Funktionsweise von OPOC-Motoren (Opposed Piston Opposed Cylinder)

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Bessere Verbrennungsmotoren sind unterwegs. Und wenn wir es besser sagen, meinen wir leichter, sparsamer und umweltfreundlicher. Schauen Sie sich unsere Animation an, wie die OPOC-Engine funktioniert. Andrew Holt / Wahl des Fotografen / Getty Images

Verbrennungsmotoren verschmutzen die Luft. Verbrennungsmotoren rauben dem Planeten wertvolle und nicht erneuerbare Ressourcen. Verbrennungsmotoren benötigen fossile Brennstoffe, die die USA wirtschaftlich an Länder binden, mit denen wir lieber keine Geschäfte machen möchten.

Und Verbrennungsmotoren gehen nicht so schnell weg.

Oh, sicher, Sie haben von all den neuen Technologien gehört, die den Verbrennungsmotor jeden Tag ersetzen sollten, Technologien wie Elektromotoren, Hybridantriebe, Wasserstoffbrennstoffzellen und sogar Autos, die mit Druckluft betrieben werden, aber keine davon Technologies ist bereit, die Autoindustrie noch vor dem Verbrennungsmotor zu retten. Elektromotoren sind wahrscheinlich unsere beste Wahl für die unmittelbare Zukunft, und es gibt sogar einige Autos auf dem Markt, die sie als Stromquelle verwenden, aber sie brauchen Zeit zum Aufladen, haben eine begrenzte Reichweite und können nicht einfach betankt werden in fünf Minuten an der örtlichen Tankstelle. Außerdem möchten Sie wirklich mitten in East Nowhere, Mittelamerika, mit einem toten Lithium-Ionen-Akku-Array und niemandem in der Nähe stecken bleiben, der die geringste Ahnung hat, wie man es auflädt? Hybridantriebe sind bereits durchaus machbar, wie der große Erfolg des Toyota Prius zeigt, enthalten aber immer noch Verbrennungsmotoren, sodass sie das Problem nicht wirklich lösen. Sie verschieben nur den Tag, an dem wir diese veraltete Technologie endlich loswerden müssen. Wasserstoff-Brennstoffzellenautos werden wirklich erstaunlich sein, wenn sie in Fahrzeugen erhältlich sind, die vom Durchschnittsverbraucher gekauft und gefahren werden können. Dies sollte in ungefähr 20 bis 30 Jahren sein, ungefähr zu der Zeit, zu der Sie in Ihre ersten falschen Zähne investieren werden. Und Druckluftautos? Niemand weiß wirklich, wann diese bereit sind, auf die Straße zu gehen, aber es wird wahrscheinlich noch eine Weile dauern, bis Sie Ihr Auto mit einer Fahrradpumpe tanken können.

Diese Technologien sind wichtig. Think Tanks und Autohersteller erforschen sie derzeit. Der Transport, den die Kinder Ihrer Kinder benutzen, hängt von ihnen ab. Eines Tages wird eine oder alle dieser Technologien die Welt von ihrer außer Kontrolle geratenen Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen befreien. In der Zwischenzeit brauchen wir jedoch etwas, das in den nächsten Jahren realistisch einsatzbereit sein kann: einen besseren Verbrennungsmotor.

Hier die gute Nachricht: Bessere Verbrennungsmotoren sind unterwegs. Und wenn wir es besser sagen, meinen wir leichter, sparsamer und umweltfreundlicher. Wenn wir Verbrennungsmotoren noch nicht ganz auf die Weide stellen können, können wir sie zumindest etwas höflicher verhalten lassen, während sie noch auf den öffentlichen Straßen galoppieren.

Eine der aufregendsten neuen Arten von Verbrennungsmotoren ist der Gegenkolben-Gegenzylindermotor. Wenn Sie sich nicht an all diese zungenbrechenden Silben erinnern können, können Sie ihn einfach als OPOC-Motor bezeichnen. (Fühlen Sie sich nicht schlecht. Alle anderen nennen es auch so.) OPOC-Motoren sind nicht wirklich neu - die Idee gibt es schon eine Weile - aber eine Firma namens Ecomotor nimmt es endlich ernst, OPOCs zu bauen, für die sie bereit sind Verbraucherfahrzeuge lange bevor Wasserstoffbrennstoffzellen der letzte Schrei der Nation sind. Und als Beweis dafür, dass Ecomotors seriöse Technologien anbietet, die die Art und Weise, wie wir Benzin verwenden, in naher Zukunft wirklich revolutionieren könnten, hat ein Mitarbeiter namens Bill Gates bereits in das Unternehmen investiert. Ja, dieser Bill Gates, und niemand kann sagen, dass der Mitbegründer von Microsoft nicht ein oder zwei Dinge über die praktischen Aspekte der Spitzentechnologie weiß.

Aber was genau ist ein OPOC-Motor und wie unterscheidet er sich von den Verbrennungsmotoren, die wir alle lieben und hassen? Um diese Frage zu beantworten, geben wir Ihnen zunächst einen Auffrischungskurs für Standardautomotoren und zeigen Ihnen dann, wie OPOCs so ziemlich dasselbe tun, aber nur ein bisschen anders - und ein bisschen besser.

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Es besteht die Möglichkeit, dass der Motor Ihres Autos entweder vier oder sechs Zylinder enthält. (Wenn Sie mehr als sechs Zylinder haben, fahren Sie ein echtes Muscle-Car und suchen wahrscheinlich noch nicht nach etwas, das den Verbrennungsmotor überflüssig macht.) Ein Motorzylinder ist genau das, wonach es sich anhört - a zylindrisches Loch im Motor, in das Sie ein bewegliches Rohr einsetzen können, das als Kolben bezeichnet wird. Und es ist dieser Kolben, der in Kombination mit Benzin, Luft und einer Zündkerze die Antriebskraft liefert, die Ihr Auto die Straße hinunter rasen lässt. Das ist sowieso die schnelle und schmutzige Version der Geschichte.

Die Zylinder im Verbrennungsmotor eines Automobils sind verschlossen, so dass die Gase, die im Bereich zwischen der Oberseite des Kolbens und der Oberseite des Zylinders gehalten werden, nicht entweichen können. Es gibt jedoch auch zwei Ventile an oder nahe der Oberseite jedes Zylinders, die mechanisch geöffnet und geschlossen werden können. Diese sind jeweils so ausgelegt, dass Luft und Benzin in den Zylinder (das Einlassventil) gelangen und nach Abschluss des Verbrennungsprozesses des Motors Abgas aus dem Zylinder (dem Auslassventil) ablassen. Diese Ventile öffnen und schließen sich in einer Weise, die sorgfältig auf die Bewegung des Kolbens abgestimmt ist, so dass das Abgas freigesetzt wird, bevor eine neue Frischluftzufuhr einströmt.

Es ist die Bewegung des Kolbens, die das Auto antreibt. Die Kolben gleiten im Zylinder sauber auf und ab, weil sie dafür ausgelegt sind. Die meisten Autos verwenden einen Viertaktmotor (oder Ottomotor), bei dem die Bewegung des Kolbens vier Stufen umfasst. Beim ersten Einlasshub, der als Einlasshub bezeichnet wird, öffnet sich das Einlassventil und der Kolben bewegt sich nach unten. Das durch den sich nach unten bewegenden Kolben erzeugte Vakuum saugt Luft zusammen mit einer kleinen Menge Benzin in den oberen Teil des Zylinders. Sobald das Gemisch den verfügbaren Raum des absteigenden Kolbens gefüllt hat, schließt das Einlassventil und der Kolben steigt im Kompressionshub wieder an, wodurch das Luft-Kraftstoff-Gemisch in eine dichte Masse gepresst wird, die mit so viel potentieller Energie gefüllt ist, dass es als Explosivstoff qualifiziert ist . (Glücklicherweise enthält die Mischung nur sehr wenig Benzin, es handelt sich also nicht um einen Sprengstoff mit thermonuklearer Waffenqualität, sondern eher um eine Kirschbombe.) Dann kommt der Teil des Prozesses, der dem Motor wirklich seinen Kick verleiht: der Verbrennungshub, wo Die Zündkerze blinkt und entzündet diese potentielle Energie wie ein Kracher in einer Blechdose, wodurch der Kolben wieder nach unten gedrückt wird. Schließlich öffnet sich im Auslasshub das Auslassventil und der Kolben steigt zurück zur Oberseite des Zylinders, wodurch die unbrauchbaren, gasförmigen Rückstände der Explosion brennbarer Materialien herausgedrückt werden. Sobald das Auslassventil schließt, beginnt der Vorgang von vorne.

Während der Kolben steigt und fällt, dreht er die Kurbelwelle, eine lange, rotierende Stange, die die Auf- und Abbewegung der Kolben in eine Kreisbewegung umwandelt, die die Zahnräder und Räder des Autos durchdrehen lässt. Bei den meisten Standard-Motoranordnungen (es gibt einige) werden die Zylinder paarweise geliefert, so dass die Abwärtsbewegung eines Kolbens während eines Hubs den Aufwärtshub des anderen erzeugt, ein Zyklus, der theoretisch für immer andauern könnte… oder zumindest bis Das Benzin geht zur Neige. Dies ist nicht gerade eine ewige Bewegung, aber wenn Sie darüber nachdenken, könnten Sie sich fragen, wie die Bewegung der Kolben überhaupt begonnen hat. Die Antwort ist, dass der Viertaktzyklus normalerweise mit einem kurzen Rotationsenergiestoß von einem elektrischen Anlasser zur Kurbelwelle beginnt, aber frühe Autos in Betrieb genommen wurden, weil ein glücklicher Fahrer eine handbetätigte Kurbel drehen musste, um sich zu drehen, ja die Kurbelwelle. (Jetzt wissen Sie, warum sie es so nennen.) Sind Sie nicht froh, dass Sie damals kein Auto gefahren sind??

Dieser Viertaktzyklus wurde im 19. Jahrhundert erfunden - tatsächlich gehen Variationen davon auf die Dampfmaschine zurück - und es gibt viele Variationen davon. Mal sehen, ob wir einen finden können, der halb so viele Zylinder verbraucht und dennoch genauso viel Leistung erhält.

Im Porsche-Werk in Zuffenhausen montieren Arbeiter Motoren für Porsche 911. Zweifellos eine komplexe Aufgabe. Ecomotors schätzt, dass die Anzahl der beweglichen Teile in seinem Motor von 385 auf 62 reduziert wurde, was die Wartung erheblich vereinfacht. Marco Prosch / Getty Images

Bei den Verbrennungsmotoren, über die wir bisher gesprochen haben, arbeiten die Kolben parallel, wobei jeder Zylinder zum nächsten ausgerichtet ist und in jedem ein separater Kolben vorhanden ist. Aber was wäre, wenn wir zwei Kolben in einen Zylinder stecken und ihre Aktionen so koordinieren könnten, dass sie einander zugewandt sind - daher der Begriff "entgegengesetzter Zylinder" -, aber nicht kollidieren? Jeder dieser Zylinder würde nur die halbe Länge des Zylinders einnehmen, so dass er sich in einem Standardmotor nur um die halbe Strecke eines Zylinders bewegen müsste, wodurch Kraftstoff gespart und dennoch der gleiche Rotationseffekt auf die Kurbelwelle erzielt würde. Und die Kurbelwelle könnte durch die Mitte des Zylinders senkrecht zur Längsachse des Zylinders laufen, so dass beide Kolben die Kurbelwelle drehen könnten, wenn sie sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Und sie konnten ihre Abgase in der Mitte des Zylinders sammeln, so dass die Enden des Zylinders nicht verschlossen werden mussten, damit die schädlichen Abgase nicht entweichen konnten, bevor sie es mussten.

Wäre das nicht cool? Wetten, dass es so wäre?!

Dies wird als OPOC-Motor (Gegenkolben-Gegenzylinder) bezeichnet. In dem von Ecomotors für die Defense Advanced Research Projects Agency (oder DARPA) entwickelten OPOC-Motor (und dies bedeutet, dass frühe Anwendungen wahrscheinlich militärisch sind) sind die beiden Kolben im Einzylinder effektiv miteinander verflochten, wobei jeder in zwei Teile unterteilt ist und Bewegen ineinander in entgegengesetzte Richtungen, wodurch der Kompressionshub erzeugt wird, so dass sich die gegenüberliegenden Enden eines Teils jedes Kolbens zusammenschließen und das Kraftstoff-Luft-Gemisch zwischen ihnen komprimieren, während sich die gegenüberliegenden Enden des anderen auseinander bewegen, um Luft in den Kolben einzulassen Lücke, um den Einlasshub zu erzeugen. Da diese beiden Hübe gleichzeitig ablaufen, werden für die gesamte Kolbenbewegung nur zwei Hin- und Herbewegungen ausgeführt, wodurch dieser Motor zu einem Zweitaktmotor anstelle des konventionelleren Viertaktmotors wird. Und weil diese beiden Kolben in einem Zylinder die Arbeit der beiden Kolben in zwei gewöhnlichen Zylindern ausführen, erledigen sie nur die Arbeit, die normalerweise in einem Zylinder ausgeführt wird, sondern bringen zwei Zylinder im Wert von Bewegung auf die Kurbelwelle auf. Dies verleiht dem OPOC-Motor eine hohe Leistungsdichte, dh ein hohes Leistungsverhältnis zur Masse des Motors.

Und hier ist etwas, das den OPOC-Motor von Ecomotor wirklich von der Masse abhebt: Er ist modular aufgebaut. Sie können einen, zwei oder sogar drei davon verwenden, die mit einer skalierbaren Getriebeanordnung verbunden sind, von einem Einzylindermotor (der normalerweise ein Zweizylindermotor ist) bis zu einem Dreizylinder (entspricht einem Sechstaktmotor) Motor) und darüber hinaus. Haken Sie die Zylinder einfach weiter zusammen, um Ihren Motor größer und leistungsstärker zu machen. Und ein OPOC-Motor ist mechanisch viel einfacher als ein Standard-Verbrennungsmotor. In der Standardanordnung ist eine komplexe und zeitlich genau abgestimmte Reihe von Verbindungen erforderlich, um sicherzustellen, dass die Einlass- und Auslassventile bei Bedarf geöffnet sind. Das heißt, der Motor hat eine unglaublich kleine Anzahl beweglicher Teile. Beispielsweise ist in einem herkömmlichen Verbrennungszylinder ein komplizierter Mechanismus erforderlich, um das Einlassventil und das Auslassventil so zu steuern, dass sie nur bei Bedarf geöffnet sind und niemals gleichzeitig geöffnet werden. Beim OPOC-Motor sind diese "Ventile" einfach Löcher in der Seite des Zylinders, die durch das Gleiten der Kolben selbst abgedeckt und freigelegt werden, sodass kein komplizierter Mechanismus zum Öffnen und Schließen erforderlich ist. Ecomotors schätzt, dass die Anzahl der beweglichen Teile in seinem Motor von 385 auf 62 reduziert wurde, was bedeutet, dass es eine Menge weniger Teile gibt, die gewartet werden müssen und schlecht werden können.

Das Ergebnis ist, dass OPOC-Motoren einfacher sind und daher weniger wahrscheinlich ausfallen. Sie sind außerdem effizienter, verlieren während des Betriebs weniger Energie und können - da sie die Arbeit von zwei Kolben mit nur einem ausführen - viel mehr Leistung als ein normaler Verbrennungsmotor für nur einen Teil des Gases erzeugen. Ist das der Motor der Zukunft? Wahrscheinlich. Zumindest bis diese Kernbrennstoffzelle kommt.

Anmerkung des Autors: Funktionsweise von OPOC-Motoren (Opposed Piston Opposed Cylinder)

Ich gehöre nicht zu den Leuten, die mit meinem Kopf unter der Motorhaube eines Autos aufgewachsen sind, das den Motor auseinander nimmt und wieder zusammenbaut, nur um zu sehen, ob ich es schaffen kann. Wahrscheinlicher ist, dass Sie mich an der Tastatur eines Computers finden, in Sprachen wie BASIC und C programmieren oder Bücher darüber schreiben, warum kontrollierte Fusionskraft die Energiequelle der Zukunft ist. (Darauf warte ich immer noch.) Aber als ich anfing, über Autos zu schreiben, war es für mich nur natürlich, über Fahrzeugtechnologien zu schreiben, die an den blutigen Rändern waren, über Möglichkeiten, Autos anzutreiben und zu benutzen, die so fortschrittlich waren Man könnte meinen, sie sind direkt aus einem Film wie Blade Runner oder Minority Report herausgefahren. Ich weiß nichts über dich, aber ich bekomme dieses prickelnde Gefühl auf und ab, wenn ich etwas Neues und Aufregendes erfahre und Dinge so mache, wie es Menschen (in diesem Fall Autoingenieure) noch nie getan haben.

Gegenläufige Kolben-Gegenzylinder-Motoren (OPOC) klingen möglicherweise nicht so blutig wie beispielsweise fliegende Autos oder DeLoreans von 1981 mit Flussmittelkondensatoren, um ihnen zu helfen, durch die Zeit zu reisen, aber als ich mit der Recherche dieses Artikels fertig war, stellte ich fest, dass sie genau das Richtige waren so aufregend. (Okay, vielleicht nicht ganz so aufregend wie diese Sache mit dem Flusskondensator.) OPOC-Motoren sind das Ergebnis vieler genialer Gedanken brillanter Ingenieure, die nicht akzeptieren wollten, dass die Art und Weise, wie Verbrennungsmotoren immer gemacht wurden, der einzige Weg ist dass sie getan werden können. Ja, OPOCs gibt es schon lange - die frühen Prototypen des OPOC-Motors reichen bis ins 19. Jahrhundert zurück -, aber Automobilingenieure mit ein wenig Hilfe des hochmodernen Forschungsflügels DARPA (Defense Advanced Research Project) des Militärs Agentur), bekommen endlich ihren Moment in der Sonne und niemand könnte aufgeregter sein als ich.

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Quellen

  • Ecomotors International. "Saubere, effiziente und leichte Antriebssysteme für eine bessere Welt." (7. März 2012) http://www.ecomotors.com/technology
  • DeMorro, Christopher. "Der OPOC-Motor ist kleiner, leichter und 50% effizienter als Turbodiesel." Gas 2. (7. März 2012) http://gas2.org/2011/02/02/opoc-engine-is-smaller-lighter-and-50-more-efficient-than-turbodiesels/
  • Ecomotors International. "Der Gegenkolbenmotor von EcoMotors International mit Gegenkolben verspricht, das Design von Nutzfahrzeugen mit leistungsstarken, leichten, kraftstoffsparenden und emissionsarmen Motoren zu revolutionieren." (7. März 2012) http: //www.ecomotors.com/ecomotors-internationals-opposed-piston-opposed-cylinder-engine-promises-revolutionize-commercial-ve \
  • Populärwissenschaften. "EcoMotors OPOC Engine." (7. März 2012) http://www.popsci.com/bown/2011/product/ecomotors-opoc-engine
  • Ellzey, Curtis. "Gegenkolben-Gegenzylindermotor." (7. März 2012) http://www.engineeringtv.com/video/Opposed-Piston-Opposed-Cylinder
  • Hofbauer, Peter. "Eine Einführung in EcoMotors mit Prof. Peter Hofbauer." (7. März 2012) http://www.ecomotors.com/videos/introduction-ecomotors-prof-peter-hofbauer
  • Mraz, Stephen J. "Nach Ideen suchen: Gegenkolben- und Gegenzylindermotor erhöhen die Leistungsdichte." Maschinendesign. (7. März 2012) http://machinedesign.com/article/scanning-for-ideas-opposed-piston-opposed-cylinder-engine-bumps-up-the-power-density-0504
  • Samid, Sam Abuel. "5 Möglichkeiten zur Neugestaltung des Verbrennungsmotors." Beliebte Mechanik. (7. März 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/industry/5-alternative-engine-architectures#slide-1
  • Wojdyla, Ben. J. "Sechs Prototyp-Motoren, die Ihr Gehirn zum Brennen bringen." Beliebte Mechanik. (7. März 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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