Pedeorelha | Hoe quasiturbine-motoren werken

Peter Tucker
0
3636
648

Het motorontwerp is een samenloop van drie factoren: bezorgdheid over de invloed van auto-emissies op het milieu; stijgende gasprijzen en de noodzaak om fossiele brandstoffen te sparen; en het besef dat de waterstofaangedreven auto - of hij nu wordt aangedreven door een waterstofbrandstofcel of door waterstofverbranding - zijn belofte in de nabije toekomst niet zal waarmaken. Als gevolg hiervan geven veel ingenieurs meer belangstelling voor het verbeteren van de verbrandingsmotor.

Car Engine Image Gallery

Foto met dank aan Quasiturbine.com
Quasiturbine-motor. Bekijk meer afbeeldingen van motoren.

De Quasiturbine-motor, gepatenteerd in 1996, is zo'n verbetering. In dit artikel introduceren we de Quasiturbine-engine en beantwoorden we de volgende vragen:

Waar kwam het idee voor de motor vandaan??
Wat zijn de onderdelen van de Quasiturbine-motor?
Hoe werkt de Quasiturbine-motor?
Hoe verhoudt het zich qua prestaties tot andere verbrandingsmotoren?

Laten we beginnen met enkele basisprincipes van de motor.

Om te zien hoe een Quasiturbine-motor werkt, moet u enkele basisprincipes van de motor begrijpen.

Leer meer

Hoe Stirling-motoren werken
Engine Quiz
Forums: Bent u bang voor de motor van uw auto??

-Het basisprincipe achter elke verbrandingsmotor is simpel: als je een kleine hoeveelheid lucht en hoogenergetische brandstof (zoals benzine) in een kleine, afgesloten ruimte doet en deze laat ontbranden, zet het gas zich snel uit, waardoor een ongelooflijke hoeveelheid energie vrijkomt..

Het uiteindelijke doel van een motor is om de energie van dit expanderende gas om te zetten in een draaiende (draaiende) beweging. In het geval van automotoren is het specifieke doel om een aandrijfas snel. De aandrijfas is verbonden met verschillende componenten die de draaiende beweging op de wielen van de auto doorgeven.

Om de energie van expanderend gas op deze manier te benutten, moet een motor een reeks gebeurtenissen doorlopen die veel kleine gasexplosies veroorzaken. In deze verbrandingscyclus, de motor moet:

Laat een mengsel van brandstof en lucht in een kamer komen
Comprimeer de brandstof en lucht
Ontsteek de brandstof om een explosie te veroorzaken
Laat de ... Los uitlaat (beschouw het als het bijproduct van de explosie)

Dan begint de cyclus opnieuw.

How Engines Work legt in detail uit hoe dit werkt in een conventionele zuigermotor. In wezen duwt de verbrandingscyclus een zuiger op en neer, die de aandrijfas draait door middel van een krukas.

Hoewel de zuigermotor het meest voorkomende type is in auto's, werkt de Quasiturbine-motor meer als een rotatiemotor. In plaats van een zuiger te gebruiken zoals een typische automotor, gebruikt een rotatiemotor een driehoekige rotor om de verbrandingscyclus te bereiken. De verbrandingsdruk bevindt zich in een kamer die wordt gevormd door een deel van de behuizing aan de ene kant en het vlak van de driehoekige rotor aan de andere kant.

Het pad van de rotor houdt elk van de drie rotorpieken in contact met de behuizing, waardoor er drie afzonderlijke volumes gas ontstaan. Terwijl de rotor door de kamer beweegt, zet elk van de drie gasvolumes afwisselend uit en samentrekt. Het is deze uitzetting en samentrekking die lucht en brandstof in de motor trekt, deze comprimeert, nuttig vermogen levert terwijl de gassen uitzetten en vervolgens de uitlaat verdrijft. (Zie Hoe roterende motoren werken voor meer informatie).

In de volgende secties zullen we zien hoe de Quasiturbine het idee van een rotatiemotor nog verder tilt.

De familie Saint-Hilaire patenteerde voor het eerst de Quasiturbine-verbrandingsmotor in 1996. Het Quasiturbine-concept was het resultaat van onderzoek dat begon met een grondige evaluatie van alle motorconcepten om de voordelen, nadelen en mogelijkheden voor verbetering vast te stellen. Tijdens dit verkennende proces realiseerde het Saint-Hilaire-team zich dat een unieke motoroplossing er een zou zijn die verbeteringen aanbrengt aan de standaard Wankel- of rotatiemotor..

Net als rotatiemotoren is de Quasiturbine-motor gebaseerd op een ontwerp met rotor en behuizing. Maar in plaats van drie bladen heeft de Quasiturbine-rotor vier elementen aan elkaar geketend, met verbrandingskamers tussen elk element en de wanden van de behuizing..

Foto met dank aan Quasiturbine.com
Eenvoudig Quasiturbine-ontwerp

De vierzijdige rotor is wat de Quasiturbine onderscheidt van de Wankel. Er zijn eigenlijk twee verschillende manieren om dit ontwerp te configureren - een met rijtuigen en een zonder rijtuigen. Zoals we zullen zien, is een wagen in dit geval slechts een eenvoudig machinestuk.

Laten we eerst eens kijken naar de componenten van een eenvoudiger Quasiturbine-model - de versie zonder rijtuigen.

Het eenvoudigere Quasiturbine-model lijkt veel op een traditionele rotatiemotor: een rotor draait in een bijna ovale behuizing. Merk echter op dat de Quasiturbine-rotor vier elementen heeft in plaats van drie. De zijkanten van de rotorafdichting tegen de zijkanten van de behuizing en de hoeken van de rotorafdichting tegen de binnenomtrek, waardoor deze in vier kamers wordt verdeeld.

In een zuigermotor produceert een volledige viertaktcyclus twee volledige omwentelingen van de krukas (zie Hoe automotoren werken: interne verbranding). Dat betekent dat het vermogen van een zuigermotor een halve krachtslag per zuigeromwenteling is.

Een Quasiturbine-motor heeft daarentegen geen zuigers nodig. In plaats daarvan zijn de vier slagen van een typische zuigermotor opeenvolgend rond de ovale behuizing gerangschikt. De krukas is niet nodig om de roterende conversie uit te voeren.

Deze geanimeerde afbeelding identificeert elke cyclus. Merk op dat in deze afbeelding de bougie zich in een van de behuizingspoorten bevindt.

In dit basismodel is het heel gemakkelijk om de vier cycli van interne verbranding te zien:

Intake, die een mengsel van brandstof en lucht aanzuigt
Compressie, die het brandstof-luchtmengsel in een kleiner volume perst
Verbranding, die een vonk van een bougie gebruikt om de brandstof te ontsteken
Uitlaat, die afvalgassen (de bijproducten van verbranding) uit de motorruimte verdrijft

Quasiturbine-motoren met rijtuigen werken volgens hetzelfde basisidee als dit eenvoudige ontwerp, met toegevoegde ontwerpwijzigingen die het mogelijk maken foto-detonatie. Foto-detonatie is een superieure verbrandingsmodus die meer compressie en stevigheid vereist dan zuiger- of rotatiemotoren kunnen bieden. Laten we nu eens kijken waar deze verbrandingsmodus over gaat.

Verbrandingsmotoren vallen in vier categorieën op basis van hoe goed lucht en brandstof met elkaar worden gemengd in de verbrandingskamer en hoe de brandstof wordt ontstoken. Type I omvat motoren waarin de lucht en brandstof grondig mengen om een zogenaamde a. te vormen homogeen mengsel. Wanneer een vonk de brandstof doet ontbranden, veegt een hete vlam door het mengsel, waarbij de brandstof wordt verbrand. Dit is natuurlijk de benzinemotor.

Vier soorten interne verbrandingsmotoren
	Homogeen brandstof-luchtmengsel	Heterogeen brandstof-luchtmengsel
Vonkontsteking	Type I Benzinemotor	Type II Benzine motor met directe injectie (GDI)
Zelfontbranding onder druk	Type IV Foto-detonatie-engine	Type III Dieselmotor

Type II -- een benzinemotor met directe injectie - gebruikt gedeeltelijk gemengde brandstof en lucht (d.w.z. een heterogeen mengsel) dat rechtstreeks in de cilinder wordt geïnjecteerd in plaats van in een inlaatpoort. Een bougie ontsteekt vervolgens het mengsel, waardoor meer brandstof wordt verbrand en er minder afval ontstaat.

In Type III, lucht en brandstof worden slechts gedeeltelijk gemengd in de verbrandingskamer. Dit heterogene mengsel wordt vervolgens samengeperst, waardoor de temperatuur stijgt tot zelfontbranding plaatsvindt. Een dieselmotor werkt op deze manier.

Eindelijk, in Type IV, de beste eigenschappen van benzine- en dieselmotoren worden gecombineerd. Een voorgemengde brandstof-luchtlading ondergaat een enorme compressie totdat de brandstof zelf ontbrandt. Dit is wat er gebeurt in een foto-detonatie-engine, en omdat deze een homogene lading en compressie-ontsteking gebruikt, wordt deze vaak omschreven als een HCCI-motor. HCCI-verbranding (Homogeneous Charge Compression Ignition) resulteert in vrijwel geen uitstoot en een superieure brandstofefficiëntie. Dit komt doordat motoren met foto-detonatie de brandstof volledig verbranden, waardoor er geen koolwaterstoffen achterblijven die door een katalysator moeten worden behandeld of eenvoudigweg in de lucht worden uitgestoten..

Bron: Green Car Congress

Natuurlijk legt de hoge druk die nodig is voor foto-detonatie een aanzienlijke hoeveelheid spanning op de motor zelf. Zuigermotoren zijn niet bestand tegen de gewelddadige kracht van de ontploffing. En traditionele rotatiemotoren zoals de Wankel, die langere verbrandingskamers hebben die de hoeveelheid compressie die ze kunnen bereiken, beperken, zijn niet in staat om de hogedrukomgeving te produceren die nodig is om foto-detonatie te laten plaatsvinden..

Betreed de Quasiturbine met rijtuigen. Alleen dit ontwerp is sterk genoeg en compact genoeg om de kracht van foto-detonatie te weerstaan en de hogere compressieverhouding mogelijk te maken die nodig is voor zelfontbranding onder druk..

In de volgende sectie kijken we naar de belangrijkste componenten van dit ontwerp.

Ondanks de extra complexiteit heeft de Quasiturbine-motor met rijtuigen een relatief eenvoudig ontwerp. Elk onderdeel wordt hieronder beschreven.

De huisvesting (stator), een bijna ovaal bekend als de "Saint-Hilaire ijsbaan", vormt de holte waarin de rotor draait. De behuizing bevat vier poorten:

Een poort waar de bougie normaal zit (de bougie kan ook in het behuizingsdeksel worden geplaatst - zie hieronder).
Een poort die is afgesloten met een verwijderbare plug.
Een poort voor de aanzuiging van lucht.
Een uitlaatpoort die wordt gebruikt om de verbrandingsgassen vrij te geven.

De behuizing is aan weerszijden door twee omsloten hoezen. De hoezen hebben drie poorten van hun eigen, waardoor maximale flexibiliteit in de manier waarop de motor is geconfigureerd. Zo kan de ene poort dienen als inlaat van een conventionele carburateur of worden uitgerust met een gas- of dieselinjector, terwijl een andere kan dienen als alternatieve locatie voor een bougie. Een van de drie poorten is een grote uitlaat voor uitlaatgassen.

Hoe de verschillende poorten worden gebruikt, hangt ervan af of de auto-ingenieur een traditionele verbrandingsmotor wil of een motor die de superhoge compressie levert die vereist is voor foto-detonatie.

De rotor, gemaakt van vier bladen, vervangt de zuigers van een typische verbrandingsmotor. Elk blad heeft een vulpunt en tractie slots om de koppelarmen te ontvangen. EEN draaien vormt het uiteinde van elk mes. De taak van het draaipunt is om het ene blad met het andere te verbinden en een verbinding te vormen tussen het blad en de schommel rijtuigen. Er zijn in totaal vier schommelwagens, één voor elk blad. Elke wagen kan vrij rond hetzelfde draaipunt draaien zodat deze te allen tijde in contact blijft met de binnenwand van de behuizing.

Elke wagen werkt nauw samen met twee wielen, wat betekent dat er in totaal acht wielen zijn. De wielen zorgen ervoor dat de rotor soepel over het geprofileerde oppervlak van de behuizingswand rolt en zijn breed gemaakt om de druk op het contactpunt te verminderen.

De Quasiturbine-motor heeft geen centrale as nodig om te werken; maar natuurlijk heeft een auto een uitgaande as nodig om het vermogen van de motor naar de wielen over te brengen. De uitgangsas is door twee verbonden met de rotor koppelarmen, die passen in tractiesleuven, en vier armsteunen.

Als je alle onderdelen in elkaar zet, ziet de motor er als volgt uit:

Foto met dank aan Quasiturbine.com
Quasiturbine-motor met rijtuigen

Merk op dat de Quasiturbine-motor geen van de ingewikkelde onderdelen heeft van een typische zuigermotor. Het heeft geen krukas, kleppen, zuigers, duwstangen, tuimelaars of nokken. En omdat de rotorbladen op de wagens en wielen "rijden" is er weinig wrijving, waardoor olie en een oliecarter overbodig zijn.

Nu we de belangrijkste componenten van de Quasiturbine met rijtuigen hebben bekeken, laten we eens kijken hoe alles samenkomt. Deze animatie illustreert de verbrandingscyclus:

Foto met dank aan Quasiturbine.com

Het eerste dat opvalt, is hoe de rotorbladen, terwijl ze draaien, het volume van de kamers veranderen. Eerst neemt het volume toe, waardoor het brandstof-luchtmengsel kan uitzetten. Vervolgens neemt het volume af, waardoor het mengsel in een kleinere ruimte wordt gecomprimeerd.

Het tweede dat je opvalt, is hoe de ene verbrandingsslag eindigt wanneer de volgende verbrandingsslag klaar is om te vuren. Door een smal kanaal langs de binnenwand van de behuizing naast de bougie te maken, kan een kleine hoeveelheid heet gas terugstromen naar de volgende brandbare verbrandingskamer wanneer elk van de wagenafdichtingen over het kanaal gaat. Het resultaat is continue verbranding, net als in de gasturbine van het vliegtuig!

Wat dit alles in de Quasiturbine-motor betekent, zijn verhoogde efficiëntie en prestaties. De vier kamers produceren twee opeenvolgende circuits. Het eerste circuit wordt gebruikt om tijdens verbranding samen te drukken en uit te zetten. De tweede wordt gebruikt om uitlaat- en inlaatlucht af te voeren. In één omwenteling van de rotor worden vier krachtslagen gecreëerd. Dat is acht keer meer dan een typische zuigermotor! Zelfs een wankelmotor, die drie krachtslagen per rotoromwenteling produceert, kan de prestaties van een Quasiturbine niet evenaren..

Het is duidelijk dat het verhoogde vermogen van de Quasiturbine-motor hem superieur maakt aan wankel- en zuigermotoren, maar het heeft ook veel van de problemen opgelost die door de Wankel worden voorgesteld. Zo leiden de wankelmotoren tot een onvolledige verbranding van het brandstof-luchtmengsel, waarbij de resterende onverbrande koolwaterstoffen in de uitlaatgassen terechtkomen. De Quasiturbine-motor lost dit probleem op met een verbrandingskamer die 30 procent minder langwerpig is. Dit betekent dat het brandstof-luchtmengsel in de quasiturbine een grotere compressie en een completere verbranding ervaart. Het betekent ook dat, met minder brandstof die onverbrand gaat, de Quasiturbine verhoogt de brandstofefficiëntie dramatisch.

Andere belangrijke voordelen van de Quasiturbine zijn:

Geen trillingen omdat de motor perfect in balans is
Snellere acceleratie zonder vliegwiel
Hoger koppel bij lager toerental
Vrijwel olievrije werking
Minder lawaai
Volledige flexibiliteit om volledig onder water of in elke richting te werken, zelfs ondersteboven
Minder bewegende onderdelen voor minder slijtage

Ten slotte kan de Quasiturbine op verschillende soorten brandstof werken, waaronder methanol, benzine, kerosine, aardgas en diesel. Het is zelfs geschikt voor waterstof als brandstofbron, waardoor het een ideale overgangsoplossing is naarmate auto's evolueren van traditionele verbranding naar alternatieve brandstoffen.

Foto met dank aan Quasiturbine.com

-Aangezien de moderne verbrandingsmotor in 1886 door Karl Benz is uitgevonden en bijna 120 jaar aan verfijning van het ontwerp heeft genoten, staat de Quasiturbine-motor nog in de kinderschoenen. De motor wordt niet gebruikt in echte toepassingen die zijn geschiktheid als vervanging voor de zuigermotor (of de rotatiemotor trouwens) zouden testen. Hij bevindt zich nog in de prototypefase - het beste uiterlijk dat iemand tot nu toe heeft gekregen, is toen hij in 2004 werd gedemonstreerd op een skelter. De Quasiturbine is misschien al decennia lang geen concurrerende motortechnologie..

In de toekomst zult u de Quasiturbine waarschijnlijk in meer dan alleen uw auto gebruiken. Omdat het centrale motoroppervlak volumineus is en geen centrale as vereist, is het geschikt voor generatoren, propellers en andere uitvoerapparaten, waardoor het een ideale motor is voor het aandrijven van kettingzagen, aangedreven parachutes, sneeuwscooters, luchtcompressoren, voortstuwingssystemen van schepen en elektrische energiecentrales.

Raadpleeg de links op de volgende pagina voor meer informatie over de Quasiturbine-motor, andere motortypen en gerelateerde onderwerpen.