Hur quasiturbine-motorer fungerar

Motordesignen sammanfaller av tre faktorer: oro över hur bilutsläpp kommer att påverka miljön; stigande gaspriser och behovet av att spara fossila bränsleresurser; och insikten att den vätgasdrivna bilen - vare sig den drivs av en vätebränslecell eller genom vätgasförbränning - inte kommer att leverera sitt löfte inom en snar framtid. Som ett resultat är många ingenjörer mer intresserade av att förbättra förbränningsmotorn.

Bildmotor för bilmotor

Foto med tillstånd Quasiturbine.com Quasiturbine motor. Se fler bilder på motorer.

Quasiturbine-motoren, patenterad 1996, är just en sådan förbättring. I den här artikeln introducerar vi Quasiturbine-motorn och svarar på följande frågor:

• Var kom idén till motorn ifrån?
• Vilka delar är Quasiturbine-motorn?
• Hur fungerar Quasiturbine-motorn?
• Hur jämför den i prestanda med andra förbränningsmotorer?

Låt oss komma igång med att titta på några grunder i motorn.

För att se hur en Quasiturbine-motor fungerar, måste du förstå vissa grunderna i motorn.

-

Läs mer Hur Stirling Motorer fungerar Motorquiz Forum: Är du rädd för din bils motor?

-Grundprincipen bakom varje förbränningsmotor är enkel: Om du lägger en liten mängd luft och högenergi-bränsle (som bensin) i ett litet slutet utrymme och tänder den expanderar gasen snabbt och släpper otroligt mycket energi.

Det ultimata målet med en motor är att konvertera energin från denna expanderande gas till en roterande (snurrande) rörelse. När det gäller bilmotorer är det specifika målet att rotera a drivaxel snabbt. Drivaxeln är ansluten till olika komponenter som passerar den roterande rörelsen på bilens hjul.

För att utnyttja energin från att expandera gas på detta sätt måste en motor cykla genom en uppsättning händelser som orsakar många små gasexplosioner. I denna förbränningscykel, motorn måste:

• Låt en blandning av bränsle och luft in i en kammare
• Komprimera bränslet och luften
• Tänd bränslet för att skapa en explosion
• Släpp uttömma (tänk på det som biprodukten från explosionen)

Sedan startar cykeln igen.

Hur Motorer Work förklarar i detalj hur detta fungerar i konventionell kolvmotor. I huvudsak trycker förbränningscykeln en kolv upp och ner, som roterar drivaxeln med hjälp av en vevaxel.

Medan kolvmotorn är den vanligaste typen som finns i bilar, fungerar Quasiturbine-motorn mer som en roterande motor. I stället för att använda kolven som en typisk bilmotor använder en roterande motor en triangulär rotor för att uppnå förbränningscykeln. Förbränningstrycket ingår i en kammare bildad av en del av huset på ena sidan och ytan av den triangulära rotorn på den andra sidan.

Rotorvägen håller var och en av de tre rotortopparna i kontakt med huset, vilket skapar tre separata gasvolymer. När rotorn rör sig runt kammaren expanderar och sammandras var och en av de tre gasvolymerna. Det är denna expansion och sammandragning som drar luft och bränsle in i motorn, komprimerar den, ger användbar kraft när gaserna expanderar och sedan släpper ut avgaserna. (Se hur rotationsmotorer fungerar för mer information).

I de närmaste avsnitten kommer vi att se hur Quasiturbine tar tanken på en rotationsmotor ännu längre.

Familjen Saint-Hilaire patenterade först Quasiturbine-förbränningsmotorn 1996. Quasiturbine-konceptet var resultatet av forskning som inleddes med en intensiv utvärdering av alla motorkoncept för att notera fördelar, nackdelar och möjligheter till förbättringar. Under denna utforskande process insåg Saint-Hilaire-teamet att en unik motorlösning skulle vara en som gjorde förbättringar av standard Wankel, eller roterande, motor.

Precis som rotationsmotorer är Quasiturbine-motoren baserad på en rotor-och-hus-konstruktion. Men istället för tre blad har Quasiturbine-rotorn fyra element kedjade ihop, med förbränningskamrar belägna mellan varje element och husets väggar.

Foto med tillstånd Quasiturbine.com Enkel kvasiturbin design

De fyrsidig rotor är det som skiljer Quasiturbine från Wankel. Det finns faktiskt två olika sätt att konfigurera denna design - ett med vagnar och en utan vagnar. Som vi ser är en vagn i detta fall bara en enkel maskinbit.

Låt oss först titta på komponenterna i enklare Quasiturbine-modell - versionen utan vagnar.

Den enklare Quasiturbine-modellen ser mycket ut som en traditionell rotationsmotor: En rotor vänder in i ett nästan ovalt hölje. Observera dock att Quasiturbine-rotorn har fyra element istället för tre. Rotortätningens sidor mot husets sidor och rotortätningens hörn mot den inre periferin och delar upp den i fyra kammare.

I en kolvmotor producerar en komplett fyrtaktscykel två kompletta varv av vevaxeln (se Hur bilmotorer fungerar: förbränning). Det betyder att effekt från en kolvmotor är en halv kraftuttag per kolvvarv.

En kvasiturbinmotor behöver å andra sidan inte kolvar. Istället är de fyra slagen i en typisk kolvmotor anordnade i följd runt det ovala höljet. Det finns inget behov av vevaxeln för att utföra den roterande omvandlingen.

Denna animerade grafik identifierar varje cykel. Observera att tändstiftet i denna bild är beläget i en av husportarna.

I denna grundmodell är det mycket lätt att se de fyra cyklerna med förbränning:

• Intag, som drar in en blandning av bränsle och luft
• Kompression, som pressar bränsle-luftblandningen till en mindre volym
• Förbränning, som använder en gnista från en tändstift för att antända bränslet
• Uttömma, som utvisar avfallsgaser (biprodukterna av förbränning) från motorrummet

Quasiturbine motorer med vagnar arbetar på samma grundidé som denna enkla design, med extra designändringar som möjliggör foto detonation. Fotodetonering är ett överlägset förbränningsläge som kräver mer komprimering och större stabilitet än kolv eller roterande motorer kan ge. Låt oss nu se vad det här förbränningsläget handlar om.

Förbränningsmotorer ingår i fyra kategorier baserat på hur väl luft och bränsle blandas samman i förbränningskammaren och hur bränslet antänds. Typ I inkluderar motorer där luften och bränslet blandas ordentligt för att bilda det som kallas a homogen blandning. När en gnista tänder bränslet sveper en het flamma genom blandningen och bränner bränslet när det går. Detta är naturligtvis bensinmotorn.

Fyra typer av förbränningsmotorer
	Homogen bränsle-luftblandning	Heterogen bränsle-luftblandning
Gnisttändning	Typ I Bensinmotor	Typ II Bensin Direktinjektionsmotor (GDI)
Tryckuppvärmd självantändning	Typ IV Foto-detonationsmotor	Typ III Dieselmotor

Typ II -- en bensinmotor med direktinsprutning - använder delvis blandat bränsle och luft (dvs en heterogen blandning) som injiceras direkt i cylindern snarare än i en insugningsport. En tändstift tänder sedan blandningen, bränner mer av bränslet och skapar mindre avfall.

I Typ III, luft och bränsle blandas endast delvis i förbränningskammaren. Denna heterogena blandning komprimeras sedan, vilket får temperaturen att stiga tills självantändning äger rum. En dieselmotor fungerar på detta sätt.

Slutligen, i Typ IV, de bästa egenskaperna hos bensin- och dieselmotorer kombineras. En förblandad bränsle-luftladdning genomgår en enorm kompression tills bränslet själv antänds. Detta är vad som händer i en fotodonationsmotor, och eftersom den använder en homogen laddning och kompressionständning, beskrivs den ofta som en HCCI-motor. Förbränning av HCCI (Homogen Charge Compression Ignition) ger praktiskt taget inga utsläpp och överlägsen bränsleeffektivitet. Detta beror på att fotodetoneringsmotorer helt förbrännar bränslet och lämnar inga kolväten som ska behandlas av en katalysator eller helt enkelt drivas ut i luften.

Källa: Green Car Congress

Naturligtvis sätter det höga trycket som krävs för fotodonation en avsevärd spänning på själva motorn. Kolvmotorer tål inte detonerings våld. Och traditionella rotationsmotorer som Wankel, som har längre förbränningskamrar som begränsar den kompression som de kan uppnå, är oförmögen att producera den högtrycksmiljö som är nödvändig för att detoneringen ska kunna uppstå.

Gå in i kvasiturbinen med vagnar. Endast denna design är tillräckligt stark och kompakt för att motstå kraften i fotodonation och möjliggöra det högre kompressionsförhållandet som krävs för tryckuppvärmd självantändning.

I nästa avsnitt tittar vi på de viktigaste komponenterna i denna design.

Även med sin extra komplexitet har Quasiturbine-motoren med vagnar en relativt enkel design. Varje del beskrivs nedan.

De hus (stator), som är en nära oval känd som "skridskobanan Saint-Hilaire", bildar hålrummet i vilket rotorn roterar. Huset innehåller fyra hamnar:

• En port där tändstiftet normalt sitter (tändstiftet kan också placeras i höljet - se nedan).
• En port som är stängd med en avtagbar kontakt.
• En port för luftintag.
• En avgassport som används för att frigöra förbränningsgaserna.

Huset är inneslutet på varje sida av två omslag. Skydden har tre hamnar av sina egna, vilket möjliggör maximal flexibilitet i hur motorn är konfigurerad. Exempelvis kan en port fungera som ett intag från en konventionell förgasare eller vara utrustad med en gas- eller dieselinjektor, medan en annan kan fungera som ett alternativt läge för en tändstift. En av de tre portarna är ett stort utlopp för avgaser.

Hur de olika portarna används beror på om fordonsingenjören vill ha en traditionell förbränningsmotor eller en som ger den superhöga kompressionen som krävs för fotodonation.

Rotorn, tillverkad av fyra blad, ersätter kolvarna i en typisk förbränningsmotor. Varje blad har en påfyllningspets och dragspår för att ta emot kopplingsarmarna. EN svänga bildar slutet på varje blad. Pivotens uppgift är att förena ett blad till det nästa och att bilda en koppling mellan bladet och gungningen vagnar. Det finns fyra gungavagnar totalt, ett för varje blad. Varje vagn kan rotera runt samma svängtapp så att den förblir i kontakt med husets innervägg hela tiden.

Varje vagn arbetar nära med två hjul, vilket betyder att det finns åtta hjul totalt. Hjulen gör det möjligt för rotorn att rulla smidigt på den konturerade ytan på husväggen och är gjorda breda för att minska trycket vid kontaktpunkten.

Quasiturbine-motorn behöver inte en central axel för att fungera; men naturligtvis kräver en bil en utgående axel för att överföra kraft från motorn till hjulen. De utgående axel är ansluten till rotorn med två kopplingsarmar, som passar in i dragspår och fyra armstöden.

När du sätter ihop alla delar ser motoren ut så här:

Foto med tillstånd Quasiturbine.com Quasiturbine motor med vagnar

Lägg märke till att Quasiturbine-motorn inte har några av de komplicerade delarna av en typisk kolvmotor. Den har inga vevaxlar, ventiler, kolvar, tryckstavar, vippar eller kammar. Och eftersom rotorbladen "rider" på vagnarna och hjulen, finns det lite friktion, vilket betyder att olja och en oljepanna är onödiga.

Nu när vi har tittat på de viktigaste komponenterna i Quasiturbine med vagnar, låt oss se hur allt går samman. Denna animation illustrerar förbränningscykeln:

Foto med tillstånd Quasiturbine.com

Det första du kommer att märka är hur rotorbladen, när de vänder, ändrar kammarens volym. Först ökar volymen, vilket gör att bränsle-luftblandningen expanderar. Sedan minskar volymen, vilket komprimerar blandningen till ett mindre utrymme.

Det andra du kommer att märka är hur ett förbränningsslag slutar rätt när nästa förbränningsslag är klart att avfyras. Genom att göra en liten kanal längs den inre husväggen intill tändstiftet, tillåts en liten mängd varm gas att flyta tillbaka till nästa förbränningskammare när varje vagnstätning passerar över kanalen. Resultatet är kontinuerlig förbränning, precis som i flygplanets gasturbin!

Vad allt detta uppgår till i Quasiturbine-motoren är ökad effektivitet och prestanda. De fyra kamrarna producerar två på varandra följande kretsar. Den första kretsen används för att komprimera och expandera under förbränningen. Den andra används för att utdriva avgas- och insugningsluft. I en rotation av rotorn skapas fyra kraftslag. Det är åtta gånger mer än en typisk kolvmotor! Till och med en Wankel-motor, som producerar tre effektslag per rotorrevolution, kan inte matcha prestandan hos en Quasiturbine.

Uppenbarligen gör den ökade effekteffekten för Quasiturbine-motoren den överlägsna Wankel- och kolvmotorerna, men den har också löst många av de problem som Wankel har föreslagit. Till exempel leder Wankel-motorerna till ofullständig förbränning av bränsle-luftblandningen, med de återstående oförbrända kolvätena frigjorda i avgaserna. Quasiturbine-motorn övervinner detta problem med en förbränningskammare som är 30 procent mindre långsträckt. Detta innebär att bränsle-luftblandningen i kvasiturbinen upplever en större kompression och en mer fullständig förbränning. Det betyder också att, med mindre bränsle går oförstörd, Quasiturbine ökar bränsleeffektiviteten dramatiskt.

Andra viktiga fördelar med Quasiturbine inkluderar:

• Nollvibration eftersom motorn är perfekt balanserad
• Snabbare acceleration utan svänghjul
• Högre vridmoment vid lägre varvtal
• Nästan oljefri drift
• Mindre buller
• Fullständig flexibilitet för att arbeta helt nedsänkt eller i valfri orientering, även upp och ner
• Färre rörliga delar för mindre slitage

Slutligen kan Quasiturbine köras på olika typer av bränsle, inklusive metanol, bensin, fotogen, naturgas och diesel. Det kan till och med rymma väte som bränslekälla, vilket gör det till en idealisk övergångslösning när bilar utvecklas från traditionell förbränning till alternativa bränslen.

Foto med tillstånd Quasiturbine.com

-Med tanke på den moderna förbränningsmotorn uppfanns av Karl Benz 1886 och har haft nästan 120 års designförbättringar är Quasiturbine-motoren fortfarande i sin barndom. Motorn används inte i verkliga applikationer som skulle testa dess lämplighet som ersättning för kolvmotorn (eller rotationsmotorn, för den delen). Det är fortfarande i sin prototypfas - det bästa utseendet som någon har fått hittills är när det demonstrerades på en go-kart 2004. Quasiturbine kanske inte är en konkurrenskraftig motorteknologi på decennier.

I framtiden kommer du dock troligtvis se Quasiturbine som används i mer än bara din bil. Eftersom det centrala motorområdet är voluminöst och inte kräver någon central axel, kan den rymma generatorer, propeller och andra utgångsanordningar, vilket gör den till en idealisk motor för kedjesåg, drivna fallskärmar, snöskotrar, luftkompressorer, fartygets framdrivningssystem och elkraftverk.

För mer information om Quasiturbine-motorn, andra motortyper och relaterade ämnen, kolla in länkarna på nästa sida.

Relaterade artiklar

• Hur bilmotorer fungerar
• Hur dieselmotorer fungerar
• Hur gasturbinmotorer fungerar
• Hur HEMI-motorer fungerar
• Hur radialmotorer fungerar
• Hur rotationsmotorer fungerar
• Hur Stirling Motorer fungerar

Fler bra länkar

• U.S. Patent # 6,164,263: Quasiturbine AC (Quasiturbine zero vibration-kontinuerlig förbränning roterande motorkompressor eller pump)
• MIT: Vätefordon kommer inte att vara livskraftigt snart, säger studien

källor

• Ashley, Steven. 2001. En motorlösning med låga föroreningar. Scientific American. juni.
• Bode, Dave. 2000. En motor för det nya årtusendet? 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 (öppnas 14 maj 2005).
• Physics Daily: The Physics Encyclopedia, s.v. "Wankel-motor,"
  http://www.physicsdaily.com/physics/Wankel_engine (åtkom den 14 maj 2005).
• Quasiturbine.com, http://www.quasiturbine.com/EIndex.htm
• Stauffer, Nancy. 2003. Vätefordon kommer inte att vara livskraftigt snart,
  studien säger. Massachusetts Institute of Technology News Office. 5 mars.
  http://web.mit.edu/newsoffice/tt/2003/mar05/hydrogen.html
• Stokes, Myron D. 2003. Kvantparallell: Saint-Hilaire "quasiturbine"
  som grund för en samtidig paradigmskift i fordonets framdrivningssystem. 15 december.
• Tse, Lawrence. 2003. Quasiturbine: Fotodetoneringsmotor för
  optimala miljöfördelar. Visionengineer.com. 8 juni.
  http://www.visionengineer.com/mech/quasiturbine.php
• U.S. Patent Office-webbplats, Quasiturbine-patentansökan.
  Patent nr 6 659 065.
• Wright, Michael och Mukul Patel, red. 2000.
  Scientific American: Hur saker fungerar idag.
  New York: Crown Publishers.