Hoe Opposed Piston Opposed Cylinder (OPOC) -motoren werken

Betere verbrandingsmotoren zijn onderweg. En als we beter zeggen, bedoelen we lichter, zuiniger en minder vervuilend. Bekijk onze animatie van hoe de OPOC-engine werkt. Andrew Holt / Photographer's Choice / Getty Images

Verbrandingsmotoren vervuilen de lucht. Verbrandingsmotoren beroven de planeet van kostbare en niet-hernieuwbare bronnen. Interne verbrandingsmotoren hebben fossiele brandstoffen nodig die de Verenigde Staten economisch verbinden met landen waar we liever geen zaken mee doen.

En verbrandingsmotoren gaan niet snel weg.

Oh, natuurlijk, je hebt gehoord over alle nieuwe technologieën die de interne verbrandingsmotor elke dag zouden moeten vervangen, technologieën zoals elektromotoren, hybride aandrijflijnen, waterstofbrandstofcellen en zelfs auto's die op perslucht rijden, maar geen van deze technologieën is klaar om de auto-industrie nog helemaal te redden van de interne verbrandingsmotor. Elektromotoren zijn waarschijnlijk onze beste keuze voor de nabije toekomst en er zijn nu zelfs enkele auto's op de markt die ze als stroombron gebruiken, maar ze hebben tijd nodig om op te laden, hebben een beperkt rijbereik en kunnen niet zomaar van brandstof worden voorzien binnen vijf minuten klaar bij het plaatselijke servicestation. Trouwens, wil je echt vast komen te zitten in het midden van East Nowhere, Midden-Amerika, met een lege lithium-ionbatterij en niemand in de buurt die een flauw idee heeft hoe je hem moet opladen? Hybride aandrijflijnen zijn al redelijk haalbaar, zoals het enorme succes van de Toyota Prius aantoont, maar ze bevatten nog steeds verbrandingsmotoren, dus ze lossen het probleem niet echt op. Ze stellen gewoon de dag uit dat we eindelijk van deze verouderde technologie af moeten. Auto's op waterstof-brandstofcellen zullen echt geweldig zijn als ze beschikbaar zijn in voertuigen die door de gemiddelde consument kunnen worden gekocht en bestuurd. Dit zou, oh, over 20 tot 30 jaar moeten zijn, rond de tijd dat u in uw eerste set kunstgebit investeert. En persluchtauto's? Niemand weet precies wanneer die klaar zijn om de weg op te gaan, maar het zal waarschijnlijk nog wel even duren voordat je je auto kunt tanken met een fietspomp.

Deze technologieën zijn belangrijk. Denktanks en autofabrikanten doen er momenteel onderzoek naar. Het vervoer dat de kinderen van uw kinderen gebruiken, hangt van hen af. Op een dag zullen een of meer van deze technologieën de wereld bevrijden van de onbeheerste verslaving aan fossiele brandstoffen. Maar wat we ondertussen echt nodig hebben, is iets dat binnen enkele jaren realistisch gezien klaar kan zijn voor praktisch gebruik: een betere verbrandingsmotor.

Dit is het goede nieuws: er komen betere verbrandingsmotoren aan. En als we beter zeggen, bedoelen we lichter, zuiniger en minder vervuilend. Als we verbrandingsmotoren nog niet helemaal in de wei kunnen plaatsen, kunnen we ze in ieder geval wat beleefder laten gedragen terwijl ze nog steeds rond galopperen op de openbare straten.

Een van de meest opwindende nieuwe soorten verbrandingsmotoren is de tegenoverliggende cilindermotor met tegenoverliggende zuigers, en als je je al die tongdraaiende lettergrepen niet meer kunt herinneren, kun je het gewoon een OPOC-motor noemen. (Voel je niet slecht. Iedereen noemt het ook zo.) OPOC-motoren zijn niet echt nieuw - het idee bestaat al een tijdje - maar een bedrijf genaamd Ecomotor begint eindelijk serieus te worden met het bouwen van OPOC's die klaar zullen zijn voor consumentenvoertuigen lang voordat waterstofbrandstofcellen de woede van de natie waren. En als bewijs dat Ecomotors serieuze technologie aanbiedt die de manier waarop we benzine gebruiken in de nabije toekomst echt radicaal zou kunnen veranderen, heeft een man genaamd Bill Gates al in het bedrijf geïnvesteerd. Ja, dat Bill Gates, en niemand kan zeggen dat de medeoprichter van Microsoft niets weet over de praktische aspecten van de allernieuwste technologie.

Maar wat is een OPOC-motor precies en hoe verschilt deze van de verbrandingsmotoren die we allemaal liefhebben en haten? Om die vraag te beantwoorden, geven we je eerst een opfriscursus in standaard automotoren, en daarna laten we je zien hoe OPOC's ongeveer hetzelfde doen, maar net even anders - en een beetje beter..

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

De kans is groot dat de motor van uw auto vier of zes cilinders bevat. (Als je meer dan zes cilinders hebt, dan rijd je in een echte muscle car en ben je waarschijnlijk nog niet helemaal aan het shoppen voor iets waardoor de verbrandingsmotor overbodig wordt.) Een motorcilinder is precies hoe het klinkt - een cilindrisch gat in de motor waarin u een beweegbare buis kunt plaatsen, een zogenaamde zuiger. En het is die zuiger, in combinatie met benzine, lucht en een bougie, die zorgt voor de aandrijfkracht die ervoor zorgt dat je auto over de weg raast. Dat is in ieder geval de snelle en vuile versie van het verhaal.

De cilinders in de verbrandingsmotor van een auto zijn afgedekt zodat de gassen die zich in het gebied tussen de bovenkant van de zuiger en de bovenkant van de cilinder bevinden, niet kunnen ontsnappen. Er zijn echter ook twee kleppen aan of nabij de bovenkant van elke cilinder die mechanisch kunnen worden geopend en gesloten. Deze zijn ontworpen om respectievelijk lucht en benzine in de cilinder (de inlaatklep) te laten en uitlaatgassen uit de cilinder (de uitlaatklep) te laten ontsnappen nadat het verbrandingsproces van de motor is voltooid. Deze kleppen openen en sluiten op een manier die zorgvuldig is getimed met de beweging van de zuiger, zodat de uitlaat wordt vrijgegeven voordat een nieuwe toevoer van verse lucht naar binnen stroomt.

Het is de beweging van de zuiger die de auto aandrijft. Zuigers glijden netjes op en neer in de cilinder, want daarvoor zijn ze ontworpen. De meeste auto's gebruiken een viertaktmotor (of Otto-cyclus), waarbij de beweging van de zuiger vier fasen kent. In de eerste, de inlaatslag genaamd, gaat de inlaatklep open en beweegt de zuiger naar beneden. Het vacuüm gecreëerd door de naar beneden bewegende zuiger zuigt lucht samen met een kleine hoeveelheid benzine in het bovenste gedeelte van de cilinder. Zodra het mengsel de beschikbare ruimte heeft gevuld die is achtergelaten door de neergaande zuiger, sluit de inlaatklep en gaat de zuiger weer omhoog in de compressieslag, waarbij het lucht-brandstofmengsel in een dichte massa wordt geperst, verpakt met zoveel potentiële energie dat het kwalificeert als een explosief . (Gelukkig zit er maar heel weinig benzine in de mix, dus we hebben het niet over explosieve explosieven van thermonucleaire wapens, maar meer als een kersenbom.) Dan komt het deel van het proces dat de motor echt zijn kick geeft: de verbrandingsslag, waar de bougie knippert en ontsteekt die potentiële energie als een vuurwerk in een blikje, waardoor de zuiger weer naar beneden wordt gedrukt. Eindelijk, in de uitlaatslag, gaat de uitlaatklep open en stijgt de zuiger terug naar de bovenkant van de cilinder, waarbij het nutteloze, gasachtige residu van de explosie van brandbare materialen eruit wordt geduwd. Zodra de uitlaatklep sluit, begint het proces helemaal opnieuw.

Terwijl de zuiger omhoog en omlaag gaat, draait hij de krukas, een lange, roterende stang die de op en neergaande beweging van de zuigers omzet in de cirkelvormige beweging die de versnellingen en wielen van de auto laat draaien. In de meeste standaard motoropstellingen (er zijn er nogal wat), worden cilinders in paren geleverd, zodat de neerwaartse beweging van de ene zuiger tijdens de ene slag de opwaartse slag van de andere creëert, een cyclus die theoretisch eeuwig zou kunnen duren ... of in ieder geval tot de benzine raakt op. Dit is niet echt perpetuum mobile, maar als je erover nadenkt, zou je kunnen vragen hoe de beweging van de zuigers in de eerste plaats is begonnen. Het antwoord is dat de viertaktcyclus meestal begint met een korte uitbarsting van rotatie-energie naar de krukas van een elektrische startmotor, maar vroege auto's kwamen aan de gang omdat een gelukkige bestuurder een handbediende slinger moest draaien om te draaien, ja , de krukas. (Nu weet je waarom ze het zo noemen.) Ben je niet blij dat je toen geen auto reed??

Deze viertaktmotor is uitgevonden in de 19e eeuw - in feite gaan variaties erop terug naar de stoommachine - en er zijn veel variaties op. Laten we eens kijken of we er een kunnen bedenken die half zoveel cilinders gebruikt en toch evenveel vermogen krijgt.

Werknemers assembleren motoren voor Porsche 911-auto's in de Porsche-fabriek in Zuffenhausen, Duitsland. Ongetwijfeld een complexe taak. Ecomotors schat dat het aantal bewegende onderdelen in zijn motor is teruggebracht van 385 naar 62, waardoor onderhoud veel gemakkelijker is. Marco Prosch / Getty Images

In de verbrandingsmotoren die we tot nu toe hebben besproken, werken de zuigers parallel, met elke cilinder uitgelijnd met de volgende en een afzonderlijke zuiger in elke cilinder. Maar wat als we twee zuigers in één cilinder zouden kunnen steken en hun acties zo kunnen coördineren dat ze tegenover elkaar staan ​​- vandaar de term "tegenoverliggende cilinder" - maar niet botsen? Elk van deze cilinders zou slechts de helft van de lengte van de cilinder in beslag nemen, zodat deze slechts de helft van de afstand van een cilinder in een standaardmotor hoeft te verplaatsen, waardoor brandstof wordt bespaard en toch hetzelfde roterende effect op de krukas wordt verkregen. En de krukas kon door het midden van de cilinder gaan, loodrecht op de lengteas van de cilinder, zodat beide zuigers de krukas konden draaien terwijl ze in tegengestelde richtingen bewogen. En ze konden hun uitlaatgassen in het midden van de cilinder verzamelen, zodat de uiteinden van de cilinder niet hoefden te worden afgedekt om te voorkomen dat de schadelijke uitlaatgassen zouden ontsnappen voordat ze dat nodig hadden..

Zou dat niet cool zijn? Reken maar dat het zou!

Dit wordt een opposed piston, opposed cylinder (OPOC) motor genoemd. In de OPOC-motor ontworpen door Ecomotors voor het Defense Advanced Research Projects Agency (of DARPA, en ja, dit betekent dat vroege toepassingen waarschijnlijk militair zijn), zijn de twee zuigers in de enkele cilinder effectief met elkaar verweven, waarbij elke zuiger in twee delen is verdeeld en bewegen in elkaar in tegengestelde richtingen waardoor de compressieslag ontstaat, zodat de tegenoverliggende uiteinden van een deel van elke zuiger zich sluiten en het brandstof-luchtmengsel ertussen comprimeren terwijl de tegenoverliggende uiteinden van de andere uit elkaar bewegen om lucht in de gap om de inlaatslag te creëren. Omdat deze twee slagen gelijktijdig zijn, vergt de hele werking van de zuigers slechts twee heen en weer bewegingen, waardoor dit een tweetaktmotor is in plaats van de meer conventionele viertaktmotor. En omdat deze twee zuigers in één cilinder het werk van de twee zuigers in twee gewone cilinders uitvoeren, doen ze alleen het werk dat normaal in één cilinder plaatsvindt, maar passen ze twee cilinders aan beweging toe op de krukas. Dit geeft de OPOC-motor een hoge vermogensdichtheid, dat wil zeggen een hoge verhouding tussen vermogen en de massa van de motor zelf.

En hier is iets dat de OPOC-motor van Ecomotor echt onderscheidt van de massa: hij is modulair. Je kunt er een, twee of zelfs drie gebruiken die zijn samengevoegd met een versnellingsopstelling die schaalbaar is, van een eencilindermotor (die in normale motortermen eigenlijk een tweecilindermotor is) tot een driecilinder (gelijk aan een zescilindermotor). motor) en verder. Blijf de cilinders gewoon aan elkaar haken om uw motor groter en krachtiger te maken. En een OPOC-motor is mechanisch veel eenvoudiger dan een standaard verbrandingsmotor. In de standaardopstelling is een complexe en nauwkeurig getimede reeks koppelingen vereist om ervoor te zorgen dat de inlaat- en uitlaatkleppen open zijn wanneer dat nodig is. Dat betekent dat de motor een ongelooflijk klein aantal bewegende delen heeft. In een conventionele verbrandingscilinder is bijvoorbeeld een gecompliceerd mechanisme nodig om de inlaatklep en de uitlaatklep zo te timen dat ze alleen open zijn wanneer dat nodig is en nooit tegelijkertijd open zijn. Maar in de OPOC-motor zijn deze "kleppen" gewoon gaten in de zijkant van de cilinder, die worden afgedekt en onbedekt door het verschuiven van de zuigers zelf, waardoor er geen gecompliceerd mechanisme nodig is om ze te openen en te sluiten. Ecomotors schat dat het aantal bewegende onderdelen in zijn motor is teruggebracht van 385 naar 62, wat betekent dat er een heleboel minder onderdelen zijn die onderhoud nodig hebben en slecht kunnen gaan..

Het resultaat is dat OPOC-engines eenvoudiger zijn en dus minder snel kapot gaan. Ze zijn ook efficiënter, verliezen minder energie tijdens het gebruik en kunnen - omdat ze het werk van twee zuigers doen met slechts één - voor slechts een deel van het gas veel meer vermogen produceren dan een standaard verbrandingsmotor. Is dit de motor van de toekomst? Waarschijnlijk. Tenminste tot die nucleaire brandstofcel erbij komt.

Notitie van de auteur: Hoe Opposed Piston Opposed Cylinder (OPOC) -motoren werken

Ik ben niet een van die jongens die zijn opgegroeid met mijn hoofd onder de motorkap van een auto die de motor uit elkaar haalt en weer in elkaar zet om te zien of ik het kon. Het is waarschijnlijker dat je me achter het toetsenbord van een computer zou vinden, terwijl ik programmeerde in talen als BASIC en C, of ​​boeken zou schrijven over waarom gecontroleerde fusiekracht de energiebron van de toekomst was. (Daar wacht ik nog steeds op.) Maar toen ik over auto's begon te schrijven, was het niet meer dan normaal dat ik me aangetrokken voelde tot schrijven over autotechnologieën die op het randje stonden, manieren om auto's aan te drijven en te gebruiken die zo geavanceerd waren , zou je denken dat ze rechtstreeks uit een film als Blade Runner of Minority Report zijn gereden. Ik weet niet hoe het met jou zit, maar ik krijg een tintelend gevoel op en neer als ik iets leer dat nieuw en opwindend is en dingen doet op een manier die mensen (in dit geval auto-ingenieurs) nog nooit eerder hebben gedaan.

Tegengestelde piston-opposed cylinder (OPOC) -motoren klinken misschien niet zo bloedend als bijvoorbeeld vliegende auto's of 1981 DeLoreans met fluxcondensatoren om hen door de tijd te helpen reizen, maar tegen de tijd dat ik klaar was met het onderzoeken van dit artikel, realiseerde ik me dat ze allemaal zo spannend. (Oké, misschien niet zo opwindend als dat ding met fluxcondensatoren.) OPOC-motoren zijn het product van veel ingenieus denken door briljante ingenieurs die niet wilden accepteren dat de manier waarop verbrandingsmotoren altijd zijn gedaan de enige manier is dat ze kunnen worden gedaan. Ja, OPOC's bestaan ​​al heel lang - de vroege prototypes van de OPOC-motor gaan terug tot de 19e eeuw - maar auto-ingenieurs, met een beetje hulp van de geavanceerde onderzoeksvleugel van het leger, DARPA (het Defense Advanced Research Project Agency), krijgen eindelijk hun moment in de zon en niemand kan meer opgewonden zijn dan ik.

gerelateerde artikelen

• Car Smarts: motoren
• Hoe automotoren werken
• Hoe tweetaktmotoren werken
• Hoe een Atkinson-cyclusmotor werkt
• Hoe de Graal Engine werkt
• Hoe mofklepmotoren werken
• Hoe de Air Car werkt
• Compressieverhouding en octaangetallen: wat u moet weten

Bronnen

• Ecomotors International. "Schone, efficiënte en lichtgewicht aandrijfsystemen voor een betere wereld." (7 maart 2012) http://www.ecomotors.com/technology
• DeMorro, Christopher. "OPOC-motor is kleiner, lichter en 50% efficiënter dan turbodiesels." Gas 2. (7 maart 2012) http://gas2.org/2011/02/02/opoc-engine-is-smaller-lighter-and-50-more-efficient-than-turbodiesels/
• Ecomotors International. "De tegen-zuiger en tegen-cilindermotor van EcoMotors International belooft een revolutie teweeg te brengen in het ontwerp van bedrijfsvoertuigen met krachtige, lichtgewicht, brandstofzuinige motoren met lage emissies." (7 maart 2012) http: //www.ecomotors.com/ecomotors-internationals-opposed-piston-opposed-cylinder-engine-promises-revolutionize-commercial-ve \
• Populaire wetenschap. "EcoMotors OPOC Engine." (7 maart 2012) http://www.popsci.com/bown/2011/product/ecomotors-opoc-engine
• Ellzey, Curtis. "Tegengestelde zuiger-tegenoverliggende cilindermotor." (7 maart 2012) http://www.engineeringtv.com/video/Opposed-Piston-Opposed-Cylinder
• Hofbauer, Peter. "Een inleiding tot EcoMotors met prof. Peter Hofbauer." (7 maart 2012) http://www.ecomotors.com/videos/introduction-ecomotors-prof-peter-hofbauer
• Mraz, Stephen J. "Scannen naar ideeën: motor met tegengestelde zuiger en tegenoverliggende cilinder verhoogt de vermogensdichtheid." Machine ontwerp. (7 maart 2012) http://machinedesign.com/article/scanning-for-ideas-opposed-piston-opposed-cylinder-engine-bumps-up-the-power-density-0504
• Samid, Sam Abuel. "5 manieren om de interne verbrandingsmotor opnieuw te ontwerpen." Populaire mechanica. (7 maart 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/industry/5-alternative-engine-architectures#slide-1
• Wojdyla, Ben. J. "Zes prototypemotoren om je hersens te laten schieten." Populaire mechanica. (7 maart 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/fuel-economy/6-prototype-engines-to-get-your-brain-firing?click=main_sr#slide-1