Perché motori più piccoli su veicoli più recenti

Ho cercato alcune auto su Internet e ho notato che le auto più recenti ottengono motori più piccoli.

Per esempio, ho trovato un diesel Ford Focus 1.6 o anche un diesel Mercedess A Klass 2015 con un motore 1.6, che sembra essere entrambi buoni.

Potresti spiegare perché?

I motori più piccoli offrono una miriade di vantaggi rispetto ai motori enormi. Principalmente è l'efficienza del carburante che si traduce anche in emissioni. Meno carburante si consuma, minore è la quantità di gas che viene espulsa dal motore. Non solo, ma anche il peso è qualcosa da considerare. Lo spazio nel vano motore per ulteriori accessori è anche qualcosa di cui gli ingegneri apprezzano.

Non hai più bisogno di enormi motori a 8 cilindri nelle auto normali perché l'ingegneria è arrivata al punto in cui una 1.4L può spingere un'auto enorme. Riguarda il design del motore. Non otterrai la coppia che avresti tra 6 o 8 cilindri, ma per un guidatore quotidiano che ti porta dal punto A al punto B; Questo è tutto ciò di cui hai veramente bisogno. Inoltre, con l'implementazione sempre crescente dell'induzione forzata (Turbo e compressori) che diventa normale, la potenza e la coppia si ottengono più facilmente in motori molto più piccoli. Ho visto piccoli 2.0L che spingono fuori dalla fabbrica 275 CV, il che sarebbe quasi impossibile se non si usasse un turbo.

Principalmente però ha a che fare con il consumo di carburante e le emissioni. Come nota a margine, non mi dispiace neanche; È molto più facile per i tecnici lavorare.

Come dice cloudnyn3, si tratta di miglioramenti nella progettazione del motore: un 1.4 moderno può produrre la stessa potenza di un 2.0 di 20 anni fa, ma con consumi ed emissioni molto migliori - inoltre è più piccolo e leggero, il che aiuta di nuovo - ottieni più spazio in macchina per altre cose e una migliore economia del carburante significa che è possibile montare un serbatoio del carburante più piccolo senza perdere la portata, guadagnando di nuovo spazio.

C'è stata una tendenza con lo sviluppo dei motori a combustione interna (ICE) sin dal loro inizio per renderli più piccoli, più leggeri, più economici, più potenti e più efficienti da quando sono stati inventati.

I primi ICE erano estremamente grandi, ma producevano pochissima potenza rispetto ai moderni motori. Le prime automobili dovevano essere rese estremamente grandi e abbastanza robuste solo per ospitare questi motori. All'inizio, anche le automobili erano molto costose e la persona media non avrebbe potuto permettersele.

Nell'ottobre del 1913, Louis Coatalen, ingegnere capo della Sunbeam Motor Car Company, entrò a far parte di un'auto a motore V12 nelle corse brevi e lunghe per disabili di Brooklands. Il motore ha spostato 9 L (550 cu in), con alesaggio e corsa di 80 x 150 mm. Un basamento in alluminio trasportava due blocchi di tre cilindri ciascuno lungo ciascun lato, con un angolo incluso di 60 gradi. I cilindri erano di ferro, con testate integrate con camere di combustione a L. Le valvole di aspirazione e di scarico sono state azionate da un albero a camme centrale nel V. Il gioco delle valvole è stato impostato rettificando le parti pertinenti, il motore mancava di un facile mezzo di regolazione. Ciò indicava l'obiettivo finale di Coatalen di utilizzare la nuova V12 come motore aeronautico, dove si doveva evitare qualsiasi metodo di regolazione che potesse andare storto in volo. Come inizialmente costruito, il V12 è stato valutato a 200 CV (150 kW) a 2.400 giri / min, del peso di circa 340 kg. Il motore ha alimentato la macchina (chiamata "Toodles V" (per il nome da compagnia di Olive, la moglie di Coatalen) a diversi record nel 1913 e nel 1914.

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

Il motore "Toodles V" era molto più grande e più pesante di un motore moderno, ma nonostante ciò, produceva solo la stessa potenza di un motore moderno relativamente piccolo. I primi ingegneri mancavano semplicemente della capacità di rendere i motori più piccoli e leggeri in quel momento.

Henry Ford ha contribuito a cambiare drasticamente questo. Ha introdotto un motore a 4 cilindri molto leggero e piccolo per il modello T. Il suo motore ha prodotto solo circa 20 cavalli, ma era abbastanza per la persona media. C'erano ancora motori grandi e potenti prodotti per gli appassionati di auto, ma ha creato un mercato per un'auto economica.

Nel corso dei decenni successivi, i progetti dei motori migliorarono costantemente, il che portò all'era delle muscle car. Le corse automobilistiche sono diventate molto più popolari e tradizionali e le case automobilistiche hanno fatto concorrenza per produrre motori più potenti. C'è un vecchio adagio che dice qualcosa come "Vinci la domenica, vendi il lunedì". A quel tempo, i produttori avevano pochissime normative sui tipi di auto che potevano produrre. Le auto erano fondamentalmente trappole mortali, e i produttori lo sapevano e non hanno scelto di fare nulla. Molti di loro mancavano di tutte le caratteristiche di sicurezza di base come le cinture di sicurezza. C'è stata anche una scarsa considerazione per il risparmio di carburante. Il gas costava poco e non c'erano norme sulle emissioni e l'efficienza del carburante come oggi.

A partire dalla fine degli anni '60, il governo ha cercato di limitare le emissioni delle automobili. Ciò portò alla creazione dell'EPA nel 1970. La carenza di gas nel 1973 e il conseguente aumento del costo del gas furono anche fattori trainanti che segnarono la fine dell'era della muscle car a partire dall'anno modello del 1974.

Per la prima volta, i produttori sono stati incaricati di rispettare le rigide linee guida create dal governo degli Stati Uniti per il risparmio di carburante e le emissioni. Il problema era che i produttori non avevano idea di come soddisfare le nuove rigide normative e non avevano molto tempo per conformarsi. Queste nuove norme sulle emissioni hanno costretto i produttori ad aggiungere dispositivi di controllo delle emissioni come i catalizzatori, riducendo il flusso dei gas di scarico. Le normative EPA hanno anche rimosso l'additivo di piombo dalla benzina nel 1973, che ha costretto i motori a cambiare in modo da poter gestire la benzina senza piombo.

A metà degli anni '70, vennero costruite molte macchine con grandi motori a 8 cilindri che producevano solo circa 100 cavalli. La Corvette del 1971 fu offerta con un motore che aveva 425 CV, e nel 1975 aveva solo 205 CV. Il modello di base del 1975 era anche peggio che aveva solo 165 CV, che è circa la stessa potenza che ha un monovolume di famiglia oggi. Ciò ha portato a una grande protesta pubblica e le case automobilistiche hanno cercato invano di apportare miglioramenti, ma i miglioramenti sono arrivati ​​molto lentamente. Non è stato fino alla fine degli anni '90, quando le Corvette avevano un numero di prestazioni simile ai loro predecessori di muscle car.

Intorno a questo periodo, le auto piccole ed efficienti dal Giappone furono introdotte nei mercati statunitensi e furono ben accolte. Ciò alla fine ha portato alla perdita del dominio per i produttori di auto statunitensi negli Stati Uniti. Le società statunitensi furono costrette ad entrare nel mercato delle auto compatte perché stavano perdendo le vendite alle importazioni. In precedenza, negli Stati Uniti venivano vendute pochissime auto straniere. Molte di queste vendite erano destinate a piccole auto sportive europee come Triumph, Alfa Romeo, MGB, Austin-Healey, Jaguar, Porsche, Mercedes-Benz, Lotus, ecc.

Nel tempo, tecnologie come l'iniezione elettronica di carburante e la ricarica turbo hanno portato a significativi miglioramenti in termini di efficienza e potenza. Molti motori moderni possono erogare una grande quantità di potenza, ma consumano comunque carburante. Questi nuovi design sono così efficienti che non è più necessario avere un motore di grandi dimensioni nella maggior parte delle auto.

Le case automobilistiche sono ancora sotto pressione per produrre veicoli ancora più efficienti in termini di consumo di carburante. Esistono anche normative che limitano il consumo medio di carburante nell'intera flotta. Sono fondamentalmente costretti a produrre tutte le auto elettriche o ibride per riportare l'MPG medio allo standard. Ci sono ancora auto con grandi V8 e V10, ma il motivo per cui ci sono meno prodotti, è a causa di rigide normative.

Questo si riduce all'efficienza.

Non molto tempo fa, le auto erano più grandi e più pesanti in generale. L'EPA e altre organizzazioni governative nei paesi che producono automobili hanno richiesto un maggiore consumo di carburante. Ciò ha spinto la R&S in due aree:

• Fare in modo che i veicoli pesino meno, quindi il motore ha bisogno di meno energia per spostare la macchina.
• Fare in modo che i motori producano più potenza con meno carburante utilizzato.

Il primo articolo è fuori tema per questa domanda, ma i veicoli sono diventati più leggeri per diversi motivi. La fisica di base è che, indipendentemente dalla catena cinematica, un veicolo con una determinata massa richiede una quantità minima di energia per muoversi. Abbassare quella massa, ha bisogno di meno energia (leggi: carburante).

I motori sono diventati molto più efficienti in termini di potenza e consumo di carburante negli ultimi anni. Mettiamo alcuni numeri concreti su questo con alcuni esempi. Prenderò un camion che conosco e che ho studiato in precedenza.

Una Chevy Silverado di terza generazione (2014+) viene fornita con due opzioni di motore principali:

• 4.3L V6 - 285HP
• 5.3L V8 - 355HP

Se torni alcuni anni alla seconda generazione Silverado (2007-2013), ci sono alcune opzioni in più nel corso degli anni, ma qui ci sono alcuni dei motori più ampiamente prodotti:

• 4.3L V6 - 195HP
• 4.8L V8 - 295-302HP
• 5.3L V8 - 315HP

Questa è una singola generazione / iterazione del veicolo e la potenza è abbastanza diversa. Il V6 più recente produce quasi altrettanti HP del V8 precedente, con una riduzione di 10 HP. Produce 90 CV in più rispetto al precedente V6 con lo stesso spostamento .

GM ha messo il suo motore LFX in parecchi veicoli negli anni modello 2015 e 2016. La sua potenza varia in base al veicolo in cui si trova (c'è di più in un motore rispetto al blocco di metallo, ci sono molte parti che incidono sulla potenza). In generale, variano tra 301 e 323 CV. Questo V6 da 3,6 litri ha una potenza maggiore rispetto al V8 di generazione precedente elencato sopra! In effetti il ​​motore LFX da 3,6 litri ha 15-35 CV in più rispetto all'attuale 4.3L della Silverado (ma con una coppia inferiore).

Senza fare questa risposta troppo a lungo, troverai risultati molto simili se guardi altri produttori e motori (I4 v V6). Su tutta la linea, c'è un'enorme quantità di pressione per migliorare l'efficienza del motore.

I motori moderni hanno sostanzialmente due cilindri in più rispetto ai motori prodotti solo dieci anni fa. Una cilindrata minore significa generalmente una maggiore efficienza del carburante e i design moderni producono anche più potenza.

Le auto più recenti hanno motori più piccoli perché quel nuovo motore I4 può produrre la stessa potenza del V6 dell'ultima generazione di auto e consumare meno carburante per farlo. Questo soddisfa l'EPA, così come i conducenti che spendono meno in carburante ma hanno ancora molta potenza quando necessario.

^{(Nota: ho omesso alcune delle opzioni del motore sopra che non sono molto comuni e non aggiungono molto alla discussione. Sì, lo so GM offre un V8 6.2L, ma pochissimi Silverados ce l'hanno e non aiuta rispondi alla domanda)}

Poiché un motore a combustione interna alimentato a pistone è una fonte di energia non continua che produce energia solo quando il carburante nel cilindro va a "scoppiare", ci sono due modi di base per ottenere più potenza da un motore: 1) farlo girare più velocemente, dando più colpi per unità di tempo, o 2) continui a girare più lentamente, ma aggiungi più cilindri per ottenere più colpi per unità di tempo.

(Sì, puoi aggiungere compressori o turbocompressori o qualche altro sistema per imballare più carburante e aria nel cilindro e puoi inserire più set di punti nel distributore e ruotare il distributore più lentamente - ma ignoriamo queste cose proprio ora, solo per ragioni di argomento :-).

Back In The Day (tm) la maggior parte dei motori a benzina utilizzava il sistema di accensione a punti e rotore, in cui un interruttore meccanico a molla (i "punti") veniva aperto e chiuso da una camma sull'albero del distributore, generando una scintilla che era instradato al cilindro appropriato dal rotore e dai fili tra il distributore e le candele. L'interruttore meccanico ha generato una scintilla interrompendo il flusso di corrente elettrica attraverso la bobina quando l'interruttore si è aperto; la corrente che scorre attraverso la bobina ha causato la formazione di un campo magnetico e l'interruzione del flusso di corrente ha causato il collasso del campo magnetico che ha causato una corrente indotta nell'asta di ferro al centro della bobina che era collegata al polo centrale sul distributore.

Poiché i punti sono un interruttore meccanico azionato a molla, hanno un limite alla velocità con cui possono reagire. Generalmente (e io sono moltogenerale qui) i motori che utilizzano un sistema di accensione con punti in essi non funzionerebbero in modo affidabile a velocità superiori a 2500 RPM perché i punti "galleggiano" in posizione aperta - e poiché i punti non si chiudevano, nessuna corrente poteva fluire attraverso la bobina impostare il campo magnetico che collasserebbe quando i punti si aprivano per generare la scintilla di accensione. Sì, è possibile utilizzare una molla più forte sui punti, ma ciò ha causato problemi indesiderati come l'eccessiva usura nel distributore. Quindi, con un limite superiore assoluto (ish) su RPM, l'unico modo per ottenere più potenza da un motore era quello di aggiungere più cilindri ad esso in modo da ottenere più colpi dal motore per ogni rotazione. Un motore a quattro cilindri ti dà due colpi per rotazione; sei cilindri, tre colpi; otto cilindri, quattro colpi. Enormi motori aeronautici con un massimo di 22 cilindri hanno dato ancora più colpi per rotazione. Quindi, più cilindri, più potenza.

Entra nel mondo dell'accensione elettronica, che è ormai di serie su quasi tutti i motori a benzina del mondo. Questo sistema elimina l'interruttore meccanico, sostituendolo con un dispositivo completamente elettronico senza tempo di "reset", che consente ai motori di funzionare molto più velocemente. È comune oggi far funzionare motori a quattro cilindri sopra i 3000 giri / min a velocità autostradale - il piccolo quattro banger nella mia Ford Fiesta gira a circa 3200 giri / min a 65 MPH. Allo stesso tempo, i produttori hanno apportato miglioramenti incrementali nella progettazione del motore che contribuiscono a una maggiore potenza per unità di cilindrata. Ma l'IMO che ha contribuito maggiormente alla potenza maggiore dei motori più piccoli è stata l'accensione elettronica, che consente a un motore piccolo di funzionare a regimi più elevati.

YMMV :-)

Risposte diverse toccano parti diverse della risposta complessiva. La risposta alla radice che stai cercando è la densità di potenza: quanti cavalli (kW, qualunque cosa) per pollice cubo (o litro) di cilindrata.

Quanto potere ci vuole per spingere questo veicolo in modo desiderabile? Una frazione significativa del peso di un veicolo è il motore, quindi un motore più piccolo e leggero significherà meno peso da spingere. E meno massa = meno gas. Ecco perché l'attuale linea F-150 di Ford utilizza un corpo in alluminio, anziché uno in acciaio. È più leggero e richiede meno energia per spostarlo.

Come sottolinea @Bob Jarvis, l'accensione elettronica, al contrario del vecchio sistema a punti / bobina / distributore, offre la possibilità di far girare alti regimi e mantenere comunque i tempi di accensione. In effetti, fornisce tempi più precisi su tutta la gamma. E tempi più precisi si traducono in una maggiore densità di potenza.

L'iniezione di carburante fornisce una miscela molto più precisa di carburante. Con questo, e tempi più precisi, puoi usare rapporti di compressione più alti (8: 1 per la Omni I carburata del 1981 che guidavo da adolescente, 9.5: 1 per la Dakota del 1998 a iniezione di carburante che guidavo più di recente; usando lo stesso economico, senza piombo benzina). Rapporti di compressione più elevati consentono una maggiore densità di potenza, nonché una maggiore efficienza termica.

L'iniezione diretta di benzina può aumentare ulteriormente il rapporto di compressione che è possibile utilizzare. La benzina viene iniettata direttamente nel cilindro, raffreddando solo l'aria nel cilindro. Gli spruzzi di iniezione della porta nel collettore di aspirazione, raffreddando le valvole di aspirazione e il collettore nel processo. L'aria più fredda può gestire una maggiore compressione prima che inizi a causare l'autoaccensione (bussare).

Turbo e compressori ti consentono di spremere un volume maggiore di aria (e carburante) in una determinata cilindrata, permettendo al tuo motore di funzionare come se avesse una cilindrata molto maggiore. Brucerà più carburante quando lo fa. Ciò fornisce energia "su richiesta". Può spingere la tua densità di potenza "on demand" molto alta; abbastanza alto che non sono necessari più cilindri o cilindrata per raggiungere un livello di potenza desiderabile. Non vuoi correre sempre a quell'impostazione dell'acceleratore, ma è lì quando ne hai bisogno.

La fasatura variabile della valvola consente di eseguire il ciclo Atkinson / Miller anziché il semplice ciclo Otto. Questo non aiuta la tua densità di potenza tanto quanto divide ulteriormente la densità di potenza "base" dalla densità di potenza "su richiesta". Se non si richiede energia spesso, ciò aumenterà ulteriormente il consumo di carburante. Ma può tornare al ciclo Otto completo, riportando al massimo l'impostazione di potenza "su richiesta" quando necessario.

Il risultato finale è che tutti questi piccoli trucchi possono spremere più potenza da ogni pollice cubo (litro) di spostamento. E ti offre una gamma più ampia di impostazioni di potenza, con le impostazioni di potenza inferiore che forniscono un consumo di carburante significativamente inferiore (e emissioni significativamente più basse) per miglio (o km, se preferisci).

La linea di motori Ecoboost di Ford utilizza tutto quanto sopra. Stanno sostituendo rapidamente V8 con V6 e, di conseguenza, sostituendo V6 con I4. @Gusdor menziona un motore da 1 litro nella sua Fiesta; abbastanza sicuro che è un motore Ecoboost a 3 cilindri. Se i motori risultanti siano affidabili, a lungo termine, è una domanda aperta. I turbo, in particolare sui motori a benzina ad alto regime (benzina), tendevano a non essere così affidabili in passato. Quei motori sono abbastanza nuovi che non ci sono ancora molti dati a lungo termine. È possibile che abbiano risolto i problemi. Troppo presto per dirlo.

Qualche anno fa, la cosa che andava di moda erano le muscle car. Accelerazione rapida, motori rumorosi e potenza erano tutto lo stile. Tuttavia, nel corso degli anni, l'EPA e altre varie agenzie hanno cercato di ridurre le emissioni (salvare l'ambiente). Di conseguenza, i produttori di automobili hanno iniziato a costruire automobili con l'obiettivo di avere un minimo di monossido di carbonio, ossidi di azoto e idrocarburi. Evidentemente, più piccolo è il motore, minori sono le emissioni.

Inoltre, la moda delle muscle car ha, in larga misura, dato spazio alla modalità dei veicoli di lusso, che può essere progettata con motori più piccoli ma con più funzionalità. Quindi i clienti sono felici, i produttori sono felici, l'EPA è ~ felice e, come diceva cloudnyn3, anche i meccanici sono felici.

In realtà potrebbe accadere che questa tendenza si inverta. I piccoli motori devono funzionare a regime massimo (WOT) per produrre quantità utili di potenza e l'arricchimento WOT ridurrà l'efficienza del carburante, cosa che non viene misurata dagli attuali cicli di guida non realistici. Tecniche come l'iniezione diretta di benzina significano produzione di particolato e un filtro antiparticolato costa molto (ma il cancro del polmone costa di più per le persone colpite). Un turbocompressore è un componente fragile e può essere un onere complessivo durante l'intera vita di un'auto, compresi i suoi ultimi anni. Anche i miglioramenti nei cicli operativi del motore (ciclo di Atkinson) significano che l'efficienza volumetrica può effettivamente diminuire, sebbene aumenterà l'efficienza energetica. Il ciclo di Atkinson era originariamente utilizzato negli ibridi,

Ad esempio, considera la mia Opel Vectra del 1989. Motore C20NE da 2,0 litri da 115 CV. Ora considera l'equivalente moderno: una Toyota Prius. Motore 2ZR-FXE da 1,8 litri con 98 CV di potenza, sebbene la spinta elettrica produca ulteriori quantità di potenza, quindi nel complesso quelle auto sono altrettanto potenti e accelerano allo stesso modo. Da 2,0 litri a 1,8 litri non è un gran cambiamento.

Sì, c'era una tendenza al ridimensionamento e al turbocharge, ma la tendenza sembra invertirsi. Ad esempio, la Toyota Yaris che un tempo aveva un motore aspirato da 1,33 litri si sta spostando su un motore da 1,5 litri nella sua configurazione non ibrida sul mercato europeo; l'ibrido utilizzava sempre un motore da 1,5 litri (leggermente diverso dal non ibrido da 1,5 litri). Capisco anche che il motore da 1,5 litri è stato sempre offerto sul mercato nordamericano.

Quindi, non trarre una conclusione definitiva prima che le auto elettriche possano eventualmente sostituire le auto alimentate a carburante liquido. È possibile che le ultime auto a propulsione a combustibile liquido che girano su dinosauri morti (*) utilizzino i motori a ciclo Atkinson senza sovralimentazione, il che significa che le dimensioni del motore sono quasi le stesse di una volta nelle vecchie auto.

Me? Sono passato da 2,0 litri (1989 Opel Vectra) a 1,33 litri (Toyota Yaris 2011) a 2,5 litri (ibrido Toyota RAV4 2016), sebbene allo stesso tempo mi sia spostato leggermente verso l'alto considerando anche le dimensioni, il prezzo, il peso e le prestazioni dell'auto.

(*): Sì, lo so che il petrolio in realtà non proviene da dinosauri morti ...