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" compresseur à pistons à marche libre ".
Dans les machines à pistons à marche libre
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B 8 Ô S ,'t d'un générateur d'énergie (généralement un moteur à combustion fonctionnant par le procédé à deux temps) et d'un consommateur d'énergie ( par exemple un compresseur), dent les pistons con- stituent un système de masses à va-et-vient libre, on doit à chaque course active (détente de la charge du moteur) , accu- muler de l'énergie du côté de la consommation de l'énergie; cette énergie accumulée ramène, après achèvement de la course active les masses en mouvement dans la position qu'elles de- vaient occuper au commencement de la course active.
La longueur de la course des masses en mouvement de va- et-vient n'est pas constante; elle est sujette à des varia- tions qui sont ou bien accidentelles (occasionnées par exemple par des modifications des rapports de frottement) ou inten-
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tionnelles ( en vue de régler les rendements de la partie con- sommatrice d'énergie). C'est ainsi par exemple qu'une diminu- tion de la course entraîne pour un compresseur également une diminution des quantités refoulées.
Il faut s'efforcer, lors d'une variation de la course de l'espèce que le point de ren- versement des masses en. mouvement qui correspond au commence- ment de la course active du côté moteur ( position neutre in- térieure du moteur) , se trouve toujours au même point ; de cette manière la charge du moteur est toujours comprimée en suffisance et, de la sorte, on est assuré d'un allumage certain et d'une combustion favorable et,d'autre part, on évite de comprimer exagérément fort et les pressions et températures de combustion trop considérables qui en résultent. La modifi- cation de la course se caractérise alors principalement par le déplacement de l'autre point de renversement se trouvait à l'extrémité de la course active du moteur ( position neutre ex- térieure du moteur) des masses en mouvement.
On peut obtenir une modification de course de l'espèce (avec une position neutre intérieure de moteur pratiquement inchangée ) lorsque l'énergie accumulée pendant la course active du moteur et cédée aux masses en mouvement lors de la course de retour (énergie qui sera dénommée dans la suite " énergie de retour" ) reste toujours à peu près égale indépendamment de la grandeur de la course.
On a déjà proposé des mesures, par exemple la disposition de cylindres tampons spéciaux qui ne participent pas à la ces- sion de l'énergie vers l'extérieur et qui prennent l'énergie lors de la course active et la cèdent lors de la course de retour ; ils sont destinés tout au moins sur une gamme restrein- te des variations de la course, à maintenir constante l'éner-
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gie de retour. En l'occurrence, on part de cette hypothèse que quand la course de compression diminue, donc en cas de déplace- ment moins complet du contenu du cylindre du compresseur, l'éner- gie de retour augmente, parce qu'il existe à la fin de la course un compartiment de compression proportionnellement plus grand rempli de gaz sous pression, dans lequel reste un quantum d'é- nergie proportionnellement plus grand.
Cette condition ne se présente toutefois pas chaque fois; elle n'existe que dans des cas déterminés.
Le dessin ci-joint est destiné à faire mieux comprendre l'état des choses.
La fig.l montre en coupe médiane et longitudinale une ma- chine à pistons à marche libre. La fig.2 et les fig.3 et 4 sent des diagrammes de compression dans diverses conditions de pres- sion de refoulement: pression d'aspiration. Les figures 5 à montrent schématiquement d'autres exemples de compresseurs à pistons à marche libre en coupe médiane longitudinale. Les par- ties correspondantes sont désignées par les mêmes références dans les figs. 1,5,6 et 7.
La machine à pistons libres conforme à la fig.l se compo- se, suivant le principe connu, d'un cylindre fixe 20, dans lequel se meuvent en sens opposé deux masses 2, dont les faces tournées l'une vers l'autre 25 enferment entre elles le com- partiment du moteur 1, tandis que les deux autres faces,26, limitent les compartiments de compression 5,6. Les cylindres du moteur et ceux du compresseur ont le méme diamètre. La référence 7 désigne les soupapes d'aspiration; la référence 8 les soupapes de refoulement des compresseurs et la référence 9 un dispositif d'alimentation du combustible au cylindre.
Dans la paroi du cylindre du moteur sont ménagées des lumières d'admission 3 et des lumières d'échappement 4 qui sont gou- vernées par les masses 2. Ces masses 2 pouvant être accouplées
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par un mécanisme de conception connue, par exemple, comme repré- senté par la figure 6, par les tiges ou bielles 21,22,qui atta- quent les masses 2 et un levier intermédiaire 23, de manière à effectuer constamment des mouvements en sens opposé.
La figure 2 montre les diagrammes d'un compresseur de l'es- pèce pour diverses longueurs de course dans l'hypothèse d'un grand rapport de pression ( la pression de refoulement étant d'une valeur p en regard d'une pression d'aspiration de P1).
La compression commence avec la pression P1, au point A et s'ac- complit suivant la ligne A-B jusqu'à ce que soit atteinte la pression de refoulement p2.A-lors se produit l'expulsion du gaz comprimé suivait la ligne B.C. En C. est atteint le point de renversement (position neutre extérieure du moteur). A présent commence l'expansion en retour de la quantité de gaz qui reste dans le compartiment neutre vr suivant la ligne C,D jusqu'à ce que soit atteinte la pression d'aspiration p . Sur le trajet D-A se produit l'aspiration du gaz qui doit être comprimé en suite.
L'énergie de retour est égale à la somme du travail d'expansion en retour correspondant à la surface C,D,F,E,C et du travail de poussée de lharge qui arrive, proportionnellement à la surfaee D,A,G,F,D.
Quand la course de la masse est plus petite, on a un nou- veau point de renversement, le point C', plus proche de B; il en résulte que l'expansion de retour suit à présent la ligne C'D' et que l'énergie de retour se compose du travail d'expan- sion en retour proportionnel à la surface C',D',F',E',C'et du travail de poussée proportionnel à la surface D',A,G,F',D'.
La surface H, D,A,E,H est commune aux deux surfaces C,E, G,A,D,C ( correspondant à la grande course jusqu' à C) et C',E',
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GAD' C' (correspondant à la petite course jusqu'à c') qui expriment chacune l'énergie de retour totale. En comparant les surfaces restantes C,H,E'E,C dans un cas (grande course) et
C',D',D,H,C; dans l'autre cas (petite course) on voit facile- ment que l'énergie de retour est pour la petite course (jusqu'à C'), notablement plus grande que pour le cas de la grande course (jusqu'à C).
La figure 3 représente le diagramme d'un compresseur à petit rapport de pression P2/P1 Les références et leur signi- fication sont les mêmes que dans la figure 2. On voit cependant qu'à présent la surface en excès C',D',H,C' qui correspond à la petite course (jusqu'à 01),est plus petite que la surface en excès C,D,H,E',E,C de la grande course (jusqu'à C). Ceci signifie que dans le cas de ce petit rapport de pression, l'énergie de retour diminue également avec la course de la masse en mouvement. Les rapports sont donc iciinversement pro- portionnels à ceux du cas 2.
Il résulte de ceci que la relation entre la grandeur de l'énergie de retour et la grandeur de la course se renverse quand en fait fonctionner le compresseur avec le petit rapport de pression P2/ P1 au lieu de le faire fonctionner aveo un grand rapport de pression. Il En résulte ensuite qu'il doit exister un rapport moyen de pression auquel l'énergie de retour doit rester constante indépendamment de la variait on de la longueur de la course; l'invention consiste tout d'abord à faire fonctionner le compresseur d'un moteur à pistons à marche libre précisément avec le rapporte pression, qui donne cette énergie de retour constante.
La marche avec ce rapport de compression spécial procure ce grand avantage que sans recourir à des mesures spéciales, telles qu'emploi de cylindres tampons
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et analogues, on réalisa la constance désirable de l'énergie de retour par course variable. L'exposé ci-après montre par le calcul le rapport des pressions qu'il faut faire intervenir à cet effet. a) pour le cas normal (poussée du gaz comprimé jusqu'au point C):
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Si l'on désigne par v 1le volume au commEncemEnt de la com- pression,et par v4 le volume à la fin de l'expansion de retour, par m l'exposant d'expulsion, le travail d'expansion en retour correspondant à la surface C,D,E,E,C, est le suivant
P1 V (P) m - 1
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l. 11 = 1 ' 4 - 2 m - 1 - 1 ) ( c f .
BahUle Techn. m - 1 P1 m Thermodynamique
Sterne édition
P. 114). et le travail de poussée correspondant à la surface D,A,G,F,D est 2.L2= (V1=V4).P1
L'énergie de retour totale représentée par la surface C,D,A,G,E,C est la suivante m-1
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(p ) -1 3. h = Zl+ Le = Pl 4 1 m - 1 -l T ( l - ° ) Pl b) pour le cas de l'expulsion complète du gaz comprimé, de manière que l'espace nuisible soit égal à zéro, le travail d'ex- pansion en retour L1 est égal à zéro et l'énergie de retour L' est conséquemment égale au travail de poussée donc, on a 4.
L'=l'2=v1.p1
De la condition que le travail de retour reste toujours de même grandeur indépendamment de la grandeur de la course,,
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il résulte (p2/p ) m - 1
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5.L = L'ou ' v4 p . 1 ¯ m m r 1 -1 .( vl - v4), pl vlP1 Il en résulte m- 1 m 6.P2=m m = m m- 1
P1 p en d'autres termes, le rapport de pression a = ¯ doit m p1 avoir une valeur égale à mm -1
Pour une compression adiabatique (m=1,4) , on a par exemple a = 3,25. Si le rapport de pression est plus grand que cette va- leur, l'énergie en retour augmente quand la course diminue et elle décroit quand elle est inférieure à la dite valeur.
La figure 4 montre le diagramme d'un compresseur dans lequel le rapport des pressions P2 est choisi tel, conformément à
P1 l'invention, que l'on obtienne une énergie de retour qui reste égale en présence de longueurs de course vari ables. Ceci appa- raft dans le diagramme par le fait que les surfaces en excès C,H,E',E,C de la longue course ( jusqu'à C) et C',D',D'H,C', de la course la moins longue (jusqu'à. C') sent égales.
Les compresseurs qui doivent donner une forte compression peuvent être construits sous forme de compresseurs à plusieurs étages ; en choisit alors le nombre des étages de compression de manière que l'on obtienne pour les divers étages le rapport des pressions conforme à l'invention.
Dans un moteur à pistms à marche libre à plusieurs com- presseurs , un seul étage ou à un seul ou à plusieurs compresseurs à plusieurs étages, on peut ensuite, pour une partie des étages de compression ,choisir le rapport des pressions a plus grand m que mm-1 et dans une autre partie, plus petit que cette valeur, de manière à avoir une certaine liberté dans le choix des pres- sions et cependant assurer des énergies de retour à peu près constantes pour des longueurs de course différentes.
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La figere 5 montre,à titre d'exemple, un moteur à pistons à marahe libre avec compresseur à deux étages. La face avait 26 de la masse 2,qui fonctionne dans l'étage à basse pression cir- culaire 5 du compresseur ,porte un appendice 2' ,de diamètre plus petit et à face 26' ,qui fonctionne dans l'étage à haute pression
5' à soupapes d'aspiration et de refoulement 7' et 8'. Le rap- port de compression de chaque étage est égal à la valeur calculée ci-dessus ou ne s'écarte de cette valeur que légèrement vers le haut dans une étage et légèrement vers le bas dans l'autre.
Les considérations qui viennent d'être exposées sont vala- bles pour le cas où le piston du moteur et le piston du canpres- seur ont le même diamètre (figures 1 et 5). Mais si, comme dans l'exemple de la figure 6, la face avant 26 du piston du com- presseur 10 est plus grande que la face avant 25 du piston du moteur 2, de manièrequ'il reste sur le côté arrière 27 tourné vers le compartiment 11 du piston du compresseur 10, une surface annulaire égale à la différence entre la face du compresseur et celle du piston du moteur, les considérations ci-dessus exposées ne sent valables que quand cette surface annulaire est entière- ment équilibrée, c'est-à-dire quand il règne un vide parfait dans le compartiment 11.
Comme il est difficile de maintenir dans le compartiment 11 un vide de l'espèce, l'invention prévoit des mesures qui assurent même en cas de variations de la course une énergie de retour restant à peu près constante, quand la face du piston du compresseur est plus grande que la face du piston du moteur et que la différence de surface entre les deux pistons ne se trouve pas sous vide parfait.
Ces dispositifs ont à leur base,les considérations suivai- tes :si dans le compartiment 11 se trouve enfermée une quantité invariable de gaz, ce gaz est comprimé lors du retour des masses, c'est-à-dire qu'on lui apporte de l'énergie et ce d'au- s tant plus que la course de la mase 2,10 est plus grande; et
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vice versa. Cette énergie de compression introduite dans la masse gazeuse du compartiment 11 ne peut être prélevée qu'au quantum d'é u -nergie qui est libéré lors de la course de restor dans le com- partiment du compresseur 5, et qui assure le rappel de la masse.
La différence entre ces deux quanta d'énergie (l'énergie libérée dans le compartiment 5 diminue de la valeur de l'énergie intro- duite dans le compartiment 11) doit être égale au quantum d'é- nergie qui est nécessaire pour comprimer la charge du moteur.
Conformément à l'invention, en calcule le rapport des pressions du compartiment de compression 5, de manière que le quantum d'énergie libéré dans ce compartiment lors de la course de retour diminue avec la course; qu'il soit donc lus petit m que la valeur normale calculée ci-dessus de a=m m-1. Comme l'énergie à introduire dans le compartiment 11 et qui doit être déduite de ce quantum d'énergie varie dans le même sens, donc diminue également avec la course, il en résulte que lorsque ces deux quanta d'énergie se modifient à peu près dans la même mesure quand la course varie, leur différence ( qui doit assurer la compression de la charge du moteur) reste à peu près constante même quand la course varie.
L'importance de l'énergie libérée dans le compartiment du compresseur 5 lors de la course de retour est fonction du rapport face du piston, du moteur : face du piston du compresseur. On peut modifier ce rapport dans certaines limites, sans influencer le rendement de la compression, à condition de calculer en même temps convenablement le compartiment neutre du compresseur ( à une face de piston plus grande correspond un compartiment neutre plus graid).
L'importance de l'énergie à amener dans le compartiment 11 lors de la course de retour dépend essentiellement de la pres- sion moyenne régnant dais ce compartiment. La grandeur nécessaire
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de cette pression et la modifigation requise de celle-ci avec la grandeur de la course peuvent être réalisés facilement en choisissant convenablement la grandeur du compartiment 11 et de la quantité de gaz y contenue.
Dans un moteur . pistons à marche libre et marchant en sens opposé, les deux compartiments de compression 11 peuvent, ainsi que le montre la figure 6, se trouver en communication per- manente par un tuyau 12. Si l'en admet,par exemple,que lors de la position de point neutre intérieure du moteur, la pression régnant dans le compartiment 11, 12 est égale à la pression atmosphé- rique, cette pression diminuera lors de la course extérieure des masses en fonction de l'augmentation de volume des compartiments 11 et ce d'autant plus que le compartiment 12 est plus petit.
Mais plus,cette pression diminue, plus diminue la pression u moyenne et conséquemment l'énergie nécessaire lors de la erse de retour pour la recompression à la pression initiale. De cette manière, le rapport des pressions P2 dais les cylindres de
P1 compression peut, en cas de forte chute de pression dans les compartiments 11,12, être plus grande qu'en cas de faible chute de pression. On peut donc, en modifiant la grandeur du canpar- timent 12,faire varier,dans certaines limites,la pression de refoulement du compresseur, sans perdre l'avantage du travail de retour approximativement constant lors des variations de la course.
La pression maximum régnant dansles compartiments 11,12 peut évidemment se trouver au-dessus ou au-dessous de la pression atmosphérique; cette pression peut, par exemple, être égale à la pression qui règne dans le réservoir d'air de balayage 14. opportunément, les compartiments Il,12 sont en communication avec un compartiment dans lequel règne la pression maximum admis- sible pour les compartiments 11,12 en permanence, par exemple avec la pression atmosphérique, le réservoir d'air de balayage
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ou un autre réservoir nécessaire en soi pour assurer le fonction- nement du moteur, ce par l'intermédiaire d'une soupape de rete- nue en communication avec lui;
la pression qui règne dans les compartiments 11.,12, ne peut pas alors dépasser le maximum ad- missible comme cela se produirait,par exemple,par suite de man- que d'étanchéité des pistons de compresseurs 10.
Dans la disposition , conforme à la figure 6, on a prévu sur le compartiment .,12, une soupape de retenue 13 qui dé- bouche à l'air libre.
La figure 7 montre le raccordement des compartiments 11,12 au réservoir d'air de balayage 14 par l'intermédiaire d'une sou- pape de retenue 15,qui donne dans ce réservoir.
Pour empêcher que la pression ne descende trop fortement dans les compartiments 11,12, par exemple par suite de départ de gaz provoqué par manque d'etanchétité des pistons de moteur 2, vers les lumières d'échappement 4, les compartiments 11,12 peuvent être mis en communication par l'intermédiaire d'une sou- pape de retenue qui s'ouvre vers eux, avec un réservoir dans lequel règne en permanence la pression . minimum admissible pour les compartiments 11,12.
On admet dans l'exemple de la figure 7 que cette limite de pression inférieure est égale à la pression atmosphérique; les compartiments 11,12 sont donc en relation avec l'air atmos- phérique par une espèce de soupape d'aspiration 16. La pression qui règne dans les compartiments 11,12 ne peut donc se déplacer que dans des limites comprises entre la pression atmosphérique et la pression qui règne dans le réservoir de balayage.
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