I dag er den til gokarts; i morgen kan den måske bruges til at forlænge rækkevidden i en elbil
En ny slags motor har vist sit værd for første gang uden for laboratoriet, og selv om den blot fik en gokart til at køre, kan den meget vel være starten på noget stort.
Motoren er et roterende design, en stempelløs opsætning, der maksimerer forholdet mellem effekt og vægt. Det er frugten af et dusin års arbejde fra LiquidPiston, en startup, der er medstifter af Alec Shkolnik, som har en ph.d. i datalogi med speciale i AI og modellering. Selve motoren er baseret på forbrændingsteknologi, der er udviklet af hans far, Nikolay, en sovjetisk uddannet maskiningeniør, som blev omskolet i USA til fysiker.
Der er dog ingen væske og ingen stempel: Virksomheden er vokset fra et navn, der henviste til et design, der brugte begge dele til at omdanne ekspanderende gas til fremdriftskraft. Nu, et halvt dusin gentagelser senere, er resultatet en roterende motor helt i metal, der bestemt ikke er din fars Wankel, det berømte, brummende hjerte i Mazda RX-serien.
“Det er en slags Wankel vendt på hovedet, et design, der løser de gamle problemer med tætning og brændstofforbrug”, siger virksomhedens grundlægger Alec Shkolnik. “Wankel har en trekantet rotor inde i et jordnøddeformet hus; vi har en jordnøddeformet rotor inde i et trekantet hus. Vores tætninger sidder i trekantens spidser, og vores tætninger er stationære, fordi de sidder i huset.”
Tætningerne forhindrer gas i at bevæge sig fra det ene kammer til det andet. I en Wankel bevæger pakningerne sig hurtigt, og det gør dem svære at smøre. Man er nødt til at sprøjte olie ind i forbrændingskammeret vel vidende, at kun en brøkdel vil nå frem til pakningerne, og at resten vil gå op i røg – et problem for både brændstoføkonomien og motorens emissioner. LiquidPiston-motoren mangler denne bagage, men bevarer den roterende motors iboende mekaniske enkelhed – kun en rotor og en excentrisk aksel sammen med brændstofinjektorer, brændstofpumper og oliepumper.
Shkolnik indrømmer, at hans maskine næppe er klar endnu til bilindustriens standard for holdbarhed på 100.000 mil. Men han hævder, at selv i sin vorden bør den kunne finde anvendelse på ethvert område, der sætter pris på en lille, brændstofeffektiv, enkel motor, der pakker en masse kraft ind i en lille volumen og masse.
“Vi har erstattet gokartmotorens 40-lb-motor med vores 4-lb-motor på 3-5 hestekræfter”, siger Shkolnik. Fra i dag kan man købe udviklerens kit.
Motoren er mere effektiv end en Wankelmotor, fordi den har et højere kompressionsforhold, og fordi den skiftende geometri i de indre hulrum gør det muligt for den at udvinde det meste af udstødningsgassernes energi, før de bliver tømt, hvilket kaldes overekspansion.
“Toyota bruger Atkinson-cyklussen i sin Prius, og den laver overekspansion – så det er ikke nyt,” siger han. “Men Prius-motoren er overdimensioneret. Vi får overekspansion næsten gratis, blot ved at ændre placeringen af vores port. Vi behøver ikke at have klodsede ventiltræk for at opnå det.”
Et ventiltræk er det knastakselbetjente system, der åbner og lukker ventilerne i en stempelmotors forbrændingskammer for at lukke brændstof og luft ind og udstødningsgasser ud. At dreje denne aksel bruger energi – et “parasitært tab”, som det hedder i bilsprog.
LiquidPiston’s kraftværk på 1,5 kg i grapefrugtstørrelse er lige det rigtige til en propeldrevet drone af middelstørrelse. Derfor er det amerikanske militær interesseret i den: Virksomheden har modtaget støtte fra Defense Advanced Military Research Projects Agency, eller DARPA.
“Mange mennesker forsøger straks at sælge forbedrede motorer til bil- og lastbilmarkedet, og det kan jeg ikke bebrejde dem, det er et marked på 300 milliarder dollars”, siger Shkolnik. “Men det tager mindst syv år og koster bogstaveligt talt 500 millioner dollars at føre en ny motor ud i livet i bilbranchen – og det er for en stempelmotor, hvor risikoen er lav.”
Så han kigger først på markeder, der har et presserende behov for meget kompakte motorer – håndholdt elværktøj, droner med fragt til Amazon og FedEx og, hvad der er mest interessant, rækkeviddeforlængere til biler.”
“Vi har konceptet med en 30 kilowatt-motor, der kører på diesel, 30 pund, i en kasse på 10 gange 8 tommer”, siger Shkolnik. “Den kunne være en del af et e-køretøj til masserne og give dig den rækkevidde, du er vant til – 300 miles i stedet for 30 – og hurtig optankning.”
Det er klart, at Wankelmotoren også er blevet foreslået som en rækkeviddeforlænger. Og selv om LiquidPistons motor kan hævde at være – eller være i stand til at blive – mere effektiv og mere kompakt end en Wankelmotor, betyder disse ting måske ikke så meget, når maskinen kun fungerer som hjælpemotor.
Radikale nye motordesigns dukker hele tiden op, men det er sjældent, at de slår igennem på den store scene. Kan du huske gasturbinerne fra 1960’erne? Den supervarme, supereffektive keramiske motor fra 1980’erne? Den radikalt forbedrede totaktsmotor, hvis udstødning skulle være renere end den omgivende luft? Selv Wankel-motoren mislykkedes gentagne gange, indtil Mazdas ingeniører smøgede ærmerne op og gjorde dens succes til en prioritet.
Den frelsende nåde ved LiquidPiston er dog det stadigt voksende udvalg af anvendelsesmuligheder for motorer af alle slags. Selv om ingen bil nogensinde kører udelukkende på et af dens produkter, er der masser af markedsnicher, som den kan udfylde: hybrider, droner, måske endda kædesave.
Redaktørens note: Passagen, der henviser til gastætninger, er blevet omformuleret af hensyn til klarheden.