技术解读 | 为何三缸难成主流？

市场给我们的选择范围正在逐渐缩小，很多时候，我只能试着选择我最能容忍的。

买车是一件非常痛苦的事情，通常从外观、性能、技术，甚至品牌的吸引力开始，但往往以一个微妙的点结束，比如滑雪爱好者决定放弃不能折叠在后座的全新宝马3系，等等。减少配置已经够令人不寒而栗的了，而改变电力系统可能是说服的真正工具。

出于环保考虑，历史已经抛弃了V6，进入了L4时代。近年来，随着全球排放标准越来越严格，禁止四缸发动机的决定再次引发了人们对三缸发动机还是纯电动发动机的讨论。

我知道目前的三缸技术发展得很好，有些发动机甚至比四缸发动机性能更好，但我就是过不了自己的关，“一位即将换车但坚决抵制三缸发动机的朋友说。这种声音也不例外。在广汽最近围绕三缸发动机进行的一项调查中，近60%的参与者表示，三缸车不会是他们购车的首选。

但与此同时，参与者也意识到，这一结果最终需要留给市场决策。目前，国内三缸发动机市场呈现两极分化的趋势。一方面，主要发动机制造商迫切希望通过向市场交付三缸发动机产品来满足全球环境趋势，而另一方面，消费者对“老虎”的消息感到苍白。

抖动和噪音是三缸发动机永远无法避免的话题。即使是通用汽车、宝马、本田、吉利等逐渐被市场接受的品牌，甚至其中一些品牌已经连续多次获得沃德全球十大发动机，市场舆论和一些消费者仍然坚持保持刻板印象。

既然涉及到刻板印象，它们到底来自哪里？

说到三缸发动机，我们总是推出1979年推出的第一台Alto，但今天我们可能需要用20世纪80年代的夏利来取代它。也许更直接地说，它是大发1977年使用的CB系列发动机。

1.0L三缸发动机、单顶置凸轮轴、双气门、9.5:1的压缩比等技术在当时并没有向后看，但它们出乎意料地堆积在一起，这奠定了国人对三缸发动机“太吵”、“太抖”、“无聊”的最初印象。

不要想太多，“能量不足”自然源于发动机排量的不足。毕竟，TJ376发动机的排量只有0.993L。为了实现更低的排放，三缸发动机的排量仍然保持小排量设计，大多在1.0L-1.5L之间。

但为了实现类似四缸发动机的动力性能，同时不具有高油耗和符合排放标准，需要建立一堆新技术，这些技术往往在技术水平上领先于三缸发动机，并经常获得各种国际奖项。这包括：

侧装式多点直喷可实现较高的辊流效果和较好的燃烧效果；

可变气门升程，低速控制气门开度，合理控制扭矩；

可变正时系统，可更有效地控制进气和排气；

电控汽轮机泄压阀，精确控制增压速度和泄压速度；

阿特金森循环以减少燃料消耗；

……

在各种技术的积累下，目前的三缸发动机具有与相同排量相同甚至更高的动力性能，但相应地，成本也有所增加。

由于“能量不足”的技术解决方案已经很多，问题的关键仍然集中在振动引起的噪音、振动和粗糙度上，尤其是在怠速和低启动速度下，这会影响车辆的舒适性。而这个问题也来自于三缸发动机本身结构上的“缺陷”。

众所周知，汽车中常用的四冲程发动机工作循环包括进气、压缩、动力和排气，它们形成了一个完整的四冲程循环，也称为奥托循环。每完成一个工作循环，连接连杆的曲轴就会旋转两圈，即720度。

对于四缸发动机来说，无论气缸是按1-2-4-3还是1-3-4-2的顺序点火，曲轴每旋转180度就有一个气缸做功，这确保了连续平稳的动力输出。就动力输出的连续性和对称性而言，四缸是满足条件的最低配置。如果气缸数量进一步减少，就无法保证每个完整冲程中至少有一个活塞在工作，从而导致功率输出和活塞对称性出现“间隙”。

因此，从理论上讲，三缸发动机的结构本身在动力连续性和抖振特性方面存在不足。无论点火顺序如何，当曲轴旋转720度时，只有三个气缸在工作，每个气缸被分配240度。这意味着，曲轴每旋转180度，在前一个气缸到达下止点工作后，仍需要等待曲轴再旋转60度，下一个气缸才能在上止点继续工作，从而产生功率间隙期。

活塞部件和连杆在气缸内来回移动，曲轴转动，产生往复惯性力和转动惯性力。然而，由于三缸发动机的结构特点，其转动惯性力是平衡的，但扭矩、一阶和二阶往复惯性扭矩并不平衡。如果这两者不能抵消，就会发生周期性的抖动，这种抖动会传递到支撑上，导致身体抖动。

真的没有解决方案吗？

识别、分析和解决问题是每个研发人员的基本技能。三缸发动机已经开发了几十年，并且已经有不止一种振动解决方案。然而，目前最常见的解决方案仍然是通过在曲轴上添加平衡块来解决旋转惯性扭矩不平衡的问题，并通过平衡轴来平衡往复惯性扭矩。

这通常说起来很容易，但实施起来却变得更加困难。

理论上，三缸发动机的不平衡扭矩可以使用四个轴来完全平衡，这意味着除了给曲轴增加一个平衡块外，还需要增加两个平衡轴来形成一套双轴平衡装置，以平衡一阶往复惯性扭矩。如果你想重新平衡二阶惯性矩，你需要再增加一套双轴平衡装置，但很明显，三缸发动机结构不允许这种“神操作”。因此，市场上绝大多数三缸发动机都使用半平衡方法来抵消一些惯性扭矩，并在一定程度上降低发动机振动。

因此，为了进一步解决发动机振动问题，主要汽车公司必须寻求替代解决方案，如PSA

大惯性曲轴皮带轮、解耦平衡轴齿轮，以及在1.2THP中使用的平衡轴从动齿轮上添加解耦橡胶圈。

然而，也有人坚持不增加平衡轴，尤其是福特作为一个例子。所采用的策略是改进发动机悬架系统的设计，利用发动机的飞轮和前皮带轮来消除振动能量并实现平衡。最直接的方法是将发动机飞轮设计为偏心飞轮，从而避免设计专门的平衡轴……

，这简化了发动机结构并降低了内部能耗。

截至目前，市场上仍然没有针对三缸发动机振动问题的全面解决方案，它们只能实现无限接近。随着三缸发动机使用时间的推移，后期的不平衡现象会越来越明显，发动机的使用寿命可能会受到影响。

既然它不能完全解决，那么三缸发动机的意义何在？

如前所述，这是市场的选择。但除了政策指导之外，三缸发动机真的没有意义吗？

当然不是！

恰恰相反，它有很多优点。

首当其冲的自然是体积和质量的优化。从字面上讲，与相同排量的四缸发动机相比，三缸发动机具有固有的优势。通过去掉一个气缸，排量更小、重量更轻，可以更好地布局发动机舱空间，为优化车内乘客空间提供便利；同时，轻量化设计也将赋予前置发动机车型更好的轴载分配，提高车辆的操控性能。

其次，它还可以减少机械摩擦。在取消一组气门、气门弹簧和其他气门分配机构后，三缸发动机中的活塞、连杆以及曲轴、凸轮轴等的数量也将相应地简化，这可以在一定程度上减少整体机械摩擦，间接提高发动机的热效率。

最后也是最关键的一点是缓解涡轮机的滞后。

在当前小排量时代，涡轮增压已经成为一种趋势，但随之而来的是涡轮迟滞问题。前文介绍了四冲程汽油机的工作原理。一般来说，在四冲程过程中，进气、压缩、操作和排气各占冲程的1/4。然而，为了达到更好的“空气交换”效果，排气门和进气门通常提前打开，随后关闭。这使得气流的惯性在气缸空气交换过程中形成“扫气”效应。通常，没有VVT的发动机的排气门会提前48度打开，晚20度关闭。正是这样，四缸发动机的排气过程会导致两个气缸重叠。如果排气系统操作不当，将出现严重的排气干扰问题，影响排气效果并降低发动机的热效率。

过去，自然吸气发动机通常使用专门设计的等长排气管来解决这个问题。然而，在涡轮时代，为了减少涡轮延迟，设计过程中也试图尽可能缩短排气门与涡轮之间的距离，这与等长排气管的复杂设计相冲突。因此，四缸涡轮发动机或多或少受到排气干扰问题的影响，这削弱了排气气流驱动涡轮旋转的动力。

然而，这个问题已经在三缸发动机中得到了有效的解决。如前所述，三缸发动机每240度点火一次，这也导致每次操作后需要旋转60度才能进行第二次爆炸和排气。巧合的是，排气门的提前打开和延迟关闭的组合角度正好是68度，两者之间的差异可以忽略不计。因此，三缸发动机中的涡轮迟滞问题也比相同排量的四缸发动机稍微温和一些。

此外，与相同排量的四缸发动机相比，三缸发动机的缸径和冲程往往更大，例如宝马1.5T三缸发动机与2.0T四缸发动机的缸径和冲程一致；像大众EA211

1.2T三缸发动机的气缸直径与1.4T四缸发动机相同，冲程甚至比后者更长。这直接导致了这样一个事实，即三缸发动机在低速范围内容易获得更高的扭矩，再加上较小的涡轮滞后，通常会产生更好的低扭矩性能。

三缸发动机会成为未来的主流吗？

也许这仍然很难。

尽管在欧洲市场，三缸发动机已成为主流选择，并具有应用覆盖范围广、市场渗透率高的特点，但三缸发动机的市场份额已增至15%；

尽管国内市场上已经出现了一些性能良好的三缸发动机车型；

尽管面临着国庆六日的压力；

……

其中，消费者不购买或只占一小部分，真正的关键仍然在于汽车行业领先公司的技术指导。

新能源在中国汽车市场的主导地位已不再是新闻。多年来，政策支持创造了数百万的市场，甚至逐渐影响了国际主流车企的新能源进程。与此同时，双积分政策的实施也迫使车企加快在该领域的布局。

盖世汽车研究院认为，距离汽车全面电动化的到来还有很长的过渡期，这一时期将是数百所技术学校如火如荼的时期。插电式混合动力、燃料电池、48V微型混合动力、油电混合动力，甚至三缸发动机都可能成为主流。然而，到目前为止，与普及三缸发动机的热情相比，更多主流车企仍然专注于为新能源产品奠定基础。

但三缸发动机的其他突破，例如将其与电动机结合形成插电式混合动力，也不排除。这样，可以在怠速和启动时使用电机以高扭矩驱动车辆，避免三缸发动机运行引起的抖动；更小的体积可以更好地分配发动机舱空间；与相同排量的四缸发动机相比，三缸发动机重量更轻，在纯电动模式下也可以降低能耗；最关键的是，当扭矩达到2000-4000转/分时，三缸发动机可以充分利用其高旋转效率来驱动车辆，从而降低车辆功耗。

谁知道未来？也许未来会有新兴技术能够克服能源、技术、成本和基础设施等多重挑战，从而取代所有现有的技术流派，统一世界。

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