MIT Startup LiquidPiston desarrolla un motor rotativo más eficiente

Un nuevo motor rotativo de la puesta en marcha del MIT LiquidPiston es más ligero, más silencioso y más eficiente que sus contrapartes.

El ruido, la vibración excesiva y la ineficacia relativa son inconvenientes de los motores de combustión interna de pistón (ICE) que alimentan los equipos de jardín y césped actuales, como los sopladores de hojas y las cortadoras de césped.

Pero ahora, la startup del MIT, LiquidPiston, ha desarrollado un ICE rotatorio que, según dice, es significativamente más pequeño, más liviano y silencioso, así como un 20 por ciento más eficiente en combustible que los ICE utilizados en muchos de estos dispositivos de motor pequeño.

“Si piensa en herramientas de mano, por ejemplo, una sierra de cadena o un cortasetos, después de media hora ya no quiere usarlo porque siente que su mano se va a caer”, dice Alexander Shkolnik PhD ’10 , presidente de LiquidPiston y co-inventor del motor. “Nuestro motor no tiene ninguna vibración y es mucho más silencioso. Debería ser una experiencia de usuario mucho mejor en general “.

El motor de 70 centímetros cúbicos de LiquidPiston, el X Mini, produce alrededor de 3.5 caballos de fuerza a 10,000 RPM; con 4 libras, también es aproximadamente un 30 por ciento más pequeño que los ICE de pistón de 50 centímetros cúbicos y cuatro tiempos que pretende reemplazar. Cuando esté completamente completo, dice Shkolnik, el X Mini podría producir alrededor de 5 caballos de fuerza a 15,000 revoluciones por minuto y pesar 3 libras.

El motor funciona con el novedoso ciclo híbrido de alta eficiencia (HEHC), desarrollado por Shkolnik y su padre físico, Nikolay, que logra la combustión a volumen constante y sobreexpansión para una mayor extracción de energía. Con solo dos partes móviles, un rotor y un eje, y sin válvulas de asiento, comúnmente utilizadas en otros ICE de cuatro tiempos para controlar la entrada de combustible, el motor también tiene características reducidas de ruido, vibración y dureza, dice Shkolnik.

Las aplicaciones iniciales serán equipos portátiles para césped y jardín, dice Shkolnik. Pero el motor se puede escalar y modificar para otras aplicaciones, incluidos ciclomotores, drones, equipos de potencia marina, robótica, extensores de rango y unidades de potencia auxiliares para barcos, aviones y otros vehículos. La compañía también ha demostrado pruebas de concepto para las versiones diésel de alta eficiencia del motor, incluido el X1 de 70 caballos de fuerza y ​​el X2 de 40 caballos de fuerza, para generadores y otras aplicaciones. La compañía espera eventualmente desarrollar pequeñas versiones diesel del motor X Mini para aplicaciones militares.

“Si miras un generador militar de 3 kilovatios, es un gorila de 270 libras que necesita cinco personas para moverse”, dice Shkolnik. “Puedes imaginar que si podemos convertir eso en un dispositivo de 15 libras, es bastante revolucionario para ellos”.

Shkolnik presentó un documento sobre el X2 y el X Mini el 19 de noviembre en la Conferencia y Exposición de Tecnología de Motores Pequeños 2014 de la Sociedad de Ingenieros Automotrices en Italia.

Un Wankel inverso

El X Mini es esencialmente una mejora en el diseño y la eficiencia del motor rotativo compacto Wankel, inventado en la década de 1950 y utilizado hoy en día en automóviles deportivos, barcos y algunos aviones.

En el Wankel, un rotor triangular redondeado gira en una órbita excéntrica dentro de una cámara ovalada, y cada rotación produce tres golpes de potencia, donde el motor genera fuerza. En el X Mini, un rotor ovalado gira dentro de una carcasa triangular redondeada modificada.

“Hemos invertido todo sobre el motor rotativo tradicional, y ahora podemos ejecutar este nuevo ciclo termodinámico [HEHC] y resolver todos los problemas que plagaban el motor Wankel tradicional” para aplicaciones de motores pequeños, dice Shkolnik.

Un motor Wankel, por ejemplo, usa una cámara de combustión larga (como una delgada luna creciente), lo que contribuye a un bajo consumo de combustible, ya que la llama no puede alcanzar los bordes posteriores de la cámara y se apaga con la gran superficie de la cámara. La cámara de combustión del X Mini es más redonda y gruesa, por lo que la llama arde en menos superficie.

La entrada de aire y combustible y el escape de gas en el X Mini ocurren a través de dos puertos en el rotor, abiertos o cerrados cuando el rotor gira, eliminando la necesidad de válvulas. La ubicación asimétrica de estos puertos retrasa ligeramente el proceso de escape durante la expansión. Esto permite el proceso de sobreexpansión de HEHC, desde el ciclo termodinámico de Atkinson, utilizado en algunos automóviles híbridos, donde el gas se expande en la cámara hasta que no hay presión, lo que permite que el motor tenga más tiempo para extraer energía del combustible. Este diseño también se adapta a la “combustión de volumen constante” de HEHC, del ciclo termodinámico Otto, utilizado en motores de pistón de encendido por chispa, donde el gas comprimido se mantiene en la cámara durante un período prolongado, permitiendo que el aire y el combustible se mezclen y enciendan completamente antes de expandirse. resultando en mayores presiones de expansión y mayor eficiencia.

“Se necesita mucho tiempo para quemar combustible en un motor”, dice Shkolnik. “En la mayoría de los motores, cuando se quema combustible, se expanden los gases y se pierde eficiencia en el proceso de combustión. Seguimos quemando mientras el rotor está en la parte superior de la cámara y forzamos la combustión en esas condiciones. Es mucho más eficiente de esa manera “.

Además, el X Mini ha reubicado los sellos del ápice, lo que ha provocado una disminución del consumo de aceite. En Wankels, los sellos del ápice se unen a los bordes del rotor triangular, donde se deslizan y se mueven. Lubricarlos requiere suministrar a la mezcla aire-combustible grandes cantidades de aceite que se quema y tiene fugas, aumentando las emisiones y el consumo de aceite. En el X Mini, sin embargo, estos sellos están ubicados en la carcasa de forma triangular que permanece en su lugar. “Ahora podemos suministrar pequeñas cantidades de aceite a través de la carcasa estacionaria, exactamente la cantidad de aceite que necesita el sello, y no se quema ni se pierde aceite en el medio ambiente”, dice Shkolnik.

“Hoja de ruta” de LiquidPiston

El interés en la robótica y la inteligencia artificial llevó a Shkolnik al MIT como estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática en 2003. Ese año, Nikolay Shkolnik presentó su primera patente HEHC y su hijo se enteró de la competencia de emprendimiento de $ 50K del MIT (ahora $ 100K ) en una clase que se centró en el emprendimiento tecnológico. Se unieron a los estudiantes de la MIT Sloan School of Management para crear un plan de negocios y lanzar un motor HEHC en la competencia de 2004, donde se llevaron a casa el premio del segundo lugar de $ 10,000 para lanzar LiquidPiston.

La competencia en sí resultó útil para los empresarios de padre e hijo, quienes, en ese momento, no tenían experiencia en la puesta en marcha. Al crear un plan de negocios detallado y aprender a explicar su tecnología a los inversores, “realmente nos mostró una hoja de ruta sobre qué hacer y nos vimos obligados a pensar mucho sobre los problemas que íbamos a enfrentar”, dice Shkolnik.

Durante los siguientes seis años, Shkolnik ayudó a su padre a desarrollar el motor LiquidPiston en el garaje familiar, utilizando habilidades que perfeccionó en el Grupo de Locomoción Robot del MIT, dirigido por Russell Tedrake, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática. “Fue mucha optimización, control, simulaciones y modelado”, dice. “Todas esas mismas técnicas son aplicables al diseño de un motor”.

Shkolnik atribuye gran parte del desarrollo de LiquidPiston a la comunidad ampliada del MIT. Durante los $ 50K, el capitalista de riesgo Bill Frezza ’76, SM ’78 guió al equipo; su empresa se convirtió entonces en uno de los primeros inversores. Los miembros del equipo de MIT Sloan Brian Roughan MBA ’05, Jennifer Andrews Burke MBA ’05 y Vikram Sahney MBA ’05 llevaron a cabo estudios de mercado, redactaron el plan de negocios, trabajaron en el desarrollo comercial y presentaron la empresa a los inversores.

Los mentores del Venture Mentoring Service (VMS) del MIT, incluido el fallecido Dave Staelin, quien fundó el VMS, también guiaron el crecimiento de LiquidPiston, ofreciendo asesoramiento sobre el desarrollo de productos, la contratación y la búsqueda de capital de riesgo. (Hasta ahora, la compañía ha ganado más de $ 15 millones en fondos).

En 2006, después de analizar docenas de iteraciones de motores, LiquidPiston obtuvo una subvención militar de $ 70,000 para producir un prototipo inicial de motor diesel. (Hoy, LiquidPiston ha analizado y patentado alrededor de 60 diseños de motores diferentes para incorporar HEHC).

Debido a la abrumadora retroalimentación de los fabricantes de equipos eléctricos, que exigen motores más ligeros, silenciosos y sin vibraciones, LiquidPiston cambió recientemente al X Mini, que desarrolló y lanzó en los últimos seis meses. La compañía ahora ha recibido el interés de clientes potenciales y está hablando con los fabricantes de motores interesados ​​en licenciar la tecnología X Mini.

“Además de mejorar las aplicaciones de motores existentes”, explica Shkolnik, “el X Mini puede permitir aplicaciones completamente nuevas que no son posibles actualmente con la tecnología actual de motores o baterías”.

A principios del próximo año, la compañía planea organizar una competencia para solicitar ideas del público sobre estos nuevos usos para el X Mini. “Queremos hacer fluir los jugos creativos y abrirnos a la comunidad en general para ver si hay algo interesante”, dice Shkolnik.

Imagen: Liquid Piston