Động cơ đốt trong gây ô nhiễm không khí. Động cơ đốt trong cướp đi nguồn tài nguyên quý giá và không thể tái tạo của hành tinh. Động cơ đốt trong yêu cầu nhiên liệu hóa thạch ràng buộc Hoa Kỳ về mặt kinh tế với các quốc gia mà chúng tôi không muốn hợp tác kinh doanh.
Và động cơ đốt trong sẽ không sớm biến mất.
Ồ, chắc chắn rồi, bạn đã nghe về tất cả các công nghệ mới sẽ thay thế động cơ đốt trong ngày nào, các công nghệ như động cơ điện, tàu điện hybrid, pin nhiên liệu hydro và thậm chí cả ô tô chạy bằng khí nén, nhưng không có công nghệ nào trong số này công nghệ đã sẵn sàng để cứu ngành công nghiệp ô tô khỏi động cơ đốt trong. Động cơ điện có lẽ là đặt cược tốt nhất của chúng tôi trước mắt và thậm chí có một số ô tô trên thị trường hiện nay sử dụng chúng làm nguồn điện, nhưng chúng mất thời gian để sạc lại, có phạm vi lái xe hạn chế và chúng không thể đơn giản là tiếp nhiên liệu. đến trong năm phút tại trạm dịch vụ địa phương. Bên cạnh đó, bạn có thực sự muốn mắc kẹt ở giữa Đông Không nơi nào, Trung Mỹ, với một dãy pin lithium-ion đã chết và không ai xung quanh có khái niệm tuyệt vời nhất về cách sạc lại nó? Tàu điện hybrid vốn đã khá khả thi, như thành công vang dội của Toyota Prius đã thể hiện, nhưng chúng vẫn chứa động cơ đốt trong nên không thực sự giải quyết được vấn đề. Họ chỉ trì hoãn cái ngày mà cuối cùng chúng ta cần loại bỏ công nghệ cổ hủ này. Những chiếc ô tô chạy bằng pin nhiên liệu hydro sẽ thực sự tuyệt vời khi chúng có sẵn trong các loại xe mà người tiêu dùng bình thường có thể mua và lái. Ồ, khoảng 20 đến 30 năm kể từ bây giờ, khoảng thời gian bạn sẽ đầu tư vào bộ răng giả đầu tiên của mình. Và ô tô chạy bằng khí nén? Không ai thực sự biết khi nào những chiếc xe này sẽ sẵn sàng lên đường, nhưng có lẽ sẽ còn rất lâu trước khi bạn có thể tiếp nhiên liệu cho ô tô của mình bằng bơm xe đạp.
Những công nghệ này rất quan trọng. Think tank và các nhà sản xuất ô tô đang nghiên cứu chúng ngay bây giờ. Phương tiện di chuyển mà con bạn sử dụng sẽ phụ thuộc vào chúng. Một ngày nào đó một hoặc tất cả các công nghệ này sẽ giải phóng thế giới khỏi sự nghiện nhiên liệu hóa thạch mất kiểm soát. Nhưng trong lúc này, thứ chúng ta thực sự cần là thứ có thể thực sự sẵn sàng để sử dụng trong thực tế trong vài năm tới:một động cơ đốt trong tốt hơn.
Đây là tin tốt:Động cơ đốt trong tốt hơn đang được phát triển. Và khi chúng tôi nói tốt hơn, chúng tôi có nghĩa là nhẹ hơn, tiết kiệm nhiên liệu hơn và ít ô nhiễm hơn. Nếu chúng ta chưa thể đưa động cơ đốt trong ra ngoài đồng cỏ, thì ít nhất chúng ta có thể khiến chúng cư xử lịch sự hơn một chút trong khi chúng vẫn đang phi nước đại trên đường phố công cộng.
Một trong những loại động cơ đốt trong mới thú vị nhất là động cơ xi-lanh ngược-pít-tông, và nếu bạn không thể nhớ tất cả những âm tiết líu lưỡi đó, bạn có thể gọi nó là động cơ OPOC. (Đừng cảm thấy tồi tệ. Mọi người cũng gọi nó như vậy.) Động cơ OPOC không thực sự mới - ý tưởng đã có từ lâu - nhưng một công ty có tên là Ecomotor cuối cùng cũng đang nghiêm túc về việc xây dựng các OPOC sẽ sẵn sàng cho xe tiêu dùng từ rất lâu trước khi pin nhiên liệu hydro là cơn thịnh nộ của quốc gia. Và để chứng minh rằng Ecomotors đang cung cấp công nghệ nghiêm túc thực sự có thể cách mạng hóa cách chúng ta sử dụng xăng trong tương lai gần, một người bạn tên là Bill Gates đã đầu tư vào công ty. Đúng, Bill Gates đó, và không ai có thể nói rằng người đồng sáng lập Microsoft không biết một hoặc hai điều về các khía cạnh thực tế của công nghệ tiên tiến.
Nhưng chính xác thì động cơ OPOC là gì và nó khác gì với động cơ đốt trong mà tất cả chúng ta đều yêu thích và ghét bỏ? Để trả lời câu hỏi đó, trước tiên chúng tôi sẽ cung cấp cho bạn một khóa học bổ sung về động cơ ô tô tiêu chuẩn, sau đó chúng tôi sẽ chỉ cho bạn cách các OPOC thực hiện khá nhiều điều tương tự nhưng chỉ khác một chút - và tốt hơn một chút.
Rất có thể động cơ ô tô của bạn có bốn hoặc sáu xi lanh trong đó. (Nếu bạn có nhiều hơn sáu xi-lanh thì bạn đang lái một chiếc xe cơ bắp thực sự và có lẽ vẫn chưa mua sắm một thứ gì đó sẽ khiến động cơ đốt trong trở nên lỗi thời.) Một xi-lanh động cơ đúng như âm thanh của nó - a lỗ hình trụ trong động cơ mà bạn có thể đặt một ống có thể chuyển động, được gọi là pít-tông. Và chính pít-tông đó, khi được kết hợp với xăng, không khí và bugi sẽ cung cấp động cơ khiến chiếc xe của bạn phóng nhanh trên đường. Dù sao thì đó cũng là phiên bản ngắn gọn của câu chuyện.
Các xi lanh trong động cơ đốt trong của ô tô được đóng nắp để các khí được giữ ở khu vực giữa đỉnh của piston và đỉnh của xi lanh không thể thoát ra ngoài. Tuy nhiên, cũng có hai van ở hoặc gần đỉnh của mỗi xi lanh có thể đóng mở bằng cơ học. Chúng được thiết kế tương ứng để cho phép không khí và xăng vào xi lanh (van nạp) và xả khí thải ra khỏi xi lanh (van xả) sau khi quá trình đốt cháy của động cơ hoàn tất. Các van này mở và đóng theo cách được hẹn giờ cẩn thận theo chuyển động của pít-tông để khí thải được xả ra trước khi một luồng không khí mới thổi vào.
Đó là chuyển động của pít-tông dẫn động ô tô. Các piston trượt lên và xuống một cách gọn gàng trong hình trụ bởi vì đó là những gì chúng được thiết kế để làm. Hầu hết các ô tô sử dụng động cơ bốn kỳ (hay chu trình Otto), trong đó có bốn giai đoạn chuyển động của piston. Trong lần đầu tiên, được gọi là hành trình nạp, van nạp mở ra và piston di chuyển xuống dưới. Chân không được tạo ra bởi piston chuyển động đi xuống hút không khí cùng với một lượng nhỏ xăng vào phần trên của xi lanh. Khi hỗn hợp đã lấp đầy khoảng trống còn lại của pít-tông đi xuống, van nạp đóng lại và pít-tông tăng trở lại trong hành trình nén, ép hỗn hợp nhiên liệu-không khí thành một khối chặt chẽ chứa nhiều năng lượng tiềm tàng đến mức nó đủ điều kiện là một chất nổ. . (May mắn thay, có rất ít xăng trong hỗn hợp, vì vậy chúng ta không nói đến chất nổ chất lượng của vũ khí nhiệt hạch mà là thứ gì đó giống một quả bom anh đào hơn.) Sau đó, đến phần của quy trình thực sự tạo ra sức bật cho động cơ:hành trình đốt cháy, ở đâu bugi nhấp nháy và đốt cháy thế năng đó giống như pháo nổ trong lon thiếc, đẩy pít-tông xuống một lần nữa. Cuối cùng, trong hành trình xả, van xả mở ra và pít-tông tăng trở lại đỉnh xi-lanh, đẩy ra khí cặn vô dụng do sự bùng nổ của các vật liệu dễ cháy. Ngay sau khi van xả đóng lại, quá trình bắt đầu lại.
Trong khi pít tông lên xuống sẽ làm quay trục khuỷu, một thanh dài quay có tác dụng biến chuyển động lên xuống của các pít tông thành chuyển động tròn làm cho các bánh răng và bánh xe của ô tô quay. Trong hầu hết các kiểu bố trí động cơ tiêu chuẩn (có khá nhiều), xi lanh đi theo cặp, do đó chuyển động đi xuống của một pít-tông trong một hành trình tạo ra hành trình đi lên của pít-tông kia, một chu trình về mặt lý thuyết có thể diễn ra mãi mãi ... hoặc tại ít nhất cho đến khi hết xăng. Đây không hẳn là chuyển động vĩnh viễn, nhưng nếu bạn nghĩ về nó, bạn có thể hỏi làm thế nào chuyển động của các piston bắt đầu ngay từ đầu. Câu trả lời là chu kỳ bốn kỳ thường bắt đầu bằng một đợt năng lượng quay ngắn đến trục khuỷu từ động cơ khởi động điện, nhưng những chiếc xe hơi sớm đã dậy và chạy vì một số tài xế may mắn đã quay một tay quay quay tay để quay, đúng vậy. , trục khuỷu. (Giờ thì bạn đã biết tại sao họ lại gọi nó như vậy.) Bạn có vui vì hồi đó mình không lái ô tô không?
Chu trình bốn kỳ này được phát minh vào thế kỷ 19 - trên thực tế, các biến thể của nó quay trở lại động cơ hơi nước - và có rất nhiều biến thể về nó. Hãy xem liệu chúng ta có thể nghĩ ra một loại sử dụng một nửa số lượng xi lanh nhưng lại có được nhiều công suất không.
Trong các động cơ đốt trong mà chúng ta đã nói đến từ trước đến nay, các piston hoạt động song song, với mỗi xi lanh được căn thẳng hàng với nhau và một piston riêng biệt trong mỗi cái. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta có thể dán hai piston vào một hình trụ và phối hợp hành động của chúng để chúng đối mặt với nhau - do đó có thuật ngữ "hình trụ đối nghịch" - nhưng không va chạm? Mỗi xi lanh này sẽ chỉ chiếm một nửa chiều dài của xi lanh, do đó nó sẽ chỉ phải di chuyển một nửa quãng đường của xi lanh trong động cơ tiêu chuẩn, do đó tiết kiệm nhiên liệu nhưng vẫn mang lại hiệu quả quay tương tự trên trục khuỷu. Và trục khuỷu có thể đi qua tâm của xi lanh, vuông góc với trục dài của xi lanh, do đó cả hai piston có thể quay trục khuỷu khi chúng chuyển động ngược chiều nhau. Và họ có thể tập hợp các chất thải khí thải của mình vào giữa xi lanh, để các đầu của xi lanh không cần phải được đậy lại để giữ cho khói thải độc hại thoát ra ngoài trước khi chúng cần đến.
Điều đó sẽ không hay lắm phải không? Bạn đặt cược là nó sẽ!
Đây được gọi là động cơ pít-tông ngược, xi-lanh đối nghịch (OPOC). Trong động cơ OPOC do Ecomotors cho Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng (hoặc DARPA, và vâng, điều này có nghĩa là các ứng dụng ban đầu có khả năng là quân sự), hai piston trong xi lanh đơn được xen kẽ một cách hiệu quả, mỗi piston được chia thành hai phần và chuyển động bên trong nhau theo các hướng ngược nhau tạo ra hành trình nén, do đó các đầu đối diện của một phần của mỗi pít-tông đóng lại với nhau và nén hỗn hợp không khí nhiên liệu giữa chúng trong khi các đầu đối diện của nhau chuyển động ra xa nhau để nạp không khí vào khe hở để tạo ra hành trình nạp. Vì hai hành trình này diễn ra đồng thời, nên toàn bộ hoạt động của các pít-tông chỉ thực hiện hai chuyển động tới và lui, do đó làm cho động cơ này trở thành động cơ hai kỳ thay vì động cơ bốn kỳ thông thường hơn. Và bởi vì hai piston này trong một xi lanh thực hiện công của hai piston trong hai xi lanh thông thường, chúng chỉ thực hiện công việc thường xảy ra trong một xi lanh nhưng tác dụng chuyển động hai xi lanh lên trục khuỷu. Điều này làm cho động cơ OPOC có mật độ công suất cao - tức là tỷ lệ công suất trên khối lượng của chính động cơ cao.
Và đây là điều thực sự làm cho động cơ OPOC của Ecomotor nổi bật so với đám đông:Đó là mô-đun. Bạn có thể sử dụng một, hai hoặc thậm chí ba trong số chúng được kết hợp với nhau bằng cách bố trí bánh răng có thể mở rộng, từ động cơ một xi lanh (trong thuật ngữ động cơ thông thường thực sự là động cơ hai xi lanh) đến ba xi lanh (tương đương với sáu thì động cơ) và hơn thế nữa. Chỉ cần tiếp tục nối các xi lanh với nhau để làm cho động cơ của bạn lớn hơn và mạnh hơn. Và động cơ OPOC về mặt cơ học đơn giản hơn nhiều so với động cơ đốt trong tiêu chuẩn. Trong cách bố trí tiêu chuẩn, cần có một chuỗi liên kết phức tạp và có thời gian chính xác để đảm bảo van nạp và van xả luôn mở khi cần thiết. Điều đó có nghĩa là động cơ có một số lượng bộ phận chuyển động cực kỳ nhỏ. Ví dụ, trong xi lanh đốt trong thông thường, cần có một cơ cấu phức tạp để điều chỉnh thời gian van nạp và van xả để chúng chỉ mở khi cần thiết và không bao giờ mở đồng thời. Nhưng trong động cơ OPOC, các "van" này chỉ đơn giản là các lỗ ở mặt bên của xi-lanh, được che và mở ra bởi sự trượt của các piston, do đó loại bỏ sự cần thiết của một cơ chế phức tạp để làm cho chúng đóng mở. Ecomotors ước tính rằng số bộ phận chuyển động trong động cơ của nó đã giảm từ 385 xuống còn 62, có nghĩa là có rất nhiều bộ phận ít hơn cần được bảo dưỡng và có thể bị hỏng.
Kết quả là động cơ OPOC đơn giản hơn và do đó ít có khả năng bị hỏng hơn. Chúng cũng hiệu quả hơn, mất ít năng lượng hơn khi vận hành và - bởi vì chúng thực hiện công việc của hai piston chỉ với một - có thể tạo ra công suất lớn hơn nhiều so với động cơ đốt trong tiêu chuẩn chỉ một phần khí. Đây có phải là động cơ của tương lai? Có lẽ. Ít nhất là cho đến khi pin nhiên liệu hạt nhân đó xuất hiện.
Tôi không phải là một trong số những người lớn lên với cái đầu của tôi dưới mui xe ô tô tháo rời động cơ và lắp nó lại với nhau chỉ để xem liệu tôi có thể làm được hay không. Nhiều khả năng bạn sẽ tìm thấy tôi trên bàn phím máy tính, lập trình bằng các ngôn ngữ như BASIC và C, hoặc viết sách về lý do tại sao năng lượng nhiệt hạch có kiểm soát lại là nguồn năng lượng của tương lai. (Tôi vẫn đang chờ đợi cái đó.) Nhưng khi tôi bắt đầu viết về ô tô, điều tự nhiên là tôi bị thu hút bởi việc viết về những công nghệ ô tô đang ở bên bờ vực chảy máu, những cách cấp nguồn và sử dụng những chiếc ô tô quá tân tiến. , bạn có thể nghĩ rằng họ có thể đã đuổi thẳng khỏi một bộ phim như Blade Runner hoặc Minority Report. Tôi không biết bạn thế nào, nhưng tôi cảm thấy rạo rực cả xương sống khi tìm hiểu về một điều gì đó mới mẻ, thú vị và làm những điều theo cách mà mọi người (trong trường hợp này là các kỹ sư ô tô) chưa từng làm trước đây.
Các động cơ xi-lanh đối nghịch với pít-tông (OPOC) đối lập có thể không nổi tiếng như ô tô bay hoặc xe bay DeLoreans 1981 với các tụ thông lượng để giúp chúng du hành xuyên thời gian, nhưng khi tôi hoàn thành nghiên cứu bài viết này, tôi nhận ra rằng chúng đã từng như thú vị. (Được rồi, có lẽ không thú vị bằng thứ tụ điện từ thông đó.) Động cơ OPOC là sản phẩm của rất nhiều suy nghĩ khéo léo của các kỹ sư lỗi lạc, những người không sẵn sàng chấp nhận rằng cách động cơ đốt trong luôn được thực hiện là cách duy nhất mà chúng có thể được thực hiện. Đúng vậy, OPOC đã có từ lâu - các nguyên mẫu ban đầu của động cơ OPOC có từ thế kỷ 19 - nhưng các kỹ sư ô tô, với sự trợ giúp nhỏ từ cánh nghiên cứu tiên tiến của quân đội DARPA (Dự án Nghiên cứu Nâng cao Quốc phòng Cơ quan), cuối cùng cũng đang có được khoảnh khắc của họ trong ánh nắng mặt trời và không ai có thể vui mừng hơn tôi.
Cách động cơ diesel hoạt động - Phần 2
Cách động cơ diesel hoạt động - Phần 3
TURBOCHARGER BIẾN DẠNG HÌNH HỌC HOẠT ĐỘNG NHƯ THẾ NÀO TRONG TIẾNG ANH DIESEL?
Động cơ đốt trong là gì và nó hoạt động như thế nào?