Cómo funcionan los motores de cilindros opuestos y pistones opuestos (OPOC)

Los motores de combustión interna contaminan el aire. Los motores de combustión interna roban al planeta recursos preciosos y no renovables. Los motores de combustión interna requieren combustibles fósiles que vinculan económicamente a Estados Unidos con países con los que preferiríamos no hacer negocios.

Y los motores de combustión interna no desaparecerán pronto.

Oh, claro, has oído hablar de todas las nuevas tecnologías que deberían reemplazar el motor de combustión interna en cualquier momento, tecnologías como motores eléctricos , trenes de potencia híbridos , celdas de combustible de hidrógeno e incluso automóviles que funcionan con aire comprimido, pero ninguno de estos. Las tecnologías están listas para salvar a la industria automotriz del motor de combustión interna bastante todavía. Los motores eléctricos son probablemente nuestra mejor apuesta para el futuro inmediato e incluso hay algunos autos en el mercado ahora que los usan como fuente de energía, pero toman tiempo para recargarse, tienen un rango de manejo limitado y simplemente no pueden ser alimentados. en cinco minutos en la estación de servicio local. Además, ¿de verdad quieres quedarte atrapado en medio de East Nowhere, Middle America, con un muerto?conjunto de baterías de iones de litio y nadie alrededor que tenga la menor idea de cómo recargarlo? Los trenes de potencia híbridos ya son bastante factibles, como demuestra el gran éxito del Toyota Prius, pero todavía contienen motores de combustión interna, por lo que realmente no resuelven el problema. Simplemente posponen el día en que finalmente tendremos que deshacernos de esta tecnología anticuada. Los automóviles con celdas de combustible de hidrógeno serán realmente asombrosos cuando estén disponibles en vehículos que el consumidor promedio pueda comprar y conducir. Esto debería ser, oh, alrededor de 20 a 30 años a partir de ahora, alrededor del tiempo que invertirá en su primer juego de dientes postizos. ¿Y los coches de aire comprimido? Nadie sabe realmente cuándo estarán listos para salir a la carretera, pero probablemente pasará un buen tiempo antes de que pueda repostar su automóvil con una bomba de bicicleta.

Estas tecnologías son importantes. Los grupos de expertos y los fabricantes de automóviles los están investigando en este momento. De ellos dependerá el transporte que utilicen los hijos de tus hijos. Algún día, una o todas estas tecnologías liberarán al mundo de su adicción descontrolada a los combustibles fósiles. Pero mientras tanto, lo que realmente necesitamos es algo que, de manera realista, pueda estar listo para su uso práctico en los próximos años: un mejor motor de combustión interna.

Estas son las buenas noticias: mejores motores de combustión interna están en camino. Y cuando decimos mejor nos referimos a más ligero, más eficiente en combustible y menos contaminante. Si todavía no podemos poner en marcha los motores de combustión interna, al menos podemos hacer que se comporten un poco más cortésmente mientras siguen galopando por las calles públicas.

Uno de los nuevos tipos de motores de combustión interna más emocionantes es el motor de cilindros opuestos y pistones opuestos, y si no puede recordar todas esas sílabas trabalenguas, puede llamarlo motor OPOC. (No se sienta mal. Todo el mundo lo llama así también.) Los motores OPOC no son realmente nuevos, la idea existe desde hace un tiempo, pero una empresa llamada Emotor finalmente se está tomando en serio la construcción de OPOC que estarán listos para vehículos de consumo mucho antes de que las pilas de combustible de hidrógeno estén de moda en la nación. Y como prueba de que Emotors ofrece una tecnología seria que realmente podría revolucionar la forma en que usamos la gasolina en un futuro cercano, un tipo llamado Bill Gates ya invirtió en la empresa. Sí, ese Bill Gates, y nadie puede decir que el cofundador de Microsoft no

Pero, ¿qué es exactamente un motor OPOC y en qué se diferencia de los motores de combustión interna que todos amamos y odiamos? Para responder a esa pregunta, primero le daremos un curso de actualización sobre motores de automóviles estándar y luego le mostraremos cómo los OPOC hacen más o menos lo mismo pero un poco diferente, y un poco mejor.

Lo más probable es que el motor de su automóvil tenga cuatro o seis cilindros. (Si tiene más de seis cilindros, entonces está conduciendo un verdadero muscle car y probablemente todavía no esté comprando algo que haga que el motor de combustión interna quede obsoleto). Un cilindro de motor es exactamente lo que parece: un Agujero cilíndrico en el motor en el que se puede colocar un tubo móvil, llamado pistón. Y es ese pistón, cuando se combina con gasolina , aire y una bujía que proporciona la fuerza motriz que hace que su automóvil vaya a toda velocidad por el camino. Esa es la versión rápida y sucia de la historia, de todos modos.

Los cilindros del motor de combustión interna de un automóvil están tapados para que los gases retenidos en el área entre la parte superior del pistón y la parte superior del cilindro no puedan escapar. Sin embargo, también hay dos válvulas en o cerca de la parte superior de cada cilindro que se pueden abrir y cerrar mecánicamente. Estos están diseñados, respectivamente, para permitir que entre aire y gasolina en el cilindro (la válvula de admisión) y para liberar el escape del cilindro (la válvula de escape) después de que se complete el proceso de combustión del motor. Estas válvulas se abren y cierran de manera cuidadosamente sincronizada con el movimiento del pistón para que el escape se libere antes de que entre un nuevo suministro de aire fresco.

Es el movimiento del pistón lo que impulsa el automóvil. Los pistones se deslizan perfectamente hacia arriba y hacia abajo en el cilindro porque para eso están diseñados. La mayoría de los automóviles utilizan un motor de cuatro tiempos (o ciclo Otto), en el que hay cuatro etapas en el movimiento del pistón. En la primera, llamada carrera de admisión, la válvula de admisión se abre y el pistón se mueve hacia abajo. El vacío creado por el pistón que se mueve hacia abajo succiona aire junto con una pequeña cantidad de gasolina hacia la parte superior del cilindro. Una vez que la mezcla ha llenado el espacio disponible dejado por el pistón descendente, la válvula de admisión se cierra y el pistón se eleva nuevamente en la carrera de compresión, comprimiendo la mezcla de aire y combustible en una masa apretada llena de tanta energía potencial que califica como explosivo. . (Afortunadamente, hay muy poca gasolina en la mezcla, así que no estamos hablandoexplosivo con calidad de arma termonuclear, pero algo más parecido a una bomba de cereza). Luego viene la parte del proceso que realmente le da al motor su impulso: la carrera de combustión, donde la bujía parpadea y enciende esa energía potencial como un petardo en una lata . , empujando el pistón hacia abajo de nuevo. Finalmente, en la carrera de escape, la válvula de escape se abre y el pistón se eleva hacia la parte superior del cilindro, expulsando los residuos gaseosos e inútiles de la explosión de materiales combustibles. Tan pronto como se cierra la válvula de escape, el proceso comienza de nuevo.

Mientras el pistón sube y baja, hace girar el cigüeñal, una barra giratoria larga que convierte el movimiento hacia arriba y hacia abajo de los pistones en un movimiento circular que hace girar los engranajes y las ruedas del automóvil. En la mayoría de los arreglos de motores estándar (hay bastantes), los cilindros vienen en pares, de modo que el movimiento hacia abajo de un pistón durante una carrera crea la carrera hacia arriba del otro, un ciclo que teóricamente podría continuar para siempre... o al menos. menos hasta que se acabe la gasolina. Esto no es exactamente un movimiento perpetuo, pero si lo piensas, podrías preguntarte cómo comenzó el movimiento de los pistones en primer lugar. La respuesta es que el ciclo de cuatro tiempos por lo general comienza con una breve ráfaga de energía de rotación al cigüeñal desde un motor de arranque eléctrico, pero los primeros autos se pusieron en marcha porque algún afortunado conductor tuvo que girar una manivela manual para girar, sí, el cigüeñal. (Ahora sabes por qué lo llaman así.) ¿No te alegras de no estar conduciendo coches en ese entonces?

Este ciclo de cuatro tiempos se inventó en el siglo XIX; de hecho, las variaciones se remontan a la máquina de vapor, y hay muchas variaciones. Veamos si podemos encontrar uno que use la mitad de cilindros pero obtenga la misma potencia.

En los motores de combustión internahemos hablado hasta ahora, los pistones funcionan en paralelo, con cada cilindro alineado con el siguiente y un pistón separado en cada uno. Pero, ¿y si pudiéramos colocar dos pistones en un cilindro y coordinar sus acciones para que se enfrentaran entre sí, de ahí el término "cilindro opuesto", pero no chocaran? Cada uno de estos cilindros solo ocuparía la mitad de la longitud del cilindro, por lo que solo tendría que moverse la mitad de la distancia de un cilindro en un motor estándar, ahorrando así combustible y aún así proporcionando el mismo efecto de rotación en el cigüeñal. Y el cigüeñal podría pasar por el centro del cilindro, perpendicular al eje longitudinal del cilindro, de modo que ambos pistones pudieran girar el cigüeñal mientras se movían en direcciones opuestas. Y podrían juntar sus desechos de escape en el centro del cilindro,

¿No sería genial? ¡Apuesto a que lo haría!

Esto se llama motor de pistón opuesto, cilindro opuesto (OPOC). En el motor OPOC diseñado por Ecomotors para la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (o DARPA, y sí, esto significa que es probable que las primeras aplicaciones sean militares), los dos pistones en el cilindro único están efectivamente entrelazados, cada uno dividido en dos partes. y moviéndose uno dentro del otro en direcciones opuestas creando la carrera de compresión, de modo que los extremos opuestos de una parte de cada pistón se cierren y compriman la mezcla de combustible y aire entre ellos mientras los extremos opuestos del otro se separan para admitir aire en el espacio para crear la carrera de admisión. Dado que estos dos tiempos son simultáneos, toda la acción de los pistones toma solo dos movimientos hacia adelante y hacia atrás, lo que lo convierte en un motor de dos tiempos.en lugar del motor de cuatro tiempos más convencional. Y debido a que estos dos pistones en un cilindro realizan el trabajo de los dos pistones en dos cilindros ordinarios, solo realizan el trabajo que normalmente se realiza en un cilindro, pero aplican el movimiento de dos cilindros al cigüeñal. Esto le da al motor OPOC una alta densidad de potencia, es decir, una alta relación entre la potencia y la masa del propio motor.

Y aquí hay algo que realmente hace que el motor OPOC de Emotor se destaque entre la multitud: es modular. Puede usar uno, dos o incluso tres de ellos unidos con una disposición de engranajes que es escalable, desde un motor de un cilindro (que en términos normales de motor es realmente un motor de dos cilindros) hasta uno de tres cilindros (equivalente a un motor de seis tiempos). motor) y más allá. Simplemente siga conectando los cilindros para hacer que su motor sea más grande y más potente. Y un motor OPOC es mecánicamente mucho más simple que un motor de combustión interna estándar. En la disposición estándar, se requiere una serie de conexiones complejas y sincronizadas con precisión para asegurarse de que las válvulas de admisión y escape estén abiertas cuando sea necesario. Eso significa que el motor tiene una cantidad increíblemente pequeña de piezas móviles. Por ejemplo, en un cilindro de combustión interna convencional, es necesario un mecanismo complicado para sincronizar la válvula de admisión y la válvula de escape de modo que estén abiertas solo cuando sea necesario y nunca estén abiertas simultáneamente. Pero en el motor OPOC, estas "válvulas" son simplemente agujeros en el costado del cilindro, que se tapan y se descubren por el deslizamiento de los pistones, eliminando así la necesidad de un mecanismo complicado para abrirlos y cerrarlos. Ecomotors estima que la cantidad de piezas móviles en su motor se ha reducido de 385 a 62, lo que significa que hay muchísimas menos piezas que necesitan servicio y pueden estropearse. los cuales son tapados y descubiertos por el deslizamiento de los propios pistones, eliminando así la necesidad de un complicado mecanismo para hacerlos abrir y cerrar. Ecomotors estima que la cantidad de piezas móviles en su motor se ha reducido de 385 a 62, lo que significa que hay muchísimas menos piezas que necesitan servicio y pueden estropearse. los cuales son tapados y descubiertos por el deslizamiento de los propios pistones, eliminando así la necesidad de un complicado mecanismo para hacerlos abrir y cerrar. Ecomotors estima que la cantidad de piezas móviles en su motor se ha reducido de 385 a 62, lo que significa que hay muchísimas menos piezas que necesitan servicio y pueden estropearse.

El resultado es que los motores OPOC son más simples y, por lo tanto, es menos probable que se averíen. También son más eficientes, pierden menos energía mientras funcionan y, debido a que hacen el trabajo de dos pistones con solo uno, pueden producir mucha más potencia que un motor de combustión interna estándar por solo una parte del gas. ¿Es este el motor del futuro? Probablemente. Al menos hasta que aparezca la pila de combustible nuclear.

Nota del autor: Cómo funcionan los motores de cilindros opuestos y pistones opuestos (OPOC)

No soy uno de esos tipos que crecieron con la cabeza bajo el capó de un automóvil, desarmando el motor y volviéndolo a armar solo para ver si podía hacerlo. Lo más probable es que me encuentre frente al teclado de una computadora, programando en lenguajes como BASIC y C, o escribiendo libros sobre por qué la energía de fusión controlada es la fuente de energía del futuro. (Todavía estoy esperando ese). Pero cuando comencé a escribir sobre autos, era natural que me inclinara por escribir sobre tecnologías automotrices que estaban a la vanguardia, formas de impulsar y usar autos que eran tan avanzados. , uno pensaría que podrían haber salido directamente de una película como Blade Runner o Minority Report. No sé ustedes, pero tengo esta sensación de hormigueo arriba y abajo de mi columna cuando me entero de algo nuevo,

Es posible que los motores de cilindros opuestos a pistones opuestos (OPOC) no suenen tan innovadores como, por ejemplo, los autos voladores o los DeLorean de 1981 con capacitores de flujo para ayudarlos a viajar en el tiempo, pero cuando terminé de investigar este artículo me di cuenta de que eran cada bit tan emocionante (Está bien, tal vez no tan emocionante como el condensador de flujo). Los motores OPOC son el producto de una gran cantidad de ideas ingeniosas de ingenieros brillantes que no estaban dispuestos a aceptar que la forma en que los motores de combustión interna se han hecho siempre es la única manera. que se pueden hacer. Sí, los OPOC existen desde hace mucho tiempo (los primeros prototipos del motor OPOC se remontan al siglo XIX), pero los ingenieros automotrices, con un poco de ayuda del ala de investigación militar de vanguardia DARPA (Proyecto de Investigación Avanzada de Defensa) Agencia),

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