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Perfectionnements à l'échappement des moteurs.
On constate que l'écoulement des gas brûlés des moteurs à. combustion interne est généralement freiné dans les canalisations par le frottement des parois et la présence d'obstacles tels que des coudes ou la présence de gaz sans mouvement.
Dans le premier cas, la paroi étant plus ou moins rugueuse, crée de ce fait un mouvement tourbillonnaire dans le fluide qui s'écoule à son contact et freine son déplacement à son contact immédiat. Comme la partie centrale de la veine fluide continue à grande vitesse, il se produit par
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suite, dans la veine même des troubles absorbant une partie de son énergie cinétique.
Dans le second cas une partie de l'énergie cinétique est transformée. L'absorption d'une partie de l'énergie cinétique produit à ce moment là une augmentation de pression à laquelle correspond une contre-pression qui, à son tour, tvauve un équivalent dans une quantité de mou- vemert créée en sens directement opposé au mouvement de la veine fluide. Par conséquent, la vitesse de la veine est d'autant réduite et l'écoulement subira des perturbations.
Lorsque, en plus, cette veine rencsntre un obstacle tel qu'un gaz sans mouvement, un phénomène similaire se produit au moment du choc des deux gaz.
Par ailleurs, si l'on dessine le diagramme adiabatique d'un moteur à explosion et qu'on étudie la courbe de rendement de celui-ci, s'il est à quatre temps per exemple, on remarque que pendant le temps de la détente, du fait de l'avance à l'éoscahppement, la courbe, entre les abcisses a et b baisse très rapidement avant d'atteindre le point mort bas.
On peut considérer cette chute comme si la course était réduite pendant la période de travail (soit A cette période detravail). Si au moment o ù la soupape commence à s'ouvrir, et jusqu'au point mort bas, on pouvait réduire la vitesse de sortie des gaz, ceeux-c pourraient alors dans une certaine proportion, augmenter le rendement du moteur, à condition toutefois que, une fois le point mort bas franchi, leur vitesse d'écoulement soit considérablement augmentée, de manière à profiter du vide partiel qu'un écoulement très rapide des gaz laisse derrière lui, afin d'al-
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léger le mouvement du piston dans sa course ascendante jusqu'eu point mort haut (soit B cette seconde période).
En d'autres termes, cela revient à dire que l' on peut demander pendant la période A, un surplus de travail avec éventuellement une contre-pression à condition que ce travail emmagasiné serve à produire une dépression importante qui par son effet de succion, agira pendant la période B.
Par conséquent, si l'on obtient, pendant la période A, par une dispositionapproporée de l'échappement des gaz, un surplus de travail, avec éventuellement une contre-pression donnant à la courbe, dans l'intervalle!± l'allule représentée en pointillé sur la figure ci-contre, on Fourra créer en contre-partie une dépression importante avant la période B, et les zones hachurées entre les abeisses a et b, et entre b et o, donnent une évaluation de 1' augmentation de travail obtenue et par conséquent permettent de connaître l'augmentation de rendement du moteur due à cette disposition appropriée-
Pour atteindre ce résultat, il y a donc lieu de conduire de la façon désirée les gaz d'échappement à leur sortie du moteur.
La présente invention a pour obet d'obtenir par conséquent l'évacuation la plus complète possible, sans choc et sans heurt, dans les meilleurs conditions, des gaz d'échappement sans qu'ils soient freinés dans les canalisations.
A cet effet, tout d'abord, les canalisations seront de préférence munies de dispositifs facilitant le passage des gaz dans le sens de l'écoulement mais les
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freinant en sens contraire, du fait qu'il s laisseront entre leur partie centrale libre laissant le passage des gaz, et leurs bords montés contre les prois des canali- sations, une zône dans laquelle viendront buter les masses de gaz qui pourraient être entraînées en sens opposé sous l'effet d'une contre-pression.
Par ailleurs, l'étude du mouvement desgaz à la sortie des soupapes ou lumières d'échappement, montre qu'ils prennent naturellement en passant par ces soupapes ou ces lumières un mouvement cantripété contre lequel lutte en particulier la turbulence entre le piston et le fond du cylindre. Il résulte de ces effets divers et contraires une sortie irréguliére qui engendre, tant dans la chapelle de strtie que dans les tubulures d'échappement, un mouvement de rotation du gaz sur lui-même.
La demanderesse a trouvé que pour éviter ce mouvement tourbillonnaire qui nuit également au déplacement régulier des gaz d'échappement dans les canalisations, il convenait d'aplatir les canalisations presque tout de suite aprés la sortie des gaz du moteur, et de les retourner là oà Inexpérience montre que se forme un mouvement de rotation sur elle-même de la napper gazeuse.
A cet effet, le dispositif d'échappement conforme à l'invention est caractérisé essentiellement : a) d'un jeu de tubulures d'échappement montées à la sortie des soupapes ou lumières d'échappement des gaz brûlés du moteur, lesquelles tubulures sont aplaties et retournées sur elles-mêmes là oò la veine gazeuse se retourne, de manière que celle-ci puisse reculer dans les meilleures conditions sans freinage et sans choc. b) éventuellement d'un système de jupes montées les unes derrières les autres avec un léger vide entre elles à la
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sortie des soupapes d'échappement pour éviter que les gaz issus par la partie centrale de la jupe reviennent en arrière sous l'effet d'ane contre-pression.
c) d'un collecteur formant trompe, auquel arrivent les tubulures d'échappement, lequel collecteur est muni d'un jeu de surfaces alaires présentant en coupe longitudinale dans le sens du déplacement des gaz qui y sont -'menés, la forme d'ailes à fentes mincec, entre lesquelles passent les gaz brûlés en agissant, du fait de la disposition des fentes, les uns sur les autres par aspiration, chaque élément de la nappe de gaz passant par une de ces fentes, agissant par dépression sur lui-même et les nappes élémentaires passant par les fentes voisines, les dites surfaces alaires pouvant en outre être disposées de manière que la dépression formée par la face dorsale de chacune d'elles, agissent sur les nappes de gaz qui n'ont pas encore atteint dans le collecteur,
la zone dans laquelle elle se trouve placée et éventuellement sur des surfaces alaires disposées même plus en avant dans ledit collecteur.
Poux bien faire saisir la portée de l'invention, la demanderesse rappelle à ce sujet les études qu'elle a entreprises, concernant l'échappement des gaz 'brûlés des mo- teurs dans les tubulures ordinaires.
A cet effet, elle a représenté en coupe ci-dessous, Fig. 2 une canalisation d'échappement, cylindrique, droite, à 55 m/m de son point de raccordement au moteur
Fig. 3 - 6 cm plus loin ( à 115 m/m du moteur)
Fig.4-6 cm plus loin ( à 175 m/m " " )
Fig. 5 - 3 cm plus loin (à 205 m/m " " )
Fig. 6 - 6 cm plus loin ( à 265 m/m " " ) lesdites coupes étant complétées par une représentation graphique des zones parcourues par les nappes de gaz à
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même vitesse, même pression, même tempéroture.
Si l'on examine ces différentes figures, on voit que la zone achurée, qui est celle parcourue par les gaz à grande vitesse, et haute pression, se déplace d'environ 90 , en s'étalant et s'aplatissant au bout de quelques centrimétres, puis se déforme au fur et à mesure qu'elle approche de l'extrémité du tube.
On conçoit donc que pour obtenir un écoulement parfait des gaz !l'échappement, sans perte de vitesse, et aveo un minimum d'encombrement, il faille prendre une nappe de gaz à grande vitesse, haute pression! haute tem- pérature, là lé elle présente le maximum de concentration pour la conserver dans cet état jusqu'à l'échappement final.
C'est ainsi que les tubulures d'échappement conformes à la présente demande, sont aplaties et retournées sur elles-mêmes, là où les nappes de gaz d'échappement présentent, dans leur portion à hqute pression et grande vitesse, à savoir celle hachurée sur les dessins ci-joints fig. 2 à 5, une forme aplatie.
Dès que la nappe de gaz a pris cette forme aplatie : - au bien on retourne la veine dans le tube plat, rapidement redressé et maintenu droit jusqu'à l'échappement, compte tenu des décalages dûs à la disposition du moteur - ou bien on leur imprime un mouvement de rotation jusqu'à ce qu'ils aient atteint une vitesse périphérique considérable, auquel moment ils s'échappent dans un tube plat et allongé, aboutissant à l'orifice d'éjection dans l'air ou le silencieux.
Par ailleurs, si on se reporte au brevet de la demanderesse, on constate que si on éjecte per
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une fente mince d'épaisseur maximum d'environ 1 m/m 5) un gaz à grande vitesse dans l'air, le gaz se détent le long d'un volet prolongeant l'une des lèvres de la fente, en créant le long de celle-ci une zone de torte dépression dûe au fait que les gaz sont détendus en dépassant largement leur volume initial ; si on se reporte à la fig. 7 ci-jointe, on constate le long de la zone hachurée, une dépression forte due à l'expansion de la veine fluide s'échappant à haute pression par les fentes très minces et constituant une zone dans laquelle se précipite l'air ambiant dans le sens de la flèche.
On conçoit donc que si l'on éjecte des veines de gaz distinctes probenant d'une même nappe, mais séparées avant échappement, en les décalant légèrement dans l'espace les unes par rapport aux autres on puisse par les zones de dépression créées à la sortie de chacune des nappes élémentaires, augmenter la dépression créée par la nappe précédente, et ainsi de suite, comme vu fig. 8 ci-contre.
Sur les dessins annexés, on a représenté tout d'abord les figures schématiques 1 à 8 dont il est parlé ci-dessus, puis des modes de réalisation de l'invention fig. 9 à 29.
Fig.9, un élément de tube d'échappement amenant les gaz aux collecteur,
Fig? 10, un moteur d'aviation en étoile muni de tubes d'échappement conformes à l'invention, raccordés à un collecteur.
Fig. 11 une demi-coupe longitudinale du collecteur auquel aboutissent b s tubulures d'échappement.
Fig. 12n une coupe longitudinale à grande échelle d'une surface alaire à fentes.
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Fig. 13, un élément de collecteur circulaire monté sur un moteur en étoile, en coupe partielle
Fig. 14 à plus grande échelle en perspective, un silencieux monté sur l'échappement des gaz brûlés du collecteur.
Fig. 15 et 16, le même silencieux représenté fig, 15 en coupe transversale et longitudinale.
Fig. 17 une variante de réalisation.
Fig. 18 et 19, une chapelle d'échappement en coupe avec un système de jupes freinant toute contre-pression.
Fig. 20, 21, 22 et 23, des coupes de collecteurs d'échappe- ment simples sans système dépresseur vu fig. 10 à 14 mains munis de jupes évitant les contre-pressions.
Fig. 25 et 24, en coupe et en plan, une chapelle d'échappement avec tubulure aplatie et enroulée en hélicoïdal
Fig. 27 et 27, une variante du tube plat hélicoïdal vu fig. 24 et 25.
Fig. 28, 29 et 30, des autres variantes de réalisation du tube plat précité.
Si on considère la fig. 9, on voit à la sortie de la chapelle d'échappement, 1, un tube cylindrique 2 apla- tissant au bout de quelques centimètres en 3, et se retournant en 4, quelques centimètres plus loin, pour être prolongé par un élément rectiligne 5.
Les points où la tubulure d'échappement cylindrique a été aplatie et retournée, sont déterminés en fonction de la vitesse d'échappement des gaz issus de la chapelle ou > lumière d'échappement xxx xxx xxxxx xx ix xxxxxxxxx et par la forme de la soupape ou lumière créant un mouv ment de rota- tion pls ou moins accentué.
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Si l'on se reporte par ailleursà la fig. 10, on voit une série d'éléments de tubes aplatis, tels que celui décrit fig. 9, montés sur les différentes soupapes d'échappe- ment Ia, Ib, Ic;.... d'un moteur 6 à plusieurs cylindres
7a, 7b, 7c.... en étoile par exemple.
Chacun des tubes aplatis 5 est raccordé par un système de brides ou tout autre, 8, à une tubulure aplatie
9 coudée par exemple en 10, et aboutissant au collecteur 11.
Celui-ci, comme vu en coupe longitudinale fig. 10 est constitué par une pièce, venue de fonderie, par exemple, comportant un certain nombre de conduits 12, sur le trajet desquels de trouvent des surfaces alaires 13, vue s en coupe longitudinale fig. 13, en forme d'ailes à fentes.
A cet effet, ces surfaces alaires 13 sont constituées par une pièce présentant alternativement des parties pleines 15, et des parties creuses 14, les parties pleines 15 ayant de préférence la forme d'ailes à bords d'attaque assez épais 16.
Ces surfaces alaires sont fixées pàr des pattes, des vis des pièces venues de Fonderie avec elles, ou tout autre moyen, au corps du collecteur en tous points appropriés, selon le nombre de conduits 12 auxquels aboutissent les tubulures 9.
Les conduit s 12 les plus allongés, c'est à dire ceux s'enfonçant le plus avant dans le collecteur, tels que 12a, sont constitués d'une part par la paroi 17 du collecteur, d'autre part par une pièce 18, creuse pas exemple en 19 et terminée par une partie légèrement recourbée 20, formant d'une part déflecteur pour la surface alaire 13b et d'autre part guidage pour les gaz qui s'échappent de la tubulure 12a pour les conduire en partie
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sur la surface alaire 13a, à la sortie du conduit 12a.
Ld trajet des gaz est, depuis la sortie du moteur jusqu'au collecteur, le suivant :
Après avoir été retournés et aplatis, dans la tubulure retournée et aplatie 2-3-4-5, les gaz passent par la tubulure plate 9 jusquéà ce qu'ils arrivent dans les conduits plats 12a, 12 b, 12c, etc??2 du collecteur 11.
Les gaz aerivant par le conduit 12a frappent l'aile 13a sur toute sa longueur, du fait de son inclinaison par rapport à la surface interne 17a de la paroi 17, et se divisant en nappes élémentaires, passent par les fentes 14 (fig. 12). Ils créent ainsi le long de la partie dorsale
25 et de la partie ventrale 26 des ailes 15 à bords d'attaque épais 16, une zone de dépression 25'-26' légèrement hachurés, qui se prolonge le long de la partie dorsale 22a de l'aile 12a,
Les zones de dépression 25'-26' s'etendant légèrement audelà de l'extrémité postérieure des ailes 15, réagissent, aile 15 par aile 15, les unes sur les autres, chacune des fentes telles que 14 laissant en effet passer des nappes de gaz se détendant partiellement, créant, d'une part en 22 les nappes élémentaires elles-mêmes,
dans les parties telles que 25'-26' d'autre part en 23, une dépression tendant à aspirer la veine élémentaire passant par les autres rentes.
C'est cette dépression qui aspire par l'espace libre 21, les gaz !provenant du conduit 12a et qui ne sont pas passés par les fentes 14 après avoir buté, pour la plus grande part, contre les becs 16 des ailes 15. Cette nappe de gaz passant dans l'espace libre 21 tend, du fait de la dépression créée le long de la partie dorsale 22a de l'aile 12a, à s'y appliquer et à se mettre également en dépression.
On conçoit donc que dans la zone comprise entre
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deux éléments symétriques tels que 13a; se crée une dépression très forte, due à l'adcumulation de dépressiond élémentaires créées par les ailes 15 constituant la sur-
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) /face alaire 13a, et celle due à 1&JoeoezoezlàX±nn !i:e:x1iH:}a:e:gs::i:mtx la détente de la veine gazeuze passant par l'espace 21. Cette dppression aspire les gaz provenant dans les mêmes conditions de l'espace limité par les chiffres de référence 29-32 et aux- quel ils sont conduits par les tubulures 12b, 12c, et détendus en forte dépression grâce aux surfaces alaires 13b, 13c, iden- tiques à la surface alaire 13a.
Il y a lieu de noter toutefois que l'extrémité
20 de la pièce 18 forme déflecteur et empêche les gaz du fait d'un mouvement tourbillonnaire quelconque, de revenir en arrière pour boucher dans une certaine mesure les prolongements des conduits 12b, formés entre l'élément
13b et ka partie droite 33 de la pièce 18.
Il y a lieu d'observer en outre que la zone Z est en dé- pression du fait des zones de dépressiontaires 23b, 23c formées le long des parties dorsales des ailes 13b et 13c.
Le collecteur est terminé, à son extrémité postérieure par un conduit 34 qui peut être raccordé à un silencieux quelconque, ou déboucher à l'air libfe.
Dans les variantes vues fig, 13 à 16, le collec- teur est constitué d'un tube plat circulaire 34, dans lequel débouchent les tubes plats 5 terminés par une embouchure évasée 35 recevant une surface alaire 36 iden- tique aux surfaces alaires 13 vues fig. Il et 12, et jouant le même rôle du fait des dépressions élémentaires créées dans les z8nes 14 comprises entre les ailes 15. Le long des surfaces alaires 36 se crée donc une zone de dépression intensifiée 37 tendant à aspirer dans le smsde la flèche
F les gaz contenus en amont dans le tube 34. L'échappement des gaz dans l'air peut se faire par des silencieux 38
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raccordés tangentiellement au tube 34, et vus en détail fig. 14, 15 et 16.
Les sièncieux sont cois titués par un empilage de rondelles 39 annulaires, dont la partie axiale 40 est vide pour faciliter le refroidissement. Entre les éléments empilés sont prévus, comme dans le brevet des fentes minces 41 dont une des livres 42 est terminéd par un bossage 43 le long duquel se détend en dépassant son volume initial et par suite en dépression, la veine gazeuse qui s'échappe. De préférence ces silencieux, étant donné la disposition vue fig. 13, sont placés de manière que l'air s'y engouffre en les refroidissant dès que le moli le se dé- place.
Il va de soi quedans le cas de moteurs mono- cylindriques et dans le cas où l'un désire que chaque cy- lindre ait son échappement individuel, les collecteurs 34 sont supprimés et l'échappement se fait directement à l'air libre par un tube'plat tel que 5, terminé par une embouchure 35 munie à sa partie terminale d'une surface alaire 36 (fig; 13) et éventuellement complété par un si- lencieux à fentes minces .
Fig. 17, on voit les tgbes plats X-Y terminés par un évasement formant collecteur et présentait des cloisons intermédiaires profilées xxxxxxxxxx en forme d'ailes a-a' - a"-a"' - etc... b-b'- b"-b"' - orientées de manière que l'air pas- sant dans les espaces libres laissés entre les dites ailes agisse exactement comme dans le cas decelles vues fig. 12 et créant des dépressions réagissant lesunes sur les autres.
De préférence, pour éviter lescontre-pressions nuisibles, la chapelle d'échappement sera agencée comme vu fig. 18. Dans ce cas, la canalisation d'échappement est de section environ double de celle qu'elle aurait normalement pour assurer l'écoulement des quantités de gaz brûlés par
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unité de temps. Elle est muxiie de jupes 39a 39b.... enfilées les unes derrière les autres dont la partie centrale 40 est de même section que la section normale de la canalisation. On conçoit que les gaz qui auraient tendance à revenir en arrière viennent buter dans les espaces vides 41 compris entre les jupes et les parois 42 de la canalisation.
Fig. 19, les jupes 39 et 39b sont montées sur le guide de la tige de la soupape.
Fig. 20, 21, 22 et 23 pe collecteur 11 vu fig. 10 et 11 est simplifié : comportant ou non des dispositifs alaires créant une zone de dépression aspirant les gaz brûjles, il est muni de jupes 42a, 42b, 42c, de formes diverses circulaires (fig. 20, 21 ou 22) ou hélicoïdales (fi.g 23) laissant entais elles et la parci dn collecteur des espaces vides 43à, 43b, 43c , dans lesquels viennent buter les gaz qui auraient tendance à revenir en arrieére du fait d'une contrepression
Si on se reporte aux fig? 24 et 25, on voit une variante de réalisation des dispositifs profitant de la tendance naturel le des gaz à tourner aux eux-mêmes pour les amener en veines plates dans les tubes les conduisant à l'échappement ou au collecteur 11.
Ils remplacent alors l'appareillage vu fig.9 consistant à retourner le tube d'échappement aussitôt sa sortie du moteur. Dans le prolongement de la chapelle 44, est prévue une tubulure plate 45 de section pratiquement rectan- gulaixe enroulée sur un axe 46 et se détachant de lui en 47 dans une direction à peu près perpendiculaire à celle duidit axe.
Four la. clarté du dessin, soit 48 le cylindre, 49 la soupape d'admission, 50 sa chapelle, 51 la bougie ; on conçoit alors que les gaz prenant por la turbulence ou toute autre raison le mouvement giratoire, indiqué par la flèche F, le continuent alors en touxnant sur eux-mêmes lorsqu'ils s'échappent par la soupape d'échappement, et pénètrent dans la
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tubulure 45, dont la partie enroulée accompagne ledit mouvement pour l'intensifie!,, jusqu'à ce qu'il soit suffisant pour que, lors de l'échappement hors de l'extrémité dudit tube 45, il so t créée derrière chaque nappe de gaz une dépression suffisante pour aspirer énergiquement sans possibliité de retour, étant donné le mouvement du gaz, les nappes successives qui s'échappent.
Les fig. 26 et 27 montrent une tubulure telle que 45, s'enroulant suivant un axe perpendiculaire à la direction générale des gaz, lors de leur sortie de la chappelle
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ctt éiappement,
Fig. 28 et 29, on voit une variante de réalisation constructive, dans laquelle on a prévu l'équivalent des tube:
plats enroulés suivant un axe orienté dans la direction générale de la sortie desgaz t comme dans la fig. 1)
Dans cette réalisation, les tubes plats sont constitués par l'espace compris entre deux bandes hélicoïdales 52a, 52b, concentriques. parallèles, de même pas et de même largeur d, disposés perpendiculairement à leur are d'enroulement 53, et tangentes intérieurement et extérieurement, respactivement à deux cylindres concentriques 54 et 55, dont
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l'éoartement d. est égal à la largeur d desdites bandes.
Il n'est d'ailleurs pas indispensable de prolonger ces filets intérieurs jusqu'au boulet, comme la fig. 30 l'indique, on peut les arrêter avant qu'ils a tteignent le fond du cylindre, les gaz continuant leur mouvement dtenroulement amorcé Jusqu'au point voulu.
Suivant le cas, l'évacuation desgaz dansles chemins
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plats ainsi formés, peut se faire -oeTipendiculairement ou parallèlement ou de toute autre manière à l'axe 55 des cylindres 54 et 55. Da préférence, l'échappement des gaz hors des chemins hélicoïdaux précités est assuré par une
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fente 56 longue et étroite, parallèle à l'axe 53 et à laquelle se raccorde un tube plat droit 57 dans lequel les gaz se précipitent.
Dans lecas de moteursà plusieurscylindres, il va de soi que les différents tubes 57 seraient aménagés de manière à pouvoir être combinés afin que la dépression créée par ahacun d'eux réagissenaur chacun des autres, comme dans le cas des fig. 10 et 13,
A la sortie des tubes plats 57, les gaz sont amenés au collecteur et à l'air libre par un des moyens vus fig. 10 à 16 de la présente demande.