三缸发动机在汽车节能减排技术的研究

雷先华　周文兵

摘 要：近些年来，为顺应汽车市场低碳、节能减排的发展趋势，燃油经济性能的研究在汽车研发中处于很重要的位置。由于小排量增压三缸发动机在体积、质量、动力性、燃油经济性和排放方面的诸多优势，新一代三缸发动机在中、低级别轿车和PHEV车型上的应用愈加广泛。本文综合分析了现有汽车节能减排技术，同时对三缸發动在节能减排方面的发展进行分析。

关键词：汽车 三缸发动机 节能减排技术 研究

Research of Three-cylinder Engines in Automobile Energy Conservation and Emission Reduction Technologies

Lei Xianhua Zhou Wenbing

Abstract：In recent years， in order to comply with the development trend of low carbon， energy conservation and emission reduction in the automobile market， the research of fuel economy performance is in a very important position in automobile research and development. Due to the advantages of small displacement turbocharged three-cylinder engines in terms of size， mass， power， fuel economy and emissions， the new generation three-cylinder engines are increasingly being used in medium and low class sedans and PHEV models. This paper comprehensively analyzes the existing technology of automobile energy saving and emission reduction， and analyzes the development of three-cylinder engine in energy saving and emission reduction.

Key words：automobile， three-cylinder engine， energy saving and emission reduction technologies， the development trend

1 引言

随着全球车辆总量的快速增长，道路交通的碳排放量也持续增长，温室气体的产生是全球变暖的主因，交通运输行业被认为是产生温室气体的主要源头[1-2]。在国内经济迅猛发展的背景下，石油是不可或缺的资源之一，因此社会上出现了不同程度的能源供需矛盾问题，对进口和利用石油的依赖度不断提高。同时由于我国汽车工业发展迅速，产销总量持续增长。因此，在未来较长一段时期，能源紧张问题将更加突出。每个家庭都拥有私家汽车，是“中国梦”的一部分，汽车必须实现与社会的健康和谐协调发展。2012年6月我国发布了有关新能源汽车产业的政策，对我国汽车的节能标准做出了明确规划，要求2020年当年乘用车新车平均燃料消耗量必须达到5.0L/100km。

发动机小型化、智能化已经成为了汽车市场的趋势。从汽车产品的能源结构来看，将来中国市场的发动机一定会继续小型化，尾气有害气体的排放量越来越少[3]。本文简析几种汽车实现节能减排的方案，并与使用三缸发动机进行对比分析，阐述三缸发动机的优势性能，展望其未来在汽车节能减排技术的应用发展。

2 汽车节能减排措施

2.1 新能源电动汽车

为应对日益严重的能源紧张和环境污染问题，各个地区和国家都颁布了相应的环境保护法来引导各大车企进一步合理降低燃油消耗。节能环保是未来我国汽车持续健康发展的必然选择。目前汽车的节能减排可通过发展新能源汽车、汽车轻量化、提高发动机燃烧等技术来实现。在节能减排的大环境下，发动机小型化逐渐成为了主流，变得活跃起来[4]。

新能源电动汽车集合了机、化、电等多学科领域，是电力、汽车、化学、自动控制、计算机、新材料、新能源等技术中前沿成果的综合性产物。由环保的角度来看，电动汽车几乎零污染;利用电动汽车弥补原始燃油车污染环境、消耗能源的缺陷，毫无疑问是可行的。但纯电动汽车技术时至今日，仍然存在着诸多需要逐步解决的问题，如充电桩等社会配套资源的建设也有待普及和完善。大部分车企没有选择这个方案，最主要的原因是研发周期和研发成本太高。如：电动汽车品牌特斯拉全球在售车型总共就三款车型，据TechWeb发布的消息，电动汽车厂商特斯拉在去年的研发支出为14.6亿美元。与之相比，据《韩国先驱报》报道，普华永道最近统计了全球一千家公司2018总研发支出，其中德国大众汽车位居第三，研发支出费用为158亿美元。但是，大众全球在售车型超过了100款，折算下来看，传统燃油车的制造研发成本约为电动汽车的五分之一。

2.2 汽车轻量化

通常而言，车辆越重，燃油消耗越高。研究报告显示[5]：车辆自身重量每下降10%，燃油消耗就降低8%。2018年，中国乘用车的平均燃油消耗量为5.8L/100km，这距离2020年达到5L/100km的目标还有9%的减耗需求，也就是说车重还需再下降11.2%才能达到要求。工信部数据显示：中国乘用车的平均重量为1456kg，所以，车辆平均需要减重163kg，才可以达到5L/100km的排放标准。在汽车制造行业中，据统计每减重33kg制造成本可增加319元，反推价重比为9.7元/千克。这样，每辆车的生产成本折合下来约增加1581元。如：大众汽车在2018年的汽车销售额为1083万辆，如果它采用减轻车重来降低排放量的话，大众的生产成本，要增加17亿元。自90年代国家开始要求提高汽车安全性的原因，我国汽车的平均重量一直在增加。直至如今，如何处理汽车轻量化与成本、安全性的矛盾仍是竞争激烈的各汽车厂商设计研发的重要成分。汽车轻量化不是简单的减少一些材料，也不是简单的把钢材换成铝材，实现汽车轻量化需要车企经过长期的研发，针对整车结构来做整体优化。所以，通过实现汽车轻量化来达到节能减排的目的还要走一段长远的技术之路。

2.3 提高发动机技术

提高发动机技术对汽车发动机的燃油经济性和动力性有很大的影响。目前，提高发动机技术的策略大致可分为采用涡轮增压技术、燃油缸内直喷技术、发动机分层燃烧技术、运用连续可变气门正时技术。

以目前市场上汽车普遍采用的涡轮增压技术为例，三缸涡轮增压发动机的性能是优于四缸涡轮增压发动机的。但目前涡轮增压技术急需解决的就是涡轮迟滞的问题，而三缸发动机的工作特性恰好能够降低涡轮迟滞的影响。因为三缸发动机的排气脉冲刚好是连续的，不会出现排气干涉、涡轮迟缓滞后小等问题。在发动机性能方面，众所周知，在排量相同的背景下，缸数数量越小，则气缸容积越大，与此同时，冲程与缸径尺寸越大，所以低转速扭大。

在发动机功率方面，三缸发动机的升功率较大，摩擦损失小，结构简单，机械摩擦面也变得更少，发动机热效率高。功率和扭矩均超过1.6L自吸发动机的参数，甚至超过1.8L的动力性。而且在较大的范围内保持了非常好的扭矩输出。而1.2T增压发动机扭矩和功率分别达到230N.M和100KW[6]。以通用官方公布的数据为例，相比上一代1.4T发动机，在相同转速下1.3T发动机最大扭矩可输出230N/M，而1.4T发动机最大扭矩可输出仅为206N/M。且1.3T发动机重量减轻全车25公斤，车辆动力提升15%[7]。

3 三缸发动机的发展

3.1 三缸发动机缺点的改善

由于活塞发动机工作的运动特性，三缸发动机不能像四缸或者六缸发动机那样，通过不同活塞的相互往返运动来抵消多余的惯性力矩和震动。三缸发动机工作时总有一个气缸在单独做功，产生的惯性力矩无法被有效的抵消，所以与传统四缸发动机相比三缸发动机在工作时，抖动、噪声也更加大[8-9]。三缸发动机在运转过程中，曲柄连杆机构的运动会产生周期性的旋转惯性力和往复惯性力[10]，因此其平衡性的问题也凸显出来。目前，三缸发动机的平衡方案主要有：加装平衡重法、过量平衡法、双轴平衡法等方法[11];通过精密的计算和设计是可以达到抑制三缸发动机抖动的效果的。现阶段发动机技术越来越成熟，汽车厂家对于三缸发动机缺点的也做了进一步的研究处理，其抖动已经越来越小，三缸发动机的不足之处是可以得到改善的。

3.2 三缸发动机的优势

近年来，众多车企都推出了三缸涡轮增压发动机车型。如福特、本田、宝马、奥迪等，宝马旗下的一系、三系和X1等车型上均使用了1.5T的三缸涡轮增压发动机。目前汽車发动机的制造基本都是采用模块化技术进行生产，零部件可以共享。这一技术降低了三缸发动机的制造成本。由于采用以气缸单元为基础的模块化技术，宝马新的B系列车型，3、4、6缸汽油发动机之间有超过60%的零件可以共享。而且汽油机和柴油机之间的部件共享也达到了40%[12]。通俗来讲，即在研发时采用统一构架，根据需求调整气缸数，再简单修改配套的部件，三缸发动机的制造就完成了，增加额外的制造成本较低。此外，相比于其他发动机三缸发动机气缸少，零部件需求更少。像气缸套、活塞、火花塞、连杆、气门等，这些成本的节省是显著的。

未来传统发动机将向更节能、更环保的方向发展。小排量发动机市场前景逐渐越来越好，新能源汽车发动机市场潜力大。随着环保要求的提高，每个车企不断研发新技术，逐步降低了三缸发动机一些缺点的影响，三缸发动机会慢慢替代四缸机的，就像四缸机替代六缸机一样，目前只是暂时处于在过渡阶段。

4 总结

三缸发动机有诸多优势：如其结构简单、质量轻、横向尺寸较小，在减少重量、降低成本的同时，也为发动机舱的布置提供了更大的空间，更加适用于应用在混动车型上。同时同排量发动机缸数越少，油耗就越低。

发动机的缸数从单缸发展到12缸甚至更多，现在随着科技的进步和国家环保政策的完善，发动机的气缸数又慢慢退回了三缸。车企经过这么多年技术的沉淀，制造发动机的技术已越来越成熟，在环境保护意识越来越强的今天，节能减排是对各大车企的一次考验。与之相比的发展新能源汽车、减轻车重、采用四缸小排量车型而言，三缸发动机成本更低、研发周期更短，同排量相比更高的燃烧效率等诸多优势就体现了出来。由此，我们也有理由相信，随着三缸发动机技术的日益成熟，其市场认可度也将不断提升，在纯电动时代到来之前，将是内燃机领域愈加主流的存在。

参考文献：

[1]刘鹏，金善玉，赵敬，闫海涛.三缸发动机整车转向盘振动性能优化[J].汽车工程师，2019（05）：39-43.

[2]沈源，杨陈，邓晓龙，杨万里，余靖，顾鹏云.增压直喷三缸汽油机的NVH开发与优化[J].汽车安全与节能学报，2018，9（04）：359-369.

[3]本刊.乘用车燃料消耗量第四阶段标准解读[J].机械工业标准化与质量，2015（08）：16-22.

[4]许亚杰.谁来解决车市“寒冬”[J].中国青年报，2019，11（28）.

[5]孙乐春.汽车电气系统轻量化研究[D].吉林大学，2019.

[6]徐平，彭岳华.三缸增压发动机整车应用NVH问题及解决措施[J].汽车与配件，2017（29）：79-81.

[7]吴博峰.能源技术革命不止纯电一条路[J].本报，2019，12（6）[8].

[8]李蒋.三缸发动机难言之“抖”[J].车迷，2018-02-01.

[9]李蒋.汽车三缸往复活塞式发动机抖动的分析与研究[J].汽车实用技术，2018-04-01.

[10]胡昌良;谈健;昂金凤;陈尚尚.某三缸发动机平衡轴机构设计与分析[J].上海汽车，2017，No.321，47-49+62.

[11]张晋新，高文志.三缸发动机一阶往复惯性力矩平衡率对曲轴扭振与表面振动的影响研究[J/OL].机械科学与技术：1-7.

[12]《国际商报·汽车周刊》主编  何仑. 宝马心脏的“模块化”[N]. 国际商报，2015-11-13（C01）.