invention à l'utilisation d'un compresseur. De pré- férence,toutefois on comprime l'air à une pression sensiblement supérieure à celle employée ordinairement dans les moteurs de ce type.
L'élévation de la pression de l'air provoque une augmentation correspondante de la tempéra- ture de l'air, et, si l'on fait fonctionner le moteur avec une pression d'ad- mission supérieure à celle utilisée ordinairement, l'air débité par la pompe 19 se trouve à une température bien supérieure à celle de l'air comprimé aux pressions fournies ordinairement par le compresseur, disposition qui per- met à son tour de retirer une quantité considérable de chaleur de l'air utilisé pour la compression. Par exemple, sur des locomotives où on utilise l'atmosphère extérieure pour refroidir l'air du compresseur, la température extérieure permet d'enlever une quantité considérable de chaleur s'il existe une différence suffisante de température entre l'atmosphère et l'air compri- mé fourni par le compresseur.
Les avantages résultant d'une compression ef- fectuée à des pressions plus élevées que celles employées ordinairement seront expliqués ci-après de façon plus détaillée.
Conformément à l'invention, après la course d'échappement, on ouvre la soupape d'admission pour admettre de l'air dans le cylindre. Ordi- nairement, la soupape d'admission reste ouverte sensiblement pendant toute la course d'admission du moteur, alors que, conformément à l'invention, la soupape d'admission se ferme avant que le piston atteigne la position correspondant au point mort inférieur de la course d'admission. En consé- quence, après que la soupape d'admission est fermée, la charge contenue dans le cylindre se détend, ce qui diminue la pression et la température de cette charge.
Il en résulte qu'au commencement de la course de compression, l'air se trouve à une pression et à une température plus basses que pendant la première partie de la course d'admission. Le diagramme de calage des soupa- pes représenté sur la fig. 2 montre que la soupape d'admission est fermée en et, par conséquent, entre et,2.. la charge contenue dans le cylindre se détend et se refroidit. De e à f, on comprime la charge contenue dans le cylindre par suite de la course ascendante du piston et l'allumage a lieu en un point situé au voisinage de l'extrémité de la course de compression.
<Desc/Clms Page number 5>
Les gaz brûlés chassent alors le piston vers le bas au cours de la course motrice et la soupape d'échappement s'ouvre approximativement en µ et reste ouverte de d à b comme indiqué par l'arc s. La soupape d'admission s'ouvre en a et le balayage a lieu de a à b. Ensuite la soupape d'échappement se ferme en b, la soupape d'admission reste ouverte jusqu'en.2 et le cycle se répétée L'arc t indique la partie du cycle dans laquelle la soupape d'admis- sion 14 reste ouverte.
Si l'on considère d'abord la course motrice du moteur,la pres- sion des gaz qui règne dans le cylindre tombe suivant la ligne g (fig. 3) au cours de la course descendante du piston du moteur. Avant d'atteindre le point mort bas e, la soupape d'échappement 15 s'ouvre, en d (fig. 2), ce qui provoque une chute de pression de la courbe g fig. 3) jusqu'à la ligne Po qui correspond à la contrepression régnant dans la canalisation d' échappement.
Au cours de la course ascendante du piston., les gaz d'échap- pement sont expulsés par la soupape d'échappement et, au point a (fig. 3), la soupape d'admission s'ouvre, et, de a à b (fig. 2 et 3), les soupapes d'admission 14 et d'échappement 15 se trouvent toutes deux ouvertes en même tempso Cette période est celle de balayage pendant laquelle l'air envoyé , sous pression du compresseur ou ventilateur 19 s'écoule dans le cylindre au-dessus du piston et chasse, par la soupape d'échappement 15,les gaz d'é- chappement qui restent dans l'espace mort.
Au point b (fig. 2 et 3), la soupape d'échappement se ferme alors que la soupape d'admission reste ou- vertede sorte que l'air venant de la pompe 'ou compresseur 19 élève rapi- dement la pression régnant dans le cylindre jusqu'à la pression P2, qui est la pression maintenue dans le collecteur 18.
La course descendante du piston de b en.0 (fig. 2) est également une course motrice puisque la pression P est supérieure à la pression qui s'exerce sur la face inférieure du piston 11. Au point,2, lorsqu'on approche de la fin de la course d'admission, la soupape d'admission 14 se ferme pour interrompre l'alimentation en air en provenance du collecteur 18 et cela pen- dant tout le reste de la course du piston, l'air se trouvant dans le cylindre se détendant polytrqpiquement de .0 à e pour passer de la pression P2 à la pression P1.
Lorsque le piston se déplace vers le haut au cours de la course suivante, de e à f (fig. 2). la charge d'air se trouve comprimée suivant la ligne de pression h (fig. 3). L'extrémité supérieure du diagramme pres- sions-volumes h'est pas représentée sur la fig. 3. La combustion a lieu à la fin de la course de,compression et la pression descend au cours de la course motrice suivante., comme l'indique la ligne de pression g (fig. 3).
, Bien que le fait de fermer la soupape d'admission avant l'achè- vement de la course d'admission constitue le mode d'application préféré de ' la présente invention à un moteur,tout autre moyen permettant de détendre ou d'abaisser la pression régnant dans la charge contenue dans les cylindres du moteur peut être utilisé avec succès. '
Par exemple., la soupape d'échappement ou la soupape d'admission peut être ouverte pendant une courte période au cours de la course de com- pression., ou bien l'on peut prévoir une autre soupape qui peut être ouverte assez longtemps pour produire la réduction désirée de la pression régnant dans le cylindre.
Au cours de chaque cycle., les gaz qui se trouvent dans le cylin- dre d'un moteur traversent un domaine de températures très étendu, La tem- pérature la plus basse est atteinte au commencement de la course de compres- sion ou pendant la course d'admission... Elle peut être de l'ordre de 93 C environ. Au cours de la course de compression, cette température s'accroît progressivement pour atteindre la température finale.
T2 = T1 x (V1/V2) n=1 formule dans laquelle T est la température de la charge contenue.dans le cylindre au commencement de la course de compression, V2 est le volume de l'espace mort en fond de cylindre, V1, la somme de la cylindrée augmentée du volume V2, et n, le coefficient polytropique. La température maximum
<Desc/Clms Page number 6>
de la combustion est fonction du combustible brûlé par masse unitaire d'air, et, par conséquent, croit comme la pression effective moyenne.
Dans le dia- gramme théorique qui ne considère pas que la combustion puisse se prolonger au-delà de la durée prévue, la température régnant pendant la course de dé- tente suit une courbe correspondant à une détente polytropique, et la tempé- rature moyenne régnant au cours de cette course augmente avec la températu- re finale de combustion, qui est également la température initiale de la période de détente. ,
On peut démontrer que les températures régnant au cours des pha- ses de compression, de combustion et de détente du cycle pour n'importe quel- le charge et n'importe quel rendement de cycle donnés sont intégralement fon-e- tion de la température initiale de compression. Ainsi donc, si l'on abais- se la température initiale de-compression, toutes les températures du cycle se trouvent abaissées.
Il,en résulte qu'un moteur donné, conçu pour résister à une cer- taine température maximum de combustion, fournira, à ces mêmes températures, une puissance effective moyenne plus élevée que si l'on abaisse la tempéra- ture de compression.
C'est un fait bien connu que , lorsqu'on comprime de l'air adia- batiquement, sa température s'élève, l'élévation de température étant fonc- tion du rapport volumétrique et du coefficient polytropique de l'air. Ainsi, lorsque le compresseur fournit au moteur- de l'air sous une pression effec- tive d'environ 0,357 hpz, la température de l'air à la sortie du compres- seur, qui est également le côté admission du moteur, se trouve augmentée d' environ 36 C au-dessus de la température d'admission dans le compresseur.
La charge d'air admise dans le cylindre du moteur est par conséquent à une température de 36 C plus élevée'que la charge d'air admise dans un moteur sans compresseur; si l'on admet que la température ambiante est d'environ 21 C, la température de l'air admis est d'environ 36 C + 21 C soit 57 C environ. Pour une pression effective moyenne normale mesurée au frein, avec et sans compresseur, toute augmentation d'un degré de la température de l'air d'admission augmente la température moyenne du cycle d'environ deux degrés.
Ainsi,.alors qu'une augmentation de la pression d'air dans le collecteur d'admission permet d'augmenter la pression effective moyenne approximative- ment dans le même rapport que la pression absolue régnant dans le collecteur pour la même température moyenne du cycle, et par conséquent le même bilan thermique pour le moteur que dans le cas d'un moteur sans compresseur, l'aug- mentation de la température régnant dans le collecteur par suite de la com- pression de l'air a, comme il a été expliqué, l'effet opposé et la pression effective moyenne est inversement proportionnelle à la température régnant dans le collecteur d'admission pour une température moyenne du cycle constan- te.
Le rendement par unité de volume d'un moteur surcompressé peut, par conséquent, être considérablement augmenté si l'on refroidit l'air four- ni par le compresseur entre ce dernier et la soupape d'admission du moteur.
Lorsqu'on dispose d'eau froide, on peut facilement réaliser ce refroidisse- ment en faisant passer l'air par un échangeur de température classique à tubes d'-air et eau.
Si la température de la charge d'air au point c,, lorsque la sou- pape d'admission 14 se ferme, est égale à T2, la température à la fin de la course, lorsque la pression est égale à P1, est alors.
EMI6.1
dans laquelle k est le coefficient polytropique.
La pression effective de surcompression à la fin de la détente qui va de.2 à e est égale à P1,qui est la pression de compression initiale.
Si le moteur avait été surcompressé à la pression P1 de la manière usuelle en réalisant cette pression dans le collecteur 16, la tempéra- ture T1 au commencement de la phase de compression aurait été
<Desc/Clms Page number 7>
EMI7.1
les valeurs T et P. étant respectivement les température et pression atmosphériques. Cette température est trop basse aux pressions normalement utilisées pour permettre un refroidissement effectif entre le compresseur et le collecteur.
Par exemple, si la pression à la sortie du compresseur est d'environ 0,357 hpz, la température serait d'environ 68,3 C ( pour une tem- pérature atmosphérique d'environ 32,2 C) et, dans la plupart des cas;,, on pour- rait difficilement refroidir au-dessous de 51,7 C environ;, c'est-à-dire de réaliser un abaissement d'environ 17 C.
Conformément à la présente invention, on élève la pression régnant dans le collecteur jusqu'à une valeur supérieure à' la pression finale de sur- compression P1. De cette manière, l'air se trouve chauffé à une température plus élevée dans le compresseur et la marge de refroidissement est ainsi plus étendue.
Par exemple, la pression effective à la sortie du ventilateur peut être d'environ 1,291 hpz, ce qui donnerait une température d'environ 135 C.
On peut facilement abaisser la température de cet air à environ 52 C. La détente, qui fait passer la pression effective de 1,291 hpz environ,.au point c, à une pression de 0,359 hpz environ, au point.2, donne, à la fin de la détenteune température d'environ 25,6 C.
Dans cet exemple, la température T correspondant à la pression P au commencement de la course des compressions s'est trouvée abaissée de 680 C environ à 26 ou 25 C environ en refroidissant le collecteur pour ra- mener seulement sa température à environ 52 C. On peut démontrer que la température correspondant à la pression P1 se trouve abaissée d'un certain nombre de C donné par la formule tc x (1-P1/P2) 0,283 formule dans laquelle tc est la température régnant dans le cylindre au com- mencement de la détente, au point e (fig. 3);
P2,la pression au point e; et P1 une pression qui varie de 8,251 hpz environ - valeur normale en cas d'absence de refroidissement - à 10,045 hpz environ., pression effective moyenne calculée d'après l'essai au frein, sans augmenter la fuite des ca- lories vers les chemises d'eau. Ces valeurs ne tiennent pas compte du tra- vail effectué pendant la course d'admission.
Le cycle pour moteur à combustion interne proposé conformément à la présente invention constitue bien une nouveauté,puisque la course d'ad- mission devient une course motrice et une course de détente. On peut élever la pression régnant dans le collecteur jusqu'à toute valeur désirée quelcon- que et on peut choisir toute valeur désirée quelconque pour le rapport de détente P2/P1, en réglant le point de fermeture de la soupape d'admission.
Par exempleon peut admettre de l'air à 7, 175 hpz environ qu' on refroidit à 176,7 C avant son entrée dans le collecteur. Si l'on désire faire fonctionner le moteur sous une pression effective de 0,359 hpz environ à la sortie du compresseur, la fermeture de la soupape d'admission doit se produire à environ 60 après le point mort haut. La détente qui fait passer la pression de P2 à jP1 correspond alors à une chute de la pression effective de 8,251 hpz environ a 1,412 hpz environ<et la température finale correspondant à la pression P, au commencement de la course de compression serait d'environ 283 C abs (10 C).
Ce cycle à haute pression augmenterait la puissance fournie par le moteur;, pourvu que la pression de 77,175 hpz environ soit fournie par une source extérieure au moteur. Ce cycle à haute pression présente en outre l'avantage que le refroidissement de l'air a lieu à température élevée,ce qui permet de réduire la dimension du réfrigérateur d'air. Avec une pres- sion d'admission de 7175 hpz environ, la course d'admission produit une pression effective moyenne d'environ 4,66 hpz.
Siy par refroidissement, l'on abaisse la température de compression initiale jusqu'à 10 C, on peut réaliser une pression effective moyenne de Il,,472 hpz environ pour la course
<Desc/Clms Page number 8>
motrices On voit ainsi qu'un moteur à quatre-temps utilisant les disposi- tions conformes à la présente invention peut supporter une charge équiva- lant à une pression effective calculée d'après un essai au frein d'environ 16,132 hpz sans dépasser la tension thermique imposée à un moteur fonction- nant sans compresseur sous une pression effective moyenne calculée d'après un essai au frein d'environ 5,378 hpz.
Dans le moteur perfectionné conformé à la présente invention, si, par exemple, on l'alimente à l'aide d'un compresseur fournissant une pression de 0,359 hpz, au commencement de la course de compression et par suite de la détente de la charge pendant la course d'admission, la pres- sion de balayage est supérieure à cette pression d'une quantité telle que le balayage peut s'effectuer efficacement contre la contre-pression moyenne d'échappement existant dans une canalisation d'échappement dans laquelle débouche l'échappement de tous les cylindres d'un moteur polycylindrique.
Suivant une caractéristique propre aux compresseurs entraînés par une turbine à gaz, plus la pression est élevée, plus grande est la dif- férence existant entre la pression à la sortie du compresseur et la pres- sion des gaz admis à la turbine, pression qui est égale à la contre-pres- sion d'échappement. Ainsi, quand la pression effective à la sortie du com- presseur est de 0,358 hpz environ, la contre-pression effective d'échappe- ment peut être de 0,251 hpz environ. Avec le même rendement de turbo-com- presseur, la contre-pression effective d'échappement sera de 9,97 hpz en- viron, quand on augmente la pression à la sortie du compresseur jusqu'à la valeur de 1,326 hpz environ.
La différence entre les pressions régnant dans le collecteur d'air et dans le collecteur d'échappement respective- ment a augmenté de 0,107 à 0,330 hpz environ.
Au fur et à mesure que la charge diminue,, on diminue la quan- tité de combustible injecté, et la température à l'échappement tombe ce qui entraîne une diminution de la vitesse de la turbine, et la pression à la sortie du compresseur suit la courbe de pression d'air à l'admission dans le collecteur (fig. 12). Lorsque la pression tombe de cette manière, la température de l'air diminue également. Si elle est, par exemple, de 137,8 G environ à pleine charge quand la pression est de 1,290 hpz environ, cette température n'est que de 82,2 C environ à demi-charge quand la pression est de 0,573 hpz environ.
Ainsi, si l'échangeur de température assurant le refroidissement est réglé pour la pleine charge, la température de compres- sion est trop basse quand la charge se trouve réduite.
C'est pourquoi, conformément à la présente invention, des moyens sont prévus pour contrôler automatiquement le refroidissement en réduisant la diminution de pression par détente dans le cylindre au cours de la cour- se d'admission en fonction de la variation de la charge.
Par exemple, comme représenté sur la fig. 12, la soupape d'admis- sion se ferme à 42 avant le point mort bas, ce qui amène une détente de 1,290 hpz environ à 0,574 hpz environ, la chute de température en résultant étant de 33y3 C environ. On retarde progressivement et automatiquement la fermeture de la soupape d'admission jusqu'à la position correspondant ap- proximativement à la demi-charge, et, pour toutes les charges inférieures, on remplit complètement le cylindre d'air et le moteur fonctionne sans baisse de pression par détente ou de température.
Bien qu'on préfère utiliser cette méthode consistant à contrôler et à faire varier le refroidissement agissant sur la détente interne, on peut également contrôler la marche du moteur conforme à la présente invention en faisant varier automatiquement le taux de compression ou rapport volumétri- que en fonction de la charge. On arrive à ce résultat en maintenant ouverte la soupape d'admission pendant toute la course d'admission et pendant une partie de la course de compression suivante. Ensuite, pendant la même cour- se, la soupape d'admission se ferme automatiquement, la charge et la pression d'air dans le collecteur s'élevant simultanément. A pleine charge, la pres- sion effective de l'air du compresseur peut être de 1,290 hpz environ, comme dans l'exemple précédent.
L'air qui remplit le cylindre se trouve à cette
<Desc/Clms Page number 9>
pression et, lorsque le piston commence sa course ascendante, la soupape . d'admission et la soupape d'échappement, ou autres orifices contrôlés par soupape restent ouverts, ce qui permet d'expulser une partie de la charge se trouvant dans le cylindre. En un certain point de la course ascendante toutes les soupapes du cylindre se ferment et la phase de compression com- mence. Ceci peut, par exemple, avoir lieu en un point où le rapport volumé- trique est réduit à 10.
La pression de compression est alors de 50,19 hpz environ et la température d'environ 784 C abs. Cette pression et cette température sont les mêmes qu'on obtient quand la soupape d'admission se ferme avant le point mort bas,de manière à détendre l'air d'une pression de 1,290 hpz environ à une pression de 0,574 hpz environ, lorsque la compression com- mence au point mort bas.
Au fur et à mesure qu'on réduit la charge et que la pression de l'air sortant du compresseur diminue, on avance la fermeture de la soupa- pe d'admission de telle sorte que le taux de compression ou rapport volumé- trique augmente au fur et à mesure que la pression de l'air venant du com- presseur diminue. Il s'ensuit donc que dans un domaine étendu de charges, le taux de compression combiné de l'ensemble compresseur et moteur est sen- siblement constant., de sorte que la pression et la température de l'air se trouvant dans le cylindre à la fin de la course de compression restent également inchangées pour un domaine étendu de charges.
Les directions suivant lesquelles s'exerce la pression de l'air admis dans le cylindre pendant les courses d'admission et de compression se trouvent représentées sur la fig. 12. Dans cet exemple, le compresseur four- nit au cylindre de l'air sous une pression de 1,290 hpz environ. Quand la soupape d'admission est réglée pour se fermer avant le point mort basla pression s'exerce suivant le trajet A B C D I. La phase de compression com- mence lorsque la pression atteint le point C, et cette pression atteint la valeur 1 à la fin de la course. Quand on réduit la charge et que la pression tombepar exemple à 1,362 hpz environ, la pression s'exerce dans le sens G C D I.
La phase de compression commence au même point qu'à pleine charge et la pression de compression atteint le point I comme précédemment.
Lorsque la soupape d'admission est réglée pour se fermer en divers points situés après le point mort bas de manière à régler le rapport volumétrique en raison de la charge imposée au moteur, la pression s'exerce suivant le trajet A E F D I. Une partie de gaz admis se trouve reportée de E à F de telle sorte que la pression I, qu'on désire obtenir pour la compression., est atteinte.
Lorsque la charge est réduite et que la pression tombe, par exemple., à 0,717 hpz environ, la pression s'exerce suivant le trajet G H D I, la pression 1 qu'on désire obtenir pour la compression étant atteinte en reportant une petite quantité des gaz admis en fermant plus tôt la soupape d'admission au cours de la course ascendante.
Pour toutes les charges imposées au moteur, lorsque la pression régnant dans le collecteur d'air est plus grande que la pression en C, les pression et température de compression sont sensiblement constantes. Il en résulte un rendement thermique élevé et une accélération rapide du moteur sans production de fumées.
Dans la variante de moteur représentée sur la fig. 10, la soupa- pe d'échappement 15 permet aux produits de la combustion de traverser le conduit 17, le collecteur 50, le conduit 51, et par le rotor 52 de la tur- bine fonctionnant sur les gaz d'échappement, l'orifice d'échappement 53.
Le rotor de turbine 52 entraine l'arbre '54 qui à son tour entraîne le ro- tor 55 du compresseur., amenant de l'air dans le moteur, suivant la direction des flèches, faisant passer cet air à l'intérieur de l'enveloppe du compres- seur ou ventilateur 57, et de là, par le collecteur 58, au conduit d'admis- sion 16 dont la soupape d'admission 14 peut être ouverte ou fermée dans des conditions qui seront décrites ci-après.
<Desc/Clms Page number 10>
La soupape d'admission 14, comportant un ressort 59, une tige- poussoir réglable 60, un levier culbuteur 61, une tige de commande de culbu- teur 62 et un galet suiveur de came 63; est actionnée par la came 64 montée sur l'arbre à cames 65 entraîné par le vilebrequin par l'intermédiaire d'un organe de liaison approprié quelconque. Dans ce cas, c'est sur le calage de la soupape d'admission que s'exerce la commande automatique qui modifie le degré de refroidissement appliqué pour modifier la détente interne pro- voquée dans le moteur afin de contrôler les caractéristiques de la phase d' admission. On modifie le calage de la soupape d'admission par un déplacement angulaire suivant l'angle A-C du galet suiveur 63 par rapport à l'axe de l'arbre 65.
Le mécanisme permettant d'obtenir ce résultat dépend, dans l'exem- ple choisi., de la pression de l'air fourni par le turbo-ventilateur qui dé- pend à son tour de la température d'échappement, celle-ci dépendant elle- même de la charge appliquée au moteur. Le conduit 66 réunit l'enveloppe 57 du ventilateur au cylindre 67. Dans le cylindre 67 se trouve un pis- ton 68 sollicité vers le haut par le ressort 69. Un tampon 70y placé dans le cylindre., limite la course ascendante du piston 68. Un manchon 72 guide la tige de piston 71. C'est la pression atmosphérique qui s'exerce sur la face inférieure du piston 68.
L'axe de pivotement situé à l'extrémité infé- rieure de la tige de piston 71 coopère avec une rainure 74 pratiquée dans le levier coudé 75. Le levier 75 pivote en 76 sur Isolément de liaison 77 qui, à son tour, pivote sur une tige de commande des soupapes 78 portant des soupapes de piston équilibrées 79 et 80 logées dans le bottier cylindri- que de soupapes 81. Les tuyaux 82 font communiquer les extrémités supérieure et inférieure du boîtier de soupapes avec l'atmosphère. La tige de commande des soupapes 78 traverse dans ses déplacements un presse-étoupe 83. Le tuy- au 84 est relié au système de graissage du moteur et il est soumis à la pression régnant dans ce système de graissage. Il aboutit au boîtier cylin- drique 81.
Un tuyau 85 contrôlé par la face de la soupape 80 met en commu- nication le cylindre 81 avec l'extrémité supérieure du cylindre 86 dans la région située au-dessus du piston 87 logé dans ce cylindre. Le tuyau 88 contrôlé par la face de la soupape 79 met en communication le cylindre des soupapes 81 avec le cylindre moteur 86 dans la région située au-dessous du piston 87. Le piston 87 porte une tige de piston 89 pivotant en 90 sur le levier 75. En outre, la tige 89 porte une crémaillère 91 en prise avec un engrenage 92 portant un excentrique 93 monté sur un arbre 94, de sorte que le déplacement longitudinal de la crémaillère 91 peut provoquer la rotation de l'engrenage 92 et -faire ainsi tourner l'excentrique 93 dans la fourche 95, l'extrémité extérieure de cette fourche pivotant en 96 sur l'axe de pivotement du galet suiveur 63.
Si l'on prend les pièces dans la position qu'elles occupent sur la fig. 10, au fur et à mesure que la charge imposée au moteur augmente., la vitesse de la turbine augmente également ainsi que la pression de l'air dans l'enveloppe 57, surmontant ainsi la résistance opposée par le ressort 69 et obligeant le piston 68 à descendre. Cela a pour résultat d'obliger les soupapes 79 et 80 à se déplacer vers le bas reliant ainsi l'extrémité supérieure du cylindre 86 avec l'atmosphère, en soumettant l'extrémité infé- rieure du cylindre et le piston 87 à la pression de l'huile de graissage.
Cela a pour résultat de faire monter le piston 87, de faire tourner l'engre- nage 92 pour déplacer le galet suiveur 63 vers la position A, modifiant ain- si l'angle d'avance de la came d'admission pour faire avancer le moment de fermeture de la soupape d'admission en fonction de l'augmentation de la pres- sion d'air au fur et à mesure de l'augmentation de la charge. Bien entendu, par suite du mouvement descendant du piston 87 le levier 75 retourne en po- sition neutre;, fermant les soupapes 79 et 80 ainsi que les conduits 88 et 85,etl'appareil se trouve verrouillé et maintenu en position appropriée., jusqu'à ce qu'il se produise une modification dans la pression de l'air.
Lorsque la charge diminue, le déplacement se produit dans le sens opposé et le galet 63 revient en arrière vers la position C de manière à retarder le moment de fermeture de la soupape d'admission, compensant ain- si à nouveau la réduction de pression, de sorte que la température et la pres-
<Desc/Clms Page number 11>
sion au début de la course de compression reviennent à des valeurs norma- les.
On peut, si on le désire, au lieu d'utiliser la pression d'air régnant dans le ventilateur, faire plutôt usage du régulateur pour fournir l'énergie nécessaire au changement de calage de la soupape, le même appa- reil pouvant également être utilisé-pour commander la soupape d'admission ou la soupape d'échappement ou encore ces deux soupapes, ou bien une soupape auxiliaire -séparée si on le désire.
Dans le moteur représenté sur la fig. 4, moteur qui fonctionne suivant le cycle Beau de Rochas, 30 désigne un cylindre et 31 le piston.
Le fond de cylindre 32 comporte un orifice d'admission 33 et un orifice d'échappement 34 pratiqués dans ce fond de cylindre. Le conduit d'admis- sion est contrôlé par une soupape d'admission 36 et l'orifice d'échappement, par'une soupape d'échappement 37. Le moteur comporte un collecteur 39 en communication avec le conduit d'admission 33 et un compresseur ou ventila- teur 40 de tout type convenable comprime l'air et l'envoie dans un refroidis- seur d'air 41.
Dans un moteur de ce type, une bougie d'allumage par étin- celle ou autre dispositif d'allumage 43 est prévu dans le fond de cylindre et on peut amener du combustible soit dans le conduit d'admission 33, au moyen d'un gicleur ou autre dispositif convenable d'admission de combustible 44, ou bien on peut admettre le combustible directement dans le cylindre par une buse d'injection de combustible 45.
Sur les fige 5 et 6, on utilise'' les mêmes lettres que celles utilisées sur la fig. 2 pour délimiter les différentes phases, et les lettres utilisées sur le diagramme pressions-vo- lumes représenté sur la fig. 7 sont les mêmes que celles qui sont utilisées sur la fig. 3 pour indiquer des conditions similaires ; a - désigne l'ouverture d'admission b - la fermeture de l'échappement e - la fermeture de l'admission d - l'ouverture de l'échappement l'arc c-e correspond à la détente et l'arc e-f à la compression.
Dans le moteur fonctionnant suivant le cycle Beau de Rochas à allumage par étincelles, le taux de compression ou rapport volumétrique est limité par le fait que le combustible, qui est ordinairement de 1'essen- ce, est susceptible de s'enflammer spontanément. La température d'inflamma- tion spontanée et la vitesse d'inflammation de l'essence s'expriment en nom- bres d'octane. Les combustibles ayant un nombre d'octane élevé ont des températures d'inflammation plus élevées et des vitesses d'inflammation plus lentes que les combustibles à bas nombre d'octane.
Par conséquent, si on augmente le nombre d'octane, on peut em- ployer des rapports volumétriques plus élevés et une puissance plus grande par unité de volume.
La température qui règne à la fin de la compression dans un mo- teur à combustion interne augmente en fonction du rapport volumétrique suivant la formile T2 = T1x( ( V1/V2) n-1, formule déjà mentionnée plus haut. Il est actuellement de pratique courante de contrôler T2 en choisissant le rapport volumétrique V1/V2. Ainsi, si l'on choisit un combustible ayant un nombre d'octane plus faible, ce qui aurait pour résultat de créer'dans un moteur donné des phénomènes de préallumage et de détonation, on corrige ces condi- tions en abaissant le rapport volumétrique Vl/V2- jusqu'à ce qu'on ait réduit la température T2 jusqu'à une valeur pour laquelle le combustible à bas nom- bre d'octane ne produit pas de phénomènes de préallumage ou de détonation.
Un examen de la formule montre qu'on peut également réduire la température de compression T2 en diminuant T1,température régnant au début de la- phase de compression, valeur qu'on peut calculer pour un ensemble de conditions quelconque, et on démontre que cette température Tl est égale à la somme de la température de la charge admise dans le collecteur d'admis- sion,Tmf, de l'élévation de température due au contact avec les surfaces
<Desc/Clms Page number 12>
chaudes du cylindre au cours de la course d'admission, t h' et de l'élévation de température due au mélange avec les gaz résiduels restant dans l'espace mort à la fin de la course d'échappement précédente, trh. Ainsi, Tl Tmf + tch + t h.
Dans un moteur fonctionnant sans compresseur, c'est-à-dire prenant l'air necessaire directement dans 1?atmosphère, et dans lequel la pression régnant dans le collecteur d'admission est à la pression atmosphérique ou à une valeur très voisine, il n'y a pas d'ordinaire intérêt à réduire Tmf par refroidissement, parce que cette température est basse. tch est déterminé par le tracé du système de refroidissement du moteur et trh est déterminé par le volume de l'espace mort et la température des gaz résiduels.
Les dispositions qui ont été décrites comportent des moyens d'é- vacuation des gaz résiduels dans un moteur dans lequel la pression de com- pression initiale est comprise entre toute valeur prédéterminée ou désirée quelconque et zéro. Conformément à la présente invention, il est également prévu d'utiliser des moyens pour abaisser la température de l'air admis avant son entrée dans le cylindre.
Cet abaissement de température peut être obtenu lorsque le compresseur travaille sous haute pression et à haute tem- pérature, de sorte que les moyens prévus pour abaisser la température ini- tiale de compression T1 d'une quantité inférieure désirée quelconque à la température à laquelle l'air est admis dans le collecteur d'admission, cré- ent un nouveau cycle de fonctionnement de moteur dans lequel la course qui suit la course d'échappement devient une course d'admission et de détente.
Si on applique la présente invention à un cycle ne comportant pas de phase de balayage, on peut admettre le combustible au moyen d'un injecteur 44 (fig. 4), car l'angle a-b (fig. 5) correspondant à des parties de phases successives partiellement concomitantes est si faible ou (nul) qu'aucune partie de mélange air-combustible ne peut s'échapper du collec- teur 33 vers l'orifice d'échappement 34. Le compresseur 40 fournit de l'air sous pression qui passe à travers un refroidisseur d'air 41, gagne le col- lecteur 39, et se rend de là au cylindre 30, lorsque la soupape 36 est ou- verte.
Au point c, la soupape d'admission 36 se ferme et la pression dans le cylindre diminue suivant une détente polytropique de .2 à e, pour atteindre une pression Pl qui est la pression initiale de compression pour la course e-f.
La température T1 régnant au début de la course de compression sera égale à
T1 = (Tmf + Tch + Trh) = X (P1/P2) 0,283
L'abaissement de la température Tl, obtenu grâce à l'applica- tion des dispositions objet de l'invention, apparaît mieux sur un exemple.
Si un moteur fonctionnant avec un rapport volumétrique de 6/1 est alimenté par compresseur de la manière classique, la température régnant dans le col- lecteur sera de 54,400 environ (en admettant que la température d'admission dans le ventilateur est de 32,2 C (environ).
A pleine charge, la température des gaz résiduels étant d'envi- ron 704 C, l'élévation de température T est de 41,7 C environ, et l'élévation de température du cylindre Tch' de 44,4 C environ. Ainsi, T1 = 54,4 + 41,7 + 44,4 = 140,5 environ, en degré? centigrades (4I4 C abs. environ).
Par contre, si on adopte le cycle conforme à la présente inven- tion, la pression effective à la sortie du ventilateur se trouve portée.à., par exemple, 1,054 hpz environ (P2). Si l'air admis dans le ventilateur est à une température de 32,2 C environ, la température à la sortie du ven- tilateur devient alors 104,4 C environ. Cette température pourrait être abaissée à 48,9 C environ, dans le refroidisseur 41 placé dans le collec- -tour d'admission. La température au point e (fig. 5) serait alors d'environ 48,8 + 41,6 + 44,6 = 135 en degrés centigrades (408 C abs environ).
Par suite de la détente de la pression effective, de 1,054 hpz environ à 0,215 hpz, cette température tombe à :
<Desc/Clms Page number 13>
EMI13.1
Ceci correspond à un abaissement de température de 7450 F abs, en compressant l'air suivant la méthode classique, à 6350 R, quand on appli- que le cycle conforme à la présente invention.
Avec un coefficient polytropique de 1,35, les températures régnant à la fin de la phase de compression seraient de 1.400 R et 1.190 F, respec- tivement. '
Par conséquent., quand on applique le cycle conforme à la présente invention, on peut utiliser dans un moteur un combustible ayant un nombre d'octane plus bas. Ou bien, en d'autres termes,si on utilise du combustible qui convient pour un fonctionnement à une température de compression de 1.400 R, on peut, dans le moteur appliquant le cycle de fonctionnement con- forme à l'invention, élever le rapport volumétrique jusqu'à 8,5/1.
Cette augmentation du rapport volumétrique entraîne une réduction de l'apport de chaleur trh fourni par les gaz résiduels de 24,4 C à 8,9 C, par suite de la réduction du volume de l'espace mort, le rendement themique étant également augmenté de 51 à 58%.
L'exemple donné ci-dessus montre le perfectionnement atteint quand on utilise le cycle conforme à la présente invention sans balayage. On.ob- tient un perfectionnement encore plus poussé lorsque les phases d'ouvertures des soupapes d'admission et d'échappement (fig. 6) empiètent partiellement l'une sur l'autre, et si l'on admet suffisamment d'air par la soupape 36 pendant cette période pour chasser les gaz résiduels par l'orifice d'échap- pement 34. Par ce moyen, on diminue T1 d'une valeur égale à l'élévation de chaleur trh fournie par les gaz résiduels, ce qui dans l'exemple susmentionné réduit T1, de 645 R, sans balayage, à 580 R avec balayage.
Pour éviter la perte de combustible, le système de balayage exige que le combustible soit injecté soit dans le collecteur d'admission par l'injecteur 44 (fig. 4) ou directement dans le cylindre par l'injecteur 45', après le point b du dia- gramme représenté sur la fig. 6.
Un avantage supplémentaire, qui peut être obtenu grâce à l'appli- cation des dispositions conformes à la présente invention, réside dans le fait qu'on peut augmenter considérablement la charge imposée au moteur sans augmenter la température moyenne du cycle. Si la température moyenne du cy- cle, T d'un moteur fonctionnant sous un faible rapport volumétrique et pour lequella température T = 385 C est, à pleine charge, de 1.600 R, le rapport T /T1 = 2,2.
Si, par application du refroidissement par expansion conforme à la présente invention, on réduit la température T1 à 645, le rapport Tm/T1, correspondant à la température moyenne du cycle à pleine charge de 1.600 F, serait de 2,48 et, à la température 1.600 R, la pression effective moyenne serait augmentée de 37%.
Si dans ce moteur, fonctionnant par exemple avec un rapport vo- lumétrique de 5,5, on balaye les gaz se trouvant dans l'espace mort, il en résulte une réduction de la température T1 de 47,2 G environ. En combinant les effets du refroidissement et du balayage, on obtiendrait alors une tem- pérature T1 = 293,3 C et un rapport Tm/T1 = à 2,857 pour une température moyen- ne du cycle de 1.6000R. Il en résulterait une augmentation d'environ 70% de la pression effective moyenne.
C'est un fait bien connu que les températures élevées posent un grand problème dans le fonctionnement des moteurs à essence suivant le cycle Beau de Rochas de conception moderne. C'est ainsi qu'il n'est pas possible de brûler la totalité de l'air contenu dans le cylindre sans faire appel à des moyens dispendieux tels que l'enrichissement du mélange ou l'injection d'eau.
L'application, conformément à la présente invention, d'une déten- te provoquée par refroidissement permet de réduire d'une façon pratique la température moyenne du cycle, comme le prouvent les exemples ci-dessus, de
<Desc/Clms Page number 14>
manière à réaliser une température désirée quelconque en utilisant un mi- lieu réfrigérant tel que de l'eau ou de l'air atmosphérique, quelle que soit la température à laquelle on peut se procurer ces éléments.
La fig. 8 représente un diagramme pressions-volumes d'un moteur Diesel de type classique avec compresseur, ce diagramme étant délimité par la courbe en traits pleins et couvert de hachures en traits pleins. P est la pression fournie par le compresseur,?,, la contrepression d'échappement, et Pat correspond à la pression atmosphérique.Le tracé en traits pleins de la figo 9 représente les températures correspondant à un moteur Diesel classique pendant la course d'admission, la course de compression et la cour- se combinant l'admission et la détente, T représentant la température d'ad- mission ;
ce diagramme des pressions et des températures peut représenter la charge maximum que peut entraîner un moteur donné sans dépasser la tempéra- ture admissible maximum. On voit que la température s'élève d'autant plus que la compression est poussée plus loin et que la charge est augmentée,
Sur la fig. 8, l'accroissement de l'aire comprise à l'intérieur du diagramme pressions-volumes obtenu quand on fait fonctionner le moteur conformément à l'invention est. représenté par les lignes interrompues. Sur la fig. 9, les températures correspondantes pour le même moteur fonctionnant conformément à l'invention sont représentées également en lignes interrom- pues.
Grâce à Inapplication des dispositifs conformes à la présente inven- tion, un cylindre donné peut entraîner.'une charge plus forte à un niveau plus bas de température des gaz, ou sans excéder le niveau de température existant dans le moteur, si son alimentation en air comprimé est assurée suivant la méthode classique. Ceci apparaît sur la fig. 9, où la température d'admis- sion est représentée par Tmf comme dans le moteur classique.
Toutefois, alors que dans ce dernier on conserve la même température 'Il' au commencement de la course de compression, dans le cycle perfectionné conforme à la présente invention, la charge introduite dans le cylindre se détend polytropiquement d'une pression P2 à une pression P1 à la fin de la course d'admission, et il en résulte une réduction de la température de la charge qùi tombe de T à T1, conformément aux lois précises de la thermo-dynamique,. Cette réduc- tion de la température de compression initiale abaisse la température de la phase de compression ainsi que la température régnant à la fin de la ccmbus- tion effectuée sous volume constant à la pression P3.
On voit, par consé- quent., que la partie terminale du diagramme P-V peut être prolongée du point Cl au point C2 sans dépasser pour cela les températures maxima imposées au gaz dans le cycle classique pour lequel la fin de phase a-été retardée, ce qu'on obtient en admettant une plus grande quantité de combustible et qui produit, pour le diagramme P-V, une pression effective moyenne plus grande.
Par conséquent, une puissance plus grande se trouve engendrée de ce fait.
Les divers éléments principaux du cycle conforme à la présente invention se retrouvent sur le graphique constituant la fige 11. Les lignes av et rt tracées sur le cercle orienté (flèche) correspondent respective- ment aux positions d'avance et de retard de la soupape d'admission, Les courbes ont les significations suivantes : (1) indique l'allure de la chute de températures dans le cylin- dre; (II) celle de la variation de l'angle d'ouverture de la soupape d'ad- mission;
(III), celle de la variation de la pressi.on d'air dans le collec- teur d'admission; la partie (111a)ainsi que la courbe (IV) correspondant à la pression de l'air dans le cylindre au commencement de la course de compression,, L'angle de fermeture de la soupape d'admission est mesuré sur le vilebrequin, la distance angulaire étant prise en degrés comptés de 0 à 60 avant le point mort, et de 0 à 20 après le point mort.
Sur les fig. 13 et suivantes, qui se rapportent à un moteur fonc- tionnant à deux-temps, est représenté un moteur à deux-temps du type à balayage à équicourant. Le piston 101 est monté dans le cylindre 102 de manière à s'y déplacer suivant un mouvement alternatif. Dans la position représentée sur la figure, ce piston se trouve à son point mort bas, les orifices 103 amenant l'air de balayage et de surcompression étant découverts par le pis- ton de sorte que l'air venant de la courroie de balayage 104 peut s'écouler dans le cylindre dans la région située au-dessus du piston. Le fond de
<Desc/Clms Page number 15>
cylindre comporte une ou plusieurs soupapes d'échappement 105 par lesquelles les gaz d'échappement peuvent s'échapper dans le conduit d'échappement 106.
Le mécanisme actionnant les soupapes est représenté schématiquement. Il suffit de dire que ce mécanisme actionné par le vilebrequin du moteur ouvre et ferme les soupapes d'échappement. Lorsque ces soupapes d'échappement se trouvent ouvertes peu avant que le piston atteigne le point mort bas au cours de la course motrice ou de détente., il se produit une chute de pres- sion dans le cylindre. Les gaz d'échappement passant à travers l'orifice 106 lorsque le piston termine sa course descendante en découvrant les ori- fices 103, l'air de balayage qui se trouve à une pression plus élevée que la pression d'échappement régnant dans le conduit 106 pénètre à grande vitesse dans le cylindre, et monte dans ce dernier pour chasser les produits de la combustion hors du cylindre.
Quand le piston s'élève pour fermer les orifi- ces 103 on arrête l'alimentation en air de balayage. Le piston continue son mouvement pour expulsèr'- les gaz d'échappement par les soupapes d'échap- pement jusqu'à leur fermeture. En ce point du cycle, 'et comme le piston s' est déjà déplacé vers le haut de manière à occuper une position au-delà des orifices de.balayage pour fermer ces derniers, le stade final de la phase de compression commence.
La présente invention a tout d'abord pour objet de contrôler le moment auquel commence cette phase de compression finale.
Le compresseur 107 peut être entraîné par un moteur séparé ou par le. vilebrequin du moteur, suivant le cas. Il admet de l'air suivant la di- rection indiquée par la flèche et l'envoie par"le conduit 15 au côté aspi- ration du compresseur 108 constituant le deuxième étage de compression. Ce compresseur 108 est entraîné par la turbine à gaz 109. La turbine à gaz 109 est entraînée par les gaz d'échappement sortant du cylindre par le con- duit 106 et les évacue à l'atmosphère par l'orifice de sortie 110.
Un échangeur de température refroidisseur 111 est placé entre le compresseur 108 et le conduit 112. Le conduit 112 communique avec la cour- roie de balayage 104 de telle sorte que l'air de balayage se trouve comprimé dans le premier étage de compression, ensuite dans le deuxième étage, ce qui élève la pression ainsi que la température; il est ensuite refroidi dans le réfrigérateur intermédiaire et c'est cet air de balayage fortement comprimé et refroidi qui est fourni au cylindre.
De façon générale, cette disposition est classique. Il est u- suel de prévoir des moyens convenables pour réaliser dans la canalisation d' admission d'air une pression de balayage plus élevée que la pression d'échap- pement, et les turbo-compresseurs entraînés par la pression d'échappement sont connus depuis longtemps,et il en est de même du réfrigérant intermédiaire.
Le point important est qu'il existe une limite thermique à la pressiôn de balayage et, lorsque la pression de balayage dépasse un certain point, les températuresdans les conditions normales de fonctionnement, atteignent une valeur trop élevée. C'est pourquoi, conformément à la présente inven- tion, le calage des soupapes d'échappement est réalisé de telle sorte qu'au lieu de faire commencer la compression au moment où les orifices de balayage sont fermés dans le piston, cette phase de compression est retardée et n'a lieu que seulement pendant une partie de la course ascendante du piston.
Par exemple, la compression ne commence qu'à partir du moment où le piston atteint la ligne pointillée 116 indiquée sur la fig. 13. Il suffit simple- ment pour cela de caler convenablement les soupapes d'échappement.
@
Dans ces conditions, la compression commence en 116, point de la course du piston plus élevé qu'à l'ordinaire, et on ne laisse pas monter la pression entre le moment où les orifices 103 sont fermés et celui où on atteint le point 116, les gaz se trouvant dans le cylindre étant évacués vers l'échappement et cela à une vitesse telle que le déplacement du piston a pour résultat de les chasser sans augmenter toutefois la pression dans le cylindre. Pour en être certain, on doit déterminer la section offerte au passage des gaz au moment de la levée des soupapes, et caler ces dernières de telle sorte que la pression ne s'abaissera pas jusqu'à celle régnant dans la canalisation d'échappement.
Cette pression doit de préférence rester éga-
<Desc/Clms Page number 16>
le à la pression de balayage ou de surcompression au moment où la compres- sion commence.,
Sur la fig. 14 est représenté un appareil qui maintient dans l'espace mort la température nécessaire lorsque la température et la pres- sion de l'air fourni par le turbo-compresseur diminuent en même temps que la charge appliquée au moteur. L'air venant du compresseur 108 traverse une soupape 125 dont on peut faire varier la position pour diriger l'air de manière à lui faire traverser le refroidisseur d'air 126 ou le réchauffeur 127 ou bien encore de manière à diviser le courant d'air afin qu'une partie traverse le refroidisseur et une autre le réchauffeur et cela dans les pro- portions nécessaires à l'obtention de la température désirée pour l'air péné- trant dans le cylindre.
Bien qu'on puisse obtenir la même variation de température en utilisant un échangeur de température unique dans lequel on élèverait ou on abaisserait la température de l'agent de refroidissement de manière à réchauffer ou à refroidir l'air de surcompression, un dispositif de ce gen- re fonctionnerait avec un retard considérable et la température de l'air ne suivrait pas rapidement les variations de la charge appliquée au moteur.
En utilisant les deux échangeurs de température représentés le refroidisseur d'air dispose d'un agent réfrigérant en quantité et à tempé- rature constantes qui assure le refroidissement imposé quand il est traver- sé à pleine charge par la totalité de l'air. Le réchauffeur dispose d'un agent réchauffant en quantité et à température constantes assurant le chauffage imposé quand il est traversé par la totalité de l'air lors de la marche à vide, Ce système fonctionne pratiquement sans retard et aussi ra- pidement qu'on peut faire fonctionner la soupape.
Dans ces conditionsle commencement de la compression d'un cy- lindre peut être placé au même point de la course de compression pour toutes les charges imposées au moteur. La pression et, par conséquent, la masse de la quantité d'air se trouvant dans l'espace mort à la fin de la course de compression varieront proportionnellement à la pression absolue de l'air de surcompression. Toutefois, l'air est fourni en abondance par rapport à la quantité réduite de combustible qui tombe pour la marche à vide à environ 1/5 de la quantité fournie à pleine charge, alors que pour la marche à vide, la masse d'air fournie est d'environ la moitié de celle fournie à pleine char- ge.
Le dispositif représenté sur la fig. 19 indique une méthode con- venable pour commander les soupapes d'échappement de manière à faire varier ou contrôler le moment de la fermeture, en accord avec la pression d'air de balayage.
Bien qu'on ait surtout envisagé le maintien à un niveau constant de la compression de la pression et des températures, il est très probable qu'il sera nécessaire d'augmenter la température lorsque diminuera la charge imposée au moteur. Peut être, quand, à pleine charge, l'air est refroidi à 43 C environ, il peut être nécessaire de le réchauffer à 60 C environ ou plus pour la marche à vide afin de compenser la perte thermique plus élevée quand on comprime de l'air de densité plus faible. Le seul fait de détours ner l'air de manière à lui éviter de traverser le refroidisseur, peut ne pas être suffisant,car, lorsque la température de l'air ambiant est basse, l'air fourni par le compresseur entraîné par le moteur peut être à la température de 10 à 15 C.
Le réchaffeur d'air peut être alimenté en eau chaude prove- nant du système de refroidissement du moteur mais pour le démarrage à froid une source supplémentaire de chaleur peut être nécessaire. Il n'y a rien d'anormal à chauffer les chemises d'eau du moteur avant démarrage par temps froid, ceci ne pose donc pas de problème nouveau ou exceptionnel.
La fige ,19 montre un mécanisme de commande de soupape d'échappe- ment 105. L'arbre à cames 131 est entraîné par le vilebrequin du moteur et il comporte une came d'ouverture de soupape 132 et une commande de fermetu- re 133. Le galet 134 coopère avec la came 132 sur laquelle il est maintenu en position par des bras 136 d'un levier oscillant sur un arbre-pivot 137.
<Desc/Clms Page number 17>
La tige-poussoir 138 est fixée au bras 139 du levier de commande de soupape par un axe 140. Le bras 139 oscille sur un tourillon 141 faisant corps avec le levier 142 qui lui-même peut osciller librement sur un tourillon 143 pré- vu sur un support fixe 144. Les galets 135 qui pour leur fonctionnement s' appuient sur la came 133 sont supportés dans le bras de levier 145 qui os- cille sur un axe 146 d'une manivelle 147. L'extrémité extérieure du bras 145 porte un goujon 148 auquel est fixée la tige-poussoir 149. L'extrémité supérieure de la tige-poussoir 149 est reliée au levier 142 par ],axe 150.
Sur la fige 21, la ligne a indique la position angulaire du vile- brequin pour laquelle le côté 151 de la came 132,, correspondant à l'ouverture de la soupape, commence à déplacer le galet 134 vers le haut pour ouvrir la soupape 105 à l'extrémité de la course de détente du piston 101. Le tourillon 141 du levier 142 se trouve dans sa position la plus basse in- diquée par la ligne J-K alors que les galets 135 se trouvent au sommet de la partie concentrique de la came 133.
L'axe 146 étant monté sur le flasque de vilebrequin 147 dans la position moyenne représentée, le mouvement de rotation de l'arbre à cames 131 oblige le galet 135 à tomber sur la partie neutre de la came 133 lorsque la ligne m est verticale. Ce mouvement élève le tourillon 141 du levier 142 jusqu'à une position indiquée par la ligne h-1. L'extrémité des leviers 139 qui commande la soupape se trouve alors soulevée en un mouvement qui l'élpig- ne de l'extrémité de la soupape 105 en provoquant la fermeture de cette der- nière par le ressort 153.
Dans la position moyenne;, telle que représentée., la soupape 105 se ferme au point (fig. 21). Cette position est la position moyenne de la manivelle 147. En faisant tourner la manivelle 147,on peut faire avancer l'axe 146 jusqu'à la position 2, ce qui oblige la soupape 105à se fermer au point d, position pour laquelle le piston ferme l'orifice de balayage 103.
Cette position correspond à la marche à vide et au rapport volumétrique ma- ximum de 31,6, comme représenté sur la fig. 18. Si l'on retarde le mouve- ment de la manivelle 147 pour placer l'axe 146 dans la position r., on oblige la soupape 105 à se fermer plus tard, au point f (fig. 21). C'est la posi- tion correspondante au retard maximum de la manivelle 147.
Lorsque le galet 135 se trouve à nouveau soulevé par la partie inclinée 156 de la came 133, le galet 134 se déplace vers le bas à la même vitesse en suivant,la pente descendante 154 de la came 132. La soupape 105 reste ainsi fermée pour s'ouvrir à nouveau lorsque la partie inclinée 151 de la came 132 soulève le galet 134.
On peut régler la position de la manivelle 147 à l'aide d'un levier séparé commandéà la main,ou bien ce levier peut être associé au dispositif contrôlant la quantité de combustible de manière à fonctionner en même temps que ce dernier. On peut également comma nder automatiquement l'arbre 147 pour faire varier l'angle de fermeture de la soupape 105 en fonction de la pression de l'air servant au balayage et à la surcompression par le compresseur.