Vandaag is het voor go-carts; morgen kan het een range extender voor elektrische auto’s zijn
Een nieuw soort motor heeft voor het eerst buiten het laboratorium laten zien wat hij in huis heeft, en hoewel hij alleen maar een go-kart aan de praat kreeg, zou dit wel eens het begin kunnen zijn van iets groots.
De motor is een roterend ontwerp, een zuigerloze opstelling die de verhouding tussen vermogen en gewicht maximaliseert. Het is de vrucht van een tiental jaren werk door LiquidPiston, een startup mede opgericht door Alec Shkolnik, die een Ph.D. in computerwetenschappen heeft, met een specialisatie in AI en modellering. De motor zelf is gebaseerd op verbrandingstechnologie ontwikkeld door zijn vader, Nikolay, een in de Sovjet-Unie opgeleide werktuigbouwkundig ingenieur die zich in de Verenigde Staten heeft omgeschoold tot natuurkundige.
Er is echter geen vloeistof, en geen zuiger: Het bedrijf is een naam ontgroeid die verwees naar een ontwerp dat beide gebruikte om uitzettend gas om te zetten in aandrijfkracht. Nu, een half dozijn iteraties later, is het resultaat een volledig metalen rotatiemotor die beslist niet de Wankel van je vader is, het beroemde, zoemende hart van de Mazda RX-serie.
“Het is een soort binnenstebuiten gekeerde Wankel, een ontwerp dat de oude problemen met afdichting en brandstofverbruik oplost,” zegt bedrijfsoprichter Alec Shkolnik. “De Wankel heeft een driehoekige rotor in een pinda-vormige behuizing; wij hebben een pinda-vormige rotor in een driehoekige behuizing. Onze afdichtingen gaan op de toppen van de driehoek en onze afdichtingen zijn stationair omdat ze in de behuizing zitten.”
De afdichtingen houden gas tegen dat van de ene kamer naar de andere beweegt. In een Wankel bewegen de afdichtingen snel, en dat maakt ze moeilijk te smeren. Je moet olie in de verbrandingskamer spuiten in de wetenschap dat slechts een fractie de afdichtingen zal bereiken en de rest in rook opgaat – een probleem voor zowel het brandstofverbruik als de uitstoot van de motor. De motor van LiquidPiston ontbeert die bagage, maar behoudt de intrinsieke mechanische eenvoud van de rotatiemotor – alleen een rotor en een excentrische as, samen met brandstofinjectoren, brandstofpompen en oliepompen.
Shkolnik geeft toe dat zijn machine nog nauwelijks klaar is voor de duurzaamheidsnorm van 100.000 mijl van de auto-industrie. Maar hij stelt dat het zelfs in zijn kinderschoenen toepassing zou moeten vinden op elk gebied dat een kleine, brandstofefficiënte eenvoudige motor prijst die veel kracht in een klein volume en een kleine massa verpakt.
“We hebben de 40 pond motor van de go-kart vervangen door onze 4 pond, 3 tot 5 pk motor,” zegt Shkolnik. De motor is efficiënter dan een Wankel omdat hij een hogere compressieverhouding heeft en omdat de verschuivende geometrie van de inwendige holten hem in staat stelt de meeste energie uit de uitlaatgassen te halen voordat hij ze laat ontsnappen, een kenmerk dat overexpansie wordt genoemd.
“Toyota gebruikt de Atkinson-cyclus in zijn Prius, en die doet aan overexpansie – dus het is niet nieuw,” zegt hij. “Maar de Prius-motor is overgedimensioneerd. Wij krijgen over-expansie bijna gratis, gewoon door de locatie van onze poort te veranderen. Daarvoor hebben we geen onhandige kleppentreinen nodig.”
Een kleppentrein is het door een nokkenas bediende systeem dat de kleppen in de verbrandingskamer van een zuigermotor opent en sluit om brandstof en lucht binnen te laten en uitlaatgassen af te voeren. Het draaien van die as verbruikt energie-een “parasitair verlies,” in de auto lingo.
LiquidPiston’s grapefruit-size, 1,5-kilogram krachtcentrale is precies het ticket voor een medium-duty, propeller-aangedreven drone. Daarom is het Amerikaanse leger erin geïnteresseerd: het bedrijf heeft financiering ontvangen van het Defense Advanced Military Research Projects Agency, of DARPA.
“Veel mensen proberen onmiddellijk verbeterde motoren te verkopen aan de auto- en vrachtwagenmarkt, en ik kan het ze niet kwalijk nemen, het is een markt van $ 300 miljard,” zegt Shkolnik. “Maar om een nieuwe motor tot leven te brengen in de autowereld duurt minstens zeven jaar en kost, heel letterlijk, 500 miljoen dollar – en dat is voor een zuigermotor, waar het risico laag is.”
Dus kijkt hij eerst naar markten die een dringende behoefte hebben aan zeer compacte motoren – handgereedschap, vrachtdragende drones voor Amazon en FedEx, en het meest interessant, range extenders voor auto’s.
“We hebben het concept van een 30-kilowatt motor die werkt op diesel, 30 pond, in een 10 bij 8 inch doos,” zegt Shkolnik. “Het zou deel kunnen uitmaken van een e-voertuig voor massa’s, waardoor je de actieradius krijgt die je gewend bent – 300 mijl in plaats van 30 – en snel kunt tanken.”
Om zeker te zijn, de Wankel is ook gesuggereerd als een bereikvergroter. En hoewel de motor van LiquidPiston beweert efficiënter en compacter te zijn – of te kunnen worden – dan een Wankel, maken deze dingen misschien niet zoveel uit als de machine alleen in een hulpmodus werkt.
Radicale nieuwe motorontwerpen duiken voortdurend op, maar ze halen zelden de grote massa. Herinner je je de gasturbines van de jaren ’60? De superhete, superefficiënte keramische motor van de jaren ’80? De radicaal verbeterde tweetaktmotor waarvan de uitlaat schoner zou zijn dan de omgevingslucht? Zelfs de Wankel mislukte herhaaldelijk totdat Mazda’s ingenieurs hun mouwen opstroopten en van succes een prioriteit maakten.
De reddende engel van LiquidPiston is echter de steeds groter wordende reeks toepassingen voor motoren van allerlei aard. Zelfs als er nooit een auto uitsluitend op een van zijn producten rijdt, zijn er tal van marktniches die het zou kunnen vullen: hybriden, drones, misschien zelfs kettingzagen.
Noot van de redacteur: de passage die verwijst naar gasafdichtingen is voor de duidelijkheid geherformuleerd.