Pedeorelha | Cómo funcionan los motores de cuasiturbina

Phillip Hopkins
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El diseño del motor se encuentra en la confluencia de tres factores: preocupaciones sobre cómo las emisiones de los automóviles afectarán al medio ambiente; el aumento de los precios del gas y la necesidad de conservar los recursos de combustibles fósiles; y la constatación de que el automóvil impulsado por hidrógeno, ya sea impulsado por una pila de combustible de hidrógeno o por combustión interna de hidrógeno, no cumplirá su promesa en un futuro próximo. Como resultado, muchos ingenieros están dando más interés a mejorar el motor de combustión interna..

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Foto cortesía de Quasiturbine.com
Motor de cuasiturbina. Ver más imágenes de motores.

El motor Quasiturbine, patentado en 1996, es una mejora. En este artículo, presentaremos el motor Quasiturbine y responderemos las siguientes preguntas:

¿De dónde vino la idea del motor??
¿Cuáles son las partes del motor Quasiturbine??
¿Cómo funciona el motor Quasiturbine??
¿Cómo se compara en rendimiento con otros motores de combustión interna??

Comencemos examinando algunos conceptos básicos del motor..

Para ver cómo funciona un motor de quasiturbina, debe comprender algunos conceptos básicos del motor.

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-El principio básico detrás de cualquier motor de combustión interna es simple: si coloca una pequeña cantidad de aire y combustible de alta energía (como gasolina) en un espacio pequeño y cerrado y lo enciende, el gas se expande rápidamente, liberando una cantidad increíble de energía..

El objetivo final de un motor es convertir la energía de este gas en expansión en un movimiento rotatorio (girar). En el caso de los motores de los automóviles, el objetivo específico es rotar un Eje de accionamiento rápidamente. El eje de transmisión está conectado a varios componentes que transmiten el movimiento giratorio a las ruedas del automóvil..

Para aprovechar la energía del gas en expansión de esta manera, un motor debe pasar por una serie de eventos que provocan muchas explosiones de gas diminutas. En esto ciclo de combustión, el motor debe:

Deje que una mezcla de combustible y aire entre en una cámara
Comprimir el combustible y el aire
Enciende el combustible para crear una explosión.
Liberar el cansada (piense en ello como el subproducto de la explosión)

Entonces el ciclo comienza de nuevo.

Cómo funcionan los motores explica en detalle cómo funciona esto en un motor de pistón convencional. Básicamente, el ciclo de combustión empuja un pistón hacia arriba y hacia abajo, que hace girar el eje de transmisión por medio de un cigüeñal..

Si bien el motor de pistón es el tipo más común que se encuentra en los automóviles, el motor Quasiturbine funciona más como un motor rotativo. En lugar de usar un pistón como un motor de automóvil típico, un motor rotativo usa un rotor triangular para lograr el ciclo de combustión. La presión de combustión está contenida en una cámara formada por parte de la carcasa en un lado y la cara del rotor triangular en el otro lado..

La trayectoria del rotor mantiene cada uno de los tres picos del rotor en contacto con la carcasa, creando tres volúmenes separados de gas. A medida que el rotor se mueve alrededor de la cámara, cada uno de los tres volúmenes de gas se expande y contrae alternativamente. Es esta expansión y contracción lo que atrae aire y combustible al motor, lo comprime, genera energía útil a medida que los gases se expanden y luego expulsa el escape. (Consulte Cómo funcionan los motores rotativos para obtener más información).

En las siguientes secciones, veremos cómo Quasiturbine lleva la idea de un motor rotativo aún más lejos..

La familia Saint-Hilaire patentó por primera vez el motor de combustión Quasiturbine en 1996. El concepto Quasiturbine fue el resultado de una investigación que comenzó con una evaluación intensa de todos los conceptos de motor para observar ventajas, desventajas y oportunidades de mejora. Durante este proceso exploratorio, el equipo de Saint-Hilaire se dio cuenta de que una solución de motor única sería aquella que hiciera mejoras al motor Wankel o rotativo estándar..

Al igual que los motores rotativos, el motor Quasiturbine se basa en un diseño de rotor y carcasa. Pero en lugar de tres palas, el rotor Quasiturbine tiene cuatro elementos encadenados entre sí, con cámaras de combustión ubicadas entre cada elemento y las paredes de la carcasa..

Foto cortesía de Quasiturbine.com
Diseño simple de cuasiturbina

los rotor de cuatro lados es lo que distingue a Quasiturbine de Wankel. En realidad, hay dos formas diferentes de configurar este diseño: una con carruajes y uno sin carruajes. Como veremos, un carro, en este caso, es solo una simple pieza de máquina.

Primero, veamos los componentes del modelo de quasiturbina más simple: la versión sin carros.

El modelo de quasiturbina más simple se parece mucho a un motor rotativo tradicional: un rotor gira dentro de una carcasa casi ovalada. Sin embargo, observe que el rotor Quasiturbine tiene cuatro elementos en lugar de tres. Los lados del sello del rotor contra los lados de la carcasa y las esquinas del sello del rotor contra la periferia interior, dividiéndolo en cuatro cámaras.

En un motor de pistón, un ciclo completo de cuatro tiempos produce dos revoluciones completas del cigüeñal (consulte Cómo funcionan los motores de automóvil: combustión interna). Eso significa que la potencia de salida de un motor de pistón es la mitad de una carrera de potencia por una revolución de pistón..

Un motor de quasiturbina, por otro lado, no necesita pistones. En cambio, los cuatro tiempos de un motor de pistón típico están dispuestos secuencialmente alrededor de la carcasa ovalada. No es necesario que el cigüeñal realice la conversión giratoria.

Este gráfico animado identifica cada ciclo. Observe que en esta ilustración, la bujía está ubicada en uno de los puertos de la carcasa..

En este modelo básico, es muy fácil ver los cuatro ciclos de combustión interna:

Consumo, que aspira una mezcla de combustible y aire
Compresión, que aprieta la mezcla de combustible y aire en un volumen más pequeño
Combustión, que usa una chispa de una bujía para encender el combustible
Cansada, que expulsa los gases residuales (los subproductos de la combustión) del compartimento del motor

Los motores de cuasiturbina con carros funcionan con la misma idea básica que este diseño simple, con modificaciones de diseño adicionales que permiten fotodetonación. La fotodetonación es un modo de combustión superior que requiere más compresión y mayor solidez que la que pueden proporcionar los motores de pistón o rotativos. Ahora, veamos de qué se trata este modo de combustión..

Los motores de combustión interna se dividen en cuatro categorías en función de qué tan bien se mezclan el aire y el combustible en la cámara de combustión y cómo se enciende el combustible.. Tipo i incluye motores en los que el aire y el combustible se mezclan completamente para formar lo que se llama un mezcla homogénea. Cuando una chispa enciende el combustible, una llama caliente atraviesa la mezcla y quema el combustible a medida que avanza. Este, por supuesto, es el motor de gasolina..

Cuatro tipos de motores de combustión interna
	Mezcla homogénea de aire y combustible	Mezcla heterogénea de aire y combustible
Chispa de ignición	Tipo i Motor de gasolina	Tipo II Motor de gasolina de inyección directa (GDI)
Autoencendido calentado a presión	Tipo IV Motor de fotodetonación	Tipo III Motor diesel

Tipo II -- un motor de inyección directa de gasolina: utiliza combustible parcialmente mezclado y aire (es decir, una mezcla heterogénea) que se inyecta directamente en el cilindro en lugar de en un puerto de admisión. Luego, una bujía enciende la mezcla, quemando más combustible y creando menos desperdicio..

En Tipo III, el aire y el combustible se mezclan sólo parcialmente en la cámara de combustión. Esta mezcla heterogénea se comprime luego, lo que hace que la temperatura aumente hasta que se produzca el autoencendido. Un motor diesel funciona de esta manera.

Finalmente, en Tipo IV, Se combinan los mejores atributos de los motores de gasolina y diesel. Una carga de aire y combustible premezclada sufre una tremenda compresión hasta que el combustible se enciende automáticamente. Esto es lo que sucede en un motor de fotodetonación, y debido a que emplea una carga homogénea y un encendido por compresión, a menudo se lo describe como un Motor HCCI. La combustión de HCCI (encendido por compresión de carga homogénea) produce prácticamente ninguna emisión y una eficiencia de combustible superior. Esto se debe a que los motores de fotodetonación queman completamente el combustible, sin dejar hidrocarburos para ser tratados por un convertidor catalítico o simplemente expulsados al aire..

Fuente: Green Car Congress

Por supuesto, la alta presión requerida para la fotodetonación ejerce una gran cantidad de estrés en el propio motor. Los motores de pistón no pueden soportar la fuerza violenta de la detonación. Y los motores rotativos tradicionales como el Wankel, que tienen cámaras de combustión más largas que limitan la cantidad de compresión que pueden lograr, son incapaces de producir el ambiente de alta presión necesario para que ocurra la fotodetonación..

Entra en la quasiturbina con carruajes. Solo este diseño es lo suficientemente fuerte y compacto como para soportar la fuerza de la fotodetonación y permitir la relación de compresión más alta necesaria para el autoencendido calentado a presión..

En la siguiente sección, veremos los componentes principales de este diseño..

Incluso con su complejidad adicional, el motor Quasiturbine con carros tiene un diseño relativamente simple. Cada parte se describe a continuación.

los alojamiento (estator), que es un óvalo casi conocido como la "pista de patinaje de Saint-Hilaire", forma la cavidad en la que gira el rotor. La vivienda contiene cuatro puertos:

Un puerto donde normalmente se encuentra la bujía (la bujía también se puede colocar en la tapa de la carcasa, ver más abajo).
Un puerto que se cierra con un enchufe extraíble.
Un puerto para la entrada de aire..
Un puerto de escape utilizado para liberar los gases residuales de la combustión..

La carcasa está rodeada a cada lado por dos cubre. Las cubiertas tienen tres puertos propios, lo que permite la máxima flexibilidad en la configuración del motor. Por ejemplo, un puerto puede servir como entrada de un carburador convencional o estar equipado con un inyector de gas o diesel, mientras que otro puede servir como una ubicación alternativa para una bujía. Uno de los tres puertos es una gran salida para los gases de escape..

La forma en que se utilizan los distintos puertos depende de si el ingeniero automotriz desea un motor de combustión interna tradicional o uno que proporcione la compresión súper alta requerida para la fotodetonación..

El rotor, hecho de cuatro palas, reemplaza los pistones de un motor de combustión interna típico. Cada hoja tiene un punta de relleno y ranuras de tracción para recibir los brazos de acoplamiento. UNA pivote forma el final de cada hoja. El trabajo del pivote es unir una cuchilla a la siguiente y formar una conexión entre la cuchilla y el balanceo. carruajes. Hay cuatro carros oscilantes en total, uno para cada pala. Cada carro es libre de girar alrededor del mismo pivote para que permanezca en contacto con la pared interior de la carcasa en todo momento..

Cada carro trabaja en estrecha colaboración con dos ruedas, lo que significa que hay ocho ruedas en total. Las ruedas permiten que el rotor ruede suavemente sobre la superficie contorneada de la pared de la carcasa y se hacen anchas para reducir la presión en el punto de contacto..

El motor Quasiturbine no necesita un eje central para funcionar; pero, por supuesto, un automóvil requiere un eje de salida para transferir potencia del motor a las ruedas. los eje de salida está conectado al rotor por dos brazos de acoplamiento, que encajan en las ranuras de tracción, y cuatro aparatos ortopédicos.

Cuando junta todas las piezas, el motor se ve así:

Foto cortesía de Quasiturbine.com
Motor de cuasiturbina con carros

Note que el motor Quasiturbine no tiene ninguna de las partes intrincadas de un motor de pistón típico. No tiene cigüeñal, válvulas, pistones, varillas de empuje, balancines ni levas. Y debido a que las palas del rotor "viajan" sobre los carros y las ruedas, hay poca fricción, lo que significa que el aceite y un cárter son innecesarios..

Ahora que hemos analizado los componentes principales de la quasiturbina con carros, veamos cómo funciona todo. Esta animación ilustra el ciclo de combustión:

Foto cortesía de Quasiturbine.com

Lo primero que notará es cómo las palas del rotor, a medida que giran, cambian el volumen de las cámaras. Primero aumenta el volumen, lo que permite que la mezcla de aire y combustible se expanda. Luego, el volumen disminuye, lo que comprime la mezcla en un espacio más pequeño..

La segunda cosa que notará es cómo una carrera de combustión termina justo cuando la siguiente carrera de combustión está lista para disparar. Al hacer un pequeño canal a lo largo de la pared interna de la carcasa junto a la bujía, se permite que una pequeña cantidad de gas caliente fluya de regreso a la siguiente cámara de combustión lista para disparar cuando cada uno de los sellos del carro pasa sobre el canal. El resultado es combustión continua, como en la turbina de gas del aeroplano!

Lo que todo esto equivale en el motor Quasiturbine es una mayor eficiencia y rendimiento. Las cuatro cámaras producen dos circuitos consecutivos. El primer circuito se utiliza para comprimir y expandir durante la combustión. El segundo se utiliza para expulsar el aire de admisión y escape. En una revolución del rotor, se crean cuatro carreras de potencia. ¡Eso es ocho veces más que un motor de pistón típico! Incluso un motor Wankel, que produce tres golpes de potencia por revolución del rotor, no puede igualar el rendimiento de una quasiturbina..

Obviamente, la mayor potencia de salida del motor Quasiturbine lo hace superior a los motores Wankel y de pistón, pero también ha resuelto muchos de los problemas presentados por el Wankel. Por ejemplo, los motores Wankel provocan una combustión incompleta de la mezcla de aire y combustible, y los hidrocarburos restantes no quemados se liberan en el escape. El motor Quasiturbine supera este problema con una cámara de combustión que es un 30 por ciento menos alargada. Esto significa que la mezcla de aire y combustible en la cuasiturbina experimenta una mayor compresión y una combustión más completa. También significa que, con menos combustible sin quemar, la cuasiturbina aumenta la eficiencia del combustible dramáticamente.

Otras ventajas importantes de la quasiturbina incluyen:

Vibración cero porque el motor está perfectamente equilibrado
Aceleración más rápida sin volante
Mayor par a menores rpm
Funcionamiento casi sin aceite
Menos ruido
Flexibilidad total para operar completamente sumergido o en cualquier orientación, incluso boca abajo
Menos piezas móviles para un menor desgaste

Finalmente, la Quasiturbina puede funcionar con diferentes tipos de combustible, incluidos metanol, gasolina, queroseno, gas natural y diesel. Incluso puede alojar hidrógeno como fuente de combustible, lo que la convierte en una solución de transición ideal a medida que los automóviles evolucionan de la combustión tradicional a combustibles alternativos..

Foto cortesía de Quasiturbine.com

-Teniendo en cuenta que el moderno motor de combustión interna fue inventado por Karl Benz en 1886 y ha disfrutado de casi 120 años de refinamientos de diseño, el motor Quasiturbine todavía está en su infancia. El motor no se utiliza en ninguna aplicación del mundo real que probaría su idoneidad como reemplazo del motor de pistón (o el motor rotativo, para el caso). Todavía se encuentra en su fase de prototipo: el mejor aspecto que alguien ha obtenido hasta ahora es cuando se demostró en un kart en 2004. Es posible que la quasiturbina no sea una tecnología de motor competitiva durante décadas..

En el futuro, sin embargo, es probable que vea la quasiturbina utilizada en más que solo su automóvil. Debido a que el área central del motor es voluminosa y no requiere un eje central, puede acomodar generadores, hélices y otros dispositivos de salida, lo que lo convierte en un motor ideal para accionar motosierras, paracaídas, motos de nieve, compresores de aire, sistemas de propulsión de barcos y plantas de energía eléctrica..

Para obtener más información sobre el motor Quasiturbine, otros tipos de motores y temas relacionados, consulte los enlaces en la página siguiente.