A zaj, a túlzott rezgés és a relatív hatékonyság hiánya a dugattyúalapú belsőégésű motorok (ICE) hátránya, amelyek a mai fű- és kerti berendezéseket, például a lombfúvókat és a fűnyírókat hajtják.
De most az MIT induló vállalkozása, a LiquidPiston kifejlesztett egy rotációs belső égésű motor, amely állítása szerint lényegesen kisebb, könnyebb és csendesebb, valamint 20 százalékkal üzemanyag-hatékonyabb, mint a sok ilyen kismotoros eszközben használt belső égésű motorok.
“Ha a kézi szerszámokra gondolunk – például egy láncfűrészre vagy sövénynyíróra -, körülbelül fél óra elteltével már nem akarjuk használni, mert úgy érezzük, hogy le fog esni a kezünk” – mondja Alexander Shkolnik PhD ’10, a LiquidPiston elnöke és a motor társfeltalálója. “A mi motorunk egyáltalán nem rezeg, és sokkal csendesebb. Ez sokkal kellemesebb felhasználói élményt jelenthet minden szempontból.”
A LiquidPiston 70 köbcentiméteres motorja, az X Mini körülbelül 3,5 lóerőt produkál 10 000-es fordulatszámon; 4 fontjával körülbelül 30 százalékkal kisebb, mint a négyütemű, 50 köbcentiméteres dugattyús belső égésű motorok, amelyeket fel akar váltani. Ha teljesen elkészül, Shkolnik szerint az X Mini körülbelül 5 lóerőt tudna leadni 15 000 percenkénti fordulatszámon, és 3 fontot nyomna.
A motor a Shkolnik és fizikus apja, Nikolay által kifejlesztett újszerű, nagy hatékonyságú hibrid ciklust (HEHC) használja, amely állandó térfogatú égést és túltágítást valósít meg a nagyobb energiakihozatal érdekében. Csak két mozgó alkatrész, egy rotor és egy tengely van, és nincsenek buborékszelepek – amelyeket más négyütemű belső égésű motoroknál általában az üzemanyag bevitelének szabályozására használnak -, így a motor zaj-, rezgés- és zajtakarakterisztikája is csökkent, mondja Shkolnik.
A kezdeti alkalmazások a kézi fűnyíró és kerti berendezések lesznek, mondja Shkolnik. De a motor méretezhető és módosítható más alkalmazásokhoz is, beleértve a mopedeket, drónokat, tengeri erőgépeket, robotikát, hatótávnövelőket, valamint hajók, repülőgépek és más járművek segédhajtóműveit. A vállalat a motor nagy hatékonyságú dízelváltozatainak – köztük a 70 lóerős X1 és a 40 lóerős X2 – koncepcióját is bemutatta generátorokhoz és egyéb alkalmazásokhoz. A vállalat reméli, hogy idővel az X Mini motor kisméretű dízelváltozatait is kifejlesztik katonai alkalmazásokhoz.
“Ha megnézünk egy 3 kilowattos katonai generátort, az egy 270 kilós gorilla, amelynek mozgatásához öt emberre van szükség” – mondja Shkolnik. “El lehet képzelni, hogy ha ezt egy 15 kilós eszközzé tudjuk alakítani, az elég forradalmi számukra.”
Shkolnik november 19-én Olaszországban, a Society of Automotive Engineers 2014 Small Engine Technology Conference and Exhibition rendezvényén előadást tartott az X2 és az X Mini modellekről.
Egy inverz Wankel
Az X Mini lényegében az 1950-es években feltalált, kompakt Wankel rotációs motor továbbfejlesztése, amelyet ma sportkocsikban, hajókban és néhány repülőgépben használnak.
A Wankelben egy lekerekített háromszögletű rotor excentrikus pályán forog egy ovális kamrában, és minden egyes fordulat három lökést eredményez – ahol a motor erőt termel. Az X Miniben egy ovális rotor forog egy módosított, lekerekített háromszög alakú házban.
“Mindent megfordítottunk a hagyományos forgómotorral kapcsolatban, és most végre tudjuk hajtani ezt az új termodinamikai ciklust, és megoldjuk az összes problémát, amely a hagyományos Wankel-motort sújtotta” a kismotoros alkalmazásokban, mondja Shkolnik.
A Wankel-motor például hosszú égéstérrel rendelkezik (mint egy vékony félhold), ami hozzájárul a rossz üzemanyag-takarékossághoz – mivel a láng nem éri el a kamra hátsó éleit, és a kamra nagy felülete miatt elalszik. Az X Mini égéstere kerekebb és vastagabb, így a láng kisebb felületen ég el.
A levegő és az üzemanyag be- és kiengedése az X Mininél a rotoron lévő két nyíláson keresztül történik, amelyek a rotor forgásakor nyílnak vagy záródnak, így nincs szükség szelepekre. E nyílások aszimmetrikus elhelyezkedése kissé késlelteti a kipufogási folyamatot a tágulás során. Ez lehetővé teszi a HEHC túlexpanziós folyamatát – az Atkinson-féle termodinamikai ciklusból, amelyet egyes hibrid autókban használnak -, ahol a gáz addig tágul a kamrában, amíg nincs nyomás, így a motornak több ideje marad arra, hogy energiát nyerjen az üzemanyagból. Ez a kialakítás lehetővé teszi a HEHC “állandó térfogatú égést” is – a szikragyújtású dugattyús motorokban használt Otto termodinamikai ciklusból -, ahol a sűrített gázt hosszabb ideig tartják a kamrában, hagyva, hogy a levegő és az üzemanyag keveredjen és teljesen meggyulladjon, mielőtt kitágulna, ami nagyobb tágulási nyomást és nagyobb hatékonyságot eredményez.
“Az üzemanyag elégetése egy motorban hosszú időbe telik” – mondja Shkolnik. “A legtöbb motorban, mire az üzemanyag elég, már tágulnak a gázok, és az égési folyamat hatékonysága csökken. Mi addig folytatjuk az égést, amíg a rotor a kamra tetején van, és ilyen körülmények között kényszerítjük ki az égést. Így sokkal hatékonyabb.”
Az X Mini emellett áthelyezte a csúcstömítéseket, ami csökkentette az olajfogyasztást. A Wankelekben az apex tömítések a háromszög alakú rotor széleihez csatlakoznak, ahol csúsznak és mozognak. Kenésükhöz a levegő-üzemanyag keveréket nagy mennyiségű olajjal kell ellátni, amely elég és szivárog, növelve a károsanyag-kibocsátást és az olajfogyasztást. Az X Miniben azonban ezek a tömítések a háromszög alakú házban helyezkednek el, amely a helyén marad. “Most apró olajmennyiséget tudunk biztosítani az álló házon keresztül, pontosan annyi olajat, amennyire a tömítésnek szüksége van, és nem égetünk el olajat, és nem veszítünk olajat a környezetbe” – mondja Shkolnik.
LiquidPiston “útiterve”
A robotika és a mesterséges intelligencia iránti érdeklődés vezette Shkolnikot 2003-ban az MIT-re elektromérnöki és informatikai PhD-hallgatóként. Abban az évben Nikolay Shkolnik beadta első HEHC szabadalmát, fia pedig a MIT 50K dolláros (ma már 100K dolláros) vállalkozói versenyéről értesült egy órán, amely a technológiai vállalkozásokra összpontosított. Az MIT Sloan School of Management hallgatóival összefogva üzleti tervet készítettek, és egy HEHC-motort mutattak be a 2004-es versenyen, ahol elnyerték a 10 000 dolláros második díjat, és elindították a LiquidPiston-t.
A verseny maga is hasznosnak bizonyult az apa és fia vállalkozók számára – akiknek akkoriban még nem volt tapasztalatuk a startup-tevékenységben. A részletes üzleti terv elkészítése és annak megtanulása során, hogyan magyarázzák el technológiájukat a befektetőknek, “valóban megmutatta nekünk, hogy mit kell tennünk, és arra kényszerített minket, hogy átgondoljuk a felmerülő problémákat” – mondja Shkolnik.
A következő hat évben Shkolnik segített apjának a LiquidPiston motor kifejlesztésében a családi garázsban, felhasználva a Russell Tedrake, az elektrotechnika és informatika docense által vezetett MIT Robot Locomotion Groupban elsajátított készségeket. “Rengeteg optimalizálás, vezérlés, szimuláció és modellezés volt” – mondja. “Ugyanezek a technikák alkalmazhatók egy motor tervezésénél is.”
Shkolnik a LiquidPiston fejlesztésének nagy részét az MIT kiterjedt közösségének tulajdonítja. Az 50K dollár alatt Bill Frezza ’76-os, SM ’78-as kockázati tőkés mentorálta a csapatot; cége aztán korai befektető lett. Az MIT Sloan csapat tagjai, Brian Roughan MBA ’05, Jennifer Andrews Burke MBA ’05 és Vikram Sahney MBA ’05 piackutatást végeztek, megírták az üzleti tervet, dolgoztak az üzletfejlesztésen, és bemutatták a vállalatot a befektetőknek.
A MIT Venture Mentoring Service (VMS) mentorai – köztük a néhai Dave Staelin, a VMS alapítója – szintén irányították a LiquidPiston növekedését, tanácsokat adtak a termékfejlesztéshez, a munkaerő-felvételhez és a kockázati tőke kereséséhez. (Eddig a vállalat több mint 15 millió dollárnyi támogatást szerzett.)
2006-ban, több tucatnyi motoritáció elemzése után a LiquidPiston 70 000 dolláros katonai támogatást nyert egy első dízelmotor-prototípus elkészítéséhez. (Mára a LiquidPiston mintegy 60 különböző motortervet elemzett és szabadalmaztatott a HEHC megtestesítése érdekében.)
Az erőgépgyártók elsöprő visszajelzései miatt – amelyek könnyebb, csendesebb, rezgésmentes motorokat követeltek – a LiquidPiston nemrégiben átállt az X Minire, amelyet az elmúlt hat hónapban fejlesztett ki és adott ki. A vállalat mostanra érdeklődést kapott a potenciális vásárlóktól, és már tárgyal az X Mini technológia licencelésében érdekelt motorgyártókkal.
“A meglévő motoralkalmazások javításán túlmenően” – magyarázza Shkolnik – “az X Mini teljesen új, a jelenlegi motor- vagy akkumulátor-technológiával jelenleg nem lehetséges alkalmazásokat is lehetővé tehet.”
A jövő év elején a vállalat egy versenyt tervez, hogy ötleteket gyűjtsön a nyilvánosságtól az X Mini ilyen új felhasználási lehetőségeivel kapcsolatban. “Szeretnénk beindítani a kreativitást, és nyitni a szélesebb közösség felé, hogy lássuk, van-e valami érdekes” – mondja Shkolnik.