I motori a combustione interna inquinano l'aria. I motori a combustione interna derubano il pianeta di risorse preziose e non rinnovabili. I motori a combustione interna richiedono combustibili fossili che legano economicamente gli Stati Uniti a paesi con cui preferiremmo non fare affari.
E i motori a combustione interna non scompariranno presto.
Oh, certo, hai sentito parlare di tutte le nuove tecnologie che dovrebbero sostituire il motore a combustione interna da un giorno all'altro, tecnologie come motori elettrici, propulsori ibridi, celle a combustibile a idrogeno e persino automobili che funzionano ad aria compressa, ma nessuna di queste le tecnologie sono ancora pronte a salvare l'industria automobilistica dal motore a combustione interna. I motori elettrici sono probabilmente la soluzione migliore per l'immediato futuro e ora ci sono anche alcune auto sul mercato che li utilizzano come fonte di alimentazione, ma richiedono tempo per ricaricarsi, hanno un'autonomia limitata e non possono essere semplicemente alimentati in cinque minuti alla stazione di servizio locale. Inoltre, vuoi davvero rimanere bloccato nel mezzo di East Nowhere, Middle America, con una batteria agli ioni di litio scarica e nessuno in giro che abbia la più vaga idea di come ricaricarla? I propulsori ibridi sono già abbastanza fattibili, come dimostra l'enorme successo della Toyota Prius, ma contengono ancora motori a combustione interna, quindi non risolvono davvero il problema. Rimandano semplicemente il giorno in cui dovremo finalmente sbarazzarci di questa tecnologia antiquata. Le auto a celle a combustibile a idrogeno saranno davvero sorprendenti quando saranno disponibili in veicoli che possono essere acquistati e guidati dal consumatore medio. Dovrebbe essere, oh, tra 20 e 30 anni, più o meno nel periodo in cui investirai nella tua prima serie di denti falsi. E le auto ad aria compressa? Nessuno sa davvero quando saranno pronti a mettersi in viaggio, ma probabilmente passerà un bel po' di tempo prima che tu possa rifornire la tua auto usando una pompa da bicicletta.
Queste tecnologie sono importanti. I Think Tank e le case automobilistiche li stanno ricercando in questo momento. Il trasporto utilizzato dai bambini dei tuoi figli dipenderà da loro. Un giorno una o tutte queste tecnologie libereranno il mondo dalla sua incontrollabile dipendenza dai combustibili fossili. Ma nel frattempo ciò di cui abbiamo veramente bisogno è qualcosa che possa essere realisticamente pronto per l'uso pratico nei prossimi anni:un motore a combustione interna migliore.
Ecco la buona notizia:stanno arrivando motori a combustione interna migliori. E quando diciamo meglio intendiamo più leggeri, più efficienti nei consumi e meno inquinanti. Se non riusciamo ancora a far funzionare i motori a combustione interna, possiamo almeno farli comportare un po' più educatamente mentre stanno ancora galoppando per le strade pubbliche.
Uno dei nuovi tipi più eccitanti di motori a combustione interna è il motore a cilindro contrapposto a pistoni contrapposti, e se non riesci a ricordare tutte quelle sillabe scioglilingua puoi semplicemente chiamarlo motore OPOC. (Non sentirti male. Lo chiamano anche tutti gli altri.) I motori OPOC non sono davvero nuovi - l'idea è in circolazione da un po' - ma una società chiamata Ecomotor sta finalmente prendendo sul serio la costruzione di OPOC che saranno pronti per veicoli di consumo molto prima che le celle a combustibile a idrogeno diventino la rabbia della nazione. E come prova che Ecomotors sta offrendo una tecnologia seria che potrebbe davvero rivoluzionare il modo in cui utilizziamo la benzina nel prossimo futuro, un collega di nome Bill Gates ha già investito nell'azienda. Sì, quello Bill Gates, e nessuno può dire che il co-fondatore di Microsoft non sappia una o due cose sugli aspetti pratici della tecnologia all'avanguardia.
Ma cos'è esattamente un motore OPOC e in che cosa si differenzia dai motori a combustione interna che tutti noi amiamo e odiamo? Per rispondere a questa domanda, ti daremo prima un corso di aggiornamento sui motori delle auto standard, quindi ti mostreremo come gli OPOC fanno più o meno la stessa cosa ma solo in modo leggermente diverso e un po' meglio.
È probabile che il motore della tua auto abbia quattro o sei cilindri. (Se hai più di sei cilindri, allora stai guidando una vera muscle car e probabilmente non stai ancora cercando qualcosa che renda obsoleto il motore a combustione interna.) Un cilindro del motore è proprio quello che sembra:un foro cilindrico nel motore in cui è possibile inserire un tubo mobile, chiamato pistone. Ed è quel pistone, quando combinato con benzina, aria e una candela che fornisce la forza motrice che fa sfrecciare la tua auto lungo la strada. Questa è comunque la versione rapida e sporca della storia.
I cilindri del motore a combustione interna di un'automobile sono chiusi in modo che i gas trattenuti nell'area tra la parte superiore del pistone e la parte superiore del cilindro non possano fuoriuscire. Tuttavia, ci sono anche due valvole in cima o vicino alla parte superiore di ciascun cilindro che possono essere aperte e chiuse meccanicamente. Questi sono progettati, rispettivamente, per consentire l'ingresso di aria e benzina nel cilindro (la valvola di aspirazione) e per rilasciare lo scarico dal cilindro (la valvola di scarico) dopo che il processo di combustione del motore è completo. Queste valvole si aprono e si chiudono in modo sincronizzato con il movimento del pistone in modo che lo scarico venga rilasciato prima che una nuova alimentazione di aria fresca entri.
È il movimento del pistone che guida l'auto. I pistoni scorrono ordinatamente su e giù nel cilindro perché è quello per cui sono progettati. La maggior parte delle auto utilizza un motore a quattro tempi (o ciclo Otto), in cui ci sono quattro fasi per il movimento del pistone. Nella prima, detta corsa di aspirazione, la valvola di aspirazione si apre e il pistone si sposta verso il basso. Il vuoto creato dal pistone che si muove verso il basso aspira aria insieme a una piccola quantità di benzina nella parte superiore del cilindro. Una volta che la miscela ha riempito lo spazio disponibile lasciato dal pistone discendente, la valvola di aspirazione si chiude e il pistone si rialza nella corsa di compressione, comprimendo la miscela aria-carburante in una massa compatta e carica di tanta energia potenziale da qualificarsi come esplosivo . (Fortunatamente c'è pochissima benzina nella miscela, quindi non stiamo parlando di esplosivo di qualità da arma termonucleare, ma qualcosa di più simile a una bomba alla ciliegia.) Poi arriva la parte del processo che dà davvero il suo impulso al motore:il colpo di combustione, dove la candela lampeggia e accende quell'energia potenziale come un petardo in un barattolo di latta, spingendo di nuovo il pistone verso il basso. Infine, nella corsa di scarico, la valvola di scarico si apre, e il pistone risale alla sommità del cilindro, spingendo fuori l'inutile residuo gassoso dell'esplosione di materiali combustibili. Non appena la valvola di scarico si chiude, il processo ricomincia da capo.
Mentre il pistone sale e scende, fa girare l'albero a gomiti, una lunga asta rotante che converte il movimento su e giù dei pistoni nel movimento circolare che fa girare gli ingranaggi e le ruote dell'auto. Nella maggior parte delle disposizioni del motore standard (ce ne sono parecchie), i cilindri sono in coppia, in modo che il movimento verso il basso di un pistone durante una corsa crei la corsa verso l'alto dell'altro, un ciclo che potrebbe teoricamente durare all'infinito ... o al almeno finché non finisce la benzina. Questo non è esattamente un moto perpetuo, ma se ci pensi potresti chiederti come è iniziato il movimento dei pistoni in primo luogo. La risposta è che il ciclo a quattro tempi di solito inizia con una breve esplosione di energia rotazionale all'albero motore da un motorino di avviamento elettrico, ma le prime auto si sono messe in moto perché qualche fortunato guidatore ha dovuto girare una manovella azionata a mano per ruotare, sì , l'albero a gomiti. (Ora sai perché lo chiamano così.) Non sei contento di non guidare le macchine allora?
Questo ciclo a quattro tempi è stato inventato nel 19° secolo - infatti, le variazioni su di esso risalgono al motore a vapore - e ci sono molte variazioni su di esso. Vediamo se riusciamo a trovarne uno che utilizzi la metà dei cilindri e allo stesso tempo riceva la stessa potenza.
Nei motori a combustione interna di cui abbiamo parlato finora, i pistoni funzionano in parallelo, con ogni cilindro allineato al successivo e un pistone separato in ciascuno. Ma cosa accadrebbe se potessimo infilare due pistoni in un cilindro e coordinare le loro azioni in modo che si fronteggiano - da qui il termine "cilindro opposto" - ma non si scontrano? Ciascuno di questi cilindri occuperebbe solo metà della lunghezza del cilindro, quindi dovrebbe spostarsi solo per metà della distanza di un cilindro in un motore standard, risparmiando così carburante ma fornendo comunque lo stesso effetto rotante sull'albero motore. E l'albero a gomiti potrebbe passare attraverso il centro del cilindro, perpendicolarmente all'asse lungo del cilindro, in modo che entrambi i pistoni possano ruotare l'albero a gomiti mentre si muovono in direzioni opposte. E potrebbero raggruppare i loro rifiuti di scarico al centro del cilindro, in modo che le estremità del cilindro non debbano essere tappate per evitare che i gas di scarico nocivi fuoriescano prima del necessario.
Non sarebbe bello? Ci puoi scommettere!
Questo è chiamato motore OPOC a pistoni contrapposti e cilindri contrapposti. Nel motore OPOC ideato da Ecomotors per la Defense Advanced Research Projects Agency (o DARPA, e sì questo significa che le prime applicazioni potrebbero essere militari), i due pistoni del monocilindrico sono effettivamente intrecciati, ciascuno diviso in due parti e muovendosi l'una dentro l'altra in direzioni opposte creando la corsa di compressione, in modo che le estremità opposte di una parte di ciascun pistone si chiudano e comprimano la miscela di aria combustibile tra di loro mentre le estremità opposte dell'altro si allontanano per far entrare aria nel spazio per creare la corsa di aspirazione. Poiché questi due tempi sono simultanei, l'intera azione dei pistoni richiede solo due movimenti avanti e indietro, rendendo così questo un motore a due tempi invece del più convenzionale motore a quattro tempi. E poiché questi due pistoni in un cilindro eseguono il lavoro dei due pistoni in due cilindri ordinari, fanno solo il lavoro che normalmente avviene in un cilindro ma applicano due cilindri di movimento all'albero a gomiti. Ciò conferisce al motore OPOC un'elevata densità di potenza, ovvero un elevato rapporto tra potenza e massa del motore stesso.
Ed ecco qualcosa che distingue davvero il motore OPOC di Ecomotor dalla massa:è modulare. Puoi usarne uno, due o anche tre uniti tra loro con una disposizione degli ingranaggi scalabile, da un motore monocilindrico (che in termini normali di motore è in realtà un motore a due cilindri) fino a un tre cilindri (equivalente a un sei tempi motore) e oltre. Continua ad agganciare i cilindri insieme per rendere il tuo motore più grande e più potente. E un motore OPOC è meccanicamente molto più semplice di un motore a combustione interna standard. Nella disposizione standard, è necessaria una serie complessa e precisa di leveraggi per assicurarsi che le valvole di aspirazione e scarico siano aperte quando necessario. Ciò significa che il motore ha un numero incredibilmente ridotto di parti mobili. Ad esempio, in un cilindro a combustione interna convenzionale, è necessario un meccanismo complicato per temporizzare la valvola di aspirazione e la valvola di scarico in modo che siano aperte solo quando necessario e non siano mai aperte contemporaneamente. Ma nel motore OPOC, queste "valvole" sono semplicemente dei fori sul lato del cilindro, che vengono coperti e scoperti dallo scorrimento dei pistoni stessi, eliminando così la necessità di un complicato meccanismo di apertura e chiusura. Ecomotors stima che il numero di parti mobili nel suo motore sia stato ridotto da 385 a 62, il che significa che ci sono un sacco di parti in meno che necessitano di manutenzione e possono andare male.
Il risultato è che i motori OPOC sono più semplici e quindi meno soggetti a guasti. Sono anche più efficienti, perdono meno energia durante il funzionamento e, poiché svolgono il lavoro di due pistoni con uno solo, possono produrre molta più potenza di un motore a combustione interna standard solo per una parte del gas. È questo il motore del futuro? Probabilmente. Almeno finché non arriva quella cella a combustibile nucleare.
Non sono uno di quei ragazzi che sono cresciuti con la testa sotto il cofano di un'auto smontando il motore e rimontandolo solo per vedere se ce la facevo. Più probabilmente mi troveresti alla tastiera di un computer, a programmare in linguaggi come BASIC e C, oa scrivere libri sul perché l'energia da fusione controllata fosse la fonte di energia del futuro. (Sto ancora aspettando quello.) Ma quando ho iniziato a scrivere di automobili, è stato naturale per me gravitare verso lo scrivere di tecnologie automobilistiche che erano all'avanguardia, modi di alimentare e utilizzare auto così avanzate , penseresti che potrebbero essere usciti direttamente da un film come Blade Runner o Minority Report. Non so voi, ma ho questa sensazione di formicolio su e giù per la schiena quando scopro qualcosa di nuovo, eccitante e fa le cose in un modo che le persone (in questo caso gli ingegneri automobilistici) non hanno mai fatto prima.
I motori OPOC a pistoni contrapposti (OPOC) potrebbero non sembrare all'avanguardia come, ad esempio, le auto volanti o le DeLorean del 1981 con condensatori di flusso per aiutarli a viaggiare nel tempo, ma quando ho finito di ricercare questo articolo mi sono reso conto che erano tutto altrettanto eccitante. (Ok, forse non così eccitante come quella cosa del condensatore di flusso.) I motori OPOC sono il prodotto di molte idee ingegnose di ingegneri brillanti che non erano disposti ad accettare che il modo in cui sono sempre stati realizzati i motori a combustione interna fosse l'unico modo che si possono fare. Sì, gli OPOC esistono da molto tempo - i primi prototipi del motore OPOC risalgono al 19° secolo - ma gli ingegneri automobilistici, con un piccolo aiuto dall'ala di ricerca all'avanguardia dell'esercito DARPA (il progetto di ricerca avanzata della difesa Agency), stanno finalmente prendendo il sole e nessuno potrebbe essere più eccitato di me.
