El ruido, las vibraciones excesivas y la relativa ineficacia son los inconvenientes de los motores de combustión interna (ICE) de pistón que impulsan los equipos actuales de jardinería, como los sopladores de hojas y las cortadoras de césped.
Pero ahora la nueva empresa del MIT, LiquidPiston, ha desarrollado un motor de combustión interna (ICE) rotativo que, según dice, es significativamente más pequeño, más ligero y más silencioso, así como un 20 por ciento más eficiente en términos de combustible que los ICE utilizados en muchos de estos dispositivos de pequeño tamaño.
«Si pensamos en las herramientas manuales -por ejemplo, una sierra de cadena o un cortasetos-, al cabo de media hora no queremos seguir usándolas porque sentimos que se nos va a caer la mano», dice Alexander Shkolnik PhD ’10, presidente de LiquidPiston y coinventor del motor. «Nuestro motor no tiene ninguna vibración y es mucho más silencioso. El motor de 70 centímetros cúbicos de LiquidPiston, el X Mini, produce unos 3,5 caballos de potencia a 10.000 RPM; con un peso de 1,5 kilos, es un 30% más pequeño que los motores de cuatro tiempos y 50 centímetros cúbicos que pretende sustituir. Según Shkolnik, cuando esté completo, el X Mini podría producir unos 5 caballos de potencia a 15.000 revoluciones por minuto y pesar 1 kilo.
El motor funciona con el novedoso ciclo híbrido de alta eficiencia (HEHC) -desarrollado por Shkolnik y su padre, el físico Nikolay- que consigue una combustión a volumen constante y una sobreexpansión para una mayor extracción de energía. Con sólo dos piezas móviles, un rotor y un eje, y sin válvulas de asiento -utilizadas habitualmente en otros motores de combustión interna de cuatro tiempos para controlar la entrada de combustible-, el motor también presenta unas características de ruido, vibración y dureza reducidas, afirma Shkolnik.
Las aplicaciones iniciales serán los equipos manuales de césped y jardín, dice Shkolnik. Pero el motor puede ampliarse y modificarse para otras aplicaciones, como ciclomotores, drones, equipos marinos, robótica, extensores de autonomía y unidades de potencia auxiliares para barcos, aviones y otros vehículos. La empresa también ha demostrado la prueba de concepto de versiones diésel de alta eficiencia del motor, como el X1 de 70 caballos y el X2 de 40 caballos, para generadores y otras aplicaciones. La empresa espera desarrollar con el tiempo pequeñas versiones diésel del motor X Mini para aplicaciones militares.
«Si se mira un generador militar de 3 kilovatios, es un gorila de 270 libras que necesita cinco personas para moverse», dice Shkolnik. «Puedes imaginar que si podemos convertir eso en un dispositivo de 15 libras, es bastante revolucionario para ellos».
Shkolnik presentó una ponencia sobre el X2 y el X Mini el 19 de noviembre en la Conferencia y Exposición de Tecnología de Motores Pequeños 2014 de la Sociedad de Ingenieros de Automoción en Italia.
Un Wankel inverso
El X Mini es esencialmente una mejora en el diseño y la eficiencia del compacto motor rotativo Wankel, inventado en la década de 1950 y utilizado hoy en día en coches deportivos, barcos y algunas aeronaves.
En el Wankel, un rotor triangular redondeado gira en una órbita excéntrica dentro de una cámara ovalada, y cada rotación produce tres carreras de potencia, donde el motor genera fuerza. En el X Mini, un rotor ovalado gira dentro de una carcasa triangular redondeada modificada.
«Hemos invertido todo lo relativo al motor rotativo tradicional, y ahora podemos ejecutar este nuevo ciclo termodinámico y resolver todos los problemas que aquejaban al motor Wankel tradicional» para aplicaciones de motores pequeños, afirma Shkolnik.
Un motor Wankel, por ejemplo, utiliza una cámara de combustión larga (como una fina luna creciente), lo que contribuye a un pobre ahorro de combustible, ya que la llama no puede alcanzar los bordes de salida de la cámara y se apaga por la gran superficie de la misma. La cámara de combustión del X Mini es más redonda y gorda, por lo que la llama arde sobre una superficie menor.
La entrada de aire y combustible y el escape de gases en el X Mini se producen a través de dos puertos en el rotor, que se abren o cierran cuando éste gira, eliminando la necesidad de válvulas. La ubicación asimétrica de estos puertos retrasa ligeramente el proceso de escape durante la expansión. Esto permite el proceso de sobreexpansión del HEHC -del ciclo termodinámico Atkinson, utilizado en algunos coches híbridos-, en el que el gas se expande en la cámara hasta que no hay presión, permitiendo al motor más tiempo para extraer energía del combustible. Este diseño también da cabida a la «combustión de volumen constante» del HEHC -del ciclo termodinámico Otto, utilizado en los motores de pistón de encendido por chispa-, en la que el gas comprimido se mantiene en la cámara durante un periodo prolongado, dejando que el aire y el combustible se mezclen y enciendan por completo antes de expandirse, lo que da lugar a mayores presiones de expansión y a una mayor eficiencia.
«Se necesita mucho tiempo para quemar el combustible en un motor», afirma Shkolnik. «En la mayoría de los motores, en el momento en que se quema el combustible, se están expandiendo los gases y se pierde eficiencia en el proceso de combustión. Nosotros mantenemos la combustión mientras el rotor está en la parte superior de la cámara y forzamos la combustión en esas condiciones. Es mucho más eficiente de esta manera».
Además, el X Mini ha reubicado los retenes del vértice, lo que permite reducir el consumo de aceite. En los Wankel, las juntas de vértice se unen a los bordes del rotor triangular, donde se deslizan y se mueven. Lubricarlos requiere suministrar a la mezcla aire-combustible grandes cantidades de aceite que se quema y gotea, aumentando las emisiones y el consumo de aceite. En el X Mini, sin embargo, estas juntas están situadas en la carcasa de forma triangular que no se mueve. «Ahora podemos suministrar pequeñas cantidades de aceite a través de la carcasa estacionaria, exactamente la cantidad de aceite que necesita la junta, y no se quema nada de aceite ni se pierde nada de aceite en el medio ambiente», dice Shkolnik.
La «hoja de ruta» de LiquidPiston
Un interés por la robótica y la inteligencia artificial llevó a Shkolnik al MIT como estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática en 2003. Ese año, Nikolay Shkolnik presentó su primera patente de HEHC y su hijo se enteró del concurso de emprendimiento del MIT de 50.000 dólares (ahora de 100.000) en una clase centrada en el emprendimiento tecnológico. Se asociaron con estudiantes de la Sloan School of Management del MIT para crear un plan de negocio y presentar un motor HEHC en el concurso de 2004, en el que se llevaron el segundo premio de 10.000 dólares para lanzar LiquidPiston.
El propio concurso resultó muy útil para los empresarios, padre e hijo, que en ese momento no tenían experiencia en la creación de empresas. Al elaborar un plan de negocio detallado y aprender a explicar su tecnología a los inversores, «realmente nos mostró una hoja de ruta para lo que teníamos que hacer y nos obligó a pensar mucho en los problemas a los que nos íbamos a enfrentar», dice Shkolnik.
Durante los seis años siguientes, Shkolnik ayudó a su padre a desarrollar el motor LiquidPiston en el garaje familiar, utilizando habilidades que perfeccionó en el Grupo de Locomoción de Robots del MIT, dirigido por Russell Tedrake, profesor asociado de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación. «Se trataba de mucha optimización, control, simulación y modelado», dice. «Todas esas mismas técnicas son aplicables al diseño de un motor».
Shkolnik atribuye gran parte del desarrollo de LiquidPiston a la comunidad ampliada del MIT. Durante los 50.000 dólares, el capitalista de riesgo Bill Frezza ’76, SM ’78 fue el mentor del equipo; su empresa se convirtió entonces en uno de los primeros inversores. Los miembros del equipo del MIT Sloan, Brian Roughan, MBA ’05, Jennifer Andrews Burke, MBA ’05, y Vikram Sahney, MBA ’05, realizaron estudios de mercado, redactaron el plan de negocio, trabajaron en el desarrollo empresarial y presentaron la empresa a los inversores.
Los mentores del Venture Mentoring Service (VMS) del MIT -incluido el difunto Dave Staelin, que fundó el VMS- también guiaron el crecimiento de LiquidPiston, ofreciendo asesoramiento sobre el desarrollo de productos, la contratación y la búsqueda de capital riesgo. (Hasta ahora, la empresa ha obtenido más de 15 millones de dólares de financiación.)
En 2006, tras analizar docenas de iteraciones de motores, LiquidPiston obtuvo una subvención militar de 70.000 dólares para producir un primer prototipo de motor diésel. (En la actualidad, LiquidPiston ha analizado y patentado unos 60 diseños de motor diferentes para incorporar el HEHC.)
Debido a la abrumadora respuesta de los fabricantes de equipos de potencia -que piden motores más ligeros, silenciosos y sin vibraciones-, LiquidPiston cambió recientemente al X Mini, que desarrolló y lanzó en los últimos seis meses. La empresa ya ha recibido el interés de posibles clientes y está hablando con fabricantes de motores interesados en obtener la licencia de la tecnología del X Mini.
«Además de mejorar las aplicaciones de motores existentes», explica Shkolnik, «el X Mini puede permitir aplicaciones totalmente nuevas que no son posibles en la actualidad con la tecnología actual de motores o baterías».
A principios del año que viene, la empresa tiene previsto organizar un concurso para solicitar ideas al público sobre estos nuevos usos del X Mini. «Queremos hacer fluir la creatividad y abrirnos a la comunidad en general para ver si hay algo interesante», dice Shkolnik.