Procédé de réglage d'une installation comportant au moins un autogénérateur de gaz moteurs à piston libre et dispositif pour la mise en aeuvre de ce procédé L'invention est relative à un procédé de réglage d'une installation comportant au moins un autogénérateur de gaz moteurs à piston libre et une turbine alimentée par les gaz débités par cet autogénérateur,
procédé dans lequel on règle la quantité de combustible introduite dans le cylindre moteur de l'autogénérateur. Elle concerne également un dispositif pour la mise en couvre de ce procédé.
On sait que dans une installation compre nant un autogénérateur à piston libre alimentant une turbine, on peut pour une certaine zone des charges de la turbine, zone qui correspond à une certaine gamme des pressions d'alimenta tion de la turbine, adapter les gaz moteurs débi tés par l'autogénérateur à piston libre, aussi bien en ce qui concerne leur volume qu'en ce qui concerne leur pression, à la demande de la turbine par le simple réglage du combustible introduit dans la partie motrice de l'auto- générateur.
Dans ces installations connues, cependant, la charge maximum est limitée par la quantité maximum des gaz que l'autogénérateur est capable de débiter à la pression, de fonctionne ment supérieure, cette quantité correspondant à la quantité requise par la turbine lorsqu'elle travaille à sa charge maximum.
Pour permettre à une installation de ce genre de fonctionner à des puissances plus élevées, sans augmenter les dimensions de l'auto- générateur, on a déjà proposé d'injecter une certaine quantité de combustible dans les gaz moteurs débités par un autogénérateur, ces gaz comportant assez d'oxygène pour assurer la combustion de ce combustible. Toutefois, dans les installations avec injection supplémentaire de combustible, on n'a pas pu conserver à la turbine réceptrice sa simplicité qui est l'un des avantages des installations connues travaillant sans introduction supplémentaire de combus tible.
L'invention a pour but de remédier à cet inconvénient, et, à cet effet, le procédé de réglage selon l'invention est caractérisé par le fait que pour chaque pression de marche supérieure à une pression pour laquelle le volume maximum que l'autogénérateur est capable de débiter à cette pression est égal au volume que la turbine absorbe à cette pression, on brûle dans les gaz fournis par l'autogénérateur- la quantité de combustible nécessaire pour que leur volume augmente à la valeur que la turbine absorbe à cette pression, et par le fait qu'on règle de façon telle la quantité de combustible introduite dans le cylindre moteur de l'autogénérateur que pour chacune desdites pressions supérieures,
ce dernier débite le volume maximum qu'il est capable de débiter à cette pression.
Le dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé est caractérisé par deux organes, dont l'un règle la quantité de combustible introduite dans le cylindre moteur de l'autogénérateur et l'autre la quantité de combustible injectée dans les gaz moteurs, par deux pistons distincts commandant chacun l'un desdits organes et sur l'une des faces desquels agit un seul et même fluide sous pression et sur l'autre face desquels agissent deux ressorts distincts, et par des moyens pour faire varier la pression dudit fluide,
les tensions préalables des deux ressorts étant telles que le piston commandant le premier des susdits organes commence sa course de travail sous l'effet dudit fluide sous pression avant que le deuxième organe de commande commence sa course.
Les fig. 1 et 3 des dessins ci-annexés mon trent, à titre d'exemple, la première une forme d'exécution du dispositif de réglage selon l'in vention pour la mise en oeuvre d'une forme d'exécution également donnée, à titre d'exemple, du procédé de réglage selon l'invention, et la seconde une variante de cette forme d'exécution du dispositif.
La fig. 2 est un diagramme servant à faciliter la compréhension du fonctionnement du dispo sitif de la fig. 1.
L'autogénérateur à piston libre de l'installa tion comprenant le dispositif de réglage repré senté parla fig. 1 comporte un cylindre moteur 1 et un cylindre compresseur 2. Dans ces cylindres travaille un piston libre constitué par un élément moteur 3 et un élément compresseur 4, solidaires l'un de l'autre. Le cylindre moteur 1, qui tra vaille selon le cycle Diesel, à deux temps, est muni d'un injecteur de combustible 5. Dans la paroi dudit cylindre sont ménagées des ouvertu res d'admission 6 et d'échappement 7 qui sont commandées par l'élément moteur 3.
Le cylindre compresseur 2 comporte des soupapes d'admission 8 et de refoulement 9, ces dernières soupapes étant montées dans la cloison 10 qui sépare l'intérieur du cylindre compres seur 2 d'un carter formant réservoir d'air 11 qui entoure le cylindre moteur 1. L'espace compres seur est donc constitué par l'espace qui se trouve entre ladite cloison 10 et la face annulaire de l'élément compresseur 4, face qui entoure la prolongation de l'élément moteur 3 par laquelle cet élément est fixé au piston 4.
Il en résulte que l'élément de piston 4 aspire l'air extérieur à. travers les soupapes d'admis sion 8 lorsque le piston libre 3-4 accomplit sa course vers l'extérieur (course d'aller) sous l'impulsion de la combustion du combustible injecté dans le cylindre moteur 1, tandis que la compression de cet air et son refoulement à travers les soupapes 9 vers l'intérieur du carter 11 ont lieu lorsque le piston libre 3-4 accomplit sa course vers l'intérieur (course de retour).
Cette course de retour est obtenue à l'aide de l'énergie qui est emmagasinée dans un accu mulateur pneumatique d'énergie de retour 12, constitué par le matelas d'air qui est empri sonné dans la partie extérieure du cylindre 2, entre la face extérieure de l'élément de piston 4 et le fond extérieur du cylindre 2.
La pompe d'injection 13, qui alimente l'in jecteur 5, est entraînée par le piston libre 3-4, à l'aide d'une tige 14 solidaire de l'élément de piston 4 et qui actionne une tringle 15 qui est reliée à un levier 16, ce dernier agissant sur un poussoir 17 qui est solidaire du piston de la pompe 13. La commande de cette pompe est telle que l'injection a lieu lorsque l'élément de piston 3 se trouve au voisinage de la fin de sa course de retour, c'est-à-dire au voisinage de son point mort intérieur.
Les ouvertures d'échappement 7 du cylindre- moteur 1 sont reliées par un conduit 18, à l'en trée 19 d'une turbine 20, entraînée par les gaz moteurs fournis par l'autogénérateur. Ces gaz moteurs sont constitués par les gaz de combus tion incomplètement détendus du cylindre moteur 1 et par l'excès d'air comprimé provenant du cylindre compresseur 2 et refoulé dans le carter 11 à travers les soupapes 9. Cet excès d'air sert en totalité d'air de balayage du cylindre moteur 1, de sorte que la totalité des gaz moteurs rentre dans le conduit 18 par les ouver tures d'échappement 7 du cylindre moteur 1.
Toutefois une partie de l'excès d'air comprimé pourrait être amenée directement du carter 11 par une conduite 21 (représentée en lignes interrompues dans une chambre de combustion 22, qui est intercalée dans le conduit 18 et à l'intérieur duquel se trouve un ou plusieurs brûleurs 23, servant à brûler, dans les gaz moteurs de l'autogénérateur, un complément de combustible, qui est amené au brûleur 23 à l'aide d'une pompe 24 entrainée par un moteur 25.
Dans le cas où une partie de l'air est amenée directement par la conduite 21 à la chambre de combustion 22, cette dernière est agencée de façon telle que le combustible complémentaire soit brûlé dans l'excès d'air amené par la con duite 21 et que les gaz provenant de cette com bustion soient mélangés ensuite avec les gaz venant des ouvertures d'échappement 7 du cylindre moteur 1.
Au lieu de brûler du combustible dans l'air amené par la conduite 21, on pourrait utiliser cet air pour refroidir la chambre de combus tion 22, en faisant passer cet air, avant de le mélanger avec les gaz sortant de la chambre. de combustion, à travers une chambre annulaire entourant la chambre de combustion.
Le dispositif de réglage que montre la fig. 1 comporte un organe de contrôle 26 qui agit sur une pompe d'injection 13, en provoquant, par exemple, la rotation du piston de cette pompe autour de son axe et qui détermine ainsi la quantité du combustible injecté dans le cylindre moteur 1 de l'autogénérateur pour chaque oscillation du piston libre de celui-ci. De plus, ce dispositif de réglage comporte un robinet 27 qui détermine la quantité du com bustible complémentaire introduit dans la cham bre de combustion 22 par les brûleurs 23.
Enfin, le dispositif de réglage comporte une soupape 28, intercalée dans le conduit 18 immé diatement en amont de l'entrée 19 de la tur bine 20 et qui, selon ses positions, ou bien ferme l'accès des gaz moteurs à la turbine, et ouvre à ces gaz un by-pass 29 qui les amène directement dans le conduit d'échappement 30 de la turbine 20 en aval de celle-ci, ou bien ferme ce by-pass de sorte que tous les gaz moteurs passent dans la turbine 20, ou bien, dans une position intermédiaire, permet l'échap pement direct dans l'atmosphère, par le by- pass 29, d'une partie des gaz moteurs, tandis qu'une autre partie de ces gaz sert à alimenter la turbine 20.
Dans le dispositif représenté par la fig. 1, la commande des organes de réglage a lieu par des moyens hydrauliques et en fonction de la vitesse de la turbine 20. A cet effet, la turbine entraîne un régulateur 31 qui produit une pres sion d'huile variable avec la vitesse de la turbine dans un conduit 32. Le régulateur 31 est agencé de façon telle que la pression d'huile dans le conduit 32 est d'autant plus grande que la vitesse de la turbine est plus réduite. Sur le conduit 32, sont branchés trois cylindres 33 34-35 dans lesquels travaillent respectivement les pistons 36-37 et 38 qui se trouvent sous l'action de ressorts antagonistes désignés respec tivement par 30-40 et 41. Il sera question plus tard des caractéristiques de ces ressorts.
Le piston 36 est relié par une tringle 42 à un levier à sonnette 43 qui est relié par une biel- lette 44 à l'organe de contrôle 26 de la pompe à injection 13. Un mouvement ascendant du piston 36, dans son cylindre 33 a pour effet de déplacer l'organe 26 dans le sens d'une augmen tation de la quantité de combustible injectée dans le cylindre 1.
Les mouvements possibles de l'organe de contrôle 26 sont cependant limités par deux surfaces de came 45 et 46 solidaires du levier 43 et coagissant avec une butée 47, dont la position, par rapport aux surfaces de came 45-46, est fonction de la pression de marche de l'auto- générateur de l'installation. A cet effet, la butée 47 est commandée par un piston 48 sur lequel agit, d'un côté, la pression régnant dans le carter 11, analogue de la pression de marche, amenée par la conduite 49.
On pourrait aussi faire agir sur le piston 48 la moyenne des pres sions régnant dans le matelas 12 (cette moyenne des pressions étant fonction de la pression de marche) à l'aide d'un dispositif connu non représenté dans le dessin et d'un conduit 50 représenté en lignes interrompues. De son autre côté, le piston 48 se trouve sous l'action d'un ressort antagoniste 51.
Plus la pression de marche est élevée, plus la butée 47 se soulève entre les cames 45 et 46, la came 45, par contact avec la butée 47, détermine, pour chaque pres sion de débit, la quantité minimum devant être injectée dans le cylindre moteur afin d'assurer la course minimum du piston libre 3-4, tandis que la came 46, par son contact avec la butée 47, détermine pour chaque pression de débit la quantité maximum susceptible d'être injectée dans le cylindre moteur 1 de l'autogénérateur pour assurer les courses maxima du piston libre 3-4.
Le piston 37 est relié par l'intermédiaire d'une tringle 52 et d'un levier à sonnette 53 au robi net 27 qui contrôle la quantité de combustible complémentaire injectée par les brûleurs 23, dans les gaz moteurs. Enfin, le piston 38 est relié par la tige 54, un levier 55, une tringle 56, un balancier 57, à la tige de la soupape 28.
Les tensions préalables que possèdent les ressorts 39, 40 et 41, lorsque les pistons corres pondants 36, 37 et 38 se trouvent dans leur posi tion de repos, sont réglées de façon telle que la tension du ressort 41 ait la valeur la plus faible, que celle du ressort 39 ait une valeur supérieure à celle du ressort 41 mais inférieure à celle du ressort 40.
Il est à noter que la position de repos du piston 38 est celle pour laquelle la soupape 28 ferme le conduit d'admission 19 de la turbine et ouvre en grand le by-pass 29. La position de repos du piston 36 est celle pour laquelle le levier 43 avec sa came 45 (came min.) et la tige de réglage 26 ont la position correspondant à la quantité minimum de combustible injectée. Enfin, la position de repos du piston 37 est celle pour laquelle le robinet 27 est complète ment fermé.
On obtient de cette façon un fonctionnement de l'installation qui correspond au diagramme de la fig. 2. Dans cette figure, les abscisses représentent les pressions de débit p de l'autogénérateur, qui correspondent pratiquement aux pressions d'alimentation de la turbine 20.
Les ordonnées correspondent ou bien aux volumes V des gaz moteurs ou bien aux puissances P fournies par la turbine 20.
Dans la fig. 2 la courbe a indique, pour les diverses pressions, les volumes de gaz maxima susceptibles d'être débités par l'autogénérateur, cesdits maxima correspondant aux courses maxima du piston libre 3-4 de l'autogénérateur. La courbe b représente, pour les diverses pressions, les débits minima (en volume) de l'autogénérateur, débits qui correspondent aux courses minima du piston libre 3-4, ces courses minima étant déterminées par la nécessité de découvrir, à la fin de chaque course du piston libre vers l'extérieur, les ouvertures 6 et 7 du cylindre moteur 1, pour assurer l'alimentation et le balayage de celui-ci.
La courbe c représente les quantités (en volume) des gaz moteurs qui doivent être fournis à la turbine 20 pour les diverses pressions d'alimentation de cette turbine, dont la puis sance P varie selon la courbe N. Il est à noter ici que la turbine 20 est une turbine à section d'admission constante qui nécessite pour des charges croissantes, non seulement des volumes, mais également des pressions croissantes des gaz moteurs.
Il ressort de la fig. 2 que la courbe c coupe la courbe<I> b </I> dans le point<I>B</I> et la courbe a dans le point A. Il en résulte que pour les faibles charges de la turbine 20, il existe un excès de gaz moteurs fournis par l'autogénérateur qui ne peut pas passer à travers la turbine.
Pour ces régimes, la pression d'huile de la conduite 32 permet au ressort 41 d'agir sur la soupape 28 de façon telle que cette soupape ouvre le by-pass 29 d'un montant plus ou moins grand.
Lorsque la pression dans la conduite 32 monte avec la charge de la turbine 20, la soupa pe 28 se soulève de plus en plus pour fermer complètement le by-pass 29 et ouvrir complète ment l'admission de la turbine 20 au moment où la pression p2 correspondant au point B est atteinte. Dans cette même période la came 45 (came min.) a été constamment maintenue en contact avec la butée 47 sous l'influence du ressort antagoniste 39, de sorte que l'injection du combustible ait pendant toute cette période sa valeur minimum.
Lorsque la pression de débit dépasse la valeur p2 et se trouve dans la zone entre les pressions p2 , correspondant au point B, et p3 correspondant au point A, la pression dans la conduite 32 maintient fermé le by-pass 29 et règle par son action sur le piston 36 la quan tité du combustible injecté dans le cylindre moteur 1 de façon telle que l'autogénérateur débite, pour chacune des pressions entre p2 et p3 , la quantité des gaz moteurs demandée par la turbine et indiquée par l'un des points du tronçon B-A de la courbe c .
Dans cette période, la puissance P de l'ins tallation est réglée exclusivement par le réglage de la quantité du combustible injecté dans le cylindre 1 de l'autogénérateur et la butée 47 se trouve dans l'intervalle entre les cames 45 et 46 sans les toucher.
Lorsque la pression d'alimentation requise par la turbine 20 atteint et dépasse la valeur p3 , la came 46 (came max.) est mise en con tact avec la butée 47 qui détermine, pour les pressions entre p3 et p4 , la quantité de combustible injecté dans le cylindre moteur de l'autogénérateur. Le volume des gaz moteurs débités par l'autogénérateur correspond donc au tronçon de la courbe a qui se trouve à droite du point A. Ce volume est cependant insuffisant pour les besoins de la turbine 20 dont les besoins en volume sont indiqués par le tronçon de la courbe c qui se trouve au-delà du point A.
Pour donner aux gaz, à l'entrée de la turbine 20, le volume nécessaire, on commence à partir de la pression p3 , à injecter à l'aide des brûleurs 23 une certaine quantité de combustible complémentaire dans les gaz moteurs, le robinet 27 ayant été maintenu fermé par force du ressort 40 pour les pressions inférieures à p3 . La quantité du combustible complémentaire est déterminée par l'action de la pression dans la conduite 32 sur le piston 37 de façon telle que le chauffage, dû à cette action, augmente le volume des gaz moteurs jusqu'à ce que ce volume corresponde à la valeur indiquée par le tronçon de la courbe c qui se trouve au-delà du point A.
Le point p4 est la pression maximum d'alimentation de la turbine pour laquelle celle-ci atteint sa puissance maximum.
Dans le dispositif représenté par la<B>fi-.</B> 1, les divers organes de commande travaillent en fonction de la vitesse de la turbine 20.
Dans la variante de ce dispositif, qui est représentée par la fig. 3, ces divers organes de commande sont actionnés par le surveillant de l'installation qui, à cet effet, fait monter ou descendre, à l'aide d'une pompe qu'il actionne à la main, la pression qui règne dans la con duite 32.
Dans la fig. 3 on n'a représenté que les trois cylindres de commande 33-34-35 branchés sur la conduite 32, ainsi que les moyens d'injection du combustible complémentaire et les moyens de commande de la soupape 28 du by-pass.
Les organes de la fig. 3, qui ont déjà été représentés dans la fig. 1, ont été désignés par les mêmes chiffres de référence que dans cette dernière figure.
Pour provoquer la montée ou la descente de la pression dans la conduite 32, le surveillant a à sa disposition un volant 58 à l'aide duquel il entraîne la pompe 59, dont le refoulement est branché sur la conduite 32.
On pourrait évidemment se contenter d'agen cer le dispositif représenté par la fig. 3 de la même façon que celui représenté par la fig. 1, exception faite des moyens que produisent les variations de pression dans la conduite 32. Cependant, dans ce dernier dispositif, on a en core recours à des moyens qui permettent d'aug menter rapidement pour certains régimes de l'installation, notamment pendant la période du démarrage, la quantité du combustible complé mentaire brûlé dans les gaz moteurs, un dispo sitif limitateur de ce combustible étant prévu qui travaille en fonction de la température des gaz moteurs à l'entrée de la turbine et en fonc tion de la vitesse de celle-ci.
Ces derniers moyens sont particulièrement utiles lorsque l'installation sert à l'entraînement de véhicules, notamment de locomotives, où il faut disposer d'un fort couple au démarrage.
Il est à noter ici qu'il est parfaitement possi ble de brûler dans les gaz moteurs, lors des périodes de démarrage de l'installation, des quantités de combustible complémentaire bien supérieures à celles qu'on peut brûler dans les gaz moteurs lors du fonctionnement normal de la turbine. En effet, dans ces périodes, l'instal lation étant encore froide et les gaz débités par l'autogénérateur ayant une température infé rieure à leur température normale, la température des gaz à l'entrée de la turbine, même lorsqu'on brûle dans ceux-ci une quantité supérieure à celle qui serait admissible lors du fonctionne ment normal de l'installation, ne dépasse pas la valeur compatible avec la bonne tenue des aubes de la turbine.
De plus, la vitesse de la turbine étant réduite dans la période de démar rage, la force centrifuge agissant sur les aubes de la roue ou des roues de la turbine est, dans cette période, également réduite, ce qui permet de soumettre les aubes à des sollicitations plus grandes que lors des périodes de fonctionnement normal.
Pour toutes ces raisons, le dispositif limi- tateur susmentionné du combustible complé mentaire qui travaille en fonction de la tempé rature des gaz moteurs à l'entrée de la turbine et en fonction de la vitesse de celle-ci, permet la combustion d'une plus grande quantité de combustible complémentaire pendant la période de démarrage que pendant les périodes de fonctionnement normal, en sorte que l'on obtient un couple particulièrement important lors du démarrage.
Selon la fig. 3, le dispositif limitateur com porte un orifice d'échappement, prévu sur le conduit 60, qui alimente le brûleur 23, cet orifice d'échappement étant disposé entre le robinet 27 et ledit brûleur et étant commandé par une soupape ou une aiguille 61, cette aiguille ouvre l'orifice d'échappement sous l'effet d'un thermostat 62, disposé dans le conduit des gaz 18, à l'entrée de la turbine 20 et agissant sur une tige 63 qui, lorsque la température des gaz atteint une certaine valeur, provoque l'ouverture de l'aiguille 61 par l'intermédiaire d'un balancier 64.
L'effet du thermostat 62 est encore corrigé par un régulateur de vitesse 65, entraîné par la turbine 20 et agissant par l'intermédiaire d'un relais sur la position de l'axe de pivotement du levier 64. Plus la vitesse de la turbine 20 est réduite, plus la température des gaz à l'entrée de la turbine peut être élevée avant que le thermostat 62 ne commence à ouvrir l'orifice d'échappement du conduit 60.
Il est à noter que les dispositifs de réglage décrits peuvent également être appliqués à des installations comportant plusieurs autogénéra- teurs alimentant une ou plusieurs turbines. Les moyens de commande des dispositifs décrits, au lieu d'être hydrauliques, pourraient être pneumatiques, électriques ou purement méca niques.
Method for adjusting an installation comprising at least one free-piston engine gas autogenerator and device for implementing this method The invention relates to a method for adjusting an installation comprising at least one engine gas autogenerator with free piston and a turbine powered by the gases delivered by this autogenerator,
process in which the quantity of fuel introduced into the engine cylinder of the autogenerator is regulated. It also relates to a device for the implementation of this process.
It is known that in an installation comprising a free piston autogenerator supplying a turbine, it is possible for a certain area of the turbine loads, an area which corresponds to a certain range of the turbine supply pressures, to adapt the driving gases discharged by the free piston autogenerator, both as regards their volume and as regards their pressure, at the request of the turbine by simply adjusting the fuel introduced into the driving part of the autogenerator .
In these known installations, however, the maximum load is limited by the maximum quantity of gases that the autogenerator is capable of delivering at the higher operating pressure, this quantity corresponding to the quantity required by the turbine when working at its maximum load.
To allow an installation of this type to operate at higher powers, without increasing the dimensions of the autogenerator, it has already been proposed to inject a certain quantity of fuel into the driving gases supplied by an autogenerator, these gases. containing enough oxygen to ensure combustion of this fuel. However, in installations with additional injection of fuel, it has not been possible to keep the receiving turbine's simplicity which is one of the advantages of known installations working without additional introduction of fuel.
The object of the invention is to remedy this drawback, and, to this end, the adjustment method according to the invention is characterized in that for each operating pressure greater than a pressure for which the maximum volume that the autogenerator is able to deliver at this pressure is equal to the volume that the turbine absorbs at this pressure, we burn in the gases supplied by the autogenerator - the amount of fuel necessary for their volume to increase to the value that the turbine absorbs at this pressure , and by the fact that the quantity of fuel introduced into the engine cylinder of the autogenerator is regulated in such a way as for each of said higher pressures,
the latter delivers the maximum volume that it is capable of delivering at this pressure.
The device for implementing this method is characterized by two members, one of which regulates the quantity of fuel introduced into the engine cylinder of the autogenerator and the other the amount of fuel injected into the engine gases, by two separate pistons each controlling one of said members and on one of the faces of which a single and same pressurized fluid acts and on the other face of which two separate springs act, and by means for varying the pressure of said fluid,
the prior tensions of the two springs being such that the piston controlling the first of the aforesaid members begins its working stroke under the effect of said pressurized fluid before the second control member begins its stroke.
Figs. 1 and 3 of the accompanying drawings show, by way of example, the first an embodiment of the adjustment device according to the invention for the implementation of an embodiment also given, by way of example, of the adjustment method according to the invention, and the second a variant of this embodiment of the device.
Fig. 2 is a diagram serving to facilitate understanding of the operation of the device of FIG. 1.
The installation's free piston autogenerator comprising the adjustment device shown in fig. 1 comprises an engine cylinder 1 and a compressor cylinder 2. In these cylinders works a free piston consisting of a driving element 3 and a compressor element 4, integral with one another. The engine cylinder 1, which works according to the Diesel cycle, two-stroke, is provided with a fuel injector 5. In the wall of said cylinder are formed intake 6 and exhaust 7 openings which are controlled by motor element 3.
The compressor cylinder 2 comprises intake 8 and delivery 9 valves, the latter valves being mounted in the partition 10 which separates the interior of the compressor cylinder 2 from a casing forming an air reservoir 11 which surrounds the engine cylinder. 1. The compressor space is therefore constituted by the space which is located between said partition 10 and the annular face of the compressor element 4, the face which surrounds the extension of the motor element 3 by which this element is fixed to the. piston 4.
As a result, the piston element 4 sucks in air from outside. through the intake valves 8 when the free piston 3-4 completes its outward stroke (forward stroke) under the impulse of the combustion of the fuel injected into the engine cylinder 1, while the compression of this air and its discharge through the valves 9 towards the interior of the casing 11 take place when the free piston 3-4 completes its inward stroke (return stroke).
This return stroke is obtained using the energy which is stored in a pneumatic return energy accumulator 12, formed by the air mattress which is trapped in the outer part of the cylinder 2, between the outer face of piston element 4 and outer bottom of cylinder 2.
The injection pump 13, which supplies the injector 5, is driven by the free piston 3-4, by means of a rod 14 integral with the piston element 4 and which actuates a rod 15 which is connected to a lever 16, the latter acting on a pusher 17 which is integral with the piston of the pump 13. The control of this pump is such that the injection takes place when the piston element 3 is in the vicinity of the end of its return stroke, that is to say in the vicinity of its internal dead center.
The exhaust openings 7 of the engine cylinder 1 are connected by a conduit 18 to the input 19 of a turbine 20, driven by the engine gases supplied by the autogenerator. These engine gases are formed by the combustion gases incompletely expanded from the engine cylinder 1 and by the excess compressed air coming from the compressor cylinder 2 and delivered into the crankcase 11 through the valves 9. This excess air is used as all of the purging air from the engine cylinder 1, so that all of the engine gases enter the duct 18 through the exhaust openings 7 of the engine cylinder 1.
However, part of the excess compressed air could be brought directly from the casing 11 through a pipe 21 (shown in broken lines in a combustion chamber 22, which is interposed in the pipe 18 and inside which is a or several burners 23, serving to burn, in the driving gases of the autogenerator, an additional fuel, which is brought to the burner 23 using a pump 24 driven by a motor 25.
In the case where part of the air is brought directly through line 21 to the combustion chamber 22, the latter is arranged such that the additional fuel is burned in the excess air supplied by line 21. and that the gases coming from this combustion are then mixed with the gases coming from the exhaust openings 7 of the engine cylinder 1.
Instead of burning fuel in the air supplied through line 21, this air could be used to cool the combustion chamber 22, by passing this air, before mixing it with the gases leaving the chamber. combustion chamber, through an annular chamber surrounding the combustion chamber.
The adjustment device shown in fig. 1 comprises a control member 26 which acts on an injection pump 13, by causing, for example, the rotation of the piston of this pump around its axis and which thus determines the quantity of fuel injected into the engine cylinder 1 of the autogenerator for each oscillation of the free piston thereof. In addition, this adjustment device comprises a valve 27 which determines the quantity of the additional fuel introduced into the combustion chamber 22 by the burners 23.
Finally, the adjustment device comprises a valve 28, interposed in the duct 18 immediately upstream of the inlet 19 of the turbine 20 and which, depending on its positions, either closes the access of the engine gases to the turbine, and opens to these gases a by-pass 29 which brings them directly into the exhaust duct 30 of the turbine 20 downstream thereof, or else closes this by-pass so that all the driving gases pass through the turbine 20, or else, in an intermediate position, allows the direct escape into the atmosphere, through bypass 29, of part of the driving gases, while another part of these gases is used to supply the turbine 20.
In the device represented by FIG. 1, the control of the regulating members takes place by hydraulic means and as a function of the speed of the turbine 20. For this purpose, the turbine drives a regulator 31 which produces an oil pressure which varies with the speed of the turbine. in a duct 32. The regulator 31 is arranged such that the oil pressure in the duct 32 is all the greater as the speed of the turbine is reduced. On the duct 32, are connected three cylinders 33 34-35 in which work respectively the pistons 36-37 and 38 which are under the action of antagonist springs designated respectively by 30-40 and 41. It will be discussed later on characteristics of these springs.
The piston 36 is connected by a rod 42 to a bell lever 43 which is connected by a rod 44 to the control member 26 of the injection pump 13. An upward movement of the piston 36, in its cylinder 33 has the effect of moving the member 26 in the direction of an increase in the quantity of fuel injected into the cylinder 1.
The possible movements of the control member 26 are however limited by two cam surfaces 45 and 46 integral with the lever 43 and coacting with a stop 47, the position of which, relative to the cam surfaces 45-46, is a function of the system autogenerator operating pressure. For this purpose, the stop 47 is controlled by a piston 48 on which acts, on one side, the pressure prevailing in the casing 11, analogous to the operating pressure, supplied by the pipe 49.
The average of the pressures prevailing in the mattress 12 could also be made to act on the piston 48 (this average of the pressures being a function of the operating pressure) using a known device not shown in the drawing and a conduit 50 shown in broken lines. For its other side, the piston 48 is under the action of an antagonist spring 51.
The higher the operating pressure, the more the stop 47 rises between the cams 45 and 46, the cam 45, by contact with the stop 47, determines, for each flow pressure, the minimum quantity to be injected into the cylinder engine in order to ensure the minimum stroke of the free piston 3-4, while the cam 46, by its contact with the stop 47, determines for each flow pressure the maximum quantity likely to be injected into the engine cylinder 1 of the autogenerator to ensure the maximum strokes of the free piston 3-4.
The piston 37 is connected by means of a rod 52 and a bell lever 53 to the valve 27 which controls the quantity of additional fuel injected by the burners 23, into the engine gases. Finally, the piston 38 is connected by the rod 54, a lever 55, a rod 56, a balance 57, to the rod of the valve 28.
The preliminary tensions which the springs 39, 40 and 41 have, when the corresponding pistons 36, 37 and 38 are in their rest position, are adjusted in such a way that the tension of the spring 41 has the lowest value, that that of spring 39 has a value greater than that of spring 41 but less than that of spring 40.
It should be noted that the rest position of the piston 38 is that for which the valve 28 closes the inlet duct 19 of the turbine and fully opens the bypass 29. The rest position of the piston 36 is that for which the lever 43 with its cam 45 (min. cam) and the adjustment rod 26 have the position corresponding to the minimum quantity of fuel injected. Finally, the rest position of the piston 37 is that for which the valve 27 is completely closed.
In this way, an operation of the installation is obtained which corresponds to the diagram of FIG. 2. In this figure, the abscissas represent the flow pressures p of the autogenerator, which correspond practically to the supply pressures of the turbine 20.
The ordinates correspond either to the volumes V of the driving gases or else to the powers P supplied by the turbine 20.
In fig. 2 curve a indicates, for the various pressures, the maximum gas volumes capable of being delivered by the autogenerator, said maxima corresponding to the maximum strokes of the free piston 3-4 of the autogenerator. Curve b represents, for the various pressures, the minimum flow rates (in volume) of the autogenerator, flow rates which correspond to the minimum strokes of the free piston 3-4, these minimum strokes being determined by the need to uncover, at the end of each stroke of the free piston towards the outside, the openings 6 and 7 of the engine cylinder 1, to ensure the supply and sweep of the latter.
Curve c represents the quantities (in volume) of the driving gases which must be supplied to the turbine 20 for the various supply pressures of this turbine, the power P of which varies according to the curve N. It should be noted here that the turbine 20 is a turbine with a constant inlet section which requires, for increasing loads, not only volumes, but also increasing pressures of the driving gases.
It emerges from FIG. 2 that the curve c intersects the curve <I> b </I> in the point <I> B </I> and the curve a in the point A. It follows that for the low loads of the turbine 20, it there is an excess of driving gas supplied by the autogenerator which cannot pass through the turbine.
For these speeds, the oil pressure in the line 32 allows the spring 41 to act on the valve 28 in such a way that this valve opens the bypass 29 to a greater or lesser amount.
As the pressure in the pipe 32 rises with the load from the turbine 20, the valve 28 rises more and more to completely close the bypass 29 and fully open the inlet of the turbine 20 at the moment when the pressure p2 corresponding to point B is reached. During this same period, the cam 45 (min. Cam) was constantly kept in contact with the stopper 47 under the influence of the counter spring 39, so that the fuel injection had its minimum value throughout this period.
When the flow pressure exceeds the value p2 and is in the zone between the pressures p2, corresponding to point B, and p3 corresponding to point A, the pressure in line 32 keeps bypass 29 closed and regulates by its action on the piston 36 the quantity of fuel injected into the engine cylinder 1 in such a way that the autogenerator delivers, for each of the pressures between p2 and p3, the quantity of engine gases requested by the turbine and indicated by one of the points of the BA section of the curve c.
During this period, the power P of the installation is regulated exclusively by adjusting the quantity of fuel injected into the cylinder 1 of the autogenerator and the stop 47 is located in the interval between the cams 45 and 46 without them. to touch.
When the supply pressure required by the turbine 20 reaches and exceeds the value p3, the cam 46 (max cam) is brought into contact with the stop 47 which determines, for the pressures between p3 and p4, the quantity of fuel injected into the engine cylinder of the autogenerator. The volume of the driving gases delivered by the autogenerator therefore corresponds to the section of the curve a which is to the right of point A. This volume is however insufficient for the needs of the turbine 20, the volume needs of which are indicated by the section of the curve c which is beyond point A.
To give the gases, at the inlet of the turbine 20, the necessary volume, we start from the pressure p3, to inject using the burners 23 a certain quantity of additional fuel into the engine gases, the valve 27 having been kept closed by force of the spring 40 for pressures lower than p3. The quantity of additional fuel is determined by the action of the pressure in the pipe 32 on the piston 37 so that the heating, due to this action, increases the volume of the driving gases until this volume corresponds to the value indicated by the section of curve c which is beyond point A.
Point p4 is the maximum turbine feed pressure for which it reaches its maximum power.
In the device represented by <B> fi-. </B> 1, the various control members work as a function of the speed of the turbine 20.
In the variant of this device, which is represented by FIG. 3, these various control members are actuated by the supervisor of the installation who, for this purpose, raises or descends, using a pump which he actuates by hand, the pressure prevailing in the con pick 32.
In fig. 3 only the three control cylinders 33-34-35 connected to line 32 have been shown, as well as the means for injecting the additional fuel and the means for controlling the valve 28 of the bypass.
The organs of fig. 3, which have already been shown in FIG. 1, have been designated by the same reference numerals as in the latter figure.
To cause the pressure to rise or fall in line 32, the supervisor has at his disposal a flywheel 58 with the aid of which he drives pump 59, the discharge of which is connected to line 32.
One could obviously be satisfied with arranging the device represented by FIG. 3 in the same way as that represented by FIG. 1, with the exception of the means produced by the pressure variations in the pipe 32. However, in the latter device, we still have recourse to means which make it possible to increase rapidly for certain systems of the installation, in particular during the operation. start-up period, the quantity of additional fuel burnt in the engine gases, a limiting device for this fuel being provided which works as a function of the temperature of the engine gases at the inlet of the turbine and as a function of the speed of this one.
These latter means are particularly useful when the installation is used for driving vehicles, in particular locomotives, where it is necessary to have a high starting torque.
It should be noted here that it is perfectly possible to burn in the engine gases, during the periods of start-up of the installation, quantities of additional fuel much greater than those that can be burned in the engine gases during operation. normal turbine. In fact, during these periods, the installation being still cold and the gases delivered by the autogenerator having a temperature lower than their normal temperature, the temperature of the gases at the inlet of the turbine, even when burning in these a quantity greater than that which would be admissible during normal operation of the installation, does not exceed the value compatible with the good behavior of the blades of the turbine.
In addition, the speed of the turbine being reduced in the starting period, the centrifugal force acting on the blades of the impeller or impellers of the turbine is, in this period, also reduced, which makes it possible to subject the blades to greater stresses than during periods of normal operation.
For all these reasons, the aforementioned device for limiting the additional fuel, which works as a function of the temperature of the driving gases at the inlet of the turbine and as a function of the speed of the latter, allows the combustion of a greater quantity of additional fuel during the start-up period than during the periods of normal operation, so that a particularly high torque is obtained during the start-up.
According to fig. 3, the limiting device com carries an exhaust port, provided on the duct 60, which supplies the burner 23, this exhaust port being arranged between the valve 27 and said burner and being controlled by a valve or a needle 61, this needle opens the exhaust port under the effect of a thermostat 62, disposed in the gas duct 18, at the inlet of the turbine 20 and acting on a rod 63 which, when the gas temperature reaches a certain value, causes the opening of the needle 61 by means of a balance 64.
The effect of the thermostat 62 is further corrected by a speed regulator 65, driven by the turbine 20 and acting via a relay on the position of the pivot axis of the lever 64. The higher the speed of the turbine. 20 is reduced, the higher the temperature of the gases at the inlet of the turbine can be before the thermostat 62 begins to open the exhaust port of the duct 60.
It should be noted that the adjustment devices described can also be applied to installations comprising several autogenerators supplying one or more turbines. The control means of the devices described, instead of being hydraulic, could be pneumatic, electric or purely mechanical.