بعد 166 عامًا، لا يزال محرك الاحتراق الداخلي يمتلك إمكانات غير مستغلة

كان أحد أعظم الاكتشافات في عصرنا هو اختراع محركات الاحتراق الداخلي، التي لعبت دورًا مهمًا في تطوير الصناعة وبالتالي في حضارة الإنسان.

تم اختراع هذه المحركات لأول مرة في القرن التاسع عشر، رغم أن العلماء والمهندسين بدأوا يساهمون في تطويرها قبل عقد من بدء هذه الفترة.

تم تطوير توربين غازي في عام 1791، وتم الحصول على براءة اختراع لمحرك غازي بعد بضع سنوات. تم تقديم براءة اختراع لمحرك احتراق داخلي، كان أيضًا الأول الذي يستخدم الوقود السائل، في عام 1794، وقبل انتهاء القرن، تم بناء أول محرك احتراق داخلي أمريكي.

بينما تم إنشاء أول سيارة تعمل بمحرك احتراق داخلي في عام 1862، لم يظهر أول محرك احتراق حديث إلا بعد أكثر من عقد، في عام 1876. في عام 1885، قام غوتليب دايملر وويليام مايباخ بتحسين التصميم واخترعا أول محرك احتراق داخلي عملي وكربوريتر.

الآن، كيف يعمل محرك الاحتراق بالضبط؟ حسنًا، للبدء، الاحتراق هو عملية كيميائية يتم فيها تحرير الطاقة من إشعال مزيج من الوقود والهواء. تقوم محركات الاحتراق الداخلي (ICE) بتحويل جزء من هذه الطاقة إلى عمل ميكانيكي.

عند إشعال مزيج الوقود والهواء، تحدث آلاف الانفجارات الصغيرة المتحكم فيها، وهي ما يُسمى بالاحتراق أو الحرق.

في محرك الاحتراق الداخلي، يحدث إشعال الوقود والاحتراق داخل المحرك، الذي يتكون من أسطوانة ثابتة ومكبس متحرك. يتسبب الحرق في توسع الغازات وإطلاق الحرارة، مما يدفع المكبس صعودًا وهبوطًا. وهذا بدوره يدور العمود المرفقي عبر نظام من التروس في مجموعة النقل، مما يدفع عجلات المركبة إلى الأمام.

هناك نوعان من محركات الاحتراق الداخلي: محرك البنزين ذو إشعال الشرارة ومحرك الديزل ذو إشعال الضغط، والفرق يكمن في طريقة تزويد الوقود وإشعاله.

محركات الاحتراق الداخلي تهيمن لكنها تواجه تحديات

الآن، بعد أكثر من قرن ونصف من اختراعها، لا يزال أكثر من مليار محرك احتراق داخلي (ICE) يعمل على الطرق حول العالم اليوم.

في الوقت نفسه، يُقدَّر حجم سوق محركات الاحتراق العالمي حاليًا بحوالي 200 مليار دولار، ولا يزال من المتوقع أن ينمو بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 9.2٪ ليصل إلى 300 مليار دولار بحلول عام 2033، مدفوعًا بزيادة الطلب على المركبات في الأسواق الناشئة وتقدم التكنولوجيا في تصميم المحركات.

ومع ذلك، فإن أكبر تحدٍ يواجه محركات الاحتراق هو صعود المركبات الكهربائية (EVs) واللوائح الصارمة للانبعاثات.

ولكن بينما أصبحت المركبات الكهربائية أكثر شيوعًا الآن، حيث تمثل حوالي 18٪ من جميع مبيعات السيارات الجديدة عالميًا، ارتفاعًا من 2٪ فقط في عام 2018، لا تزال المركبات الكهربائية تشكل نسبة صغيرة جدًا من إجمالي مركبات محركات الاحتراق على الطرق. مع حصة سوقية تُقدَّر بـ 3-5٪، من كل 100 مركبة محرك احتراق، فقط كل ثالث أو خامس منها يكون مركبة كهربائية.

يتقود اتجاه المركبات الكهربائية المتزايد الطلب المتصاعد على المحركات، مما يؤدي إلى استنزاف الوقود الأحفوري وزيادة كبيرة في التلوث حول العالم.

نظرًا لأن البنزين والديزل هما الوقودان الأكثر سيطرة في قطاع السيارات، يظل التلوث البيئي هو القلق الرئيسي فيما يتعلق بمحركات الاحتراق. الانبعاثات الرئيسية من هذه المحركات هي الهيدروكربونات غير المحترقة، وأول أكسيد الكربون، وأكاسيد النيتروجين، والجسيمات.

هذا يؤدي إلى مخاطر صحية شديدة والاحترار العالمي، مما دفع الدول حول العالم إلى تنفيذ لوائح صارمة لمعالجة الانبعاثات من قطاع السيارات. وقد أدى ذلك إلى قيام مهندسي السيارات والباحثين بتجربة تقنيات محركات مختلفة بالإضافة إلى الوقود المتجدد والأكثر خضرة.

مع سعي بعض الدول إلى حظر كامل للمحركات الداخلية، يعمل الباحثون أيضًا على تحسين هذه المحركات لتعزيز أدائها وتقليل تأثيرها البيئي.

جعل محركات الاحتراق أكثر كفاءة عن طريق تحويل الحرارة المهدرة إلى طاقة

تنتج محركات الاحتراق الداخلي طاقة قوية، لكن ليس كل الطاقة التي تُنتج تُستَخدم. في الواقع، يتم تحويل حوالي 25٪ إلى 30٪ فقط من الطاقة الكيميائية إلى طاقة قابلة للاستخدام.

معظمها يُخزن في الوقود الذي يُفقد كحرارة عبر نظام العادم وتبريد المحرك. ومع ذلك، هناك طريقة لاستخدام كل الطاقة المفقودة، ويعمل العلماء على إيجاد حلول لاستغلالها بشكل منتج.

دراسة نُشرت¹ هذا العام في مجلة ACS Applied Materials (AMAT ) & Interfaces أظهرت مدى إمكانية تحويل حرارة العادم إلى كهرباء، مما يوفر مصدر طاقة مستدام.

بدعم من مكتب البحوث البحرية، وبرنامج صندوق الابتكار السريع للجيش، وصناعة المؤسسة الوطنية للعلوم، قدم باحثون من قسم الهندسة الميكانيكية بجامعة ولاية بنسلفانيا نموذجًا أوليًا لنظام مولد حراري كهربائي.

يمكن لمولد الطاقة الحرارية الكهربائية (TEG) أن يقلل من استهلاك الوقود وكذلك انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO2). إن عدم كفاءة الوقود يُعد مساهمًا رئيسيًا في انبعاثات غازات الدفيئة (GHG) ويؤكد الحاجة إلى أنظمة مبتكرة لاستعادة حرارة النفايات مثل TEG.

تستخدم أنظمة استعادة الحرارة TEG مواد شبه موصلية لتحويل الحرارة إلى كهرباء.

تم اختراع أنظمة TEG قبل أكثر من مئتي عام، ويمكن استخدامها في الأجهزة الإلكترونية، والأجهزة الطبية، والفضاء. لا تحتوي هذه الأنظمة على أجزاء متحركة أو نواتج كيميائية، مما يسمح لها بالعمل بصمت والبقاء صديقة للبيئة. كما أنها متينة، لا تحتاج إلى صيانة غير ضرورية، وتناسب التكامل في الأجهزة الضخمة والمرنة.

وفقًا للبحث:

“جمع الطاقة الحرارية للأجسام المتحركة بسرعة عالية يعد واعدًا بشكل خاص في توفير مصدر طاقة فعال ومستدام لتعزيز القدرات التشغيلية والقدرة على التحمل.”

تعمل تقنية الطاقة الحرارية الكهربائية (TE) عن طريق الاستفادة من فروق درجات الحرارة بين مصدر الحرارة ودرجة الحرارة المحيطة. يتيح ذلك لتقنية TE توفير إمداد ثابت من الطاقة لهذه الأنظمة، مما يقلل الاعتماد على البطاريات التقليدية ويطيل أوقات التشغيل.

على الرغم من واعدتها، فإن تصاميم العديد من أجهزة الطاقة الحرارية الحالية معقدة وثقيلة، وبالتالي تحتاج إلى مزيد من ماء التبريد للحفاظ على فرق الحرارة الضروري. ومع ذلك، كما أشار البحث، فإن أبحاث تصميم نظام TEG المتكامل لا تزال متأخرة كثيرًا عن تطوير المواد.

وبإرشاد من وينجي لي وبيد بوديل، بنى باحثو جامعة بنسلفانيا نظام TEG مدمج لاستعادة الطاقة الحرارية. يمكن لهذه الأنظمة تحويل حرارة العادم المهدرة بفعالية ليس فقط من السيارات بل أيضًا من مركبات عالية السرعة الأخرى مثل الطائرات بدون طيار أو الطائرات المروحية إلى طاقة.

يستخدم هذا الـ TEG الجديد مادة البزموتيلوريد كمادة شبه موصلة. Bi2Te3 هو مسحوق رمادي مكوّن من البزموت والتيلوريوم ويتميز بأداء حراري كهربائي ممتاز في درجات الحرارة المنخفضة.

بالإضافة إلى ذلك، استخدم البحث مبادلات حرارة ذات زعانف صفيحية مثلثية، مشابهة لتلك المستخدمة في مكيفات الهواء، لالتقاط الحرارة من أنابيب عادم المركبة مثل عادم المحرك.

تم دمج مبرد حراري أيضًا لتنظيم درجة الحرارة. هذه القطعة الأسطوانية ذات الزعانف شبه المثلثية الطولية تزيد فرق الحرارة بشكل كبير، مما يؤثر مباشرة على المخرج الكهربائي لنظام TEG.

تم تصميم هذا المبرد لتوزيع الحرارة عبر الحمل القسري، لكن الفريق قام بتحسين التصميم أكثر باستخدام محاكاة تحليل العناصر المحدودة (FEA) لتعزيز فرق الحرارة وقوة الإخراج الكهربائي.

وبذلك، وصل نموذج الـ TEG التجريبي للفريق إلى قدرة خرج قدرها 40 وات تحت فرق حرارة 190 درجة مئوية باستخدام وحدات TE القائمة على بزموتيلوريد. هذه القدرة كافية لتشغيل مصباح كهربائي.

ومن الجدير بالذكر أن نتائج البحث أظهرت أن ظروف تدفق الهواء العالي الموجودة في أنابيب العادم تعزز الكفاءة وتزيد من المخرج الكهربائي للنظام.

اختبر الفريق نظام TEG في محاكاة تحاكي بيئات عالية السرعة، وأظهر مرونة كبيرة. أنتج نظام حرارة النفايات الخاص بهم ما يصل إلى 56 وات لسرعات عادم مماثلة لتلك الخاصة بالسيارة، وهو ما يعادل خمس بطاريات ليثيوم أيون (Li) 18650. ارتفعت هذه الأرقام إلى 146 وات لسرعات عادم مشابهة للطائرات المروحية، وهو ما يعادل 12 بطارية ليثيوم أيون 18650.

توفر بطاريات ليثيوم أيون 18650 مزايا السعة الكبيرة، والعمر الطويل، والجهد العالي، والأداء الأمني العالي. تُستخدم عادةً في الأجهزة الإلكترونية، والمركبات الكهربائية، وأجهزة تخزين الطاقة.

وفقًا للباحثين، يمكن دمج نظام TEG في الدراسة الأخيرة مباشرةً في مخرجات العادم الحالية وإلغاء الحاجة إلى أنظمة تبريد إضافية.

يعتقد الباحثون أيضًا أن هذا العمل قد يفتح الباب أمام دمج عملي لأجهزة الطاقة الحرارية الكهربائية في المركبات عالية السرعة في ظل الطلب المتزايد على حلول الطاقة النظيفة.

انقر هنا لتعرف كيف تعود المركبات الهيدروجينية إلى الساحة.

محركات الاحتراق الداخلي تستمر في التطور

تجديد حرارة العادم من محركات الاحتراق الداخلي يشهد في الواقع اهتمامًا متزايدًا لزيادة الكفاءة وتقليل استهلاك الوقود. تساعد هذه الجهود على تقليل التلوث البيئي والاحترار العالمي.

بالإضافة إلى TEG، تُستخدم دورات القاع، وأجهزة التعزيز التوربيني الكهربائي (ETC)، والامتصاص البخاري، ومحرك ستيرلينغ (SE)، ومولدات الصوت الحراري (TAGs) لاستخلاص الحرارة من أنظمة عادم السيارات والصناعات.

ومع ذلك، تم اعتماد مولدات الطاقة الحرارية الكهربائية كأكثر التقنيات موثوقية، مدمجة، وحالة صلبة، حيث يمكنها تحويل الحرارة مباشرة إلى كهرباء دون أي حركة ميكانيكية. كما أنها خفيفة الوزن وخالية من الاهتزاز، ولا توجد لها قيود توجيهية ولا انبعاثات.

بالإضافة إلى هذه الأساليب لتحسين كفاءة الوقود، شهدت محركات الاحتراق أيضًا تطورات أخرى لتعزيز أدائها وكفاءتها واستدامتها البيئية.

يتضمن ذلك حقن الوقود المباشر، تقنية توصل الوقود مباشرة إلى غرفة الاحتراق، مما يسمح بالتحكم الدقيق في مزيج الوقود والهواء. بينما تقوم الشواحن التوربينية بضغط الهواء الداخل، مما يمكّن المحركات الأصغر من توليد قوة مماثلة لتلك الخاصة بالمحركات الأكبر.

كان التطور المثير هو دمج محركات الاحتراق الداخلي مع المحركات الكهربائية، مما أدى إلى أنظمة هجينة. يوفر نظام النقل الهجين مرونة استخدام الطاقة الكهربائية للقيادة منخفضة السرعة ومحرك الاحتراق للسرعات العالية.

بقيادة شركات مثل هوندا، وهيونداي، ولكسوس، وBYD، وبورش، حظيت المركبات الهجينة باهتمام كبير عالميًا، لكنها لا تزال تواجه تحديات من حيث التكلفة الأعلى وقوة أقل مقارنةً بالسيارات التقليدية.

تم ملاحظة تطور آخر في الوقود الذي يشغل مركبات محركات الاحتراق الداخلي. يهدف استكشاف الوقود البديل مثل الإيثانول، والغاز الطبيعي، والبروبان، والديزل الحيوي إلى تقليل الأثر البيئي للمحركات عن طريق خفض انبعاثات غازات الدفيئة وتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري.

من بين هذه الوقود البديلة، يلفت الهيدروجين بشكل خاص انتباه الباحثين والشركات التي ترغب في إنقاذ محركات الاحتراق.

إحدى أبسط الجزيئات، الهيدروجين في شكل غاز، يمتلك كثافة طاقة منخفضة جدًا إلا إذا كان تحت ضغط عالي جدًا و/أو في درجة حرارة منخفضة جدًا، وحتى في هذه الحالة، تكون كثافة طاقته أقل بكثير من معظم الوقود السائل الآخر. وهذا يسبب مشاكل في تخزين الوقود. كما أنه ينتج انبعاثات أكسيد النيتروجين (NOx) أعلى.

لكن ما يميز الهيدروجين هو سرعة الاحتراق، التي تكون عالية جدًا، أعلى بكثير من البنزين. كما أن خاصية عدم احتواء الهيدروجين على كربون، عند احتراقه مع الأكسجين، تجعله وقودًا بديلًا جذابًا. لهذا السبب تشهد محركات الاحتراق الداخلي الهيدروجينية وخلايا الوقود الهيدروجينية اهتمامًا كبيرًا.

كلا هذين النوعين من المركبات يستخدمان الهيدروجين. في ICEV، يُحرق الهيدروجين مثل البنزين، بينما تستخدم مركبات خلايا الوقود الهيدروجينية (FCEVs) الهيدروجين في جهاز لتوليد الكهرباء.

في العام الماضي، قدم باحثون من جامعة ألبرتا سبيكة ألومنيوم-نيكل جديدة لتحديث محركات الاحتراق الهيدروجينية. توفر سبيكة AlCrTiVNi5 استقرارًا عاليًا في ظروف الحرارة الشديدة، وتوسعًا حراريًا منخفضًا، ومتانة فائقة، مما يجعلها مثالية لتحمل درجات الحرارة القصوى لاحتراق الهيدروجين.

كما كشفت تويوتا في العام الماضي عن عدة نماذج أولية لمحركات الاحتراق الداخلي يمكنها العمل بالهيدروجين بالإضافة إلى البنزين والوقود الآخر.

قيادة النهج الجديدة لمحركات الاحتراق الداخلي

حاليًا، تواجه محركات الاحتراق ضغطًا متزايدًا من المركبات الكهربائية واللوائح المتعلقة بالانبعاثات، لكن على الرغم من ذلك، لا تزال تهيمن على قطاع النقل. ويرجع ذلك أساسًا إلى البنية التحتية القائمة وتوافرها الواسع، ولكن ليس هذا كل شيء. كما تحقق الشركات تقدمًا كبيرًا في معالجة المشكلة الرئيسية المتعلقة بالانبعاثات.

على سبيل المثال، Cummins (CMI ) وFord Motor (F ) تستثمر في تقنية محرك الاحتراق الهيدروجيني، بينما ClearSign Technologies Corporation (CLIR ) أنشأت بنية Duplex Burner لتعزيز كفاءة الطاقة والامتثال للمعايير الصارمة للانبعاثات.

لذا، دعونا نلقي نظرة أعمق على إمكانات الاستثمار في مبتكر لا يزال يطور نهجًا جديدًا لمحرك الاحتراق ويساعده على الازدهار.

1. Westport Fuel Systems Inc. (NASDAQ: WPRT)

مورد رائد لأنظمة الوقود البديلة المتقدمة، تعمل Westport Fuel Systems (WPRT ) عبر عدة قطاعات، بما في ذلك Light-Duty، High-Pressure Controls & Systems، Cespira، Heavy-Duty OEM، وCorporate.

بقيمة رأس مال سوقية تبلغ 72.5 مليون دولار، يتم تداول أسهم Westport حاليًا بسعر 4.70 دولار، بارتفاع 27.93٪ منذ بداية العام. ربح السهم (EPS) (TTM) هو -1.57، ونسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) هي -2.91.

أعلنت الشركة عن إيرادات بلغت 66.2 مليون دولار في الربع الثالث من عام 2024، وهو انخفاض بنسبة 14٪ مقارنةً بالربع نفسه من العام السابق. وقد تم تحفيز الإيرادات بانتقال أصول Heavy-Duty OEM إلى Cespira، وهي مشروع مشترك بين مجموعة فولفو وWestport.

من خلال هذا المشروع المشترك، تهدف Westport Fuel Systems ومجموعة فولفو إلى تطوير وتعزيز وتسريع تسويق تقنية HPDI. سيساعدهم ذلك على التركيز على دفع تقدم حلول النقل المستدامة والمعقولة باستخدام محرك الاحتراق الداخلي الذي يعمل على الوقود المتجدد حاليًا، والهيدروجين في المستقبل.

على وجه الخصوص، من المتوقع أن يكون للمشروع المشترك تأثير كبير على التطبيقات العالمية للنقل الطويل والطرق الوعرة ذات الحمولة الثقيلة. وأشار كبير المسؤولين التقنيين في فولفو، Lars Stenqvist، إلى أن محركات الاحتراق الداخلي التي تعمل بتقنية HPDI يُعتقد أنها “تلعب دورًا حاسمًا في جهود خفض الكربون عالميًا في النقل التجاري”.

خلال الربع الثالث، كان صافي خسارة الشركة 3.9 مليون دولار، وبلغت النقدية وما في حكمها في نهايته 33.3 مليون دولار.

“نحن ما زلنا واثقين من الدور الذي سيلعبه الوقود البديل في تعزيز الاستدامة في مستقبل قطاع النقل والتطبيقات الصناعية.”

– الرئيس التنفيذي دان سكيلي

أثناء حديثه عن الهيدروجين، أشار إلى تباطؤ في تطوير البنية التحتية العالمية، مما أثر بدوره على تبني التطبيقات السياراتية والصناعية التي تعمل بالهيدروجين. وفقًا لدان:

“نجاح هذا السوق يعتمد على إنشاء البنية التحتية وإنتاج الهيدروجين النظيف، وكلاهما كان بطيئًا في التحقق منه.”

على الرغم من ذلك، لا تزال الشركة تعتقد أن الهيدروجين كوقود سيسود، لكنها تتوقع أن يكون تبنيه عالميًا كمصدر وقود نظيف عملية تدريجية وليس فورية.

في الوقت الحالي، ستستمر Westport في توفير مجموعة واسعة من الوقود البديل منخفض الكربون بأسعار معقولة مثل البروبان، والغاز الطبيعي، والغاز الطبيعي المتجدد، والهيدروجين.

“نحن نقود أداءً أنظف من خلال معالجة اللوائح المتعلقة بالانبعاثات المنخفضة باستخدام تطبيقات عملية تعتمد على الابتكار المتاح اليوم.”

– دان

الخلاصة 

محركات الاحتراق هي التي بدأت منها ثورة التنقل. ومع ذلك، يعمل هذا النوع من المحركات بكفاءة تبلغ حوالي 40٪ فقط، بينما يترك تأثيرًا سلبيًا كبيرًا على البيئة بسبب استخدام الوقود الأحفوري. يُعد قطاع النقل في الواقع ثاني أكبر مصدر لانبعاثات غازات الدفيئة عالميًا.

وقد أدى ذلك إلى تحول العالم نحو بدائل أكثر خضرة مثل المركبات الكهربائية. لكن هذا ليس كل شيء؛ فحتى محركات الاحتراق تتطور لتواكب البيئة المتغيرة، مظهرة إمكاناتها غير المستغلة حتى بعد قرن.

تُعد الاختراقات مثل مولدات الطاقة الحرارية الكهربائية (TEGs) لاستعادة حرارة النفايات، وأنظمة النقل الهجينة، والوقود البديل مثل الهيدروجين، هي التي تدفع هذه التحولات حاليًا. مع استمرار البحث والابتكار، تستعد محركات الاحتراق لتصبح أكثر كفاءة وصديقة للبيئة. ومع تبني العالم للتقنيات الأنظف، لن تتعايش فقط مع المركبات الكهربائية بل قد تسهم أيضًا بشكل ملموس في مستقبل أكثر استدامة.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل 5 محركات احتراق هيدروجينية ستكسر القالب.