Etter 166 år har forbrenningsmotoren fortsatt uutforsket potensial

En av de største oppdagelsene i vår tid har vært oppfinnelsen av intern forbrenningsmotorer, som spilte en betydelig rolle i utviklingen av industrialiseringen og dermed i menneskehetens sivilisasjon.

Disse motorene ble først oppfunnet på 1800-tallet, selv om forskere og ingeniører begynte å bidra til deres utvikling et tiår før denne perioden startet.

En gasturbin ble utviklet i 1791, og en gassmotor ble patentert noen år senere. Et patent på en intern forbrenningsmotor, som også var den første som brukte flytende drivstoff, ble innlevert i 1794, og før århundret var over, ble den første amerikanske ICE bygget.

Mens den første bilen som kjørte på en ICE ble laget i 1862, kom den første moderne forbrenningsmotoren ikke før mer enn et tiår senere, i 1876. I 1885 forbedret Gottlieb Daimler og Wilhelm Maybach designet og oppfant den første praktiske ICE og forgasser.

Hvordan fungerer en forbrenningsmotor egentlig? Vel, for å begynne med er forbrenning en kjemisk prosess der energi frigjøres ved å tenne en blanding av drivstoff og luft. Intern forbrenningsmotor (ICE) omdanner delvis denne energien til mekanisk arbeid.

Når blandingen av drivstoff og luft antennes, skjer tusenvis av små, kontrollerte eksplosjoner, som er forbrenning eller brenning.

I en ICE skjer både tenning av drivstoff og forbrenning inne i motoren, som består av en fast sylinder og en bevegelig stempel. Brenningen forårsaker utvidelse av gasser samt frigjøring av varme, som skyver stempelet opp og ned. Dette roterer igjen veivakselen gjennom et girsystem i drivverket, og driver kjøretøyets hjul fremover.

Det finnes to typer intern forbrenningsmotor: bensinmotor med gnisttenning og dieselmotor med kompresjonstennning, med forskjellen i hvordan drivstoffet leveres og antennes.

Forbrenningsmotorer dominerer, men møter utfordringer

Nå, mer enn ett og et halvt århundre etter oppfinnelsen, er over en milliard intern forbrenningsmotorer (ICE) fortsatt i drift på veiene globalt i dag.

Det globale markedet for forbrenningsmotorer er for tiden verdsatt til rundt $200 milliarder og forventes fortsatt å vokse med en CAGR på 9,2 % og nå $300 milliarder innen 2033, drevet av økende etterspørsel etter kjøretøy i fremvoksende markeder og teknologiske fremskritt innen motordesign.

Den største utfordringen for forbrenningsmotorer er imidlertid fremveksten av elektriske kjøretøy (EV) og strengere utslippsreguleringer.

Men selv om EV nå blir mer vanlige, og utgjør omtrent 18 % av alle nye bilsalg globalt, opp fra kun 2 % i 2018, forblir EV en svært liten andel av de totale forbrenningsmotorkjøretøyene på veien. Med en estimert markedsandel på 3‑5 % betyr det at av hver 100 forbrenningsmotorkjøretøy er kun hver tredje eller femte kjøretøy et EV.

Den voksende EV-trenden drives av den økende etterspørselen etter motorer, som fører til uttømming av fossilt brensel samt en dramatisk økning i forurensning over hele verden.

På grunn av at bensin og diesel er det mest dominerende drivstoffet i bilsektoren, fortsetter miljøforurensning å være hovedbekymringen med forbrenningsmotorer. De viktigste utslippene fra disse motorene er uforbrente hydrokarboner, karbonmonoksid, nitrogenoksider og partikkelmatter.

Dette fører til alvorlige helsefarer og global oppvarming, og som følge av dette har land over hele verden begynt å innføre strenge reguleringer for å takle utslippene fra bilsektoren. Dette har fått bilingeniører og forskere til å eksperimentere med ulike motorteknologier samt fornybare og grønnere drivstoff.

Med noen nasjoner som til og med går for et fullstendig forbud mot intern forbrenningsmotor, arbeider forskere også med å videreutvikle disse motorene for å forbedre ytelsen og redusere deres miljøpåvirkning.

Gjør forbrenningsmotorer effektive ved å omdanne bortkastet varme til energi

Intern forbrenningsmotorer produserer kraftig energi, men ikke all energien som skapes blir utnyttet. Faktisk blir kun omtrent 25 % til 30 % av den kjemiske energien omdannet til brukbar kraft.

Mesteparten lagres i drivstoff som går tapt som varme gjennom eksos- og kjølesystemene. Det finnes imidlertid en måte å bruke all den tapte energien på, og forskere arbeider med å finne løsninger for å utnytte den produktivt.

studie publisert¹ i år i ACS Applied Materials (AMAT ) & Interfaces har demonstrert hvordan eksosvarme kan omdannes til elektrisitet, og dermed gi en bærekraftig 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 presentert en prototype for et termoelektrisk generator‑system.

Den termoelektriske generatoren (TEG) kan redusere drivstofforbruket samt karbondioksid (CO2)-utslipp. Ineffektiv drivstoffbruk er en hovedbidragsyter til klimagassutslipp (GHG) og understreker behovet for innovative varmetilbakevinningssystemer som TEG.

Disse varmetilbakevinnende TEG‑systemene bruker halvledermaterialer for å omdanne varme til elektrisitet.

Oppfunnet for over to hundre år siden, kan TEG‑systemer brukes i elektroniske enheter, medisinsk utstyr og romfart. Disse systemene har ingen bevegelige deler eller kjemiske biprodukter, noe som gjør at de kan operere stille og forbli miljøvennlige. De er også holdbare, krever ingen unødvendig vedlikehold, og er egnet for integrering i både bulk‑ og fleksible enheter.

Ifølge forskningen:

“Utnyttelse av termisk energi for høyhastighets bevegelige objekter er spesielt lovende for å tilby en effektiv og bærekraftig energikilde som forbedrer operasjonelle evner og utholdenhet.”

Thermoelektrisk (TE) teknologi fungerer ved å utnytte temperaturforskjeller mellom en varmekilde og omgivelsestemperaturen. Dette gjør at TE‑teknologi kan levere en konstant strømforsyning til slike systemer, redusere avhengigheten av tradisjonelle batterier og forlenge driftstiden.

Selv om de er lovende, er designene til mange nåværende termoelektriske enheter komplekse og tunge, og krever derfor mer kjølevann for å opprettholde nødvendig temperaturforskjell. Imidlertid, som forskningen påpeker, ligger forskningen på integrert TEG‑systemdesign langt bak materialutviklingen.

Så, ledet av Wenjie Li og Bed Poudel, bygde Penn State‑forskere et kompakt TEG‑system for å gjenvinne termisk energi. Disse TEG‑systemene kan effektivt omdanne eksosvarme fra ikke bare biler, men også andre høyhastighetskjøretøy som ubemannede luftfartøy eller droner og helikoptre til energi.

Dette nye TEG-et bruker bismuttellurid som halvleder. Bi2Te3 er et grått pulver laget av bismutt og tellur og har utmerket termoelektrisk ytelse ved lave temperaturer.

I tillegg brukte forskningen trekantede plate‑fin‑varmevekslere, lik de som brukes i klimaanlegg, for å fange varme fra kjøretøyets eksosrør som motorens eksosgass.

Et kjøleribbe er også blitt innlemmet for å regulere temperaturen. Denne langsiktige trapesformede fin‑sylindriske komponenten øker temperaturforskjellen betydelig, noe som har direkte innvirkning på TEG‑systemets elektriske output.

Dette kjøleribbet er designet for å spre varme gjennom tvungen konveksjon, men teamet optimaliserte designet ytterligere ved hjelp av finite element analysis (FEA)‑simuleringer for å øke temperaturgradienten og den elektriske effektoutputen.

Med dette oppnådde teamets TEG‑prototype en effekt på 40 watt under en temperaturgradient på 190 grader Celsius med bismuttellurid‑baserte TE‑moduler. Denne mengden kraft er nok til å drive en lyspære.

Merkbart viste forskningsresultatene at høye luftstrømsforhold i eksosrør øker effektiviteten og øker systemets elektriske output.

Teamet testet TEG‑systemet i simuleringer som etterlignet høyhastighetsmiljøer, og det viste stor fleksibilitet. Deres varmetilbakevinningssystem produserte opptil 56 W for eksoshastigheter som en bil, tilsvarende fem litium‑ion (Li) 18650‑batterier. Tallene nådde opptil 146 W for eksoshastigheter lik helikoptre, tilsvarende 12 Li‑ion 18650‑batterier.

Li‑ion 18650‑batterier gir fordeler som stor kapasitet, lang levetid, høy spenning og høy sikkerhetsytelse. De brukes mest i elektroniske enheter, EV‑er og energilagringsenheter.

Ifølge forskerne kan det nyeste studiets TEG‑system integreres direkte i eksisterende eksosutløp og fjerne behovet for ekstra kjølesystemer.

Forskerne tror videre at dette arbeidet kan åpne døren for praktisk integrering av termoelektriske enheter i høyhastighetskjøretøy i takt med den økende etterspørselen etter rene energiløsninger.

Klikk her for å lære hvordan hydrogenkjøretøy gjør comeback.

Forbrenningsmotorer fortsetter å utvikle seg

Gjenbruk av eksosvarme fra forbrenningsmotorer har faktisk fått økende interesse for å øke effektiviteten og redusere drivstofforbruket. Disse innsatsene bidrar til å redusere miljøforurensning og global oppvarming.

I tillegg til TEG brukes bunnsykluser, elektriske turbo‑kompounderingsenheter (ETC), dampabsorpsjon, Stirling‑motor (SE) og termo‑akustiske generatorer (TAG) for å hente varme fra bil‑ og industrielle eksossystemer.

Thermoelektriske generatorer har imidlertid blitt mest adoptert som pålitelig, kompakt og solid‑state‑teknologi, som kan omdanne varme direkte til elektrisitet uten mekanisk bevegelse. De er også lettvektige og vibrasjonsfrie, uten orienteringsbegrensninger og med null utslipp.

I tillegg til disse drivstoffeffektivitetstiltakene har forbrenningsmotorer også sett andre fremskritt for å forbedre ytelse, effektivitet og miljømessig bærekraft.

Dette inkluderer direkte drivstoffinnsprøytning, en teknologi som leverer drivstoff direkte inn i forbrenningskammeret, og dermed tillater presis kontroll over drivstoff‑luftblandingen. Turbochargere komprimerer derimot inntaksluften, slik at mindre motorer kan generere kraft som er sammenlignbar med deres større motpar.

En interessant utvikling har vært kombinasjonen av intern forbrenningsmotor med elektriske motorer, som har resultert i hybride systemer. Et hybrid drivverk gir fleksibiliteten til å bruke elektrisk kraft for lavhastighetskjøring og forbrenningsmotoren for høyere hastigheter.

Ledet av merker som Honda, Hyundai, Lexus, BYD og Porsche, har hybride kjøretøy fått stor oppmerksomhet globalt, men de møter fortsatt utfordringer med høyere kostnad og mindre kraft sammenlignet med tradisjonelle biler.

En annen utvikling har blitt sett i drivstoffet som driver intern forbrenningsmotorkjøretøy. Utforskning av alternative drivstoff som etanol, naturgass, propan og biodiesel har som mål å redusere miljøpåvirkningen fra forbrenningsmotorer ved å senke GHG‑utslipp og redusere avhengigheten av fossilt brensel.

Blant disse alternative drivstoffene får hydrogen spesielt mye oppmerksomhet fra forskere og selskaper som ønsker å redde forbrenningsmotorer.

Et av de enkleste molekylene, hydrogen i gassform, har ekstremt lav energitetthet med mindre det er under svært høyt trykk og/eller ved svært lav temperatur, og selv da er energitettheten mye lavere enn de fleste andre flytende drivstoff. Dette fører til lagringsproblemer for drivstoff. Det har også høyere nitrogenoksid (NOx)-utslipp.

Men der hydrogen skinner er i forbrenningshastigheten, som er svært høy, mye høyere enn bensin. I tillegg gjør hydrogenets null karbon‑egenskap, når det brennes med oksygen, det til et attraktivt alternativt drivstoff. Dette er grunnen til at hydrogenforbrenningsmotorer og hydrogenbrenselcellekjøretøy får så mye oppmerksomhet.

Begge disse kraftkjøretøyene bruker hydrogen. I ICEV blir hydrogen brent på samme måte som bensin, mens hydrogenbrenselcellekjøretøy (FCEV) bruker hydrogen i en enhet for å generere elektrisitet.

I fjor introduserte forskere fra University of Alberta en ny aluminium‑nikkellegering for å revolusjonere hydrogenforbrenningsmotorer. Legeringen AlCrTiVNi5 gir høy stabilitet under ekstreme varmetilstander, lav termisk ekspansjon og overlegen holdbarhet, noe som gjør den ideell for å tåle de ekstreme temperaturene ved hydrogenforbrenning.

Toyota avdekket også flere ICE‑prototyper i fjor som kan kjøre på hydrogen i tillegg til bensin og andre drivstoff.

Leder de nye tilnærmingene til forbrenningsmotorer

For øyeblikket står forbrenningsmotorer overfor økende press fra EV‑er og utslippsreguleringer, men til tross for dette fortsetter de å dominere transportsektoren. Dette skyldes hovedsakelig etablert infrastruktur og bred tilgjengelighet, men det er ikke alt. Selskaper gjør også store fremskritt i å takle hovedproblemet med utslipp.

For eksempel, Cummins (CMI ) og Ford Motor (F ) investerer i hydrogenforbrenningsmotorteknologi, mens ClearSign Technologies Corporation (CLIR ) har utviklet Duplex Burner Architecture for å forbedre energieffektiviteten og oppfylle strenge utslippsstandarder.

La oss derfor ta en nærmere titt på investeringspotensialet til en innovatør som fortsatt utvikler nye tilnærminger til forbrenningsmotoren og hjelper den å trives.

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

En ledende leverandør av avanserte alternative drivstoffsystemer, Westport Fuel Systems (WPRT ) opererer gjennom flere segmenter, inkludert Light-Duty, High-Pressure Controls & Systems, Cespira, Heavy-Duty OEM og Corporate.

Med en markedsverdi på $72.5 millioner, handles Westport‑aksjene for øyeblikket til $4.70, opp 27.93 % YTD. EPS (TTM) er -1.57, og P/E (TTM)‑forholdet er -2.91.

Selskapet rapporterte en omsetning på $66.2 millioner i Q3 2024, noe som var en nedgang på 14 % fra samme kvartal i fjor. Omsetningen ble drevet av overgangen av Heavy‑Duty OEM‑eiendeler til Cespira, et joint venture mellom Volvo Group og Westport.

Med dette joint ventureet har Westport Fuel Systems og Volvo Group som mål å utvikle, promotere og akselerere kommersialiseringen av HPDI‑teknologien. Dette vil hjelpe dem med å fokusere på å drive fremdriften av rimelige, bærekraftige transportløsninger ved bruk av intern forbrenningsmotor som opererer på fornybare drivstoff, foreløpig, og hydrogen i fremtiden.

Spesielt forventes joint ventureet å ha betydelig innvirkning på globale langdistanse‑ og terrengtunge applikasjoner. HPDI‑drevne intern forbrenningsmotorer, sa Volvo CTO Lars Stenqvist, antas å “spille en avgjørende rolle i globale avkarboniseringsinnsats i kommersiell transport.”

I løpet av tredje kvartal var selskapets netto tap $3.9 millioner, og kontanter og kontantekvivalenter ved periodens slutt var $33.3 millioner.

“Vi er fortsatt sikre på hvilken rolle alternative drivstoff vil spille for å drive bærekraft i fremtiden for transport‑ og industribruksområdet.”

– administrerende direktør Dan Sceli

Mens han snakket om hydrogen, bemerket han en nedgang i global infrastrukturutvikling, som igjen påvirket adopsjonen av bil‑ og industriapplikasjoner drevet av hydrogen. Ifølge Dan:

“Suksessen til dette markedet avhenger av installasjon av infrastruktur og produksjon av rent hydrogen, begge har vært trege med å materialisere seg.”

Til tross for dette tror selskapet fortsatt at hydrogen som drivstoff vil seire, men forventer at den globale adopsjonen som en ren drivstoffkilde vil være en gradvis prosess snarere enn umiddelbar.

I mellomtiden vil Westport fortsette å levere et bredt spekter av rimelige alternative lavkarbondrivstoff som propan, naturgass, fornybar naturgass og hydrogen.

“Vi driver renere ytelse ved å møte strengere utslippsreguleringer med praktiske applikasjoner ved bruk av innovasjon som er tilgjengelig i dag.”

– Dan

Konklusjon 

Forbrenningsmotorer er der mobilitetsrevolusjonen startet. Imidlertid opererer en slik motor kun med omtrent 40 % effektivitet, samtidig som den har en betydelig negativ innvirkning på miljøet på grunn av bruk av fossilt brensel. Transportsektoren er faktisk den nest største kilden til klimagassutslipp globalt.

Dette har ført til at verden har skiftet mot grønnere alternativer som elektriske kjøretøy. Men dette er ikke hele historien; selv forbrenningsmotorer utvikler seg for å holde tritt med det skiftende miljøet, og viser sitt uutnyttede potensial selv etter et århundre.

Gjennombrudd som termoelektriske generatorer (TEG) for gjenvinning av varmetap, hybride drivverk og alternative drivstoff som hydrogen driver for tiden denne transformasjonen. Med pågående forskning og innovasjon er forbrenningsmotorer på vei til å bli mer effektive og miljøvennlige. Og etter hvert som verden omfavner renere teknologier, vil de ikke bare sameksistere med EV‑er, men kan også bidra betydelig til en mer bærekraftig fremtid.

Klikk her for en liste over de 5 beste hydrogenforbrenningsmotorene som bryter formen.