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machine a pistons libres, à masses oscillant, librement, en sens contraires.
Les machines à pistons libres, à masses oscillant librement en sens contraires, pourvues d'une partie motrice fonctionnant suivant le procédé à deux temps, à auto-allumage (cycle Diesel), ont en général une grande longueur, parce que celle-ci, pour une disposition et une forme données des diffé- rentes pièces de la machine, est toujours un multiple déterminé de la course- des pistons moteurs et que la longueur de cette course (par rapport au diamètre du cylindre du moteur) doit être choisie amplement suffisante si l'on veut que dans la partie @
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motrice régnent des conditions favorables au fonctionnement (par exemple en ce qui concerne le balayage, la distribution du combustible et la c ombustion) . En outre,
unelongue course des masses librement oscillantes a comme conséquence un petit nombre de courses par unité de temps etpar conséquent une li- mite de puissance d'autant plus basse,
Comme la longueur de la cuurse dans les machines à pistons libres n'est pas déterminée nettement et qu'elle est soumise à certaines modifications, elle sera remplacée dans ce qui suit par une grandeur invariable et facile à déterminer, a savoir la distance entre les surfaces frontales des pistons de moteurs au moment précis où le piston de commande/la sortie des gaz d'échappement ouvre ou ferme les canaux d'échappement prévus dans la paroi du cylindre.
cette distance sera appelée dans ce qui suit "longueur de la cylindrée utile", parce qu'elle prepré- sente la longueur de l'espace contenant la charge qui arrive à être comprimé et contenant donc la cylindrée du moteur qui duit être utilisée. un connaît bien, dans la littérature, des machines à pistons libres telles que celles du type indiqué plus haut et dans lesquelles le rapport longueur de la cylindrée utile : diamètre du cylindre du moteur(n:d), est relativement petit et descend jusqu' à n :
d = 1,2 environ, mais dans la pratique on n'est pas descendu,en général, au-dessous de la valeur 2,8 parce qu'autrement les conditions de fonctionnement ddns la partie mo- trice deviennent trop défavorables, un a constate par exemple que, lorsqu' un diminue le rapport n :d, le balayage devient incomplet, car des gaz de combustion restent dans le cylindre du moteur, de sorte qu'une quantité d'autant plus petite de com- bustible peut être brûlee et que, par conséquent, la puissance développée par unité de cylindrée diminue.
En outre, comme dans une machine à course réduite, se trouvant au point mort lnte- rieur des pistons du moteur, la distance entre les fonds des pistons est moins grande que dans une machine à course longue'
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de même cylindrée utile, une plus grande partie du combustible à injecter atteint les fonds des pistons, dans le cas de la première machine, ce qui l'empêche de brûler, pour ce motif, on était forcé, par des considérations de fonctionnement; d'ap- pliquer un rapport n :
d élevé et d'accepter par suite la cons- truction longue résultante et le nombre de tours relativement faible par unité de temps de ces machines. un a, il est vrai proposé déjà, afin de réduire la longueur- de la cylindrée utile et par suite toute la longueur de la construction, d'exécuter la chambre de travail du moteur, non pas sous la forme d'un cylindre normal, mais sous celle d'un anneau.
Toutefois, dans la pratique, cette construction n'a pas été adoptée jusqu'à présent, surtout parce que l'exécution- d'une partie motrice à chambre de travail annulaire utilisable dans la pratique est sensiblement plus cempliquée et plus dif- ficile que celle d'une partie motrice à chambre de travail pos- sédant la forme d'un cylindre normal ; en outre, d'autres in- convénients consistent en ce que, dans le cas d'une chambre de travail annulaire, il est plus difficile d'amener l'air de com- bustion en contact intime avec le combustible à injecter et en ce que la surface, par laquelle se dissipé la chaleur, de la chambre de combustion est beaucoup plus grande que dans le cas de la chambre de travail possédant la forme d'un cylindre normal.
L' invention a pour but la création d'une machine à pistons libres, à. masses oscillant librement en sens contrai- res, qui possède une course de faible longueur et une simple chambre de travail cylindrique normale pour la partie m.otrice, mais qui présente des conditions de fonctionnement favorables analogues à celles des machines à course longue.
L'invention repose sur la constatation que les in- convénients de fonctionnement qui se sont manifestés jusqu'à pré- sent dans les machines à pistons libres, à course courte, tra- vaillant à l'allumage par compression et comprenant une chambre @
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de travail cylindrique normale, résultent essentiellement de ce que le fait d'avoir une course courte a pour conséquence une plus mauvaise utilisation, pour la combustion du carburant, de l'air (ou de l'oxygène qu'il cuntient) introduit, pendant l'opération du balayage, dans la chambre de travail du moteur.
cette utilisation moins bonne se manifeste, non seulement par une moins grande efficacité du balayage, une quantité relative- ment considérable de gaz de combustion et par conséquent moins d'air restant dans la chambre de travail du moteur, mais aussi par l'augmentation de l'excès d'air de c ombustion, une grande partie de l'air resté dans la chambre de travail du moteur ne participant pas au phénomène de la combustion, un connait et on a proposé des moyens appropriés p our améliorer l'utilisation, pour la combustion du carburant, de l'air introduit pendant le balayage dans la chambre de travail du moteur. (;
'est ainsi qu'on sait par exemple qu'on peut améliorer le balayage dans les mo- teurs a manivelle en disposant les canaux de balayage prévus dans la paroi du cylindre du moteur, de manière que les jets d'air de balayage qui passent par ces canaux se dirigent dans des sens différents, de sorte qu'une partie de ces jets se di- rige par exemple dans le sens radial, de façon que ces jets se rencontrent au voisinage de l'axe du cylindre et qu'alors, réunis au milieu du cylindre, ils s'écoulent plus loin et ba- layent par conséquent le noyau de gaz de combustion, tandis que les autres jets d'air de balayage se déplacent dans un sens plus tangentiel et éventuellement p lus ou moins incliné par rapport à l'axe du cylindre et engendrent par conséquent un tourbillon hélicoïdal qui entoure le courant formant le noyau.par ce genre de balayage,
contrairement à ce qui a lieu pour le balaya- ge purement en forme de tourbillon qui conduit, suivant l' exp é - rience, à un mauvais balayage du noyau, dans les machines à course courte, on réalise donc, même pour ces machines à course courte, un balayage complet des gaz de combustion ; on conserve
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en même temps l'avantage du balayage purement en tourbillon, à savoir la production d'un mouvement de circulation de l'air qui se maintient encore même pendant la compression et pendant l'injection du combustible et qui favorise la rencontre de cet air avec le combustible injecté.
Dans le cas des machines à pistons libres, compor- tant une partie motrice qui travaille en deux temps et avec l'allumage par compression, en a proposé d'amener à la chambre que de travail du moteur, avant/la température auto-allumage soit atteinte, au moins une partie importante du combustible qui doit être introduit dans la chambre de travail à chaque cycle du travail, afin que, jusqu'au moment où cet auto-allumage a lieu, un mélange d'air et de combustible non brûlé soit comprimé. il en résulte qu'on dispose, pour amener l'air en contact avec . le combustible, d'un temps plus long que dans le cas de l'in- nection usuelle qui n'a lieu que lorsque la température d'auto- allumage est atteinte ;
de plus, le danger qu'une grande partie du combustible à injecter atteigne le fond des pistons est écarté, parce que cas fonds sont encore fortement éloignés l'un de l'autre au commencement de l'injection, un peut même encore exécuter l'amenée du combustible de manière que le nuage, formé par le combustible finement divisé qui est injecté, s'étende dans la direction de 2:
'axe du cylindre, des deux cotés, d'une manière appréciable au-delà de l'espace mort et que, pour au- tant que possible, tout l'air de combustion soit déjà mis en contact intime avec le combustible de bonne heure (dès le com- mencement de la compression). ces mesures permettent donc de réduire l'exès de l'air de combustion nécessaire pour réaliser une combustion complète, c'est à dire de brûler complètement dans la même charge d'air plus de combustible que jusqu'à présent et d'augmenter ainsi la puissance de la machine.
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De plus, l'introduction du combustible dans la charge d'air, à la façon connue, en plusieurs endroits répartis dans la chambre de combustion favorise la diminution de l'excès d'air de combustion. conformément à l'invention, on propose donc d'exécuter à la façon connue la partie motrice d'une machine à pistons libres, à deux temps, travaillant à auto-allumage (cycle Diesel) et comportant la chambrede travail cylindrique de forme nor- male usuelle de manière que sa course soit courte, c'est à dire que le rapport longueur de la cylindrée utile :
diamètre soit à peu près égal ou inférieur à 2 et de prévoir en même temps des moyens, tels que ceux précités, qui augmentent l'utilisa- tion, pour la combustion du carburant, de l'air introduit pen- dant le balayage dans la chambre de travail du moteur. ces moyens peuvent être appliqués séparément ou combinés entre eux.
La partie motrice de la machine à pistons libres, ob jet de l'invention,fonctionne donc dans les mêmes conditions favorables qu'une machine à course longue. par rapport à cette dernière, elle présente les avantages d'une construction moins allongée et d'une augmentation de puissance due au nombre de courses plus élevé.
Les dessins annexés représentent à titre d'exemples quel- ques modes d'exécution de l'objet de l'invention.
La figure 1 de ces dessins est une coupe médiane longi- tudinale d'une machine a pistons libres. Les masses oscillant librement en sens contraires de la machine se trouvent dans la position où le piston moteur qui commande les canaux d'échappe- ment ouvre ou ferme précisément ces cana d'échappement prévus dans la paroi cylindrique du moteur.
Les figures 2 et ::3 sont des coupes transversales, à travers les canaux d'admission du gaz frais, suivant les figures II-II et III-III respectivement de la figure 1.
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La figure 4 montre en élévation latérale les masses librement oscillantes de la machine et leur mécanisme d'accou- plement dans la même position que sur la figure 1 ; ellemontre en outre la pompe à combustible, vue en coupe, et sa commande.
La figure 5 montre en coupe longitudinale la partie motrice de la machine pendant le mouvement des pistons moteurs vers l'intérieur.
La figure 6 montre une coupe transversale à travers l'espace mort suivant la ligne VI-VI de la figure 5.
La figure 7 montre la même coupe dans laquelle on a disposé plusieurs tuyères d'injection.
La machine suivant les figures 1 à 3 comporte un cylindre moteur 1 et des cylindres compresseurs 2,3 qui sont adaptés à l'extrémité de ce cylindre moteur. Dans le cylindre moteur 1, fonctionnent les pistons moteurs 4,5 et, dans les cy- lindres compresseurs, les pistons compresseurs 6 ,7.
Ces derniers divisent chacun des cylindres compresseurs 2,3 en daux chambres, à savoir en des chambres de compression 8,9 se trouvant à l'ex- térieur et en des chambres 10, 11 qui sont dirigées vers le cylindre moteur 1 et qui font, dans le présent mode d'exécution, office de chambres de la pompe de balayage, Les. chambres de compression 8,9 sont pourvues de soupapes d'aspiration 12 et de soupapes de refoulement 13; ces dernières se trouvent dans des chambres auxquelles sont raccordé;s les tuyaux de refoulement 14 qui évacuent le gaz comprimé.
Les chambres 10, 11 de la pompe de balayage présentent des soupapes d'aspiration 15 et des s oupa- pes de refoulement 16. Ces dernières laissent l'air de balayage refoulé passer dans un collecteur 17 d'air de balayage, ce col- lecteur entourant le cylindre moteur. Dans la paroi du. cylindre moteur 1, on a préu, d' un des côtés, dans le voisinage d'une des extrémités de la chambre de travail, des canaux de balayage 21,22 qui sont disposés en deux rangées périphériques se suivant dans le sens axial, et qui communiquent directement avec la cham-
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bre collectrice 17.
De l'autre côté, dans le voisinage de l'au- tre extrémité de la chambre de travail, on a prévu, dans la paroi du cylindre, les canaux d'échappement 23 qui débouchent dans une chambre collectrice 24, à laquelle est relié le tuyau d'échappement 25. un amène au cylindre du moteur du combustible liquide au moyen d'une tuyère d'injection 26 qui est disposée à hauteur de l'espace mort et à laquelle le combustible liquide est amené sous haute pression, par une pompe d' injection, au moyen du tuyau de refoulement 27 Les masses librement oscillan- tes , constituées par les pistons et 6 d'une part et 5 et 7 d'autre part-, sont reliées par un mécanisme d'accouplement (représenté en pointillé sur la figure 1) de telle manière qu'el- les exécutent toujours des mouvements correspondants, mais de sens contraires.
A cet effet, on a relié à chaque masse librement oscillante une crémaillère, 31 et 32 respectivement, qui engrène, en des points diamétralement opposés, avec un pignon 33 fixé a demeure, mais de façon a pouvoir tourner, sur le cylindre du loteur. Dans le mode d'exécution représenté, les dimensions de la machine sont choisies de manière que, lorsque les pistons se trouvent dans la position qui est dessinée et dans laquelle le piston moteur 5, qui commande l'échappement, ouvre ou ferme précisément les canaux d'échappement 23, la distance n entre les surfaces frontales 35,36 des pistons (la longueur de la cy- lindrée utile) soit deux fois aussi grande que le diamètre a du cylindre du moteur et que, par conséquent, soit réalisé le rapport n :
d = 2. niais pour pouvoir réaliser une utilisation aussi complète que possible de l'air de combustion introduit dans le cylindre moteur lors du balayage, et cela malgré ce rapport exceptionnellement faible qui, dans la construction usuelle de la partie motrice, est défavorable à l'auto-allumage, on a donné une forme parti- culière aux canaux d'admission de gaz frais. comme on l'a dit déjà, on a prévu deux rangées périphériques de ces canaux de balayage disposéesl'une derrière l'autre dans le sens axial. Les
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canaux 21 de la rangée périphérique la plus éloignée de la cham- bre de combustion sont construits de façon que les jets d'air, qui en sortent pendant le balayage, soient dirigés par exemple radialement et perpendiculairement à l'axe du cylindre.
Ces jets d'air, désignés par les flèches a, se rencontrent au milieu du cylindre et sont déviés ensuite, dans la direction de l'axe du cylindre, vers la chambre de combustion, de façon qu'ils parcou- rent principalement la partie médiane du cylindre et refoulent par conséquent le noyau de gaz de combustion vers l'extérieur.
Les canaux 22 de l'autre rangée de canaux périphérique plus proche de la chambre de combustion sont construits de façon que les jets d'air qui en sortent, soient dirigés dans un sens ,plus tangentiel, comme le montre la figure 3; en outre, ces canaux sont inclinés par rapport à l'axe du cylindre, de façon que ces jets d'air soient en même temps dirigés obliquement vers la cham- bre de combustion suivant les flèches b et c de la figure 1.
.L'obliquité est plus ou m oins grande pour les différents canaux ; on peut par exemple faire alterner des canaux à faible obliquité, suivant la flèche b, avec des canaux à plus forte obliquité, sui- vant la flèche c.. Il peut aussi y avoir plus de deux inclinai- sons différentes pour les canaux. il convient alors de répartir uniformément sur le pourtour ceux qui possèdent la même obliquité.
En outre, on peut prévoir, à la façon connue, plusieurs rangées périphériques de canaux donnant des jets d'air qui s'écartent de la direction radiale et qui se dirigent obliquement vers la chambre de combustion, de manière que cet écart de la direction radiale et l'obliquité deviennent d'autant plus fortes que la rangée périphérique en question est plus proche de la chambre de combustion.
L'air entrant par la ou les rangées péripéhriques parcourt le cylindre, comme le montrent les fléchas prolongées b et c, dans un sens hélicoïdal et engendre ainsi, même )après la fermeture des canaux d'admission par le piston moteur, un fort
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tourbillon d'air persistant favorable à l'amenée de l'air en contact avec le combustible qui doit être introduit dans la chambre de combustion. par la combinaison de ce balayage par l'air formant un tourbillon et du balayage du noyau, on obtient, malgré le rapport défavorable n :
d,un balayage très complet des gaz de combustion du cylindre moteur et par conséquent le remplissage de ce cylindre par de l'air p ur, de sorte que du combustible peut être brûlé en quantité plus grande qu'avec la forme usuelle des canaux de balayage, qui donne, pour ce faible rapport n : un balayage incomplet, notamment parce que le noyau de gaz de combustion n'est chassé qu'incomplètement.
Grâce à la combinaison, conforme à l'invention, du faible rap- port n : davec le dispositif de balayage, qui produit un tour- billon d'air et qui assure en même temps le balayage du noyau de gaz de combustion, la machine à pistons libres, à courte cour- se, acquiert ainsi, en ce qui concerne le balayage, un rendement aussi grand que celui qui était réservé jusqu'à présent aux machines à longue course.
La figure 4 représente un dispositif d'amenée de com- bustible qui permet d'introduire dans le cylindre moteur, avant que la charge de cylindre ait atteint la température d'auto- allumage du combustible, au moins une partie importante du com- bustible qui doit être amené à brûler à chaque course motrice.
La pompe 40, qui refoule le combustible liquide a la tuyère d'injection 26, est commandée, à la façon connue, par une rampe 41 reliée rigidement à une des crémaillères (par exemple la cré- maillère 31) du mécanisme d'accouplement 31 à 33. Alors que,dans la construction usuelle, cette rampe a une forme telle qu'elle ne commande le piston de pompe 42 dans la course de refoulement que lorsque les pistons moteurs 3,4, s'approchent de leur point mort intérieur et que, par conséquent, la charge d'air emprison- née entre ces pistons a déjà atteint la température d'auto-allu- @
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mage du combustible, dans le cas présent, la rampe reçoit une forme telle qu'à pleine charge de la machine, la course de refoulement du piston de pompe 42 intervient déjà de bonne heure,
par exemple dès la fermeture des canaux d'échappement 23 par le piston moteur 4. A cet effet, on a donné à la pente 43 de la rampe 41, sur laquelle roule le galet 44 du levier oscillant 45 commandant le piston de pompe 42, une forme telle que, dans la position précitée du piston, elle commenceprécisément à sou- lever le piston de la pompe. L'inclinaison de la pente 43 est faible, de sorte que l'injection s'étend sur unep artie impor- tante de la course des pistons vers l'intérieur.
L'allumage du combustible injecté n'a lieu qu'après que la température d'auto-allumage est atteinte. ce mode d'amenée du combustible, qui serait inadmissible dans les machines à manivelle, en rai- son des augmentations extraordinairement élevées de la pression qui se manifestent dans ces machines, peut être appliqué aans crainte dans les machines à pistons libres travaillant avec des masses librement oscillantes, parce que l'énérgie engendrée par la compression de la charge du cylindre moteur est limitée en grandeur, de sorte que, lorsque la résistance (provoquée par l'augmentation de pression se produisant lors de la com- bustion du combustible injecté) croît rapidement,
cette énergie est d'autre part rapidement consommée parce que les masses li- brement oscillantes renversent rapidement le sens de leur dé- placement sous cette pression croissante, d'où il résulte aussi que la pression descend rapidement et que des accroissements excessifs de pression ne peuvent pas se produire.
Par contre, on bénéficie de l'avantage que, pour l'amenée de l'air de com- bustion en contact avec le combustible, on dispose maintenant de beaucoup plus de temps que dans l'introduction usuelle du combustible qui n'a lieu qu'après que la température d'auto- allumage a été atteinte et de l'avantage que, par conséquent,
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la combustion devient beaucoup plus complète ou, en d'autres termes, qu'on peut brûler complètement plus de combustible que jusqu'à présent avec la même charge d'air. .remploi de ce mode d'injection contribue, pour ce motif, à augmenter en sensiblement,/vue de la combustion, l'utilisation de la charge d'air, utilisation qui autrement était mauvaise dans les ma- chines à pistons libres, à courte course.
ll est particulièrement avantageux de combiner ce mode d'injection du combustible avec le mode de balayage dé- crit plus haut (balayage simultané par formation d'un tour- billon et balayage du noyau).
Le mode particulier précité d'amenée du combus- tible permet encore une autre amélioration, en ce qui concerne l'amenée de l'air de combustion en contact avec le combustible introduit à l'état finement pulvérisé dans la chambre de com- bustion. En fait, les surfaces frontales 35,36 des pistons mo- teurs 4,5 se trouvent encore à une distance relativement grande l'une de l'autre au commencement de l'introduction du combustible.
c'est ppurquoi, sans devoir craindre qu'une grande partie du combustible vienne en contact avec les fonds des pistons lors de l'injection et ne brale alors tout au plus qu'incomplètement, on peut introduire le combustible dans la chambre de combustion-, de façon que le nuage de combustible formé destines gouttelettes de combustible s'étende, dans le sens de l'axe du cylindre, de chaque côté audélà de l'espace mort. De ce fait, l'espace qui est rempli d'air enfermé entre les fonds des pistons et qui, au commencement de l'injection, est encore grand, est bien imprégné de combustible et l'air de combustion lui-même est donc amené d'une façon très parfaite en contact avec le combustible, même lorsque le balayage en tourbillon usuel n'est pas appliqué.
Les figures 5 et 6 montrent une machine pourvue d'une telle injection de combustible. Dans ce mode d'exécution* le
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combustible est amené en éventail dans la chambre de travail du moteur au moyen de la tuyère 26, de manière que le plan de cet éventail s'étende dans la direction de l'axe du cylindre moteur et que cet éventail parvienne des deux côtés bien au- delà du point mort intérieur, indiqué pa r les lignes en poin- tillé ti, des surfaces frontales 35,36, des pistons, c'est à dire au délà des limites de l'espace mort, sans qu'il en ré- sulte le danger que de grandes quantités de combustible ne restent adhérer aux fonds des pistons.
il convient en outre, tant dans un type usuel que dans ce genre particulier d'amenée de combustible, de prévoir plusieurs points d'amenée répartis sur la chambre de combustion.
La figure 7 en montre un exemple présentant trois tuyères d' injection 27 réparties à distances égales sur le pourtour. del'espace mort; un peut alors donner aux jets ou éventails de combustible une direction s'écartant du sens radial , c'est à dire une direction plus tangentielle de façon qu'ils aient aussi peu d' influence que possible les uns sur les autres et afin de faire pénétrer d'une façon aussi uniforme que possible le combustible dans la charge d'air.