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何以制霸全球?福特1.0T发动机拆解分析

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平顺之道(1):曲轴

  [汽车之家 技术]  作为曾经“无V8不欢”的美国品牌的代表,如今的福特却算得上是个减排急先锋:北美几乎人手一辆的F-150全尺寸皮卡的入门排量已经缩减到了2.7L;被誉为美国pony car精神代表的野马也引入了让人回想起40年前石油危机的2.3T发动机。不过,福特的欧洲分部在这方面做得更加彻底——一台1.0L EcoBoost三缸发动机已经成为了公升级发动机中的标杆。从过去几年中获得的无数奖项中不难看出,自诞生之日起,这家伙已经凭借着平顺性、动力变现以及燃油经济性在全球的各种评比中称霸许久。它是如何做到的?今天我们将其分解成了一个个零件,目的就是要找到这个问题的答案。

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重点问题之一:平顺性

  2013年,长安福特将1.0T发动机落地生产,并陆续搭载在国产翼搏、嘉年华以及最新改款的福克斯上,显然这台小发动机主要的服务对象是小型车、小型SUV和紧凑型车。实际驾驶过这些车型之后,我和我的同事们都认为这台发动机的实际表现配得上它获得的那些褒奖,特别是在备受关注的平顺性和动力输出方面比之前预想要好得多。所以我们今天并不会按照常规的拆解顺序进行,而是先解决这个你我都最为关注的问题:三缸机的平顺性如何解决?

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『长安福特嘉年华怠速状态展示』

- 措施之一:曲轴

  从上面的视频中可以看到,搭载在嘉年华上的1.0T发动机在怠速时的振动水平还是可以令人接受的。人们之所以对于三缸发动机的平顺性忧心忡忡,原因就在于三缸的先天结构造成了一阶往复惯性力矩不平衡,且其最大数值在发动机一缸活塞运动到上止点后的30°出现。工程师给出的推算过程我想大家都不会有太多的兴趣,所以还是把复杂的计算公式留给学霸们吧,相信福特的解决方案才是最值得关注的重点。

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  扩展知识:什么是发动机一阶振动?当活塞每上下运动一次,将使发动机产生一上一下两次振动,所以发动机的振动频率和发动机的转速有关。其中振动频率和发动机转速频率相同的叫一阶振动,频率是发动机转速2倍的叫二阶振动,依次类推,还存在三阶、四阶振动。

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  福特解决这个问题的秘诀之一就在曲轴上。这台1.0T发动机的曲轴采用铸造工艺制成,与常见的四缸发动机的平面式曲轴不同,三缸机采用了空间曲轴的形式,即曲柄之间的角度为120°。为了解决之前所说的不平衡问题,福特的设计师在曲轴平衡块上动起了脑筋。

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  当然,仅仅靠曲轴平衡块的特殊设计还不足以完全达到令人满意的NVH效果,接下来还需要什么措施呢?我猜很多人会想到平衡轴吧,这个答案没有错,但不全对。为什么呢?

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平顺之道(2):平衡轴/飞轮

- 措施之二:并非标配的平衡轴

  似乎在人们的固有思维中,三缸机为了抑制振动搭配平衡轴是天经地义的,我也可以明确、负责任地告诉大家,我们拆解的这台来自于福克斯自动挡车型的1.0T发动机装备了一根平衡轴。平衡轴安装在发动机油底壳内,为了安装这根平衡轴,发动机的机油泵与机油挡板也和其它发动机并不相同。

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  福特的工程师表示,由于拥有了特殊的曲轴设计以及平衡轴结构,这台三缸发动机实际上相当于拥有了两根平衡轴,当然,其中一根是“隐形”的。然而之前我们曾提到过,为了达到良好的NVH效果,平衡轴并不是福特工程开发人员唯一的选择。为了证明这一观点,我们在生产线上找到了另一个版本的1.0T发动机。

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  看到这里不知道会不会有人担心采用DCT和MT变速箱的车型运行平顺度是否会打折扣,其实大可不必有这方面的顾虑。在我们在相关车型的评测中,对于发动机运转时的NVH水平都比较满意,上面的视频中就是采用了DCT发动机的嘉年华车型。此外,在世界上赢取多项发动机大奖的大多也都是搭载在嘉年华、翼搏车型上没有平衡轴的版本,因此对于这款三缸发动机而言,有没有平衡轴并不是一个问题。

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动力表现(1):增压/直喷

重点问题之二:动力表现

  除了对三缸发动机NVH的担心之外,1.0L的排量还容易让人们怀疑这台发动机的动力表现。确实,如果动力不能令人满意,即使发动机运转再平顺,也无法将驾驶变成一件有乐趣的事情。然而,排量已经低至“公升级”,这么小的“肺活量”如何才能产生大能量呢?

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- 措施之一:涡轮增压

  很显然,这是一款隶属于福特EcoBoost发动机家族的产品,因此涡轮增压器是标准配置。这台1.0L EcoBoost发动机的涡轮增压器采用了大陆集团的产品,涡轮的尺寸很小,有利于优化反应的灵敏度、降低迟滞感,最高转速可以达到248000rpm。由于是三缸发动机,因此没什么双涡管之类的结构(这有点像废话),不过采用了电控的压气机泄压阀,可以令压力控制更加精准。

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  扩展知识:为什么电控泄压阀可以提高加速响应?因为无论是手动挡车型还是自动挡车型,在换挡时都会有收油的动作(节气门关闭),收油时涡轮叶片依旧保持之前的转速,一旦节气门关闭,如果不对进气管路中的压力进行控制,管路内的压力就会骤升。这股压力会反作用于涡轮叶片使其转速大幅度降低,会影响升挡后的加速响应,严重时还有可能损坏节气门。由此看来,就需要装配一个动作迅速的泄压阀对这一工况下的进气压力进行控制,而电控泄压阀可以满足这个诉求。

- 措施之二:缸内直喷

  应该说,涡轮增压器是这台发动机能够获得更强动力的主要原因,但除此之外,供油系统和配气机构在这里同样扮演了给力帮手的角色。这款1.0T发动机采用了顶置直喷布局,配合活塞顶部的凹槽可以产生工程师所需要的滚流。

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  应该说,不论是顶置直喷还是侧置直喷,都是不同厂家工程开发人员设计思路的体现,并不能粗暴地判定高下。不过,顶置直喷更加容易实现分层燃烧(想了解分层燃烧?请点击这里),但对于国内的车辆使用环境来说意义不大。此外,缸内直喷对于油耗的控制也同样有积极的帮助。

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动力表现(2):配气系统

- 措施之二:双VVT

  与缸内直喷系统类似,双VVT系统同样在动力输出和控制燃油消耗方面做出了自己的贡献。在配气系统方面,进/排气双VVT已经是如今的主流配置,对于小排量发动机来说,通过调节进排气门开合时机以获得在不同转速区间的最优化性能是十分必要的。

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  在人们固有的认知中,采用链条的正时系统好处诸多,其中最重要的一定就是免维护,但不可否认的是,尽管在技术上可以改善静音方面的性能,但毕竟是金属与金属之间的接触,噪声还是个问题,尤其是随着车辆行驶里程的增加,正时链条发出的噪音也可能变大。而橡胶材质的皮带在噪音控制环节就有本质的优势,如果能解决每6万公里至8万公里定期更换的问题,那么,这样的皮带显然更“高级”。

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  通过我们的实际测试和体验,不论在嘉年华还是福克斯车型上,这台1.0T发动机的动力表现都强于排量更大的自然吸气发动机,甚至能带给驾驶者些许的驾驶乐趣,这一点在嘉年华车型上体现得更为突出。平顺性不差、动力也不逊色,如果能有优秀的燃油经济性的话就更有说服力了。接下来我们就来看看福特在这方面做了哪些优化设计。

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效率优化:排气/冷却策略/润滑

重点问题之三:经济性表现如何?

  通过我们的实际测试,采用了DCT变速箱、1.0T发动机的2014款福特嘉年华的平均油耗为6.81L/100km,排在同级别(小型车)的第二十五位,这个成绩看起来并不算特别抢眼。不过,采用相同变速箱、1.5L自然吸气发动机的2013款嘉年华的实测油耗为7.87L/100km,排名第42。如果和自己对比的话,1.0T发动机动力表现令人印象深刻,但油耗更低,这是可以欣然接受的。

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  在谈到对动力输出的优化时,我们曾经提到双VVT系统和缸内直喷系统对于发动机的燃油经济性也有着很多积极的作用,因此在这里就不再重复解释了。除此之外,还有一些结构和设计对于能耗以及排放同样会有所帮助,这对于宣扬节能减排的小排量发动机十分重要。

- 优化之一:集成排气歧管

  在近些年推出的新一代发动机中,集成式排气歧管已经成为了非常主流的结构设计。集成式排气歧管的热效率更高,可以令发动机凉车时的水温快速升高至最佳工作温度,这样会有三个好处:一、就车内驾乘人员而言,在冬天,水温的提升速度决定了暖风的供给速度;二、水温在一定程度上决定了润滑系统的保护效果(确切的说是机油温度,发动机工作产生的热量也会传至机油);三、对尾气排放质量有积极作用。

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- 优化之二:双节温器设计

  双节温器设计也是现今比较先进的发动机冷却控制理念,两个节温器分别控制通往缸体和缸盖的两条循环水道,由于缸体和缸盖的温度特性不同,两个节温器的开启温度也不同。与集成式排气歧管的优势类似,双节温器/双水道设计可以令发动机更早进入工作温度,同时也可以更快提供车内暖风。

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- 优化之三:变排量机油泵

  之前我们在分析平衡轴时曾经提到过发动机的机油泵,并承诺将在后面细聊。现在就让我们看看这台1.0T发动机的机油泵吧。福特工程师为这台发动机选择了一款变排量机油泵。与传统的定排量机油泵相比,ECU可根据发动机工况调整油泵状态:在低转速时增大油压以满足润滑需要,而高转速时降低油压以减轻发动机的负载,从而提升燃油经济性。

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  由于有了缸内直喷、双VVT结构以及上面的这些细节上的优化,这台1.0T最终获得一个可以令人接受的油耗水平,特别是相对于它的动力表现来说,足够优秀了。解决了平顺性、动力和经济性三个问题,接下来我们再来看一看这台发动机还具有哪些特点。

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其它特点

它还有那些特点?

  首先,从大的方面来说,这台发动机并没有采用全铝合金结构,它的缸体依旧是铸铁材质,这一点我想很多人应该早已发现了。此外,缸体采用了一体的龙门式结构而非分体式,虽然从理论上来说,龙门式的缸体会稍逊于分体式,不过对于铸铁缸体来说,强度倒不是一个需要过多考虑的问题。

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  虽然铸铁缸体在强度方面不需要担心,但散热问题却要比铝合金缸体严重得多,因此福特的工程师在缸体散热方面做了一些细节上的优化设计,以进一步提升缸体特别是缸筒部位的散热效果。

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  除了缸筒,缸筒内部运动的活塞同样需要冷却。在这方面,这台福特1.0T发动机采用了较为常见的机油喷射的方式,类似的方式我们在很多品牌的发动机上都可以看到。

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总结:

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  尽管到现在为止我依然十分抗拒小排量涡轮增压发动机,但也不得不承认这台三缸机确实十分优秀。我们的确可以把它看作是被政策催生出来的产物,它的每一处设计似乎都是通过处心积虑计算出来以应对各种各样无聊且与人类享乐天性相背离的条条框框,然而从结果来看,它成功了。就像是在一个狭窄的空间里跳舞,没有碰壁,但它的舞姿却令人愉悦。当然,我们可能会抱怨,它的缸体只是个黝黑沉重的铁疙瘩,为什么不能做成更轻量化、散热效果更佳,同时也更漂亮的铝合金缸体呢?相信面对这个问题,英国福特的工程师也许会在计算器上按出一个数字,然后露出轻蔑的微笑吧。(文/图 汽车之家 张戈)

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