簡析如何開發(fā)商用車的三缸柴油發(fā)動機(jī)

鄒仕臣　羅富勝

摘 要：當(dāng)前世界汽車制造業(yè)內(nèi)三缸機(jī)的開發(fā)成為一股熱潮，國內(nèi)外的許多汽車公司都對三缸發(fā)動機(jī)有著極大的開發(fā)興趣。與其他款式的發(fā)動機(jī)相比，三缸機(jī)在效率、尺寸以及節(jié)能等方面都具有優(yōu)勢，因此在資源逐漸匱乏的當(dāng)代，開發(fā)配置三缸發(fā)動機(jī)的商用車具有極大的意義。基于此，本文通過分析當(dāng)前發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢，指出開發(fā)商用車三缸機(jī)的重要性與發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：平衡性 三缸機(jī) 節(jié)能環(huán)保

1 簡要分析三缸發(fā)動機(jī)的優(yōu)勢

1.1 分析當(dāng)前發(fā)動機(jī)發(fā)展趨勢

當(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展我國乃至世界都發(fā)生了缺乏能源的問題。因此我國加嚴(yán)了對于排放的法律法規(guī)，汽車制造商同樣也有著社會要求其生產(chǎn)較為環(huán)保的產(chǎn)品的壓力。歐洲國家近年來對于二氧化碳的排放制定了嚴(yán)格的法規(guī)，我國也有著類似的法規(guī)。對于實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，提倡新能源汽車是一個最好的辦法。但是當(dāng)前新能源汽車的發(fā)展路線還不是很明確，還需要大量的人力物力才可以實(shí)現(xiàn)大量生產(chǎn)。因此，在當(dāng)前階段，可以走把發(fā)動機(jī)變得更輕、更小的技術(shù)路線。當(dāng)前世界汽車業(yè)掀起一股小型化的潮流： 排量較大的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)化為排量較小的發(fā)動機(jī)，具體而言就是在設(shè)計(jì)過程中發(fā)動機(jī)漸漸由多缸向低缸的方向發(fā)展。因此在乘用車發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)中，當(dāng)前全球蔚然興起三缸發(fā)動機(jī)，目前，開發(fā)低排且高效的三缸發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)以及現(xiàn)代起亞的三缸發(fā)動機(jī)，并且三缸發(fā)動機(jī)逐漸被業(yè)界認(rèn)同。在這股熱潮的影響下，奇瑞、上汽等這些國內(nèi)汽車制造公司研究了乘用車的三缸發(fā)動機(jī)技術(shù)。對于乘用車來說，三缸發(fā)動機(jī)是能夠影響到輕型商用車生產(chǎn)的全新方向。當(dāng)前通過市場統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)目前輕型商用車的動力來源主要來自輕型柴油機(jī)，較為常見的商用車主要配置有二缸、三缸以及四缸柴油發(fā)動機(jī)，當(dāng)前四缸柴油發(fā)動機(jī)占有當(dāng)前市場百分之九十以上的份額，有著極大的優(yōu)勢。

低速貨車和拖拉機(jī)的動力配置主要來自于二、三缸的柴油發(fā)動機(jī)，其在技術(shù)含量上處于中低配置。同時在當(dāng)前節(jié)能減排以及其他相關(guān)規(guī)定的推動下，對于輕型發(fā)動機(jī)的未來方向，小型化發(fā)展是必然趨勢，汽車公司在技術(shù)含量上應(yīng)提高三缸發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)，有利于汽車公司未來的發(fā)展。在與二缸發(fā)動機(jī)的對比下，三缸發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)是低油耗、低成本、低重量和高效率，三缸發(fā)動機(jī)還采用渦輪處增壓，廢氣循環(huán)利用、提高其燃燒效率等新興技術(shù)手段，在國家規(guī)定的排放和節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)方面，三缸柴油機(jī)可以更容易地達(dá)到要求，不僅能夠滿足節(jié)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(chǔ)上很大概率上會引起三缸發(fā)動機(jī)的熱潮。在當(dāng)前國內(nèi)輕型卡車生產(chǎn)市場中，需求量最大且最具競爭力的動力是2L左右發(fā)動機(jī)，所以在設(shè)計(jì)過程中可以考慮開發(fā)排量在2L左右的輕型柴油三缸機(jī)，進(jìn)而同現(xiàn)有的輕型卡車柴油機(jī)480，485，490等展開競爭，目的是爭取輕型車的市場。基于此，當(dāng)前為占據(jù)先機(jī)就要盡快開發(fā)生產(chǎn)2L左右三缸柴油機(jī)?？梢砸袁F(xiàn)有的四缸機(jī)生產(chǎn)平臺為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上展開研究開發(fā)和生產(chǎn)，降低成本、提高開發(fā)速度、減少開發(fā)時間。該策略是較為方便經(jīng)濟(jì)的可行方法，同時因?yàn)樾庐a(chǎn)品基于現(xiàn)有平臺和市場，可以較快地被用戶接受。

2 三缸機(jī)的優(yōu)勢

與四缸發(fā)動機(jī)相比，三缸機(jī)在各方面都具有很大的優(yōu)勢下面從經(jīng)濟(jì)、熱效率、體積以及環(huán)保四個方面進(jìn)行分析，經(jīng)濟(jì)方面：生產(chǎn)成本較四缸機(jī)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(zhì)量更小，可以為其他設(shè)備提供更多剩余空間;環(huán)保節(jié)能方面：碳排放相對來說較低。三缸直噴柴油機(jī)在熱力學(xué)方面比起四缸機(jī)有更多的優(yōu)勢：第一，三缸機(jī)和四缸機(jī)在同排量條件對比下，三缸機(jī)的缸徑更大，在螺旋氣道的設(shè)計(jì)方面，三缸機(jī)的可塑性更強(qiáng)一點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)表明三缸機(jī)在額渦流比和流量系數(shù)具有更大的優(yōu)勢; 燃燒室空間方面，第二，三缸機(jī)有更大的空間，能夠使油氣混合在汽車發(fā)動機(jī)上實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而保證燃料的充分利用; 第三，在燃燒室容積K系數(shù)方面三缸機(jī)在汽車市場都占有優(yōu)勢地位，其減少了在壁面熱上的損失，降低了燃燒室內(nèi)的面容比例，提高了發(fā)動機(jī)的熱效率。第四，三缸機(jī)的點(diǎn)火間隔為240 度，點(diǎn)火間隔較大，以至于有很好的換氣效果，在進(jìn)氣率方面也較有優(yōu)勢。除此之外，三缸機(jī)適合缸蓋集成的排氣管道，由于三缸機(jī)對于排氣脈沖方面，影響較小，所以在容積設(shè)計(jì)方面，三缸機(jī)的排氣歧管還能做到更小，這樣將會保證氣缸內(nèi)產(chǎn)生的廢氣不會進(jìn)入到其他氣缸，這樣可以減少氣缸之間的距離，發(fā)揮集成式排氣歧管的作用。

3 簡要分析三缸發(fā)動機(jī)的平衡性

結(jié)合工作實(shí)踐，在開發(fā)三缸機(jī)的過程中，平衡問題是重中之重，對其平衡系統(tǒng)的研究與分析是三缸機(jī)發(fā)展的必然趨勢。將三缸機(jī)曲軸的旋轉(zhuǎn)慣性力矩的平衡性進(jìn)行展開分析，為解決其存在不平衡的問題，需要實(shí)現(xiàn)在曲軸處加平衡塊保證曲軸的動平衡，以下是當(dāng)前比較常見的三缸機(jī)曲軸平衡塊的排列方式。

第一種設(shè)計(jì)方案：將兩個平衡塊添加到三缸機(jī)的三個曲拐處，共有六個添加了平衡塊的曲軸。較為經(jīng)典的機(jī)型有大眾的1.2L汽油機(jī)以及夏利的一系列柴油機(jī)例如376汽油機(jī)和柴油機(jī)等（有圖為夏利出租車發(fā)動機(jī)示例）。下面簡要分析這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)與不足，優(yōu)點(diǎn)： 通過采取曲軸全平衡塊這一設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了曲軸的全部轉(zhuǎn)動慣性力矩和內(nèi)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(zhì)量要求也提高了，需要更大的旋轉(zhuǎn)空間，提高其成本。

第二種設(shè)計(jì)方案： 在三缸機(jī)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(jīng)典的是上汽榮威三缸發(fā)動機(jī)（下圖上汽榮威三缸發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)圖示例）。接下來是對這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)與不足的分析。優(yōu)點(diǎn)：其需要將平衡塊在平衡轉(zhuǎn)動慣性力矩上變小，因此發(fā)動機(jī)的平衡塊的質(zhì)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(jī)體空間比較小的發(fā)動機(jī)上使用。不足：在發(fā)動機(jī)的二號曲拐處無法設(shè)計(jì)添加平衡塊，降低其剛性，造成內(nèi)彎矩變大，進(jìn)而減少曲軸的使用壽命。

4 探討三缸機(jī)存在的 NVH 問題

三缸機(jī)在點(diǎn)火過程中點(diǎn)火激勵扭矩增大、頻率減小，不利于振動。同時汽缸數(shù)也會對各轉(zhuǎn)速下的發(fā)動機(jī)點(diǎn)火激勵頻率產(chǎn)生影響，繼而會對汽車的激勵振動頻率產(chǎn)生影響。與四缸發(fā)動機(jī)比起來，汽缸數(shù)的減少會使得振動頻率產(chǎn)生移動，也會使得發(fā)動機(jī)的交變力矩增大，最終導(dǎo)致產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)振動振幅，同時會產(chǎn)生較大的振動感覺。而由三缸機(jī)點(diǎn)火激勵引起的振動，是通過發(fā)動機(jī)的平衡設(shè)計(jì)無法解決的，只能通過采取調(diào)整發(fā)動機(jī)懸置剛度等方法來進(jìn)行完善。

5 簡析商用車中一款三缸柴油機(jī)的設(shè)計(jì)方案

在當(dāng)前生產(chǎn)平臺下，以四缸機(jī)的生產(chǎn)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)三缸機(jī)的研發(fā)并在此基礎(chǔ)上開展研究，最大程度地提高研究開發(fā)速度、降低開發(fā)成本和時間，是當(dāng)前最經(jīng)濟(jì)可行的方法，接下來簡要分析一款柴油機(jī)的設(shè)計(jì)方案。

設(shè)計(jì)方案：在發(fā)動機(jī)3個缸均配置質(zhì)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(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力減弱對應(yīng)缸的產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力。在設(shè)計(jì)過程中，將對應(yīng)的連桿大頭以及平衡塊重心在同一條直線上，如果要實(shí)現(xiàn)曲軸的旋轉(zhuǎn)慣性力矩降低為0，那么就要在單缸的平衡率實(shí)現(xiàn)100%的基礎(chǔ)上，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的動平衡，也使其產(chǎn)生的內(nèi)彎矩趨于平衡，實(shí)現(xiàn)曲軸的可靠和耐久性的特點(diǎn)。

6 結(jié)語

當(dāng)前我國處于高速發(fā)展的階段，但是在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時必須要提高對能源的重視程度。以往不合理的發(fā)動機(jī)配置造成了很大程度的空氣污染與資源浪費(fèi)。而三缸發(fā)動機(jī)具有高效低污染的特效，相信通過對三缸機(jī)的開發(fā)與利用，會推進(jìn)我國汽車產(chǎn)業(yè)向節(jié)能環(huán)保的大方向快速發(fā)展。

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