Zgomotul, vibrațiile excesive și ineficiența relativă sunt dezavantaje ale motoarelor cu combustie internă (ICE) pe bază de pistoane care alimentează echipamentele actuale de grădină și gazon, cum ar fi suflantele de frunze și mașinile de tuns iarba.
Dar acum, startup-ul MIT LiquidPiston a dezvoltat un ICE rotativ despre care spune că este semnificativ mai mic, mai ușor și mai silențios, precum și cu 20 la sută mai eficient din punct de vedere al consumului de combustibil decât ICE-urile utilizate în multe astfel de dispozitive cu motoare mici.
„Dacă vă gândiți la uneltele portabile – de exemplu, o drujbă sau o mașină de tuns gard viu – după aproximativ o jumătate de oră nu mai vreți să le folosiți pentru că simțiți că vă va cădea mâna”, spune Alexander Shkolnik PhD ’10, președinte al LiquidPiston și co-inventator al motorului. „Motorul nostru nu are niciun fel de vibrații și este mult mai silențios. Ar trebui să fie o experiență mult mai plăcută pentru utilizator, în general.”
Motorul de 70 de centimetri cubi al lui LiquidPiston, X Mini, produce aproximativ 3,5 cai putere la 10.000 de rotații; la 1,5 kilograme, este, de asemenea, cu aproximativ 30 la sută mai mic decât ICE-urile cu piston în patru timpi și 50 de centimetri cubi pe care își propune să le înlocuiască. Când va fi complet finalizat, spune Shkolnik, X Mini ar putea produce aproximativ 5 cai putere la 15.000 de rotații pe minut și ar putea cântări 3 livre.
Motorul funcționează cu noul ciclu hibrid de înaltă eficiență (HEHC) – dezvoltat de Shkolnik și de tatăl său fizician, Nikolay – care realizează combustia la volum constant și supraexpansiune pentru o mai mare extracție de energie. Cu doar două părți mobile, un rotor și un arbore, și fără supape cu clapetă – utilizate în mod obișnuit la alte motoare ICE în patru timpi pentru a controla admisia de combustibil – motorul are, de asemenea, caracteristici reduse de zgomot, vibrații și duritate, spune Shkolnik.
Aplicațiile inițiale vor fi echipamente portabile pentru gazon și grădină, spune Shkolnik. Dar motorul poate fi redimensionat și modificat pentru alte aplicații, inclusiv mopede, drone, echipamente de propulsie marine, robotică, prelungitoare de autonomie și unități auxiliare de putere pentru bărci, avioane și alte vehicule. Compania a demonstrat, de asemenea, dovada de concept pentru versiunile diesel de înaltă eficiență ale motorului, inclusiv X1 de 70 de cai putere și X2 de 40 de cai putere, pentru generatoare și alte aplicații. Compania speră să dezvolte în cele din urmă versiuni diesel de mici dimensiuni ale motorului X Mini pentru aplicații militare.
„Dacă vă uitați la un generator militar de 3 kilowați, este o gorilă de 270 de kilograme care are nevoie de cinci oameni pentru a se deplasa”, spune Shkolnik. „Vă puteți imagina că dacă putem transforma asta într-un dispozitiv de 15 kilograme, este destul de revoluționar pentru ei.”
Shkolnik a prezentat o lucrare atât despre X2, cât și despre X Mini pe 19 noiembrie la Conferința și expoziția de tehnologie a motoarelor mici 2014 a Societății Inginerilor de Automobile din Italia.
Un Wankel inversat
X Mini este, în esență, un upgrade în ceea ce privește designul și eficiența motorului rotativ compact Wankel, inventat în anii 1950 și utilizat astăzi în mașini sport, bărci și unele aeronave.
În Wankel, un rotor triunghiular rotunjit se rotește pe o orbită excentrică în interiorul unei camere ovale, fiecare rotație producând trei curse de putere – în care motorul generează forță. În X Mini, un rotor oval se rotește în interiorul unei carcase triunghiulare rotunjite modificate.
„Am inversat totul în ceea ce privește motorul rotativ tradițional, iar acum putem executa acest nou ciclu termodinamic și putem rezolva toate problemele care afectau motorul Wankel tradițional” pentru aplicațiile motoarelor mici, spune Shkolnik.
Un motor Wankel, de exemplu, utilizează o cameră de combustie lungă (ca o semilună subțire), ceea ce contribuie la o economie slabă de combustibil – deoarece flacăra nu poate ajunge la marginile laterale ale camerei și este stinsă de suprafața mare a camerei. Camera de combustie a X Mini este mai rotundă și mai grasă, astfel încât flacăra arde pe o suprafață mai mică.
Alimentarea aerului și a combustibilului, precum și evacuarea gazelor la X Mini au loc prin două orificii în rotor, deschise sau închise pe măsură ce rotorul se rotește, eliminând necesitatea unor supape. Amplasarea asimetrică a acestor orificii întârzie ușor procesul de evacuare în timpul expansiunii. Acest lucru permite procesul de supraexpansiune al HEHC – din ciclul termodinamic Atkinson, utilizat în unele mașini hibride – în care gazul este expandat în cameră până când nu mai există presiune, permițând motorului mai mult timp pentru a extrage energie din combustibil. Acest design acomodează, de asemenea, „combustia în volum constant” a HEHC – din ciclul termodinamic Otto, utilizat în motoarele cu piston cu aprindere prin scânteie – în care gazul comprimat este menținut în cameră pentru o perioadă prelungită, lăsând aerul și combustibilul să se amestece și să se aprindă complet înainte de a se extinde, ceea ce duce la presiuni de expansiune mai mari și la o eficiență mai mare.
„Este nevoie de mult timp pentru a arde combustibilul într-un motor”, spune Shkolnik. „În majoritatea motoarelor, în momentul în care ardeți combustibilul, extindeți gazele și pierdeți din eficiența procesului de ardere. Noi menținem combustia în timp ce rotorul se află în partea superioară a camerei și forțăm combustia în aceste condiții. Este mult mai eficient în acest fel.”
În plus, X Mini a relocat etanșările apexului, ceea ce duce la scăderea consumului de ulei. La Wankels, garniturile apex se alătură marginilor rotorului triunghiular, unde alunecă și se deplasează. Lubrifierea lor necesită alimentarea amestecului aer-combustibil cu cantități mari de ulei care arde și se scurge, crescând emisiile și consumul de ulei. La X Mini, însă, aceste garnituri sunt amplasate în carcasa de formă triunghiulară care rămâne pe loc. „Acum putem furniza cantități mici de ulei prin carcasa staționară, exact cât de mult ulei are nevoie garnitura, și nu ardeți niciun ulei și nu pierdeți niciun ulei în mediul înconjurător”, spune Shkolnik.
„Foaia de parcurs”
Un interes pentru robotică și inteligență artificială l-a condus pe Shkolnik la MIT ca doctorand în inginerie electrică și informatică în 2003. În acel an, Nikolay Shkolnik a depus primul său brevet HEHC, iar fiul său a aflat despre concursul MIT $50K Entrepreneurship Competition (acum $100K) în cadrul unui curs care se axa pe antreprenoriatul tehnologic. Ei au făcut echipă cu studenții de la MIT Sloan School of Management pentru a crea un plan de afaceri și pentru a prezenta un motor HEHC în cadrul competiției din 2004, unde au luat premiul de 10.000 de dolari pentru a lansa LiquidPiston.
Concursul în sine s-a dovedit a fi de ajutor pentru antreprenorii tată și fiu – care, la acel moment, nu aveau experiență în domeniul start-up-urilor. În construirea unui plan de afaceri detaliat și învățând cum să le explice investitorilor tehnologia lor, „ne-a arătat cu adevărat o foaie de parcurs pentru ceea ce trebuie să facem și am fost forțați să ne gândim la o mulțime de probleme cu care urma să ne confruntăm”, spune Shkolnik.
În următorii șase ani, Shkolnik l-a ajutat pe tatăl său să dezvolte motorul LiquidPiston în garajul familiei, folosind abilitățile pe care le-a perfecționat în cadrul Grupului de Locomoție a Roboților de la MIT, condus de Russell Tedrake, profesor asociat de inginerie electrică și informatică. „A fost o mulțime de optimizare, control, simulări și modelare”, spune el. „Toate aceste aceleași tehnici sunt aplicabile la proiectarea unui motor.”
Shkolnik atribuie o mare parte din dezvoltarea LiquidPiston-ului comunității extinse a MIT. În timpul celor 50.000 de dolari, capitalistul de risc Bill Frezza ’76, SM ’78 a fost mentorul echipei; firma sa a devenit apoi un investitor timpuriu. Membrii echipei MIT Sloan, Brian Roughan MBA ’05, Jennifer Andrews Burke MBA ’05 și Vikram Sahney MBA ’05 au efectuat studii de piață, au scris planul de afaceri, au lucrat la dezvoltarea afacerii și au prezentat compania investitorilor.
Mentorii de la MIT’s Venture Mentoring Service (VMS) – inclusiv regretatul Dave Staelin, care a fondat VMS – au ghidat, de asemenea, creșterea LiquidPiston, oferind sfaturi privind dezvoltarea produsului, angajarea și căutarea de capital de risc. (Până în prezent, compania a obținut o finanțare de peste 15 milioane de dolari.)
În 2006, după ce a analizat zeci de iterații de motoare, LiquidPiston a obținut o subvenție militară de 70.000 de dolari pentru a produce un prototip inițial de motor diesel. (Astăzi, LiquidPiston a analizat și a brevetat aproximativ 60 de modele diferite de motoare pentru a încorpora HEHC.)
Datorită feedback-ului copleșitor din partea producătorilor de echipamente energetice – care solicită motoare mai ușoare, mai silențioase și fără vibrații – LiquidPiston s-a orientat recent către X Mini, pe care l-a dezvoltat și lansat în ultimele șase luni. Compania a primit acum interes din partea unor potențiali clienți și vorbește cu producătorii de motoare interesați să licențieze tehnologia X Mini.
„În plus față de îmbunătățirea aplicațiilor existente ale motoarelor”, explică Shkolnik, „X Mini poate permite aplicații complet noi care nu sunt posibile în prezent cu tehnologia actuală a motoarelor sau a bateriilor.”
La începutul anului viitor, compania intenționează să organizeze un concurs pentru a solicita idei din partea publicului în legătură cu aceste noi utilizări ale X Mini. „Vrem să facem să curgă sucul creativ și să ne deschidem către o comunitate mai largă pentru a vedea dacă există ceva interesant”, spune Shkolnik.