Pedeorelha | Comment fonctionnent les moteurs Quasiturbine

Paul Sparks
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La conception du moteur est à la confluence de trois facteurs: les préoccupations concernant la façon dont les émissions des voitures affecteront l'environnement; la hausse des prix du gaz et la nécessité de conserver les ressources en combustibles fossiles; et la prise de conscience que la voiture fonctionnant à l'hydrogène - qu'elle soit alimentée par une pile à hydrogène ou par combustion interne à l'hydrogène - ne tiendra pas sa promesse dans un proche avenir. En conséquence, de nombreux ingénieurs s'intéressent davantage à l'amélioration du moteur à combustion interne.

Galerie d'images de moteur de voiture

Photo gracieuseté de Quasiturbine.com
Moteur Quasiturbine. Voir plus d'images de moteurs.

Le moteur Quasiturbine, breveté en 1996, est une telle amélioration. Dans cet article, nous présenterons le moteur Quasiturbine et répondrons aux questions suivantes:

D'où est venue l'idée du moteur?
Quelles sont les pièces du moteur Quasiturbine?
Comment fonctionne le moteur Quasiturbine?
Comment se compare-t-il en termes de performances à d'autres moteurs à combustion interne?

Commençons par examiner quelques notions de base sur les moteurs.

Pour voir comment fonctionne un moteur Quasiturbine, vous devez comprendre certaines bases du moteur.

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-Le principe de base de tout moteur à combustion interne est simple: si vous mettez une petite quantité d'air et de carburant à haute énergie (comme de l'essence) dans un petit espace clos et que vous l'allumez, le gaz se dilate rapidement, libérant une quantité d'énergie incroyable..

Le but ultime d'un moteur est de convertir l'énergie de ce gaz en expansion en un mouvement de rotation (rotation). Dans le cas des moteurs de voiture, l'objectif spécifique est de faire tourner un arbre de transmission rapidement. L'arbre de transmission est connecté à divers composants qui transmettent le mouvement de rotation aux roues de la voiture.

Pour exploiter l'énergie du gaz en expansion de cette manière, un moteur doit passer par un ensemble d'événements qui provoquent de nombreuses petites explosions de gaz. Dans ce cycle de combustion, le moteur doit:

Laisser un mélange de carburant et d'air dans une chambre
Compresser le carburant et l'air
Allumez le carburant pour créer une explosion
Relâchez le échappement (pensez-y comme le sous-produit de l'explosion)

Puis le cycle recommence.

Comment fonctionnent les moteurs explique en détail comment cela fonctionne dans les moteurs à pistons conventionnels. Essentiellement, le cycle de combustion pousse un piston de haut en bas, qui fait tourner l'arbre d'entraînement au moyen d'un vilebrequin.

Alors que le moteur à pistons est le type le plus courant dans les voitures, le moteur Quasiturbine fonctionne plus comme un moteur rotatif. Au lieu d'utiliser le piston comme un moteur de voiture typique, un moteur rotatif utilise un rotor triangulaire pour réaliser le cycle de combustion. La pression de combustion est contenue dans une chambre formée par une partie du boîtier d'un côté et la face du rotor triangulaire de l'autre côté.

Le trajet du rotor maintient chacun des trois pics du rotor en contact avec le boîtier, créant trois volumes séparés de gaz. Lorsque le rotor se déplace autour de la chambre, chacun des trois volumes de gaz se dilate et se contracte en alternance. C'est cette dilatation et cette contraction qui aspire l'air et le carburant dans le moteur, le comprime, produit une puissance utile lorsque les gaz se dilatent, puis expulse l'échappement. (Voir Comment fonctionnent les moteurs rotatifs pour plus d'informations).

Dans les prochaines sections, nous verrons comment la Quasiturbine pousse encore plus loin l'idée d'un moteur rotatif..

La famille Saint-Hilaire a breveté pour la première fois le moteur thermique Quasiturbine en 1996. Le concept Quasiturbine est le fruit d'une recherche qui a débuté par une évaluation approfondie de tous les concepts de moteurs pour relever les avantages, les inconvénients et les possibilités d'amélioration. Au cours de ce processus exploratoire, l'équipe de Saint-Hilaire a réalisé qu'une solution moteur unique serait celle qui apporterait des améliorations au moteur Wankel standard, ou rotatif..

Comme les moteurs rotatifs, le moteur Quasiturbine est basé sur une conception de rotor et de carter. Mais au lieu de trois pales, le rotor de la Quasiturbine comporte quatre éléments enchaînés, avec des chambres de combustion situées entre chaque élément et les parois du carter.

Photo gracieuseté de Quasiturbine.com
Conception Quasiturbine simple

le rotor à quatre côtés est ce qui distingue la Quasiturbine du Wankel. Il existe en fait deux façons différentes de configurer cette conception - une avec voitures et un sans voitures. Comme nous le verrons, un chariot, dans ce cas, n'est qu'une simple pièce de machine.

Examinons d'abord les composants du modèle Quasiturbine plus simple - la version sans chariots.

Le modèle Quasiturbine plus simple ressemble beaucoup à un moteur rotatif traditionnel: un rotor tourne à l'intérieur d'un boîtier de forme presque ovale. Notez cependant que le rotor de la Quasiturbine comporte quatre éléments au lieu de trois. Les côtés du rotor scellent contre les côtés du boîtier, et les coins du rotor scellent contre la périphérie interne, le divisant en quatre chambres.

Dans un moteur à piston, un cycle complet à quatre temps produit deux révolutions complètes du vilebrequin (voir Comment fonctionnent les moteurs de voiture: combustion interne). Cela signifie que la puissance de sortie d'un moteur à piston correspond à une demi-course de puissance pour un tour de piston.

Un moteur Quasiturbine, par contre, n'a pas besoin de pistons. Au lieu de cela, les quatre courses d'un moteur à piston typique sont disposées séquentiellement autour du boîtier ovale. Il n'y a pas besoin du vilebrequin pour effectuer la conversion rotative.

Ce graphique animé identifie chaque cycle. Notez que dans cette illustration, la bougie d'allumage est située dans l'un des ports du boîtier.

Dans ce modèle de base, il est très facile de voir les quatre cycles de combustion interne:

Admission, qui aspire un mélange de carburant et d'air
Compression, qui comprime le mélange air-carburant dans un volume plus petit
La combustion, qui utilise une étincelle d'une bougie d'allumage pour enflammer le carburant
Échappement, qui expulse les gaz résiduaires (les sous-produits de la combustion) du compartiment moteur

Les moteurs Quasiturbine avec chariots fonctionnent sur la même idée de base que cette conception simple, avec des modifications de conception supplémentaires qui permettent photo-détonation. La photo-détonation est un mode de combustion supérieur qui nécessite plus de compression et une plus grande robustesse que ce que les moteurs à piston ou rotatifs peuvent fournir. Maintenant, voyons en quoi consiste ce mode de combustion.

Les moteurs à combustion interne se répartissent en quatre catégories en fonction de la qualité du mélange de l'air et du carburant dans la chambre de combustion et de la manière dont le carburant est enflammé.. Type I comprend les moteurs dans lesquels l'air et le carburant se mélangent parfaitement pour former ce qu'on appelle un mélange homogène. Lorsqu'une étincelle enflamme le carburant, une flamme chaude balaie le mélange, brûlant le carburant au fur et à mesure. Ceci, bien sûr, est le moteur à essence.

Quatre types de moteurs à combustion interne
	Mélange air-carburant homogène	Mélange air-carburant hétérogène
Allumage par étincelle	Type I Moteur à essence	Type II Moteur à injection directe d'essence (GDI)
Auto-allumage chauffé par pression	Type IV Moteur de photo-détonation	Type III Moteur diesel

Type II -- un moteur à injection directe d'essence - utilise du carburant partiellement mélangé et de l'air (c'est-à-dire un mélange hétérogène) qui est injecté directement dans le cylindre plutôt que dans un orifice d'admission. Une bougie d'allumage enflamme alors le mélange, brûlant plus de carburant et créant moins de déchets.

Dans Type III, l'air et le carburant ne sont que partiellement mélangés dans la chambre de combustion. Ce mélange hétérogène est ensuite comprimé, ce qui fait monter la température jusqu'à ce que l'auto-inflammation se produise. Un moteur diesel fonctionne de cette façon.

Enfin, dans Type IV, les meilleurs attributs des moteurs à essence et diesel sont combinés. Une charge air-carburant prémélangée subit une compression considérable jusqu'à ce que le carburant s'enflamme automatiquement. C'est ce qui se passe dans un moteur à photo-détonation, et comme il utilise une charge homogène et un allumage par compression, il est souvent décrit comme un Moteur HCCI. La combustion HCCI (allumage par compression à charge homogène) entraîne pratiquement aucune émission et un rendement énergétique supérieur. En effet, les moteurs de photo-détonation brûlent complètement le carburant, ne laissant aucun hydrocarbure à traiter par un convertisseur catalytique ou simplement expulsés dans l'air..

Source: Congrès des voitures vertes

Bien entendu, la pression élevée requise pour la photo-détonation exerce une pression importante sur le moteur lui-même. Les moteurs à pistons ne peuvent pas résister à la force violente de la détonation. Et les moteurs rotatifs traditionnels tels que le Wankel, qui ont des chambres de combustion plus longues qui limitent la quantité de compression qu'ils peuvent atteindre, sont incapables de produire l'environnement à haute pression nécessaire à la photo-détonation..

Entrez dans la Quasiturbine avec des voitures. Seule cette conception est suffisamment solide et compacte pour résister à la force de la photo-détonation et permettre le taux de compression plus élevé nécessaire à l'auto-allumage chauffé par pression.

Dans la section suivante, nous examinerons les principaux composants de cette conception.

Même avec sa complexité supplémentaire, le moteur Quasiturbine avec chariots a une conception relativement simple. Chaque partie est décrite ci-dessous.

le logement (stator), qui est un quasi-ovale connu sous le nom de «patinoire de Saint-Hilaire», forme la cavité dans laquelle tourne le rotor. Le boîtier contient quatre ports:

Un port où se trouve normalement la bougie d'allumage (la bougie d'allumage peut également être placée dans le couvercle du boîtier - voir ci-dessous).
Un port fermé par une prise amovible.
Un port pour l'admission d'air.
Un orifice d'échappement utilisé pour libérer les gaz résiduaires de la combustion.

Le boîtier est fermé de chaque côté par deux couvertures. Les couvertures ont trois ports de leurs propres, permettant une flexibilité maximale dans la façon dont le moteur est configuré. Par exemple, un orifice peut servir d'admission d'un carburateur conventionnel ou être équipé d'un injecteur à essence ou diesel, tandis qu'un autre peut servir d'emplacement alternatif pour une bougie d'allumage. L'un des trois ports est une grande sortie pour les gaz d'échappement.

La façon dont les différents ports sont utilisés dépend du fait que l'ingénieur automobile souhaite un moteur à combustion interne traditionnel ou un moteur offrant la compression ultra-élevée requise pour la photo-détonation..

Le rotor, composé de quatre pales, remplace les pistons d'un moteur à combustion interne typique. Chaque lame a un pointe de remplissage et fentes de traction pour recevoir les bras d'attelage. UNE pivot forme l'extrémité de chaque lame. Le travail du pivot est de joindre une lame à la suivante et de former une connexion entre la lame et le balancier voitures. Il y a quatre chariots à bascule au total, un pour chaque lame. Chaque chariot est libre de tourner autour du même pivot de sorte qu'il reste en contact avec la paroi intérieure du boîtier à tout moment.

Chaque chariot travaille en étroite collaboration avec deux roues, ce qui signifie qu'il y a huit roues en tout. Les roues permettent au rotor de rouler en douceur sur la surface profilée de la paroi du boîtier et sont élargies pour réduire la pression au point de contact.

Le moteur Quasiturbine n'a pas besoin d'un arbre central pour fonctionner; mais bien sûr, une voiture a besoin d'un arbre de sortie pour transférer la puissance du moteur aux roues. le l'arbre de sortie est relié au rotor par deux bras d'accouplement, qui s'insèrent dans les fentes de traction, et quatre accolades de bras.

Lorsque vous assemblez toutes les pièces, le moteur ressemble à ceci:

Photo gracieuseté de Quasiturbine.com
Moteur Quasiturbine avec chariots

Notez que le moteur Quasiturbine ne possède aucune des pièces complexes d'un moteur à pistons typique. Il n'a pas de vilebrequin, de soupapes, de pistons, de tiges de poussée, de culbuteurs ou de cames. Et comme les pales du rotor «roulent» sur les chariots et les roues, il y a peu de friction, ce qui signifie que l'huile et un carter d'huile sont inutiles.

Maintenant que nous avons examiné les principaux composants de la Quasiturbine avec des chariots, voyons comment tout s'organise. Cette animation illustre le cycle de combustion:

Photo gracieuseté de Quasiturbine.com

La première chose que vous remarquerez est la façon dont les pales du rotor, lorsqu'elles tournent, modifient le volume des chambres. Tout d'abord, le volume augmente, ce qui permet au mélange air-carburant de se dilater. Ensuite, le volume diminue, ce qui comprime le mélange dans un espace plus petit.

La deuxième chose que vous remarquerez est la façon dont une course de combustion se termine juste lorsque la prochaine course de combustion est prête à démarrer. En réalisant un petit canal le long de la paroi interne du boîtier à côté de la bougie d'allumage, une petite quantité de gaz chaud peut refluer vers la chambre de combustion prête à brûler suivante lorsque chacun des joints du chariot passe au-dessus du canal. Le résultat est combustion continue, comme dans la turbine à gaz de l'avion!

Tout cela dans le moteur Quasiturbine est une efficacité et des performances accrues. Les quatre chambres produisent deux circuits consécutifs. Le premier circuit sert à comprimer et à se dilater pendant la combustion. Le second est utilisé pour expulser l'air d'échappement et d'admission. En une révolution du rotor, quatre courses de puissance sont créées. C'est huit fois plus qu'un moteur à pistons classique! Même un moteur Wankel, qui produit trois courses de puissance par tour de rotor, ne peut pas égaler les performances d'une Quasiturbine.

Évidemment, la puissance accrue du moteur Quasiturbine le rend supérieur aux moteurs Wankel et à piston, mais il a également résolu de nombreux problèmes présentés par le Wankel. Par exemple, les moteurs Wankel conduisent à une combustion incomplète du mélange air-carburant, les hydrocarbures non brûlés restants étant rejetés dans l'échappement. Le moteur Quasiturbine résout ce problème avec une chambre de combustion 30% moins allongée. Cela signifie que le mélange air-carburant dans la quasiturbine subit une compression plus importante et une combustion plus complète. Cela signifie également qu'avec moins de carburant non brûlé, la Quasiturbine augmente le rendement énergétique dramatiquement.

Les autres avantages importants de la Quasiturbine comprennent:

Zéro vibration car le moteur est parfaitement équilibré
Accélération plus rapide sans volant
Couple plus élevé à bas régime
Fonctionnement presque sans huile
Moins de bruit
Flexibilité totale pour fonctionner complètement immergé ou dans n'importe quelle orientation, même à l'envers
Moins de pièces mobiles pour moins d'usure

Enfin, la Quasiturbine peut fonctionner avec différents types de carburants, dont le méthanol, l'essence, le kérosène, le gaz naturel et le diesel. Il peut même accueillir l'hydrogène comme source de carburant, ce qui en fait une solution de transition idéale alors que les voitures passent de la combustion traditionnelle à des carburants alternatifs..

Photo gracieuseté de Quasiturbine.com

-Étant donné que le moteur à combustion interne moderne a été inventé par Karl Benz en 1886 et a bénéficié de près de 120 ans de raffinements de conception, le moteur Quasiturbine en est encore à ses balbutiements. Le moteur n'est pas utilisé dans des applications du monde réel qui testeraient son aptitude à remplacer le moteur à pistons (ou le moteur rotatif, d'ailleurs). Il est encore dans sa phase de prototype - le meilleur look que quiconque ait obtenu jusqu'à présent, c'est quand il a été démontré sur un kart à pédales en 2004. La Quasiturbine n'est peut-être pas une technologie de moteur compétitive pendant des décennies..

À l'avenir, cependant, vous verrez probablement la Quasiturbine utilisée dans plus que votre voiture. Parce que la zone centrale du moteur est volumineuse et ne nécessite aucun arbre central, elle peut accueillir des générateurs, des hélices et d'autres dispositifs de sortie, ce qui en fait un moteur idéal pour alimenter des scies à chaîne, des parachutes motorisés, des motoneiges, des compresseurs d'air, des systèmes de propulsion de navires et des centrales électriques..

Pour plus d'informations sur le moteur Quasiturbine, d'autres types de moteurs et des sujets connexes, consultez les liens sur la page suivante.