Lawaai, overmatige trillingen, en relatieve inefficiëntie zijn nadelen van de zuiger-gebaseerde interne verbrandingsmotoren (ICE) die de huidige gazon en tuin apparatuur, zoals bladblazers en gras trimmers aandrijven.
Maar nu heeft MIT-startup LiquidPiston een roterende ICE ontwikkeld die naar eigen zeggen aanzienlijk kleiner, lichter en stiller is, evenals 20 procent zuiniger dan de ICE’s die in veel van dergelijke apparaten met een kleine motor worden gebruikt.
“Als je denkt aan handgereedschap – bijvoorbeeld een kettingzaag of een heggenschaar – na ongeveer een half uur wil je het niet meer gebruiken omdat je hand aanvoelt alsof hij eraf gaat vallen”, zegt Alexander Shkolnik PhD ’10, president van LiquidPiston en mede-uitvinder van de motor. “Onze motor heeft helemaal geen trillingen en is een stuk stiller. Het zou een veel prettigere gebruikerservaring moeten zijn.”
LiquidPiston’s 70-kubieke-centimeter motor, de X Mini, produceert ongeveer 3,5 pk bij 10.000 RPM; met 4 pond is het ook ongeveer 30 procent kleiner dan de viertakt, 50-kubieke-centimeter zuiger-ICT’s die het beoogt te vervangen. Wanneer volledig voltooid, zegt Shkolnik, zou X Mini ongeveer 5 paardenkrachten bij 15.000 omwentelingen per minuut kunnen uitbraken, en 3 pounds.
De motor loopt de nieuwe high-efficiency hybride cyclus (HEHC) – die door Shkolnik en zijn fysicus vader, Nikolay – wordt ontwikkeld die verbranding bij constant volume en overexpansie voor grotere energiewinning bereikt. Met slechts twee bewegende delen, een rotor en een as, en geen schotelkleppen – vaak gebruikt in andere viertakt ICE’s om de brandstofinlaat te regelen – heeft de motor ook minder lawaai, trillingen en ruwheidskenmerken, zegt Shkolnik.
Initiële toepassingen zullen handheld gazon- en tuinapparatuur zijn, zegt Shkolnik. Maar de motor kan worden geschaald en aangepast voor andere toepassingen, waaronder bromfietsen, drones, mariene krachtapparatuur, robotica, range extenders, en hulpaggregaten voor boten, vliegtuigen, en andere voertuigen. Het bedrijf heeft ook proof-of-concept gedemonstreerd voor zeer efficiënte dieselversies van de motor, waaronder de 70-pk X1 en de 40-pk X2, voor generator- en andere toepassingen. Het bedrijf hoopt uiteindelijk kleine dieselversies van de X Mini-motor te ontwikkelen voor militaire toepassingen.
“Als je kijkt naar een 3-kilowatt militaire generator, het is een 270-pond gorilla die vijf mensen nodig heeft om te verplaatsen,” zegt Shkolnik. “Je kunt je voorstellen dat als we dat in een apparaat van 15 pond kunnen maken, het behoorlijk revolutionair voor hen is.”
Shkolnik presenteerde een paper over zowel de X2 als de X Mini op 19 nov. op de Society of Automotive Engineers ‘2014 Small Engine Technology Conference and Exhibition in Italië.
Een omgekeerde Wankel
De X Mini is in wezen een upgrade in ontwerp en efficiëntie van de compacte Wankel-rotatiemotor, uitgevonden in de jaren 1950 en tegenwoordig gebruikt in sportauto’s, boten en sommige vliegtuigen.
In de Wankel draait een afgeronde driehoekige rotor in een excentrische baan binnen een ovale kamer, waarbij elke rotatie drie vermogensslagen produceert – waar de motor kracht genereert. In de X Mini draait een ovale rotor binnen een aangepaste, afgeronde driehoekige behuizing.
“We hebben alles over de traditionele rotatiemotor omgekeerd, en nu kunnen we deze nieuwe thermodynamische cyclus uitvoeren en alle problemen oplossen die de traditionele Wankel-motor plaagden” voor toepassingen met kleine motoren, zegt Shkolnik.
Een Wankel motor, bijvoorbeeld, maakt gebruik van een lange verbrandingskamer (als een dunne halve maan), die bijdraagt aan een slecht brandstofverbruik – omdat de vlam niet kan bereiken achterranden van de kamer en wordt geblust door het grote oppervlak van de kamer. De verbrandingskamer van de X Mini is ronder en dikker, zodat de vlam over een kleiner oppervlak brandt.
De lucht- en brandstofinlaat en gasuitlaat in de X Mini geschieden via twee poorten in de rotor, die worden geopend of gesloten als de rotor draait, waardoor er geen kleppen meer nodig zijn. De asymmetrische locatie van deze poorten vertraagt het uitlaatproces enigszins tijdens de expansie. Dit maakt het overexpansieproces van de HEHC mogelijk – afkomstig van de thermodynamische cyclus van Atkinson, die in sommige hybride auto’s wordt gebruikt – waarbij het gas in de kamer wordt geëxpandeerd tot er geen druk meer is, zodat de motor meer tijd heeft om energie uit de brandstof te halen. Dit ontwerp is ook geschikt voor HEHC’s “constante volumeverbranding” – uit de thermodynamische Otto-cyclus, gebruikt in vonkontstekingszuigermotoren – waarbij samengeperst gas gedurende een langere periode in de kamer wordt gehouden, zodat de lucht en brandstof zich kunnen mengen en volledig ontbranden voordat ze uitzetten, wat resulteert in een hogere expansiedruk en een hoger rendement.
“Het duurt lang om brandstof in een motor te verbranden”, zegt Shkolnik. “In de meeste motoren, tegen de tijd dat je brandstof verbrandt, ben je gassen aan het expanderen, en verlies je efficiëntie van het verbrandingsproces. Wij blijven verbranden terwijl de rotor zich bovenin de kamer bevindt en dwingen de verbranding onder die omstandigheden af. Het is veel efficiënter op die manier.”
Daarnaast heeft de X Mini de apex-afdichtingen verplaatst, wat leidt tot een lager olieverbruik. Bij Wankels zijn de apex-afdichtingen verbonden met de randen van de driehoekige rotor, waar ze schuiven en bewegen. Om ze te smeren moet het lucht-brandstofmengsel worden voorzien van grote hoeveelheden olie die verbrandt en lekt, waardoor de emissies en het olieverbruik toenemen. In de X Mini bevinden deze afdichtingen zich echter in de driehoekige behuizing die op zijn plaats blijft. “Nu kunnen we minuscule hoeveelheden olie toevoeren via de stationaire behuizing, precies hoeveel olie de afdichting nodig heeft, en je verbrandt geen olie en je verliest geen olie aan het milieu,” zegt Shkolnik.
LiquidPiston’s “roadmap”
Een interesse in robotica en kunstmatige intelligentie leidde Shkolnik in 2003 naar MIT als promovendus in elektrotechniek en computerwetenschappen. Dat jaar diende Nikolay Shkolnik zijn eerste HEHC-patent in, en zijn zoon leerde over de MIT $ 50K Entrepreneurship Competition (nu $ 100K) in een klas die zich richtte op tech-ondernemerschap. Ze werkten samen met studenten van de MIT Sloan School of Management om een ondernemingsplan op te stellen en een HEHC-motor voor te stellen in de wedstrijd van 2004, waar ze de tweede prijs van $ 10.000 mee naar huis namen om LiquidPiston te lanceren.
De wedstrijd zelf bleek nuttig voor de vader-en-zoon-ondernemers – die op dat moment geen startup-ervaring hadden. Bij het bouwen van een gedetailleerd businessplan en het leren hoe ze hun technologie aan investeerders moesten uitleggen, “liet het ons echt een routekaart zien voor wat we moesten doen en we werden gedwongen om veel na te denken over problemen waar we mee te maken zouden krijgen,” zegt Shkolnik.
De volgende zes jaar hielp Shkolnik zijn vader de LiquidPiston-motor te ontwikkelen vanuit de garage van de familie, met behulp van vaardigheden die hij had aangescherpt in de Robot Locomotion Group van MIT, geleid door Russell Tedrake, een universitair hoofddocent elektrotechniek en computerwetenschappen. “Het was veel optimalisatie, controle, simulaties en modellering,” zegt hij. “Al diezelfde technieken zijn toepasbaar op het ontwerpen van een motor.”
Shkolnik schrijft veel van LiquidPiston’s ontwikkeling toe aan de uitgebreide MIT-gemeenschap. Tijdens de $50K was durfkapitalist Bill Frezza ’76, SM ’78 mentor van het team; zijn bedrijf werd vervolgens een vroege investeerder. MIT Sloan-teamleden Brian Roughan MBA ’05, Jennifer Andrews Burke MBA ’05, en Vikram Sahney MBA ’05 voerden marktonderzoek uit, schreven het businessplan, werkten aan bedrijfsontwikkeling en pitchten het bedrijf aan investeerders.
Mentors van MIT’s Venture Mentoring Service (VMS) – waaronder wijlen Dave Staelin, die de VMS oprichtte – begeleidden ook LiquidPiston’s groei, gaven advies over productontwikkeling, werving, en het zoeken naar durfkapitaal. (Tot nu toe heeft het bedrijf meer dan $ 15 miljoen aan financiering verdiend.)
In 2006, na het analyseren van tientallen motor-iteraties, verdiende LiquidPiston een militaire subsidie van $ 70.000 om een eerste prototype van een dieselmotor te produceren. (Vandaag de dag heeft LiquidPiston ongeveer 60 verschillende motorontwerpen geanalyseerd en gepatenteerd om HEHC te belichamen.)
Gevolge overweldigende feedback van fabrikanten van krachtapparatuur – die vragen om lichtere, stillere, trillingsvrije motoren – is LiquidPiston onlangs omgeschakeld naar de X Mini, die het in de afgelopen zes maanden heeft ontwikkeld en uitgebracht. Het bedrijf heeft nu belangstelling ontvangen van potentiële klanten, en spreekt met motorfabrikanten die geïnteresseerd zijn in het in licentie geven van de X Mini technologie.
“Naast het verbeteren van bestaande motortoepassingen,” legt Shkolnik uit, “kan de X Mini geheel nieuwe toepassingen mogelijk maken die momenteel niet mogelijk zijn met de huidige motor- of batterijtechnologie.”
Begin volgend jaar is het bedrijf van plan een wedstrijd te organiseren om ideeën van het publiek te verzamelen rond deze nieuwe toepassingen voor de X Mini. “We willen de creatieve sappen laten stromen en ons openstellen voor de bredere gemeenschap om te zien of er iets interessants is,” zegt Shkolnik.