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3.5L V6 Ecoboost - 可持续的发动机技术可持续的发动机技术 摘要摘要 北美的汽车工业现在正面临着一个挑战：最近签署的能源法案中要求，到2020年时燃料经济标准提高为35哩/加仑(6.7升/公里)，对于轿车和卡车同时生效这一法案的通过是与原油价格高位运行在130美元/桶和成品油零售在4美元/加仑以及越来越明显的二氧化碳排放和全球变暖相适应的 福特汽车公司已经预计到这种趋势，于是投入开发高效率的发动机技术，并将这些技术广泛应用，以此来有力地应对以上挑战 引领工作开展的是一项已公开宣布的Ecoboost技术，即在先进的汽油发动机上应用直接燃油喷射和涡轮增压福特汽车此前曾报道这项技术的基本原理，通过轻量化发动机尺寸显著改善燃油经济性，又通过发动机动态响应显著提高了性能 这项技术已应用在I4 & V6发动机上， 福特已宣布， 至2013年将在全球范围内投入750000台Ecoboost发动机，首次应用是在2010年上市的Lincoln MKS豪华轿车的3.5L V6 Ecoboost发动机上 这篇论文总结了3.5L V6 Ecoboost发动机以及关联的安装系统的研发燃烧室，燃料，增压和功率转换系统，着重于使此独特的发动机得以广泛应用的系统效率和价值方面也做了详细讨论。

同时讨论了发动机性能和燃油经济性能的评测并与传统的汽油机做了比较 1 简介简介 2006年，福特推出了3.5L V6 Duratec发动机，它是一般结构系列的首台发动机；3.5L V6 Duratec发动机已广泛应用在汽车和模型上，得到了客户和媒体的高度评价随后从这一系列中所要推出的是2008年的3.7L V6 Duratec，和准备在2009年推出的3.5L V6 Ecoboost发动机 发动机所有的一般结构元素，包括全铝锻造，106mm孔心距，60度侧倾角，带进气可变凸轮轴正时的双顶置凸轮轴所有的这些发动机同时也有同样高的功能目标，包含： 有竞争力的性能特征； 10年/150,000英里耐久性； 有竞争力的油耗值； 低噪声等级； PZEV 排放性能 最小的质量 而3.5L & 3.7L V6 Duratec 发动机是进气口燃油喷射+自然吸气式，额定功率分别为265 hp (198 kW)和275 hp (205 kW)， 3.5L V6 Ecoboost为直接燃油喷射+双涡轮增压， 燃油直喷+双涡轮增压， 额定功率将大于340 hp (254 kW) / 340 lb-ft (461 N-m)。

由于性能要求更高，在推出之前，Ecoboost要求更精确地设计，开发和认证，这也是此论文的主题 1.1 Ecoboost在燃油经济性和在燃油经济性和CO2方面的工作原理方面的工作原理 如Borrmann在参考文献[1]中所介绍，涡轮增压，燃油直喷发动机相对于自然吸气，进气口燃油喷射发动机和涡轮增压，进气口燃油喷射发动机，有许多功能上的优势，包括： 相对于自然吸气，进气口喷射发动机，它显著提升了功率和转矩； 相对于涡轮增压，进气口燃油喷射的发动机，提升了低速稳态和瞬态转矩；这是由于改进了容积效率，残余扫气，并应用了更合适的涡轮增压器匹配口； 相对于涡轮增压，进气口燃油喷射发动机，针对各种驾驶周期，它都具有可靠的现实的燃油经济效益；这是由于改进的汽油抗爆燃性增强了压缩比，带来更优良的燃油加浓口 由于瞬态燃油控制性能提高，使发动机停机/启动功能有了战略性改进； 这些优势综合起来可明显将发动机轻量化在一个汽车重量级别内，同时保持全部的汽车性能；光是发动机重量减轻，就可提高20%的燃油经济性，还有可能降低汽车的重量等级，进一步优化动力总成 1.2 Ecoboost计划计划 应对北美汽车市场的急剧变化，福特已开发了详细的技术优化&转移（TOM）模式，它全面考虑了的各项输入（如客户/法规要求，目前/将来技术含量等等），产生了稳定的汽车和动力总成技术快速输出。

使用TOM模式，综合直接客户的经验已确认Ecoboost作为福特短期燃油经济性/CO2的可持续技术，中长期的计划重点是混合动力，柴油机，插入式混合动力TOM模式提出Ecoboost对于客户是种“双赢”，它不仅改进了燃油经济性并可使投资快速回笼比如说，假设一个客户行驶15,000公里/年，汽油开支为4.00美元/加仑，Ecoboost使投资的回笼在2年之内完成通过比较，同等条件下，除了典型的首任车主的驾驶周期外，混合动力和柴油机的投资回笼要7到10年因此，福特认为这有广泛的需求，定能扩展Ecoboost技术的影响 虽已应用在I4 & V6型发动机上，福特已宣布到2013年将应用多达750,000的Ecoboost发动机，首次于2010年应用在Lincoln MKS豪华版轿车上的3.5L V6 Ecoboost发动机，如图1随后的应用包括2010年福特Taurus轿车和福特Flex crossover，到2011年的F150卡车以后将发布其余的I4 Ecoboost发动机结构和汽车应用 图1：带3.5L V6 Ecoboost的2010年款Lincoln MKS轿车 2 3.5L V6 Ecoboost技术概述技术概述 2.1 发动机规格发动机规格 如上面所提到的，3.5L V6 Ecoboost发动机是从3.5L V6 Duratec系列进化而来。

此系列发动机先进的结构规范如图2所示为了优化Ecoboost发动机的功能属性，我们在压缩比，凸轮轴正时，推荐燃油，发动机最大转速方面做了适当的调整 图2：3.5L V6 Duratec发动机 vs 3.5L V6 Ecoboost 除了以下的结构和规范调整，在各主要的及次要的发动机系统上也有较大的设计变更，包括燃烧，燃油，进气，排气，功率转换，冷却，润滑，曲轴箱强制通风，密封和气门机构这些变更带来了约75种新的或重新设计的零件；在下面的部分我们将详细讨论这些设计变更完整的3.5L V6 Ecoboost发动机总成如图3所示 图3：完整的3.5L V6 Ecoboost发动机总成 2.2 发动机属性发动机属性 上面所提到的涡轮增压，燃油直喷发动机的功能优势，综合属性设计的Ecoboost部署计划，带来了以下关键的项目目标： ? 大于340 hp (254kW) @ 5650 rpm（在single number市场，可与 4.X - 5.XL premium V8's 竞争) ? 大于340 lb-ft (461N-m) @ 2000 - 4000 rpm（所有汽车性能都优于4.X - 5.XL premium V8's） ? 相对于3.5L V6 Duratec，达到最小的部分负荷时油耗下降（要求无论何种驾驶周期，都能带来可靠的现实燃油经济效益） 虽然有难度，但是为了保证Ecoboost技术能得到广泛接受，必须达到这些目标。

如图4所示，3.5L V6 Ecoboost发动机满足了功率和转矩的目标，转速在5250至5650 rpm时输出的功率为340hp，转速为1500 rpm至5250 rpm时输出功率为340 lb-ft；相对于3.5L V6 Duratec发动机，这表示在转速为2000 rpm时增长82%，转速4500 rpm时增长36%Ecoboost的转矩曲线由增压控制，也意味着未来的应用将能提供更高的功率输出如图4，虽然功率输出大幅增加，相比Duratec发动机，在转速低于4000rpm时，Ecoboost可在更低的燃油加深状态下运行，保证稳定的现实燃油经济效益的 图4：3.5L V6 Ecoboost和Duratec发动机全负荷输出和空燃比 如图5，相对于Duratec发动机，Ecoboost在全负荷状态下运行的最大缸压更高；这直接源于更高的特定输出，和在设计时将考虑重点放在功率转换系统（在接下来的章节将进行讨论）为了符合设计规范100 bar（3 sigma），发动机高速转动时最大缸压被控制在约80bar (mean)如图5，虽然功率输出明显提高，相对于Duratec发动机，Ecoboost类似的最大缸压增加速度，确定对发动机噪音产生最小的影响。

图5：3.5L V6Ecoboost和Duratec发动机全负荷最大气缸压力 最后，如图6所示，相对于Duratec，Ecoboost实现了部分负荷时油耗下降最小的目标图中所示的7个部分负荷下的速度/负荷点为福特定义的典型客户架驶周期中最大受力点如图中所示，Ecoboost在一些点油耗有所改进，在其他的点又稍有退步；这些差异很大程度上与每个点的稀释公差和凸轮轴正时的不同相关假设每一个点（算术平均值）的重量相同和0.5%测量精度，得出的结论是Ecoboost BSFC = Duratec BSFC 图6：3.5L V6Ecoboost和Duratec部分负荷下的油耗 3 发动机的主要系统发动机的主要系统 3.1 燃烧系统燃烧系统 燃烧系统包括进气和排气口，燃烧室包括进气和排气口，燃烧室表面，活塞顶表面和燃油喷射规范图7和图8显示的是典型的燃烧系统 在福特内部燃烧系统的设计和开发统一了三层计算方法， 并成功地在预涡轮增压，燃油直喷发动机研究项目得以论证；这三层包括：i) 福特多维发动机SIMulation (MESIM) CFD代码，结合行业主导燃油喷射，混合和燃烧模式，ii) 一个单缸可视发动机实验室，和iii) 一个单/多缸热动力发动机实验室。

此三层计算可提供早期，快速和成本效益的燃烧系统设计和开发，从而有助于为未来发动机系统和汽车系统开发项目尽早建立高可靠性多缸发动机 图7：3.5L V6Ecoboost燃烧系统 如之前在参考文献 [2]中Wirth和参考文献[3]中Han所述，关于汽油涡轮增压燃油直喷燃烧系统有很大的困难；这也使我们设立了以下较高的系统目标： 稳定运行，高排气热通量，分散喷射时最小排放，冷启动运行条件； 在喷射早期和冷启动运行条件下充分地空气/燃油混合； 在喷射早期、低速、全负荷运行条件下充分地空气/燃油混合； 在喷射早期、全负荷运行条件下快速燃烧速率（这样可使压缩比最大和燃油加浓最小）； 在所有运行条件下有最小的燃油/气缸冲击和燃油/机油稀释； 最关键的是，以上目标的实现，没有额外的增压，燃油系统，或空气系统辅助设备； 图8：3.5L V6Ecoboost燃烧系统 为了达到最佳成本效益和强劲的燃烧系统，“无其他辅助设备”的最终目标不符合以下硬件结构： 涡流控制阀，翻滚控制阀，可变进气阀升程系统； 中央燃油喷射(CFI)系统，进气口燃油喷射（PFI）系统； 空气辅助或压电推动燃油直喷系统； 空气辅助废气氧化系统； 给出了以上的目标， 并需在3.5L V6 Duratec发动机系列的结构局限内， 3.5L V6Ecoboost燃烧系统经过大约 50个进气和排气口、燃烧室表面，活塞顶表面和燃油喷射规范MESIM CFD重复得到优化。

A MESIM CFD最终一个反复的瞬象论证了早期喷射情况下缸内空气燃油分布的瞬间态度，如图9 图9：MESIM CFD 在程序持续过程中MESIM CFD的高可靠输出，被转换成为少于10次单缸发动机迭代，最终成为少于5次多缸发动机迭代通过三级计算，燃烧系统达到了项目的目标，特别是： 在分散喷射、冷启动运行条件，输出稳定性只有0.32bar SDIMEP，热通量高达7200W/L，和0-20s 加气排放支持PZEV排放能力； 在冷启动和喷射早期，低速，全负荷运行条件，传送与其他进气口燃油喷射发动机相当的空气/燃油混合物（约0.2% O2排放）； 在喷射早期的全负荷运行条件，输出燃烧速率足够能够可以达到10.0:1 压缩比，转速小于2500rpm，无燃油加浓口； 在所有运行条件下，燃油对缸壁只产生很小冲击，并输出其他燃油直喷发动机（约5%稀释）相当的燃油/机油稀释； 3.2 燃油系统燃油系统 燃油系统包括高压。