Le moteur Quasiturbine ou Qurbine est un type de moteur purement rotatif (sans vilebrequin, ni effet alternatif radial, par opposition au moteur Wankel qui est un moteur à piston rotatif), inventé par la famille québécoise de Gilles Saint-Hilaire et initialement breveté dans sa version la plus générale AC avec chariots, en 1996 et 2003 . 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 à faible vitesse de rotation. Elle pourrait être capable de fonctionner avec différents carburants. Le coût élevé des tolérances de construction de la Quasiturbine limite pour le moment le fonctionnement aux modes moteur à air comprimé, moteur à vapeur, compresseur à gaz ou pompe Gilles Saint-Hilaire, Roxan Saint-Hilaire, et Ylian Saint-Hilaire, « Quasiturbine Low RPM High Torque Pressure Driven Turbine for Top Efficiency Power Modulation », in The Proceeding of Turbo Expo 2007 of the IGTI (International Gas Turbine Institute) and ASME (American Society of Mechanical Engineers)., Quasiturbine Agence, 2007, .
Elle constitue aussi une théorie d'optimisation des concepts de moteurs compacts et efficaces ResearchGate Papers. L'équipe de recherche de la Quasiturbine a initialement établi une liste de trente déficiences du piston et autant de déficiences du moteur Wankel , ainsi qu'une analyse comparative détaillée entre les deux concepts International Journal of Science and Research (IJSR), Volume 14 Issue 2, February 2025, Comparative Analysis of Quasiturbine and Wankel Rotary Engine: Two Concepts 100 Years Apart. Le concept général de la Quasiturbine est le résultat d'efforts pour améliorer ces deux moteurs en supprimant le contraignant vilebrequin sinusoïdal et en offrant jusqu'à sept degrés de liberté au design Le brevet. Une indétermination géométrique qui permet différentes formes (incluant asymétriques) du stator de confinement de la Quasiturbine International Journal of Science and Research (IJSR), Volume 10 Issue 3, March 2021, 872 – 880 Quasiturbine Stator Confinement Profile Computation.
Fonctionnement
Dans le moteur Quasiturbine, les quatre temps d'un cycle de Beau de Rochas (Cycle Otto) typiques sont distribués séquentiellement autour 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 intérieure du stator, constituant quatre chambres de volume variable. Contrairement au moteur 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 durant la rotation, produisant une pure force tangentielle de rotation. Puisque la Quasiturbine n'a pas de vilebrequin, les variations de volume interne 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. Contrairement aux pompes à palettes dont le débattement des palettes est généralement important et contre lesquels la pression s'exerce pour engendrer la rotation, les joints de contour de la Quasiturbine ont un débattement minime et le mouvement de rotation ne résulte pas d'une poussée contre ces joints.
Lorsque le rotor tourne, sa déformation et la forme du stator International Journal of Science and Research (IJSR), Volume 12 Issue 12, December 2023, 658 – 672 Quasiturbine Fundamental of Internal Components Behavior and Detonation Flash Compression for Early Energy Recovery 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 toutes les deux révolutions, soit une demi combustion de puissance par révolution et par cylindre, les quatre chambres du rotor de la Quasiturbine produisent quatre temps de combustion par révolution du rotor.
Avantages
Selon les concepteurs, les moteurs Quasiturbine sont plus simples car 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, ni de tringlerie. Cette simplicité, la taille réduite et compacte permettent d'épargner sur les coûts de construction. De plus, comme la force entrainant la rotation de la Quasiturbine provient de la pression sur la pale entière, et non pas sur des palettes extensibles qui imposent un reflux géométrique aux chevauchements des chambres, les stators QT de forte excentricité accroissent considérablement l’équivalent cylindrée d’admission qui peut dépasser le volume entier du moteur à chaque rotation. Ces hauts rapports de « cylindrée au volume moteur » voisin de l’unité conduisent à des densités de puissance exceptionnelle en volume et en poids, et toujours à couple moteur élevé International Journal of Science and Research (IJSR), Volume 11 Issue 07, December 2022, 330 – 345 Quasiturbine High Power Density Engine with Displacement Exceeding External Volume.
Son centre de masse 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 ou de la vapeur sans vanne de synchronisation et, aussi avec du liquide comme moteur hydraulique 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 photodétonation (voir ci-dessous) avec la Quasiturbine à chariots, là où le haut rapport surface / 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 de développement, en particulier en ce qui concerne la photodétonation.
Inconvénients Le principal inconvénient de la Quasiturbine se situe au niveau des frottements élevés (qui conduisent eux-mêmes à un encrassement interne) qui le rendaient totalement incompatible jusqu'ici avec le fonctionnement en mode thermique — et la nécessité d'adjoindre de l'huile perdue comme dans un moteur Wankel est exclue, car incompatible avec les récentes réglementations antipollution. De ce fait, seul un fonctionnement sans lubrifiant pourrait être une solution, mais seule la céramique le permettrait et cette technique est incompatible avec des coûts acceptables. Le moteur Quasiturbine est typiquement fait d'aluminium et de fonte dont les pièces se dilatent à différents degrés avec la chaleur, ce qui tend à provoquer certaines fuites. Un problème semblable existait dans les premiers prototypes de moteurs Wankel, mais l'invention du traitement de surface de l'aluminium par Mahle dans les années 1960 a permis de fabriquer l'ensemble des pièces en alliages d'aluminium et donc de résoudre le problème des frottements (qui étaient minimes par rapport à ceux de la Quasiturbine) et de différentiel de dilatation. Mais sur la Quasiturbine, la pression sur les parois augmente avec la pression de l'explosion ce qui constitue une impasse pour les matériaux usuels.
Historique
La Quasiturbine a été conçue par une famille de quatre chercheurs sous la direction du 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.
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).
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.