Почему у новых автомобилей двигатели меньше

На самом деле может оказаться так, что эта тенденция изменится на противоположную. Маломощным двигателям для выработки полезной мощности необходимо работать на полностью открытой дроссельной заслонке (WOT), а обогащение смеси при WOT снижает топливную экономичность, что не учитывается в современных нереалистичных циклах вождения. Такие технологии, как непосредственный впрыск бензина, приводят к образованию твёрдых частиц, а сажевый фильтр стоит дорого (но рак лёгких обходится дороже для тех, кто им страдает). Турбокомпрессор — хрупкий компонент, и он может создавать проблемы на протяжении всего срока службы автомобиля, в том числе в последние годы его эксплуатации. Кроме того, усовершенствование рабочих циклов двигателя (цикл Аткинсона) означает, что объёмный КПД может снизиться, хотя энергетический КПД повысится. Цикл Аткинсона изначально использовался в гибридных автомобилях, но благодаря технологии изменения фаз газораспределения он находит применение и в негибридных автомобилях.

Например, возьмём мой Opel Vectra 1989 года. 2,0-литровый двигатель C20NE мощностью 115 л. с. Теперь рассмотрим современный аналог: Toyota Prius. 1,8-литровый двигатель 2ZR-FXE мощностью 98 л. с., хотя электроусилитель обеспечивает дополнительную мощность, так что в целом эти автомобили примерно одинаковой мощности и разгоняются примерно одинаково быстро. Переход с 2,0-литрового двигателя на 1,8-литровый — не такая уж большая разница.

Да, была тенденция к уменьшению объёма двигателя и установке турбонаддува, но сейчас эта тенденция, похоже, сходит на нет. Например, Toyota Yaris, которая раньше оснащалась атмосферным двигателем объёмом 1,33 литра, теперь на европейском рынке выпускается с двигателем объёмом 1,5 литра в негибридной конфигурации; в гибридной конфигурации всегда использовался двигатель объёмом 1,5 литра (немного отличающийся от двигателя объёмом 1,5 литра в негибридной конфигурации). Насколько я понимаю, двигатель объёмом 1,5 литра всегда предлагался на рынке Северной Америки.

Итак, не спешите делать окончательные выводы о том, что электромобили в конечном счёте заменят автомобили, работающие на жидком топливе. Возможно, последние автомобили, работающие на жидком топливе и напоминающие мёртвых динозавров(*), будут оснащены двигателями Аткинсона без турбонаддува, то есть их объём будет примерно таким же, как у старых автомобилей.

Я? Я перешёл с 2-литрового двигателя (Opel Vectra 1989 года) на 1,33-литровый (Toyota Yaris 2011 года), а затем на 2,5-литровый (гибридный Toyota RAV4 2016 года), хотя в то же время я немного увеличил объём двигателя, учитывая размер, цену, вес и производительность автомобиля.

(*): Да, я знаю, что нефть на самом деле не добывают из мёртвых динозавров...

С момента изобретения двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в их развитии прослеживалась тенденция к уменьшению размеров, веса, стоимости, повышению мощности и эффективности.

Первые двигатели внутреннего сгорания были очень большими, но при этом выдавали очень малую мощность по сравнению с современными двигателями. Первые автомобили должны были быть очень большими и прочными, чтобы вместить эти двигатели. В то время автомобили были очень дорогими, и среднестатистический человек не мог себе их позволить.

В октябре 1913 года Луи Коатален, главный инженер компании Sunbeam Motor Car Company, принял участие в гонках с коротким и длинным гандикапом в Бруклендсе на автомобиле с двигателем V12. Рабочий объём двигателя составлял 9 л (550 куб. дюймов), диаметр цилиндра и ход поршня — 80 x 150 мм. Алюминиевый картер вмещал два блока по три цилиндра в каждом, расположенных под углом 60 градусов. Цилиндры были железными, с цельными головками и L-образными камерами сгорания. Впускные и выпускные клапаны приводились в действие центральным распределительным валом в V-образном двигателе. Зазор между клапанами устанавливался путём шлифовки соответствующих деталей, при этом в двигателе не было никаких простых средств регулировки. Это указывало на то, что Коатален планировал использовать новый V12 в качестве авиационного двигателя, где следовало избегать любых методов регулировки, которые могли бы привести к поломке в полёте. Первоначально построенный, V12 был рассчитан на 200 л.с. (150 кВт) при 2400 об / мин и весил около 750 фунтов (340 кг). Двигатель приводил автомобиль (названный ‘Тудлс V" (по ласкательному имени жены Коаталена Олив) до нескольких рекордов в 1913 и 1914 годах.

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

Двигатель Toodles V был намного больше и тяжелее современного двигателя, но, несмотря на это, он выдавал такую же мощность, как и сравнительно небольшой современный двигатель. В то время у инженеров просто не было возможности сделать двигатели меньше и легче.

Генри Форд помог кардинально изменить ситуацию. Он представил очень лёгкий и компактный 4-цилиндровый двигатель для модели T. Мощность его двигателя составляла всего около 20 лошадиных сил, но этого было достаточно для обычного человека. Для автолюбителей по-прежнему выпускались большие и мощные двигатели, но это создало рынок для доступных автомобилей.

В течение следующих нескольких десятилетий конструкция двигателей постоянно совершенствовалась, что привело к появлению эры маслкаров. Автогонки стали гораздо популярнее и доступнее, а автомобильные компании соревновались друг с другом в производстве более мощных двигателей. Есть старая поговорка, которая звучит примерно так: «Выиграй в воскресенье, продай в понедельник». В то время у производителей было очень мало ограничений на типы выпускаемых автомобилей. По сути, эти автомобили были смертельными ловушками, и производители знали об этом, но ничего не предпринимали. Во многих из них отсутствовали базовые средства безопасности, такие как ремни безопасности. Также мало внимания уделялось экономии топлива. Бензин был дешёвым, а нормы выбросов и топливной эффективности не были такими строгими, как сегодня.

Начиная с конца 1960-х годов правительство стремилось ограничить выбросы от автомобилей. Это привело к созданию Агентства по охране окружающей среды в 1970 году. Дефицит бензина в 1973 году и последующее повышение цен на бензин также стали факторами, которые положили конец эпохе маслкаров, начиная с 1974 модельного года.

Впервые производители были обязаны соблюдать строгие правила, установленные правительством США в отношении экономии топлива и выбросов. Проблема заключалась в том, что производители не знали, как выполнить новые строгие требования, а времени на подготовку у них было мало. Новые правила в отношении выбросов вынудили производителей устанавливать устройства для контроля выбросов, такие как каталитические нейтрализаторы, которые уменьшали поток выхлопных газов. В 1973 году в соответствии с правилами Агентства по охране окружающей среды из бензина была исключена присадка на основе свинца, что привело к изменению конструкции двигателей, чтобы они могли работать на неэтилированном бензине.

В середине 1970-х годов выпускалось много автомобилей с большими 8-цилиндровыми двигателями мощностью всего около 100 лошадиных сил. В 1971 году Corvette предлагался с двигателем мощностью 425 л. с., а в 1975 году — всего 205 л. с. Базовая модель 1975 года была ещё слабее — всего 165 л. с., что примерно соответствует мощности современного семейного минивэна. Это вызвало большой общественный резонанс, и автопроизводители тщетно пытались что-то улучшить, но прогресс шёл очень медленно. Только в конце 1990-х годов у Corvette появились такие же показатели производительности, как у их предшественников — маслкаров.

Примерно в это же время на американском рынке появились небольшие и экономичные автомобили из Японии, которые были хорошо приняты. В конечном счёте это привело к тому, что американские автопроизводители утратили своё доминирующее положение в США. Американские компании были вынуждены выйти на рынок компактных автомобилей, потому что проигрывали в продажах импортным производителям. До этого в США продавалось очень мало иномарок. Многие из них были небольшими европейскими спортивными автомобилями, такими как Triumph, Alfa Romeo, MGB, Austin-Healey, Jaguar, Porsche, Mercedes-Benz, Lotus и т. д.

Со временем такие технологии, как электронный впрыск топлива и турбонаддув, привели к значительному повышению эффективности и мощности. Многие современные двигатели могут выдавать большое количество лошадиных сил, но при этом потреблять мало топлива. Эти новые конструкции настолько эффективны, что в большинстве автомобилей больше нет необходимости в большом двигателе.

На автопроизводителей по-прежнему оказывается давление с целью заставить их выпускать ещё более экономичные автомобили. Кроме того, существуют правила, ограничивающие средний расход топлива во всём автопарке. По сути, они вынуждены выпускать либо полностью электрические, либо гибридные автомобили, чтобы средний расход топлива на галлон соответствовал стандарту. По-прежнему выпускаются автомобили с большими двигателями V8 и V10, но их становится всё меньше из-за строгих правил.

Разные ответы затрагивают разные аспекты общего ответа. Основной ответ, который вы ищете, — это удельная мощность: сколько лошадиных сил (кВт, что угодно) приходится на кубический дюйм (или литр) рабочего объёма.

Сколько энергии требуется, чтобы передвигать это транспортное средство с желаемой скоростью? Значительную часть веса транспортного средства составляет двигатель, поэтому чем меньше и легче двигатель, тем меньше энергии требуется для его перемещения. А чем меньше масса, тем меньше расход топлива. Именно поэтому в нынешней линейке Ford F-150 используется алюминиевый кузов, а не стальной. Он легче, и для его перемещения требуется меньше энергии.

Как отмечает @Bob Jarvis, электронное зажигание, в отличие от старой системы с контактами/катушкой/распределителем, позволяет работать на высоких оборотах и при этом сохранять угол опережения зажигания. Действительно, оно обеспечивает более точный угол опережения во всем диапазоне. А более точный угол опережения приводит к повышению удельной мощности.

Система впрыска топлива обеспечивает гораздо более точную подачу топлива. Благодаря этому, а также более точному регулированию фаз газораспределения, можно использовать более высокую степень сжатия (8:1 для карбюраторного Omni 1981 года, на котором я ездил в подростковом возрасте, 9,5:1 для инжекторного Dakota 1998 года, на котором я ездил совсем недавно; при этом используется тот же дешёвый неэтилированный бензин). Более высокая степень сжатия обеспечивает более высокую удельную мощность, а также более высокий тепловой КПД.

Прямой впрыск бензина позволяет еще больше повысить степень сжатия. Бензин впрыскивается непосредственно в цилиндр, охлаждая только воздух в цилиндре. При впрыске во впускной коллектор топливо распыляется во впускном коллекторе, охлаждая при этом впускные клапаны и коллектор. Более холодный воздух может выдерживать большее сжатие, прежде чем начнется самовоспламенение (детонация).

Турбокомпрессоры и нагнетатели позволяют втиснуть больший объём воздуха (и топлива) в двигатель с заданным рабочим объёмом, благодаря чему двигатель работает так, как будто его рабочий объём намного больше. При этом он сжигает больше топлива. Это обеспечивает мощность «по требованию». Это может значительно повысить удельную мощность «по требованию»; настолько, что для достижения желаемого уровня мощности не потребуется больше цилиндров или рабочий объём. Не стоит постоянно ездить с такой настройкой дроссельной заслонки, но она пригодится, когда понадобится.

Система изменения фаз газораспределения позволяет использовать цикл Аткинсона/Миллера вместо обычного цикла Отто. Это не столько повышает удельную мощность, сколько ещё больше разделяет «базовую» удельную мощность и удельную мощность «по требованию». Если вы не так часто требуете максимальной мощности, это ещё больше повысит топливную экономичность. Но при необходимости система может вернуться к полноценному циклу Отто, чтобы вы могли снова получить максимальную удельную мощность «по требованию».

В конечном итоге все эти небольшие хитрости позволяют выжать больше мощности из каждого кубического дюйма (литра) рабочего объёма. Кроме того, они обеспечивают более широкий диапазон настроек мощности, при этом более низкие настройки мощности позволяют значительно сократить расход топлива (и значительно снизить выбросы) на милю (или километр, если вам так больше нравится).

В линейке двигателей Ford Ecoboost используются все вышеперечисленные технологии. В результате они быстро заменяют V8 на V6, а V6 — на I4. @Gusdor упоминает 1-литровый двигатель в своей Fiesta; я почти уверен, что это 3-цилиндровый двигатель Ecoboost. Вопрос о том, насколько надёжны эти двигатели в долгосрочной перспективе, остаётся открытым. В прошлом турбокомпрессоры, особенно на высокооборотных бензиновых (дизельных) двигателях, не отличались надёжностью. Эти двигатели достаточно новые, поэтому о них пока мало данных. Возможно, они решили все проблемы. Пока рано говорить об этом.

Поскольку поршневой двигатель внутреннего сгорания является непостоянным источником энергии, который вырабатывает мощность только тогда, когда топливо в цилиндре сгорает, есть два основных способа увеличить мощность двигателя:
1) заставить его вращаться быстрее, чтобы в единицу времени происходило больше взрывов, или
2) заставить его вращаться медленнее, но добавить больше цилиндров, чтобы в единицу времени происходило больше взрывов.

(Да, вы можете добавить нагнетатели, турбокомпрессоры или какую-то другую систему, чтобы подавать в цилиндр больше топлива и воздуха, а также можете установить несколько комплектов контактов в распределителе и вращать его медленнее, но давайте пока не будем об этом, просто для примера :-).

В былые времена (tm) в большинстве бензиновых двигателей использовалась система зажигания «катушка-ротор», в которой механический переключатель с пружинным приводом («катушка») открывался и закрывался кулачком на валу распределителя, создавая искру, которая направлялась в соответствующий цилиндр с помощью ротора и проводов между распределителем и свечами зажигания. Механический переключатель создавал искру, прерывая подачу электрического тока через катушку при размыкании переключателя. Ток, проходящий через катушку, создавал магнитное поле, а прерывание подачи тока приводило к исчезновению магнитного поля, что вызывало возникновение индукционного тока в железном стержне в центре катушки, который был соединён с центральным полюсом распределителя.

Поскольку контакты представляют собой механический переключатель с пружинным приводом, у них есть ограничение по скорости срабатывания. Как правило (и я говорю очень обобщённо), двигатели с системой зажигания, в которой используются контакты, не будут надёжно работать на оборотах выше 2500 об/мин, потому что контакты будут «зависнуть» в разомкнутом положении. А поскольку контакты не замыкаются, ток не может пройти через катушку, чтобы создать магнитное поле, которое разрушится, когда контакты разомкнутся, и возникнет искра зажигания. Да, можно было бы использовать более мощную пружину в точках крепления, но это привело бы к нежелательным проблемам, таким как чрезмерный износ распределителя. Таким образом, при абсолютном (относительном) верхнем пределе частоты вращения единственным способом увеличить мощность двигателя было добавление цилиндров, чтобы за каждый оборот двигатель выдавал больше энергии. Четырёхцилиндровый двигатель выдаёт два импульса за оборот; шестицилиндровый — три импульса; восьмицилиндровый — четыре импульса. Огромные авиационные двигатели с 22 цилиндрами выдавали ещё больше импульсов за оборот. Итак, больше цилиндров — больше мощности.

Познакомьтесь с системой электронного зажигания, которая сегодня является стандартом практически для всех бензиновых двигателей в мире. В этой системе механический переключатель заменён полностью электронным устройством, которое фактически не требует времени на «сброс», что позволяет двигателям работать намного быстрее. Сегодня четырёхцилиндровые двигатели часто работают на оборотах выше 3000 в минуту на скорости движения по шоссе. Маленький четырёхцилиндровый двигатель моего Ford Fiesta работает на оборотах около 3200 в минуту при скорости 105 км/ч. В то же время производители постепенно совершенствовали конструкцию двигателей, что позволило увеличить мощность на единицу объёма. Но, на мой взгляд, самым важным фактором, способствующим увеличению мощности двигателей меньшего объёма, стало электронное зажигание, которое позволяет малолитражному двигателю работать на более высоких оборотах.

YMMV :-)

Всё сводится к эффективности.

Не так давно автомобили в целом были больше и тяжелее. Агентство по охране окружающей среды и другие государственные организации в странах, где производятся автомобили, требовали повышения топливной эффективности. Это подтолкнуло исследователей к работе в двух направлениях:

• Уменьшение веса транспортных средств позволяет двигателю потреблять меньше энергии для перемещения автомобиля.


• Как заставить двигатели работать мощнее при меньшем расходе топлива.

Первый пункт не относится к теме вопроса, но транспортные средства стали легче по нескольким причинам. Согласно законам физики, независимо от типа силовой установки, транспортному средству с определённой массой для движения требуется минимальное количество энергии. Чем меньше масса, тем меньше энергии (читай: топлива) требуется.

За последние годы двигатели стали намного мощнее и экономичнее. Давайте приведём конкретные цифры и примеры. Я выберу грузовик, с которым знаком и который уже изучал.

Третье поколение Chevy Silverado (2014+) оснащается двумя основными вариантами двигателей:

• 4,3-литровый V6 — 285 л. с.


• 5,3-литровый V8 — 355 л. с.

Если вернуться на несколько лет назад и вспомнить второе поколение Silverado (2007–2013), то можно сказать, что с годами появилось ещё несколько вариантов, но вот некоторые из наиболее распространённых двигателей:

• 4,3-литровый V6 — 195 л. с.


• 4,8-литровый V8 — 295–302 л. с.


• 5,3-литровый V8 — 315 л. с.

Это одно поколение/итерация автомобиля, и мощность у них совсем разная. Новый двигатель V6 выдает почти столько же лошадиных сил, сколько предыдущий V8, с разницей в 10 л. с. Он выдает на 90 л. с. больше, чем предыдущий V6 с таким же рабочим объемом.

Компания GM устанавливала свой двигатель LFX на многие автомобили в 2015 и 2016 модельных годах. Его мощность зависит от того, в каком автомобиле он установлен (двигатель — это не просто металлический блок, на мощность влияет множество деталей). В целом мощность варьируется от 301 до 323 л. с. Этот 3,6-литровый двигатель V6 мощнее, чем V8 предыдущего поколения, указанный выше! На самом деле двигатель LFX объёмом 3,6 л выдаёт на 15–35 л. с. больше, чем двигатель Silverado объёмом 4,3 л нынешнего поколения (но с меньшим крутящим моментом).

Не будем слишком затягивать с ответом: если вы посмотрите на других производителей и двигатели (I4 и V6), то увидите очень похожие результаты. В целом существует огромное давление в пользу повышения эффективности двигателей.

По сути, в современных двигателях на два цилиндра больше, чем в двигателях, выпущенных всего десять лет назад. Меньший объём двигателя обычно означает более высокую топливную экономичность, а современные конструкции также обеспечивают большую мощность.

В новых автомобилях установлены двигатели меньшего объёма, потому что новый двигатель I4 может выдавать столько же мощности, сколько V6 в автомобилях предыдущего поколения, и при этом расходовать меньше топлива. Это устраивает Агентство по охране окружающей среды, а также водителей, которые тратят меньше на топливо, но при этом получают достаточную мощность, когда это необходимо.

^{(Примечание: я не стал упоминать некоторые из перечисленных выше двигателей, которые не очень распространены и не вносят существенного вклада в обсуждение. Да, я знаю, что GM предлагает 6,2-литровый двигатель V8, но он установлен лишь на небольшом количестве Silverado, и это не помогает ответить на вопрос)}

Несколько лет назад все сходили с ума по маслкарам. Быстрое ускорение, громкие двигатели и мощь — вот что было в моде. Однако с годами Агентство по охране окружающей среды и другие организации стали настаивать на сокращении выбросов (для защиты окружающей среды). В результате автопроизводители начали создавать автомобили с минимальным содержанием угарного газа, оксидов азота и углеводородов. Очевидно, что чем меньше двигатель, тем меньше выбросов.

Кроме того, мода на маслкары в значительной степени уступила место моде на роскошные автомобили, которые могут быть оснащены менее мощными двигателями, но при этом иметь больше функций. Так что клиенты довольны, производители довольны, Агентство по охране окружающей среды ~довольно, и, как сказал cloudnyn3, механики тоже довольны.

Как говорит cloudnyn3, всё дело в усовершенствовании конструкции двигателя: современный двигатель объёмом 1,4 литра может выдавать столько же мощности, сколько двигатель объёмом 2,0 литра 20 лет назад, но при этом расходует гораздо меньше топлива и выбрасывает меньше вредных веществ. Кроме того, он меньше и легче, что опять же идёт на пользу: в автомобиле остаётся больше места для других вещей, а благодаря более экономичному расходу топлива можно установить топливный бак меньшего объёма без потери запаса хода, что опять же увеличивает пространство.

Двигатели меньшего размера обладают множеством преимуществ по сравнению с огромными двигателями.
В первую очередь это касается топливной эффективности, которая также влияет на уровень выбросов. Чем меньше топлива вы сжигаете, тем меньше газов выходит из двигателя. Кроме того, следует учитывать и вес. Инженерам также нравится, что в моторном отсеке можно разместить больше аксессуаров.

Вам больше не нужны огромные 8-цилиндровые двигатели в обычных автомобилях, потому что инженеры достигли такого уровня, что 1,4-литровый двигатель может разогнать огромный автомобиль. Всё дело в конструкции двигателя. Вы не получите такой крутящий момент, как от 6- или 8-цилиндрового двигателя, но для повседневного автомобиля, который доставляет вас из пункта А в пункт Б, это всё, что вам действительно нужно. Кроме того, с повсеместным внедрением принудительной подачи воздуха (турбин и нагнетателей), которая становится нормой, лошадиные силы и крутящий момент легче достигаются в двигателях гораздо меньшего объёма. Я видел небольшие 2-литровые двигатели, которые на заводе выдавали 275 л. с., что было бы практически невозможно без использования турбины.

В основном это связано с расходом топлива и выбросами. Кстати, я тоже не против. Так техникам гораздо проще работать.