为什么消费者不看好三缸发动机（或许你难以理解）

近日工信部发布了一组吉利缤越以及以及别克英朗四缸车型申报图引来一片哗然，难道三缸机真不如四缸？ 答案自然是非也。如今，企业打造一台三气缸的高效内燃机，其投入的时间精力金钱并不亚于四缸，甚至更甚于四缸。

提到造车成本，我又常常想到一个略带戏谑和奇葩的问题，多少人能意识到自己总带着固有刻板印象去看待事实的？就像是：相比四缸引擎，三缸机更便宜。身边的大部分朋友一直这样认为的——少了一个气缸，少掉一组点火系统，少了一组活塞连杆，甚至连曲轴、凸轮轴等都短了一截，相比四缸引擎，三缸的成本自然会低了不少。

但固有认知便一定是对的吗？答案还是非也。

一台符合2020年高效小排量内燃机定义的三缸引擎，它的成本，远超乎我们的想象，甚至于足够打破我们的固有认知。没错，全新一代的三缸高效内燃机，成本已经超越了我们印象中的大部分四缸引擎。

零部件研发标准，远超你的想象

因为普通的消费者对发动机的研发和制造成本是没有概念的，在这里先给大家科普一些汽车零部件的技术要求。

以发动机上的气门弹簧为例，在中高负荷工作时，其应力可以高达到900-1000MPa，同时还要求在150-200℃下长期工作时负荷特性不能大幅度下降，不仅如此，它还必须有超过3000万次（国标）的疲劳寿命要求，而当前的行业普遍水准，已经到6000万次。整整6000万次，这个过程中气门不能磨损漏气，封套不能磨损窜油。听起来很难吧？这仅仅是汽车业几十年前就解决了的小零件，类似的零件不说上万，上千个还是有的。

放在其他行业普通工厂的工程师一听就头疼的标准，在汽车业仅仅是入门基操。有句俗话说的是，当你摸到了自己行业的天花板，也就摸到了汽车行业的入门砖了。

那么一台三缸引擎的成本又有何惊喜带给我们？一台成本超越四缸的三缸引擎应该是怎么样的？

三缸机虽说相比四缸机少了一个气缸，但是从如今量产的高效三缸引擎的标准来看，但是它的成本和价值并不能用简单的缸数相减进行衡量，研发和打造一台强劲动力、高效油耗和超低排放的三缸引擎，并不是一件容易的事，为此主机厂的投入，远超我们的想象。

符合高效小排量引擎精神的三缸引擎，根本不同于20年前奥拓之流的纯粹为让让车辆动起来而制造的三缸引擎，新时代的高效三缸引擎基于严苛的标准和全新的技术研发并打造，异于那些四缸引擎的全新创新部分便是能够体现它的成本和价值的地方所在。

35Mpa高压直喷，不仅仅是提升喷油压力

世界的时钟已经指向了2020年，在这个时间点，中国就会开始实施第四阶段乘用车的油耗标准，2020年乘用车新车的平均油耗要达到5.0L/100km，当然除此之外，国六排放标准也在全国被迅速普及；同样，在欧洲，欧6c及RDE测试工况的引入，对于任何一家车企的引擎的耗油量及排放都提出了极为严苛的要求。尤其是排放，和国6B类似，汽油机尾气中的微粒数量限值数量被要求下降至原先的十分之一。高效小排量引擎的使命之一，便是完成这极近苛刻的测试。

面对超低尾气颗粒物排放的测验，部分车企甚至将原有的缸内直喷技术放弃，技术倒退用回了进气歧管喷射来满足排放限值，但是高效小排量三缸引擎的策略并不是投机取巧，缸内直喷不能丢，即便譬如通用的每套SIDI直喷技术相较于电喷在物料成本上就能高出大几百，但为了不牺牲动力与燃油经济性，高效三缸引擎依然更倾向于投入更多成本采用更高的喷油压力来达到限值标准，于是，35MPa的超高压喷油系统也成了这类引擎的标配。宝马全新升级的B38TU便是其中的代表之一，其喷油压力一举从20Mpa提升到了35Mpa，以应对即将到来近乎不讲道理的排放限制。

35Mpa高压直喷供油系统，这可不是一套简单的系统，市面上的直喷系统压力普遍才到15-20Mpa，一举采用35Mpa高压直喷供油系统带来最大的挑战便是喷油嘴的采用，电控喷油器是高压共轨系统中最关键和最复杂的部件，也是设计工艺难度最大的部件。ECU通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入的燃烧室。从15Mpa升级到35Mpa表面上只是喷油压力的提升，实则首先带来了喷油嘴的重新研发设计，同时对整套喷油系统的强度和设计理念也提出了挑战。

因为喷油压力的提高，与喷油嘴相匹配的燃油泵及其由滚轮挺柱和凸轮轴的传动都需要被重新设计考量，其中喷油压力的提升必然会增大滚轮挺柱和凸轮之间的表面压力，并在气门传动机构中产生了更大的力矩，因此在不改变燃油泵位置的前提下，则减小燃油泵柱塞力（减小柱塞直径，增加柱塞行程），由此燃油泵需要被重新设计研发及匹配。

并且因为喷油压力的提升，在燃油共轨内部，燃油压力所产生的应力已达到了焊接材料的强度极限，在极端情况下，甚至需要采用锻钢共轨，生产工艺的变化对生产布局、研发和供应商的选择都有较大的影响，换句话说，简单的喷油压力升级到35Mpa，影响的是整套高压直喷供油系统，由此带来的成本提升，可谓是牵一发动全身。相比较采用4组20Mpa喷油嘴的四缸引擎，3组35Mpa喷油嘴的高效三缸引擎在喷油系统上的成本只高不低。

当然，35Mpa带来的效果也足够显著，超高的喷油压力使从喷嘴顶端喷孔喷出的燃油喷束的出口速度更大，因此燃烧室中空气与燃油喷束之间产生了更强烈的剪切力，引起的更大扰动产生了液相与气相之间更为强烈的相互作用，从而改善了燃油的雾化效果，其带来的当然是更为充分的燃烧，更高的热效率和更低的排放。

机电一体化，高效三缸引擎解读效率

在汽车领域，机电一体化是绝对的大势所趋，在汽车机械方面，它和电控会趋向于归并到一体，机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合。相比较汽车领域最传统的纯机械结构，被赋予了电气化的零部件，不仅在执行层面更为精确，还能有效提升动力系统运作的高效性。汽车电控系统由传感器与车上的机械系统配合使用，并利用电作为介质互相传输讯息，完成高效运作，在发动机热管理层面，电气化已经渗透至很多高效内燃机总成系统中。

在热管理以及冷却系统方面，高效发动机追求的从来都是合理的控温，合理的控温意味着时刻保持最佳的发动机内部升温与散热的循环，发动机低温时候的引擎摩擦内耗大，输出功率低，燃料消耗量也大，而温度过高的时候，气缸、活塞、气缸盖和气门等部件直接与高温环境相接触，会被强制受热，那么此刻发动机温度过高，引起充气系数下降以及早燃、爆震等负面工况，从而影响功率输出并加速各零件的磨损。

在热管理系统没有智能电气化帮助的年代，用机械的方式可以一定程度上控温，但精确度显然不及电控的十分之一，因此老式引擎的效率一直不高，一直到智能电控热管理的加入，高效引擎新的思路才得以被挖掘。热管理系统就是典型的汽车电子控制系统，它在硬件结构上一般由3部分组成：传感器、电子控制单元（ECU）和执行机构。类似热管理这般的技术的加入，毫无疑问意味着成本的上升，不考虑热管理系统中的额外执行机构带来的成本提升，单单热管理模块这一部分，行业均成本也来到了300元左右。

大众在全新一代EA211 evo 1.0T的三缸机型上采用了“Drehschieber”冷却系通路控制器，简单来说，这就是一个可以根据冷却液温度可变控制模式的多通路开关阀门。它控制了发动机缸盖/缸体冷却循环、散热器循环以及空调热交换循环通路的开闭。它便是在电控系统中作为执行器而存在的。

当电控系统的传感器检测到水温偏低时，ECU便会发出指令，让“Drehschieber”开启水冷小循环。即冷却液温度未达到节温器开启温度时，水不经过散热器而进行循环流动，冷却液将通过水循环管直接从水泵重新进入缸体，水温将持续升高至发动机最佳工作温度。

让传感器检测到水温过高时，冷却液温度已经达到了节温器开启温度时，ECU便会发出指令，让“Drehschieber”开启水冷大循环。节温器阀门关闭循环管旁通水路，冷却液将穿过节温器流入散热器水室，热水经风扇吸过空气流强制冷却，散失部分热量，水温降低，冷却液流存于散热器水室，经水泵在泵入缸体重新参加冷却循环。

这个过程中传感器、ECU和执行机构都必不可少，同时因为机械和电气化的跨领域整合，中间涉及到的机械、微电子、信息处理等学科互有交叉，对研发的难度提升自然是有目共睹的，多学科人才的集合，匹配全新的系统开发，研发方案等等，这无疑都带来了成本的提升。

而机电一体化的核心依旧是研发逻辑，其目的都是为制造出高效的内燃机所服务的。同样在发动机热管理系统中，类似“Drehschieber”的方案在通用第八代Ecotec引擎中被称作ATM，除此之外，第八代Ecotec还有更复杂的电控黑科技，其凭借高压水冷废气再循环系统，用一套惊为天人的机电系统，精确控制各大执行机构，带来了减少能量损耗的积极作用。

高压水冷废气再循环系统在增压器前端，又增加了电控结构——电控泄压阀EGR，凭借着ECU的计算，精确按需导出燃烧废气，在经由电控的热管理系统中进行水冷却后再次输入燃烧室。由于废气中不再含有可供燃烧的氧气，因此不会再产生燃油损耗；且废气可以在燃烧过程中降低泵气损失和燃烧温度，改善燃烧环境，减少维持燃烧所需的喷油量，进而达到发动机工作效率的提升。为了达成废气再循环以改进燃烧，EGR作用显著，但成本也是相当夸张，单套EGR的成本可以上到约600元，用机电一体化来诠释高效，理论上是几个点的提升，肉眼可见的是数千万甚至上亿的投入。

从热管理系统延伸，不论是精确控温还是废气再循环，其目的是达成引擎本身的高效属性。电气化和机械的碰撞所擦出的火花，则让引擎本身的高效达成有了更多的捷径。不过这都是基于高额研发的投入前提下的，电控系统的加入让ECU的控制逻辑更为复杂，传感器需要经过长时间的测试投入，执行机构的加入甚至需要改变发动机的整体布局结构，这其中的每一项都需要强大经济的支撑，机电一体化的道路，实际上都是金钱所铺设出来的。

寻求最优单缸，试验中寻求真理

在汽车排量的参数身旁往往匹配着缸数。而对于单缸排量的理解，很多主机厂都对其进行过研究。寻求“最优单缸”主要是为了解决两个问题：动力和油耗。汽车作为由上万个零件组成的工业代表产品，其需要考虑的并不只是它需要多大的动力，并且在排放法规越来越严苛的当下，权衡动力和油耗已经是现今发动机工程师们的最重要课题之一了。

在二十年多前，一群德国的大学科研人员就已经研究发现0.5L可能是内燃机最佳的单气缸排量，并且在这个基础上，加上行程>缸径的设计，发动机就可以使燃烧室的面容比(内表面积/体积)达到最小，从而改善燃烧过程，降低冷却损失，提升热效率。这也是最优单缸的一个最初解，宝马的B系列模块化引擎便是基于这个概念研发而来，B38三缸，B48四缸，B58六缸，由此形成宝马如今主要的引擎序列。

但上帝不会给我们一个看似如此完美的解，0.5L/缸，这个解太过于“合理”了，通用的工程师们在研发第八代Ecotec发动机的时候，便基于对0.5升单缸的疑惑进行了一系列的测试，而寻求最优单缸，就是通过优化燃烧室参数设计，辅以改进的喷油系统与空气系统设计以及控制参数，经过“寻优”得到最佳的单缸参数组合，这是一个极度复杂的过程。因为气缸的结构参数对燃烧过程有着实实在在的影响，而这影响又是非线性的。

在寻优的过程中，各种问题接踵而至，燃烧室形状并不规则，工作过程中气流流动热场分布不均匀，活塞运动过程中传热损失时刻在发生变化，爆震、排放等问题都对寻优的阻碍……在经过极长周期的反复台架试验、收集数据并进行分析后，通用得出了得到了近似最优解。在边界条件为1.0L-1.5L的排量范围下，最优单缸的解是0.33L-0.5L，过小则会因为喷油嘴、火花塞、点火系统的布置困难导致效率降低，过大则会因为燃烧不均匀导致振动严重。

在此理念下通用打造出来的1.0T、1.35T三缸发动机，是业内首批从设计源头起就匹配全球最严苛排放标准正向研发的机型，可以轻松满足当前的“国六B”和北美ULEV 50要求，并可在未来进一步升级之后满足更为严苛的二阶段“国六B”标准。同时，大众的EA211 evo 1.0T三缸引擎自然也是遵循单缸最优理念打造而来，其在性能和油耗上的表现，都是当之无愧的下一代高效内燃机的标杆之作。

对于单缸最优的探索，大量的实验投入为全新一代的高效内燃机在排量和缸体基础上的选择有了重要理论指导。当然，其中的研发投入依然是一个让常人惊呼的天文数字，不过，不论是通用还是大众，当然还有宝马、沃尔沃这些走在高效三缸引擎前列的企业，对于研发的投入，都是足够慷慨的。

三缸成本低于四缸？醒醒，2020年了

如果说曾经的三缸引擎只是为了让车辆动起来，那么如今的高效三缸引擎早已摆脱了三缸引擎固有定位的桎梏，新时代的高效三缸内燃机秉持的是高效、节能、低排放以及强NVH水准的理念打造。

不仅是大众的EA211 evo还有通用第八代Ecotec以及宝马的全新B38TU，高成本的35Mpa高压直喷供油系统是它们一致的选择；而不论是电控泄压阀EGR、高压水冷废气循环系统、ATM主动热管理系统还是VTG（Variable Turbocharger Geometry）、Drehschieber、B-Cycle，通用和大众不约而同地在它们全新一代的三缸引擎上不吝采用各种新技术来武装自身。这还没完，对三缸NVH的优化也是项烧钱的大工程，第八代Ecotec就采用了曲轴橡胶减震轮、钟摆式双质量飞轮、静音正时链条、高性能吸音前盖等等技术来达成强NVH水准，高效三缸引擎仅此一部分的成本便轻松破千。

毫无疑问，全新的技术配合更为严苛的工作环境和研发标准，这一切都将转换为高昂的研发及制造成本，三缸引擎真的便宜？不尽然。

即便从物料成本来看，一台第八代Ecotec 1.35T引擎相比通用前几年广泛使用的1.4T和1.5T引擎，成本大约降低了1000元，但是，不论是为了全新一代高效三缸动力所投入的高额研发，还是为了验证全新动力总成所做的465万公里发动机全负荷耐久试验、发动机冷/热冲击试验、发动机冷/热拉伤等试验，由此带来的结果便是，如今通用每卖出一台1.35T三缸引擎，其承担的成本甚至还要高于先前的1.4T/1.5T四缸引擎数千元。

而作为通用第八代Ecotec同步研发的 1.0T三缸引擎，单单物料成本就已经超过了其用以取代的1.5L自然吸气四缸引擎，更别说高额的研发测试成本所带来的成本提升了。同样，用以匹配这全新一代引擎的传动系统——通用全新钢链式CVT变速箱也是价值不菲，相比市场上的主流钢带式CVT，这台用以匹配高效三缸引擎的变速箱采购成本就要高上1000-2000元。

但凡能完美诠释高效的当代三缸引擎，在成本上都十分夸张，不仅是通用，大众的全新一代EA211 evo 1.0T三缸引擎，物料成本也已经与上一代的EA211 1.2T四缸引擎不相上下，除去各类新技术的研发，mHEV架构的预留设置也吞噬掉了巨额的费用，一万小几千的成本只为采购一台三缸机，这放在20年前甚至都是无法想象的事情，但是如今却真实地呈现在我们的眼前。三缸的成本高于四缸不仅在大众和通用上出现，PSA的三缸机成本也要比自家的1.6THP四缸引擎高出了5%。

不必惊讶，因为现阶段的高效三缸引擎，就是这么贵。以简单的缸数来衡量成本，是完全错误的。然而好消息是，随着国六b第二、第三阶段的逐步实施，2020年，丰田、大众乃至捷豹等豪华品牌三缸车型即将登陆中国，市场终究将回归理性。

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