Чем современные двигатели отличаются от старых

На мой взгляд, есть три основных события или достижения, которые в значительной степени способствовали повышению эффективности и улучшению современных двигателей.

1. Электронный впрыск топлива

Отказ от карбюратора означал, что теперь можно более точно регулировать соотношение воздух-топливо в смеси, а также создавать оптимальные условия для сгорания топлива в двигателе, что в конечном счёте улучшает три основных фактора:

• Лучшая выходная мощность.


• Лучшая экономия топлива.


• Улучшенные выбросы.

Внедрение ЭБУ также стало отправной точкой для более активного использования цифровых технологий в автомобильной экосистеме. (Подробнее об этом ниже)

2. Принудительная подача воздуха (турбокомпрессоры)

Принудительная подача воздуха, особенно с помощью турбонаддува, стала ещё одной важной вехой в развитии современных двигателей, обеспечив им многочисленные преимущества по сравнению с атмосферными двигателями. Хотя турбонаддув появился ещё в 50-х годах, только в конце 90-х и в последнее время он стал использоваться в большинстве серийных автомобилей. Автомобиль с принудительной подачей воздуха (особенно с турбонаддувом) имеет бесчисленные преимущества.

• Высокая производительность при сравнительно небольшом объёме двигателя.

Вместо большого двигателя N/A современные двигатели стали намного меньше. Последний двигатель Ford Ecoboost объёмом 1 литр выдаёт около 125 л. с. Такое уменьшение объёма само по себе даёт множество преимуществ, таких как экономия топлива без ущерба для мощности, снижение веса двигателя, уменьшение выбросов CO2.

• Меньший удельный расход топлива.

По сути, когда вы не используете турбонаддув, ваш автомобиль превращается в скромный 1,0-литровый Ford, который обеспечивает хорошую топливную экономичность, но при этом не теряет в мощности. Лучшее из двух миров.

• Лучшие выбросы.

В дополнение к вышесказанному: турбокомпрессоры работают на выхлопных газах, которые обычно выбрасываются в атмосферу в двигателях без наддува. Таким образом, они обеспечивают большую мощность без увеличения выбросов CO2. Например, 3,5-литровый двигатель без наддува мощностью 400 л. с. будет выбрасывать больше CO2, чем 2-литровый двигатель с турбонаддувом мощностью 400 л. с. при работе на холостом ходу.

Теперь вы также получаете VGT или variable geometry turbo, который видоизменяется в соответствии с потребностями пользователя.

3. Оцифровка двигателя

Это одно из важнейших достижений современного двигателя, ставшее возможным благодаря компьютерам и полупроводниковой промышленности.

Большинство компонентов современного двигателя управляются как минимум одним бортовым компьютером. Такая автоматизация позволяет добиться беспрецедентной эффективности по сравнению с механическими и аналоговыми системами. Ниже перечислены важные компоненты, интегрированные в цифровую среду.

• Непосредственно на входе воздуха у нас есть датчик MAF, который определяет количество воздуха, поступающего в двигатель, передавая этот параметр в блок управления ЭБУ для расчета количества топлива, необходимого для оптимального сгорания.


• Система изменения фаз газораспределения: эта технология изменила принцип работы клапанов, благодаря чему был оптимизирован весь процесс сгорания топлива, или цикл Отто.


• Как утверждает Заид, непосредственный впрыск позволяет ещё лучше контролировать подачу топливно-воздушной смеси в цилиндр.


• Лямбда-зонд, или датчик кислорода, измеряет долю кислорода в выхлопных газах, чтобы определить, как прошли предыдущие этапы, и настроить следующий цикл сгорания.

Существует множество других компьютерных программ, которые работают на современных двигателях и делают их намного лучше старых.

Другие моменты, которые следует отметить:

• Использование более качественных материалов для изготовления двигателя.


• Внедрение новых технологий в современные автомобили происходит быстрее, чем в прежние времена, когда на тестирование перед запуском в производство уходили годы.


• Улучшенные инструменты и возможности тестирования и диагностики, доступные пользователю. (снова о компьютерах)

Примечание: я знаю, что большинство из вышеперечисленных пунктов были придуманы очень давно, но только в последнее время они стали практичными и получили реальное преимущество в конструкции современных двигателей.

Это правда, что современные двигатели мощнее

Статистика говорит сама за себя, но вот вам краткий пример в цифрах:

1976 BMW M17 1990 cc 113 hp

2011 BMW N20 1997 cc 340 hp

Но некоторые вещи никогда не изменятся

Air + Fuel = Bang + Emissions

Химическое уравнение, описывающее процесс внутреннего сгорания, не изменилось. Это означает, что оптимальное соотношение воздуха и топлива (AFR) останется прежним независимо от типа двигателя.

Так как же они это делают?

Вот несколько способов увеличить мощность современного двигателя с тем же рабочим объёмом, что и у его предшественника:

• Больше (воздуха + топлива) = больше (взрыва + выбросов)

  
  
  

  Физика не ограничивает вас в том, сколько воздуха и топлива смешивается при фиксированном объеме цилиндра. Пока поддерживается AFR, добавление большего количества воздуха и топлива в камеру сгорания приведет к большему взрыву, а следовательно, и к большей мощности.

  
  
  

  На протяжении многих лет автопроизводители добивались этого разными способами, в том числе:

  
  
  
  
  
  • Повышение давления во впускном коллекторе — свободный приток воздуха, динамическая зарядка, впуск воздуха под действием набегающего потока, турбонаддув, наддув и т. д.
  
  
  • Повышение объёмного КПД — регулировка фаз газораспределения, увеличение количества клапанов на цилиндр
  
  



• Более высокая степень сжатия

  
  
  

  Чем больше сжатой топливно-воздушной смеси, тем мощнее взрыв, потому что этого требует термодинамика¹

  
  
  

  За прошедшие годы производителям удалось повысить степень сжатия с типичных (для бензина) 9,0:1 до 11,0:1 (13,0:1 в некоторых случаях) с помощью различных методов, в том числе:

  
  
  
  
  

  • Переход к интерференционной конструкции двигателя, в которой клапаны и поршни занимают одно и то же физическое пространство в разное время

  
  

  • Продуманная конструкция головки поршня, которая «заполняет» материалом те места, где не так выгодно находиться продуктам сгорания

  
  

  • Использование прямого впрыска в бензиновых двигателях

  
  



• Улучшенный контроль воздушно-топливной смеси

  
  
  

  Система впрыска топлива позволяет гораздо точнее контролировать соотношение воздуха и топлива, чем это было возможно при использовании карбюраторов, хотя большим плюсом здесь является снижение выбросов при сохранении высокой мощности.

  
  
  

  В случае с бензиновыми двигателями непосредственный впрыск бензина выводит процесс на новый уровень, обеспечивая более равномерное смешивание воздуха и топлива для повышения эффективности.




• Лучшая инженерия

  
  
  

  В сфере разработки двигателей многое изменилось. Теперь у инженеров есть доступ к:

  
  
  
  
  
  • более качественные материалы — это позволяет им расширять границы дизайна
  
  
  • улучшенные производственные возможности — более жесткие допуски, более сложные конструкции
  
  
  • лучшие способности к моделированию, которые позволяют им оптимизировать дизайн
  
  
  • лучшее понимание теории/конструкции двигателя — каждое поколение инженеров опирается на работу предшественников
  
  

¹ — это связано с площадью под диаграммой «давление-температура», применимой к любому термодинамическому циклу (включая, конечно, циклы Отто и Дизеля)