Come funzionano i motori a pistoni opposti (OPOC)

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Sono in arrivo motori a combustione interna migliori. E quando diciamo meglio intendiamo più leggero, più efficiente nei consumi e meno inquinante. Dai un'occhiata alla nostra animazione di come funziona il motore OPOC. Andrew Holt / Photographer's Choice / Getty Images

I motori a combustione interna inquinano l'aria. I motori a combustione interna rubano al pianeta risorse preziose e non rinnovabili. I motori a combustione interna richiedono combustibili fossili che leghino economicamente gli Stati Uniti a paesi con cui preferiremmo non fare affari.

E i motori a combustione interna non se ne andranno presto.

Oh, certo, hai sentito parlare di tutte le nuove tecnologie che dovrebbero sostituire il motore a combustione interna da un giorno all'altro, tecnologie come motori elettrici, motopropulsori ibridi, celle a combustibile a idrogeno e persino auto che funzionano ad aria compressa, ma nessuna di queste Technologies è ancora pronta per salvare l'industria automobilistica dal motore a combustione interna. I motori elettrici sono probabilmente la nostra migliore scommessa per l'immediato futuro e ci sono persino alcune auto sul mercato ora che li usano come fonte di energia, ma richiedono tempo per ricaricarsi, hanno un raggio di guida limitato e non possono essere semplicemente alimentati in cinque minuti alla stazione di servizio locale. Inoltre, vuoi davvero rimanere bloccato nel mezzo di East Nowhere, Middle America, con un array di batterie agli ioni di litio guasto e nessuno in giro che abbia la più pallida idea di come ricaricarlo? I propulsori ibridi sono già abbastanza fattibili, come dimostra l'enorme successo della Toyota Prius, ma contengono ancora motori a combustione interna, quindi non risolvono davvero il problema. Rimandano solo il giorno in cui avremo finalmente bisogno di sbarazzarci di questa tecnologia antiquata. Le auto a celle a combustibile a idrogeno saranno davvero sorprendenti quando saranno disponibili in veicoli che possono essere acquistati e guidati dal consumatore medio. Dovrebbero essere, oh, circa 20 o 30 anni da adesso, più o meno il tempo in cui investirai nella tua prima serie di denti finti. E le auto ad aria compressa? Nessuno sa davvero quando saranno pronti per mettersi in viaggio, ma probabilmente ci vorrà ancora un bel po 'prima che tu possa rifornire la tua auto usando una pompa per bicicletta.

Queste tecnologie sono importanti. I think tank e le case automobilistiche li stanno studiando proprio ora. Il trasporto utilizzato dai figli dei tuoi figli dipenderà da loro. Un giorno una o tutte queste tecnologie libereranno il mondo dalla sua dipendenza incontrollata dai combustibili fossili. Ma nel frattempo ciò di cui abbiamo veramente bisogno è qualcosa che possa essere realisticamente pronto per l'uso pratico nei prossimi anni: un motore a combustione interna migliore.

Ecco la buona notizia: migliori motori a combustione interna sono in arrivo. E quando diciamo meglio intendiamo più leggero, più efficiente nei consumi e meno inquinante. Se non possiamo ancora mettere i motori a combustione interna al pascolo, possiamo almeno farli comportare un po 'più educatamente mentre stanno ancora galoppando per le strade pubbliche.

Uno dei nuovi tipi più interessanti di motori a combustione interna è il motore a pistoni contrapposti a cilindri opposti, e se non riesci a ricordare tutte quelle sillabe che fanno girare la lingua puoi semplicemente chiamarlo un motore OPOC. (Non sentirti male. Anche tutti gli altri lo chiamano così.) I motori OPOC non sono proprio nuovi - l'idea è in circolazione da un po '- ma un'azienda chiamata Ecomotor sta finalmente prendendo sul serio la costruzione di OPOC che saranno pronti per veicoli di consumo molto prima che le celle a combustibile a idrogeno diventassero di moda nella nazione. E come prova che Ecomotors sta offrendo una tecnologia seria che potrebbe davvero rivoluzionare il modo in cui utilizziamo la benzina nel prossimo futuro, un collega di nome Bill Gates ha già investito nell'azienda. Sì, quel Bill Gates, e nessuno può dire che il co-fondatore di Microsoft non sappia un paio di cose sugli aspetti pratici della tecnologia all'avanguardia.

Ma cos'è esattamente un motore OPOC e in cosa differisce dai motori a combustione interna che tutti noi amiamo e odiamo? Per rispondere a questa domanda, ti daremo prima un corso di aggiornamento sui motori per auto standard, e poi ti mostreremo come gli OPOC fanno più o meno la stessa cosa ma solo in modo leggermente diverso - e un po 'meglio.

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È probabile che il motore della tua auto abbia quattro o sei cilindri. (Se hai più di sei cilindri, stai guidando una vera muscle car e probabilmente non stai ancora cercando qualcosa che renda obsoleto il motore a combustione interna.) Un cilindro del motore è proprio quello che sembra: un foro cilindrico nel motore in cui è possibile posizionare un tubo mobile, chiamato pistone. Ed è quel pistone, se combinato con benzina, aria e una candela che fornisce la forza motrice che fa avanzare la tua auto lungo la strada. Questa è comunque la versione rapida e sporca della storia.

I cilindri del motore a combustione interna di un'automobile sono chiusi in modo che i gas trattenuti nell'area tra la parte superiore del pistone e la parte superiore del cilindro non possano fuoriuscire. Tuttavia, ci sono anche due valvole sopra o vicino alla sommità di ciascun cilindro che possono essere aperte e chiuse meccanicamente. Questi sono progettati, rispettivamente, per consentire all'aria e alla benzina di entrare nel cilindro (la valvola di aspirazione) e per rilasciare lo scarico dal cilindro (la valvola di scarico) al termine del processo di combustione del motore. Queste valvole si aprono e si chiudono in un modo accuratamente sincronizzato con il movimento del pistone in modo che lo scarico venga rilasciato prima che una nuova fornitura di aria fresca entri.

È il movimento del pistone che guida l'auto. I pistoni scorrono ordinatamente su e giù nel cilindro perché è quello che sono progettati per fare. La maggior parte delle auto utilizza un motore a quattro tempi (o ciclo Otto), in cui ci sono quattro fasi per il movimento del pistone. Nella prima, chiamata corsa di aspirazione, la valvola di aspirazione si apre e il pistone si sposta verso il basso. Il vuoto creato dal pistone in movimento verso il basso aspira aria insieme a una piccola quantità di benzina nella parte superiore del cilindro. Una volta che la miscela ha riempito lo spazio disponibile lasciato dal pistone discendente, la valvola di aspirazione si chiude e il pistone si solleva nuovamente nella corsa di compressione, comprimendo la miscela aria-carburante in una massa compatta piena di così tanta energia potenziale da qualificarsi come esplosivo . (Fortunatamente c'è pochissima benzina nella miscela, quindi non stiamo parlando di esplosivo di qualità da arma termonucleare, ma qualcosa di più simile a una bomba alla ciliegia.) Poi arriva la parte del processo che dà davvero il calcio al motore: il colpo di combustione, dove la candela lampeggia e accende quell'energia potenziale come un petardo in un barattolo di latta, spingendo di nuovo il pistone verso il basso. Infine, nella fase di scarico, la valvola di scarico si apre e il pistone risale alla sommità del cilindro, spingendo fuori l'inutile residuo gassoso dell'esplosione di materiali combustibili. Non appena la valvola di scarico si chiude, il processo ricomincia da capo.

Mentre il pistone si alza e si abbassa, gira l'albero motore, una lunga biella rotante che converte il movimento su e giù dei pistoni nel movimento circolare che fa girare gli ingranaggi e le ruote dell'auto. Nella maggior parte delle disposizioni del motore standard (ce ne sono un bel po '), i cilindri vengono a coppie, in modo che il movimento verso il basso di un pistone durante una corsa crei la corsa verso l'alto dell'altro, un ciclo che potrebbe teoricamente andare avanti per sempre ... o almeno fino a la benzina si esaurisce. Questo non è esattamente un moto perpetuo, ma se ci pensi potresti chiederti come è iniziato il movimento dei pistoni in primo luogo. La risposta è che il ciclo a quattro tempi di solito inizia con una breve scarica di energia rotazionale all'albero motore da un motorino di avviamento elettrico, ma le prime auto si sono messe in moto perché qualche guidatore fortunato doveva girare una manovella manuale per ruotare, sì , l'albero motore. (Ora sai perché lo chiamano così.) Non sei contento di non essere alla guida di macchine allora?

Questo ciclo a quattro tempi è stato inventato nel XIX secolo - infatti, le sue variazioni risalgono alla macchina a vapore - e ci sono molte varianti su di esso. Vediamo se riusciamo a inventarne uno che utilizzi la metà dei cilindri ma che ottenga altrettanta potenza.

I lavoratori assemblano i motori per le vetture Porsche 911 nello stabilimento Porsche di Zuffenhausen, in Germania. Un compito complesso, senza dubbio. Ecomotors stima che il numero di parti in movimento nel suo motore sia stato ridotto da 385 a 62, rendendo molto più facile la manutenzione. Marco Prosch / Getty Images

Nei motori a combustione interna di cui abbiamo parlato finora, i pistoni funzionano in parallelo, con ogni cilindro allineato al successivo e un pistone separato in ciascuno. Ma cosa succederebbe se potessimo inserire due pistoni in un cilindro e coordinare le loro azioni in modo che si guardino l'un l'altro - da cui il termine "cilindro opposto" - ma non entrino in collisione? Ciascuno di questi cilindri occuperebbe solo la metà della lunghezza del cilindro, quindi dovrebbe spostarsi solo della metà della distanza di un cilindro in un motore standard, risparmiando così carburante ma fornendo comunque lo stesso effetto di rotazione sull'albero motore. E l'albero motore potrebbe passare attraverso il centro del cilindro, perpendicolare all'asse lungo del cilindro, in modo che entrambi i pistoni possano ruotare l'albero motore mentre si muovono in direzioni opposte. E potevano raggruppare i loro rifiuti di scarico al centro del cilindro, in modo che le estremità del cilindro non dovessero essere tappate per impedire ai fumi di scarico nocivi di fuoriuscire prima che fosse necessario.

Non sarebbe bello? Puoi scommetterci!

Questo è chiamato motore a pistoni opposti, cilindro opposto (OPOC). Nel motore OPOC ideato da Ecomotors per la Defense Advanced Research Projects Agency (o DARPA, e sì, questo significa che è probabile che le prime applicazioni siano militari), i due pistoni nel singolo cilindro sono effettivamente interlacciati, ognuno diviso in due parti e si muovono l'uno dentro l'altro in direzioni opposte creando la corsa di compressione, in modo che le estremità opposte di una parte di ciascun pistone si chiudano insieme e comprimano la miscela di aria combustibile tra di loro mentre le estremità opposte dell'altra si stanno allontanando per far entrare aria nel spazio per creare la corsa di aspirazione. Poiché questi due tempi sono simultanei, l'intera azione dei pistoni richiede solo due movimenti avanti e indietro, rendendo così questo motore a due tempi invece del più convenzionale motore a quattro tempi. E poiché questi due pistoni in un cilindro svolgono il lavoro dei due pistoni in due cilindri ordinari, fanno solo il lavoro che normalmente avviene in un cilindro, ma applicano due cilindri che valgono il movimento all'albero motore. Ciò conferisce al motore OPOC un'elevata densità di potenza, ovvero un elevato rapporto tra potenza e massa del motore stesso.

Ed ecco qualcosa che distingue davvero il motore OPOC di Ecomotor dalla massa: è modulare. Puoi usarne uno, due o anche tre uniti insieme con una disposizione del cambio scalabile, da un motore monocilindrico (che in termini normali di motore è in realtà un motore a due cilindri) fino a un tre cilindri (equivalente a un sei tempi motore) e oltre. Continua ad agganciare i cilindri insieme per rendere il tuo motore più grande e più potente. E un motore OPOC è meccanicamente molto più semplice di un motore a combustione interna standard. Nella disposizione standard, è richiesta una serie complessa e precisa di collegamenti per assicurarsi che le valvole di aspirazione e di scarico siano aperte quando necessario. Ciò significa che il motore ha un numero incredibilmente ridotto di parti mobili. Ad esempio, in un cilindro a combustione interna convenzionale, è necessario un meccanismo complicato per temporizzare la valvola di aspirazione e la valvola di scarico in modo che siano aperte solo quando necessario e non siano mai aperte contemporaneamente. Ma nel motore OPOC, queste "valvole" sono semplicemente dei fori sul lato del cilindro, che vengono coperti e scoperti dallo scorrimento dei pistoni stessi, eliminando così la necessità di un complicato meccanismo per farli aprire e chiudere. Ecomotors stima che il numero di parti mobili nel suo motore sia stato ridotto da 385 a 62, il che significa che c'è un diavolo di molte meno parti che necessitano di manutenzione e possono andare a male.

Il risultato è che i motori OPOC sono più semplici e quindi meno soggetti a guasti. Sono anche più efficienti, perdono meno energia durante il funzionamento e, poiché svolgono il lavoro di due pistoni con uno solo, possono produrre molta più potenza di un motore a combustione interna standard solo per una parte del gas. È questo il motore del futuro? Probabilmente. Almeno fino a quando non arriverà quella cella a combustibile nucleare.

Nota dell'autore: come funzionano i motori a pistone contrapposto (OPOC)

Non sono uno di quei ragazzi che sono cresciuti con la testa sotto il cofano di un'auto smontando il motore e rimontandolo di nuovo solo per vedere se potevo farlo. È più probabile che mi trovassi alla tastiera di un computer, a programmare in linguaggi come BASIC e C, oa scrivere libri sul perché la potenza di fusione controllata fosse la fonte di energia del futuro. (Sto ancora aspettando quello.) Ma quando ho iniziato a scrivere di auto, è stato naturale per me gravitare verso la scrittura di tecnologie automobilistiche che erano ai margini sanguinanti, modi di alimentare e utilizzare auto che erano così avanzati , penseresti che potrebbero essere usciti direttamente da un film come Blade Runner o Minority Report. Non so voi, ma provo questa sensazione di formicolio su e giù per la schiena quando imparo qualcosa di nuovo, eccitante e fa le cose in un modo che le persone (in questo caso gli ingegneri automobilistici) non le hanno mai fatte prima.

I motori OPOC (pistone opposto a cilindro opposto) potrebbero non sembrare così sanguinanti come, ad esempio, le auto volanti o le DeLorean del 1981 con condensatori di flusso per aiutarli a viaggiare nel tempo, ma quando ho finito di ricercare questo articolo ho capito che erano ogni bit emozionante. (Ok, forse non così eccitante come quella cosa del condensatore di flusso.) I motori OPOC sono il prodotto di un pensiero ingegnoso di ingegneri brillanti che non erano disposti ad accettare che il modo in cui i motori a combustione interna sono sempre stati fatti è l'unico modo che possono essere fatti. Sì, gli OPOC esistono da molto tempo - i primi prototipi del motore OPOC risalgono al 19 ° secolo - ma gli ingegneri automobilistici, con un piccolo aiuto dall'ala di ricerca all'avanguardia dei militari DARPA (il Defense Advanced Research Project Agency), stanno finalmente ottenendo il loro momento al sole e nessuno potrebbe essere più eccitato di me.

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fonti

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  • DeMorro, Christopher. "Il motore OPOC è più piccolo, più leggero e il 50% più efficiente dei turbodiesel." Gas 2. (7 marzo 2012) http://gas2.org/2011/02/02/opoc-engine-is-smaller-lighter-and-50-more-efficient-than-turbodiesels/
  • Ecomotors International. "Il motore a pistoni opposti e cilindri contrapposti di EcoMotors International promette di rivoluzionare il design dei veicoli commerciali con motori potenti, leggeri, a basso consumo di carburante ea basse emissioni." (7 marzo 2012) http: //www.ecomotors.com/ecomotors-internationals-opposed-piston-opposed-cylinder-engine-promises-revolutionize-commercial-ve \
  • Scienza popolare. "Motore EcoMotors OPOC." (7 marzo 2012) http://www.popsci.com/bown/2011/product/ecomotors-opoc-engine
  • Ellzey, Curtis. "Motore a pistone opposto con cilindro opposto". (7 marzo 2012) http://www.engineeringtv.com/video/Opposed-Piston-Opposed-Cylinder
  • Hofbauer, Peter. "Un'introduzione a EcoMotors con il Prof. Peter Hofbauer." (7 marzo 2012) http://www.ecomotors.com/videos/introduction-ecomotors-prof-peter-hofbauer
  • Mraz, Stephen J. "Alla ricerca di idee: il motore a pistoni opposti e cilindri contrapposti aumenta la densità di potenza". Progettazione di macchine. (7 marzo 2012) http://machinedesign.com/article/scanning-for-ideas-opposed-piston-opposed-cylinder-engine-bumps-up-the-power-density-0504
  • Samid, Sam Abuel. "5 modi per riprogettare il motore a combustione interna". Meccanica popolare. (7 marzo 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/industry/5-alternative-engine-architectures#slide-1
  • Wojdyla, Ben. J. "Sei motori prototipo per far funzionare il tuo cervello". Meccanica popolare. (7 marzo 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/fuel-economy/6-prototype-engines-to-get-your-brain-firing?click=main_sr#slide-1



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