Hałas, nadmierne wibracje i względna nieefektywność to wady tłokowych silników spalinowych (ICE), które zasilają dzisiejsze urządzenia do pielęgnacji trawników i ogrodów, takie jak dmuchawy do liści i podkaszarki.
Ale teraz startup LiquidPiston z MIT opracował obrotowy ICE, który, jak twierdzi, jest znacznie mniejszy, lżejszy i cichszy, a także o 20 procent bardziej paliwooszczędny niż ICE stosowane w wielu takich urządzeniach o małych silnikach.
„Jeśli pomyślisz o ręcznych narzędziach – na przykład pile łańcuchowej lub nożycach do żywopłotu – po około pół godzinie nie chcesz już ich używać, ponieważ masz wrażenie, że ręka zaraz odpadnie” – mówi Alexander Shkolnik PhD ’10, prezes LiquidPiston i współwynalazca silnika. „Nasz silnik w ogóle nie ma wibracji i jest o wiele cichszy. To powinno być dużo przyjemniejsze doświadczenie użytkownika.”
Silnik LiquidPiston o pojemności 70 centymetrów sześciennych, X Mini, produkuje około 3,5 konia mechanicznego przy 10 000 obrotów na minutę; przy wadze 4 funtów jest również o 30 procent mniejszy niż czterosuwowe, 50-centymetrowe tłokowe silniki spalinowe, które ma zastąpić. Po całkowitym ukończeniu, Shkolnik twierdzi, że X Mini może wykrzesać z siebie około 5 koni mechanicznych przy 15 000 obrotów na minutę i ważyć 3 funty.
Silnik pracuje w nowatorskim cyklu hybrydowym o wysokiej wydajności (HEHC) – opracowanym przez Shkolnika i jego ojca fizyka, Nikolaya – który osiąga spalanie przy stałej objętości i nadmiernej ekspansji dla większego wydobycia energii. Z tylko dwoma ruchomymi częściami, wirnikiem i wałem, bez zaworów poppet – powszechnie stosowanych w innych czterosuwowych silnikach spalinowych do kontroli poboru paliwa – silnik ma również zmniejszony hałas, wibracje i charakterystykę szorstkości, mówi Shkolnik.
Początkowe zastosowania będą ręcznymi urządzeniami do pielęgnacji trawników i ogrodów, mówi Shkolnik. Ale silnik może być skalowany i modyfikowany do innych zastosowań, w tym motorowerów, dronów, sprzętu morskiego, robotyki, przedłużaczy zasięgu i pomocniczych jednostek zasilających dla łodzi, samolotów i innych pojazdów. Firma zademonstrowała również dowód słuszności koncepcji wysokowydajnych wersji wysokoprężnych silnika, w tym 70-konnego X1 i 40-konnego X2, do generatorów i innych zastosowań. Firma ma nadzieję ostatecznie opracować małe wersje wysokoprężne silnika X Mini do zastosowań wojskowych.
„Jeśli spojrzysz na 3-kilowatowy generator wojskowy, to jest to 270-funtowy goryl, który wymaga pięciu osób do poruszania się”, mówi Shkolnik. „Możesz sobie wyobrazić, że jeśli możemy to zrobić w 15-funtowym urządzeniu, to jest to dla nich całkiem rewolucyjne.”
Shkolnik przedstawił referat zarówno na temat X2, jak i X Mini 19 listopada na Society of Automotive Engineers’ 2014 Small Engine Technology Conference and Exhibition we Włoszech.
Odwrócony silnik Wankla
X Mini jest zasadniczo ulepszoną konstrukcją i wydajnością kompaktowego silnika rotacyjnego Wankla, wynalezionego w latach 50. i stosowanego obecnie w samochodach sportowych, łodziach i niektórych samolotach.
W silniku Wankla, trójkątny wirnik o przekroju okrągłym obraca się po orbicie mimośrodowej w owalnej komorze, a każdy obrót wytwarza trzy suwy mocy – w których silnik generuje siłę. W X Mini, owalny wirnik obraca się w zmodyfikowanej, zaokrąglonej trójkątnej obudowie.
„Odwróciliśmy wszystko w tradycyjnym silniku rotacyjnym, a teraz możemy wykonać ten nowy cykl termodynamiczny i rozwiązać wszystkie problemy, które nękały tradycyjny silnik Wankla” dla zastosowań w małych silnikach, mówi Shkolnik.
Na przykład, silnik Wankla wykorzystuje długą komorę spalania (jak cienki półksiężyc), co przyczynia się do niskiej oszczędności paliwa – ponieważ płomień nie może dotrzeć do krawędzi komory i jest gaszony przez dużą powierzchnię komory. Komora spalania w X Mini jest bardziej okrągła i grubsza, więc płomień spala się na mniejszej powierzchni.
Wlot powietrza i paliwa oraz wylot gazu w X Mini odbywa się przez dwa porty w wirniku, otwierane lub zamykane w miarę obracania się wirnika, co eliminuje potrzebę stosowania zaworów. Asymetryczne położenie tych portów nieznacznie opóźnia proces wydechu podczas rozprężania. Pozwala to na zastosowanie w HEHC procesu nadmiernego rozprężania – zaczerpniętego z cyklu termodynamicznego Atkinsona, stosowanego w niektórych samochodach hybrydowych – w którym gaz jest rozprężany w komorze aż do zaniku ciśnienia, dając silnikowi więcej czasu na wydobycie energii z paliwa. Taka konstrukcja pozwala również na zastosowanie w HEHC „spalania o stałej objętości” – zaczerpniętego z cyklu termodynamicznego Otto, stosowanego w silnikach tłokowych z zapłonem iskrowym – gdzie sprężony gaz jest utrzymywany w komorze przez dłuższy czas, pozwalając powietrzu i paliwu wymieszać się i całkowicie zapalić przed rozprężeniem, co skutkuje zwiększonym ciśnieniem rozprężania i wyższą sprawnością.
„Spalanie paliwa w silniku zajmuje dużo czasu” – mówi Shkolnik. „W większości silników, zanim paliwo zostanie spalone, gazy już się rozprężają, a proces spalania traci na wydajności. My utrzymujemy spalanie, gdy wirnik znajduje się w górnej części komory i wymuszamy spalanie w tych warunkach. W ten sposób jest ono znacznie bardziej wydajne.”
Dodatkowo, w X Mini przeniesiono uszczelki wierzchołkowe, co prowadzi do zmniejszenia zużycia oleju. W silnikach Wankla, uszczelki wierzchołkowe łączą krawędzie trójkątnego wirnika, gdzie się ślizgają i poruszają. Smarowanie ich wymaga dostarczania do mieszanki paliwowo-powietrznej dużych ilości oleju, który spala się i wycieka, zwiększając emisję spalin i zużycie oleju. Natomiast w X Mini uszczelki te znajdują się w obudowie w kształcie trójkąta, która pozostaje na swoim miejscu. „Teraz możemy dostarczać maleńkie ilości oleju przez nieruchomą obudowę, dokładnie tyle, ile potrzebuje uszczelka, a ty nie spalasz żadnego oleju i nie tracisz żadnego oleju do środowiska” – mówi Shkolnik.
„Mapa drogowa”
Zainteresowanie robotyką i sztuczną inteligencją doprowadziło Shkolnika do MIT jako doktoranta inżynierii elektrycznej i informatyki w 2003 roku. W tym samym roku Nikolay Shkolnik złożył swój pierwszy patent HEHC, a jego syn dowiedział się o konkursie MIT $50K Entrepreneurship Competition (obecnie $100K) w klasie, która koncentrowała się na przedsiębiorczości technologicznej. Połączyli siły ze studentami MIT Sloan School of Management, aby stworzyć biznesplan i przedstawić silnik HEHC w konkursie w 2004 roku, w którym zgarnęli 10 000 dolarów nagrody za uruchomienie LiquidPiston.
Konkurs sam w sobie okazał się pomocny dla ojca i syna przedsiębiorców, którzy w tym momencie nie mieli żadnego doświadczenia w rozpoczynaniu działalności. Budując szczegółowy biznesplan i ucząc się, jak wyjaśnić swoją technologię inwestorom, „To naprawdę pokazało nam mapę drogową tego, co mamy robić i zostaliśmy zmuszeni do przemyślenia wielu kwestii, z którymi będziemy musieli się zmierzyć” – mówi Shkolnik.
Przez następne sześć lat Shkolnik pomagał ojcu rozwijać silnik LiquidPiston w rodzinnym garażu, wykorzystując umiejętności, które doskonalił w MIT’s Robot Locomotion Group, prowadzonej przez Russella Tedrake, profesora nadzwyczajnego inżynierii elektrycznej i informatyki. „Było tam dużo optymalizacji, sterowania, symulacji i modelowania” – mówi. „Wszystkie te same techniki można zastosować przy projektowaniu silnika.”
Shkolnik przypisuje dużą część rozwoju LiquidPiston społeczności MIT. W okresie 50 tys. dolarów mentorem zespołu był inwestor Bill Frezza ’76, SM ’78; jego firma stała się wczesnym inwestorem. Członkowie zespołu MIT Sloan: Brian Roughan MBA ’05, Jennifer Andrews Burke MBA ’05 i Vikram Sahney MBA ’05 przeprowadzili badania rynku, napisali biznes plan, pracowali nad rozwojem biznesu i przedstawili firmę inwestorom.
Mentorzy z MIT’s Venture Mentoring Service (VMS) – w tym nieżyjący już Dave Staelin, który założył VMS – również kierowali rozwojem LiquidPiston, oferując porady w zakresie rozwoju produktu, zatrudniania i poszukiwania kapitału wysokiego ryzyka. (Do tej pory firma zdobyła ponad 15 milionów dolarów finansowania.)
W 2006 roku, po przeanalizowaniu dziesiątek iteracji silników, LiquidPiston zdobył grant wojskowy w wysokości 70 000 dolarów na wyprodukowanie wstępnego prototypu silnika diesla. (Obecnie firma LiquidPiston przeanalizowała i opatentowała około 60 różnych projektów silników wykorzystujących technologię HEHC.)
Dzięki ogromnej ilości informacji zwrotnych od producentów sprzętu elektrycznego – domagających się lżejszych, cichszych i pozbawionych wibracji silników – firma LiquidPiston przestawiła się ostatnio na model X Mini, który opracowała i wypuściła na rynek w ciągu ostatnich sześciu miesięcy. Firma otrzymała obecnie zainteresowanie od potencjalnych klientów i rozmawia z producentami silników zainteresowanymi licencjonowaniem technologii X Mini.
„Oprócz ulepszenia istniejących zastosowań silników”, wyjaśnia Shkolnik, „X Mini może umożliwić całkowicie nowe zastosowania, które nie są obecnie możliwe przy użyciu obecnej technologii silników lub akumulatorów.”
Na początku przyszłego roku firma planuje zorganizować konkurs, w którym będzie starała się pozyskać pomysły od społeczeństwa dotyczące nowych zastosowań X Mini. „Chcemy pobudzić kreatywność i otworzyć się na szerszą społeczność, aby zobaczyć, czy jest coś interesującego” – mówi Shkolnik.