首先，此帖纯楼主以自己的专业角度去解析三缸发动机。如果有关此方面合理的问题可留言，楼主在能力范围以内会尽力回答。但是不接受喷子，要喷我的话请出本文中说错的地方并且拿出自己的专业说出哪里有误。“你买个三缸看看？”“5毛”这些留言的话我均会举报，喷子请带着脑子出门，出门左转谢谢。

       从GL6没上市到现在，论坛就充满了各种三缸的言论。其实大部分都不知道三缸发动机表现如何，一部分部分人云亦云的键盘侠认为“三缸天生缺陷就是抖，无法改变”，还有小群无脑的认为宝马已经放弃三缸等……我摘抄了论坛一些比较有意思的问题，加上楼主自己的理解。今天想要讨论的是为什么很多车企现在在发动机小排量化(downsizing)的路上越走越远,为什么通用、福特、宝马、标致雪铁龙、丰田等车企开始相继推出自己的三缸发动机来代替四缸?现在的新三缸发动机真的只是为了达到排放要求而对于消费者毫无意义么?而三缸机对比直列四缸的主要劣势又是什么原因导致的?大家目前又有什么解决方案?
首先在讨论任何问题前我们要明确两个原则:
1.不存在完美的发动机只有适合不适合的发动机。
        直六发动机看起来非常完美，但是六缸并不适合所有人。高成本、高油耗、空间布置上的困难以及对客舱空间的侵占等等都决定了他不适合大部分消费者。哪怕是宝马五系这样的中级豪华车,在欧洲占绝对优势的也是520d这样的柴油直列四缸。
2.工程学的魅力正是在于妥协。没有完美的产品只有越来越平衡的产品。
       工程学所要实现的是在成本,政策法规,油耗,舒适性,运动性等等之间进行平衡。三缸机有天生的劣势不假,但是它也有六缸和四缸机 不具备的优势,在做出任何选择前都应该是一个对劣势和优势平衡的过程。

1、为什么是三缸，让全球各大车企前仆后继？
2、三缸相对四缸而言有何优势？
3、三缸到底对比四缸而言有哪些主要劣势？原因是什么？各大车企有何解决方法？


1、为什么是三缸？而不是新能源直接统一天下？
       事实上，虽然各国对新能源大力扶植，以及越来越多互联网企业投身其中，但不得不承认一点，新能源发展并没有那么迅速。以目前的发展速度，大部分国家对于取消燃油车的时间节点基本都定格在2030年-2050年之间，正如丰田在推出混合动力时所说，混合动力是一种过渡技术，但这种过渡技术至少可以支撑50年。也就是说，从1997年推出混合动力，丰田认为在2047年之前，搭载传统燃油发动机的混合动力依然大有前途。从时间上看，车企完全没必要放弃传统动力，至于互联网品牌投身纯电动，更多的是他们缺乏传统发动机研发基础，而纯电动车的核心部件电池和电机只需要依靠外购即可。
从时间上，新能源全面普及留足了传统动力引擎发展的时间，从成本上也依然能找到足够的依据。
      新能源更多依靠的是电池，虽然它有着节能环保驾驶平顺等等的特点，但是电池和电机这样的先天特性决定了，如果需要长续航就必须增加电池容量，而电池价格无法得到有效控制，那么推出廉价版比如低于十万块的家庭五座汽车几乎是不太可能的。
      所以，目前小排量发动机占据的时间优势和成本优势可以把过渡时间拉到更长，而且伴随小排量涡轮增压发动机的经济性优势越发明显，未来极有可能和新能源形成不同的产品和技术定位。
      而对于未来发动机的主要研发路线，通用认为，未来发动机主要会朝着三方面走，增压小型化、提高热效率和电气化，其中小型化是目前性价比最高而且效果最为明显的技术路线。
      2020年中国将要实行的国六a排放法规，同时更加严苛的国六b计划将在2023正式施行，对于排放的把控，全球政府趋向越来越严格，而且中国将成为世界上排放法规最为严苛的国家。
      于是目前，车企对于小排量发动机的投放依然成星星燎原之势，比如目前通用全面投放了多种排量的引擎，其中包括了1.0T、1.3T以及未来的1.35T等发动机；大众旗下小排量动力为1.0T和1.5T两款；丰田发布了1.2T发动机，福特、本田联合FEV共同研发了1.0T三缸发动机，PSA早就发布了1.2T三缸发动机，可以说大的趋势上小排量发动机依然是主流。更加直观的是，2017年世界发动机大奖榜单上，2.0T以下的发动机清一色都是三缸机。
      简单来说，新能源还未能全面普及，燃油车还有很长一段发展时间，而国家各种双积分、排放政策出来，而三缸既能达到政策要求的排放降低，又能给消费者带来省油、更大功率，经济和性能上的提升。因此三缸逐渐开始出现并搭载在各个车型上。

二、那么三缸机对比现在常见的四缸到底有哪些优势?
      三缸机对于车企可以更容易地满足排放要求,对于消费者来说同样对等的也大幅降低了油耗。发动机热能转化为机械能有相当大一部分消耗在摩擦上,三缸机相对于四缸机自然减少了缸体活塞和相对应的机械配件,于是直接降低了发动机做功的摩擦损失。加上例如缸内直喷,进气歧管双喷射,以及涡轮增压,轻量化和新材料的使用等新技术,对比老版四缸, 在达到同样甚至更高水平动力输出的时候很多三缸机可以降低10%左右的油耗。Mini和宝马上使用的1.5T三缸发动机,对比老Mini的1.6L四缸王子发动机,整车0-60英里/小时 (0-97公里/ 小时)快了2.3秒,但是整体EPA油耗下降了8%,第一次让Mini的高速EPA油耗低于6L每百公里。

       第二点，三缸也能达到性能上的提升。同样的最近通用推出的两款Ecotec三缸,不仅在动力上比老版四缸有所改善,官方油耗也比四缸低 5%-10%。红色曲线显示的是新版三缸Ecotec1.3T,对比蓝色曲线老版SGM 1.4T在低速段扭矩提升 23%,中高速段提升15%。

  三缸机除了经济性和性能上对比老版四缸的提升,还有其他什么好处?
        虽然看似三缸比四缸节约了不少部件,但是新技术和新材料的应用导致新三缸可能并不比老四缸便宜。第三点，其实节约部件瘦身后的一个最大好处就是:节约了空间。直接砍掉一个缸体必然可以让发动机舱变得不再拥挤,甚至可以辅助改善车头碰撞安全。另外一方面也可以缩短发动机舱拓展客舱乘坐空间。另外一个更大的好处是可以让主机厂有更多发动机和变速箱的布置方式,推出更多选择的车型。新款宝马X1虽然总体尺寸缩短了,但是因为有足够的空间来横置三缸发动机,变成前驱或者前驱主导的四 驱车之后,可以缩短发动机舱来拓展客舱空间,新X1内部反而比老版更大。当然有人争论前驱的宝马不再是宝马,但是入门版的X1真的能运动的起来么?大部分目标客户群恐怕更在 意空间和油耗。
        发动机瘦身之后的另外一个好处就是轻量化。通用Ecotec 1.0T比老1.5L减轻24公斤,减幅25%, 1.3T比老1.4T减重25公斤,减幅20%。发动机减重的好处不仅可以贡献油耗,也可以帮助车身配重进行优化布置。
        三缸机最后一个对厂商极为重要但是消费者不太在乎的好处就是对未来继续减排和电动化的全面布局。当混动程度进一步加强后,像类似通用Voltec系列车型或者宝马i系列,以电驱为 主发动机只作为辅助和充电使用,这时候1升三缸机甚至更小的发动机才是最好的选择。只需要进行不同的 调校使用完全一样的平台就可以和其他传统车型共用发动机。

三、三缸机的第一个缺陷:
1、一阶和二阶惯性力矩不平衡
        一阶惯性力总的来说一阶惯性力是由于每个缸体活塞往复运动到达最顶端和最低端改变方向的时候会对缸体施加一个和速度方向相同的惯性力。那么这个惯性力对应的扭矩就是惯性扭矩。
下图以四缸机为例那么两端的活塞到达顶点的惯性力朝上而中间两个活塞同时到达底部的惯性力朝下互相
平衡。因为左右两个一组的活塞镜像对称所以一阶惯性扭矩也平衡。

        那么对应于一阶惯性力,二阶惯性力是由于活塞通过活塞连杆绕曲轴转动的时候运动路径长短不同,但是曲轴转速恒定,于是活塞运动会有速度快慢变化。    如下图,在曲轴圆的上部活塞运动快于圆的下半部分,加速度的变化会导致变化频率为一阶惯性力两倍的二阶惯性力。和一阶惯性力矩相似,由二阶惯性力所导致的惯性扭矩就是二阶惯性扭矩。

        如果不同缸体的一阶和二阶惯性力以及力矩平衡的话,所导致的发动机振动和噪音当然最小,振动产生的 根源是速度的周期性变化,而速度的周期性变化根源又在力或者力矩不为0且方向交替改变。
        为了总结不同发动机缸体布置所导致的一阶和二阶惯性力和惯性扭矩总和(注意是向量总和)大小,我专
门拍了一张我的博世汽车手册,具体推倒因为篇幅就省略了,另外请忽略德语直接看图。
         F1是一阶惯性力,F2为二阶惯性力,a为缸心之间的距离,表格从左到右依次统计的是不同发动机的一阶惯 性力,二阶惯性力,一阶惯性力矩和二阶惯性力矩。
        第一个是三缸机,其实也没有那么不堪,至少一阶二阶力是平衡的(为0),但是力矩不平衡。
        第二个是直列四缸,也不是完美的,二阶惯性力不平衡。
在这个方面唯一完美的是直六发动机,天生所有的缸体惯性力和力矩都互相抵消,直六的天生完美并 不是传说。

直列六缸虽然在这个方面天生完胜,但是因为前面提过的油耗,体积,重量,价格,等等因素决定了它只
是小众。
        三缸虽然看起来天生条件不好,但是并不是没有后天改善的余地。我们可以在缸体外添加额外的配重来平衡不为零的惯性力矩,尽可能地减少由此引起的振动和噪音。    
        通用新的Ecotec 1.0T和1.3T有不少媒体拆解图,正好可以用来举例说明。下图显示的就是一组平衡轴和通过在发动机曲轴上添加额外的平衡块来平衡惯性力矩的高效搭配方式。

       另外一个解决方法就是通过使用更加复杂的飞轮结构来对惯性扭矩进行平衡。比如福特Ecoboost的三缸机 就没有平衡轴而通过偏心的飞轮来平衡发动机惯性扭矩。

2. 三缸机的第二个问题就是比起四缸机和六缸机更大的扭矩波动。
       其实我们平时说的发动机扭矩都只是一个平均值,同理也适用于电动汽车上的电机扭矩。
       从我以前用过的一本教科书上拍了几张图,如果你要从微观来看发动机运行过程中的扭矩输出的话就可以看到下面这样的曲线。    
       横轴为发动机曲轴角度,纵轴为发动机扭矩,曲线从上到下依次表示的是三缸,四缸和六缸发动机。

        在发动机一个完整的四冲程(720度)中,六缸机每120度就有一次点火做功,四缸机为每180度,而三缸 机为每240度。接下来就很好理解了:为了达到同样的平均扭矩,三缸机因为每个四冲程可以做功的缸数变 少了,或者说每次做功之间的间隔变长了,于是每个缸需要更加卖力。
        比如上图20牛米左右的平均扭矩输出,六缸发动机实际输出扭矩的波动在5牛米到35牛米之间,而三缸机的 扭矩波动在-15牛米(没有任何一个活塞在做工冲程发动机变成拖油瓶)到80牛米之间。扭矩的波动大了, 自然你更容易感觉到发动机转速的波动。
        如果没有类似飞轮,液力变矩器之类的扭矩波动过滤结构的话,发动机实际输出转速是下面这个样子,和 上图类似,横轴为720度曲轴转两圈,纵轴是发动机转速,同样曲线从上到下依次为三缸,四缸和六缸发动 机。
        虽然大家的实际平均转速都是2000转,但是可能六缸机的转速是在2010到1990转之间波动,而三缸机则是 在2075转到1875转之间波动。

       这也正是为什么三缸机在发动机怠速低频振动的时候更容易感觉到和四缸或者六缸机的振动和噪音控制差距,因为他们天生就是不平等的。那么这个天然存在的问题在新的三缸发动机上又是怎么被改善的呢?
       最好的方式就是改进发动机的飞轮,这个大质量的转动机构可以起到很好的滤波作用。 最新的三缸发动机都是使用了成本更高的飞轮减振机构,为的就是快速衰减发动机的扭矩波动。 比如标致雪铁龙的1.2T三缸发动机使用了双质量飞轮来进行扭矩波动的快速衰减:

    通用Ecotec使用的钟摆式双质量飞轮,在传统双质量飞轮上再增加一个吸振器,呈钟摆型的离心往复作用 反向抵消并削减了从来自发动机侧主动飞轮的扭转振动,进一步抑制输出给整车的扭矩波动。

原理示意图为LUK双质量飞轮
        三缸机的第三个缺陷也是前一个问题的副产物。为了达到同样的扭矩输出,三缸机必须更加卖力的工 作,也就意味着更大的压缩比,更剧烈的燃烧和更高的温度,而这一切都要求缸体有更高的强度,也意味 着更容易出现爆震问题,这也是限制发动机轻量化的一个主要因素。
        为了解决这个问题,不少发动机使用了高传导冷却的缸套,新类型的气缸和活塞涂层,以GM的三缸发动机 为例还有下面这个更加主动的改进方法:进气歧管双喷射。一个气缸搭配两个喷油器可以协同控制实现更广的喷射覆盖面积以及更高的燃油雾化率。这样除了可以提高燃烧效率另外非常重要的一点影响就是可以更有效地冷却进入缸内的油气混合,更低的油气混合温度可以很好地抑制爆震,爆震被抑制了就可以提高压缩比来进一步提高轻量化发动机的能量转化效率。

        如果对这个问题进行总结的话,发动机的轻量化是个会结合混动电动车一起发展的持续进程。最近开始流行的三缸机已经不再是一种廉价的应用而是新技术的进步。
        三缸机本身具有四缸或者六缸机所不具有的优势,比如油耗排放的显著改善,以及在空间布置上的灵活
性。当然它也有天生的缺陷,但是在新技术的应用下这种缺陷的影响在逐渐被淡化。
        小排量发动机并不适合所有人,在一定程度上我们也需要对它的天生缺陷有所妥协,但是不可否认的是小排量发动机有它广阔的市场和广泛的受众人群。工程师所要做的是尽量改进缺陷平衡整体产品力,而消费者要做的是明白自己的需求而做出权衡的选择,在了解产品短板的同时也要看到它所特有的长处。
所以讲了这么多，关于三缸机我想各位应该有个认知，有疑问的话欢迎交流，喷子请走出去，打这么多字真的蛮累的，请自重！