三缸發(fā)動機在汽車節(jié)能減排技術(shù)的研究

雷先華　周文兵

摘 要：近些年來，為順應(yīng)汽車市場低碳、節(jié)能減排的發(fā)展趨勢，燃油經(jīng)濟性能的研究在汽車研發(fā)中處于很重要的位置。由于小排量增壓三缸發(fā)動機在體積、質(zhì)量、動力性、燃油經(jīng)濟性和排放方面的諸多優(yōu)勢，新一代三缸發(fā)動機在中、低級別轎車和PHEV車型上的應(yīng)用愈加廣泛。本文綜合分析了現(xiàn)有汽車節(jié)能減排技術(shù)，同時對三缸發(fā)動在節(jié)能減排方面的發(fā)展進行分析。

關(guān)鍵詞：汽車 三缸發(fā)動機 節(jié)能減排技術(shù) 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

隨著全球車輛總量的快速增長，道路交通的碳排放量也持續(xù)增長，溫室氣體的產(chǎn)生是全球變暖的主因，交通運輸行業(yè)被認為是產(chǎn)生溫室氣體的主要源頭[1-2]。在國內(nèi)經(jīng)濟迅猛發(fā)展的背景下，石油是不可或缺的資源之一，因此社會上出現(xiàn)了不同程度的能源供需矛盾問題，對進口和利用石油的依賴度不斷提高。同時由于我國汽車工業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)銷總量持續(xù)增長。因此，在未來較長一段時期，能源緊張問題將更加突出。每個家庭都擁有私家汽車，是“中國夢”的一部分，汽車必須實現(xiàn)與社會的健康和諧協(xié)調(diào)發(fā)展。2012年6月我國發(fā)布了有關(guān)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的政策，對我國汽車的節(jié)能標準做出了明確規(guī)劃，要求2020年當年乘用車新車平均燃料消耗量必須達到5.0L/100km。

發(fā)動機小型化、智能化已經(jīng)成為了汽車市場的趨勢。從汽車產(chǎn)品的能源結(jié)構(gòu)來看，將來中國市場的發(fā)動機一定會繼續(xù)小型化，尾氣有害氣體的排放量越來越少[3]。本文簡析幾種汽車實現(xiàn)節(jié)能減排的方案，并與使用三缸發(fā)動機進行對比分析，闡述三缸發(fā)動機的優(yōu)勢性能，展望其未來在汽車節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。

2 汽車節(jié)能減排措施

2.1 新能源電動汽車

為應(yīng)對日益嚴重的能源緊張和環(huán)境污染問題，各個地區(qū)和國家都頒布了相應(yīng)的環(huán)境保護法來引導(dǎo)各大車企進一步合理降低燃油消耗。節(jié)能環(huán)保是未來我國汽車持續(xù)健康發(fā)展的必然選擇。目前汽車的節(jié)能減排可通過發(fā)展新能源汽車、汽車輕量化、提高發(fā)動機燃燒等技術(shù)來實現(xiàn)。在節(jié)能減排的大環(huán)境下，發(fā)動機小型化逐漸成為了主流，變得活躍起來[4]。

新能源電動汽車集合了機、化、電等多學科領(lǐng)域，是電力、汽車、化學、自動控制、計算機、新材料、新能源等技術(shù)中前沿成果的綜合性產(chǎn)物。由環(huán)保的角度來看，電動汽車幾乎零污染;利用電動汽車彌補原始燃油車污染環(huán)境、消耗能源的缺陷，毫無疑問是可行的。但純電動汽車技術(shù)時至今日，仍然存在著諸多需要逐步解決的問題，如充電樁等社會配套資源的建設(shè)也有待普及和完善。大部分車企沒有選擇這個方案，最主要的原因是研發(fā)周期和研發(fā)成本太高。如：電動汽車品牌特斯拉全球在售車型總共就三款車型，據(jù)TechWeb發(fā)布的消息，電動汽車廠商特斯拉在去年的研發(fā)支出為14.6億美元。與之相比，據(jù)《韓國先驅(qū)報》報道，普華永道最近統(tǒng)計了全球一千家公司2018總研發(fā)支出，其中德國大眾汽車位居第三，研發(fā)支出費用為158億美元。但是，大眾全球在售車型超過了100款，折算下來看，傳統(tǒng)燃油車的制造研發(fā)成本約為電動汽車的五分之一。

2.2 汽車輕量化

通常而言，車輛越重，燃油消耗越高。研究報告顯示[5]：車輛自身重量每下降10%，燃油消耗就降低8%。2018年，中國乘用車的平均燃油消耗量為5.8L/100km，這距離2020年達到5L/100km的目標還有9%的減耗需求，也就是說車重還需再下降11.2%才能達到要求。工信部數(shù)據(jù)顯示：中國乘用車的平均重量為1456kg，所以，車輛平均需要減重163kg，才可以達到5L/100km的排放標準。在汽車制造行業(yè)中，據(jù)統(tǒng)計每減重33kg制造成本可增加319元，反推價重比為9.7元/千克。這樣，每輛車的生產(chǎn)成本折合下來約增加1581元。如：大眾汽車在2018年的汽車銷售額為1083萬輛，如果它采用減輕車重來降低排放量的話，大眾的生產(chǎn)成本，要增加17億元。自90年代國家開始要求提高汽車安全性的原因，我國汽車的平均重量一直在增加。直至如今，如何處理汽車輕量化與成本、安全性的矛盾仍是競爭激烈的各汽車廠商設(shè)計研發(fā)的重要成分。汽車輕量化不是簡單的減少一些材料，也不是簡單的把鋼材換成鋁材，實現(xiàn)汽車輕量化需要車企經(jīng)過長期的研發(fā)，針對整車結(jié)構(gòu)來做整體優(yōu)化。所以，通過實現(xiàn)汽車輕量化來達到節(jié)能減排的目的還要走一段長遠的技術(shù)之路。

2.3 提高發(fā)動機技術(shù)

提高發(fā)動機技術(shù)對汽車發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性和動力性有很大的影響。目前，提高發(fā)動機技術(shù)的策略大致可分為采用渦輪增壓技術(shù)、燃油缸內(nèi)直噴技術(shù)、發(fā)動機分層燃燒技術(shù)、運用連續(xù)可變氣門正時技術(shù)。

以目前市場上汽車普遍采用的渦輪增壓技術(shù)為例，三缸渦輪增壓發(fā)動機的性能是優(yōu)于四缸渦輪增壓發(fā)動機的。但目前渦輪增壓技術(shù)急需解決的就是渦輪遲滯的問題，而三缸發(fā)動機的工作特性恰好能夠降低渦輪遲滯的影響。因為三缸發(fā)動機的排氣脈沖剛好是連續(xù)的，不會出現(xiàn)排氣干涉、渦輪遲緩滯后小等問題。在發(fā)動機性能方面，眾所周知，在排量相同的背景下，缸數(shù)數(shù)量越小，則氣缸容積越大，與此同時，沖程與缸徑尺寸越大，所以低轉(zhuǎn)速扭大。

在發(fā)動機功率方面，三缸發(fā)動機的升功率較大，摩擦損失小，結(jié)構(gòu)簡單，機械摩擦面也變得更少，發(fā)動機熱效率高。功率和扭矩均超過1.6L自吸發(fā)動機的參數(shù)，甚至超過1.8L的動力性。而且在較大的范圍內(nèi)保持了非常好的扭矩輸出。而1.2T增壓發(fā)動機扭矩和功率分別達到230N.M和100KW[6]。以通用官方公布的數(shù)據(jù)為例，相比上一代1.4T發(fā)動機，在相同轉(zhuǎn)速下1.3T發(fā)動機最大扭矩可輸出230N/M，而1.4T發(fā)動機最大扭矩可輸出僅為206N/M。且1.3T發(fā)動機重量減輕全車25公斤，車輛動力提升15%[7]。

3 三缸發(fā)動機的發(fā)展

3.1 三缸發(fā)動機缺點的改善

由于活塞發(fā)動機工作的運動特性，三缸發(fā)動機不能像四缸或者六缸發(fā)動機那樣，通過不同活塞的相互往返運動來抵消多余的慣性力矩和震動。三缸發(fā)動機工作時總有一個氣缸在單獨做功，產(chǎn)生的慣性力矩無法被有效的抵消，所以與傳統(tǒng)四缸發(fā)動機相比三缸發(fā)動機在工作時，抖動、噪聲也更加大[8-9]。三缸發(fā)動機在運轉(zhuǎn)過程中，曲柄連桿機構(gòu)的運動會產(chǎn)生周期性的旋轉(zhuǎn)慣性力和往復(fù)慣性力[10]，因此其平衡性的問題也凸顯出來。目前，三缸發(fā)動機的平衡方案主要有：加裝平衡重法、過量平衡法、雙軸平衡法等方法[11];通過精密的計算和設(shè)計是可以達到抑制三缸發(fā)動機抖動的效果的?，F(xiàn)階段發(fā)動機技術(shù)越來越成熟，汽車廠家對于三缸發(fā)動機缺點的也做了進一步的研究處理，其抖動已經(jīng)越來越小，三缸發(fā)動機的不足之處是可以得到改善的。

3.2 三缸發(fā)動機的優(yōu)勢

近年來，眾多車企都推出了三缸渦輪增壓發(fā)動機車型。如福特、本田、寶馬、奧迪等，寶馬旗下的一系、三系和X1等車型上均使用了1.5T的三缸渦輪增壓發(fā)動機。目前汽車發(fā)動機的制造基本都是采用模塊化技術(shù)進行生產(chǎn)，零部件可以共享。這一技術(shù)降低了三缸發(fā)動機的制造成本。由于采用以氣缸單元為基礎(chǔ)的模塊化技術(shù)，寶馬新的B系列車型，3、4、6缸汽油發(fā)動機之間有超過60%的零件可以共享。而且汽油機和柴油機之間的部件共享也達到了40%[12]。通俗來講，即在研發(fā)時采用統(tǒng)一構(gòu)架，根據(jù)需求調(diào)整氣缸數(shù)，再簡單修改配套的部件，三缸發(fā)動機的制造就完成了，增加額外的制造成本較低。此外，相比于其他發(fā)動機三缸發(fā)動機氣缸少，零部件需求更少。像氣缸套、活塞、火花塞、連桿、氣門等，這些成本的節(jié)省是顯著的。

未來傳統(tǒng)發(fā)動機將向更節(jié)能、更環(huán)保的方向發(fā)展。小排量發(fā)動機市場前景逐漸越來越好，新能源汽車發(fā)動機市場潛力大。隨著環(huán)保要求的提高，每個車企不斷研發(fā)新技術(shù)，逐步降低了三缸發(fā)動機一些缺點的影響，三缸發(fā)動機會慢慢替代四缸機的，就像四缸機替代六缸機一樣，目前只是暫時處于在過渡階段。

4 總結(jié)

三缸發(fā)動機有諸多優(yōu)勢：如其結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、橫向尺寸較小，在減少重量、降低成本的同時，也為發(fā)動機艙的布置提供了更大的空間，更加適用于應(yīng)用在混動車型上。同時同排量發(fā)動機缸數(shù)越少，油耗就越低。

發(fā)動機的缸數(shù)從單缸發(fā)展到12缸甚至更多，現(xiàn)在隨著科技的進步和國家環(huán)保政策的完善，發(fā)動機的氣缸數(shù)又慢慢退回了三缸。車企經(jīng)過這么多年技術(shù)的沉淀，制造發(fā)動機的技術(shù)已越來越成熟，在環(huán)境保護意識越來越強的今天，節(jié)能減排是對各大車企的一次考驗。與之相比的發(fā)展新能源汽車、減輕車重、采用四缸小排量車型而言，三缸發(fā)動機成本更低、研發(fā)周期更短，同排量相比更高的燃燒效率等諸多優(yōu)勢就體現(xiàn)了出來。由此，我們也有理由相信，隨著三缸發(fā)動機技術(shù)的日益成熟，其市場認可度也將不斷提升，在純電動時代到來之前，將是內(nèi)燃機領(lǐng)域愈加主流的存在。

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