166年後も、内燃エンジンは未開拓の潜在力を持ち続けている

私たちの時代の最大の発見のひとつは、内燃エンジンの発明であり、産業化の発展、ひいては人類文明に大きく貢献しました。

これらのエンジンは19世紀に初めて発明されましたが、科学者や技術者はこの時代が始まる10年前からその開発に貢献していました。

1791年にガスタービンが開発され、数年後にガスエンジンが特許取得されました。液体燃料を使用した最初の内燃エンジンの特許は1794年に出願され、世紀が終わる前に最初のアメリカ製ICEが製造されました。

1862年にICEで走る最初の自動車が作られましたが、現代的な燃焼エンジンが登場したのはそれから10年以上後の1876年です。1885年、ゴットリーブ・ダイムラーとヴィルヘルム・マイバッハが設計を改良し、実用的なICEとキャブレターを発明しました。

では、内燃エンジンは正確にはどのように動作するのでしょうか？まず、燃焼は燃料と空気の混合物を点火することでエネルギーが放出される化学プロセスです。内燃エンジン（ICE）はこのエネルギーの一部を機械的な仕事に変換します。

燃料と空気の混合物が点火されると、何千もの小さな制御された爆発が起こり、これが燃焼です。

ICEでは、燃料の点火と燃焼がエンジン内部で同時に起こります。エンジンは固定されたシリンダーと可動ピストンで構成されています。燃焼によりガスが膨張し熱が放出され、ピストンを上下に押し動かします。これがパワートレインのギア系統を介してクランクシャフトを回転させ、車両の車輪を前進させます。

内部燃焼エンジンには2種類あり、スパーク点火ガソリンエンジンと圧縮点火ディーゼルエンジンです。違いは燃料の供給方法と点火方法にあります。

内燃エンジンは支配的だが課題に直面している

発明から150年以上が経った現在でも、世界中で10億台以上の内燃エンジン（ICE）が道路上で稼働しています。

一方、世界の内燃エンジン市場は現在約2,000億ドルと評価されており、新興市場での車両需要の増加とエンジン設計の技術革新により、年平均成長率9.2％で成長し、2033年までに3,000億ドルに達すると予測されています。

しかし、内燃エンジンにとって最大の課題は電気自動車（EV）の台頭と厳格な排出規制です。

EVは現在、世界の新車販売の約18％を占め、2018年のわずか2％から増加していますが、道路上の総内燃エンジン車両に占める割合は依然として非常に低いです。市場シェアは3〜5％と推定され、100台の内燃エンジン車のうち、3台から5台がEVです。

EVの成長トレンドはエンジン需要の増加に起因し、化石燃料の枯渇と世界中での汚染の急増を招いています。

自動車部門でガソリンとディーゼルが最も支配的な燃料であるため、環境汚染は内燃エンジンの主要な懸念事項です。これらのエンジンからの主な排出物は未燃焼炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物、粒子状物質です。

これにより深刻な健康リスクと地球温暖化が生じ、世界各国は自動車部門の排出物対策として厳しい規制を導入し始めました。この結果、自動車エンジニアや研究者はさまざまなエンジン技術や再生可能で環境に優しい燃料の実験に取り組んでいます。

一部の国では内燃エンジンの完全禁止に向けても動き出しており、研究者はエンジンの性能向上と環境影響の低減に向けて技術を進化させています。

排熱をエネルギーに変換して内燃エンジンの効率を向上させる

内燃エンジンは強力なエネルギーを生み出しますが、生成されたエネルギーのすべてが利用されているわけではありません。実際、化学エネルギーの約25〜30％しか有用な出力に変換されていません。

その大部分は排気やエンジン冷却システムを通じて熱として失われる燃料に蓄えられています。しかし、失われたエネルギーをすべて利用する方法があり、科学者はそれを有効活用する解決策の研究に取り組んでいます。

今年、ACS Applied Materials & Interfacesに掲載された研究 (AMAT ) ¹は、排熱を電気に変換できることを実証し、持続可能なエネルギー源を提供しています。

海軍研究局、陸軍急速イノベーション基金プログラム、国立科学財団産業部門からの資金提供を受け、ペンシルベニア州立大学機械工学部の研究者は熱電発電システムのプロトタイプを提示しました。

熱電発電機（TEG）は燃料消費と二酸化炭素（CO2）排出を削減できます。燃料効率の低さは温室効果ガス（GHG）排出の主要因であり、TEGのような革新的な排熱回収システムの必要性を強調しています。

これらの排熱回収TEGシステムは半導体材料を利用して熱を電気に変換します。

200年以上前に発明されたTEGシステムは、電子機器、医療機器、航空宇宙分野で使用できます。可動部品や化学副産物がなく、静音で環境に優しい運転が可能です。また耐久性があり、不要なメンテナンスを必要とせず、バルクおよびフレキシブルデバイスへの統合にも適しています。

研究によると：

高速移動体向けの熱エネルギー回収は、運用能力と耐久性を向上させる効率的かつ持続可能なエネルギー源を提供する点で特に有望です。

熱電（TE）技術は、熱源と周囲温度の温度差を利用して動作します。これにより、TE技術はシステムに一定の電力供給を行い、従来のバッテリーへの依存を減らしながら稼働時間を延長します。

有望ではあるものの、現在の多くの熱電デバイスは設計が複雑で重く、必要な温度差を保つためにより多くの冷却水が必要です。しかし、研究が指摘するように、統合TEGシステムの設計研究は材料開発に比べて遅れています。

Wenjie Li と Bed Poudel の指導の下、ペンシルベニア州立大学の研究者はコンパクトなTEGシステムを構築し、熱エネルギーを回収しました。これらのTEGシステムは、車だけでなく、無人航空機（ドローン）やヘリコプターなどの高速車両の排熱も効率的にエネルギーに変換できます。

この新しいTEGは半導体としてビスマス・テルル化合物（Bi2Te3）を使用しています。Bi2Te3はビスマスとテルルからなる灰色の粉末で、低温での熱電性能が優れています。

さらに、研究ではエアコンに使用されるような三角形プレートフィン式熱交換器を用いて、エンジン排気ガスなどの車両排気パイプから熱を捕捉しました。

また、温度調整のためにヒートシンクも組み込まれています。この縦長の台形フィン形シリンダー部品は温度差を大幅に増加させ、TEGシステムの電力出力に直接影響を与えます。

このヒートシンクは強制対流で熱を拡散するよう設計されていますが、チームは有限要素解析（FEA）シミュレーションを用いて設計をさらに最適化し、温度勾配と電力出力を向上させました。

その結果、チームのTEGプロトタイプはビスマス・テルルベースのTEモジュールで、190℃の温度勾配下で40ワットの出力を達成しました。この電力は電球を点灯させるのに十分です。

特筆すべきは、排気管内の高流量が効率を向上させ、システムの電力出力を増大させることが研究結果で示された点です。

チームは高速環境を模したシミュレーションでTEGシステムをテストし、柔軟性の高さを示しました。車の排気速度で56Wを生成し、これはリチウムイオン（Li）18650電池5本に相当します。ヘリコプターに近い排気速度では146Wに達し、12本のLi-ion 18650電池に相当します。

Li-ion 18650電池は大容量、長寿命、高電圧、高安全性という利点があり、電子機器、EV、エネルギー貯蔵装置で最も一般的に使用されています。

研究者によれば、最新の研究でのTEGシステムは現在の排気口に直接統合でき、追加の冷却システムの必要性を排除できます。

研究者はさらに、この研究がクリーンエネルギー需要の高まりの中で、熱電デバイスを高速車両に実用的に統合する道を開くと考えています。

こちらをクリックして、水素車が復活している方法を学んでください。

内燃エンジンは進化し続けている

内燃エンジンからの排熱回収は、効率向上と燃料消費削減への関心が高まっており、これらの取り組みは環境汚染と地球温暖化の削減に寄与しています。

TEGに加えて、ボトムリングサイクル、電気ターボコンパウンド（ETC）装置、蒸気吸収、スターリングエンジン（SE）、熱音響発電機（TAG）などが自動車や産業用排気システムから熱を回収するために利用されています。

しかし、熱電発電機は信頼性が高く、コンパクトで固体技術として最も採用されており、機械的な動作なしで熱を直接電気に変換できます。また、軽量で振動がなく、向きの制限や排出もありません。

これらの燃費向上手法に加えて、内燃エンジンは性能、効率、環境持続性を高めるための他の技術進歩も見られます。

これには、燃料を直接燃焼室に供給し、燃料と空気の混合比を正確に制御できる直噴技術が含まれます。一方、ターボチャージャーは吸気を圧縮し、より小型のエンジンでも大きなエンジンに匹敵する出力を得られます。

興味深い展開として、内燃エンジンと電動モーターの組み合わせによりハイブリッドシステムが実現しました。ハイブリッドパワートレインは、低速走行時に電力を、より高速走行時に内燃エンジンを利用できる柔軟性を提供します。

ホンダ、ヒュンダイ、レクサス、BYD、ポルシェなどが牽引するハイブリッド車は世界的に大きな関心を集めていますが、従来の自動車に比べてコストが高く、出力が劣るという課題も抱えています。

さらに、内燃エンジン車を動かす燃料にも新たな展開があります。エタノール、天然ガス、プロパン、バイオディーゼルなどの代替燃料の探求は、温室効果ガス排出を削減し、化石燃料への依存を減らすことで、内燃エンジンの環境影響を低減することを目的としています。

これら代替燃料の中でも、特に水素は内燃エンジンを救うべく、研究者や企業から大きな注目を集めています。

最も単純な分子のひとつである気体状の水素は、非常に高圧または極低温でなければエネルギー密度が極めて低く、たとえそうであっても多くの液体燃料に比べてエネルギー密度ははるかに低いです。このため燃料貯蔵に課題が生じます。また、窒素酸化物（NOx）排出が高くなります。

しかし、水素が優れている点は燃焼速度で、ガソリンよりはるかに速いです。また、酸素と燃焼した際に二酸化炭素を排出しないというゼロカーボン特性により、魅力的な代替燃料となります。このため、水素内燃エンジンと水素燃料電池は大きな関心を集めています。

これらの動力車両はどちらも水素を使用します。ICEVでは水素はガソリンと同様に燃焼し、燃料電池車（FCEV）では水素を装置内で電気に変換します。

昨年、アルバータ大学の研究者は水素燃焼エンジンを革新する新しいアルミニウム・ニッケル合金を発表しました。合金AlCrTiVNi5は極熱条件下で高い安定性、低熱膨張、優れた耐久性を提供し、水素燃焼の極端な温度に耐えるのに最適です。

トヨタも昨年、ガソリンや他の燃料に加えて水素で走行できる複数のICEプロトタイプを発表しました。

新たな内燃エンジンへのアプローチをリードする

現在、内燃エンジンはEVや排出規制からの圧力が高まっていますが、それにもかかわらず輸送部門を支配し続けています。これは主に既存のインフラと広範な供給があるためですが、企業は排出という重要課題の解決にも大きく前進しています。

例えば、Cummins(CMI ) と Ford Motor(F ) は水素内燃エンジン技術に投資しており、ClearSign Technologies Corporation(CLIR ) はエネルギー効率を高め、厳しい排出基準を満たすために Duplex Burner Architecture を開発しました。

それでは、内燃エンジンの新たなアプローチを開発し、エンジンの成長を支えているイノベーターの投資可能性を詳しく見てみましょう。

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

先進的な代替燃料システムの主要サプライヤーであるWestport Fuel Systems (WPRT ) は、ライトデューティ、ハイプレッシャー制御・システム、Cespira、ヘビーデューティOEM、コーポレートなど複数のセグメントで事業を展開しています。

時価総額は7,250万ドルで、Westportの株価は現在4.70ドルで取引されており、年初来で27.93％上昇しています。EPS（TTM）は-1.57、P/E（TTM）比率は-2.91です。

同社は2024年第3四半期に6,620万ドルの収益を報告しましたが、前年同期比で14％減少しました。この収益は、ヘビーデューティOEM資産がVolvo GroupとWestportの合弁事業であるCespiraへ移行したことによって牽引されました。

この合弁事業により、Westport Fuel Systems と Volvo Group は HPDI 技術の開発・普及・商業化を加速することを目指しています。これにより、現在は再生可能燃料で、将来的には水素で動作する内燃エンジンを用いた、手頃で持続可能な輸送ソリューションの進展に注力できます。

特に、この合弁事業は世界的な長距離およびオフロードのヘビーデューティ用途に大きな影響を与えると期待されています。VolvoのCTO Lars Stenqvist は、HPDI 搭載の内燃エンジンが「商業輸送における世界的な脱炭素化努力に重要な役割を果たす」と述べています。

第3四半期の間、同社の純損失は390万ドルで、期末の現金および現金同等物は3,330万ドルでした。

代替燃料が将来の輸送および産業用途における持続可能性を推進する役割に、我々は自信を持ち続けています。

– CEO ダン・スケリ

水素について語る中で、彼は世界的なインフラ開発の減速を指摘し、それが自動車および産業用の水素駆動アプリケーションの採用に影響を与えていると述べました。ダンによれば：

この市場の成功は、インフラの整備とクリーン水素の生産に依存しており、どちらも実現が遅れている。

それにもかかわらず、同社は水素が燃料として普及すると信じていますが、クリーン燃料源としての世界的な採用は即時ではなく、段階的に進むと見込んでいます。

その間、Westport はプロパン、天然ガス、再生可能天然ガス、水素など、手頃な代替低炭素燃料の幅広い供給を続けます。

我々は、現在利用可能なイノベーションを活用した実用的な応用で、低排出規制に対応し、よりクリーンな性能を推進しています。

– ダン

結論 

内燃エンジンはモビリティ革命の出発点です。しかし、このエンジンは約40％の効率でしか動作せず、化石燃料の使用により環境に大きな負の影響を与えています。輸送部門は実際、世界で2番目に大きな温室効果ガス排出源です。

このため、世界は電気自動車などの環境に優しい代替手段へとシフトしています。しかしそれだけではなく、内燃エンジンも変化する環境に対応すべく進化しており、1世紀を経ても未開拓の可能性を示しています。

排熱回収用熱電発電機（TEG）やハイブリッドパワートレイン、水素などの代替燃料といったブレークスルーが現在この変革を牽引しています。継続的な研究とイノベーションにより、内燃エンジンはより効率的で環境に優しいものになる見通しです。世界がクリーン技術を受け入れる中で、内燃エンジンはEVと共存するだけでなく、より持続可能な未来に大きく貢献する可能性があります。

こちらをクリックして、破格のトップ5水素内燃エンジンのリストをご覧ください。