福特10T发动机技术解析 小排量大输出

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  又要马儿跑，又要马儿不吃草。在油价飞涨，环境污染日益严重的今天，一款“吃得少，干得多”的发动机无疑更受青睐。在当前的技术条件下，调和油耗与动力两者矛盾的最佳方法之一就是让发动机排量变小或保持不变，再搭载增压技术。通过这一种“打鸡血，吃”的方法，在不增加排量和油耗的前提下，提升发动机的动力输出。此外，减小排量对于降低整车价格，减少车船税开支，甚至获取国家节能补贴等好处，也是显而易见的。下面就让我们大家一起来看一下怎么看怎么符合以上描述的福特1.0T发动机的技术特点。(部分图片来自PPT，清晰度略低请见谅)

  说到福特发动机，不得已提一下Eco-boost。Eco-boost发动机是福特汽车新动力技术代表之一，在美国已经获得125项专利及专利应用。福特EcoBoost发动机融合了三大关键技术的协同优势：燃油高压直喷、先进涡轮增压器和双独立可变气门正时系统。三大技术的整合有效提升燃油经济性20%，同时降低二氧化碳排放15%;并使得发动机拥有低转速下的强大扭矩和宽转速范围内的优异响应。下面我们就来看一下这三大技术都是如何工作的：

  在过去的燃油喷射系统中，喷油嘴进气歧管中喷射汽油，汽油与空气混合后再进入气缸。这种传统的汽油喷射方式使得汽油会接触到进气歧管表明产生汽油壁膜，造成壁膜损失，增加油耗。而缸内直喷系统的喷嘴直接往气缸内喷射汽油，壁膜损失大幅度的降低，从而提升燃油使用效率。

  对于在进气歧管喷射的增压发动机，发动机爆震只有在加大喷油量，降低气缸温度后才可改善或消除，这导致了油耗的急剧升高。而使用缸内直喷技术的发动机直接把汽油喷到汽缸里，汽油因为气缸高温而雾化更好，气缸温度因为汽油雾化而降低，这样达到了一个双赢的局面既控制了爆震也降低了油耗。

  上面提到了缸内直喷技术的一些优点，下面来说说福特1.0T Eco-boost GTDi发动机的一些技术特点。

  EcoBoost GTDi发动机的燃油喷射系统采用的是无回油形式，系统由低压燃油泵、高压燃油泵、油压传感器、油管及喷油嘴组成。

  在低压油路系统的控制逻辑如图所示。油泵控制模块(FPDM)通过高频信号驱动油泵，通过低压燃油压力传感器实现闭环控制。油路中具有单向阀，当油压达到125kPa时开启。标准的低压燃油压力范围为380kPa-620Kpa。发动机怠速时，油压稳定在320-340kPa。过压保护阀在830-930kPa时打开，泄放阀用于除去油管中的燃油蒸汽。

  高压油泵为单缸泵，由排气凸轮驱动，带有进油计量阀，泵油油压为15MPa。汽油在高压油泵中形成高压，经高压油管到达油轨，通过开启喷油嘴使得汽油能喷射到汽缸中。

  发动机的喷油嘴是7孔喷油嘴，汽油雾化状态和角度是能调整的，汽油以一定精确的喷射角度喷射到燃烧室，因此喷油嘴上的喷孔采用了偏心的设置。精确的汽油喷射角度防止任何汽油在喷油器打开时雾化。

  偏心设计的喷孔要求精确的喷油嘴校正。在安装喷油嘴时，一定要注意安装位置。每个喷油嘴的塑料插销必须插到油轨的狭缝中，固定夹一定得安装在正确的位置上。在每个喷油嘴和各自在油轨上的固定座上都有一个固定夹，这些固定夹用于固定喷油嘴，这就保证了喷油嘴和汽缸盖上的燃烧室开口的精确配合。

  EcoBoost发动机的活塞顶面有着特殊的曲面造型，被负压吸入汽缸的空气能够形成涡流，搅动喷入的油滴更加均匀的混合，进加上缸内直喷技术更加精确的喷油量和喷油时间控制，保证发动机在低速下一样可以在一定程度上完成燃油的最充分燃烧使燃油燃烧更充分。此外，EcoBoost发动机活塞还采用低摩擦镀膜技术，进一步减少活塞与汽缸壁直降的摩擦。

  EcoBoost的缸内直喷系统有两种模式：1.均质模式、2.催化器加热模式。虽然是缸内直喷，但EcoBoost没有采用分层喷注模式。

  当发动机在正常工作时候的温度时，混合气按照均质工作模式产生。在这一个模式下，空燃比为理论空燃比14.7:1(即空气与汽油的质量比为14.7:1)。汽油喷射是在进气行程，这样有足够的时间让汽油与新鲜空气混合。在均质模式下，燃烧很大程度上相当于一个非直喷发动机的工作模式。

  当发动机温度较低时，催化器加热工作模式可以用二次喷射为三元催化器提供快速的加热。第一次喷射同均质工作模式一样从进气行程开始，第二次发生在压缩行程，当进气门关闭后快速喷射，这样就形成一个浓的油核围绕在火花塞周围。点火时刻被推迟，这样尽可能多的燃烧余热能进入排气管，从而到达三元催化器。

  Eco-boost发动机的喷油次数能达到每秒300次，能以高达200巴的压力将精确定量的少量燃油喷入每个汽缸内，油滴的大小一般小于0.02毫米，相当于人类头发丝直径的1/5。所以，发动机即使在低转速下也能实现“稀薄燃烧”，“充分燃尽每滴油”，保证低转速下良好的动力响应，从另一方面弥补涡轮增压发动机响应迟滞的缺点。

  这款发动机采用了与排气歧管集成在一起的废气涡轮增压系统，其具体结构如图所示。

  废气涡轮系统的增压压力受压力控制电磁阀控制，最大增压压力为120kPa，发动机控制单元通过占空比信号调节增压压力。真空控制执行器上的压力取决于增压压力及电磁阀上通电电压占空比。当占空比在80-90%，排气旁通阀全开;当占空比在20时，排气旁通阀全关。

  回风阀是一个机械装置，通过压力差控制，安装在涡轮进气侧。打开时，增压的空气又会回流到涡轮的进气侧，从而使涡轮增压器的转速得到保持。回风阀的作用是在节气门突然关闭的情况下，消除节气门和涡轮增压器之间的背压。这种背压会造成增压压力损失以及导致节气门寿命降低。回风阀在增压压力和进气歧管压力差超过24kPa时打开。

  空气流量计用于测量发动机的进气量，发动机管理系统采用这个信号计算喷油时间、燃油压力、点火时刻、涡轮增压压力、发动机负荷以及换挡控制。如果空气流量计失效，系统会采用进气压力传感器(MAP)的信号作为替代信号计算进气量。空气流量计的供电电压为12V，采用5V的信号逻辑电平。

  发动机管理系统通过监测空气流量计的信号频率来计算空气流量，信号的频率是随着空气流量的增加而提高的。如果此信号失效，发动机管理系统将利用25℃的固定值代替该信号。

  MAPT位于中冷器出口处，发动机管理系统通过这一个传感器测量增压后的空气压力和温度。如果MAPT传感器失效，发动机管理系统将排气旁通阀完全开启，限制涡轮增压器的增压压力，发动机动力输出被限制了。

  进气压力传感器被安装在进气歧管上，该传感器与MAFT(空气流量和进气温度传感)协同工作。它们提供的信号用于计算空气流量。

  EcoBoost系列发动机普遍采用采用低惯量涡轮转子，更容易被推动，涡轮转速可达每分200000转以上，确保发动机在每分钟1,500转或更低转速时获得最大扭矩，同时将涡轮迟滞控制在最低限度。同时，涡轮经过精心匹配，确保EcoBoost发动机在转速高达每分钟5000转时仍保持强劲动力和灵敏响应，因此其峰值动力输出范围更宽。常见的涡轮启动滞后的“迟滞效应”被有效控制，车辆能够迅速加速，实现丰富的驾驶乐趣。

  福特1.0T EcoBoost GTDi发动机除了使用上述先进的涡轮增压与缸内直喷技术外，还采用了iVCT进排气门可变正时技术。我们所熟知的可变气门正时技术包括本田的VTEC(带气门扬程控制)、丰田D-VVT、宝马VANOS等。由于通过涡轮增压系统对发动机进气量已能实现精确控制，因而该发动机只采用了气门正时技术而没有加入气门扬程控制，简化了机械结构。

  可变气门正时系统中，正时齿轮所带动的齿盘与凸轮轴之间有一定的自由量。通过油压控制齿盘与凸轮轴之间的角度差，就能实现对气门提前或延时关闭的效果，这样发动机就可以依据发动机负载，在各个转速区域都有很好的进排气效果，提升发动机效率。

  福特1.0T EcoBoost GTDi发动机的iVCT气门可变正时技术源自2.3L Duratec-HE发动机，并在此基础上增加了排气门可变正时机构。该发动机的进排气门可变正时机构的最大可调角度为50度凸轮轴转角。(2.3L Duratec-HE发动机的进气门最大可调角度为17.5度凸轮轴转角)

  Ti-VCT进排气可变气门正时技术相比仅拥有进气气门可变正时的发动机来说，对排气门的相位调节能确保在发动机低转速时排出更多的废气驱动涡轮，减少涡轮迟滞现象。同时，对进排气的效率拥有更大的调节范围和更高的灵活性，从而令发动机工作效率更高。

  目前长安福特搭载了这款1.0TEco-boost涡轮增压发动机车型为2013款翼搏手动版本，从官方数据能够正常的看到，作为一款排量仅1.0L的小排量发动机，在涡轮增压的作用下却能够把上限功率提到92kw，最大扭矩170Nm，真可谓是“小排量，大做功”!

  除了福特Eco-boost共有的燃油高压直喷、先进涡轮增压器和双独立可变气门正时系统外，1.0T发动机还有两个较为特殊的设计结构：无平衡轴和浸油式的皮带设计，下面我们来看看这两个结构都有哪些过人之处：

  平衡轴技术是三缸或以下发动机中应用较广的一项技术，它的结构相对比较简单实用，可有效地缓减摩托车的整车振动，提高驾驶的舒适性。平衡轴的作用是让发动机工作起来更平稳、顺畅。

  在发动机的工作循环中，活塞的运动速度很快，而且速度很不均匀。在上下止点位置，活塞的速度为零，而在上下止点中间的位置速度达到最高。由于活塞在气缸内做反复的高速直线运动，必然在活塞、活塞销和连杆上产生很大的惯性力。在连杆上配置的配重可以轻松又有效地平衡这些惯性力.但连杆上的配重只有一部分运动质量参与直线运动，另一部分参与旋转。除了上下止点位置外，各种惯性力不能被完全平衡，使发动机产生了振动。

  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与发动机的转速有关。在振动理论上，常使用多个谐波振动来描述发动机的振动，其中振动频率与发动机转速相同的叫一阶振动，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。但振动频率越高，振幅就越小，2阶以上可忽略不计。其一阶振动占整个振动的70%以上，是振动的主要来源。

  为了消除振动，采用的方法有很多，例如采用轻质的活塞减少运动件的质量、提高曲轴的刚度、采用90度夹角的v型双缸布置发动机等等。但在摩托车发动机上普遍采用的方式是增加一个平衡轴来解决。平衡轴简单地说是一个装有偏心重块并随曲轴同步旋转的轴，利用偏心重块所产生的反向振动力，使发动机获得良好的平衡，降低发动机的振动。

  摩托车发动机采用的平衡轴方式有两种：双平衡轴和单平衡轴。两种方式在工作原理上是相同的，但具体结构有不同。

  双平衡轴采用链传动方式带动两根平衡轴转动，其中一根平衡轴与发动机的转速相同，可以消除发动机的一阶振动;另一根平衡轴的转速是发动机转速的2倍，可以消除发动机的二阶振动，可达到理想减振效果。双平衡轴方式较为复杂，成本高，占用发动机的空间大，般在大排量摩托车上使用。

  还有一种双平衡轴布置方式，就是两个平衡轴与气缸中心线成角度对称布置，旋转方向相反，转速与曲轴转速相同，用以平衡发动机的一阶往复惯性力。例如276Q发动机上的平衡轴，就是如上布置。

  单平衡轴采用单一的平衡轴，利用齿轮传动方式来进行工作，通过曲轴旋转带动固连的平衡轴驱动齿轮平衡轴从动齿轮平衡轴。单平衡可以平衡占整个振动比例相当大的一阶振动，可以使发动机的振动得到明显改善。由于单平衡轴方式结构相对比较简单，占用的空间小，在单缸和小排量的发动机中应用较广。

  可见，平衡轴能够反相消除发动机的振动作用，不过缺点也很显然发动机的重量与发动机里面的零件都增加了。运用了无平衡轴的1.0T三缸EcoBoost发动机与传统的三缸发动机相比，结构设计上有着不小的突破。EcoBoost 1.0T去掉了普通三缸机中的平衡轴，而在飞轮与皮带轮上采用“不平衡”设计，以简化结构并获得更加合理的配重。

  该发动机还采用了“浸油式”皮带设计。正时皮带在工作的时候浸在机油当中，在冷却和润滑之后，让EcoBoost 1.0T发动机拥有了更好的稳定性，并且更加静音和高效。

  全文总结：EcoBoost系列发动机可以说是福特先进的技术的集大成者，其出色的动力表现和优异的燃油经济性，已经在这几年的应用中得到印证。EcoBoost系列发动机还获得了“沃德十佳发动机”、“年度最佳发动机”等多个奖项，在国际上广受好评。