Silniki spalinowe to brudna sprawa. Zatruwają powietrze substancjami zanieczyszczającymi, uszczuplają planetę z nieodnawialnych zasobów i uzależniają gospodarkę USA od krajów, z którymi wolelibyśmy nie współpracować. To paskudne uzależnienie.
A jednak.
Nie znikną nigdzie. Przynajmniej nie w najbliższej przyszłości.
Słyszeliście obietnice. Silniki elektryczne, hybrydowe układy napędowe, wodorowe ogniwa paliwowe, a nawet pojazdy na sprężone powietrze. Sektor technologiczny uwielbia narracje o zbawicielach. Ale żadna z tych alternatyw nie jest jeszcze gotowa do zastąpienia silnika spalinowego. Samochody elektryczne to oczywiście niedaleka realna przyszłość. Ale ładowanie zajmuje wiele godzin, mają ograniczony zasięg i nie można po prostu zjechać z autostrady i zatankować w pięć minut. Czy naprawdę chcesz znaleźć się na odludziu z rozładowanym akumulatorem litowo-jonowym i w promieniu pięćdziesięciu mil nie ma ani jednej osoby, która potrafiłaby uruchomić samochód?
Hybrydy takie jak Toyota Prius są opłacalne. Są popularne. Ale nadal mają silnik spalinowy. Nie rozwiązują problemu; opóźniają jedynie nieuniknione rozliczenie.
Wodorowe ogniwa paliwowe? Są niesamowite w koncepcji. Staną się głównym nurtem za dwadzieścia, trzydzieści lat. Do tego czasu prawdopodobnie będziesz już kupować sztuczne zęby. Samochody zasilane sprężonym powietrzem? Spróbuj naładować taką pompkę rowerową, zanim uznamy ją za gotową do produkcji.
Te technologie są ważne. Zespoły doradców i producenci ciężko pracują nad badaniami i rozwojem. Od nich będzie zależeć droga do pracy dla wnuków. Pewnego dnia jedno z nich uwolni nas od naszej zależności od paliw kopalnych.
Ale nie możemy czekać trzydziestu lat. Potrzebujemy czegoś, co działa teraz. Coś praktycznego na najbliższe lata.
Potrzebujemy lepszego silnika spalinowego.
Dobra wiadomość? Są w drodze. Łatwiejsze. Bardziej ekonomiczne. Mniej zanieczyszczający. Jeśli nie możemy jeszcze wycofać ICE z eksploatacji, możemy przynajmniej sprawić, by zachowywał się przyzwoicie, gdy galopuje po ulicach publicznych.
Poznaj: Silnik OPOC.
Jeżeli nie znasz tego akronimu, powiedz go na głos. Przeciwny tłok Przeciwny cylinder (silnik z przeciwległymi tłokami i przeciwległymi cylindrami). Trudno to wymówić. Nazwij to po prostu OPOC. Ecomotor, który faktycznie produkuje te silniki do samochodów osobowych, poważnie podchodzi do tej koncepcji. Ich celem jest przygotowanie się do wejścia na rynek na długo przed tym, zanim wodór stanie się nowym trendem.
Kto wspiera ten projekt? Billa Gatesa. Tak, ten sam Bill Gates. Jeśli ktoś rozumie najnowocześniejszą, praktyczną technologię, to jest to współzałożyciel Microsoftu. Jego inwestycja sygnalizuje, że to coś więcej niż tylko garażowe hobby. Jest to poważny pretendent do zrewolucjonizowania sposobu, w jaki wykorzystujemy benzynę.
Czym więc jest OPOC? Czym różni się od silnika V6 lub czterocylindrowego silnika rzędowego grzmiącego pod maską? Aby zrozumieć innowację, trzeba zrozumieć standard.
Jak działają standardowe silniki samochodowe i jaka jest różnica w stosunku do OPOC
Większość samochodów napędzana jest czterema lub sześcioma cylindrami. Jeśli masz ich więcej niż sześć, jeździsz samochodem typu muscle car i prawdopodobnie nie jesteś tutaj, aby omawiać zużycie paliwa.
Cylinder to dokładnie to, na co wygląda: cylindryczny otwór w bloku silnika. Wewnątrz znajduje się tłok – ruchoma rurka. Połącz ten tłok z benzyną, powietrzem i iskrą, a otrzymasz wybuchową siłę napędową. To jest krótka wersja.
W tradycyjnym silniku każdy cylinder jest zamknięty od góry. Gazy uwięzione pomiędzy górną częścią tłoka a głowicą cylindra muszą pozostać zamknięte podczas spalania. Producenci stosują dwa zawory w górnej części każdego cylindra do kontrolowania przepływu powietrza i gazów spalinowych. Jednym z nich jest zawór wlotowy, który umożliwia przepływ powietrza i paliwa. Drugi to zawór wydechowy, który uwalnia spaliny po spaleniu.
Zawory te otwierają się i zamykają w precyzyjnej mechanicznej synchronizacji z ruchem tłoka. Wydech na zewnątrz. Świeże powietrze w środku. Czas jest wszystkim.
OPOC zmienia tę dynamikę. On nie tylko dokręca zawory; ponownie zastanawia się nad samym cylindrem.
Dlaczego dwa tłoki są lepsze niż jeden
Cykl czterosuwowy nie jest niczym nowym. Rozpracowali to dziewiętnastowieczni inżynierowie, czerpiąc wiele z logiki silników parowych. To działa. Jest niezawodny. Ale jest też ciężki. I nieporęczny. A jeśli zależy Ci na stosunku mocy do masy, noszenie około ośmiu lub dwunastu cylindrów tylko po to, aby zamienić ruch liniowy w ruch kołowy, wydaje się obciążeniem dla fizyki.
A co jeśli zmniejszysz liczbę cylindrów o połowę?
Nie poprzez zwiększenie ich rozmiaru. Ale poprzez skłonienie ich do interakcji ze sobą.
Poznaj silnik z tłokiem przeciwstawnym (tłoki umieszczone naprzeciwko siebie).
Zapomnij o tradycyjnej konstrukcji, w której tłok popycha głowicę cylindra. W tym układzie nie ma głowy. Brak zaworów. W „suficie” komory spalania nie montuje się świec zapłonowych. Po prostu długa rura z dwoma tłokami, które naciskają na siebie na przeciwległych końcach. Poruszają się synchronicznie. Kiedy spotykają się pośrodku, sprężają mieszankę paliwowo-powietrzną. Kiedy się od siebie oddalają, tworzą podciśnienie dla wlotu.
Brzmi prosto. Ale to nieprawda.
Jak faktycznie działa pętla z przeciwległym tłokiem
Przyjrzyjmy się ruchowi krok po kroku. Masz cylinder A i cylinder B, ale w rzeczywistości jest to jeden ciągły otwór. Tłok 1 wchodzi z lewej strony. Tłok 2 wchodzi z prawej strony.
W miarę zbliżania się do siebie zamykają okna wlotowe. Mieszanka paliwowo-powietrzna zostaje uwięziona. Sprężony. Ciśnienie gwałtownie wzrasta. Jest to faza sprężania, podobnie jak w przypadku czterocylindrowego silnika rzędowego w Twojej Hondzie Civic. Wtedy jednak zamiast odpalić świecę, paliwo wtryskiwane jest bezpośrednio do gorącego sprężonego powietrza.
Samozapłon (samozapłon).
Nie potrzeba iskry. Ogień zapala się wyłącznie pod wpływem ciepła sprężania. Technicznie rzecz biorąc, jest to odmiana cyklu diesla, nawet jeśli używasz benzyny. Eksplozja jednocześnie wypycha oba tłoki na zewnątrz. Otwierają okna wyciągowe. Spalone gazy ulatniają się. Cykl zostaje zresetowany.
Brak głowicy cylindrów oznacza brak uszczelki głowicy cylindrów, która może ulec uszkodzeniu. Nie ma zaworów, które można by złamać. Mniej ruchomych części ulegających zużyciu.
Geometria jest sztywna. Tłoki muszą pozostać idealnie zsynchronizowane. Jeśli jeden będzie milimetr różnicy, nie tylko przegapią szczyt kompresji. Mogą się zderzyć. Metal na metalu. Przy tysiącach obrotów na minutę. To nie jest remont. To jest droga na wysypisko.
Połączenie wału korbowego: to nie jest to, co myślisz
Oto zwrot, który psuje większość projektów silników. W standardowym silniku V6 lub czterocylindrowym, tłoki są połączone z jednym wałem korbowym. Silnik z prawdziwym tłokiem przeciwstawnym ma dwa wały korbowe.
Jeden napędza lewy tłok. Ten drugi ma rację.
Są one połączone zębatkami rozrządu lub łańcuchami, dzięki czemu gdy Tłok 1 opada, Tłok 2 podnosi się. Obrót w naturalny sposób kompensuje wibracje. Nie są potrzebne żadne przeciwwagi. Silnik ma charakter zrównoważony.
Konstrukcja ta była popularna w silnikach lotniczych podczas II wojny światowej. Junkers Jumo 205 napędzał wszystko, od bombowców po łodzie podwodne. Dlaczego? Ponieważ był kompaktowy. Miał niski profil, dzięki czemu łatwo zmieścił się w ciasnych kadłubach. I było trwałe. Zdejmując głowicę cylindrów, eliminujesz największe źródło gromadzenia się ciepła i awarii w silniku spalinowym.
Ale brakuje mu też elastyczności.
Dlaczego to porzuciliśmy (i dlaczego wracamy)
Silniki z tłokami przeciwstawnymi mają fatalną wadę na rynku konsumenckim: emisję spalin i elastyczność paliwową.
Ponieważ otwory wlotowe i wylotowe są otwierane i zamykane przez same tłoki, oczyszczanie komory spalania jest trudne. Nie można niezależnie sterować rozrządem zaworowym. Nie można łatwo zmieniać nakładania się zaworów. Oznacza to, że dostrajanie emisji netto to koszmar. Współczesne przepisy wymagają precyzyjnej kontroli tego, kiedy gazy wchodzą do komory i kiedy ją opuszczają. Zarządzanie oknami nie zapewnia takiej precyzji.
Przeszliśmy więc na wałki rozrządu. Przyjęliśmy złożoność zaworów, głowic i pasków napędowych, aby spełnić wymagania przepisów.
Ale branża się zmienia.
Współczesne tolerancje produkcyjne uległy znacznej poprawie. Sterowane komputerowo układy wtryskowe mogą kontrolować proces samozapłonu z mikronową precyzją. Zapotrzebowanie na kompaktowe, wysokowydajne układy napędowe do systemów hybrydowych i ładowarki do pojazdów elektrycznych przywraca z zapomnienia konstrukcję z przeciwstawnymi tłokami.
Firmy takie jak Velozity Motors produkują dziś takie silniki. Przeznaczone są do samochodów hybrydowych, gdzie silnik nie musi kręcić się z dużymi prędkościami, ale musi generować maksymalny moment obrotowy przy minimalnych rozmiarach.
Czy jest gotowy na codzienną jazdę? Być może jeszcze nie. Zużycie oleju może być wysokie. Ścieżki naftowe
Mechanika konstrukcji OPOC od Ecomotors
Standardowe silniki opierają się na tłokach poruszających się równolegle. Jeden cylinder, jeden tłok, wszystko w jednej linii. Silniki z przeciwległymi tłokami (z przeciwległymi tłokami) zmieniają tę konstrukcję. Umieszczają dwa tłoki w jednym cylindrze. Są skierowane ku sobie. Nie kolidują. O to właśnie chodzi.
Ecomotors stworzyło ten konkretny projekt dla DARPA. Najpierw do zastosowań wojskowych. Ma to sens, biorąc pod uwagę surowe wymagania. Geometria jest niezwykła. Wał korbowy przechodzi przez środek cylindra. Prostopadle do średnicy cylindra. Oba tłoki obracają ten sam wał korbowy, poruszając się w przeciwnych kierunkach.
Pomyśl o długości skoku. Każdy tłok pokonuje tylko połowę odległości, którą pokonuje tłok w standardowym silniku czterosuwowym. Mniejsza odległość oznacza mniejsze tarcie. Mniejsze tarcie oznacza lepszą oszczędność paliwa. A co z wydechem? Gromadzi się w centrum. Nie ma potrzeby zakrywania końców butli, aby zapobiec ulatnianiu się gazów, zanim będą gotowe do ujścia.
Brzmi jak sen. Jest to silnik dwusuwowy. Ale nie brudny, pochłaniający olej dwusuwowy silnik z przeszłości. Jest to czysta i wydajna jednostka spalająca paliwo.
Dlaczego silnik OPOC firmy Ecomotors ma dużą gęstość mocy
Magia tkwi w splocie. Każdy tłok jest w rzeczywistości podzielony na dwie części. Poruszają się wewnątrz siebie. W przeciwnych kierunkach.
Tak działa cykl. Jeden koniec tłoków zamyka się. To powoduje kompresję. Mieszanka paliwa i powietrza jest sprężana. Dokładnie w tym samym momencie pozostałe końce tłoków rozsuwają się. To tworzy próżnię. Zasysane jest powietrze. Wlot i sprężanie zachodzą jednocześnie.
Dwa bary. Wlot. Kompresja. Zapłon. Wydechowy. Gotowy.
Konwencjonalne silniki wymagają czterech suwów, aby wykonać tę samą pracę. OPOC robi to na dwa sposoby. Ponieważ dwa tłoki w jednym cylindrze wykonują pracę dwóch oddzielnych cylindrów w konwencjonalnym silniku, przenoszą podwójny ruch na wał korbowy przy tej samej objętości.
Odpowiada to dużej gęstości mocy. Większa moc na funt masy silnika. W przypadku pojazdów wojskowych lub dronów waga ma kluczowe znaczenie. Ten projekt spełnia swoje zadanie.
Jak modułowa konstrukcja zmniejsza liczbę ruchomych części
Prostota jest tutaj główną cechą. Standardowe silniki spalinowe to mechaniczne koszmary. Masz wałki rozrządu. Popychacze rolkowe. Popychacze zaworów. Zawory. Złożony taniec o precyzyjnie dobranym czasie, utrzymujący zawory dolotowe i wydechowe otwarte tylko wtedy, gdy jest to konieczne. Nigdy jednocześnie. Zawsze we właściwej milisekundie.
Ecomotors wyeliminował to wszystko.
Brak zaworów.
„Zawory” to po prostu okienka z boku cylindra. Tłoki ślizgają się po nich. Zamykanie ich. Otwieranie ich. Wszystko. Nie ma wałków rozrządu. Brak pasków rozrządu. Żadnych skomplikowanych systemów napędowych.
Zmniejszono liczbę części z 385 do 62.
To ogromna redukcja. Mniej części oznacza mniej rzeczy do zepsucia. Mniej rzeczy do utrzymania. Silnik jest prostszy mechanicznie. Jest bardziej niezawodny.
I jest modułowy. Można je przechowywać. Jednocylindrowy OPOC jest technicznie silnikiem dwucylindrowym pod względem mocy. Dodaj kolejny. Teraz masz odpowiednik czterocylindrowego silnika. Dodaj trzecią. Moc silnika sześciocylindrowego. Wystarczy podłączyć cylindry.
Czy to silnik przyszłości? Prawdopodobnie. Do czasu, aż jądrowe ogniwa paliwowe staną się opłacalne do użytku konsumenckiego. Wzrost wydajności jest zbyt duży, aby go zignorować. Prostota jest niezaprzeczalna.
