[车讯报道] 拆解福特1.5T三缸发动机 保留闭缸技术

2019-5-15 16:57 469 0

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lee 发表于 2019-5-15 16:57 |阅读模式 查看: 469

lee 楼主

2019-5-15 16:57

盾标申请-爱福特车友会盾标申请
1Ecoboost family新成员驾到

    上海车展已经过去一段时间了,在媒体日忙完本职工作后,我又见缝插针的游走了各个展位,主机厂、供应商的产品总体来说都不少,但实话说亮点不是很多,尤其是纯电动汽车的光环开始减弱,同时混动车的比例有所上升,可以看出排放政策给车企带来了很多压力。说到排放法规,目前车企的应对的方式基本可以分为两种,一种是通过对发动机技术的革新,以此降低排放;一种是通过48V、混动等手段,在短时间内进行过渡。两种手段都无可厚非,而通过技术手段对传统发动机进行升级则是老牌车企常用的方法。


  在这样一个大背景下,关于小排量发动机的研究依然是传统车企讨论的重点,纵观前段时间上市的新车,福特福克斯的1.5T三缸发动机可以算是一个亮点了,当然,小排量+三缸的组合并不值得大惊小怪,不过这台发动机还加入了闭缸技术。

  车展上工程师曾介绍说14毫秒就能进行单缸的开闭,完成三缸到两缸的转变,因此对这台发动机我还是很感兴趣的,前段时间我来到了福特汽车位于重庆的发动机工厂对这台发动机进行了首次拆解,通过拆解我发现了很多有意思的点,这篇文章我们就来详细的聊聊,同时大家有什么疑问也可以在评论中跟我交流。

◆Ecoboost family新成员驾到

  福特Ecoboost发动机家族十分庞大,跨越的时间也比较长,这台1.5T发动机就是Ecoboost家族的新成员。作为最新的平台产品,它的诞生背景十分简单,在全球油耗和排放要求日趋严峻的大背景下,为了能满足苛刻的Stage6排放要求,曾经设计开发那台经典的1.0T三缸发动机团队,开始对曾经的Ecoboost I4 Sigma GTDI发动机进行升级,经过福特北美和欧洲团队的开发,最终得到了这台1.5T三缸发动机,这台发动机最大的特点就是在保证动力的同时,可以带来更好的燃油经济性和排放性能。




主流1.5T三缸发动机动力参数对比表
国家
车企
排量
最大功率
最大扭矩
德国
宝马
1.5L(B38)
100kW
220N·m
瑞典
沃尔沃
1.5L(Drive-E)
132kW
265N·m
美国
福特
1.5L(EocBoost)
135kW
243N·m




  还有一个点要在拆解前说明:1.5T发动机匹配的传统系统。之前的1.0T发动机在国内销售时匹配了不同的传动系统,分别是AT和DCT以及MT变速箱,其中与自动变速箱匹配的1.0T发动机加入了平衡轴的设计,而DCT和手动挡车型取消平衡轴,而是使用了双质量飞轮,这是因为AT变速箱需要使用液力变矩器,因此无法使用双质量飞轮,因此需要安装平衡轴,至于双质量飞轮因为可以有效抑制发动机运转时的共振现象,因此也不用在加入平衡轴。全新的1.5T发动机因为只匹配8AT变速箱,因此在设计上保留了平衡轴。  

2呼吸是动力和经济性的第一要素

  “呼吸”对于人类的重要性不言而喻,发动机同样如此。因此,我想从配气机构开始跟大家进行介绍。配气机构看起来很生硬,简单地理解就是凸轮轴、进排气门等相关的机构组成,通过彼此间的配合,通过进气系统完成整个空气吸入、排出的过程。

  福特这台1.5T发动机在进排气方面,技术方面采用了可变气门正时,从功能性上讲是目前很常见的功能了。通过连接凸轮轴的正时调节器来控制凸轮轴转动的角度,通过延时气门开闭时间来控制进气量的变化,配合燃油系来提升燃烧效率和动力输出。

  关于皮带和链条的选择,实际上并没有绝对优劣,有人认为皮带静音好,也有人认为正时链条终身免维护。实际上无论哪种都是主机厂们对发动机匹配测试后的选择,随着设计和材料水平的提升,两者并没有太多的差距,这方面我们不用太过纠结。

  可变气门正时技术虽然比较普通,但这台发动机在凸轮轴方面的设计还是蛮有看点的,尤其是机械设计方面。


  摩擦降低的好处显而易见,往动力性上说就是减少发动机的动力负荷,毕竟这部分需要润滑油进行润滑,而较低的摩擦让机构需要的机油量也显著降低,以此类推油泵的工作负荷也会降低,油耗会进一步减低。

  第二个优点在于降噪。这还是同轴性高带来的好处,摩擦小,噪声也小,同时这种一体式的结构,减少了零件的个数和安装,对于降低运转时的振动和噪音都有帮助。

  然后我们再来看看气门的驱动结构。首先,凸轮轴则采用了空心的设计,轻量化对于汽车来说确实是个不容忽视的方面,因此除了材料外,工程师最常见的“偷轻”手段就是空心类设计,比如轴的空心设计、底盘摆臂的打孔等。



3动力性:涡轮增压+双喷射系统

  对于三缸发动机、小排量这两个关键词,人们有很大的关注点会在动力领域。毕竟这是一台搭载在福克斯上的发动机,还是需要守护小钢炮的声誉,福克斯能否成为一台充满驾驶乐趣的车,动力性是很重要的一点。作为Ecoboost系列的发动机,福特主要通过涡轮增压和点火系两方面对动力进行了加强,我们依次来说明。

◆动力表现:涡轮增压+双喷射系统

1)涡轮增压系统

  福特1.5T发动机的涡轮增压器采用了一台低惯量的混流式涡轮增压器,其最高转速大约在24万转/分钟。


  涡轮里面的排气旁通阀是用来控制涡轮转速的,通过对涡轮转速的控制,间接实现对进气压力的控制。排气旁通阀的控制是通过真空储压罐进行的,涡轮器上的金属拉杆控制阀体开启,而储压罐负压则来自发动机真空泵。

  福特这台新发动机的涡轮增压系统比较主流,主要针对涡轮形状和流道设计进行了改进和设计,低扭矩的提升是它做主要的改变。

2)双喷射系统

  发动机对动力的压榨,涡轮增压可以算是主要措施,但和配气机构一样,燃油系也起到了助力作用。这台发动机采用了双喷射系统,这种喷射方式对技术要求和逻辑要求更高,同时兼顾了经济性、动力性,对排放也有更好的帮助。






  相反的,在高转速大负荷的时候,缸内直喷则为主力,因此此时动力响应会更及时和高效,同时对油耗也比较友好。还有一种缸内直喷启动的状态就是冷启动,此时发动机温度较低,缸内直喷可以让起动更稳定,排放自然也表现的更好一点。

  反映到活塞上就是:我们会发现活塞顶是凹凸不平的,这些“坑”就是起到风扇扇叶的左右,通过上下的活塞运动产生导流,让空气和油雾充分融合成混合气,最终完成好的爆炸燃烧,提升燃烧效率。


  混合气气流的研究一般在初期通过流体动力分析软件进行模拟,同时也会使用线激光三维系统进行燃烧室的相关研究(比如压缩比、燃烧室容积测量等),这些模拟或者视觉研究可以得到大量参数,以此优化结构设计,从而提升发动机燃烧效率。

  从数据上看,这台1.5T发动机还是比较出色的,扭矩范围比较宽广,在1500rpm以上一直到4500rpm都会有一个稳定的动力输出;双喷射的加入则在保证动力性的同时,可以为这台发动机提供一个更优秀的排放,同时根据负荷、状态的不同可以使两种燃油喷射方式取长补短,在动力和经济性之间保持一个良好的平衡。

4老生常谈的振动噪音问题

  抖动,或许是三缸机最敏感的话题了。当年三缸机留下的“恶名”似乎到现在还没有被洗清,以至于现在的消费者购车时也有一定的顾虑,但是就现在技术而言,三缸机抖动问题真的是杞人忧天了,三缸发动机确实有先天性的转动惯量问题,但现阶段后天的优化已是今非昔比,引用行业内的话说就是“既然天生抖动无法避免,那就通过后天优化让消费者无法感知。”显而易见,现在大部分车企都能达到这个状态。那么福特是采用了哪些方法来保证NVH呢?下面我们就来说明一下。

1)平衡轴

   三缸发动机之所以会发生振动,主要是活塞运动中产生的惯量无法抵消,而对于偶数缸数的发动机,发动机的活塞在做功时会呈现对称式运动,因此就能抵消活塞运转中产生的对向惯量。对于三缸发动机来说,振动确实是先天性问题,但我们可以应用很多方法通过后天进行优化,而首当其冲的就是平衡轴的应用。





  除了这些比较大的点,还有很多细节可以帮助这台发动机从后天角度完成对NVH的优化,比如成本更高的悬置设计,其实不止这台福特1.5T发动机,大多数三缸发动机的悬置设计都比传统燃油车更花心思和成本。


  三缸机一般都会进行三点式的悬置设计,悬置也以液压式悬置为主,这台发动机还在橡胶配方和金属构件方面下了很多功夫,以此让整个悬置的隔振和过滤效果更好。

  看到这里,可能很多人觉得我是为三缸机背书,但事实是,我在陈述一个观点,那就是三缸机已经可以通过成熟的技术对抖动进行抑制或者说通过手段让驾驶者无法有效感知,因此在我看来发动机机械的抖动并不是厂家推广的难题,真正的难题是消费者心里根深基固的“抖动”问题。

5经济性和其他特点

◆经济性:在不小马拉大车的前提下,油耗优势明显

  这个小标题并不是我替三缸机洗白,而是行业内对NEDC/WLTP下的测试对比后得出的结果。同时根据我国在今年初发布的国家标准《乘用车燃料消耗量限值》和《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》(征求意见稿)可以看出,小型车是必须降至5.0L/100km以下的水准,这个难度对于传统车而言是很大的,因此除了混动,减少一个气缸成了立竿见影的方式。因为少了一个缸,发动机工作时的摩擦功也会降低,同时三缸机相比四缸机排气干涉较小,同时可以匹配更小的涡轮增压器,进一步降低排放。

1)闭缸技术

  福特显然对这个发展路线十分清晰,因此从经济性这一点上顺理成章的放弃了四缸机。除此之外,我在前面介绍的双喷射系统、涡轮增压实际上都与经济性有很大的关联。尤其双喷射可以很好的平衡油耗和排放之间的关系,不过福特还是不满足,从前福特因为油耗曾被人诟病,显然福特想在油耗方面进行改变,因此还在这台三缸机上加入了闭缸技术。


  闭缸的工况下动力必然会降低,因此闭缸模式的启动主要和负荷挂钩,只有系统判定车辆负荷在中低负荷时才会进入省油的两缸模式,在高速和加速以及负荷较大时,这台发动机都是优先三缸的模式。


  在跟福特工程师的实际交流中,我也咨询了闭缸的相关问题。首先,闭缸模式并不会经常启动,整台发动机还是以保证驾驶体验为主,因此对闭缸模式的使用比较保守,另一方面,福特也考虑到两缸容易出现小马拉大车的情况,因此对这个模式使用也比较保守,只有在低负荷下经过电脑判断才会开启。至于实际的驾驶体验,各位网友可以看我们关于福克斯的试驾文章,里面有详细的体验。

2)集成式排气

  小排量配集成式排气已经不是新鲜的概念了,主要介绍一下这种设计的优点,首先是冬季热车速度快,可更快速度提供暖风。机油达到工作温度时间短,摩擦损失小。 热机时间短,怠速排放更环保。三元催化起效时间早,更环保。

3)变排量机油泵

  机油泵是保证发动机润滑的重要部件,配合的不同标号的机油可以为发动机带来更好的动力性表现。

  通过调节内部的叶片,同时根据工况变化,根据PCM的指令在1.6bar和3.2bar两级范围内切换压力,保证发动机有稳定的润滑。

4)电控式活塞冷却喷嘴

  在活塞底部,我还发现了一个有意思的小设计,这就是电控式活塞冷却喷嘴。传统冷却喷嘴通过自带的弹簧阀控制,当机油压力大于物理阀门的值时,阀嘴被冲开,机油喷出;若阀值设定偏高,则活塞不能得到足够的冷却,影响活塞寿命;但若设置较低,势必导致不必要的浪费,影响燃油经济性。

  由于有了闭缸技术、双喷射、可变气门正时等上面的一系列技术,再配合8AT变速箱,这台发动机最终可以达到5.4L的百公里油耗(官方数据),从数据上看是可以让人接受的。到现在为止,我们已经介绍了动力、平顺性、经济性,最后一个章节我们查缺补漏,看看这台发动机还有什么其他的技术点。

 ◆还有哪些其他特点?


  编辑点评:拆解完这台发动机后,我们就能大体梳理一下福特在开发发动机方面的思路了。首先是以排放为导向,这一部分体现在由四缸机向三缸机的转变,显然中国、欧洲的排放法规对传统车企带来了不小压力;第二部分是模块化特点显著,比如缸体的设计,集成式凸轮轴模块、集成式排气等,种种集成化手段可以带来更高的装配精度,对NVH、经济性都有很好的促进作用;最后一点就是对新技术的应用,比如闭缸技术、双喷射技术等,这里的每项技术单独拿出来似乎并不出众的,但集成在一起并能发挥出自己的最佳性能是十分考验厂商在发动机技术方面的积累和经验。


  最后,站在消费者的角度,从我这些年接触的来看,三缸机确实是没有技术问题,但一定要搞好NVH,如果在更低油耗的前提下,得到更好的驾驶体验,那么发动机有几个缸这种问题对于普通消费者而言谁会关心呢?


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