De flesta vet att Ford Model T var den första riktigt prisvärda bilen. Men vet du vad det var för motor? Den ursprungliga Model T, som släpptes 1908, packade en 2,9-liters fyrcylindrig motor med bara 22 hästkrafter.
Det är en liten effekt för sin storlek jämfört med dagens motorer, men den slog säkert motorn i vad som anses vara den första bilen - 1885 års Benz Patent Motorwagen. Den bilen hade en enkolvsmotor och genererade bara två tredjedelar av en enda hästkraft.
Som du kan se har bilmotorer varit i ständig utveckling sedan början av bilismen. Idag är de kraftfullare, tystare, mer hållbara, mindre förorenande och mer bränslesnåla än de någonsin varit tidigare, tack vare ständiga framsteg inom motordesign och teknik.
Fordonsingenjörer arbetar ständigt med sätt att förbättra förbränningsmotorn och föra den in i framtiden. Hur många andra uppfinningar känner du till som kontinuerligt har förfinats i mer än 150 år?
I den här artikeln tar vi en titt på 10 av de största och mest betydande motorförbättringarna genom tiderna. Från bränsleinsprutning till hybridmotorer, vi ska ta en titt på var motorer har varit, och förhoppningsvis få lite insikt om vart de är på väg.
InnehållFördelar: Mer bränslesnål, mindre förorenande
Nackdelar: Mer komplicerat, dyrare att tillverka
Kommer du ihåg den där Benz Patent Motorwagen vi pratade om? Förutom att ha en enda kolv, eller cylinder, var det en tvåtaktsmotor, som många tidiga motorer. Stroke hänvisar till kolvens rörelse i motorn.
Fyrtaktsmotorer var en av de tidigaste förbättringarna av förbränningsmotorer i slutet av 1800-talet. På en fyrtaktsmotor finns det fyra steg som motorn tar när den bränner bensin:insug, kompression, kraft och avgas [källa:CompGoParts.com]. Dessa steg sker alla när kolven rör sig upp och ner två gånger.
Tidigare, enklare tvåtaktsmotorer klarar samma uppgift - att bränna bensin för att skapa mekanisk rörelse - men de gör det i två steg. Idag finns tvåtaktsmotorer på liten utrustning som gräsklippare, små motorcyklar och stora industrimotorer. Nästan alla bilar använder fyrtaktscykeln.
Fyrtaktsmotorer har flera fördelar, inklusive förbättrad bränsleekonomi, längre hållbarhet, mer kraft och vridmoment och renare utsläpp. Men jämfört med tvåtaktsmotorer är de mer komplicerade och dyra att tillverka och kräver användning av ventiler för insug och avgaser av gaser.
Trots detta har fyrtaktsmotorer blivit branschstandarden för bilar, och de kommer sannolikt inte att försvinna någon gång snart. Vi kommer att lära oss mer om ventilernas roll och hur de har förbättrats senare i den här artikeln.
Därefter ska vi lära oss om forcerad induktion och hur den tog sig från flygplan till vardagliga bilar.
Fördelar: Mer kraft utan att motorstorleken ökar
Nackdelar: Bränsleförbrukning, turbofördröjning
En motor kräver tre saker för att generera rörelse:bränsle, luft och tändning. Att proppa in mer luft i en motor kommer att öka kraften som genereras av motorns kolvar. Ett långvarigt sätt att göra det, och ett som har blivit allt mer populärt på senare tid, är att använda tvångsinduktion. Du kanske känner till den här processen bättre genom de delar som gör det möjligt – turboladdare och kompressorer.
I en forcerad induktionsmotor tvingas luft in i förbränningskammaren vid ett högre tryck än vanligt, vilket skapar en högre kompression och mer kraft från varje slag av motorn [källa:Bowman]. Turboladdare och kompressorer är i huvudsak luftkompressorer som trycker in mer luft i motorn.
Forcerade induktionssystem användes på flygplansmotorer långt innan de började läggas till bilmotorer på 1920-talet. De är särskilt fördelaktiga för små motorer eftersom de kan generera mycket extra kraft utan att öka motorns storlek eller orsaka en dramatisk minskning av bränsleekonomin.
Ett bra exempel är den turboladdade Mini Cooper S, som bara har en 1,6-litersmotor men ger över 200 hästkrafter i vissa applikationer. Dessutom använder högpresterande bilar som Porsche 911 Turbo eller Corvette ZR-1 forcerad induktion för att uppnå enorma kraftvinster.
Nackdelarna? Bilar som har turboladdare kräver ofta premiumbensin. Sedan är det frågan om turbofördröjning , där kraftvinsterna inte märks förrän turboladdaren rullar upp med högre varv per minut (RPM). Ingenjörer har hjälpt till att minska båda dessa nackdelar de senaste åren.
Och med bränsleekonomi och utsläppsstandarder som blir strängare, vänder sig många biltillverkare till forcerad induktion på mindre motorer istället för att bygga större motorer. På den nyaste Hyundai Sonata, till exempel, är toppmotorn man kan köpa inte längre en V6, utan en fyrcylindrig turbo.
Härnäst kommer vi att diskutera varför förgasare praktiskt taget har blivit ett minne blott tack vare bränsleinsprutning.
Fördelar: Bättre gasrespons, ökad bränsleeffektivitet, mer kraft, enklare start
Nackdelar: Mer komplexitet och potentiellt dyra reparationer
I decennier var den föredragna metoden för att blanda bränsle och luft och deponera det i motorns förbränningskammare förgasaren. Tryck ner gaspedalen för full gas, så släpper förgasaren in mer luft och bränsle i motorn.
Sedan slutet av 1980-talet har förgasare nästan helt ersatts av bränsleinsprutning, ett mycket mer sofistikerat och effektivt system för att blanda bränsle och luft. Bränsleinsprutare sprutar bensin i luftintagsröret, där bränsle och luft blandas till en fin dimma. Den blandningen förs in i förbränningskammaren av ventiler på varje cylinder under insugningsprocessen. Motorns omborddator styr bränsleinsprutningsprocessen.
Så varför ersatte bränsleinsprutningen förgasaren? För att uttrycka det enkelt, bränsleinsprutning fungerar bara bättre i alla aspekter. Datorstyrda bränsleinsprutade motorer är lättare att starta, särskilt under kalla dagar, när förgasare kan göra saker knepiga. Motorer med bränsleinsprutning är också mer effektiva och mer lyhörda för ändringar i gasreglaget [källa:Automedia].
De har nackdelar när det gäller deras ökade komplexitet. Bränsleinsprutningssystem är också dyrare att reparera än förgasare. Men de har blivit branschstandarden för bränsleleverans, och det ser inte ut som att förgasare kommer att göra comeback när som helst snart.
I det här nästa avsnittet kommer vi att diskutera nästa steg i bränsleinsprutningsteknik, känd som direktinsprutning.
Fördelar: Mer kraft, bättre bränsleekonomi
Nackdelar: Dyrare att tillverka, relativt ny teknik
Direktinsprutning är en ytterligare förfining av de förbättringar som gjorts av bränsleinsprutning. Som du kanske har gissat från namnet, tillåter den bränsleinsprutningen att "hoppa över ett steg", vilket ökar effektiviteten till motorn, och mer kraft och förbättrad bränsleekonomi som en följd.
På en motor med direktinsprutning sprutas bränslet direkt in i förbränningskammaren, inte in i luftintagsröret. Motordatorer ser sedan till att bränslet förbränns exakt när och var det behövs, vilket minskar avfallet. Direktinsprutning ger en magrare blandning av bränsle, som förbränns mer effektivt. På vissa sätt gör det bensindrivna motorer mer lika dieselmotorer, som alltid har använt en form av direktinsprutning.
Som vi lärde oss tidigare har motorer med direktinsprutning en ökning av kraft och bränsleekonomi jämfört med stativbränsleinsprutningssystem. Men de har sina nackdelar också. För det första är tekniken relativt ny, den har kommit ut på marknaden först under det senaste decenniet eller så. Fler och fler företag börjar öka sin användning av direktinjektion, men det har ännu inte blivit standard.
Ibland kan motorer med direktinsprutning uppvisa ansamling av kolavlagringar på insugningsventilerna, vilket kan orsaka tillförlitlighetsproblem. Vissa biltuners har uttryckt svårigheter med att modifiera motorer med direktinsprutning också. Trots dessa problem är direktinsprutning den heta nya tekniken i bilvärlden just nu. Räkna med att se den på fler och fler bilar ju längre tiden går.
Låt oss sedan titta på användningen av motorblock i aluminium kontra järnblock av gamla klassen.
Fördelar: Lägre vikt leder till mer effektivitet och bättre hantering
Nackdelar: Kan skeva vid höga temperaturer
Under de senaste åren har bilar utvecklats mot att bli lättare på många sätt. Biltillverkare letar efter sätt att minska ett fordons vikt för att generera bättre bränsleekonomi och prestanda. Ett av sätten de har gjort det på är till stor del genom att ersätta motorer gjorda av järn med motorer i aluminium.
Under många år var järnmotorblock industristandard. Idag använder majoriteten av alla nya små motorer aluminium istället, även om många stora V8-motorer fortfarande använder järnblock. Aluminium väger mycket mindre än järn - vanligtvis väger en aluminiummotor hälften av vad ett järn väger. Det leder till en generellt lägre vikt för bilen, vilket innebär bättre hantering och mer bränsleeffektivitet [källa:Murphy].
Aluminium har dock vissa nackdelar. Som metall är den inte lika stark som järn och håller inte heller upp till höga nivåer av värme. Många tidiga aluminiumblockmotorer hade problem med cylindrarnas skevhet, vilket ledde till oro över hållbarheten. Dessa problem har dock till stor del lösts, och aluminium har tydligt hävdat sig som framtiden för motorer på grund av dess viktbesparande egenskaper.
I det här nästa avsnittet kommer vi att prata om hur kamaxlar har revolutionerat motordesignen.
Fördelar: Bättre prestanda
Nackdelar: Ökad komplexitet
Du har säkert hört termen "DOHC" eller "dubbla överliggande kamaxlar" när någon pratar om en motor. De flesta känner igen det som en önskvärd funktion att ha, men vad betyder det? Termen syftar på antalet överliggande kamaxlar ovanför varje cylinder i motorn.
Kamaxlar är en del av din bils valvetrain , som är ett system som styr flödet av bränsle och luft in i cylindrarna. Under många decennier hade bilar främst OHV-motorer, vilket betyder överliggande ventiler, även kallade "tryckstänger". Tryckstänger drivs av kamaxlar inuti motorblocket. Denna inställning lägger till massa till motorn och kan begränsa dess totala hastighet.
På en överliggande kaminställning är kamaxeln mycket mindre och sätts in ovanför själva cylinderhuvudet, snarare än i motorblocket. Det finns en på en enkel överliggande kammotor (SOHC), medan en DOHC-motor har två. Fördelen med den överliggande kaminställningen är att den möjliggör fler insugs- och avgasventiler, vilket innebär att bränsle, luft och avgaser kan röra sig mer fritt genom motorn och tillför kraft.
Medan många bilföretag har gjort av med stötstångsmotorer, har DOHC och SOHC inte ersatt dem riktigt än. Chrysler använder fortfarande stötstänger för att generera massor av kraft till sina Hemi V8-motorer; General Motors använder stötstänger på några av sina högteknologiska, moderna V8:or också. Men DOHC- och SOHC-motorer har varit framträdande på motorer, särskilt mindre, sedan 1980-talet.
Nackdelen med att ha överliggande kammar är att de ökar komplexiteten och kostnaden. Märker du en trend här ännu?
Därefter kommer vi att lära oss mer om hur ventiler påverkar prestandan när vi pratar om variabel ventiltid.
Fördelar: Bränsleekonomi, mer flexibel kraftleverans
Nackdelar: Större kostnad att producera
Om du överhuvudtaget är bekant med Honda-motorer har du nästan säkert hört termen VTEC. Människor som ställer in sina Honda för prestanda talar ofta om att "VTEC slår in." Men exakt vad betyder det?
VTEC hänvisar till variabel ventiltid och lyft elektronisk styrning, en form av variabel ventiltid. Det finns tillfällen då en motor kräver mer luftflöde, som vid hård acceleration, men en traditionell motor tillåter ofta inte tillräckligt med luft att flöda, vilket resulterar i lägre prestanda. Variabel ventiltid betyder att luftflödet in och ut ur ventilerna saktas ner eller snabbas upp efter behov [källa:Autropolis].
Honda är knappast det enda bilföretaget som erbjuder ett sådant system. Toyota har en som de kallar VVT-i, för variabel ventiltid med intelligens, och BMW har ett system som heter Valvetronic eller VANOS, som står för variabel Nockenwellensteuerung, vilket betyder variabel kamaxelstyrning. Även om de alla fungerar lite olika, utför de alla samma uppgift - att släppa in mer luft och bränsle i ventilerna med olika hastigheter. Detta gör en motor mer flexibel och gör att den kan leverera toppprestanda under en mängd olika förhållanden. Det ökar också bränsleekonomin.
Många motorer har nu någon form av variabel ventiltid, ofta styrd av motorns omborddator. Vi kommer att prata om hur motordatorer har revolutionerat designen i nästa avsnitt.
Fördelar: Bränsleekonomi, bättre diagnos av problem
Nackdelar: Kostnad, komplexitet
En motor är en otroligt sofistikerad enhet. Den har dussintals rörliga delar och mängder av olika processer som äger rum samtidigt. Det är därför som moderna bilar har allt reglerat av en omborddator som kallas motorstyrenhet eller ECU.
ECU:n ser till att processer som tändningstid, luft/bränsleblandning, bränsleinsprutning, tomgångsvarvtal och andra fungerar som de ska. Den övervakar vad som händer i motorn med hjälp av en rad sensorer och utför miljontals beräkningar varje sekund för att allt ska fungera korrekt. Andra datorer i bilen styr saker som elsystem, krockkuddar, innertemperatur, antispärrsystem, låsningsfria bromsar och automatväxellådan.
Bilar har blivit allt mer datoriserade sedan de första OBD-datorerna tillkom på 1980-talet. Det är datorn som är ansvarig för "check engine"-lampan på din instrumentbräda. En mekaniker kan koppla in en dator till OBD-porten och få en känsla av din bils problemområden. De kan inte använda OBD för att omedelbart veta vad som är fel med din bil, men det ger dem en bra utgångspunkt.
Genom att få motorn att gå mer effektivt kan motordatorer resultera i högre bränsleeffektivitet och enklare diagnos av problem. Men de gör också motorer mycket mer komplicerade och kan göra dem svåra för helgmekaniker att arbeta med.
Nästa upp:Låt oss lära oss varför dieselmotorer inte är de rökiga, bullriga, lågeffektoljebrännarna från det förflutna.
Fördelar: Vridmoment, bränsleekonomi, renare utsläpp
Nackdelar: Bränslekostnad, låga varvtal, högre initialkostnad
Vi har pratat mycket om bensinmotorer hittills, men hur är det med dieselmotorer? Dieslar har aldrig varit storsäljare i USA. Trots sin överlägsna bränsleekonomi jämfört med liknande gasmotorer, tänker många amerikaner fortfarande på dieslar som 1970- och 1980-talens bullriga, sotiga, illaluktande, opålitliga motorer.
Så är det inte längre. Den moderna dieselmotorn är kraftfull, ren och extremt bränslesnål. Dagens motorer använder en lågsvavlig form av dieselbränsle, och system i bilen hjälper till att eliminera partiklar och överskottsföroreningar.
Dieslarna tillverkade av företag som Volkswagen, Mercedes-Benz, BMW, Volvo och andra har motorförbättringar som turboladdning, sofistikerad bränsleinsprutning och datorkontroll för att ge en körupplevelse som är både effektiv och hög i vridmoment [källa:Bosch].
Dieselmotorer har vissa nackdelar, främst deras låga varvtalsnivå och den högre kostnaden för dieselbränsle. Men eftersom många av dem kan nå långt över 40 miles per gallon (17 kilometer per liter) på motorvägen, kommer föraren att behöva betala för det bränslet mycket mindre ofta. Och om du undrar om moderna dieslar erbjuder bra prestanda, behöver du inte leta längre än de senaste 24 timmarna av Le Mans-tävlingarna, där Audi har dominerat med en dieselracerbil.
Slutligen ska vi titta på den nuvarande ledaren inom "gröna" bilar - hybridmotorn.
Fördelar: Bränsleekonomi
Nackdelar: Högre initial kostnad, komplexitet
En kombination av höga bensinpriser, en ökad medvetenhet om miljön bland förarna och statliga regleringar som höjer bränsleekonomin och emissionsnormerna har tvingat motorer att bli gröna mer än någonsin tidigare. En av de största motorförbättringarna som använts för att öka effektiviteten de senaste åren är hybridmotorn.
Hybrider var oklara för ett decennium sedan, men nu vet alla hur de fungerar -- en elmotor samarbetas med en traditionell bensinmotor för att uppnå höga bränsleekonomisiffror, men utan "räckviddsångest" hos en elmotor, där föraren undrar alltid vad som händer när en laddning tar slut.
Toyota Prius är fortfarande den mest sålda hybridbilen i Amerika. Den har en 1,8-liters fyrcylindrig motor tillsammans med en elmotor som producerar 134 hästkrafter. Vid låga hastigheter agerar elmotorn ensam, vilket innebär att bilen inte använder gas alls. Vid andra tillfällen hjälper det bensinmotorn. Hela paketet får cirka 50 miles per gallon (21,3 kilometer per liter) i både staden och motorvägen [källa:AOL Autos].
Hybrider som Prius representerar den senaste utvecklingen inom förbränningsteknik. Även om deras fördelar kommer i form av bränsleeffektivitet, finns det också några nackdelar. Hybrider har en högre initial kostnad än sina icke-hybrid motsvarigheter, och vissa har hävdat att gas måste vara mycket dyrare än det är nu (otroligt hur det än låter) innan föraren får tillbaka den extra kostnaden för hybridbilen.
Det är dock tydligt att motorer går mot minskade utsläpp och högre bränsleeffektivitet. Medan endast elbilar blir vanligare är det uppenbart att förbränningsmotorn inte kommer någonstans ännu. Den kommer helt enkelt att fortsätta att utvecklas för att bli bättre och bättre, precis som den har gjort sedan Model Ts dagar.
