Ruído, vibração excessiva e relativa ineficiência são desvantagens dos motores de combustão interna (ICE) a pistão que alimentam os atuais equipamentos de gramado e jardim, tais como sopradores de folhas e cortadores de grama.
Mas agora o MIT startup LiquidPiston desenvolveu um ICE rotativo que diz ser significativamente menor, mais leve e mais silencioso, assim como 20% mais eficiente no consumo de combustível do que os ICEs usados em muitos desses dispositivos de motores pequenos.
“Se você pensar em ferramentas manuais – por exemplo, uma motosserra ou um corta-sebes – depois de cerca de meia hora você não quer mais usá-lo porque sua mão parece que vai cair”, diz Alexander Shkolnik PhD ’10, presidente da LiquidPiston e co-inventor do motor. “O nosso motor não tem qualquer vibração e é muito mais silencioso”. Deve ser uma experiência muito mais agradável para o utilizador em todo o lado”
O motor de 70 centímetros cúbicos do LiquidPiston, o X Mini, produz cerca de 3,5 cavalos a 10.000 RPM; a 4 libras, é também cerca de 30% mais pequeno do que os ICEs de pistão de quatro tempos e 50 centímetros cúbicos que pretende substituir. Quando estiver completo, diz Shkolnik, o X Mini poderia produzir cerca de 5 cavalos a 15.000 rotações por minuto, e pesar 3 libras.
O motor executa o novo ciclo híbrido de alta eficiência (HEHC) – desenvolvido por Shkolnik e seu pai físico, Nikolay – que atinge combustão em volume constante e superexpansão para maior extração de energia. Com apenas duas peças móveis, um rotor e um eixo, e sem válvulas poppet – comumente usadas em outros ICEs de quatro tempos para controlar a entrada de combustível – o motor também tem características de ruído, vibração e dureza reduzidas, diz Shkolnik.
Aplicações iniciais serão equipamentos portáteis de gramado e jardim, diz Shkolnik. Mas o motor pode ser dimensionado e modificado para outras aplicações, incluindo ciclomotores, drones, equipamentos de energia marinha, robótica, extensores de alcance e unidades auxiliares de energia para barcos, aviões e outros veículos. A empresa também demonstrou prova de conceito para versões diesel de alta eficiência do motor, incluindo o X1 de 70 cavalos de potência e o X2 de 40 cavalos de potência, para gerador e outras aplicações. A empresa espera eventualmente desenvolver pequenas versões diesel do motor X Mini para aplicações militares.
“Se você olhar para um gerador militar de 3 quilowatts, é um gorila de 270 libras que leva cinco pessoas para se locomover”, diz Shkolnik. “Você pode imaginar se pudermos transformar isso em um dispositivo de 15 libras, é bastante revolucionário para eles”.
Shkolnik apresentou um trabalho sobre o X2 e X Mini em 19 de novembro na Conferência e Exposição de Tecnologia de Motores Pequenos de 2014 da Society of Automotive Engineers na Itália.
Um Wankel inverso
O X Mini é essencialmente uma actualização no design e eficiência do compacto motor rotativo Wankel, inventado nos anos 50 e utilizado hoje em carros desportivos, barcos e algumas aeronaves.
No Wankel, um rotor triangular arredondado gira numa órbita excêntrica dentro de uma câmara oval, com cada rotação a produzir três cursos de potência – onde o motor gera força. No X Mini, um rotor oval gira dentro de uma câmara triangular arredondada modificada.
“Invertemos tudo sobre o motor rotativo tradicional, e agora podemos executar este novo ciclo termodinâmico e resolver todos os problemas que estavam atormentando o motor Wankel tradicional” para aplicações em motores pequenos, diz Shkolnik.
Um motor Wankel, por exemplo, usa uma longa câmara de combustão (como uma lua crescente fina), o que contribui para a economia de combustível – já que a chama não consegue alcançar as bordas da câmara e se apaga pela grande área de superfície da câmara. A câmara de combustão do X Mini é mais redonda e mais gorda, por isso a chama queima em menor área de superfície.
Air e entrada de combustível e exaustão de gás no X Mini ocorrem através de dois orifícios no rotor, abertos ou fechados conforme o rotor gira, removendo a necessidade de válvulas. A localização assimétrica destes orifícios atrasa ligeiramente o processo de exaustão durante a expansão. Isto permite o processo de sobre-expansão da HEHC – do ciclo termodinâmico de Atkinson, utilizado em alguns carros híbridos – onde o gás é expandido na câmara até não haver pressão, permitindo ao motor mais tempo para extrair energia do combustível. Este projeto também acomoda a “combustão de volume constante” da HEHC – do ciclo termodinâmico Otto, usado em motores de pistão de ignição por centelha – onde o gás comprimido é mantido na câmara por um longo período, deixando o ar e o combustível se misturarem e inflamar completamente antes de se expandirem, resultando em maiores pressões de expansão e maior eficiência.
“Demora muito tempo para queimar combustível em um motor”, diz Shkolnik. “Na maioria dos motores, quando você está queimando combustível, você está expandindo os gases e perdendo eficiência do processo de combustão”. Continuamos a queimar enquanto o rotor está no topo da câmara e forçamos a combustão sob essas condições”. É muito mais eficiente assim.”
Adicionalmente, o X Mini recolocou os selos de ápice, levando a uma diminuição do consumo de óleo. No Wankels, as vedações de vértice unem-se às bordas do rotor triangular, onde deslizam e se movimentam. A sua lubrificação requer o fornecimento da mistura ar-combustível com grandes quantidades de óleo que queima e vaza, aumentando as emissões e o consumo de óleo. No X Mini, porém, estas vedações estão localizadas na carcaça em forma triangular que permanece colocada. “Agora podemos fornecer pequenas quantidades de óleo através da carcaça fixa, exatamente quanto óleo o selo precisa, e você não está queimando nenhum óleo e não está perdendo nenhum óleo para o meio ambiente”, diz Shkolnik.
O “roteiro”
Um interesse em robótica e inteligência artificial levou Shkolnik ao MIT como estudante de doutorado em engenharia elétrica e ciência da computação em 2003. Nesse ano, Nikolay Shkolnik registrou sua primeira patente HEHC, e seu filho aprendeu sobre o Concurso de Empreendedorismo do MIT $50K (agora $100K) em uma classe que se concentrava em empreendedorismo tecnológico. Eles se juntaram aos alunos da Escola de Administração do MIT Sloan para criar um plano de negócios e lançar um motor HEHC na competição de 2004, onde eles levaram para casa o prêmio de $10.000 para o lançamento da LiquidPiston.
A competição em si provou ser útil para os empresários de pai e filho – que, naquele momento, não tinham nenhuma experiência inicial. Ao construir um plano de negócios detalhado e aprender como explicar a tecnologia deles aos investidores, “Ele realmente nos mostrou um roteiro para o que fazer e fomos forçados a pensar muito sobre os problemas que íamos enfrentar”, diz Shkolnik.
Nos seis anos seguintes, Shkolnik ajudou seu pai a desenvolver o motor LiquidPiston para fora da garagem da família, usando habilidades que ele aperfeiçoou no Robot Locomotion Group do MIT, liderado por Russell Tedrake, um professor associado de engenharia elétrica e ciência da computação. “Foi muita otimização, controle, simulações e modelagem”, diz ele. “Todas essas mesmas técnicas são aplicáveis ao projeto de um motor”
Shkolnik atribui muito do desenvolvimento da LiquidPiston à comunidade MIT ampliada. Durante os $50K, o capitalista de risco Bill Frezza ’76, SM ’78 foi o mentor da equipe; sua firma então se tornou um investidor inicial. Os membros da equipe do MIT Sloan Brian Roughan MBA ’05, Jennifer Andrews Burke MBA ’05, e Vikram Sahney MBA ’05 conduziram pesquisas de mercado, escreveram o plano de negócios, trabalharam no desenvolvimento de negócios, e apresentaram a empresa aos investidores.
Mentores do Venture MIT’s Venture Mentoring Service (VMS) – incluindo o falecido Dave Staelin, que fundou o VMS – também orientaram o crescimento da LiquidPiston, oferecendo conselhos sobre desenvolvimento de produtos, contratação e procura de capital de risco. (Até agora, a empresa ganhou mais de $15 milhões em financiamento)
Em 2006, após analisar dezenas de iterações de motores, a LiquidPiston ganhou uma subvenção militar de $70.000 para produzir um protótipo inicial de motor diesel. (Hoje, a LiquidPiston analisou e patenteou cerca de 60 projetos diferentes de motores para incorporar o HEHC.)
Devido ao feedback esmagador dos fabricantes de equipamentos de potência – exigindo motores mais leves, silenciosos e livres de vibração – a LiquidPiston recentemente pivotou para o X Mini, que desenvolveu e lançou nos últimos seis meses. A empresa recebeu agora o interesse de potenciais clientes e está a falar com fabricantes de motores interessados em licenciar a tecnologia do X Mini.
“Além de melhorar as aplicações de motores existentes”, explica Shkolnik, “o X Mini pode permitir aplicações totalmente novas, actualmente não possíveis com a tecnologia actual de motores ou baterias”.
No próximo ano, a empresa planeia organizar uma competição para solicitar ideias do público em torno destas novas utilizações para o X Mini. “Queremos que os sucos criativos fluam e se abram para a comunidade mais ampla para ver se há algo interessante”, diz Shkolnik.