Funktionsweise von OPOC-Motoren (Opposed Piston Opposed Cylinder)

Verbrennungsmotoren verschmutzen die Luft. Verbrennungsmotoren rauben dem Planeten kostbare und nicht erneuerbare Ressourcen. Verbrennungsmotoren benötigen fossile Brennstoffe, die die Vereinigten Staaten wirtschaftlich an Länder binden, mit denen wir lieber keine Geschäfte machen würden.

Und Verbrennungsmotoren werden so schnell nicht verschwinden.

Oh, sicher, Sie haben von all den neuen Technologien gehört, die den Verbrennungsmotor jeden Tag ersetzen sollten, Technologien wie Elektromotoren , Hybridantriebsstränge , Wasserstoff -Brennstoffzellen und sogar Autos, die mit Druckluft betrieben werden, aber keine davon Technologies ist schon längst bereit, die Autoindustrie 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 Energiequelle verwenden, aber sie brauchen Zeit zum Aufladen, haben eine begrenzte Reichweite und können nicht einfach betankt werden bis in fünf Minuten an der örtlichen Tankstelle. Außerdem, willst du wirklich mitten in East Nowhere, Mittelamerika, mit einem Toten stecken bleiben?Lithium-Ionen-Batterie- Array und niemand in der Nähe, der auch nur die leiseste Ahnung hat, wie man sie wieder auflädt? Hybridantriebe sind bereits durchaus machbar, wie der große Erfolg des Toyota Prius zeigt, aber sie enthalten noch Verbrennungsmotoren, lösen das Problem also nicht wirklich. 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. Das sollte, oh, ungefähr in 20 bis 30 Jahren sein, ungefähr zu dem Zeitpunkt, an dem Sie in Ihre ersten falschen Zähne investieren werden. Und Druckluftautos? Niemand weiß genau, wann diese fahrbereit sein werden, aber es wird wahrscheinlich noch eine ganze Weile dauern, bis Sie Ihr Auto mit einer Fahrradpumpe betanken können.

Diese Technologien sind wichtig. Denkfabriken und Autohersteller forschen gerade daran. Welche Verkehrsmittel 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. Aber in der Zwischenzeit brauchen wir wirklich etwas, das realistischerweise in den nächsten Jahren praxisreif sein kann: einen besseren Verbrennungsmotor.

Hier die gute Nachricht: Bessere Verbrennungsmotoren sind auf dem Weg. Und wenn wir besser sagen, meinen wir leichter, kraftstoffeffizienter und weniger umweltschädlich. Wenn wir Verbrennungsmotoren noch nicht auf die Weide schicken können, können wir sie zumindest dazu bringen, sich ein wenig höflicher zu verhalten, während sie noch auf den öffentlichen Straßen herumgaloppieren.

Eine der aufregendsten neuen Arten von Verbrennungsmotoren ist der Gegenkolben-Gegenzylindermotor, und wenn Sie sich nicht an all diese zungenbrechenden Silben erinnern können, können Sie ihn einfach einen OPOC-Motor nennen. (Nicht schlecht fühlen. Alle anderen nennen es auch so.) OPOC-Engines sind nicht wirklich neu – die Idee gibt es schon eine Weile – aber eine Firma namens Ecomotor nimmt endlich ernst mit dem Bau von OPOCs, die bereit sein werden Verbraucherfahrzeuge, lange bevor Wasserstoff-Brennstoffzellen der letzte Schrei der Nation sind. Und als Beweis dafür, dass Ecomotors ernsthafte Technologie anbietet, die die Art und Weise, wie wir Benzin in naher Zukunft verwenden, wirklich revolutionieren könnte, 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

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 in Standard-Automotoren und zeigen Ihnen dann, wie OPOCs so ziemlich dasselbe tun, aber nur ein bisschen anders – und ein bisschen besser.

Wahrscheinlich hat der Motor Ihres Autos entweder vier oder sechs Zylinder. (Wenn Sie mehr als sechs Zylinder haben, dann 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 – ein zylindrisches Loch im Motor, in das Sie ein bewegliches Rohr, den sogenannten Kolben, einsetzen können. Und es ist dieser Kolben, der in Kombination mit Benzin , Luft und einer Zündkerze die Antriebskraft liefert, die Ihr Auto die Straße hinunterrasen lässt. Das ist sowieso die Quick-and-Dirty-Version der Geschichte.

Die Zylinder in einem Verbrennungsmotor eines Automobils sind mit Deckeln versehen, damit die Gase, die sich im Bereich zwischen der Oberseite des Kolbens und der Oberseite des Zylinders befinden, 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 konstruiert, dass sie Luft und Benzin in den Zylinder (das Einlassventil) lassen und Abgas aus dem Zylinder (das Auslassventil) freigeben, nachdem der Verbrennungsprozess des Motors abgeschlossen ist. Diese Ventile öffnen und schließen in einer Weise, die sorgfältig auf die Bewegung des Kolbens abgestimmt ist, so dass die Abgase freigegeben werden, bevor eine neue Frischluftzufuhr einströmt.

Es ist die Bewegung des Kolbens, die das Auto antreibt. Kolben gleiten sauber im Zylinder auf und ab, denn dafür sind sie konstruiert. Die meisten Autos verwenden einen Viertaktmotor (oder Ottomotor), bei dem die Bewegung des Kolbens in vier Stufen erfolgt. Im ersten, Ansaugtakt genannt, öffnet sich das Einlassventil und der Kolben bewegt sich nach unten. Der durch den sich nach unten bewegenden Kolben erzeugte Unterdruck saugt Luft zusammen mit einer kleinen Menge Benzin in den oberen Teil des Zylinders. Sobald das Gemisch den verfügbaren Raum gefüllt hat, den der absteigende Kolben hinterlassen hat, schließt das Einlassventil und der Kolben steigt im Kompressionshub wieder an und drückt das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu einer dichten Masse zusammen, die mit so viel potenzieller Energie gefüllt ist, dass es sich als Sprengstoff qualifiziert . (Glücklicherweise ist sehr wenig Benzin in der Mischung, also reden wir nichtExplosiv in thermonuklearer Waffenqualität, aber eher wie eine Kirschbombe.) Dann kommt der Teil des Prozesses, der dem Motor wirklich den Kick gibt: der Verbrennungshub, bei dem die Zündkerze aufblitzt und diese potenzielle Energie wie ein Feuerwerkskörper in einer Blechdose entzündet , drückt den Kolben wieder nach unten. Schließlich öffnet sich im Auslasstakt das Auslassventil, und der Kolben steigt zurück zur Oberseite des Zylinders und drückt die nutzlosen, gasförmigen Rückstände der Explosion brennbarer Materialien heraus. 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 die Kreisbewegung umwandelt, die die Zahnräder und Räder des Autos zum Drehen bringt. Bei den meisten Standard-Motoranordnungen (es gibt einige davon) sind die Zylinder paarweise angeordnet, sodass die Abwärtsbewegung eines Kolbens während eines Hubs den Aufwärtshub des anderen erzeugt, ein Zyklus, der theoretisch ewig andauern könnte ... oder bei Zumindest bis das Benzin ausgeht. Dies ist nicht gerade ein Perpetuum Mobile, aber wenn Sie darüber nachdenken, fragen Sie sich vielleicht, wie die Bewegung der Kolben überhaupt begonnen hat. Die Antwort ist, dass der Viertaktzyklus normalerweise mit einem kurzen Ausbruch von Rotationsenergie von einem elektrischen Startermotor auf die Kurbelwelle beginnt. aber frühe Autos kamen zum Laufen, weil ein glücklicher Fahrer eine handbetätigte Kurbel drehen musste, um, ja, die Kurbelwelle zu drehen. (Jetzt weißt du, warum sie es so nennen.) Bist du nicht froh, dass du damals keine Autos gefahren bist?

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, der halb so viele Zylinder verbraucht, aber genauso viel Leistung bekommt.

Bei den VerbrennungsmotorenWir haben bisher darüber gesprochen, die Kolben arbeiten 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 „gegenüberliegender Zylinder“ – aber nicht kollidieren? Jeder dieser Zylinder würde nur die halbe Zylinderlänge beanspruchen, müsste also nur die halbe Wegstrecke eines Zylinders in einem Standardmotor zurücklegen und so Kraftstoff sparen bei gleicher Drehwirkung auf die Kurbelwelle. Und die Kurbelwelle könnte durch die Mitte des Zylinders verlaufen, senkrecht zur Längsachse des Zylinders, so dass beide Kolben die Kurbelwelle drehen könnten, wenn sie sich in entgegengesetzte Richtungen bewegten. Und sie könnten ihre Abgase in der Mitte des Zylinders sammeln,

Wäre das nicht cool? Darauf können Sie wetten!

Dies wird als Gegenkolben- und Gegenzylindermotor (OPOC) bezeichnet. In dem OPOC-Motor, der von Ecomotors für die Defense Advanced Research Projects Agency (oder DARPA, und ja, das bedeutet, dass frühe Anwendungen wahrscheinlich militärisch sind) entwickelt wurden, sind die beiden Kolben in dem einzelnen Zylinder effektiv miteinander verflochten, wobei jeder in zwei Teile geteilt ist und sich in entgegengesetzten Richtungen ineinander bewegen, wodurch der Kompressionshub erzeugt wird, so dass 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 einzulassen Lücke, um den Ansaugtakt zu erzeugen. Da diese beiden Hübe gleichzeitig erfolgen, erfordert die gesamte Aktion der Kolben nur zwei Hin- und Herbewegungen, wodurch dies ein Zweitaktmotor wirdanstelle des konventionelleren Viertaktmotors. Und weil diese zwei Kolben in einem Zylinder die Arbeit der zwei Kolben in zwei gewöhnlichen Zylindern verrichten, verrichten sie nur die Arbeit, die normalerweise in einem Zylinder verrichtet wird, übertragen aber die Bewegung von zwei Zylindern auf die Kurbelwelle. Dies verleiht dem OPOC-Motor eine hohe Leistungsdichte – das heißt ein hohes Verhältnis von Leistung zu der Masse des Motors selbst.

Und hier ist etwas, was den OPOC-Motor von Ecomotor wirklich von der Masse abhebt: Er ist modular. Sie können einen, zwei oder sogar drei davon verwenden, die mit einer skalierbaren Getriebeanordnung verbunden sind, von einem Einzylindermotor (der in der normalen Motorsprache eigentlich ein Zweizylindermotor ist) bis zu einem Dreizylindermotor (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. Bei der Standardanordnung ist eine komplexe und zeitlich genau abgestimmte Reihe von Gestängen erforderlich, um sicherzustellen, dass die Einlass- und Auslassventile bei Bedarf geöffnet sind. Das bedeutet, dass der Motor eine unglaublich kleine Anzahl beweglicher Teile hat. Beispielsweise in einem herkömmlichen Verbrennungsmotor, Ein komplizierter Mechanismus ist notwendig, um das Einlassventil und das Auslassventil zeitlich so einzustellen, dass sie nur bei Bedarf geöffnet sind und niemals gleichzeitig geöffnet sind. Aber im OPOC-Motor sind diese "Ventile" einfach Löcher in der Seite des Zylinders, die durch das Gleiten der Kolben selbst abgedeckt und freigelegt werden, wodurch die Notwendigkeit eines komplizierten Mechanismus zum Öffnen und Schließen entfällt. Ecomotors schätzt, dass die Anzahl der beweglichen Teile in seinem Motor von 385 auf 62 reduziert wurde, was bedeutet, dass es verdammt viel weniger Teile gibt, die gewartet werden müssen und kaputt gehen können. die durch das Gleiten der Kolben selbst bedeckt und freigelegt werden, wodurch die Notwendigkeit für einen komplizierten Mechanismus entfällt, um sie zu öffnen und zu schließen. Ecomotors schätzt, dass die Anzahl der beweglichen Teile in seinem Motor von 385 auf 62 reduziert wurde, was bedeutet, dass es verdammt viel weniger Teile gibt, die gewartet werden müssen und kaputt gehen können. die durch das Gleiten der Kolben selbst bedeckt und freigelegt werden, wodurch die Notwendigkeit für einen komplizierten Mechanismus entfällt, um sie zu öffnen und zu schließen. Ecomotors schätzt, dass die Anzahl der beweglichen Teile in seinem Motor von 385 auf 62 reduziert wurde, was bedeutet, dass es verdammt viel weniger Teile gibt, die gewartet werden müssen und kaputt gehen können.

Das Ergebnis ist, dass OPOC-Engines einfacher sind und daher weniger wahrscheinlich ausfallen. Sie sind auch effizienter, verlieren im Betrieb weniger Energie und können – weil sie die Arbeit von zwei Kolben mit nur einem erledigen – viel mehr Leistung als ein herkömmlicher Verbrennungsmotor für nur einen Teil des Gases erzeugen. Ist das der Motor der Zukunft? Wahrscheinlich. Zumindest bis diese nukleare Brennstoffzelle daherkommt.

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

Ich gehöre nicht zu den Typen, die mit dem Kopf unter der Motorhaube eines Autos aufgewachsen sind und den Motor zerlegt und wieder zusammengebaut haben, nur um zu sehen, ob ich es schaffe. Wahrscheinlicher finden Sie mich an der Tastatur eines Computers, beim Programmieren in Sprachen wie BASIC und C oder beim Schreiben von Büchern darüber, warum kontrollierte Fusionskraft die Energiequelle der Zukunft ist. (Darauf warte ich noch.) Aber als ich anfing, über Autos zu schreiben, war es nur natürlich, dass ich mich dazu hingezogen fühlte, über Automobiltechnologien zu schreiben, die auf dem neuesten Stand waren, Möglichkeiten, Autos anzutreiben und zu benutzen, die so fortschrittlich waren , man könnte meinen, sie wären direkt aus einem Film wie Blade Runner oder Minority Report gefahren. Ich weiß nicht, wie es euch geht, aber ich bekomme dieses prickelnde Gefühl den Rücken hoch und runter, wenn ich von etwas Neuem erfahre,

OPOC-Motoren (Opposed Piston Opposed Cylinder) klingen vielleicht nicht so bahnbrechend wie beispielsweise fliegende Autos oder 1981er DeLoreans mit Flussmittelkondensatoren, die ihnen helfen, durch die Zeit zu reisen, aber als ich mit der Recherche dieses Artikels fertig war, wurde mir klar, dass sie es in jeder Hinsicht waren genauso spannend. (Okay, vielleicht nicht ganz so aufregend wie diese Fluxkondensator-Sache.) OPOC-Motoren sind das Produkt einer Menge genialer Gedanken von brillanten Ingenieuren, die nicht bereit waren zu akzeptieren, dass die Art und Weise, wie Verbrennungsmotoren immer gebaut wurden, die einzige Möglichkeit ist dass sie machbar sind. Ja, OPOCs gibt es schon seit langer Zeit – die frühen Prototypen des OPOC-Motors gehen auf das 19 Agentur),

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