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三缸与四缸发动机差距在哪?

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放大字体  缩小字体    发布日期:2017-03-08  
最近几年,各大车厂陆续推出了新一代的小排量三缸增压发动机,排量集中在1.0L~1.5L区间,其初衷是以更小的燃油消耗量和更优秀的废气排放表现获得过去1.6L~2.4L等级的四缸引擎才能达到的动力输出水准。这一代的小排量三缸增压引擎的油耗表现确实让人心服口服,实际动力表现也足以让人忘记发动机的具体排量。小排量三缸发动

最近几年,各大车厂陆续推出了新一代的小排量三缸增压发动机,排量集中在1.0L~1.5L区间,其初衷是以更小的燃油消耗量和更优秀的废气排放表现获得过去1.6L~2.4L等级的四缸引擎才能达到的动力输出水准。这一代的小排量三缸增压引擎的油耗表现确实让人心服口服,实际动力表现也足以让人忘记发动机的具体排量。

小排量三缸发动机不再是A00级的廉价轻型车的专属配置,一些售价达到20~30W的车型也开始搭载三缸引擎,让人感慨时代变化之快。但,内燃机的构造已经几十年没有大的变化,新一代的三缸增压发动机也依然没能摆脱传统三缸引擎运转特性和振动特性,三缸引擎历来就是廉价的代名词,当中高价位的车型也开始搭载象征着“低端”的三缸机,这显然让人无法接受。关于三缸发动机和四缸发动机差距的争论从来没有停止过,CarTech车技来谈谈这个时下热门的话题。

以福特福克斯为例,其搭载的1.6L自然吸气四缸引擎,峰值功率92kw(125ps),最大扭矩159N.m,在VVT的帮助下,扭矩平台很平坦,2000转即可输出最大扭矩的90%,功率输出则一直延续到6500rpm都毫不懈怠,一路上扬。这算是一台兼顾日常使用,偶尔激烈驾驶也不觉乏力的现代1.6L自吸引擎。

福特福克斯搭载的1.0T三缸增压引擎,在测试台上跑出了127.7ps的最大功率,峰值扭矩则达到了约167N.m(124b-ft),扭矩功率双双超越了1.6L自吸引擎,所以不用担心1.0T动力不足的问题。细看1.0T外特性曲线,大约从2200rpm左右上到扭矩平台,一直持续到5500rpm开始衰减,最大功率点出现在5700rpm左右,到6000转以上开始严重下滑,也就是我们常说的后段乏力。

把四冲程引擎设计成四缸是很聪明的做法,这样可以保证一个奥拓循环,曲轴旋转720度的过程中,四个汽缸就像接力赛一样,一个缸紧接着一个缸做功,动力输出连贯顺畅,所以L4引擎成为了最常见的动力。而如果气缸数量低于四个,就无法保证每一个完整的冲程(曲轴旋转180度)都有一个活塞在全程做功,这样就会出现动力输出的空档期,因此四缸是保证引擎动力输出连贯的最低缸数要求。

我们再来看四冲程三缸引擎,其点火顺序一般为1-3-2或1-2-3,同样曲轴旋转720度一个吸压爆排冲程,却只能有三个汽缸做功,每个气缸做功同样曲轴旋转180度,这样就出现了动力的空档期(上图中灰色部分),前一个汽缸到达下止点做功结束,需要等待曲轴再旋转60度,后面一个汽缸才能走到上止点继续做功。因此,三缸引擎的出力就是断续式的,节奏就像出力1秒,断续0.5秒,再出力1秒,又停顿0.5秒。

【三缸增压引擎开始流行】

如此看来,好像三缸引擎比较四缸引擎,完全是一无是处?为什么如今大部分主流车厂都投入精力去搞不讨人喜欢的三缸增压引擎?难道去搞小排量四缸增压引擎不是更完美的选择?非也!每一种结构的引擎都有其存在的意义,车技君先说说三缸引擎相对四缸引擎的优势:

1.相比同排量四缸发动机更小的涡轮迟滞

小排量引擎,在目前涡轮增压的潮流下,最急需解决的就是涡轮迟滞问题了。为什么三缸增压引擎会比四缸增压引擎有更小的涡轮迟滞现象呢?

来看看四冲程汽油发动机的进排气门配气角分配就明白了,虽然四个冲程进气-压缩-工作-排气各占据了1/4的行程,但进排气阀门的打开关闭时机却并不是正对进气排气冲程介绍开始的时机的,为了达到更好的“换气”效果,通常排气阀门和进气阀门会提前打开,延迟关闭,这样在汽缸换气时就可以利用气流的惯性形成“扫气”效应。通常不带VVT的发动机排气阀门会提前48度打开,延迟20度关闭。

正因为排气门的提前打开和延迟关闭,四缸发动机的排气过程就会出现两个汽缸的重叠现象,如果排气系统做不好,就会出现严重的排气干涉问题(灰色部分),影响排气效果从而降低了发动机热效率。过去自吸引擎还可以用特别设计的等长排气管来解决这个问题,比如4-2-1形式的排气系统,但进入涡轮时代之后,为了尽可能缩短排气阀门和涡轮之间的距离,降低涡轮迟滞现象,设计复杂的等长排气系统变得不太现实,所以四缸涡轮发动机或多或少都会被排气干涉问题影响,削弱了排气气流吹动涡轮旋转的力量,如果是小排量四缸机,即使匹配轻量现代低惯量涡轮也有明显的涡轮迟滞问题。

而三缸发动机则巧妙的躲过了排气干涉问题,前文中提到三缸发动机每180度会有一次爆燃和排气继续旋转60度才有第二次爆燃和排气,而通常排气门的提前打开和延迟关闭角加起来也正好是60多度(提前48度 延后20度),这样整个有排气效果的曲轴旋转过程就变成了180度 48度 20度,约248度,而一个奥拓循环是720度,这样排气干涉就变得很小可以忽略了,因此三缸发动机的排气脉冲正好是连续的,一个脉冲紧接着一个脉冲,如果这样的脉冲气流撞上了涡轮的叶片,显然会形成对涡轮的持续加速效果,这样涡轮迟滞问题就会比同排量的四缸发动机轻微一些。

正因为三缸引擎不存在排气干涉,容易推动涡轮旋转的特性,所以过去宝马将N55 3.0T 单涡轮引擎的排气管做成了双蜗管形式,每三个汽缸一组,力求降低涡轮迟滞现象。所以采用单涡轮的N55低转速扭矩表现并不逊色于双涡轮的N54。

2. 相比同排量四缸引擎更好的低转速扭矩

小排量引擎最薄弱的就是低转速的扭矩表现,如果低扭太弱,车子起步爬坡都非常费力,开过QQ的都知道大夏天开着空调爬坡起步是个什么体验,心有余而力不足。

这就解释了宝马会给排量1170cc的R1200GS配上一台经典的水平对置双缸引擎,以获取充沛的低速扭矩输出,这对于需要低扭的拉力车实在是再合适不过了。因为单杠容积达到585cc的水平双缸引擎,虽然会出现动力不连贯的问题,但同样转速下其扭矩输出能力已经接近排量大很多的四缸引擎,因为其单缸容积(缸径101mm,冲程73mm)已经媲美2.3L四缸引擎。

而以超过300km/h极速而闻名的铃木隼则匹配一台1300cc高转速四缸引擎,以求高转速下的峰值高功率输出,这是同排量双缸发动机比如R1200GS所望尘莫及的。

从上面这个例子可以看出同排量引擎缸数越少,低扭越充沛,这正是小排量引擎所看重的。每个汽缸的容积就越大,缸径和冲程也会更大,也就意味着低转速扭矩越大,配合三缸增压发动机更小的涡轮迟滞现象,同排量的三缸增压引擎的低扭表现会比四缸增压引擎出色一些。

【基于模块化设计的BMW 1.5T三缸增压机】

比如宝马1.5T三缸的缸径冲程跟2.0T四缸机一致。又比如大众EA211 1.2自吸三缸机的缸径与EA211 1.4四缸机相同,同为76.5mm,而影响扭力表现的冲程却反而比排量EA211 1.4的75.6mm更长,达到了86.9mm,因此少一个缸的大众1.2三缸机实际开起来中低速的动力并不觉得比1.4差那么多。

3. 更少的机械摩擦

这一点很好理解,三缸机结构简单,机械摩擦面也变得更少,三缸机比四缸机少了一套活塞连杆,少了4只进气排气阀门的开启关闭机构,曲轴和凸轮轴也变短了,这些组件都是发动机摩擦损耗的大头。机械摩擦损失变少,变相提升了发动机热效率。

4. 更好的MEP

这一条对小排量三缸引擎适用,比如1.2L三缸引擎和1.2L四缸引擎的比较。MEP即Mean effective pressure,在教科书中标示mep,中文翻译成平均有效压力,即折合到每单位气缸工作容积的,每工作循环中的有效功,用单位活塞面积上假设不变的压力来表示。

用公式表示即为:

mep= w/(V1-V2) = J· Q2-3·η/(V1-V2) = J·pa·eV(F·Qc·η)= {J· Q2-3·(p1·m/MRT1)/(1-(1/r))} ·η

式中:

mep. —— Mean Effective Pressure. 平均有效压力

W—— work of the cycle 循环功

V1-V2) —— piston displacement volume 汽缸容量

J—— Joule’s law coefficient 热功当量

Q2-3—— Heat which flows into the cycle 循环热量

η —— efficiency of the cycle循环效率

a—— density of sir at inlet valve 进气门处的空气密度

eV—— measured or actual efficiency 测得的或实际的容积效率

F —— fuel-air ratio 空燃比

Qc—— heat of combustion per unit mass of fuel单位燃油质量的热值

1—— pressure at inlet end 进气终点压力

m——molecular weight of gas气体分子量

M—— mass of gas 气体质量

R—— universal gas constant 通用气体常数

T1—— absolute temperature at inlet end 进气终点绝对温度

可见影响MEP的因素很多,根据前人的经验,当单缸工作容积过大或过小,MEP都会下降,而当单缸容积在500cc左右时,比如缸径接近86mm,冲程接近86mm时,自然吸气四冲程发动机的汽缸的平均有效压力趋于理想,发动机能够以相对高效的工作效率进行工作。而由于涡轮增压发动机pa 进气门处的空气密度增加,以小排量增压压力常在1.2~1.5bar计算,单缸333cc~420cc应该是最佳的单缸容积,所以1.0T的福特三缸机和1.2T的大众三缸机,甚至1.5T的宝马三缸机都是趋于最佳MEP的设计,取决于他们的设计增压值。

所以我们通常认为自然吸气排量2000cc左右的4缸四冲程发动机是比较理想的设计,排量3000cc左右采用6缸设定会比较理想,4000cc左右采用8缸比较理想。所以许多经典铭机都遵循了最好MEP原则,比如K20A,N52B30等等,而目前增压时代到来,相信更多的优秀增压引擎会出现在1.0-1.2T三缸增压机,1.5-1.8T的四缸增压机之中。

5. 更轻质量更小体积

同排量三缸引擎比四缸引擎重量更轻,体积更小,这个就不用再多说了。

发动机的轻量化和小巧化也符合车辆轻量化趋势,也会带给前置引擎小型车更好的轴荷分布,带来更好的操控。

6. 更低油耗

同排量发动机,缸数越少,功率输出越少。相同转速下,其单位时间内吸进的空气体积就越少,喷油量也变少,油耗自然变低。玩摩托的都知道600cc的单缸机和600cc的四缸机实际的油耗差距会有多大。

正是以上优势,让三缸引擎在涡轮增压时代受到了车厂的重视,大有一统小排量增压引擎江湖的趋势。当然,任何事物从来都是两面性的,三缸引擎也有大把缺点,这些缺点也很致命:

1.动力连贯性

这一点在前文中已经阐述,不再重复。六缸以上的发动机动力输出可以用精致,致密来形容,四缸机的动力输出尚且可以用平顺安静来形容,那么三缸机就显得粗糙了,声音也不小,放在小车上尚且可以接受,放在有品质追求的中型车上就有点唐突了,不匹配。

2.振动,噪音

【配备偏心飞轮的福特ecoboost 1.0T】

三缸发动机缸数为奇数,但其一阶二阶旋转惯性力和往复力其实是平衡的,但惯性力又会产生相应的力矩,其力矩并不能做到平衡,所以三缸机的一阶二阶惯性力矩皆不平衡,这就奇数缸引擎振动的来源。

旋转惯性力矩可以通过配重来消除,这个很容易做到。

一阶二阶惯性力矩的平衡难度很大,三缸机即使增加一条反向平衡轴,针对曲轴做配重优化,也只能抵消掉一阶惯性力矩,抵消了一部分抖动,但无法做到二阶惯性力矩动平衡。如果要平衡二阶力矩,理论上三缸机还需要增加两条平衡轴才行,那样体积和四缸机相比都没有优势。各大车厂为了让三缸机不那么抖,也是想尽了各种方法,偏心质量飞轮,质量惯性曲轴皮带轮,去耦式平衡轴齿轮,在平衡轴从动齿轮上增加去耦橡胶圈。。。。

但这些方式都无法根治三缸机惯性力矩不平衡的先天缺陷,所以三缸机的振动在高转速情况下尤其明显。这也是奇数汽缸引擎普遍存在的问题,即使是缸数更多的五缸机都没办法解决,三缸机面对这样超出能力范围的要求只能一声叹息。

3. 寿命,耐用性

由于三缸引擎的曲轴和连杆活塞部件无法真正做到力矩的平衡,这样会造成固定曲轴的轴瓦部位的加速磨损,比起四缸机理论寿命相对更低。但一台设计良好,保养得当的三缸引擎,其寿命和耐用性也足够让人满意,比如90年代在重庆充当出租车角色的铃木奥拓,许多车在报废前都跑到了80w公里以上的里程,发动机也不需要更换曲轴轴承。

4.峰值功率,升功率,高转速动力衰减

三缸发动机的高转速性能普遍较四缸引擎差,相比同排量四缸引擎,由于先天结构的不平衡,在高转速区域的表现不佳,最大功率不好看,功率曲线相比四缸引擎更快更早就开始衰减。在增压时代,功率低这一问题不再显得突出了,但小排量涡轮增压的扭矩平台窄,动力衰减快的特性,是无法避免的。

5. 油门响应

三缸发动机为了达成接近四缸发动机的动力输出连贯性,不得不匹配一个更大质量的飞轮,这样引擎的运转惯性就变得更大,转速变化变得迟钝,给人感觉就是油门响应不积极,这对于手动档车型的驾驶体验尤为重要。所以三缸引擎更适合匹配转速变化平稳的CVT变速器,比如日产用HR12DDR 1.2T三缸机配合CVT变速器,配合轻量车身,得到一台省油好开的代步车。

写在最后:

三缸引擎的弊端并不能靠增压系统来弥补,虽然动力变得更强大,但上古时代的三缸引擎存在的机械特性和缺点如今的现代三缸增压引擎依然存在。可以预见,当电动涡轮技术真正普及,小排量四缸电动增压引擎将会重新取代三缸增压引擎,因为那会带来更好的质感和体验,是小排量增压引擎的终极方案。

小排量三缸增压引擎作为现阶段小型廉价车型的理想引擎是合适的,前提是价格够低。因为这些用户对于噪声振动平顺性并没有太高的要求,只要价格便宜用车成本经济即可。如果消费者花了很高的代价去购买一台小排量三缸增压引擎的汽车,却没有享受到这个价位的汽车应该有的质感和行驶品质,当然会大失所望,因为这不是革新,而是倒退。 
 
 
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