Двигуни внутрішнього згоряння – це брудна справа. Вони отруюють повітря забруднювачами, виснажують планету невідновлюваними ресурсами та утримують економіку США залежно від країн, з якими нам краще не зв’язуватися. Це потворна залежність.
І все-таки.
Вони нікуди не зникнуть. Принаймні не найближчим часом.
Ви чули обіцянки. Електричні двигуни, гібридні силові установки, водневі паливні елементи, навіть автомобілі, що працюють на стиснутому повітрі. Технологічний сектор обожнює наративи про рятівників. Але жодна з цих альтернатив поки не готова замінити ДВС. Електрокари – це найближче життєздатне майбутнє, звичайно. Але вони заряджаються годинами, мають обмежений запас ходу, і ви не можете просто з’їхати з траси і заправитися за п’ять хвилин. Ви дійсно хочете опинитися в глушині з розрядженою літій-іонною батареєю і без жодної людини в радіусі п’ятдесяти миль, яка б знала, як завести машину з штовхача?
Гібриди, такі як Toyota Prius, є життєздатними. Вони популярні. Але в них досі є двигун внутрішнього згоряння. Вони не вирішують проблеми; вони лише відкладають неминучий розрахунок.
Водневі паливні елементи? Вони приголомшливі у концепції. Вони стануть мейнстримом через двадцять чи тридцять років. На той час ви, ймовірно, вибиратимете собі штучні зуби. Автомобілі на стиснутому повітрі? Спробуйте заправити такий велосипедний насос, перш ніж ми назвемо його готовим до серійного виробництва.
Ці технології є важливими. Аналітичні центри та виробники наполегливо працюють над НДДКР. Від них залежатиме дорога на роботу ваших онуків. Колись одна з них позбавить нас залежності від викопного палива.
Але ми не можемо чекати на тридцять років. Нам потрібно щось, що працює зараз. Щось практичне на найближчі кілька років.
Нам потрібний найкращий двигун внутрішнього згоряння.
Гарна новина? Вони вже в дорозі. Легше. Більше економічні. Менш забруднюючі. Якщо ми поки не можемо відправити ДВС на спокій, ми хоча б можемо змусити його поводитися пристойно, поки він скаче громадськими вулицями.
Зустрічайте: двигун OPOC.
Якщо цей акронім вам не знайомий, промовте його вголос. Opposed-Piston Opposed-Cylinder (Двигун з opposed-поршнями та opposed-циліндрами). Це складно вимовляти. Просто називайте його OPOC. Компанія Ecomotor, яка справді створює такі двигуни для споживчих автомобілів, сприймає цю концепцію всерйоз. Вони мають на меті готовність до виходу на ринок задовго до того, як водень стане новим трендом.
Хто підтримує цей проект? Білл Гейтс. Так, цей Білл Гейтс. Якщо хтось і розуміє передові практичні технології, то це співзасновник Microsoft. Його інвестиції сигналізують, що це не просто хобі для гаража. Це серйозний претендент на революцію у тому, як ми використовуємо бензин.
То що таке OPOC? Чим він відрізняється від V6 чи рядної четвірки, які гримлять під вашим капотом? Щоб зрозуміти інновацію, потрібно зрозуміти стандарт.
Як працюють стандартні автомобільні двигуни і в чому різниця з OPOC
Більшість автомобілів працюють на чотирьох чи шести циліндрах. Якщо у вас більше шести, ви водите маслкар, і ви, ймовірно, не тут, щоб обговорювати економіку палива.
Циліндр – це саме те, що звучить: циліндричний отвір у блоці двигуна. Усередині знаходиться поршень – рухлива трубка. З’єднайте цей поршень з бензином, повітрям та іскрою, і ви отримаєте вибухову рушійну силу. Це коротка версія.
У традиційному двигуні кожен циліндр закритий зверху. Гази, замкнені між верхньою частиною поршня та головкою блоку циліндрів, повинні залишатися у замкненому просторі під час згоряння. Для управління потоком повітря та вихлопних газів виробники використовують два клапани у верхній частині кожного циліндра. Один – впускний клапан, що пропускає повітря та паливо. Інший – випускний клапан, що випускає гази, що відпрацювали після згоряння.
Ці клапани відкриваються та закриваються у точній механічній синхронізації з рухом поршня. Вихлоп назовні. Свіже повітря всередину. Таймінг – це все.
OPOC змінює цю динаміку. Він не просто підкручує клапани; він переосмислює сам циліндр.
Чому два поршні краще одного
Чотирьохтактний цикл — це вже не новина. Інженери ХІХ століття розібралися в ньому, активно запозичуючи логіку парових двигунів. Він працює. Він надійний. Але він також тяжкий. І громіздкий. А якщо ви женетеся за співвідношенням потужності до ваги, то тягати з собою вісім чи дванадцять циліндрів лише для того, щоб перетворити лінійний рух на круговий, схожий на податок за фізику.
То що, якщо скоротити кількість циліндрів удвічі?
Чи не за рахунок збільшення їх розміру. А за рахунок того, щоб змусити їх взаємодіяти.
Зустрічайте двигун із opposed-piston (протилежно-розташованими поршнями).
Забудьте про традиційну схему, де поршень штовхає головку блоку циліндрів. У цьому компонуванні немає головки. Нема клапанів. Немає свічок запалювання, вмонтованих у стелю камери згоряння. Просто довга труба з двома поршнями, які стикаються одна з одною з протилежних кінців. Вони рухаються одночасно. Коли вони зустрічаються посередині, вони стискають паливоповітряну суміш. Коли вони розходяться, вони створюють вакуум для впуску.
Звучить просто. Але це негаразд.
Як насправді працює цикл з opposed-piston
Розберемо рух кроками. У вас є Циліндр A та Циліндр B, але насправді це один безперервний отвір. Поршень 1 входить зліва. Поршень 2 входить праворуч.
У міру того, як вони наближаються один до одного, вони закривають впускні вікна. Паливоповітряна суміш виявляється у пастці. Стиснута. Тиск різко зростає. Це фаза стиснення, така сама, як у рядному чотирициліндровому двигуні вашого Honda Civic. Але потім, замість спрацювала свічка запалювання, паливо впорскується безпосередньо в гаряче стиснене повітря.
Самоігнання (самоігніція).
Іскра не потрібна. Вогонь розпалюється лише теплотою стиску. Технічно це варіант дизельного циклу, навіть якщо ви використовуєте бензин. Вибух одночасно штовхає обидва поршні назовні. Вони відчиняють випускні вікна. Гази, що вигоріли, йдуть. Цикл скидається.
Відсутність головки блоку означає відсутність прокладки ГБЦ, яка може вийти з експлуатації. Нема клапанів, які можуть зламатися. Менше частин, що рухаються, які можуть зношуватися.
Геометрія тверда. Поршні повинні залишатися ідеально синхронізованими. Якщо один відстає на міліметр, вони не просто пропустять пік стиснення. Вони можуть зіткнутися. Метал про метал. При тисячах обертів за хвилину. Це не ремонт. Це шлях на звалище.
З’єднання з колінчастим валом: це не те, що ви думаєте
Ось поворот, який руйнує більшість конструкцій двигунів. У стандартному двигуні V6 або чотирициліндровому двигуні поршні з’єднані з одним колінчастим валом. Справжній опозитно-поршневий двигун має два колінчастих вали.
Один приводить в рух лівий поршень. Другий правий.
Вони з’єднані зубчастими передачами або ланцюгами, що гарантує, що коли поршень 1 опускається, поршень 2 піднімається. Обертання природним чином компенсує вібрацію. Противаги не потрібні. Двигун має збалансований характер.
Ця конструкція була популярна в авіаційних двигунах під час Другої світової війни. Junkers Jumo 205 приводив у рух усе: від бомбардувальників до підводних човнів. чому Тому що він був компактним. Він мав низький профіль, що дозволяло легко поміститися в тісні фюзеляжі. І це було довговічно. Коли ви знімаєте головку блоку циліндрів, ви усуваєте найбільше джерело накопичення тепла та несправності двигуна внутрішнього згоряння.
Але йому також бракує гнучкості.
Чому ми його покинули (і чому ми повертаємося)
Опозитно-поршневі двигуни мають фатальну ваду на споживчому ринку: викиди та гнучкість палива.
Оскільки впускний і випускний канали відкриваються і закриваються самими поршнями, очищення камери згоряння ускладнюється. Ви не можете самостійно контролювати фази газорозподілу. Ви не можете легко змінювати перекриття клапанів. Це означає, що налаштування чистих викидів – це кошмар. Сучасні правила вимагають точного контролю надходження та виходу газів із камери. Керування вікнами не забезпечує такої точності.
Тому ми перейшли на розподільні вали. Ми прийняли складність клапанів, головок і приводних пасів відповідно до нормативів.
Але галузь змінюється.
Сучасні виробничі допуски значно покращилися. Системи впорскування, керовані комп’ютером, можуть контролювати процес самозаймання з мікронною точністю. А попит на компактні, високопродуктивні силові агрегати для гібридних систем і зарядних пристроїв для електромобілів повертає із забуття опозитно-поршневу конструкцію.
Сьогодні такі двигуни виробляють такі компанії, як Velozity Motors. Вони призначені для гібридних автомобілів, де двигуну не потрібно обертатися на високих обертах, а потрібно створювати максимальний крутний момент при мінімальному розмірі.
Чи готовий він до щоденного водіння? Можливо ще ні. Витрата масла може бути високою. Нафтові шляхи
Механіка конструкції OPOC від Ecomotors
Стандартні двигуни спираються на поршні, що рухаються паралельно. Один циліндр, один поршень, все в ряд. Двигуни з протилежними поршнями (з протилежними поршнями) змінюють цю конструкцію. Вони розміщують два поршні в одному циліндрі. Вони спрямовані один на одного. Вони не стикаються. У цьому вся суть.
Компанія Ecomotors створила цей конкретний дизайн для DARPA. Спочатку для військового застосування. Це має сенс з огляду на суворі вимоги. Геометрія незвичайна. Колінчастий вал проходить через центр циліндра. Перпендикулярно отвору циліндра. Обидва поршні обертають один і той самий колінчастий вал, рухаючись у протилежних напрямках.
Подумайте про довжину штриха. Кожен поршень проходить лише половину шляху, який проходить поршень стандартного чотиритактного двигуна. Менша відстань означає менше тертя. Менше тертя означає кращу економію палива. А як щодо вихлопу? Він збирається в центрі. Немає необхідності закривати кінці циліндра, щоб запобігти витоку газів, перш ніж вони будуть готові до виходу.
Звучить як сон. Це двотактний двигун. Але не той брудний двотактний двигун минулих років, який пожирає масло. Це чистий, ефективний агрегат для спалювання палива.
Чому двигун OPOC від Ecomotors має високу питому потужність
Магія в плетінні. Кожен поршень фактично розділений на дві частини. Вони рухаються один в одному. У протилежних напрямках.
Ось як працює цикл. Один кінець поршнів закривається. Це створює компресію. Суміш палива і повітря стискається. Точно в ту ж мить інші кінці поршнів розсуваються. Це створює вакуум. Повітря всмоктується. Всмоктування і стиснення відбуваються одночасно.
Два бари. Вхідний отвір. Компресія. запалювання. Вихлоп. Готовий.
Звичайним двигунам для виконання тієї ж роботи потрібні чотири такти. OPOC робить це за два. Оскільки два поршні в одному циліндрі виконують роботу двох окремих циліндрів у звичайному двигуні, вони передають подвійний рух колінчастому валу за того самого об’єму.
Це відповідає високій питомій потужності. Більше потужності на фунт ваги двигуна. Для військової техніки чи безпілотників вага має вирішальне значення. Ця конструкція виконує роботу.
Як модульна конструкція зменшує кількість рухомих частин
Простота тут є головною рисою. Стандартні двигуни внутрішнього згоряння – механічний кошмар. У вас є розподільні вали. Роликові штовхачі. Штовхачі клапанів. Клапани. Складний, точно витриманий танець, щоб утримувати впускний і випускний клапани відкритими лише за потреби. Ніколи одночасно. Завжди в правильну мілісекунду.
Ecomotors усунув усе це.
Без клапанів.
«Клапани» — це просто вікна збоку циліндра. Поршні ковзають по них. Закриваючи їх. Відкриваючи їх. все. Розподільних валів немає. Без зубчастих ременів. Відсутність складних систем приводу.
Кількість деталей зменшено з 385 до 62.
Це величезне скорочення. Менше деталей означає менше речей, які можна зламати. Менше речей для обслуговування. Механічно двигун простіший. Так надійніше.
І він модульний. Їх можна зберігати. Одноциліндровий OPOC технічно є двоциліндровим двигуном з точки зору потужності. Додайте ще один. Тепер у вас є еквівалент чотирициліндрового двигуна. Додайте третю. Потужність шестициліндрового двигуна. Просто продовжуйте підключати циліндри.
Це двигун майбутнього? Ймовірно. Поки ядерні паливні елементи не стануть життєздатними для споживчого використання. Підвищення ефективності надто велике, щоб його ігнорувати. Простота незаперечна.
