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" Moteur à combustion interne avec régénération Il
La présente invention concerne les moteurs à combus- tion interne alternatifs, dans lesquels pendant chaque cy- cle de fonctionnement une charge de combustible et une nou- velle charge d'un gaz susceptible d'entretenir la com- bustion, par exemple de l'air sont introduites dans le cylindre du moteur, y brûlent et se détendent en produi- sant du travail utile et les produits de la combustion s'é- chappent si on le désire après une nouvelle détente.
Le rendement thermique de ces moteurs est déterminé dans une large mesure par le rapport de détente de la charge et augmente en même temps que ce rapport, la chaleur restant dans le gaz d'échappement après détente étant norma- lement perdue . Mais pour diverses raisons, par exemple pour que les dimensions ou le poids du moteur restent fai-
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bles pour une puissance donnée ou pour limiter la pression maximum développée, il est avantageux que le rapport de détente reste aussi faible que possible.
L'invention permet d'augmenter le rendement thermi- que d'un moteur à combustion interne alternatif pour un rapport de détente donné en disposant dans la moteur ou à son voisinage immédiat un régénérateur de façon à faire passer le gaz d'échappement dans le régénérateur à sa sor- tie du cylindre, ainsi que la nouvelle charge avant son entrée dans le cylindre du moteur à contre courant avec le gaz d'échappement sous une pression sensiblement égale à la pression de compression,
la nouvelle charge chauffée par le régénérateur commençant à pénétrer dans le cylindre au point mort supérieur aussitôt avant le commencement de la course motrice ou assez tôt après pour que le combustible introduit dans le cylindre puisse s'allumer avant que la manivelle ait tourné de 30 environ après ce point mort et un dispositif étant destiné à introduire le combustible dans le cylindre au moment ou un instant avant le moment où la charge commence à pénétrer dans le cylindre .
Le mot "régénérateur" doit être considéré comme désignant un dispositif qui comporte au moins une matrice susceptible d'absorber et de retenir la chaleur lorsque les gaz chauds passent sur sa surface et de céder de la chaleur aux gaz froids qui passent ensuite sur cette même surface, et l'expression "pression de compression" doit être considérée comme désignant la pression maximum atteinte par la nouvelle charge avant l'allumage c'est-à-dire avant 1. commencement de la combustion.
L'augmentation de rendement thermique qu'on peut obte- nir suivant l'invention est due au fait qu'une portion considérable de la chaleur des gaz d'échappement qui est
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normalement perdue est récupérée au moyen d'un régénéra- teur, cédée à la nouvelle charge et par suite rendue utilisable pendant la course motrice . Cependant pour réa- liser cette augmentation de rendement, il est nécessaire de faire en sorte que le préchauffage de la charge ne provoque pas une diminution du rendement de la charge du moteur, et que l'espace mort qui résulte de la présence du régénérateur et des canaux de passage qui en partent et y aboutissent ne provoque pas un retard trop consi- dérable à l'allumage du combustible .
Ce retard est sus- ceptible de se produire si la nouvelle charge est obli- gée avant de pouvoir pénétrer dans le cylindre et y entre- tenir la combustion de chasser d'abord le gaz d'échappement restant dans cet espace mort.
Ces effets nuisibles du préchauffage par régénération sont supprimés ou atténués dans le moteur suivant l'inven- tion. En ce qui concerne le premier d'entre eux, ce résul- tat est obtenu du fait que dans le moteur suivant l'inven- tion la nouvelle charge chauffée par le régénérateur com- mence à pénétrer dans le cylindre du moteur à une pression sensiblement égale à la pression de compression, et par suite que le chauffage de la charge s'effectue en totalité ou en majeure partie à peu près à cette pression.
Le second de ces effets nuisibles est supprimé ou atténué du fait que dans le moteur suivant l'invention la nouvelle charge chauffée commence à pénétrer dans le cylindre au point mort supérieur qui précède immédiatement la course motri- ce, ou assez tôt après que l'allumage puisse se produire avant que la manivelle ait tourné de 30 environ et de préférence de 15 environ après ce point mort. Un re- tard à l'allumage ne dépassant pas 30 après le point mort peut être accepté, d'autant plus que le régénérateur par sa présence permet de donner une faible valeur au rapport de détente.
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Deux moyens sont choisis de préférence pour donner la certitude que la nouvelle charge commence à pénétrer dans le cylindre assez tôt pour que l'allumage puisse se produire avant que la manivelle ait tourné d'environ 30 après le point mort. Le premier de ces moyens consiste à choisir le volume et la position du régénérateur, de façon que le volume de l'espace mort précité ait la faible valeur nécessaire et que, par suite, quoique la nouvelle charge pénétrant dans le cylindre soit obligée de purger d'abord le régénérateur, sa pénétration dans le cylindre ne soit cependant pas retardée au delà d'une limite accep- table.
Le second moyen consiste à combiner le régénérateur et le cycle de fonctionnement, de façon à comprimer d'abord la nouvelle charge du cylindre dans le régénérateur par le piston moteur dans le même sens que le mouvement des gaz d'échappement et à renverser ensuite le sens du mouvement de la charge en la faisant pénétrer de nouveau dans le cylindre au moment où le point mort supérieur est atteint ou immédiatement après, en évitant ainsi d'a- voir à purger le régénérateur avant que la charge chauffée puisse pénétrer dans le cylindre .
Dans le cas d'un moteur auquel est appliqué le pre- mier des moyens précités, il convient généralement de faire arriver la nouvelle charge dans le générateur à l'état de compression à la pression de compression par un compresseur extérieur et de faire fonctionner le moteur lui-même à deux temps.
Dans le cas d'un moteur dont le cylindre comporte une chambre de combustion, il doit être bien entendu qu'à moins d'indication contraire dans le contexte, le mot "cylindre" désigne la chambre de combustion du cylin- dre. Par exemple, lorsqu'il est question de l'entrée ou de l'introduction du combustible et du gaz combusti-
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ble dans le cylindre, l'expression "dans le cylindre" doit être considérée, dans le cas où il existe une cham- bre de combustion, comme signifiant "dans la chambre de combustion du cylindre ".
Dans les conditions de fonctionnement normales avec les combustibles normalement consommés dans les moteurs à combustion interne, la nouvelle charge est préchauffée par le régénérateur à une température suffi- sante pour provoquer l'allumage du combustible, et par suite, l'allumage s'effectue automatiquement sans qu'il soit nécessaire d'atteindre les taux de compression éle- vés qui sont nécessaires dans les moteurs à allumage par compression.
Cependant, on peut monter un dispositif d'allumage auxiliaire, par exemple une boule incandescente, un dispositif à étincelles ou à arc, dans le cylindre, ou immédiatement en avant du cylindre, et l'utiliser au moment du démarrage ou de la marche dans des conditions dans lesquelles le chauffage de la charge est insuffi- sant pour provoquer l'allumage.
Etant données la température initiale relativement élevée et la basse pression de compression, la combustion dans un moteur suivant l'invention est moins violente un que dans/ moteur comparable du type courant. Il est donc possible d'utiliser d'une manière efficace des combustibles de trop mauvaise qualité pour être utilisés dans les mo- teurs ordinaires. Parmi les combustibles qu'on peut utili- ser, on peut citer par exemple les combustibles de distil- lation, tels que l'essence, le pétrole lampant ou le gasoil et dans certains cas, des combustibles résiduels, tels que le fueloil.
On peut faire varier la puissance du moteur en faisant varier l'instant où cesse l'admission du gaz
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comburant frais dans le cylindre , ou mieux en faisant varier la quantité du combustible injecté. Cependant, cette dernière solution a l'inconvénient d'abaisser la température du gaz d'échappement sous les faibles charges et cette température peut devenir insuffisante pour chauf- fer la charge d'admission à la température d'allumage.
Il vaut donc mieux faire varier à la fois l'admission du combustible et du gaz comburant, de façon à maintenir leur rapport constant. Dans ce cas, la température du gaz d'échappement reste sensiblement constante, tandis que la réduction du débit du gaz d'échappement passant dans le régénérateur est compensée par la réduction du débit @ de la charge d'admission qui, par suite, reste à la même température. Lorsqu'il existe un compresseur exté- rieur, sa pression maximum peut servir à régler le refoule- ment de la pompe à combustible, était donné que cette pres- sion maximum est sensiblement proportionnelle à la puis- sance.
Il a été dit précédemment qu'il est indispensable, dans le cas d'un moteur dans lequel la nouvelle charge doit chasser le gaz d'échappement de la matrice du régénéra- teur avant de pénétrer dans le cylindre, que le volume de l'espace mort qui résulte de la présence du régénérateur, ne soit pas assez grand pour provoquer un retard excessif à l'allumage, c'est-à-dire un retard de plus de 30 de l'angle de la manivelle .
Mais il est également avanta- geux, dans le cas d'un moteur dans lequel le sens de la circulation de la charge se renverse dans la matrice, que l'espace mort soit aussi petit que possible en considérant le rapport thermique du régénérateur qu'on désire obtenir, c'est-à-dire le rapport entre l'élévation de température de la charge d'admission pendant son passage dans la ma- trice et la différence- de température maximum entre le gaz
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d'échappement chaud et la charge froide, au moment où ils pénétrent respectivement dans la matrice .
Pour un type donné de matrice, le volume du régénéra- teur est fonction du rapport thermique et augmente rapide- ment lorsque ce rapport thermique augmente. Il semble égale- ment que pour un moteur donné quelconque, il existe un rapport thermique optimum, qui permet d'obtenir un rendement thermique maximum, et qui est déterminé dans une large me- sure par le rapport de détente du moteur considéré. Etant donné qu'on désire obtenir un rendement thermique élevé, le rapport thermique optimum est donc une grandeur déterminée pour un moteur d'une force de construction particulière quelconque et ne peut pas être modifié pour diminuer le volume du régénérateur sans faire diminuer le rendement thermique .
Le choix d'un type de matrice d'un volume minimum pour un rapport thermique donné est donc important et, en conséquence, la matrice qu'on choisit de préférence consiste dans un métal sous une forme permettant d'obtenir une surface étendue par unité de volume et assemblée de façon à former une matrice permettant au gaz d'y passer.
La matrice peut donc consister par exemple en plusieurs toiles métalliques superposées, ou dans une masse de fils métalliques non tassés, étant entendu que si la résistance mécanique de cette matrice n'est pas suffisante pour lui permettre de conserver sa forme dans les conditions de fonctionnement, elle comporte des dispositifs de support permettant au gaz d'y passer.
Mais avec une matrice du type précité, il est néces- saire'de faire intervenir une autre considération dans la détermination du rapport thermique à choisir, à savoir la résistance du métal en question à la chaleur et à l'oxy- dation. En effet, la température à l'extrémité chaude du régénérateur , augmente eh fonction de l'augmentation du
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rapport thermique, et peut être beaucoup trop élevée pour que la matrice y résiste . Il convient donc de choisir de préférence des alliages résistant à la chaleur et à l'oxydation, tels que par exemple l'acier inoxydable connu, les alliages de nickel-chrome et de nickel-chrome- fer,, quoique, même avec ces matériaux, il puisse être nécessaire dans certains cas d'adopter un rapport thermique légèrement inférieur au rapport optimum.
Mais étant donné que le rendement thermique du moteur ne varie pas rapide- ment avec le rapport thermique du régénérateur, surtout au voisinage de la valeur optimum la diminution du rapport thermique, qui résulte de la nature du matériau contituant la matrice, ne présente normalement pas d'inconvénient.
De plus, quoique les considérations qui précèdent s'appli- quent à un moteur d'une forme de construction donnée, il peut être souvent possible de modifier la forme de construc- tion, de façon à faire correspondre le rapport de détente avec le rapport thermique qui peut être adopté dans la pra- tique du régénérateur.
D'après les considérations qui précèdent, le volume le plus avantageux du régénérateur d'un moteur donné quel- conque est déterminé par plusieurs variables- Mais on a constaté qu'en employant une matrice du type décrit ci- dessus il est possible de faire en sorte que le volume le plus avantageux du régénérateur soit inférieur à 10 % de la cylindrée , qui dans le cas d'un moteur dans lequel la nouvelle charge doit purger le régénérateur, permet de provoquer le commencement de l'allumage avant que la manivel- le ait atteint un angle de 30 après le point mort supé- rieur..Il doit être évidemment bien entendu que le volume dont il est question dans les considérations qui précèdent est le volume de l'espace mort, c'est -à-dire le volume des interstices du régénérateur contenant du gaz.
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Dans le cas d'un moteur dans lequel la nouvelle charge est mise à la pression de compression par un compresseur extérieur, celui-ci peut être d'un type quel- conque connu et peut être actionné par le vilebrequin du moteur. Une autre solution qui peut être avantageuse dans certains cas consiste à commander le compresseur par un groupe de turbine à gaz comportant un compresseur . commandé par le vilebrequin du moteur et refoulant l'air dans une chambre de combustion dans laquelle le combusti- ble brûle le gaz ainsi obtenu arrivant sur les aubes de la turbine.
De plus, il peut être avantageux,dans les moteurs dans lesquels la totalité ou une partie de la compression s'effectue par le piston moteur , d'incorporer un compres- seur extérieur servant à suralimenter le moteur ou dans le cas d'un moteur à deux temps, à balayer le cylindre.Ce compresseur extérieur peut être commandé par l'un des procédés décrits dans le paragraphe précédent ou, si on le désire, par une turbine à gaz d'échappement. De même, dans les diverses formes de moteurs suivant l'invention, le cycle peut être choisi de façon qu'une partie notable de la détente du gaz chaud s'effectue dans une turbine disposée de façon à contribuer à la puissance utile du moteur.
Sur le dessin ci-joint, qui représente, sous forme plus ou moins schématique, à titre d'exemple, diverses formes de réalisation de l'invention, de moteurs à cylin- dre unique : la fig. 1 est une coupe longitudinale d'un moteur dans lequel la nouvelle charge doit purger le régénéra- teur avant de pénétrer dans le cylindre , la fig. 2 est une vue en plan d'un moteur à quatre temps, dans lequel la charge est comprimée dans le régé- nérateur en sortant du cylindre, puis change de direction
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et pénètre de nouveau dans le cylindre; la fig. 3 est une coupe suivant la ligne A-A de la fig. 2;
la Fig' 4 est une coupe suivant la ligne B-B de la fig' 2 et la Fig. 5 est une coupe longitudinale d'un moteur à deux temps dans lequel la charge est comprimée dans le régénérateur en sortant du cylindre puis change de di- rection et pénètre de nouveau dans le cylindre.
Sur toutes'les figures, les mêmes pièces sont désignées par les mêmes références.
Le moteur de la fig. 1 comporte un cylindre 10, un piston 11, un orifice d'admission d'air 12 et une soupape 13 et un orifice d'échappement 14 et une soupape 15. Les orifices d'admission et d'échappement et les sou- papes sont disposés dans la culasse du cylindte 16. Une matrice 18 de régénérateur, qui est fixée dans un évide- ment cylindrique 17 de la culasse du cylindre et communi- que avec les orifices d'admission et d'échappement ,a une forme sensiblement cylindrique et peut consister en plu- sieurs couches superposées de toile métallique . Une tuyè- re d'injection du combustible 19 se trouve à proximité du côté de la matrice 18 dirigé vers le cylindre 10.
Lorsque le moteur fonctionne,l'air arrive dans l'orifice d'admission après avoir été comprimé à une pression légèrement supérieure à la pression de compres- sion par un compresseur extérieur, non représenté. Le moteur fonctionne suivant un cycle à deux temps, dans lequel la soupape d'admission s'ouvre un instant avant le point mort supérieur de façon à admettre la nou- velle charge qui traverse ensuite et purge le régénéra- teur. Une fois cette purge sensiblement terminée,l'air chauffé à une température suffisante pour allumer le
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combustible, pénètre dans le cylindre . 'injection du combustible commence peu de temps après le point mot supé- rieur.
La course de détente oumotrice du piston commence alors et la soupape du piston se ferme à un moment varia- ble pendant cette course .La soupape d'échappement s'ouvre un instant avant le point mort inférieur et le gaz d'échappe- ment est refoulé hors du cylindre pendant la course ascendan- te du piston, en traversant la matrice 18 avant d'arriver à l'orifice d'admission. La soupape d'échappement se ferme un instant avant que la soupape d'admission s'ouvre et le cycle recommence de lui-même.
Pour faire démarrer le moteur à froid, il est nécessai- re de prévoir un moyen quelconque, non représenté, de pré- chauffage du régénérateur ou une bougie d'allumage égale- ment non représentée, pour allumer le combustible pendant les quelques premières courses, pendant que le régénérateur s'échauffe .
La matrice du régénérateur du moteur construit sui- vant la fig. 1 consiste en 24 disques de 76 mm de diamè- tre, d'une toile métallique à ouverture de mailles de 0,7 mm en fil d'acier résistant à la chaleur de 0,3 mm. En tenant compte du volume de la matrice dont l'action est nulle en raison des épaulements qui fixent sa position dans la culasse du cylindre, le rapport entre le volume de la matri- ce et celui de la cylindrée est d'environ 5 %, le rapport entre le volume de l'espace mort résultant de la présence de la matrice (c'est-à-dire le volume total de la matrice diminué du volumeu fil qui la compose) et le volume de la cylindrée étant un peu plus faible . Ltinjection du combus- tible commence à un angle de 30 de la manivelle après le point mort supérieur .
Le rapport thermique de la matrice est de 70 à 80 % et le rendement thermique maximum obtenu
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avec ce rapport correspond à un rapport de détente de 3,5 : 1. La température de l'extrémité chaude du régénéra- teur atteint une valeur d'équilibre de 900 à 1000 C.
Les chiffres du paragraphe précédent ne sont donnés qu'à titre d'exemple . Si le rapport de détente est diffé- rent, les rapports thermiques les plus favorables corres- pondant au rendement thermique maximum sont différents.
Par exemple, pour un rapport de détente d'environ 3 : 1, le rapport thermique optimum est d'environ 80 %, pour un rapport de détente de 4,7 : 1 d'environ 60 % et pour un rapport de 6,5 : 1 d'environ 40 %. Mais, ainsi qu'il a été dit, il peut arriver que dans un cas particulier donné, le rapport thermique, théoriquement le plus avantageux,'ne puisse pas être réalisé dans la pratique, étant donné qu'il peut correspondre à une température à l'extrémité chaude du régénérateur trop élevée pour que le matériau constituant la matrice puisse y résister.
Le moteur de la fig. 1 peut être modifié de façon à fonctionner à quatre temps, une des courses du piston servant à comprimer la charge au lieu d'un compresseur extérieur, en disposant un réservoir communiquant respec- tivement avec la partie supérieure du cylindre et avec la côté froid du régénérateur par des orifices de transmission comportant des soupapes.
Suivant une autre variante, le régénérateur est monté dans une conduite communiquant avec le cylindre aux deux extrémités par des orifices de transmission comportant des soupapes. L'orifice d'admission du moteur débouche directement dans le cylindre et l'orifice d'échappement débouche dans la conduite du régénérateur du côté froid de ce régénérateur.
Les soupapes sont synchronisées de façon à fonctionner suivant le cycle à quatre temps suivant :
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1) Introduction de la charge, par exemple à la pres- sion atmosphérique par l'orifice d'admission;
2) Compression de la charge par le piston moteur dans le régénérateur, la charge circulant du côté froid au côté chaud de la matrice;
3) Détente commençant au point mort supérieur dans le cylindre du gaz d'échappement chassé de la matrice et suivi par la nouvelle charge;
4) Injection et combustion du combustible.
On remarquera que cette forme de réalisation ne comporte pas de renversement du sens de la circulation de la charge dans le régénérateur, qui par suite doit être purgé avant que la charge puisse entrer dans le cylindre.
Les figs. 2,3 et 4 représentent un moteur à soupapes latérales, dans lequel un régénérateur est monté dans un évidement 17 de la culasse de cylindre . L'orifice d'admission 12 communique directement avec le cylindre 10, tandis que l'orifice d'échappement communique avec le côté extérieur du régénérateur, de sorte que la totalité du gaz d'échappement doit traverser le régénérateur avant d'arriver dans l'orifice d'échappement . La régénérateur , qui est représenté en coupe sur la fig. 3 et en élévation sur la fig. 4, a la forme générale d'un tronc de cône creux et consiste dans une matrice 18 et un élément du support 20 tronconique percé de trous 22.
Le gaz circule dans le régénérateur dans le sens radial, c'est-à-dire de la portion creuse centrale du cône, de dedans en dehors dans l'évidement 17 et inversement,les faces de bout de la matrice étant obturées par l'épaulement de support 21 à l'extrémité inférieure et par la paroi supérieure de l'évidement 17 à l'extrémité supérieure . Le combustible est injecté par l'injecteur 19 dans la direction de l'axe à l'intérieur de l'élément de support 20, qui fonctionne ainsi sous forme de chambrede combustion.
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Les mouvements des soupapes et l'injection sont synchronisés de façon à faire fonctionner le moteur à quatre temps an accomplissant les courses suivantes :
1) Course d'induction . - La soupape d'admission s'ouvre à peu près au point mort supérieur et une nouvel- le charge, par .exemple d'air, qui peut être à la pression et à la température atmosphérique, est assurée dans le cylindre par le piston qui y descend, la soupape d'admis- sion se ferme à peu près au point mort inférieur,
2) Course de compression. - Le piston monte et com- prime la charge dans et à travers la matrice du régénéra- teur.
3) Course motrice. - La circulation de la charge dans le régénérateur change de sens au point mort sppérieur et lapharge commence àsortir du régénérateur en pénétrant à l'intérieur du cône 20. Le combustible est injecté au point mort supérieur ou à peu près et s'allume avec un retard faible sinon nul, en raison de la température élevée de la charge sortant du régéné- rateur. Le gaz, en se détendant, refoule le piston de haut en bas .
4) Course d'échappement. - La soupape d'échappement s'ouvre à peu près au point mort inférieur et le piston ascendant refoule le gaz brûlé à travers le régénérateur en le faisant sortir par l'orifice d'échappement .La soupape d'échappement se ferme à peu près au point mort supérieur.
Une bougie d'allumage 21 est montée dans l'espace de combustion, de façon à provoquer l'allumage pendant que le régénérateur, qui était froid, s'échauffe.
Dès que le régénérateur a atteint sa température cons- tante, la charge se chauffe à une température très supérieure à la température d'allumage du combustible.
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Le moteur de la fig. 5 fonctionne d'après le même principe de la compression de la charge dans le régénéra- teur par le piston moteur suivie du renversement de son mouvement, comme dans le moteur des figs. 2 à 4. Mais sur la fig. 5, ce principe est appliqué à un moteur à deux temps, qui comporte un orifice d'admission 12, commandé par une soupape à plateau! 3 et une série d'ori- fices d'échappement 14 commandés par le piston 11.Dans l'exemple représenté, la matrice du régénérateur 18 est montée dans un élément 21 qui forme un prolongement du piston. La matrice se trouve à une certaine distance de la surface du piston, de façon à permettre au gaz d'échappement de s'échapper par des trous 22 percés dans l'élément 21.
Les mouvements des soupapes et l'injection sont synchronisés de'façon à faire fonctionner le moteur à deux temps. La charge d'admission, qui est de préférence à une pression' de balayage légèrement supérieure à la pression atmosphérique , balaie le cylindre en faisant passer le gaz d'échappement par le régénérateur avant d'arriver aux orifices d'échappement. Puis le piston comprime la charge pendant sa course ascendante.
La charge étant comprimée passe dans et à travers la matrice 18 et commence à circuler en sens inverse au point mort supérieur et à pénétrer de nouveau dans le cylindre . Le combustible est injecté à ce point mort, ou à peu près, et l'allumage s'effectue avec un retard faible sinon nul.
La position du régénérateur sur la surface du piston, quoiqu'augmentant le poids du piston, a l'avan- tage de maintenir froide la surface du piston, étant donné que cettesurface se trouve évidemment au voisinage côté du/froid du régénérateur.