汽車三缸機的秘密

2021-01-12 智電未來

三缸機是現實,也很可能就是未來。

從Smart fortwo、MINI Cooper到寶馬,從雪佛蘭、別克到本田,甚至從吉利、長安到上汽,三缸發動機已逐漸從點普及到面,現如今,已經覆蓋進口、合資、自主三大產品屬性,以及轎車、MPV與SUV等車型分類。

已國產並上市銷售的華晨寶馬1系、X1 PHEV、廣汽本田凌派、東風本田思域,吉利賓越、領克02等車型,都是眼下應用三缸機的出色範例。可以說「三缸機」在市售車型中,並不是一個品牌高低的衡量標準,而是各個品牌順應時代發展的技術體現,並有望繼續成為在特定產品群體中的主流。

這是行業發展大勢的積極推動,也少不了三缸機技術的飛速發展。

1、時勢造「三缸」

「三缸機」能夠成為近年來車企熱捧、消費者熱議的話題絕非偶然,其背後首當其衝的動力,莫過於對我們生活影響深遠的世界性課題——「節能減排」,在這個大背景之下,世界各主要汽車市場也開始逐步更新針對燃油車的環保排放法規。

比如,歐洲就用更加嚴苛的WLTP油耗測試標準,替代爭議越來越多的NEDC歐洲循環工況測試法,使車輛的標準油耗測試,更貼近在真實使用場景中的油耗表現。美國市場則直接在CAF油耗及排放評定標準中一步到位,通過模擬城市行駛循環(FTP)和公路行駛循環(SFTP),來直接體現車輛在使用場景下的真實燃油經濟性。

在中國,嚴苛的國六排放法規在經過一個緩衝期之後,也於今年開始實施。「國六」將分為兩個階段實施,難度更上一層樓的「國六B」甚至將一氧化碳、氮氧化物和顆粒物的排放量分別限定在0.5g、0.035g和0.003g以內,較之「歐VI」更加嚴苛。

換言之,稱「國六」為全球最嚴排放法規之一也不為過,而且,國內已經有5個城市,率先一部跨過「國六B」,直接實施「國六A」,這給國內的車企幾乎又上了一個緊箍咒,將發動機效率最大化、油耗最小化顯得迫在眉睫。

總體來說,世界各大主流汽車市場對燃油車能耗的收緊趨勢是到2020年,乘用車平均燃料消耗量要降到5L/100km左右。但在另一方面,消費者從生活場景中傳遞出來的聲音,卻是希望能延續以往的車輛使用體驗,這其中就包括很重要的對車輛的動力性能的基本要求。

所以參考對美國市場比較具有參考性的「沃德十佳發動機」評選,從2007至2018年,發動機升功率已從74kW/L提升至118kW/L,而當前內燃機熱效率已可達37%,甚至部分汽油機還高達42%,而基於給燃油發動機附加電驅動的前提下,部分車企更是推出了熱效率超過50%的混合動力總成。

可見,除了門檻逐漸提高的法規與全球發展大環境外,科技升級也是汽車發動機走向小型化的前提與推動力。所以,伴隨著模塊化的發動機設計方式、單缸最優理念、渦輪增壓、缸內直噴、雙循環和多擋位變速箱等理念和技術的發展,使三缸機在性能上不再面對四缸機「怯場」。

2、事不過「三」?

在汽車的發展歷史中,「三缸機」並非新生事物,早在1979年問市的鈴木fronte搭載的便是一臺三缸發動機。

聚焦國內,讓國人印象最深刻的或許是伴隨「夏利」一同登場的大發CB系列三缸發動機,但這款發動機受限於當時的技術和成本限制,難以解決的抖動問題和輸出的動力質量欠佳,也掩蓋了三機缸固有的低油耗亮點,更使其一直以來難以成為主流的原因之一。

而且,在中國的傳統文化中,凡事都喜歡討個喜慶、用個雙數,比如對聯喜歡對稱,分上下聯;過年過節送禮一般都送雙;許多年前挑選手機號或者是現在挑選車牌,也都喜歡儘可能偶數結尾,或者潛意識裡也喜歡偶數多一些。

這也就導致三缸機的單數缸數和不對稱性的結構,在一開始就被消費者在心裡不自覺地貼了個標籤。然而,越來越嚴苛的油耗測試標準和環保要求下,三缸機「省油」的優勢變得越來越明顯,各大車企也展開了對三缸機的深化改造。

3、改善先天性的「心律不齊」

由於三缸機自身結構的特殊性,三缸機在運轉過程中難以平衡一階(橫向)和二階(縱向)慣性力矩。為此,車企提供的解決辦法是在發動機內引入雙質量飛輪與一根額外的減振平衡軸,來降低三缸機工作的震動。

諸如通用LI6 1.3T、本田P10A 1.0T、福特ECOBOOST 1.5T和領克01、02系列車型所採用的1.5T三缸發動機中,這兩項技術都十分常見。

而在改善發動機的NVH方面,除了選擇正時皮帶或靜音正時鏈條減輕噪音外,各個廠家各自施展出「特殊技能」,來解決各自的消費者關注的領域,比如:

- 通用LI6發動機除了採用帶有減震器的發電機、雙層油底殼和橡膠減振輪外,壓力更低的油泵和噴油管路上安裝的聚氨酯聲學罩,主動弱化了噴油系統的噪音;- 福特ECOBOOST 1.5T發動機的平衡軸由曲軸直接驅動,並裝備了內部為橡膠結構的去耦式平衡齒輪;- 領克1.5T等引入了發動機懸置技術,通過液壓懸置系統與發動機的適配,達到吸收並緩衝振動的效果;

不僅如此,當前也有部分車企把三缸機與48V輕混系統結合,採用BSG電機與發動機曲軸連接,讓電機在車輛起步時輔助發動機輸出扭矩,減輕發動機在高負荷工況下的壓力,緩解三缸機抖動問題。目前,吉利嘉際MHEV與即將上市的新一代路虎攬勝極光等車型上,都能看到二者的結合。

4、糾正業內對三缸機的動力偏見

除了三缸機經常被「拎出來」詬病的抖動問題外,動力表現也是消費者對三缸機遲疑的原因之一,因為相較於四缸機來說,三缸機的排量更小,按照大眾的認知習慣,會理所當然地認為三缸機和對應的四缸機,動力少了25%。

但事實並非如此,三缸機依靠低慣量渦輪和電控洩壓閥,可以有效地改善用戶對三缸機動力反應和輸出的評價。

簡單的說,低慣量渦輪由於渦輪扇葉尺寸更小、重量更低,更便於「肺活量」有限的發動機推動;而電控洩壓閥相比傳統的真空洩壓閥,能夠讓壓力建立更加精準、迅速,並能夠有效減少低負荷泵氣損失。

因此,採用這兩項技術的三缸發動機,在擁有寬泛的峰值扭矩輸出平原的前提下,還可以提供更好的渦輪響應,並搭配設計合理的變速箱使車輛的動力性能並不遜色。

眼下市場上搭載三缸機的在售車型中,別克GL6搭載的1.3T三缸發動機,可在1800-4400rpm的轉速區間內輸出230Nm峰值扭矩;而福特福克斯1.5T車型峰值扭矩達到了243Nm,對應的發動機轉速輸出區間為1750-4500rpm。而且,福克斯1.5T車型的發動機在1500rpm時就能輸出峰值扭矩的85%了。

此外,藉助進排氣雙VVT可變正時、更短的進氣歧管等技術,強化了發動機的進排氣效率,作為「新時代」三缸機陣營中的一員,本田P10A發動機在引入進排氣雙可變正時系統之餘,i-VTEC可變氣門升程技術也並未缺席,後者可根據發動機轉速調節氣門開度大小,用以兼顧「低速高扭矩,高速高功率」兩種特性。

所以,伴隨著技術的發展,三缸機的動力表現已不再是短板了,而整個動力系統技術的全面提升,其實也為三缸機提供更好的駕駛感受,提供了一個更高的平臺和更好的環境。

5、「3>4」!

誠然,早期問市的三缸機「問題」突出且使用感受欠佳,但科技進步無疑是三缸機半路翻盤的關鍵,結合新技術三缸機的優勢也更佳鮮明。

例如三缸機天生具備輕量化的優勢,重量更低的原因不僅是三缸機相比傳統四缸引擎「少了一個氣缸」——廣泛的鋁合金材質的應用、配氣機構簡化、曲軸長度縮減等,都是三缸機能夠更輕的原因。

當然,通用1.3T發動機還採用了集成排氣歧管的缸蓋和充納排氣門設計,福特1.5T發動機甚至將空心式凸輪軸與氣缸蓋合二為一,這些措施在減重的同時,也實現了削弱噪音與摩擦的「一箭三雕」,且該模塊目前仍為德國生產國內組裝的模式,以保證加工精度與整機品控。

至於更佳的燃油經濟性,推出三缸機的車企在「結構優勢」基礎上,均引入了多項輔助技術與細節設計,從整體上說都以降低損失、提升效率為主要路線。

採用可變機油泵便是其中之一,該裝置在通用、本田、福特等廠家的三缸機中都能見到,通過ECU調節可變機油泵內部的葉片改變油泵壓力,以實現低速高壓潤滑,高速降低油壓減輕發動機負荷的功效。

此外,福特還在1.5T三缸發動機中加入了閉缸技術,通過在「第一氣缸」內增加閉缸控制閥和可變搖臂,能夠在低負荷時將發動機切換至雙缸工作狀態,進一步降低油耗與排放。

從上圖中可見,正常行駛時閉缸控制閥內的「小圓柱」處於彈出狀態,該結構回縮後,氣門搖臂才會不再推動氣門工作,也就實現了閉缸。

部分車企在三缸機中應用的「雙噴射」技術,則屬於兼顧動力與燃油經濟性的「黑科技」,只是不同車企的設計思路不盡相同。以福特為例,旗下1.5T三缸發動機為高壓頂置缸內直噴+低壓歧管噴射結構,二者分別用於高轉速大負荷與低轉速小負荷工況。

而通用1.3T發動機則選用了雙多點噴射結構,單缸雙噴嘴設計的優勢在於冷機和低負荷運轉時燃燒更加充分,加之雙噴嘴優化了霧化效果,且多點噴射的工作噪音更小,在降低油耗的同時,也為強化可靠性和降低噪音做出了貢獻。

放眼國際,融入前沿技術的三缸機憑藉不輸,甚至優於多缸發動機的綜合性能表現,已先於國內市場進入各車企的主銷車型中,比如大眾搭載1.0L發動機的Polo,早在2002年便投放市場,而2009年上市的寶馬318i就搭載1.5T三缸發動機。

不僅如此,除了大眾、寶馬等車企外,三缸機在標緻雪鐵龍集團旗下的C4、108、3008等車型中也廣泛普及,同時國內消費者較為陌生的菲亞特Argo、豐田ROOMY等,也搭載了三缸發動機。可見,三缸機不單單是國內的「潛力股」,在全球範圍內也是不可忽視的存在。

6、三缸不是廉價的代名詞

說了這麼多,三缸發動機的結構、重量較四缸引擎都有所優化和降低,這便讓部分消費者會以為它可能更便宜一些,但事實並非如此。比如PSA(標緻雪鐵龍集團)旗下的1.2T三缸機,由於新技術的大量應用,單機採購價格反而比1.6T四缸機增加了5%。

此外,當前三缸機還肩負淘汰原有的自然吸氣發動機,或替換老款增壓引擎的重任,舉個例子:

2019款雪佛蘭邁銳寶XL 535T車型已換裝全新1.3T發動機,此前的1.5T成為了歷史;而長安福特福克斯換代後,動力陣營為1.0T+1.5T且全系三缸,1.6L、1.8L等機型退役。

也就是說,三缸小排量已具備唱主角的能力,這在主流汽車製造商那裡是已經在技術層面得到認可的了。

7、建起向電氣化過渡的橋梁

可以說三缸機之所以逐漸盛行並得到各大車企重視,除了發動機技術的進步外,低能耗趨勢與環保主線更是無形的推手,面向未來,觸電並與電動機共同組成動力單元,或許是三缸機日後的發展方向。

眼下,市售車型中已有不少「先例」,比如吉利嘉際、博瑞GE、星越等車型,常規燃油與PHEV版本同期亮相之餘,採用48V輕混動力系統的MHEV也同步上市。此外,未來將引入國內的大眾EA211 Evo 1.0T三缸發動機,還將革命性的採用電子渦輪增壓器,從而消除渦輪遲滯現象,並強化動力輸出。

結合短期內難以完全打消的電動車「裡程焦慮」,增程式插電混動車型也給三缸機提供了新的機會,比如即將於今年四季度開始交付的理想ONE,該車在保留常規電動車的電動機、電池組等結構外,還搭載了一臺1.2T三缸機作為「增程器」,而增程器僅用於為電池或電動機供電,並不參與驅動車輛。

必須要考慮到的是,有別於電動機低轉速時效率最高的特點,內燃機擁有自身的經濟區間,也就是在特定轉速區間內效率最高,燃油經濟性也最好。如果無需考慮給車輪傳動,讓發動機在最佳工況運轉並將機械能轉化為電能,電能再驅動電動機的設定,雖然看上去有些「捨近求遠」,但實際效率在特定工況下未必低,而這也是很多增程式方案依然有存在理由的原因。

節能減排不僅是老生常談的熱議話題,更是我們希望看到的未來願景,而推動現實向願景發展的無疑是科技與技術升級,聚焦汽車行業也是如此。

三缸機從邊緣轉向主流的重點,離不開各大車企近年來在抑制抖動、優化NVH、提升動力性等方面的成果結晶;同時對消費者來說,對三缸機的接受也需要一個過程,各個車企把三缸動力系統都推向聚光燈下的營銷推廣,也讓三缸機的形象變得越來越豐滿。

而且,在中國汽車市場在尋求從傳統能源向新能源過渡的這個過程中,三缸機一定會發揮不小的作用。將傳統燃油發動機技術發展到極致的特性,以及在電氣化方面承上啟下的作用,都使其在未來大有市場。

所以,與其說發展趨勢、排放政策推動了三缸機發展,倒不如說在向零排放邁進的路上,三缸機是個歷史的選擇。

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