技术解读 | 为何三缸难成主流？

“市场给我们的选择范围逐渐缩小，很多时候，我只能尽量挑选一个我最能忍受的”。

买车是一件极其痛苦的事情，很多时候始于颜值、性能、科技甚至于品牌本身的号召力，却往往终于一个细微的点，例如滑雪爱好者决定放弃无法后排座椅放倒的全新一代宝马3系等等。减配已经够让人心寒了，换了动力系统或许才是真正的劝退“神器”。

出于环保的考虑，历史遗弃了V6转而进入L4时代，随着近年来全球排放标准越发严苛，取缔四缸发动机的到底会是三缸机还是纯电动又再次引发众人的讨论。

“我知道现在的三缸技术已经发展的很好，某些发动机甚至比四缸发动机表现还要好，可我就是过不了自己这一关”，身边一位即将换车，但坚决抵制三缸发动机的朋友说道。而这样的声音，并非个例，在日前盖世汽车围绕三缸机展开的调研中，有近6成的参与者表示三缸车并不会成为其购车的首选。

但同时，参与者们也意识到，这个结果最终还是需要交由市场来做决定。就目前来看，国内的三缸机市场呈现两极分化态势，一边是主机厂为迎合全球环保趋势不顾一切地向市场输送三缸机产品，另一边却是消费者的闻“虎”色变。

抖和吵，是三缸发动机永远躲不开的话题，即便是已逐渐被市场所接受的通用、宝马、本田及吉利等各品牌，甚至这其中不乏蝉联多届沃德全球年度十佳发动机，市场舆论及部分消费者仍坚持刻板印象不变。

既然说到刻板印象，那么到底源自哪里？

每每说到三缸发动机，我们总要把1979年推出的首款奥拓拉出来溜溜，不过今天可能需要换一个——八十年代的夏利（TJ7100）。或许再直接一点，那便是其所搭载的日本大发于1977年开始使用的CB系列发动机（国产后具体代号为TJ376（QE））。

1.0L三缸发动机，单顶置凸轮轴、双气门、压缩比为9.5:1等等在当时看起来都不算落后的技术，万万没想到堆到一起，却奠定了国人对三缸机“太吵”、“太抖”以及“没劲”的最初印象。

不用多想，“没劲”自然是源自发动机本身排量的劣势，毕竟TJ376（QE）发动机排量仅有0.993L，时至今日，为了实现更低的排放，三缸机排量依然保持着小排量设计，大多维持在1.0L-1.5L之间。

但想要获得跟四缸发动机相差无几的动力表现，同时油耗不能高、排放要达标，那就必须堆砌一堆的新技术，这也就让三缸机在技术水平上往往比四缸机要领先，且经常获得各种国际大奖。其中包括：

侧置多点直喷，能够高滚流效应，燃烧效果更好；

可变气门升程，控制低转速下的气门开度，合理控制扭矩；

可变正时系统，更高效控制进排气；

电控涡轮泄压阀，精确控制增压速度，泄压速度；

阿特金森循环，降低油耗；

……

在种种技术的堆砌下，现下的三缸发动机已经拥有不输于同排量甚至更高排量的动力表现，但相应的，成本也就有所上升。

既然针对“没劲”已经有了非常多的技术解决方案，那么问题的关键还是集中因抖动而带来的噪声、振动和糙度上，尤其是在怠速和起步的低转速下尤为突兀，影响了车辆的舒适性。而这一问题同样来自三缸机本身结构的“缺陷”。

众所周知，汽车普遍应用的四冲程发动机工作循环即进气、压缩、做功、排气，四个步骤形成一个完整的四冲程循环，又称之为奥托循环。而每完成一个工作循环，链接连杆的曲轴期间转动两圈，即720度。

对于四缸发动机来说，气缸无论是按照1-2-4-3还是1-3-4-2的顺序进行点火，曲轴每转过180度便会有一个气缸进行做功，这样就可以一个缸紧接着一个缸，保证了动力输出的连贯与顺畅。以动力输出的连贯性和做功对称性来说，四缸是满足条件的气缸数量最小构型，如若再削减气缸数量，则无法保证每一个完整的冲程中都保持至少有一个活塞做功，动力输出便会出现“间隙”，亦不能保证活塞的对称性。

因此，从理论上来讲，三缸机本身结构就在动力连续性和抖振特性方面存在短板。无论是怎么样的做工点火顺序，曲轴在旋转720时，均只有三个气缸在工作，分配到每个气缸便是240度。也就意味着，曲轴每旋转180度，前一个气缸到达下止点做工结束后，还需等到曲轴再旋转60度，下一个气缸才能运行到上止点继续做工，从而出现了动力的空档期。

活塞组件和连杆在气缸内往复运动，曲轴做旋转运动，由此产生往复惯性力和旋转惯性力，但由于三缸机本身结构特性，其旋转惯性力是平衡的，但力矩、一阶和二阶往复惯性力矩均不平衡，如果这两者不能抵消的话，就会产生周期性的抖动，并传给支承引起车身的抖动。

真的没有解决办法吗？

发现问题、分析问题以及解决问题，是每一个研发人员的必要技能。三缸机发展数十年，关于抖动的解决方案早已不止一种，但就目前来看，最常见的依然是通过在曲轴上加平衡块解决旋转惯性力矩不平衡问题，以及通过平衡轴来平衡往复惯性力矩。

（沃尔沃Drive-E 1.5T三缸发动机，图源：沃尔沃汽车）

可往往说起来容易，真正到实施便难上加难。

从理论上来说，三缸机的不平衡力矩完全可以利用四轴平衡掉，也就是除了在曲轴上加平衡块外，另外需要加设两个平衡轴，组成一组双轴平衡装置，以平衡一阶往复惯性力矩。若想要再平衡二阶惯性力矩，则还需要再加一组双轴平衡装置，但很显然三缸机结构并不允许这一“神操作”。因此市面上绝大多数三缸机（宝马、三菱以及通用等）均采用半平衡法，抵消掉部分惯性力矩以及减轻一定程度上的发动机抖动。

那么，想要进一步解决发动机抖动的问题，各大整车企业就必须另谋出路，例如PSA 1.2THP所运用的大质量惯性曲轴皮带轮，去耦式平衡轴齿轮，在平衡轴从动齿轮上增加去耦橡胶圈等等。

不过，也有坚持不加平衡轴的，其中尤以福特为例。其采取的对策是改进发动机悬置系统的设计，利用发动机的飞轮和前段皮带轮消除振动能量，达到平衡。而最直接的办法便是，将发动机飞轮设计成偏心式，从而避免设计专门的平衡轴，既简化了发动机结构，又降低了内部的能耗。

截至目前，市面上仍无法提供一个三缸机抖动问题的彻底解决方案，均只能做到无限接近。随着三缸发动机的使用时间的推移，后期的不平衡性将会越来越明显，发动机使用寿命或将会受到影响。

既然不能做到彻底解决，那三缸机还有何意义？

正如前文中所说，这是市场的选择。但除了政策导向外，三缸机是否真的毫无意义？

当然不！相反，其优点还很多。

首当其冲的自然是体积和质量上的优化。单就字面意思来看，较同排量四缸发动机，三缸发动机先天就有优势，去掉了一个缸，排量小了，重量轻了，可以更好的布局发动机舱空间，为车内乘坐空间优化提供便利；同时，轻量化的设计还将赋予发动机前置车型更好的轴荷分布，提升车辆的操控性能。

其次，还可以减少机械摩擦。三缸发动机，在省去了一套气门、气门弹簧等配气机构后，活塞、连杆数量以及曲轴、凸轮轴等等也都会有相应的简化，可以在一定程度上降低整体机械摩擦，间接提高发动机热效率。

最后也是最关键的——缓解涡轮迟滞。

在当下小排量当道的时代，涡轮增压已成为潮流，但随之而来的便是涡轮迟滞问题。前文中已介绍了四冲程汽油发动机的工作原理，一般来说，四冲程中进气-压缩-工作-排气各占据了1/4的行程，但为了达到更好的“换气”效果，通常排气阀门和进气阀门会提前打开，延迟关闭，这样在汽缸换气时就可以利用气流的惯性形成“扫气”效应，一般情况下，不带VVT的发动机排气阀门会提前48度打开，延迟20度关闭。正是如此，四缸发动机的排气过程就会出现两个汽缸的重叠现象，如果排气系统做不好，就会出现严重的排气干涉问题（下图灰色部分），影响排气效果从而降低了发动机热效率。

在过去，自然吸气发动机通常会采用特别设计的等长排气管来解决这一问题，但进入涡轮时代，为了降低涡轮延迟，设计过程中也会尽可能缩短排气阀门和涡轮之间的距离，这就与设计复杂的等长排气管发生冲突，因此四缸涡轮发动机或多或少都会受到排气干涉问题影响，从而削弱了排气气流吹动涡轮旋转的力量。

可这一问题放在三缸机却得到了有效的解决。正如前文所说，三缸发动机每逢240度点火一次，这也造成了每次做工后都会需要旋转60度才会有第二次爆炸和排气。而恰巧，排气门提前打开和延迟关闭角加起来正好在68度，之间的差值基本可以忽略不记，也正因如此，三缸机的涡轮迟滞问题也就会比同排量的四缸机轻微一些。

（通用全新一代1.3T Ecotec三缸发动机，图源：雪佛兰汽车）

此外，与同排量的四缸机相比，三缸机缸径和冲程往往更大，比如宝马1.5T三缸机的缸径冲程与其2.0T四缸机一致；又如大众EA211 1.2T三缸机的缸径与其1.4T四缸机相同，冲程甚至还较后者更长。而这也就直接导致三缸机在低转速区间容易达成较高的扭矩，再配合更小的涡轮迟滞，往往三缸机可以带来更出色的低扭性能。

三缸机是否会成为未来主流？

或许还是很难。

尽管在欧洲市场，三缸机已成为主流选择，且具有应用覆盖车型广、市场渗透率高等特点，三缸机的市占率已提升至15%；

尽管国内市场中已出现了部分表现不错的三缸机车型；

尽管国六压境；

……

这其中消费者不买账或只占其中很小一部分，而真正关键的仍在于汽车产业头部企业的技术引导上。

中国汽车市场新能源当道，早已不是新闻，多年来的政策扶持，造就了一个百万量级的市场，甚至逐渐影响国际主流车企的新能源进程。同时，双积分政策落地实施，也倒逼车企加速在这一领域的布局。

盖世汽车研究院认为，在汽车全面电动化到来之前，仍存在很长一段时间的过渡期，而这段时间将是技术流派百家齐放的时候，插电式混动、燃料电池、48V微混、油电混动甚至于三缸机都可能会成为主流，但截至目前来看，相比起普及三缸机的积极性，更多主流整车企业仍将重心放在新能源产品的铺垫上。

但也不排除三缸机的其他突破，如与电机搭配，组成插电式混动力。这样既可以利用电机在怠速时及起动时高扭矩驱动车辆避免三缸机工作引起的抖动；较小的体积又可以更好的分配发动机舱空间；较同排量四缸机，三缸机更轻的重量也可以在纯电模式下降低能耗；最关键是，在扭矩达到2000-4000转情况下，三缸机还能充分发挥其高转效率来驱动车辆，以降低车辆功耗。

关于未来，谁又知道呢？或许未来会有新兴技术出现，可以突破能源、技术、成本、基础建设等多重难题，从而取代目前所有技术流派，一统天下。