Le présent brevet a pour objets un procédé et un dispositif de suralimentation de moteurs à combustion interne multicylindres fonctionnant suivant un cycle à quatre temps.
L'on sait que le processus d'échappement dans les moteurs à combustion interne est un phénomène oscillatoire dû au fait que, dés l'ouverture des orifices d'échappement, la détente supersonique à trés grande vitesse des gaz crée derrière elle un vide dans les cylindres moteurs et que, en raison de ce vide, les gaz contenus dans le conduit d'échappement sont rappelés vers les cylindres pour être à nouveau expulsés, après une série d'alternances amorties par les frottements, au détriment de la puissance et du rendement.
L'on connaît déjà des moyens propres à éviter le retour des gaz après leur première expulsion par détente supersonique, tels que des moyens mécaniques ou aérodynamiques pour créer des barrages s'opposant au retour des gaz.
L'utilisation du vide engendré par l'échappement, à l'ouverture des orifices d'échappement, a été mise à profit dans les moteurs à deux temps pour améliorer et pour suralimenter les moteurs, grâce à la quasi-simultanéité d'ouverture des orifices d'échappement et d'admission, en créant par l'échappement un appel de fluide comburant aux orifices d'admission.
Par contre, dans les moteurs à quatre temps, le temps d'admission étant déphasé d'une course, soit d'un quart de période par rapport au temps d'échappement, I'on n'avait pas jusqu'à présent été en mesure d'utiliser le vide créé par l'échappement en vue de suralimenter les moteurs.
Le but principal de l'invention consiste à accroître la puissance et le rendement des moteurs à quatre temps multicylindriques en utilisant le vide créé par l'échappement pour assurer la suralimentation de ces moteurs.
Le procédé de suralimentation selon l'invention est caractérisé par le fait que l'on fait agir la dépression qui régne dans l'espace d'échappement de l'un des cylindres, à la suite de la première période d'échappement, sur l'admission d'un second cylindre déphasé par rapport au premier d'une demi-période cyclique.
Le dispositif de suralimentation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est caractérisé par le fait que l'espace d'échappement d'un premier cylindre est mis en communication, par un conduit, avec l'espace d'admission d'un second cylindre déphasé d'une demi-période cyclique par rapport au premier cylindre et que des moyens antiretour sont prévus dans l'espace d'échappement du premier cylindre en aval de l'embouchure du conduit de communication dans cet espace.
il a d'ailleurs été constaté que ce procédé, non seulement augmente la puissance et le rendement des moteurs, mais donne encore lieu à l'obtention de gaz d'échappement très purs pratiquement exempts de CO. Le procédé a donc un effet d'antipollution.
En ce qui concerne les moyens antiretour faisant partie du dispositif de suralimentation, ils ont, de préférence, la forme d'une tuyère aérodynamique antiretour.
Pour améliorer l'effet d'une telle tuyère aérodynamique antiretour, elle comporte une cavité torique frappée par les gaz de retour et dans laquelle sont prévues des ailettes inclinées qui provoquent une rotation des gaz de retour. Ces ailettes forment un premier groupe d'ailettes intérieures qui sont entourées par des ailettes inclinées en sens inverse et qui forment un groupe d'ailettes extérieures, ces deux groupes laissant libre entre eux la section de passage pour les gaz d'échappement.
Un mode d'exécution du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention sera décrit, à titre d'exemple, en se référant au dessin annexé dans lequel:
La fig. I est une coupe longitudinale simplifiée du dispositif monté sur un moteur à deux cylindres opposés.
Les fig. 2 et 3 sont des diagrammes expliquant le fonctionnement du moteur.
La fig. 4a est une coupe partielle d'une culasse d'admission d'un cylindre du moteur comportant un distributeur secondaire.
Les fig. 4b et 4c montrent deux autres positions du distributeur secondaire.
Les fig. 5a et 5b montrent, en coupe axiale et en plan partiel, une tuyère antiretour.
A supposer que le moteur comporte deux cylindres opposés 1 et 12 (fig. I) dont les pistons opposés, animés de mouvements symétriques inverses, sont attelés par des bielles représentées par leurs axes à un arbre vilebrequin 2 à deux coudes 9 et 97, la répartition simultanée des quatre temps cycliques dans les deux cylindres 11 et 12 est la suivante:
Cylindre 1I Détente Echappement Aspiration Compression
Cylindre 12 Aspiration Compression Détente Echappement
Le diagramme 2 représente respectivement: le temps cyclique d'admission du cylindre I I en traits pointillés et le temps d'échappement en traits pleins du cylindre 12.
Les repères marqués sur ce diagramme sont, conformément aux sigles habituels:
AOA Avance ouverture admission
RFA Retard fermeture admission
AOE Avance ouverture échappement
RFE Retard fermeture échappement.
Se référant à la fig. 1 on dispose dans les conduits d'échappement 31 et 32 des tuyères antiretour 4 et, dans les conduits d'admission 5J et 52, des tuyères antiretour 6, et l'on fait communiquer par des conduits 7: d'une part, L'espace d'échappement constitué dans la partie de culasse 102 du cylindre 12 par l'espace compris entre la soupape d'échappement 112 et la tuyère 42 avec, d'autre part.
L'espace d'admission constitué dans la partie de culasse 10 du cylindre 11 par l'espace compris entre la tuyère 61 et la soupape d'admission 12l, ce grâce à quoi et ainsi qu'il apparait sur le diagramme pressions(p)-volumes(v) de la fig. 3, en concordance avec le diagramme de la fig. 2, I'on constate que: dès l'ouverture de la soupape d'échappement 112 (point A) la pression dans le cylindre 11 chute brusquement jusqu'au-dessous de la pression exténeure (partie AB du diagramme), ce du fait que le premier écoulement est supersonique (la pression en A étant supérieure au double de la pression extérieure).
La dépression dans l'espace d'échappement du cylindre 12 résulte de la force vive du gaz expulsé à grande vitesse à travers la tuyère 42 La dépression dans l'espace d'échappement du cylindre 12 est maintenue jusqu'au voisinage du point mort bas par la fonction de barrage s'opposant au retour de la plus grande partie des gaz expulsés pendant la première période d'échappement; après quoi, la pression dans le cylindre 12 remonte légèrement au-dessus de la pression extérieure, ce pendant toute la durée de la course d'échappement BO.
Par l'effet de la communication établie par le conduit 7, entre l'espace d'échappement du cylindre 12 et l'espace d'admission du cylindre li, la dépression créée dans le premier espace est transmise avec un léger retard à l'espace d'admission du cylindre I1 par les orifices terminaux 13 du conduit 7, ce qui a pour conséquence d'accélérer l'aspiration des gaz frais dans le conduit i gaz venant soit du carburateur, soit simplement de l'atmosphère, si le moteur fonctionne suivant un cycle Diesel.
A ce moment, le piston du cylindre li est au voisinage de son point mort bas, position pour laquelle son action d'aspiration cesse cependant que l'aspiration est prolongée par la dépression que transmet le conduit de communication 7. L'accroissement de vitesse du fluide aspiré, résultant de cette action d'aspiration supplémentaire, se transforme en surpression dans le cylindre 11 jusqu'au moment de la fermeture retardée de la soupape d'aspiration 121 (R F Al) et ce grâce à la fois au barrage antiretour exercé par la tuyère 6 et à la légère remontée de la pression dans l'espace d'échappement du cylindre 12.
Bien entendu, on établit de la même manière, entre l'espace d'échappement du cylindre 1í et l'espace d'aspiration du cylindre 12, une semblable communication.
Enfin, l'on évite le refoulement des gaz d'échappement vers l'admission du cylindre conjugué, durant la période qui suit immédiatement l'ouverture des orifices de l'échappement, en interposant des tuyères antiretour 14 dans les conduits de communication 7.
La pression de suralimentation est d'autant plus élevée que l'espace d'admission occupe un volume plus réduit. Suivant les fig. 4a, 4b, 4c, on interpose un tiroir distributeur comportant deux portées 15 et 16 réunies par une tige 17 de moindre diamètre, entre l'espace d'admission 10í et l'endroit où le conduit 7 débouche, par un orifice 19, dans une chambre cylindrique 18, débouchant elle-même dans les culasses d'admission 10.
Dans la chambre 18 coulissent les portées 15 et 16 pour assurer et interrompre, aux moments voulus, la communication établie par le conduit 7 entre l'espace d'échappement d'un cylindre et l'espace d'admission de son cylindre conjugué, ce, en conjuguant le déplacement des tiroirs 15 - 16 -17 avec le déplacement des soupapes d'admission, en disposant les portées 15 et 16 sur les tiges mêmes des soupapes d'admission telles que 121. On a représenté sur les fig. 4a, 4b, 4c trois positions du tiroir 15-16 par rapport à la paroi interne de la culasse 101 et par rapport à l'orifice 19, pour trois positions de la soupape 121.
L'on voit que, dans la position de la fig. 4a, qui correspond à la levée maximale de la soupape 121, la portée 15 obture l'orifice 19, et qu'au furet à mesure que la soupape 121 se ferme, le déplacement dans le sens de la flèche du tiroir 15-16 ouvre la communication entre le conduit 7 et l'espace d'admission 1 1 (fig. 4b) pour finalement interrompre à nouveau toute communication dans la position de la fig. 4c, avant la fermeture de la soupape 121.
C'est pendant la courte période où la communication est établie par le tiroir 15-16 que la dépression maximale, dans l'espace d'échappement du cylindre 12, produit dans l'espace d'admission de la culasse 101 son fort effet d'aspiration entraînant. avec un léger retard, la montée de la pression dans l'espace d'admission, pendant la période où les pistons conjugués sont au voisinage de leur point mort bas, lequel espace d'admission est ensuite obturé pendant la remontée du piston dans le cylindre 11: d'une part, par le tiroir 15-16, d'autre part par la tuyère anti-retour 6I disposée dans conduit d'aspiration 51.
Une tuyère antiretour telle que représentée sur les fig. 5a et 5b, comprend des anneaux tourbillonnaires, au retour des gaz dont on provoque la rotation par des ailettes inclinées 20, pratiquées dans la cavité torique 32 d'un champignon axial 21, lequel champignon calibre la section de passage 22 par un vissage réglable, du champignon 21 sur une tige filetée prisonnière 23.
Dans le voisinage de la section étranglée 22, on dispose un anneau 25, dans lequel sont découpées des ailettes 26 inclinées en sens inverse des ailettes 20. L'on voit que le fluide en retour dans le sens de la flèche forme, dans la cavité torique du champignon 21, un anneau tourbillonnaire d'étanchéité, auquel les ailettes 20 impriment un mouvement de rotation. A la dislocation de l'anneau tourbillon, les ailettes 26 impriment aux tourbillons disloqués, une rotation inverse créant une forte turbulence dans la section étranglée 22, laquelle turbulence s'oppose encore au passage en retour du fluide après dislocation des anneaux gazeux d'étanchéité.
Des filets fluides déviés de 27 en 27' par la cavité torique 32 et mis en rotation créent des filets tourbillonnaires qui, par choc avec les filets directs 28 guidés par la partie 30, assurent, sur le retour du fluide, un freinage important dans la zone de sortie 29.
Les filets extérieurs 28 guidés par la paroi 30 sont déviés par l'action d'une arête circulaire 31, propre à entraîner lesdits filets 28 en rotation, dans le même sens que les filets axiaux 27 mis eux-mêmes en rotation dans la cavité torique 32. I1 résulte de cette disposition la formation d'un anneau tourbillonnnaire continu 34 dont la rotation, assurée autour de son axe par les ailettes 20, améliore la stabilité et la propriété d'obturation recherchée.
Toutes les dispositions décrites dans le cas de l'application à un moteur à quatre temps à deux cylindres opposés sont évidemment applicables aux moteurs comportant un nombre pair de cylindres, que l'on groupe par paires dans chacune desquelles les cylindres sélectionnés pour être conjugués ont leurs temps de fonctionnement déphasés d'une demi-période cyclique. C'est le cas des moteurs à deux cylindres en ligne. C'est aussi le cas des moteurs à quatre cylindres disposés en ligne et numérotés i - 2 - 3 - 4 fonctionnant dans l'ordre phasique I - 3 - 4-2, les paires de cylindres conjugués groupant respectivement les cylindres 1-4 et 2-3 dont les pistons dans chaque groupe sont cinématiquement en phase et fonctionnellement déphasés d'une demi-période cyclique.
Dans le cas des moteurs à six cylindres en ligne, numérotés 1 - 2- 3-4-5 6 et fonctionnant dans l'ordre phasi que 1 S - 3 - 6 - 2 - 4, les paires de cylindres conjugués sélectionnés sont 1-6, 3-4, 2-5. De même, dans les moteurs à huit cylindres en ligne fonctionnant dans l'ordre phasique 1-6-2 - 8 - 4 - 7 - 3 - 5, les paires de cylindres conjugués sont respectivement 1-4, 5-8, 2-3, 6-7. Les mêmes procédés s'appliquent également aux moteurs comportant plusieurs lignes de cylindres disposés en V, en W ou en X dont les cylindres conjugués dans chaque paire sont toujours sélectionnés: déphasés d'une demi-période.
Les procédé et dispositif décrits sont applicables à tous les moteurs thermiques à quatre temps multicylindres, d'un quelconque nombre pair de cylindres, quel que soit leur mode de combustion, par carburation ou par injection, la nature de leurs carburants (produits pétroliers liquides et gazeux, légers et lourds, gaz riches et pauvres) et quels que soient les usages qui sont faits des moteurs (locomotion terrestre, maritime et aérienne) et tout particulièrement aux moteurs des véhicules automobiles, ainsi qu'aux moteurs à poste fixe quel que soit leur emploi (groupes électrogènes, moto-pompes, motoacompresseurs, etc.
The present patent relates to a method and a device for supercharging multicylinder internal combustion engines operating according to a four-stroke cycle.
It is known that the exhaust process in internal combustion engines is an oscillatory phenomenon due to the fact that, as soon as the exhaust ports are opened, the supersonic expansion at very high speed of the gases creates behind it a vacuum in the engine cylinders and that, because of this vacuum, the gases contained in the exhaust duct are returned to the cylinders to be expelled again, after a series of alternations damped by friction, to the detriment of power and yield.
Means suitable for preventing the return of the gases after their first expulsion by supersonic expansion are already known, such as mechanical or aerodynamic means for creating dams opposing the return of the gases.
The use of the vacuum generated by the exhaust, at the opening of the exhaust ports, has been put to good use in two-stroke engines to improve and to supercharge the engines, thanks to the almost simultaneous opening of the exhaust and intake ports, by creating a call for oxidizing fluid through the exhaust to the intake ports.
On the other hand, in four-stroke engines, the intake time being out of phase by one stroke, that is to say a quarter of a period compared to the exhaust time, we had not until now been in. able to use the vacuum created by the exhaust to supercharge the engines.
The main object of the invention is to increase the power and efficiency of multicylinder four-stroke engines by using the vacuum created by the exhaust to ensure the supercharging of these engines.
The supercharging process according to the invention is characterized in that the negative pressure which prevails in the exhaust space of one of the cylinders, following the first exhaust period, is made to act on the 'admission of a second cylinder out of phase with respect to the first by a cyclic half-period.
The supercharging device for implementing the method according to the invention is characterized in that the exhaust space of a first cylinder is placed in communication, by a duct, with the intake space of a second cylinder phase-shifted by a cyclic half-period with respect to the first cylinder and that non-return means are provided in the exhaust space of the first cylinder downstream of the mouth of the communication duct in this space.
it has moreover been observed that this process not only increases the power and efficiency of the engines, but also gives rise to the production of very pure exhaust gases practically free of CO. The process therefore has an antipollution effect.
As regards the non-return means forming part of the supercharging device, they preferably have the shape of an aerodynamic non-return nozzle.
To improve the effect of such an aerodynamic non-return nozzle, it comprises an O-ring cavity struck by the return gases and in which inclined fins are provided which cause the return gases to rotate. These fins form a first group of inner fins which are surrounded by fins inclined in the opposite direction and which form a group of outer fins, these two groups leaving free between them the passage section for the exhaust gases.
An embodiment of the device for implementing the method according to the invention will be described, by way of example, with reference to the appended drawing in which:
Fig. I is a simplified longitudinal section of the device mounted on an engine with two opposed cylinders.
Figs. 2 and 3 are diagrams explaining the operation of the engine.
Fig. 4a is a partial section through an intake cylinder head of an engine cylinder comprising a secondary distributor.
Figs. 4b and 4c show two other positions of the secondary distributor.
Figs. 5a and 5b show, in axial section and in partial plan, a non-return nozzle.
Assuming that the engine has two opposite cylinders 1 and 12 (fig. I) whose opposite pistons, animated by inverse symmetrical movements, are coupled by connecting rods represented by their axes to a crankshaft 2 with two elbows 9 and 97, the simultaneous distribution of the four cyclic times in the two cylinders 11 and 12 is as follows:
Cylinder 1I Expansion Exhaust Suction Compression
Cylinder 12 Suction Compression Expansion Exhaust
Diagram 2 represents respectively: the cyclic intake time of cylinder I I in dotted lines and the exhaust time in solid lines of cylinder 12.
The references marked on this diagram are, in accordance with the usual acronyms:
AOA Admission opening advance
RFA Admission closing delay
AOE Exhaust opening advance
RFE Exhaust closing delay.
Referring to fig. 1 is placed in the exhaust ducts 31 and 32 of the non-return nozzles 4 and, in the intake ducts 5J and 52, of the non-return nozzles 6, and one communicates via ducts 7: on the one hand, L 'exhaust space formed in the cylinder head portion 102 of the cylinder 12 by the space between the exhaust valve 112 and the nozzle 42 with, on the other hand.
The intake space formed in the cylinder head part 10 of the cylinder 11 by the space between the nozzle 61 and the intake valve 12l, whereby and as it appears in the pressure diagram (p) -volumes (v) of fig. 3, in accordance with the diagram of FIG. 2, it can be seen that: as soon as the exhaust valve 112 (point A) opens, the pressure in cylinder 11 drops suddenly to below the external pressure (part AB of the diagram), due to that the first flow is supersonic (the pressure at A being greater than twice the external pressure).
The vacuum in the exhaust space of the cylinder 12 results from the force of the gas expelled at high speed through the nozzle 42 The vacuum in the exhaust space of the cylinder 12 is maintained until the vicinity of the bottom dead center by the barrier function opposing the return of most of the gases expelled during the first exhaust period; after which, the pressure in the cylinder 12 rises slightly above the external pressure, throughout the duration of the exhaust stroke BO.
By the effect of the communication established by the duct 7, between the exhaust space of the cylinder 12 and the intake space of the cylinder li, the vacuum created in the first space is transmitted with a slight delay to the inlet space of cylinder I1 through the terminal orifices 13 of duct 7, which has the effect of accelerating the suction of fresh gases into the gas duct i coming either from the carburetor or simply from the atmosphere, if the engine operates on a Diesel cycle.
At this moment, the piston of the cylinder li is in the vicinity of its bottom dead center, a position for which its suction action ceases, however, as the suction is extended by the vacuum transmitted by the communication duct 7. The increase in speed of the fluid sucked up, resulting from this additional suction action, is transformed into overpressure in the cylinder 11 until the moment of the delayed closing of the suction valve 121 (RF A1) and this thanks to both the non-return barrier exerted by the nozzle 6 and the slight rise in pressure in the exhaust space of cylinder 12.
Of course, a similar communication is established between the exhaust space of cylinder 1í and the suction space of cylinder 12 in the same way.
Finally, the discharge of the exhaust gases to the inlet of the conjugate cylinder is avoided, during the period immediately following the opening of the exhaust ports, by interposing non-return nozzles 14 in the communication ducts 7.
The supercharging pressure is all the higher as the intake space occupies a smaller volume. According to fig. 4a, 4b, 4c, there is interposed a distributor slide comprising two bearing surfaces 15 and 16 joined by a rod 17 of smaller diameter, between the intake space 10í and the place where the duct 7 opens, through an orifice 19, in a cylindrical chamber 18, itself opening into the intake cylinder heads 10.
In the chamber 18 slide the bearing surfaces 15 and 16 to ensure and interrupt, at the desired times, the communication established by the duct 7 between the exhaust space of a cylinder and the intake space of its conjugate cylinder, this , by combining the movement of the sliders 15 - 16 -17 with the movement of the intake valves, by arranging the bearing surfaces 15 and 16 on the same rods of the intake valves such as 121. FIGS. 4a, 4b, 4c three positions of the slide 15-16 relative to the internal wall of the cylinder head 101 and relative to the orifice 19, for three positions of the valve 121.
It can be seen that, in the position of FIG. 4a, which corresponds to the maximum lift of the valve 121, the bearing 15 closes the orifice 19, and that as the valve 121 closes, the displacement in the direction of the arrow of the spool 15-16 opens the communication between the duct 7 and the intake space 1 1 (Fig. 4b) to finally interrupt all communication again in the position of FIG. 4c, before closing the valve 121.
It is during the short period when communication is established by the spool 15-16 that the maximum depression, in the exhaust space of the cylinder 12, produces in the intake space of the cylinder head 101 its strong effect of suction driving. with a slight delay, the rise in pressure in the intake space, during the period when the conjugated pistons are in the vicinity of their bottom dead center, which intake space is then closed during the rise of the piston in the cylinder 11: on the one hand, by the slide 15-16, on the other hand by the non-return nozzle 6I arranged in the suction duct 51.
A non-return nozzle as shown in FIGS. 5a and 5b, comprises vortex rings, on return of the gases, the rotation of which is caused by inclined fins 20, formed in the toric cavity 32 of an axial mushroom 21, which mushroom calibrates the passage section 22 by an adjustable screwing, mushroom 21 on a captive threaded rod 23.
In the vicinity of the constricted section 22, there is a ring 25, in which are cut fins 26 inclined in the opposite direction of the fins 20. It can be seen that the fluid returning in the direction of the arrow forms, in the cavity ring of the mushroom 21, a swirling sealing ring, to which the fins 20 impart a rotational movement. On dislocation of the vortex ring, the fins 26 impart to the dislocated vortices a reverse rotation creating a strong turbulence in the constricted section 22, which turbulence still opposes the return passage of the fluid after dislocation of the gaseous sealing rings .
Fluid threads deviated from 27 to 27 'by the toric cavity 32 and set in rotation create swirling threads which, by impact with the direct threads 28 guided by the part 30, ensure, on the return of the fluid, a significant braking in the exit zone 29.
The outer threads 28 guided by the wall 30 are deflected by the action of a circular ridge 31, suitable for driving said threads 28 in rotation, in the same direction as the axial threads 27 themselves rotated in the toric cavity. 32. I1 results from this arrangement the formation of a continuous vortex ring 34 whose rotation, ensured about its axis by the fins 20, improves the stability and the desired sealing property.
All the arrangements described in the case of application to a four-stroke engine with two opposed cylinders are obviously applicable to engines comprising an even number of cylinders, which are grouped in pairs in each of which the cylinders selected to be conjugated have their operating times out of phase by a cyclic half-period. This is the case with two-cylinder in-line engines. This is also the case of four-cylinder engines arranged in line and numbered i - 2 - 3 - 4 operating in the phasic order I - 3 - 4-2, the pairs of conjugated cylinders grouping respectively cylinders 1-4 and 2-3 whose pistons in each group are kinematically in phase and functionally out of phase by a cyclic half period.
In the case of inline six-cylinder engines, numbered 1 - 2- 3-4-5 6 and operating in phasi c order 1 S - 3 - 6 - 2 - 4, the selected conjugate cylinder pairs are 1- 6, 3-4, 2-5. Likewise, in inline eight-cylinder engines operating in the phasic order 1-6-2 - 8 - 4 - 7 - 3 - 5, the pairs of conjugate cylinders are respectively 1-4, 5-8, 2- 3, 6-7. The same methods also apply to engines comprising several rows of cylinders arranged in V, W or X, the conjugate cylinders in each pair of which are always selected: out of phase by half a period.
The method and device described are applicable to all four-stroke multicylinder heat engines, of any even number of cylinders, whatever their combustion mode, by carburization or by injection, the nature of their fuels (liquid petroleum products and gaseous, light and heavy, rich and poor gases) and whatever the uses made of the engines (land, sea and air locomotion) and more particularly to the engines of motor vehicles, as well as to fixed-station engines whatever their use (generators, motor pumps, motor compressors, etc.