Automobily se spalovacím motorem: jak fungují, typy a budoucnost

L Spalovací motory zůstávají srdcem Většina aut, která denně vídáme, je stále elektrická, i když elektrifikace rychle získává na obrátkách. Pochopení toho, jak fungují, jaké typy existují, jaké výhody nabízejí a co jim přinese budoucnost ve srovnání s elektromobily, je klíčové pro každého řidiče, který zvažuje koupi nového vozu nebo jen chce vědět, co se děje pod kapotou.

V tomto článku si to jasně a přímo rozebereme Co je to spalovací motor, jak se klasifikuje, jaké jsou jeho součásti a jak funguje čtyřtaktní cyklus? a jak si vede v porovnání s elektromotory ve skutečných autech i ve vozidlech na dálkové ovládání. Také se podíváme na současnou debatu o jeho možném zániku, nová evropská nařízení a roli technologií při snižování emisí, aniž by se tento typ motoru zcela opustil.

Co je to spalovací motor a jak se liší od motoru s vnějším spalováním?

Spalovací motor je stroj, ve kterém Palivo se spaluje uvnitř komory, kde se vykonává mechanická práce.V konvenčním automobilu se směs vzduchu a paliva spaluje uvnitř válců a tlak generovaný tímto spalováním tlačí písty, které následně otáčejí klikovým hřídelem a nakonec pohybují koly.

U spalovacích motorů se schéma mění: Spalování probíhá mimo válec, kde se energie transformujeKlasickým příkladem je parní lokomotiva: palivo se spaluje v kotli, voda se ohřívá, dokud se nestane stlačenou párou, a tato pára tlačí písty v odděleném okruhu. Energie prochází nejprve kapalinou (voda/pára) a nevytváří se přímo ve válci, jako je tomu v automobilech.

Proto, když mluvíme o moderních autech, téměř vždy máme na mysli spalovací motory, ať už benzínové nebo naftovékteré přeměňují chemickou energii paliva na mechanickou energii přímo uvnitř motoru pomocí řízených detonačních cyklů.

Hlavní typy motorů v moderním automobilovém průmyslu

Dnes na trhu existuje několik technologií současně: benzínové, naftové, elektrifikované a plynové motory (LPG nebo CNG)Všechny začínají klávesou nebo tlačítkem, ale způsob, jakým generují pohyb, je velmi odlišný.

Co se týče objemu prodeje, historicky byli králové spalovací motory (benzínové a naftové)Vedle nich se prosazují hybridy (kombinující spalovací motor a elektromotor), plug-in hybridy a v menší míře i motory určené pro provoz na zkapalněné ropné plyny nebo stlačený zemní plyn.

Paralelní, Na scénu vtrhly čistě elektrické motory. V posledních letech si vozidla s palivovými články získala na popularitě díky přísnějším environmentálním předpisům a postupnému snižování nákladů na baterie. Přestože fungují na zcela odlišném fyzikálním principu, co se týče výkonu a provozních nákladů, konkurují spalovacím motorům.

Klíčové součásti spalovacího motoru

Aby spalovací motor mohl přeměnit palivo na pohyb, potřebuje řadu díly, které fungují dokonale koordinovaněAčkoli existují rozdíly mezi benzínem a naftou, základ je v obou případech podobný.

Blok motoru je hlavní konstrukční část, kde je vše integrováno. Uvnitř jsou uloženy válce, ve kterých se pohybují písty.spolu s chladicími a mazacími kanály. Obvykle je vyroben z litiny nebo hliníku, aby odolal vysokým tlakům a teplotám vznikajícím během spalování.

Písty jsou válcové prvky, které Pohybují se uvnitř každého válce nahoru a dolů, aby využily roztažnosti plynu.Po obvodu mají segmenty, které utěsňují spalovací komoru a regulují tok oleje. Jejich vertikální pohyb se přenáší přes ojnice na klikový hřídel, čímž se lineární pohyb přeměňuje na rotaci.

Klikový hřídel s nepravidelným tvarem a ložisky je zodpovědný za přeměnit vratný pohyb pístů na nepřetržitou rotaciVšechny ojnice se v něm sbíhají a odtud se energie přenáší do převodovky a nakonec ke kolům.

Dole najdeme jímku, jakýsi kovový podnos nebo vanu, která Slouží jako zásobník motorového oleje.Tento olej je nepřetržitě čerpán za účelem mazání a chlazení pohyblivých součástí (pístů, ojnic, klikového hřídele, vačkového hřídele atd.), čímž se snižuje tření a opotřebení.

Nahoře se nachází pažba, složitý kus, ve kterém je umístěna sací a výfukové ventily, pružiny, spalovací komora a u benzínových motorů i zapalovací svíčkyHlava válců uzavírá válce shora a je spojena s blokem motoru pomocí těsnění hlavy válců, což je klíčový prvek, který zajišťuje utěsnění mezi nimi.

Těsnění hlavy válců má funkci utěsnit průchod plynů, oleje a chladiva mezi blokem a hlavou válců. Pokud selže, mohou se kapaliny smísit nebo může dojít ke ztrátě komprese, což drasticky sníží výkon motoru a může způsobit vážné poškození.

V každém válci se píst pohybuje v prostoru definovaném mezi horní úvratí (TDC) a dolní úvratí (BDC). Tento pohyb se nazývá zdvih pístua v závislosti na jeho délce a průměru válce je definován celkový zdvihový objem motoru.

Čtyřtaktní cyklus: jak funguje motor automobilu

Většina moderních osobních automobilů používá čtyřtaktní spalovací motory, založený na Ottově cyklu (v benzínu) nebo na velmi podobném Dieselově cyklu, s určitými rozdíly v zapalování.

Během fáze sání se píst pohybuje směrem dolů z horní úvrati do spodní úvrati, vytvoření podtlaku, který usnadňuje vstup vzduchu nebo směsi vzduchu a paliva do válce přes sací ventil, který během této jízdy zůstává otevřený.

Během fáze komprese se sací ventil uzavře a píst se opět zvedne. Směs vzduchu a paliva je stlačena do velmi malého objemu, čímž se výrazně zvýší jeho tlak a teplota a směs se tak udrží připravená ke spalování.

Ve fázi spalování (nebo exploze) se stlačená směs vznítí. U benzínového motoru je jiskra generována zapalovací svíčkou.U vznětového motoru se naproti tomu palivo vstřikuje, když je vzduch v důsledku komprese tak horký, že se samovolně vznítí. Náhlá expanze plynů silně tlačí píst dolů.

Během výfukového zdvihu se píst opět zvedne, když se výfukový ventil otevře a Spálené plyny jsou odváděny do výfukového potrubí a výfukového systému.Na konci této fáze cyklus začíná znovu a opakuje se tisíckrát za minutu od okamžiku, kdy nastartujeme motor, až do jeho vypnutí.

Existují také dvoutaktní motory, u kterých Každá úplná otáčka klikového hřídele generuje spalováníTo se děje na úkor míchacích procesů a zjednodušení distribuce. Jsou běžné u malých motocyklů a lehkých strojů, ale z automobilového průmyslu téměř vymizely kvůli obavám o emise a trvanlivost.

Klasifikace spalovacích motorů

Spalovací motory lze seřadit podle několika kritérií: druh paliva, uspořádání válců, počet válců nebo způsob provozuKaždá kombinace reaguje na specifické potřeby, pokud jde o výkon, cenu, velikost a měkkost.

Podle paliva se v automobilovém průmyslu rozlišuje klasické dělení mezi benzínové motory a naftové motoryExistují však i varianty na benzínový pohon (LPG, CNG) a dokonce i vícepalivové motory schopné provozu na různé směsi. Kromě toho existují motory přizpůsobené syntetickým nebo uhlíkově neutrálním palivům, které by teoreticky mohly prodloužit životnost spalovacích motorů a zároveň snížit jejich dopad na klima.

Při pohledu na uspořádání válců nacházíme řadové motory (válce za sebou), motory do V (dvě řady válců svírající úhel), boxerové nebo protilehlé motory (válce proti sobě v horizontální rovině) a exotičtější konfigurace, jako například Motory W, motory H, motory X nebo hvězdicové motory s válci uspořádanými do hvězdice, typičtější pro letectví a speciální aplikace.

Pokud jde o počet válců, automobily mohou být vybaveny širokou škálou bloků motorů: od 3 válců u malých motorů až po 12 nebo dokonce 16 válců U vysoce výkonných vozidel zvýšení počtu válců obvykle zlepšuje plynulost chodu a výkon, ale také komplikuje konstrukci a zvyšuje celkové náklady.

Co se týče mechanické funkce, kromě výše zmíněného čtyřtaktního motoru můžeme nalézt dvoutaktní motory, rotační motory Wankelova typu, plynové turbíny a další méně běžné architekturyV praxi se pro silniční automobily upřednostňují čtyřtaktní motory kvůli jejich dobrému poměru mezi účinností, měrným výkonem, spotřebou paliva a výrobními náklady.

Praktické srovnání: elektromobily versus vozy se spalovacím motorem

Největší změnou v posledních letech je nástup čistě elektrických vozidel jako skutečné alternativy. Zásadní rozdíl spočívá v jak se energie vyrábí a dodává do trakčního systémuTepelný motor spaluje palivo v po sobě jdoucích cyklech, zatímco elektromotor je založen na magnetických polích generovaných elektrickým proudem.

V automobilu se spalovacím motorem ovládá škrticí klapka sání vzduchu a spolu se vstřikováním paliva... určuje, kolik směsi vstupuje do válců v každém cykluJiskra nebo vysoká komprese způsobuje spalování, které pohání píst a uvádí do pohybu celou řadu mechanických prvků až po kola.

V elektrickém vozidle se motor skládá z vinutí a rotoru; invertováním a modulací magnetických polí pomocí střídače, Generuje se točivý moment, který je úměrný proudu, který motor přijímá.Čím větší proud, tím větší točivý moment a tím i okamžitější tah, bez nutnosti složitého řazení.

Pokud analyzujeme emise, auta se spalovacím motorem produkují znečišťující plyny a CO₂ výfukovým potrubímBateriová elektromobily naproti tomu během používání neprodukují žádné plyny, ačkoli s výrobou elektřiny a samotnými bateriemi jsou spojeny emise. Plug-in hybridy (PHEV) a konvenční hybridy (HEV) sice ve srovnání s vozidly s čistě spalovacím motorem snižují emise, ale stále jsou závislé na fosilních palivech.

Pokud jde o hmotnost, elektromobily jsou obvykle o 20 až 30 % těžší než jejich ekvivalenty spalování kvůli bateriovému bloku. Tato dodatečná hmotnost umístěná v podlaze vozu snižuje těžiště a zlepšuje stabilitu, i když mírně zvyšuje spotřebu paliva při vysokých rychlostech.

Pokud jde o zrychlení, maximální točivý moment elektromotoru je k dispozici téměř od nulových otáček, takže Reakce na sešlápnutí plynového pedálu je okamžitáMnoho běžných elektromobilů snadno překonává akcelerační čísla kompaktních vozů s benzínovým motorem. Pokud jde o maximální rychlost, stále dominují některé sportovní vozy se spalovacím motorem, ale v každodenním provozu se elektromobily často jeví jako „rychlejší“.

Co se týče nákladů, tankování benzínu nebo nafty je stále dražší. Nabíjení elektromobilu doma, a to i při současných cenách elektřiny, Obvykle to stojí polovinu nebo méně než cestování na stejnou vzdálenost autem se spalovacím motoremRozdíl je ještě větší, pokud využijete sazeb mimo špičku nebo příplatků za práci.

Změní se i zážitek z jízdy: vůz se spalovacím motorem generuje mechanický hluk a hluk z výfuku, stejně jako vibrace, zatímco Elektromotor se vyznačuje velmi tichým a plynulým chodem.To snižuje únavu na cestách a hlukovou zátěž ve městě, ale za cenu ztráty části zvukového „charakteru“, který mnoho nadšenců u benzínových motorů oceňuje.

Elektrická vs. spalovací auta na dálkové ovládání: stejná debata v malém měřítku

Zajímavé je, že stejná konfrontace mezi Používání elektromotorů a spalovacích motorů je ve světě rádiem ovládaných aut opakujícím se tématem.Na první pohled vypadají podobně, ale pohonný systém zcela mění charakter vozidla.

Elektrická RC auta jsou napájena bateriemi a používají kartáčové (s kartáči) nebo bezkartáčové motory. Kartáčové motory jsou jednodušší, s menším počtem nastavení a větším třenímProto se používají hlavně v hračkách a základních modelech. Jejich výkon je omezený a více se zahřívají.

Bezkartáčové motory na druhou stranu eliminují kartáče a nabízejí Větší výkon, vyšší účinnost a méně údržbyV soutěžích se pro tuto technologii rozhodují prakticky všechny seriózní modely, které dokonce dokáží překonat i malé motory Nitro.

Z tepelné stránky nacházíme nitromotor, složitý mechanismus s karburátorem, vzduchovým filtrem, žhavicí svíčkou, pístem, nádrží a výfukem. Kouzlo Nitra spočívá ve zvuku, kouři a rituálu ladění., což láká pokročilé nadšence, kteří si rádi „pohrají“ s mechanikou.

Podvozek také hraje roli. U elektromobilů je běžné, že Plastové šasi u levnějších modelů a kovové nebo uhlíkové šasi u modelů vyšší třídyhledání lehkosti a tuhosti. U spalovacích motorů kovový podvozek také pomáhá odvádět teplo generované motorem.

Co se týče výhod, elektrická RC auta jsou velmi oblíbená u začátečníků, protože Jsou čistší, tišší a snadněji se používajíStačí nabít baterii a můžete vyrazit s minimální údržbou. Hlavní nevýhodou je omezený dojezd (15–30 minut na jedno nabití) a doba nabíjení, která vyžaduje mít několik baterií pro nepřerušovanou jízdu.

Nitro auta zazáří v dlouhých jízdách: s každou nádrží mohou jet déle a Jednoduše natankujte během několika sekund a můžete si užívat dálVyžadují však časté čištění, kontrolu zapalovacích svíček a určitou úroveň odborných znalostí v seřizování karburátoru, kromě toho jsou hlučnější a citlivější na vodu.

Aktuální debata: Mají spalovací motory budoucnost?

Přechod na elektromobilitu vyvolal intenzivní debatu o budoucnosti spalovacích motorů. Výrobci jako Toyota prostřednictvím své divize motoristického sportu Toyota Gazoo Racing tvrdí, že „Nepřítelem není spalovací motor, ale uhlík.“Jinými slovy, problémem jsou emise, nikoli nutně samotná technologie spalování.

Z tohoto hlediska značka argumentuje, že spalovací motory lze i nadále používat. v kombinaci s uhlíkově neutrálními palivy, hybridními systémy a zlepšením tepelné účinnostiTímto způsobem by se podstatně snížil dopad na klima, aniž by se tradiční motory zcela vyloučily.

Masová elektrifikace na druhou stranu vyžaduje intenzivní těžbu kritických minerálů, jako je např. lithium, kobalt nebo nikl pro výrobu baterií ve velkém měřítkuTo vyvolává obavy ohledně environmentálního a sociálního dopadu na těžební regiony a ohledně potenciálních problémů se zásobováním s rostoucí globální poptávkou.

Toyota a další výrobci zvolili diverzifikovanou strategii: konvenční hybridy, plug-in hybridy, čistě elektrická vozidla, vodíkové palivové články a motory určené pro syntetická palivaCílem není dát všechna vejce do jednoho košíku s elektrotechnikou, ale prozkoumat několik řešení současně.

Probíhají také práce na kompaktnějších a tepelně účinnějších spalovacích motorech, které by mohly nabídnout dobrý výkon s nižší spotřebou paliva a menšími emisemiZ pohledu značek, jako je Toyota Gazoo Racing, se hodnota vozu neměří pouze v údajích o zrychlení, ale také v „zábavě za volantem“ a zážitku z jízdy, přičemž se snaží vyvážit toto potěšení s požadavky na udržitelnost.

Evropské předpisy a klíčová data pro automobily se spalovacím motorem

V Evropě se nejedná pouze o technickou, ale i regulační debatu. Evropský parlament a Rada se dohodly zakázat výrobu a registraci nových automobilů a dodávek se spalovacím motorem od roku 2035, což představuje zlomový bod pro toto odvětví.

Než toto datum nastane, vstoupí v platnost balíček opatření „Fit for 55“, který si stanoví cíl do roku 2030. 55% snížení emisí CO₂ z osobních automobilů a 50% snížení z lehkých užitkových vozidel ve srovnání s rokem 2021. To nutí výrobce urychlit přechod na modely s nízkými nebo nulovými emisemi.

Norma Euro 7, která by měla plně vstoupit v platnost kolem roku 2025, dále zpřísňuje limity nejen pro emise, ale také pro částice generované brzdami a pneumatikamiCílem je snížit celkový dopad vozidla na životní prostředí, nejen to, co vychází z výfukových plynů.

Od roku 2035 bude v Evropské unii povoleno registrovat pouze nová vozidla s nulovými emisemi, tj. primárně bateriové elektrické a vodíkovéVozy se spalovacím motorem a hybridní vozy se již nebudou prodávat nové, ačkoli ty, které již byly registrovány, budou nadále v oběhu a stále může existovat trh s ojetými vozy, pravděpodobně s většími omezeními a daněmi.

Náklady na adaptaci pro velké výrobce jsou obrovské: odhaduje se, že skupiny jako Volkswagen nebo Stellantis budou muset investovat mezi 350 a 450 miliardami eur dekarbonizovat svou nabídku. V důsledku toho se mnoho značek rozhodlo uzavřít divize zaměřené na vývoj nových spalovacích motorů a soustředit se na elektromobilitu.

Všechno nasvědčuje faktickému ukončení výroby automobilů se spalovacími motory Dalo by se to dokonce posunout i ze zákonné lhůtyjednoduše proto, že přestanou být konkurenceschopné nebo ziskové před rokem 2035. Již vyrobené vozy však budou nadále jezdit po dobu své životnosti, kterou lze snadno prodloužit o 15 let nebo i více.

Reálné emise a technologie ke snížení dopadu spalovacího motoru

Základní princip spalovacího motoru znamená, že z definice produkuje emise CO₂ a další znečišťující látky spalováním uhlovodíků. Tato čísla se však v posledních desetiletích výrazně zlepšila díky arzenálu technologií proti znečištění.

U benzínových motorů se používají: třícestné katalyzátory, které redukují oxidy dusíku, oxid uhelnatý a nespálené uhlovodíkyU vznětových motorů jsou běžné filtry pevných částic (DPF nebo FAP), systémy recirkulace výfukových plynů (EGR) a katalyzátory SCR s AdBlue pro snížení emisí NOx.

Podle údajů shromážděných společností JATO Dynamics Průměrné emise CO₂ z nových automobilů prodaných v 21 evropských zemích Z přibližně 120 g/km v roce 2015 klesly na přibližně 106,7 g/km v roce 2020. Země jako Nizozemsko, Dánsko, Portugalsko a Švédsko měly ještě nižší hodnoty, které se blížily cíli 95 g/km stanovenému EU nebo jej dokonce překročily.

Nadcházející předpisy Euro 7 nezpřísňují limity CO₂, protože se předpokládá, že Do roku 2035 budou všechna nová auta s nulovými přímými emisemiDále však snižuje limity NOx (zejména u nafty, které se zvyšují z 80 na 60 mg/km) a vyžaduje, aby automobily dodržovaly emisní normy po delší dobu: z 5 let nebo 100 000 km na 10 let nebo 200 000 km.

Bylo také rozhodnuto snížit o přibližně 13 % emise pevných částic z výfuku a 27 % pochází z brzdových kapalin, přičemž poprvé je zahrnuto i vyhodnocení prachu generovaného brzdovým systémem, ačkoli přesná metodologie měření je stále třeba definovat.

K dosažení těchto cílů se průmysl uchyluje k opatřením, jako je např. Odlehčení konstrukcí, vylepšení aerodynamiky, optimalizace hnacích ústrojí a použití nových materiálů které umožňují výrobu lehčích a efektivnějších automobilů od samého začátku.

Lehké materiály a jejich příspěvek ke snižování emisí

Velmi účinným způsobem, jak snížit spotřebu paliva a emise automobilu, je snížit hmotnost bez kompromisů v oblasti bezpečnosti nebo strukturální tuhostiZde přicházejí na řadu pokročilé technické plasty a buněčné materiály.

Ukázkovým příkladem je expandovaný polypropylen (EPP), materiál s vnitřní strukturou, která Obsahuje přibližně 95 % vzduchuPřestože je lehký, dokáže absorbovat nárazy bez trvalé deformace, proto se používá v prvcích pasivní bezpečnosti, jako jsou tlumiče energie nebo výplně nárazníků.

Díky svým vynikajícím tepelným a elektrickým izolačním vlastnostem se EPP používá také pro kryty baterií a izolační systémy v elektromobilech, chrání články před teplotními změnami a šoky a pomáhají prodloužit jejich životnost a autonomii.

U automobilů se spalovacím motorem přispívá použití těchto lehkých komponentů v interiérech, konstrukčních panelech a pomocných prvcích k snížit celkovou hmotnost vozidlaTo má přímo za následek nižší spotřebu paliva, a tedy i nižší emise CO₂ na ujetý kilometr.

Kombinace inteligentního snižování hmotnosti, vylepšené aerodynamiky a systémů dodatečného zpracování výfukových plynů, Výrobci dosahují mnohem čistších spalovacích motorů než před pouhými deseti letyačkoliv se jen stěží budou moci vyrovnat nulovým lokálním emisím čistě elektrického vozidla.

Z celkového hlediska stále dominují spalovací motory, co se týče počtu vozidel na silnicích a jejich technologické vyspělosti, ale regulační tlak, pokrok elektromobilů a obavy o klima redefinují jejich roli; vše naznačuje, že budou po léta koexistovat s elektrickými a hybridními řešeními, podporovanými zlepšením účinnosti, čistšími palivy a lehkými materiály, zatímco infrastruktura a technologie baterií dotvářejí konsolidaci scénáře, v němž dominují vozidla s nulovými emisemi.