I dag är den till för go-carts, men imorgon kan den vara en förlängare av räckvidden för elbilar
En ny typ av motor har visat vad den går för för första gången utanför labbet, och även om den bara fick en gokart att gå kan den mycket väl vara början på något stort.
Motorn är en roterande konstruktion, en kolvlös uppställning som maximerar förhållandet mellan effekt och vikt. Den är frukten av ett tiotal års arbete av LiquidPiston, ett startupföretag som medgrundats av Alec Shkolnik, som har en doktorsexamen i datavetenskap med inriktning på artificiell intelligens och modellering. Själva motorn bygger på förbränningsteknik som utvecklats av hans far, Nikolay, en sovjetutbildad maskiningenjör som omskolades till fysiker i USA.
Det finns dock ingen vätska och ingen kolv: Företaget har vuxit ur ett namn som hänvisade till en konstruktion som använde båda för att omvandla expanderande gas till drivkraft. Nu, ett halvt dussin iterationer senare, är resultatet en roterande motor helt i metall som definitivt inte är din fars Wankel, det berömda, brummande hjärtat i Mazda RX-serien.
”Det är en Wankel som vänds ut och in, en konstruktion som löser de gamla problemen med tätning och bränsleförbrukning”, säger företagets grundare Alec Shkolnik. ”Wankel har en triangulär rotor i ett jordnötsformat hölje; vi har en jordnötsformad rotor i ett triangulärt hölje. Våra tätningar sitter i triangelns toppar och våra tätningar är stationära eftersom de sitter i höljet.”
Tätningarna hindrar gasen från att röra sig från en kammare till en annan. I en Wankel rör sig tätningarna snabbt, vilket gör dem svåra att smörja. Man måste spruta olja i förbränningskammaren i vetskap om att endast en bråkdel kommer att nå tätningarna och resten kommer att gå upp i rök – ett problem för både bränsleekonomi och motorutsläpp. LiquidPistons motor saknar detta bagage men behåller den roterande motorns inneboende mekaniska enkelhet – bara en rotor och en excentrisk axel, tillsammans med bränsleinsprutare, bränslepumpar och oljepumpar.
Shkolnik medger att hans maskin knappast är redo ännu för bilindustrins hållbarhetsstandard på 100 000 mil. Men han hävdar att den även i sitt barnsliga skede bör kunna användas på alla områden som uppskattar en liten, bränslesnål och enkel motor som ger mycket kraft på en liten volym och massa.
”Vi har ersatt gokartmotorens 40-lb-motor med vår 4-lb-motor med 3 till 5 hästkrafter”, säger Shkolnik. Från och med i dag kan man köpa utvecklarens kit.
Motorn är effektivare än en Wankelmotor eftersom den har ett högre kompressionsförhållande och eftersom den skiftande geometrin i de inre hålrummen gör att den kan utvinna det mesta av energin från avgaserna innan den släpper ut dem, vilket kallas för överexpansion.
”Toyota använder Atkinson-cykeln i sin Prius, och den har överexpansion – så det är inte nytt”, säger han. ”Men Prius-motorn är överdimensionerad. Vi får överexpansion nästan gratis, bara genom att ändra placeringen av vår port. Vi behöver inte ha klumpiga ventilsystem för att uppnå detta.”
Ventilsystem är det kamaxelstyrda system som öppnar och stänger ventilerna i en kolvmotors förbränningskammare för att släppa in bränsle och luft och släppa ut avgaser. Att vrida den axeln förbrukar energi – en ”parasitförlust” på bilspråk.
LiquidPistons kraftverk på 1,5 kg i grapefruktstorlek är precis vad som krävs för en propellerdriven drönare med medelhög belastning. Därför är den amerikanska militären intresserad av den: företaget har fått finansiering från Defense Advanced Military Research Projects Agency, eller DARPA.
”Många försöker genast sälja förbättrade motorer till bil- och lastbilsmarknaden, och jag kan inte klandra dem, det är en marknad på 300 miljarder dollar”, säger Shkolnik. ”Men att få fram en ny motor i fordonsvärlden tar minst sju år och kostar bokstavligen 500 miljoner dollar – och det är för en kolvmotor, där risken är låg.”
Så han tittar först på marknader som har ett brådskande behov av mycket kompakta motorer – handhållna elverktyg, lastbärande drönare för Amazon och FedEx och, mest intressant, räckviddsförlängare för bilar.
”Vi har konceptet med en motor på 30 kilowatt som drivs med diesel, 30 pund, i en låda på 10 gånger 8 tum”, säger Shkolnik. ”Den skulle kunna ingå i en e-bil för massorna och ge dig den räckvidd du är van vid – 300 miles i stället för 30 – och snabb tankning.”
Visst, Wankelmotorn har också föreslagits som en räckviddsförlängare. Och även om LiquidPistons motor kan hävda att den är – eller kan bli – effektivare och kompaktare än en Wankel, spelar dessa saker kanske inte så stor roll när maskinen endast fungerar som hjälpmotor.
Radikala nya motorkonstruktioner dyker upp hela tiden, men det är sällan som de slår igenom på riktigt. Minns ni gasturbinerna på 1960-talet? Den superheta, supereffektiva keramiska motorn från 1980-talet? Den radikalt förbättrade tvåtaktsmotorn vars avgaser skulle vara renare än den omgivande luften? Till och med Wankelmotorn misslyckades upprepade gånger tills Mazdas ingenjörer kavlade upp ärmarna och prioriterade dess framgång.
Den räddande kraften hos LiquidPiston är dock det ständigt växande utbudet av användningsområden för motorer av alla slag. Även om ingen bil någonsin kommer att köras enbart med en av dess produkter finns det gott om marknadsnischer som kan fyllas: hybrider, drönare, kanske till och med motorsågar.
Redaktörens anmärkning: Den del av texten som hänvisar till gastätningar har omformulerats för tydlighetens skull.