三缸發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車(chē)節(jié)能減排技術(shù)的研究

雷先華　周文兵

摘 要：近些年來(lái)，為順應(yīng)汽車(chē)市場(chǎng)低碳、節(jié)能減排的發(fā)展趨勢(shì)，燃油經(jīng)濟(jì)性能的研究在汽車(chē)研發(fā)中處于很重要的位置。由于小排量增壓三缸發(fā)動(dòng)機(jī)在體積、質(zhì)量、動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放方面的諸多優(yōu)勢(shì)，新一代三缸發(fā)動(dòng)機(jī)在中、低級(jí)別轎車(chē)和PHEV車(chē)型上的應(yīng)用愈加廣泛。本文綜合分析了現(xiàn)有汽車(chē)節(jié)能減排技術(shù)，同時(shí)對(duì)三缸發(fā)動(dòng)在節(jié)能減排方面的發(fā)展進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：汽車(chē) 三缸發(fā)動(dòng)機(jī) 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(chē)輛總量的快速增長(zhǎng)，道路交通的碳排放量也持續(xù)增長(zhǎng)，溫室氣體的產(chǎn)生是全球變暖的主因，交通運(yùn)輸行業(yè)被認(rèn)為是產(chǎn)生溫室氣體的主要源頭[1-2]。在國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)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(huì)上出現(xiàn)了不同程度的能源供需矛盾問(wèn)題，對(duì)進(jìn)口和利用石油的依賴(lài)度不斷提高。同時(shí)由于我國(guó)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)銷(xiāo)總量持續(xù)增長(zhǎng)。因此，在未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)期，能源緊張問(wèn)題將更加突出。每個(gè)家庭都擁有私家汽車(chē)，是“中國(guó)夢(mèng)”的一部分，汽車(chē)必須實(shí)現(xiàn)與社會(huì)的健康和諧協(xié)調(diào)發(fā)展。2012年6月我國(guó)發(fā)布了有關(guān)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的政策，對(duì)我國(guó)汽車(chē)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)做出了明確規(guī)劃，要求2020年當(dāng)年乘用車(chē)新車(chē)平均燃料消耗量必須達(dá)到5.0L/100km。

發(fā)動(dòng)機(jī)小型化、智能化已經(jīng)成為了汽車(chē)市場(chǎng)的趨勢(shì)。從汽車(chē)產(chǎn)品的能源結(jié)構(gòu)來(lái)看，將來(lái)中國(guó)市場(chǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī)一定會(huì)繼續(xù)小型化，尾氣有害氣體的排放量越來(lái)越少[3]。本文簡(jiǎn)析幾種汽車(chē)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的方案，并與使用三缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行對(duì)比分析，闡述三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)性能，展望其未來(lái)在汽車(chē)節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。

2 汽車(chē)節(jié)能減排措施

2.1 新能源電動(dòng)汽車(chē)

為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的能源緊張和環(huán)境污染問(wèn)題，各個(gè)地區(qū)和國(guó)家都頒布了相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)法來(lái)引導(dǎo)各大車(chē)企進(jìn)一步合理降低燃油消耗。節(jié)能環(huán)保是未來(lái)我國(guó)汽車(chē)持續(xù)健康發(fā)展的必然選擇。目前汽車(chē)的節(jié)能減排可通過(guò)發(fā)展新能源汽車(chē)、汽車(chē)輕量化、提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在節(jié)能減排的大環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)小型化逐漸成為了主流，變得活躍起來(lái)[4]。

新能源電動(dòng)汽車(chē)集合了機(jī)、化、電等多學(xué)科領(lǐng)域，是電力、汽車(chē)、化學(xué)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、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(lái)看，電動(dòng)汽車(chē)幾乎零污染;利用電動(dòng)汽車(chē)彌補(bǔ)原始燃油車(chē)污染環(huán)境、消耗能源的缺陷，毫無(wú)疑問(wèn)是可行的。但純電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)時(shí)至今日，仍然存在著諸多需要逐步解決的問(wèn)題，如充電樁等社會(huì)配套資源的建設(shè)也有待普及和完善。大部分車(chē)企沒(méi)有選擇這個(gè)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(dòng)汽車(chē)品牌特斯拉全球在售車(chē)型總共就三款車(chē)型，據(jù)TechWeb發(fā)布的消息，電動(dòng)汽車(chē)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(guó)先驅(qū)報(bào)》報(bào)道，普華永道最近統(tǒng)計(jì)了全球一千家公司2018總研發(fā)支出，其中德國(guó)大眾汽車(chē)位居第三，研發(fā)支出費(fèi)用為158億美元。但是，大眾全球在售車(chē)型超過(guò)了100款，折算下來(lái)看，傳統(tǒng)燃油車(chē)的制造研發(fā)成本約為電動(dòng)汽車(chē)的五分之一。

2.2 汽車(chē)輕量化

通常而言，車(chē)輛越重，燃油消耗越高。研究報(bào)告顯示[5]：車(chē)輛自身重量每下降10%，燃油消耗就降低8%。2018年，中國(guó)乘用車(chē)的平均燃油消耗量為5.8L/100km，這距離2020年達(dá)到5L/100km的目標(biāo)還有9%的減耗需求，也就是說(shuō)車(chē)重還需再下降11.2%才能達(dá)到要求。工信部數(shù)據(jù)顯示：中國(guó)乘用車(chē)的平均重量為1456kg，所以，車(chē)輛平均需要減重163kg，才可以達(dá)到5L/100km的排放標(biāo)準(zhǔn)。在汽車(chē)制造行業(yè)中，據(jù)統(tǒng)計(jì)每減重33kg制造成本可增加319元，反推價(jià)重比為9.7元/千克。這樣，每輛車(chē)的生產(chǎn)成本折合下來(lái)約增加1581元。如：大眾汽車(chē)在2018年的汽車(chē)銷(xiāo)售額為1083萬(wàn)輛，如果它采用減輕車(chē)重來(lái)降低排放量的話(huà)，大眾的生產(chǎn)成本，要增加17億元。自90年代國(guó)家開(kāi)始要求提高汽車(chē)安全性的原因，我國(guó)汽車(chē)的平均重量一直在增加。直至如今，如何處理汽車(chē)輕量化與成本、安全性的矛盾仍是競(jìng)爭(zhēng)激烈的各汽車(chē)廠商設(shè)計(jì)研發(fā)的重要成分。汽車(chē)輕量化不是簡(jiǎn)單的減少一些材料，也不是簡(jiǎn)單的把鋼材換成鋁材，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化需要車(chē)企經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研發(fā)，針對(duì)整車(chē)結(jié)構(gòu)來(lái)做整體優(yōu)化。所以，通過(guò)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化來(lái)達(dá)到節(jié)能減排的目的還要走一段長(zhǎng)遠(yuǎn)的技術(shù)之路。

2.3 提高發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

提高發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性有很大的影響。目前，提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)分層燃燒技術(shù)、運(yùn)用連續(xù)可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)。

以目前市場(chǎng)上汽車(chē)普遍采用的渦輪增壓技術(shù)為例，三缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能是優(yōu)于四缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的。但目前渦輪增壓技術(shù)急需解決的就是渦輪遲滯的問(wèn)題，而三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性恰好能夠降低渦輪遲滯的影響。因?yàn)槿装l(fā)動(dòng)機(jī)的排氣脈沖剛好是連續(xù)的，不會(huì)出現(xiàn)排氣干涉、渦輪遲緩滯后小等問(wèn)題。在發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，沖程與缸徑尺寸越大，所以低轉(zhuǎn)速扭大。

在發(fā)動(dòng)機(jī)功率方面，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率較大，摩擦損失小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械摩擦面也變得更少，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率高。功率和扭矩均超過(guò)1.6L自吸發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)，甚至超過(guò)1.8L的動(dòng)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(dòng)機(jī)扭矩和功率分別達(dá)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(dòng)機(jī)，在相同轉(zhuǎn)速下1.3T發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩可輸出230N/M，而1.4T發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩可輸出僅為206N/M。且1.3T發(fā)動(dòng)機(jī)重量減輕全車(chē)25公斤，車(chē)輛動(dòng)力提升15%[7]。

3 三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展

3.1 三缸發(fā)動(dòng)機(jī)缺點(diǎn)的改善

由于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工作的運(yùn)動(dòng)特性，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)不能像四缸或者六缸發(fā)動(dòng)機(jī)那樣，通過(guò)不同活塞的相互往返運(yùn)動(dòng)來(lái)抵消多余的慣性力矩和震動(dòng)。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，產(chǎn)生的慣性力矩?zé)o法被有效的抵消，所以與傳統(tǒng)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)相比三缸發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，抖動(dòng)、噪聲也更加大[8-9]。三缸發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)會(huì)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(wèn)題也凸顯出來(lái)。目前，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡方案主要有：加裝平衡重法、過(guò)量平衡法、雙軸平衡法等方法[11];通過(guò)精密的計(jì)算和設(shè)計(jì)是可以達(dá)到抑制三缸發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)的效果的。現(xiàn)階段發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)越來(lái)越成熟，汽車(chē)廠家對(duì)于三缸發(fā)動(dòng)機(jī)缺點(diǎn)的也做了進(jìn)一步的研究處理，其抖動(dòng)已經(jīng)越來(lái)越小，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的不足之處是可以得到改善的。

3.2 三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)

近年來(lái)，眾多車(chē)企都推出了三缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)型。如福特、本田、寶馬、奧迪等，寶馬旗下的一系、三系和X1等車(chē)型上均使用了1.5T的三缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。目前汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的制造基本都是采用模塊化技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，零部件可以共享。這一技術(shù)降低了三缸發(fā)動(dòng)機(jī)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(chē)型，3、4、6缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)之間有超過(guò)60%的零件可以共享。而且汽油機(jī)和柴油機(jī)之間的部件共享也達(dá)到了40%[12]。通俗來(lái)講，即在研發(fā)時(shí)采用統(tǒng)一構(gòu)架，根據(jù)需求調(diào)整氣缸數(shù)，再簡(jiǎn)單修改配套的部件，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)三缸發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸少，零部件需求更少。像氣缸套、活塞、火花塞、連桿、氣門(mén)等，這些成本的節(jié)省是顯著的。

未來(lái)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)將向更節(jié)能、更環(huán)保的方向發(fā)展。小排量發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)前景逐漸越來(lái)越好，新能源汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)潛力大。隨著環(huán)保要求的提高，每個(gè)車(chē)企不斷研發(fā)新技術(shù)，逐步降低了三缸發(fā)動(dòng)機(jī)一些缺點(diǎn)的影響，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)慢慢替代四缸機(jī)的，就像四缸機(jī)替代六缸機(jī)一樣，目前只是暫時(shí)處于在過(guò)渡階段。

4 總結(jié)

三缸發(fā)動(dòng)機(jī)有諸多優(yōu)勢(shì)：如其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、橫向尺寸較小，在減少重量、降低成本的同時(shí)，也為發(fā)動(dòng)機(jī)艙的布置提供了更大的空間，更加適用于應(yīng)用在混動(dòng)車(chē)型上。同時(shí)同排量發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)越少，油耗就越低。

發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)步和國(guó)家環(huán)保政策的完善，發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)又慢慢退回了三缸。車(chē)企經(jīng)過(guò)這么多年技術(shù)的沉淀，制造發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)已越來(lái)越成熟，在環(huán)境保護(hù)意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)的今天，節(jié)能減排是對(duì)各大車(chē)企的一次考驗(yàn)。與之相比的發(fā)展新能源汽車(chē)、減輕車(chē)重、采用四缸小排量車(chē)型而言，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)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(shì)就體現(xiàn)了出來(lái)。由此，我們也有理由相信，隨著三缸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的日益成熟，其市場(chǎng)認(rèn)可度也將不斷提升，在純電動(dòng)時(shí)代到來(lái)之前，將是內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域愈加主流的存在。

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