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" Moteur à combustion interne comportant un compresseur de balayage et éventuellement de suralimentation commandé par
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une turbine à gaz d'échappement."
La présente invention est(.relative aux installations constituées par un moteur à combustion interne, une turbine entraînée par les gaz d'échappement du moteur et un compresseur, entraîné par la turbine et comprimant l'air de balayage et, le cas échéant, l'air de suralimentation, la turbine comportant des tuyauteries d'alimentation, d'une part pour des gaz d'échappement à une pression supérieure à la pression de fin de course régnant dans le moteur et, d'autre part, pour des gaz d'échappement à plus faible pression, ces derniers'étant amenés à un autre étage de pression de la turbine que les gaz se trouvant sous pression relativement élevée.
Il y a lieu, pour diverses raisons,'de préférer de tels groupes compresseurs entraînés par un.e turbine à gaz d'échappement aux compresseurs qui sont entraînés directement par le moteur. Mais on n'a pas pu réussir jusqu'ici à réaliser une' installation travaillant avec un turbo-compresseur dans laquelle les gaz d'échappement du moteur à combustion interne puissent être utilisés de façon à obtenir à la sortie du turbo-compresseur une quantité suffi-
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samment grande d'air de balayage s.
la pression nécessaire et en outre, le cas échéant, d'air de suralimentation, sans qu'une quantité-considérable d'énergie soit soustraite au moteur à combustion interne en vue d'entraîner la turbine et sans que l'on éprouve des difficultés à faire fonctionner la turbine lorsdu démarrage du moteur, ainsi qu'en marche à vide et aux faibles charges.
La présente invention, qui permet d'atteindre l'utili- sation optimum de l'énergie des gaz d'échappement et les conditions de travail optima pour la turbine, est essentiellement caractérisée par la combinaison d'un organe commandé impérati-
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vemen.t pour le réglage de l'amenée de gaz dans l'étage h, ut" pression de la turbine à gaz d'échappement avec des dispositifs servant à mettre la conduite de gaz menant l'étage basse pression de la turbine en communication avec l'atmosphère.
Le dessin annexé représente deux exemples de réalisa- tion d'installations conformes à l'invention. Dans ce dessin: fig. 1 représente; partiellement en coupe, une telle
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1.115 ta¯ 3.tion; ±1.¯1, 3 est un diagramme pression'-volume de cette installe<.ti<Jn; fie. 3 représente, de façon analogue 8. la fig. l; un ,¯':CL,11C1¯ c g ;<g,i p 1 6.'8 réalisation d'une installation conforme 1: 1'invention.
Dans ces figures, 1 désigne un cylindre, d'un moteur à
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combustion interne à deux temps à balayage a simple direction. L'air de balayage et, le cas -Sch8é:nt, l'air de suralimentation sont refoulés dans le cylindre par un turb0-cmmpreSSCl1r i.:, qui est entraîné par une turbine à gaz d'échappement 3. Le piston du moteur est désigné par 4. L'air de balayage est amené du.
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compresseur par une conduite 5 et introduit ', l'extrémité 11f(:rieure du cylindre par des lumières de balayage 6 disposée;-. darc i¯i¯ paroi d¯u cylindre et contrôlées par le piston 4 du mo- teur.
Le cylindre comporte à son extrémité supérieure un orifice d'échappement 7, qui est contrôlé par une soupape d'échappe- ment 8, dont la tige 9 est commandée par une came 12 montée sur
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1Hl arbre de distribution 13, a l'aide d'un culbuteur 10 et d'un poussoir 1".
LM ga d'échappement o11as8 és \ travers la .. o:.; 3 c,. ;¯> 3 S"Ml: conduits par un tuyau ,:;:, dans 1t, ;3t,-'-±8.:'1 .Qi hi;#F1.à pr',.s;:ic1 de 1.?. turbine 32Z d'échappement 3. fin C!:wt:;'S (11 l'orifice d'échappement 7 contrôlé pa':-'- la soupape 8 prévu pour les ga'z d'échappement, le cylindre du :.<;r<-
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teur comporte aussi des orifices 16 d'échappement des gaz, dispo- sés au-dessus des lumières de balayage 6. Par suite, des gaz d'échappement dont la pression est supérieure à la pression de fin de course régnant dans le cylindre s'échappent par les ori- fices 16. Ces derniers sont reliés, par un canal 17, à une con- duite 18 menant dans un étage à haute pression de la turbine 3.
L'admission dans la conduite 18 est contrôlée par une soupape
19, commandée par une came 22 disposée sur l'arbre de distribu- tion 13, au moyen du poussoir 20 et du culbuteur 21.
'Dans des moteurs poly-cylindriques, la turbine et le compresseur sont communs à tous les cylindres.' Les tuyaux col- lecteurs prévus pour les gaz d'échappement incomplètement déten- dus des cylindres servent alors de .réservoirs' intermédiaires pour la turbine.
Les tuyaux à gaz 18 et 23 comportent des admissions séparées dans la turbine 3 et sont reliés à divers étages de pression de cette dernière. Les divers agents moteurs sont ame- nés à des couronnes d'aubes correspondantes de la turbine et, en ce faisant, il est avantageux de disposer essentiellement des aubes à action pour l'agent à pression supérieure et essen- tiellement des aubes à réaction pour l'agent à pression infé- rieure. Les aubes à action prévues pour l'agent à haute pres- sion sont avantageusement animées d'une plus grande vitesse de rotation que les aubes à réaction prévues pour l'agent à basse pression. Les aubes à action prévues pour l'agent, à haute pression peuvent être disposées sur le même rotor que les au- bes à réaction prévues pour l'agent'à basse pression, radiale- ment à l'extérieur de ces dernières.
Ces disposition et consti- tution des couronnes d'aubes sont avantageuses d'une part à cause des vitesses relatives des divers agents gazeux et, d'au- tre part, en considération du fait que la chute de pression des gaz à basse pression varie dans une mesure relativement forte avec la charge du moteur. Or, pour de telles variations, une turbine à réaction est beaucoup moins sensible qu'une turbi. ne à action. En considération des pertes par fuites et du ren- dement de la turbine à action, il est toutefois avantageux'de faire également travailler la turbine à action avec une faible surpression.
Afin de faciliter ou, tout bonnement, de permettre le démarrage du moteur à combustion interne et d'améliorer la marche du moteur sous faible charge, on prévoit des disposi- tifs permettant de conduire au besoin les gaz d'échappement sous faible pression à l'atmosphère, sans qu'ils aient besoin de passer à travers la turbine .
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D ia ; i l'exemple de :#: :..' .µ .J .l . i¯ ,5 r., .t. J- < ;: :;: e ;,, ;a <E ;#; <;' ; 1.t .1: , :i tuyau 15 5 .=, s 1 1¯ v 1 sant l'atmosphère est raccordé la conduite 23 d'échappement des .gaz. Pour le réglage du. passage des Gaz: en dispose 11i': clapet d'inversion 24 qui peut être manoeuvré soit à la main, soit, comme dans l'exemple de réalisation représenté; par la pi:';s<.>i.c;a régnant dans la conduite 18. En effet, un conduit 25 est raccordé à la conduite 1.5 et débouche dans un cylindre 26, dans lequel les gaz d'échappement à pression supérieure agissent sur un piston 27.
Un ressort 28 agit sur l'autre face du piston, en s'opposant à l'action de la pression des gaz d'échappement. Le
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piston est relie mécaniquement a.: clapet d'inversion 24- g>;.,r une tige 29 et par les bras 30 et 31.
Lorsque la pression, rég'.'.ar.t da.n.s la conduite 18 est suffisamment élevée, la pression ."'er' g;=,z fl¯'iµc:,i.;;iJç;c:i;ie;;.i amenés par le conduit 25 au cylindre 26 peut naintenir le piston dans la position représentée la ìi:. l, 1< cinpct J'inversion 21 maintenant fermée lc; c:om<,i:.i..:;i,c;ml;F,on avec le tuyau 15 et avec l'atmosphère et 1.#;s gan d'éohappem;ent sortant du cylindre pouvant passer librement dans.la turbine 1\':i;:
, au démarrage et aux faibles charges du moteur à combustion interne, la pression régnant dans la conduite 18 baisse, de sorte que le ressort 28 peut repousser le piston 27 vers le bas, le clapet d'inversion étant ainsi amené dans la position indiquée en traits interrompus, pour laquelle l'amenée la turbine 3 est coupée et les gaz d'échappement s'écoulent dans l'atmosphère par le tuyau 15, par exemple à travers un silencieux.
Une autre façon avantageuse de réaliser la commande de
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la alise en communication de la conduite de gaz 23 avec l'atmos- phère consiste à relier la chambre d'admission des gaz à basse pression dans la turbine ou la. partie de la conduite (le gaz 23 placée immédiatement avant la turbine, avec le tuyau d'échappe- ment de cette dernière et monter, dans cette communication,
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une soupape pouvant être io;:v>an;à fi.9 ii. lo. main ou en fonction de la pression régnant dans la conduite des ga à haute pression.
Le mode de fonctionnement ôiz: l'installation e:>iJ. F.:.::i.K: la fig. est représenté dans le diagramme p:<?es5sS.on.-":io3.;ar:.. ce jj=. fie. 2, dont Xa partie supérieure est supprimée. Dan:." la :5 .
2, l'aire A se rapporte au moteur à combustion interne, l'aire.
B ii la turbine à haute pression, l'aire C au compresseur et l'aire D la tu'-'bine à basse pression. S désigne la source du a= 1 j=..i=. c. =j , tandis que le? chiffres 1 1;. 1,0 indiquent la pression en "'g/cm2. pendant le mouvemc-nt de descente du piston; la soupape 19 s'ouvre d'abord compictcme]:;''.'.: avant que le piston ait "> "' t5 .? o t: -
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vert les orifices 16. Lorsque ces orifices sont découverts, les gaz d'échappement à haute pression sont conduits à la turbine. La soupape 8 commence alors son mouvement d'ouverture, avant que le piston commence à découvrir les lumières de balayage 6. La soupape 19 prévue pour les gaz d'échappement à pression supérieure se ferme en même temps que ou peu après le commencement de l'ouverture de la soupape 8.
Lorsque la charge est suffisamment forte, les gaz d'échappement sont soutirés, pour le gaz à pression supérieure, par exemple à une pression d'environ 2,75 kg/cm2 abs, et pour les.gaz à basse pression, à une pression d'environ 1,6 kg/cm2 abs., comme indiqué à la fig.2. En vue de la bonne utilisation de l'énergie contenue dans les gaz d'échappement, il est avantageux de maintenir le rapport entre les pressions des gaz à haute pression et des gaz à basse pression à environ 1,4 à 2,1, par exemple à 1,75, conformément aux indications ci-dessus. L'air de balayage et de suralimentation est comprimé à une pression d'environ 2 kg/cm2 abs.
Etant donné que les gaz d'échappement à moindre pression peuvent sortir librement par le tuyau 15 lorsqu'une faible charge est appliquée au moteur et qu'aucune suralimentation n'est nécessaire, on obtient dans le cylindre une plus faible pression de combustion et, par suite, le moteur à combustion interne n'est pas soumis à des efforts plus, élevés qu' il n'est nécessaire. Sous faible charge ou en marche à vide, à défaut d'une communication avec l'atmosphère, les gaz à basse pression provoqueraient dans la turbine une contre-pression qui produirait un effet de freinage. Le dispositif conforme à l'invention se distingue par conséquent par l'utilisation optimum de l'énergie des gaz d'échappement, ce qui crée des conditions de travail particulièrement favorables pour la turbine .
La disposition de la fig. 1 en ce qui concerne les orifices 16 et le canal 17 qui y est relié ne représente qu'un exemple de réalisation. A sa place, on peut, par exemple, disposer dans des cylindres à balayage à simple direction, deux soupapes à gaz d'échappement dans la partie supérieure du cylindre, l'une d'elles étant contrôlée de façon à s'ouvrir plus tôt que l'autre et à amener des gaz d'échappement sous pression supérieure à la turbine, tandis que des gaz d'échappement de pression inférieure sont amenés par l'autre soupape qui s'ou- vre plus tard.
la soupape mentionnée en premier lieu se ferme immédiatement après quela soupape mentionnée en dernier commence à s'ouvrir et le balayage est effectué à traversla seconde soupape.
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1.'. soupape et les lumières prévues pour le gaz à haute pression peuvent être disposées sur le côté opposé du cylindre, toutes à l'extrémité inférieure de ce dernier. La soupape prévue pour le
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Gaz 8. haute pression peut naturellement aussi être ët.spos "e ,31; un autre endroit, par exemple dans la culasse du cylindre.
Dans un moteur à combustion interne réversible, il faut observer que les pièces qui ouvrent et ferment la soupape prévue pour le gaz à haute pression doivent être réglées lors du l'on- versement de marche du moteur de façon que la soupape ouvre et ferme l'échappement pour les gaz avant que le piston ait atteint le point mort pendant la course de détente, ce qui s'applique aussi bien à la marche avant qu'à la marche arrière,
La prise des gaz d'échappement à pression supérieure peut se faire,
comme il est indiqué ci-dessus, soit par des lumières à gaz d'échappement contrôlées par le piston en commun avec une ou plusieurs soupapes commandées impérativement, soit par un orifice d'échappement unique contrôlé à l'aide d'une telle soupape. Il est essentiel que la soupape soit disposée de façon qu'elle s'ouvre à la fin de la course de détente, mais avant que les orifices d'échappement usuels soient ouverts, puis qu'elle soit fermée simultanément à l'ouverture des orifi- ces d'échappement usuels ou peu après.
La fermeture doit donc se faire avant que le piston atteigne son point mort bas. L'ou- verture des orifices d'échappement usuelspeut par contre se faire plus tard qu'il est usuel, car une partie des gaza déjà quitté le cylindrepar l'échappement prévu pour les gaz à haute
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pression. En utilisant des ; soupapes et des lumières contl'ôl'8'J
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par le piston, ce dernier détermine le commencement de l'échap- pement et les soupapes déterminent la fin de l'échappement. La soupape est donc avantageusement commandée de façon qu'elle s'ouvre pendant la course de détente, avant que les lumières soient découvertes par le piston, de sorte que l'échappement est complètement ouvert par la soupape lorsque les lumières sont découvertes.
La fermeture doit se faire rapidement et il y a par suite lieu de recommander une soupape à mouvement.court, par exemple une soupape à siège double. Pour écourter encore davantage le temps de fermeture, l'organe obturateur peut être constitué par la combinaison d'une soupape et d'un tiroir.
Pour assurer dans tous les cas la mise en marche simul- tanée du groupe compresseur et du moteur à combustion interne ou pour'permettre un démarrage préalable de la turbine, la tur- bine peut être munie d'un groupe de tuyères supplémentaires auquel'de l'air, du gaz ou de la vapeur sont amenés à partir d'un réservoir de démarrage à air comprimé d'une chaudière à vapeur ou d'une autre source par une conduite indiquée en poin- tillé en 32 à la figure 1. De cette manière, le compresseur peut prendre lors du démarrage du moteur à combustion interne une vitesse suffisamment élevée pour que le balayage des cylin- dres de combustion du moteur s'effectue dès le démarrage.
Le cas échéant, le groupe compresseur peut être mis en marche à l'aide d'un moteur électrique et on peut aussi faire travailler un compresseur d'air de balayage entraîné par un moteur élec- trique en parallèle avec le compresseur entraîné par les gaz d'échappement.
La fig. 3 représente un exemple de réalisation dans'le- quel le cylindre 1 du moteur est agencé pour le balayage tour- billonnant. L'air de balayage et de suralimentation est amené par un orifice 33. Il ne part ici du moteur à combustion inter- ne, pour les gaz d'échappement, qu'un seul conduit 35 qui est raccordé à des lumières 34 disposées au-dessus de l'orifice à air de balayage. Par conséquent, l'orifice 33 et les lumières
34 sont contrôlés tous deux par le piston. Des lumières 34, les gaz passent dans une conduite 35, dans laquelle est disposé un organe commutateur 37. Ici, le courant de gaz est commuté entre deux conduites de branchement séparées 40 et 41 menant à la turbine à gaz 3.
Au commencement de la période d'échappement, des gaz d'échappement de pression supérieure sont menés par la conduite 41 dans l'étage de haute pression de la turbine 3 et, pendant le reste de la période d'échappement, des gaz d'échappe- ment de pression inférieure, mélangés à l'air de balayage, sont menés par la conduite 40 dans l'étage basse pression de la tur-
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bine 3. En vue de faciliter ou de permettre le démarrage du moteur à combustion interne et en vue d'améliorer la marche à faible charge de ce moteur, dans cette forme de réalisation, les gaz d'échappement de faible pression peuvent aussi être conduits à l'atmosphère par le tuyau 15.
Le dispositif servant à mettre la conduitebasse pression 40 en communication avec l'atmosphère peut être le même que celui décrit en liaison avec la fig. 1. Le conduit 25 est relié ici à la conduite de branchement 41.
Le diagramme pression-volume représenté à la fig.2 est également applicable à l'installation représentes à la fig. 3 et le mode do travail de principe est le même qu'à l'exemple suivant la fig.1.
Le dispositif de commande prévu pour l'organe commutatour 37 est constitué de façon, à prendre, lorsque les orifices d'échappement prévus dansle cylindre pour les gaz d'échappement sont ouverts, la position dans laquelle l'accès à la conduite 41 conduisant des gaz d'échappement de pression supérieure est ouvert. Le changement de position de l'organe commutateur 37 doit naturellement se faire aussi rapidement que possible, de façon que l'échappement de ces gaz ne soit pas empêché pendant un temps prolongé. Dans l'exemple de réalisation repré- senté, l' organe commutateur 37 est commandé au moyen d'une tige 42 par un arbre de commande 13 muni d'une came 43.
Il est bien évident que les dispositifs décrits peuvent recevoir diverses modifications sans sortir du cadre de l'invention. La commande de la ou des soupapes actionnées impérativement peut se faire directement par le vilebrequin d'un moteur ou d'une autre manière. L'organe commutateur 37 peut être constitué sous forme de tiroir et être disposé en un autre endroit que celui représenté au dessin.
Dans deux exemples de réalisation, les gaz d'échappement à pressions différentes peuvent entraîner des rotors de turbines différents montés sur le même arbre ou sur des arbres différents, ou bien les couronnes d'aubes prévues pour les divers agents peuvent être disposées sur un rotor de turbine commun. Au lieu d'un turbo-compresseur, on peut utiliser une autre soufflante, par exemple une soufflan. te rotative ou autre analogue.