科技说丨三缸机密码

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  • 发表于: 2019/09/25 09:58:00 来源:车云网

是行业环境催生了3缸机应用,还是3缸机的技术进步诱导了行业发展?这有点儿哲学的味道。

三缸机是现实,也很可能就是未来。

从Smart fortwo、MINI Cooper到宝马,从雪佛兰、别克到本田,甚至从吉利、长安到上汽,三缸发动机已逐渐从点普及到面,现如今,已经覆盖进口、合资、自主三大产品属性,以及轿车、MPV与SUV等车型分类。

已国产并上市销售的华晨宝马1系、X1 PHEV、广汽本田凌派、东风本田思域,吉利宾越、领克02等车型,都是眼下应用三缸机的出色范例。可以说“三缸机”在市售车型中,并不是一个品牌高低的衡量标准,而是各个品牌顺应时代发展的技术体现,并有望继续成为在特定产品群体中的主流。

这是行业发展大势的积极推动,也少不了三缸机技术的飞速发展。

1、时势造“三缸”

“三缸机”能够成为近年来车企热捧、消费者热议的话题绝非偶然,其背后首当其冲的动力,莫过于对我们生活影响深远的世界性课题——“节能减排”,在这个大背景之下,世界各主要汽车市场也开始逐步更新针对燃油车的环保排放法规。

比如,欧洲就用更加严苛的WLTP油耗测试标准,替代争议越来越多的NEDC欧洲循环工况测试法,使车辆的标准油耗测试,更贴近在真实使用场景中的油耗表现。美国市场则直接在CAFÉ油耗及排放评定标准中一步到位,通过模拟城市行驶循环(FTP)和公路行驶循环(SFTP),来直接体现车辆在使用场景下的真实燃油经济性。

在中国,严苛的国六排放法规在经过一个缓冲期之后,也于今年开始实施。“国六”将分为两个阶段实施,难度更上一层楼的“国六B”甚至将一氧化碳、氮氧化物和颗粒物的排放量分别限定在0.5g、0.035g和0.003g以内,较之“欧VI”更加严苛。

换言之,称“国六”为全球最严排放法规之一也不为过,而且,国内已经有5个城市,率先一部跨过“国六B”,直接实施“国六A”,这给国内的车企几乎又上了一个紧箍咒,将发动机效率最大化、油耗最小化显得迫在眉睫。

总体来说,世界各大主流汽车市场对燃油车能耗的收紧趋势是到2020年,乘用车平均燃料消耗量要降到5L/100km左右。但在另一方面,消费者从生活场景中传递出来的声音,却是希望能延续以往的车辆使用体验,这其中就包括很重要的对车辆的动力性能的基本要求。

所以参考对美国市场比较具有参考性的“沃德十佳发动机”评选,从2007至2018年,发动机升功率已从74kW/L提升至118kW/L,而当前内燃机热效率已可达37%,甚至部分汽油机还高达42%,而基于给燃油发动机附加电驱动的前提下,部分车企更是推出了热效率超过50%的混合动力总成。

可见,除了门槛逐渐提高的法规与全球发展大环境外,科技升级也是汽车发动机走向小型化的前提与推动力。所以,伴随着模块化的发动机设计方式、单缸最优理念、涡轮增压、缸内直喷、双循环和多挡位变速箱等理念和技术的发展,使三缸机在性能上不再面对四缸机“怯场”。

2、事不过“三”?

在汽车的发展历史中,“三缸机”并非新生事物,早在1979年问市的铃木fronte搭载的便是一台三缸发动机。

聚焦国内,让国人印象最深刻的或许是伴随“夏利”一同登场的大发CB系列三缸发动机,但这款发动机受限于当时的技术和成本限制,难以解决的抖动问题和输出的动力质量欠佳,也掩盖了三机缸固有的低油耗亮点,更使其一直以来难以成为主流的原因之一。

而且,在中国的传统文化中,凡事都喜欢讨个喜庆、用个双数,比如对联喜欢对称,分上下联;过年过节送礼一般都送双;许多年前挑选手机号或者是现在挑选车牌,也都喜欢尽可能偶数结尾,或者潜意识里也喜欢偶数多一些。

这也就导致三缸机的单数缸数和不对称性的结构,在一开始就被消费者在心里不自觉地贴了个标签。然而,越来越严苛的油耗测试标准和环保要求下,三缸机“省油”的优势变得越来越明显,各大车企也展开了对三缸机的深化改造。

3、改善先天性的“心律不齐”

由于三缸机自身结构的特殊性,三缸机在运转过程中难以平衡一阶(横向)和二阶(纵向)惯性力矩。为此,车企提供的解决办法是在发动机内引入双质量飞轮与一根额外的减振平衡轴,来降低三缸机工作的震动。

诸如通用LI6 1.3T、本田P10A 1.0T、福特ECOBOOST 1.5T和领克01、02系列车型所采用的1.5T三缸发动机中,这两项技术都十分常见。

而在改善发动机的NVH方面,除了选择正时皮带或静音正时链条减轻噪音外,各个厂家各自施展出“特殊技能”,来解决各自的消费者关注的领域,比如:

- 通用LI6发动机除了采用带有减震器的发电机、双层油底壳和橡胶减振轮外,压力更低的油泵和喷油管路上安装的聚氨酯声学罩,主动弱化了喷油系统的噪音;

- 福特ECOBOOST 1.5T发动机的平衡轴由曲轴直接驱动,并装备了内部为橡胶结构的去耦式平衡齿轮;

- 领克1.5T等引入了发动机悬置技术,通过液压悬置系统与发动机的适配,达到吸收并缓冲振动的效果;

不仅如此,当前也有部分车企把三缸机与48V轻混系统结合,采用BSG电机与发动机曲轴连接,让电机在车辆起步时辅助发动机输出扭矩,减轻发动机在高负荷工况下的压力,缓解三缸机抖动问题。目前,吉利嘉际MHEV与即将上市的新一代路虎揽胜极光等车型上,都能看到二者的结合。

4、纠正业内对三缸机的动力偏见

除了三缸机经常被“拎出来”诟病的抖动问题外,动力表现也是消费者对三缸机迟疑的原因之一,因为相较于四缸机来说,三缸机的排量更小,按照大众的认知习惯,会理所当然地认为三缸机和对应的四缸机,动力少了25%。

但事实并非如此,三缸机依靠低惯量涡轮和电控泄压阀,可以有效地改善用户对三缸机动力反应和输出的评价。

简单的说,低惯量涡轮由于涡轮扇叶尺寸更小、重量更低,更便于“肺活量”有限的发动机推动;而电控泄压阀相比传统的真空泄压阀,能够让压力建立更加精准、迅速,并能够有效减少低负荷泵气损失。

因此,采用这两项技术的三缸发动机,在拥有宽泛的峰值扭矩输出平原的前提下,还可以提供更好的涡轮响应,并搭配设计合理的变速箱使车辆的动力性能并不逊色。

眼下市场上搭载三缸机的在售车型中,别克GL6搭载的1.3T三缸发动机,可在1800-4400rpm的转速区间内输出230Nm峰值扭矩;而福特福克斯1.5T车型峰值扭矩达到了243Nm,对应的发动机转速输出区间为1750-4500rpm。而且,福克斯1.5T车型的发动机在1500rpm时就能输出峰值扭矩的85%了。

此外,借助进排气双VVT可变正时、更短的进气歧管等技术,强化了发动机的进排气效率,作为“新时代”三缸机阵营中的一员,本田P10A发动机在引入进排气双可变正时系统之余,i-VTEC可变气门升程技术也并未缺席,后者可根据发动机转速调节气门开度大小,用以兼顾“低速高扭矩,高速高功率”两种特性。

所以,伴随着技术的发展,三缸机的动力表现已不再是短板了,而整个动力系统技术的全面提升,其实也为三缸机提供更好的驾驶感受,提供了一个更高的平台和更好的环境。

5、“3>4”!

诚然,早期问市的三缸机“问题”突出且使用感受欠佳,但科技进步无疑是三缸机半路翻盘的关键,结合新技术三缸机的优势也更佳鲜明。

例如三缸机天生具备轻量化的优势,重量更低的原因不仅是三缸机相比传统四缸引擎“少了一个气缸”——广泛的铝合金材质的应用、配气机构简化、曲轴长度缩减等,都是三缸机能够更轻的原因。

当然,通用1.3T发动机还采用了集成排气歧管的缸盖和充纳排气门设计,福特1.5T发动机甚至将空心式凸轮轴与气缸盖合二为一,这些措施在减重的同时,也实现了削弱噪音与摩擦的“一箭三雕”,且该模块目前仍为德国生产国内组装的模式,以保证加工精度与整机品控。

至于更佳的燃油经济性,推出三缸机的车企在“结构优势”基础上,均引入了多项辅助技术与细节设计,从整体上说都以降低损失、提升效率为主要路线。

采用可变机油泵便是其中之一,该装置在通用、本田、福特等厂家的三缸机中都能见到,通过ECU调节可变机油泵内部的叶片改变油泵压力,以实现低速高压润滑,高速降低油压减轻发动机负荷的功效。

此外,福特还在1.5T三缸发动机中加入了闭缸技术,通过在“第一气缸”内增加闭缸控制阀和可变摇臂,能够在低负荷时将发动机切换至双缸工作状态,进一步降低油耗与排放。

从上图中可见,正常行驶时闭缸控制阀内的“小圆柱”处于弹出状态,该结构回缩后,气门摇臂才会不再推动气门工作,也就实现了闭缸。

部分车企在三缸机中应用的“双喷射”技术,则属于兼顾动力与燃油经济性的“黑科技”,只是不同车企的设计思路不尽相同。以福特为例,旗下1.5T三缸发动机为高压顶置缸内直喷+低压歧管喷射结构,二者分别用于高转速大负荷与低转速小负荷工况。

而通用1.3T发动机则选用了双多点喷射结构,单缸双喷嘴设计的优势在于冷机和低负荷运转时燃烧更加充分,加之双喷嘴优化了雾化效果,且多点喷射的工作噪音更小,在降低油耗的同时,也为强化可靠性和降低噪音做出了贡献。

放眼国际,融入前沿技术的三缸机凭借不输,甚至优于多缸发动机的综合性能表现,已先于国内市场进入各车企的主销车型中,比如大众搭载1.0L发动机的Polo,早在2002年便投放市场,而2009年上市的宝马318i就搭载1.5T三缸发动机。

不仅如此,除了大众、宝马等车企外,三缸机在标致雪铁龙集团旗下的C4、108、3008等车型中也广泛普及,同时国内消费者较为陌生的菲亚特Argo、丰田ROOMY等,也搭载了三缸发动机。可见,三缸机不单单是国内的“潜力股”,在全球范围内也是不可忽视的存在。

6、三缸不是廉价的代名词

说了这么多,三缸发动机的结构、重量较四缸引擎都有所优化和降低,这便让部分消费者会以为它可能更便宜一些,但事实并非如此。比如PSA(标致雪铁龙集团)旗下的1.2T三缸机,由于新技术的大量应用,单机采购价格反而比1.6T四缸机增加了5%。

此外,当前三缸机还肩负淘汰原有的自然吸气发动机,或替换老款增压引擎的重任,举个例子:

2019款雪佛兰迈锐宝XL 535T车型已换装全新1.3T发动机,此前的1.5T成为了历史;而长安福特福克斯换代后,动力阵营为1.0T+1.5T且全系三缸,1.6L、1.8L等机型退役。

也就是说,三缸小排量已具备唱主角的能力,这在主流汽车制造商那里是已经在技术层面得到认可的了。

7、建起向电气化过渡的桥梁

可以说三缸机之所以逐渐盛行并得到各大车企重视,除了发动机技术的进步外,低能耗趋势与环保主线更是无形的推手,面向未来,触电并与电动机共同组成动力单元,或许是三缸机日后的发展方向。

眼下,市售车型中已有不少“先例”,比如吉利嘉际、博瑞GE、星越等车型,常规燃油与PHEV版本同期亮相之余,采用48V轻混动力系统的MHEV也同步上市。此外,未来将引入国内的大众EA211 Evo 1.0T三缸发动机,还将革命性的采用电子涡轮增压器,从而消除涡轮迟滞现象,并强化动力输出。

结合短期内难以完全打消的电动车“里程焦虑”,增程式插电混动车型也给三缸机提供了新的机会,比如即将于今年四季度开始交付的理想ONE,该车在保留常规电动车的电动机、电池组等结构外,还搭载了一台1.2T三缸机作为“增程器”,而增程器仅用于为电池或电动机供电,并不参与驱动车辆。

必须要考虑到的是,有别于电动机低转速时效率最高的特点,内燃机拥有自身的经济区间,也就是在特定转速区间内效率最高,燃油经济性也最好。如果无需考虑给车轮传动,让发动机在最佳工况运转并将机械能转化为电能,电能再驱动电动机的设定,虽然看上去有些“舍近求远”,但实际效率在特定工况下未必低,而这也是很多增程式方案依然有存在理由的原因。

车云小结:

节能减排不仅是老生常谈的热议话题,更是我们希望看到的未来愿景,而推动现实向愿景发展的无疑是科技与技术升级,聚焦汽车行业也是如此。

三缸机从边缘转向主流的重点,离不开各大车企近年来在抑制抖动、优化NVH、提升动力性等方面的成果结晶;同时对消费者来说,对三缸机的接受也需要一个过程,各个车企把三缸动力系统都推向聚光灯下的营销推广,也让三缸机的形象变得越来越丰满。

而且,在中国汽车市场在寻求从传统能源向新能源过渡的这个过程中,三缸机一定会发挥不小的作用。将传统燃油发动机技术发展到极致的特性,以及在电气化方面承上启下的作用,都使其在未来大有市场。

所以,与其说发展趋势、排放政策推动了三缸机发展,倒不如说在向零排放迈进的路上,三缸机是个历史的选择。

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