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FERFEGTIONNENTS =9.UX MOTEURS A'C0MBUSTrON.INTERNE.
La présente invention est relative à un moteur à combustion interne du type à piston à mouvement alternatif, avec injection de carburant et allumage immédiat, moteur dans lequel la combustion est indépendante de la qualité d'allumage spontané du carburant utilisé et dans lequel tout cogne- ment est évité. L'invention vise plus particulièrement un moteur de ce type et son fonctionnement, ce moteur comportant une chambre de combustion auxi- liaire en forme de disque fournissant de l'air de compression animé d'un mou- vement de tourbillonnement rapide.
La présente invention a pour objet un procédé de fonctionnement d'un moteur à combustion interne du type à piston à mouvement alternatif comportant l'introduction d'air dans un cylindre de cermoteur et sa compres- sion dans ce dernier pendant la course de compression du piston ; ce procédé comprend les opérations simultanées suivantes : le refoulement de cet air de la chambre principale du cylindre dans une chambre de combustion auxiliai- re de façon à produire dans cette dernière une masse d'air comprimé, animée d'un mouvement tourbillonnant rapide, de 4 à 15 tours de l'air par tour du moteur ;
la limitation de l'écoulement de cet air de la chambre principale du cylindre dans une chambre de combustion auxiliaire pendant la partie in- termédiaire de la course de compression du piston, lorsque ce dernier se déplace à une vitesse linéaire plus grande, afin d'établir ainsi une pres- sion d'air plus élevée dans la chambre principale du cylindre que dans la chambre de combustion auxiliaire et d'établir la vitesse élevée du mouve- ment tourbillonnant de l'air dans cette dernière chambre au moins environ 50 avant le point mort haut de la course de compression du piston; le commence- ment de l'injection du carburant à environ 50 à 25 avant le point mort haut de,la course de compression du piston dans une partie localisée de la masse d'air comprimé, animée d'un mouvement tourbillonnant dans la chambre de com- bustion auxiliaire;
l'allumage immédiat de la première fraction de carburant injecté à moins de 90 du mouvement tourbillonnant de la partie localisée de la masse d'air à partir dudit point d'injection et sensiblement dès la for-
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mation d'un mélange combustible de vapeur de carburant et d'air, afin d'éta- blir un front de flamme se propageant dans la chambre de combustion auxiliaire en sens inverse du tourbillon d'air;
la continuation de l'injection du carbu- rant à chaque cycle, à un taux contrôle coordonné avec la vitesse du tour- billon d'air dans des parties localisées supplémentaires du tourbillon d'air comprimé., dans la chambre de combustion auxiliaire, juste en avant du front de flamme produit, de manière à former progressivement des mélanges combus- tibles supplémentaires de vapeur du carburant et d'air qui sont promptement allumés par le front de flamme et brûlent sensiblement au fur et à mesure qu'ils se forment; la continuation de l'écoulement régulier de l'air de la chambre principale du cylindre vers l'espace de combustion auxiliaire ;
enfin le main- tien de la régularité du tourbillon d'air dans cette dernière chambre pendant la période d'injection et pendant que la combustion se produit, la presque totalité de la masse d'air étant refoulée vers la chambre de combustion auxi- liaire au point mort haut de la course de compression du piston,.'
La présente invention a en outre pour objet un moteur à combus- tion interne du type à piston à mouvement alternatif comportant : un cylindre, dans lequel on. monte un piston de manière qu'il puisse y effectuer un mouvement de va-et-vient,.. en ménageant une chambre principale de cylindre;
une culasse n'ayant sensiblement de jeu mécanique avec ledit piston que dans sa position de point mort haut, ledit moteur comportant à l'intérieur de la culasse et du cylindre une chambre de combustion auxiliaire d'un volume tel par rapport au volume de déplacement du piston que l'on obtienne un taux de compression d'environ 8 : 1 à 13 :
1, le moteur comportant aussi un passage étranglé re- liant la chambre principale du cylindre à la chambre de combustion auxiliaire et entrant tangentiellement à un cercle inscrit dans cette dernière, afin de produire dans cette chambre un mouvement tourbillonnant d'air comprimé à gran- de vitesse et à raison de 4 à 15 tours de l'air par tour du moteur, l'étran- glement du passage précité étant réalisé de façon à établir dans la chambre principale du cylindre une pression d'air supérieure à celle régnant dans la chambre de combustion auxiliaire pendant la partie intermédiaire de la course de compression du piston lorsque celui-ci se déplace à une vitesse linéaire plus élevée,
et à produire la vitesse élevée du tourbillon d'air dans la cham- bre auxiliaire au moins à environ 50 avant le point mort haut de la course de compression du piston ; injecteur de carburant dont la buse est montée de façon à injecter directement dans une partie localisée du tourbillon d'air comprimé dans la chambre de combustion auxiliaire, d'un côté du diamètre de la masse d'air tourbillonnante se trouvant à l'intérieur de la chambre de com- bustion auxiliaire en question;-des organes coordonnés avec le fonctionnement du moteur pour commencer l'injection du carburant par l'injecteur en question, à environ 50 à 25 avant le point mort haut de la course de compression du piston;
des organes permettant 1?allumage immédiat de la première fraction de combustible injecté à moins de 90 du mouvement tourbillonnnant de cette partie localisée à partir du point d'injection et sensiblement dès qu'un mélange combustible de carburant vaporisé êt d'air s'est formé, afin d'é- tablir un front de flamme à travers un rayon de la masse tourbillonnante se propageant dans la chambre de combustion auxiliaire en sens inverse du tour- billon d'air ;
organes pour contrôler le taux et la durée d'injection du carburant à chaque cycle afin de continuer ainsi l'injection dans des parties localisées'supplémentaires du tourbillon d'air comprimé dans la chambre de combustion auxiliaire juste en avant du front de flamme produit, afin de for- mer progressivement des mélanges combustibles supplémentaires de vapeur de carburant et d'air, qui sont promptement allumés par le front de flamme et qui brûlent sensiblement au fur et à mesure qu'ils se forment afin de dévelop- per la puissance désirée,
la construction étant réalisée de façon à main- tenir un écoulement régulier de l'air de la chambre principale de cylindre dans la chambre de combustion auxiliaire et à conserver la régularité du tour- billonnement d'air dans la chambre auxiliaire de combustion pendant ladite période d'injection et pendant que la combustion se produit, la quasi-tota 1 i- té de l'air se trouvant refoulée dans la chambre de combustion auxiliaire au point mort haut de la course de compression du piston.
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La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la descrip- tion qui va suivre, et du dessin annexé, sur lequel
La figure 1 est une coupe verticale suivant 1-1 de la figure.2 d'un cylindre de moteur conforme à la présente invention.
La figure 2 est une vue en coupe verticale;, suivant 2-2 de la figure 1.
La figure 3 est une vue en coupe verticale, semblable à celle de la figure 1, d'une variante.
La figure 4 est une vue en coupe verticale de la chambre de com- bustion auxiliaire,suivant 4-4 de la figure 3.
La figure 5 est une vue en coupe horizontale, suivant 5-5 de la figure 6, d'une autre variante.
La figure 6 est une vue en coupe verticale, suivant 6-6 de la figure 5.
La figure 7 est un diagramme type du moteur en question représen- tant des courbes de la vitesse de l'écoulement de l'air à travers le passage étranglé, la chute de pression dans ce passage et le taux de compression du tourbillon d'air dans la chambre auxiliaire pour les différentes positions du piston exprimés en degrés de l'angle formé par la manivelle dans la course de compression du piston.
La figure ' est une vue en coupe verticale suivant 8-8 de la fi- gure 9 d'un cylindre de moteur conforme à la présente invention.
La figure 9 est une'vue en coupe horizontale suivant 9-9 de la figure 8, et
La figure 10 est une vue en coupe verticale à grande échelle de la chambre de combustion auxiliaire à tourbillonnements illustrant le type de combustion sans cognement.
Sur les figures 1 et 2, on a indiqué en 10 le cylindre de moteur avec une chemise d'eau 11, un piston 12, un axe de piston 13 et une bielle 14 reliée au vilebrequin usuel non représenté. A l'extrémité supérieure du cylindre 10, on fixe par des boulons 15, la culasse 16, en ne prévoyant qu'un jeu mécanique entre la surface inférieure 17 de la culasse et la partie supé- rieure du piston 12 lorsque ce dernier se trouve dans sa position de point mort haut représentée par la ligne en pointillés 18.
La culasse 16 comporte la chambre de compression auxiliaire cy- lindrique 20 entourée par la chemise d'eau 21. Comme représenté sur le des- sin, le diamètre de la chambre auxiliaire 20 dans le plan de la figure 1 n'est que légèrement inférieur au diamètre du cylindre 10. Toutefois, la chambre auxiliaire comporte des parois latérales 21 et 22 aplaties (figure 2) formant l'espace auxiliaire en forme de disque 23 qui est d'épaisseur relativement faible, comme il ressort clairement de la figure 2.
Alors que la construction représentée et comportant des parois latérales aplaties constitue un mode de réalisation préféré, il est bien entendu que l'on peut également réaliser ces parois latérales sous une forme convexe au concave et même sensiblement sphé- rique; il est bien entendu que l'expression " en forme de disque" telle qu'u- tilisée dans toute la description et les revendications couvre ces construc- tions et signifie l'espace délimité par une figure géométrique tournant sur son axe.
Au centre de l'espace en forme de disque 23 s'ouvre dans la paroi latérale 21 un passage d'admission d'air 24 contrôlé par une soupape d'admis-
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sion 25. Au centre de l'espace en forme de disque 23 s'ouvre dans la paroi latérale 22 un passage d'échappement 26 contrôlé par une soupape d'échap- pement 27. La chambre de combustion auxiliaire 23 est reliée à la chambre principale 28 de cylindre au-dessus du piston 12 par un passage 29 dont l'ouverture se trouve déportée par rapport à l'axe de la chambre 23, comme le montre clairement la figure 1.
Par conséquent l'air, qui se trouve compri- mé pendant la course de compression du piston 12, est refoulé de la chambre principale 28 du cylindre par le passage 29 dans la chambre de combustion auxi- liaire 23, de fagon à produire un tourbillon d'air fortement comprimé dans cette dernière chambre, dans le sens de la flèche 30. Pour des raisons décrites plus en détail par la suite, le passage 29 ne débouche,-pas tangen- tiellement au: cercle extérieur ou périphérie de la chambre auxiliaire 23, mais il débouche tangentiellement à un cercle concentrique plus petit de la chambre auxiliaire, ce cercle concentrique ayant un diamètre sensiblement plus petit que celui de l'espace auxiliaire 23.
Dans la culasse 16 du cylindre est monté un ajutage d'injection du carburant 32 traversant la paroi périphérique de la chambre auxiliaire 20, cet ajutage présentant un ou plusieurs orifices de pulvérisation dirigés de manière à faire jaillir un jet pulvérisé de carburant 33 sur l'un des côtés de la chambre auxiliaire 23 dans la direction du tourbillon d'air (figure 1).
Le jet pulvérisé présente de préférence la forme d'un cône, de manière à rem- plir sensiblement l'épaisseur de la chambre 23 en forme de disque, comme on le voit sur la figure 2. Il doit être entendu que l'ajutage de carburant 32 est relié par une canalisation d'injection convenable à une pompe à carburant d'un modèle connu, entraînée en synchronisme avec le moteur et à une vitesse égale à la moitié de celle du moteur dans le cas d'un cycle à quatre temps, cette pompe présentant des dispositifs pour commander et régler le moment du début et la durée de l'injection au cours de chaqye cycle selon la charge du moteur.
Une bougie d'allumage 35 possédant des électrodes 36 situées à la périphérie de la chambre auxiliaire est également montée dans la culasse 16 et traverse la périphérie de la chambre 20 à un point situé à moins de 90 du mouvement tourbillonnant compté à partir de la pointe ae l'ajutage 32 d'in- jection de carburant et de préférence à environ 45-30 dudit point. Il doit être entendu que la bougie d'allumage 35 est reliée à un système d'allumage d'un modèle connu présentant un distributeur entraîné en synchronisme avec le moteur, grâce à quoi une étincelle d'intensité suffisante pour l'allumage est disponible aux électrodes 36 à environ 4 à 12 d'angle de vilebrequin après le début de l'invention par l'ajutage 32.
Comme les circuits d'allumage cou- rants produisent une étincelle suffisante pour l'allumage et ayant une durée d'environ 5 à 15 ou plus d'angle de vilebrequin, le réglage de l'étincelle peut être commodément fait pour coïncider approximativement avec l'avance à l'injection et une étincelle suffisante pour l'allumage sera alors disponible au moment où la première fraction de carburant injecté en pluie par l'ajutage 32 sous forme d'un mélange combustible entre en contact avec les électrodes 36.
Quoiqu'une bougie à étincelle ait été choisie comme mode de réalisation pré- féré, il doit être entendu que d'autres moyens d'allumage tels qu'une bougie incandescente insérée dans un circuit électrique de manière que de l'énergie électrique extérieure lui soit fournie, peuvent également être utilisées.
Comme représenté sur les figures 1 et 2, le passage 29 est rétréci ou étran- glé par rapport au diamètre de la chambre auxiliaire 23. Ce rétrécissement de la surface transversale est tel qu'il produise un excès de pression qui peut s'élever jusqu'à 1,75 à 3,51 kg/cm2 dans la chambre principale 28 du cy- lindre au-dessus de celle qui existe dans la chambre auxiliaire 23 au moment où commence l'injection de carburant, moment qui se situe à environ 50 à 25 avant le point mort haut. Cet excès de pression dans la chambre 28 main- tient ainsi l'écoulement d'air dirigé depuis la chambre 28 à travers le passa- ge 29 dans l'intérieur de la chambre 23 au moment du début de l'injection et de la combustion dans la chambre 23.
Etant donné que l'élévation de pression due à la combustion dans la chambre 23 est relativement lente pendant la pre=
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mière partie de la période d'injection ou jusqu'à environ 20 à 15 avant le point mort haut de la course de compression du piston 12; on se rendra compte que l'excès de pression dans la chambre principale 28 du cylindre par rapport à celle qui existe dans la chambre auxiliaire 23 est ainsi maintenu pendant cette période initiale.
Lorsque le piston 12 est-parvenu à environ 20 avant le point mort haut, le volume restant, dû au jeu dans la chambre 28, est alors une petite fraction de la'cylindrée totale engendrée par le piston au cours de sa course de compression, par exemple de 1/35 environ de celle-ci. Avec un taux de compression de 10:1 qui exige qu'il y ait un volume d'environ 1/9 du volume engendré par le déplacement du piston dans la chambre auxiliaire 23, cela signifie que, à 20 avant le point mort haut, au moins environ 75% de la masse d'air a été refoulée dans la chambre auxiliaire 23, où il se trouve entraîné dans un mouvement de rotation à grande vitesse et a acquis ainsi une importante force vive.
Même si l'élévation de'pression dans la chambre 23 par l'effet de la combustion s'établit très rapidement entre 20 avant le point mort haut et ce point mort haut lui-même, de manière à surpasser rapi- dement la pression qui existe alors dans la chambre principale 28 du cylin- dre, cette invers'on des pressions relatives qui existent dans les chambres 23 et 28 a peu d'effet sur le tourbillon d'air comprimé dans la chambre 23 à cette dernière période de la course de compression.
C'est parce que le volume résiduel provenant du jeu dans,la chambre 28 à cet instant est si petit et que la fraction de temps est si cour- te que le seul trouble de fonctionnement possible se produit dans le passage 29 et à la périphérie de la masse d'air tourbillonnante immédiatement voisine de l'entrée du passage.
La force vive de la masse d'air entraînée dans un mouvement de rotation dans la chambre 23 l'emporte effectivement sur la perturbation loca- lisée à l'entrée du passage et maintient ainsi la régularité du tourbillon d'air comprimé- Finalement, le mouvement du piston 12 jusqu'au point mort haut,avec seulement un jeu mécanique depuis la culasse 16, empêche effecti- vement tout écoulement en retour appréciable depuis la chambre auxiliaire 23 par le passage 29 dans l'intérieur de la chambre principale du cylindre jus- qu'à ce que le piston ait passé par le point mort haut.
A cet instant, l'in- jection se trouve terminée dans la chambre auxiliaire 23, même dans le cas d'un fonctionnement à pleine charge, et il en résulte que le tourbillon d'air comprimé maintenu a assuré la carburation de l'air comprimé dans le rapport désiré air-carburant pendant toute la durée de l'injection.
Quand l'injection commence au cours de chaque cycle, l'allumage électrique sensiblement immédiat de la première fraction de carburant injecté amorce la combustion et un¯ front de flamme s'établit dans la chambre auxiliai- re 23, front de flamme qui s'étend d'une manière générale à travers un côté de la chambre de combustion en forme de disque, entre la bougie d'allumage et l'axe du cylindre Ce front de flamme se déplace à grande vitesse dans le sens opposé au sens du tourbillon d'air. Normalement, la vitesse de pro- pagation de là flamme a tendance à dépasser la vitesse du tourbillon d'air, mais la vitesse de la flamme est retardée par le tourbillon d'air et éga- lement par la rencontre d'un mélange extrêmement riche à mesure qu'il tend à s'approcher de plus près de la pointe de l'ajutage.
Le résultat pratique est alors de maintenir le front de flamme dans une position relativement fixe par rapport à la paroi du cylindre, à la bougie et à l'ajutage, bien que le front de flamme se déplace à une vitesse élevée par rapport au tourbillon d.'air.
Etant donné qu'il n'y a sensiblement pas de brouillage avec le tourbillon ré- gulier dans la chambre auxiliaire 23 pendant cette période d'injection et de combustion et que les additions successives d'air tourbillonnant comprimé sont carburées dans un rapport désiré air-carburant immédiatement, en avant de ce front de flamme pendant Inachèvement de la période d'injection, l'effet du front de flamme établi en cours de déplacement qui donne lieu à une combus-
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tion exempte de cognement se trouve maintenu jusqu'après l'achèvement de l'in- jection au cours de chaque cycle et que le piston ait dépassé la position de point mort haut.
Le piston est alors entraîné dans sa course motrice, la sou- pape d'échappement 27 s'ouvre et l'échappement s'effectue au cours de la cour- se de retour du piston; la soupape d'échappement se ferme et la soupape d'ad- mission s'ouvre au cours de la course d'aspiration afin de remplir le cylindre avec une charge d'air frais et le cycle à quatre temps se répète alors.
La description particulière qui va suivre est donnée à titre d'exemple non limitatif de mise en oeuvre de.'la présente invention. La chambre principale du cylindre 28 présente un diamètre de 82 mm 5 et le pis- ton 12 a une course de 114 mm 3 donnant une cylindrée de 614 cm3. La chambre de combustion auxiliaire 23 présente un diamètre de 76 mm 19 et'une épaisseur de 12 mm 70, donnant un volume de 58 cm3.
Etant donné que le piston 12 présen- tait seulement un jeu mécanique à partir de la culasse 16, on a obtenu les données suivantes dans le cas d'un espace nuisible au-dessus du piston exprimé en centimètres cubes dans la chambre principale 28 du cylindre pour les posi- tions données du piston en degrés angulaires de manivelle avant et après le point mort haut, ainsi que les pressions qui existent dans la chambre prin- cipale 28 de cylindre au-dessus des pressions qui existent au même instant dans le cycle du moteur dans le cas d'une marche normale, c'est-à-dire sans allumage, pour deux rapports différents combustible-air avec une avance à l'in- jection de 50 .
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Les demandes précédentes montrent que lorsqu'on fait fonctionner le moteur suivant le principe de la combustion sans cognement comme décrit antérieurement, en utilisant sensiblement l'avance maximum à l'injection de 50 avant le point mort haut, la pression due à la fois au déplacement du piston et à la combustion à 20 avant le point mort haut est supérieure de 2,8.kg/cm2 seulement à la pression du moteur en marche normale, cette dernière pression
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étant due à la compression entraînée par le déplacement du piston seul.
Cela est vrai dans le cas à la fois d'un rapport en poids carburant-air de 4/100 et d'un rapport en poids carburant-air de 8/100,ce qui comprend la plus grande partie de la gamme des rapports utilisés normalement. Cela prouve que l'élévation de pression due à la combustion pendant les premiers 30 de la période d'injection apparaît à une allure relativement basse;
et qu'un excès de pression de 2,8 kg/cm2 dans la chambre principale 28 de cylindre au-dessus de celle qui existe dans la chambre auxiliaire 23, lorsque le moteur tourne normalement, entraîne une contre-pression dans la chambre principale 28 du cylindre jusqu9à ce que le piston se soit déplacé au delà de 20 avant le point mort haut au cours de sa course de compression lorsque le moteur fonctionne avec lallumage. Lorsque le piston se trouve à 20 du point mort haut, l'es- pace nuisible au-dessus du piston de la chambre 28 est alors seulement de 18 cm3, le volume de la chambre auxiliaire 23 étant seulement de 58 cm3. Cela signifie que le piston a refoulé la totalité, sauf environ 23,
8 % de la masse d'air dans la chambre auxiliaire 23 à 20 avant le point mort haut. Par con- tre, à 40 avant le point mort haut ou à 40 après le point mort haut, l'es- pace -nuisible au-dessus du piston dans la chambre 28 est de 85,4 cm3 volume supérieur au volume de la chambre auxiliaire. Ce dernier volume représente une proportion suffisante de la masse d'air totale pour queune surpression dans la chambre auxiliaire 23, surpression due à la combustion et supérieure à la pression qui existe dans la chambre principale du cylindre 28, refoule les gaz en arrière à travers le passage 29,ce qui est de nature à contrarier le tourbillon d'air comprimé et Inaction du front de flamme désirée dans la chambre auxiliaire 23.
En maintenant la pression dans la chambre principale 28 à une valeur supérieure à celle qui existe dans la chambre auxiliaire 23 pendant cette période critique, ce brouillage est efficacement évité.
Entre 20 avant le point mort haut et 10 avant le point mort haut, la pression due à la combustion s'élève très rapidement comme le mon- tre le tableau, surpassant de 16, 52 kg/cm2 la pression d'un moteur fonction- nant normalement pour un rapport carburant-air,égal à 4/100 et surpassant de 22,14 kg/cm2 celle d'un moteur fonctionnant normalement avec un rapport car- burant-air égal à 8/100 à 10 avant le point mort haut. Toutefois, pendant cette période, 1-'espace nuisible au-dessus du piston dans la chambre 28 est assez petit si on le compare au volume de la chambre auxiliaire et varie de 18 cm3 à 20 avant le point mort haut jusqu'à 3,28 cm3 pour 10 avant le point mort haut. Ce dernier espace nuisible n'est sensiblement pas supérieur à celui qui existe dans le passage 29.
Pour cette raison, la surpression dans la chambre auxiliaire 23 due à la combustion pendant cette période peut donner naissance tout au plus à une turbulence dans le passage 29 et à la périphérie extérieure du tourbillon d'air immédiatement opposé au passage 29. La force vive de l'air tourbillonnant rapidement dans la chambre 23 pendant cette pé- riode est suffisante pour l'emporter largement sur l'effet de cette turbulen- ce et le tourbillon d'air régulier se maintient.
Le mouvement final du piston vers le point; mort haut avec, seu- lement, le jeu mécanique à partir de la culasse du cylindre, empêche alors efficacement tout écoulement en retour, tandis que l'élévation de la pres- sion de pointe produite par la combustion est atteinte pour le cycle Otto ty- pe, ceci se produisant à environ 5 après le point mort haut, comme on le voit sur le tableau.
Les données qui précèdent montrent clairement qu'un tracé du pas- sage 29 produisant une surpression susceptible d'être atteinte rapidement dans la chambre principale 28 du cylindre par rapport à la pression qui règne dans la chambre auxiliaire 23 suffit pour maintenir le tourbillon d'air comprimé et la combustion du front de flamme désirée dans l'espace auxiliaire 23 pen- dant toute la durée de la période critique tant qu'il subsiste dans la chambre 28 un espace nuisible suffisant pour empêcher un écoulement en sens inverse.
Grâce à cela, il n'y a pas de difficulté pour maintenir le tourbillon d'air régulier et la combustion du front de flamme puisque l'espace nuisible dans
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la chambre 28 est alors trop petit et la force vive du tourbillon d'air suf- fisamment grande. la période critique, du fonctionnement, période pendant laquelle la pression dans la chambre principale 28 devrait être supérieure ou au moins égale à la pression dans la chambre auxiliaire 23, se place ainsi entre l'instant du début de l'injection et aux environs de 25 à 20 avant le point mort haut.
La surface transversale maximum pratique du passage 29 pour l'exem- ple particulier précité est d'environ 0,84 cm2. Ce maximum est limité par la réduction nécessaire pour produire une surpression dans la chambre princi- pale 28 dépassant la pression qui existe dans la chambre auxiliaire 23 d'en- viron 1,75 kg/cm2. la section transversale minimum du passage 29 pour éviter des pertes par pompage excessives est d'environ 0,58 cm2. Cela donne un ré- trécissement notable du passage 29 capable de créer une surpression dans la chambre principale 28 de cylindre dépassant la pression qui existe dans la chambre auxiliaire 23 d'environ 3,5 kg/cm2. La gamme des dimensions du passa- ge nécessaire pour faire naître cette gamme de surpressions fait surgir une autre difficulté, qui est la rapidité désirée du tourbillon d'air.
Dans l'exem- ple particulier précité, où le passage pénètre suivant une tangente au cercle extérieur ou périphérique de la chambre auxiliaire 23, la rapidité théorique du tourbillon d'air,en supposant un rendement tourbillonnaire de 100%, s'é- tablit par le calcul à 22 tours par tour de moteur quand on utilise la section maximum du passage de 0,84 cm2 et à 32 tours par tour du moteur quand on uti- lise la surface minimum de passage de 0,58 cm2. En fait, le frottement et l'inertie sont susceptibles de réduire le rendement du tourbillon au point de l'abaisser jusqu'à environ 75 %; cela donne une gamme réelle de rapidité du tourbillon d'air s'étendant de 16,5 à 24 tours par tour de moteur.
Ces valeurs se placent au-dessus de la gamme désirée étant donné que ces vitesses de tourbillon plus élevées exigent une vitesse d'injection si rapide qu'il s'ensuit un fonctionnement brutal du moteur. La vitesse du tourbillon est main- tenue entre des limites d'environ 4 à 15 rotations par tour de moteur, de pré- férence vers 8 à 12 rotations, exigeant une durée d'injection à pleine charge d'environ 45 à 30 angulaires de manivelle.
A la suite d'essais réels effectués sur les vitesses de tour- billon avec une chambre auxiliaire en forme de disque comme représentés sur les figures 1 et 2, on a reconnu que l'équation suivante est applicable :
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où S est la vitesse de tourbillon désirée, Smax est la vitesse de tourbillon maximum atteinte lorsque l'on dispose le passage tangentiellement au cercle extérieur ou périphérie de la chambre auxiliaire, d est le diamètre de la chambre auxiliaire et d' est le diamètre d'une circonférence concentrique à l'intérieur de la chambre auxiliaire à laquelle est tangent l'axe du passage.
Aussi,l'entrée du passage étant décalée par rapport à la chambre auxiliaire de manière que l'axe du passage soit tangent à un cercle concentrique de diamètre d' satisfaisant à là-relation nécessaire avec le diamètre d de la chambre auxiliaire pour ramener Smax à S, on obtient la vitesse de tourbillonnement plus faible désirée tout en conservant le caractère de surpression décrit plus haut. Par exemple et dans un cas extrême avec la section transversale minimum du passage de 0,58 cm2 en vue d'obtenir une vitesse de tourbillonnement de 8 rotations par tour de moteur, 1-'axe du passage est rendu tangent à un cercle inscrit de la chambre auxiliaire présentant un diamètre égal aux 8/24 de 76,2 mm, c'est-à-dire de 25,4 mm (en supposant un rendement tourbillonnaire de 75%).
Le rendement tourbillonnaire réel peut être rapidement déterminé par des méthodes connues pour toute disposition ou construction particulière de moteur et la mise en place du passage pour l'obtention de la vitesse de tourbillon désirée peut être alors déterminée de la manière ci-dessus.
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Les calculs pour l'étude du présent moteur sont basés sur les équations suivantes, qui ont été développées en vue de résoudre les problèmes entièrement nouveaux exposés ici Inéquation (1) ci-dessous a été obtenue comme approximation en supposant que, pendant la course de compression du piston, la densité de l'air dans la chambre principale de cylindre reste la même que la densité de l'air dans la chambre auxiliaire de combustion; dans ces conditions g
EMI9.1
où U est la vitesse du courant d'air à travers le passage,
S est'la vitesse moyenne du pistoh,
Ap est la surface du piston..
At est la surface du passage,
Q est 1?angle du vilebrequin à partir du point mort bas et
R est le taux de compression.
En se reportant à la figure 7, la courbe A a été tracée pour l'exemple par- ticulier précité pour le moteur représenté sur les figures 1 et 2 avec un taux de compression de 10 : 1. Cela montre que la vitesse de l'écoulement d'air à travers le passage lorsque le moteur est en marche normale monte rapidement jusque à environ 35 avant le point mort haut et ensuite baisse rapidement.
En utilisant les valeurs de la vitesse de l'air ainsi obtenues, on peut alors calculer la chute de pression à travers le passage pour toute position angulaire de la manivelle à partir de l'équation (4) ci-dessous.
Celle-ci est obtenue en utilisant la formule (2) p = 1/2xU2 où p est la chute de pression à travers le passage,, x est la densité de l'air, et
U est la vitesse de l'air.
En remplaçant dans Inéquation (2) la valeur de U tirée de l'équa- tion (1) et en ramenant la densité aux conditions normales à l'aide de la for- mule
EMI9.2
où M est la masse d'air,
D est le déplacement du piston,
V est le volume de la chambre auxiliaire, et i est la densité dans les conditions initiales, ou bien au point mort bas on obtient l'équation suivante :
EMI9.3
En se reportant de nouveau à la figure 7, on voit que les valeurs de la chute de pression à travers le passage pour cet exemple particulier sont tracées pour les différentes positions angulaires de la manivelle suivant la courbe B.
Cela montre que la chute de pression à travers le passage qui re- présente la surpression dans la chambre principale de cylindre par rapport à la pression qui existe dans la chambre auxiliaire lorsque le moteur fonction- ne normalement est assez faible tant que le piston n'a pas dépassé 90 avant le point mort hauts commence à croître assez rapidement vers 60 avant le point mort hauts atteint une valeur élevée intéressante vers 50 avant le point mort haut et présente un maximum à environ 25 avant le point mort haut,pour tomber
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ensuite très rapidement. Mais les valeurs sont toutes élevées pendant la période critique qui s'étend depuis le début de l'injection jusqu'à au moins 20 avant le point mort haut.
Il s'ensuit qu'en donnant au passage la section transversale nécessaire pour produire une surpression maximum (chute de pression à travers le passage) d'environ 1,75 à 3,50 kg/cm2, il est bien évident que la surpression nécessaire se trouve maintenue pendant la période critique.
La vitesse du tourbillon dans la chambre auxiliaire pour les différentes positions angulaires de la manivelle se calcule d'après l'équation suivante
EMI10.1
où Se est le nombre de rotations de l'air dans la chambre auxiliaire par tour de moteur, et les autres symboles ont la même signification que ci-dessus.
En se reportant à nouveau à la figure 7, on voit que la vitesse de tourbillon dans la chambre auxiliaire pour les différentes positions angu- laires de la manivelle dans cet exemple particulier se trouve tracés suivant la courbe C, d'après l'équation (5). On remarquera que la vitesse de tourbil- lon du moteur lorsqu'il tourne normalement augmente lentement jusqu'à un maxi- mum situé vers 15 avant le point mort haut et ensuite diminue seulement lé- gèrement autour du point mort haut. Vers 50 avant le point mort haut, la vitesse du tourbillon atteint environ les 2/3 de son maximum, et, pendant toute la période d'injection, la vitesse du tourbillon possède une valeur élevée.
Il doit être entendu que l'accroissement de la vitesse du tourbillon aussi bien que l'accroissement de la densité pondérale de 1'airs pendant la'pério- de d'injection, peuvent être compensé par un accroissement de la vitesse d'in- jection du carburant pendant chaque cycle, de manière à charger de carburant les injections successives d'air dans un rapport déterminé carburant-air.
Bien que la courbe précédente de la vitesse de tourbillonnement ait été tracée en supposant un rendement tourbillonnaire de 100% et que le passage est tangent à la périphérie de la chambre auxiliaire, elle permet d'é- valuer d'une façon très approchée les vitesses de tourbillonnement réelles en calculant les rendements réels de tourbillonnement et en y appliquant une cor- rection correspondante à et également une correction pour le décalage de l'axe du passage, à partir de la tangente à la chambre auxiliaire, comme on l'a dé- crit ci-dessus.
En outre, lorsque l'on parle de vitesses de tourbillonnement, il y a lieu de noter que c'est la vitesse moyenne de tourbillon pendant la période d'injection qui est importante, et c'est à cette valeur moyenne que l'on se rapporte, sauf indications contraires mentionnées dans le texte.
Dans les exemples précédents qui reposent sur les calculs et les courbes étudiées ci-dessus, il y a lieu de noter que les valeurs données s'appliquent seulement pour un taux de compression de 10 :1 et une vitesse de moteur de 1800 tours/minute. Mais les calculs pour un projet peuvent être effectués de manière semblable pour d'autres taux de compression et d'autres vitesses de moteur. Dans le cas d'un moteur à vitesse variable, le problème est quelque peu plus compliqué, vu que la chute de pression à travers le pas- sage varie comme le carré de la vitesse du piston.
Pour cette raison, la vi- tesse de régime du piston est ordinairement choisie pour les calculs.de pro- jets comme représentant une valeur moyen-ne d'utilisation maximum..Le présent moteur est ordinairement établi comme un moteur à vitesse lente ou moyenne, par exemple un moteur présentant une vitesse de régime d'environ 1800 tours/
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minute avec une vitesse supérieure maximum d'environ 2400 tours/minute. En outrele fonctionnement au ralenti ouà vitesse lente a lieu lorsque le moteur fonc- tionne à environ un minimum de 1200 tours/minute.
Dans l'exemple particulier précité, il y a lieu de noter que la. gamme de surfaces de passage nécessaire pour produire, une surpression de 1,75 à 3,50 kg/cm2.dans la chambre principale de cylindre au-dessus de celle qui existe dans la chambre auxiliaire, est fournie par un passage de section transversale circulaire présentant un diamètre variant entre la,41 mm et 8,63mm.
En général, la surface de passage variera selon l'équation (4) ci-dessus pour maintenir la chute de pression maximum à travers le passage à la valeur néces- saire.
Il doit être entendu que le passage n'a pas besoin d'être circu- laire transversalement mais peut être elliptiquele grand axe s'étendant gé- néralement à travers l'épaisseur de la chambre auxiliaire dans le plan de la figure 2.
L'axe central du passage sera ordinairement tangent à un cercle concentrique de la chambre auxiliaire présentant un diamètre variant de 1/2 aux 3/4 environ de diamètre de la chambre auxiliaire.
Les figures 3 et 4 donnent à titre d'exemple une variante de mise en oeuvre de la présente invention qui s'applique au cycle à deux temps. Dans ce cas, le cylindre principal 40 est percé d'une série circulaire d'orifices d'admission d'air 41 situés quelque peu au-dessus de la partie supérieure du piston 42 au moment où ce dernier est au point mort bas.
La chambre auxiliai- re de combustion 44 est montée verticalement sur le côté du cylindre 40 et est reliée à la chambre principale de cylindre 45 par un passage 46 s'étendant horizontalement et s'ouvrant tangentiellement à un cercle inscrit dans la cham- bre de combustion auxiliaire 47. La chambre 44 présente sur ses parois laté- rales opposées de passages d'échappement 48 et 49 réglés par deux soupapes d'échappement jumelées 50 et 51, respectivement. La chambre 44 porte un aju- tage d'injection de carburant 52 et une bougie d'allumage 53 situés dans le rapport général déjà décrit ci-dessus à propos des figures 1 et 2.
Dans ce cas, la chambre auxiliaire 47 est d'épaisseur quelque peu accrue, donnant un moteur présentant un taux de compression inférieur de l'ordre d'environ 8 : 1.
Le passage 46 présente une section transversale circulaire et est d'une dimen- sion intermédiaire dans les limites étudées ci-dessus.
Au cours du fonctionnement de ce moteuren supposant que le pis- ton 42 est en train de descendre au cours d'une course motrice$ les deux sou- papes d'échappement 50 et 51 s'ouvrent simultanément à environ 40 avant le point mort bas. Le piston 42 découvre alors les orifices d'admission d'air 41 à environ 25 avant le point mort bas, donnant passage à un écoulement d'air vers le haut à travers le cylindre principal 45., écoulement qui entraîne les produits de combustion en tête de la colonne d'air dans un mouvement de cir- culation uniforme à travers le passage 46, la chambre auxiliaire 47et de là au dehors à travers les passages d'échappement 48 et 49 en assurant un balayage efficace.
Les soupapes d'échappement se ferment simultanément à environ 15 après le point mort bas., et le mouvement du piston se poursuivant au cours de sa course de compression recouvre les orifices d'admission d'air 41 à 25 après le point mort bas. Le piston continue ensuite sa course de compression, donnant naissance à un tourbillon d'air comprimé animé d'une grande vitesse dans la chambre auxiliaire 47, de l'ordre d'environ 10 rotations par tour de moteur, en même temps qu'une surpression d'environ 2,81 kg/cm2 dans la chambre principale de cylindre 45 au delà. de la pression qui existe dans .la chambre auxiliaire 47 au moment du début de l'injection à environ 45 avant le,point mort haut.
L'allumage' par étincelle se produit immédiatement en même temps que la combustion du front de flamme dans la chambre auxiliaire 47, comme dé- crit antérieurement.Ç l'injection se terminant à environ 9 avant le'point mort haut dans le cas d'un fonctionnement à pleine charge. Le mouvement final du piston 42 vers la position de point mort haut indiquée en 55 oit il présente
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seulement un jeu mécanique avec la culasse 56 produit un effet de "giclage" sur la partie finale de l'air comprimé, effet qui augmente la turbulence et permet un achèvement plus rapide de toute combustion secondaire dans la chambre auxiliaire 47 peu après le point mort haut. Le piston est entraînée en conséquence Vers sa course motrice et le cycle se répète.
Les figures 5 et 6 illustrent à titre d'exemple une autre varian- te de mise en oeuvre de la présente invention qui s'applique également pour le cycle à deux temps. Dans ce cas, le cylindre 60 comporte une série cir- culaire d'orifices d'échappement 61 disposés quelque peu au dessus de la par- tie supérieure du piston 62 lorsque ce dernier se trouve au point mort bas.
Une chambre auxiliaire de combustion 64 présentant la forme d'un disque hori- zontal est montée sur le côté du cylindre 60, cette chambre comportant dans ses parois latérales opposées des passages d'admission d'air 65 et 66 comman- dés par deux soupapes d'admission jumelées 67 et 68, respectivement d'admis- s'on. L'espace de combustion auxiliaire en forme de disque 69 est réuni avec la chambre principale du cylindre 70 par un passage horizontal 71 présentant sensiblement une surface transversale maximum dans les limites précisées ci- dessus et souvent tangentiellement à un cercle inscrit dans l'espace auxiliai- re 69.
La chambre auxiliaire 64 porte à sa périphérie un ajutage d'injection de carburant 72 et une bougie d'allumage 73 dans le rapport de position anté- rieurement décrit.
Au cours du fonctionnement de ce moteur en supposant que le pis- ton 62 soit en train de descendre dans sa course motrice, les orifices d'échap- pement 61 sont découverts environ 30 avant le point mort bas. Les soupapes d'admission jumelées 67 et 68 s'ouvrent alors simultanément environ 20 avant le point mort bas, donnant naissance à un courant de circulation dans un seul sens et entraînant les produits de combustion en avant de la colonne d'air depuis l'espace auxiliaire 69 à travers le passage 71 et, de là, vers le bas à travers la chambre principale de cylindre 70 vers les orifices d'échappement 61.
Le mouvement de montée du piston dans sa course de compression ferme les orifices d'échappement à 30 après le point mort bas et les soupapes d'admis- sion se ferment alors environ 40 après le point mort bas.
Le piston 62 poursuit sa course de compression, donnant naissan- ce à un tourillon d'air comprimé dans l'espace auxiliaire de combustion 69 de l'ordre d'environ huit révolutions par tour de moteur et à une surpression, à l'intérieur de la chambre principale du cylindre 70, au-dessus de la pression qui existe dans l'espace auxiliaire 69 d'environ 1,75 kg/cm2 au début de l'in- jection de carburant qui se produit environ 50 avant le point'mort haut. L'al- lumage par étincelle survient immédiatement en même temps que la combustion caractéristique par front de flamme sans cognement, avec une durée d'injection d'environ 45 pour un fonctionnement à pleine charge.
L'effet de "giclage" décrit précédemment est obtenu à nouveau au moment où. le piston se déplace vers sa position de point mort haut indiquée en 75 avec seulement un jeu mé- canique le séparant de la culasse 76. Le piston est alors entraîné dans sa , course motrice et le cycle se répète.
Sur les figures 8 à 10, on a représenté un cylindre de moteur en 110 avec un piston animé d'un mouvement alternatif 111, un axe de piston 112 et une bielle 113 tournant sur le vilebrequin habituel (non représenté).
Une culasse 115 est fixée à l'extrémité supérieure du cylindre 110, culasse dont la surface inférieure 116 présente seulement un jeu mécanique avec la tête de piston 111 au moment où ce dernier se trouve à la position supérieu- re de point mort représentée sur la figure 10.
Une pièce moulée 118 présentant une chambre auxiliaire cylindri- que de combustion 119 est montée sur la culasse 115 et son diamètre est quel- que peu inférieur au diamètre de la chambre principale de cylindre 120 du - cylindre 110. Dans le mode de construction représenté, la pièce moulée 118 est établie avec une extrémité aplatie venue de fonderie pour la chambre auxi-
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liaire de combustion 119 et 1?extrémité opposée est fermée par un couvercle non représentée amovible, ce qui ménage une chambre 119 ayant la forme d'un disque relativement mince et dont l'épaisseur entre les parois latérales oppo- sées aplatiesest très notablement inférieure au diamètre de celle-ci.
Quoi- que le mode de construction représenté avec des parois latérales aplaties constitue un mode préféré de réalisation de la présente invention, il doit être entendu que ces parois latérales peuvent également être convexes ou con- caves ou même- voisines d9une forme sphérique; 1-'expression "en forme de dis-
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que" qui est ui-isée au cours de la description doit être entendue comme seé- tendant à ces constructions et comme désignant le volume délimité par un con- tour géométrique tournant autour de son axe.
La chambre auxiliaire de combus- tion 119 est reliée à la chambre principale 120 de cylindre par un passage de transfert 121 présentant une section transversale, relativement petite dont l'axe 122 est tangent en un point 123 à un cercle inscrit dans l'espace
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119.
En conséquencet au cours de la course de compression du piston Ille l'air qui est en train d9être comprimé dans la chambre principale 12 0 de cylindre est refoulé à travers le passage 121 dans lE' intérieur de la chambre auxiliaire de combustion 119, de manière à provoquer un tourbillon d'air fortement com-
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primé dans cette dernière, dans le sens de la flèche 124 (figure 10 I,e ,e la dsintreauxtiaire de combustion .1g9 y compris le passage 1212) se trouve dans un rapport avec;le volume engendré par le déplacement du piston dans la cham- bre principale 120 de cylindre tel qu'il donne le taux désiré de compression du moteur. Celui-ci est de préférence d'au moins 8 : 1 et généralement com- pris entre 9 : 1 et 13 : 1 environ.
Bien que 13 on puisse utiliser des taux de compression encore plus élevés, ceux-ci exigent la construction massive et lourde caractéristique des moteurs Diesel, et les taux de compression
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ci-dessus permettent 19u+îlisation de la construction essentiellement plus légère des moteurs fonctionnant suivant le cycle dOtto lorsque 1?on utilise les matériaux de construction perfectionnés qu'on peut se procurer actuellement.
la section transversale du passage 121 est établie en accord avec la situation excentrée ou tangente au cercle inscrit de la chambre de combustion auxiliaire 119 pour donner une vitesse de taux de tourbillonnement comprimé à 19 intérieur de la chambre 119 qui est d9environ 4- à 12 tours par tour de moteur et de préférence d'environ 8 à 9 tours par tour de moteur.
Le cylindre 110, la culasse 115 et la pièce moulée 118 comportent des passages pour la circulation de Peau de refroidissement 126, 127 et 128 respectivement. De même,la plaque de fermeture amovible aplatie pour la chambre 119 peut également présenter des passages pour la circulation de l'eau de refroidissement. Comme représentée la culasse 115 présente une ouverture circulaire qui regoit l'extrémité inférieure cylindrique 129 du passage 121.
Comme représenté sur les figures 8 et 9, le cylindre 110 présente
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deux séries opposées d'orifices d?admission d9air 130 et 131 respectivement> ménagés dans sa paroijuste au='dessus du piston 111 lorsque ce dernier se trouve au bas de sa course motrice comme représenté sur la figure 8. Les orifices 130 et 131 communiquent avec les tuyauteries d'admission d'air 132
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et 133 rexpeativemént, tes dernières conduisant à une source commune dalimen- tation en air sous pression ou en provenance d9un surecmpresseur.
Comme repré- sentée chaque série opposée d90rifices d9admission d9air qui sont représentés au nombre de trois sont inclinés, leurs axes se coupant en un point de conver- gence 135 situé à la partie inférieure de la chambre principale de cylindre 120, sur 1-'un des côtés du plan vertical diamétral 136 de celle-ci. La paroi du cylindre 110, entre-les deux séries d'orifices d'admission d'air sur ce côté du plan vertical diamétral}, ne présente pas de perforations comme on
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le voit en 137.
Les orifices à9aàmission dair 130 et 131 sont situés prin- cipalement sur ce côté du plan vertical diamétral 136 et le point de conver- gence 135 est, de préférence au moins à environ mi-chemin entre le centre 'de la chambre principale 120 de cylindre et la périphérie de celle-ci et vis- à-vis du centre de la paroi sans perforation 137. Le c lindre 110 présente
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aussi une série d.9orifices d'échappement 138 ménagée a travers la paroi de celui-ci au-dessus du bas du piston 111 et sur le côté opposé de ce plan dia- métral vertical 136 entre les deux séries dorifices d'entrée dair 130 et
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131.
Les orifices d'échappement 138 s'ouvrent dans une tuyauterie d'échappe- ment 139 qui est reliée aux tuyaux d'échappement et au pot d'échappement ha- bituels qui ne sont pas représentés.
Comme on le voit sur la figure 8, les orifices d'échappement 138 s'étendant vers le haut dans la paroi du cylindre au delà des orifices d'ad- mission d'air 130 et 131, de sorte que les orifices d'échappement s'ouvrent d'abord au cours de la dernière partie de la course motrice du piston 111 pour réduire la pression dans la chambre principale 120 de cylindre.
La continua- tion du mouvement vers le bas du piston 111 pendant sa course motrice découvre alors les deux séries opposées d'orifices d'admission d'air 130 et 131 et il en résulte que des courants opposés d'air entrant dans la partie inférieure de la chambre principale cylindrique 120 se rencontrentau point de convergence 135 et sont, par suite, déviés vers le haut sur 1-'un des côtés du plan verti- cal diamétral 136, comme le montrent les flèches 140 (figure 8).
'Cet air de balayage est alors dévié à travers l'extrémité supérieure de la chambre prin- cipale 120 de cylindre par la culasse 115 et de là vers le bas le long du cô- té opposé du plan diamétral vertical 136, comme l'indiquent les flèches 141, pour balayer les produits de combustion hors de la chambre principale 120 de cylindre., au moyen des orifices d'échappement 138. De cette manière, le ba- layage de la chambre principale 120 de cylindre est effectué sans intervention du passage 121; le volume de l'air de balayage introduit au cours de chaque cycle peut être réglé indépendamment de la chambre de combustion auxiliaire 119 pour fournir le rapport de balayage préféré d'au moins 1: 1 et généralement d'une valeur comprise entre 1,2 : 1 et 16 : 1 environ.
En outre., le contrô- le de l'échappement et de l'introduction d'air au cours de chaque cycle est entièrement effectué par des orifices réglés par piston, ce qui rend inutile l'utilisation d'un arbre à cames et d'un mécanisme pour actionner des soupapes placées en tête.
Un ajutage d'injection de carburant 144 est monté dans la pièce moulée 118 et s'étend à travers la paroi périphérique de la chambre auxiliaire 119, ajutage qui présente un ou des orifices de pulvérisation dirigés de ma- nière à faire jaillir un jet pulvérisé de carburant 145 (figure 10) d'un côté d'un diamètre 146 de la chambre 119 en forme de disque et dans la direction du tourbillon d'air. Le jet pulvérisé est,, de préférence.. en forme de cône.* de manière à remplir sensiblement l'épaisseur de la chambre 119 en forme de disque et le jet pulvérisé 145 est dirigé plus vers la périphérie de la cham- bre cylindrique que vers le centre de celle-ci, comme le montre clairement la figure 10.
Il doit être entendu que l'ajutage de carburant 144 est relié en 147 à une canalisation d'injection convenable qui conduit vers une pompe à carburant d'un modèle courante entraînée en synchronisme avec le moteur et à la vitesse de celui-ci s'il s'agit d'un cycle à deux temps. Cette pompe présente des dispositifs pour commander et régler l'instant du début de l'injection et la durée d'injection au cours de chaque cycle selon la charge du moteur.
L'ajutage 144 pénètre de préférence dans la périphérie de la chambre 119 en forme de disque sous un angle d'environ 145 à 220 par rapport au mouvement tourbillonnant en provenance de l'entrée du passage 121; comme représenté sur la figure 10, l'ajutage 144 est sensiblement diamétralement op- posé à l'entrée du passage 121.
Une bougie d'allumage 149 est également montée dans la pièce mou- lée 118 et s'étend à travers la périphérie de la chambre 119 en un point à moins de 90 par rapport au déplacement tourbillonnant en provenance de la pointe de l'ajutage d'injection de carburant 144 et, de préférencey à une va- leur de 40 à 70 de celle-ci.
Cette bougie d'allumage est reliée par un con- ducteur 150 à un système d'allumage de modèle courant possédant un distribu- teur entraîné en synchronisme avec le moteur, ce qui donne une étincelle d'une intensité suffisante pour l'allumage aux électrodes 151 à environ 4 à 12 an- gulaires par rapport à la manivelle suivant le début de l'injection en prove- nance de l'ajutage 144. Comme les circuits d'allumage du modèle courant don- nent lieu à une étincelle d'une intensité susceptible de produire un allumage d'une durée d'environ 5 à 15 angulaires par rapport à la manivelle, le régla-
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ge de l'étinelle peut être commodément fait pour qu'elle coïncide sensiblement avec l'avance à 1-'injection.,
et une' étincelle d'une intensité susceptible de produire l'allumage sera alors disponible à l'instant où la première fraction de carburant injecte;, en provenance du jet pulvérisé 145 sous forme d'un mé- lange combustible, entre en contact avec les électrodes 151. Cela donne lieu à un front de flamme indiqué en 153 (figure 10) qui s'étend à travers ledit côté de la chambre 119 de combustion en forme de disque et qui se déplace en sens contraire du tourbillon d'air.
L'injection se poursuit ensuite au cours de chaque cycle immédiatement en avant du front de flamme 153 pour constituer progressivement des additions d'un mélange combustible d'air et de vapeur de carburant, additions qui sont allumées par le front de flamme et qui brû- lent sensiblement aussi rapidement qu'elles se forment les produits de com- bustion qui en résultent indiqués en 154 s'éloignant en tourbillonnant de l'emplacement du front de flamme.
Dans le fonctionnement de ce moteur suivant le principe de la combustion sans cognement, en supposant que le piston 111 soit en train de descendre au cours de sa course motrice les orifices d'échappement 128 sont découverts à 30 environ avant le point mort bas. Les orifices d'admission d'air opposés 130 et 131 sont ensuite découverts à 20 environ avant le point mort bas donnant lieu à un balayage convergent qui entraîne les produits de combustion provenant du cycle précédent hors de la chambre de combustion prin- cipale 120 par les orifices d'échappement 138. Au. cours de la course de com- pression de retour du piston 111,
les orifices d9admission d'air et les ori- fices d'échappement sont fermés successivement et l'air subsistant dans la chambre principale 120 de cylindre est alors comprimé}, ce qui amorce une cir- culation d'air comprimé en provenance de la chambre principale de cylindre 120 à travers le passage 121, tangentiellement à la chambre auxiliaire de com- bustioh 119, et ce qui crée un tourbillon d'air à grande vitesse dans cette dernière.
A environ 75 à 20 avant le point mort haut de la course de compres- sion, l'injection de carburant dans l'intérieur sur l'un des côtés de l'air tourbillonnant est amorcée par l'ajutage 144. La première fraction de carbu- rant injectée est allumée par l'étincelle de la bougie d' allumage 149 sensi- blement aussitôt qu'un mélange combustible d'air et de vapeur de carburant a été formé à partir de ladite fraction pour établir un front de flamme 153.
Bien que celui-ci ait tendance à se déplacer à une vitesse plus élevée que le tourbillon d'air, ce mouvement normale du front de flamme 153 est gêné par le tourbillon d'air et par la rencontre d'un mélange extrêmement riche au fur et à mesure qu'il approche de l'ajutage de carburant; il en résulte que le front de flamme reste dans une position pratiquement fixe par rapport à la chambre auxiliaire de combustion et à la bougie d'allumage.
En conséquen- ce, l'expression "front de flamme se déplaçant à contre-sens par rapport au tourbillon d'air "telle qu'elle est utilisée dans la présente description doit être entendue comme signifiant que le déplacement est en rapport avec l'air tourbillonnante bien que le front de flamme au cours d'un tel déplacement puisse rester dans une position relativement fixe par rapport à la chambre de combustion auxiliaire.
L'injection de carburant se poursuit à la suite de l'allumage pour développer la puissance nécessaire au cours de chaque cy- cle, cette injection continue de carburaht chargeant progressivement le car- burant des apports frais d'air tourbillonnant à mesure qu'ils se déplacent devant l'ajutage en formant ainsi progressivement des additions d'un mélange combustible d'air et de vapeuns de arburant qui sont allumées par le front de flamme et qui brûlent sensiblement aussi rapidement qu'elles sont produites.
En conséquence, il ne peut se produire un cognement dans le moteur même à des taux de compression élevés et à de forts dosages quelle que soit la qualité du carburant employé. L'injection pour un fonctionnement avec pleine avance est continue pendant un seul tour complet de l'air à l'intérieur de la chambre auxiliaire 119.
Pendant les phases finales de la période d'injection au cours de chaque cycle, le piston 111 a sensiblement achevé son mouvement vers le haut en refoulant ainsi sensiblement la totalité de l'air comprimé en pro- venance de la-chambre principale 120 de cylindre dans le passage de trans-
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fert 121 et la chambre auxiliaire de combustion 119.
En raison du fait que l'injection de carburant et la combustion sont amorcées pendant la dernière partie de la course de compression du piston, alors que seulement un petit volume subsiste dans la chambre principale 120 de cylindre et après la création dans la chambre auxiliaire 119 d'un tourbillon d'air à grande vitesse et pré- sentant une force vive notable,, la combustion qui se produit dans la chambre 119 pendant les phases initiales de la période d'injection n'est pas suffisan- te pour troubler la régularité du tourbillon d'air qui s'y trouve.
La vitesse et la durée d'injection au cours de chaque cycle sont réglées en accord avec l'avance à l'injection, de manière à produire la pression maximum de la com- bustion provoquée par étincelle dans le voisinage mais légèrement après le point mort haut de la course de compression du piston pour donner la puissance maximum. A cet instant, il ne reste sensiblement plus d'espace disponible au-dessous du passage 121.
Le résultat net est que la régularité du tourbil- lon d'air à grande vitesse dans la chambre auxiliaire 119, même dans le cas d'un fonctionnement à pleine charge.. est maintenu au cours de chaque cycle jusqu'à achèvement de l'injection, sans occasionner un écoulement perturbateur en sens inverse à travers le passage 121, ce qui assure au cours de chaque cycle la charge en carburant uniforme et progressive de l'air tourbillonnant.
La pression de la combustion entraîne alors le piston lll vers le bas dans sa course motricep en même temps que les produits de la combustion passent de la chambre auxiliaire 119 à travers le passage 121 dans la chambre principale 120 du cylindre après achèvement de l'injection. On remarquera sur la figure 8 que le passage 121 se trouve du même côté du pian vertical diamétral 136 que les orifices d'échappement 138.
En conséquence, au moment de l'ouverture des orifices d'échappement 138 avec chute de pression, le flux final de produits de combustion en provenance de la chambre auxiliaire 119 se trouve dirigé vers le bas et vers les orifices 138, ce qui tend à créer dans la chambre principale 120 de cylindre une circulation dans la même di- rection que celle qui sera provoquée ultérieurement par l'ouverture des orifi- ces d'admission d'air 130 et 131 pour le balayage convergent. Le cycle se répète alors.
REVENDICATIONS.
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FERFEGTIONNENTS = 9. TWO INTERNAL A'C0MBUSTrON.MOTORS.
The present invention relates to an internal combustion engine of the reciprocating piston type, with fuel injection and immediate ignition, an engine in which the combustion is independent of the quality of spontaneous ignition of the fuel used and in which everything knocks. ment is avoided. The invention relates more particularly to an engine of this type and its operation, this engine comprising an auxiliary disk-shaped combustion chamber supplying compression air driven by a rapid swirling movement.
The present invention relates to a method of operating an internal combustion engine of the reciprocating piston type comprising the introduction of air into a cylinder of the co-engine and its compression therein during the compression stroke of the cylinder. piston; this process comprises the following simultaneous operations: the delivery of this air from the main chamber of the cylinder into an auxiliary combustion chamber so as to produce in the latter a mass of compressed air, driven by a rapid swirling movement, of 4 to 15 air revolutions per engine revolution;
limiting the flow of this air from the main cylinder chamber into an auxiliary combustion chamber during the middle part of the piston compression stroke when the piston is moving at a greater linear speed, in order to thereby establishing a higher air pressure in the main cylinder chamber than in the auxiliary combustion chamber and establishing the high speed of the swirling movement of the air in the latter chamber at least about 50 before the top dead center of the piston compression stroke; the start of fuel injection at about 50 to 25 before top dead center of, the compression stroke of the piston in a localized part of the mass of compressed air, animated by a swirling movement in the chamber of auxiliary combustion;
the immediate ignition of the first fraction of injected fuel within 90 of the swirling movement of the localized part of the air mass from said injection point and substantially from the for-
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creation of a combustible mixture of fuel vapor and air, in order to establish a flame front propagating in the auxiliary combustion chamber in the opposite direction to the air vortex;
the continuation of fuel injection in each cycle, at a controlled rate coordinated with the speed of the air vortex in additional localized portions of the compressed air vortex., in the auxiliary combustion chamber, just ahead of the flame front produced, so as to progressively form additional combustible mixtures of fuel vapor and air which are promptly ignited by the flame front and burn substantially as they form; continuing the smooth flow of air from the main cylinder chamber to the auxiliary combustion space;
finally, the maintenance of the regularity of the air vortex in this latter chamber during the injection period and while combustion is taking place, almost all of the mass of air being discharged towards the auxiliary combustion chamber at the top dead center of the piston compression stroke ,. '
The present invention further relates to an internal combustion engine of the reciprocating piston type comprising: a cylinder, in which one. mounts a piston so that it can perform a reciprocating movement, .. by providing a main cylinder chamber;
a cylinder head having substantially mechanical play with said piston only in its top dead center position, said engine comprising inside the cylinder head and the cylinder an auxiliary combustion chamber of such a volume with respect to the displacement volume of the piston that we obtain a compression ratio of about 8: 1 to 13:
1, the engine also comprising a constricted passage connecting the main chamber of the cylinder to the auxiliary combustion chamber and entering tangentially to a circle inscribed in the latter, in order to produce in this chamber a swirling movement of compressed air at great- speed and at a rate of 4 to 15 air revolutions per revolution of the engine, the throttling of the aforementioned passage being carried out so as to establish in the main chamber of the cylinder an air pressure greater than that prevailing in the auxiliary combustion chamber during the middle part of the piston compression stroke when the piston moves at a higher linear speed,
and producing the high speed of the air vortex in the auxiliary chamber at least about 50 before the top dead center of the piston compression stroke; fuel injector, the nozzle of which is mounted so as to inject directly into a localized part of the vortex of compressed air in the auxiliary combustion chamber, on one side of the diameter of the swirling air mass lying within the auxiliary combustion chamber in question; -members coordinated with the operation of the engine to start the injection of fuel by the injector in question, approximately 50 to 25 before the top dead center of the piston compression stroke ;
devices allowing immediate ignition of the first fraction of injected fuel within 90 minutes of the swirling movement of this localized part from the point of injection and substantially as soon as a combustible mixture of vaporized fuel and air has formed. formed, in order to establish a flame front through a radius of the swirling mass propagating in the auxiliary combustion chamber in the opposite direction of the air vortex;
devices for controlling the rate and duration of fuel injection at each cycle so as to continue injection into additional localized parts of the compressed air vortex in the auxiliary combustion chamber just ahead of the flame front produced, in order to gradually form additional combustible mixtures of fuel vapor and air, which are promptly ignited by the flame front and which burn substantially as they are formed in order to develop the desired output ,
the construction being so constructed as to maintain a smooth flow of air from the main cylinder chamber into the auxiliary combustion chamber and to maintain the regularity of air swirl in the auxiliary combustion chamber during said period injection and while combustion is taking place, almost all of the air being forced into the auxiliary combustion chamber at the top dead center of the piston compression stroke.
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The present invention will be better understood with the aid of the description which follows, and of the accompanying drawing, in which
Figure 1 is a vertical section on 1-1 of Figure 2 of an engine cylinder according to the present invention.
Figure 2 is a vertical sectional view;, along 2-2 of Figure 1.
FIG. 3 is a view in vertical section, similar to that of FIG. 1, of a variant.
Figure 4 is a vertical sectional view of the auxiliary combustion chamber, taken on 4-4 of Figure 3.
FIG. 5 is a view in horizontal section, taken along 5-5 of FIG. 6, of another variant.
FIG. 6 is a view in vertical section, taken on 6-6 of FIG. 5.
Figure 7 is a typical diagram of the engine in question showing curves of the speed of air flow through the constricted passage, the pressure drop in this passage and the compression ratio of the air vortex. in the auxiliary chamber for the different positions of the piston expressed in degrees of the angle formed by the crank in the compression stroke of the piston.
Figure 'is a vertical sectional view taken on 8-8 of Figure 9 of an engine cylinder according to the present invention.
Figure 9 is a horizontal sectional view on 9-9 of Figure 8, and
Fig. 10 is an enlarged vertical sectional view of the vortex auxiliary combustion chamber illustrating the type of knock-free combustion.
In Figures 1 and 2, 10 is indicated the engine cylinder with a water jacket 11, a piston 12, a piston pin 13 and a connecting rod 14 connected to the usual crankshaft not shown. At the upper end of the cylinder 10, the cylinder head 16 is fixed by bolts 15, providing only a mechanical clearance between the lower surface 17 of the cylinder head and the upper part of the piston 12 when the latter is located. in its top dead center position represented by the dotted line 18.
The cylinder head 16 has the cylindrical auxiliary compression chamber 20 surrounded by the water jacket 21. As shown in the drawing, the diameter of the auxiliary chamber 20 in the plane of FIG. 1 is only slightly smaller. to the diameter of the cylinder 10. However, the auxiliary chamber has flattened side walls 21 and 22 (FIG. 2) forming the auxiliary disk-shaped space 23 which is of relatively small thickness, as is clear from FIG. 2.
While the construction shown and comprising flattened side walls constitutes a preferred embodiment, it is understood that these side walls can also be produced in a shape convex to the concave and even substantially spherical; it is understood that the expression "disc-shaped" as used throughout the description and the claims covers these constructions and means the space delimited by a geometric figure rotating on its axis.
In the center of the disc-shaped space 23 opens in the side wall 21 an air intake passage 24 controlled by an intake valve.
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25. In the center of the disc-shaped space 23 opens in the side wall 22 an exhaust passage 26 controlled by an exhaust valve 27. The auxiliary combustion chamber 23 is connected to the chamber. main cylinder 28 above piston 12 through a passage 29 whose opening is offset from the axis of chamber 23, as clearly shown in Figure 1.
Therefore the air, which is compressed during the compression stroke of the piston 12, is forced from the main chamber 28 of the cylinder through the passage 29 into the auxiliary combustion chamber 23, so as to produce a vortex. of highly compressed air in the latter chamber, in the direction of arrow 30. For reasons described in more detail below, passage 29 does not open out, -not tangentially to: outer circle or periphery of the auxiliary chamber 23, but it opens tangentially to a smaller concentric circle of the auxiliary chamber, this concentric circle having a diameter appreciably smaller than that of the auxiliary space 23.
In the cylinder head 16 of the cylinder is mounted a fuel injection nozzle 32 passing through the peripheral wall of the auxiliary chamber 20, this nozzle having one or more spray orifices directed so as to cause a spray jet of fuel 33 to shoot out onto the one of the sides of the auxiliary chamber 23 in the direction of the air vortex (Figure 1).
The spray jet preferably has the shape of a cone, so as to substantially fill the thickness of the disc-shaped chamber 23, as seen in FIG. 2. It should be understood that the nozzle of fuel 32 is connected by a suitable injection pipe to a fuel pump of a known model, driven in synchronism with the engine and at a speed equal to half that of the engine in the case of a four-stroke cycle , this pump having devices for controlling and adjusting the start time and duration of injection during each cycle according to the engine load.
A spark plug 35 having electrodes 36 located at the periphery of the auxiliary chamber is also mounted in the cylinder head 16 and passes through the periphery of the chamber 20 at a point within 90 of the swirling motion counted from the tip. at the fuel injection nozzle 32 and preferably about 45-30 from said point. It should be understood that the spark plug 35 is connected to an ignition system of a known model having a distributor driven in synchronism with the engine, whereby a spark of sufficient intensity for ignition is available at the ends. electrodes 36 at about 4 to 12 crankshaft angle after the start of the invention through nozzle 32.
Since common ignition systems produce a spark sufficient for ignition and having a duration of about 5 to 15 or more crankshaft angle, the spark adjustment can be conveniently made to approximately coincide with the The injection advance and a sufficient spark for ignition will then be available when the first fraction of fuel injected as rain through the nozzle 32 in the form of a combustible mixture comes into contact with the electrodes 36.
Although a spark plug has been chosen as the preferred embodiment, it should be understood that other means of ignition such as an incandescent spark plug inserted into an electrical circuit so that external electrical energy to it. provided, can also be used.
As shown in Figures 1 and 2, the passage 29 is narrowed or constricted with respect to the diameter of the auxiliary chamber 23. This narrowing of the transverse surface is such that it produces an excess of pressure which can rise up to 'to 1.75 to 3.51 kg / cm2 in the main chamber 28 of the cylinder above that which exists in the auxiliary chamber 23 at the moment when the fuel injection begins, a moment which is approximately 50 at 25 before top dead center. This excess pressure in chamber 28 thus maintains the flow of air directed from chamber 28 through passage 29 into the interior of chamber 23 at the time of the start of injection and combustion. in room 23.
Since the pressure rise due to combustion in chamber 23 is relatively slow during the pre =
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first part of the injection period or up to about 20 to 15 before the top dead center of the compression stroke of the piston 12; it will be appreciated that the excess of pressure in the main chamber 28 of the cylinder over that which exists in the auxiliary chamber 23 is thus maintained during this initial period.
When the piston 12 has reached about 20 before top dead center, the remaining volume, due to the play in the chamber 28, is then a small fraction of the total cylinder capacity generated by the piston during its compression stroke, for example about 1/35 of it. With a compression ratio of 10: 1 which requires that there be a volume of approximately 1/9 of the volume generated by the displacement of the piston in the auxiliary chamber 23, this means that, at 20 before top dead center, at least about 75% of the mass of air has been forced into the auxiliary chamber 23, where it is entrained in a high-speed rotational movement and thus has acquired a large living force.
Even if the rise in pressure in the chamber 23 by the effect of the combustion is established very quickly between 20 before top dead center and this top dead center itself, so as to quickly exceed the pressure which exists in the main chamber 28 of the cylinder, this reversal of the relative pressures which exist in the chambers 23 and 28 has little effect on the vortex of compressed air in the chamber 23 at this last period of the stroke. compression.
This is because the residual volume from clearance in chamber 28 at this instant is so small and the fraction of time is so short that the only possible operational disturbance occurs in passage 29 and at the periphery. of the swirling air mass immediately adjacent to the entrance to the passage.
The living force of the mass of air entrained in a rotational movement in the chamber 23 effectively outweighs the disturbance located at the entrance to the passage and thus maintains the regularity of the vortex of compressed air. movement of piston 12 to top dead center, with only mechanical play from cylinder head 16, effectively prevents any appreciable backflow from auxiliary chamber 23 through passage 29 into the interior of the main chamber of the juice cylinder - until the piston has passed through top dead center.
At this moment, the injection is complete in the auxiliary chamber 23, even in the case of operation at full load, and it follows that the vortex of compressed air maintained has ensured the carburization of the air. compressed in the desired air-fuel ratio for the duration of the injection.
When the injection begins during each cycle, the substantially immediate electrical ignition of the first fraction of injected fuel initiates combustion and a flame front is established in the auxiliary chamber 23, which flame front s' generally extends through one side of the disc-shaped combustion chamber, between the spark plug and the cylinder axis This flame front moves at high speed in the opposite direction to the vortex direction d 'air. Normally the speed of flame propagation tends to exceed the speed of the air vortex, but the speed of the flame is retarded by the air vortex and also by encountering an extremely rich mixture. as it tends to get closer to the tip of the nozzle.
The practical result is then to keep the flame front in a relatively fixed position with respect to the cylinder wall, the spark plug and the nozzle, although the flame front moves at a high speed relative to the vortex d. .'air.
Since there is substantially no interference with the regular vortex in the auxiliary chamber 23 during this period of injection and combustion, and the successive additions of compressed swirling air are carburized in a desired ratio of air. -fuel immediately, ahead of this flame front during the completion of the injection period, the effect of the flame front established during displacement which gives rise to combustion-
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Knock-free resistance is maintained until after the completion of injection in each cycle and the piston has passed the top dead center position.
The piston is then driven in its driving stroke, the exhaust valve 27 opens and the exhaust takes place during the return stroke of the piston; the exhaust valve closes and the intake valve opens during the suction stroke to fill the cylinder with a charge of fresh air and the four-stroke cycle then repeats.
The particular description which will follow is given by way of non-limiting example of the implementation of the present invention. The main chamber of cylinder 28 has a diameter of 82 mm 5 and piston 12 has a stroke of 114 mm 3 giving a displacement of 614 cm 3. The auxiliary combustion chamber 23 has a diameter of 76 mm 19 and a thickness of 12 mm 70, giving a volume of 58 cm3.
Since the piston 12 exhibited only mechanical clearance from the cylinder head 16, the following data was obtained in the case of an adverse space above the piston expressed in cubic centimeters in the main chamber 28 of the cylinder. for the piston positions given in crank angular degrees before and after top dead center, as well as the pressures which exist in the main cylinder chamber 28 above the pressures which exist at the same instant in the cycle of the cylinder. engine in the case of normal operation, that is to say without ignition, for two different fuel-air ratios with an injection advance of 50.
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Previous applications show that when the engine is operated on the principle of knock-free combustion as previously described, using substantially the maximum injection advance of 50 before top dead center, the pressure due to both piston displacement and combustion at 20 before top dead center is only 2.8.kg / cm2 greater than the engine pressure in normal operation, the latter pressure
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being due to the compression caused by the displacement of the piston alone.
This is true for both a fuel-to-air weight ratio of 4/100 and a fuel-to-air weight ratio of 8/100, which includes most of the range of ratios used. normally. This proves that the pressure rise due to combustion during the first 30 of the injection period occurs at a relatively low rate;
and that an excess of pressure of 2.8 kg / cm2 in the main cylinder chamber 28 above that which exists in the auxiliary chamber 23, when the engine is running normally, results in back pressure in the main chamber 28 of the cylinder until the piston has moved beyond 20 before top dead center during its compression stroke when the engine is running on ignition. When the piston is at 20 from top dead center, the clearance above the piston of chamber 28 is then only 18 cm3, the volume of auxiliary chamber 23 being only 58 cm3. This means that the piston has forced all, except about 23,
8% of the air mass in the auxiliary chamber 23 to 20 before top dead center. On the other hand, at 40 before top dead center or at 40 after top dead center, the harmful space above the piston in chamber 28 is 85.4 cm3 volume greater than the volume of the chamber. auxiliary. This latter volume represents a sufficient proportion of the total air mass for an overpressure in the auxiliary chamber 23, overpressure due to combustion and greater than the pressure which exists in the main chamber of cylinder 28, pushes the gases back through the passage 29, which is likely to thwart the vortex of compressed air and Inaction of the desired flame front in the auxiliary chamber 23.
By maintaining the pressure in the main chamber 28 at a higher value than that which exists in the auxiliary chamber 23 during this critical period, this interference is effectively avoided.
Between 20 before top dead center and 10 before top dead center, the pressure due to combustion rises very rapidly as shown in the table, exceeding by 16.52 kg / cm2 the pressure of a running engine. normally for a fuel-to-air ratio equal to 4/100 and exceeding by 22.14 kg / cm2 that of an engine operating normally with a fuel-to-air ratio equal to 8/100 at 10 before top dead center . However, during this period, the nuisance space above the piston in chamber 28 is quite small compared to the volume of the auxiliary chamber and varies from 18 cc to 20 before top dead center up to 3, 28 cm3 for 10 before top dead center. This last harmful space is not appreciably greater than that which exists in the passage 29.
For this reason, the overpressure in the auxiliary chamber 23 due to combustion during this period can give rise at most to turbulence in the passage 29 and at the outer periphery of the air vortex immediately opposite to the passage 29. The live force rapidly swirling air in chamber 23 during this period is sufficient to largely outweigh the effect of this turbulence and the steady air vortex is maintained.
The final movement of the piston to the point; high dead with, only, mechanical clearance from the cylinder head, then effectively prevents any backflow, while the peak pressure rise produced by combustion is achieved for the Otto ty cycle. - eg, this occurs about 5 after top dead center, as seen in the table.
The foregoing data clearly shows that a path of passage 29 producing a rapidly attainable overpressure in the main chamber 28 of the cylinder relative to the pressure prevailing in the auxiliary chamber 23 is sufficient to maintain the vortex of. compressed air and desired flame front combustion in auxiliary space 23 throughout the critical period as long as sufficient deleterious space remains in chamber 28 to prevent reverse flow.
Thanks to this, there is no difficulty to maintain the regular air vortex and combustion of the flame front since the harmful space in
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chamber 28 is then too small and the force of the air vortex sufficiently large. the critical period of operation, during which the pressure in the main chamber 28 should be greater than or at least equal to the pressure in the auxiliary chamber 23, is thus placed between the instant of the start of the injection and around 25 to 20 before top dead center.
The practical maximum cross-sectional area of passage 29 for the above particular example is about 0.84 cm 2. This maximum is limited by the reduction required to produce an overpressure in the main chamber 28 exceeding the pressure existing in the auxiliary chamber 23 by about 1.75 kg / cm2. the minimum cross section of passage 29 to avoid excessive pumping losses is about 0.58 cm2. This results in a noticeable narrowing of the passage 29 capable of creating an overpressure in the main cylinder chamber 28 exceeding the pressure existing in the auxiliary chamber 23 by about 3.5 kg / cm 2. Another difficulty arises from the range of passage dimensions necessary to bring about this range of overpressures, which is the desired speed of the air vortex.
In the above-mentioned specific example, where the passage penetrates along a tangent to the outer or peripheral circle of the auxiliary chamber 23, the theoretical speed of the air vortex, assuming a vortex efficiency of 100%, is established. by calculating at 22 revolutions per engine revolution when using the maximum passage section of 0.84 cm2 and at 32 revolutions per engine revolution when using the minimum passage area of 0.58 cm2. In fact, friction and inertia are likely to reduce the efficiency of the vortex to the point of lowering it to about 75%; this gives an actual air vortex speed range of 16.5 to 24 revolutions per engine revolution.
These values are above the desired range as these higher vortex speeds require an injection speed so fast that rough engine operation ensues. The speed of the vortex is kept within limits of about 4 to 15 rotations per engine revolution, preferably around 8 to 12 rotations, requiring a full load injection time of about 45 to 30 angulars. crank.
As a result of actual tests carried out on vortex speeds with a disk-shaped auxiliary chamber as shown in Figures 1 and 2, it was recognized that the following equation is applicable:
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where S is the desired vortex speed, Smax is the maximum vortex speed reached when the passage is arranged tangentially to the outer circle or periphery of the auxiliary chamber, d is the diameter of the auxiliary chamber and d 'is the diameter d 'a concentric circumference inside the auxiliary chamber to which the axis of the passage is tangent.
Also, the entry of the passage being offset with respect to the auxiliary chamber so that the axis of the passage is tangent to a concentric circle of diameter d 'satisfying the necessary relation with the diameter d of the auxiliary chamber to bring back Smax at S, the desired lower swirl speed is obtained while retaining the overpressure character described above. For example and in an extreme case with the minimum cross section of the passage of 0.58 cm2 in order to obtain a vortex speed of 8 rotations per revolution of the motor, the axis of the passage is made tangent to an inscribed circle of the auxiliary chamber having a diameter equal to 8/24 of 76.2 mm, that is to say 25.4 mm (assuming a vortex efficiency of 75%).
The actual vortex efficiency can be quickly determined by methods known for any particular engine layout or construction and the placement of the passage to achieve the desired vortex speed can then be determined in the above manner.
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The calculations for the study of the present engine are based on the following equations, which have been developed with a view to solving entirely new problems set forth here. Equation (1) below was obtained as an approximation by assuming that during the race of compression of the piston, the density of air in the main cylinder chamber remains the same as the density of air in the auxiliary combustion chamber; under these conditions g
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where U is the speed of the air flow through the passage,
S is the average speed of the pistoh,
Ap is the area of the piston.
At is the surface of the passage,
Q is the angle of the crankshaft from bottom dead center and
R is the compression ratio.
Referring to Figure 7, curve A has been drawn for the particular example above for the engine shown in Figures 1 and 2 with a compression ratio of 10: 1. This shows that the speed of the air flow through the passage when the engine is in normal operation rises rapidly to about 35 before top dead center and then drops rapidly.
Using the air velocity values thus obtained, one can then calculate the pressure drop across the passage for any angular position of the crank from equation (4) below.
This is obtained by using the formula (2) p = 1 / 2xU2 where p is the pressure drop across the passage,, x is the density of air, and
U is the air speed.
By replacing in Inequality (2) the value of U taken from equation (1) and by reducing the density to normal conditions using the formula
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where M is the air mass,
D is the displacement of the piston,
V is the volume of the auxiliary chamber, and i is the density under initial conditions, or else at bottom dead center we obtain the following equation:
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Referring again to Figure 7, it can be seen that the values of the pressure drop across the passage for this particular example are plotted for the various angular positions of the crank along curve B.
This shows that the pressure drop across the passage which represents the overpressure in the main cylinder chamber relative to the pressure which exists in the auxiliary chamber when the engine is running normally is low enough as long as the piston is not running. has not exceeded 90 before top dead center begins to grow quite quickly towards 60 before top dead center reaches an interesting high value towards 50 before top dead center and has a maximum at around 25 before top dead center, to fall
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then very quickly. But the values are all high during the critical period which extends from the start of the injection to at least 20 before top dead center.
It follows that by giving the passage the necessary cross-section to produce a maximum overpressure (pressure drop across the passage) of about 1.75 to 3.50 kg / cm2, it is quite evident that the necessary overpressure is maintained during the critical period.
The speed of the vortex in the auxiliary chamber for the various angular positions of the crank is calculated from the following equation
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where Se is the number of rotations of the air in the auxiliary chamber per engine revolution, and the other symbols have the same meaning as above.
Referring again to Figure 7, it can be seen that the vortex speed in the auxiliary chamber for the various angular positions of the crank in this particular example is plotted along curve C, from equation ( 5). Note that the vortex speed of the engine when running normally increases slowly to a maximum around 15 before top dead center and then decreases only slightly around top dead center. Around 50 before top dead center, the speed of the vortex reaches approximately 2/3 of its maximum, and, throughout the injection period, the speed of the vortex has a high value.
It should be understood that the increase in the speed of the vortex as well as the increase in the weight density of the air during the injection period can be compensated for by an increase in the speed of injection. jection of fuel during each cycle, so as to charge the successive injections of air with fuel in a determined fuel-air ratio.
Although the preceding curve of the vortex velocity has been drawn assuming a vortex efficiency of 100% and that the passage is tangent to the periphery of the auxiliary chamber, it allows the velocities to be estimated very closely. swirl efficiency by calculating the actual swirl efficiency and applying a cor- rection corresponding to and also a correction for the offset of the axis of the passage, from the tangent to the auxiliary chamber, as described above. - written above.
In addition, when we speak of vortex speeds, it should be noted that it is the average vortex speed during the injection period that is important, and it is at this average value that we relates, unless otherwise stated in the text.
In the previous examples which are based on the calculations and curves studied above, it should be noted that the values given apply only for a compression ratio of 10: 1 and an engine speed of 1800 rpm. . But the calculations for a project can be done similarly for other compression ratios and other engine speeds. In the case of a variable speed motor, the problem is somewhat more complicated, as the pressure drop across the passage varies as the square of the piston speed.
For this reason, the piston speed is ordinarily chosen for project calculations as representing an average value of maximum use. The present engine is ordinarily established as a slow or medium speed engine. , for example an engine with an engine speed of about 1800 rpm /
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minute with a maximum top speed of about 2400 rpm. In addition, idle or slow speed operation takes place when the engine is running at a minimum of 1200 rpm.
In the above-mentioned particular example, it should be noted that the. range of passage areas required to produce, an overpressure of 1.75 to 3.50 kg / cm2 in the main cylinder chamber above that which exists in the auxiliary chamber, is provided by a passage of circular cross section having a diameter varying between 1a, 41mm and 8.63mm.
In general, the passage area will vary according to equation (4) above to keep the maximum pressure drop across the passage at the necessary value.
It should be understood that the passage does not need to be transversely circular but may be elliptical with the major axis generally extending through the thickness of the auxiliary chamber in the plane of Figure 2.
The central axis of the passage will ordinarily be tangent to a concentric circle of the auxiliary chamber having a diameter varying from about 1/2 to 3/4 in diameter of the auxiliary chamber.
FIGS. 3 and 4 give by way of example a variant embodiment of the present invention which applies to the two-stroke cycle. In this case, the main cylinder 40 is pierced with a circular series of air intake holes 41 located somewhat above the upper part of the piston 42 when the latter is at bottom dead center.
The auxiliary combustion chamber 44 is mounted vertically on the side of cylinder 40 and is connected to the main cylinder chamber 45 by a passage 46 extending horizontally and opening tangentially to a circle inscribed in the cylinder chamber. auxiliary combustion 47. The chamber 44 has on its opposite side walls exhaust passages 48 and 49 regulated by two twin exhaust valves 50 and 51, respectively. The chamber 44 carries a fuel injection nozzle 52 and a spark plug 53 located in the general report already described above with regard to Figures 1 and 2.
In this case, the auxiliary chamber 47 is of somewhat increased thickness, resulting in an engine with a lower compression ratio on the order of about 8: 1.
Passage 46 has a circular cross section and is of an intermediate size within the limits discussed above.
During the operation of this engine, assuming that the piston 42 is going down during a driving stroke $ the two exhaust valves 50 and 51 open simultaneously to about 40 before the bottom dead center . The piston 42 then uncovers the air intake ports 41 at about 25 before bottom dead center, giving passage to an upward flow of air through the main cylinder 45, which flow entrains the combustion products in head of the air column in a uniform circulating motion through passage 46, auxiliary chamber 47, and thence out through exhaust passages 48 and 49 ensuring efficient sweeping.
The exhaust valves close simultaneously at about 15 after bottom dead center, and the movement of the piston continuing during its compression stroke covers the air intake ports 41 to 25 after bottom dead center. The piston then continues its compression stroke, giving rise to a vortex of compressed air driven at high speed in the auxiliary chamber 47, of the order of about 10 rotations per engine revolution, at the same time as one overpressure of about 2.81 kg / cm2 in the main cylinder chamber 45 beyond. of the pressure which exists in the auxiliary chamber 47 at the time of the start of the injection to approximately 45 before the top dead center.
Spark ignition occurs immediately concurrent with the combustion of the flame front in auxiliary chamber 47, as previously described. The injection terminating at about 9 before top dead center in the case of 'full load operation. The final movement of the piston 42 towards the top dead center position indicated at 55 where it exhibits
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only mechanical clearance with cylinder head 56 produces a "squirting" effect on the final portion of the compressed air, an effect which increases turbulence and allows for faster completion of any secondary combustion in auxiliary chamber 47 shortly after neutral. high. The piston is driven accordingly towards its driving stroke and the cycle repeats.
FIGS. 5 and 6 illustrate by way of example another variant of implementation of the present invention which also applies for the two-stroke cycle. In this case, cylinder 60 has a circular series of exhaust ports 61 disposed somewhat above the upper part of piston 62 when the latter is at bottom dead center.
An auxiliary combustion chamber 64 in the form of a horizontal disc is mounted on the side of the cylinder 60, this chamber having in its opposite side walls air intake passages 65 and 66 controlled by two valves. twin admissions 67 and 68, respectively admissions. The disc-shaped auxiliary combustion space 69 is joined with the main cylinder chamber 70 by a horizontal passage 71 having substantially a maximum transverse area within the limits specified above and often tangentially to a circle inscribed in the auxiliary space. - re 69.
The auxiliary chamber 64 carries at its periphery a fuel injection nozzle 72 and a spark plug 73 in the position relationship previously described.
During the operation of this engine assuming the piston 62 is descending in its driving stroke, the exhaust ports 61 are exposed approximately 30 before bottom dead center. The twin intake valves 67 and 68 then open simultaneously approximately 20 before bottom dead center, giving rise to a flow of circulation in one direction only and carrying the combustion products forward of the air column from the air column. auxiliary space 69 through passage 71 and from there down through main cylinder chamber 70 to exhaust ports 61.
The upward movement of the piston in its compression stroke closes the exhaust ports at 30 after bottom dead center and the inlet valves then close approximately 40 after bottom dead center.
The piston 62 continues its compression stroke, giving rise to a trunnion of compressed air in the auxiliary combustion space 69 of the order of about eight revolutions per engine revolution and to an overpressure inside of the main cylinder chamber 70, above the pressure which exists in the auxiliary space 69 of about 1.75 kg / cm2 at the start of the fuel injection which occurs about 50 before the point ' dead high. Spark ignition occurs immediately at the same time as the characteristic knock-free flame front combustion, with an injection time of approximately 45 for full load operation.
The previously described "squirting" effect is obtained again at the time. the piston moves to its top dead center position indicated at 75 with only one mechanical clearance separating it from the cylinder head 76. The piston is then driven in its driving stroke and the cycle repeats.
In Figures 8 to 10, there is shown an engine cylinder 110 with a reciprocating piston 111, a piston pin 112 and a connecting rod 113 rotating on the usual crankshaft (not shown).
A cylinder head 115 is fixed to the upper end of the cylinder 110, the cylinder head whose lower surface 116 has only mechanical play with the piston head 111 when the latter is in the upper neutral position shown in the figure. figure 10.
A casting 118 having an auxiliary cylindrical combustion chamber 119 is mounted on the cylinder head 115 and its diameter is somewhat smaller than the diameter of the main cylinder chamber 120 of the cylinder 110. In the embodiment shown, casting 118 is established with a flattened end from the foundry for the auxiliary chamber
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combustion link 119 and the opposite end is closed by a removable cover, not shown, which provides for a chamber 119 having the shape of a relatively thin disc and the thickness between the flattened opposite side walls of which is considerably less than diameter thereof.
While the construction shown with flattened side walls constitutes a preferred embodiment of the present invention, it should be understood that these side walls may also be convex or concave or even neighboring in a spherical shape; 1 -expression "in the form of dis-
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that "which is ui-ized during the description should be understood as pertaining to these constructions and as designating the volume delimited by a geometric contour rotating about its axis.
The auxiliary combustion chamber 119 is connected to the main cylinder chamber 120 by a transfer passage 121 having a relatively small cross section, the axis 122 of which is tangent at a point 123 to a circle inscribed in space.
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119.
As a result, during the compression stroke of the piston Il, the air which is being compressed in the main cylinder chamber 120 is forced through the passage 121 into the interior of the auxiliary combustion chamber 119, so to cause a vortex of air strongly com-
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winner in the latter, in the direction of arrow 124 (figure 10 I, e, e the combustion dsintreauxtiaire .1g9 including passage 1212) is in a relationship with; the volume generated by the displacement of the piston in the chamber - main cylinder 120 breeze as it gives the desired engine compression ratio. This is preferably at least 8: 1 and generally between about 9: 1 and 13: 1.
Although even higher compression ratios can be used, these require the massive and heavy construction characteristic of diesel engines, and the compression ratios
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above allow the substantially lighter construction of Otto cycle engines to be utilized when using the improved materials of construction currently available.
the cross section of the passage 121 is set in accordance with the eccentric or tangent to the inscribed circle of the auxiliary combustion chamber 119 to give a compressed vortex rate velocity within the chamber 119 which is about 4- to 12 turns per engine revolution and preferably about 8 to 9 revolutions per engine revolution.
The cylinder 110, the cylinder head 115 and the molded part 118 have passages for the circulation of cooling water 126, 127 and 128 respectively. Likewise, the flattened removable closure plate for chamber 119 may also have passages for circulation of cooling water. As shown, the cylinder head 115 has a circular opening which receives the cylindrical lower end 129 of the passage 121.
As shown in Figures 8 and 9, the cylinder 110 has
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two opposite series of air intake ports 130 and 131 respectively> formed in its wall just above the piston 111 when the latter is at the bottom of its driving stroke as shown in FIG. 8. The orifices 130 and 131 communicate with air intake pipes 132
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and 133 rexpeativemént, the latter leading to a common source of pressurized air supply or from a supercompressor.
As shown each opposing series of air inlet ports which are shown three in number are inclined, their axes intersecting at a point of convergence 135 located at the bottom of the main cylinder chamber 120, on 1-a. sides of the diametral vertical plane 136 thereof. The wall of the cylinder 110, between the two series of air intake openings on this side of the diametral vertical plane}, does not have any perforations as in
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sees it in 137.
The air inlet ports 130 and 131 are located primarily on this side of the diametrical vertical plane 136 and the point of convergence 135 is preferably at least about midway between the center of the main cylinder chamber 120. and the periphery thereof and vis-à-vis the center of the wall without perforation 137. The cylinder 110 has
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also a series of exhaust ports 138 formed through the wall thereof above the bottom of the piston 111 and on the opposite side of this vertical dia- metric plane 136 between the two series of air inlet ports 130 and
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131.
The exhaust ports 138 open into an exhaust pipe 139 which is connected to the usual exhaust pipes and muffler which are not shown.
As seen in Figure 8, the exhaust ports 138 extending upwardly into the cylinder wall beyond the air intake ports 130 and 131, so that the exhaust ports first open during the latter part of the driving stroke of the piston 111 to reduce the pressure in the main cylinder chamber 120.
Continued downward movement of piston 111 during its driving stroke then uncovers the two opposing sets of air intake ports 130 and 131 and the result is that opposing air streams entering the lower portion. of the cylindrical main chamber 120 meet at the point of convergence 135 and are, therefore, deflected upward on one side of the diametrical vertical plane 136, as shown by arrows 140 (Figure 8).
This scavenging air is then deflected through the upper end of the main cylinder chamber 120 through the cylinder head 115 and thence down along the opposite side of the vertical diametral plane 136, as indicated. arrows 141, to sweep the products of combustion out of the main cylinder chamber 120, by means of the exhaust ports 138. In this way, the sweep of the main cylinder chamber 120 is effected without intervention of the passage 121; the volume of purge air introduced during each cycle can be adjusted independently of the auxiliary combustion chamber 119 to provide the preferred wiping ratio of at least 1: 1 and generally of a value between 1.2 : 1 and 16: 1 approximately.
In addition, the control of the exhaust and the introduction of air during each cycle is entirely carried out by piston-regulated orifices, which makes unnecessary the use of a camshaft and 'a mechanism for actuating valves placed in the head.
A fuel injection nozzle 144 is mounted in the molded part 118 and extends through the peripheral wall of the auxiliary chamber 119, which nozzle has one or more spray orifices directed so as to cause a spray jet to shoot out. fuel 145 (Figure 10) on one side of a 146 diameter of the disc-shaped chamber 119 and in the direction of the air vortex. The spray jet is preferably cone-shaped so as to substantially fill the thickness of the disc-shaped chamber 119 and the spray jet 145 is directed more towards the periphery of the cylindrical chamber than it is. towards the center of it, as clearly shown in Figure 10.
It should be understood that the fuel nozzle 144 is connected at 147 to a suitable injection line which leads to a fuel pump of a current model driven in synchronism with the engine and at the speed of the latter s'. this is a two-stroke cycle. This pump has devices for controlling and adjusting the instant of the start of injection and the duration of injection during each cycle according to the engine load.
The nozzle 144 preferably penetrates the periphery of the disc-shaped chamber 119 at an angle of about 145 to 220 with respect to the swirling movement from the entrance of the passage 121; as shown in figure 10, the nozzle 144 is substantially diametrically opposed to the inlet of the passage 121.
A spark plug 149 is also mounted in molded part 118 and extends through the periphery of chamber 119 at a point within 90 of the swirling displacement from the tip of the nozzle. fuel injection 144 and preferably 40 to 70 thereof.
This spark plug is connected by a conductor 150 to a standard model ignition system having a distributor driven in synchronism with the engine, which gives a spark of sufficient intensity for ignition at the electrodes. 151 at about 4 to 12 angular to the crank following the start of injection from nozzle 144. As the ignition circuits of the current model give rise to a spark of intensity capable of producing an ignition lasting approximately 5 to 15 angles in relation to the crank, the
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ge of the spark can be conveniently made to substantially coincide with the advance at 1-'injection.
and a spark of an intensity capable of producing ignition will then be available at the instant when the first fraction of fuel injects, from the spray jet 145 in the form of a combustible mixture, comes into contact with the electrodes 151. This gives rise to a flame front indicated at 153 (Fig. 10) which extends through said side of the disc-shaped combustion chamber 119 and which moves in the opposite direction of the air vortex.
The injection then continues during each cycle immediately ahead of the flame front 153 to gradually build up additions of a combustible mixture of air and fuel vapor, additions which are ignited by the flame front and which burn. - Slow substantially as quickly as the resulting combustion products, indicated by 154 swirling away from the location of the flame front, form.
In operating this engine on the principle of knock-free combustion, assuming piston 111 is descending during its driving stroke, the exhaust ports 128 are uncovered approximately 30 before bottom dead center. The opposing air intake ports 130 and 131 are then uncovered approximately 20 before bottom dead center resulting in a convergent sweep which drives the combustion products from the previous cycle out of the main combustion chamber 120 through the exhaust ports 138. Au. during the return compression stroke of piston 111,
the air intake ports and the exhaust ports are successively closed and the air remaining in the main cylinder chamber 120 is then compressed}, which initiates a flow of compressed air from the chamber. main cylinder 120 through passage 121, tangentially to auxiliary combustion chamber 119, and which creates a vortex of high velocity air therein.
At about 75 to 20 before top dead center of the compression stroke, fuel injection into the interior on one side of the swirling air is initiated through nozzle 144. The first fraction of The injected fuel is ignited by the spark from the spark plug 149 substantially as soon as a combustible mixture of air and fuel vapor has been formed from said fraction to establish a flame front 153.
Although this tends to move at a higher speed than the air vortex, this normal movement of the flame front 153 is hampered by the air vortex and encountering an extremely rich mixture as it progresses. and as it approaches the fuel nozzle; as a result, the flame front remains in a practically fixed position relative to the auxiliary combustion chamber and to the spark plug.
Accordingly, the expression "flame front moving against the direction of the vortex of air" as used in the present description is to be understood as meaning that the movement is related to the air vortex. swirling air although the flame front during such movement may remain in a relatively fixed position relative to the auxiliary combustion chamber.
Fuel injection is continued following ignition to develop the power needed during each cycle, this continuous injection of carburaht progressively charging the fuel with fresh swirling air supplies as they flow. move past the nozzle thereby gradually forming additions of a combustible mixture of air and fuel vapors which are ignited by the flame front and which burn substantially as rapidly as they are produced.
As a result, knocking cannot occur in the engine even at high compression ratios and high dosages regardless of the grade of fuel used. The injection for operation with full advance is continuous for a single full revolution of the air inside the auxiliary chamber 119.
During the final phases of the injection period in each cycle, the piston 111 has substantially completed its upward movement, thereby discharging substantially all of the compressed air from the main cylinder chamber 120. in the passage of trans-
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fert 121 and the auxiliary combustion chamber 119.
Due to the fact that fuel injection and combustion are initiated during the last part of the piston compression stroke, while only a small volume remains in the main cylinder chamber 120 and after creation in the auxiliary chamber 119 of a vortex of air at high speed and exhibiting a noticeable live force, the combustion which takes place in chamber 119 during the initial phases of the injection period is not sufficient to disturb the regularity of the vortex of air therein.
The injection speed and duration during each cycle are set in accordance with the injection advance, so as to produce the maximum pressure of the combustion caused by sparks in the vicinity but slightly after neutral. top of the piston compression stroke to give maximum power. At this moment, there is noticeably no more space available below passage 121.
The net result is that the regularity of the high speed air vortex in the auxiliary chamber 119, even in the case of full load operation ... is maintained during each cycle until completion of the cycle. injection, without causing a disturbing flow in the reverse direction through the passage 121, which ensures during each cycle the uniform and progressive fuel charge of the swirling air.
The combustion pressure then drives the piston III down in its driving stroke at the same time as the products of combustion pass from the auxiliary chamber 119 through the passage 121 into the main chamber 120 of the cylinder after completion of the injection. . It will be noted in FIG. 8 that the passage 121 is located on the same side of the diametral vertical plane 136 as the exhaust ports 138.
Consequently, at the time of the opening of the exhaust ports 138 with a drop in pressure, the final flow of combustion products from the auxiliary chamber 119 is directed downwards and towards the ports 138, which tends to create in the main cylinder chamber 120 a circulation in the same direction as that which will be caused subsequently by the opening of the air intake ports 130 and 131 for the convergent sweep. The cycle then repeats.
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