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长安福特-福克斯

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《讲堂》为了解开我对这台三缸机有好感的顾虑,我仔细研究了下它

2019年09月30日 13:47:01
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来源:踢车帮

三缸机,可谓是近年来汽车行业热点话题,之前的《讲堂》栏目也曾多次涉及。显然,之前文章讲解更侧重于理论,很多读者朋友希望能具体到车上进行分析。应各位要求,这一次,我们决定理论加实践,带大家更好的认知三缸机的技术、发展水平以及你关注的一系列问题。

关注踢车帮的朋友都知道,我们试驾了福特福克斯Active后,对其各方面表现相当满意,特别是其动力源。是的,一台1.5升的三缸发动机,而我体验过之后,亦有同感。于是,我感觉到三缸机正在不断成熟,不断完善,甚至已经相当完善了,超出我以及我们的固有认知。

那么这就有必要说一说了。经过一番对福特的1.5T三缸机研究,我认为很有必要以其作为范本,针对目前大家关于三缸机最为关心的四个问题:NVH、动力、油耗和可靠性,来全面分析三缸机的优劣以及发展前景。

☆三缸机的“原罪”不可逆吗?

提到三缸机,不少人可能会讲——抖,而得出这个结论的依据多半是“我看网上都这么说……”。诚然,与四缸机和六缸机相比,未经调校的三缸机天生的固有属性决定了它的原始表现。

之前的《讲堂》三缸,想说爱你是不是并不容易的事?已经讲过,作为旋转工作的器械(曲轴旋转带动活塞的往复直线运动),三缸机天生因为旋转惯性力矩、一阶往复惯性力矩以及二阶往复惯性力矩均不为0。

换句话讲,三缸机工作时其合力为0,而其合力矩不为0,这就会导致其工作运转的不平衡,从而引发振动,噪声随振动而来,进而产生一系列的NVH问题。(三缸机的不平衡公式在之前的《讲堂》栏目中推导过,今天为了便于大家的理解,尽量减少公式的引入,不过我会告诉大家具体的分析思路)

不过,话说回来,三缸机若未经调校,其抖动特性不可避免,而实际上,厂家自然不会坐视不管,既然找到了问题产生的原因,当然会提出相应的解决措施。

☆那该当如何调校?

针对三缸机NVH的调校,之前的《讲堂》栏目有讲到过,现行的主流解决方案归结起来主要有以下几点:加装平衡轴、安装双质量飞轮、优化隔振装置(如:发动机悬置)等。当然,各个厂家采取的具体措施不尽相同,但其核心思想都是一致的,即:源头上削弱(对动力源进行调校,减少振动能量的输出)、传播中阻断(各种隔振、隔音措施)、接受处吸收(驾驶室内布置吸音材料:如顶棚的多孔材料起到很好的吸引作用)。这样讲未免有些笼统,不妨具体到实车上。结合福特福克斯ST-Line,看看它是如何进行NVH调校的吧。

就NVH来讲,这款发动机上摒弃了传统的曲轴中心线与气缸中心线重合的方案,将曲轴中心偏移了10mm, 这样做的好处在于,可以使曲轴在旋转的过程中,活塞裙部的摩擦力更小,减少振动产生的同时,还可以进一步提升燃油经济性。

曲轴中心偏移10mm,减小振动和摩擦

其次,为了实现曲轴旋转的动平衡,一般的措施是为曲轴采用配重块,其简化模型可以参考上图。那么问题就来了,配重块需要多重?配重块放置在什么位置?这都是问题。而随着优化算法、计算机水平的提高,为这些问题的解决提供了便利的方案。

加装平衡轴和配重块之后的简化模型

福特采取的措施是对偏移后的曲轴再用大数据进行配重优化,将1缸和3缸的配重块重心偏移30度,达到了更好的平顺性。当然,这都是基于一定的公式推导基础之上的。其思路就是:先进行受力分析,找到不平衡力与上述几个关键参数的数学关系,通过对关键参数分析,并利用一定的优化算法(比如:遗传算法、蚁群算法、穷举法、正交试验法等)进行优化设计。当然,也可以结合动力学分析等手段进行,目的就是为得到相对较优的结果。当然,之前踢车帮已经对这方面理论知识进行了详细的讲解,对推导过程感兴趣的朋友可移步《讲堂》三缸,想说爱你是不是并不容易的事?

此外,还有一个重要的手段,那就是平衡轴的应用。平衡轴在解决三缸发动机NVH问题上发挥着举足轻重的作用,福特在这方面涉足较早,从第一代1.0L的 EcoBoost发动机上便开始采用这一设计,而在目前新一代的动力总成上,又进行了进一步的优化设计,如通过调整平衡轴配重实现不同的平衡效果,当然,这背后都离不开强大的理论分析做支撑。

福克斯Ecoboost三缸机及平衡轴结构

当然,还有一点是决定上述设计方案成败的关键——零部件的加工和装配质量。而目前采用的μ级(微米级)加工和装配,保证了高精度的加工和装配质量。而这些细节恰恰决定了完美的设计方案下,理想的隔振效果。

发动机引擎盖隔音棉

此外,发动机舱内的隔音材料、隔音阻尼板、声学夹层隔音玻璃、驾驶室内部的吸音材料,这些也都决定了产品良好的NVH特性,而这些措施对改善整车的NVH,尤为重要。

发动机悬置:外部支架+内部硫化橡胶,刚度需要通过解耦计算进行匹配设计

悬架处橡胶衬套作用不容小觑

想必大家都听过“木桶效应“,在三缸机振动噪声解决的过程中,只有将传播路径中的每一块短板都补上,才能打造出满足消费者需求的产品。两天的试驾个人感受,无论低速还是高速行驶,的确几乎没有明显的振动。

☆动力压榨容易,如何分配才是关键?

作为单独的动力源,绝不仅仅是解决了NVH问题就万事大吉了。三缸机动力表现到底如何呢?在分析这个问题之前,有必要理清发动机动力的影响因素。

或许很多消费者会认为,三缸机的缸数少了,动力自然会下降,而实际关键在于如何对其进行调校。除了扭矩和功率参数以外,最大扭矩对应转速区间、最大功率对应转速,这都决定了一款发动机真正的动力表现。再配合适当的车重,避免“小马拉大车”的现象出现。

在这一代EcoBoost动力总成上,福特在原有基础上,对低转速区间的动力参数进行了调校,将扭矩参数提高20%,这也就意味着更好的起步加速性能。

此外,我们都知道,涡轮增压技术确实为动力提升增色不少,然而,涡轮迟滞却是影响低速动力响应的重要因素。而目前主流的解决方案是采用低惯量涡轮。福特针对这一问题采用了两种解决方案:首先,低惯性涡轮的设计。通过减小涡轮的质量,进而减少其转动惯性,以便低转速时更容易推动叶片旋转,对低速的涡轮增压效果具有改善作用。

优化涡流气道形状,减小气流阻力,进而减小涡轮迟滞

其次,为了减少流道阻力,对流道的形状进行了优化设计,减少增压时的气流压力,进一步提高低转速的增压效果。当然,具体如何调整,调整的量是多少,都离不开工程师的反复计算、仿真和试验,直到得到可行的方案。

☆动力满足了,油耗呢?

首先,伴随着三缸机的缸数减少,整体排量减小,理论上油耗应该会低一些,这也是各厂家为满足排放要求采取的一项重要措施。其次,由于缸数的减少,也有效减小了其体积、重量,同时还方便了整车的空间布置。此外,缸数的减少,摩擦损失进一步减少,对提高发动机工作效率起到了一定的作用,可进一步减少油耗。当然,这都是采用三缸方案带来的必然好处,各大厂家显然并不满足于这些。

三缸工作(左),停缸工作(右图)

我们都知道,汽车在行驶的过程中会经历不同的工况,对动力输出的需求也不相同。车辆并不是随时随地都是大负荷的运转,而且一般来讲,发动机负荷越小效率会越低。中低负荷时如果减少一个气缸工作,只让两缸高效工作,相当于此时每个气缸所承受的负荷率增加。而所谓的负荷率,可以理解为发动机输出扭矩与该转速下可输出最大扭矩之比,或者可以理解为油门踏板深度。

发动机万有特性曲线

具体来讲,由上图发动机万有特性曲线可知,横坐标为发动机转速,纵坐标为平均有效压力(单位气缸工作容积发出的有效功称为平均有效压力,单位为bar)。其中,平均有效压力越大,发动机的作功能力越强。这个平均有效压力,可以把它理解为发动机的负荷率,而发动机负荷率=(某点的扭矩/相同转速下最大扭矩)*100%,你也可以理解为特定转速下油门开度的百分比。

在万有特性曲线上,越高的点负荷率越高,到最高点(外特性)时就是100%负荷了。以上图为例,同样是2000r/min,当油门越踩越深,也就是负荷率越来越大,发动机工作的状态越接近于210的圆圈,而这些一圈一圈标有数字的曲线,称之为等油耗线。数值越小表示油耗率越低,经济性越好。当然,这离不开8AT变速箱的逻辑配合。而福克斯的停缸技术,使得相同转速下发动机负荷率变高,从而降低油耗,实现节能减排的效果。

而具体是怎么实现的呢?以福克斯为例,通过气门和喷油器的控制,实现了3缸到2缸之间的切换,整个切换过程只有14ms,到底有多快呢,一眨眼的功夫,足够切换20次了。

除此之外,此1.5T还采用了双喷射系统,即进气道喷射和缸内直喷。二者优势分别在于:进气道喷射混合更均匀排放更好,缸内直喷响应快,油耗低。如果两者同时具备,高转速大负荷缸内直喷,低转速低负荷进气道喷射,则可以在任何发动机的工况下做到动力、油耗、排放三者同时兼顾,还可以发挥出发动机的最佳性能。当然,这里的双喷射不是简单的将进气道喷射的喷油器由一个改为两个,形成所谓的双喷射系统。

☆可靠性、耐久性,如何保障?

纵使NVH、动力、油耗对于三缸机来说,都是需要关注的点。但是更多朋友可能更加关心三缸机的可靠性,其中最核心的一个问题就是三缸机会不会越开越抖?

其实这个问题并不难回答。首先,三缸机自身抖不抖。前文已经分析过了,三缸机在进行了调校之后,其抖动问题已经基本被消除了,因此发动机本身不会如你想象般的抖,而其内部零件的可靠性是要经过试验验证的,这个后面再跟大家详细讲解。

其次,隔振部件可不可靠?与隔振最直接相关的就是发动机悬置,也就是俗称的发动机机脚。当然,还有汽车上许许多多的隔振件。因此,这就涉及到橡胶的老化问题,而实际上,这不仅仅是三缸机才有的问题。重要的是前期橡胶刚度匹配设计没有问题,橡胶件质量不存在问题。

对于我们大部分消费者而言,更关心的是产品的好坏,也就是说,消费者关注的是结果。就这点而言,我只能说,每一款产品发布之前,都要进行反复的试验过程,包括整车和零部件试验,比如耐久疲劳试验,性能试验,冷热冲击试验,启停验证试验。

此外,还要进行所谓的三高实验——高温、高寒、高海拔,此外还要经历为期90天的Pascar耐久试验(笔者的很多朋友也在从事这类的工作,冬天的黑河,夏日的吐鲁番,酸爽体验,实属不易)。而这些所有的试验,都是在模拟不同严苛工况下,整车和零部件的性能表现,试验前后进行性能对比,再进行相应的改进和测试。

至于三缸机,我认为以福特福克斯上的表现看,它已经解决本身的技术难题,而接下来的困难只能交给时间。但不管怎么说,我们需要了解它,可能也必须了解它,乃至接受它,因为它现在正在单独作为动力源存在,而未来,i8已经证明,其用武之地依旧很广阔。

注:部分图片来源于网络

本文作者为踢车帮 杨帆、图片 敖奕丰

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