Lärm, übermäßige Vibrationen und relative Ineffizienz sind die Nachteile der kolbenbasierten Verbrennungsmotoren (ICE), die heutige Rasen- und Gartengeräte wie Laubbläser und Rasentrimmer antreiben.
Das MIT-Startup LiquidPiston hat nun einen rotierenden Verbrennungsmotor entwickelt, der nach eigenen Angaben deutlich kleiner, leichter und leiser ist und zudem 20 Prozent weniger Kraftstoff verbraucht als die Verbrennungsmotoren, die in vielen derartigen Kleingeräten verwendet werden.
„Wenn man an handgeführte Werkzeuge denkt – zum Beispiel eine Kettensäge oder eine Heckenschere – dann will man sie nach etwa einer halben Stunde nicht mehr benutzen, weil die Hand sich anfühlt, als würde sie abfallen“, sagt Alexander Shkolnik PhD ’10, Präsident von LiquidPiston und Miterfinder des Motors. „Unser Motor hat überhaupt keine Vibrationen und ist viel leiser.
Der 70-Kubikzentimeter-Motor von LiquidPiston, der X Mini, hat eine Leistung von etwa 3,5 PS bei 10.000 U/min und ist mit 4 Pfund etwa 30 Prozent kleiner als die Viertakt-ICEs mit 50-Kubikzentimeter-Kolben, die er ersetzen soll. Im Endausbau, so Shkolnik, könnte der X Mini etwa 5 PS bei 15.000 Umdrehungen pro Minute leisten und 3 Pfund wiegen.
Der Motor arbeitet mit dem neuartigen hocheffizienten Hybridzyklus (HEHC), der von Shkolnik und seinem Vater, dem Physiker Nikolay, entwickelt wurde und eine Verbrennung mit konstantem Volumen und Überexpansion für eine höhere Energieausbeute ermöglicht. Mit nur zwei beweglichen Teilen, einem Rotor und einer Welle, und ohne Tellerventile – die bei anderen Viertakt-ICEs üblicherweise zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr verwendet werden – hat der Motor auch geringere Geräusch-, Vibrations- und Rauheitseigenschaften, so Shkolnik.
Anfängliche Anwendungen werden handgehaltene Rasen- und Gartengeräte sein, sagt Shkolnik. Der Motor kann aber auch für andere Anwendungen skaliert und modifiziert werden, z. B. für Mopeds, Drohnen, Schiffsantriebe, Robotik, Reichweitenverlängerer und Hilfsaggregate für Boote, Flugzeuge und andere Fahrzeuge. Das Unternehmen hat auch den Konzeptnachweis für hocheffiziente Dieselversionen des Motors erbracht, darunter den 70-PS-Motor X1 und den 40-PS-Motor X2 für Generatoren und andere Anwendungen. Das Unternehmen hofft, irgendwann kleine Dieselversionen des X-Mini-Motors für militärische Anwendungen zu entwickeln.
„Wenn man sich einen 3-Kilowatt-Militärgenerator ansieht, ist das ein 270-Pfund-Gorilla, der von fünf Personen bewegt werden muss“, sagt Shkolnik. „Sie können sich vorstellen, dass es für sie ziemlich revolutionär ist, wenn wir das in ein 15-Pfund-Gerät verwandeln können.“
Shkolnik präsentierte am 19. November auf der 2014 Small Engine Technology Conference and Exhibition der Society of Automotive Engineers in Italien einen Vortrag über den X2 und den X Mini.
Ein umgekehrter Wankelmotor
Der X Mini ist im Wesentlichen eine Verbesserung des Designs und der Effizienz des kompakten Wankelmotors, der in den 1950er Jahren erfunden wurde und heute in Sportwagen, Booten und einigen Flugzeugen zum Einsatz kommt.
Beim Wankelmotor dreht sich ein dreieckiger, runder Rotor auf einer exzentrischen Umlaufbahn in einer ovalen Kammer, wobei jede Umdrehung drei Arbeitstakte erzeugt, bei denen der Motor Kraft erzeugt. Beim X-Mini dreht sich ein ovaler Rotor in einem modifizierten, abgerundeten dreieckigen Gehäuse.
„Wir haben alles am traditionellen Kreiskolbenmotor auf den Kopf gestellt, und jetzt können wir diesen neuen thermodynamischen Zyklus ausführen und alle Probleme lösen, die den traditionellen Wankelmotor plagten“, sagt Shkolnik für Kleinmotoranwendungen.
Ein Wankelmotor hat zum Beispiel eine lange Brennkammer (wie eine dünne Mondsichel), die zu einem schlechten Kraftstoffverbrauch beiträgt, da die Flamme die hinteren Kanten der Kammer nicht erreichen kann und durch die große Oberfläche der Kammer gelöscht wird. Die Verbrennungskammer des X Mini ist runder und dicker, so dass die Flamme über eine geringere Fläche brennt.
Die Ansaugung von Luft und Kraftstoff sowie der Ausstoß von Gas erfolgen beim X Mini über zwei Öffnungen im Rotor, die bei der Drehung des Rotors geöffnet oder geschlossen werden, so dass keine Ventile erforderlich sind. Die asymmetrische Anordnung dieser Öffnungen verzögert den Abgasvorgang während der Expansion leicht. Dies ermöglicht den Überexpansionsprozess des HEHC-Motors, der aus dem thermodynamischen Atkinson-Zyklus stammt, der in einigen Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommt, bei dem das Gas in der Kammer so lange entspannt wird, bis kein Druck mehr vorhanden ist, so dass der Motor mehr Zeit hat, Energie aus dem Kraftstoff zu gewinnen. Diese Konstruktion ermöglicht auch die „Verbrennung mit konstantem Volumen“ (HEHC), die vom thermodynamischen Otto-Zyklus stammt, der in Kolbenmotoren mit Fremdzündung verwendet wird. Dabei wird das komprimierte Gas über einen längeren Zeitraum in der Kammer gehalten, so dass sich Luft und Kraftstoff vermischen und vollständig entzünden können, bevor sie sich ausdehnen, was zu einem höheren Expansionsdruck und einem höheren Wirkungsgrad führt.
„Die Verbrennung von Kraftstoff in einem Motor dauert sehr lange“, sagt Shkolnik. „In den meisten Motoren werden die Gase in dem Moment, in dem der Kraftstoff verbrannt wird, bereits expandiert, und der Verbrennungsprozess verliert an Effizienz. Wir setzen die Verbrennung fort, während sich der Rotor oben in der Kammer befindet, und erzwingen die Verbrennung unter diesen Bedingungen. Auf diese Weise ist die Verbrennung viel effizienter.“
Darüber hinaus hat der X-Mini die Apex-Dichtungen verlegt, was zu einem geringeren Ölverbrauch führt. Beim Wankelmotor sind die Apex-Dichtungen an den Kanten des dreieckigen Rotors angebracht, wo sie gleiten und sich bewegen. Um sie zu schmieren, müssen dem Luft-Kraftstoff-Gemisch große Mengen Öl zugeführt werden, das verbrennt und ausläuft, was die Emissionen und den Ölverbrauch erhöht. Beim X-Mini hingegen befinden sich diese Dichtungen in einem dreieckigen Gehäuse, das an Ort und Stelle bleibt. „Jetzt können wir winzige Mengen Öl durch das feststehende Gehäuse zuführen, genau so viel Öl, wie die Dichtung braucht, und man verbrennt kein Öl und verliert kein Öl an die Umwelt“, sagt Shkolnik.
LiquidPistons „Fahrplan“
Ein Interesse an Robotik und künstlicher Intelligenz führte Shkolnik 2003 als Doktorand der Elektrotechnik und Informatik ans MIT. Im selben Jahr meldete Nikolay Shkolnik sein erstes HEHC-Patent an, und sein Sohn erfuhr in einer Vorlesung über technisches Unternehmertum vom MIT-Wettbewerb für 50 000 Dollar (jetzt 100 000 Dollar). Sie taten sich mit Studenten der MIT Sloan School of Management zusammen, um einen Geschäftsplan zu erstellen und einen HEHC-Motor beim Wettbewerb 2004 vorzustellen, bei dem sie den mit 10.000 Dollar dotierten zweiten Platz belegten, um LiquidPiston zu gründen.
Der Wettbewerb selbst erwies sich als hilfreich für das Unternehmerpaar, das zu diesem Zeitpunkt noch keine Erfahrung mit der Gründung von Unternehmen hatte. Bei der Erstellung eines detaillierten Geschäftsplans und beim Lernen, wie sie ihre Technologie den Investoren erklären können, „zeigte er uns wirklich einen Fahrplan für das, was zu tun ist, und wir waren gezwungen, über viele Probleme nachzudenken, mit denen wir konfrontiert werden würden“, sagt Shkolnik.
In den nächsten sechs Jahren half Shkolnik seinem Vater, den LiquidPiston-Motor in der Garage der Familie zu entwickeln, wobei er seine Fähigkeiten in der Robot Locomotion Group des MIT unter der Leitung von Russell Tedrake, einem außerordentlichen Professor für Elektrotechnik und Informatik, verfeinerte. „Es ging um Optimierung, Steuerung, Simulationen und Modellierung“, sagt er. „
Shkolnik schreibt einen Großteil der Entwicklung von LiquidPiston der erweiterten MIT-Gemeinschaft zu. Während des $50K-Projekts betreute der Risikokapitalgeber Bill Frezza ’76, SM ’78 das Team; seine Firma wurde dann ein früher Investor. Die MIT Sloan-Teammitglieder Brian Roughan MBA ’05, Jennifer Andrews Burke MBA ’05 und Vikram Sahney MBA ’05 führten Marktforschung durch, schrieben den Geschäftsplan, arbeiteten an der Geschäftsentwicklung und stellten das Unternehmen den Investoren vor.
Mentoren des Venture Mentoring Service (VMS) des MIT – darunter der verstorbene Dave Staelin, der den VMS gründete – begleiteten auch das Wachstum von LiquidPiston und boten Ratschläge zur Produktentwicklung, zur Einstellung von Mitarbeitern und zur Suche nach Risikokapital. (Bislang hat das Unternehmen mehr als 15 Millionen Dollar an Finanzmitteln erhalten.)
Im Jahr 2006 erhielt LiquidPiston nach der Analyse von Dutzenden von Motorvarianten einen Zuschuss von 70.000 Dollar vom Militär, um einen ersten Prototyp eines Dieselmotors herzustellen. (Heute hat LiquidPiston etwa 60 verschiedene Motorkonstruktionen analysiert und patentiert, die HEHC verkörpern.)
Aufgrund des überwältigenden Feedbacks von Kraftmaschinenherstellern – die nach leichteren, leiseren und vibrationsfreien Motoren verlangten – hat LiquidPiston kürzlich den X Mini entwickelt und in den letzten sechs Monaten auf den Markt gebracht. Das Unternehmen hat nun Interesse von potenziellen Kunden erhalten und spricht mit Motorenherstellern, die an einer Lizenzierung der X Mini-Technologie interessiert sind.
„Zusätzlich zur Verbesserung bestehender Motorenanwendungen“, erklärt Shkolnik, „kann der X Mini völlig neue Anwendungen ermöglichen, die derzeit mit der aktuellen Motoren- oder Batterietechnologie nicht möglich sind.“
Anfang nächsten Jahres plant das Unternehmen, einen Wettbewerb zu veranstalten, um Ideen aus der Öffentlichkeit für diese neuen Einsatzmöglichkeiten des X Mini einzuholen. „Wir wollen die kreativen Säfte zum Fließen bringen und uns für die breite Öffentlichkeit öffnen, um zu sehen, ob es etwas Interessantes gibt“, sagt Shkolnik.