Kvaziturbina

Motor za 21. vek

Razvoj pogonskih motora u prošlosti bio je okarakterisan porastom snage motora, poboljšanjem materijala od kojih su izrađeni i postavljanjem sve većih zahteva za povećanjem sigurnosti pogona, trajnosti motora i ekonomičnosti. Razvoj novih motora već sada zahteva razmatranje dodatnih faktora, kao što su dostupnost pogonskog goriva, iskorištenje toplote stvorene radom motora i karakteristike emisionih gasova

Stručnjaci predviđaju da će se sa smanjenjem izvora prirodnih goriva do kraja ovog veka povećati upotreba vodonika, i to kao glavnog goriva. Pri dizajniranju budućih pogonskih motora moraće se voditi računa o emisionim karakteristikama, tj. o sastavu izduvnih gasova, naročito sumpor dioksida, azotnih i oksida ugljenika, isparljivih ugljovodonika - poznatih uzročnika kiselih kiša i globalnog zagrevanja.
Relativno novi koncept motora iz Kanade odgovara svim postavljenim zahtevima. Motor nazvan “kvaziturbina” ima dizajn sličan rotacionom motoru, ali sa svim prednostima gasne turbine. Rotacione komponente motora imaju veći, ravnomerniji radijalni put, koji obezbeđuje postizanje maksimalnog obrtnog momenta za kraće vreme nego kod običnih motora sa unutrašnjim sagorevanjem. Kao gorivo mogu se upotrebiti nafta, prirodni gas, benzin, vodonik ili čak vodena para, što su opcije koje ovaj koncept čine kandidatom za buduće hibridne sisteme.

Stoprocentna efikasnost
Efikasnost pri radu motora je uvek stoprocentna. Centralni izlaz omogućava eventualno povezivanje sa električnim motorom ili generatorom. Štaviše, električna mašina se može ugraditi u centralnu šupljinu motora. Fiksirani centar rotacije ima za posleduicu znatno manje vibracije, a obezbeđeno je i kontinualno paljenje. Motor je tiši, čistiji i potencijalno snažniji od konvencionalnih klipnih motora.
Kvaziturbina je prevazišla probleme koji su mučili većinu motora rotacionog tipa. Naime, kod rotacionih motora mazivo je često prolazilo kroz sistem i završavalo u izduvnim gasovima, a i sagorevanje goriva je bilo manje efikasno nego kod dobrih klipnih motora. Kvaziturbina izrađena od kvalitetnih materijala ne zahteva upotrebu ulja ili maziva tokom rada. Procenjeno je da su štetne emisije azot dioksida otprilike 500 puta manje nego kod klipnih motora.
   


Kvaziturbina je plod petogodišnjeg rada kanadskog termonuklearnog fizičara Džila Sent-Hilairija i njegova dva sina. Sent-Hilairi je podneo patent 1996. godine, a prvi prototipi motora pojavili su se tri godine kasnije. Najbliži rođak ovog “turbinskog” motora je Nortonov rotacioni motor Wankelovog tipa. Kod Wankelovog motora u unutrašnjem prostoru statora (kućišta) sa konturom epitrohoide obrće se klip – rotor, trouglastog oblika. Unutrašnjost kvaziturbine ima oblik između elipse i pravougaonika sa zaobljenim uglovima. Unutrašnji mehanizmi prate složen profil komore preko serije vratila koja stoje na četvorodelnom rotoru promenjivog oblika.
Metod rada kvaziturbine redukuje prenos toplote do bloka motora i stvaranje azotnih oksida. Posebni profil komore omogućava najbrži mogući prenos oko mrtve tačke na vrhu. Prototip je demonstrirao brzinu promene svog radijusa od 0,42 odsto po stepenu rotacije. Ovo se da uporediti sa 0,3 odsto za eliptični profil i 0 do 0,15 procenata za klipnu mašinu.
   
BUDUĆNOST: Stručnjaci predviđaju da će
se sa smanjenjem izvora prirodnih goriva do kraja ovog veka povećati upotreba vodonika, i to kao glavnog goriva
   

Veća brzina izmene omogućava motoru da postigne 50 procenata svog maksimalnog obrtnog momenta nakon pokreta rotora od svega 10 stepeni. Za razliku od drugih rotirajućih uređaja, kod kojih obrtni momenat raste progresivno dok se ne postigne maksimalna vrednost, kvaziturbina ovu vrednost brzo ostvaruje i zadržava tokom celog rada.
Kod klipnih mašina, prilikom specifikacije kompresionih odnosa vazduha i goriva javlja se dilema. Ako je kompresioni odnos povećan, usisna zapremina smese goriva i vazduha može da opadne na neprihvatljiv nivo. Kvaziturbina sa druge strane omogućava kompaktnost detonacione mašine. Njen asimetrični oblik omogućava dostizanje veće kompresije za maksimalno izvlačenje energije i nudi produženi ekspanzioni ciklus.Habanje i curenje oko letvica za zaptivanje smeštenih na rotoru su karakteristika rotacionih mašina najviše zato što zaptivke interaguju sa unutrašnjim profilom komore pri većem broju raznih uglova. Međutim, rotor promenjivog oblika kvaziturbine obezbeđuje uvek ortogonalni kontakt zaptivki sa profilom mašine.

Gorivo budućnosti
Vodonik se promoviše kao potencijalno buduće gorivo za vozila. Wankelovi motori su uvek bili dobar kandidat za vodonik zbog slojevite usisne komore. Novi dizajn takođe poseduje neophodne karakteristike. Pod ovim se podrazumevaju hladna usisna zona, slojeviti usis, smanjeno vreme zadržavanja (zatvaranja), mala osetljivost na detonaciju, manje zagađivača, robusnost i energetska efikasnost. Ispuštanja gasova je postepeno, usled čega se stvara manje buke nego što je to slučaj sa klipnim mašinama.
Trenutno najveći investitor u kvaziturbine, Centar za istraživanje i razvoj aluminijuma iz Kvebeka, finansira razvoj motorne testere na bazi kvaziturbine, čija bi proizvodnja trebalo da započne do kraja godine. Sledeći logični korak bila bi primena u motorciklima.
Ovakav koncept motora otvorio je mogućnost za čitavu familiju motora različitih konfiguracija, tako da su, pored kvaziturbina sa unutrašnjim sagorevanjem, moguće i izvedbe Stirlingove kvaziturbine i kvaziturbine sa kombinovanim ciklusom. Stirlingovi motori se pokreću pomoću radnog fluida, koji može biti tečnost ili gas (voda ili helijum), koji prelazi između zona motora visoke i niske temperature.
Rotor takve kvaziturbine pokreće pritisak stvoren zagrejanim radnim fluidom u zoni visoke temperature, a povlači ga delimični vakuum stvoren sa ohlađenim radnim fluidom u zoni niske temperature. Kvaziturbina sa kombinovanim ciklusom povećava efikasnost motora integracijom kvaziturbine sa unutrašnjim sagorevanjem sa Stirlingovom. Tokom rada, ova prva proizvodi, pored mehaničke energijem i vrele izduvne gasove kao proizvod sagorevanja. Energiju ovih gasova iskorištava Stirlingova kvaziturbina, povećavajući ukupnu efikasnost motora.
Jedinica za termalnu reciklažu isporučuje vrele izduvne gasove zoni više temperature Stirlingove kvaziturbine. Kako temperatura radnog fluida u ovoj zoni raste, rotor se obrće, a zagrejani radni fluid isporučuje susednoj zoni niže temperature i hladi. Gorivo za kvaziturbinu sa unutrašnjim sagorevanjem putuje kroz temperaturnu zonu niže temperature jedinice za termalnu reciklažu i hladi radni fluid. Zagrejano gorivo zatim sagoreva.
Efikasnost Stirlingove kvaziturbine može se značajno povećati upotrebom vrlo hladnog goriva, kao što je kondenzovani prirodni gas (-160 şC) ili ohlađeni vodonik (-50 şC - 75 şC). Stirlingova Kvaziturbina je jedinstvena po tome što može da vrati deo energije uložen u hlađenje goriva.

Oliver Terzić


http://www.ekonomist.co.yu/magazin/em173/nit/nit1.htm

Nesto slicne su u isto vreme patetntirali u Australiji i to je bila cak i varijanta za avionski motor.