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La présente invention se rapport aux moteurs compound du,genre comprenant un moteur à pistons à combustion interne (appelé ci-après le moteur à pistons, un turbo-compresseur com- prenant une turbine disposée de manière à être actionnée par les gaz d'échappement du moteur à pistons,un compresseur disposé de manière à débiter de l'air de combustion au moteur à pistons et une transmission entre le rotor, le turbo-compresseur et le vilebrequin du moteur à pistons, comprenant un accouplement qui peut être débrayé de manière que la puissance puisse être trans- mise du vilebrequin du moteur à pistons au rotor du turbo-compres- seur, ou vice versa, suivant les conditions de service.
L'inven- tion se rapportségalement aux dispositifs de commande de ce genre @
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de moteur compound.
L'accouplement est de préférence du typeà patinage varia- ble. Il peut être du type hydraulique commandé, c'est-à-dire du genre dans lequel la quantité de liquide peut être variée de ma- nière à varier le patinage de l'accouplement, ou, s'il est d'un autre type d'un genre qui permet aux vitesses relatives du rotor, du turbo-compresseur et du ou des vilebrequins de varier suivant les différentes conditions de service.
Suivant la présente invention, un moteur compound du gen re décrit ci-dessus comprend une ou plusieurs chambres de combus- tion auxiliaires situées dans le ou les conduits d'échappement du moteur à pistons en amont de la turbine comportant un dispo- sitif pour l'injection de combustible dans cette chambre ou ces chambres,de combustion auxiliaires pour être brûlé avec de l'air en excès contenu dans les gaz d'échappement du moteur à pistons de manière que lorsqu'on le désire, le turbo-éompresseur puisse fonctionner plus ou moins comme turbine à combustion autonome dans laquelle au moins une partie de l'air débité par le compres- seur passe par le moteur à pistons, est brûlé avec du combustible ,dans la ou les chambres de combustion auxiliaires et procure ainsi du fluide moteur supplémentaire pour la turbine.
L'invention s'applique particulièrement aux moteurs compound du genre décrit dans lesquels le moteur à pistons fonc- tionne suivant un cycle à deux temps et dont le recouvrement des lumières est tel qu'une quantité substantielle d'air en excès de l'air requis pour la combustion dans les cylindres du moteur à piston puisse passer par le moteur pendant la marche, procurant ainsi l'air d'appoint pour supporter la combustion dans la ou'les i chambres de combustion auxiliaires mais en tous cas, si on le désire,'un passage by-pass commandé peut être prévu, par lequel de l'air peut passer directement du compresseur à l'échappement du moteur à pistons en amont de la ou des chambres de combustion auxiliaires.
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Suivant une autre particularité de l'invention le dispo- sitif de commande d'un moteur compound. du genre décrit comporte pour le moteur à pistons un régulateur à référence variable, com- mandé à la main, répondant à la vitesse du moteur à pistons et disposé de manière à régler le débit de combustible à ce moteur et à maintenir ainsi la vit-esse de ce moteur en substance constante. pour chaque réglage de la commande manuelle, et un dispositif sensible à la vitesse du moteur à pistons réglant le débit de com- bustible a cu aux chambres de combustion auxiliaires de manière à débiter du combustible à un taux prédéterminé à ou aux chambres de combustion pour chaque vitesse du moteur à pistons.
Le dispo- sitif de commande comporte également de préférence un régulateur sensible à la vitesse du turbo-compresseur'et disposé de manière à ne'faire augmenter le débit de combustible à ou aux chambres de combustion auxiliaires que lorsque la vitesse du turbo-compres- seur tombe sous une valeur prédéterminée, approchant de la vites- se maximum à laquelle il est autonome c'est-à-dire la vitesse à laquelle il peut fonctionner comme moteur à turbine à combustion autonome.
De préférence, le dispositif de commande comporte égale- ment un dispositif sensible à la vitesse du turbo-compresseur et de préférence sensible au rapport entre la vitesse du turbo-com- presseur et la vitesse du moteur à pistons et prévu pour commander automatiquement l'embrayage ou le débrayage de l'accouplement, de manière que dans la partie inférieure de la gamme de vitesses du moteur à pistons l'accouplement soit hors d'action que dans la partie intermédiaire de la gamme de vitesses du moteur à pistons l'accouplement soit progressivement amené en fonctionnement par l'accroissement de vitesse de ce moteur, et que dans la partie su- périeure de la gamme de vitesses du moteur à pistons l'accouplement ..soit en plein fonctionnement.
Ainsi, dans la partie inférieure de la gamme de vitesses du moteur à pistons l'accouplement hydraulique est hors d'action
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et le turbo-compresseur tourne librement et utilise le surplus de puissance des gaz d'échappement du moteur pour entraîner le compresseur sauf si,
en raison d'une réduction de charge du mo- teur à pistons le régulateur entraîné par ce moteur réduit le dé- bit de combustible à un point auquel le turbo-compresseur ap- proche de sa vitesse minimum autonome et qu'ensuite le régula- teur approprié fait débiter du combustible supplémentaire à ou aux chambres de combustion auxiliaires pour maintenir la vitesse du turbo-compresseur.au-dessus de la valeur minimum à laquelle il fonctionne de façon autonome. Sur une partie intermédiaire de la gamme de vitesses du moteur à pistons l'accouplement hydraulique est amené progressivement à fonctionner à mesure que croît la vitesse de ce moteur et dans cette gamme également, si en raison de'la-réduction de charge du moteur à pistons,
le débit de com- bustible à ce moteur est réduit de façon correspondante et la vitesse du turbo-compresseur approche ainsi de la valeur minimum à laquelle il est autonome, le même régulateur fait débiter du fluide à ou aux chambres de combustion auxiliaires pour maintenir la vitesse du turbo-compresseur au-dessus de cette valeur minimum.
Dans la partie supérieure de la gamme de vitesses du moteurs à pistons, l'accouplement hydrauli'que est maintenu en fonctionnement continu et ceci maintient la vitesse du turbo-com- presseur à une valeur appropriée et permet également de transmette la puissance en excès du turbo-compresseur au vilebrequin ou vile-. brequins.
On décrira ci-après à titre d'exemple une forme de réali sation d'un moteur compound et le dispositif de commande suivant la présente invention.
Dans les dessins annexés la'figure 1 représente schéma- tiquement partie' en coupe;,le dispositif de commande du moteur compound.
Figure 2 est un graphique représentant les vitesses rela-
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tives du turbo-compresseur et du moteur à pistons, et
Figure 3 est une vue en élévation, simplifiée et partie en coupe, représentant les éléments principaux du moteur compound,
Le moteur comprend un moteur à pistons (représenté dans son ensemble en 50 sur la figure 3) du type à deux temps à plu- sieurs vilebrequins et à allumage par compression comprenant par exemple trois vilebrequins disposés avec leurs axes au sommet d'un triangle équilatéral et une rangée de cylindres s'étendant entre chaque paire adjacente de vilebrequins.
Comme représenté sur la figure 3, seuls deux des trois vilebrequins 51, 52 sont visibles, mais les .trois vilebrequins sont reliés entre eux par des engrenages 53, et un pignon de sortie commun 54 de ces engrenages est relié par l'intermédiaire d'un réducteur de vitesse 55, comportant un accouplement de renverse- ment de marche 56, à un arbre de sortie principal 57. Chaque cy- lindre écaillent deux pistons 58, 59 reliés respectivement aux deux vilebrequins adjacents 51, 52 et commandant respectivement les lumières d'admission et d'échappement 60, 61 des parois du cylin- dre.
Un compresseur à étages multiples et flux axial 62 est asso- cié au moteur à pistons et est logé par exemple dans l'espace triangulaire entre les trois rangées de cylindres, l'admission 63 de ce compresseur étant reliée à l'atmosphère tandis que l'échap- pement 64 est relié aux lumières d'admission 60 du moteur à pis- tons.
Le rotor 65 de ce compresseur est relié directement au rotor 66 d'une turbine 67, l'admission 68 de la turbine étant re- liée aux passages d'échappement 69 du moteur à pistons par l'in- termédiaire d'une ou plusieurs chambres de combustion auxiliaires
6 comportant des dispositifs pour l'injection du combustible. Un ou plusieurs passages by-pass 71 commandés par les valves 72 (appe- lées ci-après valves by-pass) s'étendent entre le passage de débit
64 du compresseur et le passage d'échappement 69 du moteur à pis- tons en un point de ce passage d'échappement, éloigné de la cham-
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bre de combustion 70 de la turbine 67.
L'ensemble tournant du compresseur et de.la turbine 65,
66 (appelé ci-après le rotor du turbo-compresseur) est relié, par l'intermédiaire d'engrenages de transmission appropriés 73, 74 et d'un accouplement hydraulique réglable¯75, au pignon 53 du vile- brequin par l'intermédiaire d'un arbre 75. L'accouplement 75 est du type connu comportant un dispositif par lequel la quantité de liquide contenu peut être variée de manière à changer le degré de patinage de l'accouplement.
Le dispositif de commande représenté schématiquement sur la figure 1 du dessin annexé comprend un régulateur 1 du genre hydraulique pour commander la vitesse du moteur à pistons en réglant par l'intermédiaire d'un arbre 2,'les crémaillères de la ou des pompes d'injection de combustible du moteur de façon con- nue, ce régulateur hydraulique comprenant une pompe 3 disposée de manière à être entraînée par le moteur à pistons par l'intermé- diaire du pignon de vilebrequin 53 et à débiter une pression hy- draulique dépendant de la.vitesse de ce moteur. Ce régulateur ne sera pas décrit plus en détails, étant de type connu. Une forme de réalisation d'un tel régulateur est décrite en d étails dans le brevet belge n 521. 779 de la Demanderesse.
Le dispositif comporte en outre une paire de régulateurs
4 et 5 sensibles à la vitesse du rotor du turbo-compresseur.
Du combustible est débité à la chambre de combustion auxiliaire 6, par un passage de débit de combustible 7, par un dispositif de dosage et.de débit de combustible 8 connu compre- nant une pompe à entraînement constant et à débit variable 9 com- portant un dispositif de réglage automatique lui permettant de main tenir en tout temps une chute de pression prédéterminée dans un dispositif à orifice de dosage, indiqué en 10, dont la section ef- fective est variée pour régler la quantité de combustible débité par le conduit de débit 7 à la chambre de combustion auxiliaire 6.
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La pompe 9 est alimentée de combustible par un réser- voir 80, par l'intermédiaire d'une pompe 81 et d'un conduit 82, et revient de la pompe 9 par un conduit 83. Dans la disposition repré- sentée, la section effective de l'orifice de dosage du dispositif 10 est réglée par deux manchons commandés indépendamment 11 et 12' Le manchon 11 est commande par l'intermédiaire d'une bringlerie, indiquée en 13 sur la figure 1 par le piston 14 d'undispositif servo-hydraulique 15 dont la valve de commande 16 est commandée par un diaphragme 17 soumis à l'augmentation de pression dans la pompe 3 (transmise par les conduits 84, 85) et par conséquent à la vitesse'du moteur à pistons 1.
A la pression produite par la pompe 3 et agissant sur le diaphragme 17 est opposé un ressort 18 dont la force effective peut être variée par une came 19 reliée par un'levier 20 à la tige du piston 14, de manière que à chaque pression régnant dans le passage de débit de la pompe 3, c'est- à-dire à chaque vitesse du moteur à pistons corresponde un ré- glage prédéterminé du piston 14 et par conséquent du manchon 11.
Ainsi, pour chaque vitesse du moteur à pistons correspond un taux de débit de combustible prédéterminé à la chambre de combustion 'auxiliaire 6, en supposant que le manchon 12 reste stationnaire.
Le manchon 12 reste normalement dans la position re-= présentée mais peut être commandé par le piston 21 d'un dispositif servo-hydrauliqutll dont la valve de commande 22 est actionnée par le régulateur 5, la disposition étant telle que le piston 21 reste. dans une position de référence normale jusqu'à ce que la vitesse' du turbo-compresseur, entraînant le régulateur 5, tombe à un ni- veau approchant celui de la vitesse minimum à laquelle le turbo- compresseur est autonome. Le régulateur 5 ouvre aiors la valve 22 pour déplacer le piston 21 et le manchon 12 dans un sens dans le- quel ce dernier débite du combustible ou augmente le débit de combustible à,la chambre de combustion auxiliaire 6.
Un dispositif de commande d'allumage 23 est prévu dans le conduit 7 et comprend un piston 24 sur lequel agit un ressort de
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compression 25, qui lorsque du combustible ne s'écoule pas dans le passage 7, maintient le piston dans une position dans laquelle il coupe la communication entre les deux parties du conduit 7, des deux c8tés du dispositif 23. Cependant, lorsque du combustibl, est débité par le conduit,7, le piston est poussé vers le bas de manière à établir une communication entre les deux parties du conduit 7 et à fermer un interrupteur qui alimente, par l'inter- médiaire de conducteurs indiqués en 26, un allumeur 86 logé dans la chambre de combustion 6.
Le piston 25 agit également comme valve pour empêcher un retour des gaz d'échappement par les cham- bres de combustion et pour empêcher un écoulement lorsque le dé- bit de combustible par le conduit 7 est coupé.
Un dispositif sensible à la température 28 est disposé dans* le passage 68, par lequel passeiles produits de combustion allant à la turbine,ce dispositif 28 est situé du côté de la chambre de combustion 6 adjacent à la turbine et commande un dis- positif d'interrupteur 29 qui peut avoir deux fonctions, l'une de couper l'allumeur 86 lorsque la température atteint une valeur indiquant que du combustible est injecté dans la chambre de com- bustion auxiliaire 6 et est enflammé et l'autre, à une température considérablement plus élevée de couper complètement l'injection de combustible si la température dépasse un maximum prédéterminé considéré comme température maximum pouvant être tolérée sans danger à l'admission de la turbine.
Le régulateur 4 actionne la valve de commande 30 d'un dispositif servo-hydraulique dont le piston 31 commande, par l'in- termédiaire d'une tringlerie 32 et d'une valve 33, le remplissage de l'accouplement hydraulique 75 de la transmissin entre le ro- tor du turbo-compresseur et le vilebrequin du moteur à pistons.
Ce régulateur 4 est en outre influencé par le réglage de son ressort $4, Ce réglage étant variable à l'aide d'une came 35 reliée par un levier approprié 87 au piston 14, de manière que la valve 30, et
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par conséquant le piston 31, commande par le régulateur 4, agis- sent suivant le rapport existant entre la vitesse du rotor du turbo-compresseur et la vitesse du moteur à pistons.
Le régulateur 5 peut actionner des contacts électriques indiques en 36 pour former un circuit qui coupe complètement le dispositifde débit de combustible lorsque le turbo-compres- seur dépasse la vitesse maximum prédéterminée considérée sans danger. @ ,
Le moteur compound comprend un démarreur, tel qu'un dé- marreur électrique 90 au moyen duquel, avec 1'accouplement hy- draulique 75 vide, le turbo-compresseur peut être entraîné à sa vitesse de démarrage et ensuite maintenu en marche autonome par injection de combustible par le conduit 7 dans la chambre de com- bustion 6, de manière qu'il fonctionne comme une turbine à cora- bustion autonome.
Il est maintenu ainsi en marche jusqu'à une vitesse à laquelle il d,éveloppe en substance une puissance.en excès, et l'accouplement hydraulique 75 est alors progressivement rempli de fluide d'un accumulateur indiqué en 37, avec amorçage préalable par une pompe 38, de manière que le couple du turbo- compresseur entraîne le vilebrequin du moteur à pistons et fasse démarrer celui-ci. le moteur compound est ainsi mis en marche et, < avec ce système de démarrage, étant donné que l'air débité par le compresseur 62 du turbo-compresseur est :
une température notable le démarrage du moteur , pistons est facilité quoique son taux de compression puisse être tel que s'il aspirait de,l'air froid une température d'allumage.autonome ne serait pas atteinte dans les chambres de combustion du moteur à pistons.
Avec un moteur compound suivant la présente invention, le taux de compression du turbo-compresseur à n'importe quel moment est en grande partie indépendent des conditions de .fonctionnement du moteur à pistons, ce qui facilite également 1'obtention d'un
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bon ralenti du moteur à pistons en permettant à l'air qui lal est débité d'être maintenu à tout moment à une pression et à une température qui assurent de façon satisfaisante un allumage spontané dans les chambres de combustion du moteur à pistons.
Lors'-du processus de démarrage décrit ci-dessus, il est nécessaire et souhaitable d'ouvrir la valve by-pass 72 dans le passage.71 qui relie le passage de débit 64 du compresseur au passage d'échappement 69 du moteur à pistons en amont de la cham- bre de combustion 6..A cette fin,la valve 72 peut être reliée mécaniquement à un levier de commande à main de démarrage 88 qui actionne également une valve 89 du conduit de débit de fluide sous pression alimentant l'accouplement 75.
D'autre part, dans les gros moteurs à deux temps multi-cylindres, le recouvrement des'lumières peut être tel.. qu'il laisse passer suffisamment d' air à travers le moteur lui-même, lorsque celui-ci est arrêté, pour permettre au turbo-compresseur de démarrer et de fonction- ner comme une tubine à combustion jusqu'à une vitesse ou sa puis- sance est suffisante pour faire démarrer le moteur à pistons de la manière décrite ci-dessus sans utiliser le conduit de by-pass.
En'outre, le passage d'air dans un ou plusieurs des cylindres du moteur à pistons pendant cette période de démarrage peut faciliter le démarrage en réchauffant ce ou ces cylindres.
La figure 2 'des dessins représente un graphique montrant une série de conditions de fonctionnement qui peuvent être obte- nues pour les différentes gammes de vitesses de vilebrequin du moteur compound suivant la présente invention.
Pour un moteur compound pouvant servir à la propulsion de bateaux, on a supposé trois zones de fonctionnement, chacune associée à sa propre gamme.de vitesses de vilebrequin du moteur.
Dans la zone 1, dans laquelle la gamme de vitesses de vilebrequin est de 0 à 1200 tours par minute, le régulateur 4 occupe une posi- tion telle qu'il maintient l'accouplement hydraulique 75 hors d'action, tandis que; en supposant que le moteur fonctionne sous
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un couple constant, le débit de combustible à la chambre de com- bustion 6 est maintenu par le manchon 11 sous la commande du dispositif 15 à une valeur à laquelle il maintient le turbo- compresseur à la vitesse appropriée, c'est-à-dire par exemple représentée par la ligne G' G ou la ligne D-E. Si, pendant cette période, en raison par exemple des conditions de service du ba- 'teau, le couple et, par conséquent, le débit de combustible au moteur à pistons sont réduits substantiellement à un point où à la vitesse en question,
la puissance disponible des gaz d'échap- pement du moteur à pistons, augmentée par le débit de combustible dans la chambre de combustion 6 assure par le manchon 11, devient insuffisante pour maintenir le turbo-compresseur à une vitesse supérieure à sa vitesse de fonctionnement autonome, le régula- teur 5 entre en fonctionnement pour augmenter le débit de combus- tible à la chambre de combustion 6 et ainsi empêche le turbo- compesseur de tomber sous cette vitesse minimum de fonctionnement autonome. Le débit de combustible à la chambre.de combustion 6 ,
maintient alors le turbo-compresseur à une vitesse qui est située théoriquement dans la bande B1 C1 mais qui viendrait.en fait dans la bande b, C à cause de l'élan du régulateur du moteur alternatif, Dans la. zone 2, dans laquelle'la gamme de vitesses du moteur à pistons est de 1200 à 1800 tours par minute, le débit de combusti- ble à la, chambre de combustion 6 est normalement coupé., étant donné que, dans des conditions de service normales, les gaz d' échappement du moteur à pistons sont assez puissants pour main- tenir le turbo-compresseur à la vitesse nécessaire pour que le moteur à pisons soit suffisamment alimenté d'air.
Dans cette; zone également, si pourune raison quelconque le couple, et par conséquent le débit de combustible au moteur à pistons, tombent à un point auquel la vitesse du turbo-compresseur approche de la vitesse minimum de fonctionnement autonome, le régulateur 5 entre' en action pour que du combustible soit débité dans la chambre de combustion 6 comme indiqua par la ligne M1 L K, et le turbo-compresseur fonctionne
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alors dans la gamme de vitesses L K jusqu'à ce qu'une augmenta- tion du débit de combustible au moteur à pistons intervienne et fasse passer 'sa vitesse dans une gamme supérieure.
Lors du fonctionnement dans la zone 2, l'accouplement hydraulique 75 est progressivement rempli à mesure qu'augmente la vitesse du moteur à pistons, d'une façon dépendant du rapport entre la vitesse du moteur à pistons et la vitesse du rotor du turbo-compresseur, sous la commande du régulateur 4.
Lors du fonctionnement dans la zone 3, où la vitesse du moteur à pistons est comprise entre 1800 et 2000 tours par minute, l'accouplement hydraulique 75 est en plein fonctionnement et le débit de combustible à la chambre de combustion 6 est complète- ment coupé, le rapport entre la vitesse de rotation du moteur à pistons et celle du turbo-compresseur étant ainsi en substance stable et approximativement celui indiqué par la bande J.
Dans une variante possible, le dispositif de commande de l'allumeur automatique 23 peut être omis, et le réglage de la ré- f4rence de l'orifice de dosage du combustible est calculé de ma- nière .qu'une petite quantité de combustible soit continuellement débitée à la chembre de combustion 6, suffisante pour maintenir une combustion dans cette chambre dans toutes les conditions.de service. L'allumeur 86 lui-même est maintenu pour l'allumage ini- tial lorsque le moteur doit être mis en marche, ce système étant normal pour les moteurs à turbine à combustion interne.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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The present invention relates to compound engines of the type comprising an internal combustion piston engine (hereinafter called the piston engine, a turbo-compressor comprising a turbine arranged so as to be actuated by the exhaust gases. of the piston engine, a compressor arranged to deliver combustion air to the piston engine and a transmission between the rotor, the turbo-compressor and the crankshaft of the piston engine, comprising a coupling which can be disengaged so that power can be transmitted from the piston engine crankshaft to the turbo-compressor rotor, or vice versa, depending on the operating conditions.
The invention also relates to control devices of this kind.
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of compound engine.
The coupling is preferably of the variable slip type. It can be of the hydraulic controlled type, that is to say of the kind in which the quantity of liquid can be varied so as to vary the slip of the coupling, or, if it is of another type. of a kind which allows the relative speeds of the rotor, the turbo-compressor and the crankshaft (s) to vary according to different operating conditions.
According to the present invention, a compound engine of the type described above comprises one or more auxiliary combustion chambers located in the exhaust duct or ducts of the piston engine upstream of the turbine comprising a device for the combustion. injection of fuel into this auxiliary combustion chamber or chambers to be burnt with excess air contained in the exhaust gases of the piston engine so that when desired the turbo-compressor can be operated more or less as an autonomous combustion turbine in which at least part of the air supplied by the compressor passes through the piston engine, is burned with fuel, in the auxiliary combustion chamber (s) and thus provides fluid additional motor for the turbine.
The invention applies particularly to compound engines of the type described in which the piston engine operates in a two-stroke cycle and in which the coverage of the ports is such that a substantial quantity of air in excess of the air. required for the combustion in the cylinders of the piston engine to pass through the engine during operation, thus providing makeup air to support combustion in the or the auxiliary combustion chambers but in any case, if so. Desired, a controlled bypass passage can be provided, by which air can pass directly from the compressor to the piston engine exhaust upstream of the auxiliary combustion chamber (s).
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According to another feature of the invention, the device for controlling a compound motor. of the kind described comprises for the piston engine a variable reference regulator, controlled by hand, responsive to the speed of the piston engine and arranged so as to regulate the flow of fuel to this engine and thus maintain the speed. of this engine in substance constant. for each setting of the manual override, and a piston engine speed sensitive device regulating the flow of fuel a cu to the auxiliary combustion chambers so as to deliver fuel at a predetermined rate to the combustion chamber (s) for each speed of the piston engine.
The control device also preferably includes a regulator responsive to the speed of the turbo-compressor and arranged to increase fuel flow to the auxiliary combustion chamber (s) only when the speed of the turbo-compressor is increased. Its value falls below a predetermined value, approaching the maximum speed at which it is autonomous, that is to say the speed at which it can operate as a self-contained combustion turbine engine.
Preferably, the control device also comprises a device sensitive to the speed of the turbo-compressor and preferably sensitive to the ratio between the speed of the turbo-compressor and the speed of the piston engine and provided to automatically control the speed. clutching or disengaging the coupling, so that in the lower part of the piston engine speed range the coupling is inactive only in the middle part of the piston engine speed range the coupling is gradually brought into operation by the speed increase of this engine, and that in the upper part of the speed range of the piston engine the coupling .. is in full operation.
Thus, in the lower part of the piston engine speed range, the hydraulic coupling is disabled.
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and the turbo-compressor spins freely and uses the excess power from the engine exhaust gases to drive the compressor unless,
due to a reduction in load on the piston engine the regulator driven by this engine reduces the fuel flow to a point at which the turbo-compressor approaches its autonomous minimum speed and then the regulator appropriate tor causes additional fuel to be delivered to the auxiliary combustion chamber (s) to maintain the speed of the turbo-compressor above the minimum value at which it operates autonomously. On an intermediate part of the speed range of the piston engine the hydraulic coupling is gradually brought to operate as the speed of this engine increases and in this range also, if due to the reduction in load of the engine at pistons,
the fuel flow to this engine is correspondingly reduced and the speed of the turbo-compressor thus approaches the minimum value at which it is autonomous, the same regulator causes fluid to flow to the auxiliary combustion chamber (s) to maintain the turbo-compressor speed above this minimum value.
In the upper part of the piston engine speed range, the hydraulic coupling is kept in continuous operation and this keeps the speed of the turbo-compressor at an appropriate value and also allows excess power to be transmitted from the engine. turbo-compressor to the crankshaft or crankshaft. brequins.
One embodiment of a compound motor and the control device according to the present invention will be described below by way of example.
In the accompanying drawings, Figure 1 shows schematically part 'in section;, the control device of the compound motor.
Figure 2 is a graph showing the relative speeds
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turbo-compressor and piston engine tives, and
Figure 3 is an elevational view, simplified and partly in section, showing the main elements of the compound engine,
The engine comprises a piston engine (shown as a whole at 50 in FIG. 3) of the two-stroke type with several crankshafts and compression ignition comprising for example three crankshafts arranged with their axes at the top of an equilateral triangle. and a row of cylinders extending between each adjacent pair of crankshafts.
As shown in Figure 3, only two of the three crankshafts 51, 52 are visible, but the three crankshafts are connected together by gears 53, and a common output pinion 54 of these gears is connected via a speed reducer 55, comprising a reverse gear coupling 56, to a main output shaft 57. Each cylinder scales two pistons 58, 59 respectively connected to the two adjacent crankshafts 51, 52 and respectively controlling the lights of The intake and exhaust 60, 61 of the cylinder walls.
A multistage axial flow compressor 62 is associated with the piston engine and is housed for example in the triangular space between the three rows of cylinders, the inlet 63 of this compressor being connected to the atmosphere while the inlet 63 of this compressor is connected to the atmosphere. The exhaust 64 is connected to the intake ports 60 of the piston engine.
The rotor 65 of this compressor is connected directly to the rotor 66 of a turbine 67, the inlet 68 of the turbine being connected to the exhaust passages 69 of the piston engine by means of one or more auxiliary combustion chambers
6 comprising devices for fuel injection. One or more bypass passages 71 controlled by valves 72 (hereinafter referred to as bypass valves) extend between the flow passage
64 of the compressor and the exhaust passage 69 of the piston engine at a point in this exhaust passage, remote from the chamber.
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combustion bre 70 of the turbine 67.
The rotating assembly of the compressor and of the turbine 65,
66 (hereinafter referred to as the rotor of the turbo-compressor) is connected, by means of suitable transmission gears 73, 74 and an adjustable hydraulic coupling ,75, to the pinion 53 of the crankshaft via of a shaft 75. The coupling 75 is of the known type comprising a device by which the quantity of liquid contained can be varied so as to change the degree of slip of the coupling.
The control device shown schematically in Figure 1 of the accompanying drawing comprises a regulator 1 of the hydraulic type to control the speed of the piston engine by adjusting through a shaft 2, 'the racks of the pump or pumps. fuel injection of the engine in a known manner, this hydraulic regulator comprising a pump 3 arranged so as to be driven by the piston engine through the intermediary of the crankshaft pinion 53 and to deliver a hydraulic pressure depending on the speed of this motor. This regulator will not be described in more detail, being of a known type. One embodiment of such a regulator is described in detail in Belgian Patent No. 521.779 by the Applicant.
The device further comprises a pair of regulators
4 and 5 sensitive to the speed of the turbo-compressor rotor.
Fuel is delivered to the auxiliary combustion chamber 6, through a fuel flow passage 7, through a known metering and fuel flow device 8 comprising a constant drive and variable flow pump 9 comprising an automatic adjustment device allowing it to maintain at all times a predetermined pressure drop in a device with a metering orifice, indicated at 10, the effective section of which is varied to adjust the quantity of fuel delivered by the flow pipe 7 to the auxiliary combustion chamber 6.
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The pump 9 is supplied with fuel by a reservoir 80, via a pump 81 and a conduit 82, and returns from the pump 9 via a conduit 83. In the arrangement shown, the section effective of the dosing orifice of the device 10 is regulated by two independently controlled sleeves 11 and 12 'The sleeve 11 is controlled by means of a brindle, indicated at 13 in FIG. 1 by the piston 14 of a servo device -hydraulic 15, the control valve 16 of which is controlled by a diaphragm 17 subjected to the increase in pressure in the pump 3 (transmitted by the conduits 84, 85) and consequently at the speed of the piston engine 1.
To the pressure produced by the pump 3 and acting on the diaphragm 17 is opposed a spring 18 whose effective force can be varied by a cam 19 connected by a lever 20 to the piston rod 14, so that at each pressure prevailing in the flow passage of the pump 3, that is to say to each speed of the piston engine corresponds a predetermined setting of the piston 14 and consequently of the sleeve 11.
Thus, for each speed of the piston engine corresponds a predetermined fuel flow rate to the auxiliary combustion chamber 6, assuming that the sleeve 12 remains stationary.
The sleeve 12 normally remains in the position shown but can be controlled by the piston 21 of a servo-hydraulic device, the control valve 22 of which is actuated by the regulator 5, the arrangement being such that the piston 21 remains. in a normal reference position until the speed of the turbo-compressor, driving regulator 5, drops to a level approaching that of the minimum speed at which the turbo-compressor is autonomous. The regulator 5 then opens the valve 22 to move the piston 21 and the sleeve 12 in a direction in which the latter delivers fuel or increases the flow of fuel to the auxiliary combustion chamber 6.
An ignition control device 23 is provided in the conduit 7 and comprises a piston 24 on which a spring acts.
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compression 25, which when fuel is not flowing through passage 7, maintains the piston in a position in which it cuts off communication between the two parts of conduit 7, on both sides of device 23. However, when fuel, is supplied by the conduit 7, the piston is pushed downwards so as to establish communication between the two parts of the conduit 7 and to close a switch which supplies, via the conductors indicated at 26, an igniter 86 housed in the combustion chamber 6.
The piston 25 also acts as a valve to prevent backflow of exhaust gases through the combustion chambers and to prevent flow when the flow of fuel through line 7 is shut off.
A temperature sensitive device 28 is disposed in the passage 68, through which passes the combustion products going to the turbine, this device 28 is located on the side of the combustion chamber 6 adjacent to the turbine and controls a device d. 'switch 29 which can have two functions, one to cut off the igniter 86 when the temperature reaches a value indicating that fuel is injected into the auxiliary combustion chamber 6 and is ignited and the other, at a temperature considerably higher to cut off the fuel injection completely if the temperature exceeds a predetermined maximum considered to be the maximum temperature that can be safely tolerated at the inlet of the turbine.
The regulator 4 actuates the control valve 30 of a servo-hydraulic device, the piston 31 of which controls, via a linkage 32 and a valve 33, the filling of the hydraulic coupling 75 of the valve. transmission between the turbo-compressor rotor and the piston engine crankshaft.
This regulator 4 is further influenced by the adjustment of its spring $ 4, This adjustment being variable by means of a cam 35 connected by a suitable lever 87 to the piston 14, so that the valve 30, and
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consequently the piston 31, controlled by the regulator 4, acts according to the ratio existing between the speed of the rotor of the turbo-compressor and the speed of the piston engine.
The regulator 5 can actuate electrical contacts indicated at 36 to form a circuit which completely shuts off the fuel flow device when the turbo-compressor exceeds the predetermined maximum speed considered safe. @,
The compound engine comprises a starter, such as an electric starter 90 by means of which, with the hydraulic coupling 75 empty, the turbo-compressor can be driven at its starting speed and then kept running autonomously by injection. of fuel through line 7 into the combustion chamber 6, so that it functions as a self-contained combustion turbine.
It is thus kept running up to a speed at which it essentially develops excess power, and the hydraulic coupling 75 is then gradually filled with fluid from an accumulator indicated at 37, with prior priming by a pump 38, so that the torque of the turbo-compressor drives the crankshaft of the piston engine and starts the latter. the compound engine is thus started and, <with this starting system, given that the air supplied by the compressor 62 of the turbo-compressor is:
a noticeable temperature the starting of the engine, pistons is facilitated although its compression ratio can be such that if it sucks cold air, an autonomous ignition temperature would not be reached in the combustion chambers of the piston engine .
With a compound engine according to the present invention, the compression ratio of the turbo-compressor at any one time is largely independent of the operating conditions of the piston engine, which also makes it easier to obtain a compression ratio.
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good idle speed of the piston engine by allowing the air supplied to it to be maintained at all times at a pressure and temperature which satisfactorily ensure spontaneous ignition in the combustion chambers of the piston engine.
During the start-up process described above, it is necessary and desirable to open the bypass valve 72 in the passage 71 which connects the flow passage 64 of the compressor to the exhaust passage 69 of the piston engine. upstream of the combustion chamber 6. To this end, the valve 72 can be mechanically connected to a manual starting control lever 88 which also actuates a valve 89 of the pressurized fluid flow line supplying the gas. coupling 75.
On the other hand, in large multi-cylinder two-stroke engines the light coverage may be such that sufficient air passes through the engine itself when the latter is stopped. to allow the turbo-compressor to start and operate as a combustion tubine up to a speed where its power is sufficient to start the piston engine in the manner described above without using the bypass duct -pass.
In addition, the passage of air through one or more of the cylinders of the piston engine during this starting period can facilitate starting by heating this or these cylinders.
Fig. 2 'of the drawings is a graph showing a series of operating conditions which can be obtained for the different crankshaft speed ranges of the compound engine according to the present invention.
For a compound engine which can be used for the propulsion of boats, it has been assumed that three operating zones are associated with its own range of engine crankshaft speeds.
In zone 1, in which the crankshaft speed range is 0 to 1200 revolutions per minute, the regulator 4 occupies a position such that it keeps the hydraulic coupling 75 inactive, while; assuming the motor is running under
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constant torque, the flow of fuel to the combustion chamber 6 is maintained by the sleeve 11 under the control of the device 15 at a value at which it maintains the turbo-compressor at the appropriate speed, i.e. say for example represented by the line G 'G or the line DE. If during this period, for example due to the operating conditions of the vessel, the torque and hence the fuel flow to the piston engine are reduced substantially to a point where at the speed in question,
the available power of the exhaust gases of the piston engine, increased by the flow of fuel in the combustion chamber 6 provided by the sleeve 11, becomes insufficient to maintain the turbo-compressor at a speed greater than its operating speed autonomous, the regulator 5 comes into operation to increase the fuel flow to the combustion chamber 6 and thus prevents the turbo-compressor from falling below this minimum autonomous operating speed. The fuel flow to combustion chamber 6,
then maintains the turbo-compressor at a speed which is theoretically situated in the band B1 C1 but which would in fact come in the band b, C because of the momentum of the regulator of the reciprocating engine, In the. zone 2, in which the speed range of the piston engine is 1200 to 1800 revolutions per minute, the flow of fuel to the combustion chamber 6 is normally shut off., since under operating conditions Normally, the exhaust gases from the piston engine are powerful enough to keep the turbo-compressor at the speed necessary for the pison engine to be supplied with sufficient air.
In this; Also, if for some reason the torque, and therefore the fuel flow to the piston engine, drops to a point at which the speed of the turbo-compressor approaches the minimum self-operating speed, regulator 5 comes into action to that fuel is delivered into the combustion chamber 6 as indicated by line M1 LK, and the turbo-compressor operates
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then in the speed range L K until an increase in fuel flow to the piston engine takes place and causes its speed to shift into a higher range.
When operating in zone 2, the hydraulic coupling 75 is gradually filled as the speed of the piston engine increases, in a manner dependent on the ratio of the speed of the piston engine to the speed of the turbo rotor. compressor, under the control of the regulator 4.
When operating in zone 3, where the speed of the piston engine is between 1800 and 2000 revolutions per minute, the hydraulic coupling 75 is in full operation and the flow of fuel to the combustion chamber 6 is completely cut off. , the ratio between the speed of rotation of the piston engine and that of the turbo-compressor being thus substantially stable and approximately that indicated by band J.
Alternatively, the automatic igniter controller 23 can be omitted, and the setting of the fuel metering port reference is calculated so that a small amount of fuel is consumed. continuously delivered to the combustion chamber 6, sufficient to maintain combustion in this chamber under all operating conditions. The igniter 86 itself is held for initial ignition when the engine is to be started, this system being normal for internal combustion turbine engines.
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