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MÉMOIRE DESCRIPTIF
DÉPOSÉ A L'APPUI D'UNE DEMANDE
DE BREVET D'INVENTION la société dite: N.V. PHILIPS' GLOEILAMPENFABRIEKEN Procédé pour régler la puissance d'un moteur à gaz chaud.
Demande de brevet hollandais en sa faveur du 25 Août 1943.
La présente invention concerne un procédé pour régler la puissance d'un moteur à gaz chaud, relevée à l'aide de l'in- dicateur, dite puissance indiquée.
Par moteur à gaz chaud, on entend en l'espèce un. appa- reil permettant de transformer de la. chaleur calorifique en travail mécanique. Dans les moteurs à gaz chaud une certaine Quantité de gaz est contenue au-dessus du piston dans un cylin- dre. Par le déplacement d'un deuxième piston se trouvant soit dans la première chambre soit dans une deuxième chambre qui com- munique librement avec la première, ce gaz est amené au réchauf- feur, dans lequel sa température monte, de sorte oue la pression du gaz augmente. Ce gaz, dont la pression a été augmentée, action- ne un piston ou les deux pistons accouplés l'un à l'autre, se détend et produit donc du travail. Par suite de la détente le .gaz se refroidit.
Le mouvement suivant des,pistons a pour effet que le gaz traverse un refroidisseur, à l'intérieur duquel le gaz cède sa chaleur résiduelle. Le gaz refroidi est comprimé et le cycle peut recommencer. Entre le refroidisseur et le réchauf- ,feur se trouve généralement encore un récupérateur, oui reçoit une partie de la chaleur du gaz sortant du réchauffeur et la res- ititue au gaz lors du retour de celui-ci, afin qu'elle ne soit 'pas perdue dans le refroidisseur pour le processus de travail.
Conformément à un procédé déjà proposé pour régler la puissance du moteur en faisant varier la quantité du fluide en circulation, une chambre séparée à, capacité variable communique continuellement et librement avec le cylindre pendant le réglage.
Toutefois, un réglage de ce genre affecte la puissance du moteur, parce que le gaz dans le conduit de communication entre le cylin- dre du moteur et cette chambre séparée va et vient, d'où il ré- sulte dans le fluide en circulation des pertes d'écoulement oui réduisent le débit du moteur. De plus, le volume au-dessus du piston s'est accru, pendant le réglage, de la capacité de'la. chambre séparée y ajoutée. Le volume déplacé par chaque course du piston restant le même, le rapport de compression baisse temporairement, ce qui entraîne un moindre rendement.
Conformément à la présente invention, le réglage de la puissance se fait de telle façon qu'un équilibrage entre la pression du fluide participant au cycle et une quantité de fluide distincte destinée au réglage n'ait lieu que pendant une assez faible durée par cycle, pour que la quantité du fluide participant
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au cycle subisse une variation, nour un rapport de cor,iirPssicn sensiblement constant. Dans'le cas d'un ^ui1 i.hrze de faible dl.1rre avec une pression supérieure a celle oui règne (1"11S e c-rcl ce C101'lent, une certaine quantité de fluide entre d"ns le cvclindre du moteur par cycle complet. Le processus se d 'roule donc a un niveau de pression plus haut et la puissance ind3¯nasp du moteur augmente.
Inversement, la mise en cOTI1YOtmicaticm de la capacité du cylindre avec une pression inférieure a celle T'z=1Pr=t.
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dans le cyclindre ce moment aurait pour résultat un niveau plus
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bas et nuirait donc la puissance du moteur. De la sorte on Âvi- te le déplacement alternatif du fluide dans le conduit de co"'"u- nination et 1^ variation consouente du rapport de compression dans le cylindre, ainsi cue les pertes découlèrent y --rrvorv/2s, oJor- ce lïlie cette communication n'existe que pendant une dir,ee asse faible tour nue la nression dans le cylindre ne subisse ras dp va- riations exclusivement par suite du :r,ouv","'ent du liston. Pour obtenir, me lrr/ cela, la modification de puissance reC'11j se, 1m rr-gl"ge se r/:oèctc P"rîodioiie,-,Pnt, c'est-^-dire Tienflmnt. Ch?rlJE- cycle suivant, jusqu'à ce na?e la modification requise soit obtenue.
L'invention procure un réglage uniforme de 1" T'1Jiss"ncC:', parce -i:e loe "'oéJ:i,fic2tion de la pression d-=ns le cvinc?rv "PT processus c:Tcl-1.-> <L, c'est-à-dire par révolution co>-Tfl-1¯àe du vilp- i;r8("uj,n peut être faible et pour chaque cycle suivant, rn diffère nue 1-,'gére--ent de Le modification dans le cycle pr><c"P=omt -'Ç)'1è:ont le r '1,.fe. "'>algi?<6 cela, le réglage peut se fnire raj?54-m..m1=t en utilisant un "logent 0;- il y a, une grande différence rez pression entre 1" pression dans le cylindre et la pression de rAgl--.jje dis- ponible, de sorte que l'a.draission ou l* évacuation du fluide par
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cycle est grande.
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Le r' 1 ge conforme à l'invention peut S f1rr ''' diverses :?nires. On peut 'maintenir constante la pressior disponible pour le e r -C:7e et alors on codifie le J110"l,:mt, ci, a lieu l'^.n.uil.irrage. Pendant une révolution complète du vi 1,:,lw0r'ui.n 1.? pression c1'1ils le cylindre varie driix fois entre sn valeur ..ini.mun: et Sfl valeur T2Àl'lillTl. Quand, au moment o lr''r'ullibrp'=' peut avoir lieu, l.a pression de réglage disponible est 7if rntel de la pression 1 ' int rietar du cylindre, il s'effectue un r'l'1e de le puissance. Si les deux pressions sont exactement les -8o-Tes à ce ronent le ga ne spécule pas, 1'1algr la cor"'unication di-
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recte du cylindre avec une autre chambre, ce qui évite donc des
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pertes d'couleent lcrsoue le réglage est hors diction.
Conforro'!':,ent un autre mode d'ex'ciition de l'ill'T"'Y1tion, le réglage a 7.l.ru un ]110rrent qui ne varie pas par rapport au processus cvcli0ue dans le cylindre, mais au moyen d'une pres-
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sion réglable. L'effet de ce réglage et ses avantages sont com-
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plètement analogues a ceux du procldf de réglage r'r''cit.
Enfin, on peut utiliser les deux !'roc<d(s de rf!l."'e conjointement en faisant varier tant la pression de rl P"-" "'e nue le moment de réglage :8,1:' rapport au processus cyclinue. En !!.fnfral, cela assure une oortfe de réglage plus"'grande.
Le moteur à, ga chaud, dans lequel on nput utiliser le réglage conforme à la présente invention, comporte, outre le ou
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les cylindres usuels, une autre chambre oui, par l'intermédiaire d'un conduit communinue avec le ou les cylindres, lequel conduit
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comporte des moyens de fermeture à. fonctionnement nriodine, oui n'ouvrent ce conduit que pendant une faible dur,'e. Suivant oue
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le réglage a lieu avec une pression fixe un moment variable ou avec une pression variable au même moment par rapport au cycle, on peut faire varier respectivement les moments d'ouverture et
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de fermeturedé(9Ula pression dans cette autre chambre au fur et à mesure' du processus cyclique dans le cylindre.
Lorsoue 'il,
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les deux facteurs entrent en jeu pour le réglage, tant le moment d'ouverture et de fermeture du conduit que la pression dans l'au- tre chambre sont réglables.
La. description des dessins annexas, donnas à titre d'exemples non-limitatifs, fera bien comprendre comment .l'inven- tion peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de l'inven- tion.
La fig. 1 est un diagramme de la pression pendant le cycle dans le cylindre pour une révolution complète du vilebrequin et pour des puissances différentes.
Les figures 2, 3, 4 et 5 représentent des moteurs à gaz chaud éauipés d'un dispositif de réglage conforme à l'invention.
La fig. 1 représente les diagrammes de la. variation de la pression dans le cylindre en fonction de la position du piston et ce pour diverses puissances relevées. La ligne pleine 10 re- présente le diagramme pour une puissance moyenne, où la pression moyenne dans le cylindre est de Pm10. Cette pression moyenne con- jointement avec la vitesse de révolution du moteur détermine la puissance indiauée. Pour une puissance plus grande le diagramme présente, par..exemple, la forme de la ligne pointillée 11 d'où il s'ensuit une pression moyenne de Pm11. Pour une puissance plus faible le diagramme est indiqué, par exemple, en traits mixtes 12, la pression moyenne étant alors de Pml2.
Dans ces différents cas on a supposé que le rapport de pression du diagramme, c'est-à-dire le rapport existant entre la pression minimum et maximum dans un diagramme, reste le même pour les trois cas.
Le réglage de la puissance relevée a lieu en passant ré- gulièrement d'un diagramme à l'autre et ce de la. Manière suivante.
A un moment déterminé du processus cyclique dans le cy- lindre, indioup' par le,point 13 sur l'abscisse, s'établit la communication entre le cylindre et une autre chambre oui contient un fluide moteur approprié ayant une pression déterminée. Lorsque, par exemple, cette pression correspond à celle en 51 et le moteur fonctionne selon le diagramme 10 pendant cette révolution du vilebrenuin, la pression en 52 baisserait jusqu'àsce au'elle attei- gne celle en 51 pour chaque révolution du vilebrequin, lorsque le piston arrive en 13.
La vitesse à laquelle cela lieu est fonc- tion, outre de la différence entre la pression régnant.dans le cylindre, lorsque le piston est en 13, et la pression dans l'au- tre chambre, de la grandeur de l'ouverture créée entre le cylindre et cette autre chambre.
Lorsque, par contre, il s'appliaue une pression augmen- tée 53 au lieu d'une pression réduite 51, au moment 13, le niveau de la totalité du diagramme montera graduellement jusqu'au diagramme 11. Ce réglage a lieu au moyen d'une pression variable disponible appliquée en un point fixe 13 du processus cyclioue dans le cylindre.
On peut aussi régler la puissance au moyen d'une pression constante disponible, pourvu que le moment où cette pression peut être comxuniquée au cylindre, soit décal par rapport au processus cyclique dans ce cylindre. En présence d'une pression constante 14 elle peut également servir à régler la. puissance. En effet, lorsnue le moment où s'établit la communication entre le cylindre et l'au- tre chambre, est déplacé à partir du point 54 dans le diagramme 10 vers le point 53 dans le diagramme 11 ou vers le point 55 dans le diagramme 12, cette pression constante se produit en des points différents dans les divers diagrammes, de sorte qu'on obtient des diagrammes avec une autre pression moyenne.
Enfin on peut combiner les deux procédés de réglage pré- cités en faisant varier tant la pression disponible que le moment
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de rglpge, ce qui permet d'obtenir une plus grande -)nrt,-'e de réglage. Il va de soi ou'une variation de la puissance relevée n lieu seulement si l'on ne modifie pas dans le même sens la pression de réglage et le moment de réglage, c'est-à-dire si la pression de réglage disponible ne correspond pas la pression pendent le cycle, oui règne au point de réglage.
La fig. 2 représente un mode de réalisation d'un moteur % gaz chaud, dans leouel on peut utiliser ce réglage. Dans le cylindre 15 jouent tant le tiroir 16 oue le piston 17. Tous les
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deux sont c01'1""2.nds à partir du vilebreouin commun lg, le ;--1 stem par l'intermédiaire de 1"' manivelle 20 et le tiroir au moTren de I.lexcentrj.(7.ue 21. Comr,e chambre séparée, oui contient une certaine 'll]:'Intitp de fluide ayant une pression dter^ine pour le rgl'1±,E', on utilise en l'espèce le carter mpnivelles 19 tpnce --li3x fa7.
Dans ce cas le r,gl-aEe ? lieu avec une pression fixe crr08 dans le cylindre 15 en un point variable par rapport au processus cv- clioue dans le cylindre. Entre le cylindre 15 ,et le carter à
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manivelles 19 on 8 prvu des conduits de communication P6 et 37. Ce conduit 37 est ferm au moyen d'un petit piston 35 à dépla- cement périodique nui est entraîna à partir du vilebrequin 18 au moyen d'un excentrique 24. Le mouvement de ce piston 25 par rapport
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au conduit ?7 est tel oue le conduit 27 ne com"'lmioue vendant une très faible durfe avec le conduit N6 oue dans la position sunprieu- re extrême du piston 25. Pendant le mouvement ultérieur du piston 25 la communication entre les conduits 36 et 27 est toujours inter- rompue.
Pu moment où le piston 25 occupe sa position supérieure extrême une différence de pression éventuelle entre la capacité
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du cylindre 15 et celle du carter à manivelle 19 peut être fqui- libre par l'intermsdiaire des conduits P6 et 37. Toutefois, ce -oment peut être déplacé par rapport au processus cycli0ve dans le cylindre 15, c'est-à-dire par rapport aux mouvements du pins- ton 17 en modifiant la position de l'excentrique 24 par rapport au vilebreauin 18. Cet excentrjoue 24 est mont± sur un manchon dit douille coulissante hollandaise P3, dont Ip position est fonc- tion du régulateur ??. Ce régulateur 23 peut donc modjfier 1¯'angle entre la manivelle 20 et 1-'excentrique 24, de sorte oue le point ou a lieu le réglage de la puissance du moteur, est vprjP1'le pr rapport au mouvement du piston.
Lorsque la nuissance indiouee est en 6oui1ibre avec la puissance fournie voulue du moteur, le régulateur 33 est en re- pos, c'est-3-dire oue pendant chaque cycle la communication de faible dure entre le carter à manivelle 19 et le cylindre 15 s'é- tablit toujours au même moment. Comme, cependant, les pressions
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sont g^1es en ce moment, le fluide gazeux ne circule pas dans les conduits z7 et 26, de sorte que la puissance inni.0ure n'est pas changée non plus. Un équilibre compromis par suite d'une modification de la charge extérieure provoque une variation de la vitesse de révolution du vilebrequin, ce oui fait fonctionner le
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rfgvl>tei¯ir 09 et fait varier aussi le moment où s'établit In com- lJnic8tion entre le cylindre 15 et le carter à manivelle 19.
Il peut alors y avoir dans le cylindre une admission ou une Evacua-
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tion du fluide, ce oui pour r0sultt d'adapter la puissance indiou6e 1¯^ cn^r;P extérieure reouise.
On décrira avec r f0rence à la fig. 3 un moteur 3 s'a7 chaud, dans lequel le r?gl"-'ge de la puissance a lieu en reliant un point fixe du cycle périodiquement une chambre dans lanuelle règne une pression variable. Le moteur µ gaz chaud comporte un
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cylindre z0, dans lenuel jouent le piston 33 et le tiroir 31.
Le piston et le tiroir sont entrainés à partir d'un vilebreouin commun 33, àsavoir le piston par l'intermédiaire de la manivel-
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le 34 et le tiroir au moyen de l'excentriove 35. Le carter a manivelles 36 est ferm de l'air extérieur et constitue une cham- bre séparée qu'on utilise, en l'espèce, pour y accumuler du gaz ayant la pression nécessaire pour régler la puissance. A cet effet; on a monte dans le carter à manivelles un compresseur 37, dont le
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piston 38' est entraîne directement à partir du vilebrequin 33 par l'intermédiaire d'une manivelle distincte 39. Le compresseur 37 est du genre sans soupapes, c'est-à-dire que le piston 38 lui- même ferme les lumières nécessaires au bon fonctionnement du com- presseur, et les ouvre.
L'aspiration de l'air a lieu par la lu- mière 40, lorsque le piston 38 occupe sa position inférieure. La chambre au-dessus du piston se remplit alors d'air à 1 atmosphère.
Dans ce cas il n'y a pas de communicàtion avec le carter à ma- nivelles,parce que la lumière inférieure 42 reste fermée dans la position inférieure du piston 38. Au cours du mouvement suivant du piston, l'air dans le cylindre compresseur est comprima et passe par la. lumière 41 dans le conduit latéral 43. A la fin de la course du piston dans la position supérieure la lumière 42 est libre, de sorte que l'air comprime sort du conduit 43 et entre dans le carter à manivelles. Ce compresseur augmente donc réguliè- rement la pression dans le carter à manivelles.
Au vilebrequin 33 est également accouplé un régulateur 45 qui, au moyen du levier 46, fait fonctionner un clapet 47 s'ourrant à l'air libre dans la paroi du carter à manivelles. Ce clapet'47 est maintenu fermé au moyen du ressort 48 aussi longtemps que le régulateur 45, conjointement avec la pression dans le carter à manivelles, n'exerce pas un effort supérieur à celui de ce ressort.
Qua.nd le nombre de tours du vilebrequin 33 augmente, l'effort exercé sur le clapet 47 par le régulateur 45 par l'intermédiaire du levier 46 augmente, de sorte que le clapet s'ouvre et la pres- sion dans le carter à manivelles baisse. Lorsque, par contre, le nombre de tours du vilebrequin' 33 diminue, le clapet reste fermé, de sorte que le compresseur 37 augmente toujours la pression dans le carter à manivelles.
La communication périodiaue entre cette chambre et le cylindre 30 s'établit par l'intermédiaire du conduit de circulation 44, qui est disposé par rapport au mouvement du piston de telle façon qu'il ne s'établisse une communication entre le cylindre 30 et le carter à manivelles 36 que dans la position inférieure du piston 32. La pression à l'intérieur du carter à manivelles est donc mise en .communication avec la pression dans le cylindre toujours en un point fixe du cycle, en l'espèce une extrémité de la course du piston, de sorte que le réglage lieu lorsque ces pressions ne sont pas égales.
Au lieu de prévoir le régulateur 45 à fonctionnement automatique, le ressort 48 du cl?pet 47 peut naturellement être directement assujetti à un levier commando à la main, lorsqu'il ne s'agit pas d'un réglage automatique du nombre de tours en fonction de la puissance.On peut utiliser un réglage manuel simple de ce genre, par exemple, dans les moteurs du type marin.
La fig. 4 représente un mode de réalisation du moteur à gaz chaud, dans lequel le réglage de la' pression dans une chambre autre Que le cylindre du moteur s'effectue d'une manière très sim- ple. Cette autre chambre, qui est constituée par le carter ferm 36, communique par l'intermédiaire du conduit de circulation 44 avec la capacité du cylindre du moteur, come c'est le cas dans le mode de réalisation montré sur la fig. 3. Dans ce mode de réali- sation on obtient la variation de la;pression du gaz dans le carter à manivelles 36 en faisant varier la température de ce gaz.
A cet effet le carter à manivelles contient à la fois uri serpentin de chauffage 99 et un serpentin refroidisseur 100. Par l'intermé- diaire du conduit 97 muni d'une vanne 102, le serpentin de chauf- fage est relié au conduit destiné aux gaz de combustion et associé au réchauffeur du moteur. Si l'on désire une augmentation de la puissance indiquée du moteur on ouvre la vanne 102. Une partie des gaz de combustion du réchauffeur passe par le conduit 97 vers le serpentin de chauffage 99 et ensuite soit vers l'air extérieur, soit vers une cheminée ou vers d'aubes organes à chauffer. Le serpentin de chauffage 99 transmet la chaleur des gaz de combus- tion au gaz dans le carter à manivelles 36, dont la température et la pression montent donc.
Lorsque le piston 32, dans sa position
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inférieure, Etablit la communication entre 1a capacité du carter
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36 et le cylindre 30, une partie du gp7 passe au cT,i.ncre. Une réduction de la puissance du moteur par réduction de la pression dans le carter a manivelles peut se faire en mettant hors d'action
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leserpentirt de chauffage 99 et en mettant en service le serpentin refroidisseur 100. Ce serpentin refroidisseur est relié- au re- froidisseur 96 au moyen du conduit 98. Le dispositif de fermetu-
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re 101 dans ce conduit permet de mettre le serpentin refroidisseur en ou hors service -a volont'.
Le réfrigérant traversant le serpentin 100 peut être ra- men au système refroidisseur dû-moteur, par exemple, en un Pitre point.
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Au lieu d'utiliser un serpentin de c:'l1ff? fR et un ser- pentin refroidisseur pour faire varier la température du grz dans le carter manivelles z1,6, on peut aussi Etablir une c0I'1 1unic2tion directe entre l'espace chaud du cylindre du moteur et le carter manivelles, et entre l'espace froid de ce cylindre et le carter à manivelles, communications oui doivent naturellement être suscep- tibles d'être fermes. Si l'on désire une augmentation de la pression du gaz dans le carter à manivelles on établit la communi- cation avec l'espace chaud.
Après quelques révolutions du moteur, lorsqu'une quantité suffisante de gaz s'est écoulée alternative- ment entre cet espace chaud et le carter à manivelles, la temp- rature du gaz dans le carter à manivelles a augmenta D'une ma- nière analogue on peut réduire la température de ce gaz l'aide d'une communication temporaire avec l'espace froid. Dans ce cas, cependant, la puissance du moteur baisse inévitablement dans une
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grande mesure pendant le temps o' s'établit une de ces CO'1"lnlmicp- tions.
La fig. 5 représente un mode de réalisation d'un moteur
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gaz chaud, dans lecuel tant la pression de réglage rnJ'-' le point de réglage est variable par rapport au processus cvclinue dans le cylindre. Dans le cylindre 60 jouent le tiroir 61 et le piston
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6?. Le tiroir est commande à partir du vilebrequin 64 pnr "inter- médiaire d'un excentrique 66, tandis que le piston est entraîna
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µ partir du même vilebrenuin par l'intermédiaire de 1"' manivelle 65. Le vilebrecuin 64 est 10gA dans le carter 67, oui est fermi à l'air extérieur et fait office de chambre, dans laquelle peut régner une pression variable.
La communication périodioue entre le carter àmanivelles 63 et le cylindre 60 s'établit au moyen d'un tube 69 dont une
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extrémité débouche dans le carter, tandis oue l'autre extrait{ peut se déplacer dans une forure 67 du piston. Ce tube 69 est monté fixe par rapport au carter 63, de sorte que dans son mou- vement, le piston 62 se déplace autour du tube 69. Le tube 69 est fermé a l'extrémité qui se trouve dans le piston et présente une ouverture hélicoïdale latérale 70 qui peut correspondre avec l'extrémité d'une forure 68 ménagée à angle droit dans le corps du piston.
En faisant tourner le tube 69 sur son axe on peut mo- difier, par rapport au mouvement du piston, le-moment où l'extr- mité de la forure 68 vient se situer en regard d'une partie de la rainure hélicoïdale 70, c'est-à-dire le moment où le carter manivelles 63 communique avec le cylindre 60. Cette communication
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s'±tablitait deux fois par révolution, il est vrai, et ce dans deux positions situées symétrioueent par rapport au point mort inférieur du piston, mais une douille folle 76, qui peut se dépla- cer dans la forure 67 entre deux buttes fixes, ferme toujours cette ouverture lors de la descente du piston, de sorte que la communication ne s'ftablit en un point réglable que lors de la montre du piston.
Le déplacement du tube peut s'effectuer de façon entièrement automatique, en fonction de la puissance fournir, au moyen d'un régulateur 71 qui est logé dans le carter et conjugua directement au vilebrequin 64.
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Pour faire varier la pression dans @@@ prévu le compresseur 72 qui lui est directement contigu et est commandé à partir du vilebrequin 64 par l'intermédiaire de la manivelle 73, Ce compresseur est muni de deux clapets 74 et 75 qui s'ouvrent et se ferment sous l'action de la pression de l'air.
Le clapet 75, qui sépare la capacité du cylindre compresseur de l'air extérieur, est commandé, en outre, par le régulateur 71 de telle façon que ce dernier puisse ouvrir le clapet 75 de façon per= manente, c'est-à-dire que le compresseur est mis hors d'action dans ce cas. Pour régler la puissance du moteur au moyen du régu- lateur 71 on peut donc, en faisant tourner le tube 69 et en fai- sant varier la pression dans le carter à manivelles, par suite de la mise'en ou hors d'action du'compresseur, régler tant le point, où la pression est mise en communication avec le processus cycli- que dans le cylindre, que la valeur de cette pression.
Toutefois, le réglage vers une puissance plus faible s'effectuer? seulement en faisant tourner le tube 69, parce que dans ce cas la pression dans le carter à manivelles ne monte plus, mais baisse seulement par suite de pertes par fuite vers l'air extérieur.