Wie Quasiturbine-Motoren funktionieren

Das Motordesign trifft auf drei Faktoren: Bedenken hinsichtlich der Auswirkungen von Autoemissionen auf die Umwelt; steigende Gaspreise und die Notwendigkeit, fossile Brennstoffe zu schonen; und die Erkenntnis, dass das wasserstoffbetriebene Auto - sei es durch eine Wasserstoffbrennstoffzelle oder durch Wasserstoffbrennstoffverbrennung - in naher Zukunft sein Versprechen nicht erfüllen wird. Infolgedessen interessieren sich viele Ingenieure mehr für die Verbesserung des Verbrennungsmotors.

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Foto mit freundlicher Genehmigung von Quasiturbine.com Quasiturbine Motor. Weitere Bilder von Motoren anzeigen.

Der 1996 patentierte Quasiturbine-Motor ist eine solche Verbesserung. In diesem Artikel stellen wir die Quasiturbine-Engine vor und beantworten die folgenden Fragen:

• Woher kam die Idee für den Motor??
• Was sind die Teile des Quasiturbine-Motors?
• Wie funktioniert der Quasiturbine-Motor??
• Wie ist die Leistung im Vergleich zu anderen Verbrennungsmotoren??

Lassen Sie uns zunächst einige Grundlagen des Motors betrachten.

Um zu sehen, wie ein Quasiturbine-Motor funktioniert, müssen Sie einige Motorgrundlagen verstehen.

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-Das Grundprinzip eines Verbrennungsmotors ist einfach: Wenn Sie eine kleine Menge Luft und energiereichen Kraftstoff (wie Benzin) in einen kleinen, geschlossenen Raum geben und diesen entzünden, dehnt sich das Gas schnell aus und setzt eine unglaubliche Menge Energie frei.

Das ultimative Ziel eines Motors ist es, die Energie dieses expandierenden Gases in eine Drehbewegung umzuwandeln. Bei Automotoren besteht das spezifische Ziel darin, a zu drehen Antriebswelle schnell. Die Antriebswelle ist mit verschiedenen Komponenten verbunden, die die Drehbewegung auf die Räder des Fahrzeugs übertragen.

Um die Energie der Gasausdehnung auf diese Weise zu nutzen, muss ein Motor eine Reihe von Ereignissen durchlaufen, die viele winzige Gasexplosionen verursachen. In diesem Verbrennungszyklus, Der Motor muss:

• Lassen Sie eine Mischung aus Kraftstoff und Luft in eine Kammer
• Kraftstoff und Luft komprimieren
• Zünden Sie den Kraftstoff, um eine Explosion zu verursachen
• Befreit das Auspuff (Betrachten Sie es als Nebenprodukt der Explosion)

Dann beginnt der Zyklus von vorne.

Wie Motoren funktionieren, erklärt ausführlich, wie dies bei herkömmlichen Kolbenmotoren funktioniert. Im Wesentlichen drückt der Verbrennungszyklus einen Kolben auf und ab, der die Antriebswelle über eine Kurbelwelle dreht.

Während der Kolbenmotor der häufigste Typ in Autos ist, arbeitet der Quasiturbine-Motor eher wie ein Rotationsmotor. Anstatt einen Kolben wie einen typischen Automotor zu verwenden, verwendet ein Rotationsmotor a dreieckiger Rotor den Verbrennungszyklus zu erreichen. Der Verbrennungsdruck ist in einer Kammer enthalten, die auf der einen Seite von einem Teil des Gehäuses und auf der anderen Seite von der Fläche des dreieckigen Rotors gebildet wird.

Der Weg des Rotors hält jede der drei Rotorspitzen in Kontakt mit dem Gehäuse, wodurch drei separate Gasvolumina erzeugt werden. Während sich der Rotor um die Kammer bewegt, dehnt sich jedes der drei Gasvolumina abwechselnd aus und zieht sich zusammen. Es ist diese Expansion und Kontraktion, die Luft und Kraftstoff in den Motor zieht, ihn komprimiert, nützliche Energie erzeugt, wenn sich die Gase ausdehnen und dann das Abgas ausstößt. (Weitere Informationen finden Sie unter Funktionsweise von Rotationsmotoren.).

In den nächsten Abschnitten werden wir sehen, wie die Quasiturbine die Idee eines Rotationsmotors noch weiter vorantreibt.

Die Familie Saint-Hilaire patentierte 1996 erstmals den Quasiturbine-Verbrennungsmotor. Das Quasiturbine-Konzept ergab sich aus Untersuchungen, die mit einer intensiven Bewertung aller Motorkonzepte begannen, um Vor- und Nachteile sowie Verbesserungsmöglichkeiten festzustellen. Während dieses Erkundungsprozesses stellte das Saint-Hilaire-Team fest, dass eine einzigartige Motorlösung eine Lösung sein würde, die Verbesserungen am Standard-Wankel- oder Rotationsmotor vornimmt.

Wie Rotationsmotoren basiert auch der Quasiturbine-Motor auf einem Rotor-Gehäuse-Design. Anstelle von drei Schaufeln hat der Quasiturbine-Rotor vier miteinander verkettete Elemente, wobei sich zwischen jedem Element und den Wänden des Gehäuses Brennkammern befinden.

Foto mit freundlicher Genehmigung von Quasiturbine.com Einfaches Quasiturbine-Design

Das vierseitiger Rotor ist das, was die Quasiturbine vom Wankel unterscheidet. Es gibt zwei Möglichkeiten, dieses Design zu konfigurieren - eine mit Wagen und einer ohne Wagen. Wie wir sehen werden, ist ein Wagen in diesem Fall nur ein einfaches Maschinenstück.

Schauen wir uns zunächst die Komponenten des einfacheren Quasiturbine-Modells an - die Version ohne Wagen.

Das einfachere Quasiturbine-Modell ähnelt einem herkömmlichen Rotationsmotor: Ein Rotor dreht sich in einem fast ovalen Gehäuse. Beachten Sie jedoch, dass der Quasiturbine-Rotor vier statt drei Elemente aufweist. Die Seiten der Rotordichtung gegen die Seiten des Gehäuses und die Ecken der Rotordichtung gegen den Innenumfang, wodurch sie in vier Kammern unterteilt wird.

Bei einem Kolbenmotor erzeugt ein vollständiger Viertaktzyklus zwei vollständige Umdrehungen der Kurbelwelle (siehe Funktionsweise von Automotoren: Verbrennung). Das heißt, die Leistung eines Kolbenmotors beträgt einen halben Arbeitstakt pro Kolbenumdrehung.

Ein Quasiturbine-Motor benötigt dagegen keine Kolben. Stattdessen sind die vier Hübe eines typischen Kolbenmotors nacheinander um das ovale Gehäuse angeordnet. Die Kurbelwelle muss die Rotationsumwandlung nicht durchführen.

Diese animierte Grafik identifiziert jeden Zyklus. Beachten Sie, dass sich in dieser Abbildung die Zündkerze in einem der Gehäuseanschlüsse befindet.

In diesem Grundmodell sind die vier Verbrennungszyklen sehr leicht zu erkennen:

• Aufnahme, das zieht eine Mischung aus Kraftstoff und Luft
• Kompression, das drückt das Kraftstoff-Luft-Gemisch in ein kleineres Volumen
• Verbrennung, die einen Funken von einer Zündkerze verwendet, um den Kraftstoff zu zünden
• Auspuff, Dadurch werden Abgase (die Nebenprodukte der Verbrennung) aus dem Motorraum ausgestoßen

Quasiturbine-Motoren mit Wagen arbeiten nach der gleichen Grundidee wie dieses einfache Design, mit zusätzlichen Designänderungen, die dies ermöglichen Fotodetonation. Die Photodetonation ist ein überlegener Verbrennungsmodus, der mehr Kompression und mehr Robustheit erfordert, als Kolben- oder Rotationsmotoren bieten können. Nun wollen wir sehen, worum es in diesem Verbrennungsmodus geht.

Verbrennungsmotoren lassen sich in vier Kategorien einteilen, je nachdem, wie gut Luft und Kraftstoff im Brennraum miteinander vermischt sind und wie der Kraftstoff gezündet wird. Tippe I umfasst Motoren, bei denen sich Luft und Kraftstoff gründlich mischen, um das zu bilden, was als a bezeichnet wird homogene Mischung. Wenn ein Funke den Kraftstoff entzündet, fegt eine heiße Flamme durch das Gemisch und verbrennt den Kraftstoff dabei. Dies ist natürlich der Benzinmotor.

Vier Arten von Verbrennungsmotoren
	Homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch	Heterogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch
Funkenentzündung	Tippe I Benzinmotor	Typ II Benzin-Direkteinspritzungsmotor (GDI)
Druckbeheizte Selbstentzündung	Typ IV Photo-Detonation Engine	Typ III Dieselmotor

Typ II -- ein Benzin-Direkteinspritzungsmotor - verwendet teilweise gemischten Kraftstoff und Luft (d. h. ein heterogenes Gemisch), die direkt in den Zylinder und nicht in eine Einlassöffnung eingespritzt werden. Eine Zündkerze zündet dann das Gemisch, verbrennt mehr Kraftstoff und erzeugt weniger Abfall.

Im Typ III, Luft und Kraftstoff werden im Brennraum nur teilweise gemischt. Dieses heterogene Gemisch wird dann komprimiert, wodurch die Temperatur steigt, bis eine Selbstentzündung stattfindet. Ein Dieselmotor arbeitet auf diese Weise.

Endlich in Typ IV, Die besten Eigenschaften von Benzin- und Dieselmotoren werden kombiniert. Eine vorgemischte Kraftstoff-Luft-Ladung erfährt eine enorme Kompression, bis sich der Kraftstoff selbst entzündet. Dies ist, was in einem Photodetonationsmotor passiert, und da es eine homogene Lade- und Selbstzündung verwendet, wird es oft als bezeichnet HCCI-Motor. Die Verbrennung mit HCCI (Homogene Charge Compression Ignition) führt zu praktisch keinen Emissionen und einer überlegenen Kraftstoffeffizienz. Dies liegt daran, dass Photodetonationsmotoren den Kraftstoff vollständig verbrennen und keine Kohlenwasserstoffe zurücklassen, die von einem Katalysator behandelt oder einfach in die Luft ausgestoßen werden müssen.

Quelle: Green Car Congress

Natürlich belastet der für die Fotodetonation erforderliche hohe Druck den Motor selbst erheblich. Kolbenmotoren können der heftigen Kraft der Detonation nicht standhalten. Und herkömmliche Rotationsmotoren wie der Wankel, die längere Brennräume haben, die die Kompression begrenzen, die sie erreichen können, sind nicht in der Lage, die Hochdruckumgebung zu erzeugen, die für die Photodetonation erforderlich ist.

Betreten Sie die Quasiturbine mit Kutschen. Nur diese Konstruktion ist stark genug und kompakt genug, um der Kraft der Photodetonation standzuhalten und das höhere Kompressionsverhältnis zu ermöglichen, das für eine druckbeheizte Selbstentzündung erforderlich ist.

Im nächsten Abschnitt werden wir uns die Hauptkomponenten dieses Designs ansehen.

Trotz seiner zusätzlichen Komplexität ist der Quasiturbine-Motor mit Wagen relativ einfach aufgebaut. Jeder Teil wird unten beschrieben.

Das Gehäuse (Stator), ein nahezu ovales Eis, das als "Saint-Hilaire-Eisbahn" bekannt ist, bildet den Hohlraum, in dem sich der Rotor dreht. Das Gehäuse enthält vier Ports::

• Ein Anschluss, an dem die Zündkerze normalerweise sitzt (die Zündkerze kann auch im Gehäusedeckel platziert werden - siehe unten).
• Ein Anschluss, der mit einem abnehmbaren Stecker verschlossen ist.
• Ein Anschluss für die Ansaugung von Luft.
• Eine Auslassöffnung zur Freisetzung der Abgase der Verbrennung.

Das Gehäuse ist auf jeder Seite von zwei umschlossen Abdeckungen. Die Abdeckungen haben drei Ports für maximale Flexibilität bei der Konfiguration des Motors. Beispielsweise kann ein Anschluss als Einlass von einem herkömmlichen Vergaser dienen oder mit einem Gas- oder Dieselinjektor ausgestattet sein, während ein anderer als alternativer Ort für eine Zündkerze dienen kann. Einer der drei Anschlüsse ist ein großer Auslass für Abgase.

Wie die verschiedenen Anschlüsse verwendet werden, hängt davon ab, ob der Automobilingenieur einen herkömmlichen Verbrennungsmotor oder einen Motor wünscht, der die für die Photodetonation erforderliche extrem hohe Kompression liefert.

Der aus vier Blättern bestehende Rotor ersetzt die Kolben eines typischen Verbrennungsmotors. Jede Klinge hat eine Füllspitze und Traktionsschlitze die Kupplungsarme zu erhalten. EIN schwenken bildet das Ende jeder Klinge. Die Aufgabe des Drehpunkts besteht darin, eine Klinge mit der nächsten zu verbinden und eine Verbindung zwischen der Klinge und der Schaukel herzustellen Wagen. Insgesamt gibt es vier Schaukelwagen, einen für jede Klinge. Jeder Schlitten kann sich frei um denselben Drehpunkt drehen, so dass er jederzeit mit der Innenwand des Gehäuses in Kontakt bleibt.

Jeder Wagen arbeitet eng mit zwei zusammen Räder, Das heißt, es gibt insgesamt acht Räder. Die Räder ermöglichen es dem Rotor, reibungslos auf der konturierten Oberfläche der Gehäusewand zu rollen, und sind breit gemacht, um den Druck am Kontaktpunkt zu verringern.

Der Quasiturbine-Motor benötigt zum Betrieb keine zentrale Welle. Aber natürlich benötigt ein Auto eine Abtriebswelle, um die Kraft vom Motor auf die Räder zu übertragen. Das Abtriebswelle ist durch zwei mit dem Rotor verbunden Kupplungsarme, die in Traktionsschlitze passen, und vier Armstützen.

Wenn Sie alle Teile zusammenfügen, sieht der Motor folgendermaßen aus:

Foto mit freundlicher Genehmigung von Quasiturbine.com Quasiturbinenmotor mit Wagen

Beachten Sie, dass der Quasiturbine-Motor keine der komplizierten Teile eines typischen Kolbenmotors aufweist. Es hat keine Kurbelwelle, Ventile, Kolben, Schubstangen, Wippen oder Nocken. Und weil die Rotorblätter auf den Wagen und Rädern "fahren", gibt es wenig Reibung, was bedeutet, dass Öl und eine Ölwanne nicht erforderlich sind.

Nachdem wir uns nun die Hauptkomponenten der Quasiturbine mit Wagen angesehen haben, wollen wir sehen, wie alles zusammenkommt. Diese Animation zeigt den Verbrennungszyklus:

Foto mit freundlicher Genehmigung von Quasiturbine.com

Das erste, was Sie bemerken werden, ist, wie die Rotorblätter beim Drehen das Volumen der Kammern verändern. Zunächst nimmt das Volumen zu, wodurch sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch ausdehnen kann. Dann nimmt das Volumen ab, wodurch die Mischung auf einen kleineren Raum komprimiert wird.

Das zweite, was Sie bemerken werden, ist, wie ein Verbrennungshub genau dann endet, wenn der nächste Verbrennungshub feuerbereit ist. Durch Herstellen eines kleinen Kanals entlang der inneren Gehäusewand neben der Zündkerze kann eine kleine Menge heißes Gas zur nächsten feuerfertigen Brennkammer zurückströmen, wenn jede der Schlittenabdichtungen über den Kanal läuft. Das Ergebnis ist kontinuierliche Verbrennung, genau wie in der Flugzeuggasturbine!

Was all dies im Quasiturbine-Motor bedeutet, ist eine Steigerung der Effizienz und Leistung. Die vier Kammern erzeugen zwei aufeinanderfolgende Schaltkreise. Der erste Kreislauf dient zum Komprimieren und Ausdehnen während der Verbrennung. Die zweite dient zum Ausstoßen von Abluft und Ansaugluft. In einer Umdrehung des Rotors werden vier Krafthübe erzeugt. Das ist achtmal mehr als ein typischer Kolbenmotor! Selbst ein Wankelmotor, der drei Rotationshübe pro Rotordrehzahl erzeugt, kann nicht mit der Leistung einer Quasiturbine mithalten.

Die erhöhte Leistung des Quasiturbine-Motors macht ihn natürlich Wankel- und Kolbenmotoren überlegen, hat aber auch viele der vom Wankel vorgestellten Probleme gelöst. Beispielsweise führen die Wankelmotoren zu einer unvollständigen Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, wobei die verbleibenden unverbrannten Kohlenwasserstoffe in das Abgas freigesetzt werden. Der Quasiturbine-Motor überwindet dieses Problem mit einer Brennkammer, die 30 Prozent weniger lang ist. Dies bedeutet, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Quasiturbine eine stärkere Kompression und eine vollständigere Verbrennung erfährt. Dies bedeutet auch, dass die Quasiturbine mit weniger Kraftstoff unverbrannt bleibt erhöht die Kraftstoffeffizienz dramatisch.

Weitere wichtige Vorteile der Quasiturbine sind:

• Keine Vibrationen, da der Motor perfekt ausbalanciert ist
• Schnellere Beschleunigung ohne Schwungrad
• Höheres Drehmoment bei niedrigerer Drehzahl
• Fast ölfreier Betrieb
• Weniger Lärm
• Volle Flexibilität, um vollständig unter Wasser oder in jeder Ausrichtung zu arbeiten, auch auf dem Kopf stehend
• Weniger bewegliche Teile für weniger Verschleiß

Schließlich kann die Quasiturbine mit verschiedenen Kraftstoffarten betrieben werden, darunter Methanol, Benzin, Kerosin, Erdgas und Diesel. Es kann sogar Wasserstoff als Kraftstoffquelle aufnehmen, was es zu einer idealen Übergangslösung macht, wenn sich Autos von der traditionellen Verbrennung zu alternativen Kraftstoffen entwickeln.

Foto mit freundlicher Genehmigung von Quasiturbine.com

-Angesichts der Tatsache, dass der moderne Verbrennungsmotor 1886 von Karl Benz erfunden wurde und fast 120 Jahre lang weiterentwickelt wurde, steckt der Quasiturbine-Motor noch in den Kinderschuhen. Der Motor wird in keiner realen Anwendung verwendet, die seine Eignung als Ersatz für den Kolbenmotor (oder den Rotationsmotor) testen würde. Es befindet sich noch in der Prototypenphase - das beste Aussehen, das jemals jemand bekommen hat, ist, als es 2004 auf einem Go-Kart demonstriert wurde. Die Quasiturbine ist möglicherweise jahrzehntelang keine wettbewerbsfähige Motorentechnologie.

In Zukunft werden Sie die Quasiturbine jedoch wahrscheinlich nicht nur in Ihrem Auto verwenden. Da der zentrale Motorbereich voluminös ist und keine zentrale Welle benötigt, kann er Generatoren, Propeller und andere Abtriebsvorrichtungen aufnehmen. Dies macht ihn zu einem idealen Motor für Kettensägen, angetriebene Fallschirme, Schneemobile, Luftkompressoren, Schiffsantriebssysteme und elektrische Kraftwerke.

Weitere Informationen zum Quasiturbine-Motor, zu anderen Motortypen und verwandten Themen finden Sie unter den Links auf der nächsten Seite.

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Weitere großartige Links

• US-Patent Nr. 6,164,263: Quasiturbine AC (Quasiturbine-Vibrations-Rotationsmotor-Kompressor oder -Pumpe mit vibrationsfreier kontinuierlicher Verbrennung)
• MIT: Wasserstofffahrzeug wird nicht bald lebensfähig sein, sagt Studie

Quellen

• Ashley, Steven. 2001. Eine umweltfreundliche Motorlösung. Wissenschaftlicher Amerikaner. Juni.
• Bode, Dave. 2000. Ein Motor für das neue Jahrtausend? FindArticles.com. April.
  http://www.findarticles.com/p/articles/mi_
  m0FZX / is_4_66 / ai_62371174 / print
• Physics Daily: Die Physik-Enzyklopädie, s.v. "Quasiturbine"
  http://www.physicsdaily.com/physics/Quasiturbine (abgerufen am 14. Mai 2005).
• Physics Daily: Die Physik-Enzyklopädie, s.v. "Wankelmotor"
  http://www.physicsdaily.com/physics/Wankel_engine (abgerufen am 14. Mai 2005).
• Quasiturbine.com, http://www.quasiturbine.com/EIndex.htm
• Stauffer, Nancy. 2003. Wasserstofffahrzeug wird nicht bald lebensfähig sein,
  Studie sagt. Nachrichtenbüro des Massachusetts Institute of Technology. 5. März.
  http://web.mit.edu/newsoffice/tt/2003/mar05/hydrogen.html
• Stokes, Myron D. 2003. Quantenparallele: Die Saint-Hilaire "Quasiturbine"
  als Grundlage für einen gleichzeitigen Paradigmenwechsel in Fahrzeugantriebssystemen. 15. Dezember.
• Tse, Lawrence. 2003. Quasiturbine: Photo-Detonation Engine für
  optimale Umweltvorteile. Visionengineer.com. 8. Juni.
  http://www.visionengineer.com/mech/quasiturbine.php
• Website des US-Patentamts, Patentanmeldung Quasiturbine.
  Patent Nr. 6,659,065.
• Wright, Michael und Mukul Patel, Hrsg. 2000.
  Scientific American: Wie die Dinge heute funktionieren.
  New York: Crown Publishers.