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技術解讀│三缸與四缸發動機差距在哪?

技術解讀│三缸與四缸發動機差距在哪?

最近幾年,各大車廠陸續推出了新一代的小排量三缸增壓發動機,排量集中在1.0L~1.5L區間,其初衷是以更小的燃油消耗量獲和更優秀的廢氣排放表現獲得過去1.6L~2.4L等級的四缸引擎才能達到的動力輸出水準。這一代的小排量三缸增壓引擎的油耗表現確實讓人心服口服,實際動力表現也足以讓人忘記發動機的具體排量。

小排量三缸發動機不再是A00級的廉價輕型車的專屬配置,一些售價達到20~30W的車型也開始搭載三缸引擎,讓人感慨時代變化之快。但,內燃機的構造已經幾十年沒有大的變化,新一代的三缸增壓發動機也依然沒能擺脫傳統三缸引擎運轉特性和振動特性,三缸引擎歷來就是廉價的代名詞,當中高價位的車型也開始搭載象徵著「低端」的三缸機,這顯然讓人無法接受。關於三缸發動機和四缸發動機差距的爭論從來沒有停止過,CarTech車技來談談這個時下熱門的話題。

以福特福克斯為例,其搭載的1.6L自然吸氣四缸引擎,峰值功率92kw(125ps),最大扭矩159N.m,在VVT的幫助下,扭矩平台很平坦,2000轉即可輸出最大扭矩的90%,功率輸出則一直延續到6500rpm都毫不懈怠,一路上揚。這算是一台兼顧日常使用,偶爾激烈駕駛也不覺乏力的現代1.6L自吸引擎。

福特福克斯搭載的1.0T三缸增壓引擎,在測試台上跑出了127.7ps的最大功率,峰值扭矩則達到了約167N.m(124b-ft),扭矩功率雙雙超越了1.6L自吸引擎,所以不用擔心1.0T動力不足的問題。細看1.0T外特性曲線,大約從2200rpm左右上到扭矩平台,一直持續到5500rpm開始衰減,最大功率點出現在5700rpm左右,到6000轉以上開始嚴重下滑,也就是我們常說的後段乏力。

把四衝程引擎設計成四缸是很聰明的做法,這樣可以保證一個奧拓循環,曲軸旋轉720度的過程中,四個汽缸就像接力賽一樣,一個缸緊接著一個缸做功,動力輸出連貫順暢,所以L4引擎成為了最常見的動力。而如果氣缸數量低於四個,就無法保證每一個完整的衝程(曲軸旋轉180度)都有一個活塞在全程做功,這樣就會出現動力輸出的空檔期,因此四缸是保證引擎動力輸出連貫的最低缸數要求。

我們再來看四衝程三缸引擎,其點火順序一般為1-3-2或1-2-3,同樣曲軸旋轉720度一個吸壓爆排衝程,卻只能有三個汽缸做功,每個氣缸做功同樣曲軸旋轉180度,這樣就出現了動力的空檔期,前一個汽缸到達下止點做功結束,需要等待曲軸再旋轉60度,後面一個汽缸才能走到上止點繼續做功。因此,三缸引擎的出力就是斷續式的,節奏就像出力1秒,斷續0.5秒,再出力1秒,又停頓0.5秒。

【三缸增壓引擎開始流行】

如此看來,好像三缸引擎比較四缸引擎,完全是一無是處?為什麼如今大部分主流車廠都投入精力去搞不討人喜歡的三缸增壓引擎?難道去搞小排量四缸增壓引擎不是更完美的選擇?非也!每一種結構的引擎都有其存在的意義,車技君先說說三缸引擎相對四缸引擎的優勢:

1.相比同排量四缸發動機更小的渦輪遲滯

小排量引擎,在目前渦輪增壓的潮流下,最急需解決的就是渦輪遲滯問題了。為什麼三缸增壓引擎會比四缸增壓引擎有更小的渦輪遲滯現象呢?

來看看四衝程汽油發動機的進排氣門配氣角分配就明白了,雖然四個衝程進氣-壓縮-工作-排氣各佔據了1/4的行程,但進排氣閥門的打開關閉時機卻並不是正對進氣排氣衝程介紹開始的時機的,為了達到更好的「換氣」效果,通常排氣閥門和進氣閥門會提前打開,延遲關閉,這樣在汽缸換氣時就可以利用氣流的慣性形成「掃氣」效應。通常不帶VVT的發動機排氣閥門會提前48度打開,延遲20度關閉。

正因為排氣門的提前打開和延遲關閉,四缸發動機的排氣過程就會出現兩個汽缸的重疊現象,如果排氣系統做不好,就會出現嚴重的排氣干涉問題(灰色部分),影響排氣效果從而降低了發動機熱效率。過去自吸引擎還可以用特別設計的等長排氣管來解決這個問題,比如4-2-1形式的排氣系統,但進入渦輪時代之後,為了儘可能縮短排氣閥門和渦輪之間的距離,降低渦輪遲滯現象,設計複雜的等長排氣系統變得不太現實,所以四缸渦輪發動機或多或少都會被排氣干涉問題影響,削弱了排氣氣流吹動渦輪旋轉的力量,如果是小排量四缸機,即使匹配輕量現代低慣量渦輪也有明顯的渦輪遲滯問題。

而三缸發動機則巧妙的躲過了排氣干涉問題,前文中提到三缸發動機每180度會有一次爆燃和排氣繼續旋轉60度才有第二次爆燃和排氣,而通常排氣門的提前打開和延遲關閉角加起來也正好是60多度(提前48度+延後20度),這樣整個有排氣效果的曲軸旋轉過程就變成了180度+48度+20度,約248度,而一個奧拓循環是720度,這樣排氣干涉就變得很小可以忽略了,因此三缸發動機的排氣脈衝正好是連續的,一個脈衝緊接著一個脈衝,如果這樣的脈衝氣流撞上了渦輪的葉片,顯然會形成對渦輪的持續加速效果,這樣渦輪遲滯問題就會比同排量的四缸發動機輕微一些。

正因為三缸引擎不存在排氣干涉,容易推動渦輪旋轉的特性,所以過去寶馬將N55 3.0T 單渦輪引擎的排氣管做成了雙蝸管形式,每三個汽缸一組,力求降低渦輪遲滯現象。所以採用單渦輪的N55低轉速扭矩表現並不遜色於雙渦輪的N54。

2. 相比同排量四缸引擎更好的低轉速扭矩

小排量引擎最薄弱的就是低轉速的扭矩表現,如果低扭太弱,車子起步爬坡都非常費力,開過QQ的都知道大夏天開著空調爬坡起步是個什麼體驗,心有餘而力不足。

這就解釋了寶馬會給排量1170cc的R1200GS配上一台經典的水平對置雙缸引擎,以獲取充沛的低速扭矩輸出,這對於需要低扭的拉力車實在是再合適不過了。因為單杠容積達到585cc的水平雙缸引擎,雖然會出現動力不連貫的問題,但同樣轉速下其扭矩輸出能力已經接近排量大很多的四缸引擎,因為其單缸容積(缸徑101mm,衝程73mm)已經媲美2.3L四缸引擎。

而以超過300km/h極速而聞名的鈴木隼則匹配一台1300cc高轉速四缸引擎,以求高轉速下的峰值高功率輸出,這是同排量雙缸發動機比如R1200GS所望塵莫及的。

從上面這個例子可以看出同排量引擎缸數越少,低扭越充沛,這正是小排量引擎所看重的。每個汽缸的容積就越大,缸徑和衝程也會更大,也就意味著低轉速扭矩越大,配合三缸增壓發動機更小的渦輪遲滯現象,同排量的三缸增壓引擎的低扭表現會比四缸增壓引擎出色一些。

【EA211 1.2TSI已經裝載到斯柯達yeti這樣的SUV車型】

比如寶馬1.5T三缸的缸徑衝程跟2.0T四缸機一致。又比如大眾EA211 1.2T三缸機的缸徑與EA211 1.4T四缸機相同,同為76.5mm,而影響扭力表現的衝程卻反而比排量EA211 1.4T的75.6mm更長,達到了86.9mm,因此少一個缸的大眾1.2TSI三缸機實際開起來中低速的動力並不覺得比1.4TSI差那麼多。

3. 更少的機械摩擦

這一點很好理解,三缸機結構簡單,機械摩擦面也變得更少,三缸機比四缸機少了一套活塞連桿,少了4隻進氣排氣閥門的開啟關閉機構,曲軸和凸輪軸也變短了,這些組件都是發動機摩擦損耗的大頭。機械摩擦損失變少,變相提升了發動機熱效率。

4. 更好的MEP

這一條對小排量三缸引擎適用,比如1.2L三缸引擎和1.2L四缸引擎的比較。MEP即Mean effective pressure,在教科書中標示mep,中文翻譯成平均有效壓力,即摺合到每單位氣缸工作容積的,每工作循環中的有效功,用單位活塞面積上假設不變的壓力來表示。

用公式表示即為:

mep= w/(V1-V2) = J· Q2-3·η/(V1-V2) = J·pa·eV(F·Qc·η)= {J· Q2-3·(p1·m/MRT1)/(1-(1/r))} ·η

式中:

mep. —— Mean Effective Pressure. 平均有效壓力

W—— work of the cycle 循環功

( V1-V2) —— piston displacement volume活塞排量

J—— Joule』s law coefficient 熱功當量

Q2-3—— Heat which flows into the cycle 循環熱量

η —— efficiency of the cycle循環效率

pa—— density of sir at inlet valve 進氣門處的空氣密度

eV—— measured or actual efficiency 測得的或實際的容積效率

F —— fuel-air ratio 燃油-空氣比

Qc—— heat of combustion per unit mass of fuel單位燃油質量的熱值

p1—— pressure at inlet end 進氣終點壓力

m——molecular weight of gas氣體分子量

M—— mass of gas 氣體質量

R—— universal gas constant 通用氣體常數

T1—— absolute temperature at inlet end 進氣終點絕對溫度

可見影響MEP的因素很多,根據前人的經驗,當單缸工作容積過大或過小,MEP都會下降,而當單缸容積在500cc左右時,比如缸徑接近86mm,衝程接近86mm時,自然吸氣四衝程發動機的汽缸的平均有效壓力趨於理想,發動機能夠以相對高效的工作效率進行工作。而由於渦輪增壓發動機pa 進氣門處的空氣密度增加,以小排量增壓壓力常在1.2~1.5bar計算,單缸333cc~420cc應該是最佳的單缸容積,所以1.0T的福特三缸機和1.2T的大眾三缸機,甚至1.5T的寶馬三缸機都是趨於最佳MEP的設計,取決於他們的設計增壓值。

所以我們通常認為自然吸氣排量2000cc左右的4缸四衝程發動機是比較理想的設計,排量3000cc左右採用6缸設定會比較理想,4000cc左右採用8缸比較理想。所以許多經典銘機都遵循了最好MEP原則,比如K20A,N52B30等等,而目前增壓時代到來,相信更多的優秀增壓引擎會出現在1.0-1.2T三缸增壓機,1.5-1.8T的四缸增壓機之中。

5. 更輕質量更小體積

同排量三缸引擎比四缸引擎重量更輕,體積更小,這個就不用再多說了。

發動機的輕量化和小巧化也符合車輛輕量化趨勢,也會帶給前置引擎小型車更好的軸荷分佈,帶來更好的操控。

6. 更低油耗

同排量發動機,缸數越少,功率輸出越少。相同轉速下,其單位時間內吸進的空氣體積就越少,噴油量也變少,油耗自然變低。玩摩托的都知道600cc的單缸機和600cc的四缸機實際的油耗差距會有多大。

正是以上優勢,讓三缸引擎在渦輪增壓時代受到了車廠的重視,大有一統小排量增壓引擎江湖的趨勢。當然,任何事物從來都是兩面性的,三缸引擎也有大把缺點,這些缺點也很致命:

1.動力連貫性

這一點在前文中已經闡述,不再重複。六缸以上的發動機動力輸出可以用精緻,緻密來形容,四缸機的動力輸出尚且可以用平順安靜來形容,那麼三缸機就顯得粗糙了,聲音也不小,放在小車上尚且可以接受,放在有品質追求的中型車上就有點唐突了,不匹配。

2.振動,噪音

【配備偏心飛輪的福特ecoboost 1.0T】

三缸發動機缸數為奇數,但其一階二階旋轉慣性力和往複力其實是平衡的,但慣性力又會產生相應的力矩,其力矩並不能做到平衡,所以三缸機的一階二階慣性力矩皆不平衡,這就奇數缸引擎振動的來源。

旋轉慣性力矩可以通過配重來消除,這個很容易做到。

一階二階慣性力據的平衡難度很大,三缸機即使增加一條反向平衡軸,針對曲軸做配重優化,也只能抵消掉一階慣性力矩,抵消了一部分抖動,但無法做到二階慣性力矩動平衡。如果要平衡二階力矩,理論上三缸機還需要增加兩條平衡軸才行,那樣體積和四缸機相比都沒有優勢。各大車廠為了讓三缸機不那麼抖,也是想盡了各種方法,偏心質量飛輪,質量慣性曲軸皮帶輪,去耦式平衡軸齒輪,在平衡軸從動齒輪上增加去耦橡膠圈。。。。

但這些方式都無法根治三缸機慣性力矩不平衡的先天缺陷,所以三缸機的振動在高轉速情況下尤其明顯。這也是奇數汽缸引擎普遍存在的問題,即使是缸數更多的五缸機都沒辦法解決,三缸機面對這樣超出能力範圍的要求只能一聲嘆息。

3. 壽命,耐用性

由於三缸引擎的曲軸和連桿活塞部件受力無法真正做到離心力的平衡,這樣會造成固定曲軸的軸瓦部位的加速磨損,比起四缸機理論壽命相對更低。但一台設計良好,保養得當的三缸引擎,其壽命和耐用性也足夠讓人滿意,比如90年代在重慶充當計程車角色的鈴木奧拓,許多車在報廢前都跑到了80w公里以上的里程,發動機也不需要更換曲軸軸承。

4.峰值功率,升功率,高轉速動力衰減

三缸發動機的高轉速性能普遍較四缸引擎差,相比同排量四缸引擎,由於先天結構的不平衡,在高轉速區域的表現不佳,最大功率不好看,功率曲線相比四缸引擎更快更早就開始衰減。在增壓時代,功率低這一問題不再顯得突出了,但小排量渦輪增壓的扭矩平台窄,動力衰減快的特性,是無法避免的。

5. 油門響應

三缸發動機為了達成接近四缸發動機的動力輸出連貫性,不得不匹配一個更大質量的飛輪,這樣引擎的運轉慣性就變得更大,轉速變化變得遲鈍,給人感覺就是油門響應不積極,這對於手動檔車型的駕駛體驗尤為重要。所以三缸引擎更適合匹配轉速變化平穩的CVT變速器,比如日產用HR12DDR 1.2T三缸機配合CVT變速器,配合輕量車身,得到一台省油好開的代步車。

寫在最後:

三缸引擎的弊端並不能靠增壓系統來彌補,雖然動力變得更強大,但上古時代的三缸引擎存在的機械特性和缺點如今的現代三缸增壓引擎依然存在。可以預見,當電動渦輪技術真正普及,小排量四缸電動增壓引擎將會重新取代三缸增壓引擎,因為那會帶來更好的質感和體驗,是小排量增壓引擎的終極方案。

小排量三缸增壓引擎作為現階段小型廉價車型的理想引擎是合適的,前提是價格夠低。因為這些用戶對於雜訊振動平順性並沒有太高的要求,只要價格便宜用車成本經濟即可。如果消費者花了很高的代價去購買一台小排量三缸增壓引擎的汽車,卻沒有享受到這個價位和級別的汽車應該有的質感和行駛品質,當然會大失所望,因為這不是技術革新,而是退步。

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