简析如何开发商用车的三缸柴油发动机

邹仕臣　罗富胜

摘 要：当前世界汽车制造业内三缸机的开发成为一股热潮，国内外的许多汽车公司都对三缸发动机有着极大的开发兴趣。与其他款式的发动机相比，三缸机在效率、尺寸以及节能等方面都具有优势，因此在资源逐渐匮乏的当代，开发配置三缸发动机的商用车具有极大的意义。基于此，本文通过分析当前发动机的发展趋势，指出开发商用车三缸机的重要性与发展方向。

关键词：平衡性 三缸机 节能环保

1 简要分析三缸发动机的优势

1.1 分析当前发动机发展趋势

当前世界经济飞速发展，伴随着经济的发展我国乃至世界都发生了缺乏能源的问题。因此我国加严了对于排放的法律法规，汽车制造商同样也有着社会要求其生产较为环保的产品的压力。欧洲国家近年来对于二氧化碳的排放制定了严格的法规，我国也有着类似的法规。对于实现节能环保，提倡新能源汽车是一个最好的办法。但是当前新能源汽车的发展路线还不是很明确，还需要大量的人力物力才可以实现大量生产。因此，在当前阶段，可以走把发动机变得更轻、更小的技术路线。当前世界汽车业掀起一股小型化的潮流： 排量较大的发动机转化为排量较小的发动机，具体而言就是在设计过程中发动机渐渐由多缸向低缸的方向发展。因此在乘用车发动机产业中，当前全球蔚然兴起三缸发动机，目前，开发低排且高效的三缸发动机被各大汽车公司投入了大量的资金和人力，比较著名的有宝马奔驰的三缸发动机以及现代起亚的三缸发动机，并且三缸发动机逐渐被业界认同。在这股热潮的影响下，奇瑞、上汽等这些国内汽车制造公司研究了乘用车的三缸发动机技术。对于乘用车来说，三缸发动机是能够影响到轻型商用车生产的全新方向。当前通过市场统计，发现目前轻型商用车的动力来源主要来自轻型柴油机，较为常见的商用车主要配置有二缸、三缸以及四缸柴油发动机，当前四缸柴油发动机占有当前市场百分之九十以上的份额，有着极大的优势。

低速货车和拖拉机的动力配置主要来自于二、三缸的柴油发动机，其在技术含量上处于中低配置。同时在当前节能减排以及其他相关规定的推动下，对于轻型发动机的未来方向，小型化发展是必然趋势，汽车公司在技术含量上应提高三缸发动机的生产，有利于汽车公司未来的发展。在与二缸发动机的对比下，三缸发动机的特点是低油耗、低成本、低重量和高效率，三缸发动机还采用涡轮处增压，废气循环利用、提高其燃烧效率等新兴技术手段，在国家规定的排放和节能标准方面，三缸柴油机可以更容易地达到要求，不仅能够满足节能高效的要求，在成本方面也有所降低。轻型商用车市场在这个基础上很大概率上会引起三缸发动机的热潮。在当前国内轻型卡车生产市场中，需求量最大且最具竞争力的动力是2L左右发动机，所以在设计过程中可以考虑开发排量在2L左右的轻型柴油三缸机，进而同现有的轻型卡车柴油机480，485，490等展开竞争，目的是争取轻型车的市场。基于此，当前为占据先机就要尽快开发生产2L左右三缸柴油机。可以以现有的四缸机生产平台为基础，在此基础上展开研究开发和生产，降低成本、提高开发速度、减少开发时间。该策略是较为方便经济的可行方法，同时因为新产品基于现有平台和市场，可以较快地被用户接受。

2 三缸机的优势

与四缸发动机相比，三缸机在各方面都具有很大的优势下面从经济、热效率、体积以及环保四个方面进行分析，经济方面：生产成本较四缸机更低;效率方面：热效率更高，消耗的燃油更少;体积重量方面：尺寸较小且质量更小，可以为其他设备提供更多剩余空间;环保节能方面：碳排放相对来说较低。三缸直喷柴油机在热力学方面比起四缸机有更多的优势：第一，三缸机和四缸机在同排量条件对比下，三缸机的缸径更大，在螺旋气道的设计方面，三缸机的可塑性更强一点，实验表明三缸机在额涡流比和流量系数具有更大的优势; 燃烧室空间方面，第二，三缸机有更大的空间，能够使油气混合在汽车发动机上实现，进而保证燃料的充分利用; 第三，在燃烧室容积K系数方面三缸机在汽车市场都占有优势地位，其减少了在壁面热上的损失，降低了燃烧室内的面容比例，提高了发动机的热效率。第四，三缸机的点火间隔为240 度，点火间隔较大，以至于有很好的换气效果，在进气率方面也较有优势。除此之外，三缸机适合缸盖集成的排气管道，由于三缸机对于排气脉冲方面，影响较小，所以在容积设计方面，三缸机的排气歧管还能做到更小，这样将会保证气缸内产生的废气不会进入到其他气缸，这样可以减少气缸之间的距离，发挥集成式排气歧管的作用。

3 简要分析三缸发动机的平衡性

结合工作实践，在开发三缸机的过程中，平衡问题是重中之重，对其平衡系统的研究与分析是三缸机发展的必然趋势。将三缸机曲轴的旋转惯性力矩的平衡性进行展开分析，为解决其存在不平衡的问题，需要实现在曲轴处加平衡块保证曲轴的动平衡，以下是当前比较常见的三缸机曲轴平衡块的排列方式。

第一种设计方案：将两个平衡块添加到三缸机的三个曲拐处，共有六个添加了平衡块的曲轴。较为经典的机型有大众的1.2L汽油机以及夏利的一系列柴油机例如376汽油机和柴油机等（有图为夏利出租车发动机示例）。下面简要分析这种设计的优点与不足，优点： 通过采取曲轴全平衡块这一设计方案，实现了曲轴的全部转动惯性力矩和内弯矩的平衡，减小了轴颈和轴瓦的磨损概率，延长曲轴的使用寿命。不足：对于曲轴添加平衡块来说，平衡块外径较大，对曲轴的质量要求也提高了，需要更大的旋转空间，提高其成本。

第二种设计方案： 在三缸机的1、3号曲拐处各加2个平衡块，也就是4 平衡块模式的曲轴。比较经典的是上汽荣威三缸发动机（下图上汽荣威三缸发动机设计图示例）。接下来是对这种设计的优点与不足的分析。优点：其需要将平衡块在平衡转动惯性力矩上变小，因此发动机的平衡块的质量中心与曲拐成的角度必须缩小到30度，同时平衡块外径较小，可以将其在连杆比较短，机体空间比较小的发动机上使用。不足：在发动机的二号曲拐处无法设计添加平衡块，降低其刚性，造成内弯矩变大，进而减少曲轴的使用寿命。

4 探讨三缸机存在的 NVH 问题

三缸机在点火过程中点火激励扭矩增大、频率减小，不利于振動。同时汽缸数也会对各转速下的发动机点火激励频率产生影响，继而会对汽车的激励振动频率产生影响。与四缸发动机比起来，汽缸数的减少会使得振动频率产生移动，也会使得发动机的交变力矩增大，最终导致产生较大的扭转振动振幅，同时会产生较大的振动感觉。而由三缸机点火激励引起的振动，是通过发动机的平衡设计无法解决的，只能通过采取调整发动机悬置刚度等方法来进行完善。

5 简析商用车中一款三缸柴油机的设计方案

在当前生产平台下，以四缸机的生产为基础，实现三缸机的研发并在此基础上开展研究，最大程度地提高研究开发速度、降低开发成本和时间，是当前最经济可行的方法，接下来简要分析一款柴油机的设计方案。

设计方案：在发动机3个缸均配置质量形状都相同的平衡块，1个气缸配置2片平衡块，一共配置共6 片平衡块，利用平衡块产生的旋转惯性力减弱对应缸的产生的旋转惯性力。在设计过程中，将对应的连杆大头以及平衡块重心在同一条直线上，如果要实现曲轴的旋转惯性力矩降低为0，那么就要在单缸的平衡率实现100%的基础上，从而实现内部的动平衡，也使其产生的内弯矩趋于平衡，实现曲轴的可靠和耐久性的特点。

6 结语

当前我国处于高速发展的阶段，但是在经济发展的同时必须要提高对能源的重视程度。以往不合理的发动机配置造成了很大程度的空气污染与资源浪费。而三缸发动机具有高效低污染的特效，相信通过对三缸机的开发与利用，会推进我国汽车产业向节能环保的大方向快速发展。

参考文献：

[1]单缸柴油发动机反转原因[J].刘佐军.现代化农业.2001（01）.

[2]柴油发动机的常见故障及维修解析[J].吴平.工程技术研究. 2017（08）.

[3]柴油发动机常见故障诊断及维修技术浅述[J].李志凯.建筑知识. 2017（07）.