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"Moteur à combustion interne à deux temps"
La présente invention est relative aux moteurs à conbustion interne du cycle à deux temps qui fonctionnent en conformité avec les phénomènes naturels qui accompa- gnent la combustion et l'évacuation des gaz c'est-à-dire aux moteurs dans lesquels la haute dépression ou le vide, résultant de l'évacuation des gaz brûlés du cylindre dans les organes d'échappement sous forme de masse cohérente à une vitesse supérieure à celle de la détente adiaba- tique en vertu de l'énergie contenue dans les gaz lors- qu'ils sont encore dans le cylindre, est utilisé pour ali- menter le moteur.
L'invention est relative plus particulièrement à des moteurs à combustion interne à deux temps, dans les- quels l'évacuation du cylindre par la sortie en masse des gaz brûlés est utilisée pour introduire la charge fraîche en ouvrant l'admission lorsque les gaz brûlés se déplacent vers l'extérieur par la lumière ou le con- duit d'échappement comme conséquence de leur sortie n massive du cylindre.
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L'invention a pour co jet un procédé de construction d'un tel moteur dans lequel on peut obtenir un couple optimum et stable et en outre,un couple constant sur une gamme de vitesses désirées.
L'invention consiste en une disposition dans laquelle la. surface de l'orifice d'échappement ouvert pendant un intervalle de temps suffisamment court pour donner la cer- titude que les gaz encoredans le cylindre conservent une énergie balistique suffisante pour maintenir une vitesse supérieure à celle de la détente adiabatique pendant l'é- vacuation subséquente du cylindre,est supérieure au pro- duit de la surface du piston du moteur multipliée par la vitesse instantanée de la détente adiabatique dans le mi- lieu considéré et divisée par la vitesse instantanée de la sortie balistique,l'intervalle de temps étant par exem- ple, inférieur à 1/300e de seconde$,
La surface d'échappement définie au paragraphe précé- dent sera désignée ci-après comme la surface critique d'é- chappement.
L'invention consiste en outre dans une disposition d'une surface additionnelle de l'orifice d'échappement qui s'ouvre après l'ouverture de la surface critique pour assu- rer une évacuation plus rapide des gaz brûlés.
L'invention consiste encore dans une disposition qui permet à la surface critique de s'ouvrir dans l'intervalle de temps requis à la vitesse la plus faible du moteur.
L'invention sera plus clairement comprise à l'aide de la description qui va suivre et en se référant aux des-
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sine annexés dans lesquels: la fig.1 est un diagramme explicatif relatif à la vitesse de sortie des gaz brÛl,9 lors de leur évacuation du cylindre à travers l'orifice d'échappement; la fig.2 est un cliagamme représentant les différentes conditions obtenues dans le cylindre d'un moteur à ccmbus-
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tion interne comme conséquence de l'évacuation des gaz brûlés et montrant l'effet d'une; ouverture retardée de la surface critique; la fig.5 est un diagramme similaire à celui de la fig.
2 mais montrant l'effet d'une ouverture prématurée de la surface critique.
Il est de croyance courante que,lorsque les gaz brûlés sont évacués du cylindre d'un moteur à combustion interne, cette évacuation est de la nature d'une détente adiabatique et que la vitesse d'évacuation de ces gaz est la vitesse du son pour le milieu considéré.
Les demandeurs ont déjà indiqué que cette supposition ne - s'accorde pas avec les faits et que la façon dont se compor- tent les gaz brûlés pendant et après leur évacuation du cy- lindre est telle qu'elle conduit à admettre que les gaz brû- lés,tandis qu'ils sont encore dans le cylindre, forment un corps ayant des propriétés analogues à celles d'un corps élastique,et qui à l'ouverture de l'orifice d'échappement cherche à se projeter lui-même hors du cylindre sous forme de masse cohérente.
Les demandeurs ont observé que lorsque l'orifice d'é- chappement s'ouvre, il y a d'abord une période de retard pen- dant laquelle aucun changement appréciable n'a lieu dans le milieu gazeux extérieur à l'orifice d'échappement et que une fois ce retard écoulé les gaz brûlés sortent du cylindre à une vitesse très supérieure à celle supposée précédemment pour la détente adiabatique et sous forme de masse cohérente dont le mouvement est commandé par les lois de réflexion et de rebondissement.
Ceci ne doit nullement être compris comme excluant la détente des gaz pendant leur évacuation du cylindre.Pendant cette évacuation la détente diabatique des gaz brûlés a lieu d'une manière continue,mais du fait que leur vitesse de
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sortie est très supérieure à la vitesse du son les gaz ma- nifestent en conséquence des propriétés de cohésion de sorte qu'ils sont capables de se séparer d'eux-mêmes des parois du récipient qui les contient.
Pour faire mieux comprendre les phénomènes considérés et la présente invention on peut faire une analogie en se référant à la façon d'agir d'un ressort à boudin réagissant à des forces de compression.
Lorsqu'un ressort à boudin libre est placé sur une ta- ble et soumis à une compression,la force de compression em- magasinée dans le ressort est une force agissant sur une masse et capable de communiquer une vitesse initiale à cette masse.Si le ressort est alors abandonné de manière à se dé- tendre à l'encontre d'une résistance et si la résistance est convenablement choisie,le ressort peut être forcé à se détendre lentement jusqu'à ce qu'il revienne à sa longueur libre pour laquelle il reste à l'état de repos.
Le travail effectué par le ressort en se détendant est alors emmagasiné par la résistance.
D'autre part,si le ressort,après avoir été comprimé sur la table est abandonné subitement c'est-à-dire si on enlève le dispositif de compression dans un très court in- tervalle de temps,le ressort,lorsqu'il se détend comme conséquence de son abandon,quittera également la table.
L'énergie emmagasinée dans le ressort a été utilisée entière- ment pour communiquer une vitesse initiale au r essort.Pen- dant son envol dans l'air après qu'il a quitté la table,des oscillations se produiront dans le milieu continu constituant le ressort, mais ces oscillations n'ont pas de rapport direct avec le mouvement du ressort formant un tout qui quitte la table.
Cette condition peut être comparée avec la sortie des gaz brûlés du cylindre à une vitesse supérieure à celle
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de la détenteadiabatique.
De plus si,pendant-.que le ressort est maintenu à un état statique de compression entre deux surfaces,il est soumis à un choc,par exemple à un coup de marteau,l'action exercée sur le ressort par le coup de marteau se manifeste- ra lui-même sous deux formes.En premier lieu il augmentera la compression du ressort et en second lieu il provoquera un mouvement du centre de gravité du ressort,car c'est une force agissant sur une masse et capable de produire une accélération de cette masse.
Si l'une des parois de retenue est alors enlevée dans un court intervalle de temps tel que ce mouvement du cen- tre de gravité du ressort se continue encore,le ressort re- bondira comme un tout de l'autre paroi à une vitesse accrue comme conséquence de la vitesse impartie à son centre de gravité par le coup de marteau.
Le coup de marteau imparti au ressort peut être comparé au choc exercé sur les gaz comprimés dans un cylindre de moteur par la combustion de ces gaz et on verra que la sug- gestion faite est que cette combustion en plus qu'elle aug- mente la pression des gaz peut communiquer également de la vitesse au centre de gravité de la masse des gaz dans le cy- lindre et que la vitesse de sortie des gaz brûlés lorsque 1'6- rifice d'échappement est ouvert est influencée par cette vi- tesse pré-existante possible dans le cylindre.
On verra d'après l'explication ci-dessus que d'après les vues des demandeurs les gaz brûlés qui sont évacués du cylindre d'un moteur à combustion interne possèdent une élas- ticité mécanique qui peut être comparée à celle d'un ressort et que c'est l'élément temps qui détermine si les propriétés manifestées par ces gaz dans leur réaction sur des forces de compression, sont celles associées à des corps gazeux liquides ou solides.
La détente adiabatique des gaz peut être comparée à
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la condition sous laquelle la détente du ressort s'exerce à l'encontre d'une résistance opposée.La sortie en masse des gaz brûlés du cylindre peut être comparée à la condi- tion sous laquelle la majeure partie de l'énergie emmaga- sinée dans le ressort est transformée en mouvement de la masse du ressort.
Lorsque les gaz brûlés quittent le cylindre à travers l'orifice d'échappement,leur vitesse,comme elle est très supérieure à la vitesse du son du milieu considéré peut être considérée comme la conséquence de deux facteurs.
1) Une simple détente qui est seulement capable de produire une vitesse égale à la vitesse du son et
2) Une force en énergie capable de communiquer aux gaz une vitesse très supérieure à la vitesse du son. ette force en énergie sera désignée ci-après comme énergie balistique et la vitesse qui est une conséquence de cette force sera appelée la force balistique des gaz brûlés,
Sous l'action du premier de ces facteurs les gaz sont seulement capables de se détendre comme un milieu continu se maintenant en contact avec toutes les parties du récipient qui les entoure et jusqu'à ce qu'an équilibre de pression soit atteint entre le cylindre et l'atmosphère extérieure.
Sous l'action du second de ces facteurs,comme le cen- tre de gravité de la masse des gaz brûlés se déplace à une vitesse supérieure à celle du son,la masse des gaz brûlés est capable de se séparer d'elle-même des parois qui la contiennent.
En considérant 1'.analogie entre les gaz brûlés dans un cylindre du moteur et le ressort comprimé.on doit néan- moins avoir présent à l'esprit que.dans le moteur les gaz
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brûlés sont évacués du cylindre par un orifice qui est toujours plus étroit''que la surface de la section trans- versale du cylindre et qui s'ouvre graduellement et non instantanément.La libération de la masse gazeuse élas- tique formée par les gaz brûlés est ainsi soumise à une résistance et plus cette résistance sera grande moindre sera l'énergie qui est transformée en vitesse initiale de la masse du "ressort gazeux".
Si on considère que les gaz brûlés se sont engagés dans le conduit d'échappement et passent à l'extérieur à travers ce dernier à leur vitesse balistique instantanée, et si on néglige la détente,alors du fait de la différence de surface entre l'orifice d'échappement et la surface du cylindre du moteur,le centre de gravité de la partie des gaz brûlés restant dans le cylindre adoptera un mouve- ment résultant vers la sortie à une vitesse plus faible que celle de la partie des gaz brûlés contenus dans le conduit d'échappement et le rapport entre ces deux vitesses sera déterminé par le rapport entre la surface de l'orifice d'échappement ouvert à ce moment et la surface de la section transversale du cylindre.
Mais comme toute la masse des gaz brûlés se détend continuellement à sa. vitesse de détente adiabatique,la vitesse de sortie de la partie des gaz brûlés contenus dans le cylindre à chaque instant sera réduite par la vitesse de cette détente.
Exprimé en d'autres termes,l'accroissement de volume par détente qui se produit dans le cylindre à chaque inter- valle de temps se déduit de la réduction effective en vo- lume,du contenu du cylindre par échappement à travers l'orifi- ce d'échappement dans le même intervalle de temps.
On voit par suite qui suivant la prédominance de l'un ou de l'autre des deux facteurs mentionnés ci-dessus,
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à la fin de l'évacuation des gaz brûlés comme conséquence de ces deux actions, l'espace du cylindre sera plein de gaz à la pression atmosphérique à l'état inerte, ou il contiendra des gaz à l'état raréfié ou cet espace sera complètement vide.
On se propose maintenant d'analyser ces trois con- ditions en se référant à la fig. 1 du dessin annexé.
Cette figure représente deux courbes de vitesse,les abscisses représentant les temps et les ordonnées représen- tant les vitesses.
La point 0 représente le moment où.l'orifice d'échap- pement commence à s'ouvrir.
La courbe 1 représente les changements de vitesse qui se produisent dans un gaz qui se détend d'une haute pression à une basse pression et lorsqu'un écoulement pu- rement adiabatique a été établi .
L'ordonnée v représente la vitesse maximum qui sera obtenue lorsque la différence de pression sera la plus gran- de (c'est-à-dire au moment où l'orifice d'échappement sou- vre) et on voit que cette vitesse tombe graduellement à me- sure que l'intervalle de temps augmente jusqu'à ce qu'elle atteigne éventuellement zéro.
Une telle courbe peut être établie par calculs basés sur des considérations bien connues dans la technique et c'est une courbe imaginaire de ce qui est supposé se pro- duire quand un gaz se détend d'une haute pression à une basse pression.
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Le.sdemandeUI'5ontobservé que les changements de vitesse qui se produisent au début par suite de l'ouverture d'un orifice pour l'évacuation des gaz brûlés comprimés dans un moteur à combustion interne ne sont pas ceux représentés par la courbe 1. Au contraire, avec un certain retard la vitesse de sortie augmente rapidement à une vitesse bien supérieure
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à la vitesses-maximum de la détente adiabatique . Si la durée de sortie est prolongée la vitesse élevée de sortie tombe alors et s'identifie éventuellement avec la vitesse adiabatique.
Cette vitesse élevée initiale ou balistique se ma- nifeste elle-même comme conséquence de l'ouverture d'un orifice d'échappement, indépendamment de la dimension de cet orifice, mais évidemment le volume des gaz éva- oués à cette vitesse balistique initiale, qui n'existe que pendant un très court intervalle de temps après que les gaz brûlés ont commencé à quitter le cylindre, dépen- dra de la grandeur de l'orifice.
Ces conditions sont représentées par la courbe 2 à la f ig. 1.
On voit que dans ce cas la vitesse augmente rapi- dement à une valeur maximum V qui est supérieure à la vitesse maximum de la courbe 1 et tombe ensuite d'abord rapidement et ensuite à une vitesse décroissante jusqu'à ce qu'elle se confonde finalement dans la courbe 1 au point 3 en un temps t qui sera désigné ci-après comme le temps critique.
Si on continue la comparaison avec le ressort on peut imaginer que la courbe 1 représente les variations de vitesse de détente qui se produisent lorsque la com- pression du ressort est abandonnée graduellement de telle sorte que la réaction exercée par la table contre laquelle le ressort est comprimé est absorbée en effectuant du travail sur un autre milieu que sur le ressort et qu'aucune action de propulsion n'ait lieu sur le ressort. Dans le cas de la courbe 2 l'ordonnée supérieure V peut être consi- dérée comme due à l'action de propulsion provenant soit uniquement de la compression du ressort à ce moment, soit
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de cette action en combinaison avec la vitesse pré-exis- tante du centre de gravité du ressort produite par le coup de marteau c'est-à-dire par la combustion de la charge.
Dans ce cas la masse gazeuse élastique, une fais libérée, sera soumise à une accélération qui est représentée par la montée initiale de la courbe 2 et après une période de temps t lorsque l'énergie de propulsion est dissipée tout mouvement ultérieur du centre de gravité peut seulement être produit par simple détente adiabatique, la courbe 2 deviendra tangente à la courbe 1 au point 3. Dans la cour- be 2 la vitesse initiale a été prise à la valeur v mais elle peut être supérieure ou inférieure à cette valeur car, si on considère que le coup de marteau produit une vitesse pré-existante des gaz brûlés dans le cylindre , alors au moment où l'orifice d'échappement s'ouvre les gaz brûlés peuvent se déplacer vers et au-delà de l'orifice à cette haute vitesse pré-existante.
On voit d'après ce qui précède qu'à la fin de l'inter- valle de temps t la vitesse des gaz brûlés qui peut pro- venir de tous lesfacteurs ayant quelque influence sur la vitesse des gaz, est tombée à un niveau si bas qu'elle devient égale à la vitesse qui peut résulter seulement d'un simple écoulement adiabatique .
A ce moment on peut dire que la vitesse de sortie des gaz brûlés devient la vitesse de la détente adiabatique des gaz brûlés, qui est effective dans toutes les direction s de sorte qu'à un moment quelconque subséquent les gaz brù- lés rempliront complètement l'espace dans lequel ils sont logés. Dans un moteur du type auquel l'invention se réfère l'évacuation des gaz brûlés a lieu dans cette partie de la courbe 2 qui se trouve à la gauche du point 3.
Si les gaz brûlés ont quitté le tylindre du moteur à travers un orifice et d'une manière telle qu'à la fin du
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temps t la pression dans' le cylindre soit supérieure à la pression atmosphérique , alors, les gaz brûlés se déten- dront ensuite simplement adiabatiquement jusqu'à ce qu'un équilibre de pression soit atteint entre le cylindre et le milieu ambiant extérieur.
La pression finale restant dans le cylindre sera la pression atmosphérique et pour amener cette pression au-dessous de la pression atmosphérique, il sera nécessai- re d'exercer une action ultérieure sur les gaz brûlés à partir d'une source extérieure. Ceci est un premier cas.
C'est dans ces conditions qu'une légère dépression peut être provoquée dans le cylindre par l'effet d'inertie d'une colonne de gaz détendus dans un long conduit d'échap- pement.
Si cependant l'orifice d'échappement est ouvert et dans un intervalle de temps inférieur à t et à la vitesse balistique de la sortie des gaz on obtient un équilibre de pression, et ensuite, comme les gaz brûlés sont encore propulsés à l'extérieur à leur vitesse balistique, une dépression se créera dans le cylindre . Ceci est le deuxiè- me cas.
Dans ce cas une action de contrôle peut être obtenue par l'emploi d'un conduit d'échappement de forme appro- priée, la durée de cette dépression pouvant être prolongée.
Enfin, si dans un intervalle de temps inférieur à t, la surface de l'orifice d'échappement ouvert est supé- rieure à la surface du piston du moteur multipliée par la vitesse instantanée de la détente adiabatique et divisée par la vitesse instantanée de la sortie balistique, alors, à ce moment, la détente de l'extrémité de queue des gaz brûlés contenus dans le cylindre ne sera pas plus longtemps, un facteur prédominant et cette queue se détachera elle- même de la partie du cylindre la plus éloignée de l'orifice d'échappement et un vide complet sera laissé derrière les
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gaz brûlés dans le cylindre.
Ceci est le troisième cas,
Plus court est l'intervalle de temps pendant lequel cette surface critique est ouverte, moindre sera la dé- tente des gaz brûlés qui aura lieu dans cet intervalle de temps et en conséquence plus compacte sera l'extrémité de queue des gaz brûlés et plus d'énergie balistique reste- ra dans les gaz brûlés, de sorte que le volume de vide com- plet laissé derrière la queue des gaz brûlés sera le plus grand.
On peut admettre pour la vitesse balistique de l'é- chappement une valeur de 1400 à 1800 mètres seconde, sui- vant la qualité de la combustion et le degré de compression.
Ces chiffres concernant le fuel-oil du genre communément employé dans les moteurs à allumage par compression et va- rieront avec le genre de combustible employé. Pour l'essen- ce les chiffres seront quelque peu plus élevés.
On peut admettre pour la vitesse de la détente adia- batique, des chiffres de 350 à 450 mètres seconde, de sorte que si on prend le chiffre le plus élevé dans chaque/cas, la surface critique de l'orifice d'échappement sera 450/180 ou 1 de la surface de section transversale du cylindre du
4 moteur.
On peut admettre pour le temps critique 1 la valeur de 1 sec. car les demandeurs ont trouvé que c'est au voisinage 300 de cet intervalle de temps qu'il cesse d'être possible d'ob- tenir une utilisation satisfaisante des phénomènes balisti- ques en pression.
Mais on doit comprendre que ceci est une valeur limite et que l'intervalle de temps pourrait être de préférence in- férieure à 1 seconde et aussi court qu'il est possible .
300
La manière par laquelle les-précédentes considérations peuvent être appliquées à la construction-d'un moteur appa-
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raîtra dans ce qui suit èn se référant aux figs. 2 et 3, mais on doit comprendre que lorsqu'au cours de cette des- cription on donne des valeurs numériques pour les vites- ses adiabatique ou balisti que des gaz brûlés, pour la surface critique de l'échappement et pour l'intervalle de temps critique précités, ces valeurs sont des valeurs pratiquement obtenues comme résultats d'expériences et que bien qu'elles suffisent pour établir un moteur sui- vant l'invention, elles ne sont pas nécessairement des valeurs rigoureuses.
Comme première méthode de calcul on peut admettre qu'au moment de l'ouverture de l'échappement les gaz dans le cylindre sont à une pression de 5 atmosphères et que 4 volumes de cylindre de gaz brûlés doivent être évacués pour rétablir un équilibre de pression entre l'intérieur du cylindre et l'atmosphère extérieure à l'orifice d'échap- pement, ces 4 volumes étant évacués à la vitesse balistique de 1600 mètres seconde .Un tel calcul donnera une courbe dont les points indiquent l'angle manivelle auquel l'équilibre de pression est atteint à différentes vitesses du moteur.
Sur une telle courbe, lorsque ces 4 volumes ont été évacués en un temps moindre que le temps critique t, la fin de l'échappement aura lieu à la(vitesse balis- tique des gaz brûlés et lorsque ces 4 volumes ont été éva- cués en un temps supérieur au temps critique t, la fin de l'échappement conduira simplement à un équilibre de pression avec le cylindre laissé plein de gaz inertes à la pression atmosphérique.
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A titre de variante, le5 demandeursenitrouvé que dans les moteurs du typa auquel l'invention se réfère c'est-à-di- reà des moteurs fonctionnant suivant les conditions des deuxième et troisième cas susmentionnés, on peut admet- tre une vitesse moyenne de la sortie totale des gaz brûlés
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du cylindre dans les organes d'échappement de 450 mètres par seconde et que si cette vitesse moyenne s'applique à un volume de cylindre des gaz brûlés, en négligeant la détente, mais en comprenant la période de retard qui s'é- coule avant que les gaz brûlés nommencent à quitter le cylindre, l'intervalle de temps nécessaire pour évacuer les gaz brûlés du cylindre peut être calculé en considérant la surface moyenne d'ouverture de l'orifice d'échappement.
L'une ou l'autre des méthodes de calcul ci-dessus donneront le même résultat mais la courbe représentée à la fig. 2 a été obtenue par le,,seconde de ces méthodes .
Dans cette figure les ordonnées représentent les degrés du mouvement de la manivelle à partir de l'ouver- ture de l'échappement marquée 0 et les abscisses représen- tent les tours par minute du moteur.
La courbe 04 indique l'intervalle angulaire pour le- quel l'énergie balistique des gaz brûlés a été évacuée aux différentes vitesses de révolution du moteur et cette cour- be est obtenue comme suit :
On admet que le volume du cylindre est représenté par 8. l'intervalle angulaire entre l'ouveture de l'échap- pement et un point choisi sur l'angle manivelle par a, la surface moyenne de l'orifice d'échappement ouvert dans cet angle par A, alors la longueur de la colonne formée par la masse sortante des gaz brûlés sera W ,
A l'intervalle de temps qui sera occupé par la masse des gaz brûlés peut franchir cette distance devant l'ori- fice d'échappement à 450 mètres seconde sera W x 1
A 450
Il est alors nécessaire de déterminer la vitesse du moteur à laquelle pour le--nombre choisi de degrés de l'ar- bre manivelle,
la surface moyenne de l'orifice d'échappement
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en question a été ouverte dans l'intervalle de temps pré- cité et ceci permettra d'obtenir des points sur la courbe pour chaque intervalle angulaire sélecté après que l'ou- verture de l'échappement a commencé,
Des coordonnées polaires représentant des intervalles de temps constant s'écoulant après l'ouverture de l'échap- pement pour différentes vitesses du moteur sont alors tra- cées à partir du point 0, les lignes 05,06, 07,08 représen- tant respectivement 1/300 sec., 1/400 sec., 1/500 sec., 1/600 sec.
Si on trace une ordonnée verticale au point 9 où la coubbe 04 coupe la ligne 05, on voit que cette ordon- née, dans l'exemple choisi correspond à une vitesse d'en- viron 660 tours par minute.
A, toutes les vitesses supérieures à 660 tours par minute, dans la surface marquée G on peut admettre que l'énergie balistique des gaz brûlés est dissipée dans un intervalle de temps inférieur à 1/300 sec. et qu'en con- séquence le cylindre est laissé dans une condition raréfiée ou est complètement vide de gaz.
A toutes les vitesses plus basses, au-dessous de 660 tours par minute, on voit que les gaz brûlés sont évacués dans un intervalle de temps supérieur à 1/300 sec. de sorte que dans la surface au-dessous de la courbe 04 marquée par la lettre R la fin de l'échappement a lieu des vitesses qui se rapprochent progressivement de celles de la détente adiabatique seule conduisant à une égalisation des pres- sions entre le cylindre et l'atmosphère extérieure .
On trace alors une ligne horizontale sur le diagramme pour représenter l'angle manivelle pour lequel la surface critique de l'orifice d'échappement est ouverte. On voit que cette ligne désignée par le chiffre 10 sur le dessin coupe la courbe 04 au point 11 qui correspond à une vites- se supérieure à 2.100 tours par minute dans la surface
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marquée B, la surface critique de l'orifice d'échappe- ment a été ouverte dans un intervalle de temps suffisam- ment plus petit que 1/300 sec.
pour être certain qu'a- près que cette surface critique a été ouverte la vi- tesse des gaz brûlés, contenus alors dans le cylindre , dans la direction de la sortie, aurà lieu à une vites- se supérieure à la vitesse de détente adiabatique de sorte que l'extrémité de queue des gaz alors dans le cylindre constituera ce qu'on peut considérer comme un piston gazeux imaginaire qui se détache lui-même de l'extrémité du cylindre, laissant un vide complet der- rière lui.
On doit comprendre clairement que l'extrémité de queue des gaz brûlés à ce moment peut être soit à l'é- tat raréfié , soit à l'état comprimé et que cela dépen- dra de l'intervalle de temps .
Au point 11 l'extrémité de queue des gaz brûlés sera hautement raréfiée mais ensuite à mesure que la vitesse augmente le piston gazeux imaginaire deviendra de plus en plus fortement comprimé, bien que se déta- chant encore de lui-même de la culasse du cylindre , car l'intervalle de temps qui s'est écoulé avant que la surface critique ne soit ouverte est devenu plus court et la quantité de détente des gaz brûlés qui a pu avoir lieu est également plus faible.
En addition à l'augmentation de vitesse du moteur après le point 11, la quantité de gaz brûlés qui a quitté le cylindre à leur vitesse balistique avant que la surfs-ce critique de l'échappement ne-soit ouverte, -sera plus faible
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de sorte que l'énergie contenue dans les gaz brûlés restant dans le cylindre lorsque la surface critique de l'échappe- ment est ouverte sera plus grande.
Dans le moteur considéré on admettra maintenant que l'admission est réglée dans le temps pour s'ouvrir à 13 après l'ouverture de l'échappement, l'ouverture de l'admis- sion étant représentée par la ligne horizontale 12.
On voit que cette ligne passe par le point 9 qui est à l'intersection de la courbe 04 avec la ligne 05 représen- tant 1/300 sec.
Dans ce moteur, par suite à toutes les vitesses jusqu'à 660 tours par minute les gaz brûlés quittent le cylindre finalement par détente seulement et la charge fraîche peutseulement être introduite par l'intervention d'un dispositif extérieur, qui peut être aidé par l'effet d'inertie des gaz se détendant dans un conduit long ou par l'action d'un éjecteur, etc...
Aux vitesses supérieures à 660 tours par minute, le moteur serait capable de recevoir sa charge directement à pression atmosphérique, car à la fin de l'opération d'échappement il a été laissé dans une condition raré- fiée par l'évacuation des gaz brûlés à leur vitesse balistique et dans un intervalle de temps qui assure le maintien de la vitesse balistique des gaz brûlés.
Mais à toutes ces vitesses plus élevées du moteur, l'admission est ouverte trop tôt pour permettre une utili- sation de cette dépression ou raréfaction et en conséquence la charge doit encore être introduite par un dispositif mécanique dans ce moteur particulier.
Si le réglage de l'ouverture d'admission est alors modifié pour permettre une utilisation de la dépression laissée dans le cylindre par la sortie massive des gaz brû-
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lés comme indiqué en particulier dans le brevet anglais 43185ô , par exemple de manière que l'intervalle en- tre l'ouverture de l'échappement et l'ouverture de l'admission soit de 22 sur la ligne 13, alors à 1600 tours par minute le moteur sera capable de fonctionner en aspirant sa charge directement de l'atmosphère et il donne- ra son couple maximum à cette vitesse bien que ce ne soit pas le couple optimum possible pour ce moteur.
Aux vitesses supérieures à 1600 tours parminute l'admission ouvrira trop tôt et le couple baissera rapide- ment.
Au dessous de 1600 tours par minute l'angle manivelle entre la fin de l'énergie et l'ouverture de l'admission aug- mente et en outre la dépression laissée dans le cylindre diminue de sorte que le couple tombe à nouveau rapidement jusqu'au point 9 à 660 tours par minute, approximativement, le moteur cesse d'être capable d'aspirer sa charge directe- ment de l'atmosphère de la manière indiquée.
Si l'intervalle angulaire entre l'ouverture de l'échap- pement et l'ouverture de l'admission est maintenant augmen- té à 28 sur la ligne 14, alors à 2600 tours par minute, la surface critique de l'échappement a été ouverte dans un intervalle de temps considérablement plus petit que 1/300 sec. et avant que la vitesse balistique des gaz brûlés soit devenu inexistante . En conséquence le piston gazeux imaginaire se séparera de lui-même du cylindre et le cylindre sera complètement évacué et capable de recevoir une charge complète à la pression atmosphérique dans les meilleures conditions possibles.
On voit alors que la gamme des vitesses de travail auxquelles le moteur peut fonctionner avec un réglage fixe
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de l'admission et en aspirant directement sa charge de l'atmosphère a été considérablement augmentée et que pour les vitesses' les plus "élevées les conditions d'opération seront telles qu'elles permettent d'obtenir un couple optimum.
A titre d'exemple seulement, des chiffres indiquant la vitesse des gaz brûlés ont été placés à différents points de la courbe 04 pour indiquer la manière par laquelle la vitesse, au moment où on atteint un équilibre de pres- sion, augmente à mesure que l'intervalle de temps occupé par l'évacuation des gaz brûlés diminue.
On admettra en considérant la fige 2 et la description ci-dessus que les conditions les plus avantageuses pour le cylindre seront celles pour lesquelles la surface critique est ouverte dans l'intervalle de manivelle le plus petit possible après l'ouverture de l'échappement et dans laquel- le cette surface critique de l'orifice d'échappement est ouverte pendant l'intervalle de tempscritique à la vitesse du moteur la plus faible.
Une telle condition est représentée à la fige 3.
Cette fig. est similaire à la fige 2 pour ce qui re- garde la courbe d'énergie 015 et les coordonnées polaires 016 à 026 représentant des intervalles de temps constants.
Dans cet exemple on admettra qu'on désire qu'à toutes les vitesses supérieures à 600 tours par minute le cylindre doit rester complètement vide comme conséquence de l'évacuation des gaz brûlés à leur vitesse balistique c'est-à-dire que le piston gazeux imaginaire se séparera toujours de lui-même de la culasse du cylindre et se déplacera ensuite d'une manière continue hors du cylindre.
Pour obtenir cette condition le moteur est agencé de manière que la surface, critique de l'orifice d'échappement soit ouverte pendant l'intervalle critique de temps à. une vitesse inférieure à 600 tours par minute. Dans l'exemple
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la surface critique est ouverte pendant un intervalle de 1/300 sec. à 350 tours par minute la surface critique étant ouverte à 7 du mouvement de la manivelle après l'ouvertu- re de l'échappement. Ceci suppose au préalable une péri- phérie plus grande de l'orifice d'échappement et a pour effet d'aplatir la courbe d'énergie 015.
Ceci aura pour effet de réduire la gamme des vitesses sur laquelle s'étend la surface G de la courbe (fig. 2) et dans laquelle le cylindre est laissé dans une condition raréfiée, mais non complètement vide.
La distance entre les points 9 et 11 peut en fait être réduite de telle façon en plaçant d'une manière appro- priée la surface critique de l'orifice d'échappement que la partie G de la courbe, pour tous les buts pratiques peut être considérée coolie néexistant pas et de telle façon que le moteur fonctionne sur toute sa gamme de vitesses dans les meilleures conditions possible , avec le cylindre entiè- rement vide de gaz brûlés à la fin de l'évacuation de ce dernier.
A la fig. 3, la ligne 016 représentant le temps criti- que de 1/300 sec. coupe la courbe d'énergie 015 au point 27 et la ligne 28 représentant la surface critique de l'orifice d'échappement coupe la courbe 015 au point 27.
Dans la partie R1 de la courbe 015 sur la gauche du point 27, le cylindre, à la fin de l'évacuation des gaz brûlés reste plein de gaz inertes à la pression atmosphéri- que alors que sur la droite du point 27, dans la partie B1 le piston gazeux imaginaire se sépare de lui-même de l'extrémité du cylindre . Mais d'une manière plus rigoureu- se ,comme la condition intermédiaire ne peut pas disparaître complètement,une faible partie G1 de la courbe est représentée chevauchant le point 27.
On doit comprendre clairement que la courbe 015 est
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une courbe imaginaire et ne donne aucune indication de la position des gaz brûlés à la fin présumée de l'évacuation ou lorsque les quatre cylindres ont été évacués.
Aux faibles vitesses où l'évacuation a leu lieu dans un temps plus long que 1/300 sec. les gaz brûlés rem- pliront le cylindre à l'état inerte, tandis qu'aux grandes vitesses l'évacuation a lieu dans un intervalle de temps court tel que les gaz brûlés possèdent encore à ce moment leur vitesse balistique maximum.
La partie de la courbe 015 qui est intéressante pour établir le réglage dans le temps de l'ouverture d'admis- sion est la partie qui se trouve à droite du point 27 sur la ligne des 1/300 de sec., car c'est dans cette partie de la courbe que le piston gazeux imaginaire se sépare de lui-même de l'extrémité du cylindre .
Comme indiqué plus haut, lorsque la surface critique de l'orifice d'échappement a été ouverte, le piston gazeux imaginaire commencera à se séparer de lui-même de la culasse du cylindre . A ce moment une certaine quantité des gaz brûlés a déjà été évacuée du cylindre, mais le volume du cylindre reste entièrement occupé par les gaz brûlés.
On doit donc considérer qu'après ce moment la vitesse moyenne de sortie des gaz brûlés à travers l'orifice d'échappement est la vraie vitesse balistique des gaz brûlés et cette vitesse peut être prise à 1800 mètres environ par seconde pour le fuel oil.
On peut alors admettre qu'un volume de cylindre de gaz brûlés a été évacué à travers l'orifice d'échappement à une vitesse moyenne de 1800 mètres par sec., la surface moyenne de l'orifice d'échappement à travers laquelle cette sortie a lieu étant mesurée du moment où la surface critique est ouverte jusqu'au moment où l'extrémité de queue des gaz brûlés quitte le cylindre .
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Pour établir le moment où l'évacuation du cylindre est complète sur cette partie de la courbe 015 un nouveau calcul doit être fait de la manière suivante :
Ce calcul doit prendre en considération la détente des gaz brûlés pendant leur sortie balistique du cylindre et les angles de manivelle et les surfaces moyennes de l'orifice d'échappement à considérer doivent être mesurées à partir de l'angle manivelle auquel la surface critique de 1'échappement s'ouvre.
Pour chaque angle de manivelle choisi après l'ouver- ture de la surface critique de l'échappement la surface moyenne de l'échappement ouverte pendant l'intervalle en question peut être déterminée et il est clair que ces surfaces moyennes seront toujours supérieures à la surface critique.
Pour des raisons pratiques on peut admettre pour la vitesse moyenne de la sortie balistique dans le conduit d'échappement 1800 mètres par seconde et pour la vitesse moyenne de la détente adiabatique 450 mètres par seconde.
Si on prend ces valeurs on peut effectuer le calcul comme suit :
Si Ap est la surface transversale du cylindre
Ac la surface critique de l'orifice d'échappement (dans l'exemple et suivant l'invention elle sera supérieu- re à Ap x 450 ) 1800
Ax la surface de l'orifice d'échappement ouverte pour l'angle de manivelle choisi
Alors la surface moyenne de l'orifice d'échappement Am égale (Ax + Ac) x un facteur temps-surface, par exemple 1 .
2
La vitesse du mouvement-extérieur du volume des gaz dans le cylindre sera :
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Am x 1800 ,p
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qui sera supérieure à 450 mètres par seconde.
Comme les gaz se¯détendent vers l'arrière à 450 m/sec. la vitesse résultante de l'échappement du conte- nu du cylindre sera : (Am . 1800 ) - 450 m/s.
Ap
On peut déterminer à partir de la longueur de la course l'intervalle de temps occupé à évacuer le cylindre complètement à cette vitesse résultante de sortie et on peut déterminer à partir de cet intervalle de temps la vitesse du moteur pour laquelle la surface moyenne de l'échappement en question a été ouverte .
Un calcul effectué de 'cette façon donnera une courbe telle que la courbe 29 qui donne les moments où le cylindre est laissé complètement vide.
On voit qu'aux faibles vitesses cette courbe est située au-dessus de la courbe 015 et qu'aux vitesses plus élevées elle est située au dessous de cette courbe.
La courbe 29 est sujette à correction car elle est établie en admettant une vitesse balistique constante de sortie des gaz brûlés après que la surface critique a été ouverte et une vitesse constante de détente adiabatique.
Si elle était dérivée des valeurs instantanées de ces vitesses la courbe aurait eu la forme de la courbe 30.
Dans ce cas on observerait qu'aux faibles vitesses du moteur, soit à 800 tours par minute une plus grande proportion de gaz brûlés a quitté le cylindre avant l'ou- verture de la surface critique de l'orifice d'échappement que pour les grandes vitesses, soit 4000 tours par minu- te.
En conséquence, aux faibles vitesses la plus faible masse du volume des gaz brûlés remplissant le cylindre au moment où la surface critique de l'échappement est ouverte sera moins dense et contiendra moins d'énergie balistique.
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Sa vitesse subséquente de sortie sera plus faible et elle se déplacera à une plus courte distance du cylindre une fois l'évacuation totale effectuée.
Dans le cas limite le piston gazeux se déplacera à une certaine distance vers le bas du cylindre, deviendra ensuite stationnaire et restera dans le cylindre . Quand cette condition se présente, on comprendra clairement que les gaz dans le cylindre sont néanmoins dans un état hau- tement raréfié et la détente devient immédiatement le facteur dominant résultant du remplissage du vide par des gaz raréfiés à moins que l'admission ne soit ouverte à ce moment.
Aux vitesses plus élevées le volume des gaz brûlés remplissant le cylindre lorsque la surface critique de l'échappement est ouverte est plus dense et compact, la quantité d'énergie balistique retenue dans le cylindre à ce @oment est plus grande et la vitesse balistique de sortie des gaz brûlés restant est plus élevée de sorte que le temps occupé par l'évacuation subséquente du cylindre sera plus faible.
A titre d'exempt, les vitesses de sortie des gaz brûlés sont indiquées sur la courbe 015 qui peut être con- sidérée en liaison avec les remarques précédentes en con- sidérant la forme des courbes 29 et 30.
On voit que la courbe 30 est au dessus de la courbe 29 aux faibles vitesses du moteur et qu'ensuite elle to-ibe un peu au dessous de la courbe 29 et que de 1000 tours par minute à 4.800 tours par minute les ordonnées de cette courbe 60 augmentent seulement de 6 .
En conséquence dans un tel moteur, si l'admission est réglée dans le te@ps pour s'ouvrir à 18 après l'ouverture de l'échappement sur la ligne 31, sur toute la gamine des vitesses du moteur, ce réglage de l'ouverture
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d'admission restera approprié pour l'introduction de la charge fraîche dans un cylindre complètement vide.
A la vitesse la plus élevée, l'ouverture de l'admis- Bion est très voisine du moment @ le vide est laissé dans le cylindre et aux vitesses plus faibles il n'y a jam@is plus quhun intervalle de 6 entre la formation du vide et l'ouverture de l'admission.
Ce raisonnement est indépendant de la position de l'orifice d'échappement, mais un tel réglage dans le temps sera nécessaire dans le cas d'un rioteur dans lequel les lumières d'admission et d'échappement sont situées 1. la même extrémité du cylindre, par exemple, un moteur ayant lesdites lumières commandées toutes deux par le même pi ston.
Si les orifices d'échappement et d'admission sont sur les extrémités opposées du cylindre,alors l'admis sim peut s'ouvrir pour parler strictement, immédiatement lorsque le piston gazeux imaginaire se sépare de l'extrémité du cylindre sur laquelle se trouve l'orifice d'admis- sion, de sorte qu'il sera possible dans un tel rioteur d'établir un réglage fixe de l'admission tel que l'ad- mission s'ouvre immédiatement lorsque la surface critique de l'orifice d'échappement a étéouverte.
Dans l'exemple considéré, ceci aurait lieu 7 après l'ouverture de l'échappement. En pratique cependant il faut se donner une certaine latitude et un réglage fixe approprié de l'ouverture d'admission pourrait être établi pour un tel moteur à 12 par exemple .
Dans la description qui précède on n'a mentionné que brièvement la période de retard qui s'écoule avant que les gaz brûlés commencent à quitter le cylindre leur vitesse balistique . On comprendra cependant que l'importan-
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ce de ce retard est :uborclrr111:C c!11(,, do la (J1,rf:lCI)
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critique de l'ouverture d'échappement, mais pour faire mieux comprendra la description, la ligne 32 est représen- tée à la fig. 3 pour ..outrer la situation générale du. retard qui s'écoule avant que les gaz brûlés commencent à se mouvoir vers l'extérieur à travers 'orifice ou le con- duit d'échappement connze conséquence de leur sortie massive du cylindre .
On comprendra que cette sortie massive commen- ce à la fin de la période de retard en question et qu'en- suite si la surface critique de l'orifice d'échappement est ouverte dans un intervalle de temps suffisamment cour, l'extrémité de queue de la masse gazeuse sortante se sé@are d'elle-même de l'extrémité du cylindre avec laquelle elle est en contact. On peut également imaginer que pour certaine vitesse très élevée du moteur, la surface criti- tique de l'échappement sera ouverte dans un intervalle de temps court tel que les gaz brûlés n'ont pas encore été capables de commencer leur sortie massive du cylindre et une telle condition est représentée simplement à titre d'exemple par l'intersection de la ligne 32 avec la ligne de surface critique à la fig. 3à 4500 tours par minute.
Dans la demande de brevet anglais n 1014 du 11 janvier 1936 ayant pour titre " Perfectionnements aux moteurs à com- bustion interne à deux temps" on décrit un procédé de construc- tion de moteurs à combustion interne à deux temps dais lequel la surface de l'orifice d'échappement est un maximum et cette surface qui est ouverte avant que l'admission ne s'cuvre est aisponible dans un intervalle de temps minimum.
Un tel procédé danne la certitude que le moteur fonctionnera dans les conditions représentées par les portions G ou G1 des courbes aux figs. 2 et 3,mais cela dépendra de l'habileté du constructeur ou de l'ingénieur projeteur pour que les conditions représentées par les
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.-joow portions B et Bl soient obtenues.La présente invention donne une instruction précise qui si elle est suivie assure que les dernières conditions mentionnées seront définiti- vement obtenues.
En outre en mettant en oeuvre la présente invention on notera qu'il est nécessaire que la surface critique de l'orifice d'échappement soit ouverte pendant l'intervalle de temps critique et ceci impose la condition que la cons- truction du moteur permette d'obtenir ce résultat et que les dispositifs choisis soient ceux qui sont capables de remplir ces conditions.
En appliquant l'invention à un moteur particulier, cela implique des modifications radicales de construction, y compris la construction du dispositif commandant l'orifi- ce d'échappement et des orifices d'échappement eux-mêmes,
Par exemple il peut être nécessaire de réaliser un anneau de lumières d'échappemant tout autour du cylindre et ceci impliquera l'emploi de deux conduits d'échappaient ou plus car il ne doit pas y avoir de surfaces qui s'oppo- sent à la sortie des gaz brûlés du cylindre ou qui tendent à réfléchir ces gaz vers l'arrière dans le cylindre.
En général les exigences de l'invention peuvent être remplies sans tenir compte si la course du cylindre est relativement longue ou courte,mais comme une augmentation de la longueur de la course par rapport à. l'alésage augmen- tera les vitesses du piston,une telle forme du moteur per- mettra plus aisément d'obtenir les ouvertures rapides dési- rées des orifices d'échappement,
De plus,une augmentation de la longueur de la course aura pour effet d'augmenter le temps critique t.
En outre plus la course sera longue par rapport à
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7.'vl.c'nn.C;'tarluKi r'I.1 hl ,i<1;> 1'. fJl'()I)IJ1'(,j()n du v"7 uu: du cylin- dre des gaz brûlés qui peuvent etre évacués du cylin- dre avant que la surface sritique de l'échappement ne
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soit ouverte et en conséquence plus grande sera la faci- lité avec laquelle le piston gazeux imaginaire peut se séparer de lui-même de l'extrémité du cylindre aux fai- bles vitesses du moteur.
Tous conduits d'échappement/ placés à la suite de l'orifice d'àchappement exerceront une action de contrôle sur la masse sortante des gaz brûlés et dans le projet de ces conduits on devra adopter les instructions dennées dans la demande anglaise n 1014 du 11 janvier 1936.
Enfin,il est avantageux qu'après l'ouverture de la surface critique de l'orifice d'échappement la surface additicnnelle nécessaire de l'orifice s'ouvre pour facili- ter l'échappement des gaz brûlés du cylindre,car de cette façon la surface moyenne de l'orifice d'échappement est augmentée et l'intervalle de temps occupé par l'évacuation du piston gazeux imaginaire sera réduit.
Grâce à l'invention,des conditions sont établies qui permettent d'obtenir un couple et une stabilité opti- mum du moteur pour une game de vitesses désirée et on peut utiliser tout dispositif approprié déjà indiqué par les demandeurs pour permettre d'obtenir un tel résultat.
L'invention s'applique d'une façon particulièrement utile aux moteurs du type dans lequel l'orifice d'échappe- ment se ferme plus tard que l'orifice d'admission,comme les moteurs dans lesquels les orifices d'admission et d'échappement sont situés à la même extrémité du cylindre et sont commandés par le même piston.
En mettant en oeuvre la présente invention on peut établir un moteur dans lequel,comme conséquence de l'évacuation des gaz brûlés,on est assuré d'un cylindre . complètement vide.