Comment fonctionne le Grail Engine

Et si on vous disait qu'un jour, votre voiture pourrait avoir un moteur monocylindre sous son capot qui a 100 chevaux, 100 miles par gallon (42,5 kilomètres par litre) et peut fonctionner avec n'importe quel type de carburant?

Il y a de fortes chances que vous pensiez que cela sort d'un film de science-fiction, ou que c'est une sorte de concept lointain qui est encore à des décennies de la réalité..

Ce n'est pas le cas, selon Matthew Riley, PDG et chercheur en chef de Grail Engine Technologies, basé au Kansas. Il dit que le Grail Engine à deux temps de son entreprise pourrait être dans les voitures des consommateurs d'ici deux à cinq ans. En février 2012, après trois ans de développement, la société a établi son premier prototype fonctionnel, et les grandes entreprises automobiles comme Honda et Ford ont déjà manifesté leur intérêt..

Riley dit que le Grail Engine pourrait être 50% moins cher à construire tout en offrant une économie de carburant 30% supérieure à celle des moteurs actuels, et qu'il est flexible sur le carburant qu'il utilise. Il a une grande variété d'applications possibles, a-t-il déclaré. Il n'a pas non plus les problèmes de pollution et de fiabilité rencontrés dans la plupart des autres moteurs à deux temps.

«Cela va changer la façon dont les choses fonctionnent», a déclaré Riley, un scientifique avec plus de 20 ans d'expérience dans le développement de moteurs expérimentaux. "L'idée vient de l'idée qu'il doit y avoir une meilleure façon de faire des deux temps parce qu'ils sont plus performants."

Qu'est-ce qui rend le Grail Engine si incroyable? Fait intéressant, il ne repose pas sur une seule technologie de pointe pour faire le travail. Le moteur prend une variété de technologies de moteur actuelles et de pointe et les rassemble dans un seul ensemble. «Ce sont toutes des technologies éprouvées qui ont été utilisées dans le passé», a déclaré Riley.

Essentiellement, il s'agit d'un moteur à deux temps de très haute technologie qui utilise l'induction forcée, l'injection directe et d'autres technologies pour une puissance et une efficacité impressionnantes. C'est aussi un pionnier dans ce que la société appelle «l'allumage par compression chargé semi-homogène». Nous couvrirons ce que tout cela signifie dans un petit moment.

Dans cet article, nous allons tout apprendre sur le fonctionnement du Grail Engine et découvrir comment il pourrait être utilisé dans un avenir très proche..

1. Les bases
2. Conception du moteur Grail
3. Fonctions du Grail Engine
4. Avantages des moteurs Grail
5. Applications du moteur Grail
6. Note de l'auteur

Avant d'en apprendre davantage sur le Grail Engine, définissons d'abord certains des concepts sous-jacents afin que nous puissions comprendre pleinement son fonctionnement..

Moteur à deux temps: Contrairement à la plupart des moteurs de voitures et de motos modernes, le Grail Engine est un moteur à deux temps. Dans les véhicules, il est plus courant de trouver des moteurs à quatre temps. Voici ce que cela signifie: sur un moteur à quatre temps, il y a quatre phases dans le processus de combustion interne qui provoque le déplacement d'un véhicule - l'admission d'air et de carburant, la compression de ces ingrédients, l'allumage de l'air et du carburant qui force le piston vers le bas et la libération des gaz d'échappement.

Cependant, un moteur à deux temps complète ce même processus en seulement deux étapes. Les étapes d'admission et d'échappement sont combinées, tout comme les étapes de compression et d'allumage. Les moteurs à deux temps sont plus légers et plus puissants; mais ils ne sont pas aussi économes en carburant, ils ont tendance à se décomposer plus souvent et ils produisent également beaucoup de gaz d'échappement parce que l'huile et le carburant se mélangent pendant le processus de combustion. C'est pourquoi les moteurs à deux temps ne sont couramment utilisés que dans les petits véhicules récréatifs et les équipements de jardin.

Injection directe: DI est le nouveau venu sur le marché en matière de technologies de moteur. C'est devenu une caractéristique commune sur les moteurs de performance, et il commence à se retrouver dans de plus en plus de voitures de tous les jours. Sur un moteur DI, le carburant est pulvérisé directement dans la chambre de combustion plutôt que de se mélanger à l'air dans un collecteur séparé. Cela permet au mélange air / carburant de brûler plus uniformément et plus efficacement, ce qui se traduit par une puissance accrue et une meilleure économie.

Induction forcée: Même si vous n'avez jamais entendu parler d'induction forcée, vous avez probablement entendu parler de suralimentateurs ou de turbocompresseurs. Les deux font essentiellement le même travail: ils forcent plus d'air dans le moteur afin qu'il brûle plus chaud et plus fort, produisant plus de puissance. Le Grail Engine utilise un type unique d'induction forcée (que nous aborderons dans un instant).

Allumage forcé à compression semi-homogène chargé: Aussi connu sous le nom de FS-HCCI, c'est une technologie que les constructeurs automobiles recherchent depuis des années, a déclaré Riley. Ce processus comprime l'air et le carburant au point où ils brûlent presque d'eux-mêmes sans allumage par étincelle (similaire au fonctionnement d'un moteur diesel). Et lorsque le mélange air / carburant s'enflamme, tout le carburant de la chambre brûle simultanément, offrant une bien meilleure efficacité. Cela signifie plus de puissance et une meilleure économie de carburant [source: Green Car Congress].

À seulement 500 centimètres cubes, le Grail Engine est assez petit - environ un quart de la taille du moteur d'une voiture économique typique.

À première vue, le prototype de la société ressemble à n'importe quel moteur à deux temps ordinaire, jusqu'à ce que vous remarquiez la grande soupape d'admission orientée vers le haut qui sort du centre du piston. Cela a une fonction importante que nous allons explorer un peu - le Grail Engine utilise beaucoup plus la pression de l'air qu'un moteur à combustion interne normal. Le moteur est composé de:

• Un cylindre et un piston
• Une seule soupape d'échappement en haut du cylindre qui laisse échapper les gaz d'échappement une fois le processus de combustion terminé
• Trois bougies d'allumage, également en haut du cylindre. Ceux-ci créent «l'étincelle» qui entraîne l'allumage (la plupart des moteurs de voiture ont une bougie d'allumage par cylindre)
• Une «chambre de pré-compression» qui abrite une soupape à clapet, un composant qui maintient l'air frais circulant dans le moteur dans un sens (les soupapes à clapet sont une partie commune sur les moteurs à deux temps)
• Une seule soupape d'admission, qui aspire l'air et le carburant, située à l'intérieur du piston
• Deux orifices d'évent à piston et deux orifices d'admission de piston
• Un petit carter qui traduit le mouvement du piston en mouvement de la roue

[Source: Grail Engine Technologies]

Comme tout moteur à combustion interne, le Grail Engine brûle de l'air et du carburant et utilise l'explosion qui en résulte pour pousser un piston de haut en bas pour entraîner le mouvement. Mais c'est la façon dont le moteur Grail le fait qui le rend si unique.

Au fur et à mesure que le piston se déplace vers le haut, un vide est créé en dessous, qui aspire de l'air frais à travers une valve à clapet unidirectionnelle. L'air remplit ensuite trois chambres - la chambre de pré-compression, les orifices d'évent-piston et les orifices d'admission du piston.

Lorsque le piston atteint le sommet de sa trajectoire, l'allumage se fait grâce aux trois bougies d'allumage. Cela force le piston vers le bas, ce qui comprime l'air emprisonné dans le carter jusqu'à ce point.

Lorsque le piston atteint le point mort bas, la soupape d'échappement s'ouvre et l'échappement évacue le cylindre lorsque l'air comprimé entre dans la chambre de combustion via les orifices d'évent vers piston et d'admission du piston comme indiqué ci-dessus à travers une soupape unidirectionnelle située à l'intérieur du piston..

L'air frais comprimé tourbillonne vers le haut à la manière d'un vortex, évacuant le cylindre de gaz d'échappement et remplissant le cylindre d'air frais. Une fois la soupape d'échappement fermée, le carburant est directement injecté et mélangé dans la chambre. Le mélange d'air et de carburant est comprimé et enflammé par les trois bougies d'allumage, créant une explosion qui pousse le piston vers le bas et crée un mouvement pour le cycle suivant.

Cela semble assez simple, non? Dans l'ensemble, le Grail Engine ressemble beaucoup à un moteur à deux temps ordinaire, sauf que l'air comprimé joue un rôle beaucoup plus important ici. Mais il y a aussi des facteurs uniques à l'œuvre ici. D'une part, Riley dit que le mélange tourbillonnant d'air comprimé et de carburant est le mélange d'atomisation air / carburant le plus efficace qui puisse être obtenu pour une combustion optimale. De plus, il dit qu'aucun autre moteur n'a une conception avec induction forcée d'air comprimé entrant dans la chambre de combustion tout en refroidissant à l'air le haut du piston pour réduire les émissions..

Enfin, les trois bougies d'allumage créent une prolifération rapide d'explosions, qui aident à générer un «allumage forcé par compression chargé semi-homogène», ou FS-HCCI. Ce processus comprime l'air et le carburant au point où ils brûlent presque d'eux-mêmes (sans étincelle). Et lorsqu'ils brûlent, tout le carburant restant dans la chambre se brûle en même temps - simultanément - offrant une efficacité bien meilleure. Cela se traduit par plus de puissance et une meilleure économie de carburant [sources: Green Car Congress, Wojdyla].

Le Grail Engine a donc une forme de combustion interne très efficace. Il est léger, peu coûteux et produit beaucoup de puissance pour sa taille. Comme nous l'avons dit précédemment, le prototype de 500 cm3 peut produire 100 chevaux tout en obtenant 100 miles par gallon (42,5 kilomètres par litre). Mais que peut-il faire d'autre?

Riley a déclaré que le Grail Engine élimine de nombreux inconvénients normalement observés sur un moteur à deux temps typique. D'une part, l'huile et le carburant ne se mélangent jamais ici, donc il n'y a pas de problème de fumée. C'est aussi très silencieux et faible en vibrations, dit-il.

Étant donné que le moteur est toujours alimenté en air frais et comprimé, il n'a aucun problème à rester au frais. La capacité de maintenir la chambre de combustion uniformément fraîche est ce qui contribue à rendre possible FS-HCCI, a déclaré Riley. Cela augmente l'efficacité thermique et réduit les émissions d'oxyde d'azote. De plus, ce n'est pas seulement limité à un seul cylindre. Le Grail Engine est de conception modulaire, de sorte que plusieurs pourraient être reliés entre eux pour créer un moteur à plusieurs cylindres [source: Wojdyla].

Mais comme Riley aime à le dire, "Attends - ça va mieux." Le Grail Engine est conçu pour fonctionner avec pratiquement n'importe quel type de carburant, y compris l'essence, le propane, le diesel et le gaz naturel. Il peut également transporter plusieurs types de carburant à la fois dans des réservoirs séparés. Le moteur peut le faire car un ordinateur de bord peut ajuster son taux de compression à la volée, en ajustant le moteur en conséquence chaque fois que le conducteur souhaite utiliser un carburant différent..

De plus, sa conception empêche la contamination de l'hydrogène actuellement observée sur les voitures à pile à combustible, ce qui rend ce type de carburant plus réalisable que jamais. «Cela met les piles à combustible sous un tout nouveau jour», a déclaré Riley.

Nous avons déjà parlé de la puissance du Grail Engine et de la façon dont il offre une meilleure économie de carburant et une meilleure efficacité qu'un moteur à deux temps normal. Mais où pourrait-il être utilisé? Eh bien, à peu près n'importe où, dit Riley.

"Il pourrait être appliqué à tous les domaines de la vie, des automobiles aux avions, en passant par les moteurs de loisirs et industriels", a-t-il déclaré. "Nous nous intéressons beaucoup à différents domaines."

Outre les constructeurs automobiles, Riley a déclaré que le ministère de la Défense avait exprimé son intérêt, mais il a déclaré qu'il ne pouvait pas parler exactement de ce projet. En outre, cela pourrait faire un moteur d'hélicoptère idéal, a-t-il déclaré.

Alors que le prototype actuel du Grail Engine mesure 500 centimètres cubes, les scientifiques travaillent sur des modèles plus grands, y compris des moteurs de 1000 cm3 et 2,5 litres..

De plus, Riley dit que lui et ses employés sont motivés par le désir de rendre le monde meilleur, pas de devenir riche. Leur objectif est d'amener les constructeurs automobiles existants à produire des versions sous licence de la technologie. Il espère que cela pourrait également ouvrir la voie à un avenir plus vert. "Nous ne voulons mettre personne en faillite", a déclaré Riley. "Nous voulons aider les gens. Nous voulons changer le monde pour le meilleur."

Je n'ai pas pu m'empêcher d'être impressionné par le design de Grail Engine Technologies. C'est certes ambitieux, mais il est basé sur la technologie existante, donc cela semble plus faisable que certains moteurs expérimentaux. Ils semblent avoir trouvé un moyen d'obtenir la puissance d'un moteur à deux temps sans pollution et avec une meilleure économie de carburant que la plupart des moteurs actuels. Il est intéressant de noter que l'entreprise semble avoir des motivations «vertes», plutôt que d'être simplement axées sur le profit. Peut-être que nous verrons bientôt une voiture Grail Engine - cela ne me semble pas trop tiré par les cheveux.

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Sources

• Technologies Grail Engine. «Grail Engine». (14 février 2012) http://www.grailengine.com/index.php
• Congrès des voitures vertes. "Grail Engine adopte des bouchons d'impulsion Enerpulse pour l'allumage forcé à compression semi-homogène chargé dans le concept de moteur à deux temps." 8 septembre 2009. (14 février 2012) http://www.greencarcongress.com/2009/09/grail-20090908.html
• Riley, Matthew. PDG de Grail Engine Technologies. Entretien personnel. Réalisé le 13 février 2012.
• Wojdyla, Ben. «Grail Engine». Mécanique populaire. (15 février 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/fuel-economy/6-prototype-engines-to-get-your-brain-firing-grail-engine#slide-2