Framtidens bilmotorer: Tekniken bakom nästa generations elmotorer och förbränningsmotorer

Bilindustrin befinner sig i den snabbaste tekniska omvandlingen sedan T-Forden rullade av bandet. Men medan rubrikerna ofta handlar om batterier och laddhastigheter, pågår det en tyst revolution under motorhuvarna. Framtidens drivlinor kommer inte bara att handla om enkla övergångar från bensin till el, utan om extremt sofistikerad motorik. Från revolutionerande axialflödesmotorer och magnetfria högprestandamaskiner till vätgasdrivna kolvmotorer. Vår teknikredaktör Sofia Lindberg granskar den vetenskapliga utvecklingen och industrins faktiska framtidsplaner.

1. Elmotorernas nya era: Axialflödesmotorer (Axial Flux)

De elmotorer som används i nästan alla dagens elbilar är så kallade radialflödesmotorer (Radial Flux). Det innebär att det magnetiska flödet rör sig radiellt – utåt från rotationsaxeln. Denna teknik är välbeprövad och billig att tillverka, men lider av fysiska begränsningar när det gäller vikt och volym.

Nästa stora genombrott, som nu rullas ut i premiumsegmentet av bland annat Mercedes-Benz (via dotterbolaget YASA) och Ferrari, är axialflödesmotorn (Axial Flux). Här rör sig det magnetiska flödet parallellt med rotationsaxeln. Detta ger enorma fördelar:

• Extrem effektdensitet: Axialflödesmotorer kan leverera upp till fyra gånger högre vridmoment och dubbel effekt per kilo motortyp jämfört med en traditionell elmotor.
• Ultrakompakt format: Motorn är extremt tunn (pannkaksformad), vilket gör att den väger upp till 50% mindre och tar upp en bråkdel av utrymmet. Det frigör värdefullt utrymme för större batteripaket eller mer kupéutrymme.
• Bättre kylning: Eftersom spolarna sitter monterade direkt mot motorns ytterhölje kan de kylas mycket mer effektivt, vilket gör att motorn kan leverera maximal kontinuerlig effekt under lång tid utan att överhettas.

2. Miljövänligare eldrift: Magnetfria motorer (SESM & WRSM)

Många moderna elmotorer förlitar sig på extremt starka permanentmagneter som innehåller sällsynta jordartsmetaller (som neodym och dysprosium). Utvinningen av dessa metaller är behäftad med stora miljömässiga och geopolitiska problem, då Kina kontrollerar merparten av världsproduktionen.

För att lösa detta utvecklar biltillverkare som BMW (i sina Gen 5 och Gen 6-drivlinor), Renault och bildelsjätten Mahle så kallade magnetfria elmotorer (Wound Rotor Synchronous Motors - WRSM, eller SESM). Istället för sällsynta jordartsmetaller i rotorn använder man vanliga kopparspolar som strömsätts för att skapa det magnetiska fältet. Detta eliminerar helt behovet av sällsynta metaller, sänker tillverkningskostnaden och gör motorn betydligt lättare att återvinna vid bilens livsslut.

3. Förbränningsmotorns överlevnad: Vätgas (Hydrogen ICE)

Även om elbilar dominerar nybilsförsäljningen pågår det ett intensivt arbete för att rädda den klassiska kolvmotorn (förbränningsmotorn) genom att byta bränsle från fossila kolväten till ren vätgas (H2). Detta kallas Hydrogen ICE (Internal Combustion Engine) och drivs pådrivande av tillverkare som Toyota, Yamaha samt tunga maskinjättar som JCB och Cummins.

Vätgasbilar har traditionellt förknippats med bränsleceller (där vätgasen omvandlas till el som driver en elmotor). Men i en vätgasmotor sprutas vätgasen istället in direkt i förbränningsrummet på en i stort sett vanlig bilmotor och antänds med ett tändstift. Fördelarna är uppenbara: biltillverkarna kan behålla sin befintliga produktion och mekaniska expertis, och bilarna behåller sitt karaktäristiska motorljud. Nackdelarna är dock betydande:

• NOx-utsläpp: Eftersom motorn förbränner luft i hög temperatur bildas fortfarande kväveoxider (NOx), vilket kräver avancerad katalysatorteknik för att rena, till skillnad från bränsleceller som bara släpper ut rent vatten.
• Låg energieffektivitet: Precis som med syntetisk bensin (e-fuels) har en förbränningsmotor som körs på vätgas en låg total verkningsgrad (runt 25-30%), vilket gör att det krävs enorma mängder förnybar el för att producera vätgasen jämfört med att skicka strömmen direkt till ett elfordons batteri.

4. Bränsleceller (FCEV) som komplement till batterier

För personbilar har batterielektriska fordon (BEV) i princip vunnit racet tack vare sin höga energieffektivitet och enkla laddning. Men för tung transport, långväga lastbilar och tunga maskiner är batterier ofta för tunga och tar för lång tid att ladda.

Här kommer bränsleceller (Fuel Cell Electric Vehicles - FCEV) att spela en avgörande roll. Genom att kombinera vätgas med syre från luften i en bränslecellsstack genereras ström direkt ombord, med rent vatten som enda restprodukt. Detta ger räckvidder och tankningstider som matchar diesel, men kräver en omfattande utbyggnad av vätgasstationer vilket i dagsläget är en stor ekonomisk tröskel i Sverige.

Sofia sammanfattar

Framtidens bilmotorer handlar inte om en enda universell lösning, utan om en diversifierad spelplan. För vanliga personbilar kommer batterielektrisk drift med nästa generations magnetfria elmotorer och ultrakompakta axialflödesmotorer att dominera totalt på grund av sin oslagbara energieffektivitet. Vätgasdrivna förbränningsmotorer och bränsleceller kommer dock att utgöra ett viktigt komplement i nischer där batterier är för tunga – såsom i flyg, sjöfart och den tunga transportsektorn. Utvecklingen visar att ingenjörskonsten är mer levande än någonsin, med fokus på att maximera verkningsgraden och minimera miljöavtrycket.