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NATIONAL RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION, résidant à LONDRES.
PERFECTIONNEMENTS AUX MOTEURS A COMBUSTION INTERNE TURBO-CHARGES.
La présente invention est relative aux moteurs à combustion interne turbo-chargés et a pour but d'augmenter le rendement de tels moteurs à combustion interne d'une manière simple, efficace et économique.
Deux des conditions nécessaires pour obtenir un rendement ther- mique maximum dans les moteurs à combustion interne du type à pistons sont les suivantes:
Tout d'abord, il faut qu'en chaque point de la gamme des charges du moteur, le travail dépensé pour fournir l'air ou le mélange d'air et de carburant ne soit pas excessif.
En second lieu, il faut faire usage du taux de détente le plus élevé ; à cette fin, l'air ou le mélange d'air et de carburant doit être com- primé par le piston dans la mesure la plus élevée possible dans les limites finales du cycle. Ces limitations sont déterminées par la détonation dans le moteur à cycle d'Otto et par des sollicitations mécaniques de limitation dans le moteur à allumage par compression et, dans les moteurs normaux, ces li- mites ne sont approchées qu'à pleine charge, tandis que des taux de compres- sion plus élevés sont désirables aux charges partielles. Cette seconde con- dition implique, tout comme la première, que la quantité d'air ne soit pas inutilement grande, car ceci rendrait impossible, l'utilisation du taux de compression maximum approprié à la charge.
Il est essentiel que ces deux conditions soient remplies, si on doit obtenir le rendement le plus élevé possible, et ces conditions ne peuvent pas être réalisées par un moteur possédant un taux de compression fixe ou dans lequel la quantité de charge franche utilisée par cycle est constante ou est ajustée par une soupape de réglage.
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L'invention, concerne un moteur à combustion interne turbo-char- gé, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif grâce auquel l'espace mort du cylindre est variable, tandis que le temps de compression efficace est inférieur au temps de détente efficace.
L'invention porte également sur un moteur à combustion interne, tel que décrit dans le paragraphe précédent, dans lequel le système de tur- bo-chargement est agencé, de manière à produire le transfert maximum d'éner- gie des gaz d'évacuation à l'air de charge.
L'invention se caractérise encore en ce que le dernier orifice du cylindre à se fermer, se ferme lorsque le volume prévu au-dessus du pis- ton est sensiblement inférieur au volume total du cylindre. L'emploi d'un dis- positif pour faire varier le volume ou espace mort dans le cylindre de travail d'un moteur à combustion interne turbo-chargé confère l'avantage qu'à toutes les charges le taux de détente le plus élevé et, par conséquent, le rendement thermique le plus élevé,compatibles avec la pression maximum permise dans le cylindre, peuvent être obtenus. Dès lors, aux charges inférieures à la char- ge maximum du moteur à taux fixe correspondant, le moteur à taux variable a un rendement plus élevé.
Pour une pression maximum donnée dans le cylin- dre, le moteur '4 taux variable peut aussi supporter des charges plus élevées que le moteur à taux fixe, par suite d'une réduction du taux en-dessous de la valeur du taux fixe, ce dernier constituant un compromis pour la gamme de charges.
Une autre condition avantageuse dans un moteur turbo-chargé peut être obtenue comme suit : - Le système de turbo-chargement est agencé de manière à produire le transfert aussi élevé que possible d'énergie des gaz d'évacuation à l'air d'alimentation ou de charge, dont la pression est ainsi augmentée, et le taux de compression efficace dans le cylindre du mo- teur est réduit en modifiant le réglage des soupapes ou des orifices, de façon à atteindre sensiblement la même pression de compression.
Cette com- pression externe accrue de l'air de charge et la réduction du taux de com- pression du moteur donnent lieu à une économie dans le travail net accompli par le piston sur la charge d'air et, par conséquent, une réduction dans la consommation de carburant, étant donné que la compression externe accrue est obtenue à partir de l'énergie évacuée avec peu ou pas d'augmentation de la consommation de carburant. Des essais ont révélé que, lorsque le de- gré de chargement ou alimentation sous pression est augmenté, l'énergie de refoulement ou d'évacuation disponible, lorsque le moteur marche à plei- ne charge, est plus grande que celle nécessaire pour comprimer l'air de charge à la pression qui, lors de la pleine utilisation du temps de compres- sion, donnera la pression maximum permise dans le cylindre.
Le procédé présente également l'avantage de-permettre à un agent de refroidissement donné d'extraire, dans un post-refroidisseur, plus de cha- leur de la charge d'air, à cause de la température plus élevée de la charge plus fortement comprimée. Dès lors, avec une pression de cylindre donnée à la fin du temps de compression efficace réduit, la température de compres- sion est inférieure et un plus grand poids d'air est présent dans le cylin- dre, en sorte qu'une plus grande charge peut être supportée, avant d'attein- dre les températures limites du moteur. Par ailleurs, le travail de compres- sion du piston est davantage réduit. Un degré donné de refroidissement de la charge peut aussi être obtenu avec un plus petit post-refroidisseur ou avec un agent de refroidissement à une température plus élevée qu'il n'est néces- saire dans le cas normal.
Afin de récupérer plus d'énergie des gaz d'échap- pement ou d'évacuation sous la forme d'énergie dans l'air de chargement, 1' efficacité du système de compression à turbo-chargeur peut être améliorée par l'emploi d'un post-refroidisseur ou de refroidisseurs intermédiaires en- tre deux ou plus de deux étages de compression.
Une sérieuse limitation de ce procédé, lorsqu'il est appliqué à un moteur à allumage par compression et qui a empêché son application, rési-
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de dans le fait que l'emploi d'un taux de compression sensiblement inférieur au taux de détente n'est praticable qu'aux fortes charges du moteur, étant donné qu'aux charges partielles, la pression de l'air quittant le turbo-char- geur est insuffisante pour fournir la pression et la température requise à la fin du temps de compression efficace réduit pour assurer une combustion satisfaisante. En fait, il est nécessaire de prévoir des moyens pour ramener les réglages des soupapes ou des orifices à leurs conditions normales, de manière à permettre le démarrage et la marche à faible charge d'un moteur à allumage par compression présentant cette particularité.
Cette complication mécanique et la limite moins élevée de la gam- me de charges dans laquelle l'efficacité améliorée du cycle peut être obtenue, sont supprimées en combinant le système spécifié plus haut, qui se caracté- rise essentiellement par le fait que le rapport taux de détente est sen- taux de compression siblement supérieur à l'unité, avec les moyens spécifiés plus haut, de telle sorte que les taux de compression et de détente sont modifiés à tel point qu'une pression maximum approximativement constante est maintenue dans le cylindre dans toute la gamme des charges. Dans un moteur, dans lequel ces particularités sont combinées, le dispositif à taux variable assurera que les pressions maxima dans le cylindre seront à la valeur élevée prédétermi- née, même aux charges les plus élevées.
Dès lors, la température et la pres- sion de compression seront aussi élevées qu'à pleine charge, en sorte qu'un rendement satifaisant sera assuré aux charges partielles, sans modification des réglages préférés des soupapes et des orifices. A pleine charge, dans un tel moteur, le taux de détente peut être approximativement le même que dans un moteur ne présentant aucune des particularités spéciales, mais à faible charge, afin de maintenir la pression maximum prédéterminée dans le cylin- dre, le dispositif à taux variable agira de manière à comprimer la charge d'air dans un très petit espace mort, à cause de la faible pression de la charge d'air à faible charge et à cause du fait qu'une particularité de la combinaison réside en une course ou temps de compression efficace réduit, c'est-à-dire en un volume réduit de charge emprisonné dans le cylindre.
Grâce à ce petit espace mort et à la course de détente efficace normale, qui est maintenue dans toutes les conditions, (bien que les réglages opti- ma de la soupape et des orifices puissent être quelque peu modifiés par 1' emploi des particularités spéciales), le taux de détente à faible charge sera très grand et le rendement thermique sera élevé. Ainsi, l'avantage de la condition taux de détente 1 est maintenu dans toute la gamme de taux de compression charges.
Les considérations précédentes s'appliquent tant aux moteurs à allumage par compression fonctionnant selon le cycle à deux temps qu'à ceux à quatre temps. Des dispositifs à taux variable appropriés pour ces deux types de moteurs sont décrits plus loin. La réduction requise du temps de compression efficace peut être obtenue dans les moteurs fonctionnant se- lon le cylindre à quatre temps, en fermant la soupape à air en un point de la course du piston, où le volume du cylindre est sensiblement inférieur au volume entier.
Le réglage précis dépendra, comme on l'a expliqué précé- demment, de la pression à laquelle la charge d'air peut être amenée par le turbo-chargeur et sera agencé de façon qu'à pleine charge, avec le dispositif à taux variable ajusté de manière à fournir la pression maximum permise dans le cylindre, l'espace mort soit suffisant pour contenir la charge d'air né- cessaire pour la combustion du carburant, mais n'excède pas grandement le volume nécessaire, étant donné qu'avec la course de piston donnée, l'emploi d'un espace mort inutilement grand donnerait lieu à un taux de détente inu- tilement faible.
Dans les moteurs fonctionnant selon le cycle à deux temps, le temps de compression efficace réduit peut être obtenu en fermant la sou- pape d'échappement, lorsque le volume présent dans le cylindre est sensible- ment inférieur au volume entier, ou en adoptant un agencement équivalent des orifices d'entrée et d'échappement. N'importe quel procédé connu pour assis-
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ter le turbo-chargeur d'un moteur fonctionnant selon le cycle à deux temps peut être employé dans l'agencement selon la présente invention. Ainsi, une soufflerie à déplacement positif entraînée mécaniquement par le moteur peut être employée en série ou en parallèle avec le turbo-chargeur.
La description immédiatement précédente de l'invention a été faite particulièrement en référence aux moteurs à allumage par compression, mais il est évident que des avantages peuvent également être obtenus lors de l'application de l'invention à des moteurs à combustion interne turbo- chargés équipés de moyens pour faire varier l'espace mort dans un cylindre ou dans des cylindres de ces moteurs, dans lesquels la charge est consti- tuée par un mélange combustible, notamment à des moteurs à essence alimentés par un mélange carburé.
Dans le type normal de moteur à combustion interne à pistons, le taux de compression volumétrique est fixe. Dans certaines catégories de moteurs à combustion interne, un rendement amélioré peut être obtenu en ré- glant le taux de compression, en fonction de la charge du moteur. Ainsi, dans le cas des moteurs à essence, la valeur choisie pour le taux de compres- sion fixe est celle à laquelle le moteur commence juste à cogner, lors du plein étranglement du carburant A toute charge inférieure à la charge maxi- mum, un taux de compression plus élevé peut être utilisé avec une améliora- tion conséquente de l'économie de combustible.
Ainsi, à un tiers de la char- ge maximum, le moteur peut fonctionner sans cogner avec un taux de compres- sion environ deux fois aussi élevé que la valeur limite à la charge maximum, ce qui donne une réduction de la consommation de carburant d'environ 30% Dans les moteurs chargés ou alimentés sous pression de ce type, des amélio- rations similaires et même plus grandes peuvent être obtenues, étant don- né que la gamme des pressions de charge est étendue.
Ceci est particuliè- rement le cas pour les moteurs d'avions du type à pistons, car des chargeurs appropriés sont prévus pour maintenir, en vol, les pressions d'entrée pro- duites au sol et ces dispositifs ne peuvent normalement pas être utilisés pour obtenir une puissance supplémentaire pour le décollage, étant donné que le degré de chargement sous pression utilisable au sol est limité par la détonation, lorsqu'un taux de compression fixe donnant une économie sa- tisfaisante en croisière est employé. Toutefois, avec des pistons à taux variables, toute l'ampleur du chargement sous pression peut être employée pour le décollage, les pistons donnant automatiquement le faible taux requis, tan- dis qu'un taux plus élevé que la valeur de compromis précédemment choisie est automatiquement fourni pour les conditions de croisière.
Dans le cas d'un moteur à allumage par compression turbo-chargé, le taux de compression fixe choisi est celui qui, à charge maximum, donne les pressions de cylindre maxima n'excédant pas certaine valeur limite, au delà de laquelle des charges excessives seraient imposées à la structure du moteur. Dans toutes les conditions de marche à charge partielle, la pression maximum tombe en dessous de la valeur limite, en partie à cause de la pres- sion réduite de l'air fourni par le turbo-chargeur et, en partie, à cause de la plus petite quantité de carburant brûlée pendant chaque processus de combustion. Ainsi, dans ce cas également une augmentation du taux de compres- sion avec une réduction de la charge du moteur est permise et améliore le rendement thermique.
Par ailleurs, le système en question résoud le problè- me du démarrage de moteurs alimentés ou chargés sous pression élevée, qui présentent normalement de faibles taux de compression fixes pour satisfai- re aux conditions prévalant lors de la marche à pleine charge, et ce pro- blème déjà sérieux le devient encore davantage, lorsque le degré de char- gement sous pression augmente.
Conformément à la présente invention, on prévoit un dispositif grâce auquel le taux de compression d'un moteur turbo-chargé est modifié automatiquement en fonction essentiellement de la pression de gaz maximum agissant sur le piston, de manière à obtenir, dans toutes les conditions de marche du moteur, le taux de compression le plus élevé permis. A cette fin,
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un piston à ajustement automatique est employé, de préférence, à la place du piston normal. te piston comporte au moins deux parties, dont l'une est reliée à la petite extrémité ou pied de la bielle par un dispositif con- nu, tandis que l'autre partie, qui fait partie de la limite de la chambre de combustion, est mobile par rapport à la première partie, de telle sor- te qu'il soit possible de modifier l'espace mort.
Le déplacement requis est commandé par le passage d'huile (qui peut être empruntée au système d'hui- le lubrifiante du moteur) dans et hors d'une chambre ou de chambres formées entre les deux parties du piston. Ces mouvements de l'huile peuvent être contrôlés par des soupapes de retenue d'entrée et par des soupapes d'éva- cuation chargées par un ressort et/ou par des orifices de décharge agencés et ajustés de façon à donner les changements requis de position de la partie ajustable du piston, en fonction de la charge du moteur.
Des avantages supplémentaires du présent agencement résident dans le fait que, dans des moteurs fonctionnant selon le cycle à quatre temps, des variations, en fonction de la vitesse, de la valeur de l'effet d'inertie du fluide et de la position de la partie du piston non reliée à la bielle peuvent être agencées pour donner une variation donnée dans la position re- lative des deux ou plus de deux parties du piston , lorsque varie la vites- se du moteur. Au surplus, ces forces d'inertie peuvent être employées pour aider à l'entrée d'huile dans la chambre ou dans les chambres, ce qui- permet l'emploi d'une alimentation, en huile sous faible pression.
L'agencement suivant l'invention peut être appliqué à un piston sans aucune augmentation considérable du poids de celui-ci, étant donné que l'épaisseur de la couronne peut être réduite, en raison de la forme de construction utilisée.
Dans les diverses formes d'exécution de pistons décrites, ci- après, on supposera que les pistons travaillent dans les cylindres verticaux avec la chambre de combustion située à la partie supérieure de ceux-ci, mais il va de soi que ces pistons peuvent être employés dans des cylindres occu- pant n'importe quelle autre position.
Les dessins ci-annexés représentent, à seul titre d'exemples, un certain nombre de formes d'exécution de l'invention. Dans ces dessins: - la figure 1 est une coupe transversale d'une forme de pis- ton ; - la figure 2 est une coupe transversale du même piston, per- pendiculairement à la coupe illustrée à la figure 1; - la figure 3 est une vue en plan, après coupe suivant le plan représenté par la ligne A-A à la figure 1; - la figure 4 est une coupe transversale d'une autre forme de piston ; - la figure 5 est une vue en plan, après coupe suivant le plan représenté par la ligne A-A à la figure 4; - les figures 6 et 7 représentent encore d'autres formes de pistons, en coupe transversale;
- la figure 8 est une vue schématique d'un moteur à combus- tion interne turbo-chargé comportant des refroidisseurs entre le chargeur et le cylindre; - la figure 9 est une vue schématique d'un moteur à combus- tion interne turbo-chargé comportant des refroidisseurs entre deux étages de compression; - la figure 1C est une vue schématique d'un moteur à combustion interne turbo-chargé, comportant une soufflerie entraînée mécaniquement pour assister le turbo-chargeur;
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- la figure 11 est un diagramme montrant la relation entre la pression et le volume de la charge dans le cylindre d'un moteur, dans le- quel le rapport taux de détente est sensiblement supérieur à 1;
taux de compression - la figure 12 est un diagramme montrant la relation entre la pression et le volume de la charge pendant la course de compression dans le cylindre , lors du démarrage d'un moteur, dans lequel le rapport taux de dé- tente taux de com- pression est sensiblement supérieur à 1; - la figure 13 est un diagramme montrant la relation entre la pression et le volume de la charge dans le cylindre d'un moteur travaillant selon le cycle normal, au moment du démarrage, et - la figure 14 est un diagramme montrant la relation entre la pression et le volume de la charge dans le cylindre d'un moteur travaillant dans des conditions de démarrage, ayant un rapport taux de détente taux de compression sensiblement supérieur à 1 et équipé d'un dispositif à taux variable.
Dans une forme d'exécution selon l'invention, on prévoit danschaque cylindre d'un moteur à combustion interne fonctionnant selon le cycle à quatre temps, un piston, tel que celui- représenté aux figures 1,2 et 3.Ce piston est formé de deux parties principales, présentant chacune la forme d'une cuvette, dont les extrémités ouvertes sont dirigées vers l'arbre de manivelle ou autre dis- positif servant à transformer le mouvement de va-et-vient en mouvement de rotation, les deux parti.es du pistonétant montées l'une dans l'autre.
L'extrémité supérieure ou couronne 6 de la partie extérieure 5 forme la tête du piston proprement dit et présente une surface se conformant à celle de la chambre de combustion et porte des segments dans les positions nor- males, tandis que la partie intérieure 1, en forme de cuvette, du piston peut coulisser axialement dans la partie extérieure 5.La partie ou élé- ment intérieur 1 est attaché, de la manière normale, à l'aide d'un touril- lon 2 à la petite extrémité ou pied 3 d'une bielle 4. Le mouvement axial de l'élément extérieur 5, par rapport à l'élément intérieur 1, a pour ef- fet de modifier l'espace mort du cylindre au-dessus de la couronne 6.
Une chambre 7 est formée entre la surface supérieure de l'élément intérieur 1 et la surface inférieure de la couronne 6, tandis qu'une chambre annulai- re inférieure 8 est formée par un ressaut prévu à la partie inférieure de la paroi de l'élément intérieur 1, cette chambre inférieure 8 étant limi- tée, à ses surfaces intérieure et supérieure, par les deux surfaces du ressaut de l'élément inférieur, tandis que la surface extérieure de cette chambre est formée par la surface intérieure de la jupe de l'élément ex- térieur, la surface inférieure de ladite chambre étant formée par une bague 16 s'étendant vers l'intérieur à la partie inférieure de la jupe de l'élé- ment extérieur.
Cette bague 16 peut avantageusement être vissée dans la partie inférieure de la jupe, de manière à permettre la mise en place de cette bague, après l'insertion de l'élément intérieur. La commande du mouvement entre les éléments intérieur et extérieur s'effectue grâce à 1' amenée d'huile dans et hors de la chambre supérieure 7 et de la chambre annu- laire inférieure 8.
Un passage pour l'huile 9 est ménagé dans la bielle 4, ce pas- sage reliant la source d'huile lubrifiante sous pression au coussinet du pied de bielle. Le passage 9 communique, par un passage annulaire 10 entou- rant le manchon du coussinet, avec un trou 10a prévu à la partie supérieure du pied de la bielle. Si le tourillon est fixé dans le pied et si un manchon de coussinet n'est pas prévu, le passage annulaire peut entourer le touril- lon. La périphérie de ce pied de la bielle est en partie cylindrique ou en partie sphérique et porte un organe creux lOb pressant sur la périphérie, de manière à former un joint autour du trou.
Cet organe creux lOb s'adapte, de manière à pouvoir coulisser, dans un évidement prévu au côté inférieur de
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la tête de l'élément intérieur du piston et est sollicité par un ressort 10c, de manière à être en contact, en tous temps, avec l'extrémité ou le pied de la bielle. Au lieu de l'agencement décrit ci-avant, des surfaces correspon- dantes, fixes peuvent être prévues avec des jeux appropriés. L'huile est ame- née, par un alésage axial lOd ménagé dans l'organe creux, à une soupape de retenue 11, d'où l'huile passe à la chambre supérieure. L'huile est égale- ment amenée, par une autre soupape de retenue 12 et par un passage, à la chambre inférieure 8.
Pour limiter la pression engendrée dans les chambres à huile par la force d'inertie de l'huile dans la bielle, en particulier, aux vitesses élevées du moteur, la levée des soupapes de retenue peut être limi- tée ou bien des orifices de restriction peuvent être prévus, en des endroits appropriés, dans les passages d'huile ménagés dans le piston ou dans la biel- le et alimentant les chambres.
La surface extérieure de l'élément intérieur en forme de cuvet- te présente une rainure annulaire formée entre la chambre inférieure et la tête dudit élément, de manière à former deux cordons 18 et 19, tandis qu'un trou d'évacuation 17 est ménagé dans la paroi de l'élément intérieur, de ma- nière à empêcher une accumulation de pression, par suite d'une fuite d'huile le long des cordons, laquelle pression imposerait une charge aux parois des deux parties 1 et 5 du piston. Lorsque les parois des éléments intérieur et extérieur peuvent être rendues suffisamment résistantes pour résister à cet- te charge, le trou 17 et la rainure peuvent être omis, afin d'améliorer l'é- tanchéité des chambres à huile inférieure et supérieure.
Des bagues d'étanchéité peuvent être utilisées pour obturer les trajets de fuite formés par les intervalles entre les parties intérieure et extérieure du piston, comme montré à la figure 4.
L'évacuation de l'huile hors de la chambre supérieure se fait par une soupape d'échappement formée de plaquettes circulaires laminées 13 en acier pour ressort, qui peuvent présenter des diamètres progressivement décroissants, sont disposées coaxialement à l'élément intérieur 1 et font partie de la surface supérieure de cet élément. La plaquette circulaire supérieure prend appui, autour de sa périphérie, contre une bague d'appui 14. L'huile passant par cette soupape d'échappement s'écoule par des trous 15 dans le fond du carter du moteur.
Quand à l'évacuation de l'huile hors de la chambre inférieure, elle se fait vers le bas, par l'intervalle entre l'élément intérieur du piston et la bague 16 formant la limite inférieure de la chambre à huile inférieure, et vers le haut, par l'intervalle entre les éléments intérieur et extérieur du piston. L'évacuation de l'huile par ces trajets peut aussi être limitée en rendant les intervalles petits et/ou en utilisant des anneaux ou bagues de' scellement et la majeure partie de 1' évacuation se produit par un orifice débouchant soit vers le bas directe- ment dans le fond du carter, soit vers le haut et par l'intermédiaire d'un ou de plusieurs trous d'échappement ménagés dans la partie intérieure du pis- ton, dans le fond du carter.
Le fonctionnement est le suivant : Pendant la dernière partie de chaque temps d'échappement et pendant la première partie de chaque temps d'admission, la force due à l'inertie de l'élément extérieur du piston et l'inertie de l'huile dans la chambre supérieure, et à un certain degré 1' inertie de la colonne d'huile dans la bielle agissent sur l'huile dans la chambre inférieure, de façon à amener une partie de cette huile, à s'éva- cuer par le trajet de décharge, en sorte que la partie extérieure du pis- ton se déplace sur une très petite distance (de l'ordre de quelques mil- lièmes de pouce) vers le haut, par rapport à la partie intérieure du pis- ton. En même temps, le volume de la chambre à huile supérieure croît et de l'huile s'écoule dans cette chambre par la soupape de retenue 11.
Si la charge du moteur vient juste d'être réduite, en sorte que la pression maxi- mum est inférieure à celle requise pour actionner la soupape d'évacuation, c'est-à-dire dans le cas où une augmentation du taux de compression est re- quise, le processus décrit plus haut est répété à chaque cycle du moteur
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sans autre évènement, jusqu'à ce que le taux de compression donnant la pres- sion maximum pré-établie, qui acti.onne la soupape d'échappement, soit at- tent.
Le faible déplacement suivant vers le haut a pour effet d'élever légè- rement le taux de compression au delà de la valeur requise, en sorte que la pression maximum dans le cylindre excède quelque peu la valeur nécessaire pour actionner la soupape d'échappement 13, qui s'ouvre alors et décharge une petite quantité d'huile, ce qui fait descendre d'une petite quantité la partie extérieure du piston par rapport à sa partie intérieure.
Si la charge du moteur reste ensuite fixée à la faible valeur, la partie exté- rieure du piston continue à se mouvoir vers le haut et vers le bas dans une très faible mesure, par rapport à la partie intérieure du piston, à chaque cycle, la position moyenne de la partie extérieure du piston étant celle qui donne la valeur de la pression maximum de cylindre, déterminée par la pression d'ouverture de la soupape d'échappement 13.
Si la soupape de réglage du moteur est ouverte, la pression dans le cylindre tend à s'élever bien au-dessus de la valeur requise pour ouvrir la soupape d'échappement 13, mais lorsque cette soupape s'ouvre et procure une section de décharge considérable, l'huile est rapidement évacuée de la chambre supérieure 7, en sorte que la partie extérieure du piston des- cend rapidement par rapport à sa partie intérieure et que l'espace mort est accru, de façon à maintenir la pression maximum dans le cylindre au voisina- ge de la valeur pré-établie.
Le piston s'ajuste ainsi de lui-même à un degré limité à une ré- duction de la charge du moteur, ce degré étant déterminé par la section offer- te pour l'écoulement hors de la chambre inférieure. Il n'est nullement né- cessaire d'obtenir une augmentation rapide du taux de compression et, au sur- plus, un déplacement relatif important vers le haut de la partie extérieure du piston à chaque cycle serait indésirable, étant donné qu'à charge constan- te un tel déplacement produirait un déplacement vers le bas aussi important à chaque cycle, ce qui impliquerait une dépense appréciable d'énergie pour le pompage de l'huile. D'un autre côté, il est souhaitable que le piston répon- de aussi rapidement que possible à une augmentation soudaine de l'alimenta- tion en carburant du moteur,
en vue d'éviter une pression de cylindre exces- sive et la détonation et/ou les fortes sollicitations résultantes. La vites- se d'ajustement est déterminée par la soupape d'échappement 13. L'agencement décrit plus haut donne une réponse très rapide, en raison de la grande sec- tion découverte à la fin d'un petit mouvement et de l'absence de tout effet différentiel, qui permet à certains types de soupapes de se fermer à une pression sensiblement inférieure à la pression d'ouverture.
Jusqu'à ce que le taux de compression minimum déterminé soit atteint, la partie du piston soumise à la pression du gaz est supportée par l'huile se trouvant dans la chambre supérieure 7 et, dès lors, la pression de gaz ne produit pas de sollicitations de flexion dans la couronne, qui sert uniquement à séparer le gaz de l'huile. La couronne ne doit, dès lors, être agencée que pour supporter sa propre charge d'inertie et celle de l'hui- le, qui agissent toutes deux sur celle-ci vers la fin du temps d'échappement et pendant la première partie du temps d'admission. Lorsque le taux de com- pression minimum déterminé est atteint, la surface intérieure de la tête de la partie extérieure du piston repose sur des surfaces appropriées prévues à la partie supérieure de la partie Intérieure du piston.
Au lieu de la soupape d'échappement 13 à plaquettes, on peut faire usage de soupapes à ressort de type connu disposées dans et autour de la tête de l'élément intérieur du piston., comme montré aux figures 4 et 5, ces soupapes débouchant directement à l'intérieur de l'élément intérieur 1 et étant ainsi en communication avec le fond du carter du moteur.
A la fi- gure 4, l'amenée d'huile de refroidissement à la couronne du piston se fait par une tige centrale creuse 24, qui est fixée à'une extrémité à la tê- te de l'élément extérieur 5 et qui coulisse dans un alésage prévu dans 1' élément intérieur 1, l'huile étant amenée par la tige 24 du coussinet 2 à des
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passages radiaux 26 prévus entre la surface intérieure de la tête 6 de 1' élément extérieur 5 et une plaque 25, rainurée radialement et appliquée contre la surface inférieure de la tête 6, la plaque 25 formant la limite supérieure de la chambre supérieure 7.
Les passages de refroidissement ra- diaux 26 déchargent l'huile dans l'intervalle annulaire 28, dans lequel 1' huile est agitée selon un mouvement de va-et-vient, de façon à refroidir les segments du piston, après quoi l'huile est évacuée, par le passage 27, dans le fond du carter.
Dans cet agencement, tout comme dans le précédent, la couronne du piston est à l'abri de sollicitations de flexion, la charge de gaz étant transmise à l'huile, par la couronne et par la plaque à passages radiaux, de façon à ne donner lieu qu'à une compression dans ces éléments. Il s'en- suit que la couronne du piston peut être plus mince que dans le type normal de piston et qu'un débit donné d'huile de refroidissement est plus effica- ce pour maintenir des températures acceptables à la surface de la chambre de combustion de la couronne du piston.
Un orifice de décharge ajustable supplémentaire 29 peut être pré- vu de manière à fournir une section supplémentaire pour évacuer l'huile de ' la chambre à huile inférieure, ce qui permet de régler la vitesse de retour du piston, lors de l'enlèvement de la charge.
Dans une autre forme d'exécution de l'invention, destinée à être utilisée dans un moteur à allumage par compression fonctionnant selon le cycle à deux temps et représentée à la figure 6, la partie extérieure 6 du piston affecte la forme d'un cylindre présentant un passage ou alésa- ge axial, dans lequel l'élément intérieur 1 peut coulisser axialement, de telle sorte que des changements de l'espace mort sont produits par des changements de charge.La partie mobile de la tête du piston est constituée par un élément 1, en forme de cuvette renversée, pouvant coulisser dans 1' alésage de la partie cylindrique, une bague 30 étant insérée dans une rai- nure, prévue à l'extrémité inférieure de la jupe de l'élément 1, et ser- vant à limiter l'ampleur du mouvement vers le haut de cet élément.
L'alésa- ge interne de l'élément en forme de cuvette comporte une troisième partie 31 de forme cylindrique, qui s'adapte, de manière à pouvoir coulisser dans ledit alésage et forme la limite inférieure de la chambre 7 formée entre sa surface supérieure et la tête de la partie mobile du piston. Cette troi- sième partie est usinée à sa partie inférieure de manière à former un cous- sinet sur la surface extérieure cylindrique ou sphérique de l'extrémité ou pied de la bielle.
Cette troisième partie 31 comporte une soupape d'échap- pement ou de décharge 13 du type décrit dans la première forme d'exécution et servant à évacuer l'huile de la chambre à huile 7 et à l'amener dans le fond du carter, lorsque la pression de l'huile excède une valeur choisie, tandis qu'une soupape de retenue 32 est prévue entre la chambre à huile et la source d'huile communiquant avec le coussinet du pied de la bielle.
Dans cette application à un moteur fonctionnant selon le cycle à deux temps, aucune chambre à huile inférieure n'est nécessaire, car la ré- sultante de la pression du gaz et des forces d'inertie agissant sur l'élément en forme de cuvette et sur la troisième partie 31 est toujours une force agis- sant vers le bas. Le mouvement descendant de l'élément en forme de cuvette, lorsque la pression dans le cylindre excède la valeur limite, est permis, comme dans les cas précédents, par l'ouverture de la soupape d'échappement 13. Quant au mouvement ascendant du piston, il se fait grâce à l'amenée d'hui- le sous pression, par la soupape de retenue d'entrée 32, dans la chambre 7.
Ceci peut avoir lieu à l'intervention de la pression d'huile d'un système de lubrification normal, pendant la période de balayage, lorsque la pression du gaz est très faible, étant donné que la charge d'inertie de l'élément en forme de cuvette est faible. La masse de la troisième partie 31 est considé- rablement plus grande, mais, aux faibles vitesses, cette partie peut être levée légèrement, ce qui permet à de l'huile arrivant par la bielle de s' échapper, entre les surfaces de contact de cette partie et de l'extrémité de
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la bielle. Ceci n'est pas préjudiciable. Un dispositif derestriction ajus- table peut être prévu dans un ou plusieurs des passages d'huile 33, 34. ou 35. de façon à obtenir des sections de passage appropriées.
Ainsi, la variation du taux de compression peut être obtenu, sans produire de variations dans le réglage des orifices contrôlés par le piston, mais s'il est souhaitable de faire varier les réglages des orifices en fonction du taux de compression, la périphérie de la couronne du piston peut faire partie de la partie relativement mobile du piston.
La figure 7 montre un agencement, dans lequel la soupape de retenue 12 contrôlant l'alimentation en huile de la chambre inférieure 8 est prévue dans le tourillon 2, tandis que l'amenée d'huile à la chambre supérieure 7 se fait en passant par la soupape de retenue 11 et par l'ori- fice étranglé ménagé dans la plaque lla,de façon à limiter le débit d'hui- le vers la chambre supérieure. Par ailleurs, l'agencement est normal et fonc- tionne de la manière précédemment décrite, en référence aux figures 1, 2 et 3.
Le même résultat peut aussi être obtenu en faisant en sorte que la longueur de la bielle soit variable, la ou les chambres à huile nécessai- res étant pourvues des soupapes de retenue et de décharge nécessaires.
La figure 8 représente, à titre d'exemple, en vue schématique, un moteur pourvu d'un turbo-chargeur 39, et d'un dispositif à taux variable constitué par un piston 41 à tête mobile 42, qui assure le maintien de la pression maximum dans le cylindre à une valeur élevée prédéterminée, même aux charges les plus élevées. La réduction requise du temps de compression efficace est obtenu par un agencement approprié du réglage de la soupape d' entrée 43 et/ou de la soupape d'échappement 44, de la manière précédemment décrite, tandis que le moteur est équipé d'un refroidisseur 45 entre le char- geur 39 et le cylindre du moteur.
La figure 9 montre, à titre d'exemple et en vue schématique, un moteur similaire à celui illustré à la figure 8, dans lequel le chargeur 46 comporte deux étages et le refroidisseur 47 est prévu entre ces étages.
Lorsqu'il est appliqué au moteur à deux temps, le système de char- gement proposé procure les mêmes avantages que lorsqu'il est appliqué au mo- teur à quatre temps, à savoir un rendement élevé aux faibles charges et un bon démarrage sans nécessité de modifier le réglage des soupapes. L'augmen- tation du rendement a pour effet d'abaisser la température et la pression d' échappement et ceci réduit, à son tour, le débit du turbo-chargeur. Dans cer- tains cas, aux faibles charges, le débit du turbo-chargeur ne sera pas suf- fisant pour balayer efficacement le cylindre du moteur. Dans ces cas, un compresseur entraîné mécaniquement peut être ajouté, ce compresseur fonction- nant en série ou en parallèle avec le turbo-chargeur.
La figure 10 représen- te schématiquement un moteur fonctionnant selon le cycle à deux temps, dans lequel le rapport taux de détente est sensiblement supérieur à 1, ce motaux de compression teur étant équipé d'un piston à taux variable 48 et d'une soufflerie 49 entraî- née mécaniquement et fonctionnant en série avec un turbo-chargeur 50.
Les relations entre la pression et le volume du fluide de travail pendant le cycle du moteur, dans diverses conditions opératoires, sont mon- trées aux figures 11 à 14. La figure 11 montre une forme avantageuse de dia- gramme pour un moteur fonctionnant à pleine charge, dans lequel la course de détente est plus grande que la course de compression. Ceci est obtenu en ré- glant les soupapes de façon que la pression dans le cylindre ne s'élève pas appréciablement au-dessus de la pression de refoulement A du turbo-chargeur, jusqu'à ce que le piston ait atteint le point a de la course de compression, la partie restante a, b de celle-ci étant appréciablement inférieure à la course de détente c et e.
Une mauvaise caractéristique de marche d'un moteur, dans lequel le réglage des soupapes est effectué de la manière susindiquée
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réside dans le fait qu'au démarrage la pression de refoulement A du turbo- chargeur est voisine de la pression atmosphérique B et que la pression dans le cylindre en a est faible, de manière correspondante, comme montré à la figure 12, en sorte que la compression de a à b n'est pas suffisante pour élever la température de l'air dans une mesure suffisante pour assurer 1' allumage du carburant. Un procédé connu pour remédier à cet inconvénient consiste à faire varier le réglage des soupapes du moteur, de façon que le temps de compression soit accru jusqu'à correspondre au temps de détente, pour le démarrage et la marche à charge faible.
Le diagramme pression-volume de- vient alors normal, comme montré à la figure 13. La condition avantageuse, à taux de détente) 1. est perdue. taux de compression
Avec le système proposé, dans lequel le moteur est équipé d'un dispositif capable de faire varier l'espace mort du moteur, un bon démarra- ge et une bonne marche à faible charge sont obtenus, sans avoir recours à un réglage variable des soupapes et sans perte de la condition avantageuse en question. La figure 14 montre la relation entre la pression et le volume de la charge, pendant le démarrage et la marche à faible charge avec cet agen- cement.
La composition commence à nouveau depuis une pression voisine de la pression atmosphérique, au point a, après que le piston a parcouru une partie considérable de sa course, mais en vertu de l'espace mort réduit, la pression et la température de compression pleines sont obtenues et la combustion est suivie d'une détente avec un taux très élevé. La variation requise de l'espace mort peut être obtenue par l'emploi du dispositif à taux variable selon les figures 1 à 7 inclusivement.
Il est évident que les diverses formes d'exécution de l'inven- tion, décrites plus haut, ne l'ont été qu'à titre d'exemple et que les dé- tails de mise en oeuvre de l'invention peuvent subir des variations, sans sortir du cadre de l'invention.
REVENDICATONS.
1. Moteur à combustion interne turbo-chargé, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif grâce auquel l'espace mort du cylindre est variable, tandis que le temps de compression efficace est inférieur au temps de détente efficace .