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La présente invention est relative à une unité productrice de gaz du type qui comprend une ohambre de combustion d'où les produits gazeux de la com- bustion sont périodiquement déchargés à température élevée et sous une pression pulsatoire en vue d'entraîner une machine qui est actionnée par l'expansion des- dits produits gazeux, par exemple, une telle unité productrice de gaz pouvant être un moteur à combustion interne à cycle à deux temps, ou un générateur de gaz du type à vilebrequin ou à piston libre, et la machine entraînée pouvant être une turbine à gaz. Plus particulièrement, la présente invention est relative à des perfectionnements aux dispositifs d'échappement de telles unités.
On connaît des dispositifs d'échappement dans lesquels le courant de gaz pulsatoire est fourni à la turbine directement à travers un conduit court, ou en variante, dans lequel une chambre d'expansion est prévue entre la chambre de combustion et la turbine, mais le rendement global de ces dispositifs est faible.
Un objet de la présente invention est de maîtriser une proportion élevée de l'énergie de l'écoulement de gaz pulsatoire et de fournir les gaz à la turbine à une pression plus étroitement constante.
La présente invention consiste en une unité productrice de gaz du type qui comprend une chambre de combustion de laquelle les produits gazeux de la combustion sont périodiquement déchargés à température élevée et sous pression, produisant par conséquent des impulsions de gaz, dont l'expansion est utilisée pour entraîner une machine en contrôlant le déplacement desdites impulsions des gaz en ce sens que leurs passages de ladite unité à ladite machine sont contrôlés d'une manière telle que leur fréquence est augmentée et leur amplitude diminuée par rapport à la fréquence et à l'amplitude des impulsions originelles des gaz produits par la décharge des gaz à partir de la dite chambre.
La présente invention consiste également en ce que ladite machine procure le moyen de balayage et d'alimentation de ladite unité, et en ce que pen- dant une partie sensible de la période de balayage il se produit une faible pres- sion près des orifices d'échappement de la chambre de combustion en vue de faci- liter le balayage et une pression élevée près de la machine de manière à entraî- ner celle-ci.
La présente invention consiste en outre en ce que le contrôle des im- pulsions d'échappement est réalisé en prévoyant un dispositif d'échappement entre ladite chambre de combustion et ladite machine, ce dispositif d'échappement étant disposé de telle façon que chaque impulsion originelle de pression des gaz pro- duite à la sortie de ladite chambre est divisée en parties qui sont astreintes à parcourir des distances différentes pour atteindre ladite machine, de sorte qu'elles y arrivent à des instants différents dans le cycle de ladite unité.
Les divisions de l'impulsion peuvent avoir lieu à la jonction d'au moins deux conduits formant le dispositif d'échappement et ce dernier peut comprendre un premier con- duit allant des orifices d'échappement de la chambre de combustion à ladite jonc- tion, un second conduit allant de la jonction à ladite machine, et au moins un tu- be d'onde qui conduit de la jonction à une extrémité fermée, ou à la machine par un trajet plus long que le second conduit. Dans une unité à plusieurs cylindres, ledit tubé d'onde pour un cylindre peut être formé par le premier conduit d'un ou de plusieurs parmi les autres cylindres.
Ladite chambre de combustion demande à être balayée et pourvue d'une charge fraîche pendant chaque cycle de fonctionnement, et il est désirable que cette opération soit exécutée avec une dépense d'énergie minimum. Une faible pres- sion dans -le dispositif d'échappement adjacent aux orifices d'échappement de l'es- pace de combustion est désirée pendant la période de balayage et peut être pro- duite par l'onde de .raréfaction créée par l'expansion de l'impulsion de produits gazeux qui se produit à ladite jonction entre le premier conduit, le second con- duit et le tube d'onde, et qui se propage en retour vers les orifices d'échappe- ment et l'espace de combustion.
Cette utilisation directe de l'énergie d'échappe- ment en vue de procurer la faible pression désirée dans le cylindre et le conduit,
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au moyen des ondes de raréfaction, garantit que l'énergie est appliquée pendant un court intervalle de temps, et est par conséquent plus efficace que le passage d'une impulsion de pression plus élevée vers la machine, et la conversion par machine et le compresseur de cette énergie en une pression de balayage légèrement supérieure, qui serait étendue sur un long intervalle de temps. La pression dans le dispositif d'échappement adjacent à l'ouverture d'échappement du cylindre doit augmenter vers la fin de la période d'alimentation de manière à réduire la quan- tité de charge d'alimentation s'échappant vers le dispositif d'échappement et en vue d'augmenter la pression à l'intérieur du cylindre.
Les augmentations et dimi- nutions de la surface de section transversale du dispositif'd'échappement' qui produisent des réflexions positives et négatives des impulsions de pression gazeu- se, doivent être limitées par une étude soignée des dimensions et longueurs, à celles qui sont nécessaires pour procurer la distribution de pression requise dans le dispositif d'échappement pour la période complète de balayage et d'ali- mentation.
Dans un dispositif d'échappement normal, des réflexions qui ne sont pas avantageuses par rapport au cycle gazeux se produisent fréquemment aux jonc- tions de tubes de surfaces différentes de section transversale, ou là où des tu- bes rejoignent ou quittent un collecteur, de telles jonctions et collecteurs étant disposés de manière à procurer un dispositif d'échappement simple et habituel, sans avoir aucun égard quant à leur effet sur les impulsions de pression traver- sant les conduits.
Un dispositif d'échappement conformément à la présente invention et aux exigences décrites ci-dessus a un premier conduit de section transversale de surface sensiblement égale à la surface de l'orifice d'échappement et cette surfa- ce étant constante sur une longueur prédéterminée. A l'extrémité de cette lon- gueur de conduit, l'impulsion d'échappement est divisée à la jonction d'un ou de plusieurs tubes dénommés ci-après tubes d'onde. La détente des dits produits ga- zeux qui se produit à la jonction engendre une onde de raréfaction qui rétrogade vers les orifices d'échappement et qui produit une faible pression pendant une partie sensible de la période de balayage. L'importance et la durée de la phase de faible pression est contrôlée par les dispositions pour la détente desdits produits gazeux à la jonction.
Si la surface combinée des sections transversales des tubes dans lesquels l'impulsion est divisée est approximativement égale à celle du premier conduit, il ne se produira qu'une faible détente, mais si deux ou plusieurs tubes sont réalisés avec la même surface de section transversale que le premier tube, une détente considérable se produira et une onde de raréfaction satisfaisante se propagera en retour vers le cylindre. Dans la plupart des cas, une variation brusque de la surface de section transversale sera satisfaisante, mais la transition d'une surface de section transversale à la suivante peut être rendue plus progressive en donnant du cône aux conduits de sorte que les réfle- xions qui en proviennent auront une durée accrue et une amplitude diminuée.
Au même instant, l'impulsion de pression se propage vers l'extérieur le long du se- cond conduit à partir de la jonction vers la turbine en vue d'entraîner cette der- nière, et le long du tube d'onde. La grandeur de l'impulsion de pression dans chaque conduit est réduite proportionnellement aux surfaces des sections trans- versales des conduits et tubes suivant lesquelles elle est divisée. La partie de l'impulsion,dans le tube d'onde peut progresser vers la turbine suivant un tra- jet plus long que le second conduit, de sorte qu'elle arrive à la machine après que l'impulsion qui se propageait le long du second conduit a sensiblement fini d'utiliser son énergie pour entraîner la machine.
En variante, la partie de l'im- pulsion dans le tube d'onde peut être réfléchie à l'extrémité fermée dudit tube sans changer de signe, de sorte qu'une impulsion positive rétrogade le long du tube d'onde vers la jonction où elle est divisée, et une partie progresse le long du second conduit en vue d'entraîner la machine, tandis qu'une autre partie rétro- gade vers le cylindre et y augmente la pression vers la fin de la période d'ali- mentation. En outre, étant donné que les tuyères de la machine agissent en tant qu'extrémité partiellement fermée et constituent une restriction de l'écoulement, une partie de l'énergie de toutes les impulsions atteignant la machine est réflé-'
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chie vers le cylindre et vers les tubes d'onde.
Un premier conduit de longueur sensible tel que proposé présentement a un autre effet avantageux, en ce sens que le milieu de balayage froid passant dans le conduit reste adjacent à l'orifice d'échappement jusqu'à ce que ce der- nier se ré-ouvre lors du cycle suivant. Cette action est particulièrement avan- tageuse lorsqu'une soupape est utilisée pour contrôler l'orifice d'échappement, du fait que la présence du milieu de balayage froid pendant une grande partie du cycle réduit la température de la soupape d'échappement.
Les dispositions perfectionnées décrites ont pour résultat qu'un mo- teur supplémentaire entraîné ou un compresseur entraîné séparément n'est pas in- dispensable, mais on peut en utiliser un pour aider au démarrage ou lorsqu'une accélération très élevée du moteur est requise, et dans de tels cas les avantages du dispositif décrit ne sont pas perdus étant donné que la puissance requise pour entraîner ledit compresseur supplémentaire est beaucoup moindre que celle requise dans les dispositifs connus
La présente invention sera maintenant décrite uniquement à titre d'exemple en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 montre un représentation schématique d'un dispositif d'échappement simple;
- la figure 2 indique les variations de pression près des orifices d'échappement et près de la machine dans le dispositif d'échappement de la figu- re 1; - la figure 3 montre une représentation schématique d'une forme modi- fiée de dispositifs d'échappement; - la figure 4 indique les variations de pression près de l'orifice d'échappement et près de la machine dans le dispositif d'échappement de la figu- re 3; - la figure 5 représente une forme de dispositifs de tubes d'onde convenant pour un moteur à trois cylindres; - la figure 6 indique les variations de pression près de l'orifice d'échappement et près de la machine dans le dispositif de la figure 5;
- la figure 7 représente une vue en élévation latérale d'une dispo- sition d'un moteur à six cylindres et d'un dispositif d'échappement convenable conformément à la présente invention ;et - la figure 8 représente une vue en plan du moteur et du dispositif d'échappement de la figure 7.
La présente invention peut être appliquée à un moteur à combustion interne à cycle à deux temps et à sur-alimentation et la disposition générale du moteur peut être sensiblement conforme à n'importe quel type connu dans lequel la charge d'alimentation fraîche est fournie par un compresseur entraîné par une turbine à gaz d'échappement, laquelle peut également être de n'importe quel type connu. Les dispositions normales pour transporter la charge fraîche du compres- seur vers les cylindres peuvent être utilisées.
La quantité totale de charge fraîche entrant dans chaque cylindre doit être suffisante pour balayer, alimenter et suralimenter le cylindre à la pression requise, et pour procurer la quantité en excès qui passe vers le dispositif d'échappement et qui y demeure à la fin de la:-période d'alimentation, ne prenant ainsi aucune part au processus de combus- tion suivant.
Des dispositifs d'échappement seront maintenant décrits en se référant aux dispositions schématiques de dispositifs d'échappement et aux diagrammes pression-temps qui montrent la séquence de variation de pression,dans l'orifice d'échappement et à la machine, sur toute l'étendue des périodes d'échappement, de
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balayage et d'alimentation. Seules les fluctuations majeures de la pression sont représentées, étant donné que ce sont celles-ci qui différencient le processus dans les différents dispositifs d'échappement.
Dans toutes les figures illustrant la présente invention, les diagram- mes de pression sont dessinés comme étant alignés avec la position à laquelle les enregistrements de pression ont été pris, de sorte que la variation de surface de section transversale à partir de laquelle la réflexion a eu lieu peut être iden tifiée. Dans les limites des représentations schématiques, il y a des diagrammes distance-temps et la pente des lignes joignant des évènements équivalents con- stitue une mesure de la vitesse avec laquelle l'impulsion ou l'onde se déplace le long du conduit. La dimension de l'impulsion initiale variera suivant le type et la puissance du moteur et les dimensions relatives des impulsions réfléchies va- rieront suivant la forme du dispositif d'échappement.
En vue de permettre aux différentes formes d'exécution de la présente invention d'être facilement compri- ses, les figures ont été choisies de manière à montrer simplement et clairement la suite des évènements et elles sont de ce fait dans une certaine mesure indica- tives et schématiques.
Les abréviations utilisées ont les significations suivantes:
EO = ouverture de l'échappement,
AO = ouverture de l'admission,
AC = fermeture de l'admission,
EC = fermeture de l'échappement, et
BDC = point mort inférieur, c'est-à-dire lorsque le piston est à son point le plus éloigné par rapport à la chambre de combustion.
Une forme simple de type de tube d'onde d'un dispositif d'échappement conformément à la présente invention, est celui qui est nécessaire à un moteur mono-cylindrique, tel que représenté à la figure 1. On suppose que le moteur est vers la fin de sa. course de puissance, de sorte que le cylindre 1 est rempli de gaz à haute pression et à température élevée. Lorsque l'orifice d'échappement 2 est ouvert, le contenu gazeux du cylindre 1 formera une impulsion de pression qui se déplace en s'éloignant de l'orifice le long du premier conduit 3.
Lorsque l'impulsion atteint la jonction 4, elle se divisera avec la réduction d'amplitu- de résultante en relation avec les surfaces des sections transversales qu'elle occupe à présent, et une partie de cette impulsion continuera le long du conduit 5 vers la machine 10, et une autre partie de cette impulsion entrera dans le tube d'onde 6. La détente qui se produit à la jonction 4 crée une onde de raréfaction dans le premier conduit 3, laquelle se propage en retour vers le cylindre 1 et abaisse la pression des gaz qui y sont contenus, favorisant ainsi le balayage du cylindre au moyen de la charge fraîche qui entre par les lumières 7 lorsque celles- ci sont découvertes par le piston 8. Pendant ce temps, l'impulsion dans le second conduit 5 a élevé la pression aux tuyères de la machine de manière à entraîner la machine 10.
Etant donné que les tuyères de la machine constituent une restric- tion de l'écoulement, une partie de l'énergie de l'impulsion est réfléchie en re- tour le long du second conduit 5 et une partie entre dans le tube 6 et une partie retourne vers le cylindre 1, tandis qu'une petite onde de raréfaction retourne vers la machine.
Le tube d'onde 6 est fermé à son extrémité 9 de sorte que l'impulsion de pression qui y est entrée est réfléchie sans changement de signe et retourne vers la jonction 4 où une partie de cette impulsion passe le long du second con- duit 5 vers la machine 10 et une partie retourne le long du premier conduit 3 vers le cylindre. En raison de la plus grande distance parcourue, l'impulsion passant le long du tube d'onde 6 atteint la machine 10 plus tard que l'impulsion progressant directement le long du conduit 5. Les longueurs des conduits et des tubes sont choisies de telle manière que le balayage du cylindre s'est sensible- ment terminé avant que l'impulsion de retour provenant de la turbine ou de l'ex- trémité fermée 9 du tube 6 n'atteigne l'orifice d'échappement.
L'utilisation de
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l'onde de raréfaction en vue de favoriser le balayage permet que la plus grande partie du balayage ait lieu avant le point mort inférieur du piston du moteur, et les avantages de ceci seront décrits plus en détails ultérieurement. Un autre avantage du dispositif d'échappement du type à tube d'onde est que les longueurs de celui-ci peuvent être combinées de telle façon qu'une impulsion de pression re- vienne à l'orifice d'échappement peu de temps avant que les lumières d'admission ne soient fermées, et si l'orifice d'échappement est fermé après les lumières d'admission mais avant que l'impulsion de pression réfléchie à partir de l'inté- rieur du cylindre ne puisse s'échapper, au moins une partie de l'impulsion de pression peut être enfermée à l'intérieur du cylindre,
de sorte que la pression de la charge fraîche est augmentée. Cette dernière caractéristique peut ne pas être essentielle pour obtenir une puissance élevée-du moteur, étant donné qu'avec le dispositif d'échappement de la présente invention, des turbo-compresseurs d'ali- mentation à rendement élevé et haute pression peuvent donner des quantités suf- fisamment grandes de charge fraîche à une pression suffisamment élevée pour garan- tir que la quantité retenue dans le cylindre excède le minimum nécessaire à une bonne combustion. En outre, lorsqu'une pression d'alimentation élevée est dispo- nible, ces impulsions réfléchies peuvent augmenter un peu la charge totale. La figure 2 représente les variations de pression près de l'orifice d'échappement du dispositif représenté à la figure 1 pour un moteur monocylindrique à vitesse sensiblement constante.
L'indice de référence 11 indique l'impulsion de pression d'échappement initiale qui quitte l'orifice d'échappement 2 et l'indice de réfé- rence 12 est l'onde de raréfaction produite par la détente de l'impulsion à la jonction 4, tandis que l'indice de référence 13 représente une partie de l'impul- sion de pression 11 réfléchie à partir de l'anneau de tuyère de la machine, et de la réflexion coïncidente à partir de l'extrémité fermée 9 du tube d'onde 6. L'in- stantde l'arrivée de l'onde 12 au cylindre dépend de la longueur du conduit 3, celui de l'impulsion 13 dépend des longueurs des conduits 3 et 5 et du conduit 3 et du tube 6, les longueurs de 5 et de 6 étant égales. Dans le diagramme de pres- sion à la machine, l'impulsion 14a est la partie de l'impulsion initiale 11 qui a progressé le long du conduit 5 vers la machine.
L'impulsion 14b est la réfle- xion de l'autre partie de l'impulsion initiale 11 à l'extrémité fermée 9 du tube d'onde 6, et étant donné qu'elle ne se produit pas à la machine elle est représen- tée en traits interrompus,mais elle sert à montrer l'origine d'une partie des impulsions 13 et 15. L'impulsion de pression 15 est la partie de l'impulsion 14b qui a atteint la machine après réflexion à l'extrémité fermée 9 du tube d'onde 6 et division à la jonction 4, et cette impulsion est encore réduite par l'onde de raréfaction coïncidente, mais plus petite, qui revient vers la machine lorsque l'impulsion 14a se détend à la jonction 4 lors de sa progression en retour vers le cylindre.
Dans cet exemple simple, la longueur du premier conduit 3 allant de l'orifice d'échappement 2 à la jonction 4 doit être approximativement de la moitié de la longueur de l'impulsion de pression, auquel cas, le front de l'onde de ra- réfaction 12 réfléchie à partir de la jonction 4 atteindra l'orifice d'échappe- ment environ à l'instant auquel la pression dans le cylindre est tombée à la pres- sion de balayage.
Si le conduit 3 est rendu plus court, l'onde réfléchie attein- dra l'orifice d'échappement plus tôt et produira une chute plus rapide de la pres- sion dans le cylindre,mais bien que la première partie de l'onde soit de ce fait favorable en démarrant la période de balayage plus tôt, elle n'effectuera pas ré- ellement le balayage lequel est défini comme étant l'enlèvement des gaz dans le cylindre après que leur pression soit tombée à la pression de l'air d'alimenta- tion. Le second conduit 5 et le tube 6 auront une longueur telle que l'impulsion 13 réfléchie à partir de la machine 10 et de l'extrémité fermée 9 atteigne l'ori- fice d'échappement 2 après que l'onde de raréfaction 12 ait terminé son action sur le contenu du cylindre.
De cette façon, le conduit 5 et le tube d'onde 6 au- ront approximativement la longueur de l'impulsion de pression, c'est-à-dire envi- ron deux fois la longueur du premier conduit 3. Si une impulsion de pression à l'orifice d'échappement lorsque celui-ci se ferme, n'est pas désirée, le conduit 5 et le tube 6 devront être réalisés plus longs ou plus courts. Les surfaces des sections transversales de tous les conduits et tubes seront réalisées appro-
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ximativement égales à la surface des orifices d'échappement, mais dans certains dispositifs, des surfaces différentes peuvent procurer une amélioration supplé- mentaire.
En supposant que les conditions requises peuvent être obtenues, des surfaces de section transversale et des longueurs plus faibles conserveront l'é- nergie des impulsions en permettant moins de détente que de grandes surfaces et longueurs, de sorte que davantage d'énergie sera fournie à la machine et réflé- chie à partir de celle-ci.
Dans la disposition modifiée représentée à la figure 3, le tube d'on- de 6a conduit directement à la machine 10, de sorte que l'énergie de l'impulsion dans ce tube d'onde est délivrée directement à la turbine sans autre division et sans les pertes'd'une réflexion intermédiaire. La longueur du tube d'onde 6a sera d'environ trois fois la longueur du second conduit 5.
Les variations de pression dans le conduit 3 près de l'orifice d'é- chappement 2, et dans les conduits 5 et 6a près de la machine 10, sont représen- tées à la figure 4. L'impulsion de pression initiale 11 quittant l'orifice d'é- chappement 2 progresse le long du conduit 3 et est divisée à la jonction 4, de sorte que tel que décrit précédemment, une onde de raréfaction retourne vers les orifices d'échappement. Une partie de l'impulsion de pression 11 progresse le long du conduit 5 en vue d'entraîner la machine et elle est indiquée par l'impul- sion 14a laquelle est réfléchie à partir de la machine et retourne à la jonction 4 où elle est à nouveau divisée, et la réflexion négative retournant à la machine est indiquée en 15b.
Une partie de 14a passe dans le tube d'onde 6a et une autre partie retourne vers l'orifice d'échappement 2 sous la forme de l'impulsion 13a.
La partie de l'impulsion initiale 11 qui progresse le long du plus long tube d'onde 6a atteint une entrée séparée de la turbine 10 plus tard que l'impulsion 14a, et elle est représentée par une ligne en traits interrompus sous la forme de l'impulsion 15a.
Le dispositif connu a tube court mentionné précédemment peut être adapté au dispositif de la présente invention en utilisant un premier conduit court et en plaçant la machine à l'extrémité d'un second conduit à branche courte tandis que le premier conduit est prolongé de manière à former un tube d'onde à extrémité fermée ou un chemin de passage vers la machine par un trajet plus long.
Dans ce dispositif, le second conduit à branche courte forme une ouverture et la machine forme une ouverture partielle à la jonction avec le premier conduit court, lequel, conjointement avec le tube d'onde, permet l'expansion et annule l'impul- sion de pression qui, sinon, serait réfléchie en retour vers le cylindre à partir de la machine. Dès lors, une impulsion initiale de forme sensiblement normale, semblable à l'impulsion 11 des figures 2 et 4, est formée à l'extérieur des ori- fices d'échappement, mais l'onde de raréfaction réfléchie revenant de la jonction vers le cylindre sera moins intense que normalement.
L'impulsion initiale est divisée à la jonction avec le second conduit à courte branche, une partie passant vers la machine et l'autre partie passant dans le tube d'onde pour être réfléchie à l'extrémité fermée et être renvoyée vers la machine et le cylindre ou pour être délivréµ à la machine par un trajet plus long.
Les descriptions précédentes sont principalement relatives à des mo- teurs monocylindriques à vitesse constante, et les éléments nécessaires supplé- mentaires pour des moteurs à plusieurs cylindres et à vitesse variable seront maintenant décrits.
Dans des dispositifs dans lesquels de nombreux évènements ont lieu en succession rapide, et dans lesquels des compromis doivent être réalisés, il n'est pas inhabituel dans les calculs préliminaires à utiliser de donner les di- mensions approximatives des différents éléments, et en vue d'assurer un résultat pratique et pour le fonctionnement optimum à obtenir, de faire des ajustements basés sur les résultats obtenus.
Maintenant que les éléments nécessaires ont été clairement établis,
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les calculs préliminaires et les compromis nécessaires dans le cas présent seront facilement appréciés par les techniciens avertis ainsi que les ajustements néces- saires pour obtenir des résultats optima.
Il est bien entendu que des actions, telles que les ouverture et fer- meture de soupapes, dont la période de fonctionnement est contrôlée par le cycle mécanique d'un moteur, ont lieu en des temps plus courts dans des moteurs à vi- tesse élevée que dans des moteurs à faible vitesse, tandis que les aotions des gaz dans le dispositif d'échappement, tel que le déplacement des ondes, ont lieu en un temps sensiblement constant et dépendent principalement de la température et de la pression des gaz. La nécessité d'établir des tolérances pour ces évènements s'apprécie pleinement en ce qui concerne des moteurs qui doivent fonctionner dans une gamme de vitesse étendue.
Il est dès lors bien entendu qu'un moteur à faible vitesse, qui est habituellement un gros moteur, demandera des conduits et tubes plus longs dans un dispositif d'échappement conformément à la présente invention, qu'un moteur à vi- tesse élevée, lequel est habituellement un petit moteur.
Le taux d'ouverture des orifices d'échappement, conjointement avec la surface des orifices, contrôleront la longueur de l'impulsion de pression pour n'importe quel état donné des gaz dans le cylindre.
Dans les moteurs à vitesse constante, une approximation étroite des longueurs idéales des conduits et tubes peut'être obtenue, tel que décrit précé- demment, mais d'autres compromis sont nécessaires pour des moteurs fonctionnant dans une certaine gamme de vitesse.
Dans des moteurs normaux, les périodes de balayage et d'alimentation occupent un temps plus long que celui de la durée des impulsions, et un compromis nécessaire consiste à combiner la longueur du premier conduit de telle manière que l'onde de raréfaction se produise environ au milieu de la période de balayage lorsque.le moteur fonctionne environ au milieu de sa gamme de vitesses, ce en vue que l'onde ne sorte de la période de balayage à quelque vitesse plus élevée, ou soit fortement annulée en se déplaçant sous l'impulsion de pression initiale à quelque vitesse inférieure.
La partie la période d'admission totale alloué au balayage varie avec le fonctionnement désiré du moteur, tel que le comprendront les techniciens avertis, mais tel qu'il a été établi précédemment, avec l'aide de l'onde de raréfaction, le balayage peut êtré achevé environ au point mort bas. Le point dans la gamme de vitesses pour lequel le couple maximum est requis doit également être considéré. Dans un type de moteur il peut avantageusement se si- tuer à faible vitesse en vue de permettre à une certaine partie de l'onde de ra- réfaction qui vient, d'atteindre le cylindre avant que la pression dans celui-ci ne soit tombée à la pression de balayage, ce en vue qu'à vitesse élevée l'onde n'atteigne le cylindre à un instant qui ne soit pas suffisamment tard dans la pé- riode d'alimentation pour que cette onde ne soit plus efficace.
Si elle est telle- ment tard qu'elle arrive lorsque les orifices sont presque fermés, elle sera pré- judiciable. Dans un autre type de moteur, le fonctionnement à faible vitesse peut être d'importance relativement grande de sorte qu'il est nécessaire de s'as- surer que l'onde produit son effet total à faible vitesse.
Des considérations similaires s'appliquent à la combinaison des lon- gueurs du second conduit et du tube d'onde de manière à ce que les ondes de pres- sion réfléchies à partir de la machine ou de l'extrémité fermée du tube d'onde n'atteignent pas le cylindre trop tôt dans la période d'alimentation, ou, d'une autre manière, après que l'orifice d'échappement est fermé si l'aide d'une ali- mentation en retour est désirée. Si le second conduit et le tube d'onde sont réalisés avec des longueurs différentes, l'impulsion de pression réfléchie est di- minuée en grandeur mais augmentée en longueur et en durée, de sorte qu'il est plus facile d'arranger qu'une certaine partie de cette impulsion atteigne le cylindre à l'instant désiré.
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Dès lors, les dimensions des différents conduits et tubes varieront avec la gamme de vitesses du moteur, le réglage des temps choisis et les surfaces des orifices d'admission et d'échappement du moteur, le type de machine utilisée, la température et la pression maxima admissibles dans le cylindre et la puissance de sortie maximum requise.
Il y a toute une variété de dispositifs de tube d'échappement qui peuvent être conçus pour utiliser le principe du tube d'onde de la présente in- vention et lorsque ces dispositifs sont combinés avec les différents nombres possibles de cylindres du moteur, les nombres d'entrées de machine et de machines, il est impossible de donner des exemples de tous ces dispositifs . Les longueurs des différents conduits et tubes, et le groupage des échappements des différents cylindres seront tels que les impulsions majeures provenant d'un cylindre n'af- fectent pas d'une manière nuisible le balayage et l'alimentation de n'importe quel cylindre interconnecté.
Une disposition populaire de moteur à cycle à deux temps a trois cy- lindres en ligne et fonctionne dans une large gamme de vitesses. Tel que repré- senté à la figure 5, les trois premiers conduits individuels 26 venant des orifi- oes d'échappement 2 des trois cylindres peuvent être connectés ensemble en une seule jonction 4a, avec un second conduit unique 5b partant de la jonction 4a vers la machine 10. Dans cette nouvelle disposition, lorsqu'un cylindre est à l'échappement et est balayé, les orifices d'échappement des deux autres cylindres connectés à la jonction 4a sont fermés, de sorte que les conduits 26 connectés à ces deux derniers cylindres peuvent former les tubes d'onde pour le cylindre cité en premier lieu.
Dans cet exemple, les conduits 26 doivent fonctionner à la fois comme premiers conduits et comme tubes d'onde, et la longueur de ces con- duits 26 doit être un compromis entre les longueurs idéales requises pour chaque but.
Tel que représenté à la figure 6, un compromis satisfaisant dans les fluctuations des pressions à l'orifice d'échappement et à la machine peut être obtenu en réalisant les premiers conduits 26 avec les trois quarts de la longueur de l'impulsion de pression, c'est-à-dire une fois et demi la longueur du conduit 3 de la figure 2, et en réalisant le second conduit 5b avec la moitié de la lon- gueur de l'impulsion de pression, c'est-à-dire la moitié de la longueur du con- duit 5 de la figure 2. L'impulsion de pression d'échappement initiale 27 et l'onde de raréfaction 28 sont semblables aux impulsions caractéristiques équiva- lents 11 et 12 décrites en relation avec la figure 2, excepté que l'onde 28 se produit un peu plus tard.
Les deux impulsions 29 représentées en lignes inter- rompues à la figure 6 sont la réflexion positive d'une partie de l'impulsion 27 à partir des orifices d'échappement fermés des deux autres conduits 26, et bien que cette impulsion ne se produise pas à l'orifice d'échappement du cylindre qui est balayé, elle est représentée à la figure 12 de manière à permettre l'origine de l'impulsion 30 qui suit, laquelle est le résultat de ce que l'impulsion 29 a été réfléchie sans changement de signe par les orifices fermés des deux cylindres non alimentés, s'est déplacée en retour le long des deux conduits 26 vers la jonc- tion 4a où elle a été divisée, et de ce qu'une partie s'est propagée le long du conduit 26 du cylindre alimenté vers l'orifice d'échappement de celui-ci.
L'im- pulsion 31 est une partie de la réflexion positive de l'impulsion 33 à partir de la machine 10, et l'impulsion 32 est une partie de la réflexion de l'impulsion 34 à partir de la machine 10, et également une partie de l'impulsion 33 qui s'est propagée le long des deux conduits 26 des cylindres non alimentés, a été réflé- chie sans changement de signe par les orifices fermés de ces cylindres et s'est propagée en retour vers la jonction 4a où elle s'est divisée et où une partie s'est déplacée le long du conduit 26 du cylindre alimenté vers l'orifice d'échap- pement de celui-ci.
Dans le diagramme des pressions à la machine 10, l'impulsion 33 est une partie de l'impulsion initiale 27 arrivant à la machine, et l'impulsion 34 est une partie de la réflexion de l'impulsion 29 par les orifices d'échappe- ment fermés des deux autres tubes. Seuls de faibles effets sont produits par
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l'onde de raréfaction se déplaçant en retour vers la turbine lorsque l'impulsion 33 lors de son passage en retour vers le cylindre se détend à la jonction 4a.
Les fluctuations de pression représentées à la figure 6 conviennent pour une vitesse intermédiaire d'un moteur à vitesse variable. Le compromis est tel que des augmentations ou diminutions de vitesses endéans la gamme de vitesses normale ne déplacera pas l'onde de raréfaction 28 hors de la période de balayage, ou toutes les impulsions 31, 30, 32 hors de la période d'alimentation.
La figure 6 montre également l'effet de la réalisation du tube'd'onde de longueur supérieure au second conduit allant à la machine, en ce sens que l'im- pulsion relativement intense 13 de la figure 2 est remplacée par les impulsions 3le 30 et 32 de grandeur réduite mais de durée totale plus longueo Lorsque les circonstances le permettent, un résultat semblable peut être obtenu en réalisant le second conduit de longueur supérieur au tube d'onde.
Un moteur à trois cylindres peutêtre traité comme trois moteurs mono- cylindriques. Dans cette disposition du nouveau dispositif d'échappement, les premiers conduits séparés, sembables aux conduits 26 de la figure 5, peuvent cha- cun être connecté à une jonction avec un second conduit séparé conduisant à une entrée séparée de la machine, tandis que les tubes d'onde individuels peuvent être formés par des tubes de surface de section transversale plus grande et qui entourent chaque premier conduit, chacun desdits tubes d'onde étant ouvert à sa jonction avec le second conduit et fermé à son extrémité adjacente au cylindre.
Etant donné que les conduits et les tubes ont sensiblement les mêmes longueurs que ceux de la figure 5, les fluctuations de pression aux orifices d'échappement et à la machine seront semblables à celles de la figure 6, excepté que leur gran- deur sera différente étant donné que chaque impulsion est divisée en deux à la jonction du premier conduit avec le second conduit et le tube d'onde, au lieu d'être divisée en trois à la jonction 4a de la figure 50
Dans une autre disposition du dispositif d'échappement suivant la pré- sente invention, les premiers conduits séparés semblables aux conduits 3 de la figure 1 peuvent chacun être connecté à une jonction avec un second conduit sépa- ré semblable au conduit 5 de la figure 1 et conduisant à une entrée séparée de la machine,
et avec un tube d'onde individuel formé d'un tube de surface de sec- tion transversale plus grande et entourant chaque second conduit, chacun desdits tubes d'onde étant ouvert à sa jonction avec le premier conduit et fermé à son extrémité adjacente à la machine . Les conduits et les tubes ont sensiblement la même longueur que ceux de la figure 1 et les fluctuations de pression concernant chaque cylindre seront semblables à celles de la figure 2.
Un moteur à six cylindres peut être traité en tant que deux moteurs à trois cylindres dans lesquels les six cylindres sont rassemblés en deux groupes de trois cylindres conformément à n'importe laquelle des formes d'exécution dé- crites antérieurement. Un exemple d'une forme d'exécution convenable est repré- sentée aux figures 7 et 8. Les conduits et les tubes peuvent avoir la configu- ration nécessaire pour obtenir les longueurs égales désirées de chaque type de conduit ou de tube tout en réduisant les dimensions hors tout du dispositif et en vue d'amener la machine près du moteur. Dans ce but, un conduit d'échappement hélicoïdal peut être utilisé, à savoir un conduit unique contenant trois sections disposées hélicoidalement et dont chacune est couplée à chaque cylindre.
Cette disposition a les avantages d'une longue distance de parcours d'impulsion pour une longueur donnée du conduit extérieur tandis que les pertes de chaleur sont inférieures à celles de tubes séparés.
Aux figures 7 et 8, le premier conduit pour chaque cylindre comprend un des conduits séparés 3b et une des sections du conduit hélicoïdal 30. Les tu- bes d'ondes pour chaque cylindre sont formés par les premiers conduits des deux autres cylindres dans chaque groupe de trois. La détente a lieu à la jonction 4b tel que décrit précédemment' et les gaz sont conduits vers la machine 10 le
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long du conduit 3c.
L'application de la présente invention aux générateurs de gaz du ty- pe à piston libre ou à vilebrequin ne doit pas être décrite séparément, excepté pour établir que le dispositif d'échappement de la présente invention est placé entre les cylindres de combustion et la machine de puissance. Les cycles des événements dans de tels générateurs de gaz sont très semblables à ceux d'un mo- teur à cycle à deux temps, et la présente invention n'est pas relative aux dispo- sitions mécaniques des différentes unités productrices de gaz. Le fonctionnement cyclique des pistons et des apparitions de gaz dans le dispositif d'échappement sont semblables dans tous les types mentionnés et les fréquences de cycles peuvent également être semblables.
Dès lors, les considérations de réalisation décrites antérieurement sont applicables aux générateurs de gaz des types à piston libre et à vilebrequin.
Dans les exemples décrits plus haut, l'attention a été accordée au maintien de longueurs égales des conduits et tubes pour chaque cylindre d'un mo- teur à plusieurs cylindres et ceci constitue une disposition optimum pour un mo- teur à vitesse constante, mais des essais pratiques de moteurs ont montré que lors- que ce type de dispositif d'échappement est utilisé sur un moteur fonctionnant dans une certaine gamme de vitesses, certains écarts par rapport aux longueurs égales et optima peuvent être tolérés en vue de s'adapter à des considérations économiques et pratiques tout en obtenant encore un rendement très élevé pour le moteur. Pour des moteurs à vitesse variable, il est satisfaisant de réaliser le dispositif à tube d'onde de manière à ce qu'il soit adapté à la vitesse pour la- quelle le couple maximum est requis.
Seul le comportement des impulsions majeures a été décrit en détail dans ce qui précède, et on comprendra que des impulsions mineures peuvent être présentes, y compris la réflexion des impulsions qui ont passé à travers le cy- lindre et sont réfléchies par les orifices d'admission et la tête du piston ou du cylindre. A nouveau, des essais pratiques de moteurs montrent que de tels évè- nements ne détruisent pas d'une manière appréciable le rendement amélioré du mo- teur, pourvu que la précaution soit prise de s'assurer que de telles impulsions mineures soient aussi petites que possible si leur effet est nuisible, ou qu'elles se produisent en des points du cycle pour lequel leur effet est utile.
Les dispositions décrites peuvent être étendues, d'une manière qui sera claire pour les techniciens avertis, de manière à assurer que la machine re- çoit plus de deux impulsions majeures pour chaque impulsion unique provenant d'un cylindre, par exemple en augmentant le nombre de tubes d'onde 6a à la figure 3 et en variant leur longueur.
Dans le cas de moteurs ayant des lumières d'échappement dans les pa - rois du cylindre, ou plus d'une soupape d'échappement dans la tête du cylindre, on peut utiliser plus d'un dispositif d'échappement par cylindre. De tels dispo- sitifs d'échappement peuvent avoir des longueurs différentes ou se rejoindre en des points qui assurent que la fourniture de gaz sous pression à la machine est étendue sur une période encore plus longue, tandis que les ondes réfléchies vers les orifices d'échappement peuvent être réparties sur de plus longues de la pério- de d'alimentation.
REVENDICATIONS.
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The present invention relates to a gas producing unit of the type which comprises a combustion chamber from which the gaseous products of the combustion are periodically discharged at high temperature and under pulsating pressure in order to drive a machine which is actuated by the expansion of said gaseous products, for example, such a gas producing unit being a two-stroke cycle internal combustion engine, or a crankshaft or free piston type gas generator, and the machine driven which may be a gas turbine. More particularly, the present invention relates to improvements to the exhaust devices of such units.
Exhaust devices are known in which the pulsating gas stream is supplied to the turbine directly through a short duct, or alternatively, in which an expansion chamber is provided between the combustion chamber and the turbine, but the overall performance of these devices is low.
It is an object of the present invention to control a high proportion of the energy of the pulsating gas flow and to supply the gases to the turbine at a more closely constant pressure.
The present invention consists of a gas producing unit of the type which comprises a combustion chamber from which the gaseous products of combustion are periodically discharged at high temperature and under pressure, thereby producing gas pulses, the expansion of which is utilized. for driving a machine by controlling the displacement of said pulses of gases in that their passages from said unit to said machine are controlled in such a way that their frequency is increased and their amplitude decreased with respect to frequency and amplitude original pulses of gases produced by the discharge of gases from said chamber.
The present invention also consists in that said machine provides the means for sweeping and feeding said unit, and in that during a substantial part of the sweep period a low pressure occurs near the orifices of said unit. 'exhaust from the combustion chamber to facilitate sweeping and high pressure near the machine to drive the machine.
The present invention further consists in that the control of the exhaust pulses is achieved by providing an exhaust device between said combustion chamber and said machine, this exhaust device being arranged such that each original pulse pressure of the gases produced at the outlet of said chamber is divided into parts which are forced to travel different distances to reach said machine, so that they arrive there at different times in the cycle of said unit.
The splits of the pulse may take place at the junction of at least two conduits forming the exhaust device and the latter may comprise a first conduit extending from the exhaust ports of the combustion chamber to said junction. , a second conduit going from the junction to said machine, and at least one wave tube which leads from the junction to a closed end, or to the machine by a path longer than the second conduit. In a multi-cylinder unit, said wave casing for one cylinder may be formed by the first duct of one or more of the other cylinders.
Said combustion chamber requires to be swept and provided with a fresh charge during each cycle of operation, and it is desirable that this operation be carried out with minimum expenditure of energy. A low pressure in the exhaust system adjacent to the exhaust ports of the combustion space is desired during the sweep period and can be produced by the reefaction wave created by the combustion chamber. expansion of the pulse of gaseous products which occurs at said junction between the first duct, the second duct and the wave tube, and which propagates back towards the exhaust ports and the space of combustion.
This direct use of the exhaust energy to provide the desired low pressure in the cylinder and the duct,
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by means of rarefaction waves, ensures that energy is applied for a short period of time, and is therefore more efficient than passing a higher pressure pulse to the machine, and converting by machine and compressor of this energy into a slightly higher sweep pressure, which would be extended over a long period of time. The pressure in the exhaust device adjacent to the exhaust opening of the cylinder should increase towards the end of the feed period so as to reduce the amount of feedstock escaping to the device. exhaust and in order to increase the pressure inside the cylinder.
The increases and decreases in the cross-sectional area of the 'exhaust' device which produce positive and negative reflections of the gas pressure pulses, must be limited by careful study of dimensions and lengths, to those which are necessary to provide the required pressure distribution in the exhaust system for the entire sweep and feed period.
In a normal exhaust system, reflections which are not advantageous over the gas cycle frequently occur at the junctions of tubes of different cross-sectional areas, or where tubes join or leave a manifold, such junctions and manifolds being so arranged as to provide a simple and customary exhaust device, without having any regard to their effect on the pressure pulses passing through the ducts.
An exhaust device in accordance with the present invention and the requirements described above has a first duct of cross-section of area substantially equal to the area of the exhaust port and this area being constant over a predetermined length. At the end of this length of conduit, the exhaust pulse is divided at the junction of one or more tubes hereinafter referred to as wave tubes. The expansion of said gaseous products which occurs at the junction generates a rarefaction wave which retrogrades towards the exhaust ports and which produces a low pressure during a substantial part of the sweep period. The extent and duration of the low pressure phase is controlled by the arrangements for the expansion of said gaseous products at the junction.
If the combined area of the cross-sections of the tubes in which the pulse is divided is approximately equal to that of the first duct, only a small expansion will occur, but if two or more tubes are made with the same cross-sectional area as the first tube, considerable expansion will occur and a satisfactory rarefaction wave will propagate back to the cylinder. In most cases, a sharp change in the cross-sectional area will be satisfactory, but the transition from one cross-sectional area to the next can be made more gradual by tapering the ducts so that the reflections which resulting from it will have an increased duration and a decreased amplitude.
At the same time, the pressure pulse propagates outward along the second conduit from the junction towards the turbine to drive the latter, and along the wave tube. The magnitude of the pressure pulse in each duct is reduced in proportion to the areas of the cross sections of the ducts and tubes along which it is divided. The part of the pulse, in the wave tube can progress towards the turbine following a path longer than the second duct, so that it arrives at the machine after the pulse which propagated along the second conduit has substantially finished using its energy to drive the machine.
Alternatively, the part of the pulse in the wave tube can be reflected at the closed end of said tube without changing sign, so that a positive pulse retrogrades along the wave tube toward the junction. where it is divided, and one part progresses along the second duct to drive the machine, while another part feeds back to the cylinder and increases pressure there towards the end of the feed period. . Also, since the nozzles of the machine act as a partially closed end and constitute a restriction of the flow, part of the energy of all the pulses reaching the machine is reflected.
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shits to the cylinder and to the wave tubes.
A first duct of substantial length as presently proposed has a further advantageous effect, in that the cold sweeping medium passing through the duct remains adjacent to the exhaust port until the latter is refilled. opens during the next cycle. This action is particularly beneficial when a valve is used to control the exhaust port, since the presence of the cold purging medium for much of the cycle reduces the temperature of the exhaust valve.
The improved arrangements described result in that an additional driven motor or separately driven compressor is not required, but one can be used to aid in starting or when very high engine acceleration is required. and in such cases the advantages of the device described are not lost since the power required to drive said additional compressor is much less than that required in known devices
The present invention will now be described only by way of example with reference to the accompanying drawings in which: - Figure 1 shows a schematic representation of a simple exhaust device;
FIG. 2 indicates the pressure variations near the exhaust ports and near the machine in the exhaust device of FIG. 1; FIG. 3 shows a schematic representation of a modified form of exhaust devices; FIG. 4 indicates the pressure variations near the exhaust port and near the machine in the exhaust device of FIG. 3; Fig. 5 shows one form of wave tube devices suitable for a three cylinder engine; - Figure 6 indicates the pressure variations near the exhaust port and near the machine in the device of Figure 5;
- Figure 7 is a side elevational view of an arrangement of a six cylinder engine and suitable exhaust device in accordance with the present invention; and - Figure 8 is a plan view of the engine and the exhaust device of Figure 7.
The present invention can be applied to a two-stroke, overfeed cycle internal combustion engine and the general layout of the engine can be substantially in accordance with any known type in which the fresh feedstock is provided by a compressor driven by an exhaust gas turbine, which can also be of any known type. Normal arrangements for transporting fresh charge from the compressor to the cylinders can be used.
The total amount of fresh charge entering each cylinder must be sufficient to sweep, feed, and supercharge the cylinder to the required pressure, and to provide the excess amount which passes to the exhaust system and remains there at the end of the cycle. : -feed period, thus not taking any part in the following combustion process.
Exhaust systems will now be described with reference to schematic exhaust system arrangements and pressure-time diagrams which show the sequence of pressure variation, in the exhaust port and at the machine, throughout. extent of escape periods,
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sweeping and feeding. Only major pressure fluctuations are shown, as these are what differentiate the process in different exhaust systems.
In all of the figures illustrating the present invention, the pressure diagrams are drawn as being aligned with the position at which the pressure recordings were taken, so that the change in cross-sectional area from which the reflection has that took place can be identified. Within the limits of the schematic representations, there are distance-time diagrams and the slope of the lines joining equivalent events is a measure of the speed with which the pulse or wave travels along the path. The size of the initial pulse will vary depending on the type and power of the engine, and the relative sizes of the reflected pulses will vary depending on the shape of the exhaust system.
In order to allow the various embodiments of the present invention to be easily understood, the figures have been chosen so as to show simply and clearly the sequence of events and they are therefore to some extent indicative. tive and schematic.
The abbreviations used have the following meanings:
EO = opening of the exhaust,
AO = opening of admission,
AC = closure of admission,
EC = closing of the exhaust, and
BDC = lower dead center, i.e. when the piston is at its furthest point from the combustion chamber.
A simple wave tube type form of an exhaust device in accordance with the present invention, is that which is required for a single cylinder engine, as shown in Figure 1. It is assumed that the engine is towards. the end of his. power stroke, so that the cylinder 1 is filled with gas at high pressure and high temperature. When the exhaust port 2 is opened, the gas content of cylinder 1 will form a pressure pulse which moves away from the port along the first duct 3.
When the pulse reaches junction 4, it will divide with the resulting reduction in amplitude in relation to the areas of the cross-sections that it now occupies, and part of this pulse will continue along conduit 5 towards the end. machine 10, and another part of this pulse will enter the wave tube 6. The expansion which occurs at junction 4 creates a rarefaction wave in the first duct 3, which propagates back to cylinder 1 and lowers the pressure of the gases contained therein, thus promoting the scanning of the cylinder by means of the fresh charge which enters through the ports 7 when these are discovered by the piston 8. During this time, the pulse in the second duct 5 increased the pressure at the nozzles of the machine so as to drive the machine 10.
Since the nozzles of the machine constitute a flow restriction, part of the energy of the pulse is reflected back along the second duct 5 and a part enters the tube 6 and a part. part returns to cylinder 1, while a small rarefaction wave returns to the machine.
The wave tube 6 is closed at its end 9 so that the pressure pulse which entered it is reflected without change of sign and returns to junction 4 where part of this pulse passes along the second pipe. 5 towards the machine 10 and a part returns along the first duct 3 towards the cylinder. Due to the greater distance traveled, the pulse passing along the wave tube 6 reaches the machine 10 later than the pulse passing directly along the conduit 5. The lengths of the conduits and tubes are chosen as so that the sweep of the cylinder is substantially completed before the return pulse from the impeller or the closed end 9 of the tube 6 reaches the exhaust port.
The use of
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the rarefaction wave to aid scavenging allows most of the scavenging to take place before the lower dead center of the engine piston, and the advantages of this will be described in more detail later. Another advantage of the wave tube type exhaust device is that the lengths thereof can be combined so that a pressure pulse returns to the exhaust port shortly before the intake ports are closed, and if the exhaust port is closed after the intake ports but before the pressure pulse reflected from inside the cylinder can escape, at least part of the pressure pulse can be enclosed inside the cylinder,
so that the pressure of the fresh charge is increased. This latter characteristic may not be essential for obtaining high engine power, since with the exhaust system of the present invention, high-efficiency, high-pressure power turbo-compressors can give high-pressure. Sufficiently large amounts of fresh charge at sufficiently high pressure to ensure that the amount retained in the cylinder exceeds the minimum necessary for good combustion. Additionally, when a high supply pressure is available, these reflected pulses may increase the total load somewhat. FIG. 2 represents the pressure variations near the exhaust port of the device shown in FIG. 1 for a single-cylinder engine at substantially constant speed.
Benchmark 11 indicates the initial exhaust pressure pulse leaving exhaust port 2 and benchmark 12 is the rarefaction wave produced by the expansion of the pulse at the end. junction 4, while the reference index 13 represents a part of the pressure pulse 11 reflected from the nozzle ring of the machine, and the coincident reflection from the closed end 9 of the machine. wave tube 6. The instant of arrival of wave 12 to the cylinder depends on the length of conduit 3, that of pulse 13 depends on the lengths of conduits 3 and 5 and of conduit 3 and tube 6, the lengths of 5 and 6 being equal. In the machine pressure diagram, pulse 14a is the part of initial pulse 11 which has progressed along conduit 5 to the machine.
The pulse 14b is the reflection of the other part of the initial pulse 11 at the closed end 9 of the wave tube 6, and since it does not occur on the machine it is represented dotted lines, but it is used to show the origin of part of the pulses 13 and 15. The pressure pulse 15 is the part of the pulse 14b which has reached the machine after reflection at the closed end 9 wave tube 6 and division at junction 4, and this pulse is further reduced by the coincident, but smaller rarefaction wave which returns to the machine when pulse 14a relaxes at junction 4 as it expands. progression back to the cylinder.
In this simple example, the length of the first duct 3 from exhaust port 2 to junction 4 should be approximately half the length of the pressure pulse, in which case the wavefront of Reflection 12 reflected from junction 4 will reach the exhaust port at about the instant at which the pressure in the cylinder has dropped to the sweep pressure.
If duct 3 is made shorter, the reflected wave will reach the exhaust port earlier and produce a more rapid drop in pressure in the cylinder, but although the first part of the wave is therefore favorable by starting the sweep period earlier, it will not actually perform the sweep which is defined as the removal of gases in the cylinder after their pressure has dropped to the air pressure d. 'food. The second duct 5 and the tube 6 will have a length such that the pulse 13 reflected from the machine 10 and the closed end 9 reaches the exhaust port 2 after the rarefaction wave 12 has. finished its action on the contents of the cylinder.
In this way, the conduit 5 and the wave tube 6 will have approximately the length of the pressure pulse, that is to say about twice the length of the first conduit 3. If a pulse of pressure at the exhaust port when the latter closes is not desired, the duct 5 and the tube 6 must be made longer or shorter. The surfaces of the cross sections of all ducts and tubes will be made appropriately.
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ximally equal to the area of the exhaust ports, but in some devices different areas may provide further improvement.
Assuming the required conditions can be obtained, shorter cross-sectional areas and lengths will conserve pulse energy by allowing less relaxation than large areas and lengths, so that more energy will be supplied to the pulse. machine and reflected from it.
In the modified arrangement shown in figure 3, the wave tube 6a leads directly to the machine 10, so that the energy of the pulse in this wave tube is delivered directly to the turbine without further splitting. and without the losses of an intermediate reflection. The length of the wave tube 6a will be about three times the length of the second duct 5.
The pressure variations in line 3 near exhaust port 2, and in lines 5 and 6a near machine 10, are shown in Figure 4. The initial pressure pulse 11 leaving the exhaust port 2 progresses along the duct 3 and is divided at the junction 4, so that as previously described, a rarefaction wave returns to the exhaust ports. A portion of the pressure pulse 11 progresses along the conduit 5 to drive the machine and is indicated by the pulse 14a which is reflected from the machine and returns to junction 4 where it is. again divided, and the negative reflection returning to the machine is indicated at 15b.
Part of 14a passes through wave tube 6a and another part returns to exhaust port 2 in the form of pulse 13a.
The part of the initial pulse 11 which progresses along the longer wave tube 6a reaches a separate inlet of the turbine 10 later than the pulse 14a, and is shown by a dashed line in the form of pulse 15a.
The aforementioned known short-tube device can be adapted to the device of the present invention by using a first short duct and placing the machine at the end of a second short-branch duct while the first duct is extended so as to form a closed end wave tube or passage path to the machine by a longer path.
In this device, the second short-branched duct forms an opening and the machine forms a partial opening at the junction with the first short duct, which, together with the wave tube, allows expansion and cancels out the impulse. of pressure which would otherwise be reflected back to the cylinder from the machine. Hence, an initial pulse of substantially normal shape, similar to pulse 11 of Figures 2 and 4, is formed outside the exhaust ports, but the reflected rarefaction wave returning from the junction to the cylinder will be less intense than normal.
The initial pulse is split at the junction with the second short branch conduit, one part passing to the machine and the other part passing through the wave tube to be reflected at the closed end and returned to the machine and cylinder or to be delivered to the machine by a longer path.
The foregoing descriptions relate primarily to single cylinder constant speed engines, and additional necessary elements for multi cylinder and variable speed engines will now be described.
In devices in which many events take place in rapid succession, and in which compromises have to be made, it is not unusual in the preliminary calculations to be used to give the approximate dimensions of the different elements, and with a view to to ensure a practical result and for the optimum operation to be obtained, to make adjustments based on the results obtained.
Now that the necessary elements have been clearly established,
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the preliminary calculations and trade-offs necessary in the present case will be easily appreciated by experienced technicians as well as the adjustments necessary to obtain optimum results.
It is understood that actions, such as the opening and closing of valves, the operating period of which is controlled by the mechanical cycle of an engine, take place in shorter times in high-speed engines. than in low speed engines, while the emotions of the gases in the exhaust system, such as the displacement of the waves, take place in a substantially constant time and depend mainly on the temperature and the pressure of the gases. The need to establish tolerances for these events is fully appreciated with regard to engines which must operate in a wide speed range.
It is therefore of course understood that a low speed engine, which is usually a large engine, will require longer ducts and tubes in an exhaust device in accordance with the present invention than a high speed engine, which is usually a small engine.
The open rate of the exhaust ports, together with the area of the ports, will control the length of the pressure pulse for any given state of the gases in the cylinder.
In constant speed motors, a close approximation of ideal duct and tube lengths can be obtained, as previously described, but other compromises are necessary for motors operating within a certain speed range.
In normal motors, the sweep and feed periods occupy a longer time than that of the pulse duration, and a necessary compromise is to combine the length of the first conduit such that the rarefaction wave occurs approximately in the middle of the sweep period when the motor is operating at about the middle of its speed range, so that the wave does not exit the sweep period at some higher speed, or is strongly canceled out by moving below it. initial pressure pulse at some lower speed.
The portion of the total intake period allocated to the sweep will vary with the desired engine operation, as experienced technicians will understand it, but as previously established, with the help of the rarefaction wave, the sweep can be completed approximately at bottom dead center. The point in the speed range for which maximum torque is required must also be considered. In one type of engine it can advantageously be located at low speed in order to allow a certain part of the coming feedback wave to reach the cylinder before the pressure therein has dropped. at the sweep pressure, this in view that at high speed the wave does not reach the cylinder at an instant which is not sufficiently late in the feed period for this wave to be no longer effective.
If it is so late that it arrives when the orifices are almost closed, it will be detrimental. In another type of motor, low speed operation may be of relatively great importance so that it is necessary to ensure that the wave produces its full effect at low speed.
Similar considerations apply to combining the lengths of the second conduit and the wave tube so that the pressure waves reflected from the machine or the closed end of the wave tube do not reach the cylinder too early in the feed period, or alternatively after the exhaust port is closed if the help of a return feed is desired. If the second duct and the wave tube are made with different lengths, the reflected pressure pulse is reduced in magnitude but increased in length and duration, so that it is easier to arrange than a certain part of this impulse reaches the cylinder at the desired instant.
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Consequently, the dimensions of the various ducts and tubes will vary with the range of engine speeds, the setting of the times chosen and the surfaces of the engine's intake and exhaust ports, the type of machine used, the temperature and the pressure. maximum allowable in the cylinder and the maximum output power required.
There are a variety of exhaust tube devices which can be designed to use the wave tube principle of the present invention and when these devices are combined with the different possible numbers of engine cylinders the numbers machine and machine inputs, it is impossible to give examples of all these devices. The lengths of the different ducts and tubes, and the grouping of the exhausts of the different cylinders will be such that the major pulses from one cylinder do not adversely affect the sweep and feed of any cylinder. interconnected.
A popular two-stroke cycle engine arrangement has three in-line cylinders and operates in a wide range of speeds. As shown in figure 5, the first three individual ducts 26 coming from the exhaust ports 2 of the three cylinders can be connected together in a single junction 4a, with a second single duct 5b extending from the junction 4a towards machine 10. In this new arrangement, when a cylinder is exhausted and is swept, the exhaust ports of the other two cylinders connected to the junction 4a are closed, so that the ducts 26 connected to these last two cylinders can form the wave tubes for the first mentioned cylinder.
In this example, the conduits 26 must function as both the first conduits and the wave tubes, and the length of these conduits 26 must be a compromise between the ideal lengths required for each purpose.
As shown in figure 6, a satisfactory compromise in the fluctuations of the pressures at the exhaust port and at the machine can be obtained by making the first ducts 26 with three quarters of the length of the pressure pulse, that is to say one and a half times the length of duct 3 of figure 2, and by making the second duct 5b with half the length of the pressure pulse, that is to say half the length of conduit 5 of figure 2. The initial exhaust pressure pulse 27 and rarefaction wave 28 are similar to the equivalent characteristic pulses 11 and 12 described in connection with figure 2 , except that wave 28 occurs a little later.
The two pulses 29 shown in broken lines in Figure 6 are the positive reflection of part of the pulse 27 from the closed exhaust ports of the other two conduits 26, and although this pulse does not occur at the exhaust port of the cylinder which is scanned, it is shown in Figure 12 so as to allow the origin of the pulse 30 which follows, which is the result of the pulse 29 having been reflected without change of sign by the closed orifices of the two unpowered cylinders, moved back along the two conduits 26 towards the junction 4a where it was divided, and from that a part propagated along from the duct 26 of the cylinder supplied to the exhaust port of the latter.
Pulse 31 is part of the positive reflection of pulse 33 from machine 10, and pulse 32 is part of the reflection of pulse 34 from machine 10, and also a part of the pulse 33 which propagated along the two ducts 26 of the unpowered cylinders, was reflected without change of sign by the closed orifices of these cylinders and propagated back towards the junction 4a where it split and some of it moved along the conduit 26 of the cylinder fed to the exhaust port thereof.
In the diagram of pressures at machine 10, pulse 33 is part of the initial pulse 27 arriving at the machine, and pulse 34 is part of the reflection of pulse 29 from the exhaust ports. - ment closed from the other two tubes. Only weak effects are produced by
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the rarefaction wave moving back towards the turbine when the pulse 33 during its passage back to the cylinder expands at junction 4a.
The pressure fluctuations shown in Figure 6 are suitable for an intermediate speed of a variable speed motor. The trade-off is such that increases or decreases in velocities within the normal velocity range will not displace the rarefaction wave 28 out of the scan period, or all of the pulses 31, 30, 32 out of the feed period.
Figure 6 also shows the effect of making the wave tube longer than the second machine-going conduit, in that the relatively intense pulse 13 of Figure 2 is replaced by the pulses 3le. 30 and 32 of reduced size but of longer total duration When circumstances permit, a similar result can be obtained by making the second duct of longer length than the wave tube.
A three-cylinder engine can be treated as three single-cylinder engines. In this arrangement of the new exhaust device, the first separate ducts, similar to the ducts 26 of FIG. 5, can each be connected at a junction with a second separate duct leading to a separate inlet of the machine, while the Individual wave tubes may be formed by tubes of larger cross-sectional area and which surround each first duct, each of said wave tubes being open at its junction with the second duct and closed at its end adjacent to the cylinder.
Since the ducts and tubes have substantially the same lengths as those in Figure 5, the pressure fluctuations at the exhaust ports and at the machine will be similar to those of Figure 6, except that their magnitude will be different. since each pulse is divided into two at the junction of the first conduit with the second conduit and the wave tube, instead of being divided into three at junction 4a in figure 50
In another arrangement of the exhaust device according to the present invention, the first separate ducts similar to ducts 3 of figure 1 can each be connected at a junction with a second separate duct similar to duct 5 of figure 1. and leading to a separate entrance to the machine,
and with an individual wave tube formed of a tube of larger cross-sectional area and surrounding each second duct, each of said wave tubes being open at its junction with the first duct and closed at its end adjacent to the machine . The conduits and tubes are substantially the same length as those in Figure 1 and the pressure fluctuations for each cylinder will be similar to those in Figure 2.
A six cylinder engine can be treated as two three cylinder engines in which the six cylinders are grouped into two groups of three cylinders in accordance with any of the embodiments previously described. An example of a suitable embodiment is shown in Figures 7 and 8. The conduits and tubes can be configured to achieve the desired equal lengths of each type of conduit or tube while reducing the requirements. overall dimensions of the device and in order to bring the machine close to the engine. For this purpose, a helical exhaust duct can be used, i.e. a single duct containing three sections arranged helically and each of which is coupled to each cylinder.
This arrangement has the advantages of a long impulse path distance for a given length of the outer duct while the heat losses are less than with separate tubes.
In Figures 7 and 8, the first duct for each cylinder comprises one of the separate ducts 3b and one of the sections of the helical duct 30. The wave tubes for each cylinder are formed by the first ducts of the other two cylinders in each group. of three. The expansion takes place at the junction 4b as described above 'and the gases are led to the machine 10 on
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along duct 3c.
The application of the present invention to free-piston or crankshaft-type gas generators need not be described separately, except to establish that the exhaust device of the present invention is placed between the combustion cylinders and the combustion cylinder. power machine. The cycles of events in such gas generators are very similar to those of a two-stroke cycle engine, and the present invention does not relate to the mechanical arrangements of the various gas-producing units. The cyclic operation of the pistons and the gas appearances in the exhaust system are similar in all the types mentioned and the cycle frequencies can also be similar.
Therefore, the design considerations described above are applicable to gas generators of the free piston and crankshaft types.
In the examples described above, attention has been paid to maintaining equal lengths of ducts and tubes for each cylinder of a multi-cylinder engine and this is an optimum arrangement for a constant speed engine, but Practical engine tests have shown that when this type of exhaust system is used on an engine operating in a certain speed range, certain deviations from equal and optimum lengths can be tolerated in order to accommodate economic and practical considerations while still obtaining a very high efficiency for the engine. For variable speed motors, it is satisfactory to construct the wave tube device so that it is suitable for the speed at which the maximum torque is required.
Only the behavior of major pulses has been described in detail in the foregoing, and it will be understood that minor pulses may be present, including the reflection of pulses which have passed through the cylinder and are reflected from the orifices of intake and piston or cylinder head. Again, practical tests of motors show that such events do not appreciably destroy the improved efficiency of the motor, provided that care is taken to ensure that such minor pulses are as small as. possible if their effect is harmful, or if they occur at points in the cycle for which their effect is useful.
The arrangements described can be extended, in a way which will be clear to skilled technicians, so as to ensure that the machine receives more than two major pulses for every single pulse from a cylinder, for example by increasing the number of wave tubes 6a in Figure 3 and varying their length.
In the case of engines having exhaust ports in the cylinder walls, or more than one exhaust valve in the cylinder head, more than one exhaust system per cylinder may be used. Such exhaust devices may be of different lengths or meet at points which ensure that the supply of pressurized gas to the machine is extended over an even longer period, while the waves reflected back to the orifices. exhaust can be spread over longer supply periods.
CLAIMS.
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