Verbrandingsmotoren vervuilen de lucht. Verbrandingsmotoren beroven de planeet van kostbare en niet-hernieuwbare hulpbronnen. Verbrandingsmotoren hebben fossiele brandstoffen nodig die de Verenigde Staten economisch verbinden met landen waarmee we liever geen zaken doen.
En verbrandingsmotoren zullen niet snel verdwijnen.
Oh, natuurlijk, je hebt gehoord over alle nieuwe technologieën die nu de verbrandingsmotor zouden moeten vervangen, technologieën zoals elektromotoren, hybride aandrijflijnen, waterstofbrandstofcellen en zelfs auto's die op perslucht rijden, maar geen van deze technologieën is klaar om de auto-industrie nog vrij van de verbrandingsmotor te redden. Elektromotoren zijn waarschijnlijk de beste keuze voor de nabije toekomst en er zijn nu zelfs enkele auto's op de markt die ze als energiebron gebruiken, maar ze hebben tijd nodig om op te laden, hebben een beperkt rijbereik en ze kunnen niet zomaar van brandstof worden voorzien binnen vijf minuten bij het plaatselijke tankstation. Trouwens, wil je echt vast komen te zitten in het midden van East Nowhere, Midden-Amerika, met een lege lithium-ionbatterij en niemand in de buurt die het meest mistige idee heeft hoe je hem moet opladen? Hybride aandrijflijnen zijn al heel goed mogelijk, zoals het enorme succes van de Toyota Prius aantoont, maar ze bevatten nog steeds verbrandingsmotoren, dus ze lossen het probleem niet echt op. Ze stellen gewoon de dag uit waarop we eindelijk van deze verouderde technologie af moeten. Auto's met waterstof-brandstofcellen zullen echt geweldig zijn als ze beschikbaar zijn in voertuigen die kunnen worden gekocht en bestuurd door de gemiddelde consument. Dit zou, oh, over 20 tot 30 jaar moeten zijn, rond de tijd dat u in uw eerste set kunstgebit zult investeren. En persluchtauto's? Niemand weet echt wanneer die klaar zijn om de weg op te gaan, maar het zal waarschijnlijk nog wel even duren voordat je je auto kunt tanken met een fietspomp.
Deze technologieën zijn belangrijk. Denktanks en autofabrikanten onderzoeken ze nu. Het vervoer dat de kinderen van uw kinderen gebruiken, hangt van hen af. Op een dag zullen een of al deze technologieën de wereld bevrijden van haar oncontroleerbare verslaving aan fossiele brandstoffen. Maar wat we intussen echt nodig hebben, is iets dat de komende jaren realistisch kan worden toegepast:een betere verbrandingsmotor.
Hier is het goede nieuws:er komen betere verbrandingsmotoren aan. En met beter bedoelen we lichter, zuiniger en minder vervuilend. Als we verbrandingsmotoren nog niet helemaal in de wei kunnen laten lopen, kunnen we ze in ieder geval wat beleefder laten gedragen terwijl ze nog op straat galopperen.
Een van de meest opwindende nieuwe soorten interne verbrandingsmotoren is de motor met tegengestelde zuigers en cilinders, en als je al die tongverdraaiende lettergrepen niet meer weet, kun je het gewoon een OPOC-motor noemen. (Voel je niet slecht. Iedereen noemt het ook zo.) OPOC-motoren zijn niet echt nieuw -- het idee bestaat al een tijdje -- maar een bedrijf genaamd Ecomotor gaat eindelijk serieus aan de slag met het bouwen van OPOC's die klaar zijn voor consumentenvoertuigen lang voordat waterstofbrandstofcellen de rage van de natie waren. En als bewijs dat Ecomotors serieuze technologie aanbiedt die in de nabije toekomst echt een revolutie teweeg kan brengen in de manier waarop we benzine gebruiken, heeft een man genaamd Bill Gates al in het bedrijf geïnvesteerd. Ja, die Bill Gates, en niemand kan zeggen dat de mede-oprichter van Microsoft niets weet van de praktische aspecten van geavanceerde technologie.
Maar wat is een OPOC-motor precies en hoe verschilt deze van de verbrandingsmotoren waar we allemaal van houden en die we haten? Om die vraag te beantwoorden, geven we je eerst een opfriscursus in standaard automotoren, en dan laten we je zien hoe OPOC's ongeveer hetzelfde doen, maar net een beetje anders -- en een beetje beter.
De kans is groot dat de motor van uw auto vier of zes cilinders bevat. (Als je meer dan zes cilinders hebt, rijd je in een echte muscle car en ben je waarschijnlijk nog niet helemaal aan het shoppen voor iets dat de verbrandingsmotor overbodig maakt.) Een motorcilinder is precies hoe het klinkt:een cilindrisch gat in de motor waarin je een beweegbare buis kunt plaatsen, een zuiger genaamd. En het is die zuiger, in combinatie met benzine, lucht en een bougie die de aandrijfkracht levert die ervoor zorgt dat uw auto over de weg gaat. Dat is in ieder geval de snelle en vuile versie van het verhaal.
De cilinders in de verbrandingsmotor van een auto zijn afgedekt, zodat de gassen die zich in het gebied tussen de bovenkant van de zuiger en de bovenkant van de cilinder bevinden, niet kunnen ontsnappen. Er zijn echter ook twee kleppen aan of nabij de bovenkant van elke cilinder die mechanisch kunnen worden geopend en gesloten. Deze zijn respectievelijk ontworpen om lucht en benzine in de cilinder (de inlaatklep) toe te laten en om uitlaatgassen uit de cilinder te laten ontsnappen (de uitlaatklep) nadat het verbrandingsproces van de motor is voltooid. Deze kleppen openen en sluiten op een manier die nauwkeurig is afgestemd op de beweging van de zuiger, zodat de uitlaat wordt vrijgegeven voordat een nieuwe toevoer van verse lucht naar binnen stroomt.
Het is de beweging van de zuiger die de auto aandrijft. Zuigers schuiven netjes op en neer in de cilinder, want daar zijn ze voor gemaakt. De meeste auto's gebruiken een viertaktmotor (of Otto-cyclus), waarin de beweging van de zuiger uit vier fasen bestaat. Bij de eerste, de inlaatslag genoemd, gaat de inlaatklep open en beweegt de zuiger naar beneden. Het vacuüm gecreëerd door de naar beneden bewegende zuiger zuigt lucht samen met een kleine hoeveelheid benzine in het bovenste gedeelte van de cilinder. Zodra het mengsel de beschikbare ruimte heeft gevuld die is achtergelaten door de dalende zuiger, sluit de inlaatklep en gaat de zuiger weer omhoog in de compressieslag, waarbij het lucht-brandstofmengsel wordt samengeperst tot een dichte massa die is gevuld met zoveel potentiële energie dat het kwalificeert als een explosief . (Gelukkig zit er heel weinig benzine in de mix, dus we hebben het niet over een explosief van thermonucleaire kwaliteit, maar over iets dat meer op een kersenbom lijkt.) Dan komt het deel van het proces dat de motor echt een kick geeft:de verbrandingsslag, waar de bougie flitst en ontsteekt die potentiële energie als een knaller in een blikje, waardoor de zuiger weer naar beneden wordt gedrukt. Ten slotte, in de uitlaatslag, gaat de uitlaatklep open en stijgt de zuiger terug naar de bovenkant van de cilinder, waardoor het nutteloze, gasachtige residu van de explosie van brandbare materialen wordt verdreven. Zodra de uitlaatklep sluit, begint het proces helemaal opnieuw.
Terwijl de zuiger stijgt en daalt, draait hij de krukas, een lange, roterende stang die de op en neergaande beweging van de zuigers omzet in de cirkelvormige beweging die de tandwielen en wielen van de auto laat draaien. In de meeste standaard motoropstellingen (er zijn er nogal wat), komen cilinders in paren, zodat de neerwaartse beweging van de ene zuiger tijdens de ene slag de opwaartse slag van de andere creëert, een cyclus die theoretisch voor altijd zou kunnen doorgaan ... of op tenminste totdat de benzine op is. Dit is niet echt een eeuwigdurende beweging, maar als je erover nadenkt, kun je je afvragen hoe de beweging van de zuigers in de eerste plaats is begonnen. Het antwoord is dat de viertaktcyclus meestal begint met een korte uitbarsting van rotatie-energie naar de krukas van een elektrische startmotor, maar vroege auto's kwamen op gang omdat een gelukkige bestuurder een handbediende slinger moest draaien om te draaien, ja , de krukas. (Nu weet je waarom ze het zo noemen.) Ben je niet blij dat je toen geen auto reed?
Deze viertaktcyclus is uitgevonden in de 19e eeuw - in feite gaan variaties erop terug naar de stoommachine - en er zijn veel variaties op. Laten we eens kijken of we er een kunnen bedenken die de helft minder cilinders gebruikt en toch evenveel vermogen krijgt.
In de verbrandingsmotoren waar we het tot nu toe over hebben gehad, werken de zuigers parallel, waarbij elke cilinder is uitgelijnd met de volgende en een afzonderlijke zuiger in elke cilinder. Maar wat als we twee zuigers in één cilinder zouden kunnen steken en hun acties zodanig kunnen coördineren dat ze tegenover elkaar staan -- vandaar de term "tegengestelde cilinder" -- maar niet botsen? Elk van deze cilinders zou slechts de helft van de lengte van de cilinder in beslag nemen, zodat deze bij een standaardmotor slechts de helft van de afstand van een cilinder hoeft te verplaatsen, waardoor brandstof wordt bespaard en toch hetzelfde roterende effect op de krukas wordt verkregen. En de krukas zou door het midden van de cilinder kunnen gaan, loodrecht op de lange as van de cilinder, zodat beide zuigers de krukas konden draaien terwijl ze in tegengestelde richtingen bewogen. En ze konden hun uitlaatgassen in het midden van de cilinder verzamelen, zodat de uiteinden van de cilinder niet hoeven te worden afgesloten om te voorkomen dat de schadelijke uitlaatgassen ontsnappen voordat ze dat nodig hadden.
Zou dat niet cool zijn? Dat zou je zeker doen!
Dit wordt een motor met tegengestelde zuiger, tegengestelde cilinder (OPOC) genoemd. In de OPOC-engine die door Ecomotors is ontworpen voor het Defense Advanced Research Projects Agency (of DARPA, en ja, dit betekent dat vroege toepassingen waarschijnlijk militair zijn), zijn de twee zuigers in de enkele cilinder effectief verweven, waarbij elk in twee delen is verdeeld en in tegengestelde richtingen in elkaar bewegen, waardoor de compressieslag ontstaat, zodat de tegenovergestelde uiteinden van een deel van elke zuiger elkaar sluiten en het brandstofluchtmengsel daartussen samendrukken, terwijl de tegenovergestelde uiteinden van de andere uit elkaar bewegen om lucht in de opening om de inlaatslag te creëren. Aangezien deze twee slagen gelijktijdig zijn, neemt de hele actie van de zuigers slechts twee heen en weer bewegingen in beslag, waardoor dit een tweetaktmotor is in plaats van de meer conventionele viertaktmotor. En omdat deze twee zuigers in één cilinder het werk van de twee zuigers in twee gewone cilinders uitvoeren, doen ze alleen het werk dat normaal in één cilinder gebeurt, maar brengen twee cilinders aan beweging op de krukas. Dit geeft de OPOC-motor een hoge vermogensdichtheid, dat wil zeggen een hoge verhouding tussen vermogen en massa van de motor zelf.
En hier is iets dat de OPOC-motor van Ecomotor echt onderscheidt van de rest:hij is modulair. Je kunt er één, twee of zelfs drie gebruiken, samengevoegd met een versnellingsopstelling die schaalbaar is, van een eencilindermotor (wat in normale motortermen eigenlijk een tweecilindermotor is) tot een driecilinder (equivalent aan een zestaktmotor). motor) en verder. Blijf gewoon de cilinders aan elkaar haken om uw motor groter en krachtiger te maken. En een OPOC-motor is mechanisch veel eenvoudiger dan een standaard verbrandingsmotor. In de standaardopstelling is een complexe en nauwkeurig getimede reeks koppelingen vereist om ervoor te zorgen dat de inlaat- en uitlaatkleppen open staan wanneer dat nodig is. Dat betekent dat de motor een ongelooflijk klein aantal bewegende delen heeft. In een conventionele verbrandingscilinder is bijvoorbeeld een gecompliceerd mechanisme nodig om de inlaatklep en uitlaatklep te timen, zodat ze alleen open zijn wanneer dat nodig is en nooit tegelijkertijd open zijn. Maar in de OPOC-motor zijn deze "kleppen" gewoon gaten in de zijkant van de cilinder, die worden bedekt en blootgelegd door het verschuiven van de zuigers zelf, waardoor er geen ingewikkeld mechanisme nodig is om ze te openen en te sluiten. Ecomotors schat dat het aantal bewegende onderdelen in zijn motor is teruggebracht van 385 naar 62, wat betekent dat er een stuk minder onderdelen zijn die onderhoud nodig hebben en kapot kunnen gaan.
Het resultaat is dat OPOC-engines eenvoudiger zijn en dus minder snel kapot gaan. Ze zijn ook efficiënter, verliezen minder energie tijdens het gebruik, en - omdat ze het werk doen van twee zuigers met slechts één - kunnen ze voor slechts een deel van het gas veel meer vermogen produceren dan een standaard verbrandingsmotor. Is dit de motor van de toekomst? Waarschijnlijk. Tenminste totdat die nucleaire brandstofcel langskomt.
Ik ben niet een van die jongens die opgroeide met mijn hoofd onder de motorkap van een auto die de motor uit elkaar haalde en weer in elkaar zette, gewoon om te zien of ik het kon. Het is waarschijnlijker dat je me achter het toetsenbord van een computer aantreft, programmeert in talen als BASIC en C, of boeken schrijft over waarom gecontroleerde fusie-energie de energiebron van de toekomst was. (Daar wacht ik nog steeds op.) Maar toen ik begon te schrijven over auto's, was het niet meer dan normaal voor mij om te schrijven over autotechnologieën die op de voorgrond stonden, manieren om auto's aan te drijven en te gebruiken die zo geavanceerd waren , zou je denken dat ze rechtstreeks uit een film als Blade Runner of Minority Report zijn weggereden. Ik weet niet hoe het met jou zit, maar ik krijg een tintelend gevoel over mijn ruggengraat als ik iets leer dat nieuw en opwindend is en dingen doet op een manier die mensen (in dit geval autotechnici) nog nooit eerder hebben gedaan.
Tegengestelde piston-tegengestelde cilindermotoren (OPOC) klinken misschien niet zo bloederig als bijvoorbeeld vliegende auto's of DeLoreans uit 1981 met fluxcondensatoren om hen te helpen door de tijd te reizen, maar tegen de tijd dat ik klaar was met het onderzoeken van dit artikel, realiseerde ik me dat ze alle even spannend. (Oké, misschien niet zo opwindend als dat ding met fluxcondensatoren.) OPOC-motoren zijn het product van veel ingenieus denken van briljante ingenieurs die niet bereid waren te accepteren dat de manier waarop verbrandingsmotoren altijd zijn gedaan de enige manier is dat ze kunnen worden gedaan. Ja, OPOC's bestaan al heel lang -- de vroege prototypes van de OPOC-motor gaan terug tot de 19e eeuw -- maar auto-ingenieurs, met een beetje hulp van de geavanceerde onderzoeksvleugel van het leger DARPA (het Defense Advanced Research Project Agency), krijgen eindelijk hun moment in de zon en niemand kan meer opgewonden zijn dan ik.
