Cómo funcionan los motores de cilindro opuesto de pistón opuesto (OPOC)

Están en camino mejores motores de combustión interna. Y cuando decimos mejor nos referimos a más ligero, más eficiente en el consumo de combustible y menos contaminante. Eche un vistazo a nuestra animación de cómo funciona el motor OPOC. Andrew Holt / Elección del fotógrafo / Getty Images

Los motores de combustión interna contaminan el aire. Los motores de combustión interna roban al planeta recursos preciosos y no renovables. Los motores de combustión interna requieren combustibles fósiles que unan económicamente a Estados Unidos con países con los que preferiríamos no hacer negocios..

Y los motores de combustión interna no desaparecerán pronto.

Oh, claro, has oído hablar de todas las nuevas tecnologías que deberían reemplazar el motor de combustión interna en cualquier momento, tecnologías como motores eléctricos, trenes de potencia híbridos, celdas de combustible de hidrógeno e incluso automóviles que funcionan con aire comprimido, pero ninguna de estas Technologies está lista para salvar a la industria automotriz del motor de combustión interna todavía. Los motores eléctricos son probablemente nuestra mejor apuesta para el futuro inmediato e incluso hay algunos automóviles en el mercado que los usan como fuente de energía, pero tardan en recargarse, tienen un rango de conducción limitado y no pueden simplemente alimentarse. en cinco minutos en la estación de servicio local. Además, ¿de verdad quieres quedarte atascado en el medio de Oriente en ninguna parte, Centroamérica, con una batería de iones de litio muerta y nadie alrededor que tenga la menor idea de cómo recargarla? Los trenes de potencia híbridos ya son bastante factibles, como demuestra el gran éxito del Toyota Prius, pero aún contienen motores de combustión interna, por lo que realmente no resuelven el problema. Simplemente posponen el día en que finalmente necesitemos deshacernos de esta tecnología anticuada. Los coches de pila de combustible de hidrógeno serán realmente sorprendentes cuando estén disponibles en vehículos que el consumidor medio pueda comprar y conducir. Esto debería ser, oh, entre 20 y 30 años a partir de ahora, aproximadamente el tiempo que invertirá en su primera dentadura postiza. ¿Y los coches de aire comprimido? Nadie sabe realmente cuándo estarán listos para salir a la carretera, pero probablemente pasará un buen tiempo antes de que pueda repostar su automóvil con una bomba de bicicleta..

Estas tecnologías son importantes. Los think tanks y los fabricantes de automóviles los están investigando en este momento. El transporte que utilicen los hijos de sus hijos dependerá de ellos. Algún día, una o todas estas tecnologías liberarán al mundo de su adicción descontrolada a los combustibles fósiles. Pero mientras tanto, lo que realmente necesitamos es algo que pueda estar listo de manera realista para su uso práctico en los próximos años: un mejor motor de combustión interna..

Aquí están las buenas noticias: mejores motores de combustión interna están en camino. Y cuando decimos mejor nos referimos a más ligero, más eficiente en el consumo de combustible y menos contaminante. Si todavía no podemos poner a pastar los motores de combustión interna, al menos podemos hacer que se comporten un poco más cortésmente mientras todavía están galopando por las calles públicas..

Uno de los nuevos tipos más emocionantes de motores de combustión interna es el motor de pistón opuesto de cilindros opuestos, y si no puede recordar todas esas sílabas retorcidas, puede llamarlo motor OPOC. (No se sienta mal. Todo el mundo lo llama así también.) Los motores OPOC no son realmente nuevos, la idea ha existido por un tiempo, pero una compañía llamada Ecomotor finalmente se está tomando en serio la construcción de OPOC que estarán listos para vehículos de consumo mucho antes de que las pilas de combustible de hidrógeno fueran el furor de la nación. Y como prueba de que Ecomotors ofrece tecnología seria que realmente podría revolucionar la forma en que usamos la gasolina en un futuro cercano, un compañero llamado Bill Gates ya ha invertido en la compañía. Sí, ese Bill Gates, y nadie puede decir que el cofundador de Microsoft no sepa una cosa o dos sobre los aspectos prácticos de la tecnología de vanguardia..

Pero, ¿qué es exactamente un motor OPOC y en qué se diferencia de los motores de combustión interna que todos amamos y odiamos? Para responder a esa pregunta, primero le daremos un curso de actualización sobre motores de automóvil estándar, y luego le mostraremos cómo los OPOC hacen más o menos lo mismo pero un poco diferente, y un poco mejor..

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Lo más probable es que el motor de su automóvil tenga cuatro o seis cilindros. (Si tiene más de seis cilindros, entonces está conduciendo un verdadero muscle car y probablemente aún no esté buscando algo que haga obsoleto el motor de combustión interna). Un cilindro de motor es exactamente lo que parece: un Agujero cilíndrico en el motor en el que puede colocar un tubo móvil, llamado pistón. Y es ese pistón, cuando se combina con gasolina, aire y una bujía, lo que proporciona la potencia motriz que hace que su automóvil vaya a toda velocidad por la carretera. Esa es la versión rápida y sucia de la historia, de todos modos.

Los cilindros en el motor de combustión interna de un automóvil están tapados para que los gases retenidos en el área entre la parte superior del pistón y la parte superior del cilindro no puedan escapar. Sin embargo, también hay dos válvulas en o cerca de la parte superior de cada cilindro que se pueden abrir y cerrar mecánicamente. Estos están diseñados, respectivamente, para permitir que entre aire y gasolina en el cilindro (la válvula de admisión) y para liberar el escape del cilindro (la válvula de escape) una vez que se completa el proceso de combustión del motor. Estas válvulas se abren y cierran de una manera cuidadosamente sincronizada con el movimiento del pistón para que el escape se libere antes de que entre un nuevo suministro de aire fresco..

Es el movimiento del pistón lo que impulsa el automóvil. Los pistones se deslizan ordenadamente hacia arriba y hacia abajo en el cilindro porque para eso están diseñados. La mayoría de los automóviles utilizan un motor de cuatro tiempos (o ciclo Otto), en el que hay cuatro etapas en el movimiento del pistón. En la primera, llamada carrera de admisión, la válvula de admisión se abre y el pistón se mueve hacia abajo. El vacío creado por el pistón que se mueve hacia abajo aspira aire junto con una pequeña cantidad de gasolina hacia la parte superior del cilindro. Una vez que la mezcla ha llenado el espacio disponible dejado por el pistón descendente, la válvula de admisión se cierra y el pistón se eleva nuevamente en la carrera de compresión, comprimiendo la mezcla de aire y combustible en una masa compacta llena de tanta energía potencial que califica como explosivo. . (Afortunadamente, hay muy poca gasolina en la mezcla, por lo que no estamos hablando de explosivos de calidad de arma termonuclear, sino de algo más parecido a una bomba de cereza). Luego viene la parte del proceso que realmente le da al motor su impulso: la carrera de combustión, donde la bujía parpadea y enciende esa energía potencial como un petardo en una lata, empujando el pistón hacia abajo nuevamente. Finalmente, en la carrera de escape, la válvula de escape se abre y el pistón vuelve a subir a la parte superior del cilindro, expulsando el residuo inútil y gaseoso de la explosión de materiales combustibles. Tan pronto como se cierra la válvula de escape, el proceso comienza de nuevo..

Mientras el pistón sube y baja, hace girar el cigüeñal, una varilla larga y giratoria que convierte el movimiento hacia arriba y hacia abajo de los pistones en un movimiento circular que hace girar los engranajes y las ruedas del automóvil. En la mayoría de las disposiciones de motor estándar (hay bastantes), los cilindros vienen en pares, de modo que el movimiento hacia abajo de un pistón durante una carrera crea la carrera hacia arriba del otro, un ciclo que teóricamente podría continuar para siempre ... o al menos hasta la gasolina se acaba. Esto no es exactamente un movimiento perpetuo, pero si lo piensa, podría preguntar cómo comenzó el movimiento de los pistones en primer lugar. La respuesta es que el ciclo de cuatro tiempos generalmente comienza con una breve ráfaga de energía de rotación en el cigüeñal desde un motor de arranque eléctrico, pero los primeros autos se pusieron en marcha porque algún conductor afortunado tuvo que girar una manivela manual para girar, sí. , el cigüeñal. (Ahora ya sabes por qué lo llaman así). ¿No te alegra no estar conduciendo coches en ese entonces??

Este ciclo de cuatro tiempos se inventó en el siglo XIX; de hecho, sus variaciones se remontan a la máquina de vapor, y hay muchas variaciones. Veamos si podemos encontrar uno que use la mitad de cilindros pero que obtenga la misma potencia.

Trabajadores ensamblan motores para automóviles Porsche 911 en la planta de Porsche en Zuffenhausen, Alemania. Una tarea compleja, sin duda. Ecomotors estima que el número de piezas móviles de su motor se ha reducido de 385 a 62, lo que facilita su mantenimiento. Marco Prosch / Getty Images

En los motores de combustión interna de los que hemos hablado hasta ahora, los pistones operan en paralelo, con cada cilindro alineado con el siguiente y un pistón separado en cada uno. Pero, ¿qué pasaría si pudiéramos enganchar dos pistones en un cilindro y coordinar sus acciones de modo que se enfrenten entre sí, de ahí el término "cilindro opuesto", pero no chocan? Cada uno de estos cilindros ocuparía solo la mitad de la longitud del cilindro, por lo que solo tendría que moverse la mitad de la distancia de un cilindro en un motor estándar, ahorrando combustible y proporcionando el mismo efecto de rotación en el cigüeñal. Y el cigüeñal podría pasar por el centro del cilindro, perpendicular al eje largo del cilindro, de modo que ambos pistones pudieran girar el cigüeñal mientras se movían en direcciones opuestas. Y podrían acumular sus desechos de escape en el centro del cilindro, de modo que los extremos del cilindro no tuvieran que taponarse para evitar que los gases de escape nocivos se escapen antes de que lo necesiten..

¿No sería genial? Puedes apostar que lo haría!

Esto se llama motor de pistón opuesto, cilindro opuesto (OPOC). En el motor OPOC diseñado por Ecomotors para la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (o DARPA, y sí, esto significa que es probable que las primeras aplicaciones sean militares), los dos pistones en el cilindro único están efectivamente entrelazados, cada uno dividido en dos partes. y moviéndose uno dentro del otro en direcciones opuestas creando la carrera de compresión, de modo que los extremos opuestos de una parte de cada pistón se cierran y comprimen la mezcla de aire y combustible entre ellos mientras que los extremos opuestos del otro se separan para admitir aire en el brecha para crear la carrera de admisión. Dado que estos dos tiempos son simultáneos, toda la acción de los pistones requiere solo dos movimientos hacia adelante y hacia atrás, lo que lo convierte en un motor de dos tiempos en lugar del motor de cuatro tiempos más convencional. Y debido a que estos dos pistones en un cilindro realizan el trabajo de los dos pistones en dos cilindros ordinarios, solo hacen el trabajo que normalmente ocurre en un cilindro, pero aplican el movimiento de dos cilindros al cigüeñal. Esto le da al motor OPOC una alta densidad de potencia, es decir, una alta relación de potencia a la masa del propio motor..

Y aquí hay algo que realmente hace que el motor OPOC de Ecomotor se destaque entre la multitud: es modular. Puede usar uno, dos o incluso tres de ellos unidos con una disposición de engranajes que es escalable, desde un motor de un cilindro (que en términos normales de motor es realmente un motor de dos cilindros) hasta un motor de tres cilindros (equivalente a un motor de seis tiempos). motor) y más allá. Simplemente siga enganchando los cilindros para hacer que su motor sea más grande y más potente. Y un motor OPOC es mecánicamente mucho más simple que un motor de combustión interna estándar. En la disposición estándar, se requiere una serie de enlaces compleja y sincronizada con precisión para asegurarse de que las válvulas de admisión y escape estén abiertas cuando sea necesario. Eso significa que el motor tiene una cantidad increíblemente pequeña de partes móviles. Por ejemplo, en un cilindro de combustión interna convencional, es necesario un mecanismo complicado para sincronizar la válvula de admisión y la válvula de escape de modo que se abran solo cuando sea necesario y nunca se abran simultáneamente. Pero en el motor OPOC, estas "válvulas" son simplemente agujeros en el costado del cilindro, que se cubren y descubren mediante el deslizamiento de los pistones, eliminando así la necesidad de un mecanismo complicado para abrirlos y cerrarlos. Ecomotors estima que la cantidad de piezas móviles en su motor se ha reducido de 385 a 62, lo que significa que hay muchísimas menos piezas que necesitan servicio y pueden estropearse..

El resultado es que los motores OPOC son más simples y, por lo tanto, es menos probable que se averíen. También son más eficientes, pierden menos energía mientras funcionan y, debido a que hacen el trabajo de dos pistones con solo uno, pueden producir mucha más potencia que un motor de combustión interna estándar por solo una parte del gas. ¿Es este el motor del futuro? Probablemente. Al menos hasta que llegue esa celda de combustible nuclear.

Nota del autor: Cómo funcionan los motores de cilindro opuesto de pistón opuesto (OPOC)

No soy uno de esos tipos que crecieron con la cabeza bajo el capó de un automóvil desarmando el motor y volviéndolo a armar solo para ver si podía hacerlo. Lo más probable es que me encuentre en el teclado de una computadora, programando en lenguajes como BASIC y C, o escribiendo libros sobre por qué la energía de fusión controlada era la fuente de energía del futuro. (Todavía estoy esperando ese). Pero cuando comencé a escribir sobre automóviles, era natural que me inclinara por escribir sobre tecnologías automotrices que estaban en los bordes sangrantes, formas de impulsar y usar automóviles que eran tan avanzadas , pensarías que podrían haber salido directamente de una película como Blade Runner o Minority Report. No sé ustedes, pero tengo esta sensación de hormigueo arriba y abajo cuando me entero de algo nuevo, emocionante y que hace las cosas de una manera que la gente (en este caso los ingenieros automotrices) nunca antes las había hecho..

Los motores de cilindro opuesto de pistón opuesto (OPOC) pueden no sonar tan a la vanguardia como, por ejemplo, los autos voladores o los DeLoreans de 1981 con capacitores de flujo para ayudarlos a viajar en el tiempo, pero cuando terminé de investigar este artículo me di cuenta de que eran tan emocionante. (De acuerdo, tal vez no sea tan emocionante como eso del capacitor de flujo). Los motores OPOC son el producto de muchos pensamientos ingeniosos de ingenieros brillantes que no estaban dispuestos a aceptar que la forma en que los motores de combustión interna siempre se han hecho es la única manera que se pueden hacer. Sí, los OPOC han existido durante mucho tiempo (los primeros prototipos del motor OPOC se remontan al siglo XIX), pero los ingenieros automotrices, con un poco de ayuda del ala de investigación de vanguardia del ejército DARPA (el Proyecto de Investigación Avanzada de Defensa) Agencia), finalmente están teniendo su momento bajo el sol y nadie podría estar más emocionado que yo..

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Fuentes

• Ecomotors International. "Sistemas de propulsión limpios, eficientes y ligeros para un mundo mejor". (7 de marzo de 2012) http://www.ecomotors.com/technology
• DeMorro, Christopher. "El motor OPOC es más pequeño, más ligero y un 50% más eficiente que los turbodiésel". Gas 2. (7 de marzo de 2012) http://gas2.org/2011/02/02/opoc-engine-is-smaller-lighter-and-50-more-efficient-than-turbodiesels/
• Ecomotors International. "El motor de pistones opuestos y cilindros opuestos de EcoMotors International promete revolucionar el diseño de vehículos comerciales con motores potentes, livianos, de bajo consumo de combustible y bajas emisiones". (7 de marzo de 2012) http: //www.ecomotors.com/ecomotors-internationals-opposed-piston-opposed-cylinder-engine-promises-revolutionize-commercial-ve \
• Ciencia popular. "Motor OPOC EcoMotors". (7 de marzo de 2012) http://www.popsci.com/bown/2011/product/ecomotors-opoc-engine
• Ellzey, Curtis. "Motor de cilindro opuesto de pistón opuesto". (7 de marzo de 2012) http://www.engineeringtv.com/video/Opposed-Piston-Opposed-Cylinder
• Hofbauer, Peter. "Introducción a los EcoMotores con el Prof. Peter Hofbauer". (7 de marzo de 2012) http://www.ecomotors.com/videos/introduction-ecomotors-prof-peter-hofbauer
• Mraz, Stephen J. "Búsqueda de ideas: motor de pistón opuesto y cilindro opuesto aumenta la densidad de potencia". Diseno de la maquina. (7 de marzo de 2012) http://machinedesign.com/article/scanning-for-ideas-opposed-piston-opposed-cylinder-engine-bumps-up-the-power-density-0504
• Samid, Sam Abuel. "5 formas de rediseñar el motor de combustión interna". Mecánica popular. (7 de marzo de 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/industry/5-alternative-engine-architectures#slide-1
• Wojdyla, Ben. J. "Seis prototipos de motores para encender su cerebro". Mecánica popular. (7 de marzo de 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/fuel-economy/6-prototype-engines-to-get-your-brain-firing?click=main_sr#slide-1