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三缸机如何才能让车主认可?

近几年,各大主机厂有着一些类似的举动,将三缸机作为小排量发动机的战略方向进行了一轮尝试,参与其中的有宝马MINI的1.5T、1.2T;沃尔沃的1.5T;PSA的1.2T;福特的1.0T;本田的1.0T;通用的1.3T、1.0T,全都是一线大厂。


这些产品投放之后,引起了市场的强烈反响,不少车主闻三缸色变,持有非常强烈的偏见,担心三缸机抖动太明显影响行车品质。

难道这么多一线大品牌们,就不知道三缸机的抖动天性吗?




恐怕,这些行业大佬们心里比谁都清楚,算盘比谁打得都精!三缸机和四缸机相比,的确有着很多不一样的特性,而且这些都是由这两种发动机组合形式本身的机械结构决定的,是客观存在的,不会因为任何人的主观意志变化而产生任何改变。


那么既然车主这么抵触三缸机,为什么厂商们还要心无旁骛地尝试三缸机路线呢?


的确,三缸机存在一些劣势,但它同时也有很多优点,不论是三缸机还是四缸机,技术本身是没有好坏之分的,因为物理现象都是客观事实。


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但是,放在不同的环境条件下,技术就会存在合适和不合适的差别了。外界的政策环境也会影响到汽车厂商的决策偏好。为了回答上面的问题,首先要知道三缸机的技术特点,下面我就分优点和缺点来说。


首先说优点:

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显而易见,三缸机比四缸机整体少了一套机械摩擦副,发动机的内摩擦小,所以基础油耗也就低了,参考通用三缸机给出的性能数据,内摩擦可以减少15%。

这一点是三缸机比起四缸机来说最大的优点,在现在的政策环境下尤其有利,这也是那么多厂家不遗余力推广三缸机的最大动机,因为更低的循环工况油耗能让主机厂们远离“双积分”政策的困扰。


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同样的,由于少了一整套活塞缸体喷油点火系统,三缸机的制造成本也会更低一些,比同技术水平的四缸机大约能省下15%-20%,这也是一笔不小的成本帐。

由于三缸机要比四缸存在更多的NVH问题要解决,所以现在市面上优秀的三缸机还需要加上不少额外的技术来抑制三缸机的抖动和噪声问题,成本上稍微会有点上浮。但即便成本上浮了,三缸机还是要比同性能水平的四缸机造价要便宜一些,那些口口声声说自己的三缸机技术先进比四缸机还成本高的厂家,要么是成本没控制好,要么就是把研发成本摊到少的可怜的产量上了。

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同理,三缸机由于少了一套往复运动的机构,所以在发动机的体积和重量上,都有明显的优势。这不光让做总布置的工程师们开心坏了,机舱里有更多的空间来塞发动机的附件了,甚至可以考虑布置混动的动力总成了。

而且,三缸机还让一些性能车可以更大范围的设计前后轴荷了,比如最新的嘉年华ST就采用了1.5T的三缸发动机让车型的转向特性变得更中性。




再来看宝马i8,之所以i8项目能落地,是因为这台B38的三缸发动机的体积和重量都很好地克服了总布置和性能要求上的问题。上次看到中横置的车的时候,还是在本田NSX上,是一台横置的V6,这侧面说明中横置的车是难以布置下L4发动机和一套变速箱的。

而且宝马1.5T的发动机可以爆发出231马力的动力,配合上电机输出和1540kg的整备质量,让i8的0-100km/h能够在4.4s附近,使得这台车依然能进入超跑的分数线。

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三缸机低转速扭矩表现更好,一方面,由于内摩擦小,输出的扭矩表现会略好一些,但这点只起了很小的作用。另一方面,由于三缸机比四缸机少了一个缸,假如在同排量的机型下,1.2排量的三缸机每缸0.4L,而四缸机是每缸0.3L,那么排量更大的单缸缸体更容易设计成小缸径大冲程的做功体积,大冲程意味着长曲柄也就意味着低转速时的高扭矩表现。

严格意义上来说,这是缸体尺寸设计上的特性,算不上是三缸机本身的天赋,只是在排量游戏下边变成一个有意义的副作用了。这点对于小排量增压机型来说,的的确确是个很契合的优点。


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三缸机的热效率更高,这个也与单缸排量相关,由于经济型小车的东西要求也就在100马力左右,和这个动力适配的排量就是1.0-1.5之间,包括政策也对这个排量级别是有所倾斜的,那么在同样的总排量下,3缸机和4缸机每缸的排量是不同的。

很多厂家都做过单缸最优化的验证,发现气缸做功的热效率在一定的排量区间内最优,这个范围就是0.33-0.5L,如果一个气缸的排量小于0.33L那么热效率会明显下降,另一个方向单缸的排量超过0.5L以后,热效率就改善的不明显了,热效率表现比较好的是在0.4L附近。这也就意味着,1.33L以下的发动机如果做成4缸,热效率会有很大的损失,至少也要到1.6L 以上,四缸机才能逐渐获得热效率的优势。这就说明,1.0-1.5L这个排量区间是更适合三缸机的。

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三缸机涡轮迟滞更小,这一点需要大家了解一下发动机进排气配气的角度分配,虽然往复式活塞发动机转动720°分成了四个冲程,但是四个冲程的进排气关系并不是四等分的。为了让换气的效果更好,通常排气和进气都会提前打开延迟关闭,这样的话可以达到更好的扫气效果,每一次进来的都是“新鲜空气”。这就导致了每个缸的排气相位通常能达到240°以上,那么四缸机型四个缸的排气动作就会存在一定的重叠区域,如果处理不好的话就会形成排气干涉。如下图:




‍四缸机排气脉冲图


三缸机排气脉冲图


四缸机为了消除排气干涉的负面影响,通常会采用4-2-1形式的排气管路,但是在增压机型上这样设计的长管路会导致排气吹涡轮乏力,迟滞现象严重。而三缸机如上图所示,可以做到几乎没有排气干涉。



就拿宝马的N55发动机双涡管单涡轮技术来说,这台直6发动机就是利用三缸的排气干涉小将排气分成3+3再去带动涡轮的。


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说了那么多三缸的优点,那么缺点呢!也要一个个说清楚:


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做功不连续,这个和之前排气干涉的道理一样,但是这次变成了缺点。在720°的整个工作周期里,四缸机的做功是相互紧挨着的,一个缸做完功紧接着就有第二个缸开始做功。但是三缸的三次做功时长塞不满整个720°的工作周期,所以中间会出现工作一会儿歇一会儿的动力特点。一般厂家会采用增加飞轮惯量的方式来减轻这个动力不连续的影响,但是这也会引起发动机启动更费劲和油门响应更差的负面作用。如果三缸机配合转速变化更平稳的CVT变速箱的话,这个缺点可以一定程度上避免,像最近刚上市的别克全新凯越就是采用了CVT变速箱,这样还可以进一步发挥三缸机省油的特点。


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振动大,这个是由于三缸机三个活塞往复惯性力的特点决定的,三缸机和四缸机相比,存在着一阶二阶惯性力矩的不平衡,而四缸机只有二阶惯性力矩。在四缸机上,经常通过设计两根两倍转速对向旋转的平衡轴来消除这个二阶惯性力矩。但是在三缸机上,通常只会设计一根一倍转速和曲轴对向旋转的平衡轴来消除其中的一阶振动。假如像四缸机那样额外再做两根二阶平衡轴来消解振动的话,三缸机相对四缸机结构简单、重量轻、体积小、内摩擦小的优势将荡然无存。

所以在三缸机上,通常只能通过加一根平衡轴和优化发动机悬置来减少发动机的天然抖动,方法比较有限。像通用的1.3排量的三缸机型,还会在曲轴齿轮上增加去耦橡胶圈来缓解振动,也算一个补充办法。

根据实际体验的效果来看,三缸机的抖动被这些方案处理一遍以后,其实在用户体验上带来的不良体验已经非常少了,和那种原始的三缸机已经不是一个时代了。人们对三缸机有偏见,多多少少是由于停留在20年前奥拓夏利的印象里,而且这个偏见并没有通过亲身体验去消除,一直弥漫在键盘上。




除了往复惯性力引起的振动,发动机还有一个振动也是三缸机的劣势,那就是点火振动。同样的转速下,三缸机的点火频率是四缸机的3/4,这就导致了同样是怠速状态(假如是720rpm),四缸机的点火频率是24Hz,而三缸机就只有18Hz,这个18Hz是更接近人体器官的自振频率的(人体为7.5Hz、内脏为4-6Hz、头部为8-12Hz),所以人体对三缸机的怠速振动更敏感一些。

此外,一台车的车身也有一个自振频率,通常在40Hz上下,拿我家的途安L为例,当车开到1250rpm的时候,方向盘会出现振手的感觉,换算单位的话是41.7Hz,但是1250rpm不是一台车的常用的转速区间,所以对这台车来说问题不是很大。但假如说其他条件都不变,换成一个三缸机,那么这台三缸机引起整台车共振的转速就在1670rpm了,这就很接近平常一台车的经济转速区间了。假如想要一台三缸车型避开这个共振,那么往往要把发动机的常用工作区间标定到2000rpm以上,这个时候三缸机的燃油经济性又要面临考验了。

不过这也侧面说明了,将来把三缸机用在混合动力车型上会是更匹配的,因为混动系统可以更有技巧地躲开