Motorns design är ett sammanflöde av tre faktorer:oro för hur bilars utsläpp kommer att påverka miljön; stigande gaspriser och behovet av att spara fossila bränsleresurser; och insikten om att den vätgasdrivna bilen – vare sig den drivs av en vätebränslecell eller av vätgas förbränning – inte kommer att hålla vad den lovar inom en snar framtid. Som ett resultat är många ingenjörer mer intresserade av att förbättra förbränningsmotorn.
Quasiturbine-motorn, patenterad 1996, är just en sådan förbättring. I den här artikeln kommer vi att introducera Quasiturbine-motorn och svara på följande frågor:
Låt oss komma igång med att titta på några grundläggande motorer.
För att se hur en Quasiturbine-motor fungerar måste du förstå lite motorgrunder.
Läs merGrundprincipen bakom alla förbränningsmotorer är enkel:Om du lägger en liten mängd luft och högenergibränsle (som bensin) i ett litet, slutet utrymme och tänder det, expanderar gasen snabbt och frigör en otrolig mängd energi.
Det slutliga målet med en motor är att omvandla energin från denna expanderande gas till en roterande (snurrande) rörelse. När det gäller bilmotorer är det specifika målet att rotera en drivaxel snabbt. Drivaxeln är kopplad till olika komponenter som för den roterande rörelsen över på bilens hjul.
För att utnyttja energin från expanderande gas på detta sätt måste en motor cykla igenom en uppsättning händelser som orsakar många små gasexplosioner. I denna förbränningscykel , motorn måste:
Sedan börjar cykeln om igen.
How Engines Work förklarar i detalj hur detta fungerar i konventionella kolvmotorer. 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. Istället för att använda kolv som en vanlig bilmotor använder en roterande motor en triangulär rötor för att uppnå förbränningscykeln. Förbränningstrycket finns i en kammare som bildas av en del av huset på ena sidan och den triangulära rotorns yta på den andra sidan.
Rotorns bana håller var och en av de tre rotortopparna i kontakt med huset, vilket skapar tre separata volymer gas. När rotorn rör sig runt kammaren expanderar och drar var och en av de tre gasvolymerna växelvis ihop sig. Det är denna expansion och sammandragning som drar in luft och bränsle i motorn, komprimerar den, ger användbar kraft när gaserna expanderar och sedan driver ut avgaserna. (Se Hur roterande motorer fungerar för mer information).
I de kommande avsnitten kommer vi att se hur Quasiturbine tar idén om en roterande motor ännu längre.
Innehåll
Saint-Hilaire-familjen patenterade först Quasiturbine-förbränningsmotorn 1996. Quasiturbine-konceptet var resultatet av forskning som började med en intensiv utvärdering av alla motorkoncept för att notera fördelar, nackdelar och möjligheter till förbättringar. Under denna undersökningsprocess insåg Saint-Hilaire-teamet att en unik motorlösning skulle vara en som gjorde förbättringar av standardmotorn Wankel, eller roterande.
Precis som roterande motorer är Quasiturbine-motorn baserad på en rotor-och-husdesign. Men istället för tre blad har Quasiturbine-rotorn fyra element sammankedjade, med förbränningskammare placerade mellan varje element och husets väggar.
Den fyrsidiga rotorn är det som skiljer Quasiturbine från Wankel. Det finns faktiskt två olika sätt att konfigurera den här designen - ett med vagnar och en utan vagnar . Som vi kommer att se är en vagn, i det här fallet, bara en enkel maskindel.
Låt oss först titta på komponenterna i en enklare Quasiturbine-modell -- versionen utan vagnar.
Den enklare Quasiturbine-modellen ser väldigt mycket ut som en traditionell roterande motor:En rotor svänger inuti ett nästan ovalt hus. Observera dock att Quasiturbine-rotorn har fyra element istället för tre. Rotorns sidor tätar mot husets sidor och rotorns hörn tätar mot den inre periferin och delar upp den i fyra kammare.
I en kolvmotor ger en komplett fyrtaktscykel två fullständiga varv av vevaxeln (se Hur bilmotorer fungerar:intern förbränning). Det betyder att effekten hos en kolvmotor är ett halvt kraftslag per kolvvarv.
En Quasiturbine-motor behöver däremot inte kolvar. Istället är de fyra slagen hos en typisk kolvmotor anordnade sekventiellt runt det ovala huset. Det finns inget behov av vevaxeln för att utföra den roterande konverteringen.
Denna animerade grafik identifierar varje cykel. Lägg märke till att i den här bilden sitter tändstiftet i en av husets portar.
I den här grundmodellen är det väldigt lätt att se de fyra förbränningscyklerna:
Kvasiturbinmotorer med vagnar arbetar på samma grundidé som denna enkla design, med tillagda designändringar som möjliggör fotodetonation . Fotodetonation är ett överlägset förbränningsläge som kräver mer kompression och större stabilitet än kolv- eller rotationsmotorer kan ge. Låt oss nu se vad detta förbränningsläge handlar om.
Förbränningsmotorer delas in i fyra kategorier baserat på hur väl luft och bränsle blandas ihop i förbränningskammaren och hur bränslet antänds. Typ I inkluderar motorer där luften och bränslet blandas ordentligt för att bilda vad som kallas en homogen blandning . När en gnista antänder bränslet sveper en het låga genom blandningen och bränner bränslet allt eftersom. Detta är naturligtvis bensinmotorn.
Typ II - en bensinmotor med direktinsprutning - använder delvis blandat bränsle och luft (d.v.s. en heterogen blandning) som sprutas in direkt i cylindern snarare än i en inloppsport. Ett tändstift tänder sedan blandningen, förbränner mer av bränslet och skapar mindre avfall.
I Typ III , luft och bränsle blandas endast delvis i förbränningskammaren. Denna heterogena blandning komprimeras sedan, vilket gör att temperaturen stiger tills självantändning sker. 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 självantänder. Detta är vad som händer i en fotodetonationsmotor, och eftersom den använder en homogen laddning och kompressionständning beskrivs den ofta som en HCCI-motor . HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) förbränning resulterar i praktiskt taget inga utsläpp och överlägsen bränsleeffektivitet. Detta beror på att fotodetonationsmotorer helt förbränner bränslet och lämnar inga kolväten efter sig som kan behandlas med en katalysator eller helt enkelt drivas ut i luften.
Naturligtvis sätter det höga trycket som krävs för fotodetonation en betydande mängd påfrestning på själva motorn. Kolvmotorer tål inte detonationens våldsamma kraft. Och traditionella roterande motorer som Wankel, som har längre förbränningskammare som begränsar mängden kompression de kan uppnå, är oförmögna att producera den högtrycksmiljö som krävs för att fotodetonation ska inträffa.
Gå in i Quasiturbine med vagnar. Endast denna design är tillräckligt stark och kompakt nog att motstå kraften från fotodetonation och möjliggöra det högre kompressionsförhållande som krävs för självantändning under tryck.
I nästa avsnitt ska vi titta på huvudkomponenterna i denna design.
bostäderna (stator), som är en nästan oval känd som "Saint-Hilaire-skridskobanan," bildar håligheten i vilken rotorn roterar. Huset innehåller fyra portar :
Huset är omslutet på varje sida av två kåpor . Skyddarna har tre portar sina egna, vilket möjliggör maximal flexibilitet i hur motorn är konfigurerad. Till exempel kan en port fungera som ett intag från en konventionell förgasare eller vara försedd med en gas- eller dieselinjektor, medan en annan kan fungera som en alternativ plats för ett tändstift. En av de tre portarna är ett stort uttag för avgaser.
Hur de olika portarna används beror på om fordonsingenjören vill ha en traditionell förbränningsmotor eller en som levererar den superhöga kompression som krävs för fotodetonation.
Rotorn, gjord av fyra blad, ersätter kolvarna i en typisk förbränningsmotor. Varje blad har en påfyllningsspets och dragspår för att ta emot kopplingsarmarna. En pivot bildar änden av varje blad. Pivotens uppgift är att förena ett blad med nästa och att bilda en förbindelse mellan bladet och de gungande vagnarna . Det finns fyra gungvagnar totalt, en för varje blad. Varje vagn är fri att 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 att rotorn kan rulla smidigt på den konturerade ytan av husväggen och är gjorda breda för att minska trycket vid kontaktpunkten.
Quasiturbine-motorn behöver inte en central axel för att fungera; men självklart kräver en bil en utgående axel för att överföra kraft från motorn till hjulen. utgångsaxeln är ansluten till rotorn med två kopplingsarmar , som passar i dragöppningar, och fyra armstöd .
När du sätter ihop alla delar ser motorn ut så här:
Lägg märke till att Quasiturbine-motorn inte har någon av de intrikata delarna av en typisk kolvmotor. Den har ingen vevaxel, ventiler, kolvar, tryckstänger, vippor eller kammar. Och eftersom rotorbladen "åker" på vagnarna och hjulen blir det lite friktion, vilket gör att olja och ett oljetråg är onödigt.
Nu när vi har tittat på huvudkomponenterna i Quasiturbine med vagnar, låt oss se hur allt går ihop. Denna animation illustrerar förbränningscykeln:
Det första du kommer att märka är hur rotorbladen, när de vrids, ändrar volymen på kamrarna. Först ökar volymen, vilket gör att bränsle-luftblandningen kan expandera. Sedan minskar volymen, vilket komprimerar blandningen till ett mindre utrymme.
Det andra du kommer att lägga märke till är hur ett förbränningsslag slutar precis när nästa förbränningsslag är redo att eldas. Genom att göra en liten kanal längs den inre husväggen bredvid tändstiftet tillåts en liten mängd het gas att strömma tillbaka till nästa eldfärdiga förbränningskammare när var och en av vagntätningarna passerar över kanalen. Resultatet är kontinuerlig förbränning , precis som i flygplanets gasturbin!
Vad allt detta innebär i Quasiturbine-motorn är ökad effektivitet och prestanda. De fyra kamrarna producerar två på varandra följande kretsar. Den första kretsen används för att komprimera och expandera under förbränning. Den andra används för att driva ut avgas- och insugningsluft. I ett varv av rotorn skapas fyra kraftslag. Det är åtta gånger mer än en vanlig kolvmotor! Inte ens en Wankel-motor, som ger tre kraftslag per rotorvarv, kan matcha prestanda hos en Quasiturbine.
Uppenbarligen gör Quasiturbine-motorns ökade effekt den överlägsen Wankel- och kolvmotorer, men den har också löst många av problemen med Wankel. Till exempel leder Wankel-motorerna till ofullständig förbränning av bränsle-luftblandningen, med de återstående oförbrända kolvätena som släpps ut 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 Quasiturbine ökar bränsleeffektiviteten med mindre bränsle som går oförbränt. dramatiskt.
Andra betydande fördelar med Quasiturbine inkluderar:
Med tanke på att den moderna förbränningsmotorn uppfanns av Karl Benz 1886 och har åtnjutit nästan 120 år av designförfinningar, är Quasiturbine-motorn fortfarande i sin linda. Motorn används inte i några verkliga tillämpningar som skulle testa dess lämplighet som en ersättning för kolvmotorn (eller rotationsmotorn, för den delen). Den är fortfarande i sin prototypfas -- det bästa utseendet någon har fått hittills är när den demonstrerades på en gokart 2004. Quasiturbine är kanske inte en konkurrenskraftig motorteknik på decennier.
I framtiden kommer du dock sannolikt att se Quasiturbine användas i mer än bara din bil. Eftersom det centrala motorområdet är voluminöst och inte kräver någon central axel, kan den rymma generatorer, propellrar och andra utgående enheter, vilket gör den till en idealisk motor för att driva kedjesågar, motordrivna fallskärmar, snöskotrar, luftkompressorer, fartygsframdrivningssystem och elkraftverk.
För mer information om Quasiturbine-motorn, andra motortyper och relaterade ämnen, kolla in länkarna på nästa sida.
Relaterade HowStuffWorks-artiklar
Fler bra länkar
Källor
