Hluk, nadměrné vibrace a relativní neúčinnost jsou nevýhodami pístových spalovacích motorů, které pohánějí dnešní zahradní a travní techniku, jako jsou foukače listí a vyžínače trávy.
Startup LiquidPiston z MIT však nyní vyvinul rotační ICE, který je podle jeho slov výrazně menší, lehčí a tišší a také o 20 % úspornější než ICE používané v mnoha podobných zařízeních s malými motory.
„Když si představíte ruční nářadí – například motorovou pilu nebo nůžky na živý plot – zhruba po půl hodině už ho nechcete používat, protože máte pocit, že vám upadne ruka,“ říká Alexander Shkolnik PhD ’10, prezident společnosti LiquidPiston a spoluvynálezce motoru. „Náš motor nemá vůbec žádné vibrace a je mnohem tišší. Měl by to být celkově mnohem příjemnější uživatelský zážitek.“
Motor LiquidPiston X Mini o objemu 70 cm3 produkuje asi 3,5 koně při 10 000 otáčkách za minutu; se svými 4 kg je také asi o 30 % menší než čtyřtaktní pístové ICE o objemu 50 cm3, které chce nahradit. Po úplném dokončení by podle Shkolnika mohl X Mini dosahovat výkonu asi 5 koní při 15 000 otáčkách za minutu a vážit 3 kilogramy.
Motor pracuje s novým vysoce účinným hybridním cyklem (HEHC) – vyvinutým Shkolnikem a jeho otcem fyzikem Nikolajem – který dosahuje spalování při konstantním objemu a nadměrné expanzi pro větší získávání energie. Motor má pouze dvě pohyblivé části, rotor a hřídel, a žádné poppet ventily – běžně používané v jiných čtyřtaktních spalovacích motorech k řízení přívodu paliva – a má také snížené hlukové, vibrační a drsné vlastnosti, říká Shkolnik.
Počáteční aplikace budou ruční zahradní a travní technika, říká Shkolnik. Motor však lze zmenšit a upravit pro další aplikace, včetně mopedů, dronů, námořních pohonných zařízení, robotiky, prodlužovačů dojezdu a pomocných pohonných jednotek pro lodě, letadla a další vozidla. Společnost také předvedla důkaz koncepce vysoce účinných dieselových verzí motoru, včetně 70koňového X1 a 40koňového X2, pro generátory a další aplikace. Společnost doufá, že nakonec vyvine malé dieselové verze motoru X Mini pro vojenské aplikace.
„Když se podíváte na tříkilowattový vojenský generátor, je to 270kilová gorila, kterou musí přemisťovat pět lidí,“ říká Shkolnik. „Dovedete si představit, že když z toho dokážeme udělat 15kilové zařízení, je to pro ně docela revoluční.“
Shkolnik přednesl 19. listopadu na konferenci a výstavě Society of Automotive Engineers’s 2014 Small Engine Technology Conference and Exhibition v Itálii příspěvek o X2 i X Mini.
Inverzní Wankelův motor
Motor X Mini je v podstatě vylepšením konstrukce a účinnosti kompaktního Wankelova rotačního motoru, který byl vynalezen v 50. letech 20. století a dnes se používá ve sportovních automobilech, lodích a některých letadlech.
Ve Wankelově motoru se rotor se zaobleným trojúhelníkem otáčí na excentrické dráze v oválné komoře, přičemž každá otáčka vytváří tři zdvihy – při nichž motor generuje sílu. V motoru X Mini se oválný rotor otáčí uvnitř upravené zaoblené trojúhelníkové skříně.
„Převrátili jsme vše, co se týká tradičního rotačního motoru, a nyní můžeme provést tento nový termodynamický cyklus a vyřešit všechny problémy, které trápily tradiční Wankelův motor“ pro aplikace v malých motorech, říká Shkolnik.
Wankelův motor například používá dlouhou spalovací komoru (jako tenký půlměsíc), což přispívá ke špatné spotřebě paliva – protože plamen nemůže dosáhnout zadních okrajů komory a je zhášen velkým povrchem komory. Spalovací komora modelu X Mini je kulatější a tlustší, takže plamen hoří na menší ploše.
Sání vzduchu a paliva a výfuk plynů v modelu X Mini probíhají dvěma otvory v rotoru, které se otevírají nebo zavírají při otáčení rotoru, čímž odpadá potřeba ventilů. Asymetrické umístění těchto otvorů mírně zpožďuje proces výfuku při expanzi. To umožňuje proces nadměrné expanze HEHC – z Atkinsonova termodynamického cyklu, používaného v některých hybridních automobilech – kdy se plyn v komoře rozpíná, dokud v ní není tlak, což motoru poskytuje více času na získání energie z paliva. Tato konstrukce také vyhovuje „spalování s konstantním objemem“ HEHC – z Ottova termodynamického cyklu, používaného v pístových motorech se zážehovým zapalováním – kdy se stlačený plyn drží v komoře delší dobu, aby se vzduch a palivo před expanzí zcela promíchaly a zapálily, což vede ke zvýšení expanzních tlaků a vyšší účinnosti.
„Spalování paliva v motoru trvá dlouho,“ říká Shkolnik. „Ve většině motorů v době, kdy palivo hoří, dochází k expanzi plynů a spalovací proces ztrácí účinnost. My pokračujeme ve spalování, dokud je rotor v horní části komory, a vynucujeme si spalování za těchto podmínek. Tak je to mnohem účinnější.“
Dále má X Mini přemístěná vrcholová těsnění, což vede ke snížení spotřeby oleje. U Wankelů se vrcholová těsnění spojují s okraji trojúhelníkového rotoru, kde se posouvají a pohybují. Jejich mazání vyžaduje dodávání velkého množství oleje do směsi vzduchu a paliva, který se spaluje a uniká, což zvyšuje emise a spotřebu oleje. V X Mini jsou však tato těsnění umístěna v trojúhelníkovém krytu, který zůstává na svém místě. „Nyní můžeme přes stacionární pouzdro dodávat nepatrné množství oleje, přesně tolik, kolik těsnění potřebuje, a přitom nespalujete žádný olej a neztrácíte žádný olej do životního prostředí,“ říká Shkolnik.
„Cestovní mapa“ společnosti LiquidPiston
Zájem o robotiku a umělou inteligenci přivedl Shkolnika v roce 2003 na MIT jako doktoranda elektrotechniky a informatiky. V tomtéž roce Nikolaj Shkolnik podal svůj první patent HEHC a jeho syn se v hodině zaměřené na podnikání v oblasti technologií dozvěděl o soutěži MIT $50K Entrepreneurship Competition (nyní $100K). Spojili se se studenty MIT Sloan School of Management, aby vytvořili podnikatelský plán a představili motor HEHC v soutěži v roce 2004, kde si odnesli cenu za druhé místo ve výši 10 000 dolarů a spustili LiquidPiston.
Soutěž samotná se ukázala jako užitečná pro otce a syna podnikatele – kteří v té době neměli žádné zkušenosti se zakládáním firem. Při sestavování podrobného podnikatelského plánu a učení se, jak vysvětlit svou technologii investorům, „nám to skutečně ukázalo plán, co dělat, a byli jsme nuceni promyslet spoustu problémů, kterým budeme čelit,“ říká Shkolnik.
Během následujících šesti let pomáhal Shkolnik svému otci vyvíjet motor LiquidPiston v rodinné garáži s využitím dovedností, které zdokonalil ve skupině MIT pro lokomoce robotů, kterou vedl Russell Tedrake, docent elektrotechniky a informatiky. „Byla to spousta optimalizace, řízení, simulací a modelování,“ říká. „Všechny tyto techniky se dají použít i při návrhu motoru.“
Shkolnik připisuje velkou zásluhu na vývoji LiquidPistonu rozšířené komunitě MIT. Během 50 tisíc dolarů byl mentorem týmu investor rizikového kapitálu Bill Frezza ’76, SM ’78; jeho firma se pak stala jedním z prvních investorů. Členové týmu MIT Sloan Brian Roughan MBA ’05, Jennifer Andrews Burke MBA ’05 a Vikram Sahney MBA ’05 prováděli průzkum trhu, psali podnikatelský plán, pracovali na rozvoji podnikání a představovali společnost investorům.
Mentoři z Venture Mentoring Service (VMS) MIT – včetně zesnulého Davea Staelina, který VMS založil – také řídili růst LiquidPistonu a poskytovali rady ohledně vývoje produktů, najímání zaměstnanců a hledání rizikového kapitálu. (Doposud společnost získala finanční prostředky ve výši více než 15 milionů dolarů.)
V roce 2006, po analýze desítek iterací motoru, získala společnost LiquidPiston vojenský grant ve výši 70 000 dolarů na výrobu prvního prototypu vznětového motoru. (Dnes společnost LiquidPiston analyzovala a patentovala asi 60 různých návrhů motorů, které ztělesňují HEHC.)
Vzhledem k ohromující zpětné vazbě od výrobců energetických zařízení – požadujících lehčí, tišší motory bez vibrací – se společnost LiquidPiston nedávno přeorientovala na model X Mini, který vyvinula a uvedla na trh v posledních šesti měsících. Společnost nyní zaznamenala zájem potenciálních zákazníků a jedná s výrobci motorů, kteří mají zájem o licenci na technologii X Mini.
„Kromě zlepšení stávajících aplikací motorů,“ vysvětluje Shkolnik, „může X Mini umožnit zcela nové aplikace, které nejsou v současné době možné se současnou technologií motorů nebo baterií.“
Začátkem příštího roku plánuje společnost uspořádat soutěž, v níž bude od veřejnosti získávat nápady týkající se těchto nových způsobů využití X Mini. „Chceme rozproudit tvůrčí šťávy a otevřít se širší komunitě, abychom zjistili, zda se najde něco zajímavého,“ říká Shkolnik.