Jak działają silniki quasiturbine

Projekt silnika zbiega się z trzech czynników: obawy o to, jak emisje samochodowe wpłyną na środowisko; rosnące ceny gazu i potrzeba oszczędzania zasobów paliw kopalnych; oraz świadomość, że samochód napędzany wodorem - czy to napędzany wodorowym ogniwem paliwowym, czy wodorem wewnętrznego spalania - nie spełni swoich obietnic w najbliższej przyszłości. W rezultacie wielu inżynierów bardziej interesuje się ulepszeniem silnika spalinowego.

Galeria zdjęć silnika samochodu

Zdjęcie dzięki uprzejmości Quasiturbine.com Silnik quasiturbine. Zobacz więcej zdjęć silników.

Takim ulepszeniem jest opatentowany w 1996 roku silnik Quasiturbine. W tym artykule przedstawimy silnik Quasiturbine i odpowiemy na następujące pytania:

• Skąd pomysł na silnik?
• Jakie są części silnika Quasiturbine?
• Jak działa silnik Quasiturbine?
• Jak wypada na tle innych silników spalinowych?

Zacznijmy od przyjrzenia się podstawom silnika.

Aby zobaczyć, jak działa silnik Quasiturbine, musisz zrozumieć podstawowe informacje o silniku.

-

Ucz się więcej Jak działają silniki Stirlinga Quiz silnika Forum: Czy boisz się silnika swojego samochodu?

-Podstawowa zasada działania każdego silnika spalinowego jest prosta: jeśli umieścisz niewielką ilość powietrza i wysokoenergetycznego paliwa (np. Benzyny) w małej, zamkniętej przestrzeni i ją zapalisz, gaz szybko się rozszerza, uwalniając niesamowitą ilość energii..

Ostatecznym celem silnika jest przekształcenie energii tego rozprężającego się gazu w ruch obrotowy (wirujący). W przypadku silników samochodowych szczególnym celem jest obracanie wał napędowy szybko. Wał napędowy jest połączony z różnymi elementami, które przenoszą ruch obrotowy na koła samochodu.

Aby w ten sposób wykorzystać energię rozprężającego się gazu, silnik musi przejść przez szereg zdarzeń, które powodują wiele niewielkich eksplozji gazu. W tym cykl spalania, silnik musi:

• Wpuść mieszankę paliwa i powietrza do komory
• Spręż paliwo i powietrze
• Podpal paliwo, aby wywołać eksplozję
• Opublikować wydechowy (pomyśl o tym jako o produkcie ubocznym wybuchu)

Następnie cykl zaczyna się od nowa.

Sposób działania silników wyjaśnia szczegółowo, jak to działa w konwencjonalnym silniku tłokowym. Zasadniczo cykl spalania popycha tłok w górę iw dół, który obraca wał napędowy za pomocą wału korbowego.

Podczas gdy silnik tłokowy jest najczęściej spotykanym typem w samochodach, silnik quasiturbine działa bardziej jak silnik rotacyjny. Zamiast używać tłoka, jak w typowym silniku samochodowym, silnik rotacyjny wykorzystuje trójkątny wirnik aby osiągnąć cykl spalania. Ciśnienie spalania jest zawarte w komorze utworzonej przez część obudowy z jednej strony i powierzchnię czołową trójkątnego wirnika z drugiej strony.

Droga wirnika utrzymuje każdy z trzech wierzchołków wirnika w kontakcie z obudową, tworząc trzy oddzielne objętości gazu. Gdy wirnik porusza się po komorze, każda z trzech objętości gazu naprzemiennie rozszerza się i kurczy. To właśnie to rozszerzanie się i kurczenie wciąga powietrze i paliwo do silnika, kompresuje je, wytwarza użyteczną moc, gdy gazy rozszerzają się, a następnie wydalają spaliny. (Aby uzyskać więcej informacji, zobacz Jak działają silniki obrotowe).

W kilku następnych sekcjach zobaczymy, w jaki sposób quasiturbine jeszcze bardziej rozszerza ideę silnika obrotowego.

Rodzina Saint-Hilaire po raz pierwszy opatentowała silnik spalinowy Quasiturbine w 1996 r. Koncepcja Quasiturbine powstała w wyniku badań, które rozpoczęły się od dokładnej oceny wszystkich koncepcji silnika, aby wskazać zalety, wady i możliwości ulepszeń. Podczas tego procesu badawczego zespół Saint-Hilaire zdał sobie sprawę, że unikalnym rozwiązaniem silnika byłoby takie, które wprowadziło ulepszenia do standardowego silnika Wankla lub silnika rotacyjnego.

Podobnie jak silniki obrotowe, silnik Quasiturbine oparty jest na konstrukcji wirnika i obudowy. Ale zamiast trzech łopatek wirnik Quasiturbine ma cztery elementy połączone razem, z komorami spalania umieszczonymi między każdym elementem a ścianami obudowy.

Zdjęcie dzięki uprzejmości Quasiturbine.com Prosty projekt Quasiturbine

Plik czterostronny rotor jest tym, co odróżnia quasiturbine od Wankla. W rzeczywistości istnieją dwa różne sposoby konfiguracji tego projektu - jeden z wagony i jeden bez wagony. Jak zobaczymy, w tym przypadku wózek jest po prostu prostą maszyną.

Najpierw przyjrzyjmy się elementom prostszego modelu Quasiturbine - wersji bez wózków.

Prostszy model Quasiturbine wygląda bardzo podobnie do tradycyjnego silnika obrotowego: wirnik obraca się wewnątrz niemal owalnej obudowy. Zauważ jednak, że wirnik quasiturbine ma cztery elementy zamiast trzech. Boki wirnika uszczelniają boki obudowy, a rogi wirnika uszczelniają wewnętrzny obwód, dzieląc go na cztery komory.

W silniku tłokowym jeden pełny cykl czterosuwowy wytwarza dwa pełne obroty wału korbowego (patrz Jak działają silniki samochodowe: spalanie wewnętrzne). Oznacza to, że moc wyjściowa silnika tłokowego to połowa suwu mocy na jeden obrót tłoka.

Z drugiej strony silnik quasiturbine nie potrzebuje tłoków. Zamiast tego cztery skoki typowego silnika tłokowego są rozmieszczone sekwencyjnie wokół owalnej obudowy. Nie ma potrzeby, aby wał korbowy przeprowadzał konwersję obrotową.

Ta animowana grafika identyfikuje każdy cykl. Zauważ, że na tej ilustracji świeca zapłonowa znajduje się w jednym z otworów obudowy.

W tym podstawowym modelu bardzo łatwo można zobaczyć cztery cykle spalania wewnętrznego:

• Wlot, który zasysa mieszankę paliwa i powietrza
• Kompresja, który ściska mieszankę paliwowo-powietrzną do mniejszej objętości
• Spalanie, który wykorzystuje iskrę ze świecy zapłonowej do zapłonu paliwa
• Wydechowy, który usuwa spaliny (produkty uboczne spalania) z komory silnika

Silniki quasiturbine z wózkami działają na tym samym podstawowym pomyśle, co ten prosty projekt, z dodatkowymi modyfikacjami konstrukcyjnymi, które pozwalają na foto-detonacja. Fotodetonacja to doskonały tryb spalania, który wymaga większej kompresji i większej wytrzymałości niż mogą zapewnić silniki tłokowe lub obrotowe. Zobaczmy teraz, o co chodzi w tym trybie spalania.

Silniki spalinowe dzielą się na cztery kategorie w zależności od tego, jak dobrze powietrze i paliwo są mieszane w komorze spalania oraz jak paliwo jest zapalane. Wpisz I. obejmuje silniki, w których powietrze i paliwo mieszają się dokładnie, tworząc tzw jednorodna mieszanina. Kiedy iskra zapala paliwo, gorący płomień przedostaje się przez mieszankę, spalając paliwo. To oczywiście silnik benzynowy.

Cztery typy silników spalinowych
	Jednorodna mieszanka paliwowo-powietrzna	Heterogeniczna mieszanka paliwowo-powietrzna
Zapłon iskrowy	Wpisz I. Silnik benzynowy	Typ II Silnik benzynowy z wtryskiem bezpośrednim (GDI)
Samozapłon podgrzewany ciśnieniem	Typ IV Silnik fotodetonacyjny	Typ III Silnik wysokoprężny

Typ II -- silnik z bezpośrednim wtryskiem benzyny - wykorzystuje częściowo zmieszane paliwo i powietrze (tj. niejednorodną mieszankę), które jest wtryskiwane bezpośrednio do cylindra, a nie do wlotu. Następnie świeca zapłonowa zapala mieszankę, spalając więcej paliwa i wytwarzając mniej odpadów.

W Typ III, powietrze i paliwo są tylko częściowo mieszane w komorze spalania. Ta niejednorodna mieszanina jest następnie sprężana, co powoduje wzrost temperatury, aż do samozapłonu. W ten sposób działa silnik wysokoprężny.

Wreszcie w Typ IV, najlepsze cechy silników benzynowych i wysokoprężnych są połączone. Wstępnie zmieszany ładunek paliwowo-powietrzny podlega ogromnemu sprężaniu, aż do samozapłonu paliwa. Tak dzieje się w silniku fotodetonacyjnym, a ponieważ wykorzystuje on jednorodny ładunek i zapłon samoczynny, często określa się go jako Silnik HCCI. Spalanie HCCI (Homogenous Charge Compression Ignition) powoduje praktycznie brak emisji i doskonałą oszczędność paliwa. Dzieje się tak, ponieważ silniki fotodetonacyjne całkowicie spalają paliwo, nie pozostawiając żadnych węglowodorów do oczyszczenia przez katalizator lub po prostu wyrzuconych w powietrze..

Źródło: Kongres Zielonych Samochodów

Oczywiście wysokie ciśnienie wymagane do fotodetonacji powoduje znaczne obciążenie samego silnika. Silniki tłokowe nie są w stanie wytrzymać gwałtownej siły detonacji. Tradycyjne silniki obrotowe, takie jak Wankel, które mają dłuższe komory spalania, które ograniczają wielkość kompresji, jaką mogą osiągnąć, nie są w stanie wytworzyć środowiska wysokiego ciśnienia niezbędnego do wystąpienia fotodetonacji.

Wejdź do Quasiturbine z wagonami. Tylko ta konstrukcja jest wystarczająco mocna i zwarta, aby wytrzymać siłę fotodetonowania i umożliwić wyższy stopień sprężania niezbędny do samozapłonu podgrzewanego ciśnieniem.

W następnej sekcji przyjrzymy się głównym komponentom tego projektu.

Pomimo swojej dodatkowej złożoności, silnik Quasiturbine z wózkami ma stosunkowo prostą konstrukcję. Każda część została opisana poniżej.

Plik mieszkaniowy (stojan), który jest prawie owalem znanym jako „lodowisko Saint-Hilaire”, tworzy wnękę, w której obraca się wirnik. Obudowa zawiera cztery porty:

• Gniazdo, w którym normalnie znajduje się świeca zapłonowa (świecę zapłonową można również umieścić w pokrywie obudowy - patrz poniżej).
• Port zamknięty wyjmowaną wtyczką.
• Otwór do zasysania powietrza.
• Otwór wylotowy używany do odprowadzania spalin ze spalania.

Obudowa jest zamknięta z każdej strony po dwie okładki. Okładki mają trzy porty własne, co zapewnia maksymalną elastyczność w konfiguracji silnika. Na przykład, jeden port może służyć jako wlot z konwencjonalnego gaźnika lub być wyposażony we wtryskiwacz gazu lub oleju napędowego, podczas gdy inny może służyć jako alternatywne miejsce na świecę zapłonową. Jeden z trzech portów to duży wylot spalin.

Sposób wykorzystania różnych portów zależy od tego, czy inżynier motoryzacyjny chce mieć tradycyjny silnik spalinowy, czy taki, który zapewnia bardzo wysoką kompresję wymaganą przy fotodetonacji.

Wirnik zbudowany z czterech łopatek zastępuje tłoki typowego silnika spalinowego. Każde ostrze ma końcówka wypełniacza i szczeliny trakcyjne aby otrzymać ramiona łączące. ZA sworzeń tworzy koniec każdego ostrza. Zadaniem czopa jest połączenie jednego ostrza z drugim i utworzenie połączenia między ostrzem a kołysaniem wagony. W sumie są cztery wózki kołyszące, po jednym na każde ostrze. Każdy wózek może się swobodnie obracać wokół tego samego sworznia, dzięki czemu przez cały czas pozostaje w kontakcie z wewnętrzną ścianą obudowy.

Każdy wózek ściśle współpracuje z dwoma koła, co oznacza, że ​​w sumie jest osiem kół. Koła umożliwiają wirnikowi płynne toczenie po wyprofilowanej powierzchni ściany obudowy i są szerokie, aby zmniejszyć nacisk w miejscu styku.

Silnik quasiturbine nie potrzebuje do działania centralnego wału; ale oczywiście samochód wymaga wału wyjściowego do przenoszenia mocy z silnika na koła. Plik wał wyjściowy jest połączony z wirnikiem dwoma ramiona łączące, które pasują do szczelin trakcyjnych i cztery szelki.

Po złożeniu wszystkich części w całość silnik wygląda następująco:

Zdjęcie dzięki uprzejmości Quasiturbine.com Silnik quasiturbine z wózkami

Zauważ, że silnik Quasiturbine nie ma żadnych skomplikowanych części typowego silnika tłokowego. Nie ma wału korbowego, zaworów, tłoków, popychaczy, wahaczy ani krzywek. A ponieważ łopaty wirnika „jeżdżą” na wózkach i kołach, tarcie jest niewielkie, co oznacza, że ​​olej i miska olejowa są zbędne.

Teraz, gdy przyjrzeliśmy się głównym komponentom kwazyturbiny z wagonami, zobaczmy, jak wszystko się łączy. Ta animacja ilustruje cykl spalania:

Zdjęcie dzięki uprzejmości Quasiturbine.com

Pierwszą rzeczą, którą zauważysz, jest to, jak łopatki wirnika, gdy się obracają, zmieniają objętość komór. Najpierw zwiększa się objętość, co pozwala na rozszerzenie mieszanki paliwowo-powietrznej. Następnie objętość maleje, co kompresuje mieszaninę na mniejszą przestrzeń.

Drugą rzeczą, którą zauważysz, jest to, że jeden suw spalania kończy się dokładnie wtedy, gdy następny jest gotowy do zapłonu. Wykonując mały kanał wzdłuż wewnętrznej ściany obudowy obok świecy zapłonowej, niewielka ilość gorącego gazu może wpłynąć z powrotem do następnej gotowej do zapłonu komory spalania, gdy każda z uszczelek wózka przechodzi nad kanałem. Wynik to ciągłe spalanie, tak jak w turbinie gazowej samolotu!

Wszystko to w silniku Quasiturbine to zwiększona wydajność i osiągi. Cztery komory wytwarzają dwa kolejne obwody. Pierwszy obwód służy do kompresji i rozszerzania się podczas spalania. Drugi służy do odprowadzania spalin i powietrza dolotowego. Podczas jednego obrotu wirnika powstają cztery skoki mocy. To osiem razy więcej niż typowy silnik tłokowy! Nawet silnik Wankla, który wytwarza trzy suwy mocy na obrót wirnika, nie może dorównać osiągom quasiturbiny.

Oczywiście zwiększona moc wyjściowa silnika quasiturbine sprawia, że ​​jest on lepszy od silników Wankla i tłokowych, ale rozwiązuje również wiele problemów przedstawianych przez Wankla. Na przykład silniki Wankla prowadzą do niepełnego spalania mieszanki paliwowo-powietrznej, a pozostałe niespalone węglowodory uwalniane są do spalin. Silnik Quasiturbine rozwiązuje ten problem dzięki komorze spalania, która jest o 30 procent mniej wydłużona. Oznacza to, że mieszanka paliwowo-powietrzna w quasiturbinie podlega większej kompresji i bardziej całkowitemu spaleniu. Oznacza to również, że przy mniejszym spalaniu paliwa quasiturbine zwiększa oszczędność paliwa dramatycznie.

Inne istotne zalety Quasiturbine to:

• Zero wibracji, ponieważ silnik jest doskonale wyważony
• Szybsze przyspieszanie bez koła zamachowego
• Wyższy moment obrotowy przy niższych obrotach
• Praca prawie bezolejowa
• Mniej hałasu
• Pełna elastyczność, umożliwiająca pracę w pełnym zanurzeniu lub w dowolnej orientacji, nawet do góry nogami
• Mniejsza liczba ruchomych części to mniejsze zużycie

Wreszcie, quasiturbine może być zasilana różnymi rodzajami paliwa, w tym metanolem, benzyną, naftą, gazem ziemnym i olejem napędowym. Może nawet wykorzystywać wodór jako źródło paliwa, co czyni go idealnym rozwiązaniem przejściowym, ponieważ samochody ewoluują od tradycyjnego spalania do paliw alternatywnych.

Zdjęcie dzięki uprzejmości Quasiturbine.com

-Biorąc pod uwagę, że nowoczesny silnik spalinowy został wynaleziony przez Karla Benza w 1886 roku i cieszył się prawie 120-letnim doświadczeniem w udoskonalaniu konstrukcji, silnik Quasiturbine jest wciąż w powijakach. Silnik nie jest używany w żadnych rzeczywistych zastosowaniach, które sprawdzałyby jego przydatność jako zamiennik silnika tłokowego (lub silnika obrotowego, jeśli o to chodzi). Wciąż znajduje się w fazie prototypu - najlepszy wygląd, jaki udało się do tej pory uzyskać, to pokazanie go na gokarcie w 2004 roku. Quasiturbine może nie być konkurencyjną technologią silnika przez dziesięciolecia.

Jednak w przyszłości prawdopodobnie zobaczysz Quasiturbine używaną nie tylko w Twoim samochodzie. Ponieważ centralny obszar silnika jest obszerny i nie wymaga centralnego wału, może pomieścić generatory, śmigła i inne urządzenia wyjściowe, co czyni go idealnym silnikiem do napędzania pił łańcuchowych, spadochronów z napędem, skuterów śnieżnych, sprężarek powietrza, układów napędowych statków i elektrowni.

Aby uzyskać więcej informacji na temat silnika Quasiturbine, innych typów silników i powiązanych tematów, zapoznaj się z linkami na następnej stronie.

Powiązane artykuły

• Jak działają silniki samochodowe
• Jak działają silniki wysokoprężne
• Jak działają silniki turbin gazowych
• Jak działają silniki HEMI
• Jak działają silniki radialne
• Jak działają silniki obrotowe
• Jak działają silniki Stirlinga

Więcej świetnych linków

• Patent USA nr 6,164,263: Quasiturbine AC (Quasiturbine o zerowych wibracjach i ciągłym spalaniu rotacyjnym sprężarka lub pompa)
• MIT: Pojazd na wodór wkrótce nie będzie opłacalny, wynika z badań

Źródła

• Ashley, Steven. 2001. Silnik o niskiej emisji zanieczyszczeń. Amerykański naukowiec. czerwiec.
• Bode, Dave. 2000. Silnik na nowe tysiąclecie? FindArticles.com. kwiecień.
  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 (dostęp 14 maja 2005).
• Physics Daily: The Physics Encyclopedia, s.v. „Silnik Wankla”,
  http://www.physicsdaily.com/physics/Wankel_engine (dostęp 14 maja 2005).
• Quasiturbine.com, http://www.quasiturbine.com/EIndex.htm
• Stauffer, Nancy. 2003. Pojazd napędzany wodorem wkrótce nie będzie opłacalny,
  badanie mówi. Biuro wiadomości Massachusetts Institute of Technology. 5 marca.
  http://web.mit.edu/newsoffice/tt/2003/mar05/hydrogen.html
• Stokes, Myron D. 2003. Równoległość kwantowa: „kwaziturbina” Saint-Hilaire
  jako podstawa do jednoczesnej zmiany paradygmatu w układach napędowych pojazdów. 15 grudnia.
• Tse, Lawrence. 2003. Quasiturbine: Silnik do fotodetonacji dla
  optymalne korzyści dla środowiska. Visionengineer.com. 8 czerwca.
  http://www.visionengineer.com/mech/quasiturbine.php
• Witryna internetowa Urzędu Patentowego Stanów Zjednoczonych, zgłoszenie patentowe Quasiturbine.
  Patent # 6,659,065.
• Wright, Michael i Mukul Patel, wyd. 2000.
  Scientific American: Jak to działa dzisiaj.
  Nowy Jork: Crown Publishers.