Pedeorelha | Come funzionano i motori Quasiturbine

Peter Tucker
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La progettazione del motore è alla confluenza di tre fattori: preoccupazioni su come le emissioni delle auto influenzeranno l'ambiente; l'aumento dei prezzi del gas e la necessità di conservare le risorse di combustibili fossili; e la consapevolezza che l'auto alimentata a idrogeno - sia essa alimentata da una cella a combustibile a idrogeno o dalla combustione interna dell'idrogeno - non manterrà le sue promesse nel prossimo futuro. Di conseguenza, molti ingegneri stanno dando più interesse al miglioramento del motore a combustione interna.

Galleria di immagini del motore dell'auto

Foto per gentile concessione di Quasiturbine.com
Motore Quasiturbine. Vedi altre immagini dei motori.

Il motore Quasiturbine, brevettato nel 1996, è proprio un tale miglioramento. In questo articolo, introdurremo il motore Quasiturbine e risponderemo alle seguenti domande:

Da dove è nata l'idea del motore?
Quali sono le parti del motore Quasiturbine?
Come funziona il motore Quasiturbine?
Come si confronta in termini di prestazioni con altri motori a combustione interna?

Iniziamo esaminando alcune nozioni di base sul motore.

Per vedere come funziona un motore Quasiturbine, è necessario comprendere alcune basi del motore.

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-Il principio di base alla base di qualsiasi motore a combustione interna è semplice: se metti una piccola quantità di aria e carburante ad alta energia (come la benzina) in un piccolo spazio chiuso e lo accendi, il gas si espande rapidamente, rilasciando un'incredibile quantità di energia.

L'obiettivo finale di un motore è convertire l'energia di questo gas in espansione in un movimento rotatorio (rotante). Nel caso dei motori delle auto, l'obiettivo specifico è ruotare un file albero di trasmissione rapidamente. L'albero di trasmissione è collegato a vari componenti che trasmettono il moto rotatorio alle ruote dell'auto.

Per sfruttare l'energia dell'espansione del gas in questo modo, un motore deve attraversare una serie di eventi che causano molte piccole esplosioni di gas. In questo ciclo di combustione, il motore deve:

Lascia una miscela di carburante e aria in una camera
Comprimere il carburante e l'aria
Accendi il carburante per creare un'esplosione
Rilasciare il scarico (pensalo come il sottoprodotto dell'esplosione)

Quindi il ciclo ricomincia da capo.

How Engines Work spiega in dettaglio come funziona nel motore a pistoni convenzionale. In sostanza, il ciclo di combustione spinge un pistone su e giù, che fa ruotare l'albero motore tramite un albero motore.

Mentre il motore a pistoni è il tipo più comune trovato nelle automobili, il motore Quasiturbine funziona più come un motore rotativo. Invece di utilizzare il pistone come un tipico motore di un'auto, un motore rotativo utilizza a rotore triangolare per realizzare il ciclo di combustione. La pressione di combustione è contenuta in una camera formata da una parte dell'alloggiamento da un lato e dalla faccia del rotore triangolare dall'altro.

Il percorso del rotore mantiene ciascuno dei tre picchi del rotore a contatto con l'alloggiamento, creando tre volumi separati di gas. Mentre il rotore si muove intorno alla camera, ciascuno dei tre volumi di gas si espande e si contrae alternativamente. È questa espansione e contrazione che attira aria e carburante nel motore, lo comprime, fornisce potenza utile man mano che i gas si espandono e quindi espelle lo scarico. (Vedi Come funzionano i motori rotativi per maggiori informazioni).

Nelle prossime sezioni vedremo come la Quasiturbine spinge ulteriormente l'idea di un motore rotativo.

La famiglia Saint-Hilaire ha brevettato per la prima volta il motore a combustione Quasiturbine nel 1996. Il concetto di Quasiturbine è il risultato di una ricerca iniziata con un'intensa valutazione di tutti i concetti di motore per rilevare vantaggi, svantaggi e opportunità di miglioramento. Durante questo processo esplorativo, il team di Saint-Hilaire si è reso conto che una soluzione motore unica sarebbe quella che ha apportato miglioramenti al motore Wankel standard, o rotativo,.

Come i motori rotativi, il motore Quasiturbine si basa su un design del rotore e dell'alloggiamento. Ma invece di tre pale, il rotore Quasiturbine ha quattro elementi concatenati insieme, con camere di combustione situate tra ogni elemento e le pareti dell'alloggiamento.

Foto per gentile concessione di Quasiturbine.com
Semplice design Quasiturbine

Il rotore a quattro lati è ciò che distingue il Quasiturbine dal Wankel. In realtà ci sono due modi diversi per configurare questo design: uno con carrozze e uno senza carrozze. Come vedremo, una carrozza, in questo caso, è solo un semplice pezzo di macchina.

Per prima cosa, diamo un'occhiata ai componenti del modello Quasiturbine più semplice: la versione senza carrozze.

Il modello Quasiturbine più semplice assomiglia molto a un motore rotativo tradizionale: un rotore gira all'interno di un alloggiamento di forma quasi ovale. Si noti, tuttavia, che il rotore Quasiturbine ha quattro elementi invece di tre. I lati della guarnizione del rotore contro i lati dell'alloggiamento e gli angoli della guarnizione del rotore contro la periferia interna, dividendola in quattro camere.

In un motore a pistoni, un ciclo completo a quattro tempi produce due giri completi dell'albero motore (vedere Come funzionano i motori delle automobili: combustione interna). Ciò significa che la potenza di un motore a pistoni è pari a metà della corsa per un giro del pistone.

Un motore Quasiturbine, invece, non necessita di pistoni. Invece, i quattro tempi di un tipico motore a pistoni sono disposti in sequenza attorno all'alloggiamento ovale. Non è necessario che l'albero motore esegua la conversione rotativa.

Questa grafica animata identifica ogni ciclo. Notare che in questa illustrazione la candela si trova in una delle porte dell'alloggiamento.

In questo modello base, è molto facile vedere i quattro cicli di combustione interna:

Assunzione, che aspira una miscela di carburante e aria
Compressione, che comprime la miscela aria-carburante in un volume più piccolo
Combustione, che utilizza una scintilla da una candela per accendere il carburante
Scarico, che espelle i gas di scarico (i sottoprodotti della combustione) dal vano motore

I motori Quasiturbine con carrozze funzionano sulla stessa idea di base di questo design semplice, con modifiche progettuali aggiuntive che consentono foto-detonazione. La foto-detonazione è una modalità di combustione superiore che richiede più compressione e maggiore robustezza rispetto a quanto possono fornire i motori a pistoni o rotativi. Ora, vediamo di cosa tratta questa modalità di combustione.

I motori a combustione interna si dividono in quattro categorie in base al modo in cui aria e carburante sono miscelati insieme nella camera di combustione e al modo in cui il carburante viene acceso. Tipo I. include motori in cui l'aria e il carburante si mescolano completamente per formare quello che viene chiamato a miscela omogenea. Quando una scintilla accende il carburante, una fiamma calda attraversa la miscela, bruciando il carburante mentre procede. Questo, ovviamente, è il motore a benzina.

Quattro tipi di motori a combustione interna
	Miscela aria-carburante omogenea	Miscela eterogenea aria-carburante
Accensione a scintilla	Tipo I. Motore a gasolio	Tipo II Motore benzina a iniezione diretta (GDI)
Autoaccensione riscaldata a pressione	Tipo IV Motore di foto detonazione	Tipo III Motore diesel

Tipo II -- un motore a iniezione diretta di benzina - utilizza carburante e aria parzialmente miscelati (cioè una miscela eterogenea) che viene iniettata direttamente nel cilindro piuttosto che in una porta di aspirazione. Una candela quindi accende la miscela, bruciando più carburante e creando meno rifiuti.

Nel Tipo III, aria e carburante sono solo parzialmente miscelati nella camera di combustione. Questa miscela eterogenea viene quindi compressa, il che fa aumentare la temperatura fino a quando non avviene l'autoaccensione. Un motore diesel funziona in questo modo.

Infine, in Tipo IV, le migliori caratteristiche dei motori a benzina e diesel sono combinate. Una carica aria-carburante premiscelata subisce un'enorme compressione fino a quando il carburante si autoinfiamma. Questo è ciò che accade in un motore a foto detonazione e poiché impiega una carica omogenea e un'accensione per compressione, è spesso descritto come un Motore HCCI. La combustione HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) produce praticamente zero emissioni e un'efficienza del carburante superiore. Questo perché i motori a foto detonazione bruciano completamente il carburante, senza lasciare idrocarburi da trattare da un convertitore catalitico o semplicemente espulsi nell'aria.

Fonte: Green Car Congress

Naturalmente, l'alta pressione richiesta per la foto-detonazione esercita una notevole quantità di stress sul motore stesso. I motori a pistoni non possono resistere alla forza violenta della detonazione. E i motori rotativi tradizionali come il Wankel, che hanno camere di combustione più lunghe che limitano la quantità di compressione che possono ottenere, non sono in grado di produrre l'ambiente ad alta pressione necessario affinché avvenga la foto-detonazione.

Entra nella Quasiturbine con le carrozze. Solo questo design è abbastanza forte e abbastanza compatto da resistere alla forza della foto-detonazione e consentire il rapporto di compressione più elevato necessario per l'autoaccensione riscaldata a pressione.

Nella sezione successiva, esamineremo i componenti principali di questo progetto.

Anche con la sua complessità aggiuntiva, il motore Quasiturbine con carrozze ha un design relativamente semplice. Ogni parte è descritta di seguito.

Il alloggiamento (statore), che è un quasi ovale noto come la "pista di pattinaggio di Saint-Hilaire", forma la cavità in cui ruota il rotore. L'alloggiamento contiene quattro porte:

Una porta dove normalmente si trova la candela (la candela può anche essere posizionata nel coperchio dell'alloggiamento - vedi sotto).
Una porta chiusa con un tappo rimovibile.
Una porta per l'aspirazione dell'aria.
Una porta di scarico utilizzata per rilasciare i gas di scarico della combustione.

L'alloggiamento è racchiuso su ogni lato da due copertine. Le copertine hanno tre porte di loro proprietà, consentendo la massima flessibilità nella configurazione del motore. Ad esempio, una porta può fungere da presa da un carburatore convenzionale o essere dotata di un iniettore di gas o diesel, mentre un'altra può servire come posizione alternativa per una candela. Una delle tre porte è una grande uscita per i gas di scarico.

Il modo in cui vengono utilizzate le varie porte dipende dal fatto che l'ingegnere automobilistico desideri un motore a combustione interna tradizionale o uno che fornisca la compressione elevatissima richiesta dalla foto-detonazione.

Il rotore, composto da quattro pale, sostituisce i pistoni di un tipico motore a combustione interna. Ogni lama ha un punta di riempimento e slot di trazione ricevere i bracci di accoppiamento. UN perno forma l'estremità di ogni lama. Il compito del perno è unire una lama all'altra e formare un collegamento tra la lama e l'oscillazione carrozze. Ci sono quattro carrelli a dondolo in totale, uno per ogni lama. Ogni carrello è libero di ruotare attorno allo stesso perno in modo che rimanga sempre a contatto con la parete interna dell'alloggiamento.

Ogni carrozza lavora a stretto contatto con due ruote, il che significa che ci sono otto ruote in tutto. Le ruote consentono al rotore di rotolare dolcemente sulla superficie sagomata della parete dell'alloggiamento e sono larghe per ridurre la pressione nel punto di contatto.

Il motore Quasiturbine non necessita di un albero centrale per funzionare; ma, naturalmente, un'auto richiede un albero di uscita per trasferire potenza dal motore alle ruote. Il albero di uscita è collegato al rotore da due bracci di accoppiamento, che si adattano agli slot di trazione e quattro bretelle per le braccia.

Quando metti insieme tutte le parti, il motore ha questo aspetto:

Foto per gentile concessione di Quasiturbine.com
Motore quasiturbine con carrozze

Si noti che il motore Quasiturbine non ha nessuna delle parti complesse di un tipico motore a pistoni. Non ha albero motore, valvole, pistoni, aste di spinta, bilancieri o camme. E poiché le pale del rotore "girano" sui carrelli e sulle ruote, c'è poco attrito, il che significa che l'olio e una coppa dell'olio non sono necessari.

Ora che abbiamo esaminato i componenti principali della Quasiturbine con carrozze, vediamo come si combina tutto. Questa animazione illustra il ciclo di combustione:

Foto per gentile concessione di Quasiturbine.com

La prima cosa che noterai è come le pale del rotore, mentre girano, cambiano il volume delle camere. Innanzitutto il volume aumenta, il che consente l'espansione della miscela aria-carburante. Quindi il volume diminuisce, il che comprime la miscela in uno spazio più piccolo.

La seconda cosa che noterai è come un colpo di combustione finisce proprio quando il prossimo colpo di combustione è pronto per sparare. Creando un piccolo canale lungo la parete interna dell'alloggiamento accanto alla candela, una piccola quantità di gas caldo viene lasciata rifluire alla successiva camera di combustione pronta per il fuoco quando ciascuna delle guarnizioni del carrello passa sul canale. Il risultato è combustione continua, proprio come nella turbina a gas dell'aereo!

Ciò che tutto ciò comporta nel motore Quasiturbine è una maggiore efficienza e prestazioni. Le quattro camere producono due circuiti consecutivi. Il primo circuito viene utilizzato per comprimersi ed espandersi durante la combustione. Il secondo viene utilizzato per espellere l'aria di scarico e di aspirazione. In un giro del rotore, vengono creati quattro colpi di potenza. È otto volte più di un tipico motore a pistoni! Anche un motore Wankel, che produce tre colpi di potenza per giro del rotore, non può eguagliare le prestazioni di una Quasiturbine.

Ovviamente, la maggiore potenza erogata dal motore Quasiturbine lo rende superiore ai motori Wankel e a pistoni, ma ha anche risolto molti dei problemi prefissati dal Wankel. Ad esempio, i motori Wankel portano a una combustione incompleta della miscela aria-carburante, con i restanti idrocarburi incombusti rilasciati nello scarico. Il motore Quasiturbine risolve questo problema con una camera di combustione del 30 percento meno allungata. Ciò significa che la miscela aria-carburante nella quasiturbina subisce una maggiore compressione e una combustione più completa. Significa anche che, con meno carburante incombusto, la Quasiturbine aumenta l'efficienza del carburante drammaticamente.

Altri vantaggi significativi della Quasiturbine includono:

Zero vibrazioni perché il motore è perfettamente bilanciato
Accelerazione più rapida senza volano
Coppia maggiore a un numero di giri inferiore
Funzionamento quasi oil-free
Meno rumore
Flessibilità completa per operare completamente sommerso o con qualsiasi orientamento, anche capovolto
Meno parti in movimento per una minore usura

Infine, la Quasiturbine può funzionare con diversi tipi di carburante, tra cui metanolo, benzina, cherosene, gas naturale e diesel. Può persino ospitare l'idrogeno come fonte di carburante, rendendolo una soluzione di transizione ideale man mano che le auto si evolvono dalla combustione tradizionale a combustibili alternativi.

Foto per gentile concessione di Quasiturbine.com

-Considerando che il moderno motore a combustione interna è stato inventato da Karl Benz nel 1886 e ha goduto di quasi 120 anni di perfezionamenti del design, il motore Quasiturbine è ancora agli inizi. Il motore non viene utilizzato in applicazioni del mondo reale che testino la sua idoneità come sostituto del motore a pistoni (o del motore rotativo, se è per questo). È ancora nella sua fase di prototipo: il miglior aspetto che qualcuno abbia ottenuto finora è stato quando è stato dimostrato su un go-kart nel 2004. La Quasiturbine potrebbe non essere una tecnologia del motore competitiva per decenni.

In futuro, tuttavia, probabilmente vedrai la Quasiturbine usata in qualcosa di più della tua auto. Poiché l'area centrale del motore è voluminosa e non richiede un albero centrale, può ospitare generatori, eliche e altri dispositivi di uscita, rendendolo un motore ideale per motoseghe, paracadute motorizzati, motoslitte, compressori d'aria, sistemi di propulsione navale e centrali elettriche.

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