How Quasiturbine Engines Work

Engine design is at the confluence of three factors: concerns about how car emissions will affect the environment; rising gas prices and the need to conserve fossil fuel resources; and the realization that the hydrogen-powered car -- be it powered by a hydrogen fuel cell or by hydrogen internal combustion -- will not deliver on its promise in the near future. As a result, many engineers are giving more interest to improving the internal combustion engine.

Фото предоставлено Quasiturbine.com Квазитурбинный двигатель. Смотрите больше изображений двигателей .

Квазитурбинный двигатель, запатентованный в 1996 году, является именно таким усовершенствованием. В этой статье мы познакомимся с квазитурбинным двигателем и ответим на следующие вопросы:

• Откуда пришла идея двигателя?
• Из каких частей состоит квазитурбинный двигатель?
• Как работает квазитурбинный двигатель?
• Каковы его характеристики по сравнению с другими двигателями внутреннего сгорания?

Давайте начнем с рассмотрения некоторых основ двигателя.

Чтобы увидеть, как работает квазитурбинный двигатель, вам нужно понять некоторые основы двигателя.

­

Учить больше Как работают двигатели Стирлинга Тест двигателя Форумы: Вы боитесь двигателя своей машины?

Основной принцип любого двигателя внутреннего сгорания прост: если вы поместите небольшое количество воздуха и высокоэнергетического топлива (например, бензина) в небольшое замкнутое пространство и подожжете его, газ быстро расширится, высвобождая невероятное количество энергии.

Конечной целью двигателя является преобразование энергии расширяющегося газа во вращательное движение. В случае автомобильных двигателей конкретная цель состоит в том, чтобы быстро вращать карданный вал . Карданный вал соединен с различными компонентами, которые передают вращательное движение на колеса автомобиля.

Чтобы использовать энергию расширяющегося газа таким образом, двигатель должен циклически проходить через ряд событий, которые вызывают множество крошечных взрывов газа. В этом цикле сгорания двигатель должен:

• Впускаем смесь топлива и воздуха в камеру
• Сжать топливо и воздух
• Подожгите топливо, чтобы произвести взрыв
• Выпустите выхлоп (думайте об этом как о побочном продукте взрыва)

Затем цикл начинается снова.

Книга «Как работают двигатели» подробно объясняет, как это работает в обычном поршневом двигателе. По сути, цикл сгорания толкает поршень вверх и вниз, который вращает приводной вал через коленчатый вал.

В то время как поршневой двигатель является наиболее распространенным типом в автомобилях, квазитурбинный двигатель работает больше как роторный двигатель. Вместо использования поршня, как в типичном автомобильном двигателе , в роторном двигателе используется треугольный ротор для достижения цикла сгорания. Давление сгорания содержится в камере, образованной частью корпуса с одной стороны и поверхностью треугольного ротора с другой стороны.

The path of the rotor keeps each of the three rotor peaks in contact with the housing, creating three separate volumes of gas. As the rotor moves around the chamber, each of the three volumes of gas alternately expands and contracts. It is this expansion and contraction that draws air and fuel into the engine, compresses it, makes useful power as the gases expand and then expels the exhaust. (See How Rotary Engines Work for more information).

In the next few sections, we'll see how the Quasiturbine takes the idea of a rotary engine even further.

Contents

1. Quasiturbine Basics
2. Quasiturbine with Carriages
3. Quasiturbines: Advantages and Disadvantages

The Saint-Hilaire family first patented the Quasiturbine combustion engine in 1996. The Quasiturbine concept resulted from research that began with an intense evaluation of all engine concepts to note advantages, disadvantages and opportunities for improvement. During this exploratory process, the Saint-Hilaire team came to realize that a unique engine solution would be one that made improvements to the standard Wankel, or rotary, engine.

Like rotary engines, the Quasiturbine engine is based on a rotor-and-housing design. But instead of three blades, the Quasiturbine rotor has four elements chained together, with combustion chambers located between each element and the walls of the housing.

Photo courtesy Quasiturbine.com Simple Quasiturbine design

The four-sided rotor is what sets the Quasiturbine apart from the Wankel. There are actually two different ways to configure this design -- one with carriages and one without carriages. As we'll see, a carriage, in this case, is just a simple machine piece.

First, let's look at the components of simpler Quasiturbine model -- the version without carriages.

The simpler Quasiturbine model looks very much like a traditional rotary engine: A rotor turns inside a nearly oval-shaped housing. Notice, however, that the Quasiturbine rotor has four elements instead of three. The sides of the rotor seal against the sides of the housing, and the corners of the rotor seal against the inner periphery, dividing it into four chambers.

In a piston engine, one complete four-stroke cycle produces two complete revolutions of the crankshaft (see How Car Engines Work: Internal Combustion ). That means the power output of a piston engine is half a power stroke per one piston revolution.

A Quasiturbine engine, on the other hand, doesn't need pistons. Instead, the four strokes of a typical piston engine are arranged sequentially around the oval housing. There's no need for the crankshaft to perform the rotary conversion.

This animated graphic identifies each cycle. Notice that in this illustration the spark plug is located in one of the housing ports.

In this basic model, it's very easy to see the four cycles of internal combustion:

• Intake, which draws in a mixture of fuel and air
• Compression, which squeezes the fuel-air mixture into a smaller volume
• Combustion, which uses a spark from a spark plug to ignite the fuel
• Exhaust, which expels waste gases (the byproducts of combustion) from the engine compartment

Quasiturbine engines with carriages work on the same basic idea as this simple design, with added design modifications that allow for photo-detonation. Photo-detonation is a superior combustion mode that requires more compression and greater sturdiness than piston or rotary engines can provide. Now, let's see what this combustion mode is all about.

Internal combustion engines fall into four categories based on how well air and fuel are mixed together in the combustion chamber and how the fuel is ignited. Type I includes engines in which the air and fuel mix thoroughly to form what is called a homogenous mixture. When a spark ignites the fuel, a hot flame sweeps through the mixture, burning the fuel as it goes. This, of course, is the gasoline engine.

Four Types of Internal Combustion Engines
	Homogenous Fuel-air Mixture	Heterogeneous Fuel-air Mixture
Spark-ignition	Type I Gasoline Engine	Type II Gasoline Direct-injection (GDI) Engine
Pressure-heated Self-ignition	Type IV Photo-detonation Engine	Type III Diesel Engine

Type II -- a gasoline-direct injection engine -- uses partially mixed fuel and air (i.e., a heterogeneous mixture) that is injected directly into the cylinder rather than into an intake port. A spark plug then ignites the mixture, burning more of the fuel and creating less waste.

In Type III, air and fuel are only partially mixed in the combustion chamber. This heterogeneous mixture is then compressed, which causes the temperature to rise until self-ignition takes place. A diesel engine operates in this fashion.

Finally, in Type IV, the best attributes of gasoline and diesel engines are combined. A premixed fuel-air charge undergoes tremendous compression until the fuel self-ignites. This is what happens in a photo-detonation engine, and because it employs a homogenous charge and compression ignition, it is often described as an HCCI engine. HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) combustion results in virtually no emissions and superior fuel efficiency. This is because photo-detonation engines completely combust the fuel, leaving behind no hydrocarbons to be treated by a catalytic converter or simply expelled into the air.

Source: Green Car Congress

Of course, the high pressure required for photo-detonation puts a significant amount of stress on the engine itself. Piston engines can't withstand the violent force of the detonation. And traditional rotary engines such as the Wankel, which have longer combustion chambers that limit the amount of compression they can achieve, are incapable of producing the high-pressure environment necessary for photo-detonation to occur.

Enter the Quasiturbine with carriages. Only this design is strong enough and compact enough to withstand the force of photo-detonation and allow for the higher compression ratio necessary for pressure-heated self-ignition.

In the next section, we'll look at the major components of this design.

Несмотря на дополнительную сложность, квазитурбинный двигатель с каретками имеет относительно простую конструкцию. Каждая часть описана ниже.

Корпус ( статор ), который представляет собой почти овал, известный как «каток Сен-Илера», образует полость, в которой вращается ротор. Корпус содержит четыре порта :

• Порт, в котором обычно находится свеча зажигания (свеча зажигания также может быть размещена в крышке корпуса — см. ниже).
• Порт, который закрывается съемной заглушкой.
• Порт для забора воздуха.
• Выпускное отверстие, используемое для выпуска отработанных газов сгорания.

The housing is enclosed on each side by two covers. The covers have three ports of their own, allowing for maximum flexibility in how the engine is configured. For example, one port can serve as an intake from a conventional carburetor or be fitted with a gas or diesel injector, while another can serve as an alternate location for a spark plug. One of the three ports is a large outlet for exhaust gasses.

How the various ports are used depends on whether the automotive engineer wants a traditional internal combustion engine or one that delivers the super-high compression required of photo-detonation.

The rotor, made of four blades, replaces the pistons of a typical internal combustion engine. Each blade has a filler tip and traction slots to receive the coupling arms. A pivot forms the end of each blade. The job of the pivot is to join one blade to the next and to form a connection between the blade and the rocking carriages. There are four rocking carriages total, one for each blade. Each carriage is free to rotate around the same pivot so that it remains in contact with the inner wall of the housing at all times.

Each carriage works closely with two wheels, which means there are eight wheels altogether. The wheels enable the rotor to roll smoothly on the contoured surface of the housing wall and are made wide to reduce pressure at the point of contact.

The Quasiturbine engine doesn't need a central shaft to operate; but of course, a car requires an output shaft to transfer power from the engine to the wheels. The output shaft is connected to the rotor by two coupling arms, which fit into traction slots, and four arm braces.

When you put all of the parts together, the engine looks like this:

Photo courtesy Quasiturbine.com Quasiturbine engine with carriages

Обратите внимание, что в квазитурбинном двигателе нет ни одной сложной детали типичного поршневого двигателя. У него нет коленчатого вала, клапанов, поршней, толкателей, коромыслов или кулачков. А поскольку лопасти ротора «ездят» на каретках и колесах, трение мало, а это означает, что масло и масляный поддон не нужны.

Теперь, когда мы рассмотрели основные компоненты квазитурбины с каретками, давайте посмотрим, как все это собирается вместе. Эта анимация иллюстрирует цикл горения:

Фото предоставлено сайтом Quasiturbine.com

Первое, что вы заметите, это то, как лопасти ротора при вращении изменяют объем камер. Сначала увеличивается объем, что позволяет топливно-воздушной смеси расширяться. Затем объем уменьшается, что сжимает смесь в меньшее пространство.

Второе, что вы заметите, это то, что один такт сгорания заканчивается как раз тогда, когда следующий такт сгорания готов к воспламенению. Путем создания небольшого канала вдоль внутренней стенки корпуса рядом со свечой зажигания небольшое количество горячего газа может течь обратно в следующую готовую к воспламенению камеру сгорания, когда каждое из уплотнений каретки проходит над каналом. В результате происходит непрерывное горение , как в газовой турбине самолета !

К чему все это приводит в квазитурбинном двигателе, так это к повышению эффективности и производительности. Четыре камеры производят два последовательных контура. Первый контур используется для сжатия и расширения во время сгорания. Второй используется для вытеснения отработанного и всасываемого воздуха. За один оборот ротора создается четыре рабочих такта. Это в восемь раз больше, чем у обычного поршневого двигателя! Даже двигатель Ванкеля, производящий три рабочих такта за один оборот ротора, не может сравниться по производительности с квазитурбиной.

Очевидно, что увеличенная выходная мощность квазитурбинного двигателя превосходит его по сравнению с двигателями Ванкеля и поршневыми двигателями, но также решает многие проблемы, связанные с двигателем Ванкеля. Например, в двигателях Ванкеля происходит неполное сгорание топливно-воздушной смеси, при этом оставшиеся несгоревшими углеводороды выбрасываются в выхлоп. В квазитурбинном двигателе эта проблема решена благодаря камере сгорания, длина которой на 30% меньше. Это означает, что топливно-воздушная смесь в квазитурбине испытывает большее сжатие и более полное сгорание. Это также означает, что при меньшем количестве несгоревшего топлива квазитурбина значительно увеличивает эффективность использования топлива .

К другим существенным преимуществам квазитурбины относятся:

• Нулевая вибрация, потому что двигатель идеально сбалансирован
• Более быстрое ускорение без маховика
• Более высокий крутящий момент при более низких оборотах
• Почти безмасляная работа
• Меньше шума
• Полная гибкость для работы в полностью погруженном состоянии или в любой ориентации, даже в перевернутом положении.
• Меньше движущихся частей для меньшего износа

Наконец, квазитурбина может работать на различных видах топлива, включая метанол, бензин , керосин, природный газ и дизельное топливо. Он может даже использовать водород в качестве источника топлива, что делает его идеальным переходным решением, поскольку автомобили переходят от традиционного сжигания топлива к альтернативным видам топлива.

Фото предоставлено сайтом Quasiturbine.com

Учитывая, что современный двигатель внутреннего сгорания был изобретен Карлом Бенцем в 1886 году и претерпел почти 120 лет конструктивных усовершенствований, квазитурбинный двигатель все еще находится в зачаточном состоянии. Двигатель не используется ни в каких реальных приложениях, которые проверяли бы его пригодность в качестве замены поршневого двигателя (или роторного двигателя, если на то пошло). Он все еще находится на стадии прототипа — лучший вид, который кто-либо получил до сих пор, — это демонстрация его на картинге в 2004 году. Возможно, квазитурбина не будет конкурентоспособной технологией двигателя в течение десятилетий.

Однако в будущем вы, вероятно, увидите, что квазитурбина используется не только в вашем автомобиле. Поскольку центральный двигатель объемный и не требует центрального вала, он может вмещать генераторы, гребные винты и другие выходные устройства, что делает его идеальным двигателем для питания цепных пил , парашютов с приводом , снегоходов , воздушных компрессоров, корабельных силовых установок и электростанций .

Для получения дополнительной информации о квазитурбинном двигателе, других типах двигателей и смежных темах перейдите по ссылкам на следующей странице.

Статьи по Теме

• Как работают автомобильные двигатели
• Как работают дизельные двигатели
• Как работают газотурбинные двигатели
• Как работают двигатели HEMI
• Как работают радиальные двигатели
• Как работают роторные двигатели
• Как работают двигатели Стирлинга

Больше отличных ссылок

• Патент США № 6 164 263: Квазитурбина переменного тока (квазитурбина с нулевой вибрацией, компрессор или насос с роторным двигателем непрерывного сгорания).
• Массачусетский технологический институт: водородный автомобиль скоро не будет жизнеспособным, говорится в исследовании

Источники

• Эшли, Стивен. 2001. Двигатель с низким уровнем загрязнения окружающей среды. Научный американец. Июнь.
• Боде, Дэйв. 2000. Двигатель нового тысячелетия? FindArticles.com. Апрель.
  http://www.findarticles.com/p/articles/mi_m0FZX/is_4_66/ai_62371174/print
  _
• Physics Daily: The Physics Encyclopedia, sv "quasiturbine",
  http://www.physicsdaily.com/physics/Quasiturbine (по состоянию на 14 мая 2005 г.).
• Physics Daily: The Physics Encyclopedia, sv «Двигатель Ванкеля»,
  http://www.physicsdaily.com/physics/Wankel_engine (по состоянию на 14 мая 2005 г.).
• Quasiturbine.com, http://www.quasiturbine.com/EIndex.htm
• Штауффер, Нэнси. 2003 г. Согласно исследованию, водородный транспорт скоро не станет жизнеспособным
  . Служба новостей Массачусетского технологического института. 5 марта.
  http://web.mit.edu/newsoffice/tt/2003/mar05/hydrogen.html .
• Стоукс, Майрон Д. 2003. Квантовая параллель: «квазитурбина» Сент-Илера
  как основа для одновременного изменения парадигмы в двигательных установках транспортных средств. 15 декабря.
• Це, Лоуренс. 2003. Квазитурбина: фотодетонационный двигатель для
  оптимальной защиты окружающей среды. Visionengineer.com. 8 июня.
  http://www.visionengineer.com/mech/quasiturbine.php
• Веб-сайт Патентного ведомства США, заявка на патент квазитурбины.
  Патент № 6 659 065.
• Райт, Майкл и Мукул Патель, ред. 2000.
  Scientific American: Как обстоят дела сегодня.
  Нью-Йорк: издательство Crown.