福特1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)解析 小排量大輸出

　　【太平洋汽車網(wǎng) 技術(shù)頻道】又要馬兒跑，又要馬兒不吃草。在油價(jià)飛漲，環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，一款“吃得少，干得多”的發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)疑更受青睞。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，調(diào)和油耗與動(dòng)力兩者矛盾的最佳方法之一就是讓發(fā)動(dòng)機(jī)排量變小或保持不變，再搭載增壓技術(shù)。通過(guò)這種“打雞血，吃興奮劑”的方法，在不增加排量和油耗的前提下，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。此外，減小排量對(duì)于降低整車價(jià)格，減少車船稅開支，甚至獲取國(guó)家節(jié)能補(bǔ)貼等好處，也是顯而易見(jiàn)的。下面就讓我們一起來(lái)看一下怎么看怎么符合以上描述的福特1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)。(部分圖片來(lái)源PPT，清晰度略低請(qǐng)見(jiàn)諒)

體驗(yàn)讀圖模式

1、福特Eco-boost理念介紹

　　說(shuō)到福特發(fā)動(dòng)機(jī)，不得不提一下Eco-boost。Eco-boost發(fā)動(dòng)機(jī)是福特汽車新動(dòng)力技術(shù)代表之一，在美國(guó)已經(jīng)獲得125項(xiàng)專利及專利應(yīng)用。福特EcoBoost發(fā)動(dòng)機(jī)融合了三大關(guān)鍵技術(shù)的協(xié)同優(yōu)勢(shì)：燃油高壓直噴、先進(jìn)渦輪增壓器和雙獨(dú)立可變氣門正時(shí)系統(tǒng)。三大技術(shù)的整合有效提升燃油經(jīng)濟(jì)性20%，同時(shí)降低二氧化碳排放15%;并使得發(fā)動(dòng)機(jī)擁有低轉(zhuǎn)速下的強(qiáng)大扭矩和寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的優(yōu)異響應(yīng)。下面我們就來(lái)看一下這三大技術(shù)都是如何工作的：

● 高壓共軌缸內(nèi)直噴系統(tǒng)

　　在過(guò)去的燃油噴射系統(tǒng)中，噴油嘴在進(jìn)氣歧管中噴射汽油，汽油與空氣混合后再進(jìn)入氣缸。這種傳統(tǒng)的汽油噴射方式使得汽油會(huì)接觸到進(jìn)氣歧管表面形成汽油壁膜，造成壁膜損失，增加油耗。而缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的噴嘴直接往氣缸內(nèi)噴射汽油，壁膜損失大大降低，從而提升燃油使用效率。

　　對(duì)于在進(jìn)氣歧管噴射的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震只有在加大噴油量，降低氣缸溫度后才可改善或消除，這導(dǎo)致了油耗的急劇升高。而使用缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)直接把汽油噴到汽缸里，汽油因?yàn)闅飧赘邷囟F化更好，氣缸溫度因?yàn)槠挽F化而降低，這樣達(dá)到了一個(gè)雙贏的局面——既控制了爆震也降低了油耗。

　　上面提到了缸內(nèi)直噴技術(shù)的一些優(yōu)點(diǎn)，下面來(lái)說(shuō)說(shuō)福特1.0T Eco-boost GTDi發(fā)動(dòng)機(jī)的一些技術(shù)特點(diǎn)。

　　EcoBoost GTDi發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)采用的是無(wú)回油形式，系統(tǒng)由低壓燃油泵、高壓燃油泵、油壓傳感器、油管及噴油嘴組成。

　　1)低壓燃油系統(tǒng)：

　　在低壓油路系統(tǒng)的控制邏輯如圖所示。油泵控制模塊(FPDM)通過(guò)高頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)油泵，通過(guò)低壓燃油壓力傳感器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。油路中具有單向閥，當(dāng)油壓達(dá)到125kPa時(shí)開啟。標(biāo)準(zhǔn)的低壓燃油壓力范圍為380kPa-620Kpa。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，油壓穩(wěn)定在320-340kPa。過(guò)壓保護(hù)閥在830-930kPa時(shí)打開，泄放閥用于除去油管中的燃油蒸汽。

　　2)高壓燃油系統(tǒng)：

　　高壓油泵為單缸泵，由排氣凸輪驅(qū)動(dòng)，帶有進(jìn)油計(jì)量閥，泵油油壓為15MPa。汽油在高壓油泵中形成高壓，經(jīng)高壓油管到達(dá)油軌，通過(guò)開啟噴油嘴使得汽油能噴射到汽缸中。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油嘴是7孔噴油嘴，汽油霧化狀態(tài)和角度是可以調(diào)整的，汽油以一定精確的噴射角度噴射到燃燒室，因此噴油嘴上的噴孔采用了偏心的設(shè)置。精確的汽油噴射角度防止任何汽油在噴油器打開時(shí)霧化。

　　偏心設(shè)計(jì)的噴孔要求精確的噴油嘴校正。在安裝噴油嘴時(shí)，必須注意安裝位置。每個(gè)噴油嘴的塑料插銷必須插到油軌的狹縫中，固定夾必須安裝在正確的位置上。在每個(gè)噴油嘴和各自在油軌上的固定座上都有一個(gè)固定夾，這些固定夾用于固定噴油嘴，這就保證了噴油嘴和汽缸蓋上的燃燒室開口的精確配合。

　　3)曲面活塞

　　EcoBoost發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞頂面有著特殊的曲面造型，被負(fù)壓吸入汽缸的空氣能夠形成渦流，攪動(dòng)噴入的油滴更加均勻的混合，進(jìn)加上缸內(nèi)直噴技術(shù)更加精確的噴油量和噴油時(shí)間控制，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在低速下一樣能夠?qū)崿F(xiàn)燃油的最充分燃燒使燃油燃燒更加充分。此外，EcoBoost發(fā)動(dòng)機(jī)活塞還采用低摩擦鍍膜技術(shù)，進(jìn)一步減少活塞與汽缸壁直降的摩擦。

　　4)工作模式

　　EcoBoost的缸內(nèi)直噴系統(tǒng)有兩種模式：1.均質(zhì)模式、2.催化器加熱模式。雖然是缸內(nèi)直噴，但EcoBoost沒(méi)有采用分層噴注模式。

　　當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在正常工作溫度時(shí)，混合氣按照均質(zhì)工作模式產(chǎn)生。在這個(gè)模式下，空燃比為理論空燃比14.7:1(即空氣與汽油的質(zhì)量比為14.7:1)。汽油噴射是在進(jìn)氣行程，這樣有足夠的時(shí)間讓汽油與新鮮空氣混合。在均質(zhì)模式下，燃燒很大程度上相當(dāng)于一個(gè)非直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的工作模式。

　　當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較低時(shí)，催化器加熱工作模式可以用二次噴射為三元催化器提供快速的加熱。第一次噴射同均質(zhì)工作模式一樣從進(jìn)氣行程開始，第二次發(fā)生在壓縮行程，當(dāng)進(jìn)氣門關(guān)閉后快速噴射，這樣就形成一個(gè)濃的油核圍繞在火花塞周圍。點(diǎn)火時(shí)刻被推遲，這樣盡可能多的燃燒余熱可以進(jìn)入排氣管，從而到達(dá)三元催化器。

　　Eco-boost發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油次數(shù)能夠達(dá)到每秒300次，能以高達(dá)200巴的壓力將精確定量的少量燃油噴入每個(gè)汽缸內(nèi)，油滴的大小一般小于0.02毫米，相當(dāng)于人類頭發(fā)絲直徑的1/5。所以，發(fā)動(dòng)機(jī)即使在低轉(zhuǎn)速下也能實(shí)現(xiàn)“稀薄燃燒”，“充分燃盡每滴油”，保證低轉(zhuǎn)速下良好的動(dòng)力響應(yīng)，從另一方面彌補(bǔ)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)遲滯的缺點(diǎn)。

● 廢氣渦輪增壓系統(tǒng)

　　這款發(fā)動(dòng)機(jī)采用了與排氣歧管集成在一起的廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，其具體結(jié)構(gòu)如圖所示。

　　以下是廢氣渦輪增壓系統(tǒng)中幾個(gè)主要部件的功能說(shuō)明及工作邏輯：

　　1)增壓壓力控制電磁閥

　　廢氣渦輪系統(tǒng)的增壓壓力受壓力控制電磁閥控制，最大增壓壓力為120kPa，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元通過(guò)占空比信號(hào)調(diào)節(jié)增壓壓力。真空控制執(zhí)行器上的壓力取決于增壓壓力及電磁閥上通電電壓占空比。當(dāng)占空比在80-90%，排氣旁通閥全開;當(dāng)占空比在20時(shí)，排氣旁通閥全關(guān)。

　　2)回風(fēng)閥

　　回風(fēng)閥是一個(gè)機(jī)械裝置，通過(guò)壓力差控制，安裝在渦輪進(jìn)氣側(cè)。打開時(shí)，增壓的空氣又會(huì)回流到渦輪的進(jìn)氣側(cè)，從而使渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速得到保持。回風(fēng)閥的作用是在節(jié)氣門突然關(guān)閉的情況下，消除節(jié)氣門和渦輪增壓器之間的背壓。這種背壓會(huì)造成增壓壓力損失以及導(dǎo)致節(jié)氣門壽命降低。回風(fēng)閥在增壓壓力和進(jìn)氣歧管壓力差超過(guò)24kPa時(shí)打開。

　　3)空氣流量計(jì)(MAF)

　　空氣流量計(jì)用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)采用這個(gè)信號(hào)計(jì)算噴油時(shí)間、燃油壓力、點(diǎn)火時(shí)刻、渦輪增壓壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷以及換擋控制。如果空氣流量計(jì)失效，系統(tǒng)會(huì)采用進(jìn)氣壓力傳感器(MAP)的信號(hào)作為替代信號(hào)計(jì)算進(jìn)氣量。空氣流量計(jì)的供電電壓為12V，采用5V的信號(hào)邏輯電平。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)空氣流量計(jì)的信號(hào)頻率來(lái)計(jì)算空氣流量，信號(hào)的頻率是隨著空氣流量的增加而提高的。如果此信號(hào)失效，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)將利用25℃的固定值代替該信號(hào)。

　　4)進(jìn)氣壓力及溫度傳感(MAPT)

　　MAPT位于中冷器出口處，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)通過(guò)這個(gè)傳感器測(cè)量增壓后的空氣壓力和溫度。如果MAPT傳感器失效，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)將排氣旁通閥完全開啟，限制渦輪增壓器的增壓壓力，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出被限制了。

　　5)進(jìn)氣壓力傳感(MAP)

　　進(jìn)氣壓力傳感器被安裝在進(jìn)氣歧管上，該傳感器與MAFT(空氣流量和進(jìn)氣溫度傳感)協(xié)同工作。它們提供的信號(hào)用于計(jì)算空氣流量。

　　6)低慣量渦輪轉(zhuǎn)子

　　EcoBoost系列發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用采用低慣量渦輪轉(zhuǎn)子，更容易被推動(dòng)，渦輪轉(zhuǎn)速可達(dá)每分200000轉(zhuǎn)以上，確保發(fā)動(dòng)機(jī)在每分鐘1,500轉(zhuǎn)或更低轉(zhuǎn)速時(shí)獲得最大扭矩，同時(shí)將渦輪遲滯控制在最低限度。同時(shí)，渦輪經(jīng)過(guò)精心匹配，確保EcoBoost發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘5000轉(zhuǎn)時(shí)仍保持強(qiáng)勁動(dòng)力和靈敏響應(yīng)，因此其峰值動(dòng)力輸出范圍更寬。常見(jiàn)的渦輪啟動(dòng)滯后的“遲滯效應(yīng)”被有效控制，車輛能夠迅速加速，實(shí)現(xiàn)豐富的駕駛樂(lè)趣。

● 可變氣門正時(shí)技術(shù)

　　福特1.0T EcoBoost GTDi發(fā)動(dòng)機(jī)除了使用上述先進(jìn)的渦輪增壓與缸內(nèi)直噴技術(shù)外，還采用了iVCT進(jìn)排氣門可變正時(shí)技術(shù)。我們所熟知的可變氣門正時(shí)技術(shù)包括本田的VTEC(帶氣門揚(yáng)程控制)、豐田D-VVT、寶馬VANOS等。由于通過(guò)渦輪增壓系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量已能實(shí)現(xiàn)精確控制，因而該發(fā)動(dòng)機(jī)只采用了氣門正時(shí)技術(shù)而沒(méi)有加入氣門揚(yáng)程控制，簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。

　　可變氣門正時(shí)系統(tǒng)中，正時(shí)齒輪所帶動(dòng)的齒盤與凸輪軸之間有一定的自由量。通過(guò)油壓控制齒盤與凸輪軸之間的角度差，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)氣門提前或延時(shí)關(guān)閉的效果，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)就能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載，在各個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)域都有很好的進(jìn)排氣效果，提升發(fā)動(dòng)機(jī)效率。

　　福特1.0T EcoBoost GTDi發(fā)動(dòng)機(jī)的iVCT氣門可變正時(shí)技術(shù)源自2.3L Duratec-HE發(fā)動(dòng)機(jī)，并在此基礎(chǔ)上增加了排氣門可變正時(shí)機(jī)構(gòu)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣門可變正時(shí)機(jī)構(gòu)的最大可調(diào)角度為50度凸輪軸轉(zhuǎn)角。(2.3L Duratec-HE發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣門最大可調(diào)角度為17.5度凸輪軸轉(zhuǎn)角)

　　Ti-VCT進(jìn)排氣可變氣門正時(shí)技術(shù)相比僅擁有進(jìn)氣氣門可變正時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，對(duì)排氣門的相位調(diào)節(jié)能夠保證在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)排出更多的廢氣驅(qū)動(dòng)渦輪，減少渦輪遲滯現(xiàn)象。同時(shí)，對(duì)進(jìn)排氣的效率擁有更大的調(diào)節(jié)范圍和更高的靈活性，從而令發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率更高。

　　2、1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)詳細(xì)參數(shù)

　　目前長(zhǎng)安福特搭載了這款1.0T Eco-boost渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)車型為2013款翼搏手動(dòng)版本，從官方數(shù)據(jù)可以看到，作為一款排量僅1.0L的小排量發(fā)動(dòng)機(jī)，在渦輪增壓的作用下卻能夠把最大功率提到92kw，最大扭矩170Nm，真可謂是“小排量，大做功”!

　　3、1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

　　除了福特Eco-boost共有的燃油高壓直噴、先進(jìn)渦輪增壓器和雙獨(dú)立可變氣門正時(shí)系統(tǒng)外，1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)還有兩個(gè)較為特殊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：無(wú)平衡軸和浸油式的皮帶設(shè)計(jì)，下面我們來(lái)看看這兩個(gè)結(jié)構(gòu)都有哪些過(guò)人之處：

　　● 無(wú)平衡軸

　　平衡軸技術(shù)是三缸或以下發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用較廣的一項(xiàng)技術(shù)，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，可有效地緩減摩托車的整車振動(dòng)，提高駕駛的舒適性。平衡軸的作用是讓發(fā)動(dòng)機(jī)工作起來(lái)更加平穩(wěn)、順暢。

　　1)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)原理

　　在發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)中，活塞的運(yùn)動(dòng)速度非常快，而且速度很不均勻。在上下止點(diǎn)位置，活塞的速度為零，而在上下止點(diǎn)中間的位置速度達(dá)到最高。由于活塞在氣缸內(nèi)做反復(fù)的高速直線運(yùn)動(dòng)，必然在活塞、活塞銷和連桿上產(chǎn)生很大的慣性力。在連桿上配置的配重可以有效地平衡這些慣性力.但連桿上的配重只有一部分運(yùn)動(dòng)質(zhì)量參與直線運(yùn)動(dòng)，另一部分參與旋轉(zhuǎn)。除了上下止點(diǎn)位置外，各種慣性力不能被完全平衡，使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生了振動(dòng)。

　　當(dāng)活塞每上下運(yùn)動(dòng)一次，將使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生一上一下兩次振動(dòng)，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。在振動(dòng)理論上，常使用多個(gè)諧波振動(dòng)來(lái)描述發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，其中振動(dòng)頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相同的叫一階振動(dòng)，頻率是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2倍的叫二階振動(dòng)，依次類推，還存在三階、四階振動(dòng)。但振動(dòng)頻率越高，振幅就越小，2階以上可以忽略不計(jì)。其一階振動(dòng)占整個(gè)振動(dòng)的70%以上，是振動(dòng)的主要來(lái)源。

　　2)解決發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的途徑

　　為了消除振動(dòng)，采用的方法有很多，例如采用輕質(zhì)的活塞減少運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量、提高曲軸的剛度、采用90度夾角的v型雙缸布置發(fā)動(dòng)機(jī)等等。但在摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)上普遍采用的方式是增加一個(gè)平衡軸來(lái)解決。平衡軸簡(jiǎn)單地說(shuō)是一個(gè)裝有偏心重塊并隨曲軸同步旋轉(zhuǎn)的軸，利用偏心重塊所產(chǎn)生的反向振動(dòng)力，使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得良好的平衡，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。

　　3)平衡軸的分類

　　摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)采用的平衡軸方式有兩種：雙平衡軸和單平衡軸。兩種方式在工作原理上是相同的，但具體結(jié)構(gòu)有不同。

　　a.雙平衡軸方式

　　雙平衡軸采用鏈傳動(dòng)方式帶動(dòng)兩根平衡軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其中一根平衡軸與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速相同，可以消除發(fā)動(dòng)機(jī)的一階振動(dòng);另一根平衡軸的轉(zhuǎn)速是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的2倍，可以消除發(fā)動(dòng)機(jī)的二階振動(dòng)，可達(dá)到理想減振效果。雙平衡軸方式較為復(fù)雜，成本高，占用發(fā)動(dòng)機(jī)的空間大，—般在大排量摩托車上使用。

　　還有一種雙平衡軸布置方式，就是兩個(gè)平衡軸與氣缸中心線成角度對(duì)稱布置，旋轉(zhuǎn)方向相反，轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)速相同，用以平衡發(fā)動(dòng)機(jī)的一階往復(fù)慣性力。例如276Q發(fā)動(dòng)機(jī)上的平衡軸，就是如上布置。

　　b.單平衡軸方式

　　單平衡軸采用單一的平衡軸，利用齒輪傳動(dòng)方式進(jìn)行工作，通過(guò)曲軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)固連的平衡軸驅(qū)動(dòng)齒輪—>平衡軸從動(dòng)齒輪—>平衡軸。單平衡可以平衡占整個(gè)振動(dòng)比例相當(dāng)大的一階振動(dòng)，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)得到明顯改善。由于單平衡軸方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用的空間小，在單缸和小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用較廣。

　　可見(jiàn)，平衡軸能夠反相消除發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)作用，不過(guò)缺點(diǎn)也很顯然——發(fā)動(dòng)機(jī)的重量和發(fā)動(dòng)機(jī)里面的零件都增加了。運(yùn)用了無(wú)平衡軸的1.0T三缸EcoBoost 發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的三缸發(fā)動(dòng)機(jī)相比，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有著不小的突破。EcoBoost 1.0T去掉了普通三缸機(jī)中的平衡軸，而在飛輪與皮帶輪上采用“不平衡”設(shè)計(jì)，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)并獲得更加合理的配重。

　　● 浸油式皮帶設(shè)計(jì)

　　該發(fā)動(dòng)機(jī)還采用了“浸油式”皮帶設(shè)計(jì)。正時(shí)皮帶在工作的時(shí)候浸在機(jī)油當(dāng)中，在冷卻和潤(rùn)滑之后，讓EcoBoost 1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)擁有了更好的穩(wěn)定性，并且更加靜音和高效。

　　全文總結(jié)：EcoBoost系列發(fā)動(dòng)機(jī)可以說(shuō)是福特先進(jìn)技術(shù)的集大成者，其出色的動(dòng)力表現(xiàn)和優(yōu)異的燃油經(jīng)濟(jì)性，已經(jīng)在這幾年的應(yīng)用中得到印證。EcoBoost系列發(fā)動(dòng)機(jī)還獲得了“沃德十佳發(fā)動(dòng)機(jī)”、“年度最佳發(fā)動(dòng)機(jī)”等多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，在國(guó)際上廣受好評(píng)。