Автомобілі з двигуном внутрішнього згоряння: як вони працюють, типи та майбутнє

L Двигуни внутрішнього згоряння залишаються серцем Більшість автомобілів, які ми бачимо щодня, все ще є електричними, хоча електрифікація швидко набирає обертів. Розуміння того, як вони працюють, які типи існують, які переваги вони пропонують і яке їхнє майбутнє порівняно з електромобілями, є ключовим для будь-якого водія, який розглядає можливість придбання нового автомобіля або просто хоче знати, що відбувається під капотом.

У цій статті ми чітко та безпосередньо розглянемо Що таке двигун внутрішнього згоряння, як він класифікується, які його компоненти, як працює чотиритактний цикл? і як він порівнюється з електродвигунами як у справжніх автомобілях, так і в радіокерованих транспортних засобах. Ми також розглянемо поточні дебати щодо його можливого припинення, нові європейські правила та роль технологій у скороченні викидів без повної відмови від цього типу двигунів.

Що таке двигун внутрішнього згоряння і чим він відрізняється від двигуна зовнішнього згоряння?

Двигун внутрішнього згоряння – це машина, в якій Паливо спалюється всередині камери, де виконується механічна робота.У звичайному автомобілі суміш повітря та палива згорає всередині циліндрів, а тиск, що виникає внаслідок цього згоряння, штовхає поршні, які, у свою чергу, обертають колінчастий вал і в результаті рухають колеса.

У двигунах зовнішнього згоряння схема змінюється: Згоряння відбувається поза циліндром, де енергія перетворюєтьсяКласичним прикладом є паровоз: паливо спалюється в котлі, вода нагрівається до перетворення на пару під тиском, і ця пара штовхає поршні в окремому контурі. Енергія спочатку проходить через рідину (воду/пару) і не генерується безпосередньо в циліндрі, як це відбувається в автомобілях.

Ось чому, коли ми говоримо про сучасні автомобілі, ми майже завжди маємо на увазі двигуни внутрішнього згоряння, бензинові чи дизельніякі перетворюють хімічну енергію палива на механічну енергію безпосередньо всередині двигуна за допомогою контрольованих циклів детонації.

Основні типи двигунів у сучасному автомобілебудуванні

Сьогодні на ринку співіснує кілька технологій: бензинові, дизельні, електрифіковані та газові двигуни (LPG або CNG)Всі вони починаються з клавіші або кнопки, але спосіб, у який вони генерують рух, дуже різний.

Щодо обсягу продажів, історичними королями були двигуни внутрішнього згоряння (бензинові та дизельні)Поряд з ними набирають обертів гібриди (які поєднують двигун внутрішнього згоряння та електродвигун), гібриди з підзарядкою від мережі та, меншою мірою, двигуни, призначені для роботи на зрідженому нафтовому газі або стисненому природному газі.

Паралельно, На сцену увірвалися чисто електричні двигуни. В останні роки автомобілі на паливних елементах здобули популярність завдяки суворішим екологічним нормам та поступовому зниженню вартості акумуляторів. Хоча вони працюють за зовсім іншим фізичним принципом, вони конкурують з двигунами внутрішнього згоряння за продуктивністю та експлуатаційними витратами.

Основні компоненти двигуна внутрішнього згоряння

Щоб двигун внутрішнього згоряння перетворив паливо в рух, йому потрібен ряд частини, що працюють ідеально скоординованоХоча між бензином і дизелем є відмінності, база в обох випадках схожа.

Блок двигуна – це основна конструкція, де все інтегровано. Усередині розміщені циліндри, в яких рухаються поршні.разом із каналами охолодження та змащення. Зазвичай він виготовляється з чавуну або алюмінію, щоб витримувати високий тиск і температури, що виникають під час горіння.

Поршні – це циліндричні елементи, які Вони рухаються вгору та вниз всередині кожного циліндра, щоб скористатися розширенням газу.Вони мають сегменти по периметру для герметизації камери згоряння та контролю потоку оливи. Їхнє вертикальне зміщення передається через шатуни до колінчастого вала, перетворюючи лінійний рух на обертання.

Колінчастий вал, що має неправильну форму та підтримується підшипниками, відповідає за перетворюють зворотно-поступальний рух поршнів у безперервне обертанняУсі шатуни сходяться в ньому, і звідти енергія передається до коробки передач і, нарешті, до коліс.

Внизу ми знаходимо відстійник, своєрідний металевий лоток або діжку, яка Він служить резервуаром для моторного масла.Ця олива безперервно подається насосом для змащування та охолодження рухомих компонентів (поршнів, шатунів, колінчастого вала, розподільного вала тощо), зменшуючи тертя та знос.

Зверху знаходиться ложе, складна деталь, в якій розміщено впускні та випускні клапани, пружини, камера згоряння та, в бензинових двигунах, свічки запалюванняГоловка блоку циліндрів закриває циліндри зверху та з'єднується з блоком двигуна за допомогою прокладки головки блоку циліндрів, що є критично важливим елементом, що забезпечує герметичність між ними.

Прокладка головки блоку циліндрів виконує функцію герметизувати прохід газів, олії та холодоагенту між блоком циліндрів та головкою блоку циліндрів. Якщо він вийде з ладу, рідини можуть змішуватися або втрачатися компресія, що різко знижує продуктивність двигуна та потенційно може призвести до серйозних пошкоджень.

У кожному циліндрі поршень переміщується по відстані, визначеній між верхньою мертвою точкою (ВМТ) та нижньою мертвою точкою (НМТ). Цей рух називається ходом поршня, і залежно від його довжини та діаметра циліндра визначається загальний об'єм двигуна.

Чотиритактний цикл: як працює двигун автомобіля

Більшість сучасних легкових автомобілів використовують чотиритактні двигуни внутрішнього згоряння, заснований на циклі Отто (у бензині) або на дуже схожому циклі Дизеля, з деякими відмінностями в запалюванні.

Під час фази впуску поршень рухається вниз від ВМТ до НМТ, створення вакууму, що сприяє потраплянню повітря або паливоповітряної суміші в циліндр через впускний клапан, який залишається відкритим під час цієї поїздки.

Під час фази стиснення впускний клапан закривається, і поршень знову піднімається. Паливно-повітряна суміш стискається до дуже малого об'єму, значно підвищуючи його тиск і температуру та залишаючи суміш готовою до горіння.

У фазі горіння (або вибуху) стиснута суміш займається. У бензиновому двигуні іскра генерується свічкою запалювання.У дизельному двигуні, навпаки, паливо впорскується, коли повітря настільки гаряче внаслідок стиснення, що воно самозаймається. Раптове розширення газів з силою штовхає поршень вниз.

Під час такту випуску поршень знову піднімається, коли відкривається випускний клапан, і Згорілі гази викидаються у вихлопний колектор та випускну системуВ кінці цього етапу цикл починається знову, повторюючись тисячі разів на хвилину з моменту запуску двигуна до моменту його зупинки.

Також існують двотактні двигуни, в яких Кожен повний оберт колінчастого вала генерує згорянняЦе відбувається за рахунок погіршення процесів змішування та спрощення розподілу. Вони поширені в невеликих мотоциклах та легкій техніці, але майже зникли з автомобільної промисловості через проблеми з викидами та довговічністю.

Класифікація двигунів внутрішнього згоряння

Двигуни внутрішнього згоряння можна замовити за кількома критеріями: тип палива, розташування циліндрів, кількість циліндрів або спосіб роботиКожна комбінація відповідає конкретним потребам щодо продуктивності, вартості, розміру та м'якості.

Залежно від палива, класичний поділ в автомобільній промисловості розрізняє бензинові двигуни та дизельні двигуниОднак, існують також варіанти, що працюють на бензині (LPG, CNG), і навіть багатопаливні двигуни, здатні працювати на різних сумішах. Крім того, існують двигуни, адаптовані до синтетичного або вуглецево-нейтрального палива, що теоретично може продовжити термін служби двигунів внутрішнього згоряння, одночасно зменшуючи їхній вплив на клімат.

Розглядаючи розташування циліндрів, ми знаходимо рядні двигуни (циліндри розташовані один за одним), V-подібні двигуни (два ряди циліндрів, що утворюють кут), опозитні або протилежні двигуни (циліндри розташовані один навпроти одного в горизонтальній площині) та більш екзотичні конфігурації, такі як W-двигуни, H-двигуни, X-двигуни або радіальні двигуни з циліндрами, розташованими у формі зірки, більш типовий для авіації та спеціального застосування.

Щодо кількості циліндрів, автомобілі можуть бути оснащені найрізноманітнішими блоками двигунів: від 3 циліндрів у малих двигунах до 12 або навіть 16 циліндрів У високопродуктивних автомобілях збільшення кількості циліндрів зазвичай покращує плавність ходу та потужність, але це також ускладнює конструкцію та збільшує загальну вартість.

Що стосується механічної роботи, то, окрім вищезгаданого чотиритактного двигуна, ми можемо знайти двотактні двигуни, роторні двигуни типу Ванкеля, газові турбіни та інші менш поширені архітектуриНа практиці чотиритактні двигуни є кращими для дорожніх автомобілів завдяки їхньому гарному балансу між ефективністю, питомою потужністю, витратою палива та виробничими витратами.

Практичне порівняння: електромобілі проти автомобілів з двигуном внутрішнього згоряння

Найбільшою зміною останніх років стала поява повністю електричних транспортних засобів як реальної альтернативи. Фундаментальна різниця полягає в як енергія генерується та подається до системи тягиТепловий двигун спалює паливо в послідовних циклах, тоді як електродвигун базується на магнітних полях, що генеруються електричним струмом.

В автомобілі з двигуном внутрішнього згоряння дросельна заслінка керує впуском повітря та разом із уприскуванням палива... визначає, скільки суміші надходить у циліндри за кожен циклІскра або високий рівень стиснення викликає згоряння, яке приводить у рух поршень і весь механізм механічних елементів аж до коліс.

В електромобілі двигун складається з обмоток та ротора; шляхом інвертування та модуляції магнітних полів за допомогою інвертора, Генерується крутний момент, пропорційний силі струму, яку отримує двигун.Чим більший струм, тим більший крутний момент і, отже, більш миттєва тяга, без необхідності складного перемикання передач.

Якщо проаналізувати викиди, то автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння викидають забруднюючі гази та CO₂ через вихлопну трубуЗ іншого боку, електромобілі на акумуляторах не викидають газів під час використання, хоча викиди пов’язані з виробництвом електроенергії та самими акумуляторами. Гібриди, що підключаються до мережі (PHEV), та звичайні гібриди (HEV) зменшують викиди порівняно з транспортним засобом із виключно двигуном внутрішнього згоряння, але вони все ще залежать від викопного палива.

Щодо ваги, електромобілі зазвичай на 20-30% важчі за їхні аналоги згоряння завдяки акумуляторному блоку. Ця додаткова вага, розміщена в підлозі автомобіля, знижує центр ваги та покращує стійкість, хоча й дещо збільшує витрату палива на високих швидкостях.

Що стосується прискорення, максимальний крутний момент електродвигуна доступний майже з нульових обертів, тому Реакція на натискання педалі акселератора миттєваБагато масових електромобілів легко перевершують показники розгону компактних автомобілів з бензиновим двигуном. Що стосується максимальної швидкості, деякі спортивні автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння все ще домінують, але в повсякденному використанні електромобілі часто здаються «швидшими».

Що стосується витрат, заправка бензином або дизельним паливом стає дедалі дорожчою. Заряджання електромобіля вдома, навіть за поточних цін на електроенергію, Зазвичай це коштує вдвічі менше або менше, ніж подорож на ту саму відстань автомобілем з двигуном внутрішнього згорянняРізниця ще більша, якщо ви скористаєтеся позапіковими тарифами або доплатами за роботу.

Також змінюється враження від керування: автомобіль із двигуном внутрішнього згоряння генерує механічний шум та шум вихлопних газів, а також вібрації. Електродвигун характеризується дуже тихою та плавною роботою.Це зменшує втому під час поїздок та шумове забруднення в місті, але при цьому втрачає частину звукового «характеру», який багато ентузіастів цінують у бензинових двигунах.

Електричні проти радіокерованих автомобілів з двигуном внутрішнього згоряння: ті ж дебати в невеликому масштабі

Цікаво, що та сама конфронтація між Використання електродвигунів та двигунів внутрішнього згоряння є постійною темою у світі радіокерованих автомобілів.На перший погляд вони виглядають схожими, але силова установка повністю змінює характер автомобіля.

Електричні радіокеровані машинки живляться від акумуляторів та використовують щіткові (зі щітками) або безщіткові двигуни. Щіткові двигуни простіші, з меншою кількістю регулювань та більшим тертямТому вони в основному використовуються в іграшках та моделях початкового рівня. Їхня продуктивність обмежена, і вони сильніше нагріваються.

Безщіткові двигуни, з іншого боку, позбавляються щіток і пропонують Більше потужності, більша ефективність та менше обслуговуванняНа змаганнях практично всі серйозні моделі обирають цю технологію, яка може навіть перевершити невеликі двигуни Nitro.

З теплової сторони ми знаходимо нітродвигун, складний механізм з карбюратором, повітряним фільтром, свічкою розжарювання, поршнем, баком та вихлопною системою. Шарм Nitro полягає в звуці, димі та ритуалі налаштування., що приваблює просунутих ентузіастів, які люблять «повозитися» з механікою.

Шасі також має значення. В електромобілях часто можна знайти Пластикові шасі в бюджетних моделях та металеві або вуглецеві шасі в моделях високого класупрагнучи легкості та жорсткості. У двигунах внутрішнього згоряння металеве шасі також допомагає розсіювати тепло, що виробляється двигуном.

Що стосується переваг, то електричні радіокеровані автомобілі дуже популярні серед початківців, оскільки Вони чистіші, тихіші та простіші у використанніПросто зарядіть акумулятор, і він готовий до роботи, потребуючи мінімального обслуговування. Основним недоліком є ​​обмежений запас ходу (15-30 хвилин на зарядку) та час заряджання, що вимагає наявності кількох акумуляторів для безперебійної їзди.

Нітромобілі сяють у тривалих сесіях: з кожним баком вони можуть їздити довше та Просто заправтеся за лічені секунди, щоб продовжувати насолоджуватисяОднак вони вимагають частого очищення, перевірки свічок запалювання та певного рівня знань у регулюванні карбюратора, крім того, що вони гучніші та чутливіші до води.

Поточна дискусія: Чи мають двигуни внутрішнього згоряння майбутнє?

Перехід до електромобільності викликав запеклі дебати щодо майбутнього двигунів внутрішнього згоряння. Виробники, такі як Toyota, через свій підрозділ автоспорту Toyota Gazoo Racing, стверджують, що «Ворог — не двигун внутрішнього згоряння, а вуглець».Іншими словами, проблема полягає у викидах, а не обов'язково в самій технології спалювання.

З цієї точки зору, бренд стверджує, що двигуни внутрішнього згоряння можна використовувати й надалі. якщо їх поєднувати з вуглецево-нейтральним паливом, гібридними системами та покращенням теплової ефективностіТаким чином, вплив на клімат буде суттєво зменшений без повної відмови від традиційних двигунів.

Масова електрифікація, з іншого боку, вимагає інтенсивного видобутку критично важливих мінералів, таких як літій, кобальт або нікель для виробництва акумуляторів у великих масштабахЦе викликає занепокоєння щодо екологічного та соціального впливу на гірничодобувні регіони, а також щодо потенційних проблем з постачанням у міру зростання світового попиту.

Toyota та інші виробники обрали диверсифіковану стратегію: звичайні гібриди, гібриди з підзарядкою, повністю електричні автомобілі, водневі паливні елементи та двигуни, розроблені для синтетичного паливаІдея полягає не в тому, щоб класти всі яйця в один кошик для електротехніки, а в тому, щоб паралельно досліджувати кілька рішень.

Також ведеться робота над більш компактними та термічно ефективними двигунами внутрішнього згоряння, здатними забезпечувати хорошу продуктивність з меншою витратою палива та меншою кількістю викидівЗ точки зору таких брендів, як Toyota Gazoo Racing, цінність автомобіля вимірюється не лише показниками розгону, а й «задоволенням за кермом» та враженнями від водіння, намагаючись збалансувати це задоволення з вимогами сталого розвитку.

Європейські правила та ключові дати для автомобілів з двигунами внутрішнього згоряння

У Європі дебати носять не лише технічний, а й регуляторний характер. Європейський парламент і Рада домовилися заборонити виробництво та реєстрацію нових автомобілів та фургонів з двигунами внутрішнього згоряння з 2035 року, що є поворотним моментом для галузі.

До настання цієї дати набуває чинності пакет заходів «Готові до 55 років», який встановлює ціль до 2030 року. скорочення викидів CO₂ на 55% від легкових автомобілів та на 50% від легких комерційних транспортних засобів порівняно з 2021 роком. Це змушує виробників пришвидшити перехід на моделі з низьким або нульовим рівнем викидів.

Крім того, стандарт Євро-7, який має набути повної чинності приблизно у 2025 році, ще більше посилює обмеження не лише на викиди, але й на частинки, що утворюються гальмами та шинамиМета полягає в тому, щоб зменшити загальний вплив транспортного засобу на навколишнє середовище, а не лише той, що виходить з вихлопних газів.

З 2035 року в Європейському Союзі дозволять реєструвати лише нові транспортні засоби з нульовим рівнем викидів, тобто переважно акумуляторні електричні та водневіАвтомобілі з двигунами внутрішнього згоряння та гібридні автомобілі більше не продаватимуться новими, хоча ті, що вже зареєстровані, продовжуватимуть обертатися, і ринок вживаних автомобілів все ще може існувати, ймовірно, з більшими обмеженнями та податками.

Витрати на адаптацію для великих виробників величезні: за оцінками, такі групи, як Volkswagen або Stellantis, повинні будуть інвестувати від 350 до 450 мільярдів євро декарбонізувати свої пропозиції. В результаті багато брендів вирішили закрити підрозділи, що займаються розробкою нових двигунів внутрішнього згоряння, та зосередитися на електромобільності.

Все вказує на фактичне припинення виробництва автомобілів з двигунами внутрішнього згоряння Це навіть можна було б перенести з встановленого законом термінупросто тому, що вони перестануть бути конкурентоспроможними чи прибутковими до 2035 року. Однак, автомобілі, які вже виготовлені, продовжуватимуть використовуватися протягом терміну їхньої корисної експлуатації, який можна легко продовжити на 15 років або більше.

Реальні викиди та технології для зменшення впливу двигуна внутрішнього згоряння

Основний принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння означає, що за визначенням, генерує викиди CO₂ та інші забруднюючі речовини шляхом спалювання вуглеводнів. Однак за останні десятиліття показники значно покращилися завдяки арсеналу технологій боротьби із забрудненням.

Для бензинових двигунів використовуються наступні: трикомпонентні каталізатори, що відновлюють оксиди азоту, чадний газ та незгорілі вуглеводніУ дизельних двигунах поширені сажові фільтри (DPF або FAP), системи рециркуляції відпрацьованих газів (EGR) та каталізатори SCR з AdBlue для зменшення викидів NOx.

Згідно з даними, зібраними JATO Dynamics, Середні викиди CO₂ від нових автомобілів, проданих у 21 європейській країні Вони зросли з приблизно 120 г/км у 2015 році до приблизно 106,7 г/км у 2020 році. Такі країни, як Нідерланди, Данія, Португалія та Швеція, мали ще нижчі значення, наближаючись або перевищуючи цільовий показник 95 г/км, встановлений ЄС.

Майбутні норми Євро-7 не посилюють обмеження викидів CO₂, оскільки передбачається, що До 2035 року всі нові автомобілі будуть мати нульові прямі викидиАле це ще більше знижує ліміти викидів NOx (особливо для дизельного палива, які зростають з 80 до 60 мг/км) і вимагає від автомобілів дотримуватися норм викидів довше: від 5 років або 100 000 км до 10 років або 200 000 км.

Також було вирішено скоротити приблизно на 13% викиди твердих частинок з вихлопних газів і 27% походять від гальмівних рідин, вперше включаючи оцінку пилу, що утворюється гальмівною системою, хоча точна методологія вимірювання ще потребує визначення.

Для досягнення цих цілей галузь вдається до таких заходів, як Полегшення конструкцій, покращення аеродинаміки, оптимізація силових агрегатів та використання нових матеріалів що дозволяють створювати легші та ефективніші автомобілі з самого початку.

Легкі матеріали та їхній внесок у скорочення викидів

Дуже ефективний спосіб зменшити витрату палива та викиди автомобіля - це зменшити його вагу без шкоди для безпеки чи жорсткості конструкціїСаме тут на допомогу приходять передові технічні пластмаси та стільникові матеріали.

Яскравим прикладом є спінений поліпропілен (EPP) – матеріал із внутрішньою структурою, яка Він містить приблизно 95% повітряНезважаючи на свою легкість, він здатний поглинати удари без остаточної деформації, тому його використовують в елементах пасивної безпеки, таких як амортизатори енергії або наповнювачі бамперів.

Завдяки своїм чудовим тепло- та електроізоляційним властивостям, EPP також використовується для корпуси акумуляторних батарей та системи ізоляції в електромобілях, захищаючи клітини від перепадів температури та ударів, а також допомагаючи продовжити їхній термін служби та автономність.

В автомобілях з двигунами внутрішнього згоряння використання цих легких компонентів в інтер'єрах, конструкційних панелях та допоміжних елементах сприяє зменшити загальну масу транспортного засобуЦе безпосередньо призводить до зниження витрати палива та, отже, до зменшення викидів CO₂ на кілометр пройденого шляху.

Поєднання інтелектуального зниження ваги, вдосконаленої аеродинаміки та систем нейтралізації вихлопних газів, Виробники досягають набагато чистіших двигунів внутрішнього згоряння, ніж лише десять років томухоча вони навряд чи зможуть зрівнятися з нульовими локальними викидами повністю електричного транспортного засобу.

Дивлячись на загальну картину, двигуни внутрішнього згоряння все ще домінують за кількістю транспортних засобів на дорогах та їх технологічною зрілістю, але регуляторний тиск, розвиток електромобілів та кліматичні проблеми переосмислюють їхню роль; все вказує на те, що вони роками співіснуватимуть з електричними та гібридними рішеннями, що підтримуватиметься підвищенням ефективності, чистішим паливом та легкими матеріалами, тоді як інфраструктура та технології акумуляторів завершують консолідацію сценарію, в якому домінують транспортні засоби з нульовим рівнем викидів.