汽車三缸往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)的分析與研究

李 蔣

（蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 蘇州 215104）

前言

三缸發(fā)動(dòng)機(jī)最早是應(yīng)用在 A0級(jí)小型車上的，而且出于成本問題的考慮，A0級(jí)小車搭載三缸發(fā)動(dòng)機(jī)在某種程度上可以說是必然做法。對(duì)應(yīng)的消費(fèi)群體既然能接受 A0級(jí)車型的整體品質(zhì)，那么對(duì)于三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)應(yīng)該也是可以接受的。

目前各大車廠推出的三缸增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的排量主要集中在1.0T～1.5T區(qū)間，其中頗具代表性的有大眾 1.0T、雪鐵龍1.2T、通用的1.3T、寶馬的1.5T等。從發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率和峰值扭矩上來看，這些小排量三缸增壓發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)近乎獲得1.6L～2.4L排量的四缸自吸發(fā)動(dòng)機(jī)才能達(dá)到的動(dòng)力輸出水準(zhǔn)。同時(shí)這些三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量和廢氣排放表現(xiàn)也更為優(yōu)秀，輕輕松松就能達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。

表1

因此，在三缸發(fā)動(dòng)機(jī)橫空出世的一剎那，終于給對(duì)純電動(dòng)汽車心存顧慮的車友一記強(qiáng)心針。在短暫的興奮激動(dòng)之余，不少車友在遨游了網(wǎng)絡(luò)世界之后，又有了新的疑慮。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)上鋪天蓋地的關(guān)于三缸發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)抖動(dòng)的描述，瞬間將車友搶購(gòu)的欲望降格為觀望。

1 三缸發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)原因

那么三缸發(fā)動(dòng)機(jī)究竟抖不抖呢？通過我們的研究發(fā)現(xiàn)，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)是肯定存在的。因?yàn)槿装l(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸布局不是一個(gè)高度對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。四缸發(fā)動(dòng)機(jī)為什么不抖呢？因?yàn)樗母装l(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)氣缸之間的相位差是180°，1-2-3-4四個(gè)氣缸1缸和4缸向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，2缸和3缸向下運(yùn)動(dòng)，這種情況下發(fā)動(dòng)機(jī)是不會(huì)左右晃動(dòng)的，再加上相應(yīng)的減震附件，整個(gè)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎就是沒有什么抖動(dòng)的。

圖1 四缸發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)行位置示意圖

然而，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)氣缸之間的相位差是 240°，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)總有一個(gè)氣缸在單獨(dú)做功，沒有一對(duì)同上同下的活塞，1-2-3三個(gè)氣缸1缸和3缸就會(huì)不規(guī)則的上下運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的慣性力矩得不到抵消，抖動(dòng)就這樣產(chǎn)生了。所有奇數(shù)缸發(fā)動(dòng)機(jī)都存在這個(gè)問題，曾經(jīng)的五缸發(fā)動(dòng)機(jī)也一樣，只不過五缸發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)的沒有三缸發(fā)動(dòng)機(jī)那么明顯，這就是三缸發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)的根源。b

圖2 三缸發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)行位置示意圖

2 三缸發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)時(shí)間

既然三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)是客觀存在的，那么究竟它什么時(shí)候會(huì)抖動(dòng)呢？是像網(wǎng)友臆想的那樣無處不在的抖么？我們的研究發(fā)現(xiàn)，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)只是怠速的時(shí)候排氣管的聲音不太規(guī)則甚至聽起來還有點(diǎn)吵，它的抖動(dòng)并非存在于汽車的行進(jìn)過程中，大多數(shù)的抖動(dòng)主要發(fā)生在汽車起步和蠕行的時(shí)候；自動(dòng)啟停系統(tǒng)開啟工作的時(shí)候；還有就是突然的負(fù)載也是最容易讓駕駛員感受到抖動(dòng)的時(shí)候，例如行進(jìn)中將空調(diào)、音響打開（令發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷突然增大）、關(guān)閉。

3 三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)故障解除

寶馬B38型，排量1.5T的三缸發(fā)動(dòng)機(jī)在三缸領(lǐng)域確實(shí)表現(xiàn)卓著，寶馬的工程師在 NVH特性研究上著實(shí)花了大的氣力。為解決振動(dòng)問題，寶馬的工程師將一根平衡軸安裝在曲軸箱里，由曲軸帶動(dòng)，其旋轉(zhuǎn)方向與曲軸相反，轉(zhuǎn)速和曲軸轉(zhuǎn)速相同，最大限度地消除發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)；對(duì)于噪音問題，寶馬的工程師又在發(fā)動(dòng)機(jī)的每一個(gè)面都增加了高品質(zhì)的隔音罩，甚至連油底殼都沒有放過，著實(shí)有效的改善了三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的缺陷。

圖3 寶馬B38-1.5T排量三缸發(fā)動(dòng)機(jī)

通用公司研發(fā)的1.3T排量Ecotec渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，工程師進(jìn)行了一系列設(shè)計(jì)來抑制發(fā)動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)和噪音。首先，在傳統(tǒng)雙質(zhì)量飛輪上增加一個(gè)“吸震器”，通過鐘擺式的離心往復(fù)擺動(dòng)，抵消來自發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)主動(dòng)飛輪的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；其次，優(yōu)化平衡軸齒輪與曲軸齒輪嚙合部分的彈性解耦單元，消除齒輪嚙合的沖擊；最后，配備靜音正時(shí)鏈條，傳動(dòng)時(shí)入齒更柔和，沖擊更小。毫不夸張的說，通用公司的這臺(tái)1.3T三缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速狀態(tài)下的震動(dòng)幾乎和四缸發(fā)動(dòng)機(jī)完全一樣。

圖4 別克Ecotec-1.3T排量三缸發(fā)動(dòng)機(jī)

4 三缸發(fā)動(dòng)機(jī)還有沒有未來？

本文就不一一贅述各大廠商具體的技術(shù)手法，更無法逐一進(jìn)行對(duì)比，畢竟“抖”是一個(gè)綜合性的使用感受，幾乎無法客觀量化評(píng)價(jià)。總之，對(duì)于三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)問題，各大廠商也都竭力通過機(jī)械手段進(jìn)行減振處理，但其實(shí)，無論是最早的摩擦式減振器、偏心質(zhì)量飛輪還是目前多數(shù)廠商普遍采用的平衡軸，都無法真正從根源上消除三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)問題，只能是在外圍兜圈子，盡量通過 NVH抑制手段來控制傳導(dǎo)到駕駛艙的抖動(dòng)和噪音。一般來講，剛買到的新車肯定不會(huì)抖的那么明顯，但隨著行駛里程的增長(zhǎng)，抖動(dòng)可能會(huì)不可避免的越來越明顯。

同時(shí)，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的弊端并不能僅靠增壓系統(tǒng)來彌補(bǔ)，雖然動(dòng)力從參數(shù)上看變得更為強(qiáng)大，但老一代（如奧拓1.0）三缸發(fā)動(dòng)機(jī)存在的機(jī)械特性和缺點(diǎn)在如今的現(xiàn)代三缸增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上依舊隱約存在。可以預(yù)見，未來某一天，電動(dòng)渦輪技術(shù)真正普及，小排量四缸電動(dòng)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)極有可能重新取代三缸增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)槟菚?huì)帶來更好的體驗(yàn)，或許那才是小排量增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的終極方案。

就目前來看，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)確實(shí)可以做到省油且不輸動(dòng)力。不少人因?yàn)槿狈φ嬲牧私舛^于擔(dān)心三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)，即便如今的技術(shù)已經(jīng)把三缸發(fā)動(dòng)機(jī)在各方面都做的近乎完美了。無論我們認(rèn)可與否，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)注定會(huì)在一個(gè)時(shí)期內(nèi)大量搶占屬于它的市場(chǎng)份額。隨著越來越多的三缸發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)投入市場(chǎng)，估計(jì)人們對(duì)三缸發(fā)動(dòng)機(jī)固有的“抖”的印象也會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變，但這也許得需要一段時(shí)間。