Lyd, overdrevne vibrationer og relativ ineffektivitet er ulemper ved de stempelbaserede forbrændingsmotorer (ICE), der driver nutidens græsplæne- og haveudstyr, f.eks. løvblæsere og græstrimmere.
Men nu har MIT’s nystartede virksomhed LiquidPiston udviklet en roterende ICE, som ifølge virksomheden er betydeligt mindre, lettere og mere støjsvag samt 20 % mere brændstoføkonomisk end de ICE’er, der anvendes i mange af disse små motorer.
“Hvis du tænker på håndholdt værktøj – f.eks. en kædesav eller hækkeklipper – har du efter ca. en halv time ikke lyst til at bruge det mere, fordi din hånd føles som om, den er ved at falde af”, siger Alexander Shkolnik PhD ’10, formand for LiquidPiston og medopfinder af motoren. “Vores motor har ingen vibrationer overhovedet, og den er meget mere støjsvag. Det burde være en meget bedre brugeroplevelse hele vejen rundt.”
LiquidPistons 70-cubikcentimeter-motor, X Mini, producerer ca. 3,5 hestekræfter ved 10.000 omdrejninger pr. minut; med sine 4 pund er den også ca. 30 procent mindre end de firetakts-, 50-cubikcentimeter-stempel-ICE’er med stempel, som den skal erstatte. Når den er helt færdig, siger Shkolnik, vil X Mini kunne yde omkring 5 hestekræfter ved 15.000 omdrejninger pr. minut og veje 3 pund.
Motoren kører den nye højeffektive hybridcyklus (HEHC) – udviklet af Shkolnik og hans fysikerfar, Nikolay – der opnår forbrænding ved konstant volumen og overekspansion for at opnå større energiudvinding. Med kun to bevægelige dele, en rotor og en aksel, og uden ventiler – som almindeligvis anvendes i andre firetakts ICE’er til at styre brændstoftilførslen – har motoren også reduceret støj, vibrationer og hårdhed, siger Shkolnik.
Den første anvendelse vil være håndholdt græsplæne- og haveudstyr, siger Shkolnik. Men motoren kan skaleres og modificeres til andre anvendelser, herunder knallerter, droner, udstyr til skibsfart, robotteknologi, rækkeviddeforlængere og hjælpemotorer til både, fly og andre køretøjer. Virksomheden har også demonstreret proof-of-concept for højeffektive dieselversioner af motoren, herunder X1 på 70 hestekræfter og X2 på 40 hestekræfter, til generatorer og andre anvendelser. Virksomheden håber på sigt at kunne udvikle små dieselversioner af X Mini-motoren til militære formål.
“Hvis man ser på en militær generator på 3 kilowatt, er det en gorilla på 270 pund, som det kræver fem personer at flytte rundt på”, siger Shkolnik. “Du kan forestille dig, at hvis vi kan gøre det til en enhed på 15 pund, er det ret revolutionerende for dem.”
Shkolnik præsenterede en artikel om både X2 og X Mini den 19. november på Society of Automotive Engineers’ 2014 Small Engine Technology Conference and Exhibition i Italien.
En omvendt Wankel
X Mini er i det væsentlige en opgradering i design og effektivitet af den kompakte Wankel-rotationsmotor, der blev opfundet i 1950’erne og i dag anvendes i sportsvogne, både og nogle fly.
I Wankel-motoren drejer en afrundet trekantet rotor rundt i en excentrisk bane i et ovalt kammer, hvor hver rotation producerer tre kraftslag – hvor motoren genererer kraft. I X Mini drejer en oval rotor rundt i et modificeret, afrundet trekantet hus.
“Vi har omvendt alt ved den traditionelle roterende motor, og nu kan vi udføre denne nye termodynamiske cyklus og løse alle de problemer, der plagede den traditionelle Wankelmotor” med hensyn til små motorer, siger Shkolnik.
En Wankelmotor har f.eks. et langt forbrændingskammer (som en tynd halvmåne), hvilket bidrager til dårlig brændstoføkonomi – da flammen ikke kan nå kammerets bagkanter og bliver slukket af kammerets store overfladeareal. X Mini’s forbrændingskammer er rundere og tykkere, så flammen brænder over et mindre overfladeareal.
Luft- og brændstofindtag og gasudstødning i X Mini sker gennem to porte i rotoren, der åbnes eller lukkes, efterhånden som rotoren roterer, hvilket fjerner behovet for ventiler. Den asymmetriske placering af disse porte forsinker lidt udstødningsprocessen under ekspansion. Dette giver mulighed for HEHC’s overekspansionsproces – fra den termodynamiske Atkinson-cyklus, der anvendes i visse hybridbiler – hvor gassen ekspanderes i kammeret, indtil der ikke længere er noget tryk, hvilket giver motoren mere tid til at udvinde energi fra brændstoffet. Dette design tager også højde for HEHC’s “konstant volumenforbrænding” – fra den termodynamiske Otto cyklus, der anvendes i stempelmotorer med gnisttænding – hvor komprimeret gas holdes i kammeret i en længere periode, så luft og brændstof blandes og antændes fuldstændigt, før det ekspanderer, hvilket resulterer i et øget ekspansionstryk og højere effektivitet.
“Det tager lang tid at forbrænde brændstof i en motor”, siger Shkolnik. “I de fleste motorer er man ved at ekspandere gasser, når man brænder brændstof, og man mister effektivitet fra forbrændingsprocessen. Vi fortsætter forbrændingen, mens rotoren er øverst i kammeret, og fremtvinger forbrændingen under disse forhold. Det er meget mere effektivt på den måde.”
Dertil kommer, at X Mini har flyttet toppens tætninger, hvilket fører til et lavere olieforbrug. I Wankels er apex-tætningerne forbundet med kanterne på den trekantede rotor, hvor de glider og bevæger sig. Smøring af dem kræver, at der tilføres store mængder olie til luft-brændstofblandingen, som brænder og lækker, hvilket øger emissionerne og olieforbruget. I X Mini er disse tætninger imidlertid placeret i det trekantede hus, som bliver siddende. “Nu kan vi tilføre bittesmå mængder olie gennem det stationære hus, præcis den mængde olie, som tætningen har brug for, og du forbrænder ingen olie, og du mister ingen olie til miljøet”, siger Shkolnik.
LiquidPiston’s “køreplan”
En interesse for robotteknologi og kunstig intelligens førte Shkolnik til MIT som ph.d.-studerende i elektroteknik og datalogi i 2003. Samme år indgav Nikolay Shkolnik sit første HEHC-patent, og hans søn fik kendskab til MIT’s $50K Entrepreneurship Competition (nu $100K) i en klasse, der fokuserede på teknisk iværksætteri. De slog sig sammen med studerende på MIT Sloan School of Management for at udarbejde en forretningsplan og præsentere en HEHC-motor i konkurrencen i 2004, hvor de vandt den næstbedste præmie på 10 000 USD for at lancere LiquidPiston.
Konkurrencen i sig selv viste sig at være nyttig for far og søn som iværksættere – der på det tidspunkt ikke havde nogen erfaring med at starte en virksomhed. Ved at udarbejde en detaljeret forretningsplan og lære, hvordan de skulle forklare deres teknologi for investorer, “viste den os virkelig en køreplan for, hvad vi skulle gøre, og vi blev tvunget til at gennemtænke en masse problemer, som vi ville komme til at stå over for”, siger Shkolnik.
I løbet af de næste seks år hjalp Shkolnik sin far med at udvikle LiquidPiston-motoren i familiens garage ved hjælp af færdigheder, som han fik opøvet i MIT’s Robot Locomotion Group, der ledes af Russell Tedrake, en lektor i elektroteknik og datalogi. “Det var en masse optimering, kontrol, simuleringer og modellering”, siger han. “Alle de samme teknikker kan anvendes til at designe en motor.”
Shkolnik tilskriver meget af LiquidPiston’s udvikling til det udvidede MIT-fællesskab. I løbet af $50K var venturekapitalist Bill Frezza ’76, SM ’78 mentor for holdet; hans firma blev derefter en tidlig investor. MIT Sloan-holdets medlemmer Brian Roughan MBA ’05, Jennifer Andrews Burke MBA ’05 og Vikram Sahney MBA ’05 gennemførte markedsundersøgelser, skrev forretningsplanen, arbejdede med forretningsudvikling og præsenterede virksomheden for investorer.
Mentorer fra MIT’s Venture Mentoring Service (VMS) – herunder afdøde Dave Staelin, der grundlagde VMS – har også styret LiquidPistons vækst og givet råd om produktudvikling, ansættelse og søgning af venturekapital. (Indtil videre har virksomheden fået mere end 15 millioner dollars i finansiering.)
I 2006 fik LiquidPiston efter at have analyseret snesevis af motor-iterationer et militærtilskud på 70.000 dollars til at fremstille en første prototype af en dieselmotor. (I dag har LiquidPiston analyseret og patenteret omkring 60 forskellige motordesigns for at inkorporere HEHC.)
På grund af overvældende feedback fra producenter af kraftudstyr – der efterlyser lettere, mere støjsvage og vibrationsfrie motorer – har LiquidPiston for nylig skiftet til X Mini, som virksomheden har udviklet og lanceret i løbet af de sidste seks måneder. Virksomheden har nu modtaget interesse fra potentielle kunder og taler med motorfabrikanter, der er interesserede i at give licens til X Mini-teknologien.
“Ud over at forbedre eksisterende motoranvendelser”, forklarer Shkolnik, “kan X Mini muliggøre helt nye anvendelser, som på nuværende tidspunkt ikke er mulige med den nuværende motor- eller batteriteknologi.”
I begyndelsen af næste år planlægger virksomheden at afholde en konkurrence for at indhente idéer fra offentligheden om disse nye anvendelsesmuligheder for X Mini. “Vi ønsker at få gang i de kreative safter og åbne op for det bredere samfund for at se, om der er noget interessant,” siger Shkolnik.