簡析如何開發商用車的三缸柴油發動機

鄒仕臣　羅富勝

摘 要：當前世界汽車制造業內三缸機的開發成為一股熱潮，國內外的許多汽車公司都對三缸發動機有著極大的開發興趣。與其他款式的發動機相比，三缸機在效率、尺寸以及節能等方面都具有優勢，因此在資源逐漸匱乏的當代，開發配置三缸發動機的商用車具有極大的意義。基于此，本文通過分析當前發動機的發展趨勢，指出開發商用車三缸機的重要性與發展方向。

關鍵詞：平衡性 三缸機 節能環保

1 簡要分析三缸發動機的優勢

1.1 分析當前發動機發展趨勢

當前世界經濟飛速發展，伴隨著經濟的發展我國乃至世界都發生了缺乏能源的問題。因此我國加嚴了對于排放的法律法規，汽車制造商同樣也有著社會要求其生產較為環保的產品的壓力。歐洲國家近年來對于二氧化碳的排放制定了嚴格的法規，我國也有著類似的法規。對于實現節能環保，提倡新能源汽車是一個最好的辦法。但是當前新能源汽車的發展路線還不是很明確，還需要大量的人力物力才可以實現大量生產。因此，在當前階段，可以走把發動機變得更輕、更小的技術路線。當前世界汽車業掀起一股小型化的潮流： 排量較大的發動機轉化為排量較小的發動機，具體而言就是在設計過程中發動機漸漸由多缸向低缸的方向發展。因此在乘用車發動機產業中，當前全球蔚然興起三缸發動機，目前，開發低排且高效的三缸發動機被各大汽車公司投入了大量的資金和人力，比較著名的有寶馬奔馳的三缸發動機以及現代起亞的三缸發動機，并且三缸發動機逐漸被業界認同。在這股熱潮的影響下，奇瑞、上汽等這些國內汽車制造公司研究了乘用車的三缸發動機技術。對于乘用車來說，三缸發動機是能夠影響到輕型商用車生產的全新方向。當前通過市場統計，發現目前輕型商用車的動力來源主要來自輕型柴油機，較為常見的商用車主要配置有二缸、三缸以及四缸柴油發動機，當前四缸柴油發動機占有當前市場百分之九十以上的份額，有著極大的優勢。

低速貨車和拖拉機的動力配置主要來自于二、三缸的柴油發動機，其在技術含量上處于中低配置。同時在當前節能減排以及其他相關規定的推動下，對于輕型發動機的未來方向，小型化發展是必然趨勢，汽車公司在技術含量上應提高三缸發動機的生產，有利于汽車公司未來的發展。在與二缸發動機的對比下，三缸發動機的特點是低油耗、低成本、低重量和高效率，三缸發動機還采用渦輪處增壓，廢氣循環利用、提高其燃燒效率等新興技術手段，在國家規定的排放和節能標準方面，三缸柴油機可以更容易地達到要求，不僅能夠滿足節能高效的要求，在成本方面也有所降低。輕型商用車市場在這個基礎上很大概率上會引起三缸發動機的熱潮。在當前國內輕型卡車生產市場中，需求量最大且最具競爭力的動力是2L左右發動機，所以在設計過程中可以考慮開發排量在2L左右的輕型柴油三缸機，進而同現有的輕型卡車柴油機480，485，490等展開競爭，目的是爭取輕型車的市場。基于此，當前為占據先機就要盡快開發生產2L左右三缸柴油機。可以以現有的四缸機生產平臺為基礎，在此基礎上展開研究開發和生產，降低成本、提高開發速度、減少開發時間。該策略是較為方便經濟的可行方法，同時因為新產品基于現有平臺和市場，可以較快地被用戶接受。

2 三缸機的優勢

與四缸發動機相比，三缸機在各方面都具有很大的優勢下面從經濟、熱效率、體積以及環保四個方面進行分析，經濟方面：生產成本較四缸機更低;效率方面：熱效率更高，消耗的燃油更少;體積重量方面：尺寸較小且質量更小，可以為其他設備提供更多剩余空間;環保節能方面：碳排放相對來說較低。三缸直噴柴油機在熱力學方面比起四缸機有更多的優勢：第一，三缸機和四缸機在同排量條件對比下，三缸機的缸徑更大，在螺旋氣道的設計方面，三缸機的可塑性更強一點，實驗表明三缸機在額渦流比和流量系數具有更大的優勢; 燃燒室空間方面，第二，三缸機有更大的空間，能夠使油氣混合在汽車發動機上實現，進而保證燃料的充分利用; 第三，在燃燒室容積K系數方面三缸機在汽車市場都占有優勢地位，其減少了在壁面熱上的損失，降低了燃燒室內的面容比例，提高了發動機的熱效率。第四，三缸機的點火間隔為240 度，點火間隔較大，以至于有很好的換氣效果，在進氣率方面也較有優勢。除此之外，三缸機適合缸蓋集成的排氣管道，由于三缸機對于排氣脈沖方面，影響較小，所以在容積設計方面，三缸機的排氣歧管還能做到更小，這樣將會保證氣缸內產生的廢氣不會進入到其他氣缸，這樣可以減少氣缸之間的距離，發揮集成式排氣歧管的作用。

3 簡要分析三缸發動機的平衡性

結合工作實踐，在開發三缸機的過程中，平衡問題是重中之重，對其平衡系統的研究與分析是三缸機發展的必然趨勢。將三缸機曲軸的旋轉慣性力矩的平衡性進行展開分析，為解決其存在不平衡的問題，需要實現在曲軸處加平衡塊保證曲軸的動平衡，以下是當前比較常見的三缸機曲軸平衡塊的排列方式。

第一種設計方案：將兩個平衡塊添加到三缸機的三個曲拐處，共有六個添加了平衡塊的曲軸。較為經典的機型有大眾的1.2L汽油機以及夏利的一系列柴油機例如376汽油機和柴油機等（有圖為夏利出租車發動機示例）。下面簡要分析這種設計的優點與不足，優點： 通過采取曲軸全平衡塊這一設計方案，實現了曲軸的全部轉動慣性力矩和內彎矩的平衡，減小了軸頸和軸瓦的磨損概率，延長曲軸的使用壽命。不足：對于曲軸添加平衡塊來說，平衡塊外徑較大，對曲軸的質量要求也提高了，需要更大的旋轉空間，提高其成本。

第二種設計方案： 在三缸機的1、3號曲拐處各加2個平衡塊，也就是4 平衡塊模式的曲軸。比較經典的是上汽榮威三缸發動機（下圖上汽榮威三缸發動機設計圖示例）。接下來是對這種設計的優點與不足的分析。優點：其需要將平衡塊在平衡轉動慣性力矩上變小，因此發動機的平衡塊的質量中心與曲拐成的角度必須縮小到30度，同時平衡塊外徑較小，可以將其在連桿比較短，機體空間比較小的發動機上使用。不足：在發動機的二號曲拐處無法設計添加平衡塊，降低其剛性，造成內彎矩變大，進而減少曲軸的使用壽命。

4 探討三缸機存在的 NVH 問題

三缸機在點火過程中點火激勵扭矩增大、頻率減小，不利于振動。同時汽缸數也會對各轉速下的發動機點火激勵頻率產生影響，繼而會對汽車的激勵振動頻率產生影響。與四缸發動機比起來，汽缸數的減少會使得振動頻率產生移動，也會使得發動機的交變力矩增大，最終導致產生較大的扭轉振動振幅，同時會產生較大的振動感覺。而由三缸機點火激勵引起的振動，是通過發動機的平衡設計無法解決的，只能通過采取調整發動機懸置剛度等方法來進行完善。

5 簡析商用車中一款三缸柴油機的設計方案

在當前生產平臺下，以四缸機的生產為基礎，實現三缸機的研發并在此基礎上開展研究，最大程度地提高研究開發速度、降低開發成本和時間，是當前最經濟可行的方法，接下來簡要分析一款柴油機的設計方案。

設計方案：在發動機3個缸均配置質量形狀都相同的平衡塊，1個氣缸配置2片平衡塊，一共配置共6 片平衡塊，利用平衡塊產生的旋轉慣性力減弱對應缸的產生的旋轉慣性力。在設計過程中，將對應的連桿大頭以及平衡塊重心在同一條直線上，如果要實現曲軸的旋轉慣性力矩降低為0，那么就要在單缸的平衡率實現100%的基礎上，從而實現內部的動平衡，也使其產生的內彎矩趨于平衡，實現曲軸的可靠和耐久性的特點。

6 結語

當前我國處于高速發展的階段，但是在經濟發展的同時必須要提高對能源的重視程度。以往不合理的發動機配置造成了很大程度的空氣污染與資源浪費。而三缸發動機具有高效低污染的特效，相信通過對三缸機的開發與利用，會推進我國汽車產業向節能環保的大方向快速發展。

參考文獻：

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