Le bruit, les vibrations excessives et l’inefficacité relative sont les inconvénients des moteurs à combustion interne (ICE) à piston qui alimentent les équipements de pelouse et de jardin d’aujourd’hui, comme les souffleurs de feuilles et les coupe-gazon.
Mais maintenant, la startup LiquidPiston du MIT a développé un ICE rotatif qui, selon elle, est nettement plus petit, plus léger et plus silencieux, ainsi que 20 % plus économe en carburant que les ICE utilisés dans de nombreux appareils de ce type à petit moteur.
« Si vous pensez aux outils portatifs – par exemple, une tronçonneuse ou un taille-haie – après environ une demi-heure, vous ne voulez plus l’utiliser parce que vous avez l’impression que votre main va tomber », explique Alexander Shkolnik PhD ’10, président de LiquidPiston et co-inventeur du moteur. « Notre moteur ne présente aucune vibration et il est beaucoup plus silencieux. L’expérience de l’utilisateur devrait être beaucoup plus agréable. »
Le moteur de 70 centimètres cubes de LiquidPiston, le X Mini, produit environ 3,5 chevaux à 10 000 tr/min ; avec ses 2,5 kg, il est également environ 30 % plus petit que les moteurs à combustion interne à piston de 50 centimètres cubes à quatre temps qu’il vise à remplacer. Selon M. Shkolnik, une fois terminé, le X Mini pourrait produire environ 5 chevaux à 15 000 tours par minute et peser 3 livres.
Le moteur utilise le nouveau cycle hybride à haut rendement (HEHC) – mis au point par M. Shkolnik et son père physicien, Nikolay – qui réalise une combustion à volume constant et une surexpansion pour une plus grande extraction d’énergie. Avec seulement deux pièces mobiles, un rotor et un arbre, et sans soupapes à clapet – couramment utilisées dans d’autres moteurs à combustion interne à quatre temps pour contrôler l’admission de carburant – le moteur a également des caractéristiques de bruit, de vibration et de dureté réduites, dit Shkolnik.
Les applications initiales seront des équipements de pelouse et de jardin portatifs, dit Shkolnik. Mais le moteur peut être mis à l’échelle et modifié pour d’autres applications, notamment les cyclomoteurs, les drones, les équipements marins, la robotique, les prolongateurs d’autonomie et les unités de puissance auxiliaires pour les bateaux, les avions et d’autres véhicules. La société a également démontré la preuve de concept pour les versions diesel à haut rendement du moteur, y compris le X1 de 70 chevaux et le X2 de 40 chevaux, pour les générateurs et autres applications. La société espère éventuellement développer de petites versions diesel du moteur X Mini pour des applications militaires.
« Si vous regardez un générateur militaire de 3 kilowatts, c’est un gorille de 270 livres qui nécessite cinq personnes pour le déplacer », dit Shkolnik. « Vous pouvez imaginer que si nous pouvons transformer cela en un appareil de 15 livres, c’est assez révolutionnaire pour eux. »
Shkolnik a présenté un document sur le X2 et le X Mini le 19 novembre à la conférence et à l’exposition 2014 sur la technologie des petits moteurs de la Society of Automotive Engineers en Italie.
Un Wankel inverse
Le X Mini est essentiellement une mise à niveau dans la conception et l’efficacité du moteur rotatif compact Wankel, inventé dans les années 1950 et utilisé aujourd’hui dans les voitures de sport, les bateaux et certains avions.
Dans le Wankel, un rotor triangulaire arrondi tourne dans une orbite excentrique à l’intérieur d’une chambre ovale, chaque rotation produisant trois coups de puissance – où le moteur génère de la force. Dans le X Mini, un rotor ovale tourne à l’intérieur d’un logement triangulaire arrondi modifié.
« Nous avons tout inversé du moteur rotatif traditionnel, et maintenant nous pouvons exécuter ce nouveau cycle thermodynamique et résoudre tous les problèmes qui tourmentaient le moteur Wankel traditionnel » pour les applications de petits moteurs, dit Shkolnik.
Un moteur Wankel, par exemple, utilise une longue chambre de combustion (comme un mince croissant de lune), ce qui contribue à une mauvaise économie de carburant – car la flamme ne peut pas atteindre les bords de fuite de la chambre et est étouffée par la grande surface de la chambre. La chambre de combustion du X Mini est plus ronde et plus grosse, de sorte que la flamme brûle sur une surface moindre.
L’admission d’air et de carburant et l’échappement des gaz dans le X Mini se font par deux orifices dans le rotor, ouverts ou fermés lorsque le rotor tourne, ce qui élimine le besoin de soupapes. L’emplacement asymétrique de ces ports retarde légèrement le processus d’échappement pendant l’expansion. Cela permet le processus de surexpansion du HEHC – issu du cycle thermodynamique d’Atkinson, utilisé dans certaines voitures hybrides – où le gaz est détendu dans la chambre jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de pression, ce qui laisse plus de temps au moteur pour extraire l’énergie du carburant. Cette conception permet également la « combustion à volume constant » du HEHC – issue du cycle thermodynamique d’Otto, utilisé dans les moteurs à pistons à allumage commandé – où le gaz comprimé est maintenu dans la chambre pendant une période prolongée, laissant l’air et le carburant se mélanger et s’enflammer complètement avant de se dilater, ce qui entraîne une augmentation des pressions d’expansion et un meilleur rendement.
« Il faut beaucoup de temps pour brûler le carburant dans un moteur », explique Shkolnik. « Dans la plupart des moteurs, au moment où vous brûlez le carburant, vous dilatez les gaz et vous perdez l’efficacité du processus de combustion. Nous continuons à brûler pendant que le rotor est au sommet de la chambre et nous forçons la combustion dans ces conditions. C’est beaucoup plus efficace de cette façon. »
De plus, le X Mini a déplacé les joints d’apex, ce qui entraîne une diminution de la consommation d’huile. Dans les Wankels, les joints d’apex rejoignent les bords du rotor triangulaire, où ils glissent et se déplacent. Pour les lubrifier, il faut alimenter le mélange air-carburant avec de grandes quantités d’huile qui brûle et fuit, ce qui augmente les émissions et la consommation d’huile. Dans la X Mini, en revanche, ces joints sont situés dans le boîtier triangulaire qui reste en place. « Maintenant, nous pouvons fournir de minuscules quantités d’huile à travers le boîtier stationnaire, exactement la quantité d’huile dont le joint a besoin, et vous ne brûlez pas d’huile et vous ne perdez pas d’huile dans l’environnement », explique Shkolnik.
LiquidPiston’s « roadmap »
Un intérêt pour la robotique et l’intelligence artificielle a conduit Shkolnik au MIT en tant qu’étudiant en doctorat en génie électrique et en informatique en 2003. Cette année-là, Nikolay Shkolnik a déposé son premier brevet HEHC, et son fils a appris l’existence du concours d’entrepreneuriat MIT $50K (maintenant $100K) dans une classe qui se concentrait sur l’entrepreneuriat technologique. Ils ont fait équipe avec des étudiants de l’école de gestion Sloan du MIT pour créer un plan d’affaires et présenter un moteur HEHC au concours de 2004, où ils ont remporté le deuxième prix de 10 000 $ pour lancer LiquidPiston.
Le concours lui-même s’est avéré utile pour les entrepreneurs père et fils – qui, à ce moment-là, n’avaient aucune expérience en matière de démarrage. En élaborant un plan d’affaires détaillé et en apprenant comment expliquer leur technologie aux investisseurs, « il nous a vraiment montré une feuille de route pour ce qu’il fallait faire et nous avons été forcés de réfléchir à de nombreux problèmes auxquels nous allions être confrontés », dit Shkolnik.
Au cours des six années suivantes, Shkolnik a aidé son père à développer le moteur LiquidPiston dans le garage familial, en utilisant les compétences qu’il a perfectionnées dans le groupe de locomotion robotique du MIT, dirigé par Russell Tedrake, professeur associé de génie électrique et d’informatique. « Il s’agissait de beaucoup d’optimisation, de contrôle, de simulations et de modélisation », explique-t-il. « Toutes ces mêmes techniques sont applicables à la conception d’un moteur. »
Shkolnik attribue une grande partie du développement de LiquidPiston à la communauté étendue du MIT. Pendant les 50 000 dollars, Bill Frezza (76 ans, 78 ans), spécialiste du capital-risque, a servi de mentor à l’équipe ; son entreprise est ensuite devenue un investisseur précoce. Les membres de l’équipe du MIT Sloan, Brian Roughan MBA ’05, Jennifer Andrews Burke MBA ’05 et Vikram Sahney MBA ’05, ont réalisé des études de marché, rédigé le plan d’affaires, travaillé au développement commercial et présenté l’entreprise aux investisseurs.
Des mentors du Venture Mentoring Service (VMS) du MIT – dont feu Dave Staelin, qui a fondé le VMS – ont également guidé la croissance de LiquidPiston, offrant des conseils sur le développement de produits, le recrutement et la recherche de capital-risque. (À ce jour, l’entreprise a obtenu plus de 15 millions de dollars de financement.)
En 2006, après avoir analysé des dizaines d’itérations de moteurs, LiquidPiston a obtenu une subvention militaire de 70 000 dollars pour produire un premier prototype de moteur diesel. (Aujourd’hui, LiquidPiston a analysé et breveté une soixantaine de conceptions différentes de moteurs pour incarner le HEHC.)
En raison de l’écrasante rétroaction des fabricants d’équipement motorisé – qui demandent des moteurs plus légers, plus silencieux et sans vibrations – LiquidPiston a récemment pivoté vers le X Mini, qu’elle a développé et lancé au cours des six derniers mois. L’entreprise a maintenant reçu l’intérêt de clients potentiels et s’adresse à des fabricants de moteurs intéressés par l’octroi de licences pour la technologie X Mini.
« En plus d’améliorer les applications de moteurs existantes », explique Shkolnik, « le X Mini peut permettre des applications entièrement nouvelles qui ne sont pas actuellement possibles avec la technologie actuelle des moteurs ou des batteries. »
Au début de l’année prochaine, l’entreprise prévoit d’organiser un concours pour solliciter les idées du public concernant ces nouvelles utilisations du X Mini. « Nous voulons faire jaillir la créativité et nous ouvrir à une communauté plus large pour voir s’il y a quelque chose d’intéressant », dit Shkolnik.