エンジンの設計は、次の3つの要素の合流点にあります。自動車の排出物が環境にどのように影響するかについての懸念。上昇ガス価格と化石燃料資源を節約する必要があります。そして、水素を動力源とする自動車（水素燃料電池を動力源とするか、水素内燃機関を動力源とするか）は、近い将来、その約束を果たさないだろうという認識。その結果、多くのエンジニアが内燃機関の改良に関心を寄せています。
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1996年に特許を取得した準タービンエンジンは、まさにそのような改良です。この記事では、準タービンエンジンを紹介し、次の質問に答えます。
- エンジンのアイデアはどこから来たのですか？
- 準タービンエンジンの部品は何ですか？
- 準タービンエンジンはどのように機能しますか？
- 性能は他の内燃機関とどのように比較されますか？
いくつかのエンジンの基本を見て始めましょう。
準タービンエンジンがどのように機能するかを確認するには、いくつかのエンジンの基本を理解する必要があります。
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内燃エンジンの背後にある基本原理は単純です。小さな密閉された空間に少量の空気と高エネルギー燃料（ガソリンなど）を入れて点火すると、ガスは急速に膨張し、信じられないほどの量のエネルギーを放出します。
エンジンの究極の目標は、この膨張するガスのエネルギーを回転（回転）運動に変換することです。自動車エンジンの場合、具体的な目標はドライブシャフトを急速に回転させることです。ドライブシャフトは、回転運動を車のホイールに渡すさまざまなコンポーネントに接続されています。
このように膨張するガスのエネルギーを利用するには、エンジンは、多くの小さなガス爆発を引き起こす一連のイベントを循環する必要があります。この燃焼サイクルでは、エンジンは次のことを行う必要があります。
- 燃料と空気の混合物をチャンバーに入れます
- 燃料と空気を圧縮します
- 燃料に点火して爆発を起こす
- 排気ガスを放出します（爆発の副産物と考えてください）
その後、サイクルが最初からやり直します。
エンジンのしくみは、これが従来のピストンエンジンでどのように機能するかを詳細に説明しています。基本的に、燃焼サイクルはピストンを上下に押し、クランクシャフトを経由してドライブシャフトを回転させます。
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ピストンエンジンは自動車に見られる最も一般的なタイプですが、準タービンエンジンはロータリーエンジンのように動作します。ロータリーエンジンは、一般的な自動車エンジンのようにピストンを使用する代わりに、三角ローターを使用して燃焼サイクルを実現します。燃焼圧力は、一方のハウジングの一部ともう一方の三角形のローターの面によって形成されるチャンバーに含まれています。
ローターの経路は、3つのローターピークのそれぞれをハウジングと接触させたままにし、3つの別々の量のガスを生成します。ローターがチャンバーの周りを移動すると、3つのボリュームのガスのそれぞれが交互に膨張および収縮します。空気と燃料をエンジンに引き込み、圧縮し、ガスが膨張して排気を排出するときに有用な動力を生み出すのは、この膨張と収縮です。（詳細については、ロータリーエンジンのしくみを参照してください）。
次のいくつかのセクションでは、Quasiturbineがロータリーエンジンのアイデアをさらに発展させる方法を見ていきます。
- 準タービンの基本
- キャリッジ付き準タービン
- 準タービン：長所と短所
準タービンの基本
サンティレール家は1996年に最初に準タービン燃焼エンジンの特許を取得しました。準タービンの概念は、すべてのエンジンの概念を徹底的に評価して、長所、短所、改善の機会に注目することから始まった研究から生まれました。この探索的プロセスの間に、サンティレールチームは、ユニークなエンジンソリューションが、標準のワンケルまたはロータリーエンジンを改善したものであることに気づきました。
ロータリーエンジンと同様に、準タービンエンジンはローターとハウジングの設計に基づいています。しかし、3つのブレードの代わりに、準タービンローターには4つの要素がチェーンされており、各要素とハウジングの壁の間に燃焼室があります。
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四辺ロータはバンケルから離れてのクアシタービンを設定するものです。1 -このデザインを設定するには、2つの異なる方法、実際に存在するキャリッジとせずに1キャリッジが。後で説明するように、この場合のキャリッジは単純な機械部品です。
まず、より単純な準タービンモデルのコンポーネント（キャリッジのないバージョン）を見てみましょう。
より単純な準タービンモデルは、従来のロータリーエンジンに非常によく似ています。ローターは、ほぼ楕円形のハウジング内で回転します。ただし、準タービンローターには3つではなく4つの要素があることに注意してください。ローターの側面はハウジングの側面をシールし、ローターのコーナーは内周をシールし、4つのチャンバーに分割します。
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ピストンエンジンでは、1回の完全な4ストロークサイクルでクランクシャフトが2回完全に回転します（自動車エンジンのしくみ：内燃機関を参照）。つまり、ピストンエンジンの出力は、ピストン1回転あたりの出力ストロークの半分です。
一方、準タービンエンジンはピストンを必要としません。代わりに、典型的なピストンエンジンの4ストロークは、楕円形のハウジングの周りに順番に配置されます。クランクシャフトが回転変換を行う必要はありません。
このアニメーショングラフィックは、各サイクルを識別します。この図では、スパークプラグがハウジングポートの1つにあることに注意してください。
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この基本モデルでは、内燃機関の4つのサイクルを非常に簡単に確認できます。
- 燃料と空気の混合物を引き込む摂取量
- 圧縮、これは燃料と空気の混合物をより小さな体積に絞ります
- 燃焼燃料を点火する点火プラグから火花を使用して、
- エンジンコンパートメントから廃ガス（燃焼の副産物）を排出する排気ガス
キャリッジ付きの準タービンエンジンは、この単純な設計と同じ基本的な考え方に基づいて動作しますが、光爆発を可能にする設計変更が追加されています。光爆轟は、ピストンエンジンやロータリーエンジンが提供できるよりも多くの圧縮とより高い頑丈さを必要とする優れた燃焼モードです。それでは、この燃焼モードが何であるかを見てみましょう。
内燃機関は、燃焼室内で空気と燃料がどの程度よく混合されているか、および燃料がどのように点火されるかに基づいて、4つのカテゴリに分類されます。タイプIには、空気と燃料が完全に混合して、いわゆる均質混合気を形成するエンジンが含まれます。火花が燃料に点火すると、熱い炎が混合気を一掃し、燃料を燃焼させます。もちろん、これはガソリンエンジンです。
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| 火花点火 | タイプI ガソリンエンジン |
タイプII ガソリン直噴（GDI）エンジン |
| 圧力加熱自己点火 | タイプIV 光爆轟エンジン |
タイプIII ディーゼルエンジン |
タイプII（ガソリン直接噴射エンジン）は、部分的に混合された燃料と空気（つまり、不均一な混合気）を使用し、吸気ポートではなくシリンダーに直接噴射されます。次に、スパークプラグが混合気に点火し、より多くの燃料を燃焼させ、廃棄物を減らします。
タイプIII、空気と燃料が燃焼室内に部分的にのみ混合されます。次に、この不均一な混合物が圧縮され、自己発火が起こるまで温度が上昇します。ディーゼルエンジンは、このように動作します。
最後に、タイプIVでは、ガソリンエンジンとディーゼルエンジンの最高の属性が組み合わされています。予混合された燃料と空気のチャージは、燃料が自己発火するまで非常に圧縮されます。これは光爆轟エンジンで起こることであり、予混合圧縮着火を採用しているため、HCCIエンジンと呼ばれることがよくあります。HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）燃焼は、実質的に排出物がなく、優れた燃料効率をもたらします。これは、光爆発エンジンが燃料を完全に燃焼させ、触媒コンバーターで処理したり、単に空気中に放出したりする炭化水素を残さないためです。
出典：Green Car Congress |
もちろん、光爆轟に必要な高圧は、エンジン自体にかなりのストレスをかけます。ピストンエンジンは爆発の激しい力に耐えることができません。また、Wankelなどの従来のロータリーエンジンは、燃焼室が長く、達成できる圧縮量が制限されているため、光爆発の発生に必要な高圧環境を作り出すことができません。
馬車で準タービンに入ります。この設計だけが、光爆発の力に耐え、圧力加熱された自己点火に必要なより高い圧縮比を可能にするのに十分な強度とコンパクトさを備えています。
次のセクションでは、この設計の主要なコンポーネントについて説明します。
キャリッジ付き準タービン
「サンティレールスケートリンク」として知られるほぼ楕円形のハウジング（ステーター）は、ローターが回転する空洞を形成します。ハウジングには4つのポートがあります。
- スパークプラグが通常配置されるポート（スパークプラグはハウジングカバーに配置することもできます-以下を参照）。
- 取り外し可能なプラグで閉じられているポート。
- 空気を取り込むためのポート。
- 燃焼の排ガスを放出するために使用される排気ポート。
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ハウジングは両側が2つのカバーで囲まれています。カバーには独自の3つのポートがあり、エンジンの構成方法に最大限の柔軟性をもたらします。たとえば、1つのポートは、従来のキャブレターからの吸気口として機能するか、ガスまたはディーゼルインジェクターを取り付けることができ、別のポートは、スパークプラグの代替場所として機能することができます。3つのポートの1つは、排気ガス用の大きな出口です。
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さまざまなポートがどのように使用されるかは、自動車エンジニアが従来の内燃エンジンを必要とするか、光爆発に必要な超高圧縮を提供するエンジンを必要とするかによって異なります。
4つのブレードで作られたローターは、一般的な内燃エンジンのピストンに取って代わります。各ブレードには、カップリングアームを受け入れるためのフィラーチップとトラクションスロットがあります。ピボットは、各ブレードの端部を形成します。ピボットの役割は、あるブレードを次のブレードに結合し、ブレードとロッキングキャリッジの間に接続を形成することです。ブレードごとに1つずつ、合計4つのロッキングキャリッジがあります。各キャリッジは同じピボットを中心に自由に回転できるため、常にハウジングの内壁と接触したままになります。
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各キャリッジは2つの車輪と緊密に連携します。つまり、全部で8つの車輪があります。ホイールは、ローターがハウジング壁の輪郭のある表面上でスムーズに回転することを可能にし、接触点での圧力を減らすために広く作られています。
準タービンエンジンは、作動するために中央シャフトを必要としません。しかしもちろん、車はエンジンからホイールに動力を伝達するために出力シャフトを必要とします。出力軸は2本のでロータに接続されている結合アームトラクションスロットに収まる、と、4つのアームブレース。
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すべてのパーツを組み合わせると、エンジンは次のようになります。
写真提供：Quasiturbine.comキャリッジ付き準 タービンエンジン |
準タービンエンジンには、一般的なピストンエンジンのような複雑な部分がないことに注意してください。クランクシャフト、バルブ、ピストン、プッシュロッド、ロッカー、カムはありません。また、ローターブレードがキャリッジとホイールに「乗る」ため、摩擦が少なく、オイルとオイルパンが不要です。
キャリッジを備えた準タービンの主要コンポーネントを確認したので、すべてがどのように組み合わされるかを見てみましょう。このアニメーションは、燃焼サイクルを示しています。
写真提供：Quasiturbine.com |
最初に気付くのは、ローターブレードが回転するときにチャンバーの容積がどのように変化するかです。まず、体積が増加します。これにより、混合気が膨張します。次に、体積が減少し、混合物がより小さなスペースに圧縮されます。
次に気付くのは、次の燃焼行程が発火する準備ができたときに、ある燃焼行程がどのように終了するかです。スパークプラグの隣の内部ハウジング壁に沿って小さなチャネルを作ることにより、各キャリッジシールがチャネルを通過するときに、少量の高温ガスが次のすぐに燃焼できる燃焼室に逆流することができます。その結果、飛行機のガスタービンと同じように、連続燃焼が実現します。
準タービンエンジンでこれがすべて意味するのは、効率とパフォーマンスの向上です。4つのチャンバーは2つの連続した回路を生成します。最初の回路は、燃焼中に圧縮および膨張するために使用されます。2つ目は、排気と吸気を排出するために使用されます。ローターの1回転で、4つのパワーストロークが作成されます。これは、通常のピストンエンジンの8倍です。ローターの回転ごとに3つのパワーストロークを生成するワンケルエンジンでさえ、準タービンの性能に匹敵することはできません。
準タービン：長所と短所
明らかに、準タービンエンジンの出力の増加は、それをワンケルおよびピストンエンジンよりも優れたものにしますが、それはまた、ワンケルによって提示された問題の多くを解決しました。たとえば、ワンケルエンジンは、混合気の不完全燃焼を引き起こし、残りの未燃炭化水素が排気ガスに放出されます。準タービンエンジンは、30％伸びの少ない燃焼室でこの問題を克服します。これは、準タービン内の混合気がより大きな圧縮とより完全な燃焼を経験することを意味します。また、未燃燃料が少なくなると、準タービンは燃料効率を劇的に向上させます。
準タービンのその他の重要な利点は次のとおりです。
- エンジンが完全にバランスが取れているため、振動がゼロ
- フライホイールなしでより速い加速
- より低いrpmでより高いトルク
- ほぼオイルフリーの操作
- ノイズが少ない
- 完全に水中または任意の方向で、逆さまでも操作できる完全な柔軟性
- 可動部品が少なく、摩耗が少ない
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現代の内燃機関が1886年にカールベンツによって発明され、120年近くの設計の改良を楽しんできたことを考えると、準タービンエンジンはまだ揺籃期にあります。このエンジンは、ピストンエンジン（またはロータリーエンジン）の代替品としての適合性をテストする実際のアプリケーションでは使用されません。それはまだプロトタイプ段階にあります-これまで誰もが得た最高の外観は、2004年にゴーカートでデモンストレーションされたときです。Quasiturbineは何十年もの間競争力のあるエンジン技術ではないかもしれません。
ただし、将来的には、Quasiturbineが車以外にも使用されるようになる可能性があります。中央エンジンエリアはボリュームがあり、中央シャフトを必要としないため、発電機、プロペラ、その他の出力デバイスを収容でき、パワーチェーンソー、パワーパラシュート、スノーモービル、空気圧縮機、船舶推進システム、発電所に理想的なエンジンになります。
準タービンエンジン、その他のエンジンタイプ、および関連トピックの詳細については、次のページのリンクを確認してください。
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その他のすばらしいリンク
- 米国特許＃6,164,263：準タービンAC（準タービンゼロ振動-連続燃焼ロータリーエンジンコンプレッサーまたはポンプ）
- MIT：水素自動車はすぐに実行可能になることはないだろう、と研究は述べています
ソース
- アシュリー、スティーブン。2001年。低汚染エンジンソリューション。サイエンティフィックアメリカン。六月。
- ボード、デイブ。2000.新しい千年紀のためのエンジン？FindArticles.com。4月。
http://www.findarticles.com/p/articles/mi_
m0FZX / is_4_66 / ai_62371174 / print - Physics Daily：Physics Encyclopedia、sv "quasiturbine"、
http：//www.physicsdaily.com/physics/Quasiturbine （2005年5月14日アクセス）。 - Physics Daily：Physics Encyclopedia、sv "Wankel engine"、
http：//www.physicsdaily.com/physics/Wankel_engine（2005年5月14日アクセス）。 - Quasiturbine.com、http：//www.quasiturbine.com/EIndex.htm
- スタウファー、ナンシー。2003年。水素自動車はすぐに実行可能ではないだろう、と
研究は言います。マサチューセッツ工科大学ニュースオフィス。3月5日
。http：//web.mit.edu/newsoffice/tt/2003/mar05/hydrogen.html - Stokes、Myron D. 2003. Quantum parallel：
車両推進システムの同時パラダイムシフトの基礎としてのSaint-Hilaire「準タービン」。12月15日。 - ツェ、ローレンス。2003.準タービン：
最適な環境利益のための光爆発エンジン。Visionengineer.com。6月8日
。http：//www.visionengineer.com/mech/quasiturbine.php - 米国特許庁のウェブサイト、準タービン特許出願。
特許番号6,659,065。 - ライト、マイケル、ムクル・パテル編。2000.
Scientific American：今日の仕組み。
ニューヨーク：クラウン出版社。
