丰田重拾三缸机的秘密

• 最后试水三缸机的超级车企

丰田这个浓眉大眼的，最终也是禁受不住三缸的诱惑。

在去年丰田在国内首先试水了雷凌车型，将同2.0L 搭载Dynamic Force高热效率燃烧系统模块化下方到1.5L三缸机。而这台发动机搭载的车型上进行简单的对比，实际上相对于之前的1.2T，优势并不大，最大功率虽然提升了4kW，但最大扭矩缺降低了37NM，还是在4600转达到的。要知道最大功率的点不常有，而地板油常有。最致命的是，“三缸抖”的固有印象已经牢牢印在国人心中。

实话实说，三缸机拥有众多优点。重量轻、结构紧凑，这使得三缸机可以放置在制造商所有车辆范围内的多个平台上，特别是在A级车这种本来空间就有限的设计中，减少动力总成的布置可以大幅提升有效乘坐空间。此外，更紧凑的发动机使工程师更容易遵守碰撞安全法规，汽车在发动机前方和上方需要一定量的挤压空间，以使其在碰撞中足够安全。更重要的是，像丰田这样追求精益生产的企业，减少一个缸体，以及减少一个缸体的配件，在建造数十万辆汽车时，时间和配件的成本节省都相当可观。除此之外在减少摩擦等方面三缸机仍有巨大潜力。

优劣共存，那么为什么丰田要在三缸机风潮的尾声再次进入，是憨憨还是头铁？

全新雷凌12个车型中，已有3款搭载1.5L TNGA发动机

三缸到低抖不抖？

三缸在国内之所以“臭名昭著”，提到最多的实际上就是三缸的抖动问题。简单来看实际上三缸相对于四缸，就是简单的砍掉了一个缸体，是否真的会带来别人口中那么“剧烈”的抖动问题呢？三缸机的固有印象是不是更多的靠的是“别人”，或者媒体的夸大渲染，而不是真正的市场反馈呢？如果是夸大其词，那么为什么众多车企下水的三缸潮流，最终均以大败告终呢？

讨论三缸抖不抖，归根结底是要重新回到机械设计的本质。很多的文章都在讲三缸机由于不对称的结构使得整机先天存在惯性力，而利用平衡轴可以改善这一缺点。实际上这句话只说对了一半。气缸的抖动来自于发动机四冲程的往复设计，表现在力矩上往往是一个多项式的表达（具体可以参考SAE: A Study on the Balancing of the Three-Cylinder Engine with Balance Shaft），而分解因式中存在多阶因式。简单来说，发动机气缸带来的抖动是一系列组合力的再结合，最终表现在整机上的不平衡。平衡轴的设计往往就是为了降低1阶惯性力，因为1阶惯性力是最大的因子，是影响最大的一项。反过来讲，一个平衡轴很难完全将惯性力抵消，只能尽可能抵消，不可能消除。

更重要的是，影响平顺性的主要跟点火的频率（点火间隔）有关。现在主流都是四冲程的机型完整的一次进气 / 压缩 / 做功 / 排气曲轴要转两圈 720°。对于单缸来说，曲轴转两圈点火一次。那对多缸来说，就是曲轴转两圈所有缸各点火一次。对 L3 来说就是曲轴两圈点火 3 次：540°。对 L4 来说就是曲轴两圈点火 4 次：720°。可以看见，L3 点火频率较低，发动机是通过悬置安装在车架上，而悬置有减震的需求，刚度不会特别大，所以其本身的固有频率比较低，那 L3 较低的点火频率在低转速、也就是怠速的时候会落在悬置的固有频率区间，就容易引起悬置的共振，而这个才是真正引起怠速抖动的关键点。我们看到的可见的，可感受到的，可影响我们感受的抖动，很大程度上是来自于共振，这是利用隔绝措施很难去掉的。在平衡轴、平衡架等各种复杂的机械结构上，新增的摩擦等损耗不算，单算成本和维修、使用可靠度都需要重新考虑，这一套系统不是磨合，不会越开越好，很有可能是越抖越差。这也是为什么抖动感受最差的是低速，而不是理论上惯性力更强的高速大负荷区域。

所以，三缸一定会抖的，要求不高的情况下，静音静抖解决的很好的也许可以尝试，但是更有效的抖动消除办法就是直接去掉低速运转区间。有一种解决方法就是拉高发动机转速，特别是拉高发动机怠速转速。实际上拉高怠速转速对燃烧系统来讲也有好处，可以适应日系的快速燃烧系统，建立更强的缸内气流优化低速油气混合、雾化，降低排放，解决湿壁等问题。但是坏处也很明显，油耗和噪音也会相应提升。

1500转满负荷时的各阶震动速度，添加平衡轴可以降低到20%以下

发动机启动过程与抖动对比

  发动机各转速下NVH对比，主要差别在低速（1.0L 三缸VS 1.8L 四缸）

TNGA架构下Dynamic Force 燃烧系统

这套燃烧系统主打两个核心-效率和减排。

TNGA架构加持，丰田最出名的燃烧系统就是Dynamic Force。顾名思义，Dynamic Force一战成名，靠的就是气流主导的快速燃烧。也正是这套燃烧系统，使得发动机设计逐渐趋于一致，越来越多的厂商开始关注高滚流以及VVT，开始关注高湍流度带来的快速燃烧。在设计方面，当前或许很难找到一台发动机上没有丰田这套燃烧系统的影子。这套燃烧系统最初的开发目标就是直指效率和减排去的，再明确一点就是高校区的提升，峰值热效率突破以及PN的优化。其核心策略是利用气流降低湿壁，促进混合以及提升湍流度，促进快速燃烧。该设计同样被搭载到TNGA的混动架构上，进一步优化了其峰值效率以及真实运行油耗。

所有车企将重拾三缸，砍缸战术或将贯彻到底

看到这里，其实丰田重拾三缸的背后原因已经逐渐浮出水面。在目前的这个状态下，传统车企在制定车型战略的时候，面对法规实际处在一个比较尴尬的局面。实际上处罚带来的是一些显性的经济损失，而背后CAFC以及NEV积分上“环保”的大帽子带来的隐形损失也相当致命。传统车企在面对严苛的排放法规以及双积分法规上几乎全军覆没，除了利用新能源走量拉平积分，唯一的方法就是降低排放，降低油耗。2.0路线规划的预测明确了节能汽车在未来与新能源汽车平分天下的地位，也有一点点各方妥协的意味。

在热效率仍无法大幅显著突破的情况下，削缸是一个比较快的方法，面对一大部分只有出行需求，并没有过高驾驶体验要求的群体时，其实降低成本，降低排放，降低油耗的三缸动力总成似乎并没有什么问题。无非就是启动怠速抖一点，也不会去地板油，更不会开到发动机的最大功率。所有的要求就是说这台发动机可以开，其实也没有那么不堪，平衡轴加持，一系列所谓的减震措施修复，得到的效果还是不错的。

但是我们重新来看今年搭载这台三缸自然吸气发动机的雷凌系列销量可以看到，一向所向披靡的丰田似乎也吃瘪了，三缸发动机并不好卖，三缸定律在中国依旧没有依靠丰田被打破。

分析其原因，其实该三缸机的定位还是太差劲了。

原本三缸的优势在纯燃油上凸显不多，模块化的生产策略也并没有给三缸机更多的控制优化（比如低速、怠速下三缸优势并不明显），而价格差别也并不大。这就使得同样摆在面前的三缸和四缸机，很难有人认真分析过后选择了三缸。对比国外三缸销量的出色成绩，搭载三缸的丰田纯油车，是真实定位在代步车的产品级别上的，冲的是省油、便宜和保值率高的特点，综合算下来可能就是一个租车的感觉。换句话说，这台三缸车如果再便宜甚至2W块钱，销量就会以非线性拉升。在这个价位的产品维度上，丰田三缸就会无限放大其高热效率、平顺静谧的特点。

 2020年国内部分乘用车企单车双积分情况以及2020年产量

但是丰田不会这样做的。除非重新设计特定三缸的燃烧系统，去掉例如双喷等额外成本，真正成为一个中国代步车，与宏光神车齐平的价位，否则怎么算三缸车在各个维度都不划算。

综上，无论如何设计传统燃油车的动力系统，三缸或者四缸已经显然不具优势。这次丰田又重新拿出3缸，目的只有一个：混动。混动动力系统可以很好的优化三缸机在低转速下的共振抖动，并且丰田特有的THS混动系统可以利用电机在全域优化发动机三缸的动力冲击。此外混动的加持也让本身没有动力可言的三缸自吸发动机提升了不止一个级别，在家用的同时也能体验驾驶的快乐，真正贯彻丰田“Fun to drive”的理念。Dynamic Force的模块化燃烧系统，单缸最佳热效率的设计思路，使得三缸机总的真实运行热效率在混动加持下变得更高，发动机成为动力总成中关键的能量转换装置，而不用过多考虑最大扭矩与极限工况。这些所有的特点可以说混动架构与三缸机可以很好的互相成就，这也就是为什么所有车型其混动架构下三缸机越来越多，但是吐槽越来越少。

按照这个思路，我们不排除未来会诞生双缸发动机，甚至单缸发动机。只不过新的双缸发动机混动系统一定需要搭配下一代燃烧系统而产生。未来稀薄燃烧加持下的缸径可能不会再维持现有的小型化趋势进一步缩减排量，反而双缸的动力可以搭配变空燃比的思路切换动力输出。新的产品需求必须要求技术的绝对匹配，任何拼凑的动力总成不会在混动动力这条道路上走得通，而用户、销量会真实的反应技术背景下的真实产品力。在丰田这条产品线上，毫无疑问，三缸TNGA+混动会是未来很好的动力选择。

 海外版 Yaris以及混合动力系统

三缸之争或许在混动时代下真正落下帷幕

当前纯燃油车的三缸机是否值得购买的问题，很快就会落下帷幕。很多人一直以来从国内外的销量上进行对比，认定：“外国人更注重环保，国人知识有限误解三缸机。”这种说法实际上是缺少对“车”与“动力”的基本认知。大家可以纵览国内外的汽车产品图例，丰田目前三缸机的这种产品定位，如果价格真能拉到5W元（人民币）一定会卖爆，目标群体也不会对其挑三拣四。相同购买力放在美国去购买YARiS是一个道理，大家购买车的心态、预期和使用状态不一样，三缸的口碑自然也就不一样。国内产品认真研究三缸技术，但是并没有与其匹配的高效燃烧系统，甚至一个能打的都没有，单单砍缸加平衡轴能做的非常有限，全球能说好节油的企业可能全在日本。但是电气化时代的来临给了其他车企的一个非常好的时机，重拾三缸+混动的技术路线，简化燃烧系统开发难度，打造可以与之匹敌的新总成。

大火的E-power增程混动系统同样选择了三缸，其NVH性能对标纯电

如果你真的不在乎1.5L和1.2T的使用区别，或者认真研究后1.5L三缸机或许真的符合你的使用场景以及购买需求，那么下单三缸好了。但是值得肯定的是，纯燃油的三缸机不会是丰田下一代动力总成的核心，甚至不再会针对其进行新系统的开发。反之，混动版本的三缸可以说和纯燃油版天生不是一个概念，特别是在丰田这种针对混动版本进行特殊优化的前提下，这种动力思路会越来越多的搭载到任何级别的车型中，成为技术主流。