Quasiturbine
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Le moteur Quasiturbine (Le moteur Quasiturbine ou Qurbine est un type de moteur rotatif à combustion, inventé par la famille québécoise Saint-Hilaire et initialement breveté en 1996. Ce moteur sans...) ou Qurbine est un type de moteur rotatif (Un moteur rotatif est un moteur à explosion tournant autour de son vilebrequin qui reste fixe. Ce type de moteur a eu son heure de gloire au début de l'aviation (de 1910 à 1920 environ) quand le rapport puissance/poids était le...) à combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.), 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, électrique, thermique par exemple) en une énergie...) 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 particulièrement en géométrie, le terme...) complexe calculé par ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques permettant de manipuler des données sous forme binaire,...), et formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la...) des chambres à volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) 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 changement dans le monde.) mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si on a pu parler de la mort dans un sens cosmique plus général, incluant par exemple la mort des étoiles)....) tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en produisant un fort couple moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de...) 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 comprimé préalablement stocké dans un réservoir.), moteur à vapeur (), compresseur à gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de...) 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, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance...) 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 à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre...) 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 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 généralement la périphérie désigne une limite...) intérieure du stator, constituant quatre chambres de volume variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un...). Contrairement au moteur Wankel (Le moteur Wankel fut inventé, développé, et son brevet vendu par celui qui lui a donné son nom : Félix Wankel.) 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 intervalle de temps. Il ne peut donc être...) durant la rotation, produisant une pure force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) 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 fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée...) 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 génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe plane fermée (c), appelée courbe...) 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 demande .), 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 corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) 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 alentours de 10 bars mais parfois jusque 300 bars.) 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 facilement déformable mais difficilement compressible.) comme moteur hydraulique (L'hydraulique désigne la branche de la physique qui étudie les liquides. En tant que telle, les champs d'investigation qu'elle propose regroupent plusieurs domaines :) 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 plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) / 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 : Quelle chaleur !), 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 science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien dérive...) 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, gaz de combustion), dont le couple est transmis au moyen d'un arbre.) 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 de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...), la formation universitaire et la démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment démontrées à partir de propositions initiales, en s'appuyant sur un ensemble...) 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 Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle...) 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 d'un objet ou d'une personne.) 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 à la surface sur laquelle elle s'applique.) 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 périmètre sert par exemple à déterminer la quantité de grillage nécessaire à la...) 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 de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le...) 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 compresseur, par exemple), on parle de point mort haut et de point mort bas. Il s'agit des deux moments où le piston s'arrête au bout de sa course, avant de...) qui limite son taux de compression (Le taux de compression est une mesure de la performance d'un algorithme de compression de données informatiques. Il est généralement exprimé en pourcentage, et noté τ. Deux définitions sont communément admises :) et l’empêche de se conformer au diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées, des constructions, des relations, des données statistiques, de l'anatomie etc. employé dans tous les aspects des...) 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 principalement en physique :) 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 fréquence angulaire, est une mesure de la vitesse de rotation.) 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) amplifiée par émission stimulée. Le...), 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 vitesse supersonique.) est contrôlé par une onde de choc (Une onde de choc est un type d'onde, mécanique ou d'une autre nature, associé à l'idée d'une transition brutale. Elle peut prendre la forme d'une vague de haute...) 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 transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) dans la chambre de combustion (Une chambre de combustion est une enceinte capable de résister à des changements de pression et de température brusques, dans laquelle on déclenche volontairement une combustion entre des éléments chimiques...). 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 d'adaptation, est l'ensemble des réponses d'un organisme soumis à des contraintes...) subi par la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de...) 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 point à un autre.) 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 souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins primaires, les besoins...) 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 artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à prendre une dimension...) et se contentera d'essence à faible indice d'octane ou de carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.) diesel à faible indice de cétane 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. Elle fait appel à un propulseur qui transforme en force motrice l'énergie fournie par le...) en poids, taille, entretien et coût.

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

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 transporté par un moyen de transport donné, et qui donne...) 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 chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) 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 permet de réintroduire, dans le cycle de production d'un produit, des matériaux qui le composent. L'un des exemples qui...) environnemental. Le moteur à photo-détonation fournira un moyen plus direct d'atteindre au moins le même résultat.

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