三缸发动机平衡问题、技术措施及解决案例
迫于能源和和环保的压力，发动机小型化已经成为汽车产业技术发展的重要趋势。缸内直喷增压的三缸发动机兼顾了人们对动力性、经济性的追求，得到了越来越广泛的应用。与传统的四缸发动机相比，由于结构形式的差别，三缸发动机受到惯性力矩与四缸机完全不同。本文就三缸发动机平衡问题展开调研，调查近几年来学者针对三缸发动机平衡问题做的一些技术措施及一些成功的解决案例。
1.三缸发动机研究背景
汽车轻量化是实现节能减排的重要措施之一，三缸柴油机制造成本低、质量轻、比较省油，因此小排量、3个气缸的增压引擎已成为重点研究和对象[1]。随着经济型轿车成为中国乘用车市场的主力军，小排量汽车的应用越来越广泛，同时对它的性能要求也越来越高。三缸汽油机作为其中的一款小型机，具有升功率高和结果紧凑等优势，但先天具有的平衡性问题，可能会对整机的振动甚至整车的舒适性带来不利的影响[2]。因此，在三缸机的设计中优化了运动件的布置，也通过曲轴的配重及平衡轴的运用，使整机的不平衡性得到最大程度的消除。而且欧洲六号和国六汽车污染物排放标准（碳氢化合物总量（THC，又名烃类）从100mg/km提高标准达到了50mg/km；非甲烷烃（NMHC，除甲烷之外的所有碳氢化合物）的排放量从68mg/km降到了35mg/km；氮氧化物（NOx）从60mg/km降到了30mg/km；颗粒物质量（PM）从4.5mg/km降到了3.0mg/km。即一氧化碳排放量、总碳氢化合物、非甲烷总烃排放都要在原有的基础上再降低50%以上。）就已经从源头上限制了大排气量、多气缸数发动机的发展，想要做到节能减排第一步就需要降低排气量，为了保持合理的做功效率，每一气缸的容积还需要保持在合理的范围内，所以气缸数量也不能太多，这就是三缸发动机存在于世的理论基础。
表1.1 三缸机与四缸机优缺点对比
2.三缸发动机与四缸工作原理
图2.1 三缸机工作原理图
图2.2 四缸机工作原理图
我们知道发动机一般都是“四冲程”，所谓的四冲程，也就是说每个气缸在工作时会有“进气、压缩、做功、排气”这四个行程，每个行程对应曲轴转动180°，4个冲程加起来就是720°，也就是两圈，这是每个气缸的工作周期。而工作周期中，只有半圈也就是180°发动机是做功状态，其余一圈半（540°）基本都是靠着惯性在转动，势必会影响动力的持续性和舒适性。就好像我们骑自行车时只有一个脚可以使劲，而且每蹬一次中间还得休息一圈，然后再蹬一次，这样跑起来肯定很不舒服，而采用单缸发动机的摩托车看上去也非常吵闹。
对于三缸发动机而言，在720°的工作周期中，三个气缸的做功过程只是占用了540°，还有180°的空当没有做功，势必造成动力的短暂缺失，而且并不对称的活塞运动也会导致振动的提升。所以三缸发动机的“振动、噪声”才会非常突出，而且动力性能也相对较差，才会被逐渐淘汰
3.三缸发动机平衡问题
3.1单缸发动机运动
图3.1 单缸发动机图
发动机的核心是曲柄连杆结构，动能由活塞的往复式运动转换为曲柄的旋转运动。而此曲柄连杆机构就是发动机不平衡的所有来源。
图3.2 活塞-连杆图
可以看到连杆大头和飞轮连接，做往复运动；连杆小头和活塞连接，做直线往复运动；而连杆杆身比较复杂，既有往复直线运动，也有旋转运动。为简化分析，我们一般将连杆的一部分质量视为纯旋转运动，另一部分视为纯直线运动。
图3.3 4缸发动机一阶与二阶往复惯性力
图3.4 3缸发动机一阶与二阶往复惯性力
上面三缸机的图从主观感觉还是有点“不平衡”，其实是存在惯性力矩。我们看四缸机的一阶惯性力，缸1和缸4惯性力方向相同，缸2和缸3惯性力方向相同。但三缸机就不同了，缸1和缸3惯性力方向相反，这会带来什么问题？转动！
3.2三缸发动机受力分析
现以发火顺序为1- 3- 2的三缸机曲轴为例分析其运动时所受的力和力矩。如果该机的曲柄半径为，两缸间的距离为，转化到曲柄销上当量质量为，往复惯性质量为，曲轴旋转角速度为ω，则由内燃机动力学知，四冲程三缸机的旋转惯性力的合力、一阶往复惯性力和二阶往复惯性力的合力均已平衡，但是四冲程三缸机的旋转惯性力矩、一阶往复惯性力矩和二阶往复惯性力矩均未平衡。其中 与气缸中心线平面的夹角恒位于第一曲柄后30°时达到极大值其作用平面恒位于气缸中心线平面内； 并且在α= - 15°与165°时达到最大值。因此，应根据三缸机的实际用途,对其采取适当的平衡措施以满足用户的需要。
3.3惯性力计算分析
依据当量系统与原机构动力学等效的原则，把曲柄连杆机构的质量分为旋转质量和往复质量，按照理论力学公式，当量质量的换算：
旋转质量：
往复质量：
其中，指曲轴旋转时产生旋转惯性力的那部分质量；指连杆组的质量；指活塞组的质量；结合活塞运动的加速度公式得出：
往复惯性力：
旋转惯性力：
由往复惯性力公式看出，往复惯性力和加速度变化规律相同，只不过乘了一个常数，方向和加速度相反，结合图3.5，可以看出，往复惯性力成周期性变化，一个周期内经过一次零点。旋转惯性力本质上是个离心力，大小不变，方向始终沿着曲柄半径方向向外[3]。
图3.5 活塞在不同曲轴转速下运动的加速度曲线
3.4三缸发动机平衡原理
3.4.1平衡旋转惯性力矩
图3.6 平衡块以及曲轴图
图3.7 三缸发动机曲轴图
旋转惯性力与力矩可以通过配重来消除。对于四冲程三缸机，其点火间隔为720°/3=240°，所以其旋转惯性力是平衡的，但是其力矩不是平衡，需加平衡块来平衡。
图3.8 几种平衡方法图
A.完全平衡法：每个曲柄上都加一个平衡块，此时共有六块平衡块。显然，6块平衡块时主轴承负荷最轻。
B.整体平衡法：在曲轴的第一块曲柄和第六块曲柄上各加一块平衡块，此时需要2块平衡块。这种方案所需平衡块质量最轻，但主轴承负荷最重。而且使用2块平衡块的方案需要加厚曲轴两端的曲柄，使曲轴和机体，气缸盖的长度加大；或者加大平衡块的旋转半径，此时会导致连杆长度加长。
C.四块平衡块
3.4.2平衡往复惯性力矩
图3.9 直列式三缸内燃机往复惯性力与往复惯性力矩的平衡分析
往复惯性力始终沿气缸轴线作用，会引起支承的纵向振动。特别说明的是，曲柄图呈中心对称的单列式发动机，往复惯性力都是平衡的。力矩作用在气缸中心线与曲轴中心线组成的平面内，力矩矢量方向与该平面垂直。如图所示为三缸机的往复惯性力及纵向力矩示意图。由b图可以看出，一阶惯性力FI=0，表示三缸机一阶往复惯性力是平衡的；FII=0，也表示二阶惯性力也是平衡的[4]。由c图可以看出，一阶惯性力矩最大值MI=2M+I；二阶惯性力矩最大值MII=2M+II。这两阶惯性力矩都不平衡。因此，三缸机需要平衡轴来平衡惯性力矩。
4.解决措施及案例
4.1夏利轿车用三缸汽油机（半平衡法）
图4.1平衡块位置图
图4.2转角位置图
夏利轿车用的三缸汽油机型号为376Q，其缸径为76mm，行程为73mm，发动机的发火顺序为1- 2- 3，各曲拐间的夹角为120°，可见，曲轴每个曲拐的离心惯性力、一阶往复惯性力和二阶往复惯性力均平衡了。但是为了减小曲轴的内力矩，该机采用了每个曲拐用两个平衡块来平衡离心惯性力矩。对于一阶往复惯性力，该机采用半平衡法，即附加一个平衡轴，平衡掉发动机往复惯性力矩的一半[4]。当活塞处于上止点时该机的平衡块及其传动关系简图如下图所示。
右图给出了活塞在上止点前30°曲轴转角时一阶往复惯性力矩和平衡块产生的离心惯性力矩的矢量图，图中表示一阶往复惯性力矩， 表示平衡轴产生的离心惯性力矩，其中， 力的方向如右图所示。
由余弦定理得发动机的不平衡合成力矩M为：
由此可见，增加了一个平衡轴后，不平衡力矩变化规律仍是余弦函数曲线，但是其幅值减小。鉴于平衡二次往复惯性力矩的装置会使发动机结构变得很复杂，所以该机没有采取措施平衡它。尽管376Q发动机采用的是半平衡结构，但经核算后发，其平衡轴的平衡块并未布置在最大消弱不平衡力矩的理论位置上，而是与该位置偏开一个约为15.64°的角度,其原因是因结构与工艺要求所致。
4.2奥拓轿车用三缸发动机
奥拓轿车用发动机为JL368Q汽油机，缸径为68.5mm，行程为72mm，最大功率为25.37kW (5500r /min)，发火顺序为1- 3- 2，曲轴采用全支承形式，曲轴上的三个连杆轴颈成120°布置。可见，该机的不平衡离心力矩为，一阶不平衡往复惯性力矩为。在实际结构上，该机在曲轴一、三曲柄销两侧各设置了2个平衡块，在第二曲柄销两侧设置2个偏转30°的偏心平衡块，以此实现用过量离心力来转换往复惯性力及由此引起的惯性力矩。这种结构也能达到减小最大惯性力矩的目的，但其缺点是用过平衡的离心力平衡最大一阶往复惯性力矩时，发动机曲轴上始终存在一个作用于主轴承上的力偶，并使发动机的横向出现一个周期性变化的离心力矩，这将会加大主轴颈的负荷和磨损。因此，采用这种结构时要非常慎重，应仔细计算好需要平衡的力偶。否则会使发动机失去应有的平稳性，而且发动机安装座的寿命也将会受到很大影响。由于JL368Q发动机的缸径小，需要平衡的惯性力矩也不大，因此由过量离心惯性力形成的横向作用力矩对主轴承造成的负荷并不太大。该结构的最大优点是结构简单，且易于实现发动机的系列化。如果缸径行程不变而增加至四缸时，发动机的前后端面几乎可以不变[5]。
4.3单轴平衡
图4.3某型三缸发动机平衡机构
某型三缸发动机平衡系统采用单轴平衡机构平衡一阶往复惯性力矩，其平衡功能的实现如图4.3所示。该三缸发动机平衡系统实现平衡功能的关键是通过传动机构带动平衡轴和配重块一起旋转，使曲轴旋转产生的不平衡力矩与平衡系统产生的力矩相互抵消。驱动齿轮与发动机曲轴连接，从动齿轮与平衡轴连接，曲轴旋转带动驱动齿轮旋转，通过齿轮啮合，驱动齿轮将运动和力传递给从动齿轮，从而带动平衡轴旋转，实现平衡系统的平衡功能。但是齿轮在传动过程中不仅存 在外部激励还存在因结构引起的内部激励，不可避免地产生额外的振动和噪声，对发动机系统的稳定性、安全性带来很大影响。为了尽可能地减少振动，提高齿轮传动的稳定性以达到提升平衡品质的效果，结合三缸发动机平衡系统传动力矩较小的特点，将从动齿轮设计为弹性齿轮[6]。
4.3.1弹性齿轮
图4.4
某型三缸发动机平衡系统组成如图4.4 所示，包括驱动齿轮、弹性齿轮、平衡轴、两个配重块以及轴承、卡圈等零件。发动机平衡系统的轴承包括球轴承和滚针轴承，主要起支撑作用，减小平衡轴旋转时的摩擦阻力，降低损耗。其中，球轴承安装在发动机箱体上靠近正 时端侧，滚针轴承内圈安装在平衡轴上靠近飞轮端侧，与滚针轴承外圈配合。 正时端配重块通过螺栓固定在平衡轴上，同时施加对弹性齿轮的轴向压力，在卡圈的共同作用下，固定弹性齿轮位置，限制其绕轴的相对转动；飞轮端配重块通过螺栓固定在平衡轴另一端，与正时端配重块保持一定的相位角。驱动齿 轮与发动机曲轴连接，弹性齿轮与平衡轴连接，曲轴旋转带动驱动齿轮旋转， 通过齿轮啮合，驱动齿轮将运动和力传递给弹性齿轮，从而带动平衡轴和与之 配合的配重块和轴承转动。当配重块与平衡轴以相同转速旋转时，由于不平衡 量的作用而产生平衡力矩，补偿曲轴工作时产生的偏移力矩，达到平衡一阶往复惯性力矩的作用。
图4.4平顺1.2T发动机平衡轴图
图4.5曲轴-平衡轴详细图
如何消除抖动问题呢？与很多厂家一样，宝马通过在发动机中加装一根平衡轴来最大化地抵消发动机的抖动问题。在曲轴侧面增加一个反方向转动的平衡轴来消除它的力矩，而非像4缸发动机需要两根平衡轴去消除二倍曲轴速度的振动力，并且曲轴、减震皮带轮以及发动机舱都有不同程度的减震处理。（宝马2系旅行车、宝马i8）。
4.4过量平衡法
图4.6 EcoBoost发动机
过量平衡法既简单，又能提高平衡效果，降低垂直方向振动效应。过量平衡法是指在平衡重上加上额外的重量，或者在皮带盘或者飞轮上加一定量的平衡重量。这种平衡法就需要在飞轮，皮带轮上下做文章。用这种方法的有福特的Ecoboost系列。EcoBoost 1.0T去掉了平衡轴，而在飞轮与皮带轮上采用“不平衡”设计，飞轮设计成偏心式的，重点是偏心式飞轮。
4.4.1减震皮带轮
图4.7 减震皮带轮安装图
图4.8 减震皮带轮图
减震皮带轮。这种带轮一般分为内外两个金属层，以及中间的橡胶层。应用上很好理解，曲轴的动力传输到内圈，内圈通过橡胶层减震后再把动力传输给外层，从而过滤掉一部分振动，当外层继续将动力传递到水泵、压缩机等附件上时，就会好得多。
4.4.2双质量飞轮
图4.9 飞轮图
双质量飞轮。从发动机到变速器的输出，从刚性变成了柔性，其实和减震皮带轮有点类似，飞轮也分成两块，但中间依靠的是弹簧。一般弹簧分成软、硬两级。一级飞轮旋转时，旋转力开始压缩弹簧，压缩到一定程度时，弹簧把力传递给二级飞轮，不同的扭矩波动，弹簧就以不同的压缩量来应对，特别是在工况切换的瞬态过程，抖动的发生可以被柔性的弹簧吃掉。
5.不足之处
目前，面对3缸发动机的抖动问题，各个厂商都在想尽办法希望通过机械手段进行减振处理，普遍使用的手段就是采用摩擦式减振器、偏心质量飞轮、平衡块、平衡轴等。有些甚至会在发动机结构上动脑筋，用上一个质量较大的曲轴皮带轮，利用皮带轮的转动惯性抵消发动机的震动，也有一些会在材料上下工夫，比如宝马，它会在发动机上盖上一个填充了PUR材料的厚实盖罩，这样做的目的就是，吸收发动机的震动和噪音。
图5.1摩擦式减振器
6.未来发展方向
6.1三缸机混合动力
三缸发动机比四缸发动机：体积更小，重量更轻，油耗更低，而动力输出在有低惯量涡轮介入的情况下，并不差于四缸机。装载了尺寸比四缸机小得多的三缸机，混合动力汽车的机舱布局难题也就迎刃而解了。对于一些前驱混动车辆来说，要在发动机舱同时布置燃油和电动两套动力系统，那么发动机体积自然是越小越好，能够有效减小发动机的体积和重量，三缸机型无论是体积还是重量都要优于四缸机型。三缸发动机放在混动车型上，起步时用电，电动机能很好的释放强大的扭矩，而发动机不工作，抖动大的问题不存在；高速巡航时发动机参与工作，此时刚好最省油。由于需求量巨大，这时候如果继续采用四缸机型反而会造成成本的上升。省油的同时也能为发动机舱留出更大的空间，将来随着电气化、电池电机技术的发展，发动机向小型化发展更有利于插电式混合动力，对于降低排放也更有帮助。 在新能源汽车已经成为国策的时候，三缸涡轮发动机对于新能源的意义和价值将越来越重要。
6.2 混合动力方式
6.2.1串联式混合动力
图6.1串联式混合动力
发动机直接带动发电机发电，发电机产生的电能或蓄电池的电能通过变频器传输给电动机，由电动机驱动齿轮机构使车辆行驶。蓄电池对发电机产生的电能和电动机需要的电能进行调节。（一般公交车使用，很少轿车）
6.2.2并联式混合动力
图6.2并联式混合动力
并联式混合动力汽车采用发动机和电动机两个动力驱动，以发动机为主动力，电动机作为辅助动力。发动机和电动机可以独自驱动车辆，也可以同时协调工作。并联式混合动力汽车主要以发动机驱动车辆行驶，在汽车起步、加速等工况用电动机辅助驱动，以降低发动机油耗。当发动机提供的功率大于车辆所需驱动功率时或者当车辆制动时，电动机工作于发电机状态，给蓄电池充电。对于发动机与电动机的动力组合，电动机动力的接入位置有下列几种： 1.发动机输出轴处。结构紧凑，电动机比功率大，已形成系列产品，采用中间离合器可以减少回收能量损失，但制动回收能量损失较大。
2.变速器处。与变速器制成一体，但变速器改动大，不适合现有车辆改装。
3.驱动轮处。不改动发动机总成，适合单一的无怠速系统，可以使用12V电源，但功能单一，需要设置一个扭器。 并联式混合动力系统结构比较简单，成本低，适用于多种行驶工况，尤其适用于复杂的路况。这种混合动力系统在本田改为中文名称（Accord）和思域上应用较多。
6.2.3混联式混合动力
图6.3 混联式混合动力
发动机和电动机采用轮系将动力结合在一起，可以灵活地根据车辆行驶工况来调节发动机的功率输出和电动机的运转。在车辆起步和低速行驶时只用电动机驱动，在车速提高时发动机和电动机配合驱动。发动机的动力通过动力分离装置分成两部分，一部分用来直接驱动车辆，另一部分用来带动发电机发电。 混联式混合动力系统在丰田普锐斯上应用较多。另外，发动机直接驱动前轮，电动机驱动后轮，适合于四轮驱动车辆。
7.结论
三缸发动机具备集成化强、结构紧凑的优势，非常适合与混合动力技术搭配，这些技术可以令驱动系统的动力性能进一步提升，并令其可搭载在更高级别的整车平台之中。而新能源混动车型的发展前景又是不容置疑的！
三缸发动机更适应当今节能减排的大环境。了解发动机技术的人都知道，代表发动机技术进步不是缸数，而是单缸效率。在1.0L-1.5L排量发动机中，三缸单缸排量优于四缸单缸排量：在满足整机性能需求的前提下，发动机热效率的提升，是内燃机设计工作者追求的目标，而单缸排量对于发动机性能和油耗的平衡尤为关键。经过理论分析和试验验证，单缸排量在0.33L-0.5L的发动机，单缸效率最高，发动机的整体效率也就最高。
从发动机发展的历史进程来看，8缸发动机取代了最古老的12缸，4缸发动机取代了6缸，再到现在的3缸发动机取代4缸。发动机的动力性能越来越强劲，燃油经济性越来越好。发动机的合理精简，这背后是无数工程师的辛勤付出以及无数次实验的技术积累。随着人们理性认知的不断提升，在节能减排、保护环境的大趋势下，三缸发动机势必将迎来高速的发展阶段！