Большинство людей знают, что Ford Model T был первым по-настоящему доступным автомобилем. Но знаете ли вы, какой у него был двигатель? Оригинальная Model T, выпущенная в 1908 году, оснащалась 2,9-литровым четырехцилиндровым двигателем мощностью всего 22 лошадиных силы.
Это крошечная мощность для такого размера по сравнению с сегодняшними двигателями, но она определенно превосходит двигатель того, что считается первым автомобилем - Benz Patent Motorwagen 1885 года. Этот автомобиль имел однопоршневой двигатель и выдавал всего две трети от одной лошадиной силы.
Как видите, автомобильные двигатели постоянно развивались с самого начала автомобилестроения. Сегодня они стали мощнее, тише, надежнее, меньше загрязняют окружающую среду и более экономичны, чем когда-либо, благодаря постоянному совершенствованию конструкции и технологий двигателей.
Автомобильные инженеры постоянно работают над тем, как улучшить двигатель внутреннего сгорания и перенести его в будущее. Сколько других изобретений вы знаете, которые непрерывно совершенствовались на протяжении более 150 лет?
В этой статье мы рассмотрим 10 самых больших и значительных улучшений движка всех времен. От впрыска топлива до гибридных двигателей, мы посмотрим, где были двигатели, и, надеюсь, получим некоторое представление о том, куда они направляются.
10: Цикл четырехтактного двигателя
Преимущества: Более экономичный, меньше загрязняющий окружающую среду
Недостатки: Более сложный, более дорогой в производстве
Помните тот Benz Patent Motorwagen, о котором мы говорили? Помимо одного поршня или цилиндра, это был двухтактный двигатель, как и многие ранние двигатели. Ход относится к движению поршня в двигателе.
Четырехтактные двигатели были одним из первых усовершенствований двигателей внутреннего сгорания в конце 1800-х годов. В четырехтактном двигателе двигатель сжигает бензин в четыре этапа: впуск, сжатие, мощность и выпуск. Все эти шаги происходят, когда поршень движется вверх и вниз два раза.
Ранее более простые двухтактные двигатели выполняли ту же задачу - сжигание бензина для создания механического движения - но они делали это в два этапа. Сегодня двухтактные двигатели используются на небольшом оборудовании, таком как газонокосилки, небольшие мотоциклы и большие промышленные двигатели. Почти все автомобили используют четырехтактный цикл.
Четырехтактные двигатели имеют ряд преимуществ, включая улучшенную экономию топлива, большую долговечность, большую мощность и крутящий момент, а также более чистые выбросы. Однако по сравнению с двухтактными двигателями они более сложны и дороги в изготовлении и требуют использования клапанов для впуска и выпуска газов.
Несмотря на это, четырехтактные двигатели стали отраслевым стандартом для автомобилей, и, вероятно, в ближайшее время они не исчезнут. Далее в этой статье мы узнаем больше о роли клапанов и их усовершенствованиях.
Далее мы узнаем о принудительной индукции и о том, как она попала из самолетов в обычные автомобили.
9:Принудительная индукция
Преимущества: Больше мощности без увеличения объема двигателя
Недостатки: Расход топлива, турбо лаг
Двигателю для создания движения требуются три вещи: топливо, воздух и зажигание. Накачивание большего количества воздуха в двигатель увеличит мощность, генерируемую поршнями двигателя. Давний способ сделать это, который в последнее время становится все более популярным, - использовать принудительную индукцию. Возможно, вы лучше знаете этот процесс по тем частям, которые его обеспечивают: турбокомпрессорам и нагнетателям.
В двигателе с наддувом воздух нагнетается в камеру сгорания под более высоким давлением, чем обычно, создавая более высокую степень сжатия и большую мощность при каждом такте двигателя. Турбокомпрессоры и нагнетатели - это, по сути, воздушные компрессоры, которые нагнетают в двигатель больше воздуха.
Системы принудительной индукции использовались в авиационных двигателях задолго до того, как их начали добавлять в автомобильные двигатели в 1920-х годах. Они особенно полезны для небольших двигателей, поскольку они могут генерировать много дополнительной мощности, не увеличивая размер двигателя и не вызывая резкого снижения расхода топлива.
Хорошим примером является Mini Cooper S с турбонаддувом, который имеет только 1,6-литровый двигатель, но в некоторых приложениях выдает более 200 лошадиных сил. Кроме того, высокопроизводительные автомобили, такие как Porsche 911 Turbo или Corvette ZR-1, используют принудительную индукцию для достижения огромного прироста мощности.
Недостатки? Автомобили с турбокомпрессором часто требуют бензина премиум-класса. Затем возникает проблематурбо-лаг, когда прирост мощности не ощущается до тех пор, пока турбокомпрессор не раскрутится до более высоких оборотов в минуту (об/мин). В последние годы инженеры помогли устранить оба этих недостатка.
А поскольку стандарты экономии топлива и выбросов становятся все более строгими, многие автопроизводители обращаются к принудительной индукции на двигателях меньшего размера вместо того, чтобы создавать двигатели большего размера. Например, для новейшей Hyundai Sonata топовый двигатель, который можно купить, - это уже не V6, а турбированный четырехцилиндровый двигатель.
Далее мы обсудим, почему карбюраторы практически ушли в прошлое благодаря впрыску топлива.
8:Впрыск топлива
Преимущества: Лучшая приемистость, повышенная топливная экономичность, большая мощность, более легкий запуск
Недостатки: Более сложный и потенциально дорогой ремонт
На протяжении десятилетий предпочтительным методом смешивания топлива и воздуха и подачи его в камеру сгорания двигателя был карбюратор. Нажмите педаль акселератора до упора, и карбюратор впустит в двигатель больше воздуха и топлива.
С конца 1980-х годов карбюраторы были почти полностью заменены системой впрыска топлива, гораздо более сложной и эффективной системой смешивания топлива и воздуха. Топливные форсунки впрыскивают бензин во впускной коллектор, где топливо и воздух смешиваются в тонкий туман. Эта смесь подается в камеру сгорания клапанами на каждом цилиндре во время процесса впуска. Бортовой компьютер двигателя управляет процессом впрыска топлива.
Так почему впрыск топлива заменил карбюратор? Проще говоря, впрыск топлива работает лучше во всех аспектах. Двигатели с впрыском топлива, управляемые компьютером, легче запустить, особенно в холодные дни, когда карбюраторы могут усложнить задачу. Двигатели с впрыском топлива также более эффективны и лучше реагируют на изменения положения дроссельной заслонки.
У них есть недостатки с точки зрения их повышенной сложности. Системы впрыска топлива ремонтировать дороже, чем карбюраторы. Тем не менее, они стали отраслевым стандартом подачи топлива, и не похоже, что карбюраторы вернутся в ближайшее время.
В следующем разделе мы обсудим следующий шаг в технологии впрыска топлива, известный как непосредственный впрыск.
7:Прямой впрыск
Преимущества: Больше мощности, лучше экономия топлива
Недостатки: Дорогое производство, относительно новая технология
Прямой впрыск является дальнейшим усовершенствованием системы впрыска топлива. Как вы могли догадаться из названия, он позволяет впрыску топлива «пропускать шаг», что повышает эффективность двигателя и, как следствие, большую мощность и экономию топлива.
В двигателе с непосредственным впрыском топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания, а не во впускной коллектор. Затем компьютеры двигателя следят за тем, чтобы топливо сжигалось именно тогда и там, где оно необходимо, что снижает количество отходов. Прямой впрыск обеспечивает более бедную смесь топлива, которая сгорает более эффективно. В некотором смысле это делает бензиновые двигатели более похожими на дизельные двигатели, в которых всегда использовался непосредственный впрыск.
Как мы узнали ранее, двигатели с непосредственным впрыском имеют большую мощность и экономию топлива по сравнению с системами с постоянным впрыском топлива. Но и у них есть свои недостатки. Во-первых, технология относительно новая, она появилась на рынке только в последнее десятилетие или около того. Все больше и больше компаний начинают использовать прямой впрыск, но он еще не стал стандартом.
Иногда в двигателях с непосредственным впрыском на впускных клапанах может образовываться нагар, что может вызвать проблемы с надежностью. Некоторые автомобильные тюнеры также выразили трудности с модификацией двигателей с непосредственным впрыском. Несмотря на эти проблемы, непосредственный впрыск топлива сейчас является самой популярной новой технологией в автомобильном мире. Ожидайте увидеть его на все большем количестве автомобилей с течением времени.
Далее, давайте посмотрим на использование алюминиевых блоков двигателя по сравнению с железными блоками старой школы.
6:Алюминиевые блоки цилиндров
Преимущества: Меньший вес обеспечивает большую эффективность и лучшую управляемость
Недостатки: Может деформироваться при высоких температурах
За последние несколько лет автомобили стали легче во многих отношениях. Автопроизводители ищут способы уменьшить вес автомобиля, чтобы добиться большей экономии топлива и производительности. Один из способов, которым они добились этого, - замена двигателей из железа алюминиевыми.
В течение многих лет железные блоки цилиндров были отраслевым стандартом. Сегодня в большинстве новых небольших двигателей вместо этого используется алюминий, хотя во многих больших двигателях V8 по-прежнему используются железные блоки. Алюминий весит намного меньше железа - обычно алюминиевый двигатель весит вдвое меньше, чем железный. Это приводит к общему снижению веса автомобиля, а значит, к лучшей управляемости и большей топливной экономичности.
Алюминий, однако, имеет некоторые недостатки. Как металл, он не такой прочный, как железо, и не выдерживает высоких уровней тепла. Многие ранние двигатели с алюминиевыми блоками имели проблемы с короблением цилиндров, что вызывало опасения по поводу долговечности. Однако эти проблемы в значительной степени были решены, и алюминий явно зарекомендовал себя как будущее двигателей благодаря своим свойствам снижения веса.
В следующем разделе мы поговорим о том, как распределительные валы произвели революцию в конструкции двигателя.
5:Верхние распределительные валы
Преимущества: Лучшая производительность
Недостатки: Повышенная сложность
Вы, наверное, слышали термин «DOHC» или «двойной верхний распределительный вал», когда кто-то говорит о двигателе. Большинство людей считают это желательной функцией, но что это значит? Термин относится к количеству верхних распределительных валов над каждым цилиндром в двигателе.
Распределительные валыявляются частьюклапанного механизма вашего автомобиля, который представляет собой систему, контролирующую подачу топлива и воздуха в цилиндры. В течение многих десятилетий автомобили в основном имели двигатели с верхним расположением клапанов, то есть с верхним расположением клапанов, также называемые «толкателями». Толкатели приводятся в движение распределительными валами внутри блока цилиндров. Эта установка увеличивает массу двигателя и может ограничить его общую скорость.
В системе с верхним расположением распредвала распределительный вал намного меньше и вставлен над самой головкой блока цилиндров, а не в блоке цилиндров. На двигателе с одним верхним распредвалом (SOHC) есть один, а на двигателе DOHC их два. Преимущество установки верхнего распредвала заключается в том, что он позволяет использовать больше впускных и выпускных клапанов, а это означает, что топливо, воздух и выхлоп могут более свободно проходить через двигатель, добавляя мощность.
В то время как многие автомобильные компании отказались от двигателей с толкателями, DOHC и SOHC еще не полностью вытеснили их. Chrysler по-прежнему использует толкатели для выработки большой мощности своих двигателей Hemi V8; General Motors также использует толкатели на некоторых своих высокотехнологичных современных двигателях V8. Но двигатели DOHC и SOHC широко используются в двигателях, особенно небольших, с 1980-х годов.
Недостаток верхних кулачков заключается в том, что они увеличивают сложность и стоимость. Вы уже заметили тенденцию?
Далее мы узнаем больше о том, как клапаны влияют на производительность, когда мы говорим об изменении фаз газораспределения.
4: Изменяемая фаза газораспределения
Преимущества: Экономия топлива, более гибкая подача мощности
Недостатки: Более высокая стоимость производства
Если вы хоть немного знакомы с двигателями Honda, вы почти наверняка слышали термин VTEC. Люди, которые настраивают свои Honda для повышения производительности, часто говорят о «включении VTEC». Но что именно это означает?
VTEC относится к системе изменения фаз газораспределения и электронному управлению подъемом, разновидности системы изменения фаз газораспределения. Бывают случаи, когда двигателю требуется больший поток воздуха, например, при резком ускорении, но традиционный двигатель часто не пропускает достаточно воздуха, что приводит к снижению производительности. Изменение фаз газораспределения означает, что поток воздуха в клапаны и из них замедляется или ускоряется по мере необходимости.
Honda едва ли не единственная автомобильная компания, предлагающая такую систему. У Toyota есть одна, которую они называют VVT-i, для изменения фаз газораспределения с интеллектом, а у BMW есть система под названием Valvetronic или VANOS, что означает переменная Nockenwellensteuerung, что означает переменное управление распределительным валом. Хотя все они работают немного по-разному, все они выполняют одну и ту же задачу - пропускают больше воздуха и топлива в клапаны с разной скоростью. Это делает двигатель более гибким и позволяет ему обеспечивать максимальную производительность в различных условиях. Это также увеличивает экономию топлива.
Многие двигатели теперь включают в себя некоторую форму изменения фаз газораспределения, часто управляемую бортовым компьютером двигателя. В следующем разделе мы поговорим о том, как компьютеры двигателей произвели революцию в дизайне.
3: Бортовые компьютеры двигателя
Преимущества: Экономия топлива, лучшая диагностика проблем
Недостатки: Стоимость, сложность
Двигатель - невероятно сложное устройство. В нем десятки движущихся частей и множество различных процессов, происходящих одновременно. Вот почему в современных автомобилях все регулируется бортовым компьютером, называемым блоком управления двигателем или ЭБУ.
ЭБУ следит за тем, чтобы такие процессы, как опережение зажигания, воздушно-топливная смесь, впрыск топлива, скорость холостого хода и другие, работали должным образом. Он отслеживает, что происходит в двигателе, используя множество датчиков, и выполняет миллионы вычислений каждую секунду, чтобы все работало правильно. Другие компьютеры в автомобиле управляют такими вещами, как электрические системы, подушки безопасности, температура в салоне, контроль тяги, антиблокировочная система тормозов и автоматическая коробка передач.
Автомобили становятся все более компьютеризированными с тех пор, как в 1980-х годах были добавлены первые бортовые диагностические компьютеры (OBD). Это компьютер, который отвечает за лампочку «проверить двигатель» на приборной панели. Механик может подключить компьютер к порту OBD и получить представление о проблемных зонах вашего автомобиля. Они не могут использовать OBD, чтобы сразу узнать, что не так с вашей машиной, но это дает им отличную отправную точку.
Повышая эффективность работы двигателя, компьютеры двигателя могут повысить эффективность использования топлива и упростить диагностику проблем. Но они также значительно усложняют двигатели и могут затруднить работу механиков на выходных.
Далее: Давайте узнаем, почему дизельные двигатели не являются дымными, шумными и маломощными масляными горелками прошлого.
2:Чистые дизели
Преимущества: Крутящий момент, экономия топлива, более чистые выбросы
Недостатки: Стоимость топлива, низкие обороты, более высокая начальная стоимость
До сих пор мы много говорили о бензиновых двигателях, но как насчет дизельных двигателей? Дизели никогда не были большими продавцами в Соединенных Штатах. Несмотря на превосходную экономию топлива по сравнению с аналогичными газовыми двигателями, многие американцы по-прежнему считают дизели шумными, вонючими, ненадежными двигателями 1970-х и 1980-х годов.
Это уже не так. Современный дизельный двигатель мощный, экологически чистый и чрезвычайно экономичный. В современных двигателях используется дизельное топливо с низким содержанием серы, а автомобильные системы помогают устранить твердые частицы и избыточное загрязнение.
Дизельные двигатели, производимые такими компаниями, как Volkswagen, Mercedes-Benz, BMW, Volvo и другими, могут похвастаться усовершенствованными двигателями, такими как турбонаддув, усовершенствованный впрыск топлива и компьютерное управление, чтобы обеспечить эффективное вождение и высокий крутящий момент.
Дизельные двигатели имеют некоторые недостатки, в основном их низкий уровень оборотов и более высокая стоимость дизельного топлива. Но поскольку многие из них могут развивать скорость более 40 миль на галлон (17 километров на литр) по шоссе, водителю придется платить за это топливо намного реже. И если вам интересно, обеспечивают ли современные дизели хорошую производительность, обратите внимание на последние несколько гонок «24 часа Ле-Мана», где Audi доминировала, используя дизельные гоночные автомобили.
Напоследок посмотрим на нынешнего лидера «зеленых» автомобилей - гибридный двигатель.
1:Гибридные двигатели
Преимущества: Экономия топлива
Недостатки: Более высокая начальная стоимость, сложность
Сочетание высоких цен на бензин, повышенной осведомленности водителей об окружающей среде и правительственных постановлений, повышающих стандарты экономии топлива и выбросов, вынуждает двигатели становиться «зелеными» больше, чем когда-либо прежде. Одним из самых значительных усовершенствований двигателя, использованных для повышения эффективности в последние годы, является гибридный двигатель.
Гибриды были малоизвестны десять лет назад, но теперь все знают, как они работают - электрический двигатель работает в паре с традиционным бензиновым двигателем для достижения высоких показателей экономии топлива, но без "беспокойства по запасу хода" электрического двигатель, где водитель всегда задается вопросом, что будет, когда закончится заряд.
Toyota Prius остается самым продаваемым гибридным автомобилем в Америке. Он может похвастаться 1,8-литровым четырехцилиндровым двигателем в сочетании с электромотором мощностью 134 лошадиных силы. На низких скоростях электрический двигатель работает один, то есть автомобиль вообще не использует газ. В других случаях он помогает бензиновому двигателю. Полный комплект расходует около 50 миль на галлон (21,3 километра на литр) как в городе, так и на трассе.
Гибриды, такие как Prius, представляют собой последнюю эволюцию технологии внутреннего сгорания. Хотя их преимущества заключаются в топливной экономичности, есть и некоторые недостатки. Гибриды имеют более высокую начальную стоимость, чем их негибридные аналоги, и некоторые утверждают, что бензин должен быть намного дороже, чем сейчас (как бы невероятно это ни звучало), прежде чем водитель окупит дополнительные затраты на гибридный автомобиль.
Однако очевидно, что двигатели стремятся к снижению выбросов и повышению эффективности использования топлива. В то время как только электрические автомобили становятся все более распространенными, ясно, что двигатель внутреннего сгорания никуда не денется. Он просто будет продолжать развиваться, становясь все лучше и лучше, как это было со времен Model T.