1、1福特 Eco Boost 发动机1 未来发动机技术和燃料在 1960 年前，汽油（SI）发动机发展主要研究以利用提高的辛烷值（RON）对自然吸气式发动机设计和性能的影响。1960 年后，除了用常规的RON，陆续使用缸内直喷（GDI）和其他技术提高了发动机效率和性能，汽油缸内直喷增压冷却使压缩比更高和压缩密度更大。近期，福特将在汽油和柴油发动机主要市场上采取积极战略以降低燃油消耗和减少 CO2 排放。短期内，在不损害客户利益的前提下，福特的 EcoBoost 技术提供了一个成本低效益高二氧化碳解决方案。Eco Boost 在一台发动机上同时采用缸内直喷和涡轮增压技术发动机性能和燃油经济性均有提
2、高，二氧化碳排放降低，发动机排量和体积均减小。未来发动机技术在燃料高辛烷值下采用缸内直喷技术。增加的辛烷值可通过减少点火延迟和富集高负荷来提高当前发动机的效率而且能提高未来发动机的压缩比和效率。面对全球能源紧张的局势，使用新能源及可再生能源迫不及待。在美国和欧洲可再生能源的需求显著增加，欧盟要求成员国：到 2020 年运输部门所有能源的 10%来自于可再生资源。可再生能源有乙醇，压缩天然气，液化天然气，二甲醚，生物柴油，氢能源等。使用可再生能源在价格和环保方面更具优势，但是由于可再生能源后续服务尚未完善，市场受到气罐储气量、汽车价格和加气站数量的限制，这些能源的使用正处于起步阶段，新能源及可再
3、生能源具有无限的潜力。2 Eco Boost 发动机2.1 简介：Eco Boost（Economy ）发动机是福特汽车新动力技术代表之一，在美国已经获得 125 项专利及专利应用。它是在传统汽油发动机的基础上，进一步添加了燃油缸内直喷、涡轮增压和双独立可变气门正时系统这三大关键技术优势，不仅保证了澎湃的动力输出，而且优化了燃油经济性高达 20%，并降低 15%的二氧化碳排放。22.2 缸内直喷技术：缸内直喷技术，是指将喷油嘴设置在进排气门之间，高压燃油直接注入燃烧室平顺高效地燃烧，缸内直喷所宣扬的是通过均匀燃烧和分层燃烧实现了高负荷、尤其是低负荷下的燃油消耗降低，动力还有很大提升的一种技术。
4、GDI 发动机采用分层混合气稀薄燃烧方式， 由于稀燃比热容比提高以及加大节气门开度泵气损失降低，可以使部分负荷燃油经济性提高约 30%。尽管福特 Eco Boost 发动机缸内直喷有很大的优势，但也面临着挑战：一、冷启动和热机阶段排放面临挑战；二、在整个转速和载荷范围内，燃料混合面临挑战；三、由于高能能量密度，涡轮增压直喷压燃烧系统比自然进气发动机更容易产生敲缸现象；四、涡轮增压使得冷启动面临挑战（因为涡轮增压消耗了热量，而催化剂需要热量来激活） ；五、高压使得气体混合更困难（密集的气流使得燃料喷雾偏离它设计的轨迹）稀燃无法使用三效催化剂， 而稀燃催化剂开发的难度和成本又很高，会出现高 NOx
5、 排放甚至碳烟排放的问题。针对缸内直喷发动机面临的挑战，天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室的牟江峰提出了复合喷射技术方案。该方案将在带预热的进气歧管稳压腔内设置一个辅助低压喷油器, 并与缸内直喷高压主喷油器联合作用.在启动和怠速工况下，仅由进气管稳压腔上的辅助喷油器供油,这样燃油不仅有充足的气化时间，而且有良好的加热条件,因而在启动工况下无需喷油加浓。在其他工况下，稳压腔上的辅助喷油器提供一部分具有理论空燃比的燃油，由于气化混合时间充足,所以该喷油器可以提供优质均质混合气, 以保证火花塞远端不会发生熄火现象；缸内主喷油器提供的另一部分燃油在火花塞处形成了较浓的混合气，这利于火核形成传播，从而解
6、决了 GDI 易出现的混合气局部过浓、过稀带来的排放问题。2.3 涡轮增压：涡轮增压，是一种利用内燃机(Internal Combustion Engine)运作所产生的废气驱动空气压缩机(Air-compressor)的技术。涡轮增压的主要作用就是提高发动机进气量，从而提高发动机的功率和扭矩。一台发动机装上涡轮增压器后，其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加 40%甚至更高。这样也就意味着同样一台的发动机在经过增压之后能够产生更大的功率，但是耗油量却比31.8 发动机并不高多少，在另外一个层面上来说就是提高燃油经济性和降低尾气排放。增压之后也产生了一部分负面效应，发动机在工作时候的压力和温
7、度都升高，发动机寿命会比同样排量没有经过增压的发动机要短，而且机械性能、润滑性能都会受到影响，这样也在一定程度上限制了涡轮增压技术在发动机上的应用。图 1 废气涡轮增压能量流示意图涡轮增压系统的能量流如图 1 所示。发动机排出的具有很高温度与一定压力的废气流入涡轮机,在涡轮机中膨胀并推动其高速旋转,由此实现废气的余压、余热能向涡轮机动能的转化,最终转化成涡轮轴旋转的机械能.同时,旋转的涡轮轴带动同轴相连的压气机旋转并压缩进气, 由此实现涡轮机机械能向进气压力能和热力学能的转化。然而, 为了降低发动机的进气温度,必须对进气进行冷却，于是一部分进气能量又被中冷器带走。为了提高发动机的功质比，采用涡
8、轮增压是最有效的方法之一。除了 Eco boost 采用的单极涡轮增压技术外，在航空活塞发动机还采用多级增压装置，而多级活塞发动机增压匹配是活塞发动机涡轮增压的关键技术之一。42.4 双独立可变气门正时系统可变气门正时技术原理是根据不同的发动机负荷通过控制气门开启时间（其原理为链条带动的齿盘与凸轮轴的结合，中间存在有一定的自由量，通过伺服电机可以对凸轮与齿盘的角度差作出调节，使气门提前或者延迟关闭，从而实现可变气门正时）从而改善发动机效率和性能。现在一般的可变正时气门技术都只控制进气气门正时，所以节油效果并不十分明显。如果能够同时排气气门也采用可变气门正时技术，发动机的效率和性能将会得到更好的
9、提高。丰田的双 VVTi 发动机就是使用进排气可变正时技术。而福特 EcoBoost GTDi 就是采用了进、排气都可控的可变正时技术。2.0L EcoBoost GTDi 发动机的进、排气凸轮轴都配备了独立的可变气门正时系统，它能在不同转速下优化缸内气流，特别可在部分负荷下改善发动机效率和性能。2.5Eco boost 发动机性能EcoBoost GTDi 并不是将涡轮增压+缸内直喷+可变气门正时三项已有的技术进行简单叠加，而是对涡轮增压、缸内直喷、可变气门正时三项技术分别进行了技术优化，使得每一项技术（无论是高压直喷的压力极限、还是涡轮增压的启动转速和最大扭矩输出、以及进排气可变气门正时技
10、术的实现）EcoBoost GTDi 都做到了国内领先的水准，而目前国内能够将涡轮增压、缸内直喷、双可变气门正时三项技术融合在一款发动机上也仅福特 EcoBoost GTDi 发动机。EcoBoost GTDi 实现了发动机强动力输出和低油耗效能。毫无疑问，EcoBoost GTDi 树立了国内发动机技术的新标杆，也就改变整个国内发动机技术格局，从而推动高效能发动机的技术革命。图 1 2.0L ECOBOOST 扭矩输出峰值 320 牛米左右图 2 1.6L ECOBOOST 扭矩输出，1500rpm 即可输出 240 牛米左右的扭矩Ecoboost 发动机的活塞顶面有着特殊的曲面造型，被负压
11、吸入汽缸的空气能够形成涡流，搅动喷入的油滴更加均匀的混合，使燃油燃烧更加充分。该发动机的喷油量和喷油时间能够达到每秒 300 次，喷油量控制精准，所以发动机即使在低转速下也能实现“稀薄燃烧” ， “充分燃尽每滴油” ，保证低转速下良好5的动力响应，从另一方面弥补涡轮增压发动机响应迟滞的缺点。通常涡轮增压发动机在停车之后不能立即熄火，需要等待 3 分钟左右，让机油泵继续运转以冷却在高温中的涡轮。Ecoboost 四缸发动机上虽然没有自动运行使用循环水冷却涡轮，依然只有机油冷却，进而使车主用车更加便利，也保证了涡轮的使用寿命。我们从 Ecoboost 的工况图上来看，图 1 所示 2.0L Eco
12、boost 的扭矩输出相比大众 2.0TSI 的 280 牛米的水平还是有一定优势的，但离通用 2.0T 的 350 牛米还有差距。图 2 所示 1.6Ecoboost 的 240 牛米与大众 1.4TSI 的 220 牛米以及通用 1.6T 230 牛米几乎不相上下。由此可见，EcoBoost 发动机在性能表现上，已经基本与大众和通用的同级别发动机处在同一个水平线上。3 福特 3.5 L V6EcoBoost 燃烧系统的开发3.1 福特技术发展战略虽然近期混合动力汽车、纯电动汽车、氢燃料汽车等发展很快，但总体汽车产量极少。近几十年，还是内燃机汽车产量占全球汽车产量绝大部分。但内燃机汽车必须采
13、用新型车载动力系统。内燃机汽车的技术在不断发展，仍有发展余地，发展前景良好。福特汽车针对汽车发动机做出了如下的规划。3.1.1 20072012 短期目标：（1）相当数量的汽车使用 EcoBoost 技术；（2）双离合器和六档变速器取代四档及五档变速器；（3）增加混合动力的应用；（4）增加一体式车身的应用；（5）采用小排量和 cuv 汽车；（6）电动助力转向达到 80%90%；（7）电池管理系统达到 75%；（8）空气动力学的改进在 5%以上；（9）在混合动力，生物燃料和燃料电池方面的研究和发展。3.1.2 20122020 中期目标：6（1）发动机质量减轻 250750 磅；（2）发动机体积
14、减少；（3）EcoBoost 几乎在所有的汽车上使用；（4）增加油气混合的使用；（5）柴油机的使用达到 10%；（6）进气量改进达到 5%；（7）在轻型车上电动助力达到 100%；（8）混合电动汽车的少量使用。3.1.3 20202030 长期目标：（1）可再生能源内燃机的比例；（2）混合燃料和电动混合汽车的大量使用；（3）纯电动汽车和燃料电池汽车的使用；（4）清洁的电动和氢燃料汽车。3.2 主要系统和辅助系统的重要设计的变化为了实现 Ecoboost 缸内直喷技术、涡轮增压技术，双独立可变气门正时系统的完美组合，从发动机的主要系统和辅助系统的重要设计做了修改，如：燃烧系统、 、排气系统、冷却
15、系统、曲轴箱强制通风装置、供油系统、气门组系、润滑系统、进气量、能量转化效率、密封性能。图 3 是 3.5 L EcoBoost V6 发动机燃烧系统。图 3 3.5 L EcoBoost V6 发动机燃烧系统3.3 Ecoboost 发动机最初燃烧系统的综合优化方法现代设计方法及虚拟样机技术的发展使得现代产品的设计周期缩短，成本降低，在新产品的开发中，虚拟样机技术发挥了重要的作用。用先进的专有模型和方法进行前期的设计优化，单缸机测试来进行验证，用先进的光学仪器来进行模型和设计的验证，反复进行模型测试。73.4 进排气口优化3.5 喷嘴雾化状态的优化83.6 改变结构解决冷启动的稳定性和排放4
16、 福特 Ecoboost 发动机的国际地位：在 2012 年国际年度发动机大奖中排名第二的是大众 1.4TSI 双增压发动机，法拉利的 4.5L V8 发动机紧随其后，排名第四的是通用的 1.4L 自然吸气发动机。第五至第八名则被宝马包揽，这四款发动机分别是宝马的 2.0T 双涡轮增压发动机、1.6T 涡轮增压发动机、3.0T 涡轮增压发动机和 4.0L V8 发动机，最后一款上榜发动机则是奥迪的 2.5T 涡轮增压发动机。本次的冠军福特 1.0L Ecoboost 涡轮增压发动机，实际排气量为 999CC，这款发动机采用缸内直喷、双独立式凸轮轴可变正时技术（Ti-VCT）和涡轮增压技术。根据调校的不同这款发动机的标准版有 125 马力和 100 马力两种版本。此外还有一款高功率版本，在电动机械增压器的配合下其最大功率可以达到180 马力。我们看到本次的国际年度发动机大奖中，涡轮增压发动机已经势不可挡的成为了主流，这也进一步预示了未来内燃机动力系统未来的发展趋势。此次福特发动机成为冠军使我们转变了对美国发动机的看法，原来美国发动机也可以做得如此出色。9图 4 2012 年国际年度发动机大奖
