Jak działają silniki z przeciwległym tłokiem przeciwbieżnym (OPOC)

Nadchodzą lepsze silniki spalinowe. A kiedy mówimy lepiej, mamy na myśli lżejsze, bardziej oszczędne i mniej zanieczyszczające. Obejrzyj naszą animację pokazującą, jak działa silnik OPOC. Andrew Holt / Photographer's Choice / Getty Images

Silniki spalinowe zanieczyszczają powietrze. Silniki spalinowe okradają planetę z cennych i nieodnawialnych zasobów. Silniki spalinowe wymagają paliw kopalnych, które ekonomicznie wiążą Stany Zjednoczone z krajami, z którymi wolelibyśmy nie robić interesów.

A silniki spalinowe nie znikną w najbliższym czasie.

Och, jasne, słyszałeś o wszystkich nowych technologiach, które każdego dnia powinny zastąpić silnik spalinowy, takich jak silniki elektryczne, hybrydowe układy napędowe, wodorowe ogniwa paliwowe, a nawet samochody napędzane sprężonym powietrzem, ale żadna z nich technologie są jeszcze gotowe, aby uratować przemysł samochodowy przed silnikiem spalinowym. Silniki elektryczne to prawdopodobnie nasz najlepszy wybór na najbliższą przyszłość, a obecnie na rynku są nawet samochody, które wykorzystują je jako źródło zasilania, ale ich ładowanie wymaga czasu, mają ograniczony zasięg i nie można ich po prostu zatankować. za pięć minut na lokalnej stacji paliw. Poza tym, czy naprawdę chcesz ugrzęznąć w środku Wschodniego Nigdzie, Środkowej Ameryce, z martwym układem akumulatorów litowo-jonowych i nikim w pobliżu, kto ma najmniejsze pojęcie, jak je naładować? Hybrydowe układy napędowe są już całkiem wykonalne, jak pokazuje ogromny sukces Toyoty Prius, ale nadal zawierają silniki spalinowe, więc tak naprawdę nie rozwiązują problemu. Po prostu odkładają dzień, w którym w końcu będziemy musieli pozbyć się tej przestarzałej technologii. Samochody napędzane wodorowymi ogniwami paliwowymi będą naprawdę niesamowite, gdy będą dostępne w pojazdach, które może kupić i prowadzić przeciętny konsument. To powinno być około 20 do 30 lat od teraz, mniej więcej w czasie, w którym zainwestujesz w swój pierwszy zestaw sztucznych zębów. A samochody na sprężone powietrze? Nikt tak naprawdę nie wie, kiedy te będą gotowe do drogi, ale prawdopodobnie minie sporo czasu, zanim zatankujesz samochód za pomocą pompki rowerowej.

Te technologie są ważne. Think tank i producenci samochodów badają je właśnie teraz. Transport, z którego korzystają dzieci, będzie zależał od nich. Któregoś dnia jedna lub wszystkie z tych technologii uwolnią świat od niekontrolowanego uzależnienia od paliw kopalnych. Ale w międzyczasie to, czego naprawdę potrzebujemy, to coś, co realistycznie może być gotowe do praktycznego użytku w ciągu najbliższych kilku lat: lepszy silnik spalinowy.

Oto dobra wiadomość: nadchodzą lepsze silniki spalinowe. A kiedy mówimy lepiej, mamy na myśli lżejsze, bardziej oszczędne i mniej zanieczyszczające. Jeśli nie możemy jeszcze wypuścić silników spalinowych na pastwisko, możemy przynajmniej sprawić, by zachowywały się nieco grzeczniej, podczas gdy nadal galopują po publicznych ulicach.

Jednym z najbardziej ekscytujących nowych typów silników spalinowych jest silnik przeciwbieżny z tłokami przeciwbieżnymi, a jeśli nie pamiętasz tych wszystkich skręcających się sylab, możesz po prostu nazwać go silnikiem OPOC. (Nie czuj się źle. Wszyscy inni też tak to nazywają.) Silniki OPOC nie są nowe - pomysł istnieje już od jakiegoś czasu - ale firma o nazwie Ecomotor w końcu poważnie myśli o budowaniu OPOC, które będą gotowe na pojazdy konsumenckie na długo przed wodorowymi ogniwami paliwowymi stały się wściekłością narodu. Jako dowód na to, że Ecomotors oferuje poważną technologię, która może naprawdę zrewolucjonizować sposób, w jaki używamy benzyny w najbliższej przyszłości, pracownik o imieniu Bill Gates już zainwestował w firmę. Tak, ten Bill Gates, a nikt nie może powiedzieć, że współzałożyciel Microsoftu nie wie nic lub dwa o praktycznych aspektach najnowocześniejszej technologii.

Ale czym właściwie jest silnik OPOC i czym różni się od silników spalinowych, które wszyscy kochamy i których nienawidzimy? Aby odpowiedzieć na to pytanie, najpierw przeprowadzimy kurs przypominający o standardowych silnikach samochodowych, a następnie pokażemy, jak OPOC robią prawie to samo, ale tylko trochę inaczej - i trochę lepiej.

Ta treść nie jest kompatybilna na tym urządzeniu.

Istnieje prawdopodobieństwo, że silnik twojego samochodu ma cztery lub sześć cylindrów. (Jeśli masz więcej niż sześć cylindrów, to jeździsz prawdziwym samochodem typu muscle car i prawdopodobnie jeszcze nie szukasz czegoś, co sprawi, że silnik spalinowy stanie się przestarzały.) Cylinder silnika jest tym, czym się wydaje - cylindryczny otwór w silniku, w który można włożyć ruchomą rurkę, zwaną tłokiem. I to właśnie ten tłok w połączeniu z benzyną, powietrzem i świecą zapłonową zapewnia siłę napędową, która sprawia, że ​​Twój samochód jedzie szybko po drodze. W każdym razie to szybka i brudna wersja tej historii.

Cylindry w samochodowym silniku spalinowym są zamknięte tak, że gazy utrzymywane w obszarze między górną częścią tłoka a górną częścią cylindra nie mogą się wydostać. Jednakże istnieją również dwa zawory na górze lub w pobliżu górnej części każdego cylindra, które można otwierać i zamykać mechanicznie. Są one zaprojektowane odpowiednio, aby wpuszczać powietrze i benzynę do cylindra (zawór dolotowy) i odprowadzać spaliny z cylindra (zawór wydechowy) po zakończeniu procesu spalania w silniku. Zawory te otwierają się i zamykają w sposób dokładnie zsynchronizowany z ruchem tłoka, tak aby wydech został uwolniony, zanim dopłynie nowy dopływ świeżego powietrza.

To ruch tłoka napędza samochód. Tłoki gładko przesuwają się w górę iw dół w cylindrze, ponieważ do tego są przeznaczone. Większość samochodów wykorzystuje silnik czterosuwowy (lub cykl Otto), w którym występują cztery etapy ruchu tłoka. W pierwszym, zwanym suwem dolotowym, zawór dolotowy otwiera się, a tłok porusza się w dół. Podciśnienie wytwarzane przez poruszający się w dół tłok zasysa powietrze wraz z niewielką ilością benzyny do górnej części cylindra. Gdy mieszanina wypełni dostępną przestrzeń pozostawioną przez opadający tłok, zawór dolotowy zamyka się, a tłok ponownie podnosi się w suwie sprężania, ściskając mieszankę paliwowo-powietrzną w ciasną masę wypełnioną tak dużą energią potencjalną, że kwalifikuje się jako materiał wybuchowy . (Na szczęście w mieszance jest bardzo mało benzyny, więc nie mówimy o materiale wybuchowym o jakości broni termojądrowej, ale o czymś bardziej jak bomba wiśniowa). Następnie przychodzi część procesu, która naprawdę daje silnikowi kopnięcie: suw spalania, gdzie świeca zapłonowa błyska i zapala tę potencjalną energię jak petarda w puszce, ponownie naciskając tłok. W końcu, w suwie wydechu, zawór wydechowy otwiera się, a tłok podnosi się z powrotem do górnej części cylindra, wypychając bezużyteczne, gazowe pozostałości po wybuchu materiałów palnych. Gdy tylko zawór wydechowy zamknie się, proces zaczyna się od nowa.

Podczas gdy tłok unosi się i opada, obraca wał korbowy, długi, obracający się pręt, który przekształca ruch tłoków w górę iw dół w ruch okrężny, który wprawia w ruch koła zębate i koła samochodu. W większości standardowych układów silnika (jest ich całkiem sporo) cylindry występują parami, tak że ruch w dół jednego tłoka podczas jednego suwu powoduje ruch w górę drugiego, cykl, który teoretycznie mógłby trwać wiecznie… lub przynajmniej do czasu benzyna się kończy. Nie jest to dokładnie perpetuum mobile, ale jeśli się nad tym zastanowić, można zapytać, skąd się wziął ruch tłoków. Odpowiedź brzmi, że cykl czterosuwowy zwykle zaczyna się od krótkiego wyrzutu energii obrotowej do wału korbowego z rozrusznika elektrycznego, ale wczesne samochody wstawały i jechały, ponieważ jakiś szczęśliwy kierowca musiał obracać ręczną korbą, aby obrócić, tak , wał korbowy. (Teraz już wiesz, dlaczego tak to nazywają.) Nie cieszysz się, że nie prowadziłeś wtedy samochodów?

Ten czterosuwowy cykl został wynaleziony w XIX wieku - w rzeczywistości jego odmiany sięgają silnika parowego - i istnieje wiele odmian. Zobaczmy, czy uda nam się wymyślić taki, który zużywa o połowę mniej cylindrów, ale ma taką samą moc.

Pracownicy montują silniki do samochodów Porsche 911 w fabryce Porsche w Zuffenhausen w Niemczech. Bez wątpienia skomplikowane zadanie. Ecomotors szacuje, że liczba ruchomych części w silniku została zmniejszona z 385 do 62, co znacznie ułatwia obsługę. Marco Prosch / Getty Images

W silnikach spalinowych, o których do tej pory rozmawialiśmy, tłoki działają równolegle, z każdym cylindrem ustawionym w linii z następnym i oddzielnym tłokiem w każdym. Ale co by było, gdybyśmy mogli włożyć dwa tłoki w jeden cylinder i skoordynować ich działanie tak, aby były zwrócone do siebie - stąd określenie „przeciwstawny cylinder” - ale nie kolidują? Każdy z tych cylindrów zajmowałby tylko połowę długości cylindra, tak więc musiałby przemieścić się tylko o połowę długości cylindra w standardowym silniku, oszczędzając w ten sposób paliwo, ale nadal zapewniając ten sam efekt obrotowy na wale korbowym. Wał korbowy może przechodzić przez środek cylindra prostopadle do długiej osi cylindra, tak że oba tłoki mogą obracać wałem korbowym, gdy poruszały się w przeciwnych kierunkach. I mogli gromadzić swoje odpady wydechowe w środku cylindra, tak aby końce cylindra nie musiały być zakryte, aby zapobiec wydostawaniu się szkodliwych spalin, zanim będą musieli.

Czy to nie byłoby fajne? Pewnie, że tak!

Nazywa się to silnikiem z przeciwbieżnym tłokiem i przeciwbieżnym cylindrem (OPOC). W silniku OPOC opracowanym przez Ecomotors dla Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony (lub DARPA, i tak, oznacza to, że wczesne zastosowania prawdopodobnie będą wojskowe), dwa tłoki w pojedynczym cylindrze są skutecznie przeplatane, a każdy z nich jest podzielony na dwie części i poruszają się wewnątrz siebie w przeciwnych kierunkach, tworząc suw sprężania, tak że przeciwległe końce jednej części każdego tłoka zamykają się razem i ściskają mieszankę paliwowo-powietrzną między nimi, podczas gdy przeciwległe końce drugiego oddalają się, aby wpuścić powietrze do szczelina, aby utworzyć suw ssący. Ponieważ te dwa suwy są równoczesne, cała akcja tłoków wykonuje tylko dwa ruchy do przodu i do tyłu, dzięki czemu jest to silnik dwusuwowy zamiast bardziej konwencjonalnego silnika czterosuwowego. A ponieważ te dwa tłoki w jednym cylindrze wykonują pracę dwóch tłoków w dwóch zwykłych cylindrach, wykonują tylko pracę, która normalnie przebiega w jednym cylindrze, ale przykładają dwa cylindry warte ruchu do wału korbowego. Daje to silnikowi OPOC dużą gęstość mocy - to znaczy wysoki stosunek mocy do masy samego silnika.

A oto coś, co naprawdę wyróżnia silnik OPOC Ecomotor z tłumu: jest modułowy. Możesz użyć jednego, dwóch lub nawet trzech z nich połączonych ze sobą za pomocą skalowalnego układu przekładni, od silnika jednocylindrowego (który w normalnych warunkach jest tak naprawdę silnikiem dwucylindrowym) do trzycylindrowego (odpowiednik sześciosuwu) silnik) i nie tylko. Po prostu połącz ze sobą cylindry, aby silnik był większy i mocniejszy. Silnik OPOC jest mechanicznie znacznie prostszy niż standardowy silnik spalinowy. W standardowym układzie wymagany jest złożony i precyzyjnie ustawiony w czasie szereg połączeń, aby upewnić się, że zawory dolotowe i wydechowe są otwarte w razie potrzeby. Oznacza to, że silnik ma niewiarygodnie małą liczbę ruchomych części. Na przykład, w konwencjonalnym cylindrze spalania wewnętrznego potrzebny jest skomplikowany mechanizm, aby tak ustawić zawór wlotowy i zawór wydechowy, aby były one otwarte tylko wtedy, gdy jest to potrzebne i nigdy nie były otwarte jednocześnie. Ale w silniku OPOC te „zawory” są po prostu otworami w boku cylindra, które są zakryte i odkryte przez ślizganie się samych tłoków, eliminując w ten sposób potrzebę stosowania skomplikowanego mechanizmu otwierającego i zamykającego. Ecomotors szacuje, że liczba ruchomych części w silniku została zmniejszona z 385 do 62, co oznacza, że ​​jest o jeden cholernie dużo mniej części, które wymagają serwisowania i mogą się zepsuć.

W rezultacie silniki OPOC są prostsze, a tym samym mniej podatne na awarie. Są również bardziej wydajne, tracą mniej energii podczas pracy, a ponieważ wykonują pracę dwóch tłoków tylko z jednym - mogą wytwarzać znacznie więcej mocy niż standardowy silnik spalinowy tylko dla części gazu. Czy to jest silnik przyszłości? Prawdopodobnie. Przynajmniej do czasu pojawienia się tego jądrowego ogniwa paliwowego.

Uwaga autora: Jak działają silniki z przeciwległym cylindrem tłokowym (OPOC)

Nie jestem jednym z tych facetów, którzy dorastali z głową pod maską samochodu, który rozbierał silnik i składał go z powrotem tylko po to, żeby zobaczyć, czy dam radę. Bardziej prawdopodobne jest, że znajdziesz mnie przy klawiaturze komputera, programując w językach takich jak BASIC i C lub pisząc książki o tym, dlaczego kontrolowana energia termojądrowa była źródłem energii przyszłości. (Wciąż na to czekam.) Ale kiedy zacząłem pisać o samochodach, naturalną rzeczą było dla mnie skłonienie się do pisania o technologiach motoryzacyjnych, które były na krwawych krawędziach, sposobach zasilania i użytkowania samochodów, które były tak zaawansowane , można by pomyśleć, że mogli wyjechać prosto z filmu takiego jak Blade Runner lub Minority Report. Nie wiem jak ty, ale czuję to mrowienie w górę iw dół kręgosłupa, kiedy dowiaduję się o czymś, co jest nowe, ekscytujące i robi rzeczy w sposób, w jaki ludzie (w tym przypadku inżynierowie samochodowi) nigdy wcześniej tego nie robili.

Silniki z przeciwbieżnymi cylindrami tłokowymi (OPOC) mogą nie brzmieć tak krwawo jak, powiedzmy, latające samochody lub DeLoreanowie z 1981 r. Z kondensatorami strumieniowymi, które pomagają im podróżować w czasie, ale zanim skończyłem badanie tego artykułu, zdałem sobie sprawę, że są w każdym calu tak ekscytujące. (Okay, może nie tak ekscytujący jak ten kondensator strumieniowy). Silniki OPOC są wynikiem wielu genialnych przemyśleń genialnych inżynierów, którzy nie byli skłonni zaakceptować tego, że sposób, w jaki zawsze robiono silniki spalinowe, jest jedynym sposobem że można to zrobić. Tak, OPOC istnieją od dawna - wczesne prototypy silnika OPOC sięgają XIX wieku - ale inżynierowie samochodowi, z niewielką pomocą wojskowego skrzydła badawczego DARPA (the Defense Advanced Research Project) Agencja), wreszcie dostają swój czas na słońce i nikt nie mógł być bardziej podekscytowany niż ja.

Powiązane artykuły

• Car Smarts: Silniki
• Jak działają silniki samochodowe
• Jak działają silniki dwusuwowe
• Jak działa silnik cykliczny Atkinsona
• Jak działa silnik Graala
• Jak działają silniki z zaworem tulejowym
• Jak działa samochód lotniczy
• Współczynnik kompresji i liczba oktanowa: co musisz wiedzieć

Źródła

• Ecomotors International. „Czyste, wydajne i lekkie układy napędowe dla lepszego świata”. (7 marca 2012) http://www.ecomotors.com/technology
• DeMorro, Christopher. „Silnik OPOC jest mniejszy, lżejszy i o 50% bardziej wydajny niż turbodiesel”. Gas 2. (7 marca 2012) http://gas2.org/2011/02/02/opoc-engine-is-smaller-lighter-and-50-more-efficient-than-turbodiesels/
• Ecomotors International. „Silnik o przeciwległym tłoku i przeciwbieżnym cylindrze firmy EcoMotors International obiecuje zrewolucjonizować konstrukcję pojazdów użytkowych dzięki mocnym, lekkim, oszczędnym i niskoemisyjnym silnikom”. (7 marca 2012) http: //www.ecomotors.com/ecomotors-internationals-opposed-piston-opposed-cylinder-engine-promises-revolutionize-commercial-ve \
• Popularna nauka. „Silnik EcoMotors OPOC”. (7 marca 2012 r.) Http://www.popsci.com/bown/2011/product/ecomotors-opoc-engine
• Ellzey, Curtis. „Silnik z cylindrem o przeciwnych tłokach”. (7 marca 2012 r.) Http://www.engineeringtv.com/video/Opposed-Piston-Opposed-Cylinder
• Hofbauer, Peter. „Wprowadzenie do EcoMotors z prof. Peterem Hofbauerem”. (7 marca 2012) http://www.ecomotors.com/videos/introduction-ecomotors-prof-peter-hofbauer
• Mraz, Stephen J. „Scanning for Ideas: Silnik z przeciwbieżnym tłokiem i przeciwbieżnym cylindrem zwiększa gęstość mocy”. Projekt maszyny. (7 marca 2012) http://machinedesign.com/article/scanning-for-ideas-opposed-piston-opposed-cylinder-engine-bumps-up-the-power-density-0504
• Samid, Sam Abuel. „5 sposobów przeprojektowania silnika spalinowego”. Popularna mechanika. (7 marca 2012 r.) Http://www.popularmechanics.com/cars/news/industry/5-alternative-engine-architectures#slide-1
• Wojdyła, Ben. J. „Sześć prototypowych silników, które pobudzą mózg”. Popularna mechanika. (7 marca 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/fuel-economy/6-prototype-engines-to-get-your-brain-firing?click=main_sr#slide-1