Чому менші двигуни на новіших транспортних засобах

Я шукав деякі машини в Інтернеті і помітив, що нові машини отримують менші двигуни.

Для прикладу, я знайшов дизель Ford Focus 1.6 або навіть дизель Mercedess A Klass 2015 має двигун 1.6, який, здається, і хороший.

Чи можете ви пояснити, чому?

Менші двигуни забезпечують безліч переваг порівняно з величезними двигунами. В основному це паливна ефективність, яка також перетворюється на викиди. Чим менше палива ви спалюєте, тим менша кількість газів, які викидаються з двигуна. Мало того, варто враховувати і вагу. Місце в моторному відсіку для додаткових аксесуарів - це теж те, що інженерам також подобається в цьому.

Вам більше не потрібні величезні 8-циліндрові двигуни в звичайних автомобілях, оскільки техніка прийшла до того, що 1.4L може підштовхнути величезну машину. Вся справа в конструкції двигуна. Ви не отримаєте крутного моменту, який ви отримали б з 6 або 8 циліндрів, але для щоденного водія, який отримує вас з точки А до точки В; Це все, що вам справді потрібно. До того ж, коли постійно зростаюча реалізація примусової індукції (Turbos та superchargers) стає нормальною, кінські сили та крутний момент легше досягаються у значно менших двигунах. Я бачив маленькі 2,0 л, які виштовхували 275 к.с. із заводу, що було б майже неможливо, якби турбо не використовувалося.

В основному це стосується споживання палива та викидів. Як зауваження, я також не проти цього; Технікам працювати набагато простіше.

Як каже cloudnyn3, справа полягає в удосконаленні конструкції двигуна - сучасний 1.4 може виробляти стільки ж енергії, що і 2,0 від 20 років тому, але з набагато кращим споживанням палива та викидами - плюс він менший і легший, що знову допомагає - ви отримуєте більше місця в машині для інших речей, і краща економія палива означає, що ви можете помістити менший паливний бак, не втрачаючи дальність, знову завойовуючи місце.

З моменту їх створення було встановлено тенденцію розвитку двигунів внутрішнього згоряння (ДВС) з моменту їх створення, щоб вони були меншими, легшими, дешевшими, потужнішими та ефективнішими.

Ранні ДВС були надзвичайно великими, але при цьому виробляли дуже мало потужності в порівнянні з сучасними двигунами. Перші автомобілі мали бути зроблені надзвичайно великими і досить надійними, щоб розмістити ці двигуни. У перші дні автомобілі також були дуже дорогими, і пересічна людина не змогла б собі їх дозволити.

У жовтні 1913 року Луї Коатален, головний інженер компанії автомобілів Sunbeam Motor Car, ввів автомобіль на V12 в коротких та довгих гонках по Брукленду. Двигун витіснив 9 л (550 куб. Дюйм), з отвором і ходом 80 х 150 мм. Алюмінієвий картер містив два блоки по три циліндри кожен з кожної сторони, під кутом 60 градусів. Циліндри були із заліза, з цілісними головками циліндрів з Г-подібними камерами згоряння. Впускні та витяжні клапани працювали центральним розподільним валом, зазор В. Клапан встановлювався шліфуванням відповідних деталей, двигуну не вистачало будь-яких легких засобів регулювання. Це вказувало на остаточну мету Coatalen - використовувати новий V12 як аеромотор, де слід уникати будь-якого способу регулювання, який може піти не так у польоті. Як було спочатку побудовано, V12 оцінювався у 200 к.с. (150 кВт) при 2400 об / хв, вагою близько 750 фунтів (340 кг). Двигун приводив в дію автомобіль (названий «Toodles V» (за ім'ям домашнього улюбленця дружини Коаталена Оліва) до кількох записів у 1913 та 1914 роках.

https://en.wikipedia.org/wiki/V12_engine#Motor_car_engines

Двигун 'Toodles V' був набагато більшим і важчим, ніж сучасний двигун, але, незважаючи на цей факт, він виробляв стільки ж потужності, скільки порівняно крихітний сучасний двигун. Раннім інженерам просто не вистачало можливості зробити двигуни меншими та легшими на той час.

Генрі Форд допоміг це кардинально змінити. Він представив дуже легкий і невеликий 4-циліндровий двигун для моделі T. Його двигун виробляв лише близько 20 кінських сил, але цього було достатньо для пересічної людини. Були ще великі і потужні двигуни, вироблені для автолюбителів, але це створило ринок доступного автомобіля.

Протягом наступних декількох десятиліть конструкції двигунів постійно удосконалювалися, що призвело до епохи автомобілів м'язів. Автомобільні гонки стали набагато популярнішими та основними, і автомобільні компанії змагалися між собою за випуск більш потужних двигунів. Є стара приказка, яка звучить приблизно як "Виграй у неділю, продай у понеділок". У цей час у виробників було дуже мало норм щодо типів автомобілів, які вони могли виробляти. Автомобілі в основному були пастками смерті, і виробники знали це, і вирішили нічого не робити. У багатьох з них були відсутні будь-які основні функції безпеки, такі як ремені безпеки. Також було дуже мало уваги до економії палива. Газ був дешевим, і не було норм щодо викидів, а ефективність палива, як це є сьогодні.

Починаючи з кінця 1960-х років, уряд прагнув обмежити викиди від автомобілів. Це призвело до створення EPA в 1970 році. Дефіцит газу в 1973 році і подальше подорожчання газу також були рушійними факторами, які ознаменували кінець епохи автомобілів м'язів, починаючи з 1974 року.

Вперше виробникам було доручено виконувати суворі рекомендації, створені урядом США щодо економії палива та викидів. Проблема полягала в тому, що виробники не мали уявлення, як відповідати новим суворим регламентам, і їм не давали багато часу на їх дотримання. Ці нові правила викидів змусили виробників додати пристрої контролю викидів, такі як каталітичні перетворювачі, що зменшило витрату вихлопних газів. Положення EPA також у 1973 році видалили з бензину свинцеву добавку, що змусило змінити конструкції двигунів, щоб вони могли поводитися з безоловними бензинами.

У середині 1970-х років було виготовлено багато автомобілів, які мали великі 8-циліндрові двигуни, що виробляли близько 100 кінських сил. Корвет 1971 року пропонували з двигуном, який мав 425 к.с., а в 1975 році він мав лише 205 к.с. Базова модель 1975 року була ще гіршою, яка мала лише 165 к.с., що приблизно така ж потужність, яку має сьогодні сімейний мінівен. Це призвело до великого протесту громадськості, і виробники автомобілів марно намагалися вдосконалитись, але поліпшення наступали дуже повільно. Це було лише до кінця 1990-х, коли Корвети мали аналогічні показники, ніж їх попередники для м'язових автомобілів.

Приблизно в цей час невеликі та ефективні автомобілі з Японії були представлені на ринки США, і вони були добре сприйняті. Це врешті-решт призвело до втрати домінування американських виробників авто в США. Американські компанії були змушені потрапити на ринок компактних автомобілів, оскільки вони втрачали продаж імпорту. До цього в США було продано дуже мало іномарок. Багато з цих продажів були для невеликих європейських спортивних автомобілів, таких як Triumph, Alfa Romeo, MGB, Austin-Healey, Jaguar, Porsche, Mercedes-Benz, Lotus тощо.

З часом такі технології, як електронне вприскування палива та турбонаддув призвели до значного покращення ефективності та потужності. Багато сучасних двигунів можуть доставити велику кількість кінських сил, але все одно пити паливо. Ці нові конструкції настільки ефективні, що більше не потрібно мати великий двигун у більшості автомобілів.

На виробників автомобілів все ще тиснуть, щоб випускати ще більш економічні машини. Існують також правила, які обмежують середнє споживання палива для всього їхнього парку. Вони в основному змушені виробляти або всі електричні, або гібридні автомобілі, щоб отримати середній MPG до рівня. Все ще є машини з великими V8 і V10, але причина, чому їх менше виробляється, полягає в суворих правилах.

Це зводиться до ефективності.

Не так давно машини загалом були більшими і важчими. EPA та інші урядові організації країн, що виробляють автомобілі, вимагають підвищити ефективність використання палива. Це підштовхувало НДДКР у двох сферах:

• Зробити транспортні засоби менше, тому двигуну потрібно менше енергії для переміщення автомобіля.
• Робити двигуни виробляють більше енергії, використовуючи менше палива.

Перший пункт не є темою для цього питання, але транспортні засоби стали легшими з кількох причин. Основна фізика полягає в тому, що незалежно від силового агрегату транспортному засобу з певною масою потрібна мінімальна кількість енергії для руху. Чим менша ця маса, тим їй потрібно менше енергії (читай: пальне).

За останні роки двигуни стали набагато енергоефективнішими. Наведемо конкретні цифри на цьому з кількома прикладами. Я підберу вантажівку, з якою я знайомий і досліджував раніше.

Chevy Silverado третього покоління (2014+) має два основні варіанти двигуна:

• 4,3 л V6 - 285 к.с.
• 5,3 л V8 - 355 к.с.

Якщо ви повернетесь на кілька років до другого покоління Silverado (2007-2013), є ще кілька варіантів за ці роки, але ось кілька більш широко випущених двигунів:

• 4,3 л V6 - 195 к.с.
• 4,8 л V8 - 295-302 к.с.
• 5,3 л V8 - 315 к.с.

Це одне покоління / ітерація транспортного засобу, а потужність зовсім інша. Новіший V6 виробляє майже стільки ж HP, скільки попередній V8, вимкнений на 10 к.с. Він виробляє на 90 к.с. більше попереднього V6 з тим же переміщенням .

Компанія GM поставила свій двигун LFX у доволі мало транспортних засобів у 2015 та 2016 модельних роках. Його потужність змінюється залежно від того, в якому транспортному засобі він знаходиться (двигуну більше, ніж металевому блоку, є багато деталей, які впливають на потужність). Загалом вони варіюються від 301 до 323 к.с. Цей 3,6-літровий V6 має більшу потужність, ніж перелічені вище версії V8! Насправді двигун 3.6L LFX має на 15-35 більше HP, ніж 4,3 л поточного покоління у Silverado (але менше крутного моменту).

Не надто довго даючи відповідь, ви знайдете дуже схожі результати, якщо подивитесь на інших виробників та двигуни (I4 v V6). Повсюдно існує надзвичайний тиск для підвищення ефективності двигуна.

Сучасні двигуни в основному мають додаткові два циліндри порівняно з двигунами, виробленими лише десять років тому. Менший витіснення зазвичай означає більшу ефективність палива, а сучасні конструкції також дають більше енергії.

Новіші машини мають менші двигуни, тому що цей новий двигун I4 може виробляти стільки енергії, як V6 останнього покоління автомобілів, і використовувати менше палива. Це задовольняє EPA, а також водіям, які витрачають менше на пальне, але все ще мають достатньо енергії при потребі.

^{(Примітка: я пропустив деякі варіанти двигуна, які вище не дуже поширені і не дуже додають дискусії. Так, я знаю, що GM пропонує 6.2L V8, але дуже мало Silverados має, і це не допомагає відповісти на запитання)}

Оскільки поршневий двигун внутрішнього згоряння - це безперервне джерело живлення, яке виробляє енергію лише тоді, коли паливо в циліндрі "нахилиться", є два основних способи отримати більше енергії з двигуна: 1) змусити його крутитися швидше, даючи більше чубчика за одиницю часу, або 2) продовжуйте крутитися повільніше, але додайте більше циліндрів, щоб отримати більше чубчика за одиницю часу.

(Так, ви можете додати нагнітачі або турбокомпресори чи якусь іншу систему, щоб запакувати більше циліндра і палива в циліндр. Ви можете запакувати кілька наборів точок у розподільник і повільніше обертати розподільник - але давайте ігнорувати ці речі прямо зараз, просто заради аргументу :-).

Back In The Day (тм) більшість бензинових двигунів використовували систему запалювання з точково-роторною системою запалення, де пружинний механічний вимикач ("точки") відкривався та закривався кулачком на валу розподільника, генеруючи іскру, яка була направлений на відповідний циліндр ротором і проводами між розподільником і свічками запалювання. Механічний вимикач породжував іскру, перериваючи потік електричного струму через котушку, коли вимикач відкривався; струм, що протікає через котушку, спричинив утворення магнітного поля, а переривання потоку струму призвело до руйнування магнітного поля, що спричинило індукований струм в залізному стрижні посередині котушки, який був підключений до центрального полюса на дистриб'ютор.

Оскільки точки є механічним вимикачем, що ведеться за допомогою пружини, вони обмежують швидкість реагування. Взагалі (і я буду дужезагалом тут) двигуни, що використовують систему запалювання з точками в них, не працювали б надійно зі швидкістю понад 2500 об / хв, оскільки точки «плавали» у відкритому положенні - а тому, що точки не закриваються, струм не може протікати через котушку до встановити магнітне поле, яке руйнується, коли точки відкриються, щоб генерувати іскру запалювання. Так, ви можете використовувати більш міцну пружину на очках, але це спричинило небажані проблеми, як надмірний знос дистрибутора. Тож з абсолютною (іш) верхньою межею обертів на хвилину єдиним способом отримати більше потужності з двигуна було додати до нього більше циліндрів, щоб у вас було більше ударів з двигуна за кожне обертання. Чотирициліндровий двигун дає вам два удари за обертання; шість циліндрів, три чубчика; вісім циліндрів, чотири чубчика. Величезні літальні двигуни, що мають до 22 циліндрів, давали ще більше ударів за обертання. Отже, більше циліндрів, більше потужності.

Увійдіть у світ електронного запалювання, який зараз є стандартним для майже кожного бензинового двигуна у світі. Ця система не усуває механічний вимикач, замінюючи його повністю електронним пристроєм, який фактично не «перезавантажує» час, що дозволяє працювати двигунам набагато швидше. Сьогодні звичайно запускати чотирициліндрові двигуни вище 3000 об / хв на швидкісних швидкостях - маленький чотирилапий моїй Ford Fiesta обертається біля 3200 об / хв при 65 МПГ. У той же час, виробники зробили додаткові вдосконалення в конструкції двигуна, що сприяє збільшенню більшої кількості кінських сил на одиницю переміщення. Але найбільшим фактором, що сприяє підвищенню потужності двигунів від менших двигунів, є електронне запалювання, яке дозволяє невеликому двигуну працювати при більш високих оборотах.

YMMV :-)

Різні відповіді стосуються різних частин загальної відповіді. Коренева відповідь, яку ви шукаєте, - це щільність потужності: скільки кінських сил (кВт, що б не було) на кубічний дюйм (або літр) водоміщення.

Скільки потрібно сил, щоб бажано підштовхнути цей транспортний засіб? Значна частка ваги транспортного засобу - це двигун, тому менший і легший двигун означатиме меншу вагу, щоб натиснути. І менша маса = менше газу. Ось чому поточна лінія F-150 Ford використовує алюмінієвий корпус, а не сталевий. Він легший, для його переміщення потрібно менше енергії.

Як зазначає @Bob Jarvis, електронне запалювання, на відміну від старої системи точок / котушки / розподільника, забезпечує можливість запускати високі обороти і все ще підтримувати час запалювання. Дійсно, він забезпечує більш точні терміни в усьому діапазоні. А більш точні терміни призводять до більш високої щільності потужності.

Впорскування палива забезпечує набагато більш точну суміш палива. Завдяки цьому та більш точним термінам ви можете використовувати більш високі коефіцієнти стиснення (8: 1 для карбюрованого 1981 Omni, який я їхав у підлітковому віці, 9,5: 1 для палива 1998 Дакота, який я їхав недавно; використовуючи той же дешевий, неекірований бензин). Більш високі коефіцієнти стиснення дозволяють отримати більш високу щільність потужності, а також більш високу теплову ефективність.

Пряме впорскування бензину може додатково збільшити коефіцієнт стиснення, який ви можете використовувати. Бензин впорскується безпосередньо в балон, охолоджуючи просто повітря в балоні. Портові ін'єкційні розпилювачі у впускний колектор, охолоджуючи впускні клапани та колектор. Холодне повітря може справлятись з більшим стисненням до того, як воно почне викликати автоматичне займання (стукіт).

Турбокомпресори та нагнітачі дозволяють видавити більший об'єм повітря (і палива) в заданий об'єм, що дозволяє вашому двигуну працювати так, як він має набагато більший об'єм. Це зробить більше палива, роблячи це. Це забезпечує потужність "на вимогу". Це може підштовхнути вашу щільність живлення "на вимогу" дійсно високу; достатньо високий, що для досягнення бажаного рівня потужності не потрібно більше циліндрів або переміщення. Ви не хочете весь час працювати за цим дроселем, але це там, коли вам це потрібно.

Змінна синхронізація клапана дозволяє робити цикл Аткінсона / Міллера замість простого циклу Отто. Це не допомагає вашій щільності потужності настільки, що додатково ділить вашу "базову" щільність потужності від вашої "потужності на вимогу". Якщо ви не вимагаєте енергії так часто, це ще більше сприятиме економії палива. Але він може повернутися до повного циклу Отто, повертаючи вас до максимальної настройки потужності "на вимогу" при необхідності.

Кінцевий результат полягає в тому, що всі ці маленькі хитрощі можуть вичавити більше енергії з кожного кубічного дюйма (літра) переміщення. А також забезпечити більший діапазон налаштувань енергії, при цьому більш низькі параметри потужності забезпечують значно менший витрата палива (і значно нижчі викиди) на милю (або км, якщо ви бажаєте).

Лінійка двигунів Ecoboost Ford використовує все вищезазначене. Вони швидко замінюють V8 на V6, а в результаті замінюють V6 з I4. @Gusdor згадує 1-літровий двигун у своїй Fiesta; досить впевнений, що це 3-циліндровий двигун Ecoboost. Незалежно від того, чи є надійні двигуни настільки надійними, довгостроковими, питання є відкритим. Turbos, особливо на бензинових (бензинових) двигунах з високою частотою обертання, в минулому, як правило, не був таким надійним. Ці двигуни є досить новими, що поки що не багато даних про них. Цілком можливо, що вони вирішили проблеми. Просто занадто рано, щоб сказати.

Кілька років тому річ, яка була весь рейв, - це м'язові машини. Швидке прискорення, гучні двигуни та потужність - усе це було стилем. Однак з роками EPA та інші різноманітні агенції наполягають на зменшенні викидів (збереження навколишнього середовища). Отже, виробники автомобілів почали будувати автомобілі з метою мати мінімальний окис вуглецю, оксиди азоту та вуглеводні. Очевидно, що чим менше двигун, тим менше викидів.

Крім того, прихильність м'язових автомобілів значною мірою приділяється режиму розкішних транспортних засобів, який може бути сконструйований з меншими двигунами, але з більшою кількістю функцій. Таким чином, клієнти задоволені, виробники задоволені, EPA - щасливою, і, як сказав cloudnyn3, також задоволена механіка.

Насправді, можливо, ця тенденція буде зворотна. Дрібним двигунам потрібно працювати при широко відкритому дроселі (WOT), щоб виробляти будь-яку корисну кількість енергії, а збагачення WOT знизить ефективність палива, що не вимірюється поточними нереальними циклами руху. Такі технології, як бензин із середнім введенням середніх частинок, утворюються, а фільтр для твердих частинок коштує багато (але рак легенів коштує дорожче для постраждалих). Турбокомпресор є крихким компонентом і може становити загальне навантаження протягом усього терміну експлуатації автомобіля, включаючи його останні роки. Також поліпшення робочих циклів двигуна (цикл Аткінсона) означають, що об'ємний ККД може насправді знижуватися, хоча енергоефективність зростатиме. Цикл Аткінсона спочатку використовувався в гібридах,

Наприклад, розгляньте мій Opel Vectra 1989 року. 115 к.с. 2,0-літровий двигун C20NE. Тепер розглянемо сучасний еквівалент: Toyota Prius. 1,8-літровий двигун 2ZR-FXE з потужністю 98 к.с., хоча електричний приріст виробляє додаткову кількість енергії, тож ці автомобілі приблизно однаково потужні та розганяються приблизно однаково швидко. Від 2,0 до 1,8 л - це не велика зміна.

Так, намітилася тенденція зменшення розміру та турбонаддуву, але, здається, тенденція зворотна. Наприклад, Toyota Yaris, яка раніше мала 1,33-літровий двигун з природним напором, рухається до 1,5-літрового двигуна в негібридній конфігурації на європейському ринку; гібрид завжди використовував 1,5-літровий двигун (трохи відрізняється від 1,5-літрового негібридного). Я також розумію, що 1,5 літровий двигун весь час пропонувався на ринку Північної Америки.

Отже, не робіть остаточного висновку, перш ніж електрокари з часом замінять автомобілі з рідким паливом. Може статися так, що останні автомобілі з рідким паливом, що працюють на мертвих динозаврах (*), будуть використовувати двигуни Аткінсона без турбонаддуву, тобто розмір двигуна приблизно такий же, як раніше у старих автомобілях.

Я? Я перемістився з 2,0 літра (1989 Opel Vectra) через 1,33 літра (2011 Toyota Yaris) до 2,5 літра (2016 Toyota RAV4 гібрид), хоча в той же час я трохи рухався вгору, враховуючи розмір автомобіля, ціну, вагу та продуктивність.

(*): Так, я знаю, що нафта насправді не походить від мертвих динозаврів ...