Существует широкий спектр доступных или потенциально доступных для автомобилей и других транспортных средств двигательных систем . Варианты включают двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине , дизельном топливе , пропане или природном газе ; гибридные автомобили , подключаемые гибриды , автомобили на топливных элементах, работающие на водороде , и все электромобили . Транспортные средства, работающие на топливе, по-видимому, имеют преимущество из-за ограниченного диапазона и высокой стоимости батарей . Некоторые варианты требуют строительства сети заправочных или зарядных станций . [1] Не имея убедительных преимуществ для какого-либо конкретного варианта, автопроизводители следовали параллельным путям развития, используя различные варианты. Уменьшение веса транспортных средств было одной из используемых стратегий.
Использование высоких технологий (таких как электронные блоки управления двигателем ) в передовых конструкциях, являющихся результатом значительных инвестиций в исследования в области развития со стороны европейских стран и Японии, по-видимому, дало им преимущество перед китайскими автопроизводителями и поставщиками деталей, которые по состоянию на 2013 год имели низкие бюджеты на разработку и не имели производственных мощностей для производства деталей для высокотехнологичных конструкций двигателей и силовых агрегатов. [2]
Главной характеристикой автомобильного двигателя (по сравнению со стационарным двигателем или судовым двигателем ) является высокое отношение мощности к весу . Это достигается за счет использования высокой скорости вращения. Однако автомобильные двигатели иногда модифицируются для морского использования, образуя морской автомобильный двигатель .
В первые годы были опробованы паровые двигатели и электродвигатели , но с ограниченным успехом. В 20 веке доминирующим стал двигатель внутреннего сгорания (ДВС). В 2015 году двигатель внутреннего сгорания остается наиболее широко используемым, но возрождение электричества кажется вероятным из-за растущей обеспокоенности по поводу выбросов выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания .
По состоянию на 2017 год большинство автомобилей в Соединенных Штатах работают на бензине . В начале 1900-х годов двигатели внутреннего сгорания столкнулись с конкуренцией со стороны паровых двигателей и электродвигателей . Двигатели внутреннего сгорания того времени работали на бензине. Двигатели внутреннего сгорания работают по принципу поршня , толкаемого давлением определенного взрыва. [3] Этот взрыв сжигает углеводород в цилиндре двигателя. Из всех автомобилей, произведенных в то время, только около четверти фактически считаются двигателями внутреннего сгорания. В течение следующих нескольких лет двигатель внутреннего сгорания стал самым популярным автомобильным двигателем. [4] Где-то в 19 веке Рудольф Дизель изобрел новую форму энергии внутреннего сгорания, используя концепцию впрыска жидкого топлива в воздух, нагретый исключительно за счет сжатия. [3] Это предшественник современного дизельного двигателя, используемого в автомобилях, но, более конкретно, в большегрузных транспортных средствах, таких как полуприцепы-грузовики.
Бензиновые двигатели быстро стали выбором производителей и потребителей. Несмотря на грубый запуск, шумный и грязный двигатель и сложное переключение передач, новые технологии, такие как производственная линия и усовершенствование двигателя, позволили стандартизировать производство газовых автомобилей. Это начало, от изобретения газового автомобиля в 1876 году, до начала массового производства в 1890-х годах. Модель T Генри Форда снизила цену автомобилей до более доступной. В то же время Чарльз Кеттеринг изобрел электрический стартер , позволяющий запускать двигатель без необходимости в механической рукоятке. [5] Изобилие топлива приводило газовые автомобили в состояние высокой производительности и доступности. Спрос на бензин вырос с 3 миллиардов баррелей в 1919 году до примерно 15 миллиардов в 1929 году. [6]
Двигатель внутреннего сгорания работает за счет расширения газа, который создается при сгорании углеводородных газов. [7] Если говорить точнее, двигатель внутреннего сгорания использовал тепло сгорания, создаваемое впрыскиваемым углеводородным топливом, для создания механического движения. В начале 1900-х годов древесный спирт был популярным топливом для французских и немецких автомобилей, но поскольку правительства ввели большие налоги на производство, цена на древесный спирт выросла выше, чем на бензин. [7] В результате этого стали популярны бензиновые двигатели, поскольку двигатели внутреннего сгорания были широко известны как бензиновые двигатели. Хотя бензиновые двигатели стали популярными, они были не особенно желательны из-за опасности утечек топлива, которые могли вызвать взрывы. Поэтому многие изобретатели пытались создать двигатель, работающий на керосине. Это не было успешным предприятием, применяющим его для автомобильного использования. Существует много различных видов топлива для двигателей внутреннего сгорания. К ним относятся дизельное топливо , бензин и этанол .
Паровой двигатель был изобретен в конце 1700-х годов и стал основным способом питания двигателей и вскоре локомотивов . Одним из самых популярных паровых автомобилей был «Stanley Steamer», предлагавший низкий уровень загрязнения, мощность и скорость. Недостатком этих паровых автомобилей является ненадежность, сложность и частые аварии, которые с ними происходили. Время запуска парового автомобиля может занимать до 45 минут, что сводит на нет цель более быстрой транспортировки. К тому времени, когда паровой автомобиль был усовершенствован, сложность производства по сравнению с газовыми автомобилями сделала паровые автомобили нерентабельными. [5]
Паровой двигатель — это устройство, преобразующее тепло в механическое движение. Это обеспечивается использованием котлов, которые создают пар путем кипячения воды. В начале 1900-х годов Эбнер Добл представил в Соединенных Штатах автомобиль с паровым двигателем, который имел возможности, которые потенциально могли бы превзойти Ford Model T по эффективности. [8] Известно, что пар имеет очень эффективную топливную экономичность с высоким источником энергии. Вот почему половина мира работала на пару почти весь 19-й век и почти половину 20-го века. Главным недостатком парового двигателя в автомобилях было то, что операторы должны были иметь полные знания о котлах и паровых двигателях перед началом работы, так как это было пагубно для самого двигателя, если оператор пренебрегал этим. [7]
Электромобили казались наиболее жизнеспособным вариантом, подобно паровым автомобилям. Впервые они были изобретены в начале 1800-х годов и стали жизнеспособным вариантом транспорта около 1890 года, когда Уильям Моррисон создал первый электромобиль, который ехал со скоростью 14 миль в час. Электромобили обеспечивали низкий уровень загрязнения и бесшумную езду, в отличие от своих бензиновых аналогов. Самым большим недостатком электромобилей был запас хода. Типичный электромобиль мог проехать около 20 миль, прежде чем требовалась подзарядка. Производители не могли увеличить количество батарей из-за их громоздкости в то время. Без стимула покупать электромобили, газовые автомобили были наиболее жизнеспособным вариантом в то время. [5]
Электромобили используют батареи для хранения электроэнергии , которая используется для питания электродвигателей . Батарея подает питание на двигатель, который является либо переменным током (AC), либо постоянным током (DC). Разница между двигателями переменного и постоянного тока заключается в типе системы, которая требуется для его работы в электромобиле. Двигатель переменного тока , как правило, дешевле, но компоненты, необходимые для его работы в электромобиле, такие как контроллер и инвертор, делают его более дорогим, чем двигатель постоянного тока. Уникальная особенность электромобилей по сравнению с его бензиновыми аналогами, заключается в том, что электромобиль проще, чем бензиновый. [9] Электромобиль обходит компоненты бензинового автомобиля, такие как коленчатый вал, что позволяет ему вырабатывать энергию намного быстрее, чем бензиновый. Благодаря более быстрой передаче энергии электромобиль способен разгоняться быстрее, чем бензиновые автомобили. [10]
В 1970-х годах электромобили снова появились из-за нефтяного эмбарго ОПЕК 1973 года . Ранее основным источником топлива для транспортных средств был имеющийся в изобилии бензин. Но после его дефицита производители снова начали обращать внимание на электромобили. Несмотря на усовершенствованные технологии 1800-х годов, электромобили сталкивались с аналогичными технологическими недостатками, такими как ограниченный пробег и скорость. Они могли двигаться со скоростью только до 45 миль в час и имели запас хода около 40 миль. [11]