335kW的2.0T是如何做到的？沃爾沃概念發(fā)動(dòng)機(jī)初探

沃爾沃Drive-E系列動(dòng)力總成我們之前已經(jīng)進(jìn)行過(guò)詳細(xì)分析，不過(guò)最近幾天沃爾沃又發(fā)布了新內(nèi)容。它們推出了一款基于Drive-E動(dòng)力打造而來(lái)的2.0L概念發(fā)動(dòng)機(jī)，其最大輸出功率達(dá)335千瓦，升功率達(dá)到168千瓦。一旦投產(chǎn)，它將成為民用量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)中升功率最大的發(fā)動(dòng)機(jī)。

沃爾沃2.0T新概念環(huán)保發(fā)動(dòng)機(jī)，最大功率335kW

根據(jù)沃爾沃官方的信息顯示，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率做到如此之高，是其渦輪增壓模塊采用了兩個(gè)渦輪增壓器和一個(gè)電動(dòng)渦輪增壓器的組合。那么，這一套系統(tǒng)到底是怎樣的結(jié)構(gòu)？

電動(dòng)渦輪增壓為何物？

從原理來(lái)講，所謂的電動(dòng)渦輪增壓非常簡(jiǎn)單。相比較傳統(tǒng)觀的渦輪增壓器，沃爾沃的這臺(tái)概念發(fā)動(dòng)機(jī)增加的電動(dòng)渦輪增壓器，實(shí)際上就是在排氣驅(qū)動(dòng)渦輪之外，再增加一個(gè)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

既然原理那么簡(jiǎn)單，為什么電動(dòng)渦輪增壓器卻遲遲沒(méi)有出現(xiàn)呢？原因還是出在電動(dòng)動(dòng)力上。在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速的情況下，渦輪增壓器往往都要處于極高的轉(zhuǎn)速，而且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加轉(zhuǎn)速還成積數(shù)增長(zhǎng)。如果只通過(guò)電動(dòng)渦輪增壓器實(shí)現(xiàn)增壓的話，電動(dòng)機(jī)是吃不消的。

所以，它的存在只能是起到輔助渦輪增壓器的作用，彌補(bǔ)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪遲滯問(wèn)題。在低轉(zhuǎn)速的條件下，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器，提前與排氣驅(qū)動(dòng)之前使渦輪增壓器開始工作。

在渦輪增壓器流行之前，我們知道市場(chǎng)上有些發(fā)動(dòng)機(jī)采用機(jī)械增壓+渦輪增壓的雙增壓系統(tǒng)，也達(dá)到了較高的動(dòng)力性能，那么電動(dòng)渦輪增壓+渦輪增壓的優(yōu)勢(shì)在哪里？

機(jī)械增壓器剖面圖

眾所周知，機(jī)械增壓的工作原理是通過(guò)曲軸帶動(dòng)齒輪增速器來(lái)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)。由于增壓器的動(dòng)力源來(lái)自于曲軸，所以機(jī)械增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低的情況下也能夠介入工作，從而彌補(bǔ)渦輪增壓的遲滯問(wèn)題。但是，機(jī)械增壓器在工作過(guò)程中不可避免的要消耗掉一部分發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。此外，采用機(jī)械增壓+渦輪增壓組合的發(fā)動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)更加龐大，發(fā)動(dòng)機(jī)的布局非常困難。

但是電動(dòng)渦輪增壓+渦輪增壓的組合卻彌補(bǔ)了機(jī)械增壓的短板。首先，電動(dòng)渦輪增壓器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)能量來(lái)源來(lái)自于單獨(dú)的鋰電池組，鋰電池組的能量由可以通過(guò)制動(dòng)能量回收獲得，所以不存在占用發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的問(wèn)題；其次，電動(dòng)渦輪增壓器由于獨(dú)立存在，所以發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)要更為簡(jiǎn)單。而且電機(jī)的體積也更小，方便布置。

正是基于以上原因，沃爾沃的這款概念發(fā)動(dòng)機(jī)，選擇了電動(dòng)渦輪增壓器的增壓結(jié)構(gòu)。電動(dòng)渦輪增壓器通過(guò)電機(jī)使渦輪增壓器提前開始工作，避免了渦輪遲滯問(wèn)題的發(fā)生，就使得設(shè)計(jì)人員可以采用大尺寸的渦輪來(lái)提供更大的增壓壓力。

電動(dòng)渦輪增壓帶來(lái)的挑戰(zhàn)

然而，將2.0T的發(fā)動(dòng)機(jī)功率提升到335kW，可不僅僅是對(duì)增壓系統(tǒng)的改進(jìn)這一點(diǎn)就能夠?qū)崿F(xiàn)的，它會(huì)對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)提出挑戰(zhàn)。

由于增壓器的作用，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量和空氣密度有了大幅度增加，要保證燃油的充分燃燒，就必須提升燃油系統(tǒng)的供油壓力。所以與在沃爾沃的這臺(tái)概念發(fā)動(dòng)機(jī)上，燃油通過(guò)兩個(gè)工作壓力高達(dá)250bar的燃料泵供給到氣缸中。要知道，目前市場(chǎng)上的主流直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的供油壓力基本保持在40-130bar左右，而自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)供油壓力也就是在5bar以內(nèi)。所以，油泵、油軌以及噴油器都必須要滿足高噴油壓力的需求。

高壓油泵

除了燃油供給系統(tǒng)，如此之高的升功率，對(duì)缸體本身也提出了較高要求。

在大尺寸渦輪增壓器的作用下，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的平均氣缸有效壓力會(huì)大幅增加，其最大爆壓會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于市面上主流汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)。簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，就是如果缸體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝上哪怕出現(xiàn)那么一點(diǎn)點(diǎn)的瑕疵，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)就極其容易爆缸。

普通自然吸氣車型的正常最大爆壓是在70bar左右，非直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的最大爆壓在90bar左右，增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的最大爆壓在150-180bar之間。因?yàn)槲譅栁值腄rive-E發(fā)動(dòng)機(jī)采用了汽柴油相同的缸體結(jié)構(gòu)（屈服強(qiáng)度有高低之分），所以它能夠承受汽油高增壓帶來(lái)的最大爆壓。

Drive-e缸體結(jié)構(gòu)

實(shí)際上，除了我們這里提到的燃油供給系統(tǒng)、缸體等之外，包括點(diǎn)火系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、尾氣后處理系統(tǒng)等都需要進(jìn)行改進(jìn)。高爆壓意味著更高的缸內(nèi)溫度，那么火花塞就需要承受更高的溫度；同樣的，潤(rùn)滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的工作效率也需要根據(jù)溫度的提高而提高。更高的缸內(nèi)溫度和壓力，還將會(huì)對(duì)排放的尾氣結(jié)構(gòu)帶來(lái)改變，氮氧化合物將急劇升高，需要排放系統(tǒng)提高對(duì)這一有害尾氣的處理能力。也正因?yàn)橐鎸?duì)如此之多的挑戰(zhàn)，沃爾沃的這款發(fā)動(dòng)機(jī)目前還處在概念階段，未來(lái)何時(shí)量產(chǎn)還是個(gè)未知數(shù)。

車云小結(jié)：

對(duì)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其功率的提升其實(shí)還有很大空間。沃爾沃的概念發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)足夠強(qiáng)大，但當(dāng)前F1賽車所使用的1.6T四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，其最大功率限定為552kW。雖然F1發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)屬于極限表現(xiàn)，量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)并不適合進(jìn)行對(duì)比，但沃爾沃的電渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)概念的提出，至少?gòu)牧硪粋€(gè)側(cè)面向我們展示了，隨著零部件技術(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)校的進(jìn)步，通過(guò)其他手段，也可能將量產(chǎn)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能做到一個(gè)新的高度。