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BREVET D'INVENTION aux noms de: " perfectionnements aux moteurs à combustion interne du cycle à deux temps ".
La présente invention est relative à un procédé de oonstruction de moteurs à combustion interne du cycle à deux temps dans lesquels au moins une partie importante des gaz brûlés s'échappent du cylindre à une vitesse beaucoup plus élevée que celle qui règne quand il s'agit seulement d'un écoulement adiabatique, et dans un intervalle de temps si court qu'elle est déchargée sous forme de masse laissant derrière elle une dépression qui est utilisée pour intro- duire une charge fraîche dans le cylindre.
Ltinvention a pour objet un procédé de construction d'un tel moteur dans lequel on peut obtenir un couple op- timum et stable et en outre, un couple sensiblement constant sur une gamme de vitesse désirée.
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 certi-
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tude que les gaz encore dans le cylindre conservent une éner- gie balistique suffisante pour maintenir une vitesse supé- rieure à celle qui existe quand il s'agit seulement d'un écoulement adiabatique pendant l'évacuation subséquente du cylindre, est supérieure au produit de la surface de la section transversale du piston du moteur multipliée par la vitesse de la détente adiabatique pour les conditions du milieu considéré et divisée par la vitesse de la sortie balistique . La surface d'échappement conforme aux nécessi- tés définies au paragraphe précédent sera désignée ci-après comme la surface critique d'échappement.
L'invention prévoit en outre qu'une surface d'échappe- ment additionnelle soit ouverte après l'ouverture de la sur- face critique pour assurer une évacuation plus rapide des gaz brûlés.
L'invention sera plus clairement comprise à l'aide de la description qui va suivre et en se référant aux des- sins annexés dans lesquels :
La fig. 1 est un diagramme explicatif relatif à la vitesse de sortie des gaz brûlés lors de leur évacuation du cylindre à travers l'orifice d'échappement ; la fig. 2 est un diagramme représentant les différen- tes conditions obtenues dans le cylindre d'un moteur à com- bustion interne comme conséquence de l'évacuation des gaz brûlés et montrent l'effet d'une ouverture retardée de la surface critique par rapport au commenceraent de l'échappe- ment. la fig. 3 est un diagramme similaire à celui de la figure ; mais montrant l'effet d'une ouverture avanéée de la surface critique par rapport au commencement de l'échap- pement.
Il est de croyance courante que, lorsque les gaz brûlés sont évacués du cylindre d'un moteur à combustion interne l'évacuation des gaz brûlés est de la nature d'un écoule-
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ment 'adiabatique et que la vitesse d'évacuation de ces gaz est-la vitesse du son pour le milieu considéré.
Les'inventeurs ont déjà indiqué dans les mémoires descrip- tïfs de leuts brevets antérieurs que cette supposition ne s'accorde pas avec les faits et que la façon dont se com- portent les gaz brûlés pendant et après leur évacuation du cylindre est telle qu'elle conduit à admettre que les gaz brûlés forment un corps ayant des propriétés analogues à celles d'un corps élastique, et qui à l'ouverture de l'o- rifice d'échappement cherche à se projeter lui-mme hors du cylindre sous forme de masse.
ant
Les demandeurs observé que lorsque l'orifice d'échappe- ment s'ouvre, il y a d'abord une période de retard pendant 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 cylin- dre à une vitesse supérieure à la vitesse existant pour l'é- coulement adiabatique et sous forme de masse dont le.mouve- ment est commandé par les lois de réflexion, de rebondisse- ment et absorption du travail.
Ceci ne doit nullement être compris comme excluant la possibilité de la détente des gaz pendant leur évacuation du cylindre.
Pendant cette évacuation la détente adiabatique des gaz brûlés a lieu d'une manière continue, mais du fait que leur vitesse de sortie est très supérieure à la vitesse du son, les gaz sont capables de se séparer des parois du ré- cipient 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.
Lorsqufnn ressort à boudin libre est placé sur une ta- ble et soumis à une compression, la force de compression emmagasinée dans le ressort est une force agissant sur une
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masse et capable de communiquer une vitesse initiale ou force vive à cette masse. Si le ressort est alors abandon- né de manière à se détendre 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 re- vienne à sa longueur libre pour laquelle il reste à l'état de repos.
Le travail effectué par le ressort en se détendant sera alors devenu 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 intervalle de temps, le ressort, lorsqu'il se détend comme conséquence de son abandon, quittera également la table tout d'une pièce. L'énergie emmagasinée dans le ressort a été utilisée entièrement pour communiquer une vitesse ini- tiale ou force vive au ressort. Pendant son envol dans l'air après qu'il a quitté la table, des oscillations se pro- duiront dans le milieu continu constituant le ressort,mais direct ces oscillations n'ont pas de rapport/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 existant quand il s'agit d'un écoulement adiabatique seule- ment.
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 manifestera sous deux formes. En premier lieu, il augmentera la compres- sion du ressort et en second lieu il provo quera un mouve- ment du centre de gravité du ressort, car c'est une force agissant sur une masse et capable de produire une accéléra- tion de cette masse.
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Si l'une des parois de retenue est alors enlevée dans un court intervalle de temps tel que ce mouvement du centre de gravité du ressort se continue encore, le ressort rebon- dira comme un tout de l'autre paroi a une vitesse accrue comme conséquence de la vitesse impartie à son centre de gra- vité par le coup de marteau, c'est-à-dire par l'énergie commu- niquée au ressort.
Le coup de marteau triparti au ressort peut être compa- ré au choc exercé sur les gaz comprimés dans un cylindre de-moteur par la combustion de ces gaz et on verra que la suggestion faite est que cette combustion en plus qu'elle augmente la pression des gaz peut communiquer également de la vitesse au centre de gravité de la masse des gaz dans le cylindre et que la vitesse de sortie des gaz brûlés lors- que l'orifice d'échappement est ouvert est influencée par cette vitesse pré-existante possible dans le cylindre.
On verra d'après l'explication ci-dessus que d'après lesrues des demandeurs, les gaz brûlés qui sont évacués du cy- lindre d'un moteur à combustion interne possédant une élas- ticité qui peut être comparée à l'élasticité mécanique d'un ressort, et que c'est l'élément temps qui déterminera si les gaz durant leur sortie du cylindre se comporteront comme un gaz en détente adiabatique ou comme un corpsrojeté par des forces appliquées.
L'écoulement adiabatique des gaz peut être comparé à la condition sous laquelle la détente du ressort s'exerce à l'encontre d'une résistance opposée qui absorbe la travail.
La=;sortie en masse des gaz brûlés du cylindre peut être com- parée à la condition sous laquelle la majeure partie de l'é- nergie emmagasinée dans le ressort est transformée en mou- vement 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.
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1) Un écoulement adiabatique ayant une vitesse égale à la vitesse du son, et,
2) une force capable de communiquer aux gaz une vi- tesse très supérieure à la vitesse du son.
Cette force sera désignée ci-après comme force balis- tique, et la vitesse qui est une conséquence de cette force sera appelée la vitesse 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 réci- pient qui les entoure et jusqu'à ce qu'un équilibre de pression soit atteint entre le cylindre et l'atmosphère extérieure.
Sous l'action du second de ces facteurs,comme le centre 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 des parois qui la contiennent.
En considérant l'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 brûlés sont évacués du cylindre par un orifice qui est tou- jours plus étroit que la surface de la section transversale du cylindre et qui s'ouvre graduellement et non instantané- ment. La libération du ressort gazeux formé par les gaz brûlés est ainsi soumise une résistance et plus cette ré- sistance sera grande moindre sera l'énergie qui est trans- formée en vitesse initiale ou force vive de la masse du "ressort gazeux".
En d'autres termes, si la résistance est petite,c.à.d. si une grande surface est ouverte dans un court temps, la totalité du couteau du cylindre sera évacuée sous forme d'une masse, mais si la résistance est grande, c.à.d. si seulement un petit orifice est ouvert dans un temps relati- veraent long, alors seulement une partie du contenu du cy-
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lindre sera évacué sous forme d'une masse.
Si on considère que les gaz brûlés passent à l'exté- rieur à travers le conduit d'échappement à leur vitesse balistique, et si on néglige la détente, alors du fait de la différence de surface entre l'orifice d'échappement et la surface de la section transversale du cylindre du moteur,la partie des gaz brûlés restant dans le cylindre adoptera un mouvement résultant vers la sortie à une vites- se plus faible que celle de la partie des gaz brûlés conte- nus dans le conduit d'échappement,et le rapport entre ces deux vitesses sera déterminé par le rapport entre la surfa- ce de l'orifice d'échappement ouvert à ce moment et la sur- faoe 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 mouvement vers l'extérieur de la partie des gaz brulés contenus dans le cylindre à chaque instant sera ré- duite 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 diminue la réduction effective en volume,du contenu du cylindre par échappement à travers l'orifice d'é- chappement dans le même intervalle de temps.
On voit par ce qui a été dit que suivant la prédomi- nanoe de l'un ou de l'autre des deux facteurs mentionnés ci-dessus, à la fin instantanée de l'évacuation des gaz brûlés par les forces balistiques, comme conséquence de ces deux actions, l'espace du cylindre sera, soit plein de gaz à une pression supérieure ou à la pression du milieu de l'orifice d'échappement,ou il contiendra des gaz à l'état raréfié par rapport à ce milieu, ou cet espace sera complè- tement vide.
Il est bien entendu qu'après cet instant-là, une action vigoureuse peut s'exercer sur les contenus du cylindre par
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l'action balistique des gaz déchargés balistiquement en pre- mier lieu. Dans les moteurs ordinaires, dits rapides, à cylindrée petite et moyenne, la première de ces trois con- ditions ne se présentent jamais ; dans les gros moteurs,dans les cas tràs rares, on peut avoir l'équilibre de pression, et dans les moteurs suivant la présente invention, les dis- positifs d'échappement sont faits de façon à pouvoir réali- ser la troisième condition.
On se propose maintenant d'analyser ces trois condi- tions 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 repré- sentant les vitesses.
Le point 0 représente le moment où l'orifice d'échappe- ment commence 'ci s'ouvrir.
La courbe 1 représente les changements de vitesse qui se produisent dans un gaz qui se dépend d'une haute pression à une basse pression et lorsqu'un écoulement purement adia- butique a été établi.
L'ordonnée v représente la vitesse maximum qui,suivant une croyance qui a été courante, sera obtenue lorsque la différence de pression sera la plus grande (c'est-à-dire au moment où l'orifice d'échappement s'ouvre), et on voit que cette vitesse tombe graduellement à mesure que l'inter- valle de temps augmente et que la différence de pression dininue jusqu'à ce qu'elle;atteigne finalement zéro.
Une telle courbe peut être établie par calculs basés sur des considérations bien connues dans la technique et c'est une courbe figurative de ce qui est supposé se pro- duire quand un gaz se détend d'une haute pression à une basse pression.
Les demandeurs ont observé que les changements de vi- tesse qui se produisent au début par suite de l'ouverture d'un orifice pour l'évacuation, des gaz brûlés comprimés dans
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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 jusqu'à une vitesse bien supérieure à la vitesse maximum existant quand il s'a- git seulement d'un écoulement adiabatique. Si la durée de sortie est prolongée, la vitesse élevée de sortie tombe alors et s'identifie finalement avec l'écoulement adiabati- que.
Cette vitesse élevée initiale ou balistique se mani- feste elle-même comme conséquence de l'ouverture d'un ori- fice d'échappement,indépendamment de la dimension de cet orifice,, mais le volume de la masse de gaz évacués 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, dépendra de la grandeur de l'orifice.
Ces conditions sont représentées par la courbe 2 à la fig. 1.
On voit que dans ce cas la vitesse augmente rapidement à une valeur maximum V qui est supérieure à la vitesse maxi- mum de la courbe l,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 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 vites- se de détente qui se produisent lorsque la compression 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 section de propulsion n'ait lieu sur le ressort. Dans le cas de la courbe 2 l'ordonnée supérieure V peut être considérée comme due à l'action de propulsion provenant soit uniquement de
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la compression du ressort à ce moment, soit de cette action en combinaison avec la vitesse pré-existante du centre de gravité du ressort produite par le coup de marteau, c.à.d. par la combustion de la charge .
Dans ce cas le ressort gazeux, une fois libéré, sera soumis 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 de la masse restant dans le cylindre peut seulement être produit par un écoule- ment adiabatique,la courbe 2 deviendra tangente à la courbe 1 au point 3.
On voit d'après ce qui précède qu'à la fin de l'inter- valle de temps t la vitesse des gaz brûlés qui continuent encore à sortir du cylindre et qui peut provenir de tous les facteurs 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 écoulement adiaba- tique.
A ce moment on peut dire que la vitesse de sortie des seulement gaz brûlés devient la vitesse existant quand il s'agit /d'un écoulement adiabatique, qui est effectif dans toutes les di- rections de sorte qu'à un moment quelconque subséquent les gaz brûlés rempliront complètement l'espace dans lequel ils sont logés.
Dans un moteur du type auquel l'invention se réfère l'évacuation des gaz brûlés, en totalité ou en par- tie importante de ces gaz, a lieu dans cette partie de la courbe qui se trouve à la gauche du point 3, et en géné- ral on peut dire que dans tous les moteurs les conditions de l'échappement sont telles qu'une grande partie des gaz quitte le cylindre sous les lois balistiques, et que les actions produites dans les pipes par cette sortie balisti- que, de même que la sortie balistique elle-même,par son influence dans le cylindre produit des conditions telles que les équilibres de pression adiabatiques sont complète-
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ment dominées par les effets balistiques des gaz.
Si on suppose que les gaz brûlés quittent le cylindre du moteur à travers un orifice tel et d'une manière telle qu'à la fin du temps t la pression dans le cylindre soit supérieure à la pression atmosphérique, alors les gaz brûlés se détendront ensuite adiabatiquement jusqu'à ce qu'un équilibe de pression soit attei-nt entre le cylindre et le milieu immédiatement extérieur à l'orifice d'échappe- ment.
Mais ces conditions là sont très peu fréquentes dans la pratique. uand il y a un système d'échappement,l'équilibre de la pression sera établi entre le milieu régnant à l'inté- rieur du cylindre et le milieu régnant dans le système d'é- chappement; mais le système d'échappement est sous l'in- fluence des gaz sorties balistiquement, et il faut tenir compte de cette action sur l'intérieur du cylindre dans les moments qui suivent.
Si cependant l'orifice d'échappement est ouvert et dans un intervalle de temps inférieur à t et à la vitesse balis- tique de sortie des gaz on obtient un équilibre de pression instantané, mais la décharge balistique continue et,comme les gaz brûlés sont encore en mouvement vers l'extérieur à leur vitesse balistique, une dépression se créera dans le cylindre, qui sera d'un degré élevé.
Dans ce cas, une action de contrôlé peut être obtenue par l'emploi d'un conduit d'échappement de forme appropriée, d'où il résulte que la dépression à l'intérieur du cylindre peut être intensifiée et sa durée prolongée par l'action des gaz brûlés qui ont quitté le cylindre balistiquement .
Enfin, si dans un intervalle de temps inférieur à t la surface de l'orifice d'échappement ouvert est supérieure à la surface de la section transversale du cylindre du mo- teur 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
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l'extrémité de queue des gaz brûlés contenus dans le cylin- dre ne sera plus un facteur prédominant et cette extrémité de queue se détachera de la partie du cylindre la plus éloi- gnée de l'orifice d'échappement et un vide complet sera laissé derrière les gaz brûlés dans le cylindre.
Plus court est l'intervalle de temps pendant lequel cette surface critique est ouverte, moindre sera la détente des gaz brûlés qui aura eu 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 l'extrémité de queue des gaz brûlés sera le plus grand.
Pour le calcul on peut admettre pour la vitesse balis- tique de l'échappement une valeur moyenne qui varie entre 1400 à 1800 mètres seconde, suivant la qualité de la com- bustion. Ces chiffres concernent le fuel-oil du genre com- munément employé dans les moteurs à allumage par compres- sion,et varieront avec le genre de combustible employé.Pour l'essence les chiffres seront quelque peu plus élevés. Ces chiffres sont admissibles pour un avant projet.
On peut admettre pour la vitesse moyenne d'un écoule- ment adiabatique,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 ou 1/4 de la surface de section transversale du
1800 cylindre du moteur.
On peut admettre pour le temps critique t la valeur de 1 sec., car les demandeurs ont trouvé que c'est au voi- 300 sinags de cet intervalle de temps et plus court qu'on ob- tient une utilisation très satisfaisante des phénomènes balistiques en question pour les buts de la présente inven- tion.
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La manière par laquelle les précédentes considérations peuvent êtraappliquées à la construction d'un moteur appa- rattra dans ce qui suit en 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 vitesses adiabatiques ou balistiques des gaz brûlés et pour la surfa- oe critique de l'échappement et pour l'intervalle de temps critique précités,ces valeurs sont des valeurs pratiques qui ont été obtenues comme résultat d'expérience et que bien qu'elles suffisent pour établir un moteur suivant l'inven- tion,elles ne sont pas nécessairement des valeurs rigoureu- ses.
Comme première méthode de calcul on peut admettre qu'au moment de l'ouverture de l'échappement les gaz dans le cy- lindre sont à une pression de 5 atmosphères et que 4 volumes de cylindre de gaz brûlés doivent être évacués pour réta- blir un équilibre de pression instantané et figuratif en- tre l'intérieur du cylindre et l'atmosphère extérieure à .l'orifipe d'échappement, ces 4 volumes étant évacués à la vitesse balistique de 1800 mètres seconde. Un tel calcul donnera une courbe dont les points indiquent l'angle mani- velle auquel cet équilibre de pression est atteint à diffé- rentes 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 balistique des gaz brûlés et lorsque ces 4 volumes ont été évacués en un temps supérieur au temps critique t, la fin de l'échappement conduira à un équilibre de pressions instan- tané et figuratif avec le cylindre laissé plein de gaz iner- tes à la pression atmosphérique au au-dessous de celle-ci ceci dépendant de l'action de la portion des gaz brûlés qui a quitté le cylindre balistiquement pendant le temps critique.
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A titre de variante, de calcul d'approche,les deman- deurs ont trouvé que dans les moteurs du type auquel l'inven- tion se réfère, une vitesse figurative de 450 mètres secon- de peut être appliquée à la sortie d'une cylindrée des gaz brûlés, en négligeant la détente, mais en comprenant la pé- riode de retard qui s'écoule avant(que les gaz brûlés commen- cement à quitter le cylindre. Avec cette supposition,l'in- tervalle de temps nécessaire pour évacuer les gaz brûlés du cylindre peut être calculé en considérant la surface moyen- ne d'ouverture de l'orifice d'échappement.
L'une ou l'autre des méthodes de calcul ci-dessus don- neront le même résultat, mais la courbe représentée à la fig. 2 est obtenue par la seconde de ces méthodes comme suit :
Dans cette figure les ordonnées représentent les degrés du mouvement du vilebrequin à partir de l'ouverture de l'é- chappement marquée 0 et les abscisses représentent les tours par minute du moteur.
La courbe 4 indique l'intervalle en degrés d'angle de vilebrequin pendant lequel les gaz brûlés ont été évacués du cylindre aux différentes vitesses de rotation du moteur, cela en ce qui concerne l'action à l'intérieur du cylindre, mais il faut comprendre que lorsqu'un système d'échappement approprié existe, l'action balistique de la masse de gaz se déplaçant vers l'extérieur à travers le système d'échappe- ment continue à exercer son effet sur le contenu du cylin- dre.
Cette courbe est obtenue de la façon suivante :
En supposant que le volume du cylindre soit représenté par W, l'intervalle angulaire entre l'ouverture de l'éohap- pement et tout point choisi sur l'angle de vilebrequin a, la surface moyenne de l'orifice d'échappement ouvert dans cet angle de vilebrequin par A, alors la longueur de la colonne formée sortante des gaz brûlés sera! l'intervalle de temps-qui sera coupé par
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la masse des gaz brûlés pour franchir cette distance devant l'orifice d'échappement à une vitesse figurative de 450 mètres seconde sera, pour une cylindrée de gaz d'échappement sans détente,
W x 1
450 .
Il est alors nécessaire de déterminer la vitesse du moteur à laquelle pour le nombre choisi de degrés du vile- brequin (a) correspond l'intervalle de temps précité, et ceci permettra d'obtenir des points sur la courbe pour cha- que intervalle angulaire sélecté après que l'ouverture de l'échappement a commencé.
Des rayons vecteurs représentant des intervalles de temps constant s'écoulant après l'ouverture de l'échappe- ment pour différentes vitesses du moteur sont alors tracées à partir du point 0, les lignes 5,6,7,8 représentant res- pectivement 1/300 sec., 1/400 sec 1/500 sec., 1/600 sec.
Si l'on trace une ordonnée verticale au point 9 où la courbe 4 coupe la ligne 5, on voit que cette ordonnée, dans l'exemple choisi, correspond à une vitesse d'environ 660 tours par minute.
A toutes les vitesses supérieures à 660 tours pan minute, dans la surface marquée G, on peut admettre que les gaz brûlés sont évacués du cylindre dans un intervalle de temps inférieur à 1/300 sec. et qu'en conséquence le cy- lindre est laissé dans une condition très raréfiée ou est complètement vide de gaz.
A toutes les vitesses au-dessous de 660 tours par minu- te,on voit que les gaz brûlés sont évacués dans un inter- valle de temps supérieur à 1/300 seconde, de sorte que dans la surface au-dessous de la courbe 4 marquée par la lettre R, la fin de l'échappement a lieu à des vitesses qui se rap- prochent progressivement de celles de la détente adiabatique seule,conduisant à une égalisation des pressions entre le cylindre et le milieu extérieur, milieu qui, ainsi qu'on l'a
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déjà expliqué, peut être à une pression inférieure à la pression atmosphérique.
On trace alorh une ligne horizontale sur le diagramme pour représenter l'angle de vilebrequin pour lequel la sur- face critique de l'orifice d'échappement est ouverte. On voit que cet-ce ligne désignée par le chiffre 10 sur le des- sin coupe la courbe 4 au point 11 qui correspond une vitesse de 2.100 tours par minute.
A toute/les vitesses supérieures à .100 tours/m dans la surface marquée B, la surface critique de l'orifice d'échappement a été ouverte dans un intervalle de temps suffisamment plus petit que 1/300 sec. pour être certain qu'après que cette surface cri- tique a été ouverte la vitesse des gaz brûlés,contenus alors dans le cylindre, dans la direction de la sortie, aura lieu à une vitesse suffisamment 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 consi- dérer comme un piston gazeux imaginaire qui se détache de l'extrémité du cylindre, laissant un vide complet derrière lui.
On doit comprendre clairement que l'extrémité de queue des gaz brûlés à ce moment peut être soit à l'état raréfié, soit à l'état comprimé et que cela dépendra 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 détachant encore de la culasse du cylindre,car l'intervalle de temps qui s'est écou- lé avant que la surface critique ne soit ouverte ,est deve- nu plus oourt,et la quantité de détente des gaz brûlés qui a pu avoir lieu est également plus faible.
En outre, comme la vitesse du moteur après le point 11 augmente, la quantité de gaz brûlés qui a quitté le cylindre
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à sa vitesse balistique avant que la surface critique de l'échappement ne soit ouverte sera plus faible, de sorte que l'énergie contenue dans les gaz brûlés restant dans le cylindre lorsque la surface critique de 1.! échappement est ouverte sera plus grande.
Dans le moteur considéré on admettra maintenant que l'admission est réglée dans le temps pour s'ouvrir à 15 après l'ouverture de l'échappement,l'ouverture de l'admission 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 4 avec la ligne 5 représentant 1/300 sec.
Dans ce moteur, par suite à toutes les vitesses infé- rieures à 660 tours par minute la fin instantanée de l'éva- cuation des gaz brûlés du cylindre laissera des gaz rési- duels dans le cylindre plus ou moins raréfiés, que la charge fraîche peut évacuer, aidée par le vide laissé par la par- tie des gaz partis balistiquement en tête de l'échappement.
Aux vitesses supérieures à 660 tours par minute,à la fin de l'opération d'échappement le cylindre a été laissé 'dans une condition progressivement plus raréfiée par l'éva- cuation des gaz brûlés à leur vitesse balistique; mais à toutes ces vitesses plus élevées du moteur, l'admission est ouverte trop tôt pour permettre une bonne utilisation de cette dépression ou raréfaction.
Si le réglage de l'ouverture d'admission est alors modifié pour permettre une bonne utilisation de la dépres- sion laissée dans le cylindre par la sortie massive des gaz brûlés comme indiqué en particulier dans le brevet anglais 431.856, et dans d'autres brevets du présents inventeurs,par exemple de manière que l'intervalle entre 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
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capable de fonctionner en aspirant sa charge directement de l'atmosphère et il donnera son couple maximum à oette vi- tesse, bien que ce ne soit pas le couple optimum possible pour ce moteur.
Aux vitesses supérieures à 1600 tours par minute l'ad- mission ouvrira trop tôt et le couple baissera.
Si l'intervalle angulaire entre l'ouverture de l'échap- pement et l'ouverture de l'admission est maintenant de nou- veau augmenté jusqu'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 devenue inexistante. En conséquence,le pis- ton gazeux imaginaire se séparera du cylindre, et le cylin- dre sera complètement évacué et)capable de recevoir une charge complète à la pression atmosphérique dans les meil- leures conditions possible.
On voit alors que la gamme de vitesses de travail ou de régime auxquelles le moteur peut fonctionner avec un ré- glage fixe de l'admission et en aspirant directement sa charge de l'atmosphère a été considérablement augmentée et que pour sa gamme de vitesses la plus élevée les conditions de marche ou fonctionnement seront telles/qu'elles permet- tent d'obtenir un coupe optimum.
A titre d'exemple seulement,des chiffres indiquant la vitesse des gaz brûlés ont été placés à différents points de la courbe 4 pour indiquer la manière par laquelle la vi- tesse à la fin instantanée d'échappement, augmente à mesure que l'intervalle de temps occupé par l'évacuation des gaz brûlés diminue.
On admettra en considérant la fig. 2 et la description ci-dessus que les conditions les plus avantageuses pour le cylindre seront celleslpour lesquelles la surface critique
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est ouverte dans l'intervalle de vilebrequin le plus petit possible après réouverture de l'échappement et dans laquel- le o'ette surface critique de l'orifice d'échappement est ouverte pendant le temps critique à la vitesse du moteur la plus faible.
Une telle condition est représentée à la fig. 3.
Cette figure est similaire à la fig. 2 en ce qui concer- ne la représentation de la courbe figurative 15 et les rayons vecteurs 16 à 26 représentant des intervalles de temps constants.
Dans cet exemple on admettra qu'on désire qu'à toutes les vitesses supérieuresà 600 tours par minute le cylindre soit laissé complètement vide comme conséquence de l'évacua- tion des gaz brûlés à leur vitesse balistique, c'est-à-dire que le piston gazeux imaginaire se séparera toujoursde la culasse du cylindre et se déplacera ensuite d'une manière oontinue 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 le temps critique à une vitesse infé- rieure à 600 tours par minute. Dans cet exemple la surface critique est ouverte pendant un intervalle de 1/300 sec. à 350 tours par minute, la surface critique étant ouverte à
7 de mouvement du vilebrequin après l'ouverture de l'é- chappement. Ceci supposeau préalable une périphérie plus grande de l'orifice d'échappement et a pour'effet d'aplatir la courbe 15.
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.
La distance entre les points 9 et 11 peut au fait)être réduite de telle façon en plaçant d'une manière appropriée la surface critique de l'orifice d'échappement que la par- tie G de:la courbe,pour tous les buts pratiques,peut être
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considérée comme n'existant pas, et de telle façon que le moteur fonctionne sur toute sa gamme de vitesses dans les meilleures conditions possible, avec le cylindre entièrement vide de gaz brûlés à la fin de l'évacuation de ce dernier.
A la fig. 3, la ligne 16 représentant le temps criti- que de 1/300 sec. coupe la courbe 15 au point 27 et la li- gne 28 représentant la surface critique de l'orifice d'é- chappement coupe la courbe 15 au point 27.
Dans la partie R1 de la courbe 15 sur la gauche du point 27, le cylindre, à la fin de l'évacuation des gaz brûlés en provenant,et négligeant l'action dans le système d'échappement de la partie des gaz qui a quitté le cylindre balistiquement reste plein de gaz à la pression atmosphéri- quealors que sur la droite du point 27, dans la partie B1, le piston gazeux imaginaire se sépare toujours de l'extré- mité du cylindre. Mais d'une manière plus rigoureuse,comme la condition intermédiaire ne peut pas disparaître complè- tement ,une faible partie G1 de la courbe est représentée chevauchant le point 27.
On doit comprendre clairement que la oourbe 15 est une courbe figurative et ne donne aucune indication de la position de la masse des gaz brûlés à la fin présumée de l'évacuation des cylindres ou lorsque las quatre cylin- dres présupposés ont été évacués.
La partie de la courbe 15 qui est intéressante pour établir le réglage dans le temps de l'ouverture d'admission est la partie qui se trouve à droite du point 27 sur la li- gne des 1/300 de sec., car c'est dans cette partie de la courbe que le piston gazeux imaginaire se sépare de l'extré- mité 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 la culasse du cylin- dre. A ce moment une certaine quantité des gaz brûlés a
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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'échap, pement est la vraie vitesse balistique des gaz brûlés et cette vitesse en valeur moyenne peut être prise à 1800 mè- pour tres environ par seconde @ le fuel oil .
On peut alors admettre qu'une cylindrée de gaz brûlés a été évacuée à travers l'orifice d'échappement à une vi- tesse 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.
Pour établir le moment où l'évacuation du cylindre est complète sur cette partie de la courbe 15 un nouveau calcul peut être appliqué 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 vilebrequin et les surfaces moyennes de l'ori- fiée d'échappement à considérer doivent être mesurées à partir de l'angle de vilebrequin auquel la surface critique de l'échappement s'ouvre.
Pour chaque angle de vilebrequin 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 sur- faces 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 l'on prend ces valeurs, on peut effectuer le calcul
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comme suit :
Si Ap, est la surface de la section transversale du cylindre
Ac la surface critique de l'orifice d'échappement (dans l'exemple et suivant l'invention elle sera supérieure à Ap x 450) 1800
Ax la surface de l'orifice d'échappement ouverte pour l'anglede vilebrequin choisi
Alors la surface moyenne de l'orifice d'échappement Am égale (Ax Ac) x un facteur temps-surface que pour des fins pratiques on peut prendre comme 1
La diminution du volume de gaz dans le cylindre par leur sortie balistique à l'extérieur se fera à:
Am x 1800 mètres par seconde. -
Ap qui sera supérieure à 450 mètres par seconde.
Comme les gaz se détendent vers l'arrière à 450 m/Sec., la diminution résultante du volume de gaz contenu dans le cylindre sefera à : (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 complè- tement à cette vitesse résultante de sortie et on peut dé- terminer 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 le moment où le cylindre a été laissé complètement vide.
On voit qu'aux faibles vitesses cette courbe est située au-dessus de la courbe 15 et qu'aux vitesses plus élevées elle est située au-dessous de cette courbe.
La courbe 29 est sujette à correction car elle est
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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 avait été désivée des valeurs instantanées de ces vitesses la courbe aurait eu la forme de la courbe 30.
Dans ce cas il faut remarquer qu'aux faiblesvitesses du moteur; soit à 800 tours par minute,une plus gradde pro- portion de gaz brûlés a quitté le cylindre avant l'ouvertu- re de la surface critique de l'orifice d'échappement que pour les grandes vitesses, soit 4000 tours par minutè.
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.
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 hautement 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 surfase critique de l'échappement est ouverte est plus dense et compact, la quantité d'énergie balistique retenus dans le cylindre à ce moment 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 cylin- dre sera plus faible.
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' A titre d'exemple, les vitesses de sortie desgaz brù- lés sont indiquées sur la courbe 15 qui peut être considé- rée en liaison avec les remarques précédentes en considérant la forme des courbes 29 et 30.
En outre, à différents points sur la ligne 28 une in- dication est donnée de la pression des gaz contenus dans le cylindre au moment où la surface critique de l'échappement s'est ouverte. Cette indication de pressions est destinée à montrer qu'à mesure que la vitesse du moteur augmente,la presson des gaz restant dans le cylindre au moment où la surface critique de l'échappement est ouverte devient de plus en plus forte ainsi qu'il a été expliqué plus haut.
On voit que la courbe 30 est au-dessus de la courbe 29 aux faibles vitesses du moteur et qu'ensuite elle tombe 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 cour- be 30 augmentent seulement de 6 .
En conséquence, dans un tel moteur, si l'admission est réglée dans le temps pour s'ouvrir à 18 après l'ouverture de l'échappement sur la ligne 31, sur toute la gamme des vitesses du moteur, ce réglage de l'ouverture 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'admission est très voisine du moment où le vide est laissé dans le cylindre et aux vitesses plus faibles il n'y a jamais plus qu'un intervalle de 6 entre la formation du vide et l'ou- verture de l'admission.
Ce raisonnement est indépendant de la position de l'ori- fice d'échappement, mais un tel réglage dans le temps sera nécessaire dans le cas d'un moteur dans lequel les lumières d'admission et d'échappement sont situées à la même extré- mité du cylindre, par exemple , un moteur ayant les dites lumières commandées toutes deux par le même piston.
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Si les orifices d'échappement et d'admission sont sur les extrémités opposées du cylindre, alors l'admission 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'admission, de sorte qu'il sera possible dans un tel moteur d'établir un réglage fixe de l'admission tel que l'admission s'ouvre immédiatement lorsque la surface critique de l'orifice d'échappement a été ouverte.
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 à leur vitesse balistique. On comprendra, cependant, que l'importance de ce retard est subordonnée à celle de la surface critique de l'ouverture d'échappement; mais pour faire mieux com- prendre la description, la ligne 32 est représentée à la fig. 3 pour montrer la situation générale du retard qui s'écoule avant que les gaz brûlés commencent à se mouvoir vers l'extérieur à traversl'orifice ou le conduit d'échap- pement comme conséquence de leur sortie massive du cylindre.
On comprendra que cette sortie massive comme nceà la fin de la période de retard en question, et qu'ensuite si la surface critique de l'orifice d'échappement est ouverte dans un intervalle de temps suffisamment court, l'extrémité de queue de la masse gazeuse sortante se sépare de l'extrémité du cylindre avec laquelle elle est encontact. On peut égale- ment imaginera que pour certaine vitesse très élevée du moteur, la surface critique de l'échappement sera ouverte dans un intervalle de temps court tel que les gaz brûlés
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n'ont pas encore été capables de commencer leur sortie mas- sive du cylindre et une telle condition est représentée sim- plement à titre d'exemple par l'intersection de la ligne 32 avec la ligne de surfaee critique à la fig. 3 à 4500 tours par minute.
Dans la demande anglaisen 1014/36 on décrit un procédé de construction de moteurs à combustion interne à deux temps dans lequel la surface de l'orifice d'échappement est un maximum, et cette surface qui est ouverte avant que l'ad- mission ne s'ouvre est disponible dans un intervalle de temps minimum.
Un tel procédé donne la certitude que le moteur fonc- tionnera dans les conditions représentées par les portions G ou G1 des courbes aux figs. 2 et 3, ou les portions R ou RI adjacentes aux portions G ou G1, mais cela dépendra de l'habileté du constructeur ou de l'ingénieur projeteur pour que les conditions représentées par les portions B et B1 soient obtenues. La présente invention donne une instruction précise qui, si elle est suivie,assure que les dernières conditions mentionnées seront obtenues de façon précise.
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 le temps criti- que, et ceci impose la condition que la construction du moteur permette d'obtenir ce résultat,et que les dispositifs choisis soient ceux qui sont capables de permettre que ces conditions soient remplies.
En appliquant l'invention à un moteur particulier cela implique des modifications radicales de construction, y com- pris la construction du dispositif commandant l'orifice d'échappement et des orifices d'échappement eux-mêmes. par exemple il peut être nécessaire de réaliser un anneau de lumières d'échappement tout autour du cylindre et ceci impliquera l'emploi de deux conduits d'échappement ou
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plus car il ne doit pas y avoir de surfaces qui s'ppposent 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 re- lativement longue ou courte, mais comme une augmentation de la longueur de la course par rapport à la surface de la section transversale du cylindre augmentera les vitesses du piston, une tells forme du moteur permettra plus aisément d'obtenir les ouvertures rapides désirées des orifices d'échappement.
En outre, plus la course sera longue par rapport à l'a- lésage, plus faible sera la proportion de la cylindrée des gaz brûlés qui peuvent être évacués du cylindre avant que la surface critique de l'échappement ne soit ouverte, et en conséquence plus grande sera la facilité avec laquelle le piston gazeux imaginaire peut se séparer de l'extrémité du cylindre aux faibles vitesses du moteur.
Tous conduits d'échappement placés à la suite de l'ori- fice d'échappement exerceront une action de contrôle sur la masse sortante des gaz brûlés et dans le projet de ces con- duits on devra adopter les instructions données dans la demande anglaise n 1014/36.
Enfin, il est avantageux qu'après l'ouverture de la surface critique de l'orifice d'échappement la surface addi- tionnelle nécessaire de l'orifice s'ouvre pour faciliter l'échappement des gaz brûlés du cylindre, car de cette fa- çon la surface moyenne de l'orifice d'échappement est aug- mentée¯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 optimum du moteur pour une gamme de vitesse désirée et on peut utili- ser tout dispositif approprié décrit dans des brevets anté-
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rieurs d,l'inventeur5pour permettre <ÈisJott)iËxxK 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 et d'échap- pement sont situés à la même extrémité du cylindre et sont commandés par le marne piston .
En mettant en oeuvre la présente invention on peut éta- blir un tel moteur dans lequel, comme conséquence de l'éva- cuation des gaz brûlés, on est assuré d'un cylindre complè- tement vide.
Ensuite grâce à un dessin approprié du conduit d'é- chappement il sera possible d'assurer que dans le Voisinage des vitesses de travail ou de régime les plus élevées le re- tour des gaz brûlés soit amené à coinceder sensiblement avec la fermeture de l'admission et que dans l'intervalle entre la fermeture de l'admission et la fermeture de l'é- chappement et à toutes les vitesses inférieures que le con- tenu du cylindre soit protégé contre le retour des gaz brû- lés qui se produira alors avant que l'admission se ferme, d'où il résulte que des gaz frais qui ont traversé le cylindre pour aller dans le système d'échappement seront renvoyés au cylindre et peuvent produire une suralimentation.
Des moyens capable5d'établir une telle protection contre le retour des gaz brûlés ont déjà été décrits par les inven- teurs actuels dans les brevets antérieurs, tandis que dans la demande anglaise n 1014/36 l'influence de la construc- tion du conduit d'échappement sur l'intervalle s'écoulant entre la sortie massive et le retour massif des gaz brûlés a été expliquée.
Il a été dit gi-dessus que lorsque des valeurs numéri- ques sont données pour permettre de mettre en oeuvre la présente invention,ces valeurs sont des valeurs pra tiques qui sont convenables pour être adoptées. Mais en cansidé- o
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rant toutes ces valeurs, et les détails des courbes repré- sentées dans les figures, on fait de nouveau remarquer que ces courbes ne prétendent pas être un enregistrement précis de tous les facteurs que l'on peut estimer être impliqués, mais sont des représentations pratiques dont on peut se servir comme guide pour mettre en oeuvre l'invention.'
Ayant maintenant décrit en détail et précisé la nature de notre dite invention et de quelle façon elle doit être exécutée,nous déclarons que ce que nous revendiquons est :
1 REVENDICATIONS.
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1. Une méthode de construction d'un moteur à combustion interne du cycle à deux temps du genre dans lequel au moins une partie importante des gaz brûlés quitte le cylindre à une vitesse beaucoup plus élevée que celle qui existe quand il s'agit seulement d'un écoulement adiabatique et dans un intervalle de temps si court après l'ouverture de l'orifice d'échappement que cette partie des gaz est éva- cuée sous forme de masse laissant une dépression derrière elle, dépression qui est utilisée pour introduire une charge fraîche dans le cylindre,comportant le fait de prévoir que la surface critique de l'orifice d'échappement soit ouverte pendant le temps critique, l'admission étant ouverte après que la surface critique de l'orifice d'échappement a été ou- verte,
et quand les gaz brûlés ont quitté l'endroit où l'ori- fice d'admission est situé.
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PATENT OF INVENTION in the name of: "improvements to internal combustion engines of the two-stroke cycle".
The present invention relates to a process for the construction of internal combustion engines of the two-stroke cycle in which at least a significant part of the burnt gases escape from the cylinder at a speed much higher than that which prevails when it comes to only adiabatic flow, and in such a short period of time that it is discharged as a mass leaving behind a negative pressure which is used to introduce a fresh charge into the cylinder.
The object of the invention is a method of constructing such a motor in which optimum and stable torque can be obtained and furthermore substantially constant torque over a desired speed range.
The invention consists of an arrangement in which the surface of the exhaust port opened for a sufficiently short period of time to give the certificate.
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The study that the gases still in the cylinder retain sufficient ballistic energy to maintain a velocity greater than that which exists when it is only an adiabatic flow during the subsequent evacuation of the cylinder, is greater than the product of the cross-sectional area of the engine piston multiplied by the speed of the adiabatic expansion for the environmental conditions considered and divided by the speed of the ballistic exit. The exhaust surface conforming to the requirements defined in the previous paragraph will be referred to below as the critical exhaust surface.
The invention further provides for an additional exhaust surface to be opened after the critical surface has been opened to ensure faster discharge of the flue gases.
The invention will be more clearly understood with the aid of the description which will follow and with reference to the appended drawings in which:
Fig. 1 is an explanatory diagram relating to the outlet speed of the burnt gases when they are discharged from the cylinder through the exhaust port; fig. 2 is a diagram showing the different conditions obtained in the cylinder of an internal combustion engine as a consequence of the exhaust of the flue gases and shows the effect of a delayed opening of the critical surface with respect to the beginning. of the exhaust. fig. 3 is a diagram similar to that of the figure; but showing the effect of an advanced opening of the critical surface relative to the start of the escape.
It is commonly believed that when the burnt gases are discharged from the cylinder of an internal combustion engine the discharge of the burnt gases is in the nature of a flow.
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ment 'adiabatic and that the evacuation speed of these gases is the speed of sound for the medium considered.
The inventors have already indicated in the descriptions of their previous patents that this assumption does not agree with the facts and that the way in which the gases burnt behave during and after their evacuation from the cylinder is such that it leads us to admit that the burnt gases form a body having properties similar to those of an elastic body, and which, when the exhaust port opens, seeks to project itself out of the cylinder in the form massive.
ant
Applicants observed that when the exhaust port opens there is first a delay period during which no appreciable change takes place in the gaseous medium external to the exhaust port and that once this delay has elapsed, the burnt gases exit the cylinder at a speed greater than the speed existing for the adiabatic flow and in the form of a mass, the movement of which is controlled by the laws of reflection and rebound. - ment and absorption of work.
This should by no means be understood as excluding the possibility of the expansion of the gases during their evacuation from the cylinder.
During this evacuation, the adiabatic expansion of the burnt gases takes place in a continuous manner, but because their exit speed is much greater than the speed of sound, the gases are able to separate from the walls of the receptacle which contains them. .
In order to better understand the phenomena considered and the present invention, an analogy can be made by referring to the way in which a coil spring reacts to compressive forces acts.
When a free coil spring is placed on a table and subjected to compression, the compressive force stored in the spring is a force acting on a table.
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mass and able to communicate an initial speed or living force to this mass. If the spring is then released so as to relax against a resistance and if the resistance is suitably chosen, the spring can be forced to relax slowly until it returns to its normal position. free length for which it remains at rest.
The work done by the spring in relaxing will then have become stored by the resistance.
On the other hand, if the spring, after having been compressed on the table, is suddenly dropped, that is to say if the compression device is removed in a very short time interval, the spring, when it is relaxes as a consequence of his abandonment, will also leave the table all in one piece. The energy stored in the spring has been used entirely to impart initial speed or force to the spring. During its flight in the air after it has left the table, oscillations will occur in the continuous medium constituting the spring, but these oscillations have no direct relation / with the movement of the spring forming a whole which leave the table.
This condition can be compared with the exit of the burnt gases from the cylinder at a speed greater than that existing when it is an adiabatic flow only.
In addition, if, while the spring is held in a static state of compression between two surfaces, it is subjected to a shock, for example a hammer blow, the action exerted on the spring by the hammer blow will be manifested. in two forms. In the first place, it will increase the compression of the spring and in the second place it will cause a movement of the center of gravity of the spring, because it is a force acting on a mass and capable of producing an acceleration of this mass.
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If one of the retaining walls is then removed within a short period of time such that this movement of the spring's center of gravity still continues, the spring will spring back as a whole from the other wall at an increased speed as a result. of the speed imparted to its center of gravity by the blow of the hammer, that is to say by the energy communicated to the spring.
The tripartite hammer blow to the spring can be compared to the shock exerted on the compressed gases in an engine cylinder by the combustion of these gases and it will be seen that the suggestion made is that this combustion in addition to increasing the pressure. gas can also impart velocity at the center of gravity of the mass of the gases in the cylinder and that the exit velocity of the burnt gases when the exhaust port is open is influenced by this possible pre-existing velocity in the cylinder.
It will be seen from the above explanation that from Applicants' streets, the burnt gases which are discharged from the cylinder of an internal combustion engine having an elasticity which can be compared to the mechanical elasticity. of a spring, and that it is the time element which will determine whether the gases during their exit from the cylinder will behave like a gas in adiabatic expansion or like a body thrown by applied forces.
The adiabatic flow of gases can be compared to the condition under which the relaxation of the spring is exerted against an opposing resistance which absorbs the work.
The mass output of the burnt gases from the cylinder can be compared to the condition under which most of the energy stored in the spring is transformed into movement of the mass of the spring.
When the burnt gases leave the cylinder through the exhaust port, their speed, as it is much greater than the speed of sound of the medium under consideration, can be regarded as the consequence of two factors.
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1) An adiabatic flow having a speed equal to the speed of sound, and,
2) a force capable of imparting to gases a speed much greater than the speed of sound.
This force will be referred to hereinafter as the ballistic force, and the speed which is a consequence of this force will be called the ballistic speed of the burnt gases.
Under the action of the first of these factors the gases are only able to relax as a continuous medium maintaining itself in contact with all the parts of the vessel which surrounds them and until a pressure equilibrium is reached between the cylinder and the external atmosphere.
Under the action of the second of these factors, as the center of gravity of the mass of the burnt gases moves at a speed greater than that of sound, the mass of the burnt gases is able to separate from the walls that contain it.
When considering the analogy between the burnt gases in an engine cylinder and the compressed spring, it must nevertheless be borne in mind that in the engine the burnt gases are discharged from the cylinder through an orifice which is always more narrow than the cross-sectional area of the cylinder and which opens gradually and not instantly. The release of the gas spring formed by the burnt gases is thus subjected to a resistance and the greater this resistance, the less will be the energy which is transformed into the initial speed or force of the mass of the "gas spring".
In other words, if the resistance is small, i.e. if a large area is opened in a short time, the whole knife of the cylinder will be evacuated as a mass, but if the resistance is large, i.e. if only a small orifice is opened in a relatively long time, then only part of the contents of the cycle
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the lint will be discharged as a mass.
If we consider that the burnt gases pass to the outside through the exhaust duct at their ballistic speed, and if we neglect the expansion, then due to the difference in surface between the exhaust port and the cross-sectional area of the engine cylinder, the part of the burnt gases remaining in the cylinder will adopt a resulting movement towards the outlet at a slower rate than that of the part of the burnt gases contained in the exhaust duct , and the ratio between these two speeds will be determined by the ratio between the area of the exhaust port open at this time and the area of the cross-section of the cylinder.
But since the whole mass of the burnt gases continuously expands at its rate of adiabatic expansion, the speed of outward movement of the part of the burnt gases contained in the cylinder at each instant will be reduced by the rate of this expansion.
Expressed in other words, the increase in volume by expansion which occurs in the cylinder at each time interval decreases the effective reduction in volume, of the contents of the cylinder by exhausting through the exhaust port. in the same time interval.
It can be seen from what has been said that depending on the predominance of one or the other of the two factors mentioned above, at the instantaneous end of the evacuation of the gases burnt by the ballistic forces, as a consequence of these two actions, the cylinder space will either be full of gas at a pressure greater than or at the pressure of the middle of the exhaust port, or it will contain gases in a rarefied state with respect to this medium, or this space will be completely empty.
It is understood that after this moment, a vigorous action can be exerted on the contents of the cylinder by
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the ballistic action of the ballistically discharged gases first. In ordinary, so-called fast engines, with small and medium displacement, the first of these three conditions never occurs; in large engines, in very rare cases, the pressure can be balanced, and in engines according to the present invention, the exhaust devices are made so as to be able to fulfill the third condition.
It is now proposed to analyze these three conditions with reference to FIG. 1 of the accompanying drawing.
This figure represents two speed curves, the abscissas representing the times and the ordinates representing the speeds.
Point 0 represents the moment when the exhaust port begins to open.
Curve 1 represents the rate changes which occur in a gas which relies from high pressure to low pressure and when a purely adiabetic flow has been established.
The ordinate v represents the maximum speed which, according to a belief which has been current, will be obtained when the pressure difference is greatest (that is to say when the exhaust port opens) , and we see that this speed gradually falls as the time interval increases and the pressure difference decreases until it finally reaches zero.
Such a curve can be established by calculations based on considerations well known in the art and is a graphical curve of what is believed to occur when a gas expands from high pressure to low pressure.
Applicants have observed that the changes in speed which occur early as a result of the opening of an orifice for the discharge, of the flue gases compressed in
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an internal combustion engine are not those represented by curve 1. On the contrary, with a certain delay the output speed increases rapidly to a speed well above the maximum speed existing when it comes only to adiabatic flow. If the outflow time is prolonged, then the high outflow velocity falls and eventually identifies with adiabatic flow.
This high initial or ballistic velocity manifests itself as a consequence of the opening of an exhaust port, regardless of the size of this orifice, but the volume of the mass of gas discharged at this speed Initial ballistics, which only exists for a very short period of time after the burnt gases have started to leave the cylinder, will depend on the size of the orifice.
These conditions are represented by curve 2 in fig. 1.
It is seen that in this case the speed increases rapidly to a maximum value V which is greater than the maximum speed of the curve 1, and then falls first rapidly and then at a decreasing speed until it finally merges into curve 1 at point 3 at a time which will be designated hereafter as the critical time.
If we continue the comparison with the spring, we can imagine that curve 1 represents the variations in expansion speed which occur when the compression of the spring is gradually released so that the reaction exerted by the table against which the spring is compressed is absorbed by performing work on a medium other than the spring, and no propulsion section takes place on the spring. In the case of curve 2 the upper ordinate V can be considered as due to the propelling action coming either only from
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the compression of the spring at this moment, either of this action in combination with the pre-existing speed of the center of gravity of the spring produced by the hammer blow, i.e. by the combustion of the charge.
In this case the gas spring, once released, will be subjected to an acceleration which is represented by the initial rise of curve 2, and after a period of time t when the propulsive energy is dissipated, any subsequent movement of the mass remaining in the cylinder can only be produced by adiabatic flow, curve 2 will become tangent to curve 1 at point 3.
It can be seen from the foregoing that at the end of the time interval t the speed of the burnt gases which still continue to exit the cylinder and which may come from all the factors having some influence on the speed of the gases. , has fallen to such a low level that it becomes equal to the velocity which can result only from adiabatic flow.
At this moment we can say that the exit velocity of the only burnt gases becomes the existing velocity when it comes to adiabatic flow, which is effective in all directions so that at any subsequent moment the burnt gases will completely fill the space in which they are housed.
In an engine of the type to which the invention refers the evacuation of the burnt gases, in whole or in a substantial part of these gases, takes place in that part of the curve which is to the left of point 3, and in In general we can say that in all engines the conditions of the exhaust are such that a large part of the gas leaves the cylinder under ballistic laws, and that the actions produced in the pipes by this ballistic exit, of same as the ballistic output itself, by its influence in the cylinder produces conditions such that adiabatic pressure equilibria are complete-
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dominated by the ballistic effects of gases.
If it is assumed that the burnt gases leave the engine cylinder through an orifice such and in such a way that at the end of time t the pressure in the cylinder is greater than atmospheric pressure, then the burnt gases will then expand adiabatically until a pressure equilibrium is reached between the cylinder and the medium immediately outside the exhaust port.
But these conditions are very infrequent in practice. When there is an exhaust system, the pressure equilibrium will be established between the medium prevailing inside the cylinder and the medium prevailing in the exhaust system; but the exhaust system is under the influence of the ballistically released gases, and this action on the inside of the cylinder must be taken into account in the following moments.
If, however, the exhaust port is open and in an interval of time less than t and at the ballistic speed of the gas exit, an instantaneous pressure equilibrium is obtained, but the ballistic discharge continues and, as the burnt gases are still moving outward at their ballistic speed, a depression will be created in the cylinder, which will be of a high degree.
In this case, a controlled action can be obtained by the use of a suitably shaped exhaust duct, whereby the vacuum inside the cylinder can be intensified and its duration prolonged by the action of the burnt gases which left the cylinder ballistically.
Finally, if in a time interval less than t the area of the open exhaust port is greater than the area of the cross section of the engine cylinder multiplied by the instantaneous speed of the adiabatic expansion and divided by the speed instantaneous of the ballistic exit, then, at this moment, the relaxation of
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the tail end of the burnt gases contained in the cylinder will no longer be a predominant factor and this tail end will detach from the part of the cylinder furthest from the exhaust port and a full vacuum will be left behind the burnt gases in the cylinder.
The shorter the time interval during which this critical surface is open, the less will be the expansion of the burnt gases which will have taken place in this time interval and, consequently, the more compact the tail end of the burnt gases will be, and more ballistic energy will remain in the flue gases, so the full void volume left behind the tail end of the flue gases will be greatest.
For the calculation, we can admit for the balis- tic speed of the escape an average value which varies between 1400 to 1800 meters per second, depending on the quality of the combustion. These figures are for fuel oil of the type commonly used in compression ignition engines, and will vary with the type of fuel used. For gasoline the figures will be somewhat higher. These figures are admissible for a preliminary draft.
We can admit for the average speed of an adiabatic flow, figures from 350 to 450 meters per second so that if we take the higher figure = in each case, the critical area of the exhaust port will be 450 or 1/4 of the cross-sectional area of the
1800 engine cylinder.
We can admit for the critical time t the value of 1 sec., Because the applicants have found that it is around 300 sinags of this time interval and shorter that a very satisfactory use of ballistic phenomena is obtained. in question for the purposes of the present invention.
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The manner in which the foregoing considerations can be applied to the construction of an engine will appear in the following with reference to Figs. 2 and 3, but it should be understood that when during this description numerical values are given for the adiabatic or ballistic velocities of the burnt gases and for the critical area of the exhaust and for the time interval Critically mentioned above, these values are practical values which have been obtained as a result of experience and which although they are sufficient to establish a motor according to the invention, they are not necessarily strict values.
As a first method of calculation it can be assumed that when the exhaust is opened the gases in the cylinder are at a pressure of 5 atmospheres and that 4 cylinder volumes of burnt gases must be evacuated to re-establish an instantaneous and figurative pressure balance between the interior of the cylinder and the atmosphere outside the exhaust port, these 4 volumes being evacuated at the ballistic speed of 1800 meters per second. Such a calculation will give a curve whose points indicate the crank angle at which this pressure equilibrium is reached at different engine speeds.
On such a curve, when these 4 volumes have been evacuated in a time less than the critical time t, the end of the exhaust will take place at the ballistic speed of the burnt gases and when these 4 volumes have been evacuated in a time greater than the critical time t, the end of the exhaust will lead to an instantaneous and figurative pressure equilibrium with the cylinder left full of inert gases at atmospheric pressure below it, depending on the action of the portion of the burnt gas which has left the cylinder ballistically during the critical time.
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By way of an approach calculation variant, the applicants have found that in engines of the type to which the invention refers, a figurative speed of 450 second meters can be applied at the output of a. displacement of the burnt gases, neglecting the expansion, but understanding the delay period which elapses before the burnt gases begin to leave the cylinder. With this assumption, the interval of time required for venting the flue gases from the cylinder can be calculated by considering the average opening area of the exhaust port.
Either of the above calculation methods will give the same result, but the curve shown in fig. 2 is obtained by the second of these methods as follows:
In this figure the ordinates represent the degrees of movement of the crankshaft from the exhaust opening marked 0 and the abscissas represent the revolutions per minute of the engine.
Curve 4 indicates the interval in degrees of crankshaft angle during which the burnt gases were evacuated from the cylinder at the different engine speeds of rotation, this with regard to the action inside the cylinder, but it is necessary understand that where a suitable exhaust system exists, the ballistic action of the mass of gas moving outward through the exhaust system continues to exert its effect on the contents of the cylinder.
This curve is obtained as follows:
Assuming that the cylinder volume is represented by W, the angular interval between the opening of the exhaust and any chosen point on the crankshaft angle a, the average area of the exhaust port open in this crankshaft angle by A, then the length of the formed column leaving the burnt gases will be! the time interval - which will be cut by
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the mass of the gases burnt to cross this distance in front of the exhaust port at a figurative speed of 450 meters per second will be, for an exhaust gas displacement without expansion,
W x 1
450.
It is then necessary to determine the engine speed to which for the chosen number of crankshaft degrees (a) corresponds the aforementioned time interval, and this will make it possible to obtain points on the curve for each angular interval. selected after opening of the exhaust has started.
Vector rays representing constant time intervals elapsing after opening of the exhaust for different engine speeds are then drawn from point 0, lines 5,6,7,8 representing 1 / 300 sec., 1/400 sec 1/500 sec., 1/600 sec.
If we draw a vertical ordinate at point 9 where curve 4 intersects line 5, we see that this ordinate, in the example chosen, corresponds to a speed of approximately 660 revolutions per minute.
At all speeds greater than 660 revolutions per minute, in the area marked G, it can be assumed that the burnt gases are discharged from the cylinder in a time interval of less than 1/300 sec. and as a result the cylinder is left in a very rarefied condition or is completely empty of gas.
At all speeds below 660 revolutions per minute, it is seen that the burnt gases are evacuated in a time interval greater than 1/300 second, so that in the area below curve 4 marked by the letter R, the end of the escapement takes place at speeds which gradually approach those of the adiabatic expansion alone, leading to an equalization of the pressures between the cylinder and the external medium, a medium which, as well as 'we have it
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already explained, can be at a pressure lower than atmospheric pressure.
A horizontal line is then drawn on the diagram to represent the crankshaft angle at which the critical area of the exhaust port is open. We see that this line designated by the number 10 on the drawing intersects the curve 4 at point 11 which corresponds to a speed of 2,100 revolutions per minute.
At any speed (s) greater than 100 rpm in the area marked B, the critical area of the exhaust port was opened in a sufficiently smaller time interval than 1/300 sec. to be certain that after this critical surface has been opened the speed of the burnt gases, then contained in the cylinder, in the direction of the exit, will take place at a speed sufficiently greater than the speed of adiabatic expansion, so that the tail end of the gases then in the cylinder will constitute what can be thought of as an imaginary gas piston which detaches from the end of the cylinder, leaving a complete vacuum behind it.
It should be clearly understood that the tail end of the burnt gases at this time can be either rarefied or compressed and this will depend on the time interval.
At point 11 the tail end of the burnt gases will be highly rarefied, but then as the speed increases the imaginary gas piston will become more and more strongly compressed, although still breaking away from the cylinder head, as the The time interval which elapsed before the critical surface was opened became shorter, and the amount of burnt gas expansion which could have taken place is also lower.
Also, as the engine speed after point 11 increases, the amount of burnt gas that has left the cylinder
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at its ballistic speed before the critical area of the exhaust is opened will be lower, so that the energy contained in the flue gases remaining in the cylinder when the critical area of 1.! exhaust is open will be larger.
In the engine under consideration, it will now be assumed that the intake is set in time to open at 15 after opening the exhaust, the opening of the intake being represented by the horizontal line 12.
We see that this line passes through point 9 which is at the intersection of curve 4 with line 5 representing 1/300 sec.
In this engine, as a result of all speeds below 660 revolutions per minute, the instantaneous end of the evacuation of the burnt gases from the cylinder will leave residual gases in the cylinder more or less rarefied, than the fresh charge. can evacuate, aided by the vacuum left by the part of the gases which have gone ballistically at the head of the exhaust.
At speeds above 660 rpm, at the end of the exhaust operation the cylinder was left in a progressively more rarefied condition by the evacuation of the burnt gases at their ballistic speed; but at all of these higher engine speeds, the intake is opened too early to allow proper use of this vacuum or rarefaction.
If the adjustment of the inlet opening is then modified to allow good use of the vacuum left in the cylinder by the massive exhaust of the burnt gases as indicated in particular in British Patent 431,856, and in other patents of the present inventors, for example so that the interval between opening of the exhaust and opening of the intake is 22 on line 13, then at 1600 rpm the engine will be
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capable of operating by sucking its load directly from the atmosphere and it will give its maximum torque at this speed, although this is not the optimum torque possible for this engine.
At speeds above 1600 rpm the inlet will open too early and the torque will drop.
If the angular interval between the opening of the exhaust and the opening of the intake is now increased again to 28 on line 14, then at 2600 rpm the critical area of the exhaust was opened in a considerably smaller time interval than 1/300 sec. and before the ballistic velocity of the flue gases became non-existent. As a result, the imaginary gas piston will separate from the cylinder, and the cylinder will be completely vented and able to receive a full charge at atmospheric pressure under the best possible conditions.
It can then be seen that the range of working speeds or revs at which the engine can operate with a fixed intake setting and by drawing its charge directly from the atmosphere has been considerably increased and that for its speed range the the higher the running or operating conditions will be such that they allow an optimum cut to be obtained.
By way of example only, figures indicating the velocity of the burnt gases have been placed at various points on curve 4 to indicate the manner in which the velocity at the instantaneous end of exhaust increases as the interval time occupied by the evacuation of the burnt gases decreases.
It will be admitted by considering FIG. 2 and the description above that the most advantageous conditions for the cylinder will be those for which the critical surface
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is opened in the smallest possible crankshaft gap after reopening the exhaust and where that critical area of the exhaust port is open for the critical time at the lowest engine speed.
Such a condition is shown in fig. 3.
This figure is similar to fig. 2 with regard to the representation of the figurative curve 15 and the vector rays 16 to 26 representing constant time intervals.
In this example it will be assumed that it is desired that at all speeds greater than 600 revolutions per minute the cylinder be left completely empty as a consequence of the evacuation of the burnt gases at their ballistic speed, that is to say that the imaginary gas piston will always separate from the cylinder head and then move continuously out of the cylinder.
To achieve this condition, the engine is arranged so that the critical surface of the exhaust port is open for the critical time at a speed below 600 revolutions per minute. In this example the critical surface is open for an interval of 1/300 sec. at 350 revolutions per minute, the critical surface being open to
7 crankshaft movement after opening the exhaust. This presupposes a larger periphery of the exhaust port and has the effect of flattening the curve 15.
This will have the effect of reducing the range of speeds over which the surface G of the curve extends (Fig. 2),. and wherein the cylinder is left in a rarefied condition.
The distance between points 9 and 11 can in fact) be reduced in such a way by appropriately placing the critical area of the exhaust port that part G of: the curve, for all practical purposes ,may be
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considered not to exist, and in such a way that the engine operates over its entire speed range under the best possible conditions, with the cylinder completely empty of burnt gas at the end of the evacuation of the latter.
In fig. 3, line 16 representing the critical time of 1/300 sec. intersects curve 15 at point 27 and line 28 representing the critical area of the exhaust port intersects curve 15 at point 27.
In part R1 of curve 15 on the left of point 27, the cylinder, at the end of the evacuation of the burnt gases coming from it, and neglecting the action in the exhaust system of the part of the gases which left the cylinder ballistically remains full of gas at atmospheric pressure, while on the line of point 27, in part B1, the imaginary gas piston still separates from the end of the cylinder. But in a more rigorous way, as the intermediate condition cannot disappear completely, a small part G1 of the curve is shown overlapping point 27.
It should be clearly understood that the curve 15 is a figurative curve and gives no indication of the position of the mass of the burnt gases at the presumed end of the evacuation of the cylinders or when the presupposed four cylinders have been evacuated.
The part of the curve 15 which is interesting for establishing the time adjustment of the intake opening is the part which is to the right of point 27 on the line of 1/300 of a sec., Because it is It is in this part of the curve that the imaginary gas piston separates from the end of the cylinder.
As noted above, when the critical area of the exhaust port has been opened, the imaginary gas piston will begin to separate from the cylinder head. At this time a certain quantity of the burnt gases has
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already evacuated from the cylinder, but the cylinder volume remains entirely occupied by the burnt gases.
We must therefore consider that after this moment the average speed of exit of the burnt gases through the exhaust orifice, is the true ballistic speed of the burnt gases and this speed in average value can be taken at 1800 meters. approximately per second @ fuel oil.
It can then be assumed that a displacement of burnt gases has been evacuated through the exhaust port at an average speed of 1800 meters per sec., The average surface area of the exhaust port through which this The output takes place being measured from the moment the critical surface is opened until the moment when the tail end of the burnt gases leaves the cylinder.
To establish the moment when the evacuation of the cylinder is complete on this part of the curve 15 a new calculation can be applied as follows:
This calculation must take into account the expansion of the burnt gases during their ballistic exit from the cylinder and the crankshaft angles and the average areas of the exhaust port to be considered must be measured from the crank angle at which the critical exhaust surface opens.
For each crankshaft angle chosen after opening the critical exhaust surface, the average open exhaust surface during the interval in question can be determined, and it is clear that these average surfaces will be always greater than the critical surface.
For practical reasons we can admit for the average speed of the ballistic exit in the exhaust duct 1800 meters per second and for the average speed of the adiabatic expansion 450 meters per second.
If we take these values, we can perform the calculation
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as following :
If Ap, is the cross-sectional area of the cylinder
Ac the critical surface of the exhaust port (in the example and according to the invention it will be greater than Ap x 450) 1800
Ax the area of the exhaust port open for the chosen crankshaft angle
Then the average area of the exhaust port Am equals (Ax Ac) x a time-area factor which for practical purposes we can take as 1
The reduction in the volume of gas in the cylinder by their ballistic exit to the outside will be done at:
Am x 1800 meters per second. -
Ap which will be greater than 450 meters per second.
As the gases expand backwards at 450 m / Sec., The resulting decrease in the volume of gas contained in the cylinder will be: (Am. 1800) - 450 m / s.
Ap
It is possible to determine from the length of the stroke the time interval occupied in evacuating the cylinder completely at this resultant exit speed, and from this time interval it is possible to determine the engine speed at which the average surface of the exhaust in question has been opened.
A calculation done in this way will give a curve such as curve 29 which gives the moment when the cylinder was left completely empty.
It can be seen that at low speeds this curve is located above curve 15 and at higher speeds it is located below this curve.
Curve 29 is subject to correction because it is
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established by assuming a constant ballistic speed of exit of the burnt gases after the critical surface has been opened and a constant speed of adiabatic expansion.
If it had been deactivated from the instantaneous values of these speeds, the curve would have had the shape of curve 30.
In this case it should be noted that at low engine speeds; that is, at 800 revolutions per minute, a greater proportion of burnt gases left the cylinder before the critical area of the exhaust port was opened than at high speeds, or 4000 revolutions per minute.
As a result, at low speeds the lower mass of the volume of flue gas filling the cylinder at the time the critical exhaust surface is opened will be less dense and contain less ballistic energy.
Its subsequent exit speed will be slower and it will travel a shorter distance from the cylinder after full evacuation.
In the limited case the gas piston will move a certain distance down the cylinder, then become stationary and stay in the cylinder. When this condition arises it will be clearly understood that the gases in the cylinder are nonetheless in a highly rarefied state and expansion immediately becomes the dominant factor resulting in filling the vacuum with rarefied gases unless the inlet is opened to it. moment.
At higher speeds the volume of burnt gases filling the cylinder when the critical exhaust surface is open is more dense and compact, the amount of ballistic energy retained in the cylinder at this time is greater and the output ballistic speed of the remaining burnt gases is higher so that the time occupied by the subsequent evacuation of the cylinder will be less.
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By way of example, the outlet velocities of the burnt gases are shown in curve 15 which may be considered in conjunction with the foregoing remarks in considering the shape of curves 29 and 30.
In addition, at various points on line 28 an indication is given of the pressure of the gases contained in the cylinder at the time when the critical surface of the exhaust has opened. This indication of pressures is intended to show that as the engine speed increases, the pressure of the gases remaining in the cylinder at the time when the critical exhaust surface is opened becomes stronger and stronger as well as been explained above.
We see that curve 30 is above curve 29 at low engine speeds and that then it falls a little below curve 29 and that from 1000 revolutions per minute to 4.800 revolutions per minute the ordinates of this curve 30 only increase by 6.
Accordingly, in such an engine, if the intake is set in time to open at 18 after opening the exhaust on line 31, over the entire range of engine speeds, this adjustment of the inlet opening will remain suitable for the introduction of fresh charge into a completely empty cylinder.
At the highest speed the opening of the inlet is very close to when the vacuum is left in the cylinder and at lower speeds there is never more than an interval of 6 between the formation of the vacuum. and the opening of admission.
This reasoning is independent of the position of the exhaust port, but such an adjustment in time will be necessary in the case of an engine in which the intake and exhaust ports are located at the same end. - mity of the cylinder, for example, an engine having said lights both controlled by the same piston.
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If the exhaust and intake ports are on opposite ends of the cylinder, then the intake can open, strictly speaking, immediately when the imaginary gas piston separates from the end of the cylinder on which the cylinder sits. intake port, so that it will be possible in such an engine to establish a fixed intake setting such that the intake opens immediately when the critical surface of the exhaust port has been opened.
In the example considered, this would take place after the opening of the exhaust. In practice, however, some latitude must be allowed and a suitable fixed intake opening setting could be established for such a 12-gauge engine for example.
In the foregoing description only brief mention has been made of the delay period which elapses before the burnt gases begin to leave the cylinder at their ballistic speed. It will be understood, however, that the magnitude of this delay is subordinate to that of the critical surface of the exhaust opening; but to make the description easier to understand, line 32 is shown in FIG. 3 to show the general situation of the delay which elapses before the burnt gases begin to move outwardly through the orifice or the exhaust duct as a consequence of their massive exit from the cylinder.
It will be understood that this massive exit occurs at the end of the delay period in question, and that thereafter if the critical surface of the exhaust port is opened in a sufficiently short period of time, the tail end of the outgoing gaseous mass separates from the end of the cylinder with which it is in contact. One can also imagine that for certain very high engine speed, the critical surface of the exhaust will be open in a short time interval such that the burnt gases
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have not yet been able to begin their massive exit from the cylinder and such a condition is shown merely by way of example by the intersection of line 32 with the critical surface line in FIG. 3 to 4500 revolutions per minute.
In the English application in 1014/36 there is described a method of constructing two-stroke internal combustion engines in which the surface of the exhaust port is a maximum, and this surface which is open before the inlet. opens is available within a minimum time interval.
Such a method gives the certainty that the engine will operate under the conditions represented by the portions G or G1 of the curves in FIGS. 2 and 3, or the R or RI portions adjacent to the G or G1 portions, but this will depend on the skill of the builder or the design engineer so that the conditions represented by portions B and B1 are obtained. The present invention gives precise instruction which, if followed, assures that the last mentioned conditions will be obtained accurately.
Further, in carrying out the present invention, it will be appreciated that it is necessary for the critical surface of the exhaust port to be open during the critical time, and this imposes the condition that the construction of the engine allows to achieve this result, and that the devices chosen are those capable of allowing these conditions to be fulfilled.
In applying the invention to a particular engine this involves radical changes in construction, including the construction of the device controlling the exhaust port and the exhaust ports themselves. for example it may be necessary to make a ring of exhaust ports all around the cylinder and this will involve the use of two exhaust ducts or
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more because there must not be surfaces which oppose the outlet of the burnt gases from the cylinder, or which tend to reflect these gases back into the cylinder.
In general, the requirements of the invention can be fulfilled regardless of whether the cylinder stroke is relatively long or short, but as an increase in the length of the stroke relative to the cross sectional area of the cylinder will increase. piston speeds, such a shape of the engine will make it easier to achieve the desired rapid openings of the exhaust ports.
In addition, the longer the stroke is relative to the injury, the lower will be the proportion of the flue gas displacement which can be discharged from the cylinder before the critical exhaust surface is opened, and consequently the greater the ease with which the imaginary gas piston can separate from the end of the cylinder at low engine speeds.
All exhaust ducts placed after the exhaust opening will exert a controlling action on the outgoing mass of the burnt gases and in the design of these ducts the instructions given in English application no. 1014/36.
Finally, it is advantageous that after opening the critical surface of the exhaust port the necessary additional surface of the orifice opens to facilitate the escape of the burnt gases from the cylinder, since in this way - as the average area of the exhaust port is increased auand the time interval occupied by the evacuation of the imaginary gas piston will be reduced.
Thanks to the invention, conditions are established which make it possible to obtain optimum torque and stability of the engine for a desired speed range and any suitable device described in prior patents can be used.
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many d, the inventor5 to allow <ÈisJott) iËxxK to obtain such a result.
The invention is particularly useful for engines of the type in which the exhaust port closes later than the intake and exhaust ports are located at the same end. cylinder and are controlled by the piston marl.
By carrying out the present invention such an engine can be established in which, as a consequence of the evacuation of the burnt gases, one is assured of a completely empty cylinder.
Then, thanks to an appropriate design of the exhaust duct it will be possible to ensure that in the vicinity of the highest working speeds or revs the return of the burnt gases is brought to coincide appreciably with the closing of the gas. 'intake and that in the interval between the closing of the intake and the closing of the exhaust and at all lower speeds that the contents of the cylinder be protected against the backflow of burnt gases which will occur. then before the intake closes, as a result cool gases which have passed through the cylinder into the exhaust system will be returned to the cylinder and may produce overcharging.
Means capable of establishing such protection against the return of the burnt gases have already been described by the present inventors in the prior patents, while in the English application no. 1014/36 the influence of the construction of the duct d The exhaust over the interval between the massive exit and the massive return of the burnt gases has been explained.
It has been said above that when numerical values are given to enable the present invention to be practiced, these values are practical values which are suitable for adoption. But in canside- o
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Considering all of these values, and the details of the curves shown in the figures, it is again pointed out that these curves do not claim to be an accurate record of all the factors that one might believe to be involved, but are practical representations. which can be used as a guide in carrying out the invention.
Having now described in detail and clarified the nature of our said invention and how it is to be performed, we declare that what we claim is:
1 CLAIMS.
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1. A method of constructing a two-stroke cycle internal combustion engine of the kind in which at least a substantial portion of the burnt gases leaves the cylinder at a much higher velocity than that which exists when it comes only to 'adiabatic flow and in such a short time interval after opening the exhaust port that this part of the gases is exhausted as a mass leaving a vacuum behind it which is used to introduce a charge fresh in the cylinder, comprising providing for the critical surface of the exhaust port to be open for the critical time, the inlet being opened after the critical surface of the exhaust port has been opened ,
and when the burnt gases have left the place where the inlet is located.