Ljud, överdrivna vibrationer och relativ ineffektivitet är nackdelar med de kolvbaserade förbränningsmotorer (ICE) som driver dagens gräsmattor och trädgårdsredskap, som lövblåsare och grästrimmare.
Men nu har MIT:s nystartade företag LiquidPiston utvecklat en roterande motor som enligt företaget är betydligt mindre, lättare och tystare samt 20 procent mer bränslesnål än de motorer som används i många sådana små motorer.
”Om du tänker på handhållna verktyg – till exempel en motorsåg eller häcksax – efter ungefär en halvtimme vill du inte använda den längre eftersom det känns som om din hand ska falla av”, säger Alexander Shkolnik PhD ’10, ordförande för LiquidPiston och meduppfinnare av motorn. ”Vår motor har inga vibrationer alls och är mycket tystare. Det borde vara en mycket trevligare användarupplevelse överlag.”
LiquidPistons motor på 70 kubikcentimeter, X Mini, producerar cirka 3,5 hästkrafter vid 10 000 varv per minut. Med sina 4 pund är den också cirka 30 procent mindre än de fyrtaktsmotorer med kolvmotor på 50 kubikcentimeter som den ska ersätta. När den är helt färdig, säger Shkolnik, kan X Mini producera cirka 5 hästkrafter vid 15 000 varv per minut och väga 3 pund.
Motorn körs med den nya högeffektiva hybridcykeln (HEHC) – utvecklad av Shkolnik och hans fysikerfar Nikolay – som uppnår förbränning vid konstant volym och överexpansion för att få ett större energiuttag. Med endast två rörliga delar, en rotor och en axel, och utan ventiler – som vanligtvis används i andra fyrtaktsmotorer för att styra bränsleintaget – har motorn också reducerade buller-, vibrations- och hårdhetsegenskaper, säger Shkolnik.
De första tillämpningarna kommer att vara handhållna gräsmattor och trädgårdsredskap, säger Shkolnik. Men motorn kan skalas och modifieras för andra tillämpningar, bland annat mopeder, drönare, marin kraftutrustning, robotik, räckviddsförlängare och hjälpkraftaggregat för båtar, flygplan och andra fordon. Företaget har också demonstrerat proof-of-concept för högeffektiva dieselversioner av motorn, inklusive X1 med 70 hästkrafter och X2 med 40 hästkrafter, för generatorer och andra tillämpningar. Företaget hoppas så småningom kunna utveckla små dieselversioner av X Mini-motorn för militära tillämpningar.
”Om man tittar på en militär generator på 3 kilowatt är det en gorilla på 270 pund som det krävs fem personer för att flytta runt”, säger Shkolnik. ”Du kan tänka dig att om vi kan göra det till en 15-pundsenhet är det ganska revolutionerande för dem.”
Shkolnik presenterade en artikel om både X2 och X Mini den 19 november på Society of Automotive Engineers 2014 Small Engine Technology Conference and Exhibition i Italien.
En omvänd Wankel
X Mini är i huvudsak en uppgradering i design och effektivitet av den kompakta Wankelrotationsmotorn, som uppfanns på 1950-talet och som i dag används i sportbilar, båtar och vissa flygplan.
I Wankelmotorn snurrar en avrundad triangelrotor i en excentrisk omloppsbana i en oval kammare, där varje rotation ger tre kraftslag – där motorn genererar kraft. I X Mini snurrar en oval rotor i ett modifierat, avrundat triangulärt hölje.
”Vi har vänt på allt som rör den traditionella rotationsmotorn, och nu kan vi utföra den här nya termodynamiska cykeln och lösa alla de problem som plågade den traditionella Wankel-motorn” för tillämpningar i små motorer, säger Shkolnik.
En Wankelmotor har till exempel en lång förbränningskammare (som en tunn halvmåne), vilket bidrar till dålig bränsleekonomi – eftersom lågan inte kan nå kammarens bakre kanter och släcks av kammarens stora yta. X Minis förbränningskammare är rundare och fetare, så att lågan brinner över en mindre yta.
Luft- och bränsleintag samt gasutsläpp i X Mini sker genom två portar i rotorn, som öppnas eller stängs när rotorn roterar, vilket eliminerar behovet av ventiler. Dessa portars asymmetriska placering fördröjer något avgasprocessen under expansion. Detta möjliggör HEHC:s överexpansionsprocess – från den termodynamiska Atkinsoncykeln, som används i vissa hybridbilar – där gasen expanderas i kammaren tills det inte längre finns något tryck, vilket ger motorn mer tid att utvinna energi ur bränslet. Den här konstruktionen rymmer också HEHC:s ”förbränning med konstant volym” – från Ottos termodynamiska cykel, som används i kolvmotorer med gnisttändning – där komprimerad gas hålls kvar i kammaren under en längre tid, vilket gör att luften och bränslet blandas och antänds helt och hållet innan den expanderar, vilket resulterar i ett högre expansionstryck och högre verkningsgrad.
”Det tar lång tid att förbränna bränsle i en motor”, säger Shkolnik. ”I de flesta motorer expanderar gaserna redan när bränslet brinner och förbränningsprocessen förlorar effektivitet. Vi fortsätter att förbränna medan rotorn befinner sig högst upp i kammaren och tvingar fram förbränningen under dessa förhållanden. Det är mycket effektivare på det sättet.”
I X Mini har man dessutom flyttat topptätningarna, vilket leder till minskad oljeförbrukning. I Wankels ansluter apextätningarna till den triangulära rotorns kanter, där de glider och rör sig. För att smörja dem måste man förse luft-bränsleblandningen med stora mängder olja som brinner och läcker, vilket ökar utsläppen och oljeförbrukningen. I X Mini är dock dessa tätningar placerade i det triangelformade höljet som stannar kvar. ”Nu kan vi tillföra små mängder olja genom det stationära höljet, exakt så mycket olja som tätningen behöver, och du förbränner ingen olja och förlorar ingen olja till miljön”, säger Shkolnik.
LiquidPiston’s ”roadmap”
Intresset för robotteknik och artificiell intelligens ledde Shkolnik till MIT som doktorand i elektroteknik och datavetenskap år 2003. Samma år lämnade Nikolay Shkolnik in sitt första HEHC-patent, och hans son fick höra talas om MIT:s entreprenörskapstävling $50K Entrepreneurship Competition (numera $100K) i en klass som fokuserade på tekniskt entreprenörskap. De samarbetade med studenter vid MIT Sloan School of Management för att skapa en affärsplan och presentera en HEHC-motor i tävlingen 2004, där de tog hem det andra pris på 10 000 dollar för att starta LiquidPiston.
Tävlingen i sig visade sig vara till stor hjälp för pappa och sonen – som vid den tidpunkten inte hade någon erfarenhet av att starta företag. När de byggde upp en detaljerad affärsplan och lärde sig hur de skulle förklara sin teknik för investerare ”visade det oss verkligen en färdplan för vad vi skulle göra och vi tvingades tänka igenom en hel del frågor som vi skulle ställas inför”, säger Shkolnik.
Under de följande sex åren hjälpte Shkolnik sin far att utveckla LiquidPiston-motorn i familjens garage, med hjälp av färdigheter som han finslipade i MIT:s Robot Locomotion Group, som leds av Russell Tedrake, docent i elektroteknik och datavetenskap. ”Det var mycket optimering, kontroll, simuleringar och modellering”, säger han. ”Alla dessa tekniker kan användas för att konstruera en motor.”
Shkolnik tillskriver mycket av LiquidPistons utveckling till den utvidgade MIT-gemenskapen. Under 50 000 dollar var riskkapitalisten Bill Frezza ’76, SM ’78 mentor för teamet; hans företag blev sedan en tidig investerare. MIT Sloan-medlemmarna Brian Roughan MBA ’05, Jennifer Andrews Burke MBA ’05 och Vikram Sahney MBA ’05 genomförde marknadsundersökningar, skrev affärsplanen, arbetade med affärsutveckling och presenterade företaget för investerare.
Mentorer från MIT:s Venture Mentoring Service (VMS) – inklusive framlidne Dave Staelin, som grundade VMS – har även de väglett LiquidPistons tillväxt genom att ge råd om produktutveckling, rekrytering och att söka riskkapital. (Hittills har företaget fått mer än 15 miljoner dollar i finansiering.)
2006, efter att ha analyserat dussintals motorversioner, fick LiquidPiston ett militärt bidrag på 70 000 dollar för att tillverka en första prototyp av en dieselmotor. (I dag har LiquidPiston analyserat och patenterat omkring 60 olika motorkonstruktioner för att förkroppsliga HEHC.)
På grund av den överväldigande feedbacken från tillverkare av kraftutrustningar – som efterlyser lättare, tystare och vibrationsfria motorer – har LiquidPiston nyligen övergått till X Mini, som företaget utvecklat och släppt under de senaste sex månaderna. Företaget har nu fått intresse från potentiella kunder och talar med motortillverkare som är intresserade av att licensiera X Mini-tekniken.
”Förutom att förbättra befintliga motortillämpningar”, förklarar Shkolnik, ”kan X Mini möjliggöra helt nya tillämpningar som för närvarande inte är möjliga med nuvarande motor- eller batteriteknik.”
I början av nästa år planerar företaget att anordna en tävling för att inhämta idéer från allmänheten om dessa nya användningsområden för X Mini. ”Vi vill få igång den kreativa saften och öppna upp för det bredare samhället för att se om det finns något intressant”, säger Shkolnik.