Efter 166 år har förbränningsmotorn fortfarande outnyttjad potential

En av de största upptäckterna i vår tid har varit uppfinningen av förbränningsmotorer, som spelade en betydande roll i utvecklingen av industrialiseringen och därmed i mänsklig civilisation.

Dessa motorer uppfanns först på 1800-talet, även om forskare och ingenjörer började bidra till deras utveckling ett decennium innan denna period började.

En gasturbin utvecklades 1791, och en gasmotor patenterades några år senare. Ett patent för en förbränningsmotor, som också var den första att använda flytande bränsle, lämnades in 1794, och innan seklet var slut byggdes den första amerikanska förbränningsmotorn.

Medan den första bilen som körde på en förbränningsmotor skapades 1862, kom den första moderna förbränningsmotorn inte förrän mer än ett decennium senare, år 1876. År 1885 förbättrade Gottlieb Daimler och Wilhelm Maybach designen och uppfann den första praktiska förbränningsmotorn och förgasaren.

Hur fungerar en förbränningsmotor exakt? Jo, för att börja med är förbränning en kemisk process där energi frigörs genom att antända en blandning av bränsle och luft. Förbränningsmotorer (ICE) omvandlar delvis denna energi till mekaniskt arbete.

När blandningen av bränsle och luft antänds sker tusentals små, kontrollerade explosioner, vilket är förbränning eller bränning.

I en förbränningsmotor sker både bränsleantändning och förbränning inom motorn, som består av en fast cylinder och en rörlig kolv. Förbränningen orsakar gasernas expansion samt värmeutsläpp, vilket driver kolven upp och ner. Detta i sin tur roterar vevaxeln genom ett kuggsystem i drivlinan, vilket driver fordonets hjul framåt.

Det finns två typer av förbränningsmotorer: bensinmotor med gnistantändning och dieselmotor med kompressionsantändning, där skillnaden ligger i hur bränslet levereras och antänds.

Förbränningsmotorer dominerar men möter utmaningar

Nu, mer än en och en halv århundrade efter deras uppfinning, är över en miljard förbränningsmotorer (ICE) fortfarande i drift på vägarna världen över idag.

Den globala marknaden för förbränningsmotorer värderas för närvarande till cirka 200 miljarder dollar och förväntas fortsätta växa med en årlig tillväxttakt (CAGR) på 9,2 % och nå 300 miljarder dollar år 2033, drivet av ökad efterfrågan på fordon i framväxande marknader och tekniska framsteg inom motordesign.

Den största utmaningen för förbränningsmotorer är dock ökningen av elfordon (EV) och strängare utsläppsregler.

Men medan elfordon nu blir allt vanligare, och står för cirka 18 % av alla nya bilförsäljningar globalt, upp från endast 2 % år 2018, fortsätter elfordon att vara en mycket liten andel av de totala förbränningsfordonsfordonen på vägarna. Med en uppskattad marknadsandel på 3–5 % innebär det att av varje 100 fordon med förbränningsmotor är endast var tredje eller femte fordon ett elfordon.

Den växande trenden med elfordon drivs av den ökande efterfrågan på motorer, vilket leder till uttunning av fossila bränslen samt en dramatisk ökning av föroreningar världen över.

Eftersom bensin och diesel är de mest dominerande bränslena inom fordonssektorn fortsätter miljöföroreningar att vara huvudproblemet med förbränningsmotorer. De största utsläppen från dessa motorer är oförbrända kolväten, kolmonoxid, kväveoxider och partiklar.

Detta leder till allvarliga hälsorisker och global uppvärmning, vilket har gjort att länder över hela världen har börjat införa strikta regler för att hantera utsläppen från fordonssektorn. Detta har fått fordonsingenjörer och forskare att experimentera med olika motorteknologier samt förnybara och grönare bränslen.

Med vissa länder som till och med överväger ett fullständigt förbud mot förbränningsmotorer, arbetar forskare också med att förbättra dessa motorer för att öka deras prestanda och minska deras miljöpåverkan.

Gör förbränningsmotorer effektiva genom att omvandla bortkastad värme till energi

Förbränningsmotorer producerar kraftfull energi, men inte all energi som skapas utnyttjas. Faktum är att endast cirka 25 % till 30 % av den kemiska energin omvandlas till användbar kraft.

Det mesta lagras i bränslet som förloras som värme genom avgas- och kylsystemen. Det finns dock ett sätt att utnyttja all den förlorade energin, och forskare arbetar med att hitta lösningar för att göra produktiv användning av den.

studie publicerad¹ i år i ACS Applied Materials (AMAT ) & Interfaces har visat exakt hur avgasvärme kan omvandlas till elektricitet, vilket ger en hållbar energikälla.

Med finansiering från Office of Naval Research, Army Rapid Innovation Fund Program och National Science Foundation Industry har forskare från Pennsylvania State University:s avdelning för maskinteknik presenterat en prototyp för ett termoelektriskt generatorssystem.

Den termoelektriska generatorn (TEG) kan minska bränsleförbrukningen samt koldioxid (CO2)-utsläppen. Bränsleeffektivitet är en stor bidragande faktor till växthusgasutsläpp (GHG) och understryker behovet av innovativa återvinningssystem för spillvärme som TEG.

Dessa värmeåtervinnings-TEG-system använder halvledarmaterial för att omvandla värme till elektricitet.

Uppfunna för över tvåhundra år sedan kan TEG-system användas i elektroniska enheter, medicinska apparater och rymdteknik. Dessa system har inga rörliga delar eller kemiska biprodukter, vilket gör att de kan fungera tyst och är miljövänliga. De är också hållbara, kräver inget onödigt underhåll och är lämpliga för integration i både massiva och flexibla enheter.

Enligt forskningen:

“Uttag av termisk energi för högfartiga rörliga objekt är särskilt lovande för att tillhandahålla en effektiv och hållbar energikälla som förbättrar operativa förmågor och uthållighet.”

Termoelektrisk (TE) teknik fungerar genom att utnyttja temperaturdifferenser mellan en värmekälla och omgivningstemperaturen. Detta gör att TE-tekniken kan leverera en konstant strömförsörjning till sådana system, vilket minskar beroendet av traditionella batterier och förlänger driftstiden.

Trots lovande resultat är designen av många nuvarande termoelektriska enheter komplex och tung, vilket innebär att de kräver mer kylvatten för att upprätthålla den nödvändiga temperaturdifferensen. Forskningen påpekar dock att den integrerade TEG-systemdesignen ligger långt efter materialutvecklingen.

Så, ledda av Wenjie Li och Bed Poudel, byggde forskare vid Penn State ett kompakt TEG-system för att återvinna termisk energi. Dessa TEG-system kan effektivt omvandla avfallsvärme från avgas både från bilar och andra högfartiga fordon såsom obemannade luftfarkoster eller drönare och helikoptrar till energi.

Det nya TEG-systemet använder bismuttellurid som halvledare. Bi2Te3 är ett grått pulver bestående av bismut och tellur och har utmärkt termoelektrisk prestanda vid låga temperaturer.

Dessutom använde forskningen triangulära plåtfinnvärmeväxlare, liknande de som används i luftkonditioneringsapparater, för att fånga värme från fordonens avgasrör, såsom motoravgaser.

En kylfläns har också integrerats för att reglera temperaturen. Denna longitudinella trapetsformade fläns i cylindrisk form ökar temperaturdifferensen avsevärt, vilket har en direkt inverkan på TEG-systemets elektriska uteffekt.

Denna kylfläns är konstruerad för att sprida värme genom tvångskonvektion, men teamet optimerade ytterligare designen med hjälp av finita elementanalys (FEA)-simuleringar för att öka temperaturgradienten och den elektriska uteffekten.

Med detta uppnådde teamets TEG-prototyp en uteffekt på 40 watt under en temperaturgradient på 190 °C med bismuttelluridbaserade TE-moduler. Denna mängd kraft räcker för att driva en glödlampa.

Resultaten visade särskilt att höga luftflödesförhållanden i avgasrören ökar effektiviteten och höjer systemets elektriska uteffekt.

Teamet testade TEG-systemet i simuleringar som efterliknade högfartiga miljöer, och det visade stor flexibilitet. Deras spillvärmesystem producerade upp till 56 W för avgasflöden motsvarande en bil, vilket motsvarar fem litiumjon (Li) 18650-batterier. Dessa siffror nådde upp till 146 W för avgasflöden liknande helikoptrar, vilket motsvarar 12 Li‑ion 18650‑batterier.

Li‑ion 18650‑batterier erbjuder fördelarna med stor kapacitet, lång livslängd, hög spänning och hög säkerhet. De används främst i elektroniska enheter, elfordon och energilagringsenheter.

Enligt forskarna kan det senaste studiens TEG-system integreras direkt i befintliga avgasutlopp och eliminera behovet av extra kylsystem.

Forskarnas ytterligare tro är att detta arbete kan öppna dörren för praktisk integration av termoelektriska enheter i högfartiga fordon i takt med den ökande efterfrågan på rena energilösningar.

Klicka här för att lära dig hur vätefordon gör comeback.

Förbränningsmotorer fortsätter att utvecklas

Återvinning av avgasvärme från förbränningsmotorer har faktiskt fått ökat intresse för att öka effektiviteten och minska bränsleförbrukningen. Dessa insatser bidrar till att minska miljöföroreningar och global uppvärmning.

Förutom TEG används bottencykler, elektriska turbo‑kompounderingsenheter (ETC), ångabsorption, Stirlingmotor (SE) och termo‑akustiska generatorer (TAG) för att utvinna värme från bil- och industriella avgasystem.

Termoelektriska generatorer har dock varit mest använda som pålitlig, kompakt och solid‑state‑teknik, som kan omvandla värme direkt till elektricitet utan någon mekanisk rörelse. De är också lätta och vibrationsfria, utan orienteringsbegränsningar och utan utsläpp.

Utöver dessa bränsleeffektivitetsmetoder har förbränningsmotorer också sett andra framsteg för att förbättra deras prestanda, effektivitet och miljömässiga hållbarhet.

Detta inkluderar direktinsprutning, en teknik som levererar bränsle direkt in i förbränningskammaren, vilket möjliggör exakt kontroll över bränsle‑luftblandningen. Turboladdare komprimerar samtidigt insugningsluften, vilket gör att mindre motorer kan generera kraft som är jämförbar med deras större motsvarigheter.

En intressant utveckling har varit kombinationen av förbränningsmotorer med elmotorer, vilket har resulterat i hybridsystem. Ett hybriddrivlina erbjuder flexibiliteten att använda elektrisk kraft för låg hastighet och förbränningsmotorn för högre hastigheter.

Ledd av företag som Honda, Hyundai, Lexus, BYD och Porsche har hybridfordon fått stort genomslag globalt, men de möter fortfarande utmaningar i form av högre kostnad och mindre kraft jämfört med traditionella bilar.

En annan utveckling har skett i det bränsle som driver fordon med förbränningsmotorer. Utforskandet av alternativa bränslen som etanol, naturgas, propan och biodiesel syftar till att minska miljöpåverkan från förbränningsmotorer genom att sänka växthusgasutsläppen och minska deras beroende av fossila bränslen.

Bland dessa alternativa bränslen får väte särskilt mycket uppmärksamhet från forskare och företag som vill rädda förbränningsmotorer.

En av de enklaste molekylerna, väte i gasform, har extremt låg energitäthet om det inte är under mycket högt tryck och/eller vid mycket låg temperatur, och även då är dess energitäthet mycket lägre än de flesta andra flytande bränslen. Detta medför problem med bränslelagring. Det har också högre kväveoxid (NOx)-utsläpp.

Men där väte verkligen glänser är i förbränningshastigheten, som är mycket hög, mycket högre än bensin. Dessutom gör den koldioxidfria egenskapen hos väte, när det bränns med syre, det till ett attraktivt alternativt bränsle. Detta är anledningen till att väteförbränningsmotorer och vätgasbränsleceller får så mycket uppmärksamhet.

Båda dessa drivfordon använder väte. I ICEV (förbränningsmotorfordon) bränns väte på liknande sätt som bensin, medan bränslecellsfordon med väte (FCEV) använder väte i en enhet för att generera elektricitet.

Förra året introducerade forskare från University of Alberta en ny aluminium-nickel‑legering för att revolutionera väteförbränningsmotorer. Legeringen AlCrTiVNi5 erbjuder hög stabilitet under extrema värmeförhållanden, låg termisk expansion och överlägsen hållbarhet, vilket gör den idealisk för att klara de extrema temperaturerna i väteförbränning.

Toyota avslöjade också flera ICE-prototyper förra året som kan köras på väte utöver bensin och andra bränslen.

Leder de nya tillvägagångssätten för förbränningsmotorer

För närvarande står förbränningsmotorer inför ökande press från elfordon och utsläppsregler, men trots allt fortsätter de att dominera transportsektorn. Detta beror främst på etablerad infrastruktur och bred tillgänglighet, men det är inte allt. Företag gör också stora framsteg med att lösa huvudproblemet med utsläpp.

Till exempel, Cummins (CMI ) och Ford Motor (F ) investerar i väteförbränningsmotorteknik, medan ClearSign Technologies Corporation (CLIR ) har skapat Duplex Burner Architecture för att förbättra energieffektiviteten och uppfylla strikta utsläppsstandarder.

Låt oss därför ta en djupare titt på investeringspotentialen hos en innovatör som fortfarande utvecklar nya tillvägagångssätt för förbränningsmotorn och hjälper den att blomstra.

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

Westport Fuel Systems (WPRT ) är en ledande leverantör av avancerade alternativa bränslesystem och verkar genom flera segment, inklusive Light‑Duty, High‑Pressure Controls & Systems, Cespira, Heavy‑Duty OEM och Corporate.

Med ett börsvärde på 72,5 miljoner dollar handlas Westport-aktier för närvarande till 4,70 $, upp 27,93 % år‑till‑datum. Dess EPS (TTM) är -1,57 och P/E‑kvoten (TTM) är -2,91.

Företaget rapporterade en omsättning på 66,2 miljoner dollar under Q3 2024, vilket var en minskning med 14 % jämfört med samma kvartal föregående år. Omsättningen drevs av övergången av Heavy‑Duty OEM‑tillgångarna till Cespira, ett joint venture mellan Volvo Group och Westport.

Genom detta joint venture syftar Westport Fuel Systems och Volvo Group till att utveckla, främja och påskynda kommersialiseringen av HPDI‑tekniken. Detta kommer att hjälpa dem att fokusera på att driva framsteg för prisvärda, hållbara transportlösningar med förbränningsmotorer som använder förnybara bränslen för närvarande och väte i framtiden.

Särskilt förväntas joint venture ha en betydande inverkan på globala långdistans- och terrängtunga tillämpningar. HPDI-drivna förbränningsmotorer, sade Volvo CTO Lars Stenqvist, tros \”spela en avgörande roll i globala avkarboniseringsinsatser inom kommersiell transport\”.

Under tredje kvartalet var företagets nettförlust 3,9 miljoner dollar, och likvida medel och likvida medel motsvarande 33,3 miljoner dollar vid periodens slut.

“Vi är fortsatt övertygade om den roll som alternativa bränslen kommer att spela för att driva hållbarhet i framtidens transport- och industrisektorer.”

– VD Dan Sceli

När han talade om väte påpekade han en avmattning i den globala infrastrukturutvecklingen, vilket i sin tur påverkade antagandet av fordons- och industriella tillämpningar som drivs av väte. Enligt Dan:

“Framgången för denna marknad beror på installation av infrastruktur och produktion av rent väte, vilket båda har varit långsamma att materialiseras.”

Trots detta tror företaget fortfarande att väte som bränsle kommer att segra, men förväntar sig att dess globala antagande som en ren bränslekälla blir en gradvis process snarare än omedelbar.

Under tiden kommer Westport fortsätta leverera ett brett sortiment av prisvärda alternativa låga koldioxidbränslen såsom propan, naturgas, förnybar naturgas och väte.

“Vi driver renare prestanda genom att möta lägre utsläppsregler med praktiska tillämpningar som använder dagens innovationer.”

– Dan

Slutsats 

Förbränningsmotorer är där mobilitetsrevolutionen började. En sådan motor fungerar dock endast med cirka 40 % verkningsgrad och har en betydande negativ inverkan på miljön på grund av användningen av fossila bränslen. Transportsektorn är faktiskt den näst största källan till växthusgasutsläpp globalt.

Detta har lett världen till att skifta mot grönare alternativ som elfordon. Men det är inte hela historien; även förbränningsmotorer utvecklas för att hålla jämna steg med den förändrade miljön och visar sin outnyttjade potential även efter ett sekel.

Genombrott som termoelektriska generatorer (TEG) för återvinning av spillvärme, hybriddrivlinor och alternativa bränslen som väte driver för närvarande denna omvandling. Med pågående forskning och innovation är förbränningsmotorer på väg att bli mer effektiva och miljövänliga. Och när världen omfamnar renare teknologier kommer de inte bara att samexistera med elfordon utan kan även bidra meningsfullt till en mer hållbar framtid.

Klicka här för en lista över de 5 bästa väteförbränningsmotorerna som kommer att bryta normen.