تقنيات تدعم الانتقال من محركات الاحتراق الداخلي إلى المحركات الكهربائية

تزداد أهمية المركبات ذات المحركات الكهربائية، سواء استمدت الطاقة من البطاريات أو خلايا وقود الهيدروجين أو أنظمة أخرى. لكن وتيرة إحلالها محل محركات الاحتراق الداخلي تعتمد على الاستخدام والتكاليف والسياسات والبنية التحتية.

لن يحدث التحول بين ليلة وضحاها؛ فقد استثمرت دول كثيرة في شبكات البنزين والديزل. ويمكن لعلوم المواد والهندسة تحسين محركات الاحتراق الداخلي، بحيث تتعايش التقنيتان في تطبيقات مختلفة لسنوات.

كان تقرير سوق متاح عند نشر هذا المقال في عام 2023 يتوقع نموًا من نحو 55.18 مليار دولار في عام 2020 إلى 73.84 مليار دولار في عام 2028، بمعدل نمو سنوي مركب يقارب 3.7٪. وهذه توقعات سوقية وليست ضمانًا لعائد استثماري.

فيما يلي بعض الابتكارات التي قد تحسن المركبات ذات محركات الاحتراق الداخلي خلال التحول إلى وسائل نقل أكثر اعتمادًا على الكهرباء.

المصنعون والمبتكرون

توضح بورشه وتسلا نهجين مختلفين لتطوير تقنيات المركبات. وتقدم المعلومات التالية سياقًا عن الشركتين دون أن تضمن نتيجة استثمارية.

Porsche (P911)

تطور بورشه تقنيات لتحسين أداء المركبات وكفاءتها، وتدعم أبحاث الوقود الاصطناعي.

يقع مقر بورشه إيه جي في شتوتغارت بألمانيا. وبلغت إيراداتها في عام 2022 نحو 37.6 مليار يورو؛ والعملة هنا هي اليورو وليست الدولار.

Tesla (TSLA)

تشتري تسلا (TSLA ) خلايا بطاريات من موردين، وتطور إنتاجها الخاص من الخلايا، وتصنع أو تجمع حزم البطاريات أيضًا. وهي إحدى الشركات المساهمة في الابتكار بالمركبات الكهربائية، إلى جانب مصنعين وموردين وباحثين آخرين.

نُشر هذا المقال في عام 2023 بعد تراجع سهم تسلا في عام 2022. وكان ارتفاعه بنسبة 55.48٪ منذ بداية العام رقمًا تاريخيًا عند كتابة النسخة الأصلية، وليس عائدًا حاليًا. وبلغت إيرادات تسلا في عام 2022 نحو 81.46 مليار دولار.

يقع مقر تسلا في ولاية تكساس الأمريكية.

الذكاء الاصطناعي

قد تحسن أنظمة المساعدة على القيادة والتحكم المدعومة بالذكاء الاصطناعي كفاءة تشغيل المركبات ذات محركات الاحتراق الداخلي. وتعتمد الفائدة على قدرات النظام وظروف استخدامه.

يمكن للتحكم الأكثر سلاسة في السرعة أن يقلل التسارع والكبح المتكررين، وقد تساعد اتصالات المركبات وإدارة المرور على تخفيف الازدحام. لكن الذكاء الاصطناعي لا يلغي الأخطاء تلقائيًا، ولا تتضمن جميع أنظمة القيادة الآلية اتصالات بين المركبات.

قد تقلل هذه التحسينات استهلاك الطاقة والانبعاثات في ظروف معينة، ويمكن للمركبات الكهربائية الاستفادة منها أيضًا.

الوقود الصناعي

تعتمد المركبات التقليدية على وقود أحفوري ينتج غازات دفيئة وملوثات عند احتراقه. كما تترتب آثار بيئية على استخراجه ومعالجته.

يُطور الوقود الاصطناعي، أو الوقود الإلكتروني، كخيار لمحركات الاحتراق الداخلي. وفي مارس 2023 اعتمد الاتحاد الأوروبي قواعد لخفض انبعاثات السيارات والشاحنات الخفيفة الجديدة، وأشار إلى مقترح منفصل لتسجيل المركبات التي تعمل حصريًا بوقود محايد كربونيًا بعد عام 2035. ولم يكن ذلك إعفاءً مطلقًا نافذًا لجميع مركبات الاحتراق الداخلي.

يُنتج الوقود الإلكتروني باستخدام مدخلات مثل الكهرباء والماء وثاني أكسيد الكربون. وقد تحل بعض منتجاته محل البنزين إذا استوفت متطلبات المحرك والوقود. ومن مسارات الإنتاج الممكنة:

• إجراء التحليل الكهربائي للماء، H₂O، للحصول على الهيدروجين. ثم يتفاعل الهيدروجين مع ثاني أكسيد الكربون الملتقط، CO₂ ، لإنتاج الميثانول، الذي يمكن تحويله إلى بنزين اصطناعي باستخدام محفزات وعمليات لاحقة.
• إنتاج هيدروكربونات عبر غاز التخليق باستخدام CO₂ وH₂

تتطلب هذه العمليات قدرًا كبيرًا من الطاقة، ويظل حرق الوقود الناتج مصدرًا لانبعاثات العادم. ويمكن أن يساعد استخدام طاقة منخفضة الانبعاثات والتقاط CO₂ من الهواء على خفض الأثر الكربوني على امتداد دورة الحياة، لكن الحياد الكربوني ليس نتيجة تلقائية.

تدعم بورشه تطوير الوقود الاصطناعي لاستخدامه المحتمل في المركبات القائمة. وتعمل شركات مثل HIF على تطوير الوقود وعمليات إنتاجه.

الاحتكاك – صديق أم عدو؟

يتيح احتكاك الإطارات بالطريق نقل القوة والكبح وتغيير الاتجاه. أما الاحتكاك داخل المحرك ومجموعة نقل الحركة فيحول جزءًا من الطاقة الميكانيكية إلى حرارة لا تسهم في تحريك المركبة.

من طرق تقليل هذه الخسائر هندسة ملمس الأسطح واستخدام زيوت تشحيم اصطناعية مناسبة.

تبحث دراسات هندسة الأسطح في إمكانية تحسين التزييت وتقليل الاحتكاك عبر أخاديد وتجويفات دقيقة في مكونات مثل جدران الأسطوانات. وتتوقف النتائج على التصميم والحمل والسرعة وظروف التزييت؛ فليس كل ملمس سطحي أفضل من غيره.

تُستخدم زيوت التشحيم الاصطناعية منذ عقود. ويمكن لتركيباتها وإضافاتها تحسين التزييت ومقاومة التآكل والثبات عبر درجات حرارة مختلفة. وتساعد الأبحاث على تطوير زيوت أكثر ملاءمة لمتطلبات المحرك ، لكن لا يوجد زيت واحد هو الأفضل لجميع المركبات.

يمكن لهندسة الأسطح وزيوت التشحيم تقليل بعض خسائر الاحتكاك. إلا أن محركات الاحتراق الداخلي تفقد طاقة أيضًا عبر حرارة الاحتراق والعادم. ولا يصح مقارنة كفاءة المحرك الكهربائي وحده بكفاءة سلسلة الطاقة الكاملة لمركبة احتراق؛ لذلك لا يمثل رقما 5٪ و50٪ مقارنة متكافئة تنطبق على جميع المركبات.

إعادة تصور محرك الاحتراق الداخلي

إلى جانب التحكم والوقود والتزييت، يعيد بعض المطورين تصميم آلية المحرك نفسها. ومن أمثلة ذلك النموذج الأولي Avadi MA-250.

شركة Avadi Engines طرحت حملة تمويل عبر منصة StartEngine. ويمكن الرجوع إلى دليل جمع رأس المال للمعلومات العامة. وذكرت النسخة الأصلية من المقال جمع أكثر من 210,000 دولار؛ وهذا تقرير تاريخي وليس عرضًا نشطًا أو إيرادًا من بيع المحركات. وتقول الشركة إن تصميمها يقلل الأجزاء المتحركة ويوفر محركًا خفيفًا ومدمجًا وعالي العزم. وهذه ادعاءات المطور.

يستخدم التصميم مكبسًا دوارًا وذراعي توصيل. وتتيح الحركة الدورانية فتح منافذ السحب والعادم وإغلاقها دون آلية الصمامات التقليدية التي يديرها عمود الكامات، وليس بمجرد إضافة صمامات عادية إلى رأس الأسطوانة. وقالت الشركة في مواد اختباراتها الداخلية:

«وفقًا للاختبارات الداخلية، يبلغ وزن محرك Avadi MA-250 نحو نصف وزن أقرب محرك منافس، مع ضعف العزم والقدرة، واستهلاك وقود أقل بنحو 30٪».

أورد المقال الأصلي قدرة تقارب 15 حصانًا وعزمًا قدره 22 رطلًا-قدمًا ووزنًا يبلغ 26 رطلًا للنموذج الأولي. وهذه بيانات المطور في ذلك الوقت، وليست اعتمادًا مستقلًا أو مواصفات مضمونة للإنتاج التجاري.

تحدثت الشركة عن إمكانية تعديل حجم التصميم لتطبيقات مختلفة. وتُستخدم محركات الاحتراق الداخلي في جرارات الحدائق والمركبات المخصصة للطرق الوعرة وآلات تقطيع الأخشاب والمولدات وغيرها من المعدات. ويتطلب كل تطبيق جديد تطويرًا واختبارات خاصة به.

الكلمة الأخيرة

مع تطور المركبات الكهربائية، قد تحسن الهندسة أيضًا محركات الاحتراق الداخلي في تطبيقات معينة. ولا يوجد جدول إحلال واحد يصلح لجميع البلدان وأنواع الآلات.

تؤثر البنية التحتية والتكاليف والقواعد والموثوقية واحتياجات الطاقة في اختيار التقنية. وقد تخلق أنواع الوقود الحديثة وزيوت التشحيم والتصاميم الجديدة فرصًا تجارية، لكن نمو السوق أو نجاح نموذج أولي لا يضمن أرباح المستثمرين.

يظل الجمع بين التحكم الآلي والمحركات الجديدة والوقود الإلكتروني وزيوت التشحيم وهندسة الأسطح احتمالًا للتطوير. ويجب إثبات الكفاءة والجدوى عبر الاختبارات والاستخدام الفعلي.