Cum funcționează motoarele Quasiturbine

  • Rudolf Cole
  • 0
  • 4840
  • 913

Proiectarea motorului se află la confluența a trei factori: îngrijorarea cu privire la modul în care emisiile auto vor afecta mediul; creșterea prețurilor gazelor naturale și necesitatea conservării resurselor de combustibil fosil; și realizarea faptului că mașina cu hidrogen - fie alimentată de o celulă cu combustibil de hidrogen, fie de combustie internă de hidrogen - nu va îndeplini promisiunea sa în viitorul apropiat. Drept urmare, mulți ingineri acordă mai mult interes îmbunătățirii motorului cu ardere internă.

Galeria de imagini pentru motorul auto


Foto cu amabilitate Quasiturbine.com
Motor Quasiturbine. Vezi mai multe imagini cu motoare.

Motorul Quasiturbine, patentat în 1996, este doar o astfel de îmbunătățire. În acest articol, vom introduce motorul Quasiturbine și vom răspunde la următoarele întrebări:

  • De unde a venit ideea pentru motor?
  • Care sunt părțile motorului Quasiturbine?
  • Cum funcționează motorul Quasiturbine?
  • Cum se compară în performanță cu alte motoare cu ardere internă?

Haideți să începem analizând câteva elemente de bază ale motorului.

Pentru a vedea cum funcționează un motor Quasiturbine, trebuie să înțelegeți câteva elemente de bază ale motorului.

-
Aflați mai multe
  • Cum funcționează motoarele Stirling
  • Testul motorului
  • Forum: ți-e frică de motorul mașinii tale?

-Principiul de bază din spatele oricărui motor cu combustie internă este simplu: Dacă introduceți o cantitate mică de aer și combustibil cu energie mare (cum ar fi benzina) într-un spațiu mic, închis și îl aprindeți, gazul se extinde rapid, eliberând o cantitate incredibilă de energie.

Scopul final al unui motor este de a transforma energia acestui gaz în expansiune într-o mișcare rotativă (rotitoare). În cazul motoarelor auto, obiectivul specific este rotirea a schimbatorul de viteze rapid. Arborele de acționare este conectat la diverse componente care trec mișcarea de rotație pe roțile mașinii.

Pentru a valorifica astfel energia de extindere a gazului, un motor trebuie să circule printr-un set de evenimente care provoacă multe explozii minuscule de gaz. In acest ciclul de ardere, motorul trebuie:

  • Lăsați un amestec de combustibil și aer într-o cameră
  • Compresați combustibilul și aerul
  • Aprindeți combustibilul pentru a crea o explozie
  • Eliberați epuiza (gândiți-o ca produs secundar al exploziei)

Apoi, ciclul începe din nou.

Modul de lucru al motoarelor explică în detaliu cum funcționează acest lucru în motorul cu piston convențional. În esență, ciclul de ardere împinge un piston în sus și în jos, care rotește arborele de antrenare printr-un arbore cotit.


În timp ce motorul cu piston este cel mai frecvent tip întâlnit în mașini, motorul Quasiturbine funcționează mai mult ca un motor rotativ. În loc să folosească pistonul ca un motor tipic pentru mașini, un motor rotativ folosește un rotor triunghiular pentru realizarea ciclului de ardere. Presiunea de ardere este conținută într-o cameră formată dintr-o parte a carcasei pe o parte și fața rotorului triunghiular pe cealaltă parte.

Calea rotorului menține fiecare dintre cele trei vârfuri ale rotorului în contact cu carcasa, creând trei volume separate de gaz. Pe măsură ce rotorul se mișcă în jurul camerei, fiecare dintre cele trei volume de gaz se extinde alternativ și se contractă. Această expansiune și contracție este cea care atrage aer și combustibil în motor, îl comprimă, face o putere utilă pe măsură ce gazele se extind și apoi expulzează evacuarea. (Vezi cum funcționează motoarele rotative pentru mai multe informații).

În următoarele secțiuni, vom vedea cum Quasiturbina duce ideea unui motor rotativ și mai departe.

Familia Saint-Hilaire a brevetat pentru prima dată motorul cu combustie Quasiturbine în 1996. Conceptul Quasiturbine a rezultat dintr-o cercetare care a început cu o evaluare intensă a tuturor conceptelor de motor pentru a nota avantaje, dezavantaje și oportunități de îmbunătățire. În timpul acestui proces de explorare, echipa Saint-Hilaire a ajuns să realizeze că o soluție unică a motorului va fi cea care aduce îmbunătățiri la standardul Wankel, sau motor rotativ.

Ca și motoarele rotative, motorul Quasiturbine se bazează pe un design cu rotor și carcasă. Dar în loc de trei lame, rotorul Quasiturbine are patru elemente înlănțuite, cu camere de combustie situate între fiecare element și pereții carcasei.


Foto cu amabilitate Quasiturbine.com
Design simplu Quasiturbine

rotor cu patru fețe este ceea ce diferențiază Quasiturbina de Wankel. Există de fapt două moduri diferite de a configura acest design - unul cu trăsuri și unul fără trăsuri. După cum vom vedea, o trăsură, în acest caz, este doar o simplă piesă de mașină.

În primul rând, să ne uităm la componentele modelului Quasiturbine mai simplu - versiunea fără cară.

Modelul Quasiturbine, mai simplu, seamănă foarte mult cu un motor rotativ tradițional: un rotor se transformă în interiorul unei carcase cu formă aproape ovală. Observați, totuși, că rotorul Quasiturbine are patru elemente în loc de trei. Părțile laterale ale garniturii rotorului față de laturile carcasei, iar colțurile garniturii rotorului împotriva periferiei interioare, împărțindu-l în patru camere.


Într-un motor cu piston, un ciclu complet în patru timpi produce două rotații complete ale arborelui cotit (vezi Cum funcționează motoarele auto: ardere internă). Aceasta înseamnă că puterea de ieșire a unui motor cu piston este de jumătate de cursă de putere pe o rotație a unui piston.

Pe de altă parte, un motor Quasiturbine nu are nevoie de pistoane. În schimb, cele patru timpi ale unui motor tipic cu piston sunt dispuse secvențial în jurul carcasei ovale. Nu este nevoie ca arborele cotit să efectueze conversia rotativă.

Această grafică animată identifică fiecare ciclu. Observați că în această ilustrație bujia este situată într-unul dintre porturile carcasei.


În acest model de bază, este foarte ușor să vezi cele patru cicluri de ardere internă:

  • Admisie, care atrage un amestec de combustibil și aer
  • Comprimare, care stoarce amestecul combustibil-aer într-un volum mai mic
  • Combustie, care folosește o scânteie dintr-o bujie pentru a aprinde combustibilul
  • Epuiza, care expulza gazele reziduale (produsele secundare ale combustiei) din compartimentul motorului

Motoarele Quasiturbine cu trăsuri funcționează pe aceeași idee de bază ca acest design simplu, cu modificări suplimentare de design care permit foto-detonare. Foto-detonarea este un mod de combustie superior care necesită mai multă compresiune și o rezistență mai mare decât pot oferi motoarele cu piston sau rotative. Acum, să vedem despre ce este vorba acest mod de ardere.

Motoarele cu ardere internă se încadrează în patru categorii în funcție de cât de bine se amestecă aerul și combustibilul în camera de ardere și modul în care este aprins combustibilul. Tip I include motoarele în care aerul și combustibilul se amestecă bine pentru a forma ceea ce se numește a amestec omogen. Când o scânteie aprinde combustibilul, o flacără fierbinte se strecoară prin amestec, arzând combustibilul în timp ce merge. Acesta este, desigur, motorul pe benzină.

Patru tipuri de motoare cu ardere internă

Amestec omogen combustibil-aer Amestec eterogen de combustibil-aer
Aprindere prin scanteie Tip I
Motor pe benzina
Tip II
Motor cu injecție directă pe benzină (GDI)
Auto-aprindere încălzită la presiune Tip IV
Motor de detonare foto
Tip III
Motor diesel

Tip II -- un motor cu injecție directă pe benzină - folosește combustibil și aer parțial mixte (adică un amestec eterogen) care este injectat direct în cilindru, mai degrabă decât într-un orificiu de admisie. O bujie aprinde apoi amestecul, arde mai mult combustibil și creând mai puține deșeuri.

În Tip III, aerul și combustibilul sunt amestecate parțial doar în camera de ardere. Acest amestec eterogen este apoi comprimat, ceea ce face ca temperatura să crească până când are loc autoaprinderea. În acest mod funcționează un motor diesel.

În cele din urmă, în Tip IV, se combină cele mai bune atribute ale motoarelor pe benzină și diesel. O încărcare pre-amestecată cu combustibil suferă o compresie extraordinară până când combustibilul se autoaprinde. Acest lucru se întâmplă într-un motor foto-detonare și, deoarece utilizează o încărcare omogenă și aprindere prin compresie, este adesea descris ca un Motor HCCI. Arderea HCCI (Omogenous Compression Ignition Ignition) are ca rezultat practic nicio emisie și o eficiență superioară a combustibilului. Acest lucru se datorează faptului că motoarele foto-detonare ard combustibil complet, lăsând în urmă hidrocarburi care să nu fie tratate de un convertor catalitic sau pur și simplu expulzate în aer.


Sursa: Congresul mașinii ecologice

Desigur, presiunea ridicată necesară pentru detonare foto pune o tensiune semnificativă asupra motorului în sine. Motoarele cu piston nu suportă forța violentă a detonării. Și motoarele rotative tradiționale, precum Wankel, care au camere de combustie mai lungi, care limitează cantitatea de compresie pe care le pot obține, sunt incapabile să producă mediul de înaltă presiune necesar pentru a se produce foto-detonare.

Intrați în Quasiturbină cu trăsuri. Numai acest design este suficient de puternic și suficient de compact pentru a rezista forței de detonare foto și a permite raportul de compresie mai mare necesar auto-aprinderii încălzite prin presiune.

În secțiunea următoare, vom analiza componentele majore ale acestui design.

Chiar și cu complexitatea adăugată, motorul Quasiturbine cu trăsuri are un design relativ simplu. Fiecare parte este descrisă mai jos.

carcasă (stator), care este un oval aproape cunoscut sub numele de "patinoarul Saint-Hilaire", formează cavitatea în care se rotește rotorul. Carcasa conține patru porturi:

  • Un port în care bujia se află în mod normal (bujia poate fi plasată și în capacul carcasei - vezi mai jos).
  • Un port care este închis cu un conector detașabil.
  • Un port pentru aportul de aer.
  • Un port de evacuare utilizat pentru eliberarea gazelor reziduale de ardere.


Carcasa este închisă pe fiecare parte cu două capace. Copertinele au trei porturi proprii, permițând o flexibilitate maximă în modul de configurare a motorului. De exemplu, un port poate servi ca admisie de la un carburator convențional sau poate fi echipat cu un injector de gaz sau diesel, în timp ce altul poate servi ca locație alternativă pentru bujie. Unul dintre cele trei porturi este o priză mare pentru gazele de eșapament.


Modul în care sunt utilizate diferitele porturi depinde dacă inginerul auto dorește un motor tradițional cu ardere internă sau unul care oferă compresia super-mare necesară foto-detonării.

Rotorul, format din patru lame, înlocuiește pistoanele unui motor tipic cu ardere internă. Fiecare lamă are un vârful de umplere și sloturi de tracțiune pentru a primi brațele de cuplare. A pivot formează capătul fiecărei lame. Sarcina pivotului este de a uni o lamă pe alta și de a forma o legătură între lamă și balansare trăsuri. Există patru vagoane în total, câte una pentru fiecare lamă. Fiecare cărucior este liber să se rotească în jurul aceluiași pivot, astfel încât să rămână în contact cu peretele interior al carcasei în orice moment.


Fiecare trăsură funcționează îndeaproape cu două roți, ceea ce înseamnă că există opt roți în total. Roțile permit rotorului să se rostogolească ușor pe suprafața conturată a peretelui carcasei și sunt făcute larg pentru a reduce presiunea la punctul de contact.

Motorul Quasiturbine nu are nevoie de un arbore central pentru a funcționa; dar, desigur, o mașină necesită un arbore de ieșire pentru a transfera puterea de la motor la roți. axa de iesire este conectat la rotor cu două cuplarea brațelor, care se încadrează în fante de tracțiune și patru bretele.


Când puneți toate piesele la un loc, motorul arată astfel:


Foto cu amabilitate Quasiturbine.com
Motor Quasiturbine cu trăsuri

Observați că motorul Quasiturbine nu are niciuna dintre părțile complexe ale unui motor cu piston tipic. Nu are arbore cotit, supape, pistoane, tije de împingere, balansoare sau came. Și pentru că lamele rotorului „se plimbă” pe trăsuri și roți, există o frecare mică, ceea ce înseamnă că uleiul și o tigaie cu ulei nu sunt necesare.

Acum că am analizat componentele majore ale Quasiturbine cu trăsuri, să vedem cum totul se îmbină. Această animație ilustrează ciclul de ardere:


Foto cu amabilitate Quasiturbine.com

Primul lucru pe care îl veți observa este modul în care palele rotorului, pe măsură ce se transformă, schimbă volumul camerelor. Mai întâi volumul crește, ceea ce permite extinderea amestecului combustibil-aer. Apoi volumul scade, ceea ce comprimă amestecul într-un spațiu mai mic.

Al doilea lucru pe care îl veți observa este modul în care o cursă de ardere se termină chiar atunci când următoarea cursă de ardere este gata să tragă. Făcând un canal mic de-a lungul peretelui intern al carcasei de la bujie, o cantitate mică de gaz fierbinte este lăsată să revină în următoarea cameră de ardere gata de incendiu atunci când fiecare dintre garniturile carului trece peste canal. Rezultatul este ardere continuă, la fel ca în turbina cu gaz a avionului!

Ceea ce înseamnă toate acestea în motorul Quasiturbine este o eficiență și performanță sporite. Cele patru camere produc două circuite consecutive. Primul circuit este utilizat pentru a comprima și a se extinde în timpul arderii. Al doilea este folosit pentru a expulza aerul evacuat și admira. Într-o revoluție a rotorului, sunt create patru lovituri de putere. Asta înseamnă de opt ori mai mult decât un motor tipic cu piston! Chiar și un motor Wankel, care produce trei lovituri de putere pe revoluție de rotor, nu poate corespunde performanțelor unei Quasiturbine.

Evident, puterea crescută a motorului Quasiturbine îl face superior motoarelor Wankel și cu piston, dar a rezolvat și multe dintre problemele prezentate de Wankel. De exemplu, motoarele Wankel duc la o combustie incompletă a amestecului combustibil-aer, rămânând hidrocarburile rămase fără a fi eliberate în evacuare. Motorul Quasiturbine depășește această problemă cu o cameră de ardere cu 30% mai puțin alungită. Aceasta înseamnă că amestecul combustibil-aer din quasiturbină are o compresie mai mare și o arsură mai completă. Înseamnă, de asemenea, că, cu mai puțin combustibil care va deveni fără ardere, Quasiturbina crește eficiența combustibilului dramatic.

Alte avantaje semnificative ale Quasiturbinei includ:

  • Vibrații zero deoarece motorul este perfect echilibrat
  • Accelerarea mai rapidă fără volană
  • Cuplu mai mare la turația mai mică
  • Funcționare aproape fără ulei
  • Mai puțin zgomot
  • Flexibilitate completă pentru a opera complet submers sau în orice orientare, chiar cu susul în jos
  • Mai puține piese în mișcare pentru o uzură mai mică
În cele din urmă, Quasiturbina poate folosi diferite tipuri de combustibil, inclusiv metanol, benzină, kerosen, gaz natural și motorină. Poate chiar adăposti hidrogenul ca sursă de combustibil, ceea ce îl face o soluție de tranziție ideală, deoarece mașinile evoluează de la arderea tradițională la combustibili alternanți.


Foto cu amabilitate Quasiturbine.com

-Având în vedere că motorul modern cu ardere internă a fost inventat de Karl Benz în 1886 și s-a bucurat de aproape 120 de ani de rafinări de proiectare, motorul Quasiturbine este încă la început. Motorul nu este utilizat în nicio aplicație din lumea reală care ar testa adecvarea acestuia ca înlocuitor al motorului cu piston (sau al motorului rotativ, în acest sens). Este încă în faza sa de prototip - aspectul cel mai bun pe care oricine l-a obținut până acum este momentul în care a fost demonstrat pe un kart-ul în 2004..

În viitor, însă, veți vedea probabil Quasiturbina folosită în mai mult decât doar mașina dvs. Deoarece zona motorului central este voluminoasă și nu necesită un ax central, poate găzdui generatoare, elice și alte dispozitive de ieșire, ceea ce îl face un motor ideal pentru ferăstraie cu lanțuri electrice, parașute cu motor, snowmobile, compresoare de aer, sisteme de propulsie pentru nave și centrale electrice.

Pentru mai multe informații despre motorul Quasiturbine, alte tipuri de motor și subiecte conexe, consultați linkurile de pe pagina următoare.

Articole similare

  • Cum funcționează motoarele auto
  • Cum funcționează motoarele diesel
  • Cum funcționează motoarele cu turbină pe gaz
  • Cum funcționează motoarele HEMI
  • Cum funcționează motoarele radiale
  • Cum funcționează motoarele rotative
  • Cum funcționează motoarele Stirling

Mai multe legături grozave

  • Brevetul SUA nr. 6.164.263: Quasiturbine AC (compresor rotativ cu motor rotativ Quasiturbine, cu combustie continuă sau cu pompă rotativă)
  • MIT: Vehiculul cu hidrogen nu va fi viabil în curând, arată studiul

surse

  • Ashley, Steven. 2001. O soluție cu motor scăzut de poluare. Științific american. iunie.
  • Bode, Dave. 2000. Un motor pentru noul mileniu? FindArticles.com. Aprilie.
    http://www.findarticles.com/p/articles/mi_
    m0FZX / is_4_66 / ai_62371174 / imprimare
  • Physics Daily: The Physics Encyclopedia, s.v. „Quasiturbine“
    http://www.physicsdaily.com/physics/Quasiturbine (accesat la 14 mai 2005).
  • Physics Daily: The Physics Encyclopedia, s.v. "Motor Wankel"
    http://www.physicsdaily.com/physics/Wankel_engine (accesat la 14 mai 2005).
  • Quasiturbine.com, http://www.quasiturbine.com/EIndex.htm
  • Stauffer, Nancy. 2003. Vehiculul cu hidrogen nu va fi viabil în curând,
    studiul spune. Biroul de știri al Institutului de Tehnologie din Massachusetts. 5 martie.
    http://web.mit.edu/newsoffice/tt/2003/mar05/hydrogen.html
  • Stokes, Myron D. 2003. Quantum parallel: The Saint-Hilaire "quasiturbine"
    ca bază pentru o schimbare simultană a paradigmei în sistemele de propulsie a vehiculelor. 15 decembrie.
  • Tse, Lawrence. 2003. Quasiturbine: motor foto-detonare pentru
    beneficii optime pentru mediu Visionengineer.com. 8 iunie.
    http://www.visionengineer.com/mech/quasiturbine.php
  • Site-ul Oficiului de Brevete din SUA, cerere de brevet Quasiturbine.
    Brevetul nr. 6.659.065.
  • Wright, Michael și Mukul Patel, eds. 2000.
    Scientific American: Cum stau lucrurile astăzi.
    New York: Crown Publishers.



Nimeni nu a comentat acest articol încă.

Cele mai interesante articole despre secrete și descoperiri. O mulțime de informații utile despre tot
Articole despre știință, spațiu, tehnologie, sănătate, mediu, cultură și istorie. Explicați mii de subiecte pentru a ști cum funcționează totul