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小惡魔汽車教室 第二彈 Ford EcoBoost 180引擎科技詳解

person icon iF 2016-09-22

如果要說現今國產車廠,將「缸內直噴供油+渦輪增壓」科技廣泛採用,且發展走向契合現今「Down Sizing」世界潮流的代表,莫過於Ford福特莫屬。

繼上一回小惡魔汽車教室 第一彈 Mazda Skyactiv-G引擎拆解大公開推出後受到不少網友們好評,這一次小惡魔將目標轉向近年來主打「Ecoboost」引擎科技的Ford,並以現今集結新世代引擎技術於一身,並搭載於Kuga及Focus的1.5升直噴渦輪增壓心臟(官方代號EcoBoost 180),做為此次EcoBoost科技介紹的重點單元。


圖為EcoBoost 125引擎

在開始講解EcoBoost 180引擎科技之前,我們先來複習一下這顆近年來Ford致力研發的主力出力心臟的特點。EcoBoost引擎科技迄今已獲得275項專利(另有200項專利申請中),而其著重的要點,在於強調擁有高燃油效率以及高動力輸出,同時也藉著輕量高剛性材料、更精巧的零部件,以及完善的電腦軟體設定,創造以大馬力、低油耗、省稅金的亮眼優勢。

正如上圖搭載於Fiesta 1.0的1.0升直噴渦輪三缸引擎,這具廠方代號EcoBoost 125心臟連續三年蟬聯國際引擎大賞,並在1.0升以下級距引擎中連續五年摘金得獎,至於在最近重返Le Mans利曼耐久賽事,搭載EcoBoost 3.5升V6引擎的Ford GT也旗開得勝,榮登LM GTE Pro組別冠軍,展現福特EcoBoost引擎獨特的性能水準。

EcoBoost 180引擎


或許有人覺得不解,為什麼原本先前EcoBoost 1.6引擎「用的好好的」,福特怎麼還再開發一具排氣量「僅」縮減100c.c.的1.5升心臟?其實這顆官方命為EcoBoost 180的新世代出力機體,問世原因主要是因應中國市場而來,由於中國的消費稅制,針對排氣量1.0~1.5升的車款課稅3%,至於高一階的1.5~2.0升級距則課稅5%。基於「多100c.c.」就「多2%稅收」得繳交政府的額外開銷,面對一部車多2%車價稅賦、而且銷售數量又極為龐大的中國市場,福特決定特別研發這具「EcoBoost 180」出力心臟,同時也針對周邊硬體部分重新規劃,並搭載於Kuga及Focus車款之上。

EcoBoost 1.6引擎


從引擎架構來看,二者皆採用鋁合金材質所打造,科技系統方面,都有使用缸內直噴供油、渦輪增壓、進排氣側可變正時系統等,另外1.6T排氣量為1596c.c.、1.5T排氣量為1499c.c.,二者汽缸直徑皆為79mm,主要的差別在於曲軸行程,1.6T為81.4mm、1.5T則縮為76.45mm,達到降低排氣量的目的。不過在縮減97c.c.排氣量,馬力不減反增「多3hp」,24.5kgm扭力持平的情形(Kuga 1.6、1.5動力比較),主要是EcoBoost 180引擎比EcoBoost 1.6T多了一些創新的技術,而這些技術也是此次小惡魔汽車教室的介紹重點。


此次小惡魔汽車教室第二彈可以成行,要特別感謝福特在接受我的提案企劃後,非常迅速的準備好採訪所需的引擎本體及一些已經拆解的重點配件,同時也找來對於EcoBoost科技極為熟悉的新車型投產部經理Alex(還有引擎零件等部門的專門技術人員),做為本次汽車教室的客座教授,讓網友們能以更多不同的角度深入瞭解EcoBoost 180引擎獨特之處。

另外要特別說明一下,或許有網友覺得此次EcoBoost引擎的拆解工程似乎不像先前Mazda Skyactiv般「浩大」,主要是Skyactiv科技是強調引擎內部零件的設計以及輕量減重(當然還有缸內直噴),自然需要進行大規模的拆卸解說,不過EcoBoost引擎的獨到之處,是將缸內直噴、渦輪增壓、可變氣門正時的三種科技予以結合使用,採訪當天福特官方也是如此是說,引擎內部零件的設計反而不是最主要的重點(用料設計其實與1.6T差不多),所以這回重點則著重這三點進行細說,先和網友們告知一下。



缸內直噴供油系統


高壓汽油泵浦

眼前這個安裝在銀色金屬盒狀物體上方的金屬圓柱體就是高壓汽油泵浦,在講解高壓汽油泵浦前,我們先來說一下在進氣歧管裝設噴油嘴的傳統供油型式。傳統供油系統,是由一個裝設於油箱的汽油泵浦,將汽油抽出之後沿著油管輸送至引擎室的汽油調壓閥,然後再將汽油各別導入噴油嘴,接著再噴入歧管與空氣混和後進入燃燒室燃燒。這類傳統供油系統的汽油調壓閥,作動原理是藉著閥門的大小孔改變,達到提高噴射壓力、讓汽油噴射霧化更完全且油量也可以提高的目地(就像用手指壓著水管、壓越緊水越強),但這種物理式的供油壓力,並不是「主動提供壓力」的設計,也與現今缸內直噴的高壓汽油泵浦差距甚多。

泵浦本體



至於缸內直噴供油的作動方式,前半段與傳統供油相同,都是將汽油從油箱抽出後送到引擎室,不過比起單靠阻力增加壓力的汽油調壓閥,高壓汽油泵浦是透過一組圈狀彈簧、頂筒等元件所組成,然後再由凸輪軸上的「一組凸輪推動頂筒→擠壓圈狀彈簧→汽油加壓」達到比傳統汽油調壓閥還要高壓的汽油壓力。而EcoBoost 180引擎的高壓汽油泵浦,則可以150bar壓力替汽油加壓,讓汽油噴射時能夠霧化更完全,達到精確控制噴油量、調節燃燒室溫度、避免爆震等的目的。

凸輪+頂筒



這組位於排氣側凸輪軸的「多一個」凸輪,是設計來頂壓高壓汽油泵浦頂筒的設計,而從四行程引擎的運作來看,一個進氣、壓縮、爆炸、排氣的行程,凸輪軸就會轉動一圈,所以高壓汽油泵浦是採「主動式」對汽油加壓。同時也因應凸輪不斷頂壓頂筒的關係,在頂筒上方的一層黑色即為特別設計的耐磨材質塗層,雖然官方並未特別說明,不過按照相同設計的VW集團2.0TFSI引擎(AXX、BWA、EA113系統)來看,若使用一段時間頂筒黑色部分會被凸輪「磨光」,避免造成供油壓力下降以及頂筒或凸輪破損,約需2~3萬公里就得更換(以VW標準來說)。

油軌+噴油嘴



油軌和噴油嘴就是供油系統的最末端,當高壓汽油泵浦把提高壓力的汽油注入油軌後,汽油就會依照電腦程式的控制,將高壓的汽油從噴油嘴直接噴入燃燒室內燃燒。以硬體層面來看,EcoBoost 180引擎所採用的噴油嘴的噴油孔有六處,以達到噴射霧化更完全的目的,至於控制汽油噴射量以及時機的重要關鍵,主要是透過電腦程式的設定。

這個看似簡單的噴油動作,主要是由控制電腦內數以百萬行計的程式碼與參數,做為作動的判斷行為,這一個擁有龐大資料庫的控制電腦,內容資訊主要以引擎與傳動系統的運作為主,利用這些不同資訊來模擬不同的駕駛環境,再由大量的Sensor感知器的回傳訊號,迅速且不斷地修正及更改指令!像是噴油嘴的噴射時間,就在EcoBoost軟體控制下,可以每秒最高300次的調整,優化燃燒效率、達到最佳出力的水準,完全契合Ford動力總成和汽油引擎控制技術總監John Rollinger所說:「現代的引擎如果沒有軟體加持的話,將完全英雄無用武之地」的設計理念。

可變氣門正時系統




「可變氣門系統」這個在世界各車廠都已大量使用的科技,可以分成「氣門正時」、「氣門揚程」二大系統,至於EcoBoost引擎所配置的則為控制氣門開啟和關閉時間的「氣門正時」。這套藉著機油壓力來「推動正時普利盤→轉動凸輪軸→凸輪頂壓氣門→氣門開啟」的作動方式,可以讓低速行駛時,讓進氣門提早開啟,讓比較多的空氣進入燃燒室燃燒,而強化低速輸出動力,或是在高速、全油門鼓催的時候,讓原本開啟時間不同步的進氣門與排氣門,加長二者開啟重疊時間,利用排氣門快速的將廢氣排出、連帶加強進氣門吸入空氣,達到提升引擎動力的效果。

EcoBoost 180可變氣門正時的設計初衷除了如上面所說之外,對於渦輪出力的反應也有一定程度的幫助!由於渦輪增壓器的作動,是靠著引擎廢氣吹動渦輪排氣側葉片、連帶轉動進氣側葉片,達到高速壓縮及吸入空氣的效果,「引擎廢氣」便是取決於渦輪反應的重要關鍵,所以才會有雙渦流之類的設計誕生。不過與其「被動的」從渦輪下手,EcoBoost 180引擎直接從「源頭」,也就是讓引擎廢氣排出的「排氣門」著手,透過提早開啟排氣門的方式,讓廢氣早一點吹動渦輪葉片,可以消彌出力遲滯的情形,當排氣門完全開啟時也可以更快達到全增壓的效果。

正時普利盤+凸輪軸



可變氣門正時的主要作動元件,即是位於缸頭上方二側的正時普利盤,以及與普利盤結合的凸輪軸,普利盤外緣的刻度齒盤,則是藉由正時皮帶與曲軸普利盤連結,至於凸輪軸的設計效果,即是利用其上方一個個如雞蛋般的橢圓凸輪,來壓開下方的氣門彈簧、進而推開氣門,作為空氣導入的目的。

可變氣門正時電磁閥+油壓孔道



用來改變正時普利盤作動的關鍵機構,就是上圖二組分別位於進氣端及排氣端的電磁閥,這二個電磁閥的前端及側面皆有設計吸入機油的網狀開口,當電腦驅動要將氣門做開啟動作的時候,電磁閥就會將機油吸入其中,然後將機油從側面開啟的油孔,通過導油機構、將機油導入到下圖手指面向的注油孔,然後利用機油的壓力來「推動正時普利盤→轉動凸輪軸→凸輪頂壓氣門→氣門開啟」,驅動進氣或排氣門開啟,達到節能油耗、強化動力以及減少渦輪遲滯的多重優點。

渦輪增壓系統



渦輪增壓器,這個利用引擎廢氣吹動、進而吸入及壓縮空氣的增壓型式,世界各車廠幾乎都已十分廣泛的採用,而在缸內直噴供油大行其道後,更是成為與渦輪形影不離的組合。直噴供油之所以與渦輪十分契合的原因,在於缸內直噴可以精準且大量的噴油,對於渦輪壓縮空氣而產生高溫,自然可以有效的控制,所以當溫度可以被完美的掌控,像是引擎高壓縮比、渦輪高增壓值這類可以提高輸出動力的設計,就能援引採用,而這也是為什麼現今新世代引擎壓縮比、渦輪壓力較高的主要原因。

BorgWarner博格華納渦輪



EcoBoost 180引擎所採用的渦輪增壓器,為知名渦輪製造大廠BorgWarner博格華納出品,而從這顆渦輪名牌上「Made in China」屬名來看,應該是負責生產渦輪機的武漢或寧波所出廠。為了顧及出力反應及對應排氣量的設定,這顆渦輪尺碼並不算大,因此渦輪葉片對應轉速可達15萬rpm(越高轉出風量越小),能夠對應渦輪的最大增壓壓力值可達1.5Bar,渦輪軸心為常見的銅套軸承設計,冷卻方式以機油及冷卻液二者並行,並具有控制渦輪壓力的Actuator排氣洩壓閥,且採用最新型的電子式控制。

集成式渦輪頭段+O2 Sensor含氧感知器前移



和1.6T EcoBoost引擎最主要不同的地方之一,EcoBoost 180的渦輪取消了原本仍有的渦輪頭段,改為與缸頭整合的「集成式」頭段設計,先前1.6T引擎的渦輪,雖然已經與排氣管頭段直接整合,以出力順暢度來說,當廢氣從排氣門排出的時候,與渦輪之間的距離已算短捷。但是EcoBoost 180引擎更進一步的把已算簡短的頭段捨棄,將原本頭段的位置與缸頭結合,所以當排氣門打開、廢氣排出後,就直接整合且吹向渦輪的排氣端葉片,極盡可能的減少渦輪遲滯。

由於渦輪與缸頭整合的關係,第一支含氧感知器自然也前移到集成式頭段,也就是渦輪前方的位置,這個名為O2 Sensor含氧感知器的偵測系統,一般車款多半是將第一支裝在頭段觸媒之前,另一隻則裝在觸媒之後,用來偵測當廢氣通過第一支、觸媒、第二支含氧感知器的時間,以及含氧量的數值,電腦會依照廢氣中的氧氣量,不斷的修正油氣混合比濃度,達到正確的空燃比設定。所以EcoBoost 180引擎因為渦輪捨棄頭段而與缸頭整合的關係,第一支含氧感知器的位置就裝設在缸頭排氣出口位置,對於排氣計算速度也更為直接快速。

水冷式中冷器



Intercooler中冷器,這個用來降低進氣溫度的系統,是因為當高熱的引擎廢氣吹向渦輪排氣葉片,連帶將渦輪本體及進氣端葉片的溫度拉高,同時也因空氣被壓縮時會產生高溫,所以渦輪作動所吸入的空氣溫度自然不低,如果將高熱的空氣導入引擎,不僅燃燒效率不佳且極有可能因此造成爆震的情形,所以中冷器的設計概念,就是將渦輪吸入的高熱空氣,將其導入一個大型冷排的結構中,利用行進間撞風或是以冷卻液降溫,達到降低進氣溫度的目的。

水冷式冷排


EcoBoost 180引擎所採用的中冷器,為降溫及控溫效果更出色的水冷型式(先前1.6T為傳統空冷方式),放眼現今許多車廠,紛紛將原本空冷式中冷改為水冷系統的原因,主要是降低溫度單靠行駛撞風的效率不比水冷,由於冷卻液的溫度比起空冷更容易控制且恆定,加上水冷中冷器的冷卻液來源,即是原本車上配置的水冷系統。汽車上的水冷系統,本就有著水泵浦、水龜、水箱冷排、水箱風扇等控溫裝置,反觀傳統的空冷式中冷器,只能撞風達到降溫的效果,如果在停停走走的市區,甚至長時間怠速的狀態,在高熱的引擎室高溫「烘烤」下,進氣溫度因此變得極高,自然影響引擎性能。

水冷式中冷器的降溫效果優點,除了控制溫度及降低進氣溫度出色,由於冷排直接整合在進氣歧管裡面的關係,當高熱的增壓空氣進入歧管內,透過充滿冷卻液的冷排帶走高溫後,就可以直接進入引擎內燃燒。反觀空冷式的中冷器,就得另外設計一組進氣管路,將高熱的空氣導出,然後再把炎熱空氣導入位於車頭的冷排撞風降溫,接著再用一組管路把冷卻的空氣導回,最後再流入進氣歧管後、進入引擎與汽油燃燒,所以如此長距離的降溫路徑,對於出力反應自然不比水冷式中冷來的直接,所以水冷式中冷器不僅控溫效果出色,也是減少渦輪出力遲滯的另一個重要設計。

進氣歧管



這個塑鋼材質製作的進氣歧管,內部即為安置水冷冷排之用,而EcoBoost 180引擎偵測進氣的歧管壓力的感知器就設計在歧管上(上圖),至於下圖則為空氣冷卻後直接導入燃燒室,而圖中由紅色防漏氣膠條所構成的「四個方形框」、「八個黑色孔洞」,即是對應四缸、八個進氣門的設計。

鋁合金引擎本體



EcoBoost引擎的製造材質,已經是現今主流且行之多年的鋁合金結構,本身即有重量較輕的輕量化,以及散熱效果比較優秀的特點。而EcoBoost 180與1.6T引擎的主要差別,在於二者的基於相同的79mm缸徑,但是藉著將曲軸行程從81.4mm縮減到76.45mm的方式,將排氣量減少97c.c.,不過二者壓縮比均為10.0:1,不難瞧出二者深厚的血緣關係。

開放式水道設計


EcoBoost 180缸體為現今十分常見的開放式水道設計,因此對於溫度控制自然更為出色,至於缸套則採用鋼製而成,足以對應增壓化帶來較為嚴苛的工作環境。至於為了增加機油潤滑效果,當活塞下行到下死點的時候,EcoBoost 180引擎有設計一組機油噴嘴,將機油噴向活塞裙,作為冷卻及降低活塞溫度的目地。此外為了讓極高溫的燃燒室可以快速降溫,在每缸相結合處,都可以發現有道淺淺的溝槽,這個是用來讓冷卻液流過的通道,利用不斷流通的冷卻液帶走缸頭的高溫,減少溫度過高爆震的可能性。

內凹式凸頂活塞


由於採用缸內直噴供油的關係,現今許多引擎的壓縮比都設計頗高,像是EcoBoost 180引擎就已達10:1,至於提高壓縮比的方式,自然是採用凸頂活塞來達成,不過比起印象中常見的凸頂活塞,EcoBoost 180引擎是選用「內凹式的凸頂活塞」。從圖中可以發現這個活塞的中央部位為內凹,至於二側則較為高聳外凸,活塞之所以採用內凹的設計,主要是因為缸內直噴的汽油,要在燃燒室內才會與空氣混合,不像以往在進氣歧管就先與空氣結合,為了讓油氣迅速達到最佳混合狀態,就得設計這種凹頂式的活塞,來儲存空氣及營造「滾流」效果,讓汽油一從噴油嘴噴出,就可以馬上與空氣均勻混合,並達到完全燃燒的效果。

此外這個內凹的設計,也有助於讓燃燒油氣可以集中且保持溫度,如果活塞頂部造型過尖,不僅油氣空間比較少,當點火爆炸的時候,較低溫度的活塞頂直接碰觸火花,會造成失溫而燃燒不完全的情形。另外也因應高溫高熱的工作環境,活塞頂部及活塞裙也施以強化塗層,本體也採用輕量化材質製作,搭配鍛造不銹鋼曲軸及精密的軸承材質,打造出極為強健的出力架構。

鋁合金油底殼+機油泵浦改良


和引擎製作材質一樣,EcoBoost 180引擎的機油油底殼,同樣都是採用鋁合金打造而成,為了可以完整潤滑及控制引擎工作溫度,油底殼特別加深且加大,藉著容納更多機油容量,讓激烈駕駛時引擎仍夠可以維持最佳潤滑度。此外這顆引擎的機油泵浦,是在原本圓軸型的曲軸頸上,特別設計一個平面,而來帶動機油泵浦抽油及潤滑之用,並可視引擎工作狀態,改變供給機油的壓力,讓引擎常保最佳潤滑及工作狀態。

機油冷卻器


這個在歐系引擎十分常見的機油冷卻器,作用效果與一般事後改裝油冷排撞風降溫的「油冷」不同,眼前這個在機油濾心下方的銀色方形結構,即是俗稱的「便當盒」,由於與機油濾心結合的關係,裡面自然長時間都有機油流動及進出(圖中二個管路為機油進出口),不過這個「便當盒」除了有機油流動之外,內部亦設有冷卻水的通道。其作用的目地很簡單,因為水的升溫速度比油快,所以當啟動引擎後,迅速爬升的水溫就可以加快機油升溫、達到工作溫度狀態;同時也因冷卻水的最高溫度比機油低,所以當激烈操駕、機油溫度爬升的時候,同樣可以藉由這個冷卻器,讓機油溫度盡快下降,並維持在最佳的工作溫度。


此次小惡魔汽車教室,除了文字及圖片的解說介紹,在攝影組同事的協助之下,尚拍攝了為時約15分鐘左右的影片,並針對EcoBoost 180引擎的缸內直噴供油、渦輪、可變氣門正時等科技進行解說,希望藉著更實際的操作與實物講解,讓網友們可以更清楚的認識及瞭解這具引擎的科技要點。


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