發(fā)動機(jī)技術(shù)巡禮(1) 福特GTDi發(fā)動機(jī)詳解

　　【太平洋汽車網(wǎng) 技術(shù)頻道】福特2.0L GTDi發(fā)動機(jī)在國內(nèi)最早是被配置于2011款的福特蒙迪歐-致勝上。這款匯集了渦輪增壓和缸內(nèi)直噴等先進(jìn)技術(shù)的GTDi發(fā)動機(jī)，在動力輸出上比大眾的TSI和通用的EcoTec T更為出色。本文將為大家詳細(xì)解析一下福特用在蒙迪歐-致勝之上的GTDi發(fā)動機(jī)。

● 發(fā)動機(jī)基本參數(shù)：

● GTDi的含義

　　GTDi是Gasoline、Turbocharged以及Direct Injection的縮寫，表示的是發(fā)動機(jī)是汽油發(fā)動機(jī)，帶有渦輪增壓以及缸內(nèi)直噴技術(shù)。先進(jìn)的渦輪增壓技術(shù)以及缸內(nèi)直噴技術(shù)，使得排量只有2.0L的福特GTDi發(fā)動機(jī)能表現(xiàn)出大排量發(fā)動機(jī)的功率輸出以及柴油發(fā)動機(jī)的高扭力特性。 

　　在對福特2.0L EcoBoost GTDi發(fā)動機(jī)進(jìn)行深入的分析前，我們先來看看這個官方的視頻對此發(fā)動機(jī)有一個感性的認(rèn)識。雖說是官方視頻，但這里面其實有一處不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡胤剑�大家看完本文再回看視頻就會很容易察覺到，答案將在末頁的文章中揭曉。

● 福特2.0L EcoBoost GTDi發(fā)動機(jī)身世之謎

　　EcoBoost燃油直噴渦輪增壓發(fā)動機(jī)技術(shù)在美國已經(jīng)獲得了125項專利及專利應(yīng)用。EcoBoost V6是EcoBoost系列發(fā)動機(jī)的第一個產(chǎn)品，被搭載于2007年林肯MKR概念車之上。這款V6發(fā)動機(jī)采用了福特Duratec 35 V6發(fā)動機(jī)機(jī)體，并把燃油壓力提升到190bar來進(jìn)行缸內(nèi)直噴；與此同時，蓋瑞特（Garrett）GT15渦輪增壓器以170000rpm運轉(zhuǎn)，并提供1.06bar的進(jìn)氣壓力。該發(fā)動機(jī)的設(shè)計可以輸出相當(dāng)于典型的6.0 L 或者更大的V8發(fā)動機(jī)的動力，同時比V8發(fā)動機(jī)又能提高15%的燃油經(jīng)濟(jì)性和降低溫室氣體排放。正是因為這種發(fā)動機(jī)技術(shù)在提升動力的同時能降低排放，所以才命名為EcoBoost，中文含義可理解為“促進(jìn)環(huán)保”。

　　言歸正傳，本文要重點講述的2.0L EcoBoost GTDi發(fā)動機(jī)最早被用于2008年福特探險家美國版（Ford Explorer America）概念車上，動力輸出被調(diào)教為275PS和380Nm。這款發(fā)動機(jī)宣布在擁有3.0L V6發(fā)動機(jī)的性能同時優(yōu)化燃油經(jīng)濟(jì)性10%-20%，其正式量產(chǎn)時間是在2010年。當(dāng)年的福特S-MAX、福特Galaxy和我們熟悉的蒙迪歐致勝都采用了這款發(fā)動機(jī)。

　　2011款蒙迪歐-致勝上采用的2.0L EcoBoost GTDi發(fā)動機(jī)有兩個不同的版本，即高功率版本和低功率版本。采用高功率版本的蒙迪歐-致勝被標(biāo)識為GTDi240，表明其可輸出240PS的最大動力；而采用低功率版本的蒙迪歐-致勝被標(biāo)識為GTDi200，表明其可輸出203PS的最大動力。兩款不同發(fā)動機(jī)的具體參數(shù)可參看文章開頭列出的基本參數(shù)。

　　預(yù)計福特在2013年將在國內(nèi)推出使用EcoBoost技術(shù)的1.6L和1.0L發(fā)動機(jī)。這兩款新發(fā)動機(jī)將搭載在新款的福克斯及嘉年華車上。

● 高壓共軌缸內(nèi)直噴系統(tǒng)

　　在過去的燃油噴射系統(tǒng)中，噴油嘴在進(jìn)氣歧管中噴射汽油，汽油與空氣混合后再進(jìn)入氣缸。這種傳統(tǒng)的汽油噴射方式使得汽油會接觸到進(jìn)氣歧管表面形成汽油壁膜，造成壁膜損失，增加油耗。而缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的噴嘴直接往氣缸內(nèi)噴射汽油，壁膜損失大大降低，從而提升燃油使用效率。

　　對于在進(jìn)氣歧管噴射的增壓發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)爆震只有在加大噴油量，降低氣缸溫度后才可改善或消除，這導(dǎo)致了油耗的急劇升高。而使用缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)動機(jī)直接把汽油噴到汽缸里，汽油因為氣缸高溫而霧化更好，氣缸溫度因為汽油霧化而降低，這樣達(dá)到了一個雙贏的局面——既控制了爆震也降低了油耗。

　　上面提到了缸內(nèi)直噴技術(shù)的一些優(yōu)點，下面來說說2.0L EcoBoost GTDi發(fā)動機(jī)的一些技術(shù)特點。

　　EcoBoost GTDi發(fā)動機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)采用的是無回油形式，系統(tǒng)由低壓燃油泵、高壓燃油泵、油壓傳感器、油管及噴油嘴組成。

　　1）低壓燃油系統(tǒng)：

　　在低壓油路系統(tǒng)的控制邏輯如圖所示。油泵控制模塊（FPDM）通過高頻信號驅(qū)動油泵，通過低壓燃油壓力傳感器實現(xiàn)閉環(huán)控制。油路中具有單向閥，當(dāng)油壓達(dá)到125kPa時開啟。標(biāo)準(zhǔn)的低壓燃油壓力范圍為380kPa-620Kpa。發(fā)動機(jī)怠速時，油壓穩(wěn)定在320-340kPa。過壓保護(hù)閥在830-930kPa時打開，泄放閥用于除去油管中的燃油蒸汽。

　　2）高壓燃油系統(tǒng)：

　　高壓油泵為單缸泵，由排氣凸輪驅(qū)動，帶有進(jìn)油計量閥，泵油油壓為15MPa。汽油在高壓油泵中形成高壓，經(jīng)高壓油管到達(dá)油軌，通過開啟噴油嘴使得汽油能噴射到汽缸中。

　　油泵的結(jié)構(gòu)如上圖所示。

　　發(fā)動機(jī)的噴油嘴是7孔噴油嘴，汽油霧化狀態(tài)和角度是可以調(diào)整的，汽油以一定精確的噴射角度噴射到燃燒室，因此噴油嘴上的噴孔采用了偏心的設(shè)置。精確的汽油噴射角度防止任何汽油在噴油器打開時霧化。

　　偏心設(shè)計的噴孔要求精確的噴油嘴校正。在安裝噴油嘴時，必須注意安裝位置。每個噴油嘴的塑料插銷必須插到油軌的狹縫中，固定夾必須安裝在正確的位置上。在每個噴油嘴和各自在油軌上的固定座上都有一個固定夾，這些固定夾用于固定噴油嘴，這就保證了噴油嘴和汽缸蓋上的燃燒室開口的精確配合。

　　3）工作模式

　　EcoBoost的缸內(nèi)直噴系統(tǒng)有兩種模式：1.均質(zhì)模式、2.催化器加熱模式。雖然是缸內(nèi)直噴，但EcoBoost沒有采用分層噴注模式。

　　當(dāng)發(fā)動機(jī)在正常工作溫度時，混合氣按照均質(zhì)工作模式產(chǎn)生。在這個模式下，空燃比為理論空燃比14.7:1（即空氣與汽油的質(zhì)量比為14.7:1）。汽油噴射是在進(jìn)氣行程，這樣有足夠的時間讓汽油與新鮮空氣混合。在均質(zhì)模式下，燃燒很大程度上相當(dāng)于一個非直噴發(fā)動機(jī)的工作模式。

　　當(dāng)發(fā)動機(jī)溫度較低時，催化器加熱工作模式可以用二次噴射為三元催化器提供快速的加熱。第一次噴射同均質(zhì)工作模式一樣從進(jìn)氣行程開始，第二次發(fā)生在壓縮行程，當(dāng)進(jìn)氣門關(guān)閉后快速噴射，這樣就形成一個濃的油核圍繞在火花塞周圍。點火時刻被推遲，這樣盡可能多的燃燒余熱可以進(jìn)入排氣管，從而到達(dá)三元催化器。

關(guān)于缸內(nèi)直噴技術(shù)的詳細(xì)解析，可參看以下文章：

● 廢氣渦輪增壓系統(tǒng)

　　這款發(fā)動機(jī)采用了與排氣歧管集成在一起的廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，其具體結(jié)構(gòu)如圖所示。

　　以下是廢氣渦輪增壓系統(tǒng)中幾個主要部件的功能說明及工作邏輯：

　　1）增壓壓力控制電磁閥

　　廢氣渦輪系統(tǒng)的增壓壓力受壓力控制電磁閥控制，最大增壓壓力為120kPa，發(fā)動機(jī)控制單元通過占空比信號調(diào)節(jié)增壓壓力。真空控制執(zhí)行器上的壓力取決于增壓壓力及電磁閥上通電電壓占空比。當(dāng)占空比在80-90%，排氣旁通閥全開；當(dāng)占空比在20時，排氣旁通閥全關(guān)。

　　2）回風(fēng)閥

　　回風(fēng)閥是一個機(jī)械裝置，通過壓力差控制，安裝在渦輪進(jìn)氣側(cè)。打開時，增壓的空氣又會回流到渦輪的進(jìn)氣側(cè)，從而使渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速得到保持。回風(fēng)閥的作用是在節(jié)氣門突然關(guān)閉的情況下，消除節(jié)氣門和渦輪增壓器之間的背壓。這種背壓會造成增壓壓力損失以及導(dǎo)致節(jié)氣門壽命降低。回風(fēng)閥在增壓壓力和進(jìn)氣歧管壓力差超過24kPa時打開。

　　3）空氣流量計（MAF）

　　空氣流量計用于測量發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)采用這個信號計算噴油時間、燃油壓力、點火時刻、渦輪增壓壓力、發(fā)動機(jī)負(fù)荷以及換擋控制。如果空氣流量計失效，系統(tǒng)會采用進(jìn)氣壓力傳感器（MAP）的信號作為替代信號計算進(jìn)氣量。空氣流量計的供電電壓為12V，采用5V的信號邏輯電平。

　　發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)通過監(jiān)測空氣流量計的信號頻率來計算空氣流量，信號的頻率是隨著空氣流量的增加而提高的。如果此信號失效，發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)將利用25℃的固定值代替該信號。

　　4）進(jìn)氣壓力及溫度傳感（MAPT）

　　MAPT位于中冷器出口處，發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)通過這個傳感器測量增壓后的空氣壓力和溫度。如果MAPT傳感器失效，發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)將排氣旁通閥完全開啟，限制渦輪增壓器的增壓壓力，發(fā)動機(jī)動力輸出被限制了。

　　5）進(jìn)氣壓力傳感（MAP）

　　進(jìn)氣壓力傳感器被安裝在進(jìn)氣歧管上，該傳感器與MAFT（空氣流量和進(jìn)氣溫度傳感）協(xié)同工作。它們提供的信號用于計算空氣流量。

關(guān)于渦輪增壓技術(shù)的詳細(xì)解析，可參看以下文章：

● 可變氣門正時技術(shù)

　　福特2.0L EcoBoost GTDi發(fā)動機(jī)除了使用上述先進(jìn)的渦輪增壓與缸內(nèi)直噴技術(shù)外，還采用了iVCT進(jìn)排氣門可變正時技術(shù)。我們所熟知的可變氣門正時技術(shù)包括本田的VTEC（帶氣門揚程控制）、豐田D-VVT、寶馬VANOS等。由于通過渦輪增壓系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量已能實現(xiàn)精確控制，因而該發(fā)動機(jī)只采用了氣門正時技術(shù)而沒有加入氣門揚程控制，簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。（在本文開頭的那個視頻中，進(jìn)排氣側(cè)的正時機(jī)構(gòu)都是有4個油腔的。而在真實的2.0L EcoBoost GTDi發(fā)動機(jī)中，排氣側(cè)油腔數(shù)只有3個而且每個油腔中都帶有1個回位彈簧。）

　　可變氣門正時系統(tǒng)中，正時齒輪所帶動的齒盤與凸輪軸之間有一定的自由量。通過油壓控制齒盤與凸輪軸之間的角度差，就能實現(xiàn)對氣門提前或延時關(guān)閉的效果，這樣發(fā)動機(jī)就能夠根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)載，在各個轉(zhuǎn)速區(qū)域都有很好的進(jìn)排氣效果，提升發(fā)動機(jī)效率。

　　福特2.0L EcoBoost GTDi發(fā)動機(jī)的iVCT氣門可變正時技術(shù)源自2.3L Duratec-HE發(fā)動機(jī)，并在此基礎(chǔ)上增加了排氣門可變正時機(jī)構(gòu)。該發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣門可變正時機(jī)構(gòu)的最大可調(diào)角度為25度凸輪軸轉(zhuǎn)角（2.3L Duratec-HE發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣門最大可調(diào)角度為17.5度凸輪軸轉(zhuǎn)角）。為降低發(fā)動機(jī)的后期養(yǎng)護(hù)成本，2.0L EcoBoost GTDi發(fā)動機(jī)采用了終生免維護(hù)的正時鏈條設(shè)計。

● 位于發(fā)動機(jī)底部的平衡軸

　　四缸發(fā)動機(jī)的一個天生的缺陷就是平順性不好，因而在發(fā)動機(jī)內(nèi)部都會設(shè)計有平衡軸用于抵消發(fā)動機(jī)內(nèi)部振動。其原理是使用偏心軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生與發(fā)動機(jī)振動相反的振動從而實現(xiàn)消振的效果。與大眾2.0TSI或者通用2.0T ECOTEC位于氣缸底部兩側(cè)的雙對旋平衡軸有所不同，福特2.0L EcoBoost GTDi發(fā)動機(jī)的平衡軸位于氣缸底部。從效果上說位于氣缸底部兩側(cè)的雙對旋平衡軸的消振效果更勝一籌，但由于采用了鏈條傳動，加大了發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，使得發(fā)動機(jī)不太緊湊。

關(guān)于可變氣門正時技術(shù)的詳細(xì)解析，可參看以下文章：

　　總結(jié)：EcoBoost技術(shù)的實際意義在于通過小排量發(fā)動機(jī)成功實現(xiàn)媲美大排量發(fā)動機(jī)的高輸出功率及柴油發(fā)動機(jī)的高扭力特性，同時降低15%的二氧化碳排放和提升約20%的燃油經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)。

　　通過渦輪增壓、缸內(nèi)直噴以及可變氣門正時技術(shù)，2.0L EcoBoost GTDi發(fā)動機(jī)基本實現(xiàn)了上面提到的技術(shù)指標(biāo)。

　　在短暫測試過福特蒙迪歐致勝EcoBoost 2.0L GTDi240以后，我們的感覺如下：

　　1.該車動力非常強(qiáng)勁，提速非常快，換擋頓挫感很輕微（這是雙離合變速箱的功勞）。

　　2.在路況較好的城市道路駕駛，頂多只會用到半油門。如果激進(jìn)一點使用全油門加速，你的車不到10秒就會超速100%（實測百公里加速時間為7.8s）。

　　3.油耗方面，我們粗略估計了一下該車的油耗，該車百公里油耗在7.8-8L左右。這樣的油耗表現(xiàn)對于一臺擁有240PS/340Nm的車子來說算是相當(dāng)?shù)土恕?/strong>

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