Quasiturbine - Définition

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Le cycle de combustion de la Quasiturbine : Admission (turquoise), compression (rose), combustion (rouge), échappement (noir). La bougie est située au-dessus (vert).
Le cycle de combustion de la Quasiturbine : Admission (turquoise), compression (rose), combustion (rouge), échappement (noir). La bougie est située au-dessus (vert).

Le moteur Quasiturbine (Le moteur Quasiturbine ou Qurbine est un type de moteur rotatif à combustion, inventé par la...) ou Qurbine est un type de moteur rotatif (Un moteur rotatif est un moteur à combustion interne tournant autour de son vilebrequin qui...) à combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la...), inventé par la famille québécoise Saint-Hilaire et initialement breveté en 1996. Ce moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique,...) sans vilebrequin utilise un rotor articulé à quatre faces tournant dans un ovale (Dans le sens étymologique, un ovale est une forme d'œuf. En mathématiques, et plus...) complexe calculé par ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant...), et formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) des chambres à volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) croissant et décroissant lors de la rotation. Le centre du rotor est libre et accessible, et le rotor tourne sans vibration ni temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si...) tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en produisant un fort couple moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) à faible vitesse (On distingue :) de rotation. Elle est de plus capable de fonctionner avec différents carburants. La conception de la Quasiturbine permet également de fonctionner en moteur à air comprimé (Un moteur à air comprimé est un moteur tirant sa puissance mécanique de la détente d'air...), moteur à vapeur (), compresseur à gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) ou pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.).

Elle constitue aussi une théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) d'optimisation des concepts de moteurs compacts et efficaces.

Fonctionnement

Dans le moteur Quasiturbine, les quatre temps d'un cycle de Beau de Rochas (Cycle Otto) typiques sont distribués séquentiellement autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) d'un quasi-ovale, à la différence du mouvement alternatif du moteur à piston. Dans le moteur Quasiturbine de base à rotor unique, un stator quasi-ovale encercle le rotor articulé à quatre faces qui tourne en se déformant tout en suivant exactement le contour (COmet Nucleus TOUR (CONTOUR) est une sonde spatiale de la NASA faisant partie du Programme...) du boîtier. L’étanchéité du rotor est assurée par des joints contre les parois latérales, et par des joints de contour contre la périphérie (Le mot périphérie vient du grec peripheria qui signifie circonférence. Plus...) intérieure du stator, constituant quatre chambres de volume variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...). Contrairement au moteur Wankel (Le moteur Wankel (/[vɑ̃kɛl]/) est un moteur à piston rotatif décrivant...) dont le vilebrequin déplace radialement les faces du piston rotatif successivement vers l'intérieur et l'extérieur, les faces du rotor de la Quasiturbine basculent alternativement en référence au rayon du moteur, mais elles restent à une distance fixe du centre du moteur à tout instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas...) durant la rotation, produisant une pure force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) tangentielle de rotation. Puisque la Quasiturbine n'a pas de vilebrequin, les variations de volume interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) ne suivent pas nécessairement le mouvement sinusoïdal habituel des moteurs, ce qui lui confère des caractéristiques très différentes de celles du piston ou du moteur Wankel.

Lorsque le rotor tourne, sa déformation et la forme du stator font en sorte que chaque section du stator se rapproche et s’éloigne, comprimant et détendant ainsi les chambres à la façon des " temps moteur " associés au piston alternatif. Cependant, alors qu’un moteur à piston à quatre temps produit une combustion par cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée...) à chaque deux révolutions, soit une demi combustion de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) par révolution et par cylindre, les quatre chambres du rotor de la Quasiturbine produisent 4 temps de combustion par révolution du rotor ; c'est-à-dire huit fois plus qu'un piston dans le moteur à pistons à quatre temps.

Avantages

Les moteurs Quasiturbine sont plus simples, ils ne contiennent aucun engrenage et ont beaucoup moins de pièces mobiles. Par exemple, comme l’admission et l'échappement sont de simples ouvertures dans le stator, il n’y a pas de soupape (Une soupape est un organe mécanique servant à fermer et ouvrir une chambre ou un conduit à la...), ni de tringlerie. Cette simplicité, la taille réduite et compacte permettent d'épargner sur les coûts de construction.

Son centre de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) est immobile durant la rotation, la Quasiturbine ne vibre pas ou très peu. En raison de son cycle ininterrompu sans temps mort, la Quasiturbine peut être alimentée par de l'air comprimé (L'air comprimé est de l'air ambiant, mis sous pression avec un compresseur, le plus souvent aux...) ou de la vapeur sans vanne de synchronisation et, aussi avec du liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) comme moteur hydraulique (L'hydraulique désigne la branche de la physique qui étudie les liquides. En tant que telle, les...) ou pompe.

D'autres avantages incluent un couple élevé à bas régime, la propension à la combustion de l’hydrogène, et la compatibilité au mode photo-détonation avec la Quasiturbine à chariots, là où le haut rapport surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) / volume devient un facteur atténuant de la violence de la détonation : par rapport à de nombreuses propositions innovantes dans le domaine de la conception de moteurs, la Quasiturbine ouvre un nouveau champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de développement, en particulier en ce qui concerne la photo-détonation.

La Quasiturbine configurée en moteur à vapeur
La Quasiturbine configurée en moteur à vapeur

Inconvénients

Le moteur Quasiturbine est typiquement construit d’aluminium et de fonte dont les pièces se dilatent et se contractent à différents degrés lorsque exposées à la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...), ce qui tend à provoquer certaines fuites. Un problème semblable existait dans les moteurs Wankel de première génération, mais les développements techniques ont permis de maîtriser ces difficultés dans les deux cas.

Historique

La Quasiturbine a été conçue par une famille de 4 chercheurs sous la direction du Dr Gilles Saint-Hilaire, un physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) thermonucléaire. L'objectif originel était de concevoir un turbo-moteur dont la turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air,...) de la partie compresseur et la turbine chaude de puissance seraient dans le même plan. Pour réaliser cela, il a fallu conceptuellement détacher les pales de l’arbre central et les joindre les unes aux autres comme une chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) tournant à la manière d'un rotor unique, et agissant pendant un quart de tour comme compresseur, et comme moteur le quart de tour suivant. Le concept général de la Quasiturbine a été breveté en 1996. De petites unités pneumatiques et vapeur sont disponibles pour la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...), la formation universitaire et la démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir...) industrielle. Des prototypes à combustion ont également pour objectif la démonstration.

Usages

Le haut rapport puissance / poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...) de la Quasiturbine la rend particulièrement appropriée comme moteur d'avions et sa très faible propension à générer des vibrations la favorise pour plusieurs usages, tels que : tronçonneuse, parachute (Le parachute est un dispositif destiné à freiner le mouvement, principalement vertical...) motorisé (paramoteur) ou moto-neige. Des variations du concept de base de la Quasiturbine la rendent également utilisable comme compresseur d'air et comme turbocompresseur. En novembre 2004, une démonstration du moteur Quasiturbine a été faite sur un go-kart.

Comparaison avec le moteur Wankel

Le moteur Wankel a un rotor triangulaire rigide synchronisé par engrenage avec le stator, entraînant un vilebrequin tournant à 3 fois la vitesse du rotor, lequel éloigne radialement vers l’extérieur et rappelle vers l’intérieur les faces du rotor. La tentative du Wankel de réaliser les 4 temps moteur avec un rotor à 3 cotés limite l’optimisation du chevauchement des fenêtres et, en raison du vilebrequin le Wankel a des caractéristiques d'impulsions de volume sinusoïdales semblables à celles du piston. Le rotor articulé à quatre faces de la Quasiturbine, quant à lui, tourne sur une piste de support circulaire intérieure et entraîne l’arbre moteur à la même vitesse que le rotor. Elle n’a pas d’engrenage de synchronisation, ni de vilebrequin, ce qui permet aux modèles avec chariots une mise en forme " presque à volonté " des caractéristiques d'impulsion de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) pour des besoins spécifiques, y compris pour atteindre la photo-détonation.

Le moteur Wankel divise le périmètre (Le périmètre d'une figure plane est la longueur du bord de cette figure. Le calcul du...) en 3 sections tandis que la Quasiturbine le divise en 4, pour une élongation inférieure de 30 % des chambres à combustion. La géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace...) du Wankel impose de plus un volume résiduel au point mort haut (En mécanique avec un dispositif utilisant un piston alternatif (moteur à explosion ou...) qui limite son taux de compression (Le taux de compression est une mesure de la performance d'un algorithme de compression de données...) et l’empêche de se conformer au diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées,...) Pression-Volume. Le Wankel a trois temps mort de 30 degrés chacun par rotation de son rotor, alors que la Quasiturbine n'en a aucun, ce qui rend possible la combustion continue par transfert de flamme, et elle peut même être alimentée à l'air comprimé ou à la vapeur sans vanne de synchronisation (ou aussi par du liquide comme moteur hydraulique ou pompe). Pendant la rotation, les joints d’apex du Wankel interceptent le stator à des angles variant de -60 avec +60 degrés, tandis que les joints de contours de la Quasiturbine sont presque perpendiculaires au stator en tout temps. Tandis que le moteur Wankel exige un double (ou plus) rotor hors de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) pour la compensation des vibrations, la Quasiturbine s’accommode d’un rotor unique, puisque son centre de masse est immobile durant la rotation. Enfin, alors que l’arbre du Wankel tourne de façon continue, ce n’est pas le cas pour son rotor, lequel arrête sa rotation (voire l'inverse) à chaque point (Graphie) mort haut et bas, une modulation importante de vitesse angulaire (En physique, et plus spécifiquement en mécanique, la vitesse angulaire ω, aussi appelée...) du rotor produisant d’importants efforts internes qui ne se retrouvent pas dans la Quasiturbine.

Photo-détonation

La photo-détonation est le mode optimum de combustion, tel une combustion volumétrique produite par laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...), un mode que la forme sinusoïdale d'impulsion du moteur Wankel et du piston ne peut supporter. Dans le diesel la combustion est contrôlée par le thermo-allumage ; la combustion dans le moteur à piston à essence est contrôlée par un front d’onde thermique ; le cognement de la détonation (Une détonation est une onde de combustion extrêmement violente, qui se propage à une...) est contrôlé par une onde de choc (Une onde de choc est un type d'onde, mécanique ou d'une autre nature, associé à...) supersonique ; tandis que la photo-détonation est une combustion volumétrique contrôlée par un intense rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) dans la chambre de combustion (Une chambre de combustion est une enceinte capable de résister à des changements de pression et...). Puisque la Quasiturbine n'a aucun vilebrequin et peut avoir des chariots, l'impulsion de volume peut être mise en forme suivant la lettre cursive minuscule " i ", avec une durée au sommet de 15 à 30 fois plus brève que l’impulsion du Wankel ou du piston, et avec une rampe linéaire rapide de montée et de descente. Ce genre d'impulsion de volume auto-synchronise la photo-détonation et réduit le stress (Le stress (« contrainte » en anglais), ou syndrome général...) subi par la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) en raccourcissant la durée des moments de hautes pressions. La Quasiturbine ouvre la porte à une telle machine du futur... qui rendrait désuets les concepts de véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un...) hybrides.

Efficace à faible puissance

L'efficacité d'un moteur à essence de 200 ch chute de manière importante lorsqu'il est utilisé pour produire seulement 20 ch en raison de la dépressurisation nécessaire dans le collecteur d'admission, dépressurisation qui devient moins importante lorsque la puissance produite par le moteur augmente. Un moteur à photo-détonation n'a pas besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est...) de produire ce vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) d'admission puisqu'il admet tout l'air possible, et principalement pour cette raison, son efficacité demeure élevée même à faible puissance moteur.

Le développement d’un moteur à photo-détonation aura une très faible pénalité d’efficacité à basse puissance ; il sera plus respectueux de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) et se contentera d'essence à faible indice d'octane (L'octane est un hydrocarbure saturé de la famille des alcanes de formule brute C8H18. Il a 18...) ou de carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme...) diesel à faible indice de cétane (Le cétane ou hexadécane, IUPAC hexadecane est un hydrocarbure saturé de la famille...) sans additif ; il sera compatible avec de multiples carburants, y compris la combustion directe d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.); et il permettra une drastique réduction du système de propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant....) en poids, taille, entretien et coût.

Alternative à l'hybride (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés,...)

C'est justement l'objectif du concept hybride d'économiser sur la faible efficacité à bas régime moteur. Dit autrement, la raison du concept hybride moderne est d’éviter la pénalité d’efficacité à basse puissance des puissants moteurs des véhicules d’aujourd'hui, généralement utilisés avec un facteur de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) moyen de seulement 15%. Il y a là un potentiel d'économie de carburant de 50%, dont la moitié est récupérable par la méthode hybride. Mais accroître l’efficacité de cette manière exige des composants de puissance et de stockage d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) additionnels, avec des inconvénients contre-productifs associés aux augmentations de poids, d’espace, d’entretien, de coût et des processus de recyclage (Le recyclage est un procédé de traitement des déchets industriels et des déchets ménagers qui...) environnemental. Le moteur à photo-détonation fournira un moyen plus direct d'atteindre au moins le même résultat.

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