三缸发动机在汽车节能减排技术的研究

李明星

摘要：在近期发展中，为了深入践行绿色、节能发展理念，汽车研发开始关注燃油经济性能。小排量增压三缸发动机，在燃油经济性、体积质量、排放等方面具备优势。新型三缸发动机，多应用到中低级别轿车中。在本文研究中，围绕汽车节能减排技术展开讨论，重点分析三缸发动机相关问题，仅供参考。

关键词：三缸发动机;节能减排技术;新能源汽车;技术约束

中图分类号：U472.43                                      文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）11-0223-02

0  引言

随着汽车保有量的持续增加，相应增加了碳排放量。温室气体是导致全球变暖的重要因素，并且成为温室气体的源头。国内经济快速发展，石油成为重要资源，因此能源供需矛盾日益突出。汽车工艺发展速度加快，相应增加了销售总量。所以在未来发展中，将会出现严峻的能源紧张问题。汽车发动机性能，对汽车二氧化碳排放量影响较大，所以最大限度控制碳排放，将成为节能减排的重点。因此，汽车发动机功能，已经成为节能减排重点。汽车逐渐成为生活必需品，汽车产业发展必须满足社会发展需求。关于新能源汽车产业政策，明確规划了汽车节能标准，因此在未来发展中，发动机智能化、小型化，将成为汽车市场趋势。基于汽车产品能源结构可知，中国市场发动机将会持续小型化，且尾气危害气体排放量减少。深入研究和开发节能减排技术，关注发动机节能减排功能，建立节能减排技术体系，推广高效性发动机制造技术，全面促进技术交流与合作。

1  汽车节能减排措施

1.1 新能源电动汽车

为了应对环境污染、能源紧张问题，各地区发布环境保护法律，促使汽车厂降低燃油能耗。在汽车业未来发展中，节能环保将属于重要选择。注重汽车轻量化、新能源化发展，可以实现节能减排效果。在节能减排环境下，发动机小型化趋于主流发展，活跃度非常高。新能源电动汽车，结合电、化、机等领域，属于综合性研发产物。基于环保角度分析，电动汽车污染影响非常小。通过电动汽车，可以弥补原始燃油车环境污染、能源消耗等不足，可行性较强。然而，电动汽车发展进程中，所面临的问题隐患比较多，例如充电桩设施，现有普及率比较低。多数企业未选择此种方案，多是由于汽车研发周期、成本比较高。

1.2 汽车轻量化

一般来说，车辆重量越大，则燃油消耗量越高。按照相关研究显示，车辆重量下降10%，燃油消耗降低8%。乘用车平均燃油消耗为5.8L/100km，因此还需减轻汽车重量，才可以满足汽车排放要求。按照工信部数据显示，乘用车平均重量为1445kg，因此车辆需要减重152kg/辆，才可以满足排放标准。对于汽车制造业来说，每减重30kg，制造成本增加320元，反推价重比为10元/kg。例如，2019年，某款汽车的销售额为1172万辆，当通过减轻车重，使排放量降低，则汽车生产成本增加17亿元。在上世纪，我国要求加强汽车安全性，因此汽车重量持续增加。在当前发展中，平衡汽车轻量化、安全性、成本矛盾，成为市场竞争重点。汽车轻量化并非减少材料，也不是全面推广铝材，而是要优化整车结构。利用汽车轻量化，可以实现节能减排效果，技术攻坚难度大。

1.3 提升发动机技术

提升发动机技术水平，会直接影响发动机动力性与经济性。现阶段，注重发动机技术提升，可以应用可变气门正时技术、分层燃烧技术、燃油缸内直喷技术、涡轮增压技术。在汽车市场上，需要应用涡轮增压技术，三缸涡轮增压发动机性能，明显高于四缸发动机。然而需要注意的是，涡轮增压技术必须处理好涡轮迟滞问题。三缸发动机工作特性，可以避免涡轮迟滞影响。由于三缸发动机排气脉冲具备连续性特点，因此不会产生迟缓滞后、排气干涉等问题。对于发动机性能，当排放量相同时，缸数量越低，则气缸容积越高;当缸径和冲程尺寸越大，则低转速扭矩越大。

对于发动机功率，三缸发动机升功率越高，则摩擦损失小，机械摩擦力度低，会明显提升发动机热效率。扭矩、机械，高于自吸发动机参数，并且高于1.8L动力性，即使在大范围内，也可以维护扭矩输出稳定。针对1.2T增压发动机，扭矩为100kW，功率为230N.M。按照官方数据可知，与上一代相比，当转速相同时，1.3T发动机扭矩最高可达230N.M，1.4 T发动机扭矩最高可达206N.M。1.3 T发动机减量化，可以显著提升车辆动力。

2  三缸发动机发展

2.1 三缸发动机缺陷与不足改善

活塞发动机运行特性，三缸发动机采用不同活塞往返运动，以此抵消惯性力矩与振动。三缸发动机运行时，气缸单独做功，此时会产生惯性力矩，并且无法抵消。因此三缸发动机运行时，噪声、抖动情况严重。三缸发动机运行期间，曲柄连杆结构运动，极易产生往返惯性力、周期性旋转惯性力，从而凸显出平衡性问题。现阶段，三缸发动机平衡方案，包含双轴平衡法、过量平衡法、加装平衡法。通过设计与计算方式，可以对三缸发动机抖动问题进行抑制。当前，发动机技术成熟度提升，汽车生产厂家优化三缸发动机不足，相应降低抖动幅度与频率，改善发动机不足。

2.2 三缸发动机优势

在近期发展中，多数汽车厂家应用三缸涡轮增压发动机，例如奥迪、宝马、本田。现阶段，汽车发动机制造，多应用模块化技术，以此实现零部件共享。通过该项技术，可以使三缸发动机制造成本降低。模块化技术采用气缸单元为基础，例如宝马B系列汽车，汽油发动机的大部分零件都可以共享，柴油机、汽油机部件共享高达40%。在前期研发时，应用统一化构架，按照实际需求调整气缸数，修改配套部件，以此完成三缸发动机制造，相应降低额外成本。与其他发动机相比，三缸发动机气缸、路肩少，例如火花塞、气缸套、气门等构件，可以显著降低制造成本。在未来发展中，发动机将会朝着环保化、节能化方向发展，相应凸显出小排放发动机前景，扩大新能源汽车发展潜力。环保要求持续提升，不同汽车厂家注重新技术研发，以此消除三缸发动机不足。

通过上述分析可知，三缸发动机横向尺寸小、质量轻便，不仅可以减轻重量、降低成本，还可以扩大发动机舱布置空间，在混动车型上应用效果显著。同排量发动机缸数减少，相应降低油液消耗。从早期单缸发动机，逐渐发展为12缸发动机，在现代技术支持下，相应完善了环保政策，因此发动机气缸数又以三缸为主。汽车厂家经过多年技术研发，相应提升了发动机制造技术的成熟度，环境保护意识持续加强，因此节能减排将会成为汽车厂家的重要考验。与新能源汽车、减重化汽车、小排放汽车车型相比，三缸发动机研发时间短，成本低廉，排量小，耗油低等优势。所以，三缸发动机技术发展过程中，相应加强市场认可度。在纯电动时代到来之前，将成为内燃机主流发展。

3  三缸发动机未来发展展望

由于受到技术缺陷影响，早期三缸发动机普及率不足。早期三缸发动机，主要应用双腔化油器、平衡油、水冷技术，可以简化结构，整体质量轻巧。然而，三缸发动机动力不足，运行噪声大，存在明显抖动问题。小排量微型车多应用三缸发动机，因此消费者对发动机的认识不到位。

在长期技术研发中，显著加强三缸发动机技术水平，且改进部分优势。例如某款1.0T发动机，配置低惯量涡轮增压器、双质量飞轮，双节温器等技术，电力指数明显高于自然吸气式发动机，明显改善噪音与振动问题。上述技术被广泛应用到小排量涡轮增压发动机上。图1为新旧三缸发动机技术改进图示。

在现代研究中，将三缸发动机、电机混动动力系统混合在一起。联合双系统技术后，可以提升发动机热效率，在最佳经济条件下，通过米勒循环方式，使油液消耗降低。电机能够弥补油耗所致性能下降问题。在我国车企中，混合动力发动机属于重点研发对象。

三缸发动机具备改进空间，在突破技术限制之后，可以加快发展。第一，噪音与振动问题：相比于六缸发动机，三缸发动机一阶、二阶惯性力矩不平衡，虽然车企通过各项技术缓解发动机抖动问题，然而惯性力矩不平衡问题突出，无法彻底消除。例如宝马1系，由于发动机抖动所致噪音明显，和四缸发动机的差距较大。第二，耐用性与寿命：三缸发动机无法实现力矩平衡，曲轴活塞部件、曲轴磨损比较大。相比于四缸发动机，三缸发动机的寿命比较短。第三，油门响应差：三缸发动机为了满足动力输出效果，需要安装高质量飞轮，此时发动机带动飞轮的难度较大，油门响应不积极。由于三缸发动机排量小，在加速处理时，会出现车辆动力响应缓慢问题。第四，高转速动力衰减快：因受到先天结构不平衡影响，三缸发动机高转速表现不理想，功率曲线比较快，且衰减速度快。发动机生产厂家注重处理发送机噪音与抖动问题，避免发动机出现不良表现，同时延长三缸发动机使用寿命，提升精细度，在技术处理期间，应用高性能材料、轻量化材料，使整体重量降低，避免出现不平衡梁。此外，注重优化整车架构，编制最佳方案。

4  結束语

综上所述，节能减排成为时代发展主题，汽车行业作为高能耗产业，必须高度重视节能减排相关问题。汽车燃油为重点能耗部位，因此注重发动机优化改造，有助于降低汽车能源消耗，避免造成环境污染。推广应用三缸发动机，可以凸显出汽车节能减排技术，推广新能源电动汽车、汽车轻量化、提升发动机技术，可以提升节能减排技术水平。在技术应用期间，深入分析三缸发动机的优势与不足，确保其可以为汽车节能减排做出贡献，深入践行可持续发展理念。

参考文献：

[1]赵珂，石代云，柏福明，毛杰.三缸发动机悬置系统性能优化设计[C].中国力学学会产学研工作委员会.第十六届中国CAE工程分析技术年会论文集.中国力学学会产学研工作委员会：中国力学学会产学研工作委员会，2020：112-115.

[2]覃海峰，李露露，穆建华，梅夏.基于LMS Test.Lab的某三缸汽油机增压器油管振动问题优化[J].小型内燃机与车辆技术，2019，48（06）：63-67.

[3]张晋新，高文志.三缸发动机一阶往复惯性力矩平衡率对曲轴扭振与表面振动的影响研究[J].机械科学与技术，2020，39（10）：1477-1482.

[4]金岩，陈景昌，韩鹏，赵涛.缸内直喷增压三缸机整车集成中的振动噪声问题研究[J].噪声与振动控制，2018，38（06）：76-79.

[5]陈强，于教育，陶庆虎，李耀伟.发动机缸体生产线中三坐标柔性夹具的应用[C].河南省汽车工程学会.第十五届河南省汽车工程科技学术研讨会论文集.河南省汽车工程学会：河南省汽车工程学会，2018：242-245.