166 Yıl Sonra, İçten Yanmalı Motor Hâlâ Keşfedilmemiş Potansiyele Sahip

Zamanımızın en büyük keşiflerinden biri, içten yanmalı motorların icadı oldu; bu motorlar, sanayileşmenin ve dolayısıyla insan medeniyetinin gelişiminde önemli bir rol oynadı.

Bu motorlar ilk olarak 19. yüzyılda icat edildi, ancak bilim insanları ve mühendisler bu dönemin başlamasından on yıl önce geliştirilmesine katkıda bulunmaya başladılar.

Bir gaz türbini geliştirildi 1791’de ve bir gaz motoru patente alındı birkaç yıl sonra. Sıvı yakıt kullanan ilk içten yanmalı motorun patenti 1794’te verildi ve yüzyıl bitmeden, ilk Amerikan ICE inşa edildi.

İlk içten yanmalı motorla çalışan otomobil 1862’de yaratılmışken, modern bir yanma motoru bir on yıl daha geç, 1876’da ortaya çıktı. 1885’te Gottlieb Daimler ve Wilhelm Maybach tasarımı geliştirerek ilk pratik içten yanmalı motoru ve karbüratörü icat ettiler.

Peki, bir içten yanmalı motor tam olarak nasıl çalışır? Öncelikle, yanma, yakıt ve havanın karışımının ateşlenmesiyle enerjinin serbest bırakıldığı kimyasal bir süreçtir. İçten yanmalı motorlar (ICE) bu enerjinin bir kısmını mekanik işe dönüştürür.

Yakıt ve hava karışımı ateşlendiğinde, binlerce küçük, kontrollü patlama gerçekleşir; bunlar yanma olarak adlandırılır.

ICE’de yakıtın ateşlenmesi ve yanma, sabit bir silindir ve hareketli bir piston içeren motor içinde gerçekleşir. Yanma, gazların genişlemesine ve ısı salınımına neden olur; bu da pistonu yukarı ve aşağı iter. Bu da, güç aktarma organındaki dişli sistemi aracılığıyla krank milini döndürerek aracın tekerleklerini ileri hareket ettirir.

İki tür içten yanmalı motor vardır: buji ateşlemeli benzin motoru ve sıkıştırma ateşlemeli dizel motor; fark, yakıtın nasıl sağlandığı ve ateşlendiğiyle ilgilidir.

İçten Yanmalı Motorlar Hakim, Ancak Zorluklarla Karşılaşıyor

İcatlarından bu yana bir buçuk yüzyıldan fazla geçen bugün, dünya genelinde hâlâ bir milyardan fazla içten yanmalı motor (ICE) yollarda çalışıyor.

Küresel içten yanmalı motor pazarı ise şu anda yaklaşık 200 milyar dolar değerinde ve gelişmekte olan pazarlarda araç talebinin artması ve motor tasarımındaki teknolojik ilerlemeler sayesinde %9,2 yıllık bileşik büyüme oranıyla 2033’te 300 milyar dolara ulaşması bekleniyor.

Bununla birlikte, içten yanmalı motorların en büyük zorluğu, elektrikli araçların (EV) yükselişi ve daha sıkı emisyon düzenlemeleridir.

Ancak EV’ler artık daha yaygın hale gelmiş olsa da, küresel yeni araç satışlarının yaklaşık %18’ini oluşturuyor; 2018’de sadece %2 iken bu oran artmıştır. Yine de EV’ler, yollardaki toplam içten yanmalı motorlu araçların çok küçük bir yüzdesini oluşturuyor. Tahmini %3-5 pazar payı ile, her 100 içten yanmalı motorlu araçta sadece üçüncü ya da beşinci araç bir EV’dir.

Artan EV trendi, motor talebinin yükselmesiyle yönlendiriliyor; bu durum fosil yakıtların tükenmesine ve dünya genelinde kirliliğin dramatik artışına yol açıyor.

Benzin ve dizel, otomotiv sektöründeki en baskın yakıtlar olduğundan, çevresel kirlilik içten yanmalı motorlarla ilgili temel endişe olmaya devam ediyor. Bu motorların başlıca emisyonları yanmamış hidrokarbonlar, karbon monoksit, azot oksitleri ve partikül maddelerdir.

Bu durum, ciddi sağlık riskleri ve küresel ısınmaya yol açıyor; bu nedenle dünya genelindeki ülkeler otomotiv sektöründeki emisyonları ele almak için sıkı düzenlemeler uygulamaya başladı. Bu da otomotiv mühendislerini ve araştırmacıları çeşitli motor teknolojileri ve yenilenebilir, daha yeşil yakıtlarla denemeler yapmaya yöneltti.

Bazı ülkeler içten yanmalı motorların tamamen yasaklanmasını düşünürken, araştırmacılar da bu motorların performansını artırmak ve çevresel etkilerini azaltmak için geliştirmeler yapıyor.

Atık Isıyı Enerjiye Dönüştürerek İçten Yanmalı Motorları Daha Verimli Hale Getirmek

İçten yanmalı motorlar güçlü enerji üretir, ancak üretilen enerjinin tamamı kullanılmaz. Gerçekte, kimyasal enerjinin yalnızca %25 ila %30’u kullanılabilir güce dönüştürülür.

Bunun çoğu, egzoz ve motor soğutma sistemleri aracılığıyla ısı olarak kaybolan yakıtta depolanır. Ancak, kaybolan tüm enerjiyi kullanmanın bir yolu vardır ve bilim insanları bu enerjiyi verimli bir şekilde değerlendirecek çözümler üzerinde çalışıyor.

Bu yıl ACS Applied Materials & Interfaces dergisinde yayımlanan bir çalışma, egzoz ısısının nasıl elektriğe dönüştürülebileceğini göstererek sürdürülebilir bir enerji kaynağı sundu.

Deniz Araştırma Ofisi, Ordu Hızlı Yenilik Fon Programı ve Ulusal Bilim Vakfı Endüstri’den alınan finansmanla, Pennsylvania State University Mekanik Mühendisliği Bölümü’nden araştırmacılar termoelektirik jeneratör sistemi için bir prototip sundular.

Termoelektirik jeneratör (TEG), yakıt tüketimini ve karbondioksit (CO2) emisyonlarını azaltabilir. Yakıt verimsizliği, sera gazı (GHG) emisyonlarının başlıca nedenlerinden biridir ve TEG gibi yenilikçi atık ısı geri kazanım sistemlerine duyulan ihtiyacı vurgular.

Bu ısı geri kazanım TEG sistemleri, ısıyı elektriğe dönüştürmek için yarı iletken malzemeler kullanır.

İki yüzyıldan fazla önce icat edilen TEG sistemleri, elektronik cihazlarda, tıbbi cihazlarda ve uzay endüstrisinde kullanılabilir. Bu sistemlerin hareketli parçası veya kimyasal yan ürünü yoktur; bu sayede sessiz çalışır ve çevre dostudur. Ayrıca dayanıklıdır, gereksiz bakım gerektirmez ve toplu ve esnek cihazlara entegrasyon için uygundur.

Araştırmaya göre:

Yüksek hızlı hareket eden nesneler için termal enerji toplama, operasyonel yetenekleri ve dayanıklılığı artıran verimli ve sürdürülebilir bir enerji kaynağı sağlama açısından özellikle umut vericidir.

Termoelektirik (TE) teknolojisinin çalışma şekli, bir ısı kaynağı ile ortam sıcaklığı arasındaki sıcaklık farkını kullanmaktır. Bu sayede TE teknolojisi, bu sistemlere sürekli bir güç kaynağı sağlayarak geleneksel bataryalara bağımlılığı azaltır ve çalışma sürelerini uzatır.

Vaat verici olmasına rağmen, mevcut birçok termoelektirik cihazın tasarımları karmaşık ve ağırdır; bu nedenle gerekli sıcaklık farkını korumak için daha fazla soğutma suyuna ihtiyaç duyarlar. Ancak araştırmanın belirttiği gibi, entegre TEG sistem tasarımı araştırması, malzeme geliştirmesinin çok gerisinde kalmaktadır.

Bu nedenle, Wenjie Li ve Bed Poudel’in rehberliğinde, Penn State araştırmacıları termal enerjiyi geri kazanmak için kompakt bir TEG sistemi inşa etti. Bu TEG sistemleri, sadece otomobillerden değil, aynı zamanda insansız hava araçları (İHA) ve helikopterler gibi diğer yüksek hızlı araçların egzoz atık ısısını da verimli bir şekilde enerjiye dönüştürebilir.

Bu yeni TEG, yarı iletkeni olarak bizmut-tellürür kullanıyor. Bi2Te3, bizmut ve tellürden oluşan gri bir tozdur ve düşük sıcaklıklarda mükemmel termoelektirik performans sergiler.

Ayrıca, araştırma, araç egzoz borularından (örneğin motor egzoz gazı) ısı yakalamak için hava soğutucularında kullanılan üçgen plaka-fin ısı değiştiricileri kullandı.

Ayrıca, sıcaklığı düzenlemek için bir ısı emici de entegre edildi. Bu uzunlamasına trapezoidal kanallı silindirik donanım, sıcaklık farkını önemli ölçüde artırarak TEG sisteminin elektrik çıkışını doğrudan etkiler.

Bu ısı emici, zorunlu konveksiyonla ısı yaymak için tasarlanmıştır, ancak ekip, sıcaklık gradyanını ve elektrik çıkış gücünü artırmak için sonlu eleman analizi (FEA) simülasyonlarıyla tasarımı daha da optimize etti.

Böylece, ekibin TEG prototipi, bizmut tellürür tabanlı TE modülleriyle 190°C sıcaklık gradyanında 40 Watt çıkış gücüne ulaştı. Bu kadar güç bir ampulü çalıştırmak için yeterlidir.

Özellikle, araştırma sonuçları, egzoz borularındaki yüksek hava akışı koşullarının verimliliği artırdığını ve sistemin elektrik çıkışını yükselttiğini gösterdi.

Ekip, TEG sistemini yüksek hızlı ortamları taklit eden simülasyonlarda test etti ve büyük bir esneklik gösterdi. Atık ısı sistemleri, bir arabanın egzoz hızı gibi koşullarda 56 Watt üretirken, bu beş lityum iyon (Li) 18650 bataryaya eşdeğerdir. Helikopter benzeri egzoz hızlarında ise bu değer 146 Watt’a ulaşarak 12 Li-ion 18650 bataryaya eşdeğer oldu.

Li-ion 18650 bataryalar, yüksek kapasite, uzun ömür, yüksek voltaj ve yüksek güvenlik performansı gibi avantajlar sunar. En çok elektronik cihazlarda, EV’lerde ve enerji depolama cihazlarında kullanılır.

Araştırmacıların belirttiğine göre, son çalışmanın TEG sistemi, mevcut egzoz çıkışlarına doğrudan entegre edilebilir ve ek soğutma sistemlerine ihtiyaç duyulmasını ortadan kaldırabilir.

Araştırmacılar ayrıca, bu çalışmanın temiz enerji çözümlerine artan talep ortasında termoelektirik cihazların yüksek hızlı araçlara pratik entegrasyonunun önünü açabileceğine inanıyor.

Hidrojenli araçların nasıl geri dönüş yaptığını öğrenmek için buraya tıklayın.

İçten Yanmalı Motorlar Gelişimini Sürdürüyor

İçten yanmalı motorlardan egzoz ısı geri kazanımı, verimliliği artırmak ve yakıt tüketimini azaltmak için artan bir ilgi görüyor. Bu çabalar çevresel kirliliği ve küresel ısınmayı azaltmaya yardımcı oluyor.

TEG’nin yanı sıra, alt döngüler, elektrikli turbo-kompound (ETC) cihazları, buhar absorpsiyonu, Stirling motoru (SE) ve termo-akustik jeneratörler (TAG’ler) otomobil ve endüstriyel egzoz sistemlerinden ısı toplamak için kullanılmaktadır.

Bununla birlikte, termoelektirik jeneratörler, ısıyı doğrudan elektrik enerjisine dönüştürebilen, mekanik hareket gerektirmeyen güvenilir, kompakt ve katı hal teknolojisi olarak en çok benimsenmiştir. Ayrıca hafif, titreşimsiz, yönlendirme sınırlaması olmayan ve sıfır emisyonludur.

Bu yakıt verimliliği yöntemlerine ek olarak, içten yanmalı motorlar performans, verimlilik ve çevresel sürdürülebilirliği artırmak için başka gelişmeler de görmektedir.

Buna, yakıtı doğrudan yanma odasına enjekte eden ve böylece yakıt-hava karışımının hassas kontrolünü sağlayan doğrudan yakıt enjeksiyonu teknolojisi dahildir. Turboşarjörler ise, emiş havasını sıkıştırarak daha küçük motorların daha büyük motorlara benzer güç üretmesini sağlar.

İlginç bir gelişme, içten yanmalı motorların elektrik motorlarıyla birleştirilmesi ve bunun sonucunda hibrit sistemlerin ortaya çıkmasıdır. Hibrit bir güç aktarma organı, düşük hızda sürüş için elektrik gücünü, yüksek hızlarda ise içten yanmalı motoru kullanma esnekliği sunar.

Honda, Hyundai, Lexus, BYD ve Porsche gibi markaların öncülüğünde, hibrit araçlar dünya çapında büyük ilgi görmektedir, ancak hâlâ geleneksel arabalara kıyasla daha yüksek maliyet ve daha az güç gibi zorluklarla karşı karşıyadır.

İçten yanmalı motorlu araçları güçlendiren yakıtta bir başka gelişme daha görülmektedir. Etanol, doğal gaz, propan ve biyodizel gibi alternatif yakıtların araştırılması, GHG emisyonlarını azaltarak ve fosil yakıtlara bağımlılığı azaltarak yanma motorlarının çevresel etkisini azaltmayı amaçlamaktadır.

Bu alternatif yakıtlar arasında, özellikle hidrojen, içten yanmalı motorları korumak isteyen araştırmacıların ve şirketlerin büyük ilgisini çekmektedir.

En basit moleküllerden biri olan gaz halinde hidrojen, çok yüksek basınç ve/veya çok düşük sıcaklıkta bile son derece düşük enerji yoğunluğuna sahiptir; hatta bu koşullarda bile enerji yoğunluğu çoğu diğer sıvı yakıttan çok daha düşüktür. Bu durum yakıt depolama sorunlarına yol açar. Ayrıca daha yüksek azot oksit (NOx) emisyonlarına sahiptir.

Ancak hidrojenin parladığı nokta, yanma hızıdır; bu hız çok yüksektir ve benzininkinden çok daha fazladır. Ayrıca, hidrojenin oksijenle yanması durumunda sıfır karbon özelliği, onu çekici bir alternatif yakıt yapar. Bu yüzden hidrojen içten yanmalı motorlar ve hidrojen yakıt hücreleri büyük ilgi görüyor.

Bu iki tip güç taşıtı da hidrojen kullanır. ICEV’de hidrojen, benzin gibi yanar; yakıt hücresi hidrojenli araçlarda (FCEV) ise hidrojen bir cihazda elektrik üretmek için kullanılır.

Geçtiğimiz yıl, Alberta Üniversitesi araştırmacıları, hidrojen içten yanmalı motorları devrim niteliğinde değiştirecek yeni bir alüminyum-nikel alaşımı tanıttı. AlCrTiVNi5 alaşımı, aşırı ısı koşullarında yüksek stabilite, düşük termal genleşme ve üstün dayanıklılık sunarak hidrojen yanmasının aşırı sıcaklıklarına dayanmak için idealdir.

Toyota da geçen yıl, benzin ve diğer yakıtların yanı sıra hidrojenle çalışabilen birkaç ICE prototipi ortaya koydu.

Yeni Yaklaşımlarda İçten Yanmalı Motorları Öncülüyor

Şu anda, içten yanmalı motorlar EV’ler ve emisyon düzenlemeleri nedeniyle artan bir baskı ile karşı karşıya, ancak tüm bunlara rağmen ulaşım sektöründe hâlâ hakim durumdalar. Bu, öncelikle mevcut altyapı ve yaygın bulunabilirlikten kaynaklanıyor, ancak bununla sınırlı değil. Şirketler, emisyonların temel sorununu ele almada da büyük ilerlemeler kaydediyor.

Örneğin, Cummins (CMI ) ve Ford Motor (F ) hidrojen içten yanmalı motor teknolojisine yatırım yapıyor, ClearSign Technologies Corporation (CLIR ) ise enerji verimliliğini artırmak ve sıkı emisyon standartlarını karşılamak için Duplex Burner Architecture’ı geliştirdi.

O halde, içten yanmalı motor için yeni yaklaşımlar geliştirmeye devam eden ve onun gelişimini destekleyen bir yenilikçinin yatırım potansiyeline daha yakından bakalım.

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

Gelişmiş alternatif yakıt sistemlerinin önde gelen bir tedarikçisi olan Westport Fuel Systems, Light-Duty, High-Pressure Controls & Systems, Cespira, Heavy-Duty OEM ve Corporate gibi çeşitli segmentlerde faaliyet göstermektedir.

72,5 milyon dolar piyasa değerine sahip Westport hisseleri şu anda hisse başına 4,70 dolardan işlem görmekte ve yılbaşından bu yana %27,93 artış kaydetmiştir. EPS (TTM) -1,57, P/E (TTM) oranı ise -2,91’dir.

Şirket, 2024’ün üçüncü çeyreğinde 66,2 milyon dolar gelir bildirdi; bu, geçen yılın aynı çeyreğine göre %14 azalmadır. Gelir, Heavy-Duty OEM varlıklarının Volvo Group ve Westport arasında ortak girişim olan Cespira’ya geçişiyle desteklenmiştir.

Bu ortak girişimle, Westport Fuel Systems ve Volvo Group, HPDI teknolojisinin geliştirilmesi, tanıtılması ve ticarileştirilmesinin hızlandırılmasını hedeflemektedir. Bu, yenilenebilir yakıtlarla çalışan ve gelecekte hidrojenle çalışan içten yanmalı motorlar kullanarak uygun fiyatlı, sürdürülebilir ulaşım çözümlerine odaklanmalarını sağlayacaktır.

Özellikle, ortak girişimin küresel uzun mesafe ve off-road ağır hizmet uygulamaları üzerinde önemli bir etkisi olması beklenmektedir. Volvo CTO’su Lars Stenqvist, HPDI destekli içten yanmalı motorların, ticari taşımacılıkta küresel dekarbonizasyon çabalarında ‘kritik bir rol oynayacağını’ belirtti.

Üçüncü çeyrek boyunca, şirketin net zararı 3,9 milyon dolar olup, dönem sonu nakit ve nakit benzerleri 33,3 milyon dolar idi.

Alternatif yakıtların, ulaşım ve endüstriyel uygulama alanının geleceğinde sürdürülebilirliği yönlendirmedeki rolünden emin olmaya devam ediyoruz.

– CEO Dan Sceli

Hidrojen hakkında konuşurken, küresel altyapı gelişimindeki yavaşlamayı ve bunun da hidrojenle çalışan otomotiv ve endüstriyel uygulamaların benimsenmesini etkilediğini belirtti. Dan’e göre:

Bu pazarın başarısı, altyapının kurulması ve temiz hidrojen üretimine bağlıdır; ikisi de gerçekleşmesi yavaş ilerlemiştir.

Buna rağmen, şirket hâlâ hidrojenin yakıt olarak hâkim olacağına inanıyor ancak küresel çapta temiz yakıt kaynağı olarak benimsenmesinin aniden değil, kademeli bir süreç olmasını bekliyor.

Bu arada, Westport, propan, doğal gaz, yenilenebilir doğal gaz ve hidrojen gibi uygun fiyatlı alternatif düşük karbonlu yakıtların geniş bir yelpazesini sunmaya devam edecektir.

Bugün mevcut yenilikleri kullanarak pratik uygulamalarla daha düşük emisyon düzenlemelerine yanıt vererek daha temiz bir performans sağlıyoruz.

– Dan

Sonuç 

İçten yanmalı motorlar, mobilite devriminin başladığı yerdir. Ancak bu motorlar, fosil yakıt kullanımından dolayı çevreye önemli bir olumsuz etki yaparken yalnızca yaklaşık %40 verimlilikle çalışır. Ulaşım sektörü, küresel ölçekte sera gazı emisyonlarının ikinci en büyük kaynağıdır.

Bu durum, dünyayı elektrikli araçlar gibi daha yeşil alternatiflere yönlendirdi. Ancak bu sadece bir başlangıç; içten yanmalı motorlar bile değişen çevreye ayak uydurmak için evrim geçiriyor ve bir yüzyıl sonra bile keşfedilmemiş potansiyellerini gösteriyor.

Atık ısı geri kazanımı için termoelektirik jeneratörler (TEG’ler), hibrit güç aktarma organları ve hidrojen gibi alternatif yakıtlar gibi atılımlar şu anda bu dönüşümü yönlendiriyor. Süregelen araştırma ve yeniliklerle, içten yanmalı motorlar daha verimli ve çevre dostu olmaya hazırlanıyor. Dünya daha temiz teknolojileri benimsedikçe, bu motorlar yalnızca EV’lerle birlikte var olmayacak, aynı zamanda daha sürdürülebilir bir geleceğe anlamlı bir katkı sağlayabilir.

Şekli kıracak en iyi 5 hidrojen içten yanmalı motorun listesi için buraya tıklayın.