福特新福克斯3缸1.0T发动机如何实现125马力？

福特EcoBoost1.0T3缸涡轮增压直喷发动机以其卓越的性能和创新技术在全球范围内屡获殊荣。这款发动机的目标是替代福特旗下的1.25L、1.4L和1.6L等传统4缸发动机，实现更低的油耗和成本。其开发过程中，福特面临了如何将涡轮增压、汽油缸内直喷等技术结合，同时达到低油耗和低成本的挑战。为了实现这一目标，福特采用了以下关键技术：1. 缸内直喷：通过精确控制喷油量和喷油时机，提高燃烧效率，降低油耗。2. 涡轮增压：采用小型涡轮增压器，提高响应速度，降低迟滞效应，同时在1400rpm时即可爆发出最大扭矩。3. 长冲程设计：通过优化气缸径和行程比，提高发动机的热效率和动力输出。4. 铸铁气缸体：在保证刚性的同时，通过轻量化设计降低质量，提高燃油经济性。5. 双独立可变气门正时(Twin-VCT)：提高进排气效率，减少涡轮迟滞，提高发动机工作效率。6. 集成式排气歧管：充分利用3缸机的排气脉冲特性，降低油耗和成本，提高排放性能。7. 热管理：采用双节温器设计，加速暖机效果，减少摩擦，降低油耗。8. 润滑系统：采用可变排量机油泵，根据发动机负荷调整机油压力，提高润滑效果，降低机械损失。9. 平顺性优化：通过空间曲轴、双质量飞轮和平衡轴等技术，解决3缸机的力矩不平衡问题，提高发动机的平顺性。10. 超增压模式：在全油门状态下，自动启用超增压模式，短时间内提高扭矩至200N.m，增强动力输出。通过这些先进技术的综合应用，福特1.0TEcoboost三缸发动机在保持低成本的同时，实现了125马力的强劲动力输出，以及优异的燃油经济性和平顺性。然而，由于市场对新技术的接受度和NVH性能的考量，该发动机在中国市场的表现仍有待提升。福特新福克斯3缸1.0T发动机之所以能够实现125马力的强劲动力，得益于福特在发动机设计和技术创新方面的不断探索。通过缸内直喷、涡轮增压、长冲程设计、铸铁气缸体、双独立可变气门正时、集成式排气歧管、热管理、润滑系统优化以及平顺性优化等一系列先进技术的综合应用，福特成功地将这款1.0升三缸发动机的性能提升至与更大排量发动机相媲美的水平。同时，这些技术的应用还带来了更低的油耗和成本，使福特新福克斯在动力性能和经济性方面具有显著优势。然而，市场对新技术的接受度和NVH性能的考量，也给这款发动机在中国市场的发展带来了一定的挑战。

福特这款EcoBoost1.0T3缸涡轮增压直喷发动机确实很厉害，在全球范围内拿奖拿到手软，正好我刚刚写了一篇这款发动机开发解密的文章。就复制过来了。

PS:内容数据来自公开文献，我只进行资料搜集、整理、翻译、勘误、技术分析、撰写。

11.0LEcoBoost发动机简介

1.0LEcoBoost涡轮增压直喷发动机是福特EcoBoost发动机中的明星机型，该发动机目标在全球范围内替代自然吸气发动机。在EcoBoost系列中，新型1.0L3缸发动机覆盖了173N.m(超增压机型为200N.m)的扭矩和94kW的功率范围，全面替代福特旗下1.25L、1.4L和1.6L等传统4缸发动机。

该3缸发动机不但能在1400-4500rpm转速范围内达到峰值扭矩，并获得比福特1.6LNA更好的驾驶响应，其油耗明显也低于1.25LNA发动机。此外，为了实现小型化与性能油耗的统一，采用了多种先进技术，详细技术参数如表1。

2开发目标和设计思路

福特通过一系列的市场研究，发现要满足欧5欧6排放，基于目前的自然吸气发动机进行优化难度太大，成本过高。通过福特自己的先行开发，若采用3缸发动机能够达到低油耗和低成本的目标，但仅依靠福特体系内现有3缸机的结构设计方案尚不具备性能优势，而且成本也无优势，因此福特决定重新设计一款小型发动机，并将发动机硬件定义为1.0L3缸。此设计的挑战为如何将涡轮增压与汽油缸内直喷等技术结合，既要达到低油耗，又要实现低成本。

如图1所示，设计指标集中于5个方面：

功率范围

低成本

高效燃烧

低质量

低摩擦

为了实现目标功率，对涡轮增压器进行选型，对平均燃烧压力进行设计，最终确定气缸体要承受2.4MPa的燃烧平均压力；为了实现低成本，则必须使用铸铁气缸体，因为它的刚性和成本更有优势，但是，铸铁材料质量过大，必须对气缸体进行轻量化设计；为了提高燃烧效率，采用了长冲程设计(气缸径

发动机的基本硬件架构被确定之后，接下来的问题是进、排气系统和发动机附件的布置。福特通过研究，将发动机附件、涡轮增压器和催化器布置在发动机同一侧，在装配性和碰撞安全性能方面具有明显优势。为了解决热负荷问题，将他们布置在发动机前端，可以得到充分的冷却，并且通过采用集成式排气歧管，进一步减轻发动机周围热负荷，其辐射热量要比传统排气歧管的明显小。

3燃烧过程

如图2所示，此1.0T发动机采用了缸内直喷，针对缸径较小且行程较长的特点做了燃烧过程的开发，为了能够获得理想的混合气，在喷油策略上具有很大的灵活性。在71.9mm这种小缸径下，将喷油器和火花塞布置在相同位置，它对进、排气门的外形尺寸设计，以及进、排气门和气缸盖冷却十分有利。与采用传统M14高压线圈火花塞的1.6LNA发动机不同，新型1.0L汽油机首次使用M12高压线圈火花塞，因此，具有足够的空间来设计气门尺寸，火花形成的位置也处于燃烧室中央。

由于缸径较小，在进气和压缩过程中，为了避免多孔喷油器的油束直接喷射在汽缸壁上，通过CAE对均质化进行了优化，喷油器的最高燃油压力在15MPa，且喷油器的喷孔细小，油滴直径低于0.02mm，雾化性能优异，且喷油量得以精确控制。为了支持最恶劣工况条件(高压下大喷油量)下的混合气形成，进气道被设计成直筒式，使其具有高滚流。在局部负荷下，通过多次喷射策略实现分层燃烧。活塞顶部设有浅盆式燃烧室凹面，这一燃烧室凹面促进了气体的运动，保证高速燃烧。

4气缸体

福特对这款机型的气缸体进行小型化设计，不仅减少了排量，具有较高平均有效压力，还缩小了外形尺寸，因而气缸体长度只有286.2mm(图3)，气缸体采用长行程结构设计方案(缸径行程比0.88，缸心距78mm和气缸间距宽度6.1mm)。对于这款高增压发动机，其气缸体采用灰铸铁材料是可行的，相对于铝材料而言，通过减小气缸体尺寸，将它在质量方面的的不利因素减小到最低，从而获得了发动机暖机更迅速和机油需求量较少等优点，而这些优点在铝材气缸体上是不具备的。此外，因成本较低，故发动机能广泛的应用于福特旗下的入门级产品，比如福克斯、嘉年华等。

图3气缸体

5曲柄连杆机构

由于缸心距较小、采用长行程设计且升功率高，所以，曲轴设计时需要考虑足够的刚度，又不会因增大轴承直径对油耗造成不利影响，或者因采用复杂设计提高成本。福特通过CAE分析解决了该问题，最终曲轴设计为主轴承直径44mm和连杆轴承直径为40mm的铸铁曲轴(图4)，通常，该直径的轴承只使用在同等排量的NA发动机上。该发动机也通过将曲轴偏移8mm，从而降低了油耗。此外，因为是3缸机布局，三个曲柄与主轴颈夹角互为120度。

由于Ecoboost1.0T发动机是一个3缸机，存在因为先天结构问题而出现的力矩不平衡，力矩不平衡会导致发动机运作起来不平顺，所以一直以来3缸机有一个很重要的课题就是解决其运作的不平顺性，福特处理这个问题使用了三种方法：

1空间曲轴

如图5所示，福特工程测算出，发动机力矩不平衡最大点发生在1缸运动到TDC(上止点)后30度，因此将1、3缸曲柄的配重块中心偏移了30度，用以抵消该力矩。相当于安装了一根隐形的平衡轴。

2双质量飞轮

福特工程师认为平衡轴并不是解决振动的唯一对策，在DCT和MT变速箱匹配的发动机上，采用了双质量飞轮的设计，双质量飞轮是将传统的飞轮分为两个部分，一部分保留在发动机侧，起到原来飞轮的作用，另一部分放置在变速箱侧。两个飞轮间有一个环形油腔，在腔内有弹簧减振器，将两部分连接为一个整体。通过弹簧减振器可以有效吸收动力系统的振动，提升平顺性。福特的工程师表示，在带有双质量飞轮的发动机上，即使没有平衡轴，发动机的NVH水平也足够优秀。从成本考虑，DCT和MT车型不带有平衡轴。

3平衡轴

由于AT变速箱有液力变矩器，无法使用双质量飞轮，因此针对AT自动变速箱的配置，福特又加上了一根平衡轴。平衡轴采用铸钢制造，利用平衡轴上面的平衡块的周期性转动产生的力矩来抵消发动机产生的振动，从而满足NVH要求。

7涡轮增压

由于是小排量发动机，因此对涡轮的设计要求为响应快、起压大，福特采用的涡轮增压器尺寸很小，从而确保了灵敏度，降低了迟滞效应。该涡轮最高转速为248000rpm，能够在发动机转速1400rpm爆发出最高扭矩。该涡轮采用了电控泄压阀，在换挡收油时让涡轮叶片保持之前的转速，保证升档后的动力响应性。

8双独立可变气门正时(Twin-VCT)

现代发动机基本上都会有一个必不可少的技术就是可变气门正时，以节省燃油。对此，福特这台1.0TEcoboost发动机也不例外，它拥有双独立可变气门正时(Twin-VCT)。Twin-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够保证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(如图10所示)。

9集成式排气歧管

在该发动机上，福特首次使用集成式排气歧管。由于3缸机的排气脉冲式相互是分开的，所以该发动机非常适合此技术。与4缸发动机的情况不同，3缸机排气歧管容积可以设计得非常紧短，因为气缸盖可以设计得非常紧凑，能充分利用集成式排气歧管的潜能(图11)。其主要的优点是油耗低、成本低、结构设计简单。其NEDC下的优势可归功于以下2点：(1)在冷启动后，集成式排气歧管可使发动机迅速暖机，因为减少了热量损失与摩擦损失；(2)催化器能较快地达到正常工作所需要的温度，因而催化器使用预热措施的持续时间可明显缩短，提高排放性能。另一方面，由于冷却水流经集成式排气歧管，可以给排气歧管散热，因此在高转速高负荷下不需要多喷油进行降温，它能使发动机几乎在整个转速负荷领域内实现理论空燃比，极大的节约了燃料。在成本上，采用整体式排气歧管省掉了昂贵的含镍量高的分体式排气歧管、密封垫片以及紧固螺栓，降低了成本。

10热管理

该发动机采用了双节温器设计，此设计也是比较先进的发动机冷却控制理念，两个节温器分别控制通过缸体和缸盖的循环水道，通过该设计，能够加速暖机效果，减少摩擦，降低NEDC工况油耗。

冷却液从水泵被输送到气缸体节温器上，在冷却液温度低于75℃的情况下，该节温器是关闭的。在这种状态下，冷却液只流向缸盖排气测而不流向缸体，有助于缸体迅速达到工作温度，利于降低曲柄连杆机构的摩擦。一旦冷却液温度超过75℃，气缸体中的节温器就打开，整个冷却系统就如同通常情况一样，由主节温器进行调节，主节温器被布置在气缸盖冷却液出口处(图12)。

在确定设计方案的初始阶段，CAE分析结果表明，因发动机的升功率较高，必须对气缸间进行冷却，因此开发了一种创新的有效冷却气缸间的方案，即在气缸之间锯开1条1.2mm宽的线槽，其左右两侧留有2.45mm的密封宽度。冷却液从气缸体水套经过气缸盖表面上的凹槽进入该线槽，再从那里出来被引至气缸盖的排气侧，确保热负荷高的气缸间具有足够多的冷却液流过(图13)。

12润滑系统

机油泵由曲轴通过1条10mm宽且在机油中运转的齿形皮带传动。这种皮带无需张紧器，因而噪声非常低，同时具有摩擦和成本方面的优势。采用了可变排量机油泵，ECU根据不同的发动机负荷，能以0.2MPa和0.4MPa这两种机油压力运行，在低转速下，采用0.4MPa机油压力，从而提高润滑效果；在高转速下，采用0.2MPa机油压力，减轻机械损失提高燃油经济性，如图14所示。另外，该发动机带有活塞冷却器，在机油喷嘴中配有1个开启压力为0.25MPa的弹簧阀，能够间接地受到机油泵控制，只有再0.4MPa高机油压力下才喷射机油，对活塞实施冷却(图15)。

13发动机的运行性能和油耗

在低速高负荷时，应用扫气策略提高发动机输出扭矩，并改善加速性，使其能获得理想机动性。在1400rpm下就能达到最大扭矩(图16)，而且，达到90%最大扭矩只需1.5s。在较低的部分负荷下，发动机以较大的内部EGR运行，通过VVT对气门正时进行调整(晚开/晚关)使气门重叠始终发生在上止点后，将残留废气保持在燃烧室内。为了抑制增压发动机严重爆震倾向，福特开发了一种能识别爆震程度的控制技术，实时控制爆震倾向并调整点火角。发动机也设计的非常坚固，能经受住频发的爆震。

当然福特作为一个具有运动基因的品牌，所以会更多地考虑车辆的运动性能，所以这具1.0升Ecoboost涡轮发动机还有一个超增压模式。在全油门状态下自动启用超增压模式，扭矩会增加至200N.m，不过该模式下只能持续15s，太长时间会给发动机带来过大的负荷，如图16红色线条。

在整个工况范围内，发动机几乎都以理论空燃比运行，由于发动机基础排量小，并且通过燃烧改善，燃烧的较为充分，排气温度低于普通4缸发动机，因此在高转速高负荷下，需要混合气加浓的范围也小，仅在接近最大功率的狭小工况下才通过混合气加浓来保护催化器(图17)，结合采取改善燃烧、降低各种摩擦和泵气损失等措施，使1.0L发动机在整个特性曲线内达到同类机型中较佳的燃油经济性。

14结语

福特这款1.0TEcoboost三缸发动机采用了缸内直喷、涡轮增压、进排气可变气门正时、多种平顺性优化等技术，通过多种技术的综合使得这个1.0升Ecoboost发动机获得较高的平顺性、动力性以及经济性，并且是以低成本达到了这一目标。可以说，该发动机是工程上的优秀产品。然而，由于福特过于激进，该发动机推出时间过早，客户普遍对新技术持有怀疑态度，且该发动机的NVH性能比4缸NA还是存在不足，并没有受到中国客户的喜爱，成也萧何败也萧何。

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