福特1.0T發(fā)動機技術解析 小排量大輸出

　　【太平洋汽車網(wǎng) 技術頻道】又要馬兒跑，又要馬兒不吃草。在油價飛漲，環(huán)境污染日益嚴重的今天，一款“吃得少，干得多”的發(fā)動機無疑更受青睞。在當前的技術條件下，調(diào)和油耗與動力兩者矛盾的最佳方法之一就是讓發(fā)動機排量變小或保持不變，再搭載增壓技術。通過這種“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)動機的動力輸出。此外，減小排量對于降低整車價格，減少車船稅開支，甚至獲取國家節(jié)能補貼等好處，也是顯而易見的。下面就讓我們一起來看一下怎么看怎么符合以上描述的福特1.0T發(fā)動機的技術特點。(部分圖片來源PPT，清晰度略低請見諒)

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1、福特Eco-boost理念介紹

　　說到福特發(fā)動機，不得不提一下Eco-boost。Eco-boost發(fā)動機是福特汽車新動力技術代表之一，在美國已經(jīng)獲得125項專利及專利應用。福特EcoBoost發(fā)動機融合了三大關鍵技術的協(xié)同優(yōu)勢：燃油高壓直噴、先進渦輪增壓器和雙獨立可變氣門正時系統(tǒng)。三大技術的整合有效提升燃油經(jīng)濟性20%，同時降低二氧化碳排放15%;并使得發(fā)動機擁有低轉(zhuǎn)速下的強大扭矩和寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的優(yōu)異響應。下面我們就來看一下這三大技術都是如何工作的：

● 高壓共軌缸內(nèi)直噴系統(tǒng)

　　在過去的燃油噴射系統(tǒng)中，噴油嘴在進氣歧管中噴射汽油，汽油與空氣混合后再進入氣缸。這種傳統(tǒng)的汽油噴射方式使得汽油會接觸到進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。

　　對于在進氣歧管噴射的增壓發(fā)動機，發(fā)動機爆震只有在加大噴油量，降低氣缸溫度后才可改善或消除，這導致了油耗的急劇升高。而使用缸內(nèi)直噴技術的發(fā)動機直接把汽油噴到汽缸里，汽油因為氣缸高溫而霧化更好，氣缸溫度因為汽油霧化而降低，這樣達到了一個雙贏的局面——既控制了爆震也降低了油耗。

　　上面提到了缸內(nèi)直噴技術的一些優(yōu)點，下面來說說福特1.0T Eco-boost GTDi發(fā)動機的一些技術特點。

　　EcoBoost GTDi發(fā)動機的燃油噴射系統(tǒng)采用的是無回油形式，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)通過高頻信號驅(qū)動油泵，通過低壓燃油壓力傳感器實現(xiàn)閉環(huán)控制。油路中具有單向閥，當油壓達到125kPa時開啟。標準的低壓燃油壓力范圍為380kPa-620Kpa。發(fā)動機怠速時，油壓穩(wěn)定在320-340kPa。過壓保護閥在830-930kPa時打開，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，帶有進油計量閥，泵油油壓為15MPa。汽油在高壓油泵中形成高壓，經(jīng)高壓油管到達油軌，通過開啟噴油嘴使得汽油能噴射到汽缸中。

　　發(fā)動機的噴油嘴是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置。精確的汽油噴射角度防止任何汽油在噴油器打開時霧化。

　　偏心設計的噴孔要求精確的噴油嘴校正。在安裝噴油嘴時，必須注意安裝位置。每個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。在每個噴油嘴和各自在油軌上的固定座上都有一個固定夾，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)動機的活塞頂面有著特殊的曲面造型，被負壓吸入汽缸的空氣能夠形成渦流，攪動噴入的油滴更加均勻的混合，進加上缸內(nèi)直噴技術更加精確的噴油量和噴油時間控制，保證發(fā)動機在低速下一樣能夠?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)動機活塞還采用低摩擦鍍膜技術，進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沒有采用分層噴注模式。

　　當發(fā)動機在正常工作溫度時，混合氣按照均質(zhì)工作模式產(chǎn)生。在這個模式下，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)。汽油噴射是在進氣行程，這樣有足夠的時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于一個非直噴發(fā)動機的工作模式。

　　當發(fā)動機溫度較低時，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)工作模式一樣從進氣行程開始，第二次發(fā)生在壓縮行程，當進氣門關閉后快速噴射，這樣就形成一個濃的油核圍繞在火花塞周圍。點火時刻被推遲，這樣盡可能多的燃燒余熱可以進入排氣管，從而到達三元催化器。

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

● 廢氣渦輪增壓系統(tǒng)

　　這款發(fā)動機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)中幾個主要部件的功能說明及工作邏輯：

　　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)動機控制單元通過占空比信號調(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。當占空比在80-90%，排氣旁通閥全開;當占空比在20時，排氣旁通閥全關。

　　2)回風閥

　　回風閥是一個機械裝置，通過壓力差控制，安裝在渦輪進氣側(cè)。打開時，增壓的空氣又會回流到渦輪的進氣側(cè)，從而使渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速得到保持。回風閥的作用是在節(jié)氣門突然關閉的情況下，消除節(jié)氣門和渦輪增壓器之間的背壓。這種背壓會造成增壓壓力損失以及導致節(jié)氣門壽命降低?；仫L閥在增壓壓力和進氣歧管壓力差超過24kPa時打開。

　　3)空氣流量計(MAF)

　　空氣流量計用于測量發(fā)動機的進氣量，發(fā)動機管理系統(tǒng)采用這個信號計算噴油時間、燃油壓力、點火時刻、渦輪增壓壓力、發(fā)動機負荷以及換擋控制。如果空氣流量計失效，系統(tǒng)會采用進氣壓力傳感器(MAP)的信號作為替代信號計算進氣量?？諝饬髁坑嫷墓╇婋妷簽?2V，采用5V的信號邏輯電平。

　　發(fā)動機管理系統(tǒng)通過監(jiān)測空氣流量計的信號頻率來計算空氣流量，信號的頻率是隨著空氣流量的增加而提高的。如果此信號失效，發(fā)動機管理系統(tǒng)將利用25℃的固定值代替該信號。

　　4)進氣壓力及溫度傳感(MAPT)

　　MAPT位于中冷器出口處，發(fā)動機管理系統(tǒng)通過這個傳感器測量增壓后的空氣壓力和溫度。如果MAPT傳感器失效，發(fā)動機管理系統(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)動機動力輸出被限制了。

　　5)進氣壓力傳感(MAP)

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

　　6)低慣量渦輪轉(zhuǎn)子

　　EcoBoost系列發(fā)動機普遍采用采用低慣量渦輪轉(zhuǎn)子，更容易被推動，渦輪轉(zhuǎn)速可達每分200000轉(zhuǎn)以上，確保發(fā)動機在每分鐘1,500轉(zhuǎn)或更低轉(zhuǎn)速時獲得最大扭矩，同時將渦輪遲滯控制在最低限度。同時，渦輪經(jīng)過精心匹配，確保EcoBoost發(fā)動機在轉(zhuǎn)速高達每分鐘5000轉(zhuǎn)時仍保持強勁動力和靈敏響應，因此其峰值動力輸出范圍更寬。常見的渦輪啟動滯后的“遲滯效應”被有效控制，車輛能夠迅速加速，實現(xiàn)豐富的駕駛樂趣。

● 可變氣門正時技術

　　福特1.0T EcoBoost GTDi發(fā)動機除了使用上述先進的渦輪增壓與缸內(nèi)直噴技術外，還采用了iVCT進排氣門可變正時技術。我們所熟知的可變氣門正時技術包括本田的VTEC(帶氣門揚程控制)、豐田D-VVT、寶馬VANOS等。由于通過渦輪增壓系統(tǒng)對發(fā)動機進氣量已能實現(xiàn)精確控制，因而該發(fā)動機只采用了氣門正時技術而沒有加入氣門揚程控制，簡化了機械結(jié)構(gòu)。

　　可變氣門正時系統(tǒng)中，正時齒輪所帶動的齒盤與凸輪軸之間有一定的自由量。通過油壓控制齒盤與凸輪軸之間的角度差，就能實現(xiàn)對氣門提前或延時關閉的效果，這樣發(fā)動機就能夠根據(jù)發(fā)動機負載，在各個轉(zhuǎn)速區(qū)域都有很好的進排氣效果，提升發(fā)動機效率。

　　福特1.0T EcoBoost GTDi發(fā)動機的iVCT氣門可變正時技術源自2.3L Duratec-HE發(fā)動機，并在此基礎上增加了排氣門可變正時機構(gòu)。該發(fā)動機的進排氣門可變正時機構(gòu)的最大可調(diào)角度為50度凸輪軸轉(zhuǎn)角。(2.3L Duratec-HE發(fā)動機的進氣門最大可調(diào)角度為17.5度凸輪軸轉(zhuǎn)角)

　　Ti-VCT進排氣可變氣門正時技術相比僅擁有進氣氣門可變正時的發(fā)動機來說，對排氣門的相位調(diào)節(jié)能夠保證在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時排出更多的廢氣驅(qū)動渦輪，減少渦輪遲滯現(xiàn)象。同時，對進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)動機工作效率更高。

　　2、1.0T發(fā)動機詳細參數(shù)

　　目前長安福特搭載了這款1.0T Eco-boost渦輪增壓發(fā)動機車型為2013款翼搏手動版本，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)動機，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)動機技術特點

　　除了福特Eco-boost共有的燃油高壓直噴、先進渦輪增壓器和雙獨立可變氣門正時系統(tǒng)外，1.0T發(fā)動機還有兩個較為特殊的設計結(jié)構(gòu)：無平衡軸和浸油式的皮帶設計，下面我們來看看這兩個結(jié)構(gòu)都有哪些過人之處：

　　● 無平衡軸

　　平衡軸技術是三缸或以下發(fā)動機中應用較廣的一項技術，它的結(jié)構(gòu)簡單實用，可有效地緩減摩托車的整車振動，提高駕駛的舒適性。平衡軸的作用是讓發(fā)動機工作起來更加平穩(wěn)、順暢。

　　1)發(fā)動機的振動原理

　　在發(fā)動機的工作循環(huán)中，活塞的運動速度非常快，而且速度很不均勻。在上下止點位置，活塞的速度為零，而在上下止點中間的位置速度達到最高。由于活塞在氣缸內(nèi)做反復的高速直線運動，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動質(zhì)量參與直線運動，另一部分參與旋轉(zhuǎn)。除了上下止點位置外，各種慣性力不能被完全平衡，使發(fā)動機產(chǎn)生了振動。

　　當活塞每上下運動一次，將使發(fā)動機產(chǎn)生一上一下兩次振動，所以發(fā)動機的振動頻率和發(fā)動機的轉(zhuǎn)速有關。在振動理論上，常使用多個諧波振動來描述發(fā)動機的振動，其中振動頻率和發(fā)動機轉(zhuǎn)速相同的叫一階振動，頻率是發(fā)動機轉(zhuǎn)速2倍的叫二階振動，依次類推，還存在三階、四階振動。但振動頻率越高，振幅就越小，2階以上可以忽略不計。其一階振動占整個振動的70%以上，是振動的主要來源。

　　2)解決發(fā)動機振動的途徑

　　為了消除振動，采用的方法有很多，例如采用輕質(zhì)的活塞減少運動件的質(zhì)量、提高曲軸的剛度、采用90度夾角的v型雙缸布置發(fā)動機等等。但在摩托車發(fā)動機上普遍采用的方式是增加一個平衡軸來解決。平衡軸簡單地說是一個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)生的反向振動力，使發(fā)動機獲得良好的平衡，降低發(fā)動機的振動。

　　3)平衡軸的分類

　　摩托車發(fā)動機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方式帶動兩根平衡軸轉(zhuǎn)動，其中一根平衡軸與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速相同，可以消除發(fā)動機的一階振動;另一根平衡軸的轉(zhuǎn)速是發(fā)動機轉(zhuǎn)速的2倍，可以消除發(fā)動機的二階振動，可達到理想減振效果。雙平衡軸方式較為復雜，成本高，占用發(fā)動機的空間大，—般在大排量摩托車上使用。

　　還有一種雙平衡軸布置方式，就是兩個平衡軸與氣缸中心線成角度對稱布置，旋轉(zhuǎn)方向相反，轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)速相同，用以平衡發(fā)動機的一階往復慣性力。例如276Q發(fā)動機上的平衡軸，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，利用齒輪傳動方式進行工作，通過曲軸旋轉(zhuǎn)帶動固連的平衡軸驅(qū)動齒輪—>平衡軸從動齒輪—>平衡軸。單平衡可以平衡占整個振動比例相當大的一階振動，可以使發(fā)動機的振動得到明顯改善。由于單平衡軸方式結(jié)構(gòu)簡單，占用的空間小，在單缸和小排量的發(fā)動機中應用較廣。

　　可見，平衡軸能夠反相消除發(fā)動機的振動作用，不過缺點也很顯然——發(fā)動機的重量和發(fā)動機里面的零件都增加了。運用了無平衡軸的1.0T三缸EcoBoost 發(fā)動機與傳統(tǒng)的三缸發(fā)動機相比，結(jié)構(gòu)設計上有著不小的突破。EcoBoost 1.0T去掉了普通三缸機中的平衡軸，而在飛輪與皮帶輪上采用“不平衡”設計，以簡化結(jié)構(gòu)并獲得更加合理的配重。

　　● 浸油式皮帶設計

　　該發(fā)動機還采用了“浸油式”皮帶設計。正時皮帶在工作的時候浸在機油當中，在冷卻和潤滑之后，讓EcoBoost 1.0T發(fā)動機擁有了更好的穩(wěn)定性，并且更加靜音和高效。

　　全文總結(jié)：EcoBoost系列發(fā)動機可以說是福特先進技術的集大成者，其出色的動力表現(xiàn)和優(yōu)異的燃油經(jīng)濟性，已經(jīng)在這幾年的應用中得到印證。EcoBoost系列發(fā)動機還獲得了“沃德十佳發(fā)動機”、“年度最佳發(fā)動機”等多個獎項，在國際上廣受好評。