三缸机为什么省油(三缸机油耗高是什么原因)

三缸机为什么省油(三缸机油耗高是什么原因)

首页维修大全综合更新时间:2024-04-07 13:36:35

三缸机为什么省油

谢邀,三缸机的节油潜力是多方面的,更少的气缸数量意味着配套的运动件也随之减少,这不仅是减重而已,也意味着降摩擦。假设有一台排量(体积)确定的发动机,冲程(高度)是确定的,那么就可以求横截面积,如果横截面积由四个半径为R的活塞来分摊,其与气缸接触的周长就是8πR,如果横截面积只由三个活塞来分摊,对应的半径会变成1.154R,则接触周长就为6.928πR。而接触面积等于接触周长和冲程(高度)的乘积,可知在同排量时,三缸机的摩擦仅为四缸机的86.6%。这还不是三缸机节油的主要原因。在发动机的领域里,存在着一种“全方面”的评价方式,被称为「万有特性」。它能够表达发动机在每个工况下的经济性状况,之所以说「经济性」,是因为我们看的不是耗油的绝对值多少,而是指获得同样的能量时消耗了多少燃油。我们在选择一件商品时都会注意到,高端产品喜欢用5%的体验改善来换取50%的价格提升,低廉的产品往往给不了我们想要的实用性,处于阶梯中间的通常最具性价比。发动机也是如此,转速、负荷处于中等的工况,才是「最经济」,最省油的工作区间。我们都知道,功率是转速和扭矩的乘积关系,如果汽车需求的功率是确定的,相同排量的两台机器,气缸数较少的那台,平均每缸的负荷就更高,这其实是「盗贼的输出」更密集,和「战士单次攻击」更猛烈的区别。反之,气缸数多的发动机,做功频率高,输出也就平稳,气缸数少的为了达到同样的平稳程度,就得将转速提高。那么在整车上,如果我们使用的是一台气缸数目更少的发动机,就意味着常用的工况会向图中的右上角移动,进入效率更高的区间,从而更好地发挥每一滴燃油的潜力。

这么说岂不是双缸机、单缸机更加优秀了?想要知道答案,就需要了解「单缸设计理念」。「单缸最优」如何寻找到一种最好的结构尺寸组合,最好的燃烧参数组合,使其最大化地实现单缸的意义?假如可以实现这点,那么对单缸进行复制粘贴就能得到一台理想的发动机。主流乘用车的动力目标分解到发动机上,就是我们常见的1.0L~2.5L的排量,而单缸排量基本上都在300ml~600ml的范围里,这是为什么呢?我们把燃烧室简化成一个圆柱体,高是h,气缸半径为r,那么燃烧室的面容比就可以简写为:单缸排量减小,无非是冲程减小或者缸径减小,而在压缩比不变的前提下,冲程减小意味着燃烧室的等效高度h减小。不论是h还是r的缩小都将导致面容比增大,这意味着在「一定体积内」爆发的能量,有了相对更大的「对外接触面积」,换热面积更大,损失就更多。另外,气缸内通常会存在个别温度较高的「热点」,在中心火焰到达 「热点」之前,如果「热点」的温度足够高,就可能直接导致该位置的汽油自燃,形成第二朵火焰,从而与主火焰相互干涉,导致敲缸,这就是我们常说的「爆震」了。从「爆震」的原理上不难理解,本质上是主火焰的传播,和「热点」位置的自燃,谁快的问题。增加单缸排量,往往意味着缸径变大,火焰传播的距离更长,「爆震」也就更容易发生。可见,单缸排量存在着上限和下限。对于常见的1.0~2.5L排量来说,单缸、双缸的单缸排量都过大,三缸就是我们能够使用到的下限了。

除此之外,还有什么需要考虑的呢?排量(体积)主要由冲程(高度)和缸径(横截面积)来决定,常见的冲程和缸径,也差不多都在一个范围之内。和我们的身材一样,高矮胖瘦其实都正常,一旦过度就不是一个健康的状态。衡量这个「身材」的指标,称为Bore/Stroke Ratio,等于1时,我们喜欢称之为Square Engine;小于1时就是一个瘦高型的同学,被称为Undersquare Engine,由于活塞行程较长,高转速会导致活塞速度过高,通常是「低转速输出高扭矩」的选择;大于1时称之为Oversquare Engine,矮胖型的同学由于行程短,就更适合成为「高转速输出扭矩峰值」的那个答案。[Ref 2]可这还远远不够,在那个一切秘密发生的空间里,还需要为火焰的诞生、爆炸和消殒做好准备,这涉及到燃烧室、气道的形状,涉及到喷油器的安装角度、喷射压力,涉及到进气、喷油的时机,等等等等。我们想要得到的是什么,就需要在沧海桑田以后,从那千万种选择当中,去找到正确的那个答案。结构上恰到好处,燃烧效率最高,这就是通用的「单缸最优」的思想,沃兰多搭载的新一代EcoTec,也因此而生。这些年三缸机屡获国际奖项,并不说明它是种低成本方案,其真正原因是,为了最大化三缸机的优点而尽可能不带副作用,反而会有更深度的技术加成。沃兰多EcoTec凭借1.3L的排量榨取120kW的功率,还能够在经济性上远远超越上代机型,其实就是先进技术群的体现。为了达成「结构最优」,沃兰多EcoTec把每一项技术都安排得明明白白,全铝合金结构大幅减重,缸体同时完成了高热传导率缸套、波浪式水套等设计,缸盖也不遑多让地集成了排气歧管,整体极为紧凑。看似不明所以?其实每一条都值得单独揪出来说说。比如,高热传导率缸套,能够将缸内更多的热量带到冷却液里,降低气缸内温度,避免“热点”的出现从而抑制爆震,而「抑制爆震」意味着可以提高压缩比的极限,与「提高热效率」,基本上就是一个意思。水套的英文名Water Jacket是非常形象的,高温气缸外穿一层「水」,如果把水流经过的「水套」比作是一条河流,那么河床一般是平的,可是各位置和燃烧中心的距离不同,温度不同,就存在热应力的问题,而「波浪式的河床」则能够创造性地对温度分布进行优化。我们在玩RPG时,还喜欢做一件事:魔法系角色的力量加到足以支撑装备时,就主堆智力,反之战士亦然,从而将优点最大化。三缸机的低摩擦也是如此。EcoTec的低摩擦技术阵列,包含了可变排量油泵、油温管理、低粘度机油等等,能够针对各个工况定义最适合的机油压力和机油温度,在保护运动件的同时尽可能地降低机油粘度,从而减少摩擦损失。此外还有近些年颇有名气的DLC (类金刚石涂层)低张力活塞环,DLC涂层不仅有着比钢材更高的硬度和耐磨性,其最主要的特性就是极低的摩擦系数,而初中物理告诉我们,压力下降意味着摩擦力的下降。[Ref 3]至于冷却,以前的设计往往将“发动机”作为一个整体进行考虑,但事实上缸体和缸盖的需求是不同的,对于缸盖来说,相对较低的水温有助于降低燃烧室温度抑制爆震,而对于缸体来说,相对较高的水温不仅有助于提高机油的温度,降低机油的粘度实现低摩擦,还能够加速暖机实现减排。这就形如大学宿舍里,喜好不同的舍友们吃了一顿大家折中选择的大锅饭。EcoTec则应用了「按需冷却」的理念,将缸体、缸盖分开,通过双节温器分别进行控制,为每位“同学”,定制了一顿适量、对味的晚餐。智能化的热管理,是充分发挥「燃烧」和「润滑」潜力的桥梁,技术群交相呼应,1+1>2的效果就是「结构最优」的成果。那么,「燃烧最优」,通用又做了什么呢?发动机的燃烧正在经历一次变革,许多厂家从常见的单进气道喷射PFI,转型为GDI缸内直喷,就是这场变革的样貌。打个比方,有一栋三层、一梯一户的楼房组织消毒喷雾,每户人家都有两扇窗户对着楼梯口。那么,三层楼至少需要三个喷嘴。

普通的S-PFI安装在楼梯口,同时对着两扇窗户喷,可是喷雾的量和时机,需要与主人在家开窗的时间对上,否则无法喷入房间。GDI是直接把喷嘴安装在房间里,什么时候喷,喷多少相对好控制。不过,喷嘴上多少会有残留,因为室内开着空调温度与室外不同,GDI在室内暖气的影响下,残留的消毒液会发生变质;可室外气温较低,残留不变质,下一次顶多继续喷到室内即可。这就是GDI容易积碳的根本原因。[Ref 4]沃兰多EcoTec走了不寻常的道路,分别在两扇窗户上安装了喷嘴,能够组合出广阔的喷射面积和更高的雾化率,燃油在燃烧室这个「房间」内的形态更好,燃烧也就更有效率。对于怠速工况小流量和高负荷大流量的需求,D-PFI通过相互配合,也能得到较好的平衡,最重要的是,这种形式不易出现积碳。事实上,EcoTec是全球首家在增压机型上使用双喷D-PFI的机型。这就是结构上恰到好处,燃烧效率最高,「单缸最优」的沃兰多EcoTec了。「三缸机再好,NVH也是原罪?」当代发动机称为四冲程,是因为每缸的工作循环都需经历进气、压缩、膨胀和排气四个步骤,只有三个气缸的话……跳舞节奏与音乐节拍对不上,其实是比较让人难受的一件事。三个气缸,以中间作为支点,前后两个气缸做功轮流冲击曲轴,形如跷跷板——一阶、二阶惯性力矩无法自行平衡,这就是原罪了。

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