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.
Квазитурбинный двигатель, запатентованный в 1996 году, является именно таким усовершенствованием. В этой статье мы познакомимся с квазитурбинным двигателем и ответим на следующие вопросы:
- Откуда пришла идея двигателя?
- Из каких частей состоит квазитурбинный двигатель?
- Как работает квазитурбинный двигатель?
- Каковы его характеристики по сравнению с другими двигателями внутреннего сгорания?
Давайте начнем с рассмотрения некоторых основ двигателя.
Чтобы увидеть, как работает квазитурбинный двигатель, вам нужно понять некоторые основы двигателя.
Основной принцип любого двигателя внутреннего сгорания прост: если вы поместите небольшое количество воздуха и высокоэнергетического топлива (например, бензина) в небольшое замкнутое пространство и зажжете его, газ быстро расширится, высвобождая невероятное количество энергии.
Конечной целью двигателя является преобразование энергии расширяющегося газа во вращательное движение. В случае автомобильных двигателей конкретная цель состоит в том, чтобы быстро вращать коленчатый вал. 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 сгорания двигатель должен:
- Впускаем смесь топлива и воздуха в камеру сгорания
- Сжать топливо и воздух
- Подожгите топливо, чтобы произвести взрыв
- Выпустить отработанные газы (думайте об этом как о побочном продукте взрыва)
Затем цикл начинается снова.
По сути, цикл сгорания толкает поршень вверх и вниз, который вращает коленчатый вал.
В то время как поршневой двигатель является наиболее распространенным типом в автомобилях, квазитурбинный двигатель работает больше как роторный двигатель. Вместо использования поршня, как в типичном автомобильном двигателе, в роторном двигателе используется треугольный ротор для достижения цикла сгорания. Давление сгорания содержится в камере, образованной частью корпуса с одной стороны и поверхностью треугольного ротора, с другой стороны.
Форма 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.
В следующих нескольких разделах мы увидим, как квазитурбина ещё больше продвигает идею роторного двигателя.
Основы квазитурбины.
Семья Сент-Илер впервые запатентовала квазитурбинный двигатель внутреннего сгорания в 1996 году. Концепция квазитурбины возникла в результате исследований, которые начались с интенсивной 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.
Четырехгранный ротор отличает квазитурбину от Ванкеля. На самом деле существует два различных способа настройки этой конструкции — один с каретками и один без кареток. Как мы увидим, каретка в данном случае — это всего лишь простая деталь машины.
Сначала рассмотрим составные части 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.
В поршневом двигателе один полный четырехтактный цикл производит два полных оборота коленчатого вала. 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. Нет необходимости в коленчатом валу для выполнения вращательного преобразования.
Этот анимированный рисунок идентифицирует каждый цикл. Обратите внимание, что на этом рисунке свеча зажигания расположена в одном из портов корпуса.
В этой базовой модели очень легко увидеть четыре цикла внутреннего сгорания:
- Впуск , который всасывает смесь топлива и воздуха
- Компрессия , которая сжимает топливно-воздушную смесь в меньший объем.
- Сгорание , при котором используется искра от свечи зажигания для воспламенения топлива.
- Выхлоп , который удаляет отработанные газы (побочные продукты сгорания) из моторного отсека.
Квазитурбинные двигатели с каретками работают по той же базовой идее, что и эта простая конструкция, с дополнительными конструктивными изменениями, которые допускают 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. К типу I относятся двигатели, в которых воздух и топливо тщательно смешиваются, образуя так называемую гомогенную 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 Type IV объединены лучшие качества бензиновых и дизельных двигателей. Предварительно смешанный топливно-воздушный заряд подвергается сильному сжатию до тех пор, пока топливо не самовоспламенится. Это то, что происходит в двигателе с фотодетонацией, 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.
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 возникновения фотодетонации.
Четырехгранный ротор с каретками. 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 этой конструкции.
Квазитурбина с каретками.
Несмотря на дополнительную сложность, квазитурбинный двигатель с каретками имеет относительно простую конструкцию. Каждая часть описана ниже.
Корпус (статор), который представляет собой почти овал, известный как «каток Сен-Илера», образует полость, в которой вращается ротор. Корпус содержит четыре порта:
- Порт, в котором обычно находится свеча зажигания (свеча зажигания также может быть размещена в крышке корпуса — см. ниже).
- Порт, который закрывается съемной заглушкой.
- Порт для забора воздуха.
- Выпускное отверстие, используемое для выпуска отработанных газов сгорания.
Корпус закрыт с каждой стороны двумя крышками. Крышки имеют три собственных порта, что обеспечивает максимальную гибкость конфигурации 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.
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 тяговые пазы для приема соединительных рычагов. Шарнир образует конец каждой лопасти. Работа 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.
Каждая тележка тесно взаимодействует с двумя колесами, а значит, всего колес восемь. 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 соединительными рычагами, которые входят в тяговые пазы, и четырьмя рас косами рычагов.
Когда вы соедините все части вместе, двигатель будет выглядеть так:
Обратите внимание, что в квазитурбинном двигателе нет ни одной сложной детали типичного поршневого двигателя. У него нет коленчатого вала, клапанов, поршней, толкателей, коромысел 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:
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. В результате происходит непрерывное горение, 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.
Квазитурбины: преимущества и недостатки.
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 значительно увеличивает эффективность использования топлива.
К другим существенным преимуществам квазитурбины относятся:
- Нулевая вибрация, потому что двигатель идеально сбалансирован
- Более быстрое ускорение без маховика
- Более высокий крутящий момент при более низких оборотах
- Почти без масляная работа
- Меньше шума
- Полная гибкость для работы в полностью погруженном состоянии или в любой ориентации, даже в перевернутом положении.
- Меньше движущихся частей для меньшего износа
Наконец, квазитурбина может работать на различных видах топлива, включая метанол, бензин, керосин, природный газ и дизельное топливо. Он может даже использовать водород в качестве источника топлива, что делает его идеальным переходным решением, поскольку автомобили переходят от традиционного сжигания топлива к альтернативным видам топлива.
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 — лучший вид, который кто-либо получил, — 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, он может вмещать генераторы, гребные винты и другие выходные устройства, что делает его идеальным двигателем для питания цепных пил , парашютов с приводом , снегоходов , воздушных компрессоров, судовых силовых установок и электростанций .