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豐田重拾三缸機(jī)的秘密

作者:Jeff 更新時間:2023-01-02 點擊數(shù):

  • 最后試水三缸機(jī)的超級車企

豐田這個濃眉大眼的,最終也是禁受不住三缸的誘惑。

在去年豐田在國內(nèi)首先試水了雷凌車型,將同2.0L 搭載Dynamic Force高熱效率燃燒系統(tǒng)模塊化下方到1.5L三缸機(jī)。而這臺發(fā)動機(jī)搭載的車型上進(jìn)行簡單的對比,實際上相對于之前的1.2T,優(yōu)勢并不大,最大功率雖然提升了4kW,但最大扭矩缺降低了37NM,還是在4600轉(zhuǎn)達(dá)到的。要知道最大功率的點不常有,而地板油常有。最致命的是,“三缸抖”的固有印象已經(jīng)牢牢印在國人心中。

實話實說,三缸機(jī)擁有眾多優(yōu)點。重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊,這使得三缸機(jī)可以放置在制造商所有車輛范圍內(nèi)的多個平臺上,特別是在A級車這種本來空間就有限的設(shè)計中,減少動力總成的布置可以大幅提升有效乘坐空間。此外,更緊湊的發(fā)動機(jī)使工程師更容易遵守碰撞安全法規(guī),汽車在發(fā)動機(jī)前方和上方需要一定量的擠壓空間,以使其在碰撞中足夠安全。更重要的是,像豐田這樣追求精益生產(chǎn)的企業(yè),減少一個缸體,以及減少一個缸體的配件,在建造數(shù)十萬輛汽車時,時間和配件的成本節(jié)省都相當(dāng)可觀。除此之外在減少摩擦等方面三缸機(jī)仍有巨大潛力。

優(yōu)劣共存,那么為什么豐田要在三缸機(jī)風(fēng)潮的尾聲再次進(jìn)入,是憨憨還是頭鐵?

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全新雷凌12個車型中,已有3款搭載1.5L TNGA發(fā)動機(jī)


三缸到低抖不抖?

三缸在國內(nèi)之所以“臭名昭著”,提到最多的實際上就是三缸的抖動問題。簡單來看實際上三缸相對于四缸,就是簡單的砍掉了一個缸體,是否真的會帶來別人口中那么“劇烈”的抖動問題呢?三缸機(jī)的固有印象是不是更多的靠的是“別人”,或者媒體的夸大渲染,而不是真正的市場反饋呢?如果是夸大其詞,那么為什么眾多車企下水的三缸潮流,最終均以大敗告終呢?

討論三缸抖不抖,歸根結(jié)底是要重新回到機(jī)械設(shè)計的本質(zhì)。很多的文章都在講三缸機(jī)由于不對稱的結(jié)構(gòu)使得整機(jī)先天存在慣性力,而利用平衡軸可以改善這一缺點。實際上這句話只說對了一半。氣缸的抖動來自于發(fā)動機(jī)四沖程的往復(fù)設(shè)計,表現(xiàn)在力矩上往往是一個多項式的表達(dá)(具體可以參考SAE: A Study on the Balancing of the Three-Cylinder Engine with Balance Shaft),而分解因式中存在多階因式。簡單來說,發(fā)動機(jī)氣缸帶來的抖動是一系列組合力的再結(jié)合,最終表現(xiàn)在整機(jī)上的不平衡。平衡軸的設(shè)計往往就是為了降低1階慣性力,因為1階慣性力是最大的因子,是影響最大的一項。反過來講,一個平衡軸很難完全將慣性力抵消,只能盡可能抵消,不可能消除。

更重要的是,影響平順性的主要跟點火的頻率(點火間隔)有關(guān)?,F(xiàn)在主流都是四沖程的機(jī)型完整的一次進(jìn)氣 / 壓縮 / 做功 / 排氣曲軸要轉(zhuǎn)兩圈 720°。對于單缸來說,曲軸轉(zhuǎn)兩圈點火一次。那對多缸來說,就是曲軸轉(zhuǎn)兩圈所有缸各點火一次。對 L3 來說就是曲軸兩圈點火 3 次:540°。對 L4 來說就是曲軸兩圈點火 4 次:720°。可以看見,L3 點火頻率較低,發(fā)動機(jī)是通過懸置安裝在車架上,而懸置有減震的需求,剛度不會特別大,所以其本身的固有頻率比較低,那 L3 較低的點火頻率在低轉(zhuǎn)速、也就是怠速的時候會落在懸置的固有頻率區(qū)間,就容易引起懸置的共振,而這個才是真正引起怠速抖動的關(guān)鍵點。我們看到的可見的,可感受到的,可影響我們感受的抖動,很大程度上是來自于共振,這是利用隔絕措施很難去掉的。在平衡軸、平衡架等各種復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)上,新增的摩擦等損耗不算,單算成本和維修、使用可靠度都需要重新考慮,這一套系統(tǒng)不是磨合,不會越開越好,很有可能是越抖越差。這也是為什么抖動感受最差的是低速,而不是理論上慣性力更強(qiáng)的高速大負(fù)荷區(qū)域。

所以,三缸一定會抖的,要求不高的情況下,靜音靜抖解決的很好的也許可以嘗試,但是更有效的抖動消除辦法就是直接去掉低速運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)間。有一種解決方法就是拉高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速,特別是拉高發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速。實際上拉高怠速轉(zhuǎn)速對燃燒系統(tǒng)來講也有好處,可以適應(yīng)日系的快速燃燒系統(tǒng),建立更強(qiáng)的缸內(nèi)氣流優(yōu)化低速油氣混合、霧化,降低排放,解決濕壁等問題。但是壞處也很明顯,油耗和噪音也會相應(yīng)提升。

 

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1500轉(zhuǎn)滿負(fù)荷時的各階震動速度,添加平衡軸可以降低到20%以下

 

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發(fā)動機(jī)啟動過程與抖動對比


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  發(fā)動機(jī)各轉(zhuǎn)速下NVH對比,主要差別在低速(1.0L 三缸VS 1.8L 四缸)


TNGA架構(gòu)下Dynamic Force 燃燒系統(tǒng)

這套燃燒系統(tǒng)主打兩個核心-效率和減排。

TNGA架構(gòu)加持,豐田最出名的燃燒系統(tǒng)就是Dynamic Force。顧名思義,Dynamic Force一戰(zhàn)成名,靠的就是氣流主導(dǎo)的快速燃燒。也正是這套燃燒系統(tǒng),使得發(fā)動機(jī)設(shè)計逐漸趨于一致,越來越多的廠商開始關(guān)注高滾流以及VVT,開始關(guān)注高湍流度帶來的快速燃燒。在設(shè)計方面,當(dāng)前或許很難找到一臺發(fā)動機(jī)上沒有豐田這套燃燒系統(tǒng)的影子。這套燃燒系統(tǒng)最初的開發(fā)目標(biāo)就是直指效率和減排去的,再明確一點就是高校區(qū)的提升,峰值熱效率突破以及PN的優(yōu)化。其核心策略是利用氣流降低濕壁,促進(jìn)混合以及提升湍流度,促進(jìn)快速燃燒。該設(shè)計同樣被搭載到TNGA的混動架構(gòu)上,進(jìn)一步優(yōu)化了其峰值效率以及真實運(yùn)行油耗。

 

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所有車企將重拾三缸,砍缸戰(zhàn)術(shù)或?qū)⒇瀼氐降?/strong>

看到這里,其實豐田重拾三缸的背后原因已經(jīng)逐漸浮出水面。在目前的這個狀態(tài)下,傳統(tǒng)車企在制定車型戰(zhàn)略的時候,面對法規(guī)實際處在一個比較尷尬的局面。實際上處罰帶來的是一些顯性的經(jīng)濟(jì)損失,而背后CAFC以及NEV積分上“環(huán)?!钡拇竺弊訋淼碾[形損失也相當(dāng)致命。傳統(tǒng)車企在面對嚴(yán)苛的排放法規(guī)以及雙積分法規(guī)上幾乎全軍覆沒,除了利用新能源走量拉平積分,唯一的方法就是降低排放,降低油耗。2.0路線規(guī)劃的預(yù)測明確了節(jié)能汽車在未來與新能源汽車平分天下的地位,也有一點點各方妥協(xié)的意味。

在熱效率仍無法大幅顯著突破的情況下,削缸是一個比較快的方法,面對一大部分只有出行需求,并沒有過高駕駛體驗要求的群體時,其實降低成本,降低排放,降低油耗的三缸動力總成似乎并沒有什么問題。無非就是啟動怠速抖一點,也不會去地板油,更不會開到發(fā)動機(jī)的最大功率。所有的要求就是說這臺發(fā)動機(jī)可以開,其實也沒有那么不堪,平衡軸加持,一系列所謂的減震措施修復(fù),得到的效果還是不錯的。

但是我們重新來看今年搭載這臺三缸自然吸氣發(fā)動機(jī)的雷凌系列銷量可以看到,一向所向披靡的豐田似乎也吃癟了,三缸發(fā)動機(jī)并不好賣,三缸定律在中國依舊沒有依靠豐田被打破。

豐田雷凌銷量對比2021年4月2021年3月2021年2月
總銷量15474149509743
1.2T四缸13850125647596
1.5L三缸162423862147

分析其原因,其實該三缸機(jī)的定位還是太差勁了。

原本三缸的優(yōu)勢在純?nèi)加蜕贤癸@不多,模塊化的生產(chǎn)策略也并沒有給三缸機(jī)更多的控制優(yōu)化(比如低速、怠速下三缸優(yōu)勢并不明顯),而價格差別也并不大。這就使得同樣擺在面前的三缸和四缸機(jī),很難有人認(rèn)真分析過后選擇了三缸。對比國外三缸銷量的出色成績,搭載三缸的豐田純油車,是真實定位在代步車的產(chǎn)品級別上的,沖的是省油、便宜和保值率高的特點,綜合算下來可能就是一個租車的感覺。換句話說,這臺三缸車如果再便宜甚至2W塊錢,銷量就會以非線性拉升。在這個價位的產(chǎn)品維度上,豐田三缸就會無限放大其高熱效率、平順靜謐的特點。

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 2020年國內(nèi)部分乘用車企單車雙積分情況以及2020年產(chǎn)量


但是豐田不會這樣做的。除非重新設(shè)計特定三缸的燃燒系統(tǒng),去掉例如雙噴等額外成本,真正成為一個中國代步車,與宏光神車齊平的價位,否則怎么算三缸車在各個維度都不劃算。

綜上,無論如何設(shè)計傳統(tǒng)燃油車的動力系統(tǒng),三缸或者四缸已經(jīng)顯然不具優(yōu)勢。這次豐田又重新拿出3缸,目的只有一個:混動?;靹觿恿ο到y(tǒng)可以很好的優(yōu)化三缸機(jī)在低轉(zhuǎn)速下的共振抖動,并且豐田特有的THS混動系統(tǒng)可以利用電機(jī)在全域優(yōu)化發(fā)動機(jī)三缸的動力沖擊。此外混動的加持也讓本身沒有動力可言的三缸自吸發(fā)動機(jī)提升了不止一個級別,在家用的同時也能體驗駕駛的快樂,真正貫徹豐田“Fun to drive”的理念。Dynamic Force的模塊化燃燒系統(tǒng),單缸最佳熱效率的設(shè)計思路,使得三缸機(jī)總的真實運(yùn)行熱效率在混動加持下變得更高,發(fā)動機(jī)成為動力總成中關(guān)鍵的能量轉(zhuǎn)換裝置,而不用過多考慮最大扭矩與極限工況。這些所有的特點可以說混動架構(gòu)與三缸機(jī)可以很好的互相成就,這也就是為什么所有車型其混動架構(gòu)下三缸機(jī)越來越多,但是吐槽越來越少。

按照這個思路,我們不排除未來會誕生雙缸發(fā)動機(jī),甚至單缸發(fā)動機(jī)。只不過新的雙缸發(fā)動機(jī)混動系統(tǒng)一定需要搭配下一代燃燒系統(tǒng)而產(chǎn)生。未來稀薄燃燒加持下的缸徑可能不會再維持現(xiàn)有的小型化趨勢進(jìn)一步縮減排量,反而雙缸的動力可以搭配變空燃比的思路切換動力輸出。新的產(chǎn)品需求必須要求技術(shù)的絕對匹配,任何拼湊的動力總成不會在混動動力這條道路上走得通,而用戶、銷量會真實的反應(yīng)技術(shù)背景下的真實產(chǎn)品力。在豐田這條產(chǎn)品線上,毫無疑問,三缸TNGA+混動會是未來很好的動力選擇。

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 海外版 Yaris以及混合動力系統(tǒng)


三缸之爭或許在混動時代下真正落下帷幕

當(dāng)前純?nèi)加蛙嚨娜讬C(jī)是否值得購買的問題,很快就會落下帷幕。很多人一直以來從國內(nèi)外的銷量上進(jìn)行對比,認(rèn)定:“外國人更注重環(huán)保,國人知識有限誤解三缸機(jī)?!边@種說法實際上是缺少對“車”與“動力”的基本認(rèn)知。大家可以縱覽國內(nèi)外的汽車產(chǎn)品圖例,豐田目前三缸機(jī)的這種產(chǎn)品定位,如果價格真能拉到5W元(人民幣)一定會賣爆,目標(biāo)群體也不會對其挑三揀四。相同購買力放在美國去購買YARiS是一個道理,大家購買車的心態(tài)、預(yù)期和使用狀態(tài)不一樣,三缸的口碑自然也就不一樣。國內(nèi)產(chǎn)品認(rèn)真研究三缸技術(shù),但是并沒有與其匹配的高效燃燒系統(tǒng),甚至一個能打的都沒有,單單砍缸加平衡軸能做的非常有限,全球能說好節(jié)油的企業(yè)可能全在日本。但是電氣化時代的來臨給了其他車企的一個非常好的時機(jī),重拾三缸+混動的技術(shù)路線,簡化燃燒系統(tǒng)開發(fā)難度,打造可以與之匹敵的新總成。

 

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大火的E-power增程混動系統(tǒng)同樣選擇了三缸,其NVH性能對標(biāo)純電


如果你真的不在乎1.5L和1.2T的使用區(qū)別,或者認(rèn)真研究后1.5L三缸機(jī)或許真的符合你的使用場景以及購買需求,那么下單三缸好了。但是值得肯定的是,純?nèi)加偷娜讬C(jī)不會是豐田下一代動力總成的核心,甚至不再會針對其進(jìn)行新系統(tǒng)的開發(fā)。反之,混動版本的三缸可以說和純?nèi)加桶嫣焐皇且粋€概念,特別是在豐田這種針對混動版本進(jìn)行特殊優(yōu)化的前提下,這種動力思路會越來越多的搭載到任何級別的車型中,成為技術(shù)主流。


Tag: 豐田 三缸機(jī) 1.5L TNGA發(fā)動機(jī)