В чем разница между бензиновым двигателем внутреннего сгорания 1930-х годов и сегодняшним (2018) без турбонаддува?

В чем разница между бензиновым двигателем внутреннего сгорания 1930-х годов и сегодняшним (2018) без турбонаддува?

Давайте сравним два реальных двигателя: Ford V8 1932 года и Mustang GT Coyote V8 2018 года.

В чем разница между бензиновым двигателем внутреннего сгорания 1930-х годов и сегодняшним (2018) без турбонаддува?
Ford V8 1932
В чем разница между бензиновым двигателем внутреннего сгорания 1930-х годов и сегодняшним (2018) без турбонаддува?
Ford V8 1932
Mustang GT Coyote V8 2018
Mustang GT Coyote V8 2018
Mustang GT Coyote V8 2018
Mustang GT Coyote V8 2018

Оба этих двигателя Ford являются современными двигателями для их эпох. Оба были предназначены для массового рынка автомобилей. Но в период с 1932 по 2018 год накопленные технологические достижения резко увеличили производительность и эффективность Ford V8. Двигатель 2232 кубического дюйма (3,2 литра) 1932 года производил 65 лошадиных сил при 3400 об / мин при мощности 17,9 л.с. / литр или 0,29 л.с. / куб. Дюйма. Максимальная скорость автомобиля составляла 76 миль в час. А соотношение мощности к весу составило 40,32 фунта за лошадиную силу. Расход топлива составлял 16 миль на галлон.

307 кубических дюймов (5,0 литров) двигателя 2018 года вырабатывают 460 лошадиных сил при 7000 об / мин и 420 фунт-фут крутящего момента при 4600 об / мин. Снаряженная масса Mustang GT составляет 3878 фунтов. Таким образом, V8 2018 в этом автомобиле имеет выходную мощность 92 л.с. / литр или 1,5 л.с. / куб.дюйма. Максимальная скорость Mustang GT составляет 157 миль / ч… ограничена электронным способом в целях безопасности, а не мощностью двигателя. Соотношение мощности к весу составляет всего 8,4 фунта за лошадиную силу. Наблюдаемый расход топлива составляет 19 миль на галлон.

Вы заметите, что 2018 V8 в 1,4 раза увеличивает мощность в 7 раз, при этом расход топлива на 20% меньше. Какие различия сделали это возможным?

В основе этого увеличения выходной мощности лежит архитектура двигателя. В то время как Ford V8 1932 года представляет собой двигатель с квадратным сечением (что означает, что ход поршня длиннее, чем его диаметр) при 3,06 x 3,75 дюйма с железными поршнями и степенью сжатия 6.3 — 1, 2018 V8 — двигатель квадратного сечения (диаметр и ход 3,6 дюйма) с коваными алюминиевыми поршнями и степенью сжатия от 12 до 1.

Почему это важно? Что ж, более короткий ход 2018 года уменьшает ход поршня и, следовательно, линейную скорость поршня. Это, плюс его более легкие поршни, позволяют намного более высокие скорости вращения (7000 оборотов в минуту при максимальной мощности против 3400 для двигателя 1932 года) и более высокую мощность. Более высокая степень сжатия (почти вдвое выше, чем у двигателя 1932 года) позволяет значительно повысить эффективность. Обратите внимание, что для повышения степени сжатия потребовалось несколько взаимосвязанных достижений: 1) повышение октанового числа бензина для предотвращения предварительной детонации при этих более высоких степенях сжатия, 2) достижения как в металлургии, так и в технике, что позволило поршням и штокам и коленчатый вал, чтобы выдержать более высокие нагрузки, и 4) усовершенствования в системах управления двигателем, позволяющие точно дозировать топливо и точно определять время зажигания.

Ниже ’32 Ford V8 шток и поршень.

В чем разница между бензиновым двигателем внутреннего сгорания 1930-х годов и сегодняшним (2018) без турбонаддува?
Ford V8 шток и поршень
В чем разница между бензиновым двигателем внутреннего сгорания 1930-х годов и сегодняшним (2018) без турбонаддува?
Ford V8 шток и поршень

Выше 2018 Ford Mustang GT со штоком и поршнем.

Чтобы выдерживать нагрузки, вызванные этими более высокими степенями сжатия и более высокими скоростями вращения, коленчатые валы современных двигателей должны были быть сделаны более прочными и лучше поддерживаемыми.

Ниже ’32 Ford V8 и коленчатых валов Ford Coyote V8 2018 года.

’32 Ford V8 и коленчатых валов Ford Coyote V8 2018
’32 Ford V8 и коленчатых валов Ford Coyote V8 2018
’32 Ford V8 и коленчатых валов Ford Coyote V8 2018
’32 Ford V8 и коленчатых валов Ford Coyote V8 2018

Вы можете видеть, что у более современного коленчатого вала есть большие журналы. Но посчитайте количество этих журналов. У каждого есть четыре шатуна для размещения восьми поршней. Но современный коленчатый вал V8 имеет 5 шатунных подшипников, в отличие от 3. Двигателя 1932 года. Это позволяет коленчатому валу оставаться жестким при поглощении больших нагрузок. Пяти основных подшипников дизайн стал нормой для архитектуры двигателя V8.

(Достижения в металлургии сыграли свою роль в продвижении конструкции современного двигателя. Но сравнивая двигатели с 1930-х годов до сегодняшнего дня, следует помнить, что Генри Форд был лидером в использовании современных высокопрочных сталей и использовал их и проектирование деталей вокруг этих металлов еще в 19-летнем возрасте.)

Теперь давайте посмотрим на конструкцию головки блока цилиндров, элементный фактор в архитектуре двигателя.

Ниже 1932 года Ford V8 с «плоскими» головками цилиндров.

Ниже 1932 года Ford V8 с «плоскими» головками цилиндров.
1932 года Ford V8 с «плоскими» головками цилиндров.
Ниже 1932 года Ford V8 с «плоскими» головками цилиндров.
2018 Ford Mustang GT Coyote V8 cylinder

Как вы можете видеть, головки цилиндров 1932 года (должно быть понятно, почему они называются «плоскими головками».) Не делают ничего, кроме уплотнения верхней части, палубы блока цилиндров и отверстий цилиндров и определения местоположения свечей зажигания. Головки цилиндров 2018 года, конечно, делают это, но они также содержат впускные каналы для топлива / воздуха и выхлопные каналы для сгоревших газов. В этом двигателе головки цилиндров также содержат подшипники распределительного вала. Это называется конструкцией верхнего распределительного вала.

Почему эти различия важны? В конструкции с плоской головкой как топливно-воздушная смесь, так и выхлопные газы должны направляться через проходы в блоке цилиндров. Таким образом, как объем, так и скорости потока ограничены как размерными ограничениями этой конструкции, так и необходимостью того, чтобы и впускной заряд, и выхлопные газы резко изменяли направление перед входом или выходом из камер сгорания. В отличие от конструкции OHC, впускной и выпускной каналы намного больше и могут быть значительно ограничены. На языке горячего прута конструкция головки блока цилиндров OHC может дышать, а плоская головка не может дышать. Эта способность дышать позволяет увеличить мощность и эффективность.

Ниже: Обратите внимание, насколько ограничены впускной и выпускной каналы в конструкции двигателя с плоской головкой.

В чем разница между бензиновым двигателем внутреннего сгорания 1930-х годов и сегодняшним (2018) без турбонаддува?
Flat-Head engine design
Сравните, насколько менее ограничены впускные каналы в головке цилиндров OHC или OHV.
Сравните, насколько менее ограничены впускные каналы в головке цилиндров OHC или OHV.

Ок. Давайте посмотрим, где распределительные валы расположены на этих двух двигателях.

ХОРОШО. Давайте посмотрим, где распределительные валы расположены на этих двух двигателях.
ХОРОШО. Давайте посмотрим, где распределительные валы расположены на этих двух двигателях.
ХОРОШО. Давайте посмотрим, где распределительные валы расположены на этих двух двигателях.
ХОРОШО. Давайте посмотрим, где распределительные валы расположены на этих двух двигателях.

Ford V8 1932 года использует один распределительный вал для всех своих 16 клапанов. Этот распределительный вал расположен в блоке цилиндров, над коленчатым валом и на схеме, расположенной непосредственно над большой шестерней с надписью «Распределительный вал 42 зуба». Он приводится в движение шестерней коленчатого вала и шестернями распределительного вала. Его положение относительно коленчатого вала не может быть изменено. Он управляет клапанами через сплошные толкатели клапанов и длинные толкатели.

Ниже 2018 года распредвалы Ford Mustang GT Coyote V8.

Распредвалы Ford Mustang GT Coyote V8.
Распредвалы Ford Mustang GT Coyote V8.

В отличие от Ford V8 1932 года с одним распределительным валом и толкателем клапанов, Ford Mustang GT Coyote V8 2018 года использует четыре распределительных вала, по два на каждую головку цилиндров, и приводит в движение клапаны более напрямую, без необходимости использования толкателей. Кроме того, положение распределительных валов можно изменять с помощью фазировочных кулачков (те большие цилиндрические детали, которые видны на правом конце узла распределительного вала).

Почему это важно? Устранение толкателей устраняет инерционную массу. Это означает, что клапаны могут приводиться в действие быстрее и с более агрессивным кулачковым профилем, который будет открывать клапаны дальше и быстрее без риска их всплытия. (Поплавок клапана — это состояние, при котором инерционная масса узла клапана не позволяет его движению соответствовать требованиям распределительного вала.) Кроме того, использование четырех распределительных валов, а не одного, и фазирующих устройств встроенного кулачка позволяет синхронизировать кулачок изменяться при работающем двигателе и регулировать время газораспределения выпускных валов независимо от распределительных валов впускных клапанов. Это позволяет V8 2018 иметь оптимальную и переменную фазу газораспределения для различных условий, а не фиксированную фазу газораспределения, которая всегда является компромиссом, для двигателя 1932 года. Это позволяет двигателю 2018 вырабатывать большую мощность в более широком диапазоне оборотов, в то же время сжигая чище и обеспечивая лучший расход топлива по сравнению с более простой конструкцией 1932 года.

Одним из значительных достижений в области мощности и долговечности двигателя является прогресс, достигнутый с течением времени в современных точных методах обработки с ЧПУ. В прошлом, скажем, до 1990 года, обрабатываемые детали производственной линии варьировались как по размерам, так и по массе. В 1960-х и 70-х и 80-х годах я мог взять новый двигатель, разобрать его и, просто переобработав каждую деталь до одного и того же точного размера и массы, серьезно увеличить как мощность, так и долговечность двигателя. Все оригинальные детали сборочного конвейера были в допустимых пределах. Но эти приемлемые допуски допускали широкий разброс.

Фактически, качественные производители двигателей, такие как Packard и Chris-Craft, снимают с конвейера вращающиеся массы, такие как поршни и шатуны. Затем они взяли бы, скажем, восемь шатунов и поршней для восьмицилиндрового двигателя и взвесили все восемь. Они выбирали одну из восьми, которая имела наименьшую массу, и использовали ее в качестве стандарта. Затем они должны были бы, чтобы машинист тщательно отшлифовал металл от юбок поршня остальных семи узлов штока и поршня, пока каждый из них, взвешенный на весах, не имел ту же массу, что и стандартный поршень. Сборка из восьми повторно обработанных шатунов и поршней, имеющих одинаковую массу, считалась «сбалансированной». Двигатель, собранный с уравновешенными шатунами и поршнями, работал более плавно, вырабатывал больше мощности и работал дольше, чем двигатель, собранный из прогона деталей мельницы.

Эта повторная обработка отдельных компонентов, однако, была очень дорогой операцией … если бы она выполнялась вручную как дополнительная операция. Это может быть предоставлено только в верхней части рынка. Сегодня, однако, современная механическая обработка настолько точна, что эти допуски «синего цвета» и соответствующие компоненты обнаруживаются во всех деталях, выходящих за пределы линии. Сегодня любой хороший автомобильный двигатель — это, по сути, Blue Printed и Balanced. Это улучшение точности обработки значительно повысило производительность и долговечность современных двигателей.

Но самое большое различие между современными двигателями и теми, которые были разработаны и изготовлены в 1930-х годах, заключается в управлении двигателем.

Это то, что контролировало соотношение воздух / топливо и объем в Ford V8 1932 года.

air/fuel ratio and volume in the 1932 Ford V8
air/fuel ratio and volume in the 1932 Ford V8

Это одноствольный карбюратор Stromberg. Он имеет дроссельную заслонку, которая контролирует поток воздуха через трубку Вентури, который всасывает топливо из поплавкового бака и позволяет ему более или менее испаряться в цилиндре карбюратора, дроссельный клапан-дроссель, который грубо ограничивает воздушный поток для обогащения топливно-воздушной смеси для запуска или предварительного для двигателя, достигающего рабочей температуры, винт регулировки скорости холостого хода и регулируемый игольчатый клапан, который можно настроить для изменения смеси топлива и воздуха на низкой скорости. Был также ускорительный насос, маленький поршень, который грубо впрыскивал неочищенный газ в карбюратор, когда дроссель был быстро открыт, чтобы на мгновение обогатить топливно-воздушную смесь, когда требовалось быстрое изменение частоты вращения двигателя.

Описывать такой учет топлива как сырой — это грубое преуменьшение. В лучшем случае все было компромиссом. Большую часть времени смесь была слишком богатой, расходуя впустую топливо. Тем не менее, поскольку установка слишком сухой смеси может привести к повреждению двигателя, более богатая настройка — лучший компромисс.

Ford Mustang GT Coyote V8 2018 года использует как впрыск топлива в порт низкого давления, так и прямой впрыск высокого давления.

direct fuel injection.
direct fuel injection.

При этом используется множество датчиков и цепей обратной связи для точного регулирования соотношения топливо / воздух для каждого цилиндра, которое определяется температурой окружающей среды, высотой и давлением воздуха, температурой двигателя, положением дроссельной заслонки, выбором передач, нагрузкой двигателя, положением коленчатого вала, октановым числом топлива и анализ выхлопных газов. Более того, он делает это несколько раз в секунду.

Время зажигания также улучшилось: от распределителя сырой точки и конденсатора с центробежным механизмом продвижения, использовавшегося в Ford V8 1932 года, до управляемой компьютером системы катушки на штекере, используемой в Ford Coyote V8 2018 года.

В чем разница между бензиновым двигателем внутреннего сгорания 1930-х годов и сегодняшним (2018) без турбонаддува?

На Ford V8 1932 года степень опережения зажигания варьировалась с помощью вращающихся грузов, удерживаемых пружинами. Когда двигатель вращался быстрее, груз, приводимый в движение центробежной силой, перемещался наружу, перемещая положение распределительной пластины и точки зажигания относительно кулачка распределительного вала, который был снят с распределительного вала. Это продвинуло время зажигания. Когда двигатель замедлился, пружины будут тянуть эти веса назад, и время зажигания будет замедлено. Если вы хотите изменить кривую опережения зажигания (отношение скорости опережения зажигания к частоте вращения двигателя), вы изменили пружины. Как и в случае соотношения воздух / топливо, эта настройка никогда не была точной и всегда была компромиссом.

В отличие от этого, на современном Ford Mustang GT Coyote V8 2018 года скорость зажигания для каждого цилиндра постоянно регулируется для обеспечения оптимальной производительности несколько раз в секунду блоком управления двигателя, который снова получает входные сигналы от множества датчиков.В чем разница между бензиновым двигателем внутреннего сгорания 1930-х годов и сегодняшним (2018) без турбонаддува?

Эти изменения в архитектуре двигателя и управлении двигателем (последний был вызван необходимостью, изначально неохотно, выполнять мандаты EPA, CARB и CAFE), привели к чрезвычайно мощным двигателям, которые легко запускаются и работают плавно, независимо от температуры или погоды. , чрезвычайно надежны, горят чисто и дают лучший пробег, чем их гораздо менее надежные или мощные ранние версии.

Ни одно из этих изменений не было внезапным. Все были аддитивными и пошаговыми. Но они продвинули двигатель внутреннего сгорания до уровня производительности и эффективности, выходящего за рамки того, что могли себе представить покупатели автомобилей или инженеры 1930-х годов.

Но, чтобы усложнить эту историю, позвольте мне показать вам еще один двигатель 1930-х годов, модель Duesenberg Model J.

Duesenberg Model J.
Duesenberg Model J.

Хотя в Duesenberg не было современного компьютеризированного управления двигателем, этот двигатель, предназначенный для верхнего сегмента рынка, вобрал в себя многое из того, что мы сейчас называем современным дизайном двигателя. Но это уже другая история.

 

 

PS

Комментарий от Сергея. Воркута.

Есть довольно много различий на самом деле.

1-Менее загрязняющий. Двигатели 1930-х годов часто работали с большим количеством топлива или воздуха. Это либо дает неполное сгорание, либо NOx. Это прежде, чем упомянуть, что TEL был добавлен к бензину тогда, который выпустил много-много свинца в воздух. Этого не происходит с современными двигателями, так как у нас нет свинцовых соединений в топливе, и в двигателях есть компьютерные системы, которые могут очень точно контролировать топливовоздушную смесь, обеспечивая максимальную мощность и минимальное загрязнение.

2- Проще исправить. Двигатели 1930-х годов не имели промышленных стандартов для каких-либо компонентов двигателей. Если что-то сломалось, было трудно найти деталь, чтобы исправить это. В настоящее время эти детали легко найти (даже без интернета), или вы можете попросить кого-нибудь другого решить эту проблему за вас.

3- Более высокая пиковая мощность. Многие современные автомобильные двигатели могут обеспечивать гораздо более высокую пиковую выходную мощность, чем в 1930-х годах, и гораздо дольше (даже без турбонаддува). Учитывая, что пиковая выходная мощность двигателя может позволить вам избежать крушения, последствия очевидны.

4- Более эффективным. Автомобильные двигатели 1930-х годов обладали термодинамическими характеристиками, которые сегодня заставляли бы владельца автомобиля плакать. Во многих случаях тепловая эффективность составляла менее половины от стандартной на сегодняшний день, даже если исключить другие факторы, которые делают автомобили сегодня намного более экономичными.

5- Меньше необходимого сопровождения. В 1930-х годах нередко требовалась замена моторного масла каждые 400 км (250 миль) или около того. Благодаря улучшенным прокладкам, головкам цилиндров и материалам, многие современные двигатели требуют замены масла каждые 8000 км или около того. Тот же уровень улучшения применим ко всем аспектам современных автомобильных двигателей, от свечей зажигания до аккумуляторов и трансмиссии.