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" Moteur à combustion interne à deux temps à turbo-compressicn."
La présente;, invention est relative à des moteurs à com- , bustion interne, à deux tamps à turbo-compression, terme par lequel il faut entendre des moteurs à combustion interne dans lesquels l'énergie contenue dans les gaz d'échappement est utilisée dans une ou plusieurs turbines afin de faire fonctionner un ou plusieurs souffleurs qui fournissent l'air ,de balayage et d'alimentation au moteur.
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Au contraire des moteurs de ce type, dans lesquels les gaz d'échappement provenant de .tous les' cylindres, ou d'un grand nombre de ceux-ci, sont conduits à un collecteur ou à une tubulu- re commune et, de là à une ou pluaieurs turbines; le moteur suivant la présente invention est outype dans.lequel les gaz d'échappement provenant des moyens d'échappement d'un ou plusieurs cylindres sont dirigés vers un système de guidage'de turbine déterminé, ou une section déterminée d'un tel système', et de plus les organes d'admission'et d' échappement de chaque cylindre sont commandés de telle sorte que l'organe d'échappement est ouvert avant et fer- mé après l'organe d'admission.
Il s'est trouvé être,difficile, au moyen de l'énergie disponible, d'obtenir une quantité d'ai aussi importants, Fournie au moteur, qu'il est nécessaire-eu égard à une bonne économie et à des tensions calorifiques favorables. L'on a essayé d'augmenter l'énergie disponible en ouvrant l'échappement, pour les gaz prove- nant du cylindre de moteur,.très tôt dans,la course d'expansion par comparaison avec un moteur normal, tandis qu'en semé temps, le moment d'ouverture de l'organe d'admission du cylindre était égale- nent avancé, une plus grande période étant obtenue pour l'organe d'admission par ce moyen.
De ce fait, une grands quantité d'énergie devenait disponible dans la période précédant l'échappement et .une faible résistance à l'écoulement dans le moteur était obtenue avec une faible perte d'énergie résultante pendant. la période de balaya- ge.
La surface de tuyère de la turbine d'échappement était alors choisie de telle sorte que la pression dans-le-moteur était telle- ment augmentée par rapport xà calle obtenue dans des moteurs sans , turbo-compression,'que la pression de l'air de balayage; qui est pratiquement égale à la pression de compression initiale, était. augmentée,' par rapport à la pression d'air de balayage dans le mo- teur normal, dans les mêmes proportions que l'augmentation néces- saire de la puissance nominale, ceci afin de maintenir un rapport
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pratiquement inchangé entre la quantité de carburant injectée et la quantité d'air disponible.
{jette solution entraîne toutefois, par, suite de l'avan- cement des temps d'ouverture des organes d'admission et d'échappe... ment, une réduction de la course de compression efficace et de la ' course d'expansion utile. Afin qu'aucune augmentation importante dans sa consommation de carburant.par E. V. nominal ne se produise, une puissance nominale inférieure,à celle proportionnelle à l'aug- n.entation du poids spécifique de la charge doit être tolérée, ou il faut avoir recours à une augmentation de la pression maximum pendant la combustion, ou à ces deux moyens.
De plus, l'ouverture avancée de l'organe d'échappement nécessite un déplacement des temps d'ouverture de l'échappement par rapport aux admissions d'air de balayage, si le moteur doit être réversible.,
La présente invention a pour but de remédier à ces in- convénients.
Les caractéristiques de l'invention consistent en ce que le système de guidage de laturbine ou la section de celui-ci reliée à l'organe d'échappement de chaque cylindre est calculée et la période de l'organe'd'échappement après la fermeture de ' l'organe d'admission est choisie de telle sorte qu'on maintient' avant la turbine pendant la période de balayage, une pression' ,
moyenne telle que la pression dan le collecteur d'air de balayage atteint une valeur tellement supérieure à la- pression de mise en charge envisagée dans le cylindre à la fermeture.de l'organe d'é chappement que cette pression de mise en charge pendant le fonc- tionnement à la vitesse normale est obtenue par post-échappement du cylindre par l'intermédiaire de l'organe d'échappement après la fermeture de l'organe d'admission.
En bref, une caractéristique essentielle de l'invention réside donc dans le fait que la- surface de passage du système de guidage de la turbine relié à l'organe d'échappement n'est pas
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rendue plus grande qu'il ne le faut pour que la pression d'air de balayage - c'est-à-dire la pression existant dans le collecteur d'air de balayage et nécessaire pour chasser la quantité d'air fournie par le souffleur à travers le moteur et la turbine - soit supérieure à celle qui serait.normalement nécessaire pour obtenir une charge suffisante avec un balayage normal.
Le fait est que, par suite de cet accroissement de pression dans le collecteur d'air de balayage, la durée de la période d'ouverture de l'organe d'admission peut-être réduite et, étant donné que la durée de la période nécessaire de pré-échappement et de la période de post- échappement, mentionnée ci-après, n'est pratiquement pas influencé.
par la valeur de la pression d'air de balayage, le résultat total sera donc une réduction de la période d'ouverture totale des or- ganes d'admission et d'échappment et par conséquent une augmenta- tion des courses utiles de compression et de travail'
Ceci prouve que l'accroissement de la pression d'air de balayage, pour une même consommation d'air, permet l'énergie disponible du pré-échappement et du balayage d'être utilisée plus efficacement et ceci est à relier au fait que la perte d'énergie pendant la période de balayage - exprimée par la différence entre la pression dansie collecteur d'air de balayage et la pression immédiatement avant la turbine - décroît avec l'accroissement de la pression de balayage,
à la fois en valeur absolue et encore plus par rapport à la pression de balayage, tandis qu'en même temps la réduction des variations de pression, par suite de l'accroissement de la pression de balayage, a pour résultât un accroissement de l'efficacité de' la turbine, considérée sur une certaine période. De ce fait, l'organe d'échappement peut être ouvert à un moment plus tardif de la course d'expansion sans ren- dre l'énergie disposible pour la turbine ,insuffisante.
Ainsi, la pression'dans le collecteur d'air de balayage
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ogt fortement supérieure ..3.s prAsr d8.)n1et!t.,en charge envisagée dans le cylindre au début de la compression, et par conséquent, une
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caractéristique essentielle de l'invention est que la surface de passage/du système de guidage de la turbine ou la section de celui- ci reliée à l'organe d'échappement est adaptée aux temps d'ouver- ture et de. fermeture des organes d'admission et d'échappement de telle sorte que la pression de balayage, en fonctionnement normal du moteur, atteint une valeur.
telle que la quantité d'air s'échap- pant du cylindre à travers l'organe d'échappement et le système de guidage de la turbine pendant la "période de post-échappement" - c'est-à-dire l'intervalle entre les temps d'ouverture des orga- nes d'admission et d'échappement - devient si grande que la quan- titié d'air présente dans le cylindre à la fermeture de l'organe d'échappement est en rapport normal et convenable avec la quantit4 totale d'air admise par l'intermédaire de l'organe d'admission, ce qui indique un balayage norxxl.
Suivant la présente invention, l'utilisation d'une pé- riode de post-échappement est une condition essentielle pour la réalisation du mode de fonctionnement envisagé et l'adaptation de la durée de la période de post-échappement détermine les c ondi- tions existant dans le cylindre de moteur au début de la course de compression, que le post-échappement soit ceterminé positivement en fermant les lumières d'admission ou qu'il soit terminé avant ce moment par suite d'une élévation de pression, dans le tuyau d'échappement, provenant du* début d'échappement d'un cylindre relié au même système de guidage de la turbine ou à la même sec- tion de celui - ci.
Dans une forme de réalisation avantageuse de l'invention. les périodes efficaees des organes d'admission et d'échappement et la surface de passage du système particulier de guidage de la turbine, ou de la section particulière de celui-ci, sont choisies de telle sorte que, pendant le fonctionnement normal, un volume d'air de course totale ou incomplète sèulement, à la pression et à la température existant dans le collecteur d'air de 'balayage, s'écoule dans le cylindre pendant la période d'ouverture de
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l'organe d'admission.
Dans une autre variante de l'invention, l'on a aussi pour but, en établissant la système de guidage de la turbine, d'adapter celui-ci à une période de post-échappement choisie de telle sorte qu'elle devient suffisante comme période de post- échappement pendant le fonctionnement, du moteur dans le sens de rotation opposée, grâce à quoi le fait qu'une période de post- échappement est requise pour la réalisation de l'invention est utilisé pour permettre le renversement du sens de marche du mo- teur sans déplacer les commandes des organes d'admission et d'é- chappement.
Ceci peut être effectué, suivant une forme de réalisas tion de l'invention, en donnant auxmoyens de commande des organes d'échappement, moyens qui comprennent un arbre à cames ou des le- e viers ou des excentriques sur le vilbrequin principal ou sur un arbre de commande séparé, une avance angulaire de 6 à la par rap- port à la'manivelle principale dans le sens de rotation normal, la surface de pré-échappement pour le.fonctionnement dans le sens de rotation normal ayant alors une dimension telle que la pression entre l'organe d'échappement.et la turbine est tombée à une valeur à peu près égale à celle de la pression dans le collecteur d'air . de balayage quand l'organe d'Admission est ouvert.
L'invention est représentée aux dessins annexés, dans lesquels
La figure 1 est une vue schématique, en coupe verticale, d'une forme de réalisation d'un moteur à combustion interne à deux temps avec turbo-compression suivant 1'.invention.
La figure 2 est une vue schématique, en plan, d'un groupe de 4 cylindres d'un tel moteur relié à un groupe turbo- souffleur usuel.
La figure 3 est une vue correspondante d'un groupe de 3 cylindres.
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La figure 4 est un diaphragme de la commande et des conditions de pression existantes en fonctionnement normal.
Dans les dessins, 1 désigne un moteur à combustion in- terne à deux temps fonctionnant avec des pistons opposés dans un cylindre commun 2, à savoir un.piston principal 3 et un piston supérieur 4. Le piston principal est relié à une manivelle 5 or- dinaire, au moyen d'une bielle de liaison 7 et d'une tige de pis- ton 8, tandis que le piston supérieur 4 est relié à une paire d'excentriques 6 sur le vifbrequin principal, montés de chaque coté de la manivelle 5 et munies de brides d'excentrique 9 reliées aux tirants 10 guidés verticalement.
L'extrémité inférieure du cylindre 2 pénètre et s'ouvre librement dans un collecteur d'air de balayage' 11,qui est commun à tous les cylindres du moteur ou qui peut être divisé en sections pour des groupes de ceux-ci. Le piéton principal 3 commande les , lumières de balayage 12 dans l'extrémité du cylindre 2 situéedans le collecteur d'air de balayage 11, tandis que le piston supérieur 4 commande les lumières d'échappement 13, une seule rangée desquelles est représentée schématiquement à la figure 1.
Il peut être prati- que d'utiliser deux rangées du plus de lumières d'échappement l'une au-dessus de l'autre,, -comme supposé par exemple dans le cas représenté au diagramme de la figure 4. '
Les lumières d'échappement sont en communication direc- te, au moyen de tuyapx d'échappement, avec le système de guidage d'une turbine d'échappement 15,correspondant audit cylindre ou grou- pe de cylindres ou avec une'section déterminée dudit système.
Aux , figures 1 et 3, ce tuyau d'échappement est supposé être composé d'une section centrale 14 et de deux dér4vations latérales 22, tandis que dans la forme de réalisation de la figure 2, il est cons. titué par deux, ramifications séparées, chacune d'elle bifurquant, de telle sorte que les 4 cylindres représenté* sontreliés deux par .Jeux à une moitié du système de guidage de la turbine.
Apres avoir fourni du travail dans la turbine 16, les
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gaz déchappement sortent par le tuyau 16 d'élimination des gaz.
La turbine d'échappement 15, est'directement accouplée à un souffleur 17 qui aspire de l'air de l'atmosphère par l'in- termédiaire d'un tuyau 18 et envoie l'air comprimé, par l'intermé- diaire d'un tuyau 19 et d'un refroidisseur intermédiaire 20, à i un,tuyau d'air de balayage 21 qui est fixé sur le coté du collec- teur d'air de balayage 11 et qui est en communication libre avec celui-ci.
Le mode de fonctionnement sera maintenant mieux expli- qué en se référant au diagramme de la figure-4, en supposai que le moteur tourne dans le sens de rotation normal indiqué par une flèche à la figure 1.
Dans le diagramme de la figure 4, les courbes U et S indiquent de la façon usuelle,les surfaces de passage des lumières d'échappement et d'admission, respectivement, découvertes en un Moment quelconque, portées en ordonnées au-dessus/un axe des ab- bisses indiquant la position angulaire de la manivelle principale, en degrés comptés des deux côtés à partir de la position du point .mort inférieur BDP du piston principal comme origine.
La période d'ouverture des lumières d'admission s'étend, comme il apparaît d'après la courbe 3, sur ?0 ,situés symétrique-, ment par rapport à BDP, tandis que la période d'ouverture des lu- mières d'échappement, comme représentée par la courbe U, comprend
130 situés symétriquement par rapport au point UDP correspondant . à la position de ppint mort extérieur du piston supérieur, point qui est avancé de l'angle Ó .sur BDP. Dans l'exemple représen- té, l'angle Ó vaut 7 ,
Dans l'exemple représenté, donc, les lumières d'échap- pement commencent à s'ouvrir 37 avant les lumières d'admission, tandis qu'elles sont à nouveau fermées 23 après la fermeture des lumières d'admission.
Dans le diagramme, trois courbes PS, PU et PC ont
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également été représentées, courbes qui indiquent les valeurs momentanées des pressions dans le collecteur d'air de balayage, dans le tuyau d'échappement et dans le cylindre de moteur, respec- tivement, en pression absolue, l'axe des agisses représentant la ligne atmosphérique.
La pression PS dans le collecteur d'air de balayage peut être considérée, pendant le fonctionnement normal, comme étant constante, de telle sorte que la courbe PS a la forme d'une droite parallèle à l'axe des abscisses.
La pression avant la turbine, d'un autre coté, varie fortement comme il apparaît d'après la courbe PU, s'élevant d'a- bord très rapidement aussit8t que le pré-échappement commence à l'ouverture des lumières d'échappement et atteignant très vite à peu près la même valeur que la pression existant au même moment dans le cylindre de moteur, dont elle ne diffère, pendant toute la période de pré-échappment que par les pertes de pression relative- ment insignifiantes dans les lumières et le tuyau d'échappement
De ceci, il ressort que l'échappement du et la chute de pression dans le'cylindre de moteur pendant cette période sont pratiquement déterminés par les minensions du système de guidage de la turbine, et la période de pré-échappement,.
a une durée ,telle que, dans les conditions donnée,, la pression a le temps de tomber jusqu'à environ la pression PS existant dans le collecteur d'air de balayage avant que la période d'admission ne soit commencée à l'ouverture des lumières de balayage 12, comme il ressort égale. ment du diagramme.
Pendant la dernière partie de la période d'ou- verture des lumières d'admission, la pression P dans le cylindre atteint, par suite de l'admission constante à travers les lumières de balayage 12, pratiquement la même valeur que la pression PS, dans le collecteur d'air de balayage, tandis que la pression PU immédiatement avant la turbine, comme c'était précédemment le cas, suit la pression PC dans le cylindre avec la céduction de la perte
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de pression provoquée par la circulation à travers les lumières et le tuyau d'échappement.
Après la fermeture des lumières-de balayage 12, la pres- sion PC se règle d'elle-même à la valeur désirée par la continua- tion de l'échappement du cylindre à travers les lumières d'échap- pement qui sont maintenues ouvertespendant la période de pré- échappement mentionnée ci-dessus.-Dans 1''exemple représenté à la figure 4, au même système de guidage de la turbine sont réliés trois cylindres de moteur fonctionnant avec un déphasage, l'un pai rapport à l'autre, de 120 , et la pression PU dans le tuyau d'é- chappement par conséquent, comme représenté par la partie de cour- be montante PU,,commencera à s'élever par suite du début de l'é- chappement du cylindre suivant avant que les lumières d'échappement du cylindre en question ne soient complètement fermées,
de telle sorte que la fin de la partie efficace de la période de post- échappement et le réglage des conditions de pression dans le cylin- dre au début de la course de compression seront plus ou moins influencés par les conditions de pression établies de la sorte dans le tuyau d'échappement. Dans le diagramme, ce cicessort du fait que la courbe PC cesse de descendre et commence à monter assez rapidement avant que les lumières d'échappement, suivant la courbe U, ne soient complètement fermées.
Ce phénomène peut être utilisé, dans les moteurs où les cylindres peuvent être groupés par trois, pourfendre le diagramme de commande entièrement ou pratiquement symétrique par la réduction de l'angle d'avance Ó , les conditions nécessaires pour éviter , un post-échappement trop important pouvant ainsi être obtenues sahs qu'il faille fermer positivement les lumières.
La période de post-échappement peut par conséquent avoir une plus grande durée dans le diagramme de commande, ce qui peut être important pour son utilisation période depré-'échappement pendant le fonc- tionnement dans le sens inverse de rotation.,
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Un moteur à combustion interne à deux temps avec turbo- compression établi suivant l'invention peut généralement, dans toutes les conditions de fonctionnement normales, y compris des arrêts et démarrages, fréquents et par exemple, dans le cas de moteurs marins, des manoeuvres fréquentes et prolongées alternati- vement dans les deux sens de rotation et avec diverses puissances,
fonctionner de façon pleinement satisfaisante uniquement avec la quantité d'air de balayage et de mise en charge fournie par le turbo-souffleur au moyen de l'énergie contenue dans les gaz d'é- chappement. L'invention peut, toutefois, également être appliquée à des installations motrices où sont également prévus d'autres moyens pour l'alimentation en air de balayage et de mise en charge, moyens qui fonctionnent en tant que réserves en cas de panne totale ou partielle des turbo-souffleura ou en tant que suppléments plue ou moins permanents en parallèle ou en série avec le débit de ces peut derniers.
Ceci/particulièrement se présenter dans le cas de l'adap- tation de. l'invention à des moteurs existants ou l'application, de l'invention dans des moteurs de types utilisés précédemment en préservant totalement ou partiellement les souffleurs d'air de balayage et de Mise en charge.
Il est également possible de donner, en permanence ou par intermittence, aux gaz d'échappement un con- tenu en énergie accru sur son chemin des organes d'échappement au système de guidage de la turbine de préférence par chauffage effec- tué par exemple par,la combustion de carburant injecté dans un excès d'air présent dans les gaz d'échappement, et il est de même possible d'aider,en permanence ou occasionnellement, l'entraïne- ., ment du souffleur par la turbine d'échappement avec une autre force d'entraînement obtenus par exemple à partir d'un moteur électrique.
L'invention peut être appliquée à d'autres types de voleurs à combustion interne à deux temps que le moteur à simple effet à pistons opposés représente. Les organce d'échappement
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peuvent par exemple, au lieu d'être constitués par des luaiéres d'échappement commandées par piston, être des tiroirs ou des sou- papes tubulaires, et le moteur peut être établi sous forr.ie de moteur à double effet.