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" Moteur à combustion interne avec régénération Il
La présente invention concerne les moteurs à combus- tion interne alternatifs, dans lesquels pendant chaque cy- cle de fonctionnement une charge de combustible et une nou- velle charge d'un gaz susceptible d'entretenir la com- bustion, par exemple de l'air sont introduites dans le cylindre du moteur, y brûlent et se détendent en produi- sant du travail utile et les produits de la combustion s'é- chappent si on le désire après une nouvelle détente.
Le rendement thermique de ces moteurs est déterminé dans une large mesure par le rapport de détente de la charge et augmente en même temps que ce rapport, la chaleur restant dans le gaz d'échappement après détente étant norma- lement perdue . Mais pour diverses raisons, par exemple pour que les dimensions ou le poids du moteur restent fai-
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bles pour une puissance donnée ou pour limiter la pression maximum développée, il est avantageux que le rapport de détente reste aussi faible que possible.
L'invention permet d'augmenter le rendement thermi- que d'un moteur à combustion interne alternatif pour un rapport de détente donné en disposant dans la moteur ou à son voisinage immédiat un régénérateur de façon à faire passer le gaz d'échappement dans le régénérateur à sa sor- tie du cylindre, ainsi que la nouvelle charge avant son entrée dans le cylindre du moteur à contre courant avec le gaz d'échappement sous une pression sensiblement égale à la pression de compression,
la nouvelle charge chauffée par le régénérateur commençant à pénétrer dans le cylindre au point mort supérieur aussitôt avant le commencement de la course motrice ou assez tôt après pour que le combustible introduit dans le cylindre puisse s'allumer avant que la manivelle ait tourné de 30 environ après ce point mort et un dispositif étant destiné à introduire le combustible dans le cylindre au moment ou un instant avant le moment où la charge commence à pénétrer dans le cylindre .
Le mot "régénérateur" doit être considéré comme désignant un dispositif qui comporte au moins une matrice susceptible d'absorber et de retenir la chaleur lorsque les gaz chauds passent sur sa surface et de céder de la chaleur aux gaz froids qui passent ensuite sur cette même surface, et l'expression "pression de compression" doit être considérée comme désignant la pression maximum atteinte par la nouvelle charge avant l'allumage c'est-à-dire avant 1. commencement de la combustion.
L'augmentation de rendement thermique qu'on peut obte- nir suivant l'invention est due au fait qu'une portion considérable de la chaleur des gaz d'échappement qui est
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normalement perdue est récupérée au moyen d'un régénéra- teur, cédée à la nouvelle charge et par suite rendue utilisable pendant la course motrice . Cependant pour réa- liser cette augmentation de rendement, il est nécessaire de faire en sorte que le préchauffage de la charge ne provoque pas une diminution du rendement de la charge du moteur, et que l'espace mort qui résulte de la présence du régénérateur et des canaux de passage qui en partent et y aboutissent ne provoque pas un retard trop consi- dérable à l'allumage du combustible .
Ce retard est sus- ceptible de se produire si la nouvelle charge est obli- gée avant de pouvoir pénétrer dans le cylindre et y entre- tenir la combustion de chasser d'abord le gaz d'échappement restant dans cet espace mort.
Ces effets nuisibles du préchauffage par régénération sont supprimés ou atténués dans le moteur suivant l'inven- tion. En ce qui concerne le premier d'entre eux, ce résul- tat est obtenu du fait que dans le moteur suivant l'inven- tion la nouvelle charge chauffée par le régénérateur com- mence à pénétrer dans le cylindre du moteur à une pression sensiblement égale à la pression de compression, et par suite que le chauffage de la charge s'effectue en totalité ou en majeure partie à peu près à cette pression.
Le second de ces effets nuisibles est supprimé ou atténué du fait que dans le moteur suivant l'invention la nouvelle charge chauffée commence à pénétrer dans le cylindre au point mort supérieur qui précède immédiatement la course motri- ce, ou assez tôt après que l'allumage puisse se produire avant que la manivelle ait tourné de 30 environ et de préférence de 15 environ après ce point mort. Un re- tard à l'allumage ne dépassant pas 30 après le point mort peut être accepté, d'autant plus que le régénérateur par sa présence permet de donner une faible valeur au rapport de détente.
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Deux moyens sont choisis de préférence pour donner la certitude que la nouvelle charge commence à pénétrer dans le cylindre assez tôt pour que l'allumage puisse se produire avant que la manivelle ait tourné d'environ 30 après le point mort. Le premier de ces moyens consiste à choisir le volume et la position du régénérateur, de façon que le volume de l'espace mort précité ait la faible valeur nécessaire et que, par suite, quoique la nouvelle charge pénétrant dans le cylindre soit obligée de purger d'abord le régénérateur, sa pénétration dans le cylindre ne soit cependant pas retardée au delà d'une limite accep- table.
Le second moyen consiste à combiner le régénérateur et le cycle de fonctionnement, de façon à comprimer d'abord la nouvelle charge du cylindre dans le régénérateur par le piston moteur dans le même sens que le mouvement des gaz d'échappement et à renverser ensuite le sens du mouvement de la charge en la faisant pénétrer de nouveau dans le cylindre au moment où le point mort supérieur est atteint ou immédiatement après, en évitant ainsi d'a- voir à purger le régénérateur avant que la charge chauffée puisse pénétrer dans le cylindre .
Dans le cas d'un moteur auquel est appliqué le pre- mier des moyens précités, il convient généralement de faire arriver la nouvelle charge dans le générateur à l'état de compression à la pression de compression par un compresseur extérieur et de faire fonctionner le moteur lui-même à deux temps.
Dans le cas d'un moteur dont le cylindre comporte une chambre de combustion, il doit être bien entendu qu'à moins d'indication contraire dans le contexte, le mot "cylindre" désigne la chambre de combustion du cylin- dre. Par exemple, lorsqu'il est question de l'entrée ou de l'introduction du combustible et du gaz combusti-
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ble dans le cylindre, l'expression "dans le cylindre" doit être considérée, dans le cas où il existe une cham- bre de combustion, comme signifiant "dans la chambre de combustion du cylindre ".
Dans les conditions de fonctionnement normales avec les combustibles normalement consommés dans les moteurs à combustion interne, la nouvelle charge est préchauffée par le régénérateur à une température suffi- sante pour provoquer l'allumage du combustible, et par suite, l'allumage s'effectue automatiquement sans qu'il soit nécessaire d'atteindre les taux de compression éle- vés qui sont nécessaires dans les moteurs à allumage par compression.
Cependant, on peut monter un dispositif d'allumage auxiliaire, par exemple une boule incandescente, un dispositif à étincelles ou à arc, dans le cylindre, ou immédiatement en avant du cylindre, et l'utiliser au moment du démarrage ou de la marche dans des conditions dans lesquelles le chauffage de la charge est insuffi- sant pour provoquer l'allumage.
Etant données la température initiale relativement élevée et la basse pression de compression, la combustion dans un moteur suivant l'invention est moins violente un que dans/ moteur comparable du type courant. Il est donc possible d'utiliser d'une manière efficace des combustibles de trop mauvaise qualité pour être utilisés dans les mo- teurs ordinaires. Parmi les combustibles qu'on peut utili- ser, on peut citer par exemple les combustibles de distil- lation, tels que l'essence, le pétrole lampant ou le gasoil et dans certains cas, des combustibles résiduels, tels que le fueloil.
On peut faire varier la puissance du moteur en faisant varier l'instant où cesse l'admission du gaz
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comburant frais dans le cylindre , ou mieux en faisant varier la quantité du combustible injecté. Cependant, cette dernière solution a l'inconvénient d'abaisser la température du gaz d'échappement sous les faibles charges et cette température peut devenir insuffisante pour chauf- fer la charge d'admission à la température d'allumage.
Il vaut donc mieux faire varier à la fois l'admission du combustible et du gaz comburant, de façon à maintenir leur rapport constant. Dans ce cas, la température du gaz d'échappement reste sensiblement constante, tandis que la réduction du débit du gaz d'échappement passant dans le régénérateur est compensée par la réduction du débit @ de la charge d'admission qui, par suite, reste à la même température. Lorsqu'il existe un compresseur exté- rieur, sa pression maximum peut servir à régler le refoule- ment de la pompe à combustible, était donné que cette pres- sion maximum est sensiblement proportionnelle à la puis- sance.
Il a été dit précédemment qu'il est indispensable, dans le cas d'un moteur dans lequel la nouvelle charge doit chasser le gaz d'échappement de la matrice du régénéra- teur avant de pénétrer dans le cylindre, que le volume de l'espace mort qui résulte de la présence du régénérateur, ne soit pas assez grand pour provoquer un retard excessif à l'allumage, c'est-à-dire un retard de plus de 30 de l'angle de la manivelle .
Mais il est également avanta- geux, dans le cas d'un moteur dans lequel le sens de la circulation de la charge se renverse dans la matrice, que l'espace mort soit aussi petit que possible en considérant le rapport thermique du régénérateur qu'on désire obtenir, c'est-à-dire le rapport entre l'élévation de température de la charge d'admission pendant son passage dans la ma- trice et la différence- de température maximum entre le gaz
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d'échappement chaud et la charge froide, au moment où ils pénétrent respectivement dans la matrice .
Pour un type donné de matrice, le volume du régénéra- teur est fonction du rapport thermique et augmente rapide- ment lorsque ce rapport thermique augmente. Il semble égale- ment que pour un moteur donné quelconque, il existe un rapport thermique optimum, qui permet d'obtenir un rendement thermique maximum, et qui est déterminé dans une large me- sure par le rapport de détente du moteur considéré. Etant donné qu'on désire obtenir un rendement thermique élevé, le rapport thermique optimum est donc une grandeur déterminée pour un moteur d'une force de construction particulière quelconque et ne peut pas être modifié pour diminuer le volume du régénérateur sans faire diminuer le rendement thermique .
Le choix d'un type de matrice d'un volume minimum pour un rapport thermique donné est donc important et, en conséquence, la matrice qu'on choisit de préférence consiste dans un métal sous une forme permettant d'obtenir une surface étendue par unité de volume et assemblée de façon à former une matrice permettant au gaz d'y passer.
La matrice peut donc consister par exemple en plusieurs toiles métalliques superposées, ou dans une masse de fils métalliques non tassés, étant entendu que si la résistance mécanique de cette matrice n'est pas suffisante pour lui permettre de conserver sa forme dans les conditions de fonctionnement, elle comporte des dispositifs de support permettant au gaz d'y passer.
Mais avec une matrice du type précité, il est néces- saire'de faire intervenir une autre considération dans la détermination du rapport thermique à choisir, à savoir la résistance du métal en question à la chaleur et à l'oxy- dation. En effet, la température à l'extrémité chaude du régénérateur , augmente eh fonction de l'augmentation du
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rapport thermique, et peut être beaucoup trop élevée pour que la matrice y résiste . Il convient donc de choisir de préférence des alliages résistant à la chaleur et à l'oxydation, tels que par exemple l'acier inoxydable connu, les alliages de nickel-chrome et de nickel-chrome- fer,, quoique, même avec ces matériaux, il puisse être nécessaire dans certains cas d'adopter un rapport thermique légèrement inférieur au rapport optimum.
Mais étant donné que le rendement thermique du moteur ne varie pas rapide- ment avec le rapport thermique du régénérateur, surtout au voisinage de la valeur optimum la diminution du rapport thermique, qui résulte de la nature du matériau contituant la matrice, ne présente normalement pas d'inconvénient.
De plus, quoique les considérations qui précèdent s'appli- quent à un moteur d'une forme de construction donnée, il peut être souvent possible de modifier la forme de construc- tion, de façon à faire correspondre le rapport de détente avec le rapport thermique qui peut être adopté dans la pra- tique du régénérateur.
D'après les considérations qui précèdent, le volume le plus avantageux du régénérateur d'un moteur donné quel- conque est déterminé par plusieurs variables- Mais on a constaté qu'en employant une matrice du type décrit ci- dessus il est possible de faire en sorte que le volume le plus avantageux du régénérateur soit inférieur à 10 % de la cylindrée , qui dans le cas d'un moteur dans lequel la nouvelle charge doit purger le régénérateur, permet de provoquer le commencement de l'allumage avant que la manivel- le ait atteint un angle de 30 après le point mort supé- rieur..Il doit être évidemment bien entendu que le volume dont il est question dans les considérations qui précèdent est le volume de l'espace mort, c'est -à-dire le volume des interstices du régénérateur contenant du gaz.
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Dans le cas d'un moteur dans lequel la nouvelle charge est mise à la pression de compression par un compresseur extérieur, celui-ci peut être d'un type quel- conque connu et peut être actionné par le vilebrequin du moteur. Une autre solution qui peut être avantageuse dans certains cas consiste à commander le compresseur par un groupe de turbine à gaz comportant un compresseur . commandé par le vilebrequin du moteur et refoulant l'air dans une chambre de combustion dans laquelle le combusti- ble brûle le gaz ainsi obtenu arrivant sur les aubes de la turbine.
De plus, il peut être avantageux,dans les moteurs dans lesquels la totalité ou une partie de la compression s'effectue par le piston moteur , d'incorporer un compres- seur extérieur servant à suralimenter le moteur ou dans le cas d'un moteur à deux temps, à balayer le cylindre.Ce compresseur extérieur peut être commandé par l'un des procédés décrits dans le paragraphe précédent ou, si on le désire, par une turbine à gaz d'échappement. De même, dans les diverses formes de moteurs suivant l'invention, le cycle peut être choisi de façon qu'une partie notable de la détente du gaz chaud s'effectue dans une turbine disposée de façon à contribuer à la puissance utile du moteur.
Sur le dessin ci-joint, qui représente, sous forme plus ou moins schématique, à titre d'exemple, diverses formes de réalisation de l'invention, de moteurs à cylin- dre unique : la fig. 1 est une coupe longitudinale d'un moteur dans lequel la nouvelle charge doit purger le régénéra- teur avant de pénétrer dans le cylindre , la fig. 2 est une vue en plan d'un moteur à quatre temps, dans lequel la charge est comprimée dans le régé- nérateur en sortant du cylindre, puis change de direction
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et pénètre de nouveau dans le cylindre; la fig. 3 est une coupe suivant la ligne A-A de la fig. 2;
la Fig' 4 est une coupe suivant la ligne B-B de la fig' 2 et la Fig. 5 est une coupe longitudinale d'un moteur à deux temps dans lequel la charge est comprimée dans le régénérateur en sortant du cylindre puis change de di- rection et pénètre de nouveau dans le cylindre.
Sur toutes'les figures, les mêmes pièces sont désignées par les mêmes références.
Le moteur de la fig. 1 comporte un cylindre 10, un piston 11, un orifice d'admission d'air 12 et une soupape 13 et un orifice d'échappement 14 et une soupape 15. Les orifices d'admission et d'échappement et les sou- papes sont disposés dans la culasse du cylindte 16. Une matrice 18 de régénérateur, qui est fixée dans un évide- ment cylindrique 17 de la culasse du cylindre et communi- que avec les orifices d'admission et d'échappement ,a une forme sensiblement cylindrique et peut consister en plu- sieurs couches superposées de toile métallique . Une tuyè- re d'injection du combustible 19 se trouve à proximité du côté de la matrice 18 dirigé vers le cylindre 10.
Lorsque le moteur fonctionne,l'air arrive dans l'orifice d'admission après avoir été comprimé à une pression légèrement supérieure à la pression de compres- sion par un compresseur extérieur, non représenté. Le moteur fonctionne suivant un cycle à deux temps, dans lequel la soupape d'admission s'ouvre un instant avant le point mort supérieur de façon à admettre la nou- velle charge qui traverse ensuite et purge le régénéra- teur. Une fois cette purge sensiblement terminée,l'air chauffé à une température suffisante pour allumer le
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combustible, pénètre dans le cylindre . 'injection du combustible commence peu de temps après le point mot supé- rieur.
La course de détente oumotrice du piston commence alors et la soupape du piston se ferme à un moment varia- ble pendant cette course .La soupape d'échappement s'ouvre un instant avant le point mort inférieur et le gaz d'échappe- ment est refoulé hors du cylindre pendant la course ascendan- te du piston, en traversant la matrice 18 avant d'arriver à l'orifice d'admission. La soupape d'échappement se ferme un instant avant que la soupape d'admission s'ouvre et le cycle recommence de lui-même.
Pour faire démarrer le moteur à froid, il est nécessai- re de prévoir un moyen quelconque, non représenté, de pré- chauffage du régénérateur ou une bougie d'allumage égale- ment non représentée, pour allumer le combustible pendant les quelques premières courses, pendant que le régénérateur s'échauffe .
La matrice du régénérateur du moteur construit sui- vant la fig. 1 consiste en 24 disques de 76 mm de diamè- tre, d'une toile métallique à ouverture de mailles de 0,7 mm en fil d'acier résistant à la chaleur de 0,3 mm. En tenant compte du volume de la matrice dont l'action est nulle en raison des épaulements qui fixent sa position dans la culasse du cylindre, le rapport entre le volume de la matri- ce et celui de la cylindrée est d'environ 5 %, le rapport entre le volume de l'espace mort résultant de la présence de la matrice (c'est-à-dire le volume total de la matrice diminué du volumeu fil qui la compose) et le volume de la cylindrée étant un peu plus faible . Ltinjection du combus- tible commence à un angle de 30 de la manivelle après le point mort supérieur .
Le rapport thermique de la matrice est de 70 à 80 % et le rendement thermique maximum obtenu
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avec ce rapport correspond à un rapport de détente de 3,5 : 1. La température de l'extrémité chaude du régénéra- teur atteint une valeur d'équilibre de 900 à 1000 C.
Les chiffres du paragraphe précédent ne sont donnés qu'à titre d'exemple . Si le rapport de détente est diffé- rent, les rapports thermiques les plus favorables corres- pondant au rendement thermique maximum sont différents.
Par exemple, pour un rapport de détente d'environ 3 : 1, le rapport thermique optimum est d'environ 80 %, pour un rapport de détente de 4,7 : 1 d'environ 60 % et pour un rapport de 6,5 : 1 d'environ 40 %. Mais, ainsi qu'il a été dit, il peut arriver que dans un cas particulier donné, le rapport thermique, théoriquement le plus avantageux,'ne puisse pas être réalisé dans la pratique, étant donné qu'il peut correspondre à une température à l'extrémité chaude du régénérateur trop élevée pour que le matériau constituant la matrice puisse y résister.
Le moteur de la fig. 1 peut être modifié de façon à fonctionner à quatre temps, une des courses du piston servant à comprimer la charge au lieu d'un compresseur extérieur, en disposant un réservoir communiquant respec- tivement avec la partie supérieure du cylindre et avec la côté froid du régénérateur par des orifices de transmission comportant des soupapes.
Suivant une autre variante, le régénérateur est monté dans une conduite communiquant avec le cylindre aux deux extrémités par des orifices de transmission comportant des soupapes. L'orifice d'admission du moteur débouche directement dans le cylindre et l'orifice d'échappement débouche dans la conduite du régénérateur du côté froid de ce régénérateur.
Les soupapes sont synchronisées de façon à fonctionner suivant le cycle à quatre temps suivant :
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1) Introduction de la charge, par exemple à la pres- sion atmosphérique par l'orifice d'admission;
2) Compression de la charge par le piston moteur dans le régénérateur, la charge circulant du côté froid au côté chaud de la matrice;
3) Détente commençant au point mort supérieur dans le cylindre du gaz d'échappement chassé de la matrice et suivi par la nouvelle charge;
4) Injection et combustion du combustible.
On remarquera que cette forme de réalisation ne comporte pas de renversement du sens de la circulation de la charge dans le régénérateur, qui par suite doit être purgé avant que la charge puisse entrer dans le cylindre.
Les figs. 2,3 et 4 représentent un moteur à soupapes latérales, dans lequel un régénérateur est monté dans un évidement 17 de la culasse de cylindre . L'orifice d'admission 12 communique directement avec le cylindre 10, tandis que l'orifice d'échappement communique avec le côté extérieur du régénérateur, de sorte que la totalité du gaz d'échappement doit traverser le régénérateur avant d'arriver dans l'orifice d'échappement . La régénérateur , qui est représenté en coupe sur la fig. 3 et en élévation sur la fig. 4, a la forme générale d'un tronc de cône creux et consiste dans une matrice 18 et un élément du support 20 tronconique percé de trous 22.
Le gaz circule dans le régénérateur dans le sens radial, c'est-à-dire de la portion creuse centrale du cône, de dedans en dehors dans l'évidement 17 et inversement,les faces de bout de la matrice étant obturées par l'épaulement de support 21 à l'extrémité inférieure et par la paroi supérieure de l'évidement 17 à l'extrémité supérieure . Le combustible est injecté par l'injecteur 19 dans la direction de l'axe à l'intérieur de l'élément de support 20, qui fonctionne ainsi sous forme de chambrede combustion.
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Les mouvements des soupapes et l'injection sont synchronisés de façon à faire fonctionner le moteur à quatre temps an accomplissant les courses suivantes :
1) Course d'induction . - La soupape d'admission s'ouvre à peu près au point mort supérieur et une nouvel- le charge, par .exemple d'air, qui peut être à la pression et à la température atmosphérique, est assurée dans le cylindre par le piston qui y descend, la soupape d'admis- sion se ferme à peu près au point mort inférieur,
2) Course de compression. - Le piston monte et com- prime la charge dans et à travers la matrice du régénéra- teur.
3) Course motrice. - La circulation de la charge dans le régénérateur change de sens au point mort sppérieur et lapharge commence àsortir du régénérateur en pénétrant à l'intérieur du cône 20. Le combustible est injecté au point mort supérieur ou à peu près et s'allume avec un retard faible sinon nul, en raison de la température élevée de la charge sortant du régéné- rateur. Le gaz, en se détendant, refoule le piston de haut en bas .
4) Course d'échappement. - La soupape d'échappement s'ouvre à peu près au point mort inférieur et le piston ascendant refoule le gaz brûlé à travers le régénérateur en le faisant sortir par l'orifice d'échappement .La soupape d'échappement se ferme à peu près au point mort supérieur.
Une bougie d'allumage 21 est montée dans l'espace de combustion, de façon à provoquer l'allumage pendant que le régénérateur, qui était froid, s'échauffe.
Dès que le régénérateur a atteint sa température cons- tante, la charge se chauffe à une température très supérieure à la température d'allumage du combustible.
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Le moteur de la fig. 5 fonctionne d'après le même principe de la compression de la charge dans le régénéra- teur par le piston moteur suivie du renversement de son mouvement, comme dans le moteur des figs. 2 à 4. Mais sur la fig. 5, ce principe est appliqué à un moteur à deux temps, qui comporte un orifice d'admission 12, commandé par une soupape à plateau! 3 et une série d'ori- fices d'échappement 14 commandés par le piston 11.Dans l'exemple représenté, la matrice du régénérateur 18 est montée dans un élément 21 qui forme un prolongement du piston. La matrice se trouve à une certaine distance de la surface du piston, de façon à permettre au gaz d'échappement de s'échapper par des trous 22 percés dans l'élément 21.
Les mouvements des soupapes et l'injection sont synchronisés de'façon à faire fonctionner le moteur à deux temps. La charge d'admission, qui est de préférence à une pression' de balayage légèrement supérieure à la pression atmosphérique , balaie le cylindre en faisant passer le gaz d'échappement par le régénérateur avant d'arriver aux orifices d'échappement. Puis le piston comprime la charge pendant sa course ascendante.
La charge étant comprimée passe dans et à travers la matrice 18 et commence à circuler en sens inverse au point mort supérieur et à pénétrer de nouveau dans le cylindre . Le combustible est injecté à ce point mort, ou à peu près, et l'allumage s'effectue avec un retard faible sinon nul.
La position du régénérateur sur la surface du piston, quoiqu'augmentant le poids du piston, a l'avan- tage de maintenir froide la surface du piston, étant donné que cettesurface se trouve évidemment au voisinage côté du/froid du régénérateur.
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"Internal combustion engine with regeneration It
The present invention relates to reciprocating internal combustion engines, in which during each cycle of operation a charge of fuel and a new charge of a gas capable of sustaining combustion, for example gas. air is introduced into the engine cylinder, burns and expands there, producing useful work, and the products of combustion escape if desired after further expansion.
The thermal efficiency of these engines is determined to a large extent by the load expansion ratio and increases with this ratio, the heat remaining in the exhaust gas after expansion being normally lost. But for various reasons, for example to keep the dimensions or the weight of the engine small.
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bles for a given power or to limit the maximum pressure developed, it is advantageous for the expansion ratio to remain as low as possible.
The invention makes it possible to increase the thermal efficiency of a reciprocating internal combustion engine for a given expansion ratio by placing a regenerator in the engine or in its immediate vicinity so as to cause the exhaust gas to pass through the engine. regenerator at its exit from the cylinder, as well as the new charge before its entry into the cylinder of the engine against the current with the exhaust gas under a pressure substantially equal to the compression pressure,
the new charge heated by the regenerator beginning to enter the cylinder at top dead center immediately before the start of the power stroke or soon enough after that the fuel introduced into the cylinder can ignite before the crank has turned approximately 30 after this neutral point and a device being intended to introduce the fuel into the cylinder at the moment or an instant before the moment when the charge begins to enter the cylinder.
The word "regenerator" should be considered as designating a device which comprises at least one matrix capable of absorbing and retaining heat when the hot gases pass over its surface and of giving up heat to the cold gases which then pass over the same. surface area, and the expression "compression pressure" should be taken to mean the maximum pressure reached by the new charge before ignition that is to say before the start of combustion.
The increase in thermal efficiency which can be obtained according to the invention is due to the fact that a considerable portion of the heat of the exhaust gases which is
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normally lost is recovered by means of a regenerator, transferred to the new load and therefore made usable during the power stroke. However, to achieve this increase in efficiency, it is necessary to ensure that the preheating of the load does not cause a reduction in the efficiency of the engine load, and that the dead space which results from the presence of the regenerator and passage channels which start from and terminate therein do not cause too considerable a delay in the ignition of the fuel.
This delay is likely to occur if the new charge is forced before it can enter the cylinder and sustain combustion there to expel the exhaust gas remaining in this dead space first.
These deleterious effects of preheating by regeneration are eliminated or mitigated in the engine according to the invention. With regard to the first of them, this result is obtained by the fact that in the engine according to the invention the new charge heated by the regenerator begins to enter the cylinder of the engine at a pressure substantially equal to the compression pressure, and consequently that the heating of the load takes place in whole or in major part at approximately this pressure.
The second of these deleterious effects is eliminated or attenuated by the fact that in the engine according to the invention the new heated load begins to enter the cylinder at the top dead center which immediately precedes the driving stroke, or soon enough after the engine stroke. Ignition can occur before the crank has turned about 30 and preferably about 15 after this neutral point. An ignition delay not exceeding 30 after neutral can be accepted, especially since the regenerator by its presence makes it possible to give a low value to the expansion ratio.
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Two means are preferably chosen to provide assurance that the new charge begins to enter the cylinder early enough for ignition to occur before the crank has turned about 30 past neutral. The first of these means consists in choosing the volume and the position of the regenerator, so that the volume of the aforementioned dead space has the small necessary value and that, consequently, although the new charge entering the cylinder is obliged to purge first, the regenerator, its penetration into the cylinder is not however delayed beyond an acceptable limit.
The second way is to combine the regenerator and the duty cycle, so as to first compress the new cylinder charge in the regenerator by the driving piston in the same direction as the movement of the exhaust gases and then reverse the cylinder charge. direction of charge movement by re-entering the cylinder at or immediately after top dead center, thus avoiding the need to purge the regenerator before the heated charge can enter the cylinder .
In the case of an engine to which the first of the aforementioned means is applied, it is generally appropriate to cause the new load in the generator to arrive in the state of compression at the compression pressure by an external compressor and to operate the compressor. two-stroke engine itself.
In the case of an engine the cylinder of which has a combustion chamber, it should of course be understood that, unless otherwise indicated in the context, the word "cylinder" means the combustion chamber of the cylinder. For example, when it comes to the entry or introduction of fuel and combustible gas
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In the cylinder, the expression "in the cylinder" should be considered, in the case where there is a combustion chamber, as meaning "in the combustion chamber of the cylinder".
Under normal operating conditions with fuels normally consumed in internal combustion engines, the new charge is preheated by the regenerator to a temperature sufficient to cause the fuel to ignite, and therefore ignition takes place. automatically without the need to achieve the high compression ratios that are required in compression ignition engines.
However, an auxiliary ignition device, such as an incandescent ball, spark or arc device, can be mounted in the cylinder, or immediately in front of the cylinder, and used when starting or running in. conditions in which the heating of the load is insufficient to cause ignition.
Given the relatively high initial temperature and the low compression pressure, combustion in an engine according to the invention is less violent than in a comparable engine of the current type. It is therefore possible to efficiently use fuels of too poor quality to be used in ordinary engines. Among the fuels which can be used, there may be mentioned, for example, distillation fuels, such as gasoline, kerosene or gas oil, and in certain cases, residual fuels, such as fuel oil.
The engine power can be varied by varying the instant at which gas intake ceases
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fresh oxidizer in the cylinder, or better by varying the quantity of fuel injected. However, the latter solution has the disadvantage of lowering the temperature of the exhaust gas under low loads and this temperature may become insufficient to heat the intake load to ignition temperature.
It is therefore better to vary both the admission of the fuel and of the oxidizing gas, so as to maintain their constant ratio. In this case, the temperature of the exhaust gas remains substantially constant, while the reduction in the flow rate of the exhaust gas passing through the regenerator is compensated for by the reduction in the flow rate @ of the intake charge which, therefore, remains at the same temperature. When there is an external compressor, its maximum pressure can be used to regulate the discharge of the fuel pump, since this maximum pressure is substantially proportional to the output.
It has been said previously that it is essential, in the case of an engine in which the new charge must expel the exhaust gas from the matrix of the regenerator before entering the cylinder, that the volume of the dead space which results from the presence of the regenerator, is not large enough to cause an excessive delay in ignition, that is to say a delay of more than 30 of the angle of the crank.
But it is also advantageous, in the case of an engine in which the direction of the flow of the load is reversed in the die, that the dead space is as small as possible considering the thermal ratio of the regenerator than. it is desired to obtain, that is to say the ratio between the temperature rise of the intake charge during its passage through the matrix and the maximum temperature difference between the gas
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hot exhaust and cold load, as they respectively enter the die.
For a given type of matrix, the volume of the regenerator is a function of the thermal ratio and increases rapidly as this thermal ratio increases. It also seems that for any given engine, there is an optimum thermal ratio, which makes it possible to obtain maximum thermal efficiency, and which is determined to a large extent by the expansion ratio of the engine considered. Since it is desired to obtain a high thermal efficiency, the optimum thermal ratio is therefore a determined quantity for a motor of any particular construction force and cannot be modified to decrease the volume of the regenerator without reducing the thermal efficiency. .
The choice of a type of matrix of a minimum volume for a given thermal ratio is therefore important and, therefore, the matrix that one preferably chooses consists of a metal in a form which enables an extended surface area per unit to be obtained. volume and assembled so as to form a matrix allowing gas to pass through it.
The matrix can therefore consist, for example, of several superimposed metallic fabrics, or in a mass of uncompressed metallic wires, it being understood that if the mechanical resistance of this matrix is not sufficient to allow it to retain its shape under operating conditions. , it comprises support devices allowing gas to pass through it.
But with a die of the above type, it is necessary to bring into play another consideration in determining the thermal ratio to be chosen, namely the resistance of the metal in question to heat and to oxidation. In fact, the temperature at the hot end of the regenerator increases as a function of the increase in
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thermal ratio, and may be much too high for the matrix to resist. It is therefore preferable to choose alloys resistant to heat and oxidation, such as for example known stainless steel, nickel-chromium and nickel-chromium-iron alloys, although, even with these materials. , it may be necessary in certain cases to adopt a thermal ratio slightly lower than the optimum ratio.
However, given that the thermal efficiency of the motor does not vary rapidly with the thermal ratio of the regenerator, especially in the vicinity of the optimum value, the reduction in the thermal ratio, which results from the nature of the material constituting the matrix, does not normally present inconvenience.
In addition, although the foregoing considerations apply to an engine of a given construction form, it may often be possible to modify the construction form so as to match the expansion ratio with the expansion ratio. thermal that can be adopted in the practice of the regenerator.
From the foregoing considerations, the most advantageous regenerator volume of any given engine is determined by several variables. But it has been found that by employing a die of the type described above it is possible to make so that the most advantageous volume of the regenerator is less than 10% of the displacement, which in the case of an engine in which the new charge must purge the regenerator, makes it possible to cause the ignition to begin before the cranking - le has reached an angle of 30 after the upper dead center. It must of course be understood that the volume referred to in the foregoing considerations is the volume of the dead space, that is to say say the volume of the interstices of the regenerator containing gas.
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In the case of an engine in which the new load is brought to the compression pressure by an external compressor, this can be of any known type and can be actuated by the crankshaft of the engine. Another solution which may be advantageous in certain cases consists in controlling the compressor by a gas turbine group comprising a compressor. controlled by the crankshaft of the engine and forcing air into a combustion chamber in which the fuel burns the gas thus obtained arriving at the blades of the turbine.
In addition, it may be advantageous, in engines in which all or part of the compression is effected by the engine piston, to incorporate an external compressor serving to supercharge the engine or in the case of an engine. two-stroke, sweeping cylinder. This external compressor can be controlled by one of the methods described in the previous paragraph or, if desired, by an exhaust gas turbine. Likewise, in the various forms of engines according to the invention, the cycle can be chosen so that a significant part of the expansion of the hot gas takes place in a turbine arranged so as to contribute to the useful power of the engine.
In the accompanying drawing, which shows, in more or less schematic form, by way of example, various embodiments of the invention, of single-cylinder engines: FIG. 1 is a longitudinal section of an engine in which the new charge must bleed the regenerator before entering the cylinder, FIG. 2 is a plan view of a four-stroke engine, in which the charge is compressed in the regenerator as it exits the cylinder, and then changes direction
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and re-enters the cylinder; fig. 3 is a section taken along the line A-A of FIG. 2;
Fig '4 is a section taken along line B-B of Fig' 2 and Fig. 5 is a longitudinal section of a two-stroke engine in which the charge is compressed in the regenerator on exiting the cylinder, then changes direction and re-enters the cylinder.
In all of the figures, the same parts are designated by the same references.
The motor of FIG. 1 comprises a cylinder 10, a piston 11, an air intake port 12 and a valve 13 and an exhaust port 14 and a valve 15. The intake and exhaust ports and the valves are disposed in the cylinder head of cylinder 16. A regenerator die 18, which is fixed in a cylindrical recess 17 of the cylinder head and communicates with the intake and exhaust ports, has a substantially cylindrical shape and may consist of several superimposed layers of wire mesh. A fuel injection nozzle 19 is located near the side of die 18 directed towards cylinder 10.
When the engine is running, air enters the intake port after being compressed to a pressure slightly greater than the compression pressure by an external compressor, not shown. The engine operates on a two-stroke cycle, in which the intake valve opens an instant before top dead center so as to admit the new load which then passes through and purges the regenerator. Once this purge is substantially complete, the air heated to a temperature sufficient to ignite the
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fuel, enters the cylinder. fuel injection begins shortly after the high word point.
The piston's rebound or motor stroke then begins and the piston valve closes at a varying time during this stroke. The exhaust valve opens an instant before lower dead center and the exhaust gas is forced out of the cylinder during the upstroke of the piston, passing through the die 18 before reaching the inlet port. The exhaust valve closes for a moment before the intake valve opens and the cycle begins again on its own.
To start the engine from cold, it is necessary to provide some means, not shown, for pre-heating the regenerator or a spark plug also not shown, to ignite the fuel during the first few strokes, while the regenerator is warming up.
The matrix of the engine regenerator constructed according to fig. 1 consists of 24 discs, 76 mm in diameter, of a wire mesh with a mesh opening of 0.7 mm of heat-resistant steel wire of 0.3 mm. Taking into account the volume of the die whose action is zero due to the shoulders which fix its position in the cylinder head, the ratio between the volume of the die and that of the displacement is about 5%, the ratio between the volume of the dead space resulting from the presence of the matrix (that is to say the total volume of the matrix minus the volume of the wire that composes it) and the volume of the displacement being a little smaller . Fuel injection begins at an angle of 30 to the crank after top dead center.
The thermal ratio of the matrix is 70 to 80% and the maximum thermal efficiency obtained
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with this ratio corresponds to an expansion ratio of 3.5: 1. The temperature of the hot end of the regenerator reaches an equilibrium value of 900 to 1000 C.
The figures in the previous paragraph are given only as an example. If the expansion ratio is different, the most favorable thermal ratios corresponding to the maximum thermal efficiency are different.
For example, for an expansion ratio of about 3: 1, the optimum thermal ratio is about 80%, for an expansion ratio of 4.7: 1 about 60%, and for a ratio of 6.5 : 1 of about 40%. But, as has been said, it may happen that in a particular given case, the thermal ratio, theoretically the most advantageous, cannot be achieved in practice, since it may correspond to a temperature at the hot end of the regenerator too high for the material constituting the matrix to resist.
The motor of FIG. 1 can be modified so as to operate in four strokes, one of the strokes of the piston serving to compress the load instead of an external compressor, by having a reservoir communicating respectively with the upper part of the cylinder and with the cold side of the cylinder. regenerator by transmission ports comprising valves.
According to another variant, the regenerator is mounted in a pipe communicating with the cylinder at both ends via transmission orifices comprising valves. The engine intake port opens directly into the cylinder and the exhaust port opens into the regenerator line on the cold side of this regenerator.
The valves are synchronized so as to operate according to the following four-stroke cycle:
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1) Introduction of charge, for example at atmospheric pressure, through the inlet port;
2) Compression of the load by the driving piston in the regenerator, the load circulating from the cold side to the hot side of the die;
3) Expansion starting at top dead center in the cylinder of the exhaust gas forced out of the die and followed by the new load;
4) Fuel injection and combustion.
It will be noted that this embodiment does not involve reversing the direction of flow of the charge in the regenerator, which therefore must be purged before the charge can enter the cylinder.
Figs. 2, 3 and 4 show a side valve engine, in which a regenerator is mounted in a recess 17 of the cylinder head. The intake port 12 communicates directly with the cylinder 10, while the exhaust port communicates with the outer side of the regenerator, so that all of the exhaust gas must pass through the regenerator before entering the tank. 'exhaust port. The regenerator, which is shown in section in FIG. 3 and in elevation in FIG. 4, has the general shape of a hollow truncated cone and consists of a die 18 and an element of the frustoconical support 20 pierced with holes 22.
The gas circulates in the regenerator in the radial direction, that is to say from the central hollow portion of the cone, from inside to outside in the recess 17 and vice versa, the end faces of the die being closed by the support shoulder 21 at the lower end and by the upper wall of the recess 17 at the upper end. The fuel is injected through the injector 19 in the direction of the axis within the support member 20, which thus functions as a combustion chamber.
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The movements of the valves and the injection are synchronized so as to operate the four-stroke engine with the following strokes:
1) Induction stroke. - The inlet valve opens to approximately the top dead center and a new charge, for example of air, which may be at atmospheric pressure and temperature, is provided in the cylinder by the piston which descends there, the inlet valve closes approximately at the lower dead center,
2) Compression stroke. - The piston rises and compresses the charge in and through the regenerator die.
3) Motor racing. - The flow of the charge in the regenerator changes direction at upper dead center and the charge begins to exit the regenerator by entering inside cone 20. The fuel is injected at or near upper dead center and ignites with a low or no delay, due to the high temperature of the charge exiting the regenerator. The gas, expanding, pushes the piston up and down.
4) Exhaust stroke. - The exhaust valve opens roughly at bottom dead center and the upward piston pushes the burnt gas through the regenerator, pushing it out through the exhaust port. The exhaust valve roughly closes at the top dead center.
A spark plug 21 is mounted in the combustion space, so as to cause ignition while the regenerator, which was cold, is heating up.
As soon as the regenerator has reached its constant temperature, the load heats up to a temperature much higher than the ignition temperature of the fuel.
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The motor of FIG. 5 operates on the same principle of compression of the load in the regenerator by the driving piston followed by the reversal of its movement, as in the engine of figs. 2 to 4. But in fig. 5, this principle is applied to a two-stroke engine, which has an intake port 12, controlled by a plate valve! 3 and a series of exhaust ports 14 controlled by the piston 11. In the example shown, the matrix of the regenerator 18 is mounted in a member 21 which forms an extension of the piston. The die is at a certain distance from the surface of the piston, so as to allow the exhaust gas to escape through holes 22 drilled in the element 21.
Valve movements and injection are synchronized to operate the two-stroke engine. The intake charge, which is preferably at a purge pressure slightly above atmospheric pressure, sweeps the cylinder, passing the exhaust gas through the regenerator before reaching the exhaust ports. Then the piston compresses the load during its upstroke.
The load being compressed passes into and through die 18 and begins to flow backwards at top dead center and reenter the cylinder. Fuel is injected at or near this neutral point, and ignition takes place with a low, if not zero, delay.
The position of the regenerator on the surface of the piston, although increasing the weight of the piston, has the advantage of keeping the piston surface cool, since this surface is obviously near the cold side of the regenerator.