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PERFECTIONNEMENTS AUX MOTEURS A COMBUSTION INTERNE.
La présente invention est relative aux moteurs à combustion interne et, en particulier, à un procédé et à des moyens pour faire varier l'espace mort dans un cylindre d'un moteur à combustion interne, l'objet de l'invention étant d'augmenter le rendement d'un moteur à combustion interne d'une manière simple, efficace et économique.,
L'invention consiste en un procédé pour faire varier l'espace mort dans le cylindre d'un moteur à combustion interne, ce procédé consistant à faire varier la distance entre une partie au moins de la couronne ou tête du piston et la connexion entre le piston et les moyens prévus pour transformer le mouvement de va-et-tient du piston en mouvement de rotation.
L'invention concenre, en outre, un piston pour un moteur à combustion interne, ce piston étant caractérisé en ce qu'au moins une partie de la couronne ou tête de ce piston est variable en ce qui concerne la distance ,séparant cette couronne de la connexion entre le piston et les moyens prévus pour convertir le mouvement de va-et-vient du piston en mouvement de rotation, de manière à changer l'espace mort du cylindre, dans lequel travaille ce piston.
L'invention a, au surplus, pour objet un moteur à combustion interne, comportant un ou plusieurs cylindres, dans lequel ou dans chacun desquels est prévu un piston, comprenant au moins deux parties, dont l'une est connectée à l'extrémité étroite de la bielle, tandis que l'autre, qui fait partie de la limite de la chambre de combustion, est mobile par rapport à la première partie, de façon à modifier l'espace mort.
L'invention a encore pour objet une structure, dans laquelle le changement de l'espace mor est réalisé de manière automatique en fonction de la variation de la pression maximum de gaz dans le cylindre ou dans chaque
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cylindre, ce changement étant effectué par les mouvements contrôlés d'un fluide, sous l'action de la pression de gaz et de l'inertie de la partie du piston.
L'invention concerne également une structure telle que définie dans le paragraphe précédent, dans laquelle le piston est formé de deux parties et dans laquelle le mouvement du fluide a lieu dans et en dehors d'une ou de plusieurs chambres ménagées entre les deux parties du piston, le mouvement du fluide étant contrôlé par des clape.ts de retenue d'entrée et des clapets de décharge chargés par ressort et/ou des orifices de décharge disposés et ajustés de façon à procurer les changeants requis dans la position de la partie réglable du piston, en fonction de la charge du moteur.
L'invention est aussi relative à un moteur à combustion interne, dans lequel l'espace mort du cylindre ou de chaque cylindre est variable grâce au procédé ou à une structure, tels que décrits plus haut, et dans lequel le moteur comporte une machine de fourniture d'air ou d'un mélange d'air et de carburant, cette machine étant ajustable, de manière à faire varier la quantité d'air ou de mélange fournie au moteur.
L'invention est encore relative à un moteur à combustion interne, dans lequel l'espace mort du cylindre ou de chaque cylindre est variable grâce au procédé ou à une structure tels que décrits plus haut, et dans lequel le moteur est muni d'un turbo-compresseur., la course de compression efficace étant moindre que la course de détente efficace.
Dans le type courant de moteur à combustion interne du type à piston, le taux de compression volumétrique est fixe. Dans certaines catégories de moteurs à combustion interne, un rendement amélioré peut être obtenu en ajustant le taux de compression en fonction de la charge du moteur.
Ainsi, dans le cas des moteurs à essence, la valeur choisie pour le taux de compression fixe est celle à laquelle le moteur commence juste à cogner, à la pleine admission du carburant. A -n'importe quelle charge inférieure au maximum, un taux de compression plus élevé peut être appliqué, ce qui améliore l'économie de carburant. Ainsi, à un tiers de la charge maximum, le moteur peut fonctionner sans cogner, avec un taux de compression environ deux fois aussi élevé que la valeur limite à la charge maximum, ce qui donne une réduction d'environ 30% de la consommation de carburant. Dans les moteurs à compresseur de ce type, des améliorations similaires ou même plus élevées peuvent être obtenues, étant donné que la gamme des pressions de charge est étendue.
Ceci est particulièrement le cas dans les moteurs d'avions du type à piston, étant donné que des compresseurs appropriés sont prévus pour maintenir en vol les pressions d'admission régnant au sol. Ces dispositifs ne peuvent normalement pas être utilisés pour obtenir une puissance supplémentaire pour le décollage, étant donné que le degré de compression utilisable au sol est limité par la détonation, lorsqu'un taux de compression fixe, donnant une économie satisfaisante, dans les conditions de croisière, est utilisé. Avec des pistons à taux de compression variable, on peut, toutefois, employer la pleine charge de pression pour le décollage, les pistons donnant automatiquement le faible taux de compression requis, tandis qu'un taux plus élevé que la valeur moyenne préalablement choisie est automatiquement procuré pour le vol.
Dans le cas d'un moteur à allumage par compression et muni d'un turbo-compresseur, le taux de compression fixe choisi est celui qui, à la charge maximum, donne des pressions maxima de cylindre, n'excédant pas une certaine valeur-limite, au delà de laquelle des charges excessives seraient imposées à la structure du moteur, A toutes les conditions de charge se présentant pendant la marche du moteur, la pression maximum tombe en dessous de la valeurlimite, en partie par suite de la pression réduite de l'air fourni par le turbo-compresseur et en partie à cause de la plus petite quantité de carburant brûlée pendant chaque processus de combustion. Ainsi, dans ce cas également, une augmentation du taux de compression avec une réduction de la charge du moteur est tolérable et augmente le rendement thermique.
De plus, un tel agencement résoud le problème de la mise en marche de moteurs soumis à une pression élevée, qui possèdent des taux de compression fixes peu élevés pour
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pouvoir fonctionner à pleine charge et ce problème déjà sérieux deviendra même encore plus sérieux, à mesure qu'augmente le degré de compression. Mê- me dans le cas de moteurs à compresseurs entraînés mécaniquement et de moteurs à allumage par compression chargés atmosphériquement, des améliorations sont obtenues en ce qui concerne le démarrage et l'économie de carburant en faisant varier de manière appropriée, le taux de compression.
L'invention procure des moyens, grâce auxquels le taux de compres- sion d'un moteur est modifié automatiquement surtout en fonction de la pres- sion de gaz maximum agissant sur le piston, de telle sorte qu'on obtienne, dans chaque condition de marche du moteur, le taux de compression le plus éle- vé possible. à cette fin, on fait usage d'un piston à réglage automatique, au lieu du piston normal. Le piston comporte au moins deux parties, dont l'une est connectée à la petite extrémité de la bielle par un moyen connu quel- conque, tandis que l'autre partie, qui forme une partie de la limite de la chambre de combustion, est mobile par rapport à la première partie, de façon à faire varier l'espace mort.
Le mouvement requis est contrôlé par le pas- sage d'huile (qui peut provenir du système de lubrification normal du moteur), dans et hors d'une chambre ou de chambres formées entre les,* deux parties du piston. Ces mouvements de l'huile peuvent être contrôlés par des clapets de retenue d'entrée et des clapets de décharge chargés par ressort et/ou des orifices de décharge, disposés et ajustés de façon à donner lieu aux change- ments de position requis de la partie ajustable du piston, en fonction de la charge du moteur.
D'autres avantages de l'agencement décrit ci-dessus résident dans le fait que dans les moteurs fonctionnant selon le cycle à quatre temps, des variations avec la vitesse de. la valeur de l'effet d'inertie du fluide et de la partie du piston non reliée à la bielle peuvent être agencées de manièreàà fournir la variation voulue dans la position relative des deux parties ou des parties plus nombreuses du piston en fonction de la variation de vitesse du moteur. De plus, ces forces d'inertie peuvent être utilisées pour aiderr à l'entrée de l'huile dans la ou les chambres, ce qui permet l'emploi d'une source d'huile sous faible pression.
L'agencement conforme à l'invention peut être appliqué à un pis- ton sans augmèntation considérable du poids de celui-ci, étant donné que l'épaisseur de la couronne ou tête du piston peut être réduite, par suite de la forme de construction utiliséeo
Dans les diverses formes de construction de pistons décrites plus loin, on supposera que les pistons travaillent dans des cylindres verticaux, avec la chambre de combustion à l'extrémité supérieure, mais ces pistons peuvent évidemment être employés dans des cylindres occupant une autre position quelconque.
Les dessins ci-annexés représentai à titre d'exemples seulement, un certain nombre de formes d'exécution de l'inventiono Dan ces dessins - la figure 1 est une coupe transversale d'une forme de piston; - la figure 2 est une coupe transversale du même piston, considérée à 90 par rapport à la coupe de la figure 1; - la figure 3 est une vue en plan suivant la ligne A-A de 'la figure 1; - la figure 4 est une coupe transversale d'une autre forme de piston; - la figure 5 est une vue en plan suivant la ligne A-A de la figure 4, et - les figures 6 et 7 sont des coupes transversales d'autres formes encore de*pistons.
Dansnune forme de cohstruction conforme à l'invention, on prévoit dans chaque cylindre d'un moteur à combustion interne, fonctionnant selon le
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cycle à quatre temps, un piston, tel que représenté aux figures 1, 2 et 3, formé de deux parties principales, affectant chacune la forme d'une cuvette ayant chacune leurs extrémités ouvertes tournées vers la manivelle ou autre dispositif servant à transformer le mouvement de va-et-vient en mouvement de rotation,une de ces cuvettes étant placée dans l'autre L'extrémité supérieure ou couronne 6 de la partie en forme de cuvette 5 forme la 'tête du piston proprement dit et présente une surface à contours normaux vis-vàvis de la chambre de combustion, et des segments dans les positions normales,
tandis que la partie intérieure 1 en forme de cuvette peut coulisser axialement dans la partie extérieure 5. La partie intérieure 1 est attachée, de la manière habituelle, par l'intermédiaire d'un tourillon 2, à la petite extrémité 3 d'une bielle 4. Le mouvement axial de la partie extérieure par rapport à la partie intérieure- a pour effet de modifier l'espace mort du cylindre, au dessus de la couronne 6.
Une chambre 7 est formée entre la surface supérieure de la partie intérieure 1 et la surface inférieure de la couronne 6, tandis qu'une chambre annulaire inférieure 8 est formée par une rainure prévue à la partie inférieure de la paroi intérieure en forme de cuvette, cette chambre inférieure 8 étant limitée; à sa partie intérieure et à sa partie supérieure, par les deux surfaces de la rainure prévue dans la partie inférieure,tandis que la surface extérieure de la chambre annulaire 8 est formée par la surface intérieure de la jue e de la partie extérieure et que la surface inférieure est formée par une bague annulaire 16 s'étendant vers l'intérieur, autorr de la partie inférieure de la jupe.
Cette bague peut avantageusement être vissée à la partie inférieure de ladite jupe, de manière à permettre l'introduction de cette bague, après la mise en place de la partie inférieure. Le contrôle .du mouvement entre les parties intérieure et extérieure est assuré par le passage d'huile dans et hors de la chambre supérieure 7 et de la chambre annulaire inférieure..
Un passage d'huile 9 est prévu dans la bielle 4, ce passage reliant la source d'huile de lubrification sous pression au coussinet prévu à la petite extrémité de la bielle et communiquant, par l'intermédiaire d'un passage annulaire 10 entourant le manchon du coussinet, avec un trou 10a ménagé à la partie supérieure de la petite extrémité de la bielle. Si le tourillon est fixé dans la petite extrémité de la bielle et si le manchon du coussinet est omis, le passage annulaire peut entourer le tourillon ou bien un trou peut être ménagé dans le tourillon. La périphérie extérieure de cette extrémité de la bielle est partiellement cylindrique ou partiellement sphéri- queo Un élément creux 10b prend appui sur ladite extrémité de manière à former un joint étanche autour du trou.
Cet élément creux s'adapte, de manière à pouvoir coulisser, dans un creux ménagé dans la partie supérieure de la tête de la partie intérieure en forme de cuvette et est sollicité de manière à faire constamment contact avec l'extrémité de la bielle, grâce à un ressort 10c. Au lieu de l'agencement décrit ci-avant, on peut prévoir des surfaces correspondantes fixes avec des jeux appropriés. L'huile est amenée par un alésage axial 10d, ménagé dans l'élément creux, à un clapet de retenue 11, d'où elle est amenée dans la chambre supérieure. De l'huile est également amenée, par un autre clapet de retenue 12, à la chambre inférieure 8.
Pour limiter la pression développée dans les chambres à huile par la force d'inertie de l'huile dans la bielle, en particulier aux vitesses élevées du moteur, le soulèvement, des clapets de retenue peut être limité. ou bien des orifices de restriction peuvent être prévus, en des endroits appropriés, dans les passages d'huile ménagés dans le piston ou la bielle pour alimenter les chambres.
Dans la surface extérieure de la partie intérieure en forme de cuvette est prévue une rainure annulaire formée entre la chambre inférieure et la tête de celle-ci, de manière à former deux saillies 18 et 19, tandis qu'un trou d'échappement 17 est ménagé dans la paroi de la partie intérieure, de manière à empêcher une accumulation de pression, par fuite d'huile au-delà des saillies,laquelle pression imposerait une charge aux parois des deux parties du piston. Lorsque les parois des parties intérieure et extérieure peuvent être suffisamment résistantes pour résister à cette charge, le trou d'échappement et la rainure en question peuvent être omis, en vue d'améliorer
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l'étanchéité des chambres à huile supérieure et inférieure.
Des bagues d'étanchéité peuvent être utilisées pour obturer les trajets de fuite formés par les jeux entre les parties intérieure et extérieu- re du piston, comme montré à la figure 4.
L'évacuation de l' huile hors de la chambre supérieure se fait par un clapet d'évacuation, formé de plaquettes circulaires superposées 13 en acier élastique, qui peuvent être de diamètre progressivement décroissant, disposées coaxialement à la partie intérieure 1 en forme de cuvette et for- mant une partie de la surface supérieure de cette partie intérieure.
La pla- quette circulaire supérieure prend appui, à sa périphérie, contre une bague d'appui 14 et l'huile passant à travers ce clapet s'écoule, par des trous 15, dans le carter du moteur, Quant à l'évacuation de l'huile hors de la chambre inférieure, elle se fait, vers le bas, par le jeu prévu entre la partie inté- rieure du piston et la bague 16 formant la limite infériere de la chambre à huile inférieure et,vers le haut, par le jeu prévu entre les parties inté- rieure et extérieure du piston.
L'évacuation de l'huile par ces trajets peut aussi être limitée, en rendant les jeux faibles et/ou en employant des bagues d'étanchéité, la majeure partie de l'évacuation se faisant par un orifice débouchant soit vers le bas directement dans le carter, soit vers le haut et par l'intermédiaire d'un ou de plusieurs trous d'évacuation ménagés dans la partie intérieure du piston, dans le carter.
Le système décrit ci-dessus fonctionne comme suit, Pendant la dernière partie de chaque temps d'échappement et la première partie du temps d'admission, la force due à l'inertie de la partie extérieure du piston et à l'inertie de l'huile dans la chambre supérieure et, dans une certaine me- sure, à l'inertie de la colonne d'huile dans la bielle, agit sur l'huile dans la chambre inférieure,en sorte qu'une certaine quantité d'huile s'échappe par le trajet de décharge et a pour effet de déplacer la partie extérieure sur une très petite distance (de l'ordre de quelques millièmes de pouce) vers le haut, par rapport à la partie intérieure. En même temps, la chambre à huile supérieure croit en volume et de l'huile s'y introduit, par le clapet de retenue 11.
Si la charge du moteur ovient d'être réduite, en sorte que la pression maximum est inférieure à celle requise pour faire fonctionner le clapet d'échappement, c'est-à-dire qu'une augmentation du taux de compression est requise, ce processus est répété à chaque cycle du moteur, sans autre opération, jusqu'à ce que soit atteint le taux de compression donnant la pression maximum prédéterminée, qui actionne le clapet d'échappement.
Le faible mouvement ascendant suivant élève légèrement le taux de compression au delà de la valeur requise et, dès lors, la pression maximum de cyhindre excède légèrement la valeur nécessaire pour vaincre le clapet d'échappement 13, qui alors s'ouvre et décharge une petite quantité d'huile, ce qui fait descendre légèrement le piston sur une faible distance par rapport à la partie intérieure. Si la charge du moteur reste alors constante à une faible valeur, la partie extérieure du piston continue à se mouvoir vers le haut et vers le bas très légèrement par rapport à la partie intérieure, à chaque cycle, sa position moyenne relative étant celle donnant la valeur de la pression de cylindre maximum déterminée par la pression d'ouverture du clapet d'échappement.
Si l'accélérateur du moteur est ouvert, la pression du cylindre tendra à s'élever bien au delà de la valeur requise pour ouvrir le clapet d'échappement 13, mais lorsque ce clapet s'ouvre et fournit une surface de décharge considérable, l'huile est rapidement évacuée de la chambre supérieure 7, en sorte que la partie extérieure du piston se meut rapidement vers le bas par rapport à la partie intérieure et que l'espace mort est accru, ce qui maintient la pression de cylindre maximum, voisine de la valeur prédéterminée,
Le piston se règle ainsi de lui-même à une allure limitée à une réduction de la charge du moteur, cette allure étant déterminée par la surface fournie pour l'échappement d'huile hors de la chambre inférieure.
Il n'est aucunement nécessaire que le taux de compression augmente rapidement et, au surplus, un mouvement ascendant relatif de grande amplitude de la
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partie extérieure du piston, à chaque cycle, serait indésirable car, à charge constante, il donnerait lieu à un mouvement descendant d'amplitude équivalente à chaque cycle, ce qui entraînerait une consommation appréciable d'énergie pour le pompage d'huile. D'un autre côté, il est souhaitable que le piston réponde aussi rapidement que possible à un accroissement brusque de la vitesse d'alimentation en carburant du moteur, afin d'éviter une pression de cylindre excessive et la détonation résultante et/ou des sollicitations élevées. La vitesse de réglage est déterminée par le clapet d'échappement 13.
L'agencement décrit plus haut donne une réponse très rapide, en raison de la grande surface découverte lors d'un faible mouvement, ainsi qu'une absence d'effet différentiel, qui a pour conséquence de fermer certains types de clapets à une pression sensiblement inférieure à la pression d'ouver- ture.
Jusqu'à ce que le taux de compression minimum prédéterminé soit atteint, la partie du piston soumiseà la pression de gaz est supportée par de l'huile dans la chambre supérieure 7 et, dès lors, la pression de gaz né produit pas de sollicitations à la flexion dans la couronne, qui sert uniquement à séparer le gaz et l'huile. La couronne doit donc être agencée de manière à ne supporter que sa propre charge d'inertie et celle de l'huile, qui agiront sur elle vers la fin du temps d'échappement et pendant la première partie du temp3 d'admission. Lorsque le taux de compression minimum prédéterminé est atteint, la surface intérieure de la tête de la partie extérieure du piston repose sur des surfaces appropriées, prévues à l'extrémité supérieure de la partie intérieure du piston.
Au lieu du clapet d'échappement à lamelles 13, des clapets 13 chargés par ressort de type connu peuvent être disposés dans et autour de la tête de la partie intérieure en forme de cuvette, comme mcntré aux figures 4 et 5, ces clapets se déchargeant directement dans l'espace prévu à l'intérieur de la partie intérieure et, de là, dans le carter du moteur.
A la figure 4, le passage d'huile de refroidissement à la couronne du piston se fait par l'intermédiaire d'une tige centrale creuse 24, qui est fixée à une extrémité à la tête de la partie extérieure 5 du piston et qui coulisse dans un alésage ménagé dans la partie intérieure 1 du piston, cette tige creuse servant à amener l'huile du coussinet 2 à des passages radicaux 26 'ménagés entre la surface intérieure de la tête 6 de la partie extérieure 5 et ure plaque 25 rainurée radialement et prenant appui sur celle-ci, cette plaque formant la limite supérieure de la chambre supérieure 7.
Les passages de refroidissement radiaux déchargent l'huile dans un espace annulaire 28, dans lequel l'huile est agitée selon un mouvement de va-et-vient, de manière à refroidir la zone des segments de piston, après quoi l'huile est ramenée au carter du moteur par un passage 27.
Dans cet agencement, tout comme dans le précédent, la couronne du piston est exempte de sollicitations à la flexion, la charge de gaz étant transmise à l'huile par l'intermédiaire de la couronne et de la plaque de passage d'huile, en sorte qu'une compression est seulement produite dans ces éléments. Dès lors, la couronne'du piston peut être plus mince que dans le type classique de piston et un courant donné d'huile de refroidissement est alors plus efficace pour maintenir des températures acceptables à la surface de la chambre de combustion de la couronne du piston.
Un orifice de décharge supplémentaire et réglable 29 peut être prévu pour augmenter la surface d'échappement pour l'huile hors de la chambre à huile inférieure, ce qui permet de régler la vitesse de retour du piston, lorsque la charge est enlevée.
Dans une autre forme d'exécution, destinée à être employée dans un moteur à allumage par compression, fonctionnant selon le cycle à deux temps et représentée à la figure 6, la partie extérieure 5 du piston affecte la forme d'un cylindre comportant un alésage axial, dans lequel la partie intérieure 1 du piston peut coulisser axialement, à tel point que l'espace mort subit des variations, en fonction des variations de la charge. La partie mobile de la tête du piston est constituée par un élément 1 en forme de cu-
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vette renversée, pouvant coulisser dans l'alésage de la partie cylindrique, cet élément 1 étant pourvu d'une bague 30 engagée dans une rainure ménagée à l'extrémité inférieure de la jupe de l'élément 1, cette bague limitant l'amplitude du mouvement ascendant de cet élément.
L'alésage intérieur de l'élément en forme de cuvette comporte une troisième partie 31 de forme cy- lindrique, qui s'adapte, de manière à pouvoir coulisser, dans ledit élément et forme la limite inférieure de;la chambre 7 formée entre sa surface supé- rieure et la tête de la partie nubile du piston, Cette troisième partie est usinée à sa face inférieure, de manière à prendre appui sur la surface exté- rieure cylindrique ou sphérique de la petite extrémité de la bielle. Cette troisième partie est pourvue d'un clapet d'évacuation 13 en forme de disque du type prévu dans la première forme d'exécution, ce clapet servant à déchar- ger l'huile de la chambre à huile 7 vers le carter, lorsque la pression d'hui- le excède une valeur choisie.
Un clapet de retenue 32 est prévu entre la chambre à huile et l'alimentation d'huile depuis le coussinet prévu à l'ex- trémité de la bielle.
Dans cette application à un moteur à deux temps, aucune chambre à huile inférieure n'est nécessaire, étant donné que la résultante de la pres- sion du gaz, et des forces d'inertie agissant sur l'élément en forme de cuvette et sur la troisième partie précitée est toujours une force agissant vers le bas. Le mouvement descendant de l'élément en forme de cuvette., lorsque la pression du cylindre croît au-dessus de'la valeur-limite, est permis, comme dans les cas 'précédents, par l'ouverture du clapet d'échappement 13, Le mouvement ascendant du piston est réalisé par passage d'huile sous pres- sion, par l'intermédiaire du clapet d'entrée 32, vers la chambre 7.
Ceci peut se produire, avec la pression d'huile du système de lubrification normal, pendant la période de balayage,'- lorsque la pression de gaz est très faible, étant donné que la charge d'inertie de l'élément en forme de cuvette est faible. La masse de la troisième partie 31 est considérablement plus grande, mais, aux faibles vitesses, cette partie peut être soulevée légèrement, ce qui permet à l'huile venant de'la bielle de réchapper entre les surfaces d'appui de ladite partie et l'extrémité de la bielle. Ceci n'est pas préjudiciable. Un dispositif d'étranglement réglable peut être adapté à un ou plusieurs des passages d'huile 33, 34 ou 35, de manière à obtenir des sections de passage appropriées.
Ainsi, la variation du taux de compression peut être obtenue sans produire des variations dans le réglage des orifices commandés par le piston, mais s'il est souhaitable de faire varier ce réglage en fonction du taux de compression, la périphérie de la couronne du piston peut faire partie de la partie relativement mobile du piston.
La figure 7 montre un agencement, dans lequel le clapet de retenue 12, contrôlant le flux d'huile vers la chambre inférieure 8, est prévu à l'intérieur du tourillon 2, tandis que le flux d'huile vers la chambre supérieure 7 est contrôlé par le clapet de retenue 11 et par l'orifice de section réduite pratiqué dans la plaque 11a, de manière à limiter le flux d'huile vers la chambre supérieure. Four le reste, l'agencement est normal et fonctionne de la manière précédemment décrite en référence aux figures 1, 2 et 3.
Le même'résultat peut encore être obtenu en rendant la longueur de la bielle variable, la ou les chambres à huile nécessaires étant équipées des clapets de retenue et d'échappement nécessaires. D'auyres détails pour la mise en oeuvre de l'invention peuvent être modifiés, sans que l'on s'écarte de la portée de l'invention.
Deux des exigences pour un rendement thermique maximum dans les moteurs à combustion interne du type à piston sont les suivantes :
Tout d'abord, à chaque point de la gamme de charges du moteur,' le travail dépensé pour fournir l'air ou le mélange d'air et de carburant ne doit pas être excessif, et
En second lieu, le taux de détente le plus élevé possible doit
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être utilisé et pour l'obtenir l'air ou le mélange d'air et de carburant doit être comprimé par le piston dans la mesure la plus élevée possible, en tenant compte des limitations fondamentales du cycle. Ces limitations sont déterminées par la détonation dans le moteur à cycle d'Otto et par les sollicitations mécaniques de limitation dans le moteur à allumage par compression.
Dans les moteurs normaux, ces limites ne se rencontrent qu'à la pleine charge, tandis que des taux de compression plus élevés sont souhaitables aux charges partielles. Cette seconde exigence, de même que la première, implique que la quantité d'air ne soit pas inutilement grande, par ceci rendrait impossible l'emploi du taux de compression maximum approprié à la charge.
Il est essentiel de satisfaire à ces deux exigences, si le rendement maximum possible doit être obtenu. Ces exigences ne peuvent pas être satisfaites avec un moteur présentant un taux de compression fixe ou dans lequel la quantité de charge fraîche utilisée par cycle est constante ou contrôlée par une soupape à étranglement.
Un rendement amélioré d'un moteur à combustion interne comportant des moyens pour faire varier le taux de compression peut être,obtenu, en y adjoignant une machine à délivner l'air ou le mélange d'air et de carburant, cette machine étant ajustée de manière à faire varier la quantité d'air ou de mélange fournie au moteur. Le taux de compression peut être ajusté auto- matiquement, de manière à augmenter lorsque la charge décroît et de manière à diminuer lorsque la charge croît, de manière à maintenir une pression maximum sensiblement constante dans le cylindre ou les cylindres du moteur, tandis que la machine précitée est réglée directement ou indirectement depuis les commandes normales du moteur. La machine de distribution variable peut avantageusement êêtre du type décrit dans le brevet britannique n 665.484.
Si on suppose que, pour la marche à pleine charge, tous les motteurs sont construits de manière à présenter le taux de compression fixe le plus élevé possible et la quantité optimum de charge fraîche compatible avec les autres particularités de leur type et de leur construction, il n'y a pas lieu de chercher à améliorer le rendement thermique à pleine charge, mais bien de l'améliorer aux charges partielles.
De nombreux'moteurs fonctionnent à charge partielle pendant une grande partie de leur viea Les suggestions formulées ci-après sont particulièrement avantageuses dans les moteurs chargés sous pression et la combinaison proposée permet d'augmenter le degré de chargement sous pression, de façon que le rapport entre la pleine charge et la charge nulle est augmenté, tandis que le démarrage des moteurs chargés sous haute pression est grandement facilité.
Le brevet britannique n 665.484 décrit un type de machine d'alimentation variable, qui peut être agencée pour fonctionner comme compresseur et/ou comme détendeur et dans laquelle la compression et la détente sont des actions positives se produisant dans la machine. La machine peut être commandée de manière à présenter un débit variable, en sorte que, par exemple, la charge fraîche fournie à un moteur à combustion interne peut être livrée en quantité limitée de façon appropriée pour n'importe quelle condition de charge du moteur sans dépense inutile de travail et avec un certain retour de travail au moteur,lorsque la machine fonctionne comme détendeur.
La construction d'un moteur impliquant une compression variable et une alimentation variable de charge fraîche est particulièrement avantageuse, étant donné que l'amélioration de rendement pouvant être obtenue par l'application des deux agencements est supérieure à la somme des améliorations procurées par les deux agencements séparés.
Dans le cas d'un moteur à allumage par compression fonctionnant selon le cycle à quatre temps et alimenté ou chargé sous pression par un com- presseur à déplacement positif, entraîné mécaniquement par le moteur, la quantité et la pression de l'air fourni restent sensiblement constantes à toutes les charges du moteur et sont, par nécessité, celles requises pour la marche à pleine charge. Aux charges partielles, un travail inutile est exécuté, pour la compression d'air, qui n'est pas nécessaire pour les besoins de la combustion ou du balayage, en sorte que le rendement du cycle est inférieur
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au maximum.
En adaptant un compresseur à alimentation variable au moteur, au lieu d'un compresseur normal, on peut réduire la quantité d'air fournie au moteur, aux charges partielles, et réduire ainsi l'énergie requise par le compresseur, ce qui procure une augmentation du rendement du cycle. ' . Toutefois, seule une réduction limitée de la quantité d'air peut être tolérée par le moteur, avant que la température et la pression de l'air deviennent trop faibles, pour le faible taux de compression fixe, choisi pour satisfaire aux conditions de pleine charge, de manière à les amener aux va- leurs auxquelles une combustion satisfaisante peut avoir lieu.
Une compression variable a en elle-même pour effet d'améliorer le rendement, en augmentant le taux de compression aux charges partielles.
Avec les moteurs alimentés sous forte pression et présentant un taux de com- pression fixe, il est nécessaire d'utiliser un taux relativement bas, pour éviter des sollicitations trop élevées aux charges élevées à tel point que le démarrage devient difficile. Toutefois, lorsqu'on prévoit une compres- sion variable, cette difficulté est surmontée en prévoyant un taux de compres- sion élevé pour le démarrage. Toutefois, une compression variable ne peut pas donner l'amélioration mentionnée plus haut, qui résulte de la réduction de la quantité d'air aux charges partielles.
Si une machine d'alimentation variable est utilisée avec une com- pression variable, non seulement le rendement du cycle est amélioré, du fait que la quantité d'air est réduite, mais la limite à laquelle la quantité d'air peut être réduite est étendue. La compression variable permet le plein emploi de l'alimentation variable et vice-versa, étant donné que la réduction de la quantité d'air aux charges partielles, procurée par la machine d'alimenta- tion variable; permet au dispositif de compression variable d'utiliser des taux de compression plus élevés que ceux qui pourraient âtre employés avec des quantités normales d'air et produit les conditions de température et de pression requises pour une combustion satisfaisante.
Dans un moteur, alimenté sous pression par une soufflerie centrifuge de gaz d'échappement et utilisant un agencement permettant une compression variable, les conditions satisfont dans une certaine mesure les exigences d'un rendement thermique maximum, étant donné qu'une diminution de la charge du moteur est accompagnée d'une diminution de l'énergie de décharge et, par conséquent, de la quantité et de la pression de l'air fourni au moteur.
Toutefois, les relations ou rapports entre la charge et la quantité d'air n'approchent de la valeur optimum que pour une vitesse seulement et, pour obtenir les meilleures conditions pour toutes les charges et vitesses, la turbine à gaz d'échappement doit être équipée de moyens pour procurer une section de gicleur variable et doit entraîner soit un compresseur aérodynamique avec diffuseurs variables, soit un compresseur à déplacement positif.
Dans le moteur fonctionnant selon le cycle d'Otto à quatre temps, le rapport air-carburant doit être maintenu approximativement constant à toutes les charges. Alors que des rapports air-carburant quelque peu supérieurs au rapport stoéchiométrique donnent une amélioration du rendement thermique, un grand excès d'air donne lieu à une combustion lente, tandis qu'un appauvrissement plus important encore du mélange ne permet plus d'allumage, Dans le moteur habituel, l'air non désiré est exclu aux charges partielles, grâce à un dispositif d'étranglement qui augmente grandement la perte de pompage du moteur.
Ainsi, le travail dépensé à fournir la charge fraîche de mélange air-carburant aux charges partielles est plus important que ce qu'il devrait être et la première des exigences susmentionnées pour l'obtention d'un rendement thermique maximum n'est pas réalisée. L'emploi d'une machine d'alimentation variable remédie à cet inconvénient et il est à noter que lorsque le débit de la machine tombe en dessous de la capacité volumétrique du moteur, cette machine devient une machine de détente. Dans ce cas, la quantité requise de charge fraîche est amenée dans la machine à une pression voisine de la pression atmosphérique et est détendue vers la tubulure d'admission du moteur jusqu'à une pression subatmosphérique. Ce processus de détente produit un travail utile, qui est transmis à l'arbre du moteur et compense largement la perte de pompage du moteur.
La charge minimum, qui peut être atteinte en
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augmentant le degré de détente, est limitée par le fait que cette détente refroidit fortement l'air, en sorte que l'allumage et la combustion sont affectés de manière préjudiciable. Si la machine d'alimentation ou de distribution variable est utilisée conjointement avec l'agencement servant à produire une compression variable, ce défaut est surmonté, car le taux de compression accru, obtenu lorsque décroît la pression de la charge, fournit une température de compression adéquate, même aux charges les plus faibles.
L'emploi de l'agencement permettant de réaliser une compression variable procure une meilleure économie aux charges partielles vis-à-vis du moteur normal fonctionnant selon le cycle d'Otto, mais l'amélioration n'est pas aussi sensible avec la combinaison dudit agencement et de la machine de distribution variable, parce que les pertes normales de pompage sont subies, tandis que le taux de compression atteint à n'importe quelle charge partielle e.st inférieur à celui que l'on obtient, lorsqu'on emploie aussi la machine d'alimentation variable. Cette machine, lorsqu'elle détend la charge, a pour effet de refroidir appréciablement cette dernière, en sorte qu'une quantité donnée de charge occupe un volume moindre que normalement.
Ainsi, la pression de la charge fraîche est inférieure à celle que l'on obtient avec la charge non refroidie et un taux de compression plus élevé peut être utilisé avant que soient atteintes les conditions-limites auxquelles 1& détonation se produit.
De cette manière, l'intervalla pratique de travail de la machine et de l'agencement en question est étendu et la combinaison donne un résultat supérieur à la somme des améliorations pouvant être obtenues par l'utilisation séparée de ces deux dispositifs.
La description donnée ci-avant concerne le moteur fonctionnant selon le cycle d'Otto chargé ou alimenté à la pression atmosphérique, Il va de soi qu'une amélioration encore plus sensible peut être obtenue dans un moteur chargé ou alimenté sous pression, parce que l'intervalle des pressions de la charge est plus grand, c'est-à-dire que la relation entre les conditions de pleine charge et de charge nulle est plus grande. Le moteur alimenté sous pression est déjà pourvu d'un compresseur, en sorte que celuici doit être remplacé par une machine de distribution variable, aucun autre dispositif n'étant nécessaire.
Lorsqu'on moteur est équipé d'une machine de distribution ou alimentation variable, par laquelle la charge fraîche est amenée:au moteur, la question de savoir si le moteur est chargé sous pression ou non dépend des déplacements relatifs du moteur et de la machine. Si le déplacement maximum de la machine, par unité de temps, est plus grand que celui du moteur, le moteur est chargé ou alimenté sous pression; par contre, si ce déplacement est équivalent ou inférieur à celui du moteur, le moteur n'est pas chargé sous pression.
Dans le cas de moteurs à deux temps fonctionnant soit selon le cycle à allumage par compression, soit selon le cycle d'Otto, les avantages de la combinaison ne s'appliquant qu'aux moteurs chargés sous pression et il est à noter que maints moteurs à balayage par soufflerie sont chargés sous pression, conformément à la définition précédenteo Dans les moteurs à deux temps, la pression de l'agent de balayage ne peut pas être fortement réduite en dessous de la pression atmosphérique étant donné que la pression des gaz dans le système d'échappement, à part les fluctuations, est voisine de la pression atmosphérique.
'Grâce à l'emploi d'un compresseur de distribution variable pour fournir la charge sous pression, on évite le gaspillage d'énergie pour comprimer une quantité excessive de charge fraîche aux charges partielles, mais, avec ce dispositif seul, la charge de pression maximum, qui peut être atteinte, est limitée par le taux de compression fixe du moteur.
Ce taux de compression fixe doit être réduit, lorsqu'augmente le degré de chargement sous pression et une limite estatteinte, lorsqu'un piètre démarrage et un faible rendement thermique dans toute la gamme de charges rendent peu économique une nouvelle augmentation de la pression d'alimentation. Si l'agencement permettant une compression variable est également utilisé, un taux de compression élevé est procuré pour le démarrage et, à toutes les charges, le taux de détente le plus élevé est obtenu.
Le moteur est encore relative-
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ment peu économique à pleine charge, à moins que l'on fasse usage de l'éner- gie dans les gaz d'échappement, cette énergie augmentant lorsque la pression de chargement est accrue, par suite de la nécessité d'opérer avec des taux de compression et de détente réduits.
Pour une utilisation efficace des pressions élevées de chargement, une certaine forme de compoundage doit être utilisée. Ceci se fait ordinai- rement à l'aide d'une turbine de gaz d'échappement et les cycles sont dénom- més cycle de moteur compound et de générateur de gaz. Dans le moteur compound, la puissance de la turbine devient une partie de la puissance d'ensemble bru- te et la turbine peut engrener avec le vilebrequin du moteur ou peut consti- tuer un élément séparé. -Avec le cycle de générateur de gaz, toute la puis- sance utile du moteur est utilisée pour commander le chargeur de pression et la puissance totale est prélevée de la turbine. L'emploi de ces deux cy- cles est entravé, par les difficultés de démarrage et d'obtention d'une éco- nomie de charge légère.
La difficulté de démarrage est la résultante du taux de compression bas, qui doit être employé pour limiter la pression maximum à la pleine charge, Quant à la seconde difficulté, elle résulte d'une combi- naison du faible taux de compression et de la quantité excessive d'air four- nie par le compresseur à déplacement positif à la vitesse minimum du moteur.
Les désavantages sont surmontés par 1-'emploi d'un taux de com- pression variable et d'un compresseur de distribution ou d'alimentation va- riableo L'emploi d'un taux de compression variable assure l'existence d'un taux de compression élevé pour le démarrage, tandis que le taux de compres- sion convient pour le degré d'alimentation sous pression existant en tous les points de la gamme de charges. Quant au compresseur de distribution variable,il permet une réduction de la quantité d'air délivrée par cycle, en sorte qu'à la vitesse minimum du moteur, le débit d'air total et la pression d'alimentation sont réduits.
Ceci donne lieu à une réduction du travail du compresseur et ainsi le moteur requiert moins de carburant pour maintenir le système en fonctionnement, ce qui améliore l'économie aux faibles charges et lors de la marche à vide. Ceci ne peut pas se faire, sans un dispositif de compression variable monté dans le moteur, lorsque la pression d'alimentation devient trop faible pour qu'un allumage par compression ait lieu.
On ne peut bénéficier pleinement de l'avantage du taux de compression variable, si un compresseur de distribution ou alimentation constante est employé, étant donné que le poids d'air délivré par cycle, à charge nulle, est alors le même qu'à pleine charge. Le débit du moteur doit être suffisant pour maintenir ce flux d'air et ainsi une quantité appréciable de carburant est utilisée pour produire de l'énergie d'échappement, qui est gaspillée. Des variations du taux de compression dans ces conditions modifient le rendement avec lequel l'énergie d'échappement perdue est produite, mais ne peuvent pas annihiler la perte elle même, Ce n'est qu'en réduisant la quantité d'air délivrée par cycle que l'énergie d'échappement perdue peut être réduite dans une mesure appréciable et si le dispositif de compression variable est pleinement utilisé.
Lorsque le degré de chargement sous pression de moteurs à quatre temps est accru, on atteint un état, dans lequel l'énergie présente dans les gaz d'échappement excède considérablement celle nécessaire pour fournir la charge sous pression et, pour que le cycle reste économique, il est nécessaire d'effectuer un compoundage avec une turbine ou un autre type de machine de détente. Cet état de choses se présente à une charge plus élevée qu'avec le moteur à deux temps, mais les conditions et avantages décrits plus haut pour le moteur à deux temps se vérifient également pour le moteur à quatre temps.
Dans une forme d'exécution modifiée de l'invention, le moteur à combustion interne est turbo-chargé et comporte des moyens pour faire varier le taux de compression et le taux de détente, la course de compression efficace étant moindre que la course de détente efficace. Le système de turbo-chargement ou alimentation par turbiné est, de préférence, agencé de manière à produire un transfert aussi grand que possible d'énergie des gaz d'é-
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chappement à l'air de la charge, tandis qu'une autre particularité réside dans le fait que l'air est, de préférence, refroidi pendant et/ou après sa compression et avant de passer dans le cylindre du moteur.
Comme expliqué précédemment, l'emploi d'un dispositif pour faire varier les taux de compression et de détente dans le cylindre de travail d'un moteur à combustion interne turbo-chargé confère l'avantage, résidant dans le fait qu'à toutes les charges, le taux de détente le plus élevé, et, dès lors, le rendement thermique le plus élevé peuvent être obtenus, en même temps que la pression maximum permise dans le cylindre. Dès lors, aux charges inférieures à la charge maximam du moteur correspondant à taux fixe, le moteur à taux variable a un rendement plus élevé Pour une pression limite maximum donnée dans le cylindre, le moteur à taux variable peut aussi supporter des charges plus élevées que le moteur à taux fixe, par suite d'une réduction du taux en dessous de la valeur du taux fixe, ce dernier constituant une moyenne pour la gamme de charges.
Une autre condition avantageuse dans un moteur turbo-chargé peut être obtenue comme suite Le système de turbo-chargement est agencé de manière à produire le transfert maximum. d'énergie des gaz d'échappement à l'air de la charge, dont la pression est ainsi accrue, et le taux de compression efficace dans le cylindre du moteur est réduit par modification des réglages des clapets ou orifices, de façon à atteindre sensiblement la même pression de compression.
Cette compression externe accrue de l'air de la charge et la réduction du taux de compression du moteur donnent lieu à une économie dans le travail net accompli par le piston sur la charge d'air et à une réduction conséquente dans la consommation de carburant, étant donné que la compression externe accrue est obtenue à partir de l'énergie des gaz d'échappement, avec peu ou pas d'augmentation de la consommation du carburant. Des essais ont montré que, lorsque le degré de chargement.sous pression est accru, l'énergie disponible, lorsque le moteur tourne à pleine charge, est supérieure à celle requise pour comprimer l'air de la charge à la pression qui, en utilisant pleinement la course de compression, donnera la pression maximum permise dans le cylindre.
Le processus a l'avantage de permettre à un agent de refroidissement donné dans un refroidisseur subséquent d'extraire plus de chaleur de la charge d'air, à cause de la température plus élevée de la charge plus fortement comprimée. Dès lors, avec une pression de cylindre donnée, à l'extrémité de la course de compression efficace réduite, la température de compression est moindre et un poids plus élevé d'air est présent dans le cylindre, en sorte qu'une charge plus élevée peut être supportée, avant que les températures limites du moteur soient atteintes. Au surplus, le travail de compression du piston est encore réduit.
Un degré donné de refroidissement de la charge peut aussi être obtenu avec un plus petit refroidisseur ou un agent de refroidissement se trouvant à une température plus élevée que celle nécessaire dans les conditions normales. Afin de récupérer une plus grande partie de l'énergie des gaz d'échappement, sous forme d'énergie dans l'air de charge, l'efficacité du système à turbo-compresseur peut être améliorée par l'emploi d'un refroidisseur de queue ou de refroidisseurs intermédiaires entre deux ou plus de deux stades de compression.
Une limitation sérieuse de cette méthode, lorsqu'elle est appliquée à un moteur à allumage par compression et qui a entravé son application, réside dans le fait que l'emploi d'un taux de compression sensiblement inférieur au taux de détente n'est praticable qu'aux charges élevées du moteur, étant donné qu'aux charges partielles, la pression de l'air quittant le turbo-compresseur est insuffisante pour donner la pression et la température requises à la fin de la course de compression efficace réduite, de manière à assurer une combustion satisfaisante. En fait, il est nécessaire de prévoir des moyens pour ramener les réglages des clapets ou orifices à leurs conditions normales, de manière à permettre le démarrage et la marche à charge légère d'un moteur à allumage par compression.
Cette complication mécanique et la limite inférieure de la gamme des charges, au-dessus de laquelle le rendement amélioré du cycle peut être
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obtenu, sont écartées en combinant le système décrit ci-dessus, qui se caractérise essentiellement par le fait que le rapport taux de détente . est taux de compression sensiblement supérieur à l'unité, grâce aux moyens décrits plus haut par lesquels les taux de compression et de détente sont modifiés, de façon qu'une pression maximum approximativement constante soit maintenue dans le cylindre dans toute la gamme des charges.
Dans un moteur, dans lequel ces particula- rités sont combinées, le dispositif permettant de faire varjer le taux assurera que'les pressions de cylindre maximum présenteront la valeur élevée prédéterminée, même aux charges les plus faibles, et en conséquence, la température et la pression de compression seront même plus élevées qu'à pleine charge, en sorte qu'un rendement amélioré est assuré aux charges partielles, sans modifier les réglages préférés des clapets ou orifices.
A. pleine charge, dans un tel moteur, le taux de détente peut approximativement être le même que dans un moteur ne présentant aucune des particularités en question, mais aux faibles charges, afin de maintenir la pression maximum, prédéterminée dans le cylindre, le dispositif servant à faire varier le taux agira de manière à comprimer la charge d'air dans un espace mort très petit, à cause de la faible pression de charge d'air aux faibles charges et du fait qu'une particularité de la combinaison est une course de compression efficace réduite, c'est-à-dire qu'un volume réduit de charge est emprisonné dans le cylindre.
Grâce à ce très petit espace mort et au fait que la course de détente efficace normale est maintenue constamment -(bien que les réglages optima des clapets ou orifices puissent être quelque peu modifiés par application des particularités spéciales), le taux de détente aux faibles charges sera très élevé et le rendement thermique sera êlavêm Ainsi, le rapport avantageux
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taux de détente. >1 est maintenu dans toute la gamme des charges. taux de compression
Les considérations formulées plus haut s'appliquent aux moteurs à allumage par compression à deux temps età quatre temps. Des dispositifs appropriés pour faire varier le taux de compression pour ces deux types de moteurs sont décrits plus haut.
La réduction requise de la course de compression efficace peut être obtenue dans les moteurs à quatre temps, en fermant le clapet à air, en un point de la course du piston, où le volume du cylindre est sensiblement inférieur au volume total. Le réglage précis dépend, comme expliqué précédemment, de la pression à laquelle l'air de la charge peut être amené par le turbo-compresseur et doit être tel qu'à pleine charge, le dispositif permettant de faire varier le taux de compression étant ajusté de manière à fournir la pression maximum permise dans le cylindre, l'espace mort soit suffisant pour contenir la charge d'air nécessaire pour la combustion du carburant, mais n'excède pas fortement cette dimension, étant donné qu'avec la course donnée du piston, l'emploi d'un espace mort inutilement grand donnerait lieu à un taux de détente inutilement faible.
Dans les moteurs à deux temps, la course de compression efficace réduite peut être obtenue en fermant le clapet d'échappement, lorsque le volume présent dans le cylindre est sensiblement inférieur au volume total ou par un agencement équivalent des orifices d'admission ou d'échappement. On peut faire usage des dispositifsconnus à adjoindre au turbo-compresseur d'un moteur à deux temps, dans l'agencement suivant l'invention. Ainsi, on peut employer une soufflerie à déplacement positif entraînée mécaniquement par le moteur et montée en série ou en parallèle avec le turbo-compresseur.
La description précédente de l'invention concerne particulièrement les moteurs à allumage par compression, mais il est bien entendu que des avantages peuvent aussi être obtenus par l'application de l'intention à des moteurs à combustion interne turbo-chargés équipés de moyens pour faire varier l'espace mort dans un cylindre ou dans des cylindres du moteur, dans lesquels la charge est constituée par un mélange combustible, par exemple dans les moteurs à essence alimentés d'un mélange carburé.
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