Kiedy miliarder Bill Gates i Khosla Ventures zdecydowali się zainwestować miliony w EcoMotors — firmę projektującą silniki z przeciwbieżnymi tłokami — świat motoryzacji zwrócił na to uwagę. Silniki z przeciwbieżnymi tłokami mają długą i bogatą historię, jednak pozostawały w dużej mierze nieobecne w transporcie drogowym. EcoMotors postanowiło to zmienić, proponując świeże spojrzenie na tę niedocenianą technologię.
Czym jest silnik OPOC?
EcoMotors nadało swojemu silnikowi nazwę OPOC — skrót od Opposed Piston Opposed Cylinder (przeciwbieżne tłoki, przeciwstawne cylindry). Konstrukcja obejmuje dwa cylindry, z których każdy zawiera dwa skierowane ku sobie tłoki. Choć architektura OPOC jest kompatybilna z silnikami benzynowymi (w tym zasilanymi alkoholem), EcoMotors skupiło się przede wszystkim na zastosowaniach wysokoprężnych.
Jak działa silnik OPOC?
Silnik OPOC pracuje w cyklu dwusuwowym, co oznacza, że przeciwbieżne tłoki w każdym cylindrze wykonują suw roboczy podczas jednego obrotu wału korbowego. Gdy tłoki zbliżają się do swoich martwych punktów, odsłaniają otwory w ściankach cylindra — jeden tłok steruje dolotem, drugi wylotem. Rozrząd otworów jest starannie rozłożony w czasie: otwór wylotowy otwiera się nieco wcześniej i zamyka wcześniej niż otwór dolotowy, co jest niezbędne dla efektywnej wymiany gazów.
Wyeliminowanie głowic cylindrów, zaworów i powiązanego z nimi mechanizmu rozrządu przyniosło znaczące korzyści. Według EcoMotors, w porównaniu z konwencjonalnym silnikiem wysokoprężnym o równoważnej mocy, OPOC zapewnia:
- 50% redukcję strat na tarcie
- 50% niższe zużycie oleju
- 50% mniej elementów łącznie
- 30–50% redukcję masy
- 2–4-krotnie mniejszy obrys pod maską
Kluczowa innowacja: Pojedynczy centralny wał korbowy
To, co odróżnia OPOC od wcześniejszych konstrukcji z przeciwbieżnymi tłokami, to zastosowanie pojedynczego centralnego wału korbowego. Poprzednie rozwiązania wymagały dwóch wałów korbowych — po jednym na każdym końcu silnika — co czyniło je znacznie większymi i cięższymi. Ta gabarytowość ograniczała starsze konstrukcje do lokomotyw spalinowych i statków. Skupiając wszystko wokół jednego centralnego wału korbowego, EcoMotors uczyniło format z przeciwbieżnymi tłokami realną opcją dla znacznie szerszego spektrum pojazdów.
Elektryczna turbosprężarka: Rozwiązanie problemu przepłukiwania w silnikach dwusuwowych
Podobnie jak wszystkie silniki dwusuwowe, OPOC wymaga zewnętrznego urządzenia do przepłukiwania cylindrów, gdy otwory są otwarte. EcoMotors powierzyło tę rolę turbosprężarce — lecz rodzi to oczywisty problem: turbosprężarka jest bezużyteczna przy rozruchu, zanim spaliny wytworzą odpowiednie ciśnienie.
Rozwiązaniem jest zintegrowany silnik elektryczny osadzony na wale turbosprężarki. Nie jest to koncepcja całkowicie nowa, jednak EcoMotors było jednym z pierwszych, którzy zastosowali ją w projekcie zorientowanym na produkcję seryjną. Oto jak to działa:
- Przy rozruchu: Silnik elektryczny czerpie energię z pokładowego pakietu akumulatorów, aby napędzić turbosprężarkę i zapewnić przepłukiwanie cylindrów, zanim silnik osiągnie prędkość roboczą.
- Przy jeździe z ustaloną prędkością: Silnik elektryczny wyłącza się, a turbosprężarka pracuje w sposób konwencjonalny.
- Przy dużym obciążeniu: Gdy przepływ spalin jest silny, silnik elektryczny odwraca swoją rolę i działa jako generator, odzyskując energię i doładowując akumulator.
Potencjał osiągów i teoretyczne zalety
Dwusuwowa architektura OPOC jest teoretycznie zdolna do zapewnienia dwukrotnie większego stosunku mocy do pojemności skokowej w porównaniu z porównywalnym silnikiem czterosuwowym — choć w praktyce ten pułap nie został jeszcze osiągnięty. Kolejna zaleta mechaniczna wynika z ruchu tłoków: ponieważ dwa przeciwbieżne tłoki dzielą między sobą drogę skoku, każdy tłok musi pokonać jedynie połowę drogi konwencjonalnego tłoka przy tej samej prędkości obrotowej silnika. Przekłada się to bezpośrednio na niższe prędkości tłoków i mniejsze straty na tarcie.
EcoMotors twierdzi również, że geometria komory spalania OPOC umożliwia wyjątkowo dokładne przepłukiwanie cylindrów, co dodatkowo maksymalizuje sprawność cyklu dwusuwowego.
Peter Hofbauer: Inżynier stojący za silnikiem
OPOC zawdzięcza wiele swojej pomysłowości Peterowi Hofbauerowi, założycielowi, przewodniczącemu rady nadzorczej i dyrektorowi ds. technologii (CTO) EcoMotors. Hofbauer spędził ponad dwie dekady kierując zaawansowanymi pracami nad silnikami w Volkswagenie, gdzie był odpowiedzialny za innowacje, w tym za VR6 — kompaktowy sześciocylindrowy silnik widlasty VW o wąskim kącie rozwidlenia 15 stopni. Kilka lat przed założeniem EcoMotors w 2008 roku zaczął konceptualizować układ OPOC, a jego doświadczenie nadaje projektowi znaczną wiarygodność.
Dane techniczne: Model EM100
Flagowy prototyp wysokoprężny EcoMotors, EM100, zgromadził ponad 500 godzin pracy na hamowni podwoziowej — co wystarczyło, aby potwierdzić, że podstawowa konstrukcja działa zgodnie z założeniami. Obraz jest jednak bardziej złożony w kwestii deklarowanych parametrów osiągów. Przy maksymalnych ustawieniach mocy EM100 osiąga docelowe wartości mocy i momentu obrotowego wyłącznie bez aktywnych układów ograniczania emisji. W tej konfiguracji EcoMotors oferuje go przede wszystkim do zastosowań wojskowych, gdzie stosunek mocy do masy ma pierwszeństwo przed normami emisji spalin.
Do cywilnych pojazdów drogowych EcoMotors oferuje inaczej dostrojony wariant tego samego silnika o następujących parametrach:
- Moc: 300 KM
- Moment obrotowy: 746 N·m
- Poprawa efektywności paliwowej: ~15% w porównaniu z konwencjonalnym dieslem
- Emisje: Zgodne ze standardowymi przepisami drogowymi w tej konfiguracji
Choć 15% może wydawać się skromnym wynikiem w porównaniu z nagłówkowym twierdzeniem o 45–50% poprawie sprawności, nadal stanowi znaczący zysk w branży, gdzie inżynierowie walczą o ułamki procenta.
Modułowa konstrukcja: Dwa silniki, jeden układ napędowy
Jednym z najbardziej przekonujących aspektów architektury OPOC jest jej modularna skalowalność. EcoMotors proponuje połączenie dwóch jednostek OPOC w jeden czterocylindrowy układ napędowy, sprzężony elektronicznie sterowanym sprzęgłem. System działa następująco:
- Przy małym obciążeniu: Pracuje tylko jeden moduł, działający w swoim najbardziej efektywnym zakresie.
- Przy dużym obciążeniu: Drugi moduł jest włączany płynnie za pośrednictwem elektronicznego sprzęgła.
- Drgania: Ponieważ OPOC jest z natury dobrze wyważony, reaktywacja uśpionego modułu generuje minimalne hałasy i wibracje.
Koncepcyjnie jest to podobne do dezaktywacji cylindrów w dużych silnikach widlastych — jednak z kluczową różnicą. W konwencjonalnych systemach odcinania cylindrów dezaktywowane tłoki nadal poruszają się w górę i w dół, generując pasożytnicze opory. W modułowym układzie OPOC nieaktywna jednostka zatrzymuje się całkowicie, eliminując tę stratę w całości. W konfiguracji podwójnej każdy moduł jest oceniany na 240 KM, co daje łączną moc 480 KM, przy jednoczesnym osiąganiu maksymalnej 45% poprawy efektywności paliwowej i zgodności z rygorystycznymi normami emisji spalin.
Co dalej: EM65 i plany ekspansji
EcoMotors opracowało również mniejszego brata EM100: EM65, dwucylindrową jednostkę o mocy 75 KM, lżejszą i bardziej kompaktową niż flagowy model wysokoprężny. W przeciwieństwie do EM100, EM65 jest planowany jako silnik benzynowy, co otwiera drzwi do szerszego zakresu zastosowań:
- Lekkie ciężarówki i furgonetki
- Samochody osobowe
- Pojazdy hybrydowe
OPOC jest nadal rozwijającą się technologią i wiele z najbardziej śmiałych twierdzeń EcoMotors pozostaje do potwierdzenia w rzeczywistych warunkach eksploatacji. Niemniej jednak doświadczenie jego głównego konstruktora — człowieka, który poświęcił dwie dekady Volkswagenowi — zapewnia znaczącą wiarygodność. Warto też zauważyć, że praca Hofbauera nad OPOC nawiązuje do wczesnej filozofii inżynierskiej Porsche, co jest trafnym echem, zważywszy na fundamentalną rolę Ferdinanda Porsche w budowaniu marki Volkswagen.
To jest tłumaczenie. Oryginał można przeczytać tutaj: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e5522.html
Opublikowano Październik 21, 2021 • 7m do przeczytania
