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

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

Dos cilindros por el precio de uno

Es probable que el motor de su automóvil tenga cuatro o seis cilindros. (Si tienes más de seis cilindros, conduces un verdadero muscle car, y probablemente no estés buscando algo que haga obsoleto el motor de combustión interna todavía). Un cilindro de motor es exactamente lo que parece: un agujero cilíndrico en el motor. un tubo móvil, llamado pistón. Y es ese pistón, cuando se combina con gasolina, aire y una bujía, lo que proporciona la fuerza motriz que mantiene su automóvil en la carretera. De todos modos, es la versión rápida y sucia de la historia.

Los cilindros del motor de combustión interna de un automóvil están obstruidos, por lo que los gases en el área entre la parte superior del pistón y la parte superior del cilindro no pueden 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 el aire y la gasolina ingresen al cilindro (la válvula de admisión) y liberar el escape del cilindro (la válvula de escape) al final del proceso de combustión del motor. Estas válvulas se abren y cierran sincronizadas con precisión con el movimiento del pistón, por lo que el escape se libera antes de que entre un nuevo suministro de aire fresco.

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Es el movimiento del pistón lo que mueve el automóvil. Los pistones se deslizan perfectamente hacia arriba y hacia abajo del cilindro porque para eso fueron diseñados. La mayoría de los coches utilizan un motor de cuatro tiempos (o ciclo Otto), en el que el movimiento del pistón tiene cuatro fases. En la primera, llamada carrera de admisión, la válvula de admisión se abre y el pistón desciende. El vacío creado por el pistón descendente extrae aire y una pequeña cantidad de gasolina de 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 sube en la carrera de compresión, comprimiendo la mezcla de aire y combustible en una masa restringida llena de un potencial energético que califica como explosivo. . (Afortunadamente, hay muy poca gasolina en la mezcla, por lo que no estamos hablando de un explosivo de arma termonuclear, sino de algo así como una bomba de cereza). Luego viene la parte del proceso que realmente comienza. combustión, donde la bujía enciende y enciende esta energía potencial como un cohete en un bote, empujando el pistón hacia atrás. Finalmente, en la fase de escape, la válvula de escape se abre y el pistón se eleva hacia la parte superior del cilindro, expulsando los residuos gaseosos inútiles de la explosión de materiales combustibles. Tan pronto como se cierra la válvula de drenaje, el proceso comienza de nuevo.

A medida que el pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo, hace girar el cigüeñal, una varilla giratoria larga 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 configuraciones de motor estándar (hay algunas), los cilindros están en pares, por lo 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 en absoluto. menos hasta que se acabe el gas. No es exactamente un movimiento perpetuo, pero si lo piensa, es posible que se pregunte cómo comenzó el movimiento del pistón. La respuesta es que el ciclo de cuatro tiempos generalmente comienza con un breve pulso de energía de rotación en el cigüeñal de un motor de arranque eléctrico, pero los primeros autos arrancaron porque un conductor afortunado tuvo que girar una manivela. Cigüeñal. (Ahora ya sabe por qué lo llaman así). ¿No se alegra de no haber conducido automóviles entonces?

Este ciclo de cuatro tiempos se inventó en el siglo XIX; de hecho, sus variantes se remontan a la máquina de vapor, y hay muchas variaciones. Veamos si podemos encontrar uno que use la mitad de los cilindros y aún obtenga tantos caballos de fuerza.

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Cuando dos pistones chocan, ambos ganan

Los trabajadores ensamblan los motores de los automóviles Porsche 911 en la fábrica de Porsche en Zuffenhausen, Alemania. 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 mucho el mantenimiento.

Marco Prosch / Getty Images

En los motores de combustión interna de los que hemos hablado hasta ahora, los pistones funcionan en paralelo, con cada cilindro alineado con el siguiente y un pistón separado en cada uno. Pero, ¿qué pasaría si pudiéramos pegar dos pistones en un cilindro y coordinar sus acciones para 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 recorrer la mitad de la distancia de un cilindro en un motor estándar, ahorrando combustible y proporcionando el mismo efecto de giro del cigüeñal. Y el cigüeñal podría pasar por el centro del cilindro, perpendicular al eje largo del cilindro, por lo que ambos pistones pueden girar el cigüeñal mientras se mueven en direcciones opuestas. Y podrían poner sus ventiladores de escape juntos en el centro del cilindro, por lo que no es necesario tapar los extremos del cilindro para evitar que los gases dañinos se escapen antes que ellos.

¿No sería bueno? ¡Puedes apostar!

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Esto se denomina motor de pistón y cilindro opuestos (OPOC). En el motor OPOC diseñado por Ecomotors para la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (o DARPA, y sí, eso significa que las primeras aplicaciones probablemente serán militares), los dos pistones de un solo cilindro están efectivamente entrelazados, cada uno dividido en dos partes. y moviéndose uno hacia el otro en direcciones opuestas creando la carrera de compresión de modo que los extremos opuestos de una parte de cada pistón se cierren y compriman la mezcla de aire y combustible mientras que los extremos opuestos del otro divergen para inyectar aire en el espacio para crear la carrera de succión . Dado que estos dos tiempos son simultáneos, toda la acción del pistón 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 hacen el trabajo de dos pistones en dos cilindros ordinarios, simplemente hacen el trabajo que normalmente ocurre en un cilindro, pero aplican dos cilindros de movimiento al cigüeñal. Esto le da al motor OPOC una alta densidad de potencia, es decir, una alta relación potencia / masa del propio motor.

Y aquí hay algo que realmente distingue al motor OPOC Ecomotor del resto: es modular. Puede usar uno, dos o incluso tres junto con un sistema de engranajes escalable, desde un motor de un solo cilindro (que en términos de un motor normal es en realidad un motor de dos cilindros) hasta uno de tres cilindros (equivalente a seis cilindros). – motor de carrera) y más allá. Siga enganchando los cilindros para hacer que el 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 requieren una serie de conexiones complejas y sincronizadas con precisión para garantizar que las válvulas de admisión y escape se abran cuando sea necesario. Esto significa que el motor tiene una cantidad increíblemente pequeña de partes móviles. Por ejemplo, en un cilindro de combustión interna convencional, se necesita un mecanismo complicado para sincronizar la válvula de admisión y la válvula de escape de modo que solo se abran cuando sea necesario y nunca se abran al mismo tiempo. Pero en el motor OPOC, estas “válvulas” son simplemente orificios en el costado del cilindro, que quedan cubiertos y descubiertos por el deslizamiento de los pistones, eliminando así la necesidad de un complicado mecanismo para abrirlos y cerrarlos. Ecomotors estima que la cantidad de piezas móviles de su motor se ha reducido de 385 a 62, lo que significa que hay muchas menos piezas que requieren mantenimiento y podrían deteriorarse.

El resultado es que los motores OPOC son más simples y, por lo tanto, menos propensos a fallar. También son más eficientes, desperdician menos energía durante el funcionamiento y, debido a que hacen el trabajo de dos pistones con uno, pueden producir mucha más potencia que un motor de pistón. combustión interna normal para solo una parte del gas. . ¿Es el motor del futuro? Probablemente. Al menos hasta que llegue esta pila de combustible nuclear.

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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.  Vea nuestra animación sobre cómo funciona el mecanismo 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. Vea nuestra animación sobre cómo funciona el mecanismo 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 no renovables. Los motores de combustión interna requieren combustibles fósiles que vinculen económicamente a Estados Unidos con países con los que preferiríamos no hacer negocios.

Y los motores de combustión interna no desaparecerán pronto.

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Claro, ha oído hablar de todas las nuevas tecnologías que deberían reemplazar el motor de combustión interna de la noche a la mañana, tecnologías como motores eléctricos, motores híbridos, celdas de combustible de hidrógeno e incluso automóviles de aire comprimido, pero ninguna de estas tecnologías todavía está preparada para salvar la industria automotriz. del motor de combustión interna. Los motores eléctricos son probablemente nuestra mejor apuesta para el futuro previsible e incluso hay automóviles en el mercado ahora que los usan como fuente de energía, pero tardan en recargarse, tienen un alcance limitado y no pueden simplemente funcionar. en cinco minutos en la gasolinera local. Además, ¿de verdad quieres estar atrapado en el medio de East Nowhere, Centroamérica, con una batería de iones de litio agotada y sin nadie a tu alrededor que sepa cómo cargarla? Los trenes de potencia híbridos son lo suficientemente viables, como lo demuestra el gran éxito del Toyota Prius, pero aún contienen motores de combustión interna, por lo que realmente no resuelven el problema. Simplemente están retrasando el día en que finalmente tengamos que deshacernos de esta tecnología arcaica. Los coches de pila de combustible de hidrógeno serán realmente asombrosos cuando estén disponibles en vehículos que el consumidor medio pueda comprar y conducir. Debe tener entre 20 y 30 años cuando invierte en su primera dentadura postiza. ¿Qué pasa con los coches de aire comprimido? Nadie sabe con certeza cuándo estarán listos para salir a la carretera, pero probablemente pasará algún 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 estudiando ahora. El medio de transporte que utilicen los hijos de tus hijos dependerá de ellos. Algún día, una o todas estas tecnologías librarán al mundo de su incontrolable dependencia de los combustibles fósiles. Mientras tanto, lo que realmente necesitamos es algo que pueda estar listo 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 repasar los motores de combustión interna, al menos podemos hacer que se comporten un poco más cortésmente mientras siguen galopando por las calles públicas.

Uno de los nuevos tipos más emocionantes de motores de combustión interna es el motor de pistón-cilindro opuesto, y si no puede recordar todas esas sílabas distorsionadas, llámelo motor OPOC. (No se sienta mal. Todo el mundo también.) Los motores OPOC no son realmente nuevos, la idea ha existido por un tiempo, pero una compañía llamada Ecomotor finalmente se está haciendo cargo de la construcción OPOC, lo que será serio. listo para los vehículos tradicionales mucho antes de que las pilas de combustible de hidrógeno estuvieran de moda en el país. Y como prueba de que Ecomotors tiene una tecnología seria que realmente podría revolucionar la forma en que usamos la gasolina en un futuro cercano, un hombre llamado Bill Gates ya ha invertido en la empresa. 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 lo mismo, pero un poco diferente y un poco mejor.

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