技术解读|为什么三缸不能成为主流？

技术解读|为什么三缸不能成为主流？发布时间：2020-03-16

“市场给我们的选择范围正在逐渐缩小。大多数时候，我只能试着选择一个我最能忍受的。”

买车是一件极其痛苦的事情。它通常从品牌本身的美丽价值、性能、技术甚至吸引力开始，但它往往会达到一个微妙的点。例如，滑雪爱好者决定放弃不能放在后座的新一代宝马3系。减少分配已经够令人寒心的了。改变电力系统可能是劝阻人们的真正“神器”。

为了保护环境，历史抛弃了V6，进入L4时代。随着近年来全球排放标准越来越严格，禁止四缸发动机是三缸发动机还是纯电动发动机再次引起了公众的讨论。

“我知道目前的三缸技术发展得非常好。有些发动机甚至比四缸发动机性能更好，但我就是不能通过自己的水平，”一位朋友说，他正要换车，但坚决抵制三缸发动机。然而，这样的声音不是一个例子。在最近一项由愤怒的汽车公司进行的关于三缸发动机的调查中，近60%的参与者表示，三缸汽车不会成为他们购车的首选。

但与此同时，参与者也意识到市场最终必须做出决定。目前，国内三缸机市场两极化。一方面，主机厂急于向市场提供三缸机产品，以满足全球环保趋势。另一方面，消费者害怕新闻。

摇晃和争吵是三缸发动机永远无法回避的话题。即使是通用汽车、宝马、本田、吉利等逐渐被市场接受的品牌，即使是其中连续出现了许多世界年度沃德十大发动机，市场舆论和一些消费者仍然坚持同样的刻板印象。

说到刻板印象，它来自哪里？

谈到三缸发动机，我们总是会拿出1979年推出的第一款奥托发动机，但今天我们可能需要更换它——80年代的TJ7100。也许更直接地说，是日本大发在1977年开始使用的CB系列发动机(在中国制造之后，具体代码是TJ376(QE))。

1.0升三缸发动机，单顶置凸轮轴，双气门，压缩比9.5:1等。当时没有回头看。它们出人意料地堆积在一起，但给三缸发动机留下了“太吵”、“太摇晃”和“无聊”的最初印象。

不用想，“无聊”自然源于发动机自身排量的缺点。毕竟，TJ376(QE)发动机的排量只有0.993升。今天，为了实现更低的排放，三缸发动机的排量仍然设计为小排量，大多在1.0升至1.5升之间

然而，为了获得与四缸发动机相似的动力性能，同时又不具有高油耗和符合排放标准，有必要堆积一堆新技术，这使得三缸发动机往往在技术水平上领先于四缸发动机，并经常获得各种国际奖项。其中包括:

侧向多点直喷可以达到较高的滚流效果和较好的燃烧效果。

可变气门升程，以在低转速下控制气门开启，并进行合理的扭矩控制；

可变正时系统，更有效地控制进气和排气；

电控涡轮泄压阀，精确控制增压速度和泄压速度；

阿特金森循环降低了油耗；

……

在各种技术的堆积下，目前的三缸发动机已经具有不损失相同排量甚至更高排量的动力性能，但相应地，成本也增加了。

由于“镗削”有许多技术解决方案，因此问题的关键在于关注抖动引起的噪声、振动和粗糙度，尤其是在怠速和低起动速度时，这将影响车辆的舒适性。这个问题也来自三缸机本身结构的“缺陷”。

众所周知，汽车中常用的四冲程发动机工作循环是进气、压缩、做功和排气。这四个步骤形成了一个完整的四冲程循环，也称为奥托循环。对于每个工作循环，连接连杆的曲轴旋转两次，即720度。

对于四缸发动机，无论气缸是按13还是12的顺序点火，曲轴每旋转180度，一个气缸做功，这样一个气缸就可以跟随另一个气缸，从而保证动力输出的连续性和平稳性。就功率输出的连续性和所做工作的对称性而言，四个气缸是满足条件的最小气缸数。如果气缸的数量进一步减少，将不能保证在每个完整的冲程中至少有一个活塞做功，并且在功率输出中将出现“间隙”，并且不能保证活塞的对称性。

因此，理论上，三缸发动机本身的结构在动态连续性和抖振特性方面具有短板。不管点火顺序是什么，当曲轴旋转720度时，只有三个气缸工作，每个气缸分配240度。这意味着曲轴每旋转180度，在前一个气缸到达工作下止点后，下一个气缸需要再旋转60度才能继续在上止点工作，从而形成一个动力空档期。

活塞组件和连杆在气缸内往复运动，曲轴旋转，产生往复惯性力和旋转惯性力。然而，由于三缸机本身的结构特点，其转动惯性力是平衡的，但力矩、一阶和二阶往复惯性力矩是不平衡的。如果两者不能相互抵消，就会发生周期性的晃动，这种晃动会传递到支架上，导致车身晃动。

真的没有解决办法吗？

发现问题、分析问题和解决问题是每个研究者必备的技能。三缸机器已经发展了几十年，并且已经有了不止一种解决方案。然而，目前最常见的解决方案是给曲轴增加一个平衡重来解决转动惯量的不平衡，并通过平衡轴来平衡往复转动惯量。

(沃尔沃驱动E1.5T三缸发动机，来源:沃尔沃)

但是说起来容易做起来难，实现起来更难。

理论上，三缸机的力矩可以通过四个轴完全平衡，即除了给曲轴增加一个平衡重外，还需要增加两个平衡轴，形成一套双轴平衡装置来平衡一阶往复惯性力矩。如果你想重新平衡二阶惯性矩，你需要增加另一套双轴平衡装置，但显然三缸机器结构不允许这种“神奇的操作”。因此，绝大多数三缸机(宝马、三菱、通用等。)市场上采用半平衡法来抵消一些惯性矩，并在一定程度上减少发动机振动。

然后，为了进一步解决发动机抖动的问题，各大汽车企业必须找到另一条出路，如PSA1.2THP中使用的大质量惯性曲轴皮带轮、分离平衡轴齿轮、在平衡轴从动齿轮上增加分离橡胶圈等。

然而，也有人坚持不增加平衡轴，尤其是福特。对策是改进发动机悬置系统的设计，利用发动机飞轮和前皮带轮消除振动能量，达到平衡。最直接的方法是将发动机的飞轮设计成偏心的，这样就避免了设计特殊的平衡轴，简化了发动机的结构，降低了内部能耗。

到目前为止，市场上三缸机的振动问题还没有完全解决，只能无限接近。随着三缸发动机使用时间的延长，后期的不平衡会越来越明显，影响发动机的使用寿命。

既然不能完全解决，三缸机的意义何在？

如前所述，这是市场的选择。但除了政策指导，拥有一台三缸发动机真的没有意义吗？

当然不是！相反，还是有很多优势的。

第一个自然是数量和质量的优化。从字面上讲，与同等排量的四缸发动机相比，三缸发动机有其固有的优势，取消一缸，排量小，重量轻，可以更好地布置发动机舱空间，为优化车内乘坐空间提供了便利；同时，轻量化设计还将使前发动机获得更好的轴重分配，并提高车辆的操纵性能。

其次，它还可以减少机械摩擦。在三缸发动机中，活塞、连杆、曲轴、凸轮轴等的数量。在省略了一组气门、气门弹簧和其他气门分配机构之后，将会相应地简化，这可以在一定程度上减少总体机械摩擦并间接提高发动机的热效率。

最后，这也是最关键的——缓解涡轮机滞后。

在当前小排量时代，涡轮增压已经成为趋势，但接下来是涡轮滞后的问题。前一篇文章已经介绍了四冲程汽油发动机的工作原理。一般来说，在四冲程中，进气、压缩、操作和排气各占四分之一冲程。然而，为了实现更好的“通风”效果，排气阀和进气阀通常提前打开，然后关闭，因此当气缸通风时，“扫气”效果可以由气流的惯性形成。正常情况下，没有VVT的发动机的排气门将提前48度打开，20度后关闭。就这样，四缸发动机的排气过程会有两个气缸重叠的现象。如果排气系统做得不好，会有严重的排气干扰问题(下图中的灰色部分)，这会影响排气效果，从而降低发动机的热效率。

过去，自然吸气发动机通常使用专门设计的等长排气管来解决这个问题。然而，为了减少涡轮延迟，在设计过程中，排气阀和涡轮之间的距离将尽可能缩短，这与复杂的等长排气管的设计相冲突。因此，四缸涡轮发动机或多或少会受到排气干扰的影响，从而削弱了废气流吹涡轮旋转的动力。

然而，这个问题已经在三缸机器中得到有效解决。如前所述，三缸发动机每240度点火一次，每次运转60度后也会导致第二次爆炸和排气。碰巧的是，提前打开排气阀和延迟关闭排气阀的总角度正好是68度，它们之间的差异基本上可以忽略和遗忘。因此，三缸发动机的涡轮迟滞问题将略小于四缸发动机的相同排量。

(通用汽车的新一代1.3缸三缸发动机，来源:雪佛兰)

此外，与排量相同的四缸机相比，三缸机的缸径和冲程往往较大，如宝马1.5T三缸机的缸径冲程与宝马2.0T四缸机一致；另一个例子是大众EA2111.2T吨三缸机，其气缸直径与其1.4吨四缸机相同，甚至冲程更长。然而，这将直接导致三缸机器在低速范围内容易地获得更高的扭矩，加上较小的涡轮滞后，并且通常三缸机器可以带来更好的低扭矩性能。

三缸机会成为未来的主流吗？

这可能仍然很难。

虽然三缸机已成为欧洲市场的主流选择，并具有应用范围广、市场渗透率高的特点，但三缸机的市场份额已增至15%；

虽然国内市场已经出现了一些不错的三缸车型；

尽管国家有六项限制；

……

其中，消费者不买或只占很小一部分，但真正的关键还是在于汽车行业龙头企业的技术指导。

中国的汽车市场由新能源主导，这早已是新闻了。多年来，政策支持创造了一个百万美元的市场，甚至逐渐影响了主要国际汽车公司的新能源进程。与此同时，双积分政策的实施迫使汽车公司加快这一领域的布局。

盖世汽车研究所认为，在汽车全面电气化到来之前，还有一个很长的过渡期，这个时期将是所有技工学校合并的时期。插电式混合动力、燃料电池、48V微型混合动力、油电混合动力甚至三缸发动机都可能成为主流。然而，到目前为止，与推广三缸发动机的热情相比，更多的主流汽车企业仍然专注于新能源产品的铺垫。

然而，这并不排除三缸机的其他突破，如与电机匹配形成插电式混合动力。这样，不仅可以利用电机的高转矩在怠速和起动时驱动车辆，避免三缸机工作时产生的抖动；较小的体积可以更好地分配发动机舱空间；与同等排量的四缸机相比，重量更轻的三缸机也能以纯电动方式降低能耗；最重要的是，当扭矩达到2000-4000转时，三缸发动机也能充分发挥其高旋转效率来驱动车辆，从而降低车辆的动力消耗。

谁知道未来？也许将来会有新兴技术，可以突破能源、技术、成本和基础设施等多重困难，从而取代现有的所有技术学校，统治整个国家。

试读已经完成。如果您想阅读所有内容，请登录查看。

上一篇：Regulus Cyber发布纯软件网络安全解决方案，保护全球
下一篇：双鱼座是什么样的仙女

网站首页