Hvordan modsatte stempelmotorerede OPP-motorer fungerer

Bedre forbrændingsmotorer er på vej. Og når vi siger bedre, mener vi lettere, mere brændstofeffektivt og mindre forurenende. Se på vores animation af, hvordan OPOC-motoren fungerer. Andrew Holt / Photographer's Choice / Getty Images

Forbrændingsmotorer forurener luften. Forbrændingsmotorer frarøver planeten dyrebare og ikke-vedvarende ressourcer. Forbrændingsmotorer kræver fossile brændstoffer, der binder De Forenede Stater økonomisk til lande, som vi helst ikke ønsker at gøre forretninger med.

Og forbrændingsmotorer forsvinder ikke snart.

Åh, helt sikkert, du har hørt om alle de nye teknologier, der skulle erstatte forbrændingsmotoren enhver dag nu, teknologier som elmotorer, hybridkraft tog, brændstofbrændselsceller og endda biler, der kører på trykluft, men ingen af ​​disse teknologier er klar til at redde bilindustrien fra forbrændingsmotoren endnu. Elektriske motorer er sandsynligvis det bedste valg for dig i den nærmeste fremtid, og der er endda nogle biler på markedet nu, der bruger dem som strømkilde, men de tager tid at oplade, har et begrænset køreafstand, og de kan ikke blot brændstof op på fem minutter på den lokale servicestation. Desuden ønsker du virkelig at sidde fast midt i East Nowhere, Mellemamerika, med et dødt lithium-ion-batteri-array og ingen omkring, der har den svageste opfattelse, hvordan man kan oplade det? Hybride motortog er allerede ret gennemførlige, som Toyota Prius 'enorme succes viser, men de indeholder stadig forbrændingsmotorer, så de ikke rigtig løser problemet. De udsætter bare dagen, hvor vi endelig bliver nødt til at slippe af med denne forældede teknologi. Hydrogenbrændstofcellebiler vil være virkelig fantastiske, når de er tilgængelige i køretøjer, der kan købes og køres af den gennemsnitlige forbruger. Dette skulle være, åh, omkring 20 til 30 år fra nu, omkring det tidspunkt, du investerer i dit første sæt falske tænder. Og trykluftbiler? Ingen ved virkelig, hvornår disse vil være klar til at ramme vejen, men det vil sandsynligvis være et godt stykke tid endnu, før du kan tanke din bil ved hjælp af en cykelpumpe.

Disse teknologier er vigtige. Tænk tanks og bilproducenter undersøger dem lige nu. Transporten, som dine børns børn bruger, afhænger af dem. En eller anden dag vil en eller alle disse teknologier befri verden fra sin ukontrollerende afhængighed til fossile brændstoffer. Men i mellemtiden, hvad vi virkelig har brug for, er noget, der realistisk kan være klar til praktisk brug inden for de næste par år: en bedre forbrændingsmotor.

Her er den gode nyhed: Bedre forbrændingsmotorer er på vej. Og når vi siger bedre, mener vi lettere, mere brændstofeffektivt og mindre forurenende. Hvis vi ikke kan sætte forbrændingsmotorer helt ud på græs, kan vi i det mindste få dem til at opføre sig lidt mere høfligt, mens de stadig galopperer rundt på de offentlige gader.

En af de mest spændende nye typer forbrændingsmotorer er den modsatte stempelmotstand med cylinderen, og hvis du ikke kan huske alle disse tungetvinklede stavelser, kan du bare kalde det en OPOC-motor. (Må ikke føle det dårligt. Alle andre kalder det også.) OPOC-motorer er ikke rigtig nye - ideen har eksisteret i et stykke tid - men et firma, der hedder Ecomotor, bliver endelig seriøst med at bygge OPOC'er, der vil være klar til forbrugerkøretøjer længe før brændstofceller er nationens raseri. Og som bevis på, at Ecomotors tilbyder seriøs teknologi, der virkelig kan revolutionere den måde, vi bruger benzin i den nærmeste fremtid, har en kollega ved navn Bill Gates allerede investeret i virksomheden. Ja, den Bill Gates, og ingen kan sige, at medstifter af Microsoft ikke kender en ting eller to om de praktiske aspekter af avanceret teknologi.

Men hvad er en OPOC-motor, og hvordan adskiller den sig fra de forbrændingsmotorer, som vi alle elsker og hader? For at besvare dette spørgsmål giver vi dig først et opdateringskursus i standardbilmotorer, og så viser vi dig, hvordan OPOC'er stort set gør det samme, men bare lidt anderledes - og lidt bedre.

Dette indhold er ikke kompatibelt på denne enhed.

Chancerne er store, at din bils motor har enten fire eller seks cylindre i sig. (Hvis du har mere end seks cylindre, kører du en rigtig muskelbil og handler sandsynligvis ikke helt endnu efter noget, der vil gøre forbrændingsmotoren forældet.) En motorcylinder er lige, hvad det lyder - en et cylindrisk hul i motoren, hvori du kan placere et bevægeligt rør, kaldet et stempel. Og det er det stempel, når det kombineres med benzin, luft og et tændrør, der giver den drivkraft, der får din bil til at zoome ned ad vejen. Det er alligevel den hurtig-og-beskidte version af historien.

Cylindrene i en bils forbrændingsmotor er lukket, så de gasser, der holdes i området mellem toppen af ​​stemplet og toppen af ​​cylinderen ikke kan slippe ud. Der er imidlertid også to ventiler i eller nær toppen af ​​hver cylinder, der kan åbnes og lukkes mekanisk. Disse er henholdsvis designet til at tillade luft og benzin ind i cylinderen (indsugningsventilen) og til at frigøre udstødning fra cylinderen (udstødningsventilen), når motorens forbrændingsproces er afsluttet. Disse ventiler åbner og lukker på en omhyggelig tidsbestemt tidsplan med stemplets bevægelse, så udstødningen frigøres, før en ny forsyning med frisk luft strømmer ind.

Det er stemplets bevægelse, der kører bilen. Stempel glider pænt op og ned i cylinderen, fordi det er, hvad de er designet til at gøre. De fleste biler bruger en firetakters (eller Otto-cyklus) motor, hvor der er fire trin til stemplets bevægelse. I det første, kaldet indsugningsslaget, åbnes indgangsventilen, og stemplet bevæger sig nedad. Vakuumet skabt af det nedad bevægende stempel suger luft sammen med en lille mængde benzin ind i den øverste del af cylinderen. Når blandingen har fyldt den ledige plads, der er tilbage af det faldende stempel, lukkes indblæsningsventilen, og stemplet stiger igen i kompressionsslaget, hvorved luft-brændstofblandingen presses til en tæt masse pakket med så meget potentiel energi, at det kvalificerer sig som et eksplosivt . (Heldigvis er der meget lidt benzin i blandingen, så vi taler ikke eksplosivt med termonuklear våbenkvalitet, men noget mere som en kirsebærbombe.) Så kommer den del af processen, der virkelig giver motoren sit spark: forbrændingsslaget, hvor tændrøret blinker og antænder den potentielle energi som en fyrværker i en dåse, skubber stemplet tilbage igen. Til sidst, i udstødningslaget, åbnes udstødningsventilen, og stemplet rejser sig tilbage til toppen af ​​cylinderen og skubber den ubrugelige, gassagtige rest ud af eksplosionen af ​​brændbare materialer. Så snart udstødningsventilen lukkes, begynder processen igen.

Mens stemplet stiger og falder, drejer det krumtapakslen, en lang, roterende stang, der konverterer stemplets op- og ned-bevægelse til den cirkulære bevægelse, der får bilens gear og hjul til at rotere. I de fleste almindelige motorarrangementer (der er ganske mange) kommer cylindere parvis, således at det nederste bevægelse af det ene stempel under det ene slag skaber det andet slag opad, en cyklus, der teoretisk kunne gå for evigt ... eller i det mindste indtil benzin løber tør. Dette er ikke nøjagtigt evigvarende bevægelse, men hvis du tænker over det, kan du spørge, hvordan stemplernes bevægelse begyndte i første omgang. Svaret er, at firetaktscyklussen normalt begynder med en kort burst af rotationsenergi til krumtapakslen fra en elektrisk startmotor, men tidlige biler stod op og kørte, fordi en eller anden heldig chauffør var nødt til at dreje en håndbetjent krumtap for at rotere, ja , krumtapakslen. (Nu ved du, hvorfor de kalder det sådan.) Er du ikke glad for, at du ikke kørte biler dengang?

Denne firetakters cyklus blev opfundet i det 19. århundrede - faktisk, variationer på den går tilbage til dampmaskinen - og der er mange variationer på den. Lad os se, om vi kan finde ud af en, der bruger halvdelen så mange cylindre, men alligevel får lige så meget strøm.

Arbejdere samler motorer til Porsche 911-biler på Porsche-fabrikken i Zuffenhausen, Tyskland. En kompleks opgave, uden tvivl. Ecomotors estimerer, at antallet af bevægelige dele i sin motor er reduceret fra 385 til 62, hvilket gør det meget lettere at servicere. Marco Prosch / Getty Images

I de forbrændingsmotorer, vi har talt om hidtil, fungerer stemplerne parallelt med hver cylinder rettet mod det næste og et separat stempel i hver. Men hvad nu hvis vi kunne sætte to stempler i den ene cylinder og koordinere deres handlinger, så de står over for hinanden - derav udtrykket "modsat cylinder" - men ikke kolliderer? Hver af disse cylindere ville kun tage halvdelen af ​​cylinderen op, så den kun skulle bevæge sig halvdelen af ​​afstanden af ​​en cylinder i en standardmotor, hvilket sparer brændstof og alligevel giver den samme roterende effekt på krumtapakslen. Og krumtapakslen kunne passere gennem midten af ​​cylinderen, vinkelret på cylinderens lange akse, så begge stempler kunne dreje krumtapakslen, når de bevægede sig i modsatte retninger. Og de kunne samle deres udstødningsaffald i midten af ​​cylinderen, så cylindernes ender ikke behøver at være aflukket for at forhindre, at de skadelige udstødningsgasser slipper ud, før de skulle.

Ville det ikke være cool? Du satser på, at det ville gøre det!

Dette kaldes en modstående stempelmotor, modstående cylinder (OPOC) motor. I OPOC-motoren, der er udtænkt af Ecomotors for Defense Advanced Research Projects Agency (eller DARPA, og ja, det betyder, at tidlige applikationer sandsynligvis vil være militære), er de to stempler i den enkelte cylinder effektivt sammenflettet, hvor hver enkelt er opdelt i to dele og bevægelse inden i hinanden i modsatte retninger, hvilket skaber kompressionsslaget, så de modstående ender af den ene del af hvert stempel lukker sammen og komprimerer brændstofluftblandingen mellem dem, mens de modsatte ender af den anden bevæger sig fra hinanden for at indse luft i mellemrum for at skabe indtagelsesslaget. Da disse to slag er samtidige, tager stemplets samlede handling kun to bevægelser frem og tilbage, hvilket gør dette til en totaktsmotor i stedet for den mere konventionelle firetaktsmotor. Og fordi disse to stempler i den ene cylinder udfører arbejdet med de to stempler i to almindelige cylindre, udfører de kun det arbejde, der normalt foregår i en cylinder, men anvender to cylindre, der er værd at bevæge sig på krumtapakslen. Dette giver OPOC-motoren en høj effekttæthed - det vil sige et højt forhold mellem magt og massen af ​​selve motoren.

Og her er noget, der virkelig får Ecomotors OPOC-motor til at skille sig ud fra mængden: Den er modulopbygget. Du kan bruge en, to eller endda tre af dem, der er sammenføjet med et geararrangement, der er skalerbart, fra en en-cylindret motor (som normalt er en to-cylindret motor) op til en tre-cylinder (svarende til et sekstrammet motor) og videre. Bliv bare ved at koble cylindrene sammen for at gøre din motor større og mere kraftfuld. Og en OPOC-motor er mekanisk meget enklere end en standard forbrændingsmotor. I standardarrangementet kræves en kompleks og præcist tidsstyret række forbindelser for at sikre, at indtags- og udstødningsventilerne er åbne, når det er nødvendigt. Det betyder, at motoren har et utroligt lille antal bevægelige dele. For eksempel er det i en konventionel forbrændingscylinder en kompliceret mekanisme nødvendigt for at indstille indgangsventilen og udstødningsventilen, så de kun er åbne efter behov og aldrig er åbne samtidigt. Men i OPOC-motoren er disse "ventiler" simpelthen huller i siden af ​​cylinderen, som er dækket og afdækket af glidningen af ​​stemplerne i sig selv, hvilket fjerner behovet for en kompliceret mekanisme, der gør dem åbne og lukkede. Ecomotors anslår, at antallet af bevægelige dele i sin motor er reduceret fra 385 til 62, hvilket betyder, at der er en dækning af meget færre dele, der har brug for service og kan gå dårligt.

Resultatet er, at OPOC-motorer er enklere og dermed mindre tilbøjelige til at nedbryde. De er også mere effektive, mister mindre energi under drift, og - fordi de udfører arbejdet med to stempler med kun et - kan de producere meget mere energi end en standard forbrændingsmotor for kun en del af gassen. Er dette fremtidens motor? Sandsynligvis. I det mindste indtil den nukleare brændselscelle kommer med.

Forfatterens note: Hvordan modsatte stempler modsat cylinder (OPOC) motorer fungerer

Jeg er ikke en af ​​de fyre, der voksede op med mit hoved under motorhjelmen i en bil, der adskiller motoren og satte den sammen igen bare for at se, om jeg kunne gøre det. Mere sandsynligt ville du finde mig ved tastaturet på en computer, programmering på sprog som BASIC og C eller skrive bøger om, hvorfor kontrolleret fusionskraft var fremtidens energikilde. (Jeg venter stadig på den.) Men da jeg begyndte at skrive om biler, var det kun naturligt for mig at tvinge mig til at skrive om bilteknologier, der var ude på de blødende kanter, måder at tænde på og bruge biler, der var så avancerede , skulle du tro, de kunne have kørt direkte ud af en film som Blade Runner eller Minority Report. Jeg ved ikke om dig, men jeg får denne nervepirrende følelse op og ned i rygsøjlen, når jeg lærer om noget, der er nyt, spændende og gør tingene på en måde, som folk (i dette tilfælde bilingeniører) aldrig har gjort dem før.

Modstående stempelmotstandede cylindermotorer (OPOC) -motorer lyder muligvis ikke så blødende kant som f.eks. Flyvende biler eller 1981 DeLoreans med fluxkondensatorer for at hjælpe dem med at rejse gennem tiden, men da jeg var færdig med at undersøge denne artikel, indså jeg, at de var alle så spændende. (Okay, måske ikke så spændende som den ting med fluxkondensator.) OPOC-motorer er produktet af en masse genialt tanke fra strålende ingeniører, som ikke var villige til at acceptere, at den måde, som forbrændingsmotorer altid har været gjort på, er den eneste måde at de kan gøres. Ja, OPOC'er har eksisteret i lang tid - de tidlige prototyper af OPOC-motoren går tilbage til 1800-tallet - men bilingeniører, med lidt hjælp fra militærets banebrydende forskningsfløj DARPA (Defense Advanced Research Project) Agentur), er endelig ved at få deres øjeblik i solen, og ingen kunne være mere begejstrede end jeg er.

relaterede artikler

• Car Smarts: Motorer
• Sådan fungerer bilmotorer
• Sådan fungerer to-taktsmotorer
• Sådan fungerer en Atkinson Cycle Engine
• Sådan fungerer Graal Engine
• Sådan fungerer muffeventilmotorer
• Sådan fungerer luftvognen
• Kompressionskvotering og oktanvurderinger: Hvad du skal vide

Kilder

• Ecomotors International. "Rene, effektive og lette fremdrivningssystemer til en bedre verden." (7. marts 2012) http://www.ecomotors.com/technology
• DeMorro, Christopher. "OPOC-motoren er mindre, lettere og 50% mere effektiv end turbodieseller." Gas 2. (7. marts 2012) http://gas2.org/2011/02/02/opoc-engine-is-smaller-lighter-and-50-more-efficient-than-turbodiesels/
• Ecomotors International. "EcoMotors Internationals motor med modsat stempel, modsat cylinder lover at revolutionere erhvervskøretøjsdesign med kraftfulde, lette, brændstofeffektive motorer med lave emissioner." (7. marts 2012) http: //www.ecomotors.com/ecomotors-internationals-opposed-piston-opposed-cylinder-engine-promises-revolutionize-commercial-ve \
• Populær videnskab. "EcoMotors OPOC-motor." (7. marts 2012) http://www.popsci.com/bown/2011/product/ecomotors-opoc-engine
• Ellzey, Curtis. "Modsat stempel-modsat cylindermotor." (7. marts 2012) http://www.engineeringtv.com/video/Opposed-Piston-Opposed-Cylinder
• Hofbauer, Peter. "En introduktion til EcoMotors med prof. Peter Hofbauer." (7. marts 2012) http://www.ecomotors.com/videos/introduction-ecomotors-prof-peter-hofbauer
• Mraz, Stephen J. "Scanning efter ideer: Motstand-stempel, modsat cylinder motor støder op effekttætheden." Maskindesign. (7. marts 2012) http://machinedesign.com/article/scanning-for-ideas-opposed-piston-opposed-cylinder-engine-bumps-up-the-power-density-0504
• Samid, Sam Abuel. "5 måder til at redesigne den indre forbrændingsmotor." Populær mekanik. (7. marts 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/industry/5-alternative-engine-architectures#slide-1
• Wojdyla, Ben. J. "Seks prototyper for at få din hjerne fyring." Populær mekanik. (7. marts 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/fuel-economy/6-prototype-engines-to-get-your-brain-firing?click=main_sr#slide-1