Rumore, vibrazioni eccessive e relativa inefficienza sono gli svantaggi dei motori a combustione interna (ICE) a pistone che alimentano le odierne attrezzature da prato e giardino, come soffiatori e tagliaerba.
Ma ora la startup LiquidPiston del MIT ha sviluppato un ICE rotativo che dice essere significativamente più piccolo, più leggero e più silenzioso, così come il 20% più efficiente nel consumo di carburante rispetto agli ICE usati in molti di questi piccoli dispositivi.
“Se si pensa agli strumenti portatili – per esempio, una motosega o un tagliasiepi – dopo circa mezz’ora non si vuole più usare perché la mano sembra che stia per cadere”, dice Alexander Shkolnik PhD ’10, presidente di LiquidPiston e co-inventore del motore. “Il nostro motore non ha alcuna vibrazione ed è molto più silenzioso. Dovrebbe essere un’esperienza utente molto più bella in tutto.”
Il motore da 70 centimetri cubici di LiquidPiston, l’X Mini, produce circa 3,5 cavalli a 10.000 RPM; a 4 libbre, è anche circa il 30% più piccolo dei quattro tempi, 50 centimetri cubici ICE a pistone che mira a sostituire. Quando è completamente completo, Shkolnik dice, la X Mini potrebbe sfornare circa 5 cavalli a 15.000 giri al minuto, e pesare 3 libbre.
Il motore esegue il nuovo ciclo ibrido ad alta efficienza (HEHC) – sviluppato da Shkolnik e suo padre fisico, Nikolay – che raggiunge la combustione a volume costante e la sovraespansione per una maggiore estrazione di energia. Con solo due parti mobili, un rotore e un albero, e senza valvole a otturatore – comunemente usate in altri ICE a quattro tempi per controllare l’aspirazione del carburante – il motore ha anche caratteristiche ridotte di rumore, vibrazioni e durezza, dice Shkolnik.
Le applicazioni iniziali saranno attrezzature portatili per prato e giardino, dice Shkolnik. Ma il motore può essere scalato e modificato per altre applicazioni, compresi i ciclomotori, i droni, le attrezzature marine, la robotica, gli estensori di gamma e le unità di potenza ausiliaria per barche, aerei e altri veicoli. L’azienda ha anche dimostrato il proof-of-concept per versioni diesel ad alta efficienza del motore, tra cui il X1 da 70 cavalli e il X2 da 40 cavalli, per generatori e altre applicazioni. L’azienda spera alla fine di sviluppare piccole versioni diesel del motore X Mini per applicazioni militari.
“Se si guarda un generatore militare da 3 chilowatt, è un gorilla da 270 libbre che richiede cinque persone per muoversi”, dice Shkolnik. “
Shkolnik ha presentato un documento su X2 e X Mini il 19 novembre alla Society of Automotive Engineers’ 2014 Small Engine Technology Conference and Exhibition in Italia.
Un Wankel inverso
L’X Mini è essenzialmente un aggiornamento nel design e nell’efficienza del compatto motore rotativo Wankel, inventato negli anni ’50 e usato oggi in auto sportive, barche e alcuni aerei.
Nel Wankel, un rotore a triangolo rotondo gira in un’orbita eccentrica all’interno di una camera ovale, con ogni rotazione che produce tre colpi di potenza – dove il motore genera forza. Nel X Mini, un rotore ovale gira all’interno di un alloggiamento triangolare modificato e arrotondato.
“Abbiamo invertito tutto ciò che riguarda il motore rotativo tradizionale, e ora possiamo eseguire questo nuovo ciclo termodinamico e risolvere tutti i problemi che affliggevano il motore Wankel tradizionale” per applicazioni con piccoli motori, dice Shkolnik.
Un motore Wankel, per esempio, usa una lunga camera di combustione (come una sottile mezzaluna), che contribuisce ad una scarsa economia di carburante – poiché la fiamma non può raggiungere i bordi della camera e viene spenta dalla grande superficie della camera. La camera di combustione della X Mini è più rotonda e più grassa, così la fiamma brucia su una superficie minore.
L’aspirazione di aria e carburante e lo scarico del gas nella X Mini avvengono attraverso due porte nel rotore, aperte o chiuse mentre il rotore gira, eliminando il bisogno di valvole. La posizione asimmetrica di queste porte ritarda leggermente il processo di scarico durante l’espansione. Questo permette il processo di sovraespansione di HEHC – dal ciclo termodinamico Atkinson, usato in alcune auto ibride – dove il gas viene espanso nella camera finché non c’è più pressione, permettendo al motore più tempo per estrarre energia dal carburante. Questo design accoglie anche la “combustione a volume costante” di HEHC – dal ciclo termodinamico Otto, usato nei motori a pistoni con accensione a scintilla – dove il gas compresso viene tenuto nella camera per un periodo prolungato, lasciando che l’aria e il carburante si mescolino e si accendano completamente prima di espandersi, con conseguente aumento della pressione di espansione e maggiore efficienza.
“Ci vuole molto tempo per bruciare il carburante in un motore,” dice Shkolnik. “Nella maggior parte dei motori, nel momento in cui si brucia il carburante, si stanno espandendo i gas, e si sta perdendo efficienza dal processo di combustione. Noi continuiamo a bruciare mentre il rotore è in cima alla camera e forziamo la combustione in quelle condizioni. È molto più efficiente in questo modo.”
Inoltre, la X Mini ha riposizionato le guarnizioni apicali, portando a una diminuzione del consumo di olio. Nei Wankel, le guarnizioni apicali si uniscono ai bordi del rotore triangolare, dove scorrono e si muovono. La loro lubrificazione richiede l’alimentazione della miscela aria-carburante con grandi quantità di olio che brucia e perde, aumentando le emissioni e il consumo di olio. Nella X Mini, invece, queste guarnizioni si trovano nell’alloggiamento triangolare che rimane fermo. “Ora possiamo fornire piccole quantità di olio attraverso l’alloggiamento fisso, esattamente quanto olio ha bisogno la guarnizione, e non si brucia olio e non si perde olio nell’ambiente”, dice Shkolnik.
La “roadmap” di LiquidPiston
Un interesse per la robotica e l’intelligenza artificiale ha portato Shkolnik al MIT come studente di dottorato in ingegneria elettrica e informatica nel 2003. Quell’anno, Nikolay Shkolnik ha depositato il suo primo brevetto HEHC, e suo figlio è venuto a conoscenza della MIT $50K Entrepreneurship Competition (ora $100K) in una classe che si concentrava sull’imprenditorialità tecnologica. Hanno collaborato con gli studenti della MIT Sloan School of Management per creare un business plan e lanciare un motore HEHC nella competizione del 2004, dove hanno portato a casa il secondo premio di 10.000 dollari per lanciare LiquidPiston.
La competizione stessa si è rivelata utile per gli imprenditori padre e figlio – che, a quel punto, non avevano esperienza di startup. Nel costruire un business plan dettagliato e nell’imparare a spiegare la loro tecnologia agli investitori, “ci ha davvero mostrato una tabella di marcia per cosa fare e siamo stati costretti a pensare a molti problemi che avremmo dovuto affrontare”, dice Shkolnik.
Nei sei anni successivi, Shkolnik ha aiutato suo padre a sviluppare il motore LiquidPiston nel garage di famiglia, utilizzando le competenze che ha affinato nel Robot Locomotion Group del MIT, guidato da Russell Tedrake, un professore associato di ingegneria elettrica e informatica. “Si trattava di un sacco di ottimizzazione, controllo, simulazioni e modellazione”, dice. “Tutte quelle stesse tecniche sono applicabili alla progettazione di un motore.”
Shkolnik attribuisce gran parte dello sviluppo di LiquidPiston alla comunità estesa del MIT. Durante il $50K, il venture capitalist Bill Frezza ’76, SM ’78 ha fatto da mentore al team; la sua azienda è poi diventata un investitore iniziale. I membri del team del MIT Sloan, Brian Roughan MBA ’05, Jennifer Andrews Burke MBA ’05, e Vikram Sahney MBA ’05 hanno condotto ricerche di mercato, scritto il business plan, lavorato allo sviluppo del business e presentato l’azienda agli investitori.
I mentori del MIT Venture Mentoring Service (VMS) – tra cui il defunto Dave Staelin, che ha fondato il VMS – hanno anche guidato la crescita di LiquidPiston, offrendo consigli sullo sviluppo del prodotto, sulle assunzioni e sulla ricerca di capitale di rischio. (Finora, l’azienda ha guadagnato più di 15 milioni di dollari in finanziamenti.)
Nel 2006, dopo aver analizzato decine di iterazioni del motore, LiquidPiston ha ottenuto una sovvenzione militare di 70.000 dollari per produrre un prototipo iniziale di motore diesel. (Oggi, LiquidPiston ha analizzato e brevettato circa 60 diversi progetti di motori per incarnare l’HEHC.)
A causa del feedback travolgente dei produttori di attrezzature di potenza – che richiedono motori più leggeri, più silenziosi e senza vibrazioni – LiquidPiston ha recentemente fatto perno sull’X Mini, che ha sviluppato e rilasciato negli ultimi sei mesi. L’azienda ha ora ricevuto interesse da potenziali clienti e sta parlando con i produttori di motori interessati a concedere in licenza la tecnologia X Mini.
“Oltre a migliorare le applicazioni esistenti del motore”, spiega Shkolnik, “la X Mini può consentire applicazioni completamente nuove non attualmente possibili con la tecnologia attuale del motore o della batteria.”
All’inizio del prossimo anno, l’azienda prevede di ospitare un concorso per sollecitare le idee del pubblico su questi nuovi usi della X Mini. “Vogliamo far scorrere i succhi creativi e aprire alla comunità più ampia per vedere se c’è qualcosa di interessante”, dice Shkolnik.