Efter 166 år har forbrændingsmotoren stadig uudnyttet potentiale

En af de største opdagelser i vores tid har været opfindelsen af interne forbrændingsmotorer, som har spillet en væsentlig rolle i udviklingen af industrialiseringen og dermed i menneskehedens civilisation.

Disse motorer blev først opfundet i det 19. århundrede, selvom videnskabsfolk og ingeniører begyndte at bidrage til deres udvikling et årti før denne periode begyndte.

En gasturbine blev udviklet i 1791, og en gastank blev patenteret et par år senere. Et patent på en intern forbrændingsmotor, som også var den første til at bruge flydende brændstof, blev indgivet i 1794, og inden århundredet var omme, blev den første amerikanske ICE bygget.

Mens den første bil, der kørte på en ICE, blev skabt i 1862, kom den første moderne forbrændingsmotor først mere end et årti senere, i 1876. I 1885 forbedrede Gottlieb Daimler og Wilhelm Maybach designet og opfandt den første praktiske ICE og en forgasningsanordning.

Hvordan fungerer en forbrændingsmotor egentlig? Nå, for at starte med er forbrænding en kemisk proces, hvor energi frigives ved antændelse af en blanding af brændstof og luft. Interne forbrændingsmotorer (ICE) omdanner delvist denne energi til mekanisk arbejde.

Når blandingen af brændstof og luft antændes, sker der tusindvis af små, kontrollerede eksplosioner, som er forbrænding eller brænding.

I en ICE forekommer både antændelse af brændstof og forbrænding inde i motoren, som består af en fast cylinder og en bevægende stempel. Forbrændingen får gasserne til at udvide sig samt frigiver varme, hvilket skubber stemplet op og ned. Dette roterer igen krumtapakslen gennem et tandhjulsystem i drivlinjen, som driver køretøjets hjul fremad.

Der findes to typer interne forbrændingsmotorer: benzinmotoren med gnisttænding og dieselmotoren med kompressionstænding, hvor forskellen ligger i, hvordan brændstoffet leveres og antændes.

Forbrændingsmotorer dominerer, men møder udfordringer

Nu, mere end halvandet århundrede efter deres opfindelse, kører over en milliard interne forbrændingsmotorer (ICE) stadig på vejene verden over i dag.

Det globale marked for forbrændingsmotorer er i øjeblikket vurderet til omkring 200 milliarder dollars og forventes fortsat at vokse med en årlig vækstrate (CAGR) på 9,2 % og nå 300 milliarder dollars inden 2033, drevet af stigende efterspørgsel efter køretøjer i emerging markets og teknologiske fremskridt inden for motordesign.

Den største udfordring for forbrændingsmotorer er dog stigningen i elektriske køretøjer (EV’er) og strengere emissionsreguleringer.

Men selvom EV’er nu bliver mere udbredte og udgør omkring 18 % af alle nye bilsalg globalt, op fra kun 2 % i 2018, udgør EV’er stadig kun en meget lille procentdel af de samlede forbrændingsmotorkøretøjer på vejene. Med en anslået markedsandel på 3–5 % betyder det, at ud af hver 100 forbrændingsmotorkøretøjer er kun hver tredje eller femte køretøj en EV.

Den voksende EV-trend drives af den stigende efterspørgsel efter motorer, hvilket fører til udtømning af fossile brændstoffer samt en dramatisk stigning i forurening verden over.

Da benzin og diesel er de mest dominerende brændstoffer i bilsektoren, fortsætter miljøforurening med at være den primære bekymring ved forbrændingsmotorer. De største emissioner fra disse motorer er uforbrændte kulbrinter, kulilte, kvælstofoxider og partikler.

Dette medfører alvorlige sundhedsrisici og global opvarmning, hvilket har fået lande over hele verden til at indføre strenge reguleringer for at tackle emissionerne fra bilsektoren. Dette har fået bilingeniører og forskere til at eksperimentere med forskellige motorteknologier samt vedvarende og grønnere brændstoffer.

Mens nogle nationer endda går efter et fuldstændigt forbud mod interne forbrændingsmotorer, arbejder forskere også på at videreudvikle disse motorer for at forbedre deres ydeevne og reducere deres miljøpåvirkning.

Gør forbrændingsmotorer effektive ved at omdanne spildvarme til energi

Interne forbrændingsmotorer producerer kraftfuld energi, men ikke al den energi, der skabes, udnyttes. Faktisk omdannes kun omkring 25 % til 30 % af den kemiske energi til brugbar kraft.

Det meste af den gemmes i brændstoffet, som går tabt som varme gennem udstødning og kølesystemer. Der findes dog en måde at udnytte al den tabte energi på, og forskere arbejder på at finde løsninger til at gøre produktiv brug af den.

undersøgelse offentliggjort¹ i år i ACS Applied Materials (AMAT ) & Interfaces har demonstreret, hvordan udstødningsvarme kan omdannes til elektricitet og dermed levere en bæredygtig energikilde.

Med finansiering fra Office of Naval Research, Army Rapid Innovation Fund Program og National Science Foundation Industry har forskere fra Pennsylvania State University’s Department of Mechanical Engineering præsenteret en prototype af et termoelektrisk generator‑system.

Den termoelektriske generator (TEG) kan reducere brændstofforbruget såvel som udledningen af kuldioxid (CO2). Brændstofineffektivitet er en væsentlig bidragsyder til drivhusgas (GHG) emissioner og understreger behovet for innovative spildvarme‑genvindingssystemer som TEG.

Disse varmegenvindings‑TEG‑systemer anvender halvledermaterialer til at omdanne varme til elektricitet.

Opfundet for over to hundrede år siden kan TEG‑systemer anvendes i elektroniske enheder, medicinsk udstyr og rumfart. Disse systemer har ingen bevægelige dele eller kemiske biprodukter, hvilket gør dem støjsvage og miljøvenlige. De er også holdbare, kræver ingen unødvendig vedligeholdelse og er velegnede til integration i både massive og fleksible enheder.

Ifølge forskningen:

“Termisk energihøstning for højhastighedsbevægelige objekter er særligt lovende i at levere en effektiv og bæredygtig energikilde til at forbedre driftskapacitet og udholdenhed.”

Termoelektrisk (TE) teknologi fungerer ved at udnytte temperaturforskelle mellem en varmekilde og omgivelsestemperaturen. Dette gør det muligt for TE‑teknologi at levere en konstant strømforsyning til sådanne systemer, hvilket reducerer afhængigheden af traditionelle batterier og forlænger driftstiden.

Selvom de er lovende, er designet af mange nuværende termoelektriske enheder komplekst og tungt, og de kræver derfor mere kølevand for at opretholde den nødvendige temperaturforskel. Forskningen bemærker dog, at forskningen i integrerede TEG‑systemdesign er langt bagud i forhold til materialudviklingen.

Således byggede Penn State‑forskere, vejledt af Wenjie Li og Bed Poudel, et kompakt TEG‑system til at genvinde termisk energi. Disse TEG‑systemer kan effektivt omdanne udstødningsspildvarme fra ikke kun biler, men også andre højhastighedskøretøjer såsom ubemandede luftfartøjer eller droner og helikoptere til energi.

Dette nye TEG anvender bismuth‑tellurid som halvleder. Bi2Te3 er et gråt pulver bestående af bismuth og tellur og har fremragende termoelektrisk ydeevne ved lave temperaturer.

Derudover brugte forskningen trekantede plade‑fin‑varmevekslere, meget lig dem der anvendes i klimaanlæg, til at opsamle varme fra køretøjets udstødningsrør som motorudstødning.

Et kølelegeme er også blevet indarbejdet for at regulere temperaturen. Denne længdeorienterede trapezformede fin‑cylindriske komponent øger temperaturforskellen betydeligt, hvilket har en direkte indvirkning på TEG‑systemets elektriske output.

Dette kølelegeme er designet til at sprede varme gennem tvungen konvektion, men teamet optimerede yderligere designet ved hjælp af finite element analysis (FEA) simuleringer for at øge temperaturgradienten og den elektriske effekt.

Med dette opnåede teamets TEG‑prototype en udgangseffekt på 40 watt under en temperaturgradient på 190 grader Celsius med bismuth‑telluridbaserede TE‑moduler. Denne mængde strøm er tilstrækkelig til at drive en pære.

Bemærkelsesværdigt viste forskningsresultaterne, at høje luftstrømsforhold i udstødningsrørene øger effektiviteten og forøger systemets elektriske output.

Teamet testede TEG‑systemet i simuleringer, der efterlignede højhastighedsmiljøer, og det viste stor fleksibilitet. Deres spildvarmesystem producerede op til 56 W ved udstødningshastigheder som en bil, svarende til fem lithium‑ion (Li) 18650‑batterier. Tallene nåede op på 146 W ved udstødningshastigheder svarende til helikoptere, svarende til 12 Li‑ion 18650‑batterier.

Li‑ion 18650‑batterier tilbyder fordelene ved stor kapacitet, lang levetid, høj spænding og høj sikkerhedsydelse. De er mest almindeligt anvendt i elektroniske enheder, EV’er og energilagringsenheder.

Ifølge forskerne kan det seneste studies TEG‑system integreres direkte i nuværende udstødningsudtag og fjerne behovet for ekstra kølesystemer.

Forskerne tror desuden, at dette arbejde kan åbne døren for praktisk integration af termoelektriske enheder i højhastighedskøretøjer i takt med den stigende efterspørgsel efter rene energiløsninger.

Klik her for at lære, hvordan brintkøretøjer gør et comeback.

Forbrændingsmotorer fortsætter med at udvikle sig

Genvinding af udstødningsvarme fra forbrændingsmotorer har faktisk fået stigende interesse for at øge effektiviteten og reducere brændstofforbruget. Disse bestræbelser hjælper med at reducere miljøforurening og global opvarmning.

Udover TEG anvendes bundcirkler, elektriske turbo‑kompounderingsenheder (ETC), dampabsorption, Stirling‑motor (SE) og termo‑akustiske generatorer (TAGs) til at udnytte varme fra bil‑ og industrielle udstødningssystemer.

Termoelektriske generatorer er dog blevet mest anvendt som pålidelig, kompakt og solid‑state teknologi, som kan omdanne varme direkte til elektricitet uden mekanisk bevægelse. De er også lette og vibrationsfri, uden orienteringsbegrænsninger og med nul emission.

Ud over disse brændstofeffektivitetstiltag har forbrændingsmotorer også set andre fremskridt for at forbedre deres ydeevne, effektivitet og miljømæssige bæredygtighed.

Dette inkluderer direkte brændstofindsprøjtning, en teknologi der leverer brændstof direkte ind i forbrændingskammeret, hvilket muliggør præcis kontrol over brændstof‑luftblandingen. Turbochargere komprimerer imidlertid indløbsluften, så mindre motorer kan generere kraft, der svarer til deres større modparter.

En interessant udvikling har været kombinationen af interne forbrændingsmotorer med elektriske motorer, hvilket har resulteret i hybride systemer. Et hybriddrivlinje tilbyder fleksibiliteten til at bruge elektrisk kraft til lavhastighedskørsel og forbrændingsmotoren til højere hastigheder.

Ledet af mærker som Honda, Hyundai, Lexus, BYD og Porsche har hybride køretøjer fået stor opmærksomhed verden over, men de står stadig over for udfordringer i form af højere omkostninger og mindre kraft sammenlignet med traditionelle biler.

Endnu en udvikling har været i brændstoffet, der driver interne forbrændingsmotorkøretøjer. Undersøgelsen af alternative brændstoffer som ethanol, naturgas, propan og biodiesel har til formål at reducere miljøpåvirkningen fra forbrændingsmotorer ved at sænke GHG‑emissionerne og mindske deres afhængighed af fossile brændstoffer.

Blandt disse alternative brændstoffer tiltrækker hydrogen i særdeleshed stor opmærksomhed fra forskere og virksomheder, der ønsker at redde forbrændingsmotorer.

Et af de simpleste molekyler, brint i gasform, har ekstremt lav energitæthed, medmindre det er under meget højt tryk og/eller ved meget lav temperatur, og selv da er dens energitæthed meget lavere end de fleste andre flydende brændstoffer. Dette medfører problemer med brændstoflagring. Det har også højere kvælstofoxid (NOx) emissioner.

Men hvor brint skinner, er i forbrændingshastigheden, som er meget høj, langt højere end benzin. Desuden gør brintens nul‑kulstof‑egenskab, når den brændes med ilt, den til et attraktivt alternativt brændstof. Dette er grunden til, at brintbaserede interne forbrændingsmotorer og brintbrændselsceller får så stor opmærksomhed.

Begge disse køretøjer bruger brint. I ICEV brændes brint på samme måde som benzin, mens brintbrændselscellekøretøjer (FCEV’er) bruger brint i en enhed til at generere elektricitet.

Sidste år introducerede forskere fra University of Alberta en ny aluminium‑nikkel legering for at revolutionere brintforbrændingsmotorer. Legeringen AlCrTiVNi5 tilbyder høj stabilitet under ekstreme varmeforhold, lav termisk udvidelse og overlegen holdbarhed, hvilket gør den ideel til at modstå de ekstreme temperaturer ved brintforbrænding.

Toyota afslørede også flere ICE‑prototyper sidste år, som kan køre på brint ud over benzin og andre brændstoffer.

Leder de nye tilgange til forbrændingsmotorer

I øjeblikket står forbrændingsmotorer over for stigende pres fra EV’er og emissionsreguleringer, men på trods af alt dette fortsætter de med at dominere transportsektoren. Dette skyldes primært den etablerede infrastruktur og udbredte tilgængelighed, men det er ikke alt. Virksomheder gør også store fremskridt med at tackle det væsentlige emissionsproblem.

For eksempel investerer Cummins (CMI ) og Ford Motor (F ) i brintforbrændingsmotorteknologi, mens ClearSign Technologies Corporation (CLIR ) har skabt Duplex Burner Architecture for at forbedre energieffektiviteten og opfylde strenge emissionsstandarder.

Lad os derfor se nærmere på investeringspotentialet hos en innovatør, der stadig udvikler nye tilgange til forbrændingsmotoren og hjælper den med at trives.

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

En førende leverandør af avancerede alternative brændstofsystemer, Westport Fuel Systems (WPRT ) opererer gennem flere segmenter, herunder Light-Duty, High-Pressure Controls & Systems, Cespira, Heavy-Duty OEM og Corporate.

Med en markedsværdi på 72,5 millioner dollars handles Westport‑aktierne i øjeblikket til 4,70 dollars, op 27,93 % år‑til‑dato. Dens EPS (TTM) er -1,57, og P/E‑forholdet (TTM) er -2,91.

Selskabet rapporterede en omsætning på 66,2 millioner dollars i Q3 2024, hvilket var et fald på 14 % i forhold til samme kvartal sidste år. Omsætningen blev drevet af overgangen af Heavy‑Duty OEM‑aktiverne til Cespira, et joint venture mellem Volvo Group og Westport.

Med dette joint venture har Westport Fuel Systems og Volvo Group til mål at udvikle, promovere og fremskynde kommercialiseringen af HPDI‑teknologien. Dette vil hjælpe dem med at fokusere på at drive fremdriften af overkommelige, bæredygtige transportløsninger ved brug af interne forbrændingsmotorer, der i øjeblikket kører på vedvarende brændstoffer og i fremtiden på brint.

Især forventes joint ventureet at have en betydelig indvirkning på globale langdistans‑ og off‑road tungtlastningsapplikationer. HPDI‑drevne interne forbrændingsmotorer, sagde Volvo CTO Lars Stenqvist, menes at “spille en afgørende rolle i globale afkarboniseringsindsatser inden for kommerciel transport”.

I løbet af tredje kvartal var selskabets nettotab 3,9 millioner dollars, og kontanter og kontantekvivalenter ved udgangen var 33,3 millioner dollars.

“Vi forbliver overbeviste om den rolle, alternative brændstoffer vil spille i at drive bæredygtighed i fremtiden for transport‑ og industrisektoren.”

– CEO Dan Sceli

Mens han talte om brint, bemærkede han en langsommere udvikling af global infrastruktur, hvilket igen påvirkede adoptionen af bil‑ og industrielle applikationer drevet af brint. Ifølge Dan:

“Succes for dette marked afhænger af opbygning af infrastruktur og produktion af ren brint, som begge har været langsomme at materialisere sig.”

På trods af dette tror virksomheden stadig på, at brint som brændstof vil sejre, men forventer, at den globale adoption som en ren brændstofkilde vil være en gradvis proces snarere end øjeblikkelig.

I mellemtiden vil Westport fortsætte med at levere et bredt udvalg af overkommelige alternative lavkulstofbrændstoffer som propan, naturgas, vedvarende naturgas og brint.

“Vi driver renere ydeevne ved at imødekomme lavere emissionsreguleringer med praktiske anvendelser ved hjælp af den innovation, der er tilgængelig i dag.”

– Dan

Konklusion

Forbrændingsmotorer er hvor mobilitetsrevolutionen startede. En sådan motor fungerer dog kun med omkring 40 % effektivitet og har en betydelig negativ indvirkning på miljøet på grund af brugen af fossile brændstoffer. Transportsektoren er faktisk den næststørste kilde til drivhusgasemissioner globalt.

Dette har fået verden til at skifte mod grønnere alternativer som elektriske køretøjer. Men det er ikke hele historien; selv forbrændingsmotorer udvikler sig for at følge med den ændrede miljø, og viser deres uudnyttede potentiale selv efter et århundrede.

Gennembrud som termoelektriske generatorer (TEG’er) til genvinding af spildvarme, hybride drivlinjer og alternative brændstoffer som brint driver i øjeblikket denne transformation. Med løbende forskning og innovation er forbrændingsmotorer på vej til at blive mere effektive og miljøvenlige. Og efterhånden som verden omfavner renere teknologier, vil de ikke kun sameksistere med EV’er, men kan endda bidrage væsentligt til en mere bæredygtig fremtid.

Klik her for en liste over de top 5 brintforbrændingsmotorer, der vil bryde normen.