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Machine thermique à pistons.
La présente invention oonoerne une machine thermique susceptible d'être utilisée soit comme moteur à rendement élevé, soit eomme générateur de gaz chauds sous pression des- tinéa à être détendus dans une turbine à gaz. Dans les deux cas la maohine peut fonctionner suivant un cycle à explosion ou à combustion* Lorsqu'on Inutilisé pour alimenter une tur bine, la détente dans la machine est déterminée de façon que le travail produit soit strictement suffisant pour aspirer et comprimer le mélange combustible,
refouler les gaz brûlés hors du cylindre et vaincre les frottements. La machine ne produit alors auoun travail mécanique extérieur et l'énergie
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disponible se retrouve dans les gaz déchappement qui sont expulsée à une température et à une pression suffisantes pour qu'ils puissent être utilisés dans de bonnes conditions dans une turbine à gaz.
La machine oomprend un ou plusieurs cylindres.
Dans chaque cylindre se déplacent deux pistons qui effectuent des courses alternatives périodiques de périodicité multiples l'une de l'autre. Pratiquement le rapport de pé- riodicité est égal à deux.
Les positions initiales relatives des deux pistons présentent un décalage qui est maintenu constant pendant leurs déplacements*
Cet ensemble permet de réaliser, par suite du vo- lume variable, successivement croissant et décroissant de l'espace délimité dans le cylindre par les pistons en mou- vement, les phases du cycle d'un moteur à quatre temps (à explosions ou à combustion) dans lequel le taux de compres- sion volumétrique et le taux de détente volumétrique sont différents l'un de l'autre.. Chacun de ces taux pouvant être choisi arbitrairement à l'avance.
Dans leurs déplacements les pistons viennent sensi- blement au contact une fois par cycle, pour une position déterminée, en fin d'échappement,réalisant ainsi l'expul- sion totale des gaz brûlés hors du cylindre.
Les courses des deux pistons sont avantageusement différentes l'une de l'autre et un mécanisme convenable est interposé entre eux pour assurer le rapport constant de la périodicité de leurs déplacements et maintenir le décalage nécessaire de leurs mouvements périodiques Les courses des deux pistons peuvent d'ailleurs devenir sensiblement égales lorsque la détente est très allongée (cas, par exemple, du moteur à, combustion à détente totale)*
Le rapport des courses des deux pistons et la dis- tance qui les sépare à fond de.course fournissent avec l'an-
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gle de décalage de la position initiale, les trois variables qui sont nécessaires pour déterminer à l'avance le taux de compression, le taux de détente, et réaliser l'expulsion totale des gaz brûlés.
On peut donc à volonté allonger la détente ce qui améliore le rendement de la machine fonctionnant comme moteur, ou réduire cette détente au 'taux convenable pour produire le travail strictement nécessaire à la compression des gaz lors- qu'il s'agit d'une machine fonctionnant comme générateur.
Le premier piston actionne un arbre principal, le deuxième piston dont la course est en général inférieure à celle du premier, aotionne un ou deux arbres secondaires pa- rallèles à l'arbre principal. Suivant'la réalisation adop- tée l'un quelconque de ces trois arbres tourne dans le même sens ou dans le sens opposé des deux antres. La machine peut être exécutée pour fonctionner à explosion ou à combustion, la distribution étant faite sans soupapes par un dispositif de fourreaux (genre système Knight) soit par 'tiroirs plans ou cylindriques, soit par soupapes ordinaires ou mieux par soupapes spécialement étudiées pour réduire au minimum le vo- lume résiduel des gaz brûlée.
La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les parti- oularités qui ressortent tant des dessins que du texte fai- sant, bien'entendu, partie de ladite invention.
La fig. 1 est une coupe axiale schématique d'une forme de réalisation comportant trois arbres parallèles.,
La fig. 2 est un diagramme représentant le déplace - ment des pistons en fonction de l'angle de rotation de l'ar-
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bre principal.
La fig.3 représente le diagramme pressions-volumes de la machine fonctionnant en moteur à, explosion.
La fig.4 est un diagramme analogue, la machine fonc- tionnant en moteur à combustion.
La fig. 5 représente le diagramme pressions-volumes de la machine utilisée comme générateur de gaz chauds asso- ciée à une turbine à gaz dans laquelle s'effectue la fin de la détente.
La fig. 6 montre comment on peut annuler pratiquement le frottement du piston lent dans le cylindre.
La fig. 7 est une coupe axiale d'une soupape équili- brée montée à 90 par rapport au cylindre du moteur.
La fig. 8 est une coupe verticale d'une forme de réa- lisation de l'invention dans laquelle l'arbre principal tourne dans le même sens que l'arbre secondaire et la dis- tribution est faite par tiroirs oscillants, les deux arbres étant placés de part et d'autre du cylindre.
La machine comporte, comme on le voit sur la coupe schématique de la figure 1, un cylindre 1 dans lequel se dé- placent d'un mouvement de va et vient alternatif, deux pis- tons 2 et 3. Le piston 2 est attelé directement à une bielle 4 qui entraîne l'arbre principal 5 par une manivelle 6, tandis que le piston 3 entraîne les arbres secondaires 7 et 7a par l'intermédiaire de la tige 8, de la traverse 9 des tiges 10 et 10a des bielles Il et 11a et des manivelles ou excentriques 12 et 12a.
Le rapport entre les vitesses de rotation et la transmission des efforts entre l'arbre princi- pal 5 et les arbres secondaires 7 et 7a sont assurés au moyen des engrenages 13, 13a$ et 13b qui ont des diamètres tels que le piston 3 effectue une course aller et retour complète dans le temps mis par le piston 2 pour effectuer deux courses aller et retour.
L'arbre principal 5 tourne donc à une vitesse
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double des arbres secondaires 7 On remarquera sur la figure que dans leurs positions initiales représentées par les points
O1, 02 et O3 , la manivelle 6 et les manivelles 12 ne sont pas parallèles mais font entre elles un certain angle [alpha] de sorte que les pistons 2 et 3 ne sont pas à fond de course simultanément* En outre, la disposition est telle qu'une fois par cycle les pistons 2 et 3 viennent sensiblement au contact dans le plan E E2 qui coupe les lumières d'aspi- ration 13 et d'échappement 14. La bougie d'allumage (ou laiguille d'injection) est placée en 15 au centre de la chambre de compression.
II- Fonctionnement en moteur -
Diagramme du fonctionnement (fig. 2).
Si l'on néglige l'obliquité des bielles, les courbes représentant les déplacements des pistons 2 et 3 en fonction de l'angle # de rotation de l'arbre principal 5 sont deux sinusoïdes : #2 pour le piston 2, et #3 pour le piston 3, dont les ordonnées maximum et minimum sont séparées par les distances L2 et L3 représentant les courses totales des pistons 2 et 3. Supposons que les arbres tournent dans le même sens, l'abscisse inférieure représente l'angle de ro- tation de O à 459'de l'arbre principal et l'abscisse supérieure décalée de l'angle [alpha] par rapport à la première, représente l'angle de rotation, de 0 à 2 # des arbres secondaires.
Les courbes #2 et #3 sont pourchaque rotation # = 4 1/de Par- bre 5 tangentes en un point E1 ,qui correspond à l'instant où les deux pistons viennent au contact dans le plan E E' (fig. 1). On remarquera sur la figure 2 que les abscisses correspondant aux maxima et aux minima Sa et S'3 des courbes
02 et #3 sont séparés par un angle [alpha] correspondant au déca- lage initial dont il a été parlée
Le volume du cylindre 1 compris entre les deux pistons 2 et 3 est à chaque instant proportionnel à la longueur
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du segment M2 M3 délimité par les deux sinusoïdes sur des pa- rallèles à l'axe des déplacements des pistons.
En partant du point E1 ,pour lequel ce volume est nul, et en se dépla- çant dans le sens des flèches F, on voit sur la figure 2 que ce volume augmente jusqu'à.ce que les pistons occupent les posi- tions représentées respectivement par les points S2 et S3.
Pendant cette phase du cycle, la soupape d'aspiration s'est ouverte en E1 et la machine a aspiré de l'air ou des gaz frais. Le volume aspiré est proportionnel à la longueur S2 S3.
La soupape d'aspiration se ferme en S2 S3 et les deux pistons dans leur course ascendante se rapprochent. bien que se déplaçant dans le même sens, la compression s'effectue de S2 3 jusquen C2 03 points représentatifs de la position des deux pistons lorsque la distance qui les sépare devient minimum.
Dans le cycle à explosions la compression maximum C2 C3 est suivie d'une légère détente jusqu'en C'2 C'3 points correspondant au point mort supérieur du piston 2 (le plus rapide). Le volume comprimé est, à ce moment peprésenté par la longueur C'2 C'3. Le taux de compression volumétrique a est égal à S2 S3
C'2C'3
Cette légère surcompression suivie d'une détente adia- batique équivalente constitue une transformation adiabatique de faible importance qui estsans influence sur le rendement de la machinât
L'explosion a lieu en C'2 C'3 et la détente s'effec- tue de C'2 C'3 jusqu'en D2D3 , points correspondant aux posi- tions des 2 pistons qui atteignent approximativement la fin de leur course aux extrémités opposées du cylindre. Le taux de détente volumétrique b estégal à. D2 D3 .
C'2C'3
Dans le cycle à combustion le taux de compression
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volumétrique a est égal à S2S3 l'injeotion et la combustion
C2C3 .commencent en C2C3 ,c'est à.dire un peu avant que le piston
2 atteigne son point mort supérieur* La combustion a lieu de
C2C3 à B2B3 et la détente se fait dé B2B3 à D2D3. Le taux de détente volumétrique b est égal à B2B/D2D3 B2B3
L'avance à l'injection n'a pas d'inconvénient, la pression restant sensiblement constante. Elle présente au contraire l'avantage d'augmenter la durée de la phase motrice du cycle.
Dans les deux cycles; la soupape d'échappement s'ou- vre en D2D3 et l'évacuation des gaz brûlés se poursuit de
D2D3 en E2 ,les gaz étant entièrement expulsés, en fin d'é- chappement, lorsque les 2 pistons viennent au contact
Les pistons arrivant en coïncidence dans le plan de section droite E E' (fig* 1), la lumière d'aspiration est placée en El fig. 2) exactement au-dessous de ce plant la hauteur minimum aa' de cette lumière* ou du canal conduisant à la soupape, est déterminée par la portion E1 S3 du parcours que le piston 3 doit encore faire pour atteindre la fin de sa course, La lumière ou le canal d'échappement bb' est placé immédiatement au dessus du plan E E'.
Pratiquement 1?avance à l'allumage, le retard à l'ad- mission; l'avance à l'échappement, etc..,, modifient les du- rées des quatre phases du cycle, mais le principe du fond- tionnement reste le même.
En résumé, la machine fonctionne comme un moteur à
4 temps à explosions ou à combustion (suivant la réalisation choisie), mais elle présente les particularités fondamenta- les de réaliser une détente allongée et d'expulser entièrement les gaz brûlés en fin d'échappement.
Comparée aux moteurs déjà connus, elle présente dans le fonctionnement à explosions comme dans le fonctionnement
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à combustion les avantages suivants :
A - Amélioration importante du rendement total, ré- sultant de l'augmentation simultané du rendement thermody- namique qui provient de l'allongement de la détente, et du rendement indiqué consécutif à l'abaissement de la tempé- rature moyenne des gaz évoluant dans le cylindre qui permet de réduire la quantité de chaleur qu'il est nécessaire de soustraire par la réfrigération pour assurer un bon fonction- nement du moteur.
En outre, dans le cycle à explosions le ren- dement est encore amélioré par l'augmentation du taux de com- pression rendu possible, sans crainte d'auto-allumage et sans emploi d'anti-détonant parl'expulsion totale des gaz brûlés en fin d'échappement qui abaisse la température de la nouvelle charge admise dans le cylindre à chaque aspiration.
L'engrenage réduit légèrement le rendement méca- nique, Le frottement du piston le plus rapide est diminué en faisant subir à l'arbre correspondant une translation qui le reporte en avant de l'axe du cylindre, Ce procédé, déjà connu en soi, supplique d'une manière très intéressante au piston le plus lent. Pour ce piston 3 (fig. 6) l'ensemble des phases de compression et de détente correspond à.une rotation de l'arbre 7 d'un demi-tour seulement.
Si F désigne la résul- tante des forces sur le piston 3 et 0 l'angle de la bielle avec l'axe du cylindre, la composante transversale de la réac- tion de la bielle 11 estFa = F tg ss .En faisant subir au cylindre 1 une translation suffisante pour que la bielle 11 se trouve au moment de 1''explosion sur l'axe du cylindre,, la valeur de tg ss et par suite de F2 est nulle pour cette posi- tion. En outre, la valeur de F2 est très faible pendant toute la rotation de -l'arbre 7, Le frottement du piston 3 dans le cylindre 1 est,,donc très réduit.
Le diagramme (fig. 6) Indique en traits ponctués les valeurs de F2 lorsque l'arbre 7 est axé sur le cylindre, la courbe en trait plein les valeurs de F2
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lorsque le cylindre a subi la translation. Les surfaces hachu- rées en clair et en foncé sont proportionnelles au travail de frottement dans les deux cas.
Le tableau ci-dessous indiqué les rendements escomptés de la nouvelle machine à explosions comparée à ceux d'un moteur' ordinaire de compression 5.
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:Compresa1on:Détente: Rendements : : :thermodynam1que: total
EMI9.2
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<tb> moteur <SEP> ordinaire <SEP> : <SEP> 5 <SEP> : <SEP> 5 <SEP> 0,38 <SEP> : <SEP> 0,29
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<tb> : <SEP> : <SEP> : <SEP> :
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<tb> Nouvelle <SEP> machine <SEP> : <SEP> 7 <SEP> : <SEP> 12 <SEP> : <SEP> 0,54 <SEP> : <SEP> 0,39
<tb>
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<tb> : <SEP> : <SEP> . <SEP>
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L'amélioration du rendement total est donc de 39 - 29
29 .
33% environ. Dans le fonctionnement à combustion cette amélio- ration est de l'ordre de 12%,
B - L'abaissement de la température des gaz réduit la fatigue thermique de la'machine, celle des soupapes en particulier. On peut envisager l'emploi de tiroirs cylindriques rotatifs dont le graissage peut être assuré, ou de soupapes équilibrées spéoiales.
C - L'allongement du cylindre est compensé par une augmentation du poids de la charge fraîche à chaque aspira- tion de sorte que la puissance massique est augmentée dans la même proportion que le rendement.
D - Dans le fonctionnement à combustion, l'injection commençant en C2C3 (fig. 2) c'est à dire avant l'arrivée au point mort du piston le plus rapide, la durée de la phase motrice est augmentée.
Dans les moteurs avec soupapes, pour réaliser d'une
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manière aussi complète que possible llexpnlsion des gaz-br- lés, il est nécessaire de faire usage de soupapes dans les- quelles l'espace nuisible de la chapelle et du canal réunis- sant la chapelle au cylindre soit très réduit lorsque la soupape est fermée. La soupape de la fig. 7 qui remplit cette condition oomprend un cylindre dans lequel se déplace un pis-
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ton dont il faut assurer le graissage, elle convient donc lorsque la température des gaz n'est pas trop,élevée, donc comme soupape d'aspiration dans tous les moteurs thermiques, et comme soupape d'échappement dans les moteurs ayant une détente suffisamment allongée pour que l'évacuation des gaz se fasse à température suffisamment basse.
Dans la réalisation de la fig. 7, la tête de soupape 76 qui vient porter contre le siège 77 est munie d'une tige 78 et elle est solidaire d'un piston creux 79 dont la tête de soupape.constitue le fond inférieur. La soupape est guidée d'une part par la tige 78 qui glisse dans le guide 80 et d'autre part par le cylindre 81 formant partie du corps de chapelle dans lequel se déplace le piston 79, corps de chapelle qui est accolé au cylindre 1 du moteur. L'étanchéité est ob- tenue par des segments 85 logés dans le cylindre 81 ou pla- cés sur le piston 79 de la soupape. La soupape est commandée comme à l'ordinaire par la came d'un arbre de distribution avec ou sans culbuteur, son brusque rappel est effectué par l'action d'un ou de plusieurs ressorts 82 entourant la tige 78.
Cette disposition présente sur les soupapes habi- tuelles les avantages suivants :
1) la pression du cylindre n'agissant pas sur la face supérieure de la soupape, celle-ci est équilibrée et l'effort d'ouverture est réduit à celui nécessaire pour comprimer le ressort de rappel.
2) la résistance au passage des gaz est réduite et le débit est amélioré. En effet, les gaz entrent par l'ori- fice du siège de soupape et ressortent latéralement c'est à dire parallèlement au plan de la tête de soupape, leur trajet est donc presque direct.
3) lorsque la soupape est fermée, le piston 79 occu- pant à peu près complètementle vide de la chapelle, l'espace nuisible est réduit au volume du canal de faible épaisseur
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84 faisant communiquer le cylindre du moteur 1 avec la cha- pelle* Ce canal 84 débouche dans le cylindre du moteur à l'emplacement des lumiéres E E' (fig. 1).
La partie inférieure du siège de soupape communique avec la conduite 86 darrivée des gaz frais, s'il s'agit de la soupape d'aspiration, ou le collecteur d'échappement s'il s'agit de la soupape d'échappement*
La soupape représentée fig. 7 peut être placée suivant le cas parallèlement à l'axe du cylindre moteur, soit perpen- diculairement à cet axe. La température peu élevée des gaz d'é- chappement permet également d'utiliser pour la distribution des tiroirs cylindriques oscillants* La fig. 8 représente la disposition générale d'un moteur à deux arbres conforme à l'invention dans lequel l'orifice du tiroir déohappement affecte la forme d'une tuyère de détente convenablement profilée pour obtenir le meilleur débit avec la plus petite perte de charge.
Le piston inférieurm 92, dont la course est la plus longue, commande l'arbre inférieur (le plus rapide) 94 et le piston supérieurn 93 actionne l'arbre 95 situé à la partie supérieure du moteur.
Sur l'arbre 94 est calée la roue d'engrenage 96 et sur l'arbre 95 la roue d'engrenage 97; le rayon de la roue 97 étant double de celui de la roue 96. Le train d'engrenages est complété par une roue dentée intermédiaire 98 engrenant à la fois avec la roue 96 et aveo la roue 97. (Dans les mo- teurs de grande puissance, pour ne pas employer de roues de trop grand rayon il est prévu d'interposer plusieurs roues intermédiaires).
Les arbres 94 et 95 tournent dans le même sens*
L'arbre inférieur est déporté en avant de l'axe du cylindre pour diminuer les frottements du piston 92 dans le cylindre et l'arbre supérieur 95 est déporté en sens inverse d'une quan
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que tité suffisante pour/La bielle 99 se trouve située sensi- blement dans l'axe du cylindre au moment de l'explosion. Dans ces conditions, le frottement du piston supérieur est considé- rablement réduit comme il a été dit ci-dessus.
La distribution est faite soit par deux tiroirs cylindriques tournant autour de leur axe horizontal, le tiroir 100 servant à l'admission, le tiroir 101 à l'échappe- ment. L'orifice du tiroir d'admission eat à section constan- te, tandis que celui du tiroir d'échappement est tracé pour obtenir le débit maximum avec la plus faible perte de charge possible. Les deux tiroirs sont commandés par des cames ealées directement sur l'arbre supérieur 95 qui tourne avec une vitesse de rotation moitié de celle de l'arbre inférieur.
Chaque came déplace un galet qui fait osciller un levier autour d'un axe horizontal fixe. L'autre extrémité du levier est reliée au tiroir par une tige qui entraîne le tiroir dans son mouvement d'oscillation, le rappel étant fait par un ressort.
L'amplitude de cette oscillation estde 90 environ, et le mécanisme de commande des tiroirs est disposé pour que l'ouverture de la lumière d'aspiration aitlieu de haut en bas pour faciliter l'entrée des gaz frais sous le piston supé- rieur au début de l'aspiration. Par contre la commande du ti- roir d'échappement est faite pour que la fermeture de la lu- mière d'échappement ait lieu de haut en bas pour permettre plus aisément l'expulsion des gaz en fin d'échappement, Pour augmenter la rapidité de l'ouverture et de la fermeture des tiroirs,il sera avantageux d'intercaler dans la commande un dispositif à déclic d'un système déjà connu.
La lumière d'aspiration est placée immédiatement en dessous, et la lumière d'échappement immédiatement au dessus du niveau correspondant à la position des 3 pistons lorsqu'ils viennent au contact en fin d'échappement.
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L'admission est améliorée par la 'forme spéciale du piston supérieur qui est taillé en biseau du côté de l'admis- sion et les segments des deux pistons sont placés à une dis- tance suffisante des fonds de leurs pistons respectifs pour qu'en fin de compression les lumières d'admission et d'échap- pement soient comprises sur toute leur hauteur entre le seg- ment inférieur du piston supérieur et le segment supérieur du piston inférieur, réalisant ainsi une chambre de compres- sion irréprochable.
Les tiroirs sont enveloppés d'une lame d'eau fai- sant partie de la circulation générale de refroidissement du moteur. La soupape d'échappement ainsi réfrigérée et tra- versée par des gaz très refroidis par la détente allongée est maintenue à une température suffisamment basse pour que son graissage soit assuré et son fonctionnement satisfaisante
Ce moteur de réalisation simple et robuste est plus spécialement destiné aux camions automobiles, tracteurs, ou à l'aviation.
II - Fonctionnement en générateur de gaz potentiels.
Si l'on fait tourner la maohine de manière à ce que le diagramme de la figure 2 soit parcouru en sens inverse des flèches F, le cycle décrit est le suivant :
Partant de E2 , les pistons étant au contact, la soupape d'aspiration s'ouvre et l'aspiration a lieu de E2 jusqu'en D2D3. Le volume aspiré (air frais, ou mélange combus- tible) est représenté par la longueur D2D3. La soupape d'aspi- ration se ferme alors et la compression's'effectue de D2D3 en C2C3. Le volume comprimé est proportionnel à C2C3 et le D2D3 taux de compression volumétrique a =D2D3.
C2C3
L'explosion (ou le commencement de la combus- tion) a lieu en C2C3. Si la maohine fonctionne à explosions, la détente se fait de C2C3 en S2S3 et le taux de détente volu-
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S S métrique b a::5 1- . - 2 3
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Si le fonctionnement est à combustion1 la combus- tion seffectue de C2C3 en B'2B'3 et la détente de B'2B'3 jusqu'en S2S3. Dans ce cas le taux de détente volumétrique est b' = S2S3.
B'2B'3
Au voisinage de S2S3 la soupape d'échappement s'ouvre et les gaz refoulés sont entièrement expulsés hors du cylin- dre, les deux pistons venant au contact en fin d'échappement en E1.
Sur le diagramme pressions-volumes de la figure 5 la surface hachurée représente le travail fourni par la détente des gaz, Cette détente étant réglée pour que ce travail soit strictement égal à celui qui est nécessaire pour aspirer, comprimer et refouler les gaz, actionner les auxiliaires (pompes-ventilateurs) et vaincre les frottements, la machine ne fournit aucun travail extérieur sur l'arbre et toute l'é- nergie disponible est emportée par les gaz d'échappement*
En réglant la détente comme il a été dit et en alimen- tant le générateur avec un mélange combustible de pouvoir calorifique faible, permettant toutefois une combustion satis- faisante,
le générateur fournira un débit important de gaz à une température et à une pression convenables pour être uti- lisés dans de bonnes conditions dans une turbine à gaz, soit directement, soit après avoir traversé un réservoir interné- diaire destiné à régulariser le débit.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.