何以制霸全球？福特1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)拆解分析

平順之道：曲軸

作為曾經(jīng)“沒有V8不快”的美國(guó)品牌代表，如今的福特可謂是減排深度沖鋒:F-150全尺寸皮卡在北美的入門排量已降至2.7L；被譽(yù)為美國(guó)小馬車精神代表的野馬，也推出了讓人想起40年前石油危機(jī)的2.3T發(fā)動(dòng)機(jī)。不過，福特歐洲分公司在這方面做得更徹底——一臺(tái)1.0L EcoBoost三缸發(fā)動(dòng)機(jī)成為了大眾升級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)中的標(biāo)桿。從這幾年獲得的無數(shù)獎(jiǎng)項(xiàng)不難看出，這家伙從出生起就長(zhǎng)期稱霸全球各大賽事，依靠的是乘坐舒適性、動(dòng)力實(shí)現(xiàn)性和燃油經(jīng)濟(jì)性。它是怎么做到的？今天，我們把它分成幾部分，目的是找到這個(gè)問題的答案。

●關(guān)鍵問題之一:乘坐舒適性

2021年，長(zhǎng)安福特在地面生產(chǎn)了1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)，并搭載在國(guó)產(chǎn)Wingbeat、嘉年華（查成交價(jià)|參配|優(yōu)惠政策）和新改裝的?？怂?/a>（查成交價(jià)|參配|優(yōu)惠政策）上。顯然，這款小發(fā)動(dòng)機(jī)的主要服務(wù)對(duì)象是小型車、小型SUV和緊湊型車。實(shí)際駕駛這些車型后，我和同事們都覺得這款發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際表現(xiàn)值得它所贏得的贊譽(yù)，尤其是備受關(guān)注的乘坐舒適性和動(dòng)力輸出，比之前預(yù)期的要好得多。所以今天我們就不按照常規(guī)的拆卸順序，先解決你我最關(guān)心的問題:如何解決三缸機(jī)的乘坐舒適性？

“長(zhǎng)安福特嘉年華怠速狀態(tài)顯示”

-措施之一:曲軸

從上面的視頻可以看出，嘉年華搭載的1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的振動(dòng)水平還是可以接受的。人們之所以擔(dān)心三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的平順性，是因?yàn)槿椎墓逃薪Y(jié)構(gòu)造成了一階往復(fù)慣性矩的不平衡，其最大值出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)第一缸活塞運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)后的30度。我想大家都不會(huì)對(duì)工程師給出的計(jì)算過程感興趣，那就把復(fù)雜的計(jì)算公式留給校長(zhǎng)們吧。我相信福特的解決方案是最重要的一點(diǎn)。

延伸知識(shí):什么是發(fā)動(dòng)機(jī)的一階振動(dòng)？活塞每次上下運(yùn)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)都會(huì)振動(dòng)一兩次，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻率相同的振動(dòng)頻率稱為一階振動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速兩倍的頻率稱為二階振動(dòng)，以此類推，有三階和四階振動(dòng)。

福特解決這個(gè)問題的秘訣之一就在于曲軸。這臺(tái)1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸采用鑄造工藝制造。與四缸發(fā)動(dòng)機(jī)常見的平面曲軸不同，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)采用空曲軸的形式，即曲柄之間的夾角為120°。為了解決前面提到的不平衡問題，福特的設(shè)計(jì)師們將他們的大腦用在了曲軸平衡塊上。

當(dāng)然，僅靠曲軸配重的特殊設(shè)計(jì)還不足以完全達(dá)到滿意的NVH效果。接下來需要采取哪些措施？我猜很多人會(huì)想到平衡軸。這個(gè)答案沒有錯(cuò)，但也不全對(duì)。為什么呢？

平順之道：平衡軸/飛輪

-措施2:平衡軸不標(biāo)準(zhǔn)。

似乎在人們固有的思維中，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)為了抑制振動(dòng)而匹配平衡軸是很自然的。我也可以明確負(fù)責(zé)的告訴大家，我們拆解的?？怂?a target="_blank" class="cmsLink">自動(dòng)變速箱的1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)，配備了平衡軸。平衡軸安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼中。為了安裝這個(gè)平衡軸，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵和擋油板與其他發(fā)動(dòng)機(jī)不同。

福特工程師表示，由于特殊的曲軸設(shè)計(jì)和平衡軸結(jié)構(gòu)，這款三缸發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際上有兩個(gè)平衡軸，當(dāng)然其中一個(gè)是“隱形”的。但是，正如我們之前提到的，為了達(dá)到良好的NVH效果，平衡軸并不是福特工程師和開發(fā)者的唯一選擇。為了證明這一點(diǎn)，我們?cè)谏a(chǎn)線上找到了另一個(gè)版本的1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)。

看到這里，不知道有沒有人會(huì)擔(dān)心裝有DCT和MT變速箱的車型的行駛平順性會(huì)不會(huì)降低。其實(shí)這個(gè)不用擔(dān)心。在相關(guān)車型的評(píng)價(jià)中，我們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的NVH水平比較滿意。上面的視頻是一個(gè)帶有DCT引擎的嘉年華模型。此外，全球獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)獎(jiǎng)項(xiàng)大部分也是嘉年華和Wingbeat車型上沒有平衡軸的版本，所以對(duì)于這款三缸發(fā)動(dòng)機(jī)來說，是否有平衡軸并不是問題。

動(dòng)力表現(xiàn)：增壓/直噴

●第二個(gè)關(guān)鍵問題:動(dòng)態(tài)性能。

除了擔(dān)心三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的NVH，1.0L的排量讓人很容易懷疑這款發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能。的確，如果動(dòng)力不盡如人意，即使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，開車也不可能是一件有趣的事情。然而，流離失所率一直低至“公共升級(jí)”。這么小的“肺活量”怎么能產(chǎn)生大能量？

-措施之一:渦輪增壓

顯然，這款產(chǎn)品屬于福特EcoBoost發(fā)動(dòng)機(jī)家族，所以渦輪增壓器是標(biāo)配。這臺(tái)1.0L EcoBoost發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器采用了大陸的產(chǎn)品。渦輪的小尺寸有利于優(yōu)化反作用的靈敏度，減小遲滯，最大轉(zhuǎn)速可達(dá)248000rpm。因?yàn)槭侨装l(fā)動(dòng)機(jī)，所以沒有雙渦管這樣的結(jié)構(gòu)，但是電控壓縮機(jī)泄壓閥可以讓壓力控制更精準(zhǔn)。

知識(shí):為什么電子泄壓閥可以提高加速響應(yīng)？無論是手動(dòng)擋車還是自動(dòng)擋車，換擋時(shí)都會(huì)集油。當(dāng)油被收集時(shí)，渦輪葉片仍然保持以前的速度。一旦節(jié)流閥關(guān)閉，如果進(jìn)氣管道內(nèi)的壓力得不到控制，管道內(nèi)的壓力就會(huì)突然升高。這種壓力會(huì)反作用在渦輪葉片上，使其轉(zhuǎn)速大大降低，從而影響升檔后的加速響應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)甚至可能損壞節(jié)氣門。因此，在這種工況下需要裝配一個(gè)快速動(dòng)作的泄壓閥來控制進(jìn)氣壓力，而電動(dòng)泄壓閥就可以滿足這種需求。

-措施2:缸內(nèi)直噴

應(yīng)該說，渦輪增壓器是這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)能夠獲得更強(qiáng)動(dòng)力的主要原因，但除此之外，供油系統(tǒng)和配氣機(jī)構(gòu)在這里也起到了幫手的作用。這款1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)采用頂置直噴布局，活塞頂部的凹槽可以產(chǎn)生工程師所需的滾流。

應(yīng)該說，無論是頂部直噴還是側(cè)面直噴，都是不同廠家的工程開發(fā)商的設(shè)計(jì)思路的體現(xiàn)，無法粗略判斷區(qū)別。但是頂置直噴更容易實(shí)現(xiàn)分層燃燒，但對(duì)國(guó)內(nèi)車輛使用環(huán)境意義不大。此外，缸內(nèi)直噴也有助于油耗控制。

動(dòng)力表現(xiàn)：配氣系統(tǒng)

-措施二:雙VVT

與缸內(nèi)直噴系統(tǒng)類似，雙VVT系統(tǒng)在動(dòng)力輸出和油耗控制方面也做出了自己的貢獻(xiàn)。在配氣系統(tǒng)方面，進(jìn)排氣雙VVT已成為當(dāng)今主流配置。對(duì)于小排量發(fā)動(dòng)機(jī)，需要調(diào)整進(jìn)氣門和排氣門的開啟和關(guān)閉正時(shí)，以獲得不同轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最佳性能。

在人們的固有認(rèn)知中，帶鏈條的正時(shí)系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，其中最重要的一定是免維護(hù)。但不可否認(rèn)的是，雖然在技術(shù)上可以提高靜音性能，但畢竟是金屬對(duì)金屬的接觸，噪音還是個(gè)問題，尤其是隨著車輛行駛里程的增加，正時(shí)鏈條發(fā)出的噪音可能會(huì)變大。橡膠帶在噪音控制方面有著重要的優(yōu)勢(shì)。如果能解決每6萬公里到8萬公里定期更換的問題，那么這樣的皮帶顯然更“先進(jìn)”。

通過我們的實(shí)際測(cè)試和體驗(yàn)，這款1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能要優(yōu)于排量更大的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，甚至還能給駕駛者帶來一點(diǎn)駕駛樂趣，這在嘉年華車型中更為突出。乘坐感不差，動(dòng)力也不遜色，如果有出色的燃油經(jīng)濟(jì)性，會(huì)更有說服力。接下來我們來看看福特在這方面做了哪些優(yōu)化設(shè)計(jì)。

效率優(yōu)化：排氣/冷卻策略/潤(rùn)滑

●第三個(gè)關(guān)鍵問題:經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)如何？

通過我們的實(shí)際測(cè)試，搭載DCT變速箱和1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)的2014款福特嘉年華平均油耗為6.81L/100km，在同級(jí)別中排名第25位，并不是特別搶眼。但2013款嘉年華在相同變速箱和1.5L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，實(shí)測(cè)油耗為7.87L/100km，排名第42位。如果和自己相比，1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能讓人印象深刻，但油耗更低，還可以接受。

在談到動(dòng)力輸出的優(yōu)化時(shí)，我們?cè)?jīng)提到雙VVT系統(tǒng)和缸內(nèi)直噴系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性也有很多積極的影響，這里就不重復(fù)解釋了。此外，還有一些結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)也有助于降低能耗和排放，這對(duì)促進(jìn)節(jié)能減排的小排量發(fā)動(dòng)機(jī)非常重要。

-優(yōu)化一:集成排氣歧管

在近幾年推出的新一代發(fā)動(dòng)機(jī)中，集成排氣歧管已經(jīng)成為非常主流的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。集成排氣歧管熱效率更高，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻時(shí)快速將水溫提升到最佳工作溫度，有三大優(yōu)勢(shì):1。就車內(nèi)駕乘人員而言，冬季，水溫的上升速度決定了暖風(fēng)的供給速度；二是水溫在一定程度上決定了潤(rùn)滑系統(tǒng)的保護(hù)效果；三是對(duì)尾氣排放質(zhì)量有積極影響。

-第二個(gè)優(yōu)化:雙溫控器設(shè)計(jì)

雙恒溫器的設(shè)計(jì)也是當(dāng)今先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻控制理念。兩個(gè)溫控器分別控制通向缸體和缸蓋的兩個(gè)循環(huán)水通道。由于氣缸體和氣缸蓋的溫度特性不同，兩個(gè)恒溫器的開啟溫度也不同。類似于一體式排氣歧管的優(yōu)點(diǎn)，雙節(jié)溫器/雙水道設(shè)計(jì)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)更早達(dá)到工作溫度，同時(shí)可以更快地提供車內(nèi)暖風(fēng)。

-優(yōu)化3:可變排量油泵

我們之前分析平衡軸的時(shí)候提到了機(jī)油泵，答應(yīng)以后再詳細(xì)說?，F(xiàn)在我們來看看這臺(tái)1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油泵。福特工程師為這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)選擇了可變排量油泵。與傳統(tǒng)的定排量機(jī)油泵相比，ECU可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)節(jié)機(jī)油泵狀態(tài):低速時(shí)增加油壓以滿足潤(rùn)滑需求，高速時(shí)降低油壓以降低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

得益于缸內(nèi)直噴、雙VVT結(jié)構(gòu)以及上述細(xì)節(jié)優(yōu)化，這款1.0T最終達(dá)到了可接受的油耗水平，與其動(dòng)力性能相比已經(jīng)足夠出色。在解決了乘坐舒適性、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性這三個(gè)問題之后，我們?cè)賮砜纯催@款發(fā)動(dòng)機(jī)還有哪些特點(diǎn)。

其它特點(diǎn)

●它還有哪些功能？

首先，很大程度上，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)不是全鋁合金的，它的缸體還是鑄鐵的，我想很多人應(yīng)該已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了。此外，缸體采用整體龍門結(jié)構(gòu)，而不是分體式。雖然理論上龍門式缸體略遜于分體式缸體，但鑄鐵缸體的強(qiáng)度并不是一個(gè)需要過多考慮的問題。

雖然不用擔(dān)心鑄鐵缸體的強(qiáng)度，但散熱問題比鋁合金缸體嚴(yán)重得多。為此，福特工程師對(duì)缸體的散熱做了一些詳細(xì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高缸體尤其是缸筒的散熱效果。

除了缸筒，在缸筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)的活塞也需要冷卻。在這方面，這款福特1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)采用了常見的噴油方式，這一點(diǎn)我們?cè)诤芏嗥放频陌l(fā)動(dòng)機(jī)中都可以看到。

總結(jié):

雖然到現(xiàn)在我對(duì)小排量渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)還是很抵觸的，但不得不承認(rèn)這款三缸發(fā)動(dòng)機(jī)真的很優(yōu)秀。的確，我們可以把它看作是政策催生的產(chǎn)物，它的每一個(gè)設(shè)計(jì)似乎都是經(jīng)過深思熟慮的計(jì)算，以應(yīng)對(duì)各種無聊的、違背人類享樂本性的規(guī)章制度。然而，從結(jié)果來看，它是成功的。這就像在一個(gè)狹窄的空房間里跳舞，不碰壁，但它的舞蹈是令人愉悅的。當(dāng)然，我們可能會(huì)抱怨它的缸體只是一個(gè)又黑又重的鐵塊。為什么不能做成重量更輕，散熱效果更好，同時(shí)更美觀的鋁合金缸體？我相信，面對(duì)這個(gè)問題，英國(guó)福特的工程師可能會(huì)在計(jì)算器上按一個(gè)數(shù)字，然后露出輕蔑的微笑。