Pourquoi le moteur Quasiturbine (Qurbine)
est-il aussi exceptionnel ?
La problématique des moteurs performants
... vers la photo-détonation
Lire à http://quasiturbine.promci.qc.ca/FQTPhotodetonation.html
La plus grande révolution de la Quasiturbine vient de ses caractéristiques
qui permettent la photo-détonation qui se produit à des taux de compression légèrement supérieurs à l’allumage
thermique, désigné aux É.-U. par "Homogeneous Charge Compression Ignition" HCCI
combustion (SCCI lorsque stratifié), en Europe par "Controlled
Auto Ignition" CAI combustion, et au Japon par "Active Thermo
Atmosphere" ATA combustion. Bien que le sujet
passionne les chercheurs, le contrôle de l’allumage thermique et photonique
dans le piston demeure un problème non encore résolu, et possiblement une
impasse que la Quasiturbine contourne!
Notez cependant que la Quasiturbine peut aussi fonctionner à
plus bas taux de compression, dans les modes standards des cycles Otto et Diesel,
et que la Quasiturbine AC (avec chariots) a la rampe de pression
la plus rapide.
À faible facteur de charge, la dépressurisation à l'admission du cycle
Otto dissipe de la puissance moteur puisque le papillon est presque fermé et
que le piston descendant agit en pompe à vide colmatée contre la pression atmosphérique,
vide qui est subséquemment partiellement détruit
par la vaporisation du carburant durant la compression. En raison de cet
effet, le moteur en cycle Otto résiste à toute augmentation RPM de vitesse
(bien connu comme frein moteur en compression) et cette résistance intrinsèque
à l'augmentation de vitesse est combattue par une consommation constante et
importante de carburant. Le mode photo-détonation n'utilise pas de papillon et
accepte sans contrainte toute l'air disponible à pression atmosphérique (comme
le Diesel d'ailleurs, où l'énergie de pressurisation est alors restituée à
la détente). Pour cette raison, le rendement à faible facteur de charge du
moteur à photo-détonation est le double de celui du cycle Otto conventionnel, et considérant que le facteur de charge d'une auto se situe en moyenne autour
de 10 à 15%, cela n'est pas peu dire
Mais pourquoi la
Quasiturbine supporte-t-elle ce que le piston ne tolère pas?
Parce que les cinétiques au voisinage du point haut du « piston »
et de la « pale-QT » sont diamétralement opposées, à la fois en
volume et en vitesse. En volume, parce que le piston passe au point haut à
volume presque constant, alors que la pale-QT passe le point haut à volume
discontinue variant rapidement (rampes linéaires ascendante et descendante,
dont le sommet est un brusque virage sinusoïdale). En
vitesse, parce que le piston passe au point haut avec une vitesse discontinue
variant rapidement (décélération, arrêt, et accélération en sens opposé
du piston), alors que la pale-QT passe le point haut à vitesse constante (avec de
plus une composante radiale nulle). Deux considérations mécaniques découlent
directement de ces caractéristiques physiques. Primo, le piston est en montée
(cinétique ascendante) lorsque la photo-détonation précoce vient le frapper
(cinétique descendante), et comme deux objets en mouvement en sens contraire se
heurtent très violemment, le piston résiste mal, alors que la pale-QT passe le
point haut avancé à moment cinétique radial constant et nul. Secondo, la
courte impulsion de la Quasiturbine retient la pression beaucoup moins longtemps
que la longue impulsion sinusoïdale de volume du piston,
et conséquemment la pale-QT
fatigue beaucoup moins.
La force centrifuge sur les pales de la Quasiturbine aide également à contenir
la haute pression.
La photo-detonation est une combustion radiative, plutôt qu'une
combustion par onde thermique conventionnelle. Initialement, la photo-détonation
conviendra mieux à la Quasiturbine AC. L'atténuation la violence des
photo-détonations dans les pistons en recyclant des gaz brûlés à l'admission
supprime tout le bénéfice de la photo-détonation, alors que la Quasiturbine AC
n'a pas besoin d'une telle atténuation,
cependant le haut rapport surface/volume est un facteur atténuant sans les
inconvénients de l'ingestion de gaz brûlé !
For
all those reasons, and considering what it is intended to achieve,
the Quasiturbine can not be considered as a "rotary piston engine".
Piston paradigmes do not apply to the Quasiturbine!
* * * * *
Alors que la plupart des moteurs rotatifs sont basés sur le principe de la variation de volume entre une courbe et une corde mobile, ce nouveau concept moteur utilise un "rotor à quatre degrés de liberté X, Y, q, ø" piégé dans le contour intérieur d'un boîtier moteur, et ne requérant pas d'arbre ou support central. La Quasiturbine est un concept qui améliore les moteurs conventionnels de 2 façons : en réduisant les temps morts, et en faisant meilleur usage de la gestion du temps dans les cycles moteurs. Rappelons que les turbines à gaz comprennent une turbine de compression et une turbine de puissance et que la Quasiturbine résulte d'une recherche débutée en 1993 visant à unifier ces deux turbines en une seule (dont les pales travaillent alternativement en turbine de compression et en turbine moteur). Pas étonnant donc que plusieurs caractéristiques de la Quasiturbine se rapprochent de la turbine conventionnelle. D'autre part, les moteurs utilisant un vilebrequin génèrent des impulsions de volume sinusoïdales au cours desquelles le piston séjourne longtemps en haut lors de la décélération et la mise en descente du piston, et séjourne brièvement à la mi-course, ce qui est contraire à la logique d'un meilleur moteur (Impulsion de compression devrait être la plus brève possible, et le temps de séjour à mi-course le plus long possible pour une meilleure extraction de l'énergie mécanique). La Quasiturbine est aussi révolutionnaire parce qu'elle génère ce nouveau type d'impulsions de pression différent ce ceux des moteurs à vilebrequin ! (En fait, l'asymétrie de la Quasiturbine permet entre autre d'allouer moins de temps aux cycles de compression et d'échappement, et plus de temps et de volume aux cycles d'admission et de détente). De plus, la Quasiturbine ramène les temps morts moteur à zéro.
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de 2000 pixels
Considérons la figure suivante, où on présente le profil patinoire "Saint-Hilaire" (du nom du physicien qui a calculé le premier ce profile) de confinement du rotor de la Quasiturbine, les cercles de diamètre minimum et maximum, et un profil elliptique de référence. Les points A B C D sont les positions des joints de chariots lorsque le rotor est en position mort (TDC) :
Quasiturbine - Model QTAC avec chariots
Profil patinoire "Saint-Hilaire" de confinement du
rotor de la Quasiturbine
Un losange à forte excentricité (ici 0,578 pour le model QTSC -
Sans Chariot)
n'est peut-être pas le cas le plus pratique (les angles de coins vont de 90 - 30
à 90 + 30 degrés),
mais cela met en évidence le "Profil patinoire de confinement Saint-Hilaire".
Une excentricité supérieure rend convexe les sections rectilignes du haut et du
bas
tout en continuant d'être un profil de confinement acceptable.
Les rouleaux des quatre pales pivotantes et la piste central annulaire de
support sont aussi montrés.
L'observation attentive près du point haut (top dead centre)
montre une chambre quasi-triangulaire à cet endroit.
Il y a plusieurs éléments à considérer :
1 - Transition rapide aux points morts: La forme patinoire du profil (particulièrement le modèle QTAC avec chariots) permet la plus rapide transition possible autour des points morts (TDC), c'est à dire lorsque les joints sont au voisinage des positions A,B,C,D. Pour le prototype développé, le taux de variation du rayon est de 0.42%/degré de rotation (comparativement à 0.30%/degré de rotation pour le profil elliptique, et 0 à 0.15% pour le moteur à pistons). Considérant que les joints successifs se déplacent en directions inverses, toute amélioration au taux de variation radiale voit son effet multiplié par deux. Ici, une rotation du rotor d'à peine 10 degrés, place déjà le moteur à 50% de son couple maximum.
2 - Continuité de couple: Contrairement à la plupart des dispositifs
rotatifs qui sont progressifs (c'est à dire que le couple est nul au point mort, et
croît progressivement jusqu'à un maximum pour décroître progressivement par la suite),
le profil patinoire "Saint-Hilaire" de confinement du rotor de la Quasiturbine
rejoint rapidement le cercle de diamètre maximum, et le suit presque exactement sur toute
sa longueur (observable entre les points B et C). Pour comparaison, nous avons aussi
porté sur la figure le profil elliptique progressif qui atteint le cercle de diamètre
maximum seulement à mi-chemin entre B et C, et conséquemment n’atteint son maximum
de couple qu'à un seul point. La Quasiturbine donne donc son couple maximum tout au long
du profil de B à C, pour un maximum de performance (beaucoup meilleure que le profil
elliptique !). La combustion continue (transfert de la flamme d'une chambre à la
suivante, impossible sur le moteur Wankel) permet d'optimiser la continuité de couple. En
assemblant 2 unités avec une différence de déphase de 45 degrés, on s'assure un couple
positif pour tout angle de l'arbre moteur, même à RPM nul. Rappelons que le moteur
Wankel fait feu 3 fois par révolution (chaque feu étant précédé d'un temps mort
moteur de 30 degrés) du rotor (pas de l'arbre), mais comme l'arbre principale tourne 3
fois plus vite que le rotor, il ne fait feu qu'une fois par révolution de l'arbre, et
conséquemment n'offre pas le type de continuité offert par la Quasiturbine. Dans la
figure ci-dessous, on montre les quatre impulsions de couple jointives de la Quasiturbine,
et la relative continuité comparée aux trois impulsions de couple du moteur Wankel
(L'intégrale sur une révolution complète du rotor est comparable sur une base
géométrique). Un
profil encore plus excentrique de la Quasiturbine augmenterait l'amplitude des impulsions
de couple et les rapprocherait davantage, surpassant ainsi nettement les
caractéristiques du Wankel. Mis à part l'intervalle entre les impulsions, le profil de
couple de la Quasiturbine se rapproche de celui de la vraie turbine (une constante). En
référence à la figure suivante, il est aussi intéressant de noter que les fenêtres
d'admission et d'échappement de la Quasiturbine sont à l'extérieur de la zone
d'expansion (donnant la poussée sur toute l'intervalle), alors qu'elles chevauchent pour
le Wankel, réduisant dans ce cas la largeur réelle des impulsions de couple. Le RPM de
la Quasiturbine contient donc un niveau extrêmement bas d'harmoniques.
Note sur l'APPROXIMATION :
À chaque instant, la force tangentielle totale varie avec la différence des
rayons des 2 joints de contour de la chambre. Dans le cas de la Quasiturbine
modèle QT-SC, cette différence de rayon provoque une bascule de la face du rotor
par rapport au rayon du moteur passant par le pivot de pale. Bien que les forces
agissantes sur la face de la pale s'équilibre à tout instant pour ne pas donner
d'effet de pivotement net, cette bascule fait apparaître une composante de force
tangentielle dans le moteur, et réduit la composante statique de charge radiale
sur la pale (réduction de longueur transversal dû à l'effet de bascule).
Toujours dans le cas de la Quasiturbine modèle QT-SC, la composante tangentielle
de la force s'applique rigoureusement sur le point de pivot de la pale pour
créer un couple moteur, et le travail produit peut se calculer en considérant
uniquement le déplacement tangentiel du point de pivot. La projection des forces
sur la ligne droite entre les 2 joints de contours de la chambre doit être
orthogonale sur le rayon considéré, et non circulaire (la différence entre les
deux rayons des joints de contour de la chambre conduit à un résultat
approximatif). En lui-même, le mouvement de bascule de la pale autour du pivot
(situé ici dans l'axe des deux joints) ni n'ajoute, ni n'enlève de volume balayé
puisque ces volumes se compensent parfaitement. Cependant lors de la rotation du
rotor, la demi-pale qui balaye le plus grand périmètre engendre une plus grande
surface balayée (produisant un plus grand couple moteur et donc plus de travail)
que celle qui est plus près du centre du moteur. Le volume balayé par la face
totale de la pale génère toujours exactement le volume final en fin de détente,
quel que soit le choix parmi les profils de confinement disponibles. Il en est
ainsi du volume balayée par les "différences de rayons" des joints de contours,
et également de même en intégrant la "projection des forces tangentielles" sur
le rayon moteur passant par le pivot de pale. Une méthode de calcul
approximative doit imposer la vérification que le volume total en fin de détente
est bien rigoureusement égale au volume engendré par la surface tangentielle de
poussée, surtout que cette surface n'existe pas physiquement et qu'on ne peut la
contrôler qu'en s'assurant qu'elle engendre bien le volume total en fin de
détente. La modification du profil permet de générer dans la chambre plus ou
moins de volume à différents angles (temps) de rotation et ainsi accentuer ou
atténuer la forme à plateau du profil de couple (ce qui fait varier la raideur
de la pente de compression en modifiant la durée de confinement au sommet). Tout
en permettant une mise en forme de l'impulsion de pression, ces volumes précoces
ou tardifs communiquent ou prélèvent instantanément au rotor leur énergie de
détente ou de compression, et n'affecte en rien le bilan énergétique de la
détente dans son ensemble, autrement qu'en perturbant la cinétique de combustion
(préférables dans le sens d'une optimisation...).
Quasiturbine - Model AC avec chariots
Autrement dit, ces courbes (sauf effective) représentent le couple moteur du
"rotor" sous une pression interne constante.
3 - Cycles asymétriques: De plus, la Quasiturbine bénéficie du fait qu'elle est beaucoup moins symétrique qu'elle ne le paraît. En effet, au point mort, les joints ne sont pas à 90 degrés l'un de l'autre (bien qu'en exacte opposition). Les joints A et B sont séparés par 77.7 degrés, alors que les joints B et C le sont par 102.3 degrés. Conséquemment, dû à l'effet de bascule des chariots, la distance linéaire entre les joints varie constamment, et une analyse radiale ne permet pas une compréhension correcte et complète de la performance (Le Wankel a ses 3 joints successifs à distances linéaires constantes et égales). Une asymétrie additionnelle vient du fait que les fenêtres fixes d'admission et d'échappement peuvent être positionnées ailleurs qu'au point de demi-cycle, donnant plus de temps à l'admission et à la détente des gaz de combustion, et moins de temps pour la compression et l'échappement. L'énergie produite est proportionnelle à l'intégral du couple entre les points B et C, soit sur un intervalle de 102,3 degrés. Considérant que 10 degrés de rotation suffit pour amener le moteur en régime efficace (et 10 degrés à la fin du cycle), le rotor est donc en mode propulsif pendant 82 degrés (102.3 -10 -10). Et ceci 4 fois par tour, soit un mode propulsif efficace de 328 degrés (mesurés sur le périmètre) ! Seule la vraie turbine fait mieux. (Comparé à 120 degrés sur 720, pour chaque piston dans le cas des moteurs à 4 temps). Pour sa part, le Wankel est propulsif efficacement 70 degrés (120-30-10-10), mais seulement 3 fois par tour "du rotor" (pas de l'arbre), soit un total de 210 degrés (mesurés sur le périmètre) (se rappeler que l'arbre moteur du Wankel tourne à 3 fois la vitesse du rotor, ce qui détériore la continuité "progressive" de couple et la rend comparable à celle d'un moteur à piston 2 temps). Pour la Quasiturbine, noter aussi la discontinuité de pente (taux de variation du couple) au voisinage des points morts (TDC) sur l'axe des "x". Le couple s'éteint plus rapidement qu'il ne s'établit. Une autre amélioration fondamentale par rapport au piston concerne les caractéristiques d'admission et de détente. Contrairement au piston qui doit relâcher sa pression résiduelle en fin de détente sous peine de refoulement, l'asymétrie du cycle Quasiturbine définit une zone de confinement post-détente pendant laquelle la pression résiduelle peut-être maintenu sans freiner la rotation du moteur, et au cours de laquelle on peut procéder à un traitement des gaz et en extraire son énergie résiduelle, soit à travers une turbine, soit en construisant une réserve de gaz comprimé. Si la zone de confinement est regroupé avec l'échappement, on a alors une évacuation des échappements avec beaucoup moins de contre poussée que le piston, ce qui améliore encore l'efficacité comparative de la Quasiturbine (moins d'énergie est requise pour expulser les gaz d'échappements). Les variations sinusoïdales de volume du piston en font une mauvaise pompe d'admission lorsque le piston est juste passé le point haut, alors que la détente précoce de la QT aspire beaucoup plus tôt, et beaucoup plus fortement. Dû aux transients d'écoulement, l'effets est plus que cumulatif puisque l'établissement précoce de l'écoulement amplifie non linéairement les écoulements d'admission à chaque instant subséquent. Compte tenu aussi de l'effet d'écoulement continue à l'admission, on a ici une amélioration de 2 à 3 fois meilleures que le piston à haut RPM. C'est pourquoi les inventeurs de la Quasiturbine affirment que les turbo ne font que corriger les mauvaises caractéristiques d'admission du piston ! Bien sûr, un turbo sur une QT produira un effet bien plus considérable qu'avec un piston. À la détente, la conversion mécanique est plus précoce et plus tardive avec la Quasiturbine. On étale donc mieux la poussée des gaz ! Cette amélioration est particulièrement cruciale pour les avions en altitude, ou la pression atmosphérique est réduite et modère l'ingestion de mélange.
Quasiturbine - Model AC avec chariots
Quasiturbine - Model AC avec chariots
4 - Comparaison avec le moteur Wankel - Voir http://quasiturbine.promci.qc.ca/FQTpasWankel.html
5 - Taux de compression élevé: Les moteurs rotatifs présentent généralement un dilemme au niveau du choix des paramètres du design. En effet, si l'on veut augmenter le taux de compression, le volume aspiré doit décroître jusqu'à un niveau inacceptable, ce qui imposera des dimensions considérables au moteur. La Quasiturbine ne présente pas ce dilemme, et permet la réalisation de moteurs compacts, à détonation ou au diesel. On comprend au #3, que la compression (et l’échappement) se fait sur 77.7 degrés, et la détente (admission) sur 102.3 degrés. Cette asymétrie (impossible dans les moteurs à pistons, ou rotatifs conventionnels) rapproche les joints pour un plus haut taux de compression, et permet de tirer un maximum d'énergie par une détente prolongée. De plus, elle permet d'accroître au maximum le volume aspiré, en intégrant ce volume sur 102.3 degrés entre D et A. La capacité d'atteindre des taux de compression élevés est essentiel aussi pour obtenir un rendement de conversion énergétique supérieur lors du fonctionnement en mode pneumatique ou vapeur (réduisant au minimum le volume intital avant la détente).
Quasiturbine - Model AC avec chariots
6 - Étanchéité: La Quasiturbine n'a pas le problème critique d'étanchéité du Wankel. Le Wankel doit faire usage de 3 joints aux sommets d'un triangle (Apex), lesquels rencontrent le profil moteur avec un angle variable autour de la normale (-60 degrés à +60 degrés). Comme les joints de la Quasiturbine sont montés sur des chariots pivotants, ils sont parfaitement normaux (perpendiculaires) au profil moteur en tout temps. De plus, on peut remarquer que si les roulettes sont précisément ajustées dans les chariots, ces roulettes contribuent à l'étanchéité entre les deux chambres (le joint à ressort devenant complémentaire). Il faut souligner le design avancé du "joint pairé" de chariot particulièrement approprié pour les hautes pression (moteur à combustion) faisant usage d'une gorge en "V" et de la pression interne pour maintenir en place le joint en tout temps. Ce concept de "joints pairés" utilise les ressorts plats également comme support latéral, et les deux parties sont éloignées l'une de l'autre par une lame plate ondulée; remarquer que chaque composante du "joint pairé" a un point de contact avec le périmètre qui est décalé par rapport au "V" de la gorge pour une contribution maximale de poussé due à la pression. Il faut aussi noter que comme le piston, la longueur des joints croît linéairement avec les dimensions du moteur, alors que le volume comprimé croît avec le cube, ce qui fait que plus le moteur est petit, plus il est sensible aux fuites (Le prototype de 200 cc par tour a en fait quatre chambres de 50 cc chacune, et requiert une construction soignée).
7 - Zéro vibration sur l'arbre: Aussi, la Quasiturbine est un vraie moteur rotatif (centre de gravité immobile durant la rotation), sans aucune vibration sur l'arbre (cependant sujet comme tout moteur aux contre impulsions unidirectionnelles de couple). Par opposition, le Wankel est un moteur à piston rotatif, sujet à une constante vibration circulaire. Il peut être intéressant d'ajouter que le profil patinoire "Saint-Hilaire" de confinement du rotor de la Quasiturbine est toutefois beaucoup plus difficile à calculer que le profil Wankel (pas de formule, un programme de calcul a dû être développé).
8 - Accélérations rapides: Dû à l'absence (et la non nécessité) de volant d'inertie, et dû à sa faible inertie intrinsèque, la Quasiturbine est capable d'accélérations très rapides, même à basse révolution. Cette qualité en fait un moteur nerveux, susceptible de plaire aux amateurs d'engins sportifs (Par comparaison, le Wankel comprend une importante masse triangulaire excentrique qui ajoute à l'inertie, et limite ses accélérations). De plus, la Quasiturbine peut être lancé à l'air comprimé, à partir d'une réserve de gaz qui se construit à même les gaz d'échappement (Un levier peut être utilisé pour placer le rotor en position optimum préalable).
9 - Construction et fiabilité: Les moteurs rotatifs sont généralement inscrits entre un profil extérieur robuste, et un arbre central monté sur de solides roulements capables de prendre la charge sur l'arbre créée par la pression lors de la combustion. Pour sa part, la Quasiturbine requiert uniquement un profil extérieur robuste, sur lequel s'appuie aussi la charge créé par la pression lors de la combustion; l'arbre central est facultatif et uniquement dédié au transfert de couple lorsque requis. De plus, contrairement au Wankel, la Quasiturbine ne requiert aucun engrenage de synchronisation (compliqué et coûteux à construire, et sujet à lubrification et usure!), ni de système de synchronisation de l'allumage. Les moteurs conventionnels ont atteint une excellente fiabilité en dépit de leurs pompes, arbre à cames, culbuteur, poussoirs, ressorts, soupapes, distribution électrique, etc. N'ayant aucun de ces dispositifs, la Quasiturbine est donc beaucoup plus facile à construire, et éventuellement considérablement plus fiable (particulièrement si l'on fait usage de l'option combustion continue). Ayant un bas RPM, la Quasiturbine résiste mieux à l'usure et dure plus longtemps.
Assumant un différentiel de pression de 500 lb/po.ca., ce graphique donne pour
chaque rpm :
le couple moteur, la puissance et de débit géométrique à l'entrée.
Ces résultats peuvent être ajustés linéairement pour d'autres différentiels de
pression.
10 - Rendement énergétique: La Quasiturbine permet d'importantes
économies d'énergie sans même avoir à prétendre à un rendement thermodynamique
supérieur aux autres moteurs (se rappeler que les pistons 4 temps sont en mode propulseur
19% du temps, et 81% du temps en traînés). En effet, la capacité de la Quasiturbine à
générer un fort couple continu à basse révolution permet dans plusieurs applications
(dont le transport), la suppression des lourdes et coûteuses boîtes de vitesse,
qui consomment entre 8 et 12 % de l'énergie. De plus, le meilleur rapport puissance poids
de la Quasiturbine (auquel s'ajoute la suppression du volant d'inertie), signifie des
véhicules moins lourds (allégés aussi par l'absence de boîte de vitesse), et donc plus
économiques. Le fait que la Quasiturbine ne requiert pas d'accessoires périphériques
énergivores (pompes, arbre à cames, poussoirs, soupapes...) constitue également un gain
au chapitre du rendement énergétique. (Voir Hautes technologies pour le
mode détonation). De plus, l'expansion rapide du volume juste après le point mort haut
permet d'extraire plus d'énergie du gaz chaud initial avec 3 avantages: refroidissement
thermodynamique des gaz d'échappement, moins de transfert calorifique au bloc moteur, et
moins de production de NOx. Finalement, l'échappement se faisant symétriquement de part
et d'autre du moteur, il n'est pas nécessaire de fournir un travail mécanique pour son
expulsion, même que le comportement analogue à l'explosion en espace libre crée un vide
autonettoyant dans la chambre en évacuation. (Voir aussi le paragraphe sur : Pas
d'accroissement superflu du volume de la chambre d'expansion). Notez que la
modélisation mathématique de la Quasiturbine est celle d'un piston placé dans un tube
infiniment long, avec tout les avantages qui en découlent. L'efficacité énergétique est
reliée à chacun des éléments suivants :
Themodynamic (gain from early and late mechanical energy extraction)
Thermal (smaller heat flux and cooler operation)
Friction (the product friction X displacement is lower that for the piston)
Pheriferal accessories (gain because of no camshaft, valve, push rods ...)
Peak power (only 20% higher that the mean power, compare to 7 times for piston)
Shaft RPM harmonics (which are very low - no need of flywheel to average)
Gear box saving (8 à 12 % energy saving by not using gearbox)
Long live time (wear is mesured in number of passages, low RPM means long live)
Intake efficiency (piston has poor sinewave intake characteristics)
On board application saving (lighter vehicles ... means saving over 10 years!)
Fuel additives (Quasiturbine requires much lower octane level)
Environment (fuel savings and much less NOx production)
Vibration zero (source of billions of $ of dommages and corrosion acceleration)
Cumbersome (4 time less than the piston engine)
Weight reduction (5 time less than the piston)
Note sur le diagramme Pression-Volume: Les moteurs présentent des
caractéristiques cycliques qui sont particulièrement bien représentées par une courbe
fermée sur un diagramme pression-volume. Dans le cas du piston où la surface de poussée
est rigoureusement égale à la surface qui engendre le volume, la surface inscrite dans
la courbe fermée pression-volume est alors proportionnel au travail (énergie) fait par
le gaz. Cependant, ceci n'est généralement pas le cas pour les moteurs rotatifs, et
entre autre pour le Wankel, puisque la surface initiale de poussée n'est pas de même dimension
que celle qui engendre le volume. La Quasiturbine est cependant l'exception dans le monde
des moteurs rotatifs, puisque sa surface de poussée est aussi celle qui engendre le
volume, et par conséquent la surface de la courbe pression-volume est proportionnelle à
l'énergie produite par la Quasiturbine (ces courbes seront publiées ultérieurement).
Donc, se méfier des comparaisons moteurs basées sur les diagrammes pression-volume.
Quasiturbine - Model AC avec chariots
Quasiturbine - Model AC avec chariots
11 - Environnement: C'est connu, les moteurs à 2 temps sont légers et nerveux, mais aussi de grands pollueurs. La raison de cette pollution est due au fait que dans les moteurs à 2 temps, les gaz d'échappement sont soufflés hors du moteur par le nouveau mélange détonnant admis, et que pour avoir un maximum de puissance, une partie de ce nouveau mélange passe directement dans l'échappement, sans avoir été brûlé. Dans la Quasiturbine, les gaz d'admission ne sont jamais en contact, ni ne "poussent" les gaz d'échappement. La Quasiturbine a donc des caractéristiques de puissance du moteur à 2 temps, tout en rencontrant l'excellente combustion d'échappement des moteurs à 4 temps. Pour des raisons d'environnement, nous devrons vraisemblablement cesser d'utiliser les versions actuelles des moteurs à 2 temps juste après l'an 2000 (L'injection de carburant étant une amélioration possible); la Quasiturbine sera alors l'une des rares alternatives à considérer ! À puissance égale, la Quasiturbine est aussi beaucoup plus silencieuse que le moteur à pistons, puisqu'elle fractionne chaque détente en 4 détentes par tour (ou 8 par 2 tours pour le moteur 4 temps), et les évacue plus progressivement sur un grand déplacement angulaire. De plus, les NOx sont formés vers la fin du confinement durable à la haute pression et haute température; comme la Quasiturbine présente une variation linéaire du volume près du point mort haut, la détente commence plus rapidement que dans les autres moteurs, ce qui donne initialement moins de température et moins de pression et aussi moins de temps pour la formation des NOx, ainsi que moins de transfert de chaleur au le bloc moteur. (Voir Hautes technologies pour le mode détonation).
12 - Carburants variés: En mode moteur, la Quasiturbine est un excellent convertisseur d'énergie de fluides pressurisés (moteurs pneumatiques, moteurs à vapeur, moteurs hydrauliques sans fuite pour chute d'eau, etc.). De grandes unités peuvent même être utilisées pour la production d'électricité dans les centrales thermiques au charbon ou au pétrole, ou pour transformer en énergie mécanique les vapeurs résiduelles de procédés industriels. En plus de l'utilisation des carburants pétroliers liquides conventionnels, la Quasiturbine peut en principe être alimentée (si adaptée) par toute une gamme de carburant allant du méthanol aux huiles diesels, incluant le kérosène, le gaz naturel et éventuellement l'hydrogène (Voir Hautes technologies). Au sujet de la carburation informatisée, il faut réaliser que l'écoulement dans la tubulure d'admission est continu, et non interrompu comme dans le cas des pistons. En fait, le facteur de charge de la conduite d'admission est estimé être de 3 à 5 fois meilleur, de sorte que l'injection continue de carburant est appropriée sans aucune synchronisation (Se rappeler que ce moteur est a combustion continue, sans chevauchement de soupapes ni retour d'écoulement. De façon analogue, le tuyau d'échappement de la Quasiturbine n'est pas sujet à être accordé). Le mode photo-détonation est particulièrement approprié aux multi-carburants, puisqu'il ne requiert aucun carburateur, injecteur, ni même de bougie, mais uniquement une pulvérisation dans la tubulure d'admission (à dépression ou à pression atmosphérique). Contrairement au mode diesel avec injecteur, le mode photo-détonation permet une combustion uniforme et moins chaude, donc moins polluante.
13 - Intégration électrique: La Quasiturbine permet pour la première fois une réelle intégration monolithique de la génératrice électrique avec un moteur à carburant (très recherché pour les applications hybrides, et sans vibrations). Dû au fait que le centre de la Quasiturbine est libre, les composants électriques immobiles peuvent à la fois se situer sur le noyau central et sur le stator périphérique. Seule la région intermédiaire est en rotation. Réciproquement, si les composants électriques forment un moteur, la Quasiturbine devient une pompe-moteur électrique intégrée, ou un groupe de puissance bi-énergie.
14 - Hautes technologies: L'hydrogène est le combustible haute technologie par excellence. Toutefois, la haute inflammabilité de l'hydrogène impose au moteur à "hydrogène" une chambre d'admission stratifiable et distincte de la chambre à combustion (ce qui disqualifie les moteurs à pistons).
Le succès du moteur Wankel avec l'hydrogène vient de son admission stratifiée, laquelle résulte principalement d'une admission précoce (comme pour la Quasiturbine) et de son volume superflu durant la détente (donnant une perte d'efficacité). La Quasiturbine offre le même avantage à l'hydrogène, sans sacrifier l'efficacité ni dégrader l'huile (sans lubrifiant). La Quasiturbine rencontre les critères fondamentaux exigés du moteur à "hydrogène" de l'avenir (zone d'admission froide, admission stratifiée, temps de confinement réduit, insensibilité à la détonation, moins polluant, robustesse et efficacité énergétique), et surpasse même sur ce point le Wankel, puisque les aspirations sont séparées par 3 cycles plutôt que deux. D'autre part, contrairement aux moteurs à pistons qui ont une approche asymptotique près du volume minimal, la Quasiturbine approche et s'éloigne linéairement de ce point de compression maximal, ce qui signifie que la durée du taux maximal de compression est très courte, et que si la détonation est permise, elle se produira naturellement à ce moment, permettant une combustion totale et une meilleure performance énergétique (cette caractéristique explique également l'insensibilité de la Quasiturbine aux détonations fréquentes de l'hydrogène). En plus, la combustion haute température d'hydrogène en présence d'azote (air) génère beaucoup d'oxyde d'azote, un polluant que la Quasiturbine prévient grâce à ses courtes impulsions de pression. Coté durabilité, il est connu que les segments de piston cassent facilement en présence d'hydrogène, ce qui est attribuable au fait que le périmètre intérieur du segment est en compression alors que le périmètre extérieur en contact avec le cylindre est en expansion et favorise la rapide fragilisation par l'hydrogène, une situation de joint sous tension que la Quasiturbine n'a pas. Dans le cas où il serait nécessaire de réduire le taux de contamination à l'admission par les micro-particules, notons que l'échappement de la Quasiturbine se prête à une ventilation extérieure. Aussi, en raison de l'absence de carter, la gravité n'est pas requise pour évacuer l'huile, et la Quasiturbine peut fonctionner horizontalement, verticalement ou dessus-dessous, en atmosphères variées (incluant sous l'eau), y compris en microgravité interplanétaire. En mode pompe, la Quasiturbine a la propriété de ne pas requérir de clapet anti-retour, ce qui ouvre la porte aux applications dans le domaine de la cryogénie.15 - Moteur, compresseur et pompe sans huile: Dans le moteur Wankel, le carter à l'huile est requis pour la lubrification de l'arbre, des roulements, des engrenages, et aussi pour la thermalisation. Dans la Quasiturbine, l'huile n'est pas un agent de refroidissement, et est seulement requise à l'interface de friction avec les joints. L'usage de céramiques ou matériaux de haute technologie peut faire de la Quasiturbine un moteur sans huile (La thermalisation étant faite par le contact des roulettes de chariots). De plus, puisque l'hydrogène dégrade toutes les huiles, un moteur sans lubrification devra être développé de toute façon pour l'hydrogène. Pour des unités construites avec des matériaux conventionnels, un lubrifiant peut être ajouté au combustible ou à la vapeur. Notez que les unités avec échappements dans les parois latérales (et non radialement) sont de véritables pièges centrifuge à huile, et les besoins en lubrifiant sont conséquemment minimes.
16 - Géométrie supérieure de la chambre à combustion : La chambre à combustion peut être localisée à plusieurs endroits (radialement ou latéralement). Nous suggérons qu'elle occupe une entaille tangentielle médiane dans la bourrure des pales rotatives, de sorte qu'au point haut elle soit bornée par les 2 rouleaux de chariot et le profil Saint-Hilaire sur lequel se trouve la bougie, afin de contenir plus de 80% du mélange gazeux dans une cavité presque cubique aux coins arrondis (au point haut, le rapport des surfaces visibles sur le volume de la chambre de combustion se compare au piston. La chambre peut aussi être semi-sphérique, cylindrique ou autrement ...). Lorsqu'au point bas, cet entaille à l'avantage d'empêcher la bourrure de diviser la chambre en deux, et assure un ventilation complète de la chambre dans l'échappement. Par opposition, le piston triangulaire rotatif du Wankel contient le vilebrequin et il n'est pas possible d'y creuser ainsi profondément une chambre compacte, de sorte que la chambre à combustion au point haut du Wankel est longue et mince, et que les mouvements relatifs des parois et du piston entraînent le mélange dans un mouvement de rouleau néfaste, cherchant à éteindre la combustion aux extrémités de la chambres. L'épaisseur de la chambre à combustion de la Quasiturbine permet d'éviter totalement l'entraînement du mélange en mouvement de rouleau (Une coiffe de stabilisation sur le sommet des bourrures s'est avérée inutile). Les rouleaux de chariot ont une petite entaille dans le plan médian des chambres à combustion, de sorte qu'il y a un cordon de mélange gazeux continue d'un joint de contour à l'autre. Il peut être intéressant de souligner que près du point mort haut, les rouleaux de chariot de part et d'autre de la bourrure de pale ne s'approchent pas simultanément de cette bourrure (le rouleau du chariot avant approche d'abord, et ensuite le rouleau du chariot arrière. Passé le point haut, le chariot avant s'éloigne d'abord, et ensuite le chariot arrière). Vu de l'intérieur de la chambre à combustion, la compression vient de toutes les directions, et il en est ainsi de l'expansion durant la combustion, qui se modélise presque par une détente en 3 dimensions à partir d'un noyau compact ! Notez aussi que la géométrie de la Quasiturbine permet une très large ouverture d'échappement (particulièrement radialement) sur une large plage angulaire (ce qui diminue le travail nécessaire à l'évacuation), et ce sans chevauchement échappement-admission. Pour chaque combustible considéré, il faut comme pour tous les moteurs que la chambre de combustion ait simultanément le taux de compression minimale et le volume minimale requit (pour la gazoline, il faut simultanément une chambre de combustion de 5cc excluant les interstices, et un taux de compression de 8), conditions qui sont plus facile à réaliser avec de grandes unités. Ajoutons pour fins de comparaison, que la durée le la combustion dans la Quasiturbine est égale au 1/4 de rotation de l'arbre, alors qu'elle est de 1/2 pour les pistons (2 ou 4 temps), soit un facteur 2 (... et non 4 !). Pour cette raison associée à la vitesse de combustion, il est normal que la vitesse maximal théorique de rotation de la Quasiturbine soit la moitié de celle du piston. Il découle aussi que si par exemple l'avance d'allumage est de 20 degrés pour le piston, elle ne sera que de 10 degrés pour la Quasiturbine (le cycle étant distribué sur seulement 90 degrés au lieu de 180. Noter aussi que le piston requiert une telle avance parce qu'il est en fuite devant le gaz de combustion, ce qui n'est pas le cas dans la Quasiturbine). Le piston est sensible à la synchronisation, parce qu'il produit un fort couple seulement à mi-course, alors que la Quasiturbine y est insensible, puisque son profil de couple est plat. La Quasiturbine est particulièrement souhaitable pour fonctionner en mode photo-détonation supersonique. Il est aussi opportun de noter ici que certains experts en pistons sont portés à questionner la forme relativement complexe de la chambre de compression de la Quasiturbine (ils questionnent alors en fait et surtout les d'échanges thermiques avec les parois), or il s'avère qu'au volume minimale la chambre du piston s'apparente souvent à un disque qui est lui aussi loin des conditions idéales. Si les caractéristiques de la chambre du piston sont si critiques, s'est surtout en raison de la longue durée de l'impulsion de pression que le piston génère. La Quasiturbine produit une impulsion de pression beaucoup plus brève qui la rend davantage insensible à la forme de la chambre. D'autre part, dans la Quasiturbine, une fraction seulement des gaz se trouve en fait dans les menus contours au moment de la mise à feu. Les fenêtres d'admission et d'échappement étant de part et d'autres de la chambre à combustion, il est possible de faire un meilleur remplissage de la chambre par un chevauchement ouvert simultané des deux fenêtres, sans risquer qu'une partie des gaz d'admission imbrûlés passe dans l'échappement, comme c'est le cas avec le piston. (Voir aussi le paragraphe Bigger is better).
17 - Plus grande dynamique de puissance que les turbines conventionnelles: La Quasiturbine fonctionne donc suivant les principes hydrostatiques, par opposition aux turbines conventionnelles qui fonctionnent selon les principes hydrodynamiques. Juste une parenthèse ici, pour souligner que les turbines à gaz conventionnelles sont conçu pour un débit aérodynamique précis, et n'offrent pas une large plage de puissance à efficacité raisonable. Pour sa part, la Quasiturbine ne fait pas appelle à l'écoulement aérodynamique sur les pales, et conserve son excellente efficacité sur une large plage de puissances. Il en est ainsi lorsque la Quasiturbine est propulsée à la vapeur, à l'air comprimé, ou par un débit de liquide (Quasiturbine en plastique pour mini-centrales hydroélectrique, etc). De plus, la Quasiturbine ne requiert pas de vapeur surchauffée, ni sèche, et convient particulièrement bien à la récupération d'énergie, la cogénération, ou pour les centrales de réduction de pression de vapeur. Ce qui est intéressant concernant le regroupement de plusieurs unités de Quasiturbine, c'est qu'elles peuvent être juxtaposées sur un arbre commun et individuellement engagée selon les besoins en puissance par un simple couplage unidirectionnel, donnant ainsi une gamme accrue de puissance et d'efficacité énergétique. (En passant, le couplage avec une génératrice, un compresseur ou une pompe ne requiert pas une Quasiturbine ayant un arbre, puisque le mecamisme de couplage peut être fixé sur l'arbre même de la génératrice, la Quasiturbine venant simplement se glisser par dessus).
18 - Possibilité de Quasiturbine 2 temps: Chaque chambres de la Quasiturbine passe par quatre cycles : admission, compression, détente, échappement. Dans les moteurs à pistons 2 temps, on utilise une soufflerie externe pour insérer les cycles combinés d'échappement et d'admission entre la fin de la détente et le début de la compression (ces derniers étant écourtés). On peut en principe faire de même avec la Quasiturbine, ce qui donnerait deux combustions simultanées dans les chambres du haut et du bas (ces chambres pouvant être reliées par un tube égalisateur de pression), neutralisant ainsi la charge net des pales rotatives sur les chariots. Comme dans le cas des moteurs à pistons, ceci permettrait de presque doubler la puissance, au détriment de l'efficacité et du pourcentage des gaz brûlés (pollution). La Quasiturbine 2 temps serait à notre connaissance le moteur ayant de beaucoup la plus haute densité de puissance en volume et en poids.
19 - Haute densité de puissance: Pour atteindre des densités de puissance élevé (en volume et en poids), le concept et le design de tout moteur doit faire en sorte que chaque composante y est indispensable de façon continue, et à tout instant. Par exemple, les pistons d'un moteur d'auto étant indépendants, chaque piston est utile pendant la propulsion (17% du temps), mais présente un repos et une traînée regrettable le reste du temps (83%). Dans la Quasiturbine, toutes les composantes sont essentielles de façon continue à toutes les phases du fonctionnement, et aucune composante ne subit de temps mort. Associé à la combustion continue, la Quasiturbine est l'une des meilleures candidates à la course pour les hautes densité de puissance. Cette caractéristique exceptionnelle à une contrepartie: comme les matériaux ne reposant jamais, et ils doivent être de toute première qualité.
20 - Considération sur la friction: Heureusement les matériaux modernes permettent de réduire considérablement la friction, laquelle demeure cependant l'énemie no. 1 des concepteurs de moteurs. La friction des joints sur les parois planes de la Quasiturbine se résorbe en ayant recourt aux solutions classiques bien connues. La jointure rotative des pales pose un problème un peu différent, mais la simple nitruration semble généralement convenir. Finalement, le siège des chariots sur la jointure rotative des pales peut être plus critique. Dans le cas où on a recours à des pressions semblables dans les deux circuits indépendants de la Quasiturbine (cas des compresseurs, moteurs à vapeur et pneumatiques, pompes, moteur QT à combustion 2 temps), ces chambres de pression opposées tendent à annuler la charge net des pales rotatives sur les chariots (au moins en configuration carré), et aucune mesure exceptionnelle n'est alors requises à l'interface chariot-pale. Il en est autrement dans le mode moteur QT à combustion à 4 temps, puisqu'une seule chambre est alors pressurisée et que la charge est ainsi totalement transférée sur les chariots opposés. Dans le cas de charge considérable (diesel), il peut même éventuellement être nécessaire de recourir à un roulement à rouleau à l'interface chariot-pale, ainsi que pour les axes de roulettes. À tout événement, le produit "Friction X Déplacement" est moindre pour la Quasiturbine, comparé au piston.
21 - Bigger is better: La Quasiturbine en mode hydraulique, pneumatique ou pompe est peu sensible à la dimension, et ne présente pas de seuil critique (sauf pour les grandes viscosités). Il en est autrement en mode de combustion de carburant parce qu'alors, il faut simultanément gérer la haute pression, le vide d'admission, et les conditions de combustion. Il faut généralement considérer deux rapports intrinsèques : le facteur de fuite = (longueur des joints / volume) qui décroît comme l'inverse du carré de la dimension, et le facteur de contact thermique = (surface de la chambre / volume) qui décroît comme l'inverse de la dimension et du temps de confinement. Comme ces 2 facteurs négatifs décroissent avec la dimension du moteur, il est donc relativement plus facile de faire fonctionner de grosses unités ! (Cela est généralement aussi vrai pour les autres concepts moteurs). D'autre part, pour chaque combustible considéré, il faut que la chambre de combustion ait simultanément le taux de compression minimale et le volume minimale requit, conditions qui sont plus facile à réaliser avec de grandes unités.
22 - Autorégulation dynamique du couple moteur: Pendant la rotation, la mass du piston doit être accélérée et décélérée par le vilebrequin principalement dans le premier et dernier quart du point haut au point bas, à une position angulaire où le couple généré est faible, ce qui amplifie les harmoniques de rotation du vilebrequin. Par opposition, la vitesse de rotation de la Quasiturbine ralenti quand le rotor s'étend en losange et s'accélère lors du rappel en forme carrée. Ceci qui signifie que le rotor tend à s'accélérer près du point mort en géométrie carré, là ou le couple moteur est minimum, ce qui provoque un effet d'autorégulation dynamiquement les fluctuations de RPM de la Quasiturbine.
23 - Moteur idéal pour les véhicules hybrides:
Le MOTEUR ROUE est un élément du groupe de traction du véhicule hybride, tout comme
l'essentielle "génératrice embarquée" qui recharge les batteries. Nous
affirmons que la QUASITURBINE est le moteur idéal pour cette indispensable
"génératrice embarquée" dans les véhicules hybrides, puisqu'elle rencontre
toutes les qualités recherchées :
- Zéro vibration (les petits moteurs sont généralement trop vibreux !)
- Compact (5 fois moins encombrant qu'un moteur à piston)
- Plus léger (5 fois moins pesant que le moteur à piston équivalent)
- Moins bruyant (sans silencieux : 20 fois moins que le moteur à piston équivalent)
- Plus efficace et moins polluant (500 fois moins d'oxyde d'azote ?)
- Et plus encore ...
24 - Autres applications: Les données et la plupart des commentaires présentés ont été dans la mesure du possible vérifiés sur le prototype de démonstration. Ces remarques bénéficient à toutes les applications de la Quasiturbine, telles que le convertisseur d'énergie de fluides pressurisés (pneumatique, vapeur...), le moteur à combustion, le mode compresseur, le mode pompe, et autres.
La Quasiturbine est universelle par rapport aux
sources d'énergie :
Carburants liquides et gazeux, hydrogène, vapeur, pneumatique, hydraulique...
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