为什么汽车不把三缸车气缸加大做成两缸,而是做成不平衡的三缸呢?

2022-10-14
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内燃机并非「偶数缸平稳·奇数缸抖动」-双缸发动机不适合汽车趣味问题:把三缸发动机缩减为双缸能否解决怠速抖动的缺点?

似乎对于燃油汽车装备的发动机而言,怠速是否抖动的决定因素变成了“奇数”和“偶数”的区分;只要是偶数哪怕是双缸机也能够平稳,然而这种观点是错误的。

≥直列四缸不论奇偶数都可以做到平顺,≤直列三缸怎样都难以做到平稳,哪怕是用上平衡轴技术获或以星型发动机布局都没有用,决定因素有排量缸径等等,下面就来简单了解一下吧。

排量与扭矩内燃机的排量指所有气缸容积的总和,或理解为气缸吸气或排气流体体积的总和(容积概念);汽车排量的上下限跨度很大,比如最小排量的微型车可以低至0.66L,而大排量柴油机可以达到16.00L。

有没有注意过一个问题,一般排量≥3.0L的汽油机大都会是六缸机,柴油机特殊一些还会使用四缸机;这种区别设定则是基于不同机型要在做功时区分振动强度,说白了就是柴油机振动强一些但只有扭矩足够大(能节油)即可,而汽油机就要以平稳运行与顺畅的动力衔接为主,于是单缸容积有了很大区分。

汽油发动机的标准:单缸最小容积应≥0.1L,单缸最大容积应≤0.75L。

直列三缸发动机的最大排量往往是1.5L,每个气缸的容积则在0.5L以内;而六缸发动机最大在0.66L以内,八缸的极限为0.75L,然而最高标准的V12发动机却普遍为接近0.5L,为什么要这么设计呢?

原因在于单组气缸的容积如果过大,运行时吸入的空气和喷射的燃油也会很多;内燃机是一种通过燃烧产生热能,再将热能转化为机械能的发动机。

燃烧的过程中必然会程度较大的振动,因为这种化学反应的过程是分子剧烈程度的不规则碰撞,结果则因碰撞产生的振动带动活塞曲轴与机体共振,这与三缸不宜变四缸有什么关系呢?

单次做功振动强度的控制水平,直接决定汽车的NVH(噪音/振动/声振粗糙度);比如直列三缸发动机每组气缸容积为0.5L,喷油量按照14.7:1的空气燃料比计算,混合油气的基数比2/4缸发动机如何呢?

计算喷油量要将体积换算为质量后才能得出结果,不过因换算比较麻烦,下面只需要了解概念即可。

直列四缸1.5L单缸容积0.375÷14.7直列三缸1.5L单缸容积0.5÷14.7直列双缸1.5L单缸容积0.75÷14.7理论上以三缸发动机的最大排量做成双缸正好是极限标准,但是过大的进气量会有过大的喷油量,相同排量的缸数越少则进气喷油量越大。

那么单次做功可燃物基数过量增多,燃烧时产生的振动强度必然会更大,结果反而会是缩减气缸后的怠速或行驶振动感会更加明显——就像柴油机。

双缸发动机的两种类型1:同步双缸发动机的振动强度会比较大。

所谓同步指两组气缸活塞上下往复运动的动作一致,区别是一组气缸做功时另一组气缸开始吸气,四冲程发动机的运行动作有四步,同步双缸也是要交替运行的。

进气喷油压缩蒸发膨胀做功排气两组气缸看似是在做出相同的动作,不过只有一组气缸会因做功产生垂直方向的惯性作用力;另一组气缸的活塞以相同方向以相同的势能做出相同的动作,结果则会加强发动机往同一个方向的作用力。

于是运行中的机体就会以上下的垂直方向出现较为明显的抖动,这种机器用于摩托上的振动问题是相当突出的。

2:异步双缸的振动强度同样比较大。

所谓的异步指两组气缸的活塞总是一组上行时,另一组一定是在下行;这种设计理论上可以通过不同方向的作用力,一定程度抵消做功时产生的作用力,然而也只是能够一定程度而已。

因为没有在做功气缸活塞是被曲轴推动的“从动活塞”,做功的气缸是通过热能推动活塞,活塞通过连杆推动曲轴运动的“主动活塞”。

两种作用力是做不到均衡的,状态类似于轮胎的动平衡失调,所以只有通过平衡轴才能起到更理想的均衡效果,只是在不同的转速(功率)区间还是做不到尽善尽美。

异步双缸的摩托同样有振动问题,然而这些摩托的排量大多为0.5L左右,单缸容积不过0.25L。

但是作为汽车使用的发动机需要在0.5-0.75L之间,那么产生的振动就会是倍数级的提升,想要缓冲振动只能通过发动机机脚;这种充满液压油的橡胶件,承受过高频率的振动冲击,不论材料与工艺标准如何高是不是也都很容易损坏呢?

三缸发动机以最大单缸0.5L的容积已经造成了机脚胶的快速损坏,正常的四缸机可以用到接近10万公里才会出现问题,而三缸汽车有些只要两三万公里就会损坏机脚胶了,双缸只会更加夸张。

所以只有早期的菲亚特126p使用这种机器,在三缸汽车成为主流后则迅速淘汰了双缸,更平顺的四缸发动机成为主流后又淘汰了三缸,不过四缸不会再被淘汰了。

点火间隔角的关系同样是奇数缸的发动机,三缸机会明显的抖动,但是五缸发动机却显得相当的平顺,这是为什么呢?

原因正在于点火间隔角的区别,四冲程发动机曲轴旋转两圈是一个完整循环,也就是转两圈点火做功一次;那么多个气缸交替运行则会交替的点火做功,只是还会有角度的区别。

双缸机360度(同步)三缸机240度四缸机180度五缸机144度六缸机120度曲轴转动(转过角度)的过程是不是需要时间?

角度越大需要的时间当然就会越长。

假设一个循环所需要的时间为1000毫秒,双缸机需交替做功的时间则为500毫秒,这个“空档”就是留给做功气缸活塞惯性作用力带动机体摇摆振动的时间。

然而三缸机则只需要333毫秒,振动的强度减弱的同时还会缩减异常作用力去“作用”的时间,机体则会相对平稳一些。

重点是直列五缸发动机的标准仅为200毫秒,作用力没有充足的时间去影响机体,所以稳定性就会很高了。

总结:三缸发动机抖动的因素有很多,比如点火间隔角、做功不同步、单缸容积偏大等等因素;想要解决该问题就只能增加到四缸,因为四缸机运行中必然会有两组活塞同步上行,同时还有两组活塞同步下行,作用力的抵消效果更理想,单缸容积更小且同时应用了平衡轴技术,所以稳定性已经很不错了。

至于三缸机即使做成星型发动机也起不到提升平稳的效果,星型机就像是旋转中的车轮;只有保证车轮每个对称位置的质量相同,在转动中产生的离心力才会均衡。

而三缸机只能交替运转,直列是水平线上三个位置垂直作用力的交替出现,星型布局就像是不同位置交替出现不同的“离心力”——没有什么技术可以让这种机器有良好的体验。

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小草

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