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

李明星

摘要：在近期發(fā)展中，為了深入踐行綠色、節(jié)能發(fā)展理念，汽車研發(fā)開始關(guān)注燃油經(jīng)濟(jì)性能。小排量增壓三缸發(fā)動(dòng)機(jī)，在燃油經(jīng)濟(jì)性、體積質(zhì)量、排放等方面具備優(yōu)勢(shì)。新型三缸發(fā)動(dòng)機(jī)，多應(yīng)用到中低級(jí)別轎車中。在本文研究中，圍繞汽車節(jié)能減排技術(shù)展開討論，重點(diǎn)分析三缸發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)問題，僅供參考。

關(guān)鍵詞：三缸發(fā)動(dòng)機(jī);節(jié)能減排技術(shù);新能源汽車;技術(shù)約束

中圖分類號(hào)：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）11-0223-02

0? 引言

隨著汽車保有量的持續(xù)增加，相應(yīng)增加了碳排放量。溫室氣體是導(dǎo)致全球變暖的重要因素，并且成為溫室氣體的源頭。國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，石油成為重要資源，因此能源供需矛盾日益突出。汽車工藝發(fā)展速度加快，相應(yīng)增加了銷售總量。所以在未來發(fā)展中，將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)峻的能源緊張問題。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能，對(duì)汽車二氧化碳排放量影響較大，所以最大限度控制碳排放，將成為節(jié)能減排的重點(diǎn)。因此，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功能，已經(jīng)成為節(jié)能減排重點(diǎn)。汽車逐漸成為生活必需品，汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須滿足社會(huì)發(fā)展需求。關(guān)于新能源汽車產(chǎn)業(yè)政策，明確規(guī)劃了汽車節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，因此在未來發(fā)展中，發(fā)動(dòng)機(jī)智能化、小型化，將成為汽車市場(chǎng)趨勢(shì)?；谄嚠a(chǎn)品能源結(jié)構(gòu)可知，中國(guó)市場(chǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)持續(xù)小型化，且尾氣危害氣體排放量減少。深入研究和開發(fā)節(jié)能減排技術(shù)，關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排功能，建立節(jié)能減排技術(shù)體系，推廣高效性發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)，全面促進(jìn)技術(shù)交流與合作。

1? 汽車節(jié)能減排措施

1.1 新能源電動(dòng)汽車

為了應(yīng)對(duì)環(huán)境污染、能源緊張問題，各地區(qū)發(fā)布環(huán)境保護(hù)法律，促使汽車廠降低燃油能耗。在汽車業(yè)未來發(fā)展中，節(jié)能環(huán)保將屬于重要選擇。注重汽車輕量化、新能源化發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排效果。在節(jié)能減排環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)小型化趨于主流發(fā)展，活躍度非常高。新能源電動(dòng)汽車，結(jié)合電、化、機(jī)等領(lǐng)域，屬于綜合性研發(fā)產(chǎn)物。基于環(huán)保角度分析，電動(dòng)汽車污染影響非常小。通過電動(dòng)汽車，可以彌補(bǔ)原始燃油車環(huán)境污染、能源消耗等不足，可行性較強(qiáng)。然而，電動(dòng)汽車發(fā)展進(jìn)程中，所面臨的問題隱患比較多，例如充電樁設(shè)施，現(xiàn)有普及率比較低。多數(shù)企業(yè)未選擇此種方案，多是由于汽車研發(fā)周期、成本比較高。

1.2 汽車輕量化

一般來說，車輛重量越大，則燃油消耗量越高。按照相關(guān)研究顯示，車輛重量下降10%，燃油消耗降低8%。乘用車平均燃油消耗為5.8L/100km，因此還需減輕汽車重量，才可以滿足汽車排放要求。按照工信部數(shù)據(jù)顯示，乘用車平均重量為1445kg，因此車輛需要減重152kg/輛，才可以滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于汽車制造業(yè)來說，每減重30kg，制造成本增加320元，反推價(jià)重比為10元/kg。例如，2019年，某款汽車的銷售額為1172萬輛，當(dāng)通過減輕車重，使排放量降低，則汽車生產(chǎn)成本增加17億元。在上世紀(jì)，我國(guó)要求加強(qiáng)汽車安全性，因此汽車重量持續(xù)增加。在當(dāng)前發(fā)展中，平衡汽車輕量化、安全性、成本矛盾，成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)重點(diǎn)。汽車輕量化并非減少材料，也不是全面推廣鋁材，而是要優(yōu)化整車結(jié)構(gòu)。利用汽車輕量化，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排效果，技術(shù)攻堅(jiān)難度大。

1.3 提升發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

提升發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平，會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性。現(xiàn)階段，注重發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)提升，可以應(yīng)用可變氣門正時(shí)技術(shù)、分層燃燒技術(shù)、燃油缸內(nèi)直噴技術(shù)、渦輪增壓技術(shù)。在汽車市場(chǎng)上，需要應(yīng)用渦輪增壓技術(shù)，三缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能，明顯高于四缸發(fā)動(dòng)機(jī)。然而需要注意的是，渦輪增壓技術(shù)必須處理好渦輪遲滯問題。三缸發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性，可以避免渦輪遲滯影響。由于三缸發(fā)動(dòng)機(jī)排氣脈沖具備連續(xù)性特點(diǎn)，因此不會(huì)產(chǎn)生遲緩滯后、排氣干涉等問題。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)性能，當(dāng)排放量相同時(shí)，缸數(shù)量越低，則氣缸容積越高;當(dāng)缸徑和沖程尺寸越大，則低轉(zhuǎn)速扭矩越大。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)功率，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)升功率越高，則摩擦損失小，機(jī)械摩擦力度低，會(huì)明顯提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。扭矩、機(jī)械，高于自吸發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，并且高于1.8L動(dòng)力性，即使在大范圍內(nèi)，也可以維護(hù)扭矩輸出穩(wěn)定。針對(duì)1.2T增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，扭矩為100kW，功率為230N.M。按照官方數(shù)據(jù)可知，與上一代相比，當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，1.3T發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩最高可達(dá)230N.M，1.4 T發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩最高可達(dá)206N.M。1.3 T發(fā)動(dòng)機(jī)減量化，可以顯著提升車輛動(dòng)力。

2? 三缸發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展

2.1 三缸發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷與不足改善

活塞發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)采用不同活塞往返運(yùn)動(dòng)，以此抵消慣性力矩與振動(dòng)。三缸發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，氣缸單獨(dú)做功，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生慣性力矩，并且無法抵消。因此三缸發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，噪聲、抖動(dòng)情況嚴(yán)重。三缸發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間，曲柄連桿結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，極易產(chǎn)生往返慣性力、周期性旋轉(zhuǎn)慣性力，從而凸顯出平衡性問題?，F(xiàn)階段，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)平衡方案，包含雙軸平衡法、過量平衡法、加裝平衡法。通過設(shè)計(jì)與計(jì)算方式，可以對(duì)三缸發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)問題進(jìn)行抑制。當(dāng)前，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)成熟度提升，汽車生產(chǎn)廠家優(yōu)化三缸發(fā)動(dòng)機(jī)不足，相應(yīng)降低抖動(dòng)幅度與頻率，改善發(fā)動(dòng)機(jī)不足。

2.2 三缸發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)勢(shì)

在近期發(fā)展中，多數(shù)汽車廠家應(yīng)用三缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，例如奧迪、寶馬、本田?，F(xiàn)階段，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造，多應(yīng)用模塊化技術(shù)，以此實(shí)現(xiàn)零部件共享。通過該項(xiàng)技術(shù)，可以使三缸發(fā)動(dòng)機(jī)制造成本降低。模塊化技術(shù)采用氣缸單元為基礎(chǔ)，例如寶馬B系列汽車，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分零件都可以共享，柴油機(jī)、汽油機(jī)部件共享高達(dá)40%。在前期研發(fā)時(shí)，應(yīng)用統(tǒng)一化構(gòu)架，按照實(shí)際需求調(diào)整氣缸數(shù)，修改配套部件，以此完成三缸發(fā)動(dòng)機(jī)制造，相應(yīng)降低額外成本。與其他發(fā)動(dòng)機(jī)相比，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸、路肩少，例如火花塞、氣缸套、氣門等構(gòu)件，可以顯著降低制造成本。在未來發(fā)展中，發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)朝著環(huán)?；?、節(jié)能化方向發(fā)展，相應(yīng)凸顯出小排放發(fā)動(dòng)機(jī)前景，擴(kuò)大新能源汽車發(fā)展?jié)摿Α－h(huán)保要求持續(xù)提升，不同汽車廠家注重新技術(shù)研發(fā)，以此消除三缸發(fā)動(dòng)機(jī)不足。

通過上述分析可知，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)橫向尺寸小、質(zhì)量輕便，不僅可以減輕重量、降低成本，還可以擴(kuò)大發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置空間，在混動(dòng)車型上應(yīng)用效果顯著。同排量發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)減少，相應(yīng)降低油液消耗。從早期單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，逐漸發(fā)展為12缸發(fā)動(dòng)機(jī)，在現(xiàn)代技術(shù)支持下，相應(yīng)完善了環(huán)保政策，因此發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)又以三缸為主。汽車廠家經(jīng)過多年技術(shù)研發(fā)，相應(yīng)提升了發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的成熟度，環(huán)境保護(hù)意識(shí)持續(xù)加強(qiáng)，因此節(jié)能減排將會(huì)成為汽車廠家的重要考驗(yàn)。與新能源汽車、減重化汽車、小排放汽車車型相比，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)時(shí)間短，成本低廉，排量小，耗油低等優(yōu)勢(shì)。所以，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展過程中，相應(yīng)加強(qiáng)市場(chǎng)認(rèn)可度。在純電動(dòng)時(shí)代到來之前，將成為內(nèi)燃機(jī)主流發(fā)展。

3? 三缸發(fā)動(dòng)機(jī)未來發(fā)展展望

由于受到技術(shù)缺陷影響，早期三缸發(fā)動(dòng)機(jī)普及率不足。早期三缸發(fā)動(dòng)機(jī)，主要應(yīng)用雙腔化油器、平衡油、水冷技術(shù)，可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，整體質(zhì)量輕巧。然而，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足，運(yùn)行噪聲大，存在明顯抖動(dòng)問題。小排量微型車多應(yīng)用三缸發(fā)動(dòng)機(jī)，因此消費(fèi)者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的認(rèn)識(shí)不到位。

在長(zhǎng)期技術(shù)研發(fā)中，顯著加強(qiáng)三缸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平，且改進(jìn)部分優(yōu)勢(shì)。例如某款1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)，配置低慣量渦輪增壓器、雙質(zhì)量飛輪，雙節(jié)溫器等技術(shù)，電力指數(shù)明顯高于自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，明顯改善噪音與振動(dòng)問題。上述技術(shù)被廣泛應(yīng)用到小排量渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上。圖1為新舊三缸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)改進(jìn)圖示。

在現(xiàn)代研究中，將三缸發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)混動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)混合在一起。聯(lián)合雙系統(tǒng)技術(shù)后，可以提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，在最佳經(jīng)濟(jì)條件下，通過米勒循環(huán)方式，使油液消耗降低。電機(jī)能夠彌補(bǔ)油耗所致性能下降問題。在我國(guó)車企中，混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)屬于重點(diǎn)研發(fā)對(duì)象。

三缸發(fā)動(dòng)機(jī)具備改進(jìn)空間，在突破技術(shù)限制之后，可以加快發(fā)展。第一，噪音與振動(dòng)問題：相比于六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)一階、二階慣性力矩不平衡，雖然車企通過各項(xiàng)技術(shù)緩解發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)問題，然而慣性力矩不平衡問題突出，無法徹底消除。例如寶馬1系，由于發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)所致噪音明顯，和四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的差距較大。第二，耐用性與壽命：三缸發(fā)動(dòng)機(jī)無法實(shí)現(xiàn)力矩平衡，曲軸活塞部件、曲軸磨損比較大。相比于四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命比較短。第三，油門響應(yīng)差：三缸發(fā)動(dòng)機(jī)為了滿足動(dòng)力輸出效果，需要安裝高質(zhì)量飛輪，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪的難度較大，油門響應(yīng)不積極。由于三缸發(fā)動(dòng)機(jī)排量小，在加速處理時(shí)，會(huì)出現(xiàn)車輛動(dòng)力響應(yīng)緩慢問題。第四，高轉(zhuǎn)速動(dòng)力衰減快：因受到先天結(jié)構(gòu)不平衡影響，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速表現(xiàn)不理想，功率曲線比較快，且衰減速度快。發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家注重處理發(fā)送機(jī)噪音與抖動(dòng)問題，避免發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)不良表現(xiàn)，同時(shí)延長(zhǎng)三缸發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命，提升精細(xì)度，在技術(shù)處理期間，應(yīng)用高性能材料、輕量化材料，使整體重量降低，避免出現(xiàn)不平衡梁。此外，注重優(yōu)化整車架構(gòu)，編制最佳方案。

4? 結(jié)束語

綜上所述，節(jié)能減排成為時(shí)代發(fā)展主題，汽車行業(yè)作為高能耗產(chǎn)業(yè)，必須高度重視節(jié)能減排相關(guān)問題。汽車燃油為重點(diǎn)能耗部位，因此注重發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化改造，有助于降低汽車能源消耗，避免造成環(huán)境污染。推廣應(yīng)用三缸發(fā)動(dòng)機(jī)，可以凸顯出汽車節(jié)能減排技術(shù)，推廣新能源電動(dòng)汽車、汽車輕量化、提升發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，可以提升節(jié)能減排技術(shù)水平。在技術(shù)應(yīng)用期間，深入分析三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)與不足，確保其可以為汽車節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)，深入踐行可持續(xù)發(fā)展理念。

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