Förbränningsmotorer förorenar luften. Förbränningsmotorer berövar planeten värdefulla och icke-förnybara resurser. Förbränningsmotorer kräver fossila bränslen som binder USA ekonomiskt till länder som vi helst inte vill göra affärer med.
Och förbränningsmotorer kommer inte att försvinna någon gång snart.
Åh, visst, du har hört talas om all ny teknik som borde ersätta förbränningsmotorn vilken dag som helst nu, tekniker som elmotorer, hybriddrivlinor, vätebränsleceller och till och med bilar som körs på tryckluft, men ingen av dessa teknologier är redo att rädda bilindustrin från förbränningsmotorn ännu. Elmotorer är förmodligen vår bästa insats för den omedelbara framtiden och det finns till och med några bilar på marknaden nu som använder dem som strömkälla, men de tar tid att ladda, har en begränsad räckvidd och de kan inte bara drivas upp på fem minuter på den lokala bensinstationen. Dessutom, vill du verkligen fastna mitt i East Nowhere, Mellanamerika, med ett dött litiumjonbatteri och ingen i närheten som har den dummaste idén om hur man laddar upp den? Hybriddrivlinor är redan ganska genomförbara, vilket den enorma framgången med Toyota Prius visar, men de innehåller fortfarande förbränningsmotorer, så de löser inte riktigt problemet. De skjuter bara upp dagen då vi äntligen behöver bli av med denna föråldrade teknik. Vätgasbränslecellsbilar kommer att vara riktigt fantastiska när de är tillgängliga i fordon som kan köpas och köras av den genomsnittliga konsumenten. Det här borde vara, åh, ungefär 20 till 30 år från nu, ungefär när du kommer att investera i din första uppsättning löständer. Och tryckluftsbilar? Ingen vet riktigt när de är redo att ge sig ut på vägen, men det kommer förmodligen att dröja ett bra tag innan du kan tanka din bil med hjälp av en cykelpump.
Dessa tekniker är viktiga. Tankesmedjor och biltillverkare forskar om dem just nu. Vilken transport dina barns barn använder beror på dem. En dag kommer en eller alla av dessa teknologier att befria världen från sitt okontrollerade beroende av fossila bränslen. Men under tiden är det vi verkligen behöver något som realistiskt sett kan vara redo för praktisk användning inom de närmaste åren:en bättre förbränningsmotor.
Här är de goda nyheterna:Bättre förbränningsmotorer är på väg. Och när vi säger bättre menar vi lättare, bränslesnålare och mindre förorenande. Om vi inte kan sätta ut förbränningsmotorer på betesmark ännu, kan vi åtminstone få dem att bete sig lite mer artigt medan de fortfarande galopperar runt på de allmänna gatorna.
En av de mest spännande nya typerna av förbränningsmotorer är den motsatta kolvmotorn, och om du inte kommer ihåg alla dessa tungvridande stavelser kan du bara kalla det en OPOC-motor. (Må inte dåligt. Alla andra kallar det det också.) OPOC-motorer är inte riktigt nya -- idén har funnits ett tag -- men ett företag som heter Ecomotor börjar äntligen börja på allvar med att bygga OPOC som kommer att vara redo för konsumentfordon långt innan vätebränsleceller är nationens raseri. Och som bevis på att Ecomotors erbjuder seriös teknik som verkligen skulle kunna revolutionera hur vi använder bensin inom en snar framtid, har en kollega vid namn Bill Gates redan investerat i företaget. Ja, den där Bill Gates, och ingen kan säga att Microsofts medgrundare inte kan ett och annat om de praktiska aspekterna av spjutspetsteknologi.
Men vad är egentligen en OPOC-motor och hur skiljer den sig från de förbränningsmotorer som vi alla älskar och hatar? För att svara på den frågan ger vi dig först en repetitionskurs i vanliga bilmotorer, och sedan visar vi dig hur OPOC:er gör ungefär samma sak men bara lite annorlunda – och lite bättre.
Chansen är stor att din bils motor har antingen fyra eller sex cylindrar i den. (Om du har mer än sex cylindrar så kör du en riktig muskelbil och letar förmodligen inte efter något som kommer att göra förbränningsmotorn föråldrad.) En motorcylinder är precis vad det låter som -- en cylindriskt hål i motorn där du kan placera ett rörligt rör, en så kallad kolv. Och det är den kolven, i kombination med bensin, luft och ett tändstift som ger den drivkraft som får din bil att zooma nerför vägen. Det är i alla fall den snabba och smutsiga versionen av historien.
Cylindrarna i en bils förbränningsmotor har ett lock så att gaserna som hålls i området mellan kolvens topp och cylinderns topp inte kan fly. Men det finns också två ventiler vid eller nära toppen av varje cylinder som kan öppnas och stängas mekaniskt. Dessa är utformade för att släppa in luft och bensin i cylindern (intagsventilen) och för att släppa ut avgaser från cylindern (avgasventilen) efter att motorns förbränningsprocess är klar. Dessa ventiler öppnar och stänger på ett sätt noggrant anpassat med kolvens rörelse så att avgaserna släpps innan en ny tillförsel av frisk luft strömmar in.
Det är kolvens rörelse som driver bilen. Kolvar glider snyggt upp och ner i cylindern eftersom det är vad de är designade för att göra. De flesta bilar använder en fyrtaktsmotor (eller Otto-cykel), där det finns fyra steg för kolvens rörelse. I det första, kallat insugningsslaget, öppnas insugningsventilen och kolven rör sig nedåt. Vakuumet som skapas av den nedåtgående kolven suger luft tillsammans med en liten mängd bensin in i cylinderns övre del. När blandningen har fyllt det tillgängliga utrymmet som lämnas av den nedåtgående kolven, stängs insugningsventilen och kolven stiger igen i kompressionsslaget, vilket pressar luft-bränsleblandningen till en tät massa packad med så mycket potentiell energi att den kvalificeras som ett explosivt ämne. . (Lyckligtvis är det väldigt lite bensin i blandningen, så vi pratar inte om termonukleärt vapenkvalitetsexplosiv utan något mer som en körsbärsbomb.) Sedan kommer den del av processen som verkligen ger motorn sin kick:förbränningstakten, där tändstiftet blinkar och tänder den potentiella energin som en smällare i en plåtburk och trycker tillbaka kolven igen. Slutligen, i avgasslaget, öppnas avgasventilen och kolven stiger tillbaka till toppen av cylindern och trycker ut den värdelösa, gasiga återstoden av explosionen av brännbara material. Så snart avgasventilen stänger börjar processen om igen.
Medan kolven stiger och faller, vrider den på vevaxeln, en lång, roterande stång som omvandlar kolvarnas upp- och nedrörelser till den cirkulära rörelsen som får bilens växlar och hjul att snurra. I de flesta vanliga motorarrangemang (det finns ganska många) kommer cylindrarna i par, så att den nedåtgående rörelsen av en kolv under ett slag skapar den andras uppåtgående slag, en cykel som teoretiskt sett skulle kunna pågå för evigt ... eller kl. åtminstone tills bensinen tar slut. Det här är inte direkt evig rörelse, men om du tänker på det kanske du frågar dig hur kolvarnas rörelse började i första hand. Svaret är att fyrtaktscykeln vanligtvis börjar med en kort ström av rotationsenergi till vevaxeln från en elektrisk startmotor, men tidiga bilar kom igång eftersom någon lycklig förare var tvungen att vrida en handmanövrerad vev för att rotera, ja , vevaxeln. (Nu vet du varför de kallar det så.) Är du inte glad att du inte körde bil då?
Denna fyrtaktscykel uppfanns på 1800-talet -- i själva verket går variationer på den tillbaka till ångmaskinen -- och det finns massor av variationer på den. Låt oss se om vi kan komma på en som använder hälften så många cylindrar som ändå får lika mycket kraft.
I de förbränningsmotorer vi har pratat om hittills arbetar kolvarna parallellt, med varje cylinder inriktad efter nästa och en separat kolv i var och en. Men tänk om vi kunde sticka två kolvar i en cylinder och samordna deras handlingar så att de är vända mot varandra -- därav termen "motsatt cylinder" -- men inte kolliderar? Var och en av dessa cylindrar skulle bara ta upp halva längden av cylindern, så att den bara skulle behöva röra sig halva avståndet av en cylinder i en standardmotor, vilket sparar bränsle men ändå ger samma roterande effekt på vevaxeln. Och vevaxeln kunde passera genom cylinderns centrum, vinkelrätt mot cylinderns långa axel, så att båda kolvarna kunde rotera vevaxeln när de rörde sig i motsatta riktningar. Och de kunde samla sina avgasavfall i cylinderns mitt, så att ändarna på cylindern inte skulle behöva stängas av för att hindra de skadliga avgaserna från att rinna ut innan de behövde.
Skulle inte det vara coolt? Du slår vad om att det skulle göra det!
Detta kallas en motor med motsatt kolv, motsatt cylinder (OPOC). I OPOC-motorn som utformats av Ecomotors för Defense Advanced Research Projects Agency (eller DARPA, och ja, detta betyder att tidiga tillämpningar sannolikt kommer att vara militära), är de två kolvarna i encylindern effektivt sammanflätade, med var och en uppdelad i två delar och rör sig inuti varandra i motsatta riktningar och skapar kompressionsslaget, så att de motsatta ändarna av en del av varje kolv sluter sig och komprimerar bränsleluftblandningen mellan dem medan de motsatta ändarna av den andra rör sig isär för att släppa in luft i kolven. mellanrum för att skapa insugningsslaget. Eftersom dessa två slag är samtidiga tar hela kolvarnas rörelse bara två fram och tillbaka rörelser, vilket gör detta till en tvåtaktsmotor istället för den mer konventionella fyrtaktsmotorn. Och eftersom dessa två kolvar i en cylinder utför de två kolvarnas arbete i två vanliga cylindrar, gör de bara det arbete som normalt pågår i en cylinder men applicerar två cylindrars rörelse på vevaxeln. Detta ger OPOC-motorn en hög effekttäthet -- det vill säga ett högt förhållande mellan effekt och själva motorns massa.
Och här är något som verkligen får Ecomotors OPOC-motor att sticka ut från mängden:Den är modulär. Du kan använda en, två eller till och med tre av dem sammanfogade med ett växelarrangemang som är skalbart, från en encylindrig motor (som i normala motortermer egentligen är en tvåcylindrig motor) upp till en trecylindrig (motsvarande en sextaktsmotor) motor) och vidare. Fortsätt bara att haka ihop cylindrarna för att göra din motor större och kraftfullare. Och en OPOC-motor är mekaniskt mycket enklare än en vanlig förbränningsmotor. I standardarrangemanget krävs en komplex och exakt tidsinställd serie länkar för att säkerställa att insugnings- och avgasventilerna är öppna när det behövs. Det betyder att motorn har ett otroligt litet antal rörliga delar. Till exempel, i en konventionell förbränningscylinder, är en komplicerad mekanism nödvändig för att tidsinställa inloppsventilen och avgasventilen så att de är öppna endast när de behövs och aldrig är öppna samtidigt. Men i OPOC-motorn är dessa "ventiler" helt enkelt hål i cylinderns sida, som täcks och avtäcks genom att själva kolvarna glider, vilket tar bort behovet av en komplicerad mekanism för att få dem att öppna och stänga. Ecomotors uppskattar att antalet rörliga delar i motorn har reducerats från 385 till 62, vilket betyder att det är mycket färre delar som behöver service och kan gå dåligt.
Resultatet är att OPOC-motorer är enklare och därmed mindre benägna att gå sönder. De är också effektivare, förlorar mindre energi när de är i drift och - eftersom de gör jobbet med två kolvar med bara en - kan de producera mycket mer kraft än en vanlig förbränningsmotor för endast en del av gasen. Är detta framtidens motor? Förmodligen. Åtminstone tills den där kärnbränslecellen kommer.
Jag är inte en av de killarna som växte upp med huvudet under huven på en bil som tog isär motorn och satte ihop den igen bara för att se om jag kunde göra det. Mer sannolikt skulle du hitta mig vid tangentbordet på en dator, programmera på språk som BASIC och C, eller skriva böcker om varför kontrollerad fusionskraft var framtidens energikälla. (Jag väntar fortfarande på den.) Men när jag började skriva om bilar var det bara naturligt för mig att dra till att skriva om biltekniker som var ute på de blödande kanterna, sätt att driva och använda bilar som var så avancerade , man skulle kunna tro att de kan ha kört direkt ur en film som Blade Runner eller Minority Report. Jag vet inte hur det är med dig, men jag får den här pirrande känslan upp och ner på ryggraden när jag lär mig om något som är nytt, spännande och gör saker på ett sätt som människor (i det här fallet bilingenjörer) aldrig har gjort dem förut.
Motsatta kolv-motsatta cylindermotorer (OPOC) låter kanske inte lika spänd kant som till exempel flygande bilar eller 1981 DeLoreans med flödeskondensatorer för att hjälpa dem att resa genom tiden, men när jag var klar med att undersöka den här artikeln insåg jag att de var varje bit lika spännande. (Okej, kanske inte riktigt lika spännande som det där med flödeskondensatorer.) OPOC-motorer är en produkt av många geniala tankar av briljanta ingenjörer som inte var villiga att acceptera att det sätt som förbränningsmotorer alltid har gjorts är det enda sättet att de kan göras. Ja, OPOC har funnits länge -- de tidiga prototyperna av OPOC-motorn går tillbaka till 1800-talet -- men bilingenjörer, med lite hjälp från militärens spetsforskningsflygel DARPA (Defense Advanced Research Project Agency), får äntligen sin stund i solen och ingen kan vara mer upphetsad än jag.
