Sådan fungerer kvasiturbine-motorer

Motordesign er i sammenfald af tre faktorer: bekymring for, hvordan bilemissioner vil påvirke miljøet; stigende gaspriser og behovet for at spare fossile brændstofressourcer; og erkendelsen af, at den brintdrevne bil - det være sig drevet af en brintbrændselscelle eller ved brændstofforbrænding - ikke leverer sit løfte i den nærmeste fremtid. Som et resultat giver mange ingeniører større interesse for at forbedre forbrændingsmotoren.

Billedgalleri til bilmotor

Foto høflighed Quasiturbine.com Quasiturbine motor. Se flere billeder af motorer.

Quasiturbine-motoren, der er patenteret i 1996, er netop sådan en forbedring. I denne artikel introducerer vi Quasiturbine-motoren og besvarer følgende spørgsmål:

• Hvor kom ideen til motoren fra?
• Hvad er delene af Quasiturbine-motoren?
• Hvordan fungerer Quasiturbine-motoren?
• Hvordan kan det sammenlignes i ydelse med andre forbrændingsmotorer?

Lad os komme i gang med at se på nogle grundlæggende motorer.

For at se, hvordan en Quasiturbine-motor fungerer, skal du forstå nogle grundlæggende motorer.

-

Lær mere Sådan fungerer motorer Motorquiz Fora: Er du bange for din bils motor?

-Det grundlæggende princip bag enhver forbrændingsmotor er enkel: Hvis du lægger en lille mængde luft og brændstof med høj energi (som benzin) i et lille lukket rum og antænder det, ekspanderer gassen hurtigt og frigiver en utrolig mængde energi.

Det endelige mål med en motor er at konvertere energien fra denne ekspanderende gas til en roterende (spinde) bevægelse. For bilmotorer er det specifikke mål at dreje en Drivaksel hurtigt. Drivakslen er forbundet til forskellige komponenter, der passerer den roterende bevægelse på bilens hjul.

For at udnytte energien ved at udvide gas på denne måde skal en motor cykle gennem et sæt begivenheder, der forårsager mange små gaseksplosioner. Heri forbrændingscyklus, motoren skal:

• Lad en blanding af brændstof og luft ind i et kammer
• Komprimere brændstof og luft
• Antænd brændstof for at skabe en eksplosion
• Slip udstødning (tænk på det som biproduktet fra eksplosionen)

Så starter cyklussen igen.

Hvordan motorer arbejde forklarer detaljeret, hvordan dette fungerer i konventionel stempelmotor. I det væsentlige skubber forbrændingscyklussen et stempel op og ned, der roterer drivakslen ved hjælp af en krumtapaksel.

Mens stempelmotoren er den mest almindelige type, der findes i biler, fungerer Quasiturbine-motoren mere som en roterende motor. I stedet for at bruge stempel som en typisk bilmotor, bruger en roterende motor en trekantet rotor for at opnå forbrændingscyklus. Forbrændingstrykket er indeholdt i et kammer, der er dannet af en del af huset på den ene side og overfladen af ​​den trekantede rotor på den anden side.

Rotorens bane holder hver af de tre rotortoppe i kontakt med huset, hvilket skaber tre separate mængder gas. Når rotoren bevæger sig rundt i kammeret, udvides og samles hver af de tre mængder gas skiftevis. Det er denne ekspansion og sammentrækning, der trækker luft og brændstof ind i motoren, komprimerer den, skaber brugbar kraft, når gasserne ekspanderer og derefter udstød udstødningen. (Se Sådan fungerer roterende motorer for at få flere oplysninger).

I de næste par sektioner får vi se, hvordan Quasiturbine tager idéen om en roterende motor endnu længere.

Familien Saint-Hilaire patenterede først Quasiturbine-forbrændingsmotoren i 1996. Quasiturbine-konceptet blev resultatet af forskning, der begyndte med en intens evaluering af alle motorkoncepter for at bemærke fordele, ulemper og muligheder for forbedring. I løbet af denne efterforskende proces kom Saint-Hilaire-teamet til at indse, at en unik motorløsning ville være en, der gjorde forbedringer af standard Wankel- eller roterende motor.

Ligesom roterende motorer er Quasiturbine-motoren baseret på et rotor-og-hus-design. Men i stedet for tre klinger, har Quasiturbine-rotoren fire elementer, der er kædet sammen, med forbrændingskamre placeret mellem hvert element og husets vægge.

Foto høflighed Quasiturbine.com Simpelt quasiturbine design

Det firsidet rotor er det, der adskiller Quasiturbine fra Wankel. Der er faktisk to forskellige måder at konfigurere dette design på - en med vogne og en uden vogne. Som vi vil se, er en vogn i dette tilfælde bare et simpelt maskinstykke.

Lad os først se på komponenterne i den enklere Quasiturbine-model - versionen uden vogne.

Den enklere Quasiturbine-model ligner meget en traditionel roterende motor: En rotor drejer inden i et næsten ovalt hus. Bemærk dog, at Quasiturbine-rotoren har fire elementer i stedet for tre. Rotorforseglingens sider mod husets sider, og hjørnerne af rotorpakningen mod den indre periferi, der opdeles i fire kamre.

I en stempelmotor producerer en komplet firetaktscyklus to komplette omdrejninger af krumtapakslen (se Sådan fungerer bilmotorer: Forbrænding). Det betyder, at stempelmotorens effekt er et halvt kraftslag pr. Stempelomdrejning.

En quasiturbine-motor behøver på den anden side ikke stempler. I stedet er de fire slag på en typisk stempelmotor arrangeret sekventielt omkring det ovale hus. Der er ikke behov for at krumtapakslen udfører den roterende konvertering.

Denne animerede grafik identificerer hver cyklus. Bemærk, at tændrøret i denne illustration er placeret i en af ​​husportene.

I denne grundlæggende model er det meget let at se de fire cykler med forbrænding:

• indtag, der trækker ind en blanding af brændstof og luft
• Compression, som presser brændstof-luft blandingen i et mindre volumen
• Forbrænding, der bruger en gnist fra en tændrør til at antænde brændstoffet
• Udstødning, der uddriver affaldsgasser (biprodukter fra forbrænding) fra motorrummet

Quasiturbine motorer med vogne fungerer på samme grundide som dette enkle design, med tilføjede designændringer, der giver mulighed for foto-detonation. Fotodetonering er en overlegen forbrændingsfunktion, der kræver mere komprimering og større robusthed, end stempel eller roterende motorer kan give. Lad os nu se, hvad denne forbrændingsmetode handler om.

Forbrændingsmotorer falder i fire kategorier baseret på, hvor godt luft og brændstof blandes sammen i forbrændingskammeret, og hvordan brændstoffet antændes. Type I inkluderer motorer, hvor luft og brændstof blandes grundigt for at danne det, der kaldes a homogen blanding. Når en gnist antænder brændstoffet, fejer en varm flamme gennem blandingen og brænder brændstoffet som det går. Dette er selvfølgelig benzinmotoren.

Fire typer forbrændingsmotorer
	Homogen brændstof-luft blanding	Heterogen brændstof-luftblanding
Med gnisttænding	Type I Benzinmotor	Type II Benzin direkte-injektion (GDI) -motor
Trykopvarmet Selvantændelse	Type IV Foto-detonationsmotor	Type III Dieselmotor

Type II -- en benzin-direkte injektionsmotor - bruger delvist blandet brændstof og luft (dvs. en heterogen blanding), der indsprøjtes direkte i cylinderen snarere end i en indtagsport. En tændrør tænder derefter blandingen, brænder mere af brændstof og skaber mindre affald.

I Type III, luft og brændstof blandes kun delvist i forbrændingskammeret. Denne heterogene blanding komprimeres derefter, hvilket får temperaturen til at stige, indtil selvantændelse finder sted. En dieselmotor fungerer på denne måde.

Endelig i Type IV, de bedste egenskaber ved benzin- og dieselmotorer er kombineret. En forblandet brændstof-luftladning gennemgår en enorm komprimering, indtil brændstoffet selvantændes. Dette er, hvad der sker i en fotodetonationsmotor, og fordi den anvender en homogen ladning og kompressionstænding, beskrives den ofte som en HCCI-motor. Forbrænding af HCCI (homogen ladningskomprimeringstænding) resulterer i næsten ingen emissioner og overlegen brændstofeffektivitet. Dette skyldes, at fotodetoneringsmotorer forbrænder brændstoffet fuldstændigt og efterlader ingen kulbrinter, der skal behandles med en katalytisk konverter eller blot udvises i luften.

Kilde: Green Car Congress

Naturligvis lægger det høje tryk, der kræves til fotodetonering, en betydelig mængde stress på selve motoren. Stempelmotorer kan ikke modstå detoneringens voldelige kraft. Og traditionelle roterende motorer som Wankel, som har længere forbrændingskamre, der begrænser mængden af ​​kompression, de kan opnå, er ikke i stand til at producere det højtryksmiljø, der er nødvendigt for at detonation af fotos kan ske.

Gå ind i Quasiturbine med vogne. Kun dette design er stærkt nok og kompakt nok til at modstå kraften ved fotodetonering og tillade det højere kompressionsforhold, der er nødvendigt for trykvarmet selvantændelse.

I det næste afsnit skal vi se på de vigtigste komponenter i dette design.

Selv med sin ekstra kompleksitet har Quasiturbine-motoren med vogne et relativt simpelt design. Hver del er beskrevet nedenfor.

Det boliger (stator), som er en næsten oval kendt som "Saint-Hilaire skøjtebane", danner det hulrum, i hvilket rotoren roterer. Huset indeholder fire havne:

• En port, hvor tændrøret normalt sidder (tændrøret kan også placeres i husdækslet - se nedenfor).
• En port, der er lukket med et aftageligt stik.
• En port til indtagelse af luft.
• En udstødningsport, der bruges til at frigive forbrændingsgaserne.

Huset er lukket på hver side af to dæksler. Omslagene har tre havne af deres egne, hvilket giver maksimal fleksibilitet i, hvordan motoren er konfigureret. For eksempel kan en port tjene som et indtag fra en konventionel karburator eller være udstyret med en gas- eller dieselinjektor, mens en anden kan fungere som et alternativ sted for en tændrør. En af de tre havne er et stort udløb til udstødningsgasser.

Hvordan de forskellige porte bruges afhænger af, om bilingeniøren ønsker en traditionel forbrændingsmotor eller en, der leverer den superhøj kompression, der kræves af fotodetonering.

Rotoren, der er lavet af fire klinger, erstatter stemplerne i en typisk forbrændingsmotor. Hvert blad har en fyldespids og trækklot for at modtage koblingsarmene. EN omdrejningspunkt danner enden af ​​hvert blad. Pivotens opgave er at sammenføje det ene blad til det næste og at danne en forbindelse mellem bladet og vippingen vogne. Der er i alt fire vippevogne, en for hvert blad. Hver vogn kan frit dreje rundt om den samme drejeplade, så den forbliver i kontakt med husets indvendige væg.

Hver vogn arbejder tæt sammen med to hjul, hvilket betyder, at der er otte hjul i alt. Hjulene gør det muligt for rotoren at rulle jævnt på den konturede overflade af husvæggen og er lavet brede for at reducere trykket på kontaktpunktet.

Quasiturbine-motoren har ikke brug for en central aksel til at køre; men selvfølgelig kræver en bil en udgangsaksel for at overføre strøm fra motoren til hjulene. Det udgangsaksel er forbundet til rotoren med to koblingsarm, der passer ind i trækkraftspalter og fire arm seler.

Når du sætter alle delene sammen, ser motoren sådan ud:

Foto høflighed Quasiturbine.com Quasiturbine motor med vogne

Bemærk, at Quasiturbine-motoren ikke har nogen af ​​de intrikate dele af en typisk stempelmotor. Den har ingen krumtapaksel, ventiler, stempler, skubbestænger, vippere eller knaster. Og fordi rotorbladene "kører" på vogne og hjul, er der lidt friktion, hvilket betyder, at olie og en oliepande er unødvendig.

Nu hvor vi har set på de vigtigste komponenter i Quasiturbine med vogne, lad os se, hvordan alt kommer sammen. Denne animation illustrerer forbrændingscyklussen:

Foto høflighed Quasiturbine.com

Den første ting, du bemærker, er, hvordan rotorbladene, når de drejer, ændrer rumfanget på kamrene. Først øges volumen, hvilket giver brændstof-luftblandingen mulighed for at udvide sig. Derefter falder volumen, hvilket komprimerer blandingen i et mindre rum.

Den anden ting, du bemærker, er, hvordan et forbrændingsslag slutter lige, når det næste forbrændingsslag er klar til at skyde. Ved at lave en lille kanal langs den indvendige husvæg ved siden af ​​tændrøret, tillades en lille mængde varm gas at strømme tilbage til det næste klar-til-ild-forbrændingsrum, når hver vognforsegling passerer over kanalen. Resultatet er kontinuerlig forbrænding, ligesom i flyvemaskineturbinen!

Hvad alt dette udgør i Quasiturbine-motoren er øget effektivitet og ydelse. De fire kamre producerer to på hinanden følgende kredsløb. Det første kredsløb bruges til at komprimere og ekspandere under forbrænding. Det andet bruges til at udvise udstødnings- og indblæsningsluft. I en omdrejning af rotoren oprettes fire kraftslag. Det er otte gange mere end en typisk stempelmotor! Selv en Wankel-motor, der producerer tre effektslag pr. Rotorrevolution, kan ikke matche ydeevnen af ​​en Quasiturbine.

Naturligvis gør den øgede effekt fra Quasiturbine-motoren den overlegen Wankel- og stempelmotorer, men den har også løst mange af de problemer, som Wankel har præsenteret. For eksempel fører Wankel-motorerne til ufuldstændig forbrænding af brændstof-luftblandingen, med de resterende ubrændte kulbrinter frigivet i udstødningen. Quasiturbine-motoren overvinder dette problem med et forbrændingskammer, der er 30 procent mindre langstrakt. Dette betyder, at brændstof-luftblandingen i quasiturbin oplever en større kompression og en mere komplet forbrænding. Det betyder også, at med mindre brændstof går uforbrændt, Quasiturbine øger brændstofeffektiviteten dramatisk.

Andre væsentlige fordele ved Quasiturbine inkluderer:

• Nul vibrationer, fordi motoren er perfekt afbalanceret
• Hurtigere acceleration uden svinghjul
• Højere drejningsmoment ved lavere omdrejningstal
• Næsten oliefri drift
• Mindre støj
• Fuld fleksibilitet til at betjene helt nedsænket eller i enhver orientering, selv omvendt
• Færre bevægelige dele for mindre slid

Endelig kan Quasiturbine køre på forskellige typer brændstof, herunder methanol, benzin, parafin, naturgas og diesel. Det kan endda rumme brint som brændstofkilde, hvilket gør det til en ideel overgangsløsning, når biler udvikler sig fra traditionel forbrænding til alternative brændstoffer.

Foto høflighed Quasiturbine.com

-I betragtning af den moderne forbrændingsmotor blev opfundet af Karl Benz i 1886 og har haft næsten 120 års designforfining, er Quasiturbine-motoren stadig i sin spædbarn. Motoren bruges ikke i nogen applikationer i den virkelige verden, der tester dens egnethed som erstatning for stempelmotoren (eller den roterende motor, for den sags skyld). Det er stadig i sin prototypefase - det bedste look, nogen har fået indtil videre, var da det blev demonstreret på en gokart i 2004. Quasiturbine er muligvis ikke en konkurrencedygtig motorteknologi i årtier.

I fremtiden vil du dog sandsynligvis se Quasiturbine brugt i mere end bare din bil. Fordi det centrale motorområde er voluminøst og ikke kræver nogen central aksel, kan det rumme generatorer, propeller og andre outputenheder, hvilket gør det til en ideel motor til magtkædesave, elektriske faldskærme, snescootere, luftkompressorer, skibsfremdrivningssystemer og elektriske kraftværker.

For mere information om Quasiturbine-motoren, andre motortyper og relaterede emner, se linkene på næste side.

Relaterede artikler

• Sådan fungerer bilmotorer
• Sådan fungerer dieselmotorer
• Sådan fungerer gasturbinemaskiner
• Sådan fungerer HEMI-motorer
• Sådan fungerer radiale motorer
• Sådan fungerer roterende motorer
• Sådan fungerer motorer

Flere gode links

• U.S. patent nr. 6 164 263: Quasiturbine AC (Quasiturbine zero vibration-kontinuerlig forbrænding roterende motorkompressor eller pumpe)
• MIT: Hydrogenkøretøj vil ikke være levedygtigt snart, siger undersøgelsen

Kilder

• Ashley, Steven. 2001. En motorforbindelse med lav forurening. Videnskabelig amerikansk. juni.
• Bode, Dave. 2000. En motor til det nye årtusinde? FindArticles.com. April.
  http://www.findarticles.com/p/articles/mi_
  m0FZX / is_4_66 / ai_62371174 / print
• Physics Daily: The Physics Encyclopedia, s.v. "Quasiturbine,"
  http://www.physicsdaily.com/physics/Quasiturbine (tilgængelig 14. maj 2005).
• Physics Daily: The Physics Encyclopedia, s.v. "Wankel-motor,"
  http://www.physicsdaily.com/physics/Wankel_engine (adgang 14 maj 2005).
• Quasiturbine.com, http://www.quasiturbine.com/EIndex.htm
• Stauffer, Nancy. 2003. Hydrogenkøretøj er ikke snart levedygtigt,
  undersøgelse siger. Massachusetts Institute of Technology News Office. 5. marts.
  http://web.mit.edu/newsoffice/tt/2003/mar05/hydrogen.html
• Stokes, Myron D. 2003. Kvanteparallel: Saint-Hilaire "quasiturbine"
  som grundlag for et samtidigt paradigmeskift i fremdrivningssystemer til køretøjer. 15. december.
• Tse, Lawrence. 2003. Quasiturbine: Fotodetonationsmotor til
  optimale miljøfordele. Visionengineer.com. 8. juni.
  http://www.visionengineer.com/mech/quasiturbine.php
• U.S. Patent Office-websted, Quasiturbine-patentansøgning.
  Patent nr. 6.659.065.
• Wright, Michael og Mukul Patel, red. 2000.
  Scientific American: Hvordan ting fungerer i dag.
  New York: Crown Publisher.