Конструкция двигателя находится в месте слияния трех факторов:заботы о том, как выбросы автомобилей повлияют на окружающую среду; рост цен на газ и необходимость сохранения ресурсов ископаемого топлива; и осознание того, что автомобиль с водородным двигателем — будь то водородный топливный элемент или водородное внутреннее сгорание — не оправдает возложенных на него надежд в ближайшем будущем. В результате многие инженеры проявляют больший интерес к совершенствованию двигателя внутреннего сгорания.
<центр> 
Фото предоставлено Quasiturbine.com
Квазитурбинный двигатель. Посмотреть 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:
Давайте начнем с изучения некоторых основ движка.
Чтобы понять, как работает квазитурбинный двигатель, вам нужно понять некоторые его основы.
Узнать большеОсновной 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 с автомобильными двигателями цель состоит в том, чтобы вращать карданный вал. быстро. 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 горения , движок должен:
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.
<центр>
В то время как поршневой двигатель является наиболее распространенным типом в автомобилях, квазитурбинный двигатель работает больше как роторный двигатель. Вместо поршня, как в обычном автомобильном двигателе, в роторном двигателе используется треугольный ротор. для достижения цикла горения. Давление сгорания содержится в камере, образованной частью корпуса с одной стороны и поверхностью треугольного ротора с другой стороны.
<центр>
Путь ротора удерживает каждую из трех вершин ротора в контакте с корпусом, создавая три отдельных объема газа. При движении ротора по камере каждый из трех объемов газа попеременно расширяется и сжимается. Именно это расширение и сжатие втягивает воздух и топливо в двигатель, сжимает его, создает полезную мощность по мере расширения газов, а затем вытесняет выхлопные газы. (Дополнительную информацию см. в разделе Как работают роторные двигатели).
В следующих нескольких разделах мы увидим, как квазитурбина развивает идею роторного двигателя еще дальше.
Содержание
Семья Сент-Илер впервые запатентовала квазитурбинный двигатель внутреннего сгорания в 1996 году. Концепция квазитурбины возникла в результате исследований, которые начались с тщательной оценки всех концепций двигателей с целью выявления преимуществ, недостатков и возможностей для улучшения. В ходе этого исследовательского процесса команда Saint-Hilaire пришла к выводу, что уникальным решением для двигателя будет улучшение стандартного двигателя Ванкеля, или роторного двигателя.
Как и роторные двигатели, квазитурбинный двигатель основан на роторно-корпусной конструкции. Но вместо трех лопастей ротор квазитурбины имеет четыре соединенных вместе цепочкой элемента с камерами сгорания, расположенными между каждым элементом и стенками корпуса.
<центр> 
Фото предоставлено Quasiturbine.com
Простой дизайн квазитурбины
Четырехсторонний ротор это то, что отличает квазитурбину от Ванкеля. На самом деле есть два разных способа настроить этот дизайн:один с каретками. и один без вагонов . Как мы увидим, каретка в данном случае — это просто деталь машины.
Сначала рассмотрим компоненты более простой модели Квазитурбины — версии без кареток.
Более простая модель квазитурбины очень похожа на традиционный роторный двигатель:ротор вращается внутри корпуса почти овальной формы. Обратите внимание, однако, что ротор квазитурбины состоит из четырех элементов вместо трех. Стороны ротора уплотняются по бокам корпуса, а углы ротора уплотняются по внутренней периферии, разделяя его на четыре камеры.
<центр> 
В поршневом двигателе один полный четырехтактный цикл производит два полных оборота коленчатого вала (см. Как работают автомобильные двигатели:внутреннее сгорание). Это означает, что выходная мощность поршневого двигателя составляет половину рабочего хода за один оборот поршня.
С другой стороны, квазитурбинный двигатель не нуждается в поршнях. Вместо этого четыре такта типичного поршневого двигателя расположены последовательно вокруг овального корпуса. Коленчатый вал не нужен для преобразования вращения.
Этот анимированный рисунок идентифицирует каждый цикл. Обратите внимание, что на этом рисунке свеча зажигания расположена в одном из портов корпуса.
<центр> 
В этой базовой модели очень легко увидеть четыре цикла внутреннего сгорания:
Квазитурбинные двигатели с каретками основаны на той же базовой идее, что и эта простая конструкция, с дополнительными конструктивными изменениями, позволяющими осуществлять фотодетонацию. . Фотодетонация - это превосходный режим сгорания, который требует большего сжатия и большей прочности, чем могут обеспечить поршневые или роторные двигатели. Теперь давайте посмотрим, что представляет собой этот режим горения.
Двигатели внутреннего сгорания делятся на четыре категории в зависимости от того, насколько хорошо воздух и топливо смешиваются в камере сгорания и как топливо воспламеняется. Тип I включает двигатели, в которых воздух и топливо тщательно смешиваются, образуя так называемую однородную смесь. . Когда искра воспламеняет топливо, горячее пламя проносится через смесь, сжигая топливо на ходу. Это, конечно же, бензиновый двигатель.
Тип II - двигатель с непосредственным впрыском бензина - использует частично смешанное топливо и воздух (то есть гетерогенную смесь), которая впрыскивается непосредственно в цилиндр, а не во впускное отверстие. Затем свеча зажигания воспламеняет смесь, сжигая больше топлива и создавая меньше отходов.
В типе III , воздух и топливо лишь частично смешиваются в камере сгорания. Эта гетерогенная смесь затем сжимается, что вызывает повышение температуры до тех пор, пока не произойдет самовоспламенение. Так работает дизельный двигатель.
Наконец, в типе IV , сочетаются лучшие качества бензиновых и дизельных двигателей. Предварительно смешанный топливно-воздушный заряд подвергается сильному сжатию до тех пор, пока топливо не самовоспламенится. Именно это происходит в фотодетонационном двигателе, и, поскольку в нем используется гомогенный заряд и воспламенение от сжатия, его часто называют двигателем HCCI. . Сгорание HCCI (с воспламенением от сжатия гомогенного заряда) приводит к практически полному отсутствию выбросов и превосходной эффективности использования топлива. Это связано с тем, что в двигателях с фотодетонацией топливо полностью сгорает, не оставляя после себя углеводородов, которые нужно обрабатывать каталитическим нейтрализатором или просто выбрасывать в воздух.
<центр> 
Источник:Конгресс экологически чистых автомобилей
Конечно, высокое давление, необходимое для фотодетонации, создает значительную нагрузку на сам двигатель. Поршневые двигатели не выдерживают сильной силы детонации. А традиционные роторные двигатели, такие как двигатель Ванкеля, с более длинными камерами сгорания, которые ограничивают величину сжатия, которую они могут достичь, не способны создавать среду высокого давления, необходимую для фотодетонации.
Войдите в Квазитурбину с вагонами. Только эта конструкция достаточно прочна и достаточно компактна, чтобы выдержать силу фотодетонации и обеспечить более высокую степень сжатия, необходимую для самовоспламенения при нагреве под давлением.
В следующем разделе мы рассмотрим основные компоненты этого дизайна.
жилье (статор), который представляет собой почти овал, известный как «каток Сен-Илера», образует полость, в которой вращается ротор. Корпус содержит четыре порта :
<центр> 
Корпус закрыт с каждой стороны двумя крышками . Крышки имеют три порта сами по себе, что обеспечивает максимальную гибкость в настройке двигателя. Например, один порт может служить впускным отверстием для обычного карбюратора или быть оснащен газовым или дизельным инжектором, а другой может служить альтернативным местом для свечи зажигания. Один из трех портов представляет собой большой выход для выхлопных газов.
<центр> 
То, как используются различные порты, зависит от того, хочет ли автомобильный инженер традиционный двигатель внутреннего сгорания или тот, который обеспечивает сверхвысокую степень сжатия, необходимую для фотодетонации.
Ротор, состоящий из четырех лопастей, заменяет поршни типичного двигателя внутреннего сгорания. Каждое лезвие имеет заправочный наконечник. и тракционные слоты для приема соединительных рычагов. Поворот образует конец каждой лопасти. Задача шарнира состоит в том, чтобы соединить одну лопасть с другой и сформировать соединение между лопастью и качающимися каретками. . Всего имеется четыре каретки-качалки, по одной на каждую лопасть. Каждая каретка может свободно вращаться вокруг одного и того же шарнира, так что она все время остается в контакте с внутренней стенкой корпуса.
<центр> 
Каждая каретка взаимодействует с двумя колесами. , что означает, что всего имеется восемь колес. Колеса позволяют ротору плавно катиться по рельефной поверхности стенки корпуса и выполнены широкими для снижения давления в месте контакта.
Для работы квазитурбинного двигателя не требуется центральный вал; но, конечно, автомобилю требуется выходной вал для передачи мощности от двигателя к колесам. Выходной вал соединен с ротором двумя соединяющими рычагами , которые вставляются в прорези для тяги, и четыре распорки для рук .
<центр> 
Когда вы соедините все части вместе, двигатель будет выглядеть так:
<центр> 
Фото предоставлено сайтом Quasiturbine.com
Квазитурбинный двигатель с каретками
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:
<центр> 
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. Результатом является непрерывное горение , прямо 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 повышает эффективность использования топлива. резко.
К другим существенным преимуществам квазитурбины относятся:
<центр> 
Фото предоставлено 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. Лучшее, что кто-либо видел, это когда он был продемонстрирован 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, в нем могут быть установлены генераторы, гребные винты и другие выходные устройства, что делает его идеальным двигателем для привода 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.
Связанные статьи HowStuffWorks
Больше отличных ссылок
Источники
Как работают дизельные двигатели. Часть 3
Как работают гибридные движки?
Как работают автомобильные двигатели?
Сколько стоит новый движок? [5 движков для рассмотрения]
Что такое HEMI? Как это работает?