Como Funcionam os Motores de Cilindro Oposto de Pistão Oposto (OPOC)

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Melhores motores de combustão interna estão a caminho. E quando dizemos melhor, queremos dizer mais leves, mais eficientes em termos de combustível e menos poluentes. Dê uma olhada em nossa animação de como funciona o mecanismo OPOC. Andrew Holt / Escolha do fotógrafo / Getty Images

Os motores de combustão interna poluem o ar. Os motores de combustão interna roubam do planeta recursos preciosos e não renováveis. Motores de combustão interna requerem combustíveis fósseis que prendem economicamente os Estados Unidos a países com os quais preferiríamos não fazer negócios.

E os motores de combustão interna não irão embora tão cedo.

Oh, claro, você ouviu sobre todas as novas tecnologias que deveriam substituir o motor de combustão interna a qualquer momento, tecnologias como motores elétricos, trens de força híbridos, células de combustível de hidrogênio e até mesmo carros que funcionam com ar comprimido, mas nenhum destes Technologies está pronta para salvar a indústria automobilística do motor de combustão interna ainda. Os motores elétricos são provavelmente a nossa melhor aposta para o futuro imediato e existem até alguns carros no mercado agora que os utilizam como fonte de energia, mas demoram a recarregar, têm uma autonomia limitada e não podem simplesmente ser abastecidos em cinco minutos na estação de serviço local. Além disso, você realmente quer ficar preso no meio de East Nowhere, Middle America, com uma bateria de íon de lítio morta e ninguém por perto que tenha a menor noção de como recarregá-la? Os trens de força híbridos já são bastante viáveis, como o grande sucesso do Toyota Prius demonstra, mas eles ainda contêm motores de combustão interna, então eles realmente não resolvem o problema. Eles apenas adiam o dia em que finalmente precisaremos nos livrar dessa tecnologia antiquada. Os carros com célula de combustível a hidrogênio serão realmente incríveis quando estiverem disponíveis em veículos que podem ser comprados e dirigidos pelo consumidor médio. Isso deve ser, oh, cerca de 20 a 30 anos a partir de agora, quando você investirá na sua primeira dentição postiça. E carros de ar comprimido? Ninguém sabe ao certo quando eles estarão prontos para cair na estrada, mas provavelmente ainda vai demorar um bom tempo antes que você possa reabastecer seu carro usando uma bomba de bicicleta.

Essas tecnologias são importantes. Think tanks e fabricantes de automóveis os estão pesquisando agora. O transporte que os filhos de seus filhos utilizam dependerá deles. Algum dia, uma ou todas essas tecnologias irão libertar o mundo de seu vício descontrolado em combustíveis fósseis. Mas, entretanto, o que realmente precisamos é de algo que possa estar realisticamente pronto para uso prático nos próximos anos: um motor de combustão interna melhor.

Aqui está a boa notícia: melhores motores de combustão interna estão a caminho. E quando dizemos melhor, queremos dizer mais leves, mais eficientes em termos de combustível e menos poluentes. Se ainda não podemos colocar os motores de combustão interna em pasto, podemos pelo menos fazer com que se comportem um pouco mais educadamente enquanto ainda estão galopando nas ruas públicas.

Um dos novos tipos mais excitantes de motores de combustão interna é o motor de pistão oposto e cilindro oposto, e se você não consegue se lembrar de todas aquelas sílabas torturantes, pode simplesmente chamá-lo de motor OPOC. (Não se sinta mal. Todo mundo chama isso também.) Os motores OPOC não são realmente novos - a ideia já existe há um tempo - mas uma empresa chamada Ecomotor está finalmente levando a sério a construção de OPOCs que estarão prontos para veículos de consumo muito antes das células de combustível de hidrogênio estarem na moda no país. E como prova de que a Ecomotors está oferecendo tecnologia séria que realmente pode revolucionar a forma como usamos a gasolina em um futuro próximo, um colega chamado Bill Gates já investiu na empresa. Sim, aquele Bill Gates, e ninguém pode dizer que o cofundador da Microsoft não sabe uma coisa ou duas sobre os aspectos práticos da tecnologia de ponta.

Mas o que exatamente é um motor OPOC e como ele difere dos motores de combustão interna que todos nós amamos e odiamos? Para responder a essa pergunta, primeiro daremos um curso de atualização em motores de carro padrão e, em seguida, mostraremos como os OPOCs fazem praticamente a mesma coisa, mas apenas um pouco diferente - e um pouco melhor.

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As chances são de que o motor do seu carro tenha quatro ou seis cilindros. (Se você tem mais de seis cilindros, então está dirigindo um verdadeiro muscle car e provavelmente ainda não está procurando algo que tornará o motor de combustão interna obsoleto.) Um cilindro de motor é exatamente o que parece - um orifício cilíndrico no motor no qual você pode colocar um tubo móvel, chamado pistão. E é esse pistão, quando combinado com gasolina, ar e uma vela de ignição que fornece a força motriz que faz seu carro voar pela estrada. Essa é a versão rápida e suja da história, de qualquer maneira.

Os cilindros do motor de combustão interna de um automóvel são tampados para que os gases retidos na área entre o topo do pistão e o topo do cilindro não possam escapar. No entanto, também existem duas válvulas no topo ou próximo a cada cilindro que podem ser abertas e fechadas mecanicamente. Eles são projetados, respectivamente, para permitir que o ar e a gasolina entrem no cilindro (a válvula de admissão) e para liberar a exaustão do cilindro (a válvula de exaustão) após o processo de combustão do motor ser concluído. Essas válvulas abrem e fecham de maneira cuidadosamente sincronizada com o movimento do pistão, de modo que a exaustão seja liberada antes que um novo suprimento de ar fresco flua para dentro.

É o movimento do pistão que move o carro. Os pistões deslizam ordenadamente para cima e para baixo no cilindro porque é para isso que foram projetados. A maioria dos carros usa um motor de quatro tempos (ou ciclo Otto), no qual existem quatro estágios para o movimento do pistão. No primeiro, denominado curso de admissão, a válvula de admissão se abre e o pistão se move para baixo. O vácuo criado pelo pistão que se move para baixo suga o ar junto com uma pequena quantidade de gasolina para a parte superior do cilindro. Uma vez que a mistura preencheu o espaço disponível deixado pelo pistão descendente, a válvula de admissão fecha e o pistão sobe novamente no curso de compressão, comprimindo a mistura ar-combustível em uma massa compacta embalada com tanta energia potencial que se qualifica como um explosivo . (Felizmente, há muito pouca gasolina na mistura, então não estamos falando de um explosivo de qualidade de arma termonuclear, mas algo mais como uma bomba cereja.) Em seguida, vem a parte do processo que realmente dá impulso ao motor: o curso de combustão, onde a vela de ignição pisca e acende aquela energia potencial como um foguete em uma lata, empurrando o pistão para baixo novamente. Finalmente, no curso do escapamento, a válvula do escapamento se abre e o pistão sobe de volta ao topo do cilindro, empurrando para fora o resíduo gasoso e inútil da explosão de materiais combustíveis. Assim que a válvula de escape fecha, o processo começa tudo de novo.

Enquanto o pistão sobe e desce, ele gira o virabrequim, uma longa haste giratória que converte o movimento para cima e para baixo dos pistões em movimento circular que faz as engrenagens e rodas do carro girarem. Na maioria dos arranjos de motor padrão (existem alguns), os cilindros vêm em pares, de modo que o movimento descendente de um pistão durante um curso cria o curso ascendente do outro, um ciclo que teoricamente poderia durar para sempre ... ou pelo menos até a gasolina acaba. Este não é exatamente um movimento perpétuo, mas se você pensar sobre isso, pode perguntar como o movimento dos pistões começou. A resposta é que o ciclo de quatro tempos geralmente começa com uma pequena explosão de energia rotacional para o virabrequim de um motor elétrico de partida, mas os primeiros carros começaram a funcionar porque algum motorista sortudo teve que girar uma manivela manual para girar, sim , o virabrequim. (Agora você sabe por que eles chamam assim.) Você não está feliz por não ter dirigido carros naquela época?

Este ciclo de quatro tempos foi inventado no século 19 - na verdade, as variações dele remontam à máquina a vapor - e há muitas variações nele. Vamos ver se podemos chegar a um que use metade dos cilindros, mas consiga a mesma potência.

Trabalhadores montam motores para carros Porsche 911 na fábrica da Porsche em Zuffenhausen, Alemanha. Tarefa complexa, sem dúvida. A Ecomotors estima que o número de peças móveis em seu motor foi reduzido de 385 para 62, tornando a manutenção muito mais fácil. Marco Prosch / Getty Images

Nos motores de combustão interna que falamos até agora, os pistões operam em paralelo, com cada cilindro alinhado com o próximo e um pistão separado em cada um. Mas e se pudéssemos enfiar dois pistões em um cilindro e coordenar suas ações de forma que fiquem frente a frente - daí o termo "cilindro oposto" - mas não colidam? Cada um desses cilindros ocuparia apenas a metade do comprimento do cilindro, de modo que teria que se mover apenas a metade da distância de um cilindro em um motor padrão, economizando combustível, mas ainda fornecendo o mesmo efeito de rotação no virabrequim. E o virabrequim poderia passar pelo centro do cilindro, perpendicular ao longo eixo do cilindro, de modo que ambos os pistões pudessem girar o virabrequim conforme se movessem em direções opostas. E eles podiam acumular seus resíduos de exaustão no centro do cilindro, de modo que as extremidades do cilindro não precisassem ser tampadas para evitar que os gases nocivos escapassem antes que precisassem.

Não seria legal? Pode apostar que seria!

Isso é chamado de motor de pistão oposto e cilindro oposto (OPOC). No motor OPOC desenvolvido pela Ecomotors para a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (ou DARPA, e sim, isso significa que as primeiras aplicações provavelmente serão militares), os dois pistões em um único cilindro são efetivamente entrelaçados, com cada um dividido em duas partes e movendo-se dentro um do outro em direções opostas, criando o curso de compressão, de modo que as extremidades opostas de uma parte de cada pistão se fechem juntas e comprimam a mistura de ar e combustível entre eles, enquanto as extremidades opostas da outra se afastam para admitir o ar no lacuna para criar o curso de admissão. Uma vez que esses dois tempos são simultâneos, toda a ação dos pistões leva apenas dois movimentos para frente e para trás, tornando este um motor de dois tempos em vez do motor de quatro tempos mais convencional. E como esses dois pistões em um cilindro realizam o trabalho dos dois pistões em dois cilindros comuns, eles fazem apenas o trabalho que normalmente ocorre em um cilindro, mas aplicam o movimento de dois cilindros ao virabrequim. Isso dá ao motor OPOC uma alta densidade de potência - ou seja, uma alta proporção de potência para a massa do próprio motor.

E aqui está algo que realmente faz o motor OPOC da Ecomotor se destacar da multidão: é modular. Você pode usar um, dois ou até três deles unidos por um arranjo de engrenagens escalável, de um motor de um cilindro (que em termos normais de motor é realmente um motor de dois cilindros) até um de três cilindros (equivalente a seis tempos motor) e além. Continue enganchando os cilindros para tornar o motor maior e mais potente. E um motor OPOC é mecanicamente muito mais simples do que um motor de combustão interna padrão. No arranjo padrão, uma série complexa e precisamente cronometrada de ligações é necessária para garantir que as válvulas de admissão e exaustão estejam abertas quando necessário. Isso significa que o motor tem um número incrivelmente pequeno de peças móveis. Por exemplo, em um cilindro de combustão interna convencional, um mecanismo complicado é necessário para sincronizar a válvula de admissão e a válvula de escape de modo que elas sejam abertas somente quando necessário e nunca abertas simultaneamente. Mas no motor OPOC, essas "válvulas" são simplesmente orifícios na lateral do cilindro, que são cobertos e descobertos pelo deslizamento dos próprios pistões, eliminando assim a necessidade de um mecanismo complicado para fazê-los abrir e fechar. A Ecomotors estima que o número de peças móveis em seu motor foi reduzido de 385 para 62, o que significa que há muito menos peças que precisam de manutenção e podem estragar.

O resultado é que os motores OPOC são mais simples e, portanto, menos propensos a quebrar. Eles também são mais eficientes, perdem menos energia durante a operação e - porque fazem o trabalho de dois pistões com apenas um - podem produzir muito mais potência do que um motor de combustão interna padrão para apenas uma parte do gás. Este é o motor do futuro? Provavelmente. Pelo menos até que a célula de combustível nuclear apareça.

Nota do autor: Como funcionam os motores de cilindro oposto de pistão oposto (OPOC)

Não sou um daqueles caras que cresceram com a cabeça embaixo do capô de um carro, desmontando o motor e montando-o de novo só para ver se conseguia. É mais provável que você me encontre no teclado de um computador, programando em linguagens como BASIC e C, ou escrevendo livros sobre por que a energia de fusão controlada era a fonte de energia do futuro. (Ainda estou esperando por isso.) Mas quando comecei a escrever sobre carros, era natural para mim gravitar em torno de escrever sobre tecnologias automotivas que estavam nas bordas sangrentas, maneiras de fornecer energia e usar carros que eram tão avançados , você pensaria que eles podem ter saído direto de um filme como Blade Runner ou Minority Report. Não sei sobre você, mas fico com uma sensação de formigamento na espinha quando aprendo sobre algo que é novo, empolgante e faz as coisas de uma maneira que as pessoas (neste caso, os engenheiros automotivos) nunca fizeram antes.

Motores de cilindro oposto a pistão oposto (OPOC) podem não soar tão velozes quanto, digamos, carros voadores ou DeLoreans 1981 com capacitores de fluxo para ajudá-los a viajar no tempo, mas quando terminei de pesquisar este artigo, percebi que eles eram todos os bits tão emocionante. (Ok, talvez não tão empolgante quanto aquela coisa do capacitor de fluxo.) Os motores OPOC são o produto de muitos pensamentos engenhosos de engenheiros brilhantes que não estavam dispostos a aceitar que a forma como os motores de combustão interna sempre foram feitos é a única maneira que eles podem ser feitos. Sim, os OPOCs já existem há muito tempo - os primeiros protótipos do motor OPOC remontam ao século 19 - mas os engenheiros automotivos, com uma pequena ajuda da ala de pesquisa de ponta militar DARPA (o Projeto de Pesquisa Avançada de Defesa Agência), estão finalmente tendo seu momento ao sol e ninguém poderia estar mais animado do que eu.

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Fontes

  • Ecomotors International. "Sistemas de propulsão limpos, eficientes e leves para um mundo melhor." (7 de março de 2012) http://www.ecomotors.com/technology
  • DeMorro, Christopher. "O motor OPOC é menor, mais leve e 50% mais eficiente do que os turbodiesel." Gas 2. (7 de março de 2012) http://gas2.org/2011/02/02/opoc-engine-is-smaller-lighter-and-50-more-efficient-than-turbodiesels/
  • Ecomotors International. "O motor de pistão oposto e cilindro oposto da EcoMotors International promete revolucionar o design de veículos comerciais com motores potentes, leves, com baixo consumo de combustível e de baixas emissões." (7 de março de 2012) http: //www.ecomotors.com/ecomotors-internationals-opposed-piston-opposed-cylinder-engine-promises-revolutionize-commercial-ve \
  • Ciência popular. "EcoMotors OPOC Engine." (7 de março de 2012) http://www.popsci.com/bown/2011/product/ecomotors-opoc-engine
  • Ellzey, Curtis. "Motor de cilindro oposto a pistão oposto." (7 de março de 2012) http://www.engineeringtv.com/video/Opposed-Piston-Opposed-Cylinder
  • Hofbauer, Peter. "Uma introdução aos EcoMotors com o Prof. Peter Hofbauer." (7 de março de 2012) http://www.ecomotors.com/videos/introduction-ecomotors-prof-peter-hofbauer
  • Mraz, Stephen J. "Procurando ideias: motor de pistão oposto e cilindro oposto aumenta a densidade de potência." Projeto da máquina. (7 de março de 2012) http://machinedesign.com/article/scanning-for-ideas-opposed-piston-opposed-cylinder-engine-bumps-up-the-power-density-0504
  • Samid, Sam Abuel. "5 maneiras de redesenhar o motor de combustão interna." Mecânica popular. (7 de março de 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/industry/5-alternative-engine-architectures#slide-1
  • Wojdyla, Ben. J. "Seis motores de protótipo para fazer seu cérebro disparar." Mecânica popular. (7 de março de 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/fuel-economy/6-prototype-engines-to-get-your-brain-firing?click=main_sr#slide-1



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