Двигатели внутреннего сгорания загрязняют воздух. Двигатели внутреннего сгорания лишают планету ценных и невозобновляемых ресурсов. Для двигателей внутреннего сгорания требуется ископаемое топливо, которое экономически связывает Соединенные Штаты со странами, с которыми мы предпочли бы не иметь дел.
И двигатели внутреннего сгорания не исчезнут в ближайшее время.
О, конечно, вы слышали обо всех новых технологиях, которые должны со дня на день заменить двигатель внутреннего сгорания, таких технологиях, как электродвигатели, гибридные силовые агрегаты, водородные топливные элементы и даже автомобили, работающие на сжатом воздухе, но ни одна из этих технологий уже готова избавить автопром от двигателя внутреннего сгорания. Электродвигатели, вероятно, являются нашим лучшим выбором в ближайшем будущем, и сейчас на рынке даже есть автомобили, которые используют их в качестве источника энергии, но им требуется время для перезарядки, у них ограниченный запас хода, и их нельзя просто заправить топливом. за пять минут на местной станции техобслуживания. Кроме того, вы действительно хотите застрять посреди Восточного Нигде, Средней Америки, с разряженным массивом литий-ионных аккумуляторов, и никто вокруг не имеет ни малейшего представления о том, как его перезарядить? Гибридные силовые агрегаты уже вполне осуществимы, как показывает огромный успех Toyota Prius, но они по-прежнему содержат двигатели внутреннего сгорания, так что на самом деле они не решают проблему. Они просто оттягивают тот день, когда нам, наконец, нужно будет избавиться от этой устаревшей технологии. Автомобили на водородных топливных элементах будут действительно потрясающими, когда они будут доступны в транспортных средствах, которые может купить и использовать средний потребитель. Это должно произойти примерно через 20-30 лет, примерно в то же время, когда вы инвестируете в свой первый набор искусственных зубов. А машины на сжатом воздухе? Никто точно не знает, когда они будут готовы отправиться в путь, но, вероятно, пройдет немало времени, прежде чем вы сможете заправлять свой автомобиль с помощью велосипедного насоса.
Эти технологии важны. Аналитические центры и производители автомобилей изучают их прямо сейчас. Транспорт, который будут использовать дети ваших детей, будет зависеть от них. Когда-нибудь одна или все эти технологии освободят мир от неконтролируемой зависимости от ископаемого топлива. А пока что нам действительно нужно то, что реально может быть готово к практическому использованию в ближайшие несколько лет:более совершенный двигатель внутреннего сгорания.
Вот хорошая новость:лучшие двигатели внутреннего сгорания уже в пути. И когда мы говорим «лучше», мы имеем в виду более легкий, более экономичный и менее загрязняющий окружающую среду автомобиль. Если мы пока не можем выбросить двигатели внутреннего сгорания на пастбище, мы можем, по крайней мере, заставить их вести себя немного вежливее, пока они еще скачут по улицам.
Одним из самых захватывающих новых типов двигателей внутреннего сгорания является двигатель с оппозитным расположением цилиндров, и если вы не можете вспомнить все эти слоги, вызывающие скручивание языка, вы можете просто назвать его двигателем OPOC. (Не расстраивайтесь. Все остальные тоже так его называют.) Двигатели OPOC на самом деле не новы — эта идея витала в воздухе некоторое время — но компания под названием Ecomotor, наконец, всерьез взялась за создание OPOC, которые будут готовы к эксплуатации. потребительские транспортные средства задолго до того, как водородные топливные элементы стали гневом нации. И в качестве доказательства того, что Ecomotors предлагает серьезную технологию, которая действительно может революционизировать то, как мы используем бензин в ближайшем будущем, человек по имени Билл Гейтс уже инвестировал в компанию. Да, это Билл Гейтс, и никто не может сказать, что соучредитель Microsoft ничего не смыслит в практических аспектах передовых технологий.
Но что такое двигатель OPOC и чем он отличается от двигателей внутреннего сгорания, которые мы все любим и ненавидим? Чтобы ответить на этот вопрос, мы сначала дадим вам курс повышения квалификации по стандартным автомобильным двигателям, а затем покажем, как OPOC делают почти то же самое, но немного по-другому — и немного лучше.
Скорее всего, двигатель вашего автомобиля имеет четыре или шесть цилиндров. (Если у вас более шести цилиндров, значит, вы водите настоящий маслкар и, вероятно, еще не присматриваетесь к чему-то, что сделает двигатель внутреннего сгорания устаревшим.) Цилиндр двигателя — это именно то, на что он похож — цилиндрическое отверстие в двигателе, в которое можно поместить подвижную трубку, называемую поршнем. И именно этот поршень в сочетании с бензином, воздухом и свечой зажигания обеспечивает движущую силу, которая заставляет вашу машину мчаться по дороге. В любом случае, это грубая и грязная версия истории.
Цилиндры в автомобильном двигателе внутреннего сгорания закрыты крышками, чтобы газы, удерживаемые в области между верхней частью поршня и верхней частью цилиндра, не могли выйти наружу. Однако есть также два клапана в верхней части каждого цилиндра или рядом с ним, которые можно открывать и закрывать механически. Они предназначены, соответственно, для подачи воздуха и бензина в цилиндр (впускной клапан) и для выпуска выхлопных газов из цилиндра (выпускной клапан) после завершения процесса сгорания в двигателе. Эти клапаны открываются и закрываются точно в соответствии с движением поршня, так что выхлопные газы выпускаются до того, как поступит новая подача свежего воздуха.
Движение поршня приводит в движение автомобиль. Поршни аккуратно скользят вверх и вниз в цилиндре, потому что для этого они и предназначены. В большинстве автомобилей используется четырехтактный двигатель (или двигатель с циклом Отто), в котором движение поршня состоит из четырех стадий. В первом такте, называемом тактом впуска, впускной клапан открывается, и поршень движется вниз. Вакуум, создаваемый движущимся вниз поршнем, всасывает воздух вместе с небольшим количеством бензина в верхнюю часть цилиндра. Как только смесь заполняет доступное пространство, оставленное опускающимся поршнем, впускной клапан закрывается, и поршень снова поднимается в такте сжатия, сжимая воздушно-топливную смесь в плотную массу, наполненную такой большой потенциальной энергией, что ее можно квалифицировать как взрывчатую. . (К счастью, в смеси очень мало бензина, так что речь идет не о взрывчатке термоядерного качества, а о чем-то больше похожем на вишневую бомбу.) свеча зажигания вспыхивает и воспламеняет эту потенциальную энергию, как фейерверк в консервной банке, снова толкая поршень вниз. Наконец, в такте выпуска выпускной клапан открывается, и поршень поднимается обратно в верхнюю часть цилиндра, выталкивая бесполезные газообразные остатки взрыва горючих материалов. Как только выпускной клапан закрывается, процесс начинается сначала.
В то время как поршень поднимается и опускается, он вращает коленчатый вал, длинный вращающийся стержень, который преобразует движение поршня вверх и вниз в круговое движение, заставляющее шестерни и колеса автомобиля вращаться. В большинстве стандартных компоновок двигателей (их довольно много) цилиндры идут парами, так что движение вниз одного поршня во время одного такта создает ход другого поршня вверх, цикл, который теоретически может длиться вечно... по крайней мере, пока бензин не кончится. Это не совсем вечный двигатель, но если вы задумаетесь об этом, вы можете спросить, как вообще началось движение поршней. Ответ заключается в том, что четырехтактный цикл обычно начинается с короткого выброса энергии вращения коленчатого вала от электростартера, но ранние автомобили запускались и работали, потому что некоторым удачливым водителям приходилось вращать рукоятку с ручным приводом, чтобы вращаться, да. , коленчатый вал. (Теперь вы знаете, почему они так его называют.) Разве вы не рады, что тогда не водили машину?
Этот четырехтактный цикл был изобретен в 19 веке — на самом деле, его вариации восходят к паровому двигателю — и существует множество его вариаций. Давайте посмотрим, сможем ли мы придумать двигатель, использующий в два раза меньше цилиндров и обладающий такой же мощностью.
В двигателях внутреннего сгорания, о которых мы говорили до сих пор, поршни работают параллельно, каждый цилиндр выровнен со следующим, и в каждом отдельный поршень. Но что, если бы мы могли воткнуть два поршня в один цилиндр и скоординировать их действия так, чтобы они были обращены друг к другу — отсюда и термин «противоположный цилиндр», — но не сталкивались? Каждый из этих цилиндров будет занимать только половину длины цилиндра, так что ему придется перемещаться только на половину расстояния цилиндра в стандартном двигателе, что экономит топливо, но при этом обеспечивает такой же вращательный эффект на коленчатый вал. И коленчатый вал мог проходить через центр цилиндра перпендикулярно длинной оси цилиндра, так что оба поршня могли вращать коленчатый вал, когда они двигались в противоположных направлениях. И они могли бы собирать свои выхлопные газы в центре цилиндра, так что концы цилиндра не нужно было бы закрывать колпачками, чтобы ядовитые выхлопные газы не выбрасывались раньше, чем это было необходимо.
Разве это не было бы круто? Еще бы!
Это называется двигателем с оппозитным поршнем и оппозитным цилиндром (OPOC). В двигателе OPOC, разработанном Ecomotors для Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (или DARPA, и да, это означает, что ранние применения, вероятно, будут военными), два поршня в одном цилиндре эффективно переплетены, причем каждый из них разделен на две части. и перемещаются друг в друге в противоположных направлениях, создавая такт сжатия, так что противоположные концы одной части каждого поршня смыкаются и сжимают топливно-воздушную смесь между ними, в то время как противоположные концы другой части раздвигаются, чтобы впустить воздух в поршень. зазор для создания такта впуска. Поскольку эти два такта являются одновременными, все действие поршней занимает всего два движения вперед и назад, что делает этот двигатель двухтактным вместо более обычного четырехтактного двигателя. И поскольку эти два поршня в одном цилиндре выполняют работу двух поршней в двух обычных цилиндрах, они выполняют только ту работу, которая обычно выполняется в одном цилиндре, но придают коленчатому валу движение, равное двум цилиндрам. Это дает двигателю OPOC высокую удельную мощность, то есть высокое отношение мощности к массе самого двигателя.
И вот то, что действительно выделяет двигатель Ecomotor OPOC из толпы:он модульный. Вы можете использовать один, два или даже три из них, соединенных вместе с масштабируемой передачей, от одноцилиндрового двигателя (который в обычных терминах двигателя на самом деле является двухцилиндровым двигателем) до трехцилиндрового двигателя (эквивалентный шеститактному двигателю). двигатель) и не только. Просто продолжайте соединять цилиндры вместе, чтобы сделать ваш двигатель больше и мощнее. И двигатель OPOC механически намного проще, чем стандартный двигатель внутреннего сгорания. В стандартной конфигурации требуется сложная и точно синхронизированная последовательность соединений, чтобы гарантировать, что впускные и выпускные клапаны открыты, когда это необходимо. Это означает, что в двигателе невероятно мало движущихся частей. Например, в обычном цилиндре внутреннего сгорания необходим сложный механизм для синхронизации впускного клапана и выпускного клапана, чтобы они открывались только при необходимости и никогда не открывались одновременно. Но в двигателе OPOC эти «клапаны» представляют собой просто отверстия в боковой части цилиндра, которые закрываются и открываются при скольжении самих поршней, что устраняет необходимость в сложном механизме для их открытия и закрытия. По оценкам Ecomotors, количество движущихся частей в двигателе сократилось с 385 до 62, а это означает, что деталей, которые нуждаются в обслуживании и могут выйти из строя, стало намного меньше.
В результате двигатели OPOC проще и, следовательно, с меньшей вероятностью сломаются. Они также более эффективны, теряют меньше энергии во время работы и, поскольку они выполняют работу двух поршней только с одним, могут производить гораздо больше энергии, чем стандартный двигатель внутреннего сгорания, потребляя только часть газа. Это двигатель будущего? Наверное. По крайней мере, пока не появится этот ядерный топливный элемент.
Я не из тех парней, которые выросли с головой под капотом машины, разбирая двигатель и снова собирая его, просто чтобы посмотреть, смогу ли я это сделать. Скорее всего, вы найдете меня за клавиатурой компьютера, программирующим на таких языках, как BASIC и C, или пишущим книги о том, почему управляемая термоядерная энергия стала источником энергии будущего. (Я все еще жду этого.) Но когда я начал писать об автомобилях, для меня было вполне естественно стремиться писать об автомобильных технологиях, которые были на переднем крае, о способах питания и использования автомобилей, которые были настолько продвинуты. , вы могли бы подумать, что они уехали прямо из фильма, такого как «Бегущий по лезвию» или «Особое мнение». Не знаю, как у вас, а у меня по спине покалывает, когда я узнаю о чем-то новом, захватывающем и делающем вещи так, как люди (в данном случае автоинженеры) никогда раньше этого не делали.
Двигатели с оппозитным поршнем и оппозитным цилиндром (OPOC) могут показаться не такими передовыми, как, скажем, летающие автомобили или DeLorean 1981 года с конденсаторами потока, помогающими им путешествовать во времени, но к тому времени, когда я закончил исследование этой статьи, я понял, что они были во всем. как захватывающий. (Хорошо, может быть, не так захватывающе, как эта штука с конденсатором потока.) Двигатели OPOC являются продуктом большого количества изобретательных мыслей блестящих инженеров, которые не желали признать, что способ, которым двигатели внутреннего сгорания всегда были сделаны, является единственным способом. что их можно сделать. Да, OPOC существуют уже давно — ранние прототипы двигателя OPOC восходят к 19 веку — но автомобильные инженеры с небольшой помощью передового военного исследовательского подразделения DARPA (Проект перспективных исследований в области обороны Agency), наконец-то обретают свой момент на солнце, и никто не может быть более взволнован, чем я.
Как работают дизельные двигатели. Часть 2
Как работают дизельные двигатели. Часть 3
Как работает двигатель по циклу Миллера?
Как работают тормоза
Что такое двигатель внутреннего сгорания и как он работает?