Dlaczego mniejsze silniki w nowszych pojazdach

Szukałem niektórych samochodów w Internecie i zauważyłem, że nowsze samochody mają mniejsze silniki.

Na przykład znalazłem diesla Forda Focus 1.6, a nawet diesla Mercedess A Klass 2015 ma silnik 1.6, który wydaje się być dobry.

Czy możesz wyjaśnić dlaczego?

Mniejsze silniki zapewniają niezliczone korzyści w porównaniu do dużych silników. Głównie jego oszczędność paliwa przekłada się również na emisje. Im mniej paliwa spalisz, tym mniej gazów zostaje wydalonych z silnika. Nie tylko to, ale ważna jest również waga. Miejsce w komorze silnika na dodatkowe akcesoria jest również czymś, co podoba się inżynierom.

Nie potrzebujesz już wielkich 8-cylindrowych silników w zwykłych samochodach, ponieważ inżynieria doszła do punktu, w którym 1,4 l może popchnąć ogromny samochód. Chodzi o konstrukcję silnika. Nie uzyskasz momentu obrotowego z 6 lub 8 cylindrów, ale dla codziennego kierowcy, który prowadzi cię z punktu A do punktu B; To wszystko, czego naprawdę potrzebujesz. Dodatkowo, wraz ze stale rosnącą implementacją wymuszonej indukcji (turbosprężarki i turbosprężarki), która staje się normalna, moc i moment obrotowy można łatwiej osiągnąć w znacznie mniejszych silnikach. Widziałem niewiele 2,0L, które wypychają zapasy 275 KM z fabryki, co byłoby prawie niemożliwe, gdyby nie zastosowano turbosprężarki.

Głównie dotyczy to jednak zużycia paliwa i emisji. Na marginesie, nie mam nic przeciwko; Technikom jest znacznie łatwiej pracować.

Jak mówi cloudnyn3, chodzi przede wszystkim o ulepszenie konstrukcji silnika - nowoczesny 1.4 może wytwarzać tyle samo mocy, co 2.0 z 20 lat temu, ale przy znacznie lepszym zużyciu paliwa i emisji - a ponadto jest mniejszy i lżejszy, co pomaga ponownie - dostajesz więcej miejsca w samochodzie na inne rzeczy, a lepsze zużycie paliwa oznacza, że ​​możesz zmieścić mniejszy zbiornik paliwa bez utraty zasięgu, ponownie zyskując miejsce.

Od momentu powstania silników spalinowych (ICE) zaobserwowano trend polegający na ich zmniejszeniu, zmniejszeniu, zmniejszeniu, zmniejszeniu i zwiększeniu wydajności i wydajności od momentu ich wynalezienia.

Wczesne ICE były bardzo duże, ale wytwarzały bardzo małą moc w porównaniu z nowoczesnymi silnikami. Pierwsze samochody musiały być bardzo duże i wystarczająco wytrzymałe, aby pomieścić te silniki. Na początku samochody były również bardzo drogie i przeciętny człowiek nie byłby w stanie sobie na nie pozwolić.

W październiku 1913 r. Louis Coatalen, główny inżynier Sunbeam Motor Car Company, wszedł do samochodu napędzanego silnikiem V12 w krótkich i długich wyścigach z handicapem na Brooklands. Silnik wyparł 9 l (550 cu in), z otworem i skokiem 80 x 150 mm. Aluminiowa skrzynia korbowa zawierała dwa bloki po trzy cylindry, każdy z każdej strony, z kątem 60 stopni. Cylindry były z żelaza, z integralnymi głowicami cylindrów z komorami spalania w kształcie litery L. Zawory wlotowe i wylotowe były sterowane przez centralny wałek rozrządu w V. Luz zaworowy ustawiono przez szlifowanie odpowiednich części, silnik pozbawiony łatwych środków regulacji. Wskazywało to na ostateczny cel Coatalen, jakim było wykorzystanie nowego V12 jako silnika lotniczego, w którym należało unikać wszelkich metod regulacji, które mogłyby się nie udać podczas lotu. Jak pierwotnie zbudowano, silnik V12 miał moc 200 KM (150 kW) przy 2400 obr./min, o wadze około 750 funtów (340 kg). Silnik napędzał samochód (o nazwie „Toodles V” (nazwa zwierzaka żony Coatalena Olive) do kilku rekordów w 1913 i 1914 roku.

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

Silnik „Toodles V” był znacznie większy i cięższy niż nowoczesny silnik, ale mimo to wytwarzał tyle mocy, co stosunkowo niewielki nowoczesny silnik. Pierwszym inżynierom po prostu brakowało możliwości zmniejszenia silników i zmniejszenia ich ciężaru w tym czasie.

Henry Ford pomógł drastycznie to zmienić. Wprowadził bardzo lekki i mały 4-cylindrowy silnik do Modelu T. Jego silnik wytwarzał jedynie około 20 koni mechanicznych, ale to wystarczyło przeciętnemu człowiekowi. Dla entuzjastów motoryzacji nadal produkowano duże i mocne silniki, ale stworzyło to rynek na niedrogi samochód.

W ciągu kilku następnych dziesięcioleci konstrukcje silników były stale ulepszane, co doprowadziło do ery samochodów sportowych. Wyścigi samochodowe stały się znacznie bardziej popularne i popularne, a firmy samochodowe rywalizowały ze sobą o mocniejsze silniki. Istnieje stare powiedzenie, które brzmi: „Wygraj w niedzielę, sprzedaj w poniedziałek”. W tej chwili producenci mieli bardzo niewiele przepisów dotyczących rodzajów samochodów, które mogliby produkować. Samochody były w zasadzie pułapkami śmierci, a producenci o tym wiedzieli i postanowili nic nie robić. W wielu z nich brakowało podstawowych zabezpieczeń, takich jak pasy bezpieczeństwa. Bardzo mało uwagi poświęcono także zużyciu paliwa. Gaz był tani i nie było przepisów dotyczących emisji i efektywności paliwowej, jak ma to miejsce obecnie.

Począwszy od końca lat 60. XX wieku rząd dążył do ograniczenia emisji z samochodów. Doprowadziło to do utworzenia EPA w 1970 r. Niedobór gazu w 1973 r., A następnie wzrost kosztów gazu były również czynnikami, które oznaczały koniec ery samochodów mięśniowych od roku modelowego 1974.

Po raz pierwszy producenci zostali zobowiązani do przestrzegania surowych wytycznych opracowanych przez rząd USA w zakresie oszczędności paliwa i emisji. Problem polegał na tym, że producenci nie mieli pojęcia, jak spełnić nowe surowe przepisy i nie mieli zbyt wiele czasu na ich przestrzeganie. Te nowe przepisy dotyczące emisji zmusiły producentów do dodania urządzeń kontrolujących emisje, takich jak katalizatory, które zmniejszyły przepływ spalin. Przepisy EPA usunęły również dodatek ołowiu z benzyny w 1973 r., Co zmusiło konstrukcję silnika do zmiany, aby mogły obsługiwać benzynę bezołowiową.

W połowie lat 70. wyprodukowano wiele samochodów, które miały duże 8-cylindrowe silniki, które wytwarzały tylko około 100 koni mechanicznych. Korweta z 1971 r. Była oferowana z silnikiem o mocy 425 KM, aw 1975 r. Miała tylko 205 KM. Podstawowy model z 1975 roku był jeszcze gorszy i miał tylko 165 KM, czyli mniej więcej tyle samo, co dzisiaj rodzinny minivan. Doprowadziło to do dużego publicznego oburzenia, a producenci samochodów na próżno próbowali wprowadzić ulepszenia, ale ulepszenia następowały bardzo powoli. Dopiero pod koniec lat 90. XX wieku Corvettes osiągnęły wyniki podobne do swoich poprzedników w samochodach sportowych.

W tym czasie małe i wydajne samochody z Japonii były wprowadzane na rynki amerykańskie i zostały dobrze przyjęte. Doprowadziło to ostatecznie do utraty dominacji amerykańskich producentów samochodów w Stanach Zjednoczonych. Firmy amerykańskie były zmuszone wejść na rynek samochodów kompaktowych, ponieważ tracą sprzedaż na import. Wcześniej bardzo niewiele zagranicznych samochodów sprzedawano w USA. Wiele z tych sprzedaży dotyczyło małych europejskich samochodów sportowych, takich jak Triumph, Alfa Romeo, MGB, Austin-Healey, Jaguar, Porsche, Mercedes-Benz, Lotus itp.

Z czasem technologie takie jak elektroniczny wtrysk paliwa i turbodoładowanie doprowadziły do ​​znacznej poprawy wydajności i mocy. Wiele nowoczesnych silników może dostarczać dużą moc, ale nadal sączy się paliwo. Te nowe konstrukcje są tak wydajne, że nie ma już potrzeby posiadania dużego silnika w większości samochodów.

Producenci samochodów wciąż wywierają presję, aby produkować jeszcze bardziej oszczędne pojazdy. Istnieją również przepisy ograniczające średnie zużycie paliwa w całej ich flocie. Zasadniczo są zmuszeni do produkcji samochodów elektrycznych lub hybrydowych, aby obniżyć średnią MPG do normy. Wciąż są samochody z dużymi silnikami V8 i V10, ale powodem tego, że produkuje się go mniej, są surowe przepisy.

Sprowadza się to do wydajności.

Nie tak dawno temu samochody były ogólnie większe i cięższe. EPA i inne organizacje rządowe w krajach produkujących samochody zobowiązały do ​​wyższej wydajności paliwowej. Pchnęło to B + R w dwóch obszarach:

• Sprawia, że ​​pojazdy ważą mniej, więc silnik potrzebuje mniej energii do poruszania samochodem.
• Sprawiając, że silniki wytwarzają więcej mocy przy mniejszym zużyciu paliwa.

Pierwszy punkt jest nie na temat tego pytania, ale pojazdy stały się lżejsze z kilku powodów. Podstawowa fizyka polega na tym, że niezależnie od układu napędowego pojazd o określonej masie wymaga minimalnej ilości energii do poruszania się. Niższa masa wymaga mniej energii (czytaj: paliwo).

W ostatnich latach silniki stały się znacznie bardziej wydajne energetycznie i paliwowo. Dodajmy do tego kilka konkretnych liczb z kilkoma przykładami. Wybiorę ciężarówkę, którą znam i którą wcześniej badałem.

Chevy Silverado trzeciej generacji (2014+) ma dwie podstawowe opcje silnika:

• 4,3L V6 - 285 KM
• 5,3L V8 - 355 KM

Jeśli cofniesz się o kilka lat do Silverado drugiej generacji (2007-2013), istnieje kilka innych opcji na przestrzeni lat, ale oto niektóre z szerzej produkowanych silników:

• 4,3L V6 - 195HP
• 4,8L V8 - 295-302 KM
• 5,3L V8 - 315 KM

To jest pojedyncza generacja / iteracja pojazdu, a moc jest zupełnie inna. Nowsza wersja V6 wytwarza prawie tyle samo HP, co poprzednia wersja V8, o 10 HP mniej. Produkuje 90 KM więcej niż poprzednia V6 przy takim samym przesunięciu .

GM wprowadził silnik LFX do kilku pojazdów w latach modelowych 2015 i 2016. Jego moc różni się w zależności od pojazdu, w którym się znajduje (silnik ma więcej niż metalowy blok, jest wiele części, które wpływają na moc). Ogólnie różnią się między 301 a 323 PW. Ten 3.6L V6 ma więcej mocy niż poprzednia generacja V8 wymieniona powyżej! W rzeczywistości silnik LFX o pojemności 3,6 litra ma o 15–35 KM więcej niż 4,3 litra obecnej generacji w Silverado (ale mniejszy moment obrotowy).

Nie czyniąc tej odpowiedzi zbyt długo, znajdziesz bardzo podobne wyniki, jeśli spojrzysz na innych producentów i silniki (I4 v V6). Na całym pokładzie panuje ogromna presja, aby poprawić wydajność silnika.

Nowoczesne silniki mają w zasadzie dwa dodatkowe cylindry w porównaniu do silników wyprodukowanych zaledwie dziesięć lat temu. Mniejsze przemieszczenie ogólnie oznacza większą oszczędność paliwa, a nowoczesne konstrukcje wytwarzają również większą moc.

Nowsze samochody mają mniejsze silniki, ponieważ nowy silnik I4 może wytwarzać tyle mocy, co V6 ostatniej generacji, i zużywając przy tym mniej paliwa. Jest to satysfakcjonujące dla EPA, a także dla kierowców, którzy wydają mniej na paliwo, a mimo to dysponują dużą mocą, gdy jest to potrzebne.

^{(Uwaga: pominąłem niektóre z powyższych opcji silnika, które nie są zbyt powszechne i tak naprawdę nie dodają wiele do dyskusji. Tak, wiem, że GM oferuje V8 o pojemności 6,2 litra, ale ma ją bardzo niewiele Silverados i to nie pomaga Odpowiedz na pytanie)}

Ponieważ silnik spalinowy napędzany tłokiem jest nieciągłym źródłem zasilania, które wytwarza energię tylko wtedy, gdy paliwo w cylindrze „huknie”, istnieją dwa podstawowe sposoby uzyskania większej mocy z silnika: 1) przyspieszenie jego obrotów, daje więcej uderzeń na jednostkę czasu lub 2) utrzymuje, że obraca się wolniej, ale dodaj więcej cylindrów, aby uzyskać więcej uderzeń na jednostkę czasu.

(Tak, możesz dodać doładowania, turbosprężarki lub inny system, aby pakować więcej paliwa i powietrza do cylindra, a także możesz pakować wiele zestawów punktów do dystrybutora i obracać go wolniej - ale zignorujmy to teraz, po prostu Dla argumentu :-).

Back In The Day (tm) większość silników benzynowych korzystała z układu zapłonowego typu rotor, w którym sprężynowy przełącznik mechaniczny („punkty”) był otwierany i zamykany przez krzywkę na wale dystrybutora, wytwarzając iskrę, która była poprowadzony do odpowiedniego cylindra przez wirnik i przewody między dystrybutorem a świecami zapłonowymi. Przełącznik mechaniczny wytworzył iskrę, przerywając przepływ prądu elektrycznego przez cewkę, gdy przełącznik się otworzył; prąd przepływający przez cewkę spowodował powstanie pola magnetycznego, a przerwanie przepływu prądu spowodowało zapadnięcie się pola magnetycznego, co spowodowało indukowany prąd w żelaznym pręcie w środku cewki, która była połączona z biegunem środkowym na dystrybutor.

Ponieważ punkty są sprężynowym przełącznikiem mechanicznym, mają ograniczenie szybkości reakcji. Ogólnie (i jestem bardzoogólnie tutaj) silniki wykorzystujące układ zapłonowy z punktami w nich nie działałyby niezawodnie przy prędkościach powyżej 2500 obr./min, ponieważ punkty „unosiłyby się” w pozycji otwartej - a ponieważ punkty nie zamykały się, prąd nie przepływałby przez cewkę do ustawić pole magnetyczne, które zapadnie się, gdy punkty zostaną otwarte w celu wygenerowania iskry zapłonowej. Tak, możesz użyć silniejszej sprężyny w punktach, ale spowodowało to niepożądane problemy, takie jak nadmierne zużycie dystrybutora. Zatem przy absolutnym (ish) górnym limicie RPM jedynym sposobem na uzyskanie większej mocy z silnika było dodanie do niego większej liczby cylindrów, aby uzyskać więcej uderzeń z silnika przy każdym obrocie. Czterocylindrowy silnik daje dwa uderzenia na obrót; sześć cylindrów, trzy grzywki; osiem cylindrów, cztery grzywki. Ogromne silniki lotnicze z maksymalnie 22 cylindrami dawały jeszcze więcej uderzeń na obrót. Więcej cylindrów, więcej mocy.

Wejdź do świata elektronicznego zapłonu, który jest teraz standardem w prawie każdym silniku benzynowym na świecie. Ten system eliminuje mechaniczny przełącznik, zastępując go w pełni elektronicznym urządzeniem, które nie ma czasu „resetu”, co pozwala na znacznie szybszą pracę silników . Dzisiaj powszechne jest uruchamianie czterocylindrowych silników o prędkości powyżej 3000 obr / min przy prędkościach na autostradzie - mały czterocylindrowy silnik w moim Fordzie Fiesta obraca się z prędkością około 3200 obr / min przy 65 MPH. Jednocześnie producenci wprowadzili stopniowe ulepszenia w konstrukcji silnika, które przyczyniają się do zwiększenia mocy na jednostkę pojemności skokowej. Ale IMO w największym stopniu przyczyniło się do zwiększenia mocy z mniejszych silników, to zapłon elektroniczny, który pozwala małemu silnikowi pracować przy wyższych obrotach.

YMMV :-)

Różne odpowiedzi dotyczą różnych części ogólnej odpowiedzi. Podstawową odpowiedzią, której szukasz, jest gęstość mocy: ile koni mechanicznych (kW, cokolwiek) na cal sześcienny (lub litr) pojemności skokowej.

Ile mocy potrzeba, aby popchnąć ten pojazd w pożądany sposób? Znaczną część masy pojazdu stanowi silnik, więc mniejszy, lżejszy silnik oznacza mniejszą wagę do popychania. A mniejsza masa = mniej gazu. Właśnie dlatego obecna linia Forda F-150 wykorzystuje aluminiowy korpus zamiast stalowego. Jest lżejszy i wymaga mniejszej mocy, aby go przenieść.

Jak zauważa @Bob Jarvis, zapłon elektroniczny, w przeciwieństwie do starego układu punkt / cewka / dystrybutor, zapewnia możliwość uruchamiania wysokich obrotów i nadal zachowuje czas zapłonu. Rzeczywiście, zapewnia bardziej precyzyjny pomiar czasu w całym zakresie. A dokładniejsze taktowanie skutkuje wyższą gęstością mocy.

Wtrysk paliwa zapewnia znacznie bardziej precyzyjną mieszankę paliwa. Dzięki temu i bardziej precyzyjnemu taktowaniu można użyć wyższych współczynników kompresji (8: 1 w przypadku gaźnikowego Omni z 1981 r., Którym jeździłem jako nastolatek, 9,5: 1 w przypadku wtryskiwanego paliwa z 1998 r. Dakota, którym ostatnio jeździłem; używając tego samego taniego, bezołowiowego benzyna). Wyższe współczynniki kompresji pozwalają na większą gęstość mocy, a także wyższą sprawność cieplną.

Bezpośredni wtrysk benzyny może dodatkowo zwiększyć współczynnik kompresji, którego można użyć. Benzyna jest wtryskiwana bezpośrednio do cylindra, chłodząc tylko powietrze w cylindrze. Wtrysk wlotowy rozpyla się do kolektora dolotowego, chłodząc zawory dolotowe i kolektor podczas procesu. Chłodniejsze powietrze może wytrzymać większą kompresję, zanim zacznie powodować samozapłon (stuk).

Turbosprężarki i sprężarki doładowujące pozwalają ci wycisnąć większą objętość powietrza (i paliwa) do danej pojemności skokowej, umożliwiając silnikowi pracę tak, jakby miał znacznie większą pojemność skokową. Spowoduje to spalenie większej ilości paliwa. Zapewnia to moc „na żądanie”. Może naprawdę zwiększyć gęstość mocy „na żądanie”; wystarczająco wysoka, aby więcej cylindrów lub pojemności nie było potrzebnych do osiągnięcia pożądanego poziomu mocy. Nie chcesz cały czas biegać z tym ustawieniem przepustnicy, ale jest tam, kiedy jej potrzebujesz.

Zmienny rozrząd zaworów pozwala wykonać cykl Atkinsona / Millera zamiast zwykłego cyklu Otto. To nie pomaga twojej gęstości mocy, ponieważ bardziej dzieli twoją „podstawową” gęstość mocy od gęstości „na żądanie”. Jeśli nie potrzebujesz tak często mocy, zwiększy to dodatkowo zużycie paliwa. Ale może powrócić do pełnego cyklu Otto, w razie potrzeby przywracając maksymalne ustawienie mocy „na żądanie”.

Efektem końcowym jest to, że wszystkie te małe sztuczki mogą wycisnąć większą moc z każdego cala sześciennego (litra) pojemności. Zapewniają też większy zakres ustawień mocy, przy czym niższe ustawienia mocy zapewniają znacznie mniejsze zużycie paliwa (i znacznie niższe emisje) na milę (lub km, jeśli wolisz).

Linia silników Ford Ecoboost wykorzystuje wszystkie powyższe. W rezultacie szybko zastępują V8 V6 i V6. @Gusdor wspomina w swojej Fieście o 1 litrowym silniku; całkiem pewne, że to 3-cylindrowy silnik Ecoboost. Pytanie, czy uzyskane silniki są tak niezawodne i długoterminowe, jest pytaniem otwartym. Turbosprężarki, szczególnie w wysokoobrotowych silnikach benzynowych (benzynowych), w przeszłości nie były tak niezawodne. Te silniki są na tyle nowe, że nie ma jeszcze zbyt wielu danych długoterminowych. Możliwe, że pokonali problemy. Po prostu za wcześnie, aby powiedzieć.

Kilka lat temu wszystkim, co się tak cieszyło, były samochody z mięśniami. Szybkie przyspieszenie, głośne silniki i moc były stylem. Jednak z biegiem lat EPA i inne różne agencje dążyły do ​​zmniejszenia emisji (ochrona środowiska). W związku z tym producenci samochodów zaczęli budować samochody w celu uzyskania minimalnej ilości tlenku węgla, tlenków azotu i węglowodorów. Oczywiście im mniejszy silnik, tym mniej emisji spalin.

Co więcej, moda samochodów mięśniowych w dużej mierze została zastąpiona trybem luksusowych pojazdów, które można zaprojektować z mniejszymi silnikami, ale z większą liczbą funkcji. Tak więc klienci są zadowoleni, producenci są zadowoleni, EPA jest ~ zadowolona, ​​a jak powiedział cloudnyn3, mechanicy również są zadowoleni.

Być może tendencja ta się odwróci. Małe silniki muszą pracować przy szeroko otwartej przepustnicy (WOT), aby wytworzyć jakąkolwiek użyteczną moc, a wzbogacenie WOT zmniejszy zużycie paliwa, czego nie mierzą obecne nierealistyczne cykle jazdy. Techniki takie jak bezpośredni wtrysk benzyny oznaczają wytwarzanie cząstek stałych, a filtr cząstek stałych kosztuje dużo (ale rak płuc kosztuje więcej dla osób dotkniętych chorobą). Turbosprężarka jest delikatnym elementem i może stanowić ogólne obciążenie przez cały okres eksploatacji samochodu, w tym przez ostatnie lata. Również ulepszenia w cyklach pracy silnika (cyklu Atkinsona) oznaczają, że wydajność objętościowa może faktycznie spaść, chociaż wydajność energetyczna wzrośnie. Cykl Atkinsona był pierwotnie stosowany w hybrydach,

Weźmy na przykład mojego Opla Vectrę z 1989 roku. 2,0-litrowy silnik C20NE o mocy 115 KM. Teraz rozważ nowoczesny odpowiednik: Toyota Prius. 1,8-litrowy silnik 2ZR-FXE o mocy 98 KM, chociaż doładowanie elektryczne wytwarza dodatkowe ilości mocy, więc ogólnie rzecz biorąc, samochody te są równie mocne i przyspieszają mniej więcej równie szybko. Z 2,0 litra na 1,8 litra to niewiele.

Tak, tendencja była do zmniejszania i doładowywania, ale wydaje się, że trend się odwraca. Na przykład Toyota Yaris, która miała 1,33 litra silnika wolnossącego, przechodzi na silnik 1,5 litra w konfiguracji innej niż hybrydowa na rynku europejskim; hybryda zawsze korzystała z silnika o pojemności 1,5 litra (nieco różniącego się od 1,5 litra niehybrydowego). Rozumiem również, że 1,5-litrowy silnik był stale oferowany na rynku północnoamerykańskim.

Nie wyciągaj więc ostatecznych wniosków, zanim samochody elektryczne ostatecznie zastąpią samochody napędzane paliwem ciekłym. Może się zdarzyć, że ostatnie samochody napędzane paliwem ciekłym, które będą napędzane martwymi dinozaurami (*), będą korzystać z silników rowerowych Atkinsona bez turbodoładowania, co oznacza, że ​​rozmiar silnika jest mniej więcej taki sam, jak w starych samochodach.

Mnie? Przeniosłem się z 2,0 litra (Opel Vectra z 1989 r.) Przez 1,33 litra (Toyota Yaris 2011) do 2,5 litra (hybrydowa Toyota RAV4 2016), chociaż jednocześnie nieznacznie podniosłem się, biorąc pod uwagę wielkość samochodu, cenę, masę i osiągi.

(*): Tak, wiem, że ropa naftowa tak naprawdę nie pochodzi od martwych dinozaurów ...