Hur motstående kolv motsatta cylinder (OPOC) -motorer fungerar

Bättre förbränningsmotorer är på väg. Och när vi säger bättre menar vi lättare, mer bränsleeffektivt och mindre förorenande. Titta på vår animering av hur OPOC-motorn fungerar. Andrew Holt / Photographer's Choice / Getty Images

Förbränningsmotorer förorenar luften. Förbränningsmotorer berövar planeten av värdefulla och icke-förnybara resurser. Förbränningsmotorer kräver fossila bränslen som binder USA ekonomiskt till länder som vi helst inte vill göra affärer med.

Och förbränningsmotorer försvinner inte snart.

Åh, du har hört talas om alla de nya teknikerna som borde ersätta förbränningsmotorn varje dag nu, tekniker som elmotorer, hybridmotor, vätgasbränsleceller och till och med bilar som kör på tryckluft, men ingen av dessa teknologier är redo att rädda bilindustrin från förbränningsmotorn ännu. Elektriska motorer är förmodligen det bästa alternativet för den omedelbara framtiden och det finns till och med vissa bilar på marknaden nu som använder dem som strömkälla, men de tar tid att ladda, har ett begränsat körområde och de kan inte bara drivas upp på fem minuter på den lokala servicestationen. Dessutom vill du verkligen fastna i mitten av East Nowhere, Mellanamerika, med en död litiumjonbatteri-grupp och ingen i närheten som har den dimmaste uppfattningen hur man laddar det? Hybridmotor är redan ganska genomförbara, vilket Toyota Prius enorma framgång visar, men de innehåller fortfarande förbränningsmotorer, så de löser inte problemet. De skjuter bara upp dagen då vi äntligen måste bli av med den föråldrade tekniken. Vätebränslecellbilar kommer att bli riktigt fantastiska när de finns tillgängliga i fordon som kan köpas och drivas av den genomsnittliga konsumenten. Det borde vara, åh, cirka 20 till 30 år från och med nu, ungefär den tiden du kommer att investera i din första uppsättning falska tänder. Och tryckluftsbilar? Ingen vet riktigt när de kommer att vara redo att slå vägen, men det kommer förmodligen att vara en bra stund ännu innan du kan tanka bilen med en cykelpump.

Dessa tekniker är viktiga. Tänk tankar och biltillverkare undersöker dem just nu. Transporten som dina barns barn använder beror på dem. En eller annan dag kommer en eller alla av dessa tekniker att befria världen från dess out-of-control beroende till fossila bränslen. Men under tiden är det vi verkligen behöver något som realistiskt kan vara redo för praktisk användning inom de närmaste åren: en bättre förbränningsmotor.

Här är de goda nyheterna: Bättre förbränningsmotorer är på väg. Och när vi säger bättre menar vi lättare, mer bränsleeffektivt och mindre förorenande. Om vi ​​inte kan sätta förbränningsmotorer ut på bete ännu, kan vi åtminstone få dem att bete sig lite mer artigt medan de fortfarande galopperar på allmänna gator.

En av de mest spännande nya typerna av förbränningsmotorer är den motsatta kolven motstående cylindermotorn, och om du inte kommer ihåg alla de tungvridande stavelserna kan du bara kalla det en OPOC-motor. (Känn dig inte illa. Alla andra kallar det också.) OPOC-motorer är inte riktigt nya - idén har funnits ett tag - men ett företag som heter Ecomotor håller äntligen på att bygga OPOC som kommer att vara redo för konsumentfordon långt innan vätgasbränsleceller är nationens raseri. Och som bevis på att Ecomotors erbjuder seriös teknologi som verkligen kan revolutionera det sätt vi använder bensin inom en snar framtid, har en kollega som heter Bill Gates redan investerat i företaget. Ja, det Bill Gates, och ingen kan säga att medgrundaren till Microsoft inte vet något om de praktiska aspekterna av den senaste tekniken.

Men vad är exakt en OPOC-motor och hur skiljer den sig från förbränningsmotorerna som vi alla älskar och hatar? För att svara på den frågan ger vi dig först en uppdateringskurs i standardbilsmotorer, och sedan visar vi hur OPOC: er gör ungefär samma sak men bara lite annorlunda - och lite bättre.

Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.

Chansen är stor att din bil har antingen fyra eller sex cylindrar i sig. (Om du har mer än sex cylindrar kör du en riktig muskelbil och handlar förmodligen inte helt runt efter något som gör förbränningsmotorn föråldrad.) En motorcylinder är precis som det låter som - en cylindriskt hål i motorn i vilken du kan placera ett rörligt rör, kallad en kolv. Och det är den kolven, i kombination med bensin, luft och en tändstift som ger drivkraften som får din bil att zooma längs vägen. Det är den snabba och smutsiga versionen av historien, i alla fall.

Cylindrarna i en bils förbränningsmotor är täckta så att gaserna som hålls i området mellan kolvens övre del och cylinderns topp inte kan undkomma. Det finns emellertid också två ventiler på eller nära toppen av varje cylinder som kan öppnas och stängas mekaniskt. Dessa är konstruerade för att tillåta luft och bensin i cylindern (insugningsventilen) och för att frigöra avgas från cylindern (avgasventilen) efter att motorns förbränningsprocess är klar. Dessa ventiler öppnar och stängs på ett sätt som noggrant är inställt med kolvens rörelse så att avgaserna släpps innan en ny tillförsel av frisk luft flyter in.

Det är rörelsen från kolven som driver bilen. Kolvar glider fint upp och ner i cylindern eftersom det är vad de är designade för att göra. De flesta bilar använder en fyrtaktsmotor (eller Otto-cykel), där det finns fyra steg till kolvens rörelse. I det första, kallad insugningsslaget, öppnas inloppsventilen och kolven rör sig nedåt. Vakuumet som skapas av den nedåt rörande kolven suger luft tillsammans med en liten mängd bensin i cylinderns övre del. När blandningen har fyllt det tillgängliga utrymmet som lämnas av den sjunkande kolven stängs insugningsventilen och kolven stiger igen i kompressionsslaget, och pressar luft-bränsleblandningen till en tät massa packad med så mycket potentiell energi att den betraktas som ett explosivt . (Lyckligtvis finns det väldigt lite bensin i blandningen, så vi talar inte explosivt med termonukleärvapenkvalitet utan något mer som en körsbärsbombe.) Sedan kommer den del av processen som verkligen ger motorn sin kick: förbränningsslaget, där tändstiftet blinkar och tänder den potentiella energin som en smällare i en plåtburk och skjuter tillbaka kolven igen. Slutligen, i avgasslag, öppnar avgasventilen, och kolven stiger tillbaka till toppen av cylindern och skjuter ut den värdelösa, gasformiga återstoden av explosionen av brännbara material. Så snart avgasventilen stängs börjar processen om igen.

Medan kolven stiger och faller, vrider den vevaxeln, en lång, roterande stång som omvandlar kolvarnas upp- och nedrörelse till den cirkulära rörelsen som får bilens växlar och hjul att snurra. I de flesta vanliga motorarrangemang (det finns ganska många) kommer cylindrar parvis, så att den nedre rörelsen av en kolv under ett slag skapar den andra uppåt, en cykel som teoretiskt kan gå på evigt ... eller åtminstone tills bensinen tar slut. Det här är inte exakt evig rörelse, men om du tänker på det kanske du frågar hur kolvarnas rörelse började i första hand. Svaret är att fyrtaktscykeln vanligtvis börjar med en kort sprängning av rotationsenergi till vevaxeln från en elektrisk startmotor, men tidiga bilar kom igång eftersom någon lycklig förare var tvungen att vrida en handmanövrerad vev för att rotera, ja , vevaxeln. (Nu vet du varför de kallar det så.) Är du inte glad att du inte körde bilar då??

Denna fyrtaktscykel uppfanns på 1800-talet - i själva verket, variationer på den går tillbaka till ångmotorn - och det finns många variationer på den. Låt oss se om vi kan komma på en som använder hälften så många cylindrar men ändå får lika mycket kraft.

Arbetarna monterar motorer för Porsche 911-bilar vid Porsche-fabriken i Zuffenhausen, Tyskland. En komplex uppgift, utan tvekan. Ecomotors uppskattar att antalet rörliga delar i sin motor har minskat från 385 till 62, vilket gör det mycket lättare att underhålla. Marco Prosch / Getty Images

I förbränningsmotorerna som vi har pratat med hittills fungerar kolvarna parallellt med varje cylinder i linje med nästa och en separat kolv i var och en. Men tänk om vi kunde fästa två kolvar i en cylinder och samordna deras handlingar så att de står inför varandra - därmed termen "motsatt cylinder" - men inte kolliderar? Var och en av dessa cylindrar skulle bara ta upp hälften av cylinderns längd, så att den bara skulle behöva flytta halva cylinderns avstånd i en standardmotor, vilket sparar bränsle men ändå ger samma roterande effekt på vevaxeln. Och vevaxeln kunde passera genom cylinderns mitt, vinkelrätt mot cylinderns långa axel, så att båda kolvarna kunde rotera vevaxeln när de rörde sig i motsatta riktningar. Och de kunde samla avgasavfallet i mitten av cylindern, så att cylinderns ändar inte skulle behöva täckas för att förhindra att de skadliga avgaserna rymmer innan de behövde.

Skulle det inte vara coolt? Du satsar på att det skulle!

Detta kallas en motsatt kolvmotor, motstående cylindermotor (OPOC). I OPOC-motoren som utarbetats av Ecomotors för Defense Advanced Research Projects Agency (eller DARPA, och ja, det betyder att tidiga applikationer troligen kommer att vara militära), sammanflätas de två kolvarna i encylindern effektivt, var och en uppdelad i två delar och rör sig inuti varandra i motsatta riktningar vilket skapar kompressionsslaget, så att de motstående ändarna av en del av varje kolv stängs samman och komprimerar bränsleluftsblandningen mellan dem medan de motsatta ändarna på den andra rör sig isär för att tillåta luft i mellanrum för att skapa intaget. Eftersom dessa två slag är samtidigt tar hela kolvverkan endast två rörelser fram och tillbaka, vilket gör detta till en tvåtaktsmotor istället för den mer konventionella fyrtaktsmotorn. Och eftersom dessa två kolvar i en cylinder utför arbetet med de två kolvarna i två vanliga cylindrar, gör de bara det arbete som normalt går i en cylinder men tillämpar två rörliga värden på röret på vevaxeln. Detta ger OPOC-motorn en hög effekttäthet - det vill säga ett högt förhållande mellan kraften och själva motorns massa.

Och här är något som verkligen gör att Ecomotors OPOC-motor sticker ut från mängden: Den är modulär. Du kan använda en, två eller till och med tre av dem förenade med ett växelarrangemang som är skalbart, från en encylindrig motor (som i vanliga motortermer verkligen är en tvåcylindrig motor) upp till en trecylinder (motsvarande en sextakts motor) och därefter. Fortsätt bara ansluta cylindrarna för att göra din motor större och kraftfullare. Och en OPOC-motor är mekaniskt mycket enklare än en vanlig förbränningsmotor. I standardarrangemanget krävs en komplex och exakt tidsinställd serie kopplingar för att se till att insugnings- och avgasventilerna är öppna vid behov. Det betyder att motorn har ett otroligt litet antal rörliga delar. I en konventionell förbränningscylinder är till exempel en komplicerad mekanism nödvändig för att tidsinställa inloppsventilen och avgasventilen så att de endast är öppna vid behov och aldrig är öppna samtidigt. Men i OPOC-motorn är dessa "ventiler" helt enkelt hål i sidan av cylindern, som är täckta och avtäckta av glidningen av själva kolvarna, vilket tar bort behovet av en komplicerad mekanism för att göra dem öppna och stängda. Ecomotors uppskattar att antalet rörliga delar i sin motor har minskat från 385 till 62, vilket innebär att det finns en hel del av färre delar som behöver service och kan gå dåligt.

Resultatet är att OPOC-motorer är enklare och därmed mindre troliga att bryta ner. De är också mer effektiva, förlorar mindre energi under drift och - eftersom de gör arbetet med två kolvar med endast en - kan de producera mycket mer kraft än en vanlig förbränningsmotor för bara en del av gasen. Är detta framtidens motor? Förmodligen. Åtminstone tills den kärnbränslecellen följer med.

Författarens anmärkning: Hur motståndade kolvar motsatta cylinder (OPOC) -motorer fungerar

Jag är inte en av de killarna som växte upp med mitt huvud under huven på en bil som tar isär motorn och satte tillbaka den igen bara för att se om jag kunde göra det. Mer troligt skulle du hitta mig på tangentbordet på en dator, programmera på språk som BASIC och C eller skriva böcker om varför kontrollerad fusionskraft var framtidens energikälla. (Jag väntar fortfarande på den.) Men när jag började skriva om bilar var det bara naturligt för mig att tvinga mig till att skriva om bilteknologier som var ute på de blödande kanterna, sätt att driva och använda bilar som var så avancerade , skulle du tro att de kanske har kört rakt ut ur en film som Blade Runner eller Minority Report. Jag vet inte om dig, men jag får den här prickande känslan upp och ner i ryggraden när jag lär mig något som är nytt, spännande och gör saker på ett sätt som människor (i detta fall bilingenjörer) aldrig har gjort dem tidigare.

Motstående kolvmotståndade cylindermotorer (OPOC) kanske inte låter så blödande kant som, till exempel, flygande bilar eller 1981 DeLoreans med flödeskondensatorer för att hjälpa dem att resa genom tiden, men när jag slutade undersöka den här artikeln insåg jag att de var allt lika spännande. (Okej, kanske inte riktigt lika spännande som den fluxkondensatorns grej.) OPOC-motorer är produkten av en hel del geniala tankar av lysande ingenjörer som inte var villiga att acceptera att sättet med förbränningsmotorer alltid har gjorts är det enda sättet att de kan göras. Ja, OPOC: ar har funnits länge - de tidiga prototyperna för OPOC-motorn går tillbaka till 1800-talet - men biltekniker, med lite hjälp från militärens spetsforskning DARPA (Defense Advanced Research Project) Agency), äntligen får sitt ögonblick i solen och ingen kunde vara mer upphetsad än jag.

relaterade artiklar

• Car Smarts: Motorer
• Hur bilmotorer fungerar
• Hur tvåtaktsmotorer fungerar
• Hur en Atkinson Cycle Engine fungerar
• Hur Grail Engine fungerar
• Hur muffventilmotorer fungerar
• Så fungerar luftbilen
• Kompressionskvot och oktanklassificering: Vad du behöver veta

källor

• Ecomotors International. "Rena, effektiva och lätta framdrivningssystem för en bättre värld." (7 mars 2012) http://www.ecomotors.com/technology
• DeMorro, Christopher. "OPOC-motor är mindre, lättare och 50% mer effektiv än turbodieslar." Gas 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 motordrivna kolv, motstående cylindermotor lovar att revolutionera kommersiell fordonsdesign med kraftfulla, lätta, bränsleeffektiva, låga utsläppsmotorer." (7 mars 2012) http: //www.ecomotors.com/ecomotors-internationals-opposed-piston-opposed-cylinder-engine-promises-revolutionize-commercial-ve \
• Populär vetenskap. "EcoMotors OPOC-motor." (7 mars 2012) http://www.popsci.com/bown/2011/product/ecomotors-opoc-engine
• Ellzey, Curtis. "Motstående kolvmotstående cylindermotor." (7 mars 2012) http://www.engineeringtv.com/video/Opposed-Piston-Opposed-Cylinder
• Hofbauer, Peter. "En introduktion till EcoMotors med professor Peter Hofbauer." (7 mars 2012) http://www.ecomotors.com/videos/introduction-ecomotors-prof-peter-hofbauer
• Mraz, Stephen J. "Scanning for Ideas: Motset-kolven, motsatt cylinder motor stöter upp effekttätheten." Maskinkonstruktion. (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 sätt att designa förbränningsmotorn." Populär mekanik. (7 mars 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/industry/5-alternative-engine-architectures#slide-1
• Wojdyla, Ben. J. "Sex prototypmotorer för att få din hjärnskydd." Populär mekanik. (7 mars 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/fuel-economy/6-prototype-engines-to-get-your-brain-firing?click=main_sr#slide-1