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"Nouvelle classe d'appareils à pistons libres'*
On connaît des appareils à pistons libres de types divers, appartenant, les uns à la classe des compresseurs, les autres à ,celle des générateurs. Tous ces appareils possèdent comrae éléments moteurs des cylindres à doubles pistons oppoaés, à combustion interne genre diésel, diversement agencés.
Ces appareils sont tous fondés sur le même principe : l'énergie mécanique engendrée par les éléments moteurs est transformas, pour la majeure partie en énergie cinétique pendant la première partie de chaque course, en imprimant aux masses mobiles des vitesses croissantes; cette énergie cinéti.. que est utilisée, pendant la deuxième partie de la course, pour comprimer de l'air ou des fluides quelconques en même.;temps que la vitesse des masses mobiles diminue et finit par s'annuler. Les Eusses mobiles sont ramenées à leur position initiale
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pendant la course suivante au moyen de matelas, ou de récupérateurs, ou d'autres éléments moteurs à doubles pistons convenablement disposés. Puis les mêmes opérations recommencent.
L'économie de ces machines tient essentiellement à ce que leurs oscillations sont libres et ne mettent pas en jeu le système bielle-manivelle comme agentde transmission principal.
Les appareils moteurs à combustion interne se prêtent bien à de telles applications, à cause de la facilité avec laquelle toutes les opérations concernant la distribution de ces appareils moteurs peuvent être commandées par le déplacement des doubles pistons moteurs eux-mêmes grâce à des lumières pratiquées aux endroits convenables, dans les chemises desdits appareils.
L'étude analytique générale du fonctionnement des appareils à pistons libres à laquelle se sont livrés, MM.
Ernest MERCIER et Maroel EHLINGER, leur a permis de concevoir et de réaliser des appareils à pistons libres d'un type entièrement nouveau, basés exactement sur les mêmes principes mécaniques ci-dessus rappelés, mais dans lesquels, au lieu d'être des cylindres à combustion interne, les cylindres moteurs à doubles pistons opposés utilisent comme fluide moteur, l'énergie interne de fluides qui ne sont le siège d'auaune réaction de oombustion chimique, par exemple de la vapeur d'eau, de l'air oomprimé, ou des gaz à une pression et une température appropriées.
Malgré cette différence fondamentale entre les agents moteurs, la nouvelle classe d'appareils présente des caractéristiques tout-à-fait analogues à celles des appareils à pistons libres à moteurs thermiques, en particulier en ce qui concerne les vitesses linéaires des masses mobiles, le nombre des battements, l'équilibrage des équipages mobiles, l'absence de transmis,-ion bielle-manivelle, etc...
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Il est inutile d'insister sur le fait que ces appareils nouveaux à pistons libres n'ont aucun rapport avec les machines communément appelées "petits chevaux" qui ne possèdent aucune des caractéristiques des machines à pistons libres, et qui, en particulier, n'utilisent pas l'énergie cinétique comme agent de transmission.
Il s'agit ici d'une classe entièrement nouvelle de machines qui peuvent être utilisées, d'une part pour l'obtention économique d'air ou de gaz comprimés, sans faire appel à des combustibles liquides, et d'autre part pour utiliser économiquement l'énergie potentielle de gaz comprimés quelcon- ques.
Cette nouvelle classe de machines ne permet pas, généralement, d'assurer la distribution des cylindres moteurs par le déplacement des pistons moteurs eux-mêmes, comme c'est le cas dans les appareils à combustion interne, ainsi qu'on l'a rappelé plus haut.
Il y a là une difficulté qui peut être résolue, en particulier, par l'emploi d'une commande pneumatique ou à vapeur, pour la manoeuvre de la distribution, par exemple suivant les dispositions du brevet français en date du 12 Septembre 1942, pour : "Perfectionnements aux générateurs à pistons libres", déposé par la demanderesse.
Mais ce même problème peut aussi être résolu au moyen d'une commande mécanique directe, comme il sera expliqué plus bas.
De même que les appareils à pistons libres antérieurement connus, la nouvelle classe d'appareils suivant l'invention peut comporter des agencements extrêmement variés comprenant un nombre quelconque de cylindres moteurs et de cylindres compresseurs, ces derniers pouvant, de leur côté, être montés en parallèle ou en étages.
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Ces appareils possèdent les avantages généraux des appareils à pistons à vapeur, régularité de fonctionnement, économie et sécurité. Il est, en particulier, facile de les régler de manière à maintenir presque rigoureusement constante la longueur de la course.
Dans un appareil à pistons libres à vapeur ou à gaz comprimé, les opérations successives sont les suivantes :
Les pistons moteurs étant supposés être à leur point mort central, les lumières d'échappement qui sont, normalement, comme les lumières d'admission, dans la région centrale du cylindre moteur, doivent être fermées et les lumières d'admission ouvertes : la pression d'admission s'exerce à plein sur les deux pistons moteurs et les deux masses mobiles s'éoartent avec une vitesse sans cesse accélérée. Au moment voulu, d'après la puissance demandée à l'appareil, les lumières d'admission se referment. Le fluide contenu entre les deux pistons se détend et le phénomène se poursuit.
La vitesse continue à s'accélérer jusqu'à son maximum, atteint au moment où la somme des efforts résistants agissant sur chaque mobile est égale à la somme des efforts moteurs. Dans la deuxième partie de la course, le fluide moteur continue à se détendre, la vitesse des masses mobiles--,.se ralentit et finit par s'annuler.
A la fin de la course, ou légèrement avant (avance à l'évacuation), les lumières d'évacuation s'ouvrent. Dans la course de retour (obtenue au moyen de matelas, ou de récupérateurs, ou, préférablement, de cylindres moteurs à double effet), les lumières d'échappement demeurent ouvertes et le fluide contenu entre les pistons mobiles est chassé dans la conduite d'évacuation par le mouvement des pistons. Les lumières d'échappement se ferment à un instant déterminé, avant la fin de la course de retour (période de compression); enfin, les lumières d'admission s'ouvrent, soit en bout de course, soit un instant avant (avance à l'admission).
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Les opérations se répètent ensuite de même.
Dans les machines suivent l'invention, il est aisé de réaliser des machines motrices à pistons libres, à double effet, comme il va être indique..'. Dans ces conditions, il est possible d'éviter de recourir à l'artifice onéreux de matelas ou de récupérateurs.
La sécurité de ces machines est facile à réaliser, par ce fait que si le réglage est correctement assuré, la machine n'a aucune tendance à produire spontanément des courses trop longues ou trop courtes. Si le cas survient, comme suite à une avarie de garniture ou de soupape, par exemple, une sécurité suffisante est assurée par la fermeture des soupapes d'évacuation des moteurs, avant le bout de course, comme il a été dit. Ces soupapes emprisonnent, en effet, entre les pistons moteurs, une'masse de fluide agissant comme matelas de sécurité.
Le dessin annexé montre schématiquement, à titre d'exemple purement indicatif et nullement limitatif, l'application de l'invention à une machine à pistons libres'disposée suivant les données générales du brevet français ? 855.700, à double effet, sans matelas ni récupérateurs.
La figure 1 est une vue en coupe longitudinale.
La figure 2 est une vue de bout.
La figure 3 donne le détail des éléments de suspension et de régulation.
La figure 4 donne le détail du montage de la soie de manivelle de l'arbre de la régulation.
Les figures 5 et 6 donnent le schéma de deux variantes en coupe longitudinale.
Le cylindre moteur 1 est rattaché au cylindre compresseur 2 par une entretoise non représentée sur le dessin.
Dans le cylindre moteur se déplacent les pistons moteurs 5, 4
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et 5 et dans le cylindre compresseur les pistons compresseurs 6, 7 et8.
L'une des deux masses mobiles que comporte la machine se compose des pistons moteurs 3 et 5 et du piston compresseur 7, reliés rigidement tous trois ensemble par une tige centrale telle que 9. Cette tige traverse le piston 4 par un organe d'étanchéité 10, presse-étoupes ou labyrinthe, et le piston compresseur 6 par un organe d'étanohéité 11.
La deuxième masse mobile comporte le piston moteur 4 et les pistons compresseurs 6 et 8, reliés rigidement tous ensemble par deux tiges telles que 12 et 13 qui traversent le piston moteur 3 à travers les organes d'étanchéité 14 et 15, le piston moteur 5 à travers les organes d'étanchéité 16 et 17, et le piston compresseur 7 à travers les organes d'étanohéité 18 et 19.
Le fluide moteur.pénètre dans le cylindre moteur alternativement par les lumières d'admission 20 et 20' qui sont figurées avec leurs obturateurs, ouvert pour 20 et fermé pour 20' - après action et détente, le fluide est évacué alternativement par les lumières d'évacuation 21 et 21' qui sont figurées avec leurs obturateurs, fermé pour 21 et ouvert pour 21'-
De même, l'air pénètre dans le cylindre compresseur alternativement par les lumières d'admission 22 et 22', et en sort par les lumières de refoulement 23 et 23',
Toutes ces lumières sont placées deux à deux dans les plans de symétrie entre les paires de pistons correspondantes.
Le fonctionnement se conçoit de soi-même.
Les deux masses mobiles dont les poids individuels sont égaux et qui subissent à tout instant des actions égales et de sens opposés, suivant les dispositions du brevet français précité N 855.700, sont suspendues de la manière suivante :
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La première masse mobile est suspendue à l'arbre 24 par l'intermédiaire de la tige rigide 25, de la biellette 26 et du levier 27 calé sur l'arbre 24.
La deuxième masse mobile est suspendue à l'arbre 28 par les tiges 12 et 13 prolongées, les biellettes 29 et 30, et les leviers 31 et 32 calés sur l'arbre 28.
' Cet agencement est clairement représenté par la fig. 3. On y voit que les arbres 28 et 24 sont accouplés l'un avec l'autre au moyen des deux bras 33, 34 et de la bielle 35.
Cet accouplement est nécessaire pour maintenir l'espacement correct des deux mobiles au repos; mais il n'a en acune cir- constance à transmettre aucun effort de l'un à l'autre des arbres 28 et 24.
Pour la commande de la distribution et la conduite des auxiliaires, il peut être particulièrement intéressant de transformer le mouvement alternatif des arbres 24 et 28 en un mouvement de-rotation continue. On y parvient, à titre d'exem- ple, au moyen des leviers 36 et 37, agissant par les bielles 38 et 39 respectivement sur les manivelles 40 et 41 entraînant la rotation des arbres 42 et 43, La transmission est possible à cause de la possibilité pour les machines de l'invention de fonctionner à course constante. Il faut cependant prendre une précaution particulière pour le cas où cette constance de la course fviendrait à être troublée.
Si la course est susceptible de varier, par exemple @ de - 1 cm, si les bras de levier 36 et 32 sont dans le rapport de 1 à 2, l'extrémité du levier 36 subira une variation de dé- + placement de - 0,5 cm. Pour que la transmission du mouvement à l'arbre 42 par la bielle 38 s'effectue correctement, il sera nécessaire que le bras de la manivelle 40 subisse une variation + de longueu r de - 0,25 cm.
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La figure 4 montre, à titre d'exemple, un des moyens auxquels on peut recourir pour assurer cette variation :
La soie de la manivelle 40 se termine à chacune de ses extrémités par un bloc de section rectangulaire 44.
Ce bloc peut se déplacer entre les glissières 45,46, portées par le bras de manivelle 47. Les déplacements du bloc 44 sont limités par les butoirs fixes 48, 48', d'une part, et 49,49' de l'autre. Des ressorts convenablement dimensionnés, 50, 51, par exemple en forme de rondelles Belleville, tendent à ramener le bloc 40 à sa position moyenne. Le fonctionnement est évident.
L'arbre 42 et l'arbre 43 (figure 3) portent respectivement les volants 52 et 53 dont l'action combinée avec celle de l'agencement qui vient d'être décrit assure la passage des points morts.
On voit que la machine possède une impulsion motrice et une course de compression utile par battement et qu'elle n'e besoin d'aucun organe accessoire tel que matelas, etc, pour ranener les mobiles vers leurs points morts.
L'invention est évidemment indépendante de la nature des fluides moteurs et comprimés, de leurs pressions et de leurs températures.
La figure 5 se rapporte à un mode de réalisation particulièrement intéressant de la même machine, en faisant usage d'un seul et même cylindre pour les compresseurs et pour les moteurs. Dans ces conditions, il suffit de cinq pistons pour assurer le foncitonnement de la machine qui devient sensiblement plus courte et plus simple. On a conservé sur cette figure les mêmes numéros aux pièces homologues de celles de la figure 1.
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La figure 6 se rapporte à une réalisation, qui, de Même que la précédente, a été, à titre d'exemple, tracée avec un cylindre unique pour les éléments oompresseurs et moteurs. Dans cette réalisation, le compresseur est à deux étages de pression et le moteur est à double expansion. Le fonctionnement est le suivant :
L'admission du fluide moteur s'effectue en 54 par les lumières 55+ Dans le cas de la figure, on se trouve, à la fin de la détente, dans le cylindre haute pression 56.
Dans la course suivante, le fluide ayant subi une première détente en 56, va passer dans les cylindres basse pression 57 et 58, par le réservoir intermédiaire 59. Le fluide subi-. ra une deuxième détente dans ces cylindres et sera ensuite évacué par les lumières 60 et 61. Le coefficient de détente dans les cylindres B.P. peut être, à titre d'exemple, déterminé par la fermeture anticipée plus ou moins avancée des lumières d'échappement du cylindre H.P.
Du côté compresseur, les cylindres basse pression 62 et 63 viennent d'achever leur course d'aspiration. Les lumières d'aspiration 64 et 65 sont donc fermées. Le cylindre haute pression 66 a refoulé le fluide comprimé par la conduite de refoulement 67. Les lumières de refoulement 68 sont donc fermées. Dans la course suivante, les cylindres compresseurs basse pression 62 et 60 refouleront le fluide comprimé dans le cylindre 66. Les lumières 69 et 70 d'une part, et 71 de l'autre s' ouvriront à un moment qui sera déterminé par la fin de la détente de l'air comprimé dans lt espace nuisible de 66.
C'est la valeur de cet espace nuisible qui fixe le taux de compression dans les cylindres compresseurs basse pression.