Hvordan motstående stempelmotstand sylinder (OPOC) motorer fungerer

Bedre forbrenningsmotorer er på vei. Og når vi sier bedre, mener vi lettere, mer drivstoffeffektivt og mindre forurensende. Ta en titt på animasjonen vår om hvordan OPOC-motoren fungerer. Andrew Holt / Photographer's Choice / Getty Images

Forbrenningsmotorer forurenser luften. Forbrenningsmotorer plyndrer planeten for dyrebare og ikke-fornybare ressurser. Forbrenningsmotorer krever fossilt brensel som binder USA økonomisk til land som vi helst ikke vil gjøre forretninger med.

Og forbrenningsmotorer forsvinner ikke snart.

Å, helt sikkert, du har hørt om alle de nye teknologiene som bør erstatte forbrenningsmotoren hver dag nå, teknologier som elektriske motorer, hybride krafttog, hydrogenbrenselceller og til og med biler som kjører på trykkluft, men ingen av disse teknologier er klare til å redde bilindustrien fra forbrenningsmotoren ganske ennå. Elektriske motorer er sannsynligvis det beste alternativet for den nærmeste fremtiden, og det er til og med noen biler på markedet nå som bruker dem som strømkilde, men de tar tid å lade, har et begrenset kjøreområde, og de kan ikke bare drives opp på fem minutter på den lokale bensinstasjonen. Dessuten vil du virkelig bli sittende fast midt i East Nowhere, Mellom-Amerika, med et dødt litium-ion-batteri, og ingen som har den tåpeligste forestillingen om hvordan du kan lade det opp? Hybride krafttog er allerede ganske mulig, som den enorme suksessen til Toyota Prius viser, men de inneholder fremdeles forbrenningsmotorer, slik at de ikke løser problemet. De bare utsetter dagen da vi endelig trenger å bli kvitt denne antikviserte teknologien. Hydrogenbrenselcellebiler vil være virkelig fantastiske når de er tilgjengelige i kjøretøyer som kan kjøpes og kjøres av den gjennomsnittlige forbrukeren. Dette bør være, om 20 til 30 år fra nå, rundt det tidspunktet du vil investere i ditt første sett med falske tenner. Og trykkluftbiler? Ingen vet egentlig når de vil være klare til å slå veien, men det vil sannsynligvis være en god stund ennå før du kan fylle bensin med bilen din med en sykkelpumpe.

Disse teknologiene er viktige. Tenketanker og bilprodusenter forsker på dem akkurat nå. Transporten som barna dine bruker, avhenger av dem. En eller annen dag vil en eller alle disse teknologiene frigjøre verden fra sin avhengighet uten kontroll til fossilt brensel. Men i mellomtiden er det vi virkelig trenger noe som realistisk kan være klar til praktisk bruk i løpet av de neste årene: en bedre forbrenningsmotor.

Her er den gode nyheten: Bedre forbrenningsmotorer er på vei. Og når vi sier bedre, mener vi lettere, mer drivstoffeffektivt og mindre forurensende. Hvis vi ikke kan sette forbrenningsmotorer ut på beite enda, kan vi i det minste få dem til å oppføre seg litt mer høflig mens de fremdeles galopperer rundt i de offentlige gatene.

En av de mest spennende nye typene forbrenningsmotorer er den motsatte stempelmotoren, og hvis du ikke kan huske alle de tungetvist vride stavelsene, kan du bare kalle det en OPOC-motor. (Ikke føl deg dårlig. Alle andre kaller det det også.) OPOC-motorer er ikke helt nye - ideen har eksistert en stund - men et selskap som heter Ecomotor begynner endelig å gjøre alvor av å bygge OPOC-er som vil være klare til forbruker kjøretøy lenge før brenselceller er nasjonens raseri. Og som et bevis på at Ecomotors tilbyr seriøs teknologi som virkelig kan revolusjonere måten vi bruker bensin på i nærmeste fremtid, har en stipendiat som heter Bill Gates allerede investert i selskapet. Ja, det Bill Gates, og ingen kan si at medgrunnleggeren av Microsoft ikke vet noe eller to om de praktiske aspektene ved den nyskapende teknologien.

Men hva er egentlig en OPOC-motor, og hvordan skiller den seg fra forbrenningsmotorene som vi alle elsker og hater? For å svare på det spørsmålet, vil vi først gi deg et forfriskningskurs i standardbilmotorer, og så viser vi deg hvordan OPOC gjør stort sett det samme, men bare litt annerledes - og litt bedre.

Dette innholdet er ikke kompatibelt på denne enheten.

Sjansen er stor for at bilens motor har enten fire eller seks sylindere i seg. (Hvis du har mer enn seks sylindere, kjører du en ekte muskelbil og handler sannsynligvis ikke helt rundt for noe som vil gjøre forbrenningsmotoren foreldet.) En motorsylinder er akkurat slik det høres ut - sylindrisk hull i motoren du kan plassere et bevegelig rør i, kalt et stempel. Og det er det stempelet, kombinert med bensin, luft og en tennplugg som gir drivkraften som får bilen til å zoome nedover veien. Det er den raske og skitne versjonen av historien, uansett.

Sylindrene i en bils forbrenningsmotor er lukket slik at gassene som holdes i området mellom toppen av stempelet og toppen av sylinderen ikke kan slippe ut. Imidlertid er det også to ventiler på eller nær toppen av hver sylinder som kan åpnes og lukkes mekanisk. Disse er designet for å tillate luft og bensin i sylinderen (inntaksventilen) og for å frigjøre eksos fra sylinderen (eksosventilen) etter at motorens forbrenningsprosess er fullført. Disse ventilene åpnes og lukkes på en måte forsiktig tidsbestemt med stemplets bevegelse slik at eksosen blir frigjort før en ny tilførsel av frisk luft strømmer inn.

Det er bevegelsen til stempelet som driver bilen. Stempelene glir pent opp og ned i sylinderen fordi det er det de er designet for å gjøre. De fleste biler bruker en firetakters (eller Otto-syklus) motor, der det er fire etapper til stemplets bevegelse. I det første, kalt inntakstrøket, åpnes inntaksventilen og stempelet beveger seg nedover. Vakuumet skapt av det nedadgående bevegelige stempelet suger luft sammen med en liten mengde bensin inn i den øvre delen av sylinderen. Når blandingen har fylt den tilgjengelige plassen som er igjen av det synkende stempelet, lukkes inntaksventilen og stempelet stiger igjen i kompresjonsslaget, og presser luft-drivstoffblandingen til en tett masse fullpakket med så mye potensiell energi at den kvalifiserer som et eksplosivt . (Heldigvis er det veldig lite bensin i blandingen, så vi snakker ikke om eksplosiv termonukleær våpenkvalitet, men noe mer som en kirsebærbombe.) Så kommer den delen av prosessen som virkelig gir motoren sitt spark: forbrenningslaget, der tennpluggen blinker og tenner den potensielle energien som en fyrverkeri i en blikkboks, og skyver stemplet ned igjen. Til slutt, i eksosslaget, åpnes eksosventilen, og stempelet reiser seg tilbake til toppen av sylinderen, og skyver ut den ubrukelige, gassrike resten av eksplosjonen av brennbare materialer. Så snart eksosventilen lukkes, begynner prosessen på nytt.

Mens stempelet reiser seg og faller, snur det veivakselen, en lang, roterende stang som konverterer stemplets opp- og ned-bevegelse til den sirkulære bevegelsen som får bilens gir og hjul til å snurre. I de fleste vanlige motorarrangementer (det er ganske mange) kommer sylindere parvis, slik at den nederste bevegelsen til det ene stempelet under det ene slaget skaper det andre slagets oppover, en syklus som teoretisk sett kan gå evig ... eller i det minste til bensinen går tom. Dette er ikke akkurat evigvarende bevegelse, men hvis du tenker på det, kan du spørre hvordan bevegelsen til stemplene startet i utgangspunktet. Svaret er at firetaktsyklusen vanligvis begynner med en kort spenning med rotasjonsenergi til veivakselen fra en elektrisk startmotor, men tidlige biler kom i gang fordi noen heldige sjåfører måtte vri en håndbetjent sveiv for å rotere, ja , veivakselen. (Nå vet du hvorfor de kaller det det.) Er du ikke glad for at du ikke kjørte biler den gangen?

Denne firetaktssyklusen ble oppfunnet på 1800-tallet - faktisk, variasjoner på den går tilbake til dampmotoren - og det er mange variasjoner på den. La oss se om vi kan komme frem til en som bruker halvparten så mange sylindre, men som får like mye strøm.

Arbeiderne monterer motorer til Porsche 911-biler på Porsche-anlegget i Zuffenhausen, Tyskland. En kompleks oppgave, uten tvil. Ecomotors anslår at antall bevegelige deler i motoren har blitt redusert fra 385 til 62, noe som gjør det mye enklere å betjene. Marco Prosch / Getty Images

I forbrenningsmotorene vi har snakket så langt, fungerer stemplene parallelt, med hver sylinder rettet mot neste og et eget stempel i hver. Men hva om vi kunne stikke to stempler i en sylinder og koordinere handlingene deres slik at de vender mot hverandre - derav uttrykket "motstående sylinder" - men ikke kolliderer? Hver av disse sylindrene ville bare ta halvparten av lengden på sylinderen, slik at den bare måtte bevege seg halvparten av avstanden til en sylinder i en standardmotor, og dermed spare drivstoff, men likevel gi den samme roterende effekten på veivakselen. Og veivakselen kunne passere gjennom midten av sylinderen, vinkelrett på sylinderens lange akse, slik at begge stemplene kunne rotere veivakselen når de beveget seg i motsatte retninger. Og de kunne samle avtrekkavfallet i midten av sylinderen, slik at endene av sylinderen ikke trenger å bli avdekket for å forhindre at de skadelige eksosgassene rømmer før de trengte å.

Ville det ikke være kult? Du vedder på at det ville gjort det!

Dette kalles en motsatt stempelmotor, motstående sylinder (OPOC) motor. I OPOC-motoren som er utarbeidet av Ecomotors for Defense Advanced Research Projects Agency (eller DARPA, og ja, dette betyr at tidlige applikasjoner sannsynligvis vil være militære), blir de to stemplene i den enkle sylinderen effektivt sammenflettet, med hver delt i to deler og bevege seg i hverandre i motsatte retninger for å skape kompresjonsslaget, slik at de motstående ender av den ene delen av hvert stempel lukkes sammen og komprimerer drivstoffluftblandingen mellom dem mens de motstående ender av den andre beveger seg fra hverandre for å innrømme luft i gap for å skape inntaket. Siden disse to taktene er samtidig, tar hele stemplenes virkning bare to bevegelser frem og tilbake, og gjør dette til en totaktsmotor i stedet for den mer konvensjonelle firetaktsmotoren. Og fordi disse to stemplene i en sylinder utfører arbeidet med de to stemplene i to vanlige sylindere, utfører de bare arbeidet som normalt foregår i en sylinder, men bruker to sylindere som er verdt å bevege seg på veivakselen. Dette gir OPOC-motoren en høy effekttetthet - det vil si et høyt forholdstall i forhold til massen til selve motoren.

Og her er noe som virkelig gjør at Ecomotors OPOC-motor skiller seg ut fra mengden: Den er modulær. Du kan bruke en, to eller til og med tre av dem som er koblet sammen med en skalerbar girordning, fra en en-sylindret motor (som i vanlige motorformer egentlig er en tosylindret motor) opp til en tresylinder (tilsvarer en seksslag motor) og utover. Bare fortsett å hekte sylindrene for å gjøre motoren større og kraftigere. Og en OPOC-motor er mekanisk mye enklere enn en standard forbrenningsmotor. I standardarrangementet er det nødvendig med en kompleks og presis tidsstyrt serie koblinger for å sikre at inntaks- og eksosventilene er åpne når det er nødvendig. Det betyr at motoren har et utrolig lite antall bevegelige deler. For eksempel, i en konvensjonell forbrenningssylinder, er en komplisert mekanisme nødvendig for å innstille inntaksventilen og eksosventilen slik at de bare er åpne når det er behov og aldri er åpne samtidig. Men i OPOC-motoren er disse "ventilene" ganske enkelt hull i siden av sylinderen, som er dekket og avdekket av glidningen av stemplene selv, og fjerner dermed behovet for en komplisert mekanisme for å få dem til å åpne og stenge. Ecomotors anslår at antall bevegelige deler i motoren har blitt redusert fra 385 til 62, noe som betyr at det er en pokker med mye færre deler som trenger service og kan gå dårlig.

Resultatet er at OPOC-motorer er enklere og dermed mindre sannsynlig å bryte sammen. De er også mer effektive, mister mindre energi under drift, og - fordi de utfører arbeidet med to stempler med bare ett - kan de produsere mye mer kraft enn en standard forbrenningsmotor for bare en del av gassen. Er dette fremtidens motor? Sannsynligvis. I hvert fall til den kjernefysiske brenselcellen kommer.

Forfatterens merknad: Hvordan motstående stempelmotstand sylinder (OPOC) motorer fungerer

Jeg er ikke en av de karene som vokste opp med hodet mitt under panseret på en bil som tok motoren fra hverandre og satte den sammen igjen bare for å se om jeg kunne gjøre det. Mer sannsynlig at du vil finne meg på tastaturet til en datamaskin, programmering på språk som BASIC og C, eller skrive bøker om hvorfor kontrollert fusjonskraft var fremtidens energikilde. (Jeg venter fortsatt på den.) Men da jeg begynte å skrive om biler, var det bare naturlig for meg å bevege meg mot å skrive om bilteknologier som var ute på de blødende kantene, måter å drive og bruke biler som var så avanserte , skulle du tro at de kan ha kjørt rett ut av en film som Blade Runner eller Minority Report. Jeg vet ikke om deg, men jeg får denne prikkende følelsen opp og ned i ryggraden når jeg lærer om noe som er nytt, spennende og gjør ting på en måte som folk (i dette tilfellet bilingeniører) aldri har gjort dem før.

Motstående stempelmotstandede sylindermotorer (OPOC) høres kanskje ikke så blødende ut som for eksempel flyvende biler eller 1981 DeLoreans med fluks-kondensatorer for å hjelpe dem å reise gjennom tiden, men da jeg var ferdig med å forske på denne artikkelen, skjønte jeg at de var like like spennende. (Ok, kanskje ikke fullt så spennende som den fluks kondensator-tingen.) OPOC-motorer er produktet av mye genial tanke fra strålende ingeniører som ikke var villige til å akseptere at måten forbrenningsmotorer alltid har vært gjort er den eneste måten at de kan gjøres. Ja, OPOC-er har eksistert i lang tid - de tidlige prototypene til OPOC-motoren går tilbake til 1800-tallet - men bilingeniører, med litt hjelp fra militærets nyskapende forskningsfløy DARPA (Defense Advanced Research Project) Agency), endelig får sitt øyeblikk i solen, og ingen kunne være mer begeistret enn jeg er.

relaterte artikler

• Car Smarts: Motorer
• Hvordan bilmotorer fungerer
• Hvordan to-taktsmotorer fungerer
• Hvordan en Atkinson Cycle Engine fungerer
• Slik fungerer Grail Engine
• Hvordan motorer med ermet ventil
• Hvordan luftbilen fungerer
• Kompressjonsforhold og oktanvurderinger: Det du trenger å vite

kilder

• Ecomotors International. "Rene, effektive og lette fremdriftssystemer for en bedre verden." (7. mars 2012) http://www.ecomotors.com/technology
• DeMorro, Christopher. "OPOC-motoren er mindre, lettere og 50% mer effektiv enn turbodiesler." Gass 2. (7. mars 2012) http://gas2.org/2011/02/02/opoc-engine-is-smaller-lighter-and-50-more-efficient-than-turbodiesels/
• Ecomotors International. "EcoMotors Internationals motstående-sylindermotor løfter å revolusjonere kommersiell kjøretøysdesign med kraftige, lette, drivstoffeffektive motorer med lave utslipp." (7. mars 2012) http: //www.ecomotors.com/ecomotors-internationals-opposed-piston-opposed-cylinder-engine-promises-revolutionize-commercial-ve \
• Populærvitenskap. "EcoMotors OPOC-motor." (7. mars 2012) http://www.popsci.com/bown/2011/product/ecomotors-opoc-engine
• Ellzey, Curtis. "Motstående stempelmotstandende sylindermotor." (7. mars 2012) http://www.engineeringtv.com/video/Opposed-Piston-Opposed-Cylinder
• Hofbauer, Peter. "En introduksjon til EcoMotors med prof. Peter Hofbauer." (7. mars 2012) http://www.ecomotors.com/videos/introduction-ecomotors-prof-peter-hofbauer
• Mraz, Stephen J. "Scanning for Ideas: Motset-stemplet, motsatt sylindret motor støter opp tettheten." Maskindesign. (7. mars 2012) http://machinedesign.com/article/scanning-for-ideas-opposed-piston-opposed-cylinder-engine-bumps-up-the-power-density-0504
• Samid, Sam Abuel. "5 måter å redesigne forbrenningsmotoren på." Populær mekanikk. (7. mars 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/industry/5-alternative-engine-architectures#slide-1
• Wojdyla, Ben. J. "Seks prototyper for å få hjerneskyting." Populær mekanikk. (7. mars 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/fuel-economy/6-prototype-engines-to-get-your-brain-firing?click=main_sr#slide-1