Pagkatapos ng 166 Taon, Ang Engine ng Pagsunog ay May Natitirang Potensyal na Hindi Pa Natutuklasan

Isa sa mga pinakamalaking tuklas ng ating panahon ay ang imbensyon ng mga internal combustion engine, na nagkaroon ng mahalagang papel sa pag-unlad ng industriyalisasyon at, bilang resulta, ng sibilisasyon ng tao.

Ang mga engine na ito ay unang naimbento noong ika-19 na siglo, bagaman nagsimulang mag-ambag ang mga siyentipiko at inhinyero sa kanilang pag-unlad isang dekada bago magsimula ang panahong iyon.

Isang gas turbine ang binuo noong 1791, at isang gas engine ang na-patente ilang taon pagkatapos nito. Isang patente para sa isang internal combustion engine, na siyang unang gumamit ng likidong gasolina, ay naisumite noong 1794, at bago matapos ang siglo, ang unang Amerikanong ICE ay naitayo.

Habang ang unang sasakyan na tumatakbo sa isang ICE ay nilikha noong 1862, ang unang modernong combustion engine ay hindi dumating hanggang higit isang dekada pagkatapos, noong 1876. Noong 1885, pinahusay nina Gottlieb Daimler at Wilhelm Maybach ang disenyo at inimbento ang unang praktikal na ICE at carburetor.

Ngayon, paano nga ba talaga gumagana ang isang combustion engine? Sa simula, ang pagsunog ay isang prosesong kemikal kung saan naglalabas ng enerhiya ang pag-apoy ng halo ng gasolina at hangin. Ang mga internal combustion engine (ICE) ay bahagyang nagko-convert ng enerhiyang ito sa mekanikal na trabaho.

Kapag nasunog ang halo ng gasolina at hangin, libu-libong maliliit, kontroladong pagsabog ang nagaganap, na tinatawag na pagsunog o pagkasunog.

Sa ICE, ang pagsisindi ng gasolina at pagsunog ay parehong nangyayari sa loob ng engine, na binubuo ng isang nakapirming silindro at gumagalaw na piston. Ang pagsunog ay nagdudulot ng paglawak ng mga gas pati na rin ng paglabas ng init, na nagtutulak sa piston pataas at pababa. Ito naman ay nagpapaikot sa crankshaft sa pamamagitan ng isang sistema ng mga gear sa powertrain, na nagmamaneho sa mga gulong ng sasakyan pasulong.

May dalawang uri ng internal combustion engine: ang spark ignition gasoline engine at ang compression ignition diesel engine, kung saan ang pagkakaiba ay nasa paraan ng pag-supply at pagsisindi ng gasolina.

Namamayani ang mga Combustion Engine ngunit Hinarap ang mga Hamon

Ngayon, higit isang siglo at kalahati matapos ang kanilang imbensyon, higit sa isang bilyong internal combustion engine (ICE) ang patuloy na tumatakbo sa mga kalsada sa buong mundo.

Samantala, ang pandaigdigang merkado ng combustion engine ay kasalukuyang tinatayang nasa $200 bilyon at inaasahang lalago sa CAGR na 9.2% at aabot sa $300 bilyon pagsapit ng 2033, dulot ng tumataas na pangangailangan para sa mga sasakyan sa mga umuusbong na merkado at mga teknolohikal na pag-unlad sa disenyo ng engine.

Gayunpaman, ang pinakamalaking hamon sa mga combustion engine ay ang pag-usbong ng mga electric vehicle (EV) at mas mahigpit na regulasyon sa emisyon.

Ngunit habang ang mga EV ay nagiging mas karaniwan na, na bumubuo ng halos 18% ng lahat ng bagong benta ng kotse sa buong mundo, tumaas mula sa 2% lamang noong 2018, ang mga EV ay patuloy na maliit na porsyento ng kabuuang mga sasakyan na may combustion engine sa kalsada. Sa tinatayang bahagi ng merkado na 3-5%, sa bawat 100 sasakyan na may combustion engine, tanging ikatlo o ikalimang sasakyan lamang ang EV.

Ang lumalaking trend ng EV ay pinapagana ng tumataas na pangangailangan para sa mga engine, na nagdudulot ng pagkapagod ng mga fossil fuel pati na rin ng dramatikong pagtaas ng polusyon sa buong mundo.

Dahil ang gasolina at diesel ang pinaka-dominanteng fuel sa sektor ng sasakyan, ang polusyon sa kapaligiran ay patuloy na pangunahing alalahanin sa mga combustion engine. Ang mga pangunahing emisyon mula sa mga engine na ito ay mga hindi nasunog na hydrocarbon, carbon monoxide, nitrogen oxides, at particulate matter.

Ito ay nagdudulot ng matinding panganib sa kalusugan at pag-init ng mundo, kaya’t nagsimulang magpatupad ang mga bansa sa buong mundo ng mahigpit na regulasyon upang harapin ang mga emisyon mula sa sektor ng sasakyan. Dahil dito, ang mga inhinyero at mananaliksik ng sasakyan ay nagsimulang mag-eksperimento sa iba’t ibang teknolohiya ng engine pati na rin sa mga renewable at mas luntiang fuel.

Sa ilang bansa na nagbabalak pa nga ng ganap na pagbabawal sa mga internal combustion engine, ang mga mananaliksik ay patuloy na pinapaunlad ang mga engine na ito upang mapabuti ang kanilang pagganap at mabawasan ang epekto sa kapaligiran.

Paggawa ng mga Combustion Engine na Mas Epektibo sa pamamagitan ng Pag-convert ng Nasasayang na Init sa Enerhiya

Ang mga internal combustion engine ay gumagawa ng malakas na enerhiya, ngunit hindi lahat ng enerhiyang nalilikha ay nagagamit. Sa katunayan, tanging 25% hanggang 30% lamang ng kemikal na enerhiya ang na-convert sa magagamit na kapangyarihan.

Karamihan nito ay nakaimbak sa gasolina na nawawala bilang init sa pamamagitan ng exhaust at cooling system ng engine. Gayunpaman, may paraan upang magamit ang lahat ng nasayang na enerhiya, at ang mga siyentipiko ay nagtatrabaho upang makahanap ng mga solusyon para magamit ito nang produktibo.

pag-aaral na inilathala¹ ngayong taon sa ACS Applied Materials & Interfaces ay nagpakita kung paano maaaring i-convert ang init ng exhaust sa kuryente, na nagbibigay ng napapanatiling pinagkukunan ng enerhiya.

Sa pondo mula sa Office of Naval Research, Army Rapid Innovation Fund Program, at National Science Foundation Industry, ang mga mananaliksik mula sa Department of Mechanical Engineering ng Pennsylvania State University ay nagpakita ng prototype para sa isang thermoelectric generator system.

Ang thermoelectric generator (TEG) ay maaaring magpababa ng konsumo ng gasolina pati na rin ng carbon dioxide (CO2) emissions. Ang hindi epektibong paggamit ng gasolina ay pangunahing sanhi ng greenhouse gas (GHG) emissions at binibigyang-diin ang pangangailangan para sa mga makabagong waste-heat recovery system tulad ng TEG.

Ang mga heat-recovery TEG system ay gumagamit ng semiconductor materials upang i-transform ang init sa kuryente.

Inimbento higit dalawang daang taon na ang nakalilipas, ang mga TEG system ay maaaring magamit sa mga elektronikong aparato, medikal na kagamitan, at aerospace. Ang mga sistemang ito ay walang gumagalaw na bahagi o kemikal na byproduct, na nagpapahintulot sa kanila na mag-operate nang tahimik at manatiling environment-friendly. Sila rin ay matibay, hindi nangangailangan ng hindi kinakailangang maintenance, at angkop para sa integrasyon sa malalaking at flexible na aparato.

Ayon sa pananaliksik:

“Ang pag-ani ng thermal energy para sa mga mabilis na gumagalaw na bagay ay partikular na may pangako sa pagbibigay ng epektibo at napapanatiling pinagkukunan ng enerhiya upang mapabuti ang kakayahan sa operasyon at tibay.”

Ang paraan ng pag-andar ng thermoelectric (TE) technology ay sa pamamagitan ng paggamit ng pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng pinagmumulan ng init at ambient na temperatura. Pinapayagan nito ang TE technology na magbigay ng patuloy na suplay ng kuryente sa mga sistemang ito, na nagbabawas ng pag-asa sa tradisyunal na baterya habang pinahahaba ang oras ng operasyon.

Bagaman may pangako, ang mga disenyo ng maraming kasalukuyang thermoelectric device ay kumplikado at mabigat at, dahil dito, nangangailangan ng mas maraming cooling water upang mapanatili ang kinakailangang pagkakaiba ng temperatura. Gayunpaman, ayon sa pananaliksik, ang pananaliksik sa integrated TEG system design ay malayo pa sa pag-unlad ng mga materyales.

Kaya, sa patnubay nina Wenjie Li at Bed Poudel, ang mga mananaliksik ng Penn State ay nagbuo ng compact na TEG system upang makabawi ng thermal energy. Ang mga TEG system na ito ay maaaring epektibong i-convert ang nasasayang na init mula sa exhaust hindi lamang ng mga kotse kundi pati na rin ng iba pang mabilis na sasakyan tulad ng unmanned aerial vehicles o drones at helicopters sa enerhiya.

Ang bagong TEG na ito ay gumagamit ng bismuth-telluride bilang semiconductor. Ang Bi2Te3 ay isang kulay-abo na pulbos na gawa sa bismuth at tellurium at may mahusay na low-temperature thermoelectric performance.

Dagdag pa, gumamit ang pananaliksik ng triangular plate-fin heat exchangers, na kahalintulad ng mga ginagamit sa mga air conditioner, upang makuha ang init mula sa mga tubo ng exhaust ng sasakyan tulad ng engine exhaust gas.

Isang heatsink din ang isinama upang kontrolin ang temperatura. Ang pahabang trapezoidal fin na silindrikong piraso ng hardware na ito ay nagpapalaki nang malaki ng pagkakaiba ng temperatura, na may direktang epekto sa electrical output ng TEG system.

Ang heatsink na ito ay dinisenyo upang magpalaganap ng init sa pamamagitan ng forced convection, ngunit ang koponan ay higit pang in-optimize ang disenyo gamit ang finite element analysis (FEA) simulations upang mapataas ang temperature gradient at electrical output power.

Sa pamamagitan nito, nakamit ng prototype ng TEG ng koponan ang output power na 40 Watts sa ilalim ng temperature gradient na 190 degrees Celsius gamit ang bismuth telluride-based TE modules. Ang ganitong kapangyarihan ay sapat na upang mapailaw ang isang bombilya.

Kapansin-pansin, ipinakita ng mga resulta ng pananaliksik na ang mataas na kondisyon ng airflow sa mga exhaust pipe ay nagpapataas ng kahusayan at nagdaragdag ng electrical output ng sistema.

Sinubukan ng koponan ang TEG system sa mga simulation na ginagaya ang mga high-speed na kapaligiran, at ito ay nagpakita ng malaking flexibility. Ang kanilang waste-heat system ay nakagawa ng hanggang 56 W para sa bilis ng exhaust na katulad ng sa isang kotse, na katumbas ng limang lithium-ion (Li) 18650 na baterya. Ang mga bilang na ito ay umabot hanggang 146 W para sa bilis ng exhaust na katulad ng sa mga helicopter, na katumbas ng 12 Li-ion 18650 na baterya.

Ang mga Li-ion 18650 na baterya ay nag-aalok ng mga benepisyo ng malaking kapasidad, mahabang buhay, mataas na boltahe, at mataas na performance sa kaligtasan. Kadalasan itong ginagamit sa mga elektronikong aparato, EVs, at mga energy storage device.

Ayon sa mga mananaliksik, ang pinakabagong TEG system mula sa pag-aaral ay maaaring direktang i-integrate sa kasalukuyang mga exhaust outlet at alisin ang pangangailangan para sa karagdagang cooling system.

Naniniwala pa ang mga mananaliksik na ang gawaing ito ay maaaring magbukas ng pintuan para sa praktikal na integrasyon ng mga thermoelectric device sa mga high-speed na sasakyan sa gitna ng lumalaking pangangailangan para sa malinis na solusyon sa enerhiya.

I-click dito upang malaman kung paano nagbabalik ang mga hydrogen vehicle.

Patuloy na Umuunlad ang mga Combustion Engine

Ang pag-recover ng init mula sa exhaust ng mga combustion engine ay talagang nakakaranas ng lumalaking interes sa pagpapataas ng kahusayan at pagbabawas ng konsumo ng gasolina. Ang mga pagsisikap na ito ay tumutulong na bawasan ang polusyon sa kapaligiran at pag-init ng mundo.

Bukod sa TEG, ginagamit din ang bottoming cycles, electric turbo-compounding (ETC) devices, vapor absorption, Stirling engine (SE), at thermo-acoustic generators (TAGs) upang i-harvest ang init mula sa mga exhaust system ng sasakyan at industriya.

Gayunpaman, ang mga thermoelectric generator ay pinaka-nagagamit bilang maaasahan, compact, at solid-state na teknolohiya, na maaaring i-convert ang init direkta sa kuryente nang walang mekanikal na galaw. Sila rin ay magaan at walang vibration, walang limitasyon sa oryentasyon, at zero emission.

Bilang karagdagan sa mga metodong ito para sa kahusayan ng gasolina, ang mga combustion engine ay nakakaranas din ng iba pang mga pag-unlad upang mapabuti ang kanilang pagganap, kahusayan, at pangkapaligirang pagpapanatili.

Kasama rito ang direct fuel injection, isang teknolohiya na nagdadala ng gasolina direkta sa combustion chamber, kaya nagbibigay ng tumpak na kontrol sa halo ng gasolina at hangin. Ang mga turbocharger, sa kabilang banda, ay nagko-compress ng intake air, na nagpapahintulot sa mas maliliit na engine na lumikha ng kapangyarihan na katumbas ng kanilang mas malalaking katapat.

Isang kawili-wiling pag-unlad ay ang pagsasama ng internal combustion engine sa mga electric motor, na nagbunga ng hybrid system. Ang hybrid powertrain ay nag-aalok ng flexibility na gamitin ang electric power para sa mababang bilis na pagmamaneho at ang combustion engine para sa mas mataas na bilis.

Pinamumunuan ng mga tulad ng Honda, Hyundai, Lexus, BYD, at Porsche, ang mga hybrid vehicle ay nakakakuha ng malaking atensyon sa buong mundo, ngunit patuloy pa rin silang humaharap sa mga hamon tulad ng mas mataas na gastos at mas kaunting kapangyarihan kumpara sa tradisyonal na mga kotse.

Isa pang pag-unlad ay nakikita sa uri ng fuel na nagpapatakbo sa mga internal combustion engine vehicle. Ang pagsisiyasat sa mga alternatibong fuel tulad ng ethanol, natural gas, propane, at biodiesel ay naglalayong bawasan ang epekto sa kapaligiran ng mga combustion engine sa pamamagitan ng pagpapababa ng GHG emissions at pagbawas ng kanilang pag-asa sa fossil fuel.

Sa mga alternatibong fuel na ito, ang hydrogen, partikular, ay nakakaakit ng maraming atensyon mula sa mga mananaliksik at kumpanya na nais pangalagaan ang mga combustion engine.

Isa sa pinakamadaling molekula, ang hydrogen sa anyong gas, ay may napakababang energy density maliban kung nasa napakataas na presyon at/o napakababang temperatura, at kahit ganoon, ang energy density nito ay mas mababa kaysa sa karamihan ng ibang liquid fuel. Ito ay nagdudulot ng problema sa imbakan ng fuel. Mayroon din itong mas mataas na nitrogen oxide (NOx) emissions.

Ngunit kung saan namumukod-tangi ang hydrogen ay sa bilis ng pagsunog, na napakataas, higit pa sa gasolina. Gayundin, ang zero carbon na katangian ng hydrogen kapag nasunog kasama ang oxygen ay ginagawang kaakit-akit itong alternatibong fuel. Ito ang dahilan kung bakit ang hydrogen internal combustion engine at hydrogen fuel cell ay nakakaranas ng napakalaking atensyon.

Pareho ang mga sasakyang ito na gumagamit ng hydrogen. Sa ICEV, sinusunog ang hydrogen katulad ng gasolina, samantalang ang fuel cell hydrogen vehicles (FCEVs) ay gumagamit ng hydrogen sa isang aparato upang lumikha ng kuryente.

Noong nakaraang taon, nagpakilala ang mga mananaliksik mula sa University of Alberta ng bagong aluminum-nickel alloy upang baguhin ang hydrogen combustion engine. Ang alloy na AlCrTiVNi5 ay nag-aalok ng mataas na katatagan sa napakainit na kondisyon, mababang thermal expansion, at natatanging tibay, na ginagawa itong perpekto para tiisin ang napakainit na temperatura ng hydrogen combustion.

Ipinakita rin ng Toyota noong nakaraang taon ang ilang ICE prototype na maaaring tumakbo sa hydrogen bukod sa gasolina at iba pang fuel.

Pangunguna sa mga Bagong Lapit sa mga Combustion Engine

Sa kasalukuyan, ang mga combustion engine ay humaharap sa tumataas na presyon mula sa mga EV at regulasyon sa emisyon, ngunit sa kabila ng lahat ng ito, patuloy pa rin silang namamayani sa sektor ng transportasyon. Ito ay pangunahing dahil sa nakatatag na imprastruktura at malawak na availability, ngunit hindi lamang iyon. Ang mga kumpanya ay gumagawa rin ng malaking pag-unlad sa pagharap sa pangunahing problema ng mga emisyon.

Halimbawa, ang Cummins (CMI ) at Ford Motor (F ) ay namumuhunan sa teknolohiyang hydrogen combustion engine, habang ang ClearSign Technologies Corporation (CLIR ) ay lumikha ng Duplex Burner Architecture upang mapabuti ang kahusayan sa enerhiya at matugunan ang mahigpit na pamantayan sa emisyon.

Kaya, tingnan natin nang mas malalim ang potensyal sa pamumuhunan ng isang innovator na patuloy na nagde-develop ng mga bagong lapit sa combustion engine at tumutulong na ito ay umunlad.

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

Isang nangungunang supplier ng advanced na alternative fuel system, ang Westport Fuel Systems ay nagpapatakbo sa pamamagitan ng ilang segment, kabilang ang Light-Duty, High-Pressure Controls & Systems, Cespira, Heavy-Duty OEM, at Corporate.

Sa market cap na $72.5 milyon, ang Westport shares ay kasalukuyang nagte-trade sa $4.70, tumaas ng 27.93% sa taong ito. Ang EPS (TTM) nito ay -1.57, at ang P/E (TTM) ratio ay -2.91.

Iniulat ng kumpanya ang kita na $66.2 milyon sa Q3 2024, na bumaba ng 14% mula sa parehong quarter noong nakaraang taon. Ang kita ay pinasigla ng paglipat ng Heavy-Duty OEM assets papunta sa Cespira, isang joint venture sa pagitan ng Volvo Group at Westport.

Sa pamamagitan ng joint venture na ito, layunin ng Westport Fuel Systems at Volvo Group na paunlarin, itaguyod, at pabilisin ang komersyalisasyon ng HPDI technology. Makakatulong ito sa kanila na magtuon sa pagpapasulong ng abot-kayang, napapanatiling solusyon sa transportasyon gamit ang internal combustion engine na tumatakbo sa renewable fuels, sa ngayon, at hydrogen sa hinaharap.

Partikular, inaasahan na ang joint venture ay magkakaroon ng malaking epekto sa global na long-haul at off-road heavy-duty applications. Ang HPDI-powered internal combustion engine, ayon kay Volvo CTO Lars Stenqvist, ay pinaniniwalaang “maglalaro ng mahalagang papel sa pandaigdigang pagsisikap sa decarbonization sa komersyal na transportasyon.”

Sa ikatlong quarter, ang net loss ng kumpanya ay $3.9 milyon, at ang cash at cash equivalents sa katapusan nito ay $33.3 milyon.

“Patuloy kaming kumpiyansa sa papel na gagampanan ng mga alternative fuel sa pagdadala ng sustainability sa hinaharap ng transportasyon at industriyal na aplikasyon.”

– CEO Dan Sceli

Habang pinag-uusapan ang hydrogen, binigyang-diin niya ang pagbagal ng pag-unlad ng global na imprastruktura, na nagdulot naman ng epekto sa pag-aampon ng mga automotive at industriyal na aplikasyon na pinapagana ng hydrogen. Ayon kay Dan:

“Ang tagumpay ng pamilihang ito ay nakasalalay sa pag-install ng imprastruktura at produksyon ng malinis na hydrogen, na parehong mabagal na nagkakabuo.”

Sa kabila nito, naniniwala pa rin ang kumpanya na ang hydrogen bilang fuel ay magtatagumpay ngunit inaasahan na ang pandaigdigang pag-aampon nito bilang malinis na pinagkukunan ng fuel ay magiging unti-unting proseso kaysa agad-agad.

Sa pansamantala, ipagpapatuloy ng Westport ang paghahatid ng malawak na hanay ng abot-kayang alternative low-carbon fuel tulad ng propane, natural gas, renewable natural gas, at hydrogen.

“Pinapagana namin ang mas malinis na pagganap sa pamamagitan ng pagtugon sa mas mababang regulasyon sa emisyon gamit ang praktikal na aplikasyon gamit ang inobasyon na available ngayon.”

– Dan

Konklusyon 

Ang mga combustion engine ay kung saan nagsimula ang rebolusyon sa mobilidad. Gayunpaman, ang ganitong engine ay tumatakbo lamang sa humigit-kumulang 40% na saklaw ng kahusayan habang may malaking negatibong epekto sa kapaligiran dahil sa paggamit ng fossil fuel. Ang sektor ng transportasyon ay sa katunayan ang pangalawang pinakamalaking pinagmumulan ng greenhouse gas emissions sa buong mundo.

Ito ay nagdulot sa mundo na lumipat patungo sa mga mas luntiang alternatibo tulad ng mga electric vehicle. Ngunit hindi ito ang buong kwento; kahit ang mga combustion engine ay umuunlad upang makasabay sa nagbabagong kapaligiran, ipinapakita ang kanilang hindi pa natutuklasang potensyal kahit na matapos ang isang siglo.

Ang mga breakthrough tulad ng thermoelectric generator (TEG) para sa waste-heat recovery, hybrid powertrain, at mga alternatibong fuel tulad ng hydrogen ay kasalukuyang nagtutulak ng transformasyong ito. Sa patuloy na pananaliksik at inobasyon, ang mga combustion engine ay nakahanda na maging mas epektibo at environment-friendly. At habang tinatanggap ng mundo ang mas malinis na teknolohiya, hindi lamang sila makakasabay sa mga EV kundi maaari ring mag-ambag nang makabuluhan sa mas napapanatiling hinaharap.

I-click dito para sa listahan ng nangungunang 5 hydrogen combustion engine na magbabago ng takbo.