Le moteur Quasiturbine invention

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Le moteur Quasiturbine ou Qurbine est un type de moteur purement rotatif (sans vilebrequin, ni effet alternatif radial) à combustion (par opposition au Wankel qui est un moteur à piston rotatif), inventé par la famille québécoise Saint-Hilaire et initialement breveté dans sa version la plus générale AC avec chariots, en 1996 [1] et 2003 [2] . Ce moteur sans vilebrequin utilise un rotor articulé à quatre faces tournant dans un ovale, et formant des chambres à volume croissant et décroissant lors de la rotation. Le centre du rotor est libre et accessible, et le rotor tourne sans vibration ni temps mort tout en produisant un fort couple moteur [3] à faible vitesse de rotation. Elle pourrait être capable de fonctionner avec différents carburants. La conception de la Quasiturbine permet également de fonctionner en moteur à air comprimé, moteur à vapeur, compresseur à gaz ou pompe [4] .

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La Quasiturbine a été conçue par une famille de quatre chercheurs sous la direction du Dr Gilles Saint-Hilaire, physicien thermonucléaire. L'objectif originel était de concevoir un turbo-moteur dont turbine de la partie compresseur et turbine chaude de puissance seraient dans le même plan. À cette fin, il a fallu détacher les pales de l’arbre central et les joindre les unes aux autres comme une chaîne 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 formation universitaire et la démonstration industrielle. Des prototypes à combustion ont également pour objectif la démonstration.

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Usages
Selon les concepteurs, le haut rapport puissance / poids 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 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. Des démonstrations du moteur Quasiturbine ont été faites sur un kart pneumatique en 2004, sur « l'Auto Pneumatique de APUQ » en 2005, sur le « Brash Steam Car » de l'Université du Connecticut en 2010, et autres produits (dont une tronçonneuse et une génératrice).

6. Comparaison avec le moteur Wankel
Le moteur Wankel a un rotor triangulaire rigide synchronisé par engrenage avec le stator, entraînant un vilebrequin tournant à trois 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 trois côtés 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. La Quasiturbine 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 pour des besoins spécifiques, y compris pour atteindre la photodétonation.
Le moteur Wankel divise le périmètre en trois sections tandis que la Quasiturbine le divise en quatre, pour une élongation inférieure de 30 % des chambres à combustion. La géométrie du Wankel impose de plus un volume résiduel au point mort haut qui limite son taux de compression et l’empêche de se conformer au diagramme 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 pour l'utiliser comme moteur hydraulique ou pompe).
Pendant la rotation, les joints d’apex du Wankel interceptent le stator à des angles variant de -60 à +60 degrés, tandis que les joints de contours de la Quasiturbine sont presque perpendiculaires au stator en tout temps, ce qui facilite l'étanchéité.
Tandis que le moteur Wankel exige au moins un double rotor hors de phase 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 mort haut et bas, une modulation importante de vitesse angulaire du rotor produisant d’importants efforts internes qui ne se retrouvent pas dans la Quasiturbine.
Par contre, le moteur Wankel est pleinement opérationnel, sur véhicules de série comme sur véhicules de compétition, alors que la Quasiturbine à combustion n'est disponible qu'en objet de démonstration non fonctionnel, un peu comme le fut le Wankel de 1926 à 1959.
7. Photodétonation
La photodétonation est le mode optimum de combustion, tel une combustion volumétrique produite par laser, un mode que la forme sinusoïdale d'impulsion du moteur Wankel et du piston ne peut supporter facilement [8] . Dans le diesel la combustion est pilotée 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 est contrôlé par une onde de choc supersonique ; tandis que la photodétonation est une combustion volumétrique contrôlée par un intense rayonnement dans la chambre de combustion. 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 photodétonation et réduit le stress subi par la mécanique en raccourcissant la durée des moments de hautes pressions. Selon ses concepteurs, la Quasiturbine ouvrirait la porte à une telle machine du futur qui rendrait désuets les concepts de véhicule hybrides.

7. 1. L'efficacité
La Quasiturbine a comme objectif les facteurs de gains moteurs classiques, identifiés depuis longtemps. Parce que le piston effectue les quatre temps moteurs dans une chambre unique, les temps chauds détruisent l'efficacité des temps froids et réciproquement ; c'est pourquoi les moteurs à pistons de type Split Cycles apportent des gains d'efficacité de 30 %, ce que fait en pratique la zone froide d'admission de la Quasiturbine située à l'opposée de la zone chaude. Le site Quasiturbine énumère plus une trentaine de façons d'améliorer l'efficacité et la propreté du piston, ainsi que celle du Wankel.

D'autre part, les 7 degrés de libertés au design de la Quasiturbine permettent une mise en forme de l'impulsion de pression que le vilebrequin excentrique du piston ne permet pas simplement. Cette mise en forme permet de concevoir des moteurs à cycle plus rapides, compatibles à la détonation, dont la suppression de la dépressurisation d'admission permet un gain d'efficacité considérable (dans les usages automobiles, près de la moitié de l'énergie du carburant sert à produire la dépressurisation d'admission). 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 photodétonation n'a pas besoin de produire ce vide d'admission [9] puisqu'il admet tout l'air possible, et principalement pour cette raison, son efficacité demeure élevée même à faible puissance moteur. Le mode HCCI en développement pour le piston opère au seuil inférieur marginal de la détonation, alors que la photodétonation est une franche et totale détonation avec des cycles de pression beaucoup plus rapides que le piston. Le moteur à photodétonation a une très faible pénalité d’efficacité à basse puissance ; il sera plus respectueux de l'environnement et se contentera d'essence à faible indice d'octane ou de carburant diesel à faible indice de cétane sans additif ; il sera compatible avec de multiples carburants, y compris la combustion directe d'hydrogène, et il permettra une forte réduction de poids, de taille, d'entretien et de coût du système de propulsion.

Quant aux modes pneumatique et vapeur, la Quasiturbine prend avantage des concepts de moteurs à déplacement en simplifiant la mécanique et augmentant la cadence des séquences. L'efficacité est alors peu dépendante de la vitesse de révolution et de la charge, contrairement aux turbines conventionnelles. Déjà en 2009, les versions Quasiturbine précommerciales de 600 cm³ et 5 litres de cylindrée rapportent des efficacités de conversion pression-débit d'environ 80 %.

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