Cum funcționează motoarele cu cilindru opus cu piston (OPOC)

Mai bune motoare cu combustie internă sunt pe drum. Și când spunem mai bine ne referim la mai ușoare, mai eficiente în materie de combustibil și mai puțin poluante. Aruncați o privire la animația noastră despre modul în care funcționează motorul OPOC. Andrew Holt / Alegerea fotografului / Getty Images

Motoarele cu ardere internă poluează aerul. Motoarele cu ardere internă jefuiesc planeta de resurse prețioase și neregenerabile. Motoarele cu ardere internă necesită combustibili fosili care leagă Statele Unite în mod economic de țări cu care preferam să nu facem afaceri.

Iar motoarele cu ardere internă nu vor dispărea în curând.

Oh, sigur, ați auzit despre toate noile tehnologii care ar trebui să înlocuiască motorul cu ardere internă în fiecare zi, tehnologii precum motoare electrice, trenuri de alimentare hibride, celule cu combustibil cu hidrogen și chiar mașini care rulează cu aer comprimat, dar niciuna dintre acestea tehnologiile sunt gata să salveze industria auto încă de la motorul cu ardere internă. Motoarele electrice sunt probabil cel mai bun pariu pentru viitorul imediat și există chiar și unele mașini pe piață care le folosesc ca sursă de energie, dar necesită timp pentru reîncărcare, au o autonomie de conducere limitată și nu pot fi alimentate pur și simplu în cinci minute la stația de service locală. De altfel, chiar vrei să rămâi blocat în mijlocul East Nowhere, America de Sud, cu o serie de baterii cu litiu-ion mort și nimeni în jur care are cea mai nebună idee cum să o reîncarci? Trenurile cu putere hibridă sunt deja destul de fezabile, după cum demonstrează succesul uriaș al Toyota Prius, dar conțin în continuare motoare cu ardere internă, astfel încât nu rezolvă cu adevărat problema. Doar amână ziua în care va fi în sfârșit nevoie să scăpăm de această tehnologie antichizată. Mașinile cu baterii de hidrogen vor fi cu adevărat uimitoare atunci când vor fi disponibile în vehicule care pot fi cumpărate și conduse de consumatorul mediu. Acest lucru ar trebui să fie, oh, aproximativ 20-30 de ani de acum înainte, în jurul timpului în care veți investi în primul dvs. set de dinți false. Și mașinile cu aer comprimat? Nimeni nu știe cu adevărat când vor fi pregătiți să ajungă la drum, dar probabil că va fi o perioadă bună înainte de a vă putea alimenta mașina folosind o pompă pentru biciclete.

Aceste tehnologii sunt importante. Cisterne și producătorii de automobile le cercetează chiar acum. Transportul pe care îl folosesc copiii copiilor dvs. va depinde de ei. Într-o zi, una sau toate aceste tehnologii vor elibera lumea de dependența ei de sub control de combustibilii fosili. Dar, între timp, ceea ce ne trebuie cu adevărat este ceva care poate fi realist gata de utilizare practică în următorii ani: un motor cu combustie internă mai bună.

Iată vestea bună: motoarele cu combustie internă sunt mai bune. Și când spunem mai bine ne referim la mai ușoare, mai eficiente în materie de combustibil și mai puțin poluante. Dacă încă nu putem pune motoarele cu ardere internă să pășească destul de mult, putem cel puțin să le facem să se comporte puțin mai politicos, în timp ce încă mai galopează pe străzile publice..

Unul dintre cele mai interesante noi tipuri de motoare cu combustie internă este motorul cu cilindri opuși cu piston opus, iar dacă nu vă amintiți toate acele silabe cu răsucire a limbii, puteți numi doar un motor OPOC. (Nu vă simțiți rău. Toți ceilalți o numesc și asta.) Motoarele OPOC nu sunt cu adevărat noi - ideea a fost de ceva vreme - dar o companie numită Ecomotor se înrăutățește în sfârșit cu privire la construirea de OPOC-uri care vor fi gata pentru vehiculele de consum cu mult înainte ca celulele de combustibil să fie hidrogen sunt furia națiunii. Și ca dovadă că Ecomotors oferă tehnologii serioase care ar putea revoluționa cu adevărat modul în care folosim benzina în viitorul apropiat, un coleg numit Bill Gates a investit deja în companie. Da, asta Bill Gates și nimeni nu poate spune că cofondatorul Microsoft nu știe nimic sau două despre aspectele practice ale tehnologiei de ultimă oră..

Dar ce este exact un motor OPOC și cum se diferențiază de motoarele cu ardere internă pe care toți îi iubim și îi urăsc? Pentru a răspunde la această întrebare, vă vom oferi mai întâi un curs de perfecționare în motoarele auto standard, apoi vă vom arăta cum OPOC-urile fac aproape același lucru, dar puțin diferit - și puțin mai bine.

Acest conținut nu este compatibil pe acest dispozitiv.

Șansele sunt ca motorul mașinii dvs. să aibă fie patru sau șase cilindri în el. (Dacă aveți mai mult de șase cilindri, conduceți o mașină musculară reală și probabil nu faceți cumpărături încă pentru ceva care va face ca motorul cu ardere internă să fie învechit.) Un cilindru al motorului este exact așa cum sună - un gaură cilindrică a motorului în care puteți introduce un tub mobil, numit piston. Și este acel piston, atunci când este combinat cu benzină, aer și o bujie care oferă puterea de motiv care îți face mașina să meargă pe drum. Aceasta este varianta rapidă și murdară a poveștii, oricum.

Cilindrii dintr-un motor cu combustie internă a unui automobil sunt captați astfel încât gazele păstrate în zona dintre vârful pistonului și partea superioară a cilindrului să nu poată scăpa. Cu toate acestea, există de asemenea două supape în partea de sus a fiecărui cilindru, care pot fi deschise și închise mecanic. Acestea sunt proiectate, pentru a permite aerului și benzinei în cilindru (supapa de admisie) și pentru a elibera evacuarea din cilindru (supapa de evacuare) după finalizarea procesului de ardere a motorului. Aceste valve se deschid și se închid într-o manieră atent programată cu mișcarea pistonului, astfel încât evacuarea evacuării înainte de o nouă alimentare de aer proaspăt curge în.

Este mișcarea pistonului care conduce mașina. Pistoanele alunecă bine în sus și în jos în cilindru, deoarece asta este proiectat să facă. Majoritatea mașinilor folosesc un motor în patru timpi (sau ciclu Otto), în care există patru trepte până la mișcarea pistonului. În primul, numit cursă de admisie, valva de admisie se deschide și pistonul se deplasează în jos. Vacumul creat de pistonul în mișcare în jos aspiră aer împreună cu o cantitate mică de benzină în porțiunea superioară a cilindrului. Odată ce amestecul a umplut spațiul disponibil lăsat de pistonul descendent, supapa de admisie se închide și pistonul se ridică din nou în cursa de compresie, stoarcând amestecul de aer-combustibil într-o masă strânsă ambalată cu atâta energie potențială, încât se califică ca exploziv. . (Din fericire, există foarte puțină benzină în amestec, deci nu vorbim de explozibil de armă termonucleară, ci ceva mai mult ca o bombă de cireș.) Apoi vine partea procesului care dă cu adevărat loviturii motorului: cursa de ardere, unde bujia clipește și aprinde acea energie potențială precum un petard într-o cutie de staniu, împingând pistonul înapoi în jos. În cele din urmă, în cursa de evacuare, robinetul de evacuare se deschide, iar pistonul se ridică înapoi în partea de sus a cilindrului, împingând reziduurile inutile și gazoase ale exploziei de materiale combustibile. De îndată ce robinetul de evacuare se închide, procesul începe din nou.

În timp ce pistonul se ridică și cade, se transformă arborele cotit, o tija lungă, rotativă, care transformă mișcarea în sus și în jos a pistoanelor în mișcarea circulară care face ca roțile și roțile mașinii să se rotească. În majoritatea aranjamentelor motorului standard (există câteva), cilindrii vin în perechi, astfel încât mișcarea descendentă a unui piston în timpul unei curse creează cursa ascendentă a celuilalt, un ciclu care teoretic ar putea continua pentru totdeauna ... sau cel puțin până la benzina se scurge. Aceasta nu este exact o mișcare perpetuă, dar dacă vă gândiți la asta, ați putea întreba cum a început mișcarea pistoanelor în primul rând. Răspunsul este că ciclul în patru timpi începe de obicei cu o scurtă explozie de energie de rotație către arborele cotit de la un motor de pornire electric, dar mașinile timpurii s-au ridicat și au funcționat, deoarece un șofer norocos a trebuit să întoarcă o manivelă cu mână pentru a se roti, da , arborele cotit. (Acum știți de ce se numește asta.) Nu vă bucurați că nu conduceați mașini atunci?

Acest ciclu în patru timpi a fost inventat în secolul al XIX-lea - de fapt, variațiile de pe acesta se întorc la motorul cu aburi - și există o mulțime de variații pe acesta. Să vedem dacă putem găsi unul care folosește jumătate din mai mulți cilindri, totuși primește la fel de multă putere.

Muncitorii asamblează motoare pentru mașinile Porsche 911 la uzina Porsche din Zuffenhausen, Germania. O sarcină complexă, fără îndoială. Ecomotors estimează că numărul pieselor mobile din motorul său a fost redus de la 385 la 62, ceea ce face mult mai ușor de întreținut. Marco Prosch / Getty Images

În motoarele cu ardere internă despre care am vorbit până acum, pistoanele funcționează în paralel, fiecare cilindru fiind aliniat la următorul și un piston separat în fiecare. Dar dacă am putea lipi doi pistoane într-un cilindru și să-i coordonăm acțiunile astfel încât să se confrunte unul cu altul - de aici și termenul „cilindru opus” - dar nu se ciocnesc? Fiecare dintre acești cilindri ar prelua doar jumătate din lungimea cilindrului, astfel încât nu ar trebui să se deplaseze decât jumătate din distanța unui cilindru într-un motor standard, economisind astfel combustibilul oferind totuși același efect rotativ asupra arborelui cotit. Iar arborele cotit ar putea trece prin centrul cilindrului, perpendicular pe axa lungă a cilindrului, astfel încât ambii pistoane ar putea roti arborele cotit în timp ce se deplasau în direcții opuse. Și puteau să-și adune deșeurile de evacuare în centrul cilindrului, astfel încât capetele cilindrului să nu fie obligate să fie acoperite pentru a evita scăparea fumurilor nocive de evacuare înainte de a avea nevoie.

Nu ar fi misto? Pariați că ar fi!

Acesta este numit motor cu piston opus, cu cilindru opus (OPOC). În motorul OPOC conceput de Ecomotors pentru Agenția de Proiecte de Cercetare Avansată a Apărării (sau DARPA, și da asta înseamnă că aplicațiile timpurii sunt susceptibile de a fi militare), cei doi pistoane din unic cilindru sunt efectiv întrețesute, fiecare fiind împărțit în două părți. și mișcându-se unul în altul în direcții opuse creând cursa de compresie, astfel încât capetele opuse ale unei părți a fiecărui piston să se închidă și să comprime amestecul de aer combustibil între ele în timp ce capetele opuse ale celuilalt se mișcă pentru a admite aer în gol pentru a crea accidentul cerebral de admisie. Deoarece aceste două timpi sunt simultane, întreaga acțiune a pistoanelor nu are decât două mișcări înainte și înapoi, făcând astfel din acesta un motor în doi timpi în locul celui mai convențional în patru timpi. Și pentru că acești doi pistoane dintr-un singur cilindru efectuează munca celor doi pistoane în doi cilindri obișnuiți, aceștia fac doar munca care se desfășoară în mod normal într-un cilindru, dar aplică doi cilindri în valoare de arbore cotit. Acest lucru oferă motorului OPOC o densitate mare de putere - adică un raport ridicat de putere la masa motorului în sine.

Și iată ceva care face într-adevăr motorul OPOC al Ecomotor să iasă în evidență de mulțime: este modular. Puteți utiliza unul, două sau chiar trei dintre ele unite împreună cu un aranjament de viteze care poate fi scalabil, de la un motor cu un cilindru (care în termeni normale a motorului este într-adevăr un motor cu două cilindri) până la trei cilindri (echivalentul unui șase timpi motor) și nu numai. Pur și simplu continuați să agățați buteliile pentru a vă face motorul mai mare și mai puternic. Și un motor OPOC este mecanic mult mai simplu decât un motor standard cu combustie internă. În aranjamentul standard, este necesară o serie complexă și precisă de cronometrare pentru a vă asigura că robinetele de admisie și evacuare sunt deschise atunci când este nevoie. Asta înseamnă că motorul are un număr incredibil de mic de piese mobile. De exemplu, într-un cilindru de combustie internă convențională, este necesar un mecanism complicat pentru a trece valvul de admisie și supapa de evacuare, astfel încât acestea să fie deschise doar atunci când este nevoie și să nu fie niciodată deschise simultan. Dar în motorul OPOC, aceste "valve" sunt pur și simplu orificii în partea laterală a cilindrului, care sunt acoperite și descoperite de alunecarea pistoanelor în sine, eliminând astfel necesitatea unui mecanism complicat pentru a le face deschise și închise. Ecomotors estimează că numărul de piese mobile în motorul său a fost redus de la 385 la 62, ceea ce înseamnă că există un număr mult mai mic de piese care au nevoie de întreținere și pot merge prost.

Rezultatul este că motoarele OPOC sunt mai simple și astfel sunt mai puțin susceptibile să se deterioreze. De asemenea, sunt mai eficienți, pierd mai puțină energie în timpul funcționării și - pentru că lucrează cu doi pistoane cu un singur - pot produce mult mai multă putere decât un motor standard cu combustie internă doar pentru o porție a gazului. Este acesta motorul viitorului? Probabil. Cel puțin până când vine acea celulă de combustibil nuclear.

Nota autorului: Cum funcționează motoarele cu cilindru opus cu piston opus (OPOC)

Nu sunt unul dintre acei tipuri care mi-au crescut cu capul sub capota unei mașini, dând motorul deoparte și punându-l din nou la loc doar pentru a vedea dacă aș putea face asta. Mai probabil mă veți găsi la tastatura unui computer, programând în limbi precum BASIC și C sau scrieți cărți despre motivul pentru care puterea de fuziune controlată a fost sursa de energie a viitorului. (Încă o aștept pe asta.) Dar când am început să scriu despre mașini, era firesc doar să gravit spre a scrie despre tehnologii auto care se aflau pe marginile sângerării, despre modalitățile de alimentare și folosire a mașinilor atât de avansate. , ai crede că s-ar fi putut scoate dintr-un film precum Blade Runner sau Minority Report. Nu știu despre tine, dar mă simt tentativ în sus și în jos în coloana vertebrală când aflu despre ceva nou, interesant și face lucruri într-un mod în care oamenii (în acest caz, inginerii auto) nu le-au mai făcut niciodată.

Motoarele opuse cu piston opuse cu piston (OPOC) s-ar putea să nu sune la fel de sângerare ca, să zicem, mașini care zboară sau DeLoreans din 1981 cu condensatoare de flux care să-i ajute să călătorească în timp, dar, în momentul în care am terminat să cercetez acest articol, mi-am dat seama că sunt de fiecare dată. la fel de interesant. (Bine, poate nu la fel de interesant ca acel lucru al condensatorului de flux.) Motoarele OPOC sunt produsul multor gânduri ingenioase de către inginerii strălucitori care nu au fost dispuși să accepte că modul în care motoarele cu ardere internă au fost întotdeauna singurele moduri că se pot face. Da, OPOC-urile sunt de mult timp - prototipurile timpurii ale motorului OPOC se întorc în secolul al XIX-lea - dar inginerii auto, cu puțin ajutor din partea aripii de cercetare de ultimă oră a armatei DARPA (Proiectul Advanced Research Research) Agenție), în sfârșit își primesc momentul în soare și nimeni nu ar putea fi mai încântat decât mine.

Articole similare

• Car Smarts: Motoare
• Cum funcționează motoarele auto
• Cum funcționează motoarele în doi timpi
• Cum funcționează un motor cu ciclu Atkinson
• Cum funcționează motorul Graal
• Cum funcționează motoarele cu supapă cu mânecă
• Cum funcționează mașina aeriană
• Raportul de compresie și evaluările de octan: Ce trebuie să știți

surse

• Ecomotors International. "Sisteme de propulsie curate, eficiente și ușoare pentru o lume mai bună." (7 martie 2012) http://www.ecomotors.com/technology
• DeMorro, Christopher. "Motorul OPOC este mai mic, mai ușor și cu 50% mai eficient decât turbinodișii." Gaz 2. (7 martie 2012) http://gas2.org/2011/02/02/opoc-engine-is-smaller-lighter-and-50-more-efficient-than-turbodiesels/
• Ecomotors International. "Motorul cu cilindru opus, piston opus EcoMotors International promite să revoluționeze proiectarea vehiculelor comerciale cu motoare puternice, ușoare, eficiente în combustibil, cu emisii reduse." (7 martie 2012) http: //www.ecomotors.com/ecomotors-internationals-opposed-piston-opposed-cylinder-engine-promises-revolutionize-commercial-ve \
• Știință populară. "Motor OPOC EcoMotors." (7 martie 2012) http://www.popsci.com/bown/2011/product/ecomotors-opoc-engine
• Ellzey, Curtis. "Motor cilindru opus pistonului." (7 martie 2012) http://www.engineeringtv.com/video/Opposed-Piston-Opposed-Cylinder
• Hofbauer, Peter. "O introducere în eco-motoare cu prof. Peter Hofbauer." (7 martie 2012) http://www.ecomotors.com/videos/introduction-ecomotors-prof-peter-hofbauer
• Mraz, Stephen J. "Scanarea ideilor: motorul cu piston opus, cu cilindru opus crește densitatea puterii." Proiectarea mașinilor. (7 martie 2012) http://machinedesign.com/article/scanning-for-ideas-opposed-piston-opposed-cylinder-engine-bumps-up-the-power-density-0504
• Samid, Sam Abuel. "5 moduri de a reproiecta motorul cu ardere internă." Mecanica populară. (7 martie 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/industry/5-alternative-engine-architectures#slide-1
• Wojdyla, Ben. J. „Șase motoare prototip pentru a-ți trage creierul.” Mecanica populară. (7 martie 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/fuel-economy/6-prototype-engines-to-get-your-brain-firing?click=main_sr#slide-1