Fonctionnement des moteurs à piston opposé à cylindre opposé (OPOC)

De meilleurs moteurs à combustion interne sont en route. Et quand nous disons mieux, nous voulons dire plus léger, plus économe en carburant et moins polluant. Jetez un œil à notre animation sur le fonctionnement du moteur OPOC. Andrew Holt / Choix du photographe / Getty Images

Les moteurs à combustion interne polluent l'air. Les moteurs à combustion interne volent à la planète des ressources précieuses et non renouvelables. Les moteurs à combustion interne nécessitent des combustibles fossiles qui lient économiquement les États-Unis à des pays avec lesquels nous préférerions ne pas faire affaire.

Et les moteurs à combustion interne ne disparaissent pas de sitôt.

Oh, bien sûr, vous avez entendu parler de toutes les nouvelles technologies qui devraient remplacer le moteur à combustion interne de tous les jours, des technologies comme les moteurs électriques, les groupes motopropulseurs hybrides, les piles à hydrogène et même les voitures fonctionnant à l'air comprimé, mais aucune de celles-ci. technologies est encore prête à sauver l'industrie automobile du moteur à combustion interne. Les moteurs électriques sont probablement notre meilleur pari pour l'avenir immédiat et il y a même des voitures sur le marché qui les utilisent comme source d'énergie, mais ils prennent du temps à se recharger, ont une autonomie limitée et ils ne peuvent pas simplement être alimentés. en cinq minutes à la station-service locale. En outre, voulez-vous vraiment rester coincé au milieu d'East Nowhere, en Amérique centrale, avec une batterie au lithium-ion morte et personne autour de qui n'a pas la moindre idée de comment le recharger? Les groupes motopropulseurs hybrides sont déjà tout à fait réalisables, comme le démontre l'énorme succès de la Toyota Prius, mais ils contiennent toujours des moteurs à combustion interne, donc ils ne résolvent pas vraiment le problème. Ils reportent simplement le jour où nous devrons enfin nous débarrasser de cette technologie désuète. Les voitures à pile à hydrogène seront vraiment étonnantes lorsqu'elles seront disponibles dans des véhicules pouvant être achetés et conduits par le consommateur moyen. Cela devrait être, oh, dans environ 20 à 30 ans, à peu près au moment où vous investirez dans votre première série de fausses dents. Et les voitures à air comprimé? Personne ne sait vraiment quand ceux-ci seront prêts à prendre la route, mais il faudra probablement encore un bon moment avant de pouvoir faire le plein de votre voiture à l'aide d'une pompe à vélo.

Ces technologies sont importantes. Des groupes de réflexion et des constructeurs automobiles les recherchent actuellement. Le transport utilisé par les enfants de vos enfants dépendra d'eux. Un jour, une ou toutes ces technologies libéreront le monde de sa dépendance incontrôlable aux combustibles fossiles. Mais en attendant, ce dont nous avons vraiment besoin, c'est de quelque chose qui puisse de manière réaliste être prêt pour une utilisation pratique dans les prochaines années: un meilleur moteur à combustion interne..

Voici la bonne nouvelle: de meilleurs moteurs à combustion interne sont en route. Et quand nous disons mieux, nous voulons dire plus léger, plus économe en carburant et moins polluant. Si nous ne pouvons pas encore mettre les moteurs à combustion interne au pâturage, nous pouvons au moins les faire se comporter un peu plus poliment pendant qu'ils galopent encore dans les rues publiques..

L'un des nouveaux types de moteurs à combustion interne les plus excitants est le moteur à cylindres opposés à pistons opposés, et si vous ne vous souvenez pas de toutes ces syllabes qui vous tordent la langue, vous pouvez simplement l'appeler un moteur OPOC. (Ne vous sentez pas mal. Tout le monde l'appelle aussi comme ça.) Les moteurs OPOC ne sont pas vraiment nouveaux - l'idée existe depuis un certain temps - mais une société appelée Ecomotor prend enfin au sérieux la construction d'OPOC qui seront prêts pour les véhicules grand public bien avant les piles à hydrogène font fureur dans le pays. Et comme preuve qu'Ecomotors propose une technologie sérieuse qui pourrait vraiment révolutionner la façon dont nous utilisons l'essence dans un proche avenir, un collègue nommé Bill Gates a déjà investi dans l'entreprise. Oui, ce Bill Gates, et personne ne peut dire que le co-fondateur de Microsoft ne sait rien des aspects pratiques de la technologie de pointe.

Mais qu'est-ce qu'un moteur OPOC exactement et en quoi diffère-t-il des moteurs à combustion interne que nous aimons et détestons tous? Pour répondre à cette question, nous vous donnerons d'abord un cours de recyclage sur les moteurs de voiture standard, puis nous vous montrerons comment les OPOC font à peu près la même chose mais juste un peu différemment - et un peu mieux..

Ce contenu n'est pas compatible sur cet appareil.

Il y a de fortes chances que le moteur de votre voiture ait quatre ou six cylindres. (Si vous avez plus de six cylindres, vous conduisez une vraie muscle car et vous ne cherchez probablement pas encore quelque chose qui rendra le moteur à combustion interne obsolète.) Un cylindre de moteur est exactement ce que cela ressemble - un trou cylindrique dans le moteur dans lequel vous pouvez placer un tube mobile, appelé piston. Et c'est ce piston, lorsqu'il est combiné avec de l'essence, de l'air et une bougie d'allumage, qui fournit la puissance motrice qui permet à votre voiture de foncer sur la route. C'est la version rapide et sale de l'histoire, de toute façon.

Les cylindres du moteur à combustion interne d'une automobile sont coiffés de sorte que les gaz contenus dans la zone entre le haut du piston et le haut du cylindre ne puissent pas s'échapper. Cependant, il existe également deux soupapes au niveau ou près du sommet de chaque cylindre qui peuvent être ouvertes et fermées mécaniquement. Ceux-ci sont conçus, respectivement, pour permettre à l'air et à l'essence d'entrer dans le cylindre (la soupape d'admission) et pour libérer les gaz d'échappement du cylindre (la soupape d'échappement) une fois le processus de combustion du moteur terminé. Ces soupapes s'ouvrent et se ferment d'une manière soigneusement synchronisée avec le mouvement du piston de sorte que l'échappement est libéré avant qu'une nouvelle alimentation en air frais entre.

C'est le mouvement du piston qui entraîne la voiture. Les pistons glissent parfaitement de haut en bas dans le cylindre car c'est pour cela qu'ils sont conçus. La plupart des voitures utilisent un moteur à quatre temps (ou cycle Otto), dans lequel il y a quatre étapes pour le mouvement du piston. Dans le premier, appelé course d'admission, la soupape d'admission s'ouvre et le piston se déplace vers le bas. Le vide créé par le piston descendant aspire de l'air avec une petite quantité d'essence dans la partie supérieure du cylindre. Une fois que le mélange a rempli l'espace disponible laissé par le piston descendant, la soupape d'admission se ferme et le piston remonte dans la course de compression, serrant le mélange air-carburant en une masse serrée remplie d'une telle énergie potentielle qu'il est qualifié d'explosif. . (Heureusement, il y a très peu d'essence dans le mélange, donc nous ne parlons pas d'explosif de qualité d'arme thermonucléaire mais de quelque chose qui ressemble plus à une bombe cerise.) Vient ensuite la partie du processus qui donne vraiment son coup de pied au moteur: la course de combustion, où la bougie d'allumage clignote et allume cette énergie potentielle comme un pétard dans une boîte de conserve, repoussant le piston vers le bas. Enfin, lors de la course d'échappement, la soupape d'échappement s'ouvre et le piston remonte vers le haut du cylindre, repoussant le résidu gazeux inutile de l'explosion de matières combustibles. Dès que la soupape d'échappement se ferme, le processus recommence.

Pendant que le piston monte et descend, il fait tourner le vilebrequin, une longue tige rotative qui convertit le mouvement de haut en bas des pistons en mouvement circulaire qui fait tourner les engrenages et les roues de la voiture. Dans la plupart des configurations de moteur standard (il y en a plusieurs), les cylindres viennent par paires, de sorte que le mouvement descendant d'un piston pendant une course crée la course ascendante de l'autre, un cycle qui pourrait théoriquement durer indéfiniment ... ou du moins jusqu'à l'essence s'épuise. Ce n'est pas exactement un mouvement perpétuel, mais si vous y réfléchissez, vous pourriez vous demander comment le mouvement des pistons a commencé en premier lieu. La réponse est que le cycle à quatre temps commence généralement par une courte rafale d'énergie de rotation vers le vilebrequin à partir d'un démarreur électrique, mais les premières voitures se sont mises en marche parce qu'un conducteur chanceux a dû tourner une manivelle manuelle pour tourner, oui , le vilebrequin. (Maintenant tu sais pourquoi ils appellent ça ainsi.) N'êtes-vous pas content de ne pas conduire de voitures à l'époque?

Ce cycle à quatre temps a été inventé au 19ème siècle - en fait, ses variantes remontent à la machine à vapeur - et il existe de nombreuses variantes. Voyons si nous pouvons en proposer un qui utilise deux fois moins de cylindres tout en obtenant autant de puissance.

Les travailleurs assemblent les moteurs des voitures Porsche 911 à l'usine Porsche de Zuffenhausen, en Allemagne. Une tâche complexe, sans aucun doute. Ecomotors estime que le nombre de pièces mobiles de son moteur est passé de 385 à 62, ce qui facilite grandement son entretien. Marco Prosch / Getty Images

Dans les moteurs à combustion interne dont nous avons parlé jusqu'à présent, les pistons fonctionnent en parallèle, chaque cylindre étant aligné sur le suivant et un piston séparé dans chacun. Mais que se passerait-il si nous pouvions coller deux pistons dans un cylindre et coordonner leurs actions de manière à ce qu'ils se fassent face - d'où le terme «cylindre opposé» - sans entrer en collision? Chacun de ces cylindres ne prendrait que la moitié de la longueur du cylindre, de sorte qu'il n'aurait à se déplacer que de la moitié de la distance d'un cylindre dans un moteur standard, économisant ainsi du carburant tout en fournissant le même effet de rotation sur le vilebrequin. Et le vilebrequin pourrait passer par le centre du cylindre, perpendiculairement au grand axe du cylindre, de sorte que les deux pistons pourraient faire tourner le vilebrequin lorsqu'ils se déplaçaient dans des directions opposées. Et ils pourraient mettre en commun leurs déchets d'échappement au centre du cylindre, de sorte que les extrémités du cylindre n'auraient pas à être bouchées pour empêcher les gaz d'échappement nocifs de s'échapper avant d'avoir besoin de.

Ne serait-ce pas cool? Vous pariez que ce serait!

C'est ce qu'on appelle un moteur à piston opposé, à cylindre opposé (OPOC). Dans le moteur OPOC conçu par Ecomotors pour la Defense Advanced Research Projects Agency (ou DARPA, et oui cela signifie que les premières applications sont susceptibles d'être militaires), les deux pistons du monocylindre sont effectivement entrelacés, chacun étant divisé en deux parties et se déplaçant à l'intérieur l'une de l'autre dans des directions opposées créant la course de compression, de sorte que les extrémités opposées d'une partie de chaque piston se ferment ensemble et compriment le mélange air-carburant entre elles tandis que les extrémités opposées de l'autre s'écartent pour admettre de l'air dans le écart pour créer la course d'admission. Puisque ces deux temps sont simultanés, toute l'action des pistons ne prend que deux mouvements de va-et-vient, ce qui en fait un moteur à deux temps au lieu du moteur à quatre temps plus conventionnel. Et comme ces deux pistons dans un cylindre effectuent le travail des deux pistons dans deux cylindres ordinaires, ils ne font que le travail qui se déroule normalement dans un cylindre, mais appliquent deux cylindres de mouvement au vilebrequin. Cela donne au moteur OPOC une densité de puissance élevée, c'est-à-dire un rapport puissance / masse du moteur lui-même élevé.

Et voici quelque chose qui distingue vraiment le moteur OPOC d'Ecomotor: il est modulaire. Vous pouvez en utiliser un, deux ou même trois assemblés avec un engrenage évolutif, d'un moteur à un cylindre (qui en termes de moteur normal est en fait un moteur à deux cylindres) à un trois cylindres (équivalent à un six temps) moteur) et au-delà. Continuez simplement à accrocher les cylindres ensemble pour rendre votre moteur plus gros et plus puissant. Et un moteur OPOC est mécaniquement beaucoup plus simple qu'un moteur à combustion interne standard. Dans la disposition standard, une série complexe et minutée de liaisons est nécessaire pour s'assurer que les soupapes d'admission et d'échappement sont ouvertes en cas de besoin. Cela signifie que le moteur a un nombre incroyablement petit de pièces mobiles. Par exemple, dans un cylindre à combustion interne classique, un mécanisme compliqué est nécessaire pour chronométrer la soupape d'admission et la soupape d'échappement de sorte qu'elles ne soient ouvertes que lorsque cela est nécessaire et ne soient jamais ouvertes simultanément. Mais dans le moteur OPOC, ces "soupapes" sont simplement des trous sur le côté du cylindre, qui sont recouverts et découverts par le glissement des pistons eux-mêmes, supprimant ainsi la nécessité d'un mécanisme compliqué pour les faire s'ouvrir et se fermer. Ecomotors estime que le nombre de pièces mobiles dans son moteur a été réduit de 385 à 62, ce qui signifie qu'il y a un sacré de pièces beaucoup moins qui nécessitent un entretien et peuvent se détériorer..

Le résultat est que les moteurs OPOC sont plus simples et donc moins susceptibles de tomber en panne. Ils sont également plus efficaces, perdent moins d'énergie en fonctionnement et - parce qu'ils font le travail de deux pistons avec un seul - peuvent produire beaucoup plus de puissance qu'un moteur à combustion interne standard pour une partie seulement du gaz. Est-ce le moteur du futur? Probablement. Au moins jusqu'à ce que cette pile à combustible nucléaire arrive.

Note de l'auteur: Fonctionnement des moteurs à piston opposé à cylindre opposé (OPOC)

Je ne fais pas partie de ces gars qui ont grandi la tête sous le capot d'une voiture en train de démonter le moteur et de le remonter juste pour voir si je pouvais le faire. Il est plus probable que vous me trouviez au clavier d'un ordinateur, à programmer dans des langages comme BASIC et C, ou à écrire des livres sur les raisons pour lesquelles la puissance de fusion contrôlée était la source d'énergie du futur. (J'attends toujours celui-là.) Mais quand j'ai commencé à écrire sur les voitures, il était tout à fait naturel pour moi de m'orienter vers l'écriture sur les technologies automobiles qui étaient à la fine pointe, les façons d'alimenter et d'utiliser des voitures qui étaient si avancées. , vous penseriez qu'ils auraient pu sortir tout droit d'un film comme Blade Runner ou Minority Report. Je ne sais pas pour vous, mais je ressens cette sensation de picotement le long de ma colonne vertébrale lorsque j'apprends quelque chose de nouveau, d'excitant et qui fait des choses d'une manière que les gens (dans ce cas, les ingénieurs automobiles) ne les ont jamais faites auparavant..

Les moteurs à cylindre opposé à piston opposé (OPOC) peuvent ne pas sembler aussi avant-gardistes que, par exemple, les voitures volantes ou les DeLoreans de 1981 avec des condensateurs de flux pour les aider à voyager dans le temps, mais au moment où j'ai fini de rechercher cet article, j'ai réalisé qu'ils étaient tout. aussi excitant. (D'accord, peut-être pas aussi excitant que ce truc de condensateur de flux.) Les moteurs OPOC sont le produit de beaucoup de réflexion ingénieuse par de brillants ingénieurs qui n'étaient pas prêts à accepter que la façon dont les moteurs à combustion interne ont toujours été faits est le seul moyen qu'ils peuvent être faits. Oui, les OPOC existent depuis longtemps - les premiers prototypes du moteur OPOC remontent au 19ème siècle - mais les ingénieurs automobiles, avec un peu d'aide de l'aile de recherche de pointe de l'armée DARPA (le Defense Advanced Research Project Agency), profitent enfin de leur moment au soleil et personne ne pourrait être plus excité que moi.

Articles Liés

• Car Smarts: Moteurs
• Comment fonctionnent les moteurs de voiture
• Comment fonctionnent les moteurs à deux temps
• Comment fonctionne un moteur à cycle Atkinson
• Comment fonctionne le Grail Engine
• Comment fonctionnent les moteurs à soupapes à manchon
• Comment fonctionne la voiture aérienne
• Taux de compression et indices d'octane: ce que vous devez savoir

Sources

• Ecomotors International. «Des systèmes de propulsion propres, efficaces et légers pour un monde meilleur». (7 mars 2012) http://www.ecomotors.com/technology
• DeMorro, Christopher. "Le moteur OPOC est plus petit, plus léger et 50% plus efficace que les turbodiesels." Gas 2. (7 mars 2012) http://gas2.org/2011/02/02/opoc-engine-is-smaller-lighter-and-50-more-effic-than-turbodiesels/
• Ecomotors International. "Le moteur à pistons opposés et cylindres opposés d'EcoMotors International promet de révolutionner la conception des véhicules commerciaux avec des moteurs puissants, légers, écoénergétiques et à faibles émissions." (7 mars 2012) http: //www.ecomotors.com/ecomotors-internationals-opposed-piston-opposed-cylinder-engine-promises-revolutionize-commercial-ve \
• Science populaire. «Moteur OPOC EcoMotors». (7 mars 2012) http://www.popsci.com/bown/2011/product/ecomotors-opoc-engine
• Ellzey, Curtis. «Moteur à cylindre opposé à piston». (7 mars 2012) http://www.engineeringtv.com/video/Opposed-Piston-Opposed-Cylinder
• Hofbauer, Peter. "Une introduction aux EcoMotors avec le professeur Peter Hofbauer." (7 mars 2012) http://www.ecomotors.com/videos/introduction-ecomotors-prof-peter-hofbauer
• Mraz, Stephen J. "À la recherche d'idées: un moteur à piston opposé et à cylindre opposé augmente la densité de puissance." Conception de la machine. (7 mars 2012) http://machinedesign.com/article/scanning-for-ideas-opposed-piston-opposed-cylinder-engine-bumps-up-the-power-density-0504
• Samid, Sam Abuel. "5 façons de repenser le moteur à combustion interne." Mécanique populaire. (7 mars 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/industry/5-alternative-engine-architectures#slide-1
• Wojdyla, Ben. J. "Six prototypes de moteurs pour stimuler votre cerveau." Mécanique populaire. (7 mars 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/fuel-economy/6-prototype-engines-to-get-your-brain-firing?click=main_sr#slide-1