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La présente invention est relative à une unité productrice de gaz du type qui comprend une ohambre de combustion d'où les produits gazeux de la com- bustion sont périodiquement déchargés à température élevée et sous une pression pulsatoire en vue d'entraîner une machine qui est actionnée par l'expansion des- dits produits gazeux, par exemple, une telle unité productrice de gaz pouvant être un moteur à combustion interne à cycle à deux temps, ou un générateur de gaz du type à vilebrequin ou à piston libre, et la machine entraînée pouvant être une turbine à gaz. Plus particulièrement, la présente invention est relative à des perfectionnements aux dispositifs d'échappement de telles unités.
On connaît des dispositifs d'échappement dans lesquels le courant de gaz pulsatoire est fourni à la turbine directement à travers un conduit court, ou en variante, dans lequel une chambre d'expansion est prévue entre la chambre de combustion et la turbine, mais le rendement global de ces dispositifs est faible.
Un objet de la présente invention est de maîtriser une proportion élevée de l'énergie de l'écoulement de gaz pulsatoire et de fournir les gaz à la turbine à une pression plus étroitement constante.
La présente invention consiste en une unité productrice de gaz du type qui comprend une chambre de combustion de laquelle les produits gazeux de la combustion sont périodiquement déchargés à température élevée et sous pression, produisant par conséquent des impulsions de gaz, dont l'expansion est utilisée pour entraîner une machine en contrôlant le déplacement desdites impulsions des gaz en ce sens que leurs passages de ladite unité à ladite machine sont contrôlés d'une manière telle que leur fréquence est augmentée et leur amplitude diminuée par rapport à la fréquence et à l'amplitude des impulsions originelles des gaz produits par la décharge des gaz à partir de la dite chambre.
La présente invention consiste également en ce que ladite machine procure le moyen de balayage et d'alimentation de ladite unité, et en ce que pen- dant une partie sensible de la période de balayage il se produit une faible pres- sion près des orifices d'échappement de la chambre de combustion en vue de faci- liter le balayage et une pression élevée près de la machine de manière à entraî- ner celle-ci.
La présente invention consiste en outre en ce que le contrôle des im- pulsions d'échappement est réalisé en prévoyant un dispositif d'échappement entre ladite chambre de combustion et ladite machine, ce dispositif d'échappement étant disposé de telle façon que chaque impulsion originelle de pression des gaz pro- duite à la sortie de ladite chambre est divisée en parties qui sont astreintes à parcourir des distances différentes pour atteindre ladite machine, de sorte qu'elles y arrivent à des instants différents dans le cycle de ladite unité.
Les divisions de l'impulsion peuvent avoir lieu à la jonction d'au moins deux conduits formant le dispositif d'échappement et ce dernier peut comprendre un premier con- duit allant des orifices d'échappement de la chambre de combustion à ladite jonc- tion, un second conduit allant de la jonction à ladite machine, et au moins un tu- be d'onde qui conduit de la jonction à une extrémité fermée, ou à la machine par un trajet plus long que le second conduit. Dans une unité à plusieurs cylindres, ledit tubé d'onde pour un cylindre peut être formé par le premier conduit d'un ou de plusieurs parmi les autres cylindres.
Ladite chambre de combustion demande à être balayée et pourvue d'une charge fraîche pendant chaque cycle de fonctionnement, et il est désirable que cette opération soit exécutée avec une dépense d'énergie minimum. Une faible pres- sion dans -le dispositif d'échappement adjacent aux orifices d'échappement de l'es- pace de combustion est désirée pendant la période de balayage et peut être pro- duite par l'onde de .raréfaction créée par l'expansion de l'impulsion de produits gazeux qui se produit à ladite jonction entre le premier conduit, le second con- duit et le tube d'onde, et qui se propage en retour vers les orifices d'échappe- ment et l'espace de combustion.
Cette utilisation directe de l'énergie d'échappe- ment en vue de procurer la faible pression désirée dans le cylindre et le conduit,
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au moyen des ondes de raréfaction, garantit que l'énergie est appliquée pendant un court intervalle de temps, et est par conséquent plus efficace que le passage d'une impulsion de pression plus élevée vers la machine, et la conversion par machine et le compresseur de cette énergie en une pression de balayage légèrement supérieure, qui serait étendue sur un long intervalle de temps. La pression dans le dispositif d'échappement adjacent à l'ouverture d'échappement du cylindre doit augmenter vers la fin de la période d'alimentation de manière à réduire la quan- tité de charge d'alimentation s'échappant vers le dispositif d'échappement et en vue d'augmenter la pression à l'intérieur du cylindre.
Les augmentations et dimi- nutions de la surface de section transversale du dispositif'd'échappement' qui produisent des réflexions positives et négatives des impulsions de pression gazeu- se, doivent être limitées par une étude soignée des dimensions et longueurs, à celles qui sont nécessaires pour procurer la distribution de pression requise dans le dispositif d'échappement pour la période complète de balayage et d'ali- mentation.
Dans un dispositif d'échappement normal, des réflexions qui ne sont pas avantageuses par rapport au cycle gazeux se produisent fréquemment aux jonc- tions de tubes de surfaces différentes de section transversale, ou là où des tu- bes rejoignent ou quittent un collecteur, de telles jonctions et collecteurs étant disposés de manière à procurer un dispositif d'échappement simple et habituel, sans avoir aucun égard quant à leur effet sur les impulsions de pression traver- sant les conduits.
Un dispositif d'échappement conformément à la présente invention et aux exigences décrites ci-dessus a un premier conduit de section transversale de surface sensiblement égale à la surface de l'orifice d'échappement et cette surfa- ce étant constante sur une longueur prédéterminée. A l'extrémité de cette lon- gueur de conduit, l'impulsion d'échappement est divisée à la jonction d'un ou de plusieurs tubes dénommés ci-après tubes d'onde. La détente des dits produits ga- zeux qui se produit à la jonction engendre une onde de raréfaction qui rétrogade vers les orifices d'échappement et qui produit une faible pression pendant une partie sensible de la période de balayage. L'importance et la durée de la phase de faible pression est contrôlée par les dispositions pour la détente desdits produits gazeux à la jonction.
Si la surface combinée des sections transversales des tubes dans lesquels l'impulsion est divisée est approximativement égale à celle du premier conduit, il ne se produira qu'une faible détente, mais si deux ou plusieurs tubes sont réalisés avec la même surface de section transversale que le premier tube, une détente considérable se produira et une onde de raréfaction satisfaisante se propagera en retour vers le cylindre. Dans la plupart des cas, une variation brusque de la surface de section transversale sera satisfaisante, mais la transition d'une surface de section transversale à la suivante peut être rendue plus progressive en donnant du cône aux conduits de sorte que les réfle- xions qui en proviennent auront une durée accrue et une amplitude diminuée.
Au même instant, l'impulsion de pression se propage vers l'extérieur le long du se- cond conduit à partir de la jonction vers la turbine en vue d'entraîner cette der- nière, et le long du tube d'onde. La grandeur de l'impulsion de pression dans chaque conduit est réduite proportionnellement aux surfaces des sections trans- versales des conduits et tubes suivant lesquelles elle est divisée. La partie de l'impulsion,dans le tube d'onde peut progresser vers la turbine suivant un tra- jet plus long que le second conduit, de sorte qu'elle arrive à la machine après que l'impulsion qui se propageait le long du second conduit a sensiblement fini d'utiliser son énergie pour entraîner la machine.
En variante, la partie de l'im- pulsion dans le tube d'onde peut être réfléchie à l'extrémité fermée dudit tube sans changer de signe, de sorte qu'une impulsion positive rétrogade le long du tube d'onde vers la jonction où elle est divisée, et une partie progresse le long du second conduit en vue d'entraîner la machine, tandis qu'une autre partie rétro- gade vers le cylindre et y augmente la pression vers la fin de la période d'ali- mentation. En outre, étant donné que les tuyères de la machine agissent en tant qu'extrémité partiellement fermée et constituent une restriction de l'écoulement, une partie de l'énergie de toutes les impulsions atteignant la machine est réflé-'
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chie vers le cylindre et vers les tubes d'onde.
Un premier conduit de longueur sensible tel que proposé présentement a un autre effet avantageux, en ce sens que le milieu de balayage froid passant dans le conduit reste adjacent à l'orifice d'échappement jusqu'à ce que ce der- nier se ré-ouvre lors du cycle suivant. Cette action est particulièrement avan- tageuse lorsqu'une soupape est utilisée pour contrôler l'orifice d'échappement, du fait que la présence du milieu de balayage froid pendant une grande partie du cycle réduit la température de la soupape d'échappement.
Les dispositions perfectionnées décrites ont pour résultat qu'un mo- teur supplémentaire entraîné ou un compresseur entraîné séparément n'est pas in- dispensable, mais on peut en utiliser un pour aider au démarrage ou lorsqu'une accélération très élevée du moteur est requise, et dans de tels cas les avantages du dispositif décrit ne sont pas perdus étant donné que la puissance requise pour entraîner ledit compresseur supplémentaire est beaucoup moindre que celle requise dans les dispositifs connus
La présente invention sera maintenant décrite uniquement à titre d'exemple en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 montre un représentation schématique d'un dispositif d'échappement simple;
- la figure 2 indique les variations de pression près des orifices d'échappement et près de la machine dans le dispositif d'échappement de la figu- re 1; - la figure 3 montre une représentation schématique d'une forme modi- fiée de dispositifs d'échappement; - la figure 4 indique les variations de pression près de l'orifice d'échappement et près de la machine dans le dispositif d'échappement de la figu- re 3; - la figure 5 représente une forme de dispositifs de tubes d'onde convenant pour un moteur à trois cylindres; - la figure 6 indique les variations de pression près de l'orifice d'échappement et près de la machine dans le dispositif de la figure 5;
- la figure 7 représente une vue en élévation latérale d'une dispo- sition d'un moteur à six cylindres et d'un dispositif d'échappement convenable conformément à la présente invention ;et - la figure 8 représente une vue en plan du moteur et du dispositif d'échappement de la figure 7.
La présente invention peut être appliquée à un moteur à combustion interne à cycle à deux temps et à sur-alimentation et la disposition générale du moteur peut être sensiblement conforme à n'importe quel type connu dans lequel la charge d'alimentation fraîche est fournie par un compresseur entraîné par une turbine à gaz d'échappement, laquelle peut également être de n'importe quel type connu. Les dispositions normales pour transporter la charge fraîche du compres- seur vers les cylindres peuvent être utilisées.
La quantité totale de charge fraîche entrant dans chaque cylindre doit être suffisante pour balayer, alimenter et suralimenter le cylindre à la pression requise, et pour procurer la quantité en excès qui passe vers le dispositif d'échappement et qui y demeure à la fin de la:-période d'alimentation, ne prenant ainsi aucune part au processus de combus- tion suivant.
Des dispositifs d'échappement seront maintenant décrits en se référant aux dispositions schématiques de dispositifs d'échappement et aux diagrammes pression-temps qui montrent la séquence de variation de pression,dans l'orifice d'échappement et à la machine, sur toute l'étendue des périodes d'échappement, de
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balayage et d'alimentation. Seules les fluctuations majeures de la pression sont représentées, étant donné que ce sont celles-ci qui différencient le processus dans les différents dispositifs d'échappement.
Dans toutes les figures illustrant la présente invention, les diagram- mes de pression sont dessinés comme étant alignés avec la position à laquelle les enregistrements de pression ont été pris, de sorte que la variation de surface de section transversale à partir de laquelle la réflexion a eu lieu peut être iden tifiée. Dans les limites des représentations schématiques, il y a des diagrammes distance-temps et la pente des lignes joignant des évènements équivalents con- stitue une mesure de la vitesse avec laquelle l'impulsion ou l'onde se déplace le long du conduit. La dimension de l'impulsion initiale variera suivant le type et la puissance du moteur et les dimensions relatives des impulsions réfléchies va- rieront suivant la forme du dispositif d'échappement.
En vue de permettre aux différentes formes d'exécution de la présente invention d'être facilement compri- ses, les figures ont été choisies de manière à montrer simplement et clairement la suite des évènements et elles sont de ce fait dans une certaine mesure indica- tives et schématiques.
Les abréviations utilisées ont les significations suivantes:
EO = ouverture de l'échappement,
AO = ouverture de l'admission,
AC = fermeture de l'admission,
EC = fermeture de l'échappement, et
BDC = point mort inférieur, c'est-à-dire lorsque le piston est à son point le plus éloigné par rapport à la chambre de combustion.
Une forme simple de type de tube d'onde d'un dispositif d'échappement conformément à la présente invention, est celui qui est nécessaire à un moteur mono-cylindrique, tel que représenté à la figure 1. On suppose que le moteur est vers la fin de sa. course de puissance, de sorte que le cylindre 1 est rempli de gaz à haute pression et à température élevée. Lorsque l'orifice d'échappement 2 est ouvert, le contenu gazeux du cylindre 1 formera une impulsion de pression qui se déplace en s'éloignant de l'orifice le long du premier conduit 3.
Lorsque l'impulsion atteint la jonction 4, elle se divisera avec la réduction d'amplitu- de résultante en relation avec les surfaces des sections transversales qu'elle occupe à présent, et une partie de cette impulsion continuera le long du conduit 5 vers la machine 10, et une autre partie de cette impulsion entrera dans le tube d'onde 6. La détente qui se produit à la jonction 4 crée une onde de raréfaction dans le premier conduit 3, laquelle se propage en retour vers le cylindre 1 et abaisse la pression des gaz qui y sont contenus, favorisant ainsi le balayage du cylindre au moyen de la charge fraîche qui entre par les lumières 7 lorsque celles- ci sont découvertes par le piston 8. Pendant ce temps, l'impulsion dans le second conduit 5 a élevé la pression aux tuyères de la machine de manière à entraîner la machine 10.
Etant donné que les tuyères de la machine constituent une restric- tion de l'écoulement, une partie de l'énergie de l'impulsion est réfléchie en re- tour le long du second conduit 5 et une partie entre dans le tube 6 et une partie retourne vers le cylindre 1, tandis qu'une petite onde de raréfaction retourne vers la machine.
Le tube d'onde 6 est fermé à son extrémité 9 de sorte que l'impulsion de pression qui y est entrée est réfléchie sans changement de signe et retourne vers la jonction 4 où une partie de cette impulsion passe le long du second con- duit 5 vers la machine 10 et une partie retourne le long du premier conduit 3 vers le cylindre. En raison de la plus grande distance parcourue, l'impulsion passant le long du tube d'onde 6 atteint la machine 10 plus tard que l'impulsion progressant directement le long du conduit 5. Les longueurs des conduits et des tubes sont choisies de telle manière que le balayage du cylindre s'est sensible- ment terminé avant que l'impulsion de retour provenant de la turbine ou de l'ex- trémité fermée 9 du tube 6 n'atteigne l'orifice d'échappement.
L'utilisation de
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l'onde de raréfaction en vue de favoriser le balayage permet que la plus grande partie du balayage ait lieu avant le point mort inférieur du piston du moteur, et les avantages de ceci seront décrits plus en détails ultérieurement. Un autre avantage du dispositif d'échappement du type à tube d'onde est que les longueurs de celui-ci peuvent être combinées de telle façon qu'une impulsion de pression re- vienne à l'orifice d'échappement peu de temps avant que les lumières d'admission ne soient fermées, et si l'orifice d'échappement est fermé après les lumières d'admission mais avant que l'impulsion de pression réfléchie à partir de l'inté- rieur du cylindre ne puisse s'échapper, au moins une partie de l'impulsion de pression peut être enfermée à l'intérieur du cylindre,
de sorte que la pression de la charge fraîche est augmentée. Cette dernière caractéristique peut ne pas être essentielle pour obtenir une puissance élevée-du moteur, étant donné qu'avec le dispositif d'échappement de la présente invention, des turbo-compresseurs d'ali- mentation à rendement élevé et haute pression peuvent donner des quantités suf- fisamment grandes de charge fraîche à une pression suffisamment élevée pour garan- tir que la quantité retenue dans le cylindre excède le minimum nécessaire à une bonne combustion. En outre, lorsqu'une pression d'alimentation élevée est dispo- nible, ces impulsions réfléchies peuvent augmenter un peu la charge totale. La figure 2 représente les variations de pression près de l'orifice d'échappement du dispositif représenté à la figure 1 pour un moteur monocylindrique à vitesse sensiblement constante.
L'indice de référence 11 indique l'impulsion de pression d'échappement initiale qui quitte l'orifice d'échappement 2 et l'indice de réfé- rence 12 est l'onde de raréfaction produite par la détente de l'impulsion à la jonction 4, tandis que l'indice de référence 13 représente une partie de l'impul- sion de pression 11 réfléchie à partir de l'anneau de tuyère de la machine, et de la réflexion coïncidente à partir de l'extrémité fermée 9 du tube d'onde 6. L'in- stantde l'arrivée de l'onde 12 au cylindre dépend de la longueur du conduit 3, celui de l'impulsion 13 dépend des longueurs des conduits 3 et 5 et du conduit 3 et du tube 6, les longueurs de 5 et de 6 étant égales. Dans le diagramme de pres- sion à la machine, l'impulsion 14a est la partie de l'impulsion initiale 11 qui a progressé le long du conduit 5 vers la machine.
L'impulsion 14b est la réfle- xion de l'autre partie de l'impulsion initiale 11 à l'extrémité fermée 9 du tube d'onde 6, et étant donné qu'elle ne se produit pas à la machine elle est représen- tée en traits interrompus,mais elle sert à montrer l'origine d'une partie des impulsions 13 et 15. L'impulsion de pression 15 est la partie de l'impulsion 14b qui a atteint la machine après réflexion à l'extrémité fermée 9 du tube d'onde 6 et division à la jonction 4, et cette impulsion est encore réduite par l'onde de raréfaction coïncidente, mais plus petite, qui revient vers la machine lorsque l'impulsion 14a se détend à la jonction 4 lors de sa progression en retour vers le cylindre.
Dans cet exemple simple, la longueur du premier conduit 3 allant de l'orifice d'échappement 2 à la jonction 4 doit être approximativement de la moitié de la longueur de l'impulsion de pression, auquel cas, le front de l'onde de ra- réfaction 12 réfléchie à partir de la jonction 4 atteindra l'orifice d'échappe- ment environ à l'instant auquel la pression dans le cylindre est tombée à la pres- sion de balayage.
Si le conduit 3 est rendu plus court, l'onde réfléchie attein- dra l'orifice d'échappement plus tôt et produira une chute plus rapide de la pres- sion dans le cylindre,mais bien que la première partie de l'onde soit de ce fait favorable en démarrant la période de balayage plus tôt, elle n'effectuera pas ré- ellement le balayage lequel est défini comme étant l'enlèvement des gaz dans le cylindre après que leur pression soit tombée à la pression de l'air d'alimenta- tion. Le second conduit 5 et le tube 6 auront une longueur telle que l'impulsion 13 réfléchie à partir de la machine 10 et de l'extrémité fermée 9 atteigne l'ori- fice d'échappement 2 après que l'onde de raréfaction 12 ait terminé son action sur le contenu du cylindre.
De cette façon, le conduit 5 et le tube d'onde 6 au- ront approximativement la longueur de l'impulsion de pression, c'est-à-dire envi- ron deux fois la longueur du premier conduit 3. Si une impulsion de pression à l'orifice d'échappement lorsque celui-ci se ferme, n'est pas désirée, le conduit 5 et le tube 6 devront être réalisés plus longs ou plus courts. Les surfaces des sections transversales de tous les conduits et tubes seront réalisées appro-
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ximativement égales à la surface des orifices d'échappement, mais dans certains dispositifs, des surfaces différentes peuvent procurer une amélioration supplé- mentaire.
En supposant que les conditions requises peuvent être obtenues, des surfaces de section transversale et des longueurs plus faibles conserveront l'é- nergie des impulsions en permettant moins de détente que de grandes surfaces et longueurs, de sorte que davantage d'énergie sera fournie à la machine et réflé- chie à partir de celle-ci.
Dans la disposition modifiée représentée à la figure 3, le tube d'on- de 6a conduit directement à la machine 10, de sorte que l'énergie de l'impulsion dans ce tube d'onde est délivrée directement à la turbine sans autre division et sans les pertes'd'une réflexion intermédiaire. La longueur du tube d'onde 6a sera d'environ trois fois la longueur du second conduit 5.
Les variations de pression dans le conduit 3 près de l'orifice d'é- chappement 2, et dans les conduits 5 et 6a près de la machine 10, sont représen- tées à la figure 4. L'impulsion de pression initiale 11 quittant l'orifice d'é- chappement 2 progresse le long du conduit 3 et est divisée à la jonction 4, de sorte que tel que décrit précédemment, une onde de raréfaction retourne vers les orifices d'échappement. Une partie de l'impulsion de pression 11 progresse le long du conduit 5 en vue d'entraîner la machine et elle est indiquée par l'impul- sion 14a laquelle est réfléchie à partir de la machine et retourne à la jonction 4 où elle est à nouveau divisée, et la réflexion négative retournant à la machine est indiquée en 15b.
Une partie de 14a passe dans le tube d'onde 6a et une autre partie retourne vers l'orifice d'échappement 2 sous la forme de l'impulsion 13a.
La partie de l'impulsion initiale 11 qui progresse le long du plus long tube d'onde 6a atteint une entrée séparée de la turbine 10 plus tard que l'impulsion 14a, et elle est représentée par une ligne en traits interrompus sous la forme de l'impulsion 15a.
Le dispositif connu a tube court mentionné précédemment peut être adapté au dispositif de la présente invention en utilisant un premier conduit court et en plaçant la machine à l'extrémité d'un second conduit à branche courte tandis que le premier conduit est prolongé de manière à former un tube d'onde à extrémité fermée ou un chemin de passage vers la machine par un trajet plus long.
Dans ce dispositif, le second conduit à branche courte forme une ouverture et la machine forme une ouverture partielle à la jonction avec le premier conduit court, lequel, conjointement avec le tube d'onde, permet l'expansion et annule l'impul- sion de pression qui, sinon, serait réfléchie en retour vers le cylindre à partir de la machine. Dès lors, une impulsion initiale de forme sensiblement normale, semblable à l'impulsion 11 des figures 2 et 4, est formée à l'extérieur des ori- fices d'échappement, mais l'onde de raréfaction réfléchie revenant de la jonction vers le cylindre sera moins intense que normalement.
L'impulsion initiale est divisée à la jonction avec le second conduit à courte branche, une partie passant vers la machine et l'autre partie passant dans le tube d'onde pour être réfléchie à l'extrémité fermée et être renvoyée vers la machine et le cylindre ou pour être délivréµ à la machine par un trajet plus long.
Les descriptions précédentes sont principalement relatives à des mo- teurs monocylindriques à vitesse constante, et les éléments nécessaires supplé- mentaires pour des moteurs à plusieurs cylindres et à vitesse variable seront maintenant décrits.
Dans des dispositifs dans lesquels de nombreux évènements ont lieu en succession rapide, et dans lesquels des compromis doivent être réalisés, il n'est pas inhabituel dans les calculs préliminaires à utiliser de donner les di- mensions approximatives des différents éléments, et en vue d'assurer un résultat pratique et pour le fonctionnement optimum à obtenir, de faire des ajustements basés sur les résultats obtenus.
Maintenant que les éléments nécessaires ont été clairement établis,
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les calculs préliminaires et les compromis nécessaires dans le cas présent seront facilement appréciés par les techniciens avertis ainsi que les ajustements néces- saires pour obtenir des résultats optima.
Il est bien entendu que des actions, telles que les ouverture et fer- meture de soupapes, dont la période de fonctionnement est contrôlée par le cycle mécanique d'un moteur, ont lieu en des temps plus courts dans des moteurs à vi- tesse élevée que dans des moteurs à faible vitesse, tandis que les aotions des gaz dans le dispositif d'échappement, tel que le déplacement des ondes, ont lieu en un temps sensiblement constant et dépendent principalement de la température et de la pression des gaz. La nécessité d'établir des tolérances pour ces évènements s'apprécie pleinement en ce qui concerne des moteurs qui doivent fonctionner dans une gamme de vitesse étendue.
Il est dès lors bien entendu qu'un moteur à faible vitesse, qui est habituellement un gros moteur, demandera des conduits et tubes plus longs dans un dispositif d'échappement conformément à la présente invention, qu'un moteur à vi- tesse élevée, lequel est habituellement un petit moteur.
Le taux d'ouverture des orifices d'échappement, conjointement avec la surface des orifices, contrôleront la longueur de l'impulsion de pression pour n'importe quel état donné des gaz dans le cylindre.
Dans les moteurs à vitesse constante, une approximation étroite des longueurs idéales des conduits et tubes peut'être obtenue, tel que décrit précé- demment, mais d'autres compromis sont nécessaires pour des moteurs fonctionnant dans une certaine gamme de vitesse.
Dans des moteurs normaux, les périodes de balayage et d'alimentation occupent un temps plus long que celui de la durée des impulsions, et un compromis nécessaire consiste à combiner la longueur du premier conduit de telle manière que l'onde de raréfaction se produise environ au milieu de la période de balayage lorsque.le moteur fonctionne environ au milieu de sa gamme de vitesses, ce en vue que l'onde ne sorte de la période de balayage à quelque vitesse plus élevée, ou soit fortement annulée en se déplaçant sous l'impulsion de pression initiale à quelque vitesse inférieure.
La partie la période d'admission totale alloué au balayage varie avec le fonctionnement désiré du moteur, tel que le comprendront les techniciens avertis, mais tel qu'il a été établi précédemment, avec l'aide de l'onde de raréfaction, le balayage peut êtré achevé environ au point mort bas. Le point dans la gamme de vitesses pour lequel le couple maximum est requis doit également être considéré. Dans un type de moteur il peut avantageusement se si- tuer à faible vitesse en vue de permettre à une certaine partie de l'onde de ra- réfaction qui vient, d'atteindre le cylindre avant que la pression dans celui-ci ne soit tombée à la pression de balayage, ce en vue qu'à vitesse élevée l'onde n'atteigne le cylindre à un instant qui ne soit pas suffisamment tard dans la pé- riode d'alimentation pour que cette onde ne soit plus efficace.
Si elle est telle- ment tard qu'elle arrive lorsque les orifices sont presque fermés, elle sera pré- judiciable. Dans un autre type de moteur, le fonctionnement à faible vitesse peut être d'importance relativement grande de sorte qu'il est nécessaire de s'as- surer que l'onde produit son effet total à faible vitesse.
Des considérations similaires s'appliquent à la combinaison des lon- gueurs du second conduit et du tube d'onde de manière à ce que les ondes de pres- sion réfléchies à partir de la machine ou de l'extrémité fermée du tube d'onde n'atteignent pas le cylindre trop tôt dans la période d'alimentation, ou, d'une autre manière, après que l'orifice d'échappement est fermé si l'aide d'une ali- mentation en retour est désirée. Si le second conduit et le tube d'onde sont réalisés avec des longueurs différentes, l'impulsion de pression réfléchie est di- minuée en grandeur mais augmentée en longueur et en durée, de sorte qu'il est plus facile d'arranger qu'une certaine partie de cette impulsion atteigne le cylindre à l'instant désiré.
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Dès lors, les dimensions des différents conduits et tubes varieront avec la gamme de vitesses du moteur, le réglage des temps choisis et les surfaces des orifices d'admission et d'échappement du moteur, le type de machine utilisée, la température et la pression maxima admissibles dans le cylindre et la puissance de sortie maximum requise.
Il y a toute une variété de dispositifs de tube d'échappement qui peuvent être conçus pour utiliser le principe du tube d'onde de la présente in- vention et lorsque ces dispositifs sont combinés avec les différents nombres possibles de cylindres du moteur, les nombres d'entrées de machine et de machines, il est impossible de donner des exemples de tous ces dispositifs . Les longueurs des différents conduits et tubes, et le groupage des échappements des différents cylindres seront tels que les impulsions majeures provenant d'un cylindre n'af- fectent pas d'une manière nuisible le balayage et l'alimentation de n'importe quel cylindre interconnecté.
Une disposition populaire de moteur à cycle à deux temps a trois cy- lindres en ligne et fonctionne dans une large gamme de vitesses. Tel que repré- senté à la figure 5, les trois premiers conduits individuels 26 venant des orifi- oes d'échappement 2 des trois cylindres peuvent être connectés ensemble en une seule jonction 4a, avec un second conduit unique 5b partant de la jonction 4a vers la machine 10. Dans cette nouvelle disposition, lorsqu'un cylindre est à l'échappement et est balayé, les orifices d'échappement des deux autres cylindres connectés à la jonction 4a sont fermés, de sorte que les conduits 26 connectés à ces deux derniers cylindres peuvent former les tubes d'onde pour le cylindre cité en premier lieu.
Dans cet exemple, les conduits 26 doivent fonctionner à la fois comme premiers conduits et comme tubes d'onde, et la longueur de ces con- duits 26 doit être un compromis entre les longueurs idéales requises pour chaque but.
Tel que représenté à la figure 6, un compromis satisfaisant dans les fluctuations des pressions à l'orifice d'échappement et à la machine peut être obtenu en réalisant les premiers conduits 26 avec les trois quarts de la longueur de l'impulsion de pression, c'est-à-dire une fois et demi la longueur du conduit 3 de la figure 2, et en réalisant le second conduit 5b avec la moitié de la lon- gueur de l'impulsion de pression, c'est-à-dire la moitié de la longueur du con- duit 5 de la figure 2. L'impulsion de pression d'échappement initiale 27 et l'onde de raréfaction 28 sont semblables aux impulsions caractéristiques équiva- lents 11 et 12 décrites en relation avec la figure 2, excepté que l'onde 28 se produit un peu plus tard.
Les deux impulsions 29 représentées en lignes inter- rompues à la figure 6 sont la réflexion positive d'une partie de l'impulsion 27 à partir des orifices d'échappement fermés des deux autres conduits 26, et bien que cette impulsion ne se produise pas à l'orifice d'échappement du cylindre qui est balayé, elle est représentée à la figure 12 de manière à permettre l'origine de l'impulsion 30 qui suit, laquelle est le résultat de ce que l'impulsion 29 a été réfléchie sans changement de signe par les orifices fermés des deux cylindres non alimentés, s'est déplacée en retour le long des deux conduits 26 vers la jonc- tion 4a où elle a été divisée, et de ce qu'une partie s'est propagée le long du conduit 26 du cylindre alimenté vers l'orifice d'échappement de celui-ci.
L'im- pulsion 31 est une partie de la réflexion positive de l'impulsion 33 à partir de la machine 10, et l'impulsion 32 est une partie de la réflexion de l'impulsion 34 à partir de la machine 10, et également une partie de l'impulsion 33 qui s'est propagée le long des deux conduits 26 des cylindres non alimentés, a été réflé- chie sans changement de signe par les orifices fermés de ces cylindres et s'est propagée en retour vers la jonction 4a où elle s'est divisée et où une partie s'est déplacée le long du conduit 26 du cylindre alimenté vers l'orifice d'échap- pement de celui-ci.
Dans le diagramme des pressions à la machine 10, l'impulsion 33 est une partie de l'impulsion initiale 27 arrivant à la machine, et l'impulsion 34 est une partie de la réflexion de l'impulsion 29 par les orifices d'échappe- ment fermés des deux autres tubes. Seuls de faibles effets sont produits par
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l'onde de raréfaction se déplaçant en retour vers la turbine lorsque l'impulsion 33 lors de son passage en retour vers le cylindre se détend à la jonction 4a.
Les fluctuations de pression représentées à la figure 6 conviennent pour une vitesse intermédiaire d'un moteur à vitesse variable. Le compromis est tel que des augmentations ou diminutions de vitesses endéans la gamme de vitesses normale ne déplacera pas l'onde de raréfaction 28 hors de la période de balayage, ou toutes les impulsions 31, 30, 32 hors de la période d'alimentation.
La figure 6 montre également l'effet de la réalisation du tube'd'onde de longueur supérieure au second conduit allant à la machine, en ce sens que l'im- pulsion relativement intense 13 de la figure 2 est remplacée par les impulsions 3le 30 et 32 de grandeur réduite mais de durée totale plus longueo Lorsque les circonstances le permettent, un résultat semblable peut être obtenu en réalisant le second conduit de longueur supérieur au tube d'onde.
Un moteur à trois cylindres peutêtre traité comme trois moteurs mono- cylindriques. Dans cette disposition du nouveau dispositif d'échappement, les premiers conduits séparés, sembables aux conduits 26 de la figure 5, peuvent cha- cun être connecté à une jonction avec un second conduit séparé conduisant à une entrée séparée de la machine, tandis que les tubes d'onde individuels peuvent être formés par des tubes de surface de section transversale plus grande et qui entourent chaque premier conduit, chacun desdits tubes d'onde étant ouvert à sa jonction avec le second conduit et fermé à son extrémité adjacente au cylindre.
Etant donné que les conduits et les tubes ont sensiblement les mêmes longueurs que ceux de la figure 5, les fluctuations de pression aux orifices d'échappement et à la machine seront semblables à celles de la figure 6, excepté que leur gran- deur sera différente étant donné que chaque impulsion est divisée en deux à la jonction du premier conduit avec le second conduit et le tube d'onde, au lieu d'être divisée en trois à la jonction 4a de la figure 50
Dans une autre disposition du dispositif d'échappement suivant la pré- sente invention, les premiers conduits séparés semblables aux conduits 3 de la figure 1 peuvent chacun être connecté à une jonction avec un second conduit sépa- ré semblable au conduit 5 de la figure 1 et conduisant à une entrée séparée de la machine,
et avec un tube d'onde individuel formé d'un tube de surface de sec- tion transversale plus grande et entourant chaque second conduit, chacun desdits tubes d'onde étant ouvert à sa jonction avec le premier conduit et fermé à son extrémité adjacente à la machine . Les conduits et les tubes ont sensiblement la même longueur que ceux de la figure 1 et les fluctuations de pression concernant chaque cylindre seront semblables à celles de la figure 2.
Un moteur à six cylindres peut être traité en tant que deux moteurs à trois cylindres dans lesquels les six cylindres sont rassemblés en deux groupes de trois cylindres conformément à n'importe laquelle des formes d'exécution dé- crites antérieurement. Un exemple d'une forme d'exécution convenable est repré- sentée aux figures 7 et 8. Les conduits et les tubes peuvent avoir la configu- ration nécessaire pour obtenir les longueurs égales désirées de chaque type de conduit ou de tube tout en réduisant les dimensions hors tout du dispositif et en vue d'amener la machine près du moteur. Dans ce but, un conduit d'échappement hélicoïdal peut être utilisé, à savoir un conduit unique contenant trois sections disposées hélicoidalement et dont chacune est couplée à chaque cylindre.
Cette disposition a les avantages d'une longue distance de parcours d'impulsion pour une longueur donnée du conduit extérieur tandis que les pertes de chaleur sont inférieures à celles de tubes séparés.
Aux figures 7 et 8, le premier conduit pour chaque cylindre comprend un des conduits séparés 3b et une des sections du conduit hélicoïdal 30. Les tu- bes d'ondes pour chaque cylindre sont formés par les premiers conduits des deux autres cylindres dans chaque groupe de trois. La détente a lieu à la jonction 4b tel que décrit précédemment' et les gaz sont conduits vers la machine 10 le
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long du conduit 3c.
L'application de la présente invention aux générateurs de gaz du ty- pe à piston libre ou à vilebrequin ne doit pas être décrite séparément, excepté pour établir que le dispositif d'échappement de la présente invention est placé entre les cylindres de combustion et la machine de puissance. Les cycles des événements dans de tels générateurs de gaz sont très semblables à ceux d'un mo- teur à cycle à deux temps, et la présente invention n'est pas relative aux dispo- sitions mécaniques des différentes unités productrices de gaz. Le fonctionnement cyclique des pistons et des apparitions de gaz dans le dispositif d'échappement sont semblables dans tous les types mentionnés et les fréquences de cycles peuvent également être semblables.
Dès lors, les considérations de réalisation décrites antérieurement sont applicables aux générateurs de gaz des types à piston libre et à vilebrequin.
Dans les exemples décrits plus haut, l'attention a été accordée au maintien de longueurs égales des conduits et tubes pour chaque cylindre d'un mo- teur à plusieurs cylindres et ceci constitue une disposition optimum pour un mo- teur à vitesse constante, mais des essais pratiques de moteurs ont montré que lors- que ce type de dispositif d'échappement est utilisé sur un moteur fonctionnant dans une certaine gamme de vitesses, certains écarts par rapport aux longueurs égales et optima peuvent être tolérés en vue de s'adapter à des considérations économiques et pratiques tout en obtenant encore un rendement très élevé pour le moteur. Pour des moteurs à vitesse variable, il est satisfaisant de réaliser le dispositif à tube d'onde de manière à ce qu'il soit adapté à la vitesse pour la- quelle le couple maximum est requis.
Seul le comportement des impulsions majeures a été décrit en détail dans ce qui précède, et on comprendra que des impulsions mineures peuvent être présentes, y compris la réflexion des impulsions qui ont passé à travers le cy- lindre et sont réfléchies par les orifices d'admission et la tête du piston ou du cylindre. A nouveau, des essais pratiques de moteurs montrent que de tels évè- nements ne détruisent pas d'une manière appréciable le rendement amélioré du mo- teur, pourvu que la précaution soit prise de s'assurer que de telles impulsions mineures soient aussi petites que possible si leur effet est nuisible, ou qu'elles se produisent en des points du cycle pour lequel leur effet est utile.
Les dispositions décrites peuvent être étendues, d'une manière qui sera claire pour les techniciens avertis, de manière à assurer que la machine re- çoit plus de deux impulsions majeures pour chaque impulsion unique provenant d'un cylindre, par exemple en augmentant le nombre de tubes d'onde 6a à la figure 3 et en variant leur longueur.
Dans le cas de moteurs ayant des lumières d'échappement dans les pa - rois du cylindre, ou plus d'une soupape d'échappement dans la tête du cylindre, on peut utiliser plus d'un dispositif d'échappement par cylindre. De tels dispo- sitifs d'échappement peuvent avoir des longueurs différentes ou se rejoindre en des points qui assurent que la fourniture de gaz sous pression à la machine est étendue sur une période encore plus longue, tandis que les ondes réfléchies vers les orifices d'échappement peuvent être réparties sur de plus longues de la pério- de d'alimentation.
REVENDICATIONS.
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