166 vuoden jälkeen polttomoottorilla on edelleen hyödyntämätöntä potentiaalia

Yksi aikamme suurimmista löydöksistä on sisäisen polttomoottorin keksintä, joka on näytellyt merkittävää roolia teollistumisen kehityksessä ja siten ihmiskunnan sivilisaatiossa.

Nämä moottorit keksittiin ensimmäisen kerran 1800-luvulla, vaikka tiedemiehet ja insinöörit alkoivat osallistua niiden kehittämiseen jo vuosikymmen ennen kyseisen aikakauden alkua.

Kaasuturbiini kehitettiin vuonna 1791, ja muutama vuosi myöhemmin patentoitiin kaasumoottori. Sisäisen polttomoottorin patentti, joka oli myös ensimmäinen nestepolttoainetta käyttävä, jätettiin vuonna 1794, ja ennen vuosisadan loppua ensimmäinen amerikkalainen ICE rakennettiin.

Vaikka ensimmäinen ICE:llä toimiva auto luotiin vuonna 1862, ensimmäinen nykyaikainen polttomoottori ei ilmestynyt yli vuosikymmen myöhemmin, vuonna 1876. Vuonna 1885 Gottlieb Daimler ja Wilhelm Maybach paransivat suunnitelmaa ja keksivät ensimmäisen käytännöllisen sisäpolttomoottorin ja kaasuttimen.

Miten polttomoottori tarkalleen ottaen toimii? No, aluksi polttaminen on kemiallinen prosessi, jossa energia vapautuu sytyttämällä polttoaine- ja ilmaseos. Sisäpolttomoottorit (ICE) muuntavat osittain tämän energian mekaaniseksi työksi.

Kun polttoaine- ja ilmaseos sytytetään, tapahtuu tuhansia pieniä, hallittuja räjähdyksiä, jotka ovat polttamista tai palamista.

ICE:ssä polttoaineen sytytys ja palaminen tapahtuvat moottorin sisällä, joka koostuu kiinteästä sylinteristä ja liikkuvasta männästä. Palaminen aiheuttaa kaasujen laajenemisen sekä lämmön vapautumisen, mikä työntää männän ylös ja alas. Tämä puolestaan pyörittää kampiakselia vaihteiston hammasrattaiden kautta, liikuttaen ajoneuvon pyörät eteenpäin.

Sisäisiä polttomoottoreita on kaksi tyyppiä: kipinäsytyksinen bensiinimoottori ja puristussytyksinen dieselmoottori, ja ero on polttoaineen syöttötavassa ja sytyttämisessä.

Polttomoottorit hallitsevat, mutta kohtaavat haasteita

Nyt, yli puolentoista vuosisadan jälkeen niiden keksimisestä, yli miljardi sisäpolttomoottoria (ICE) on edelleen liikenteessä maailmanlaajuisesti.

Maailmanlaajuinen polttomoottorimarkkina on tällä hetkellä arvoltaan noin 200 miljardia dollaria, ja sen odotetaan kasvavan 9,2 %:n vuotuisella kasvuvauhdilla ja saavuttavan 300 miljardia dollaria vuoteen 2033 mennessä, mikä johtuu kasvavasta ajoneuvokysynnästä kehittyvillä markkinoilla ja teknologisista edistysaskelista moottorisuunnittelussa.

Kuitenkin suurin haaste polttomoottoreille on sähköajoneuvojen (EV) nousu ja tiukemmat päästömääräykset.

Vaikka sähköautot ovat nyt yleistymässä, ne muodostavat noin 18 % kaikista uusista autokaupoista maailmanlaajuisesti, kun taas vuonna 2018 osuus oli vain 2 %. EV:t ovat kuitenkin edelleen hyvin pieni prosenttiosuus polttomoottoriajoneuvoista tiellä. Arvioidun markkinaosuuden ollessa 3–5 %, jokaisesta 100 polttomoottoriajoneuvosta vain kolmas tai viides on sähköauto.

Kasvava EV-trendi johtuu moottorien kasvavasta kysynnästä, mikä puolestaan johtaa fossiilisten polttoaineiden ehtymiseen ja dramaattiseen saastumisen lisääntymiseen maailmanlaajuisesti.

Koska bensiini ja diesel ovat hallitsevia polttoaineita autoteollisuudessa, ympäristön saastuminen on edelleen polttomoottoreiden tärkein huolenaihe. Näiden moottorien merkittävimmät päästöt ovat palamattomat hiilivedyt, hiilimonoksidi, typpidioksidit ja hiukkaset.

Tämä aiheuttaa vakavia terveysriskejä ja ilmaston lämpenemistä, minkä seurauksena eri maat ovat alkaneet toteuttaa tiukkoja säädöksiä autoalan päästöjen torjumiseksi. Tämä on saanut autoingeenieerit ja tutkijat kokeilemaan erilaisia moottoriteknologioita sekä uusiutuvia ja vihreämpiä polttoaineita.

Kun jotkut maat jopa pyrkivät täydelliseen sisäpolttomoottorien kieltämiseen, tutkijat kehittävät näitä moottoreita parantaakseen niiden suorituskykyä ja vähentääkseen ympäristövaikutuksia.

Polttomoottorien tehokkuuden parantaminen muuntamalla hukkaenergia energiaan

Sisäpolttomoottorit tuottavat voimakasta energiaa, mutta kaikkea tuotettua energiaa ei hyödynnetä. Todellisuudessa vain noin 25–30 % kemiallisesta energiasta muutetaan käyttökelpoiseksi voimaksi.

Suurin osa siitä varastoituu polttoaineeseen, joka häviää lämmönä pakokaasujen ja moottorin jäähdytysjärjestelmien kautta. Kuitenkin on olemassa tapa hyödyntää kaikki menetetty energia, ja tutkijat etsivät ratkaisuja sen tuottavaan käyttöön.

Tänä vuonna ACS Applied Materials (AMAT ) & Interfaces -lehdessä julkaistu tutkimus¹ on osoittanut, kuinka pakokaasujen lämpö voidaan muuntaa sähköksi, tarjoten kestävän energialähteen.

Merenkulun tutkimusviraston, Armeijan nopean innovaatiopääoman ohjelman ja National Science Foundation Industryn rahoituksella Pennsylvanian valtionyliopiston koneenrakennustekniikan laitoksen tutkijat ovat esittäneet prototyypin termoelektriselle generaattorijärjestelmälle.

Termoelektrinen generaattori (TEG) voi vähentää polttoaineenkulutusta sekä hiilidioksidi (CO2) -päästöjä. Polttoaineen tehottomuus on merkittävä kasvihuonekaasupäästöjen (GHG) lähde, mikä korostaa innovatiivisten hukkalämmön talteenottojärjestelmien, kuten TEG:n, tarvetta.

Nämä hukkalämmön talteenotto-TEG-järjestelmät käyttävät puolijohdemateriaaleja lämmön muuntamiseen sähköksi.

Keksitty yli kaksisataa vuotta sitten, TEG-järjestelmiä voidaan käyttää elektroniikkalaitteissa, lääketieteellisissä laitteissa ja avaruusteollisuudessa. Näissä järjestelmissä ei ole liikkuvia osia eikä kemiallisia sivutuotteita, mikä mahdollistaa hiljaisen toiminnan ja ympäristöystävällisyyden. Ne ovat myös kestäviä, eivät vaadi ylimääräistä huoltoa ja soveltuvat integroitaviksi massiivisiin ja joustaviin laitteisiin.

Tutkimuksen mukaan:

“Lämpöenergian kerääminen nopeille liikkuville kohteille on erityisen lupaavaa tarjoamaan tehokkaan ja kestävän energialähteen, joka parantaa toiminta- ja kestävyyskykyjä.”

Termoelektrinen (TE) -teknologia toimii hyödyntämällä lämpötilaeroja lämmönlähteen ja ympäristön välillä. Tämä mahdollistaa TE-teknologian tarjoavan jatkuvan virtalähteen tällaisille järjestelmille, vähentäen perinteisten akkujen riippuvuutta ja pidentäen käyttöaikoja.

Vaikka lupaavia, monien nykyisten termoelektristen laitteiden suunnitelmat ovat monimutkaisia ja raskaita, ja ne tarvitsevat enemmän jäähdytysvesiä ylläpitääkseen tarvittavaa lämpötilaeroa. Kuitenkin, kuten tutkimus totesi, integroidun TEG-järjestelmän suunnittelututkimus on selvästi jäljessä materiaalikehitystä.

Niinpä Wenjie Li:n ja Bed Poudelin johdolla Penn State -tutkijat rakensivat kompaktin TEG-järjestelmän lämmön talteenottoon. Nämä TEG-järjestelmät voivat tehokkaasti muuntaa pakokaasujen hukkalämmön paitsi autoista myös muista nopeista ajoneuvoista, kuten miehittämättömistä ilma-aluksista (dronet) ja helikoptereista, energiaksi.

Tämä uusi TEG käyttää puolijohteena bismutti-teleriittiä. Bi2Te3 on harmaa jauhe, joka koostuu bismutista ja telluurista, ja sillä on erinomainen matalan lämpötilan termoelektrinen suorituskyky.

Lisäksi tutkimuksessa käytettiin kolmionmuotoisia levy-evästejä, samankaltaisia kuin ilmastointilaitteissa, kaappaamaan lämpöä ajoneuvon pakokaasuputkista, kuten moottorin pakokaasusta.

Lämpölevy on myös sisällytetty lämpötilan säätelyyn. Tämä pitkittäinen trapetsimainen eväselevy sylinterimäinen komponentti lisää lämpötilaeroa merkittävästi, mikä vaikuttaa suoraan TEG-järjestelmän sähköiseen tuotokseen.

Tämä lämpölevy on suunniteltu hajottamaan lämpöä pakotetun konvektion avulla, mutta tiimi optimoi suunnittelua edelleen käyttäen elementtimenetelmän (FEA) simulointeja lämpötilaeron ja sähkötehon lisäämiseksi.

Tämän seurauksena tiimin TEG-prototyyppi saavutti 40 watin tehoarvon 190 °C:n lämpötilaerolla bismutti-teleriittipohjaisten TE-moduulien avulla. Tämä määrä tehoa riittää valaisimen virransyöttöön.

Erityisesti tutkimustulokset osoittivat, että pakoputkissa esiintyvät korkeat ilmavirtaolosuhteet parantavat tehokkuutta ja lisäävät järjestelmän sähköistä tuotosta.

Tiimi testasi TEG-järjestelmää simulaatioissa, jotka jäljittelivät nopeita ympäristöjä, ja se osoitti suurta joustavuutta. Heidän hukkalämpöjärjestelmänsä tuotti jopa 56 W:n tehon auton pakokaasunopeudella, mikä vastaa viittä litiumioni (Li) 18650 -paristoa. Nämä luvut nousivat jopa 146 W:iin helikopterin pakokaasunopeudella, mikä vastaa 12 Li-ion 18650 -paristoa.

Li-ion 18650 -paristot tarjoavat suuren kapasiteetin, pitkän käyttöiän, korkean jännitteen ja korkean turvallisuustason. Niitä käytetään yleisimmin elektroniikkalaitteissa, sähköajoneuvoissa ja energian varastointilaitteissa.

Viimeisimmän tutkimuksen TEG-järjestelmän mukaan tutkijat voivat integroida sen suoraan nykyisiin pakoputkiin ilman lisäjäähdytysjärjestelmiä.

Tutkijat uskovat lisäksi, että tämä työ voisi avata oven termoelektristen laitteiden käytännölliselle integroinnille nopeisiin ajoneuvoihin kasvavan puhtaan energian ratkaisujen kysynnän myötä.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten vetyajoneuvot tekevät paluuta.

Polttomoottorit kehittyvät edelleen

Polttomoottoreiden pakkauslämmön talteenotto on saanut kasvavaa kiinnostusta tehokkuuden lisäämiseksi ja polttoaineenkulutuksen vähentämiseksi. Nämä toimet auttavat vähentämään ympäristön saastumista ja ilmaston lämpenemistä.

TEG:n lisäksi myös alikierrokset, sähköiset turbo-kompensoivat (ETC) laitteet, höyryabsorptio, Stirling-moottori (SE) ja termoakustiset generaattorit (TAG) hyödynnetään lämmön talteenottoon auto- ja teollisuuspakojärjestelmistä.

Termoelektriset generaattorit ovat kuitenkin yleisimmin omaksuttu luotettavana, kompaktina ja kiinteän tilan teknologiana, joka muuntaa lämmön suoraan sähköksi ilman mekaanista liikettä. Ne ovat myös kevyitä, tärinättömiä, ilman suuntaa koskevia rajoituksia ja nollapäästöjä.

Näiden polttoainetehokkuusmenetelmien lisäksi polttomoottorit ovat kokeneet myös muita edistysaskeleita suorituskyvyn, tehokkuuden ja ympäristökestävyyden parantamiseksi.

Tähän sisältyy suora polttoaineen ruiskutus, teknologia, joka syöttää polttoaineen suoraan palotilaan, mahdollistaen tarkkaan hallinnan polttoaine-ilmaseoksesta. Turboahdit puolestaan pakkaavat sisäänottoluvan, jolloin pienemmät moottorit voivat tuottaa tehoa, joka on verrattavissa suurempiin vastineisiinsa.

Mielenkiintoinen kehitys on sisäisen polttomoottorin yhdistäminen sähkömoottoreihin, mikä on johtanut hybridijärjestelmiin. Hybridivoimansiirto tarjoaa joustavuutta käyttää sähköenergiaa matalan nopeuden ajoon ja polttomoottoria korkeammissa nopeuksissa.

Honda, Hyundai, Lexus, BYD ja Porsche johtavat, ja hybridiautot ovat saaneet paljon suosiota maailmanlaajuisesti, mutta ne kohtaavat edelleen haasteita korkeampien kustannusten ja alhaisemman tehon osalta perinteisiin autoihin verrattuna.

Toinen kehitys on nähty sisäpolttomoottoriajoneuvojen polttoaineessa. Vaihtoehtoisten polttoaineiden, kuten etanolin, maakaasun, propaanin ja biodieselin, tutkiminen pyrkii vähentämään polttomoottorien ympäristövaikutuksia alentamalla kasvihuonekaasupäästöjä ja vähentämällä riippuvuutta fossiilisista polttoaineista.

Näistä vaihtoehtoisista polttoaineista vety erityisesti houkuttelee paljon tutkijoiden ja yritysten huomion, jotka haluavat pelastaa polttomoottorit.

Yksi yksinkertaisimmista molekyyleistä, vety kaasumuodossa, omaa erittäin alhaisen energiatihentymän, ellei sitä pidetä erittäin korkeassa paineessa ja/tai erittäin alhaisessa lämpötilassa, ja vaikka näin on, sen energiatihentymä on paljon alhaisempi kuin useimmilla muilla nestepolttoaineilla. Tämä aiheuttaa polttoainevarastoinnin ongelmia. Siinä on myös korkeammat typpioksidipäästöt (NOx).

Mutta vety loistaa palamisnopeudessa, joka on erittäin korkea, paljon korkeampi kuin bensiini. Lisäksi vedyn nollahiilidioksidipitoisuus, kun se poltetaan hapen kanssa, tekee siitä houkuttelevan vaihtoehtopolttoaineen. Tästä syystä vety sisäpolttomoottorit ja vetypolttokennojen käyttö saa paljon huomiota.

Molemmat näistä voimavalmisteista käyttävät vetyä. ICEV:ssä vetyä poltetaan kuten bensiiniä, kun taas vetypolttokennoajoneuvot (FCEV) käyttävät vetyä laitteessa sähkön tuottamiseen.

Viime vuonna Albertan yliopiston tutkijat esittelivät uuden alumiini-nikkeliseoksen, joka mullistaa vety-polttoaineen moottorit. Seos AlCrTiVNi5 tarjoaa korkean vakauden äärimmäisissä lämpöolosuhteissa, alhaisen lämpölaajenemisen ja erinomaisen kestävyyden, mikä tekee siitä ihanteellisen kestämään vedyn palamisen äärimmäisiä lämpötiloja.

Toyota paljasti myös viime vuonna useita ICE-prototyyppejä, jotka voivat toimia vedyn lisäksi bensiinillä ja muilla polttoaineilla.

Uusien lähestymistapojen johtaminen polttomoottoreissa

Tällä hetkellä polttomoottorit kohtaavat kasvavaa painetta sähköajoneuvojen (EV) ja päästömääräysten takia, mutta kaikesta huolimatta ne hallitsevat edelleen liikenteen sektoria. Tämä johtuu pääasiassa vakiintuneesta infrastruktuurista ja laajasta saatavuudesta, mutta se ei ole kaikki. Yritykset myös edistyvät merkittävästi päästöongelman ratkaisemisessa.

Esimerkiksi Cummins (CMI ) ja Ford Motor (F ) investoivat vety-polttoaineen moottoriteknologiaan, kun taas ClearSign Technologies Corporation (CLIR ) on luonut Duplex Burner Architecture -arkkitehtuurin energiatehokkuuden parantamiseksi ja tiukkojen päästöstandardien täyttämiseksi.

Katsotaanpa tarkemmin innovaattorin investointipotentiaalia, joka edelleen kehittää uusia lähestymistapoja polttomoottoriin ja auttaa sitä menestymään.

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

Edistynyttä vaihtoehtoisia polttoainejärjestelmiä tarjoava johtava toimittaja, Westport Fuel Systems (WPRT ) toimii useiden segmenttien kautta, mukaan lukien kevytajoneuvot, korkean paineen ohjaus- ja järjestelmät, Cespira, raskaiden ajoneuvojen OEM ja yritys.

Markkina-arvolla 72,5 miljoonaa dollaria Westportin osakkeet käyvät tällä hetkellä hintaan 4,70 dollaria, mikä on 27,93 % nousu vuodelta alkaen. Sen EPS (TTM) on -1,57, ja P/E (TTM) -suhde on -2,91.

Yritys raportoi 66,2 miljoonan dollarin liikevaihdon Q3 2024, mikä oli 14 %:n lasku edellisvuoden vastaavasta neljänneksestä. Liikevaihto johtui raskaiden ajoneuvojen OEM‑omaisuuksien siirtymisestä Cespiraan, Volvo Groupin ja Westportin yhteisyritykseen.

Tämän yhteisyrityksen avulla Westport Fuel Systems ja Volvo Group pyrkivät kehittämään, edistämään ja nopeuttamaan HPDI-teknologian kaupallistamista. Tämä auttaa heitä keskittymään edullisten, kestävien liikenne ratkaisujen edistämiseen, joissa sisäpolttomoottori toimii uusiutuvilla polttoaineilla nyt ja vedyllä tulevaisuudessa.

Erityisesti odotetaan, että yhteisyritys vaikuttaa merkittävästi globaaleihin pitkän matkan ja maastokäyttöisiin raskaiden sovelluksiin. HPDI-pohjaiset sisäpolttomoottorit, Volvo CTO Lars Stenqvist sanoi, uskotaan “näyttelevän keskeistä roolia globaalissa hiilidioksidipäästöjen vähentämistyössä kaupallisessa liikenteessä”.

Kolmannessa neljänneksessä yrityksen nettotappio oli 3,9 miljoonaa dollaria, ja kassavarat sekä käteinen olivat neljänneksen lopussa 33,3 miljoonaa dollaria.

“Olemme edelleen varmoja siitä roolista, jonka vaihtoehtoiset polttoaineet näyttelevät kestävyyden edistämisessä tulevaisuuden liikenne- ja teollisuussovelluksissa.”

– Toimitusjohtaja Dan Sceli

Puhuttaessa vedystä hän huomautti, että globaali infrastruktuurin kehitys on hidastunut, mikä puolestaan vaikutti vedyn käyttöön auto- ja teollisuussovelluksissa. Danin mukaan:

“Tämän markkinan menestys riippuu infrastruktuurin asennuksesta ja puhtaan vedyn tuotannosta, joista molemmat ovat olleet hitaasti toteutuvia.”

Tästä huolimatta yritys uskoo edelleen, että vety polttoaineena vallitsee, mutta odottaa sen maailmanlaajuisen omaksumisen puhtaana polttoaineena tapahtuvan vähitellen eikä heti.

Sillä välin Westport jatkaa laajan valikoiman edullisten vaihtoehtoisten vähähiilisten polttoaineiden, kuten propaanin, maakaasun, uusiutuvan maakaasun ja vedyn, toimittamista.

“Ajamme puhtaampaa suorituskykyä vastaamalla alhaisempiin päästömääräyksiin käytännön sovelluksilla, jotka hyödyntävät nykyisiä innovaatioita.”

– Dan

Yhteenveto 

Polttomoottorit ovat liikkuvuusvallankumouksen lähtökohta. Kuitenkin tällainen moottori toimii vain noin 40 %:n hyötysuhteella, samalla aiheuttaen merkittävän negatiivisen vaikutuksen ympäristöön fossiilisten polttoaineiden käytön vuoksi. Liikenneala on itse asiassa maailman toiseksi suurin kasvihuonekaasupäästöjen lähde.

Tämä on saanut maailman siirtymään kohti vihreämpiä vaihtoehtoja, kuten sähköajoneuvoja. Mutta tämä ei ole kaikki; jopa polttomoottorit kehittyvät pysyäkseen mukana muuttuvassa ympäristössä, osoittaen hyödyntämättömän potentiaalinsa jopa vuosisadan jälkeen.

Läpimurrot, kuten termoelektriset generaattorit (TEG) hukkalämmön talteenottoon, hybridivoimansiirrot ja vaihtoehtoiset polttoaineet kuten vety, ohjaavat tällä hetkellä tätä muutosta. Jatkuvan tutkimuksen ja innovaation myötä polttomoottorit ovat valmiita tulemaan tehokkaammiksi ja ympäristöystävällisemmiksi. Ja kun maailma omaksuu puhtaampia teknologioita, ne eivät ainoastaan koelevat sähköajoneuvojen kanssa, vaan voivat myös merkittävästi edistää kestävämpää tulevaisuutta.

Klikkaa tästä saadaksesi listan viidestä parhaasta vety-polttoaineen polttomoottorista, jotka rikkovat perinteet.