Gyles Lewis
0 
4679
526
Motordesign er sammenfallende av tre faktorer: bekymring for hvordan bilutslipp vil påvirke miljøet; stigende gasspriser og behovet for å spare fossile brenselressurser; og erkjennelsen av at den hydrogendrevne bilen - det være seg drevet av en hydrogenbrenselcelle eller med hydrogenforbrenning - ikke vil gjøre sitt løfte i løpet av en nær fremtid. Som et resultat gir mange ingeniører større interesse for å forbedre forbrenningsmotoren.
 Foto med tillatelse fra Quasiturbine.com Quasiturbine motor. Se flere bilder av motorer. |
Quasiturbine-motoren, patentert i 1996, er bare en slik forbedring. I denne artikkelen introduserer vi Quasiturbine-motoren og svarer på følgende spørsmål:
- Hvor kom ideen til motoren fra?
- Hva er delene av Quasiturbine-motoren?
- Hvordan fungerer Quasiturbine-motoren?
- Hvordan kan det sammenlignes i ytelse med andre forbrenningsmotorer?
La oss komme i gang med å se på noen grunnleggende motorer.
For å se hvordan en Quasiturbine-motor fungerer, må du forstå noen grunnleggende om motorer.
-Lære mer
|
-Det grunnleggende prinsippet bak enhver forbrenningsmotor er enkelt: Hvis du legger en liten mengde luft og høyt energi (som bensin) i et lite lukket rom og tenner den, utvider gassen seg raskt, og frigjør utrolig mye energi.
Det endelige målet med en motor er å konvertere energien fra denne ekspanderende gassen til en roterende (spinnende) bevegelse. Når det gjelder bilmotorer er det spesifikke målet å rotere en Drivaksel raskt. Drivakselen er koblet til forskjellige komponenter som fører den roterende bevegelsen til bilens hjul.
For å utnytte energien til å utvide gass på denne måten, må en motor sykle gjennom et sett med hendelser som forårsaker mange ørsmå gasseksplosjoner. I dette forbrenningssyklus, motoren må:
- La en blanding av drivstoff og luft komme inn i et kammer
- Komprimere drivstoff og luft
- Tenn drivstoffet for å skape en eksplosjon
- Slipp eksos (tenk på det som biproduktet fra eksplosjonen)
Så starter syklusen på nytt.
Hvordan Engines Work forklarer i detalj hvordan dette fungerer i konvensjonell stempelmotor. I hovedsak skyver forbrenningssyklusen et stempel opp og ned, som roterer drivakselen ved hjelp av en veivaksel.
 |
Mens stempelmotoren er den vanligste typen som finnes i biler, fungerer Quasiturbine-motoren mer som en roterende motor. I stedet for å bruke stempel som en vanlig bilmotor, bruker en roterende motor en trekantet rotor for å oppnå forbrenningssyklus. Forbrenningstrykket er inneholdt i et kammer dannet av en del av huset på den ene siden og flaten til den trekantede rotoren på den andre siden.
Rotorens vei holder hver av de tre rotortoppene i kontakt med huset, og skaper tre separate volum med gass. Når rotoren beveger seg rundt kammeret, utvides og samles hvert av de tre gassvolumene. Det er denne utvidelsen og sammentrekningen som trekker luft og drivstoff inn i motoren, komprimerer den, lager nyttig kraft når gassene utvider seg og deretter driver ut eksosen. (Se Hvordan roterende motorer fungerer for mer informasjon).
I løpet av de neste seksjonene får vi se hvordan Quasiturbine tar ideen om en roterende motor enda lenger.
Familien Saint-Hilaire patenterte først Quasiturbine-forbrenningsmotoren i 1996. Quasiturbine-konseptet ble resultatet av forskning som startet med en intens evaluering av alle motorkonsepter for å merke fordeler, ulemper og forbedringsmuligheter. I løpet av denne utforskende prosessen kom Saint-Hilaire-teamet til å innse at en unik motorløsning ville være en som gjorde forbedringer av standard Wankel, eller roterende motor.
I likhet med rotasjonsmotorer er Quasiturbine-motoren basert på et rotor-og-hus design. Men i stedet for tre blader har Quasiturbine-rotoren fire elementer som er lenket sammen, med forbrenningskamre plassert mellom hvert element og veggene i huset..
 Foto med tillatelse fra Quasiturbine.com Enkel quasiturbine design |
De firsidig rotor er det som skiller Quasiturbine fra Wankel. Det er faktisk to forskjellige måter å konfigurere dette designet på - en med vogner og en uten vogner. Som vi vil se, er en vogn, i dette tilfellet, bare et enkelt maskinstykke.
La oss først se på komponentene i enklere Quasiturbine-modell - versjonen uten vogner.
Den enklere Quasiturbine-modellen ser veldig ut som en tradisjonell rotasjonsmotor: En rotor svinger inne i et nesten ovalformet hus. Legg imidlertid merke til at Quasiturbine-rotoren har fire elementer i stedet for tre. Sidene av rotorforseglingen mot sidene av huset, og hjørnene av rotorforseglingen mot den indre periferien, og deler den inn i fire kamre.
 |
I en stempelmotor produserer en komplett firetaktssyklus to komplette omdreininger av veivakselen (se Hvordan bilmotorer fungerer: Forbrenning). Det betyr at effekt fra en stempelmotor er et halvt kraftslag per stempelrevolusjon.
En quasiturbine-motor trenger derimot ikke stempler. I stedet er de fire taktene til en typisk stempelmotor ordnet sekvensielt rundt det ovale huset. Det er ikke behov for veivakselen for å utføre den roterende konverteringen.
Denne animerte grafikken identifiserer hver syklus. Legg merke til at tennpluggen i denne illustrasjonen er plassert i en av boligportene.
 |
I denne grunnleggende modellen er det veldig enkelt å se de fire syklusene med forbrenning:
- inntak, som trekker inn en blanding av drivstoff og luft
- kompresjon, som presser drivstoff-luftblandingen til et mindre volum
- Forbrennings, som bruker en gnist fra en tennplugg for å antenne drivstoffet
- Eksos, som driver bort avfallsgasser (biproduktene fra forbrenningen) fra motorrommet
Quasiturbine motorer med vogner fungerer på samme grunnide som denne enkle designen, med ekstra designendringer som gir rom for foto-detonasjon. Fotodetonering er en overlegen forbrenningsmodus som krever mer kompresjon og større stabilitet enn stempel- eller rotasjonsmotorer kan gi. La oss se hva denne forbrenningsmodusen handler om.
Forbrenningsmotorer faller inn i fire kategorier basert på hvor godt luft og drivstoff blandes sammen i forbrenningskammeret og hvordan brennstoffet tennes. Type I inkluderer motorer der luft og drivstoff blandes grundig for å danne det som kalles a homogen blanding. Når en gnist tenner drivstoffet, sveiper en het flamme gjennom blandingen og brenner drivstoffet som det går. Dette er selvfølgelig bensinmotoren.
| Fire typer forbrenningsmotorer | ||
| Homogen drivstoff-luftblanding | Heterogen drivstoff-luftblanding | |
| Gnisttenning | Type I Bensinmotor | Type II Bensin direkteinjeksjonsmotor (GDI) |
| Trykkoppvarmet Selvantennelse | Type IV Foto-detonasjonsmotor | Type III Dieselmotor |
Type II -- en bensin-direkte injeksjonsmotor - bruker delvis blandet drivstoff og luft (dvs. en heterogen blanding) som blir injisert direkte i sylinderen i stedet for i en inntaksport. En tennplugg tenner deretter blandingen, brenner mer av drivstoffet og skaper mindre avfall.
I Type III, luft og drivstoff blandes bare delvis i forbrenningskammeret. Denne heterogene blandingen komprimeres deretter, noe som får temperaturen til å stige til selvantennelse finner sted. En dieselmotor fungerer på denne måten.
Endelig i Type IV, de beste egenskapene til bensin- og dieselmotorer er kombinert. En forblandet drivstoff-luftladning gjennomgår enorm komprimering til drivstoffet selv antenner. Dette er hva som skjer i en fotodetoneringsmotor, og fordi den benytter en homogen ladning og kompresjonsantennelse, blir den ofte beskrevet som en HCCI-motor. Forbrenning av HCCI (Homogen Charge Compression Ignition) gir praktisk talt ingen utslipp og overlegen drivstoffeffektivitet. Dette er fordi fotodetoneringsmotorer forbrenner drivstoffet fullstendig, og etterlater ingen hydrokarboner som skal behandles av en katalysator eller bare bortvises i luften.
 Kilde: Green Car Congress |
Naturligvis legger det høye trykket som kreves for fotodetonering en betydelig belastning på selve motoren. Stempelmotorer tåler ikke voldsom kraft fra detonasjonen. Og tradisjonelle rotasjonsmotorer som Wankel, som har lengre forbrenningskamre som begrenser mengden kompresjon de kan oppnå, er ikke i stand til å produsere det høytrykksmiljøet som er nødvendig for at detoneringen skal kunne skje.
Gå inn i Quasiturbine med vogner. Bare denne designen er sterk nok og kompakt nok til å motstå kraften til fotodonasjon og gi mulighet for høyere kompresjonsforhold som er nødvendig for trykkoppvarmet selvantennelse.
I neste avsnitt skal vi se på hovedkomponentene i dette designet.
Selv med sin ekstra kompleksitet har Quasiturbine-motoren med vogner en relativt enkel design. Hver del er beskrevet nedenfor.De bolig (stator), som er en nær oval kjent som "skøytebanen Saint-Hilaire", danner hulrommet der rotoren roterer. Boligene inneholder fire havner:
- En port der tennpluggen normalt sitter (tennpluggen kan også plasseres i husdekselet - se nedenfor).
- En port som er lukket med en avtakbar plugg.
- En port for inntak av luft.
- En eksosport som brukes til å frigjøre forbrenningsgassene.
 |
Huset er lukket på hver side av to deksler. Omslagene har tre havner av sine egne, noe som gir maksimal fleksibilitet i hvordan motoren er konfigurert. For eksempel kan en port tjene som inntak fra en konvensjonell forgasser eller være utstyrt med en gass- eller dieselinjektor, mens en annen kan tjene som et alternativ sted for en tennplugg. En av de tre portene er et stort uttak for avgasser.
 |
Hvordan de forskjellige portene brukes, avhenger av om bilingeniøren ønsker en tradisjonell forbrenningsmotor eller en som leverer den superhøye kompresjonen som kreves for fotodonering.
Rotoren, laget av fire kniver, erstatter stemplene til en typisk forbrenningsmotor. Hvert blad har en påfyllingsspiss og trekkspor for å motta koblingsarmene. EN dreie danner slutten av hvert blad. Pivotens jobb er å feste det ene bladet til det neste og å danne en forbindelse mellom bladet og vippingen vogner. Det er fire vippevogner totalt, en for hvert blad. Hver vogn kan rotere rundt den samme svingen slik at den forblir i kontakt med husets innervegg til enhver tid.
 |
Hver vogn jobber tett med to hjul, som betyr at det er åtte hjul helt. Hjulene gjør det mulig for rotoren å rulle jevnt på den konturerte overflaten på husveggen og er laget brede for å redusere trykket ved kontaktpunktet.
Quasiturbine-motoren trenger ikke en sentral aksel for å operere; men selvfølgelig krever en bil en utgående aksel for å overføre strøm fra motoren til hjulene. De utgående aksel er koblet til rotoren med to koblingsarmene, som passer inn i trekkspor, og fire arm seler.
 |
Når du setter alle delene sammen, ser motoren slik ut:
 Foto med tillatelse fra Quasiturbine.com Quasiturbine motor med vogner |
Legg merke til at Quasiturbine-motoren ikke har noen av de intrikate delene av en typisk stempelmotor. Den har ingen veivaksel, ventiler, stempler, skyvestenger, vippeskiver eller kammer. Og fordi rotorbladene "sykler" på vognene og hjulene, er det lite friksjon, noe som betyr at olje og en oljepanne er unødvendige.
Nå som vi har sett på hovedkomponentene i Quasiturbine med vogner, la oss se hvordan alt kommer sammen. Denne animasjonen illustrerer forbrenningssyklusen:
 Foto med tillatelse fra Quasiturbine.com |
Det første du vil legge merke til er hvordan rotorbladene, når de dreier, endrer volumet på kamrene. Først øker volumet, noe som gjør at drivstoff-luftblandingen kan ekspandere. Da reduseres volumet, som komprimerer blandingen til et mindre rom.
Den andre tingen du vil legge merke til er hvordan ett forbrenningslag slutter rett når neste forbrenningslag er klar til å skyte. Ved å lage en liten kanal langs den indre husveggen ved siden av tennpluggen, tillates en liten mengde varm gass å strømme tilbake til det neste brennkammer som er klar til brann når hver vognforsegling passerer over kanalen. Resultatet er kontinuerlig forbrenning, akkurat som i flyturbinen!
Hva alt dette utgjør i Quasiturbine-motoren er økt effektivitet og ytelse. De fire kamrene produserer to påfølgende kretsløp. Den første kretsen brukes til å komprimere og utvide under forbrenning. Den andre brukes til å utvise avtrekk og inntaksluft. I en revolusjon av rotoren opprettes fire kraftstryk. Det er åtte ganger mer enn en typisk stempelmotor! Selv en Wankel-motor, som produserer tre slag i slag per rotoromdreining, kan ikke matche ytelsen til en Quasiturbine.
Selvfølgelig gjør den økte effekten fra Quasiturbine-motoren den overlegen Wankel- og stempelmotorer, men den har også løst mange av problemene som Wankel har gitt. For eksempel fører Wankel-motorene til ufullstendig forbrenning av drivstoff-luftblandingen, med de resterende ubrente hydrokarboner frigjort i eksosen. Quasiturbine-motoren overvinner dette problemet med et forbrenningskammer som er 30 prosent mindre langstrakt. Dette betyr at drivstoff-luftblandingen i quasiturbine opplever en større kompresjon og en mer fullstendig forbrenning. Det betyr også at, med mindre drivstoff som går ubrent, Quasiturbine øker drivstoffeffektiviteten dramatisk.
Andre viktige fordeler med Quasiturbine inkluderer:
- Null vibrasjoner fordi motoren er perfekt balansert
- Raskere akselerasjon uten svinghjul
- Høyere dreiemoment ved lavere omdreininger
- Nesten oljefri drift
- Mindre støy
- Fullstendig fleksibilitet til å operere helt nedsenket eller i hvilken som helst retning, selv opp-ned
- Færre bevegelige deler for mindre slitasje
 Foto med tillatelse fra Quasiturbine.com |
-Tatt i betraktning den moderne forbrenningsmotoren ble oppfunnet av Karl Benz i 1886 og har hatt nesten 120 års designforbedringer, er Quasiturbine-motoren fortsatt i sin spede begynnelse. Motoren brukes ikke i noen virkelige applikasjoner som vil teste dens egnethet som erstatning for stempelmotoren (eller rotasjonsmotoren, for den saks skyld). Det er fremdeles i sin prototypefase - det beste utseendet noen har fått så langt er da det ble demonstrert på en gokart i 2004. Quasiturbine er kanskje ikke en konkurransedyktig motorteknologi på flere tiår.
I fremtiden vil du imidlertid sannsynligvis se Quasiturbine brukt i mer enn bare bilen din. Fordi det sentrale motorområdet er omfangsrikt og ikke krever noen sentralaksel, kan det huse generatorer, propeller og andre utgangsenheter, noe som gjør det til en ideell motor for motorsag, drevne fallskjerm, snøscootere, luftkompressorer, skipets fremdriftssystemer og elektriske kraftverk.
For mer informasjon om Quasiturbine-motoren, andre motortyper og relaterte emner, sjekk ut lenkene på neste side.
Relaterte artikler
- Hvordan bilmotorer fungerer
- Slik fungerer dieselmotorer
- Hvordan gassturbinmotorer fungerer
- Hvordan HEMI-motorer fungerer
- Hvordan radialmotorer fungerer
- Hvordan roterende motorer fungerer
- Hvordan virvlende motorer fungerer
Flere gode lenker
- U.S. patent nr. 6 164 263: Quasiturbine AC (Quasiturbine null vibrasjons-kontinuerlig forbrenning roterende motorkompressor eller -pumpe)
- MIT: Hydrogenkjøretøy vil ikke være levedyktig snart, sier studien
kilder
- Ashley, Steven. 2001. En løsning med lite forurensning. Vitenskapelig amerikansk. juni.
- Bode, Dave. 2000. En motor for det nye årtusenet? FindArticles.com. april.
http://www.findarticles.com/p/articles/mi_
m0FZX / is_4_66 / ai_62371174 / print - Physics Daily: The Physics Encyclopedia, s.v. "Kvasiturbin,"
http://www.physicsdaily.com/physics/Quasiturbine (åpnet 14. mai 2005). - Physics Daily: The Physics Encyclopedia, s.v. "Wankel-motor,"
http://www.physicsdaily.com/physics/Wankel_engine (åpnet 14. mai 2005). - Quasiturbine.com, http://www.quasiturbine.com/EIndex.htm
- Stauffer, Nancy. 2003. Hydrogenbil vil ikke være levedyktig snart,
studien sier. Massachusetts Institute of Technology News Office. 5. mars.
http://web.mit.edu/newsoffice/tt/2003/mar05/hydrogen.html - Stokes, Myron D. 2003. Kvanteparallell: Saint-Hilaire "quasiturbine"
som grunnlag for et samtidig paradigmeskifte i fremdriftssystemer for kjøretøy. 15. desember. - Tse, Lawrence. 2003. Quasiturbine: Fotodetoneringsmotor for
optimale miljøgevinster. Visionengineer.com. 8. juni.
http://www.visionengineer.com/mech/quasiturbine.php - U.S. Patent Office-nettsted, Quasiturbine-patentsøknad.
Patent nr. 6 659 065. - Wright, Michael og Mukul Patel, red. 2000.
Scientific American: Slik fungerer ting i dag.
New York: Crown Publisher.