何以制霸全球？福特1.0T發動機拆解分析

　　[汽車之家 技術]  作為曾經“無V8不歡”的美國品牌的代表，如今的福特卻算得上是個減排急先鋒：北美幾乎人手一輛的F-150全尺寸皮卡的入門排量已經縮減到了2.7L；被譽為美國pony car精神代表的野馬也引入了讓人回想起40年前石油危機的2.3T發動機。不過，福特的歐洲分部在這方面做得更加徹底——一臺1.0L EcoBoost三缸發動機已經成為了公升級發動機中的標桿。從過去幾年中獲得的無數獎項中不難看出，自誕生之日起，這家伙已經憑借著平順性、動力變現以及燃油經濟性在全球的各種評比中稱霸許久。它是如何做到的？今天我們將其分解成了一個個零件，目的就是要找到這個問題的答案。

● 重點問題之一：平順性

　　2013年，長安福特將1.0T發動機落地生產，并陸續搭載在國產翼搏、嘉年華以及最新改款的�？怂股�，顯然這臺小發動機主要的服務對象是小型車、小型SUV和緊湊型車。實際駕駛過這些車型之后，我和我的同事們都認為這臺發動機的實際表現配得上它獲得的那些褒獎，特別是在備受關注的平順性和動力輸出方面比之前預想要好得多。所以我們今天并不會按照常規的拆解順序進行，而是先解決這個你我都最為關注的問題：三缸機的平順性如何解決？

『長安福特嘉年華怠速狀態展示』

- 措施之一：曲軸

　　從上面的視頻中可以看到，搭載在嘉年華上的1.0T發動機在怠速時的振動水平還是可以令人接受的。人們之所以對于三缸發動機的平順性憂心忡忡，原因就在于三缸的先天結構造成了一階往復慣性力矩不平衡，且其最大數值在發動機一缸活塞運動到上止點后的30°出現。工程師給出的推算過程我想大家都不會有太多的興趣，所以還是把復雜的計算公式留給學霸們吧，相信福特的解決方案才是最值得關注的重點。

　　擴展知識：什么是發動機一階振動？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。其中振動頻率和發動機轉速頻率相同的叫一階振動，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。

　　福特解決這個問題的秘訣之一就在曲軸上。這臺1.0T發動機的曲軸采用鑄造工藝制成，與常見的四缸發動機的平面式曲軸不同，三缸機采用了空間曲軸的形式，即曲柄之間的角度為120°。為了解決之前所說的不平衡問題，福特的設計師在曲軸平衡塊上動起了腦筋。

　　當然，僅僅靠曲軸平衡塊的特殊設計還不足以完全達到令人滿意的NVH效果，接下來還需要什么措施呢？我猜很多人會想到平衡軸吧，這個答案沒有錯，但不全對。為什么呢？

- 措施之二：并非標配的平衡軸

　　似乎在人們的固有思維中，三缸機為了抑制振動搭配平衡軸是天經地義的，我也可以明確、負責任地告訴大家，我們拆解的這臺來自于�？怂棺詣訐踯囆偷�1.0T發動機裝備了一根平衡軸。平衡軸安裝在發動機油底殼內，為了安裝這根平衡軸，發動機的機油泵與機油擋板也和其它發動機并不相同。

　　福特的工程師表示，由于擁有了特殊的曲軸設計以及平衡軸結構，這臺三缸發動機實際上相當于擁有了兩根平衡軸，當然，其中一根是“隱形”的。然而之前我們曾提到過，為了達到良好的NVH效果，平衡軸并不是福特工程開發人員唯一的選擇。為了證明這一觀點，我們在生產線上找到了另一個版本的1.0T發動機。

　　看到這里不知道會不會有人擔心采用DCT和MT變速箱的車型運行平順度是否會打折扣，其實大可不必有這方面的顧慮。在我們在相關車型的評測中，對于發動機運轉時的NVH水平都比較滿意，上面的視頻中就是采用了DCT發動機的嘉年華車型。此外，在世界上贏取多項發動機大獎的大多也都是搭載在嘉年華、翼搏車型上沒有平衡軸的版本，因此對于這款三缸發動機而言，有沒有平衡軸并不是一個問題。

● 重點問題之二：動力表現

　　除了對三缸發動機NVH的擔心之外，1.0L的排量還容易讓人們懷疑這臺發動機的動力表現。確實，如果動力不能令人滿意，即使發動機運轉再平順，也無法將駕駛變成一件有樂趣的事情。然而，排量已經低至“公升級”，這么小的“肺活量”如何才能產生大能量呢？

- 措施之一：渦輪增壓

　　很顯然，這是一款隸屬于福特EcoBoost發動機家族的產品，因此渦輪增壓器是標準配置。這臺1.0L EcoBoost發動機的渦輪增壓器采用了大陸集團的產品，渦輪的尺寸很小，有利于優化反應的靈敏度、降低遲滯感，最高轉速可以達到248000rpm。由于是三缸發動機，因此沒什么雙渦管之類的結構（這有點像廢話），不過采用了電控的壓氣機泄壓閥，可以令壓力控制更加精準。

　　擴展知識：為什么電控泄壓閥可以提高加速響應？因為無論是手動擋車型還是自動擋車型，在換擋時都會有收油的動作（節氣門關閉），收油時渦輪葉片依舊保持之前的轉速，一旦節氣門關閉，如果不對進氣管路中的壓力進行控制，管路內的壓力就會驟升。這股壓力會反作用于渦輪葉片使其轉速大幅度降低，會影響升擋后的加速響應，嚴重時還有可能損壞節氣門。由此看來，就需要裝配一個動作迅速的泄壓閥對這一工況下的進氣壓力進行控制，而電控泄壓閥可以滿足這個訴求。

- 措施之二：缸內直噴

　　應該說，渦輪增壓器是這臺發動機能夠獲得更強動力的主要原因，但除此之外，供油系統和配氣機構在這里同樣扮演了給力幫手的角色。這款1.0T發動機采用了頂置直噴布局，配合活塞頂部的凹槽可以產生工程師所需要的滾流。

　　應該說，不論是頂置直噴還是側置直噴，都是不同廠家工程開發人員設計思路的體現，并不能粗暴地判定高下。不過，頂置直噴更加容易實現分層燃燒（想了解分層燃燒？請點擊這里），但對于國內的車輛使用環境來說意義不大。此外，缸內直噴對于油耗的控制也同樣有積極的幫助。

- 措施之二：雙VVT

　　與缸內直噴系統類似，雙VVT系統同樣在動力輸出和控制燃油消耗方面做出了自己的貢獻。在配氣系統方面，進/排氣雙VVT已經是如今的主流配置，對于小排量發動機來說，通過調節進排氣門開合時機以獲得在不同轉速區間的最優化性能是十分必要的。

　　在人們固有的認知中，采用鏈條的正時系統好處諸多，其中最重要的一定就是免維護，但不可否認的是，盡管在技術上可以改善靜音方面的性能，但畢竟是金屬與金屬之間的接觸，噪聲還是個問題，尤其是隨著車輛行駛里程的增加，正時鏈條發出的噪音也可能變大。而橡膠材質的皮帶在噪音控制環節就有本質的優勢，如果能解決每6萬公里至8萬公里定期更換的問題，那么，這樣的皮帶顯然更“高級”。

　　通過我們的實際測試和體驗，不論在嘉年華還是�？怂管囆蜕�，這臺1.0T發動機的動力表現都強于排量更大的自然吸氣發動機，甚至能帶給駕駛者些許的駕駛樂趣，這一點在嘉年華車型上體現得更為突出。平順性不差、動力也不遜色，如果能有優秀的燃油經濟性的話就更有說服力了。接下來我們就來看看福特在這方面做了哪些優化設計。

● 重點問題之三：經濟性表現如何？

　　通過我們的實際測試，采用了DCT變速箱、1.0T發動機的2014款福特嘉年華的平均油耗為6.81L/100km，排在同級別（小型車）的第二十五位，這個成績看起來并不算特別搶眼。不過，采用相同變速箱、1.5L自然吸氣發動機的2013款嘉年華的實測油耗為7.87L/100km，排名第42。如果和自己對比的話，1.0T發動機動力表現令人印象深刻，但油耗更低，這是可以欣然接受的。

　　在談到對動力輸出的優化時，我們曾經提到雙VVT系統和缸內直噴系統對于發動機的燃油經濟性也有著很多積極的作用，因此在這里就不再重復解釋了。除此之外，還有一些結構和設計對于能耗以及排放同樣會有所幫助，這對于宣揚節能減排的小排量發動機十分重要。

- 優化之一：集成排氣歧管

　　在近些年推出的新一代發動機中，集成式排氣歧管已經成為了非常主流的結構設計。集成式排氣歧管的熱效率更高，可以令發動機涼車時的水溫快速升高至最佳工作溫度，這樣會有三個好處：一、就車內駕乘人員而言，在冬天，水溫的提升速度決定了暖風的供給速度；二、水溫在一定程度上決定了潤滑系統的保護效果（確切的說是機油溫度，發動機工作產生的熱量也會傳至機油）；三、對尾氣排放質量有積極作用。

- 優化之二：雙節溫器設計

　　雙節溫器設計也是現今比較先進的發動機冷卻控制理念，兩個節溫器分別控制通往缸體和缸蓋的兩條循環水道，由于缸體和缸蓋的溫度特性不同，兩個節溫器的開啟溫度也不同。與集成式排氣歧管的優勢類似，雙節溫器/雙水道設計可以令發動機更早進入工作溫度，同時也可以更快提供車內暖風。

- 優化之三：變排量機油泵

　　之前我們在分析平衡軸時曾經提到過發動機的機油泵，并承諾將在后面細聊。現在就讓我們看看這臺1.0T發動機的機油泵吧。福特工程師為這臺發動機選擇了一款變排量機油泵。與傳統的定排量機油泵相比，ECU可根據發動機工況調整油泵狀態：在低轉速時增大油壓以滿足潤滑需要，而高轉速時降低油壓以減輕發動機的負載，從而提升燃油經濟性。

　　由于有了缸內直噴、雙VVT結構以及上面的這些細節上的優化，這臺1.0T最終獲得一個可以令人接受的油耗水平，特別是相對于它的動力表現來說，足夠優秀了。解決了平順性、動力和經濟性三個問題，接下來我們再來看一看這臺發動機還具有哪些特點。

● 它還有那些特點？

　　首先，從大的方面來說，這臺發動機并沒有采用全鋁合金結構，它的缸體依舊是鑄鐵材質，這一點我想很多人應該早已發現了。此外，缸體采用了一體的龍門式結構而非分體式，雖然從理論上來說，龍門式的缸體會稍遜于分體式，不過對于鑄鐵缸體來說，強度倒不是一個需要過多考慮的問題。

　　雖然鑄鐵缸體在強度方面不需要擔心，但散熱問題卻要比鋁合金缸體嚴重得多，因此福特的工程師在缸體散熱方面做了一些細節上的優化設計，以進一步提升缸體特別是缸筒部位的散熱效果。

　　除了缸筒，缸筒內部運動的活塞同樣需要冷卻。在這方面，這臺福特1.0T發動機采用了較為常見的機油噴射的方式，類似的方式我們在很多品牌的發動機上都可以看到。

總結：

　　盡管到現在為止我依然十分抗拒小排量渦輪增壓發動機，但也不得不承認這臺三缸機確實十分優秀。我們的確可以把它看作是被政策催生出來的產物，它的每一處設計似乎都是通過處心積慮計算出來以應對各種各樣無聊且與人類享樂天性相背離的條條框框，然而從結果來看，它成功了。就像是在一個狹窄的空間里跳舞，沒有碰壁，但它的舞姿卻令人愉悅。當然，我們可能會抱怨，它的缸體只是個黝黑沉重的鐵疙瘩，為什么不能做成更輕量化、散熱效果更佳，同時也更漂亮的鋁合金缸體呢？相信面對這個問題，英國福特的工程師也許會在計算器上按出一個數字，然后露出輕蔑的微笑吧。（文/圖 汽車之家 張戈）