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Moteur ²deux temps, à auto-balayage
La détente des gaz n'est pas pleinement utilisée dans le moteurs à combustion interne, étant donné que les gaz doivent pouvoir quitter le cylindre sous une pression rela- tivement considérable. Si les gaz pouvaient se détendre jusqu'à la pression atmosphérique, le rendement s'accroîtrait de 10 à 12% environ.
Aussitôt après l'apparitioh du'premier moteur à deux temps, nombreux furent ceux qui se mirent à chercher un moyen d'utiliser directement l'énergie de 1!échappement en vue de la simplification du balayge, ce qui aurait été un perfection- nement logique et naturel du principe à deux temps; toutefois, jusqu'à présent, cette question n'a pas été résolue d'une manière satisfaisante. Il a donc été nécessaire de munir le moteur d'une soufflerie fournissant de l'air de balayage sous une pression suffisante, disposition qui s'est généralisée depuis, bien qu'elle implique une perte de 8 à 10% environ du travail effectif. De plus, on a constaté à la longue que l'établissement d'une soufflerie entièrement satisfaisante et sûre représentait un problème très difficile.
Une propor- tion très élevée de toutes les défaillances des moteurs à @ deux temps peut être attribuée aux souffleries.
On a suggéré récemment que le problème pouvait être
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résolu par la transformation d'une partie de l'énergie d'échap- pement en une énergie ondulatuire, ce qui se produirait tout à fait automatiquement par le seul emploi, pour chaque cylindre, d'un tuyau d'échappement de longueur suffisante. Deux cylindres, @u trois tout au plus, -peuvent être reliés directement, etpar une liaison aussi courte que possible, à un tuyau commun. Toute- fois, ces essais n'ont pas conduit à la construction d'un moteur deux temps susceptible de fonctionner sans soufflerie de bala- yage.
Pendant la période de pré-échappement, lorsque la majeure partie des gaz s'écuule du cylindre en déterminant une chute de pression considérable, le tuyau d'échappement devient le siège d'une onde de pression puissante. L'onde de pression traverse le tuyau à la vitesse du son et est réfléchie, au débouché du tuysu, sous la forme d'une onde d'aspiration qui retourne vers le cylindre et qui, de toutes façons, est capable d'aspirer une partie des gaz qui- à une pression atmosphérique - remplissent encore le cylindre, de sorte qu'une quantité correspondante d'air frais peut être aspirée dans le cylindre travers les lumières de balayage.
Un a déjà construit de nombreux moteurs à compresseur ou soufflerie de balayage, pourvus de tels tuyaux cylindriques in- dividuels, Lais aucun renseignement n'indique que ce système ait permis de réaliser un auto-balayage parfait sans l'aide d'une soufflerie d'air de balayage.
Ceci est dû principalement a fait que la réflexion à l'extrémité du tuyau est éminemment inef- ficace. Selon la simple théorie des phénomènes ondulatoires, appliquée aux ondes sonores, une onde de pression se réfléchit au débouché du tuyau sous la forme d'une onde d'aspiration de même amplitude; or, ceci ne tient aucunement co mpte des puis- santes ondes de pression qui se présentent dans les tuyaux d'échappement et qui comportent une surpression de 0,3 - 0,5 atmosphères p.ex.
Des calculs précis démontrent que l'onde d'aspiration réfléchie ne représente que 35 - 50% de l'onde de
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pression sortante, à quoi vient s'ajouter le fait que la durée de l'aspiration est sensiblement trop réduite.
Un exposé détaillé de l'invention et de ses principes de base sera donné ci-après avec renvui aux dessins annexés, dans lesquels :
Figs. 1 et 2 sont des graphiques,tandis-que
Figs. 3 - 8 montrent schématiquement quelques tuyaux d'échappement établis selon l'invention.
Fig. 1 montre les conditions qui se présentent dans un tel tuyau d'échappement cylindrique ordinaire, de longueur appropriée. Dans la partie supérieure de la Figure, on a porté en ordonnées l'aire d'ouverture A dalat@miène d'échappe- ment et l'aire d'ouverture B des lumières de balayage, l'an- gle de vilebrequin ayant été porté en abscisses. Dans la partie inférieure de la figure, on a porté en ordonnées les pressions qui apparaissent aux lumières d'échappement du cylindre, le temps étant porté en abscisses, les échelles étant choisies de telle manière que les différents points de temps portés sur cet axe coïncident avec les angles de vile- brequin portés sur l'axe des abscisses supérieur.
La courbe 0, désigne l'onde de pression partant des lumières d'échappement durant la période de pré-échappement, tandis que la courbe D désigne une onde d'aspiration formée par réflexion, comme il sera.expliqué en détail dans la suite. Dans la partie inférieure de la figure, on a représenté schématiquement le cylindre propre- ment dit en et le tuyau d'échappement en E, la longueur du tuyau ayant été tracée de telle manière par rapport à l'axe des te:aps de la courbe de pression, que la longueur du tuyau dans cette figure corresponde exactement au fait que la pression qui apparaît à l'orifice d'échappement est celle qui, dans la courbe de pression, correspond au temps portée en regard de l'extrémité du tuyau sur l'axe des temps.
Donc, la longueur du tuyau a été tracée comme étant égale au temps to que mettra
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une onde pour sortir à travers le tuyau et pour se réfléchir en direction des lumières d'échappement. L'onde d'aspiration D présente presque la ême forme que l'onde de pression, mais une amplitude sensiblement inférieure; sa durée est cependant exactement la même que celle de l'onde de pression.
Or, la duéede l'onde de pression se rapproche très sensiblement de la durée de la période de pré-échappement, une condition à remplir étant que le cylindre doit être pratiquement exempt de pression lors de l'ouverture des lumières de balayage ; or, somme la durée de la période de balayage est normalement le triple ou le quadruple de celle de la période de pré-échappe- ment, on constate que la durée de l'aspiration sera sensible- ment inférieure à celle de la période de balayage.
par consé- quent, un tel tuyau ne permet pas d'atteindre un effet d'aspi- ration suffisant pour assurer un auto-balayage complet, même lorsque la longueur de ce tuyau est établie (comme cela est indiqué au dessin) exacte,nent de façon que l'effet d'aspira- tion maxi@um apparaisse aux lu-iières d'échappement exactement au milieu de la période de balayage.
La présente invention vise à allonger l'onde d'aspiration réfléchie D, de façon que sa durée soit égale à celle de la totalité de la période de balayage. Ce but est réalisé lors- qu'on établit le tuyau d'échappement de façon qu'il présente une partie initiale de section cons-tante et une partie réflé- chissante de section variable, plus grande que celle de la partie initiale dans lequel tuyau l'onde de pression partant des lumières d'échappement durant la période de pré-échappe- ment, donne naissance, lors de son passage à travers la par- tie réfléchissante, à une série continue d'ondes d'aspiration réfléchies qui, en retournant vers les lumières d'échappe- ment, déterninent une aspiration,
la longueur de la partie initiale du tuyau étant telle que l'aspiration s'amorce pres- que simultanément avec l'ouverture des lumières de balayage,
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le tronçon réfléchissant ayant des dimensions telles que l'aspiration précitée aura une durée approximativement égale à celle de toute la période de balayage, de façon à rendre superflue la soufflerie d'air de balayage.
La section du tronçon réfléchissant du tuyau d'échappe- ment peut varier de diverses manières, dont chacune présente certains avartages techniques, comme il sera exposé en détail c i-aprè s.
Il convient particulièrement de remarquer que la section de passage du tronçon réfléchissant du tiyau d'échappement peut croître progressivement d'un bout à l'autre de ce tronçon, ou bien, par degrés. En @utre, cette variation peut être réalisée par l'adjonction, au dit tronçon, de tuyaux d'embranchements fermés ou ouverts, chacune de ces solutions présentant des avan- tages en ce qui concerne la cunstruction. Afin d'augmenter le volume de l'onde d'aspiration réfléchie, le tronçon réfléchis- sant du tuyau d'échappement peut être muni d'une soupape de retenue.
Conjointement avec le tuyau d'échappement décrit ci-dessus, et dont l'efficacité dépend notablement de lraire de pré-échappe- ment, on peut faire usage d'organes d'échappement permettant de modifier ou de régler l'aire de pré-échappement pendant la marche du moteur.
Finalement, il convient de remarquer que leslumières de balayage du moteur comportant le tuyau d'échappement bipartite selon l'invention peuvent être reliées à une tuyauterie d'ad- mission en vue de la suralimentation du moteur.
Dans les tuyaux à expansion graduelle, l'onde réfléchie se divise en plusieurs ndes réfléchies plus petites, mais de forme presque identique, et qui peuvent être aisément calculées; toutefois, cette construction présente le défaut que, à chaque étage d'expansion, il se produit une perte d'énergie, de la même manière qu'à l'extrémité du tuyau,
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Par conséquent) des tuyaux à expansion progressive conviennent mieux; toutefois, ils sont difficiles à calcu- ler.
Or, un calcul préalable exact est a@bsolument néces- saire, vu que la recherche des meilleurs dimensions par des essais offre des difficultés presque insurmontables, abstraction faite de la circonstance qu'il est simplement impussible d'expérimenter sur un moteur à auto-balayage si le moteur ne peut pas fonctionner, et il ne le peut que si le tuyau est parfaitement correct. Il apparaît toutefois que les équations pour le @ouvement ondulatoire dans des tuyaux ayant différentes formes géométriques peuvent être résolues, de sorte que le calcul ne constituera nullement un obstacle insurmontable.
Fig. 2 montre les conditions qui se présentent lors- qu'il est fait usage d'un tuyau comportant un tronçon ini- tial cylindrique Fl et un trunçon réfléchissant conique F2. Le temps de réflexion ta correspondant au tronçon cy- lindrique est presque égal à la période de pré-échappement.
Il est suivi de la pré-réflexion déterminée par le cône.
La forme de l'onde de pré-réflexion n'est pas identique à celle de l'onde de pression, mais présente une allure moins raide et peut être allongée à volonté. La période qui corres- pond au temps tb est suivie de l'onde de réflexion princi- pale, déterminée par l'extrémité du tuyau. Cette onde pré- sente une forme presque identique à celle de l'onde de pres- sion initiale et est plus efficace que l'onde réfléchie dé- terminée par un tuyau cylindrique ordinaire (Fig. 1), étant donné que la vitesse du courant d'air diminue dans le cône, de sorte que la perte d'énergie à l'extrémité du tuyau est moins élevée.
Il ressort de la Fig. 2 que la période d'aspiration totale déterminée par les réflexions du cône et la réflexion de l'extrémité du tuyau couvrent toute la période de bala-
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yage, lorsque la période de réflexion totale tb du tuyau est presque égale à la durée de la période de balayage, tandis que la période de réflexion totale to du tuyau purement cylindrique selon Fig. se rapproche plutôt de la moitié, de la durée de la période de balayage.
Comme indiqué plus haut, la période de réflexion ta de la partie initiale du tuyau doit.avoir une du- rée presque égale à celle de la période de pré-échappement, et ne doit pas être sensiblement plus courte que celle-ci, car il est évident qu'une pré-réflexion prématurée est non seulement inutile, mais bien nuisible,'vu qu'elle s'oppose dans une cer- taine mesure à l'établissement d'une onde de pression de départ puissante, qui constitue la phase motrice de tout le cycle.
La réflexion "étirée" et fractionnée, qui a lieu dans un tuyau comme celui décrit plus haut et dont la section croît
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soit graduellement, soit progressi v :e'm t, diffère égalen;ent dans son principe de la réflexion simple qui se produit à l'extrémi- té d'un tuyau cylindrique d'un bout à l'autre, en ce sens que, lorsque le tuyau est correctement dimensionné, on peut arriver au résultat que le volume total des ondes d'aspiration réflé chies soit notablement supérieur au volume de l'onde de pression ini- tiale.
D'une maniera générale, l'expansion graduelle d'un tuyau p.ex. cônique @u hyperbolique est préférable (Fig. 3); toute- fois, l'extrémité du tuyau présentera dans ce cas un diamètre relativement important.
Il ressort immédiatement de la Fig. 2 - laquelle représen- te assez exactement les conditions correspondant à un tuyau purement conique - qu'il serait avantageux d'évaser- davantage le débouché. extrême du. tuyau, ce qui aurait pour effet une allure moins raide de l'onde d'aspiration. Ceci amène à établir un tuyau ayant p.ex. une forme analogue à celle montrée dans la fig. 3. Toutefois, la partie extrême et encombrante F3 peut être supprimée grâce aux solutions particulières indiquées dans les figs. 4 - 8.
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Conme -loutre dans la fig. 4, le tuyau peut être racc@ur ci de. 1::: lon@@eur L, si à une distance L de l@ nouvelle extrémité du tuyau, on pcév@it une pranche fermée G1 ayant la longueur L.
La théorie de la réflexion des ondes de pressior; indique que les tuyaux selon fig. 3 et 4 auront ex: ctement le même effet en ce qui concerne la réflexion de n'importe quelle onde de pression, à condition que la branche présente des dimensions correctes.
Cette branche peut présenter la for@e d'un espace annulaire G2 entuurant une partie du tuyau principal, cornue montré en fig. 5.
Un utre noyen pour réduire les dimensions du tuyau consiste à e ployer une branche ouverte H, selon fig. 6; d: ns ce cas, le tuyau principal F2 ne neuf pas être raccourci. Ceci signifie, en d'autres termes, que le tuyau a été divisé en deux branches ouvertes, dont l'une est deux fois aussi longue que l'outre A condition d'être correctement dimensionné, ce système fournira une onde d'aspiration réfléchie exactement identique à celle ob- tenue avec le tuyau de la fig. 3.
La courte branche peut être annulaire et peut entourer la longue branche, comme montré en fig. 7.
La théorie de la réflexion démontre que dans tous les tuyaux du type décrit ici, et qui déterminent des réflexions successives ou interrompues, la première série d'ondes d'aspiration successi- ves est toujours suivie d'une onde de contre-pression K, relati- vement puissante, comme montré en fig. 2.
L'invention est basée sur l'idée que, lorsque le moteur tour- ne à un régime normal, une aspiration doit s'établir dans le tuyau d'échappement à proximité immédiate du cylindre pendant tou- te la durée de la période de balayage, les dimensions du tuyau étant, dans ce cas, généralement telles que la dite onde de contre- pression ne puisse arriver jusqu'au cylindre avant que les lumiè- res d'échappement ne se referment (ou ne soient juste en train de se refermer).
Des expériences pratiques effectuées par l'inven- teur avec le système d'auto-balayage décrit ici démontrent qu'au- cun avantage ne peut être réalisé par le gavage qu'on peut obtenir
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l'aide de l'onde de contre-pression, les gaz qui retournent du tuyau d'échappement étant trop chauds.
En disposant sur le tuyau d'échappement une soupape de rete- nue à action rapide M (fig. 8) on peut éviter l'onde de contre- pression susdite, voire la transformer en une onde d'aspiration.
Dans ce cas, on peut raccourcir légèrement le tuyau d'échappe- ment, cependant que la condition qui suppose une aspiration pen- dant toute la durée de la période de balayage est remplie.
Le calcul démontre que le tuyau à expansion graduelle et à clapet de retenue constitue réellement le système le plus effi- cace qu'on puisse construire, à condition que le clapet soit à action suffisamment rapide. D'autre part, un clapet de retenue monté sur un tuyau qui est cylindrique sur toute sa longueur se- rait tout à fait sans effet, vu qu'il n'y aurait qu'une réflexion pendant laquelle le clapet resterait ouvert tout le temps, après quoi il ne se produirait plus rien. Un clapet agissant réelle- ment par contre-pression, du type décrit ici, n'est pas conceva- ble dans un tuyau purement cylindrique, Un tel clapet peut of- frir des avantages particuliers dans le cas de la construction selon fig. 5, ce qui permet de raccourcir quelque peu le tuyau.
L'application du tuyau d'échappement décrit ci-dessus aux fins d'auto-déblayage est conditionnée par le fait que la section de passage de l'organe d'échappement et son temps d'ouverture doivent être réglés de façon que l'aire de pré-échappernent P (fig. 2) doit présenter exactement les dimensions voulues. Si l'aire étant trop petite, les gaz seraient refoulés à travers les lumières de-balayage juste au moment de l'ouverture de celles- ci, la pression dans le cylindre étant encore à ce moment supé- rieure à la ,pression atmosphérique. Si l'aire de pré-échappement était trop grande, une dépression se formerait dans le cylindre avant l'ouverture des lumières de balayage, ce qui brouillerait complètement le cy@le des ondes que l'on cherche à réaliser dans le tuyau d'échappement.
Il est donc tout indiqué d'adjoindre à
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l'organe d'échappement un dispositif permettant de varier l'aire de pré-échappement pendant L@ -'.arche du moteur. On pourra obtenir ainsi le meilleur effet de balayage possible pour différentes charges du moteur.
Si cette mesure était jugée insuffisante ou devait être .-ban- donnée pour d'autres raisons, ors pourrait prévoir une, soupape de retenue en amont des lumières d'aspiration, afin d'empêcher un retour des gaz brûlés vers le carter du moteur, ceci égale- ment en vue des variations de la charge.
Normalement, le moteur comporte des lumières de balayage s'ouvrant directement à l'atmosphère; or, en reliant ces lumières à des tuyaux d'aspiration séparés de longueur appropriée, on peut réaliser le gavage. Pendant le balayage, l'aspiration détermine un écoulement d'air très régulier travers le tuyau d'aspiration, l'écoulement de l'air se poursuivent, sous l'effet de l'inertie, même après que l'effet d'aspiration aura commencé à diminuer dans le tuyau d'échappement à la fin de la période.
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