Comment fonctionnent les moteurs à pistons opposés et cylindres opposés (OPOC)

Les moteurs à combustion interne polluent l'air. Les moteurs à combustion interne privent la planète de ressources précieuses et non renouvelables. Les moteurs à combustion interne nécessitent des combustibles fossiles qui lient économiquement les États-Unis à des pays avec lesquels nous préférerions ne pas faire affaire.

Et les moteurs à combustion interne ne vont pas disparaître de si tôt.

Oh, bien sûr, vous avez entendu parler de toutes les nouvelles technologies qui devraient remplacer le moteur à combustion interne d'un jour à l'autre, des technologies comme les moteurs électriques , les groupes motopropulseurs hybrides , les piles à combustible à hydrogène et même les voitures qui fonctionnent à l'air comprimé, mais aucune de ces technologies est déjà prête à sauver l'industrie automobile du moteur à combustion interne. Les moteurs électriques sont probablement notre meilleur pari pour l'avenir immédiat et il y a même certaines voitures sur le marché qui les utilisent comme source d'alimentation, mais ils prennent du temps à se recharger, ont une autonomie limitée et ils ne peuvent pas simplement être alimentés en carburant. en cinq minutes à la station-service locale. De plus, voulez-vous vraiment rester coincé au milieu d'East Nowhere, en Amérique centrale, avec un mortréseau de batteries lithium-ion et personne autour qui a la moindre idée de comment le recharger ? Les groupes motopropulseurs hybrides sont déjà tout à fait réalisables, comme le démontre l'énorme succès de la Toyota Prius, mais ils contiennent toujours des moteurs à combustion interne, donc ils ne résolvent pas vraiment le problème. Ils ne font que repousser le jour où nous devrons enfin nous débarrasser de cette technologie désuète. Les voitures à pile à combustible à hydrogène seront vraiment étonnantes lorsqu'elles seront disponibles dans des véhicules pouvant être achetés et conduits par le consommateur moyen. Cela devrait être, oh, environ 20 à 30 ans à partir de maintenant, à peu près au moment où vous investirez dans votre première série de fausses dents. Et les voitures à air comprimé ? Personne ne sait vraiment quand ceux-ci seront prêts à prendre la route, mais il faudra probablement encore un bon moment avant de pouvoir faire le plein de votre voiture à l'aide d'une pompe à vélo.

Ces technologies sont importantes. Les groupes de réflexion et les constructeurs automobiles les étudient en ce moment. Le moyen de transport utilisé par les enfants de vos enfants dépendra d'eux. Un jour, une ou toutes ces technologies libéreront le monde de sa dépendance incontrôlable aux combustibles fossiles. Mais en attendant, ce dont nous avons vraiment besoin, c'est de quelque chose qui peut être prêt pour une utilisation pratique dans les prochaines années : un meilleur moteur à combustion interne.

Voici la bonne nouvelle : de meilleurs moteurs à combustion interne sont en route. Et quand nous disons mieux, nous entendons plus léger, plus économe en carburant et moins polluant. Si on ne peut pas encore tout à fait mettre les moteurs à combustion en pâture, on peut au moins les faire se comporter un peu plus poliment pendant qu'ils galopent encore sur la voie publique.

L'un des nouveaux types de moteurs à combustion interne les plus excitants est le moteur à cylindres opposés à pistons opposés, et si vous ne vous souvenez pas de toutes ces syllabes qui vous tordent la langue, vous pouvez simplement l'appeler un moteur OPOC. (Ne vous sentez pas mal. Tout le monde l'appelle aussi.) Les moteurs OPOC ne sont pas vraiment nouveaux - l'idée existe depuis un moment - mais une société appelée Ecomotor commence enfin à construire des OPOC qui seront prêts pour les véhicules grand public bien avant que les piles à combustible à hydrogène ne fassent fureur dans le pays. Et comme preuve qu'Ecomotors propose une technologie sérieuse qui pourrait vraiment révolutionner la façon dont nous utilisons l'essence dans un avenir proche, un certain Bill Gates a déjà investi dans l'entreprise. Oui, ce Bill Gates, et personne ne peut dire que le co-fondateur de Microsoft ne

Mais qu'est-ce qu'un moteur OPOC exactement et en quoi diffère-t-il des moteurs à combustion interne que nous aimons et détestons tous ? Pour répondre à cette question, nous vous donnerons d'abord un cours de recyclage sur les moteurs de voiture standard, puis nous vous montrerons comment les OPOC font à peu près la même chose mais juste un peu différemment - et un peu mieux.

Il y a de fortes chances que le moteur de votre voiture ait quatre ou six cylindres. (Si vous avez plus de six cylindres, vous conduisez une vraie muscle car et vous n'êtes probablement pas encore en train de magasiner pour quelque chose qui rendra le moteur à combustion interne obsolète.) Un cylindre de moteur est exactement ce à quoi il ressemble - un trou cylindrique dans le moteur dans lequel vous pouvez placer un tube mobile, appelé piston. Et c'est ce piston, lorsqu'il est combiné avec de l' essence , de l'air et une bougie d'allumage, qui fournit la puissance motrice qui permet à votre voiture de foncer sur la route. C'est la version rapide et sale de l'histoire, de toute façon.

Les cylindres du moteur à combustion interne d'une automobile sont bouchés de sorte que les gaz retenus dans la zone située entre le haut du piston et le haut du cylindre ne puissent pas s'échapper. Cependant, il y a aussi deux soupapes au sommet ou près du sommet de chaque cylindre qui peuvent être ouvertes et fermées mécaniquement. Ceux-ci sont conçus, respectivement, pour permettre à l'air et à l'essence d'entrer dans le cylindre (la soupape d'admission) et pour libérer les gaz d'échappement du cylindre (la soupape d'échappement) une fois le processus de combustion du moteur terminé. Ces vannes s'ouvrent et se ferment d'une manière soigneusement synchronisée avec le mouvement du piston afin que l'échappement soit libéré avant qu'un nouvel apport d'air frais n'entre.

C'est le mouvement du piston qui entraîne la voiture. Les pistons glissent parfaitement de haut en bas dans le cylindre parce que c'est ce pour quoi ils sont conçus. La plupart des voitures utilisent un moteur à quatre temps (ou cycle Otto), dans lequel le mouvement du piston comporte quatre étapes. Dans la première, appelée course d'admission, la soupape d'admission s'ouvre et le piston se déplace vers le bas. Le vide créé par le piston se déplaçant vers le bas aspire de l'air avec une petite quantité d'essence dans la partie supérieure du cylindre. Une fois que le mélange a rempli l'espace disponible laissé par le piston descendant, la soupape d'admission se ferme et le piston remonte dans la course de compression, comprimant le mélange air-carburant en une masse serrée contenant tellement d'énergie potentielle qu'elle est qualifiée d'explosif. . (Heureusement, il y a très peu d'essence dans le mélange, donc nous ne parlons pasexplosif de qualité thermonucléaire, mais quelque chose qui ressemble plus à une bombe cerise.) Vient ensuite la partie du processus qui donne vraiment son coup de fouet au moteur : la course de combustion, où la bougie d'allumage clignote et enflamme cette énergie potentielle comme un pétard dans une boîte de conserve . , repoussant le piston vers le bas. Enfin, dans la course d'échappement, la soupape d'échappement s'ouvre et le piston remonte vers le haut du cylindre, repoussant le résidu gazeux inutile de l'explosion de matériaux combustibles. Dès que la soupape d'échappement se ferme, le processus recommence.

Pendant que le piston monte et descend, il fait tourner le vilebrequin, une longue tige rotative qui convertit le mouvement de haut en bas des pistons en un mouvement circulaire qui fait tourner les engrenages et les roues de la voiture. Dans la plupart des arrangements de moteur standard (il y en a pas mal), les cylindres viennent par paires, de sorte que le mouvement vers le bas d'un piston pendant une course crée la course ascendante de l'autre, un cycle qui pourrait théoriquement durer indéfiniment ... ou à moins jusqu'à ce que l'essence soit épuisée. Ce n'est pas exactement un mouvement perpétuel, mais si vous y réfléchissez, vous pourriez vous demander comment le mouvement des pistons a commencé en premier lieu. La réponse est que le cycle à quatre temps commence généralement par une courte rafale d'énergie de rotation vers le vilebrequin à partir d'un démarreur électrique, mais les premières voitures se sont mises en marche parce qu'un conducteur chanceux a dû tourner une manivelle manuelle pour faire tourner, oui, le vilebrequin. (Maintenant vous savez pourquoi ils l'appellent ainsi.) N'êtes-vous pas content de ne pas conduire de voitures à l'époque ?

Ce cycle à quatre temps a été inventé au 19ème siècle - en fait, ses variations remontent à la machine à vapeur - et il existe de nombreuses variations. Voyons si nous pouvons en trouver un qui utilise moitié moins de cylindres tout en obtenant autant de puissance.

Dans les moteurs à combustion interne we've talked around so far, the pistons operate in parallel, with each cylinder aligned to the next and a separate piston in each one. But what if we could stick two pistons in one cylinder and coordinate their actions so that they face one another -- hence the term "opposed cylinder" -- but do not collide? Each of these cylinders would only take up half the length of the cylinder, so that it would only have to move half the distance of a cylinder in a standard engine, thus saving fuel yet still providing the same rotating effect on the crankshaft. And the crankshaft could pass through the center of the cylinder, perpendicular to the cylinder's long axis, so that both pistons could rotate the crankshaft as they moved in opposite directions. And they could pool their exhaust wastes in the center of the cylinder, so that the ends of the cylinder wouldn't have to be capped off to keep the noxious exhaust fumes from escaping before they needed to.

Wouldn't that be cool? You bet it would!

This is called an opposed piston, opposed cylinder (OPOC) engine. In the OPOC engine devised by Ecomotors for the Defense Advanced Research Projects Agency (or DARPA, and yes this means that early applications are likely to be military), the two pistons in the single cylinder are effectively interlaced, with each one divided into two parts and moving inside one another in opposite directions creating the compression stroke, so that the opposing ends of one part of each piston are closing together and compressing the fuel air mixture between them while the opposing ends of the other are moving apart to admit air in the gap to create the intake stroke. Since these two strokes are simultaneous, the whole action of the pistons takes only two back and forth motions, thus making this a two-stroke engine instead of the more conventional four-stroke engine. And because these two pistons in one cylinder perform the work of the two pistons in two ordinary cylinders, they do only the work that normally goes on in one cylinder but apply two cylinders worth of motion to the crankshaft. This gives the OPOC engine a high power density -- that is, a high ratio of power to the mass of the engine itself.

And here's something that really makes Ecomotor's OPOC engine stand out from the crowd: It's modular. You can use one, two or even three of them joined together with a gear arrangement that's scalable, from a one-cylinder engine (which in normal engine terms is really a two cylinder engine) up to a three cylinder (equivalent to a six stroke engine) and beyond. Just keep hooking the cylinders together to make your engine bigger and more powerful. And an OPOC engine is mechanically much simpler than a standard internal combustion engine. In the standard arrangement, a complex and precisely timed series of linkages is required to make sure the intake and exhaust valves are open when needed. That means the engine has an incredibly small number of moving parts. For instance, in a conventional internal combustion cylinder, a complicated mechanism is necessary to time the intake valve and exhaust valve so that they are open only when needed and are never open simultaneously. But in the OPOC engine, these "valves" are simply holes in the side of the cylinder, which are covered and uncovered by the sliding of the pistons themselves, thus removing the need for a complicated mechanism to make them open and shut. Ecomotors estimates that the number of moving parts in its engine has been reduced from 385 to 62, meaning that there is one heck of a lot fewer parts that need servicing and can go bad.

The upshot is that OPOC engines are simpler and thus less likely to break down. They're also more efficient, lose less energy while operating, and -- because they do the work of two pistons with only one -- can produce much more power than a standard internal combustion engine for only a portion of the gas. Is this the engine of the future? Probably. At least until that nuclear fuel cell comes along.

Author's Note: How Opposed Piston Opposed Cylinder (OPOC) Engines Work

I'm not one of those guys who grew up with my head under the hood of a car taking the engine apart and putting it back together again just to see if I could do it. More likely you'd find me at the keyboard of a computer, programming in languages like BASIC and C, or writing books about why controlled fusion power was the energy source of the future. (I'm still waiting on that one.) But when I started writing about cars, it was only natural for me to gravitate toward writing about automotive technologies that were out on the bleeding edges, ways of powering and using cars that were so advanced, you'd think they might have driven straight out of a movie like Blade Runner or Minority Report. I don't know about you, but I get this tingly feeling up and down my spine when I learn about something that's new, exciting and does things in a way that people (in this case auto engineers) have never done them before.

Opposed piston-opposed cylinder (OPOC) engines may not sound as bleeding edge as, say, flying cars or 1981 DeLoreans with flux capacitors to help them travel through time, but by the time I finished researching this article I realized that they were every bit as exciting. (Okay, maybe not quite as exciting as that flux capacitor thing.) OPOC engines are the product of a lot of ingenious thought by brilliant engineers who weren't willing to accept that the way internal combustion engines have always been done is the only way that they can be done. Yes, OPOCs have been around for a long time -- the early prototypes of the OPOC engine go back to the 19th century -- but automotive engineers, with a little help from the military's cutting-edge research wing DARPA (the Defense Advanced Research Project Agency), are finally getting their moment in the sun and nobody could be more excited than I am.

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