LES MOTEURS A DEUX TEMPS
1. Types de moteurs à deux, temps employés dans l'industrie sidérurgique.
— Les moteurs à deux temps employés actuellement dans l'industrie sidérurgique appartiennent à deux types :
1° Le type Œchelhàuser à simple effet et à deux pistons conjugués se déplaçant dans un même cylindre;
2° Le type Kœrting à double effet et à un seul piston se déplaçant dans un cylindre.
Ces deux types vont nous fournir des exemples de la manière dont peuvent être résolues les difficultés que Ton rencontre dans le fonctionnement à deux temps.
2. Principe du fonctionnement à deux temps. — Rappelons ici quel est ce mode de fonctionnemen.
Imaginons que, dans un cylindre appelé cylindre-moteur ou cylindre de travail, nous ayons introduit un mélange gazeux de composition convenable. Le piston qui se trouve à Tune des extrémités de sa course revient en arrière et comprime ce mélange. L'allumage a lieu ; le piston est repoussé et, au moment de revenir à sa position primitive à fond de course, il découvre des orifices par lesquels se dégagent les gaz brûlés. En même temps, par l'autre extrémité du cylindre, dés pompes font arriver des gaz frais, qui aident à la chasse des gaz brûlés et remplissent le cylindre. Leur arrivée cesse au moment où le piston du cylindre-moteur vient fermer les orifices d'échappement qu'il avait découverts dans la course précédente. Tout est ainsi revenu à l'état primitif au moment où va commencer la compression du mélange introduit dans le cylindre-moteur. Deux courses du piston moteur ou un tour de l'arbre de la machine ont donc suffi pour introduire le mélange tonnant dans le moteur, l'y enflammer et produire la détente motrice. De là le nom de fonctionnement à deux temps donné à la série de ces transformations.
3. Distinction entre le fonctionnement à deux temps et le fonctionnement à quatre temps. — Comme on le voit, une fois que le mélange gazeux de composition convenable est introduit dans le cylindre-moteur, tout se passe dans le fonctionnement à deux temps comme dans le fonctionnement à quatre temps. La distinction entre les deux
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GAZ PAUVttES
modes de fonctionnement se produit au moment de l'évacuation des gaz brûlés et de l'introduction d'une nouvelle quantité de mélange frais.
Dans le moteur à quatre temps, l'aspiration du mélange frais et l'évacuation des gaz brûlés se font chacune pendant toute la durée d'une course du piston.
Dans le moteur à deux temps, ces deux opérations doivent se faire à la fin de la course de détente et au début de la course suivante. Elle doivent avoir lieu dans une période très courte qui précède et qui suit le changement de course du piston. C'est un point sur lequel nous allons tout particulièrement insister, car le mode de construction du moteur est une conséquence môme de sa réalisation.
4. Etude du diagramme d'un moteur à deux temps dans le voisinage du changement de course correspondant à l'évacuation des gaz brûlés, — Représentons sur la figure 220 la partie du diagramme d'un moteur à deux temps qui
correspond à cette période d'évacuation des gaz brûlés et de réadmission de mélange frais.
Au point A de la course de détente du piston moteur, alors que ce piston a encore à parcourir environ 20 à 25 0/0 de cette course, s'ouvrent les orifices d'évacuation des gaz brûlés. Au point B, lorsque le piston moteur doit encore parcourir les 14 à 15 0/0 de sa course, s'ouvrent à l'autre extrémité du cylindre des orifices d'arrivée d'air; celui-ci chasse devant lui les gaz brûlés. Au point C tel que le piston moteur ait encore à parcourir 3,5 à 6 0/0 de sa course, s'ouvrent les orifices d'arrivée du gaz; comme les orifices d'arrivée de l'air sont toujours ouverts, un mélange de gaz et d'air de composition déterminée pénètre dans le cylindre. Le piston moteur arrive à l'extrémité de sa course de délente, puis il revient en arrière. Au point D, quand ce piston moteur a parcouru 3,5 à 6 0/0 de sa nouvelle course, les orifices d'arrivée du gaz se ferment. Du point D au point E, les orifices d'arrivée d'air restent ouverts et une petite quantité d'air pénètre dans le cylindre derrière le mélange de gaz et d'air. Enfin, au point F, les orifices d'évacuation se ferment et la compression du mélange frais introduit dans le cylindre commence. A partir de ce moment le fonctionnement à deux temps est identique au fonctionnement à quatre temps.
La figure 221 représente schématiquement, au moyen de deux pistons p { et p 2 se rapprochant et s'écartant simultanément l'un de l'autre, les différentes phases de l'évacuation des gaz brûlés et de l'introduction du mélange frais que nous venons d'analyser. L'ordre dans lequel se rangent de gauche à droite les diverses couches d'air d'une part, de mélange de gaz et d'air d'autre part, montre comment se sont succédé les diverses phases de l'introduction du mélange frais.
a) Phase de chasse d'air pur [de B à G (fig. 220)], dite aussi phase de rinçage;
b) Phase d'introduction du mélange de gaz et dair [de C à D {fig. 220)] ;
c) Phase d'introduction nouvelle d'air pur [de D à E (fig. 220)].
5. Les phases d'évacuation des gaz brûlés et d'introduction du mélange frais se font pendant un temps très court. — Conséquences. — Gomme on le voit
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Fig'. 220. — Partie du diagramme d'un moteur à deux temps qui correspond à la période d'évacuation des gaz brûlés et d'admission du mélange frais.
LES GftANDS MOTEUhS A GAZ
sur la figure 220, les différentes phases d'évacuation des gaz brûlés et d'introduction des gaz frais (de A en F) ne se font que pendant une faible partie de la course du piston moteur. La première chasse d'air pur (phase de rinçage) a lieu pendant les 10 à 11 0/0 de sa course; la phase d'introduction du mélange de gaz et d'air, pendant les 7 à 12 0/0 de cette course. On conçoit dès lors combien sont petits les intervalles de temps que durent ces phases, lorsque le moteur tourne à des vitesses normales de 80 à 100 tours par minute. 11 est vrai que ces opérations se réalisent au moment où le piston moteur est à sa vitesse minimum ; mais, même dans ces conditions, les durées de ces phases atteignent à peine 1/10 de seconde, elles sont souvent comprises entre 3/100 et 8/100 de seconde.
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Fio. 221. — Schéma montrant la stratification des diverses couches gazeuses à l'intérieur du cylindre d'un moteur à deux temps.
Il résulte immédiatement de là :
1° Que Vadditction de Pair et du mélange de gaz et dair ne peut se faire qu'au moyen de pompes indépendantes du cylindre-moteur ;
2° Que les orifices d évacuation dune part, ceux d amenée de l'air et du mélange de gaz et dair d autre part, doivent avoir de très grandes dimensions.
6. Les orifices d'évacuation d'un moteur à deux temps doivent être très larges. — En premier lieu, le fonctionnement d'un moteur à deux temps exige des orifices d'évacuation très larges.
En effet, l'expérience a montré que le -balayage des gaz brûlés par l'air pur doit, pour être efficace, se faire avec une masse d'air maintenu à une tension aussi basse que possible. L'air à haute tension entre avec une grande vitesse dans le cylindre-moteur, rebondit contre les parois intérieures en donnant lieu à des tourbillons assez violents pour mélanger de tous côtés, dès le début, les gaz résiduels avec l'agent de balayage; ces gaz restent alors avec la charge et peuvent donner naissance à des explosions anticipées. Si l'on veut que, pendant la phase de rinçage, l'air pénètre dans le cylindre-moteur en une sorte de colonne ininterrompue qui pousse devant elle les gaz résiduels, il faut que cet air n'arrive pas avec une vitesse trop grande et, par suite, n'ait qu'une faible pression.
11 est donc absolument nécessaire que le balayage ne se produise qu'au moment où l'échappement est presque terminé, lorsque l'excès de pression qui s'exerce dans le cylindre est suffisamment petit. Il faut donc, dans un temps très court, qui est de l'ordre de 5/100 de seconde, abaisser l'excès de pression de 2 à 3 atmosphères à une valeur aussi petite que possible, 1/2 atmosphère environ. Pour cela des orifices d'échappement de dimensions considérables sont absolument nécessaires.
7. Le moteur & deux temps ne peut avoir une distribution d'échappement par soupapes. — La soupape d'échappement, à elle seule, ne permet pas d'obtenir cette suppression de tension, dans le peu de temps qui est généralement disponible. Il faudrait
donner à cette soupape une ouverture et une section qui la rendraient impossible à exécuter. Le moteur à deux temps ne peut donc pas, dans la pratique, avoir une distribution d'échappement par soupapes.
8. L'échappement d'un moteur à deux temps doit se faire par une couronne de lumières percées dans les parois du cylindre-moteur, — Cet échappement ne peut se faire que par des couronnes de lumières percées dans les m parois du cylindre, couronnes en relation avec un espace suffisamment grand pour annuler autant que possible la contre-pression à l 'échappement. Le mode de fonctionnement à deux temps impose donc au constructeur un type de distribution d'échappement. C'est ce type que Ton rencontre à la fois dans le moteur QEchelhàuser et dans le moteur Kœrting.
9. Les tensions de l'air de balayage et du mélange de gaz et d'air doivent être aussi petites que possible, afin de diminuer la puissance dépensée dans les pompes. — Nous venons de voir quelques-unes des raisons pour lesquelles la tension du courant d'air de balayage doit être aussi voisine que possible de la pression atmosphérique. Il en est de même de la tension du mélange de gaz et d'air. Plus sont élevées les tensions du courant de balayage et du mélange, plus grande est la puissance à dépenser pour faire mouvoir les pompes, plus grandes sont les pertes de chaleur et les pertes de charge soit dans les conduits allant des pompes au cylindre du moteur, soit dans les orifices d'admission. Plus sont élevées les tensions, plus sont grandes les puissances inutilement dépensées pour comprimer des gaz qui vont ensuite se détendre en arrivant dans le cylindre-moteur.
10. Phénomène de la stratification dans le cylindre-moteur. — D'autre part, des tensions élevées de l'air de balayage et du mélange ne sont pas favorables à la production des couches séparées d'air et de mélange, que nous avons représentées sur la figure 221. Cette succession des couches d'air pur et de mélange de gaz et d'air, à laquelle on a donné le nom de stratification , est considérée par tous les ingénieurs allemands comme nécessaire au bon fonctionnement d'un moteur à deux temps. En particulier, il est important qu'il y ait un tampon de gaz inerte (air pur) entre les gaz brûlés et le mélange frais introduit. Dans les moteurs à deux temps, la phase d'admission suit en effet presque immédiatement la phase de détente, tandis que dans les moteurs à quatre temps la course de détente et la course d'admission sont séparées par la course d'évacuation des gaz brûlés, pendant laquelle les parois subissent un certain refroidissement. La phase de rinçage avec de l'air pur, qui suit la suppression hâtive et aussi complète que possible de la tension des gaz de la combustion, doit jusqu'à un certain point jouer le môme rôle que la course d'évacuation dans les moteurs à quatre temps. De là l'importance attachée au phénomène de la stratification des couches d'air et de gaz admises dans le cylindre-moteur.
11. Les, pompes d'un moteur à deux temps ne doivent pas jouer le rôle de compresseurs ; elles sont seulement des organes d'alimentation ou de distribution, — Toutes les raisons que nous venons de développer militent en faveur du fonctionnement avec des tensions du courant de balayage et du courant de mélange aussi voisines que possible de la pression atmosphérique ; de toiles tensions permettent seules de réaliser automatiquement la préparation convenable du mélange frais avant sa compression. Les pompe s des moteurs à deux temps ne doivent être que des organes d alimentation ou de distribution; elles ne doivent jamais jouer le rôle de compresseurs.
LES GRANDS MOTEURS A GAZ 293
12. Un excès de tension de 4/10 à 6/10 d'atmosphère pour les gaz d'alimentation d'un moteur à. deux temps est un mal nécessaire. — Toutefois, de faibles tensions de l'air et du mélange nécessitent, pour l'admission dans un temps aussi court que celui qui a été indiqué plus haut, des sections exagérées pour les pompes, les conduites et les organes de distribution. Aussi un excès de tension (sur la pression atmosphérique) de 4/10 à 6/10 d'atmosphère doit-il être considéré comme un mal nécessaire. Mais, dans ce cas, la construction des pompes doit être faite de telle sorte que la dépense de puissance nécessaire pour les actionner et effectuer en pure perte une telle compression soit inférieure à 10 0/0 de la puissance indiquée du moteur à gaz.
13. Admission au moyen de couronnes de lumières percées dans les parois du cylindre-moteur. — Type Œchelhâuser. — Les grandes sections des ouvertures d'admission que rend alors nécessaires la durée très courte de cette admission sont réalisées dans de bonnes conditions en employant, comme pour l'échappement, des couronnes de lumières percées dans la paroi du cylindre. Ce mode de construction, appliqué dans le type Œchelhâuser^ présente des avantages sérieux. La stratification se fait dans de bonnes conditions; les admissions de l'air de balayage et du mélange se font avec une grande régularité. Enfin, grâce à la grande section d'ouverture représentée par l'ensemble de ces ouvertures, on peut rapprocher le début de l'introduction de l'air de balayage du point mort extérieur, de manière à assurer, en toutes circonstances, un échappement complet des gaz brûlés et un refroidissement aussi important que possible des parois du cylindre. On est ainsi beaucoup moins exposé à produire des explosions anticipées et on peut introduire une plus grande masse d'air et de mélangé que lorsque les parois du cylindre sont à une température élevée. D'ailleurs, avec les couronnes de lumières, on peut cependant, pendant les 10 à 12 0/0 de la course du piston qui restent disponibles, rincer et charger le cylindre-moteur.
14. Emploi d'une soupape pour l'admission. — Type Kœrting. — Il est
cependant possible, comme l'a tenté Kœrting, d'employer pour l'admission une soupape placée sur le côté du cylindre, à la condition toutefois de donner à cette soupape une grande section d'ouverture et une grande levée, et de produire une prolongation de l'arrivée du mélange lorsque les orifices d'évacuation sont fermés. On éloigne ainsi le début de la compression du point mort correspondant à l'échappement des gaz brûlés; mais cela a moins d'inconvénients dans les moteurs à deux temps que dans les moteurs à quatre temps. Dans ceux-ci, en elTet, il y a une dépression pendant l'aspiration, dépression qui n'existe pas dans les moteurs à deux temps, où, au début de la compression, l'excès de pression sur la pression atmosphérique est au moins égal à 1/10 d'atmosphère.
15. Partie du diagramme d'un moteur Kœrting relative aux phases d'évacuation et d'admission du mélange frais. — La figure 222 représente la portion du diagramme relative aux phases d'évacuation et d'admission pour un moteur fonctionnant suivant le type Kœrting. Au point A, la couronne des lumières d'évacuation s'ouvre; au point B, très voisin du point mort extérieur C, la soupape d'admission s'ouvre, amenant d'abord de l'air pur pour le rinçage du cylindre ; au point D, situé après le point mort extérieur C, mais très voisin de lui, le mélange de gaz et d'air entre parla soupape; les lumières d'évacuation se ferment en E; de E en F, le mélange subit une faible compression dans le cylindre; enfin, à partir du point F, point de fermeture de la soupape, la compression qui a déjà commencé au point E se fait nettement dans le cylindre-moteur.
La figure 223 représente les différentes positions de la manivelle du moteur qui correspondent au début et à la fin de ces diverses phases d'évacuation et d'admission.
16. Type Œchelhàuser à simple effet et à deux pistons opposés. — Nous nous trouvons donc en présence de deux types de distributions :
a) Dans le premier type, les ouvertures d'évacuation et d'admission placées aux deux
extrémités du cylindre sont constituées par des couronnes de lumières percées longitudinalement dans la paroi du cylindre; l'ouverture et la fermeture de ces lumières se font de la manière la plus simple au moyen de deux pistons opposés qui se meuvent dans le cylindre-moteur. Ces pistons, tout en étant des pistons moteurs, jouent l'un le rôle de distributeur <T échappement, l'autre le rôle de distributeur d'admission.
Ce type est le type Œchelhàuser.
Fie. 222. — Partie du diagramme d'an moteur Koerting relative aux phases d'évacuation et d'admission du mélange frais.
17. Type Koerting à double effet et à piston distributeur. — b) Dans le type Koerting, les ouvertures d'évacuation sont des couronnes de lumières percées longitudinalement dans la paroi . du cylindre ; l'orifice d'admission est une soupape placée à l'extrémité opposée aux lumières. En plaçant ces lumières dans la partie médiane d'un cylindre dont les extrémités opposées portent des soupapes, on peut, au moyen d'un seul piston mobile dans ce cylindre, piston qui ouvre et ferme alternativement les lumières centrales, avoir un moteur à double effet.
Nous allons maintenant étudier en détail la construction des deux moteurs Œchelhàuser et Kœrting et montrer comment, dans chacun d'eux, on a réalisé les conditions de construction que nous venons d'énoncer. ^f y^ru» ^ t0 ^Zi^ 4
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