福特1.0T發動機技術解析 小排量大輸出

　　【太平洋汽車網 技術頻道】又要馬兒跑，又要馬兒不吃草。在油價飛漲，環境污染日益嚴重的今天，一款“吃得少，干得多”的發動機無疑更受青睞。在當前的技術條件下，調和油耗與動力兩者矛盾的最佳方法之一就是讓發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

　　說到福特發動機，不得不提一下Eco-boost。Eco-boost發動機是福特汽車新動力技術代表之一，在美國已經獲得125項專利及專利應用。福特EcoBoost發動機融合了三大關鍵技術的協同優勢：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。三大技術的整合有效提升燃油經濟性20%，同時降低二氧化碳排放15%;并使得發動機擁有低轉速下的強大扭矩和寬轉速范圍內的優異響應。下面我們就來看一下這三大技術都是如何工作的：

● 高壓共軌缸內直噴系統

　　在過去的燃油噴射系統中，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。而缸內直噴系統的噴嘴直接往氣缸內噴射汽油，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動機，發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。而使用缸內直噴技術的發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。

　　上面提到了缸內直噴技術的一些優點，下面來說說福特1.0T Eco-boost GTDi發動機的一些技術特點。

　　EcoBoost GTDi發動機的燃油噴射系統采用的是無回油形式，系統由低壓燃油泵、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：

　　在低壓油路系統的控制邏輯如圖所示。油泵控制模塊(FPDM)通過高頻信號驅動油泵，通過低壓燃油壓力傳感器實現閉環控制。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。發動機怠速時，油壓穩定在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：

　　高壓油泵為單缸泵，由排氣凸輪驅動，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。

　　發動機的噴油嘴是7孔噴油嘴，汽油霧化狀態和角度是可以調整的，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，進加上缸內直噴技術更加精確的噴油量和噴油時間控制，保證發動機在低速下一樣能夠實現燃油的最充分燃燒使燃油燃燒更加充分。此外，EcoBoost發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的缸內直噴系統有兩種模式：1.均質模式、2.催化器加熱模式。雖然是缸內直噴，但EcoBoost沒有采用分層噴注模式。

　　當發動機在正常工作溫度時，混合氣按照均質工作模式產生。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。在均質模式下，燃燒很大程度上相當于一個非直噴發動機的工作模式。

　　當發動機溫度較低時，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。第一次噴射同均質工作模式一樣從進氣行程開始，第二次發生在壓縮行程，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發動機的噴油次數能夠達到每秒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，油滴的大小一般小于0.02毫米，相當于人類頭發絲直徑的1/5。所以，發動機即使在低轉速下也能實現“稀薄燃燒”，“充分燃盡每滴油”，保證低轉速下良好的動力響應，從另一方面彌補渦輪增壓發動機響應遲滯的缺點。

● 廢氣渦輪增壓系統

　　這款發動機采用了與排氣歧管集成在一起的廢氣渦輪增壓系統，其具體結構如圖所示。

　　以下是廢氣渦輪增壓系統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

　　廢氣渦輪系統的增壓壓力受壓力控制電磁閥控制，最大增壓壓力為120kPa，發動機控制單元通過占空比信號調節增壓壓力。真空控制執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。打開時，增壓的空氣又會回流到渦輪的進氣側，從而使渦輪增壓器的轉速得到保持。回風閥的作用是在節氣門突然關閉的情況下，消除節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氣門壽命降低。回風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動機的進氣量，發動機管理系統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、發動機負荷以及換擋控制。如果空氣流量計失效，系統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。空氣流量計的供電電壓為12V，采用5V的信號邏輯電平。

　　發動機管理系統通過監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，發動機管理系統將利用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，發動機管理系統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，發動機管理系統將排氣旁通閥完全開啟，限制渦輪增壓器的增壓壓力，發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)低慣量渦輪轉子

　　EcoBoost系列發動機普遍采用采用低慣量渦輪轉子，更容易被推動，渦輪轉速可達每分200000轉以上，確保發動機在每分鐘1,500轉或更低轉速時獲得最大扭矩，同時將渦輪遲滯控制在最低限度。同時，渦輪經過精心匹配，確保EcoBoost發動機在轉速高達每分鐘5000轉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，實現豐富的駕駛樂趣。

● 可變氣門正時技術

　　福特1.0T EcoBoost GTDi發動機除了使用上述先進的渦輪增壓與缸內直噴技術外，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對發動機進氣量已能實現精確控制，因而該發動機只采用了氣門正時技術而沒有加入氣門揚程控制，簡化了機械結構。

　　可變氣門正時系統中，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，就能實現對氣門提前或延時關閉的效果，這樣發動機就能夠根據發動機負載，在各個轉速區域都有很好的進排氣效果，提升發動機效率。

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

　　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動機來說，對排氣門的相位調節能夠保證在發動機低轉速時排出更多的廢氣驅動渦輪，減少渦輪遲滯現象。同時，對進排氣的效率擁有更大的調節范圍和更高的靈活性，從而令發動機工作效率更高。

　　2、1.0T發動機詳細參數

　　目前長安福特搭載了這款1.0T Eco-boost渦輪增壓發動機車型為2013款翼搏手動版本，從官方數據可以看到，作為一款排量僅1.0L的小排量發動機，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外，1.0T發動機還有兩個較為特殊的設計結構：無平衡軸和浸油式的皮帶設計，下面我們來看看這兩個結構都有哪些過人之處：

　　● 無平衡軸

　　平衡軸技術是三缸或以下發動機中應用較廣的一項技術，它的結構簡單實用，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動機工作起來更加平穩、順暢。

　　1)發動機的振動原理

　　在發動機的工作循環中，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。由于活塞在氣缸內做反復的高速直線運動，必然在活塞、活塞銷和連桿上產生很大的慣性力。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量參與直線運動，另一部分參與旋轉。除了上下止點位置外，各種慣性力不能被完全平衡，使發動機產生了振動。

　　當活塞每上下運動一次，將使發動機產生一上一下兩次振動，所以發動機的振動頻率和發動機的轉速有關。在振動理論上，常使用多個諧波振動來描述發動機的振動，其中振動頻率和發動機轉速相同的叫一階振動，頻率是發動機轉速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，例如采用輕質的活塞減少運動件的質量、提高曲軸的剛度、采用90度夾角的v型雙缸布置發動機等等。但在摩托車發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的軸，利用偏心重塊所產生的反向振動力，使發動機獲得良好的平衡，降低發動機的振動。

　　3)平衡軸的分類

　　摩托車發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，但具體結構有不同。

　　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動，其中一根平衡軸與發動機的轉速相同，可以消除發動機的一階振動;另一根平衡軸的轉速是發動機轉速的2倍，可以消除發動機的二階振動，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，旋轉方向相反，轉速與曲軸轉速相同，用以平衡發動機的一階往復慣性力。例如276Q發動機上的平衡軸，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，通過曲軸旋轉帶動固連的平衡軸驅動齒輪—>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，可以使發動機的振動得到明顯改善。由于單平衡軸方式結構簡單，占用的空間小，在單缸和小排量的發動機中應用較廣。

　　可見，平衡軸能夠反相消除發動機的振動作用，不過缺點也很顯然——發動機的重量和發動機里面的零件都增加了。運用了無平衡軸的1.0T三缸EcoBoost 發動機與傳統的三缸發動機相比，結構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，以簡化結構并獲得更加合理的配重。

　　● 浸油式皮帶設計

　　該發動機還采用了“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發動機擁有了更好的穩定性，并且更加靜音和高效。

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