335kW的2.0T是如何做到的？沃爾沃概念發(fā)動機(jī)初探

沃爾沃Drive-E系列動力總成我們之前已經(jīng)進(jìn)行過詳細(xì)分析，不過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動力打造而來的2.0L概念發(fā)動機(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)動機(jī)中升功率最大的發(fā)動機(jī)。

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

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

電動渦輪增壓為何物？

從原理來講，所謂的電動渦輪增壓非常簡單。相比較傳統(tǒng)觀的渦輪增壓器，沃爾沃的這臺概念發(fā)動機(jī)增加的電動渦輪增壓器，實(shí)際上就是在排氣驅(qū)動渦輪之外，再增加一個電動機(jī)來驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)動。

既然原理那么簡單，為什么電動渦輪增壓器卻遲遲沒有出現(xiàn)呢？原因還是出在電動動力上。在發(fā)動機(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)動機(jī)負(fù)荷的增加轉(zhuǎn)速還成積數(shù)增長。如果只通過電動渦輪增壓器實(shí)現(xiàn)增壓的話，電動機(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)動機(jī)的渦輪遲滯問題。在低轉(zhuǎn)速的條件下，通過電機(jī)驅(qū)動渦輪增壓器，提前與排氣驅(qū)動之前使渦輪增壓器開始工作。

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

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

但是電動渦輪增壓+渦輪增壓的組合卻彌補(bǔ)了機(jī)械增壓的短板。首先，電動渦輪增壓器的電機(jī)驅(qū)動能量來源來自于單獨(dú)的鋰電池組，鋰電池組的能量由可以通過制動能量回收獲得，所以不存在占用發(fā)動機(jī)輸出功率的問題；其次，電動渦輪增壓器由于獨(dú)立存在，所以發(fā)動機(jī)整體結(jié)構(gòu)要更為簡單。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)動機(jī)，選擇了電動渦輪增壓器的增壓結(jié)構(gòu)。電動渦輪增壓器通過電機(jī)使渦輪增壓器提前開始工作，避免了渦輪遲滯問題的發(fā)生，就使得設(shè)計(jì)人員可以采用大尺寸的渦輪來提供更大的增壓壓力。

電動渦輪增壓帶來的挑戰(zhàn)

然而，將2.0T的發(fā)動機(jī)功率提升到335kW，可不僅僅是對增壓系統(tǒng)的改進(jìn)這一點(diǎn)就能夠?qū)崿F(xiàn)的，它會對整個發(fā)動機(jī)的系統(tǒng)提出挑戰(zhàn)。

由于增壓器的作用，發(fā)動機(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概念發(fā)動機(jī)上，燃油通過兩個工作壓力高達(dá)250bar的燃料泵供給到氣缸中。要知道，目前市場上的主流直噴發(fā)動機(jī)的供油壓力基本保持在40-130bar左右，而自然吸氣發(fā)動機(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，這臺發(fā)動機(jī)的平均氣缸有效壓力會大幅增加，其最大爆壓會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于市面上主流汽油發(fā)動機(jī)的參數(shù)。簡單點(diǎn)說，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，這臺發(fā)動機(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)動機(jī)的最大爆壓在90bar左右，增壓柴油發(fā)動機(jī)的最大爆壓在150-180bar之間。因?yàn)槲譅栁值腄rive-E發(fā)動機(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，還將會對排放的尾氣結(jié)構(gòu)帶來改變，氮氧化合物將急劇升高，需要排放系統(tǒng)提高對這一有害尾氣的處理能力。也正因?yàn)橐鎸θ绱酥嗟奶魬?zhàn)，沃爾沃的這款發(fā)動機(jī)目前還處在概念階段，未來何時量產(chǎn)還是個未知數(shù)。

車云小結(jié)：

對增壓發(fā)動機(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)動機(jī)，其最大功率限定為552kW。雖然F1發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)屬于極限表現(xiàn)，量產(chǎn)發(fā)動機(jī)并不適合進(jìn)行對比，但沃爾沃的電渦輪增壓發(fā)動機(jī)概念的提出，至少從另一個側(cè)面向我們展示了，隨著零部件技術(shù)和發(fā)動機(jī)調(diào)校的進(jìn)步，通過其他手段，也可能將量產(chǎn)增壓發(fā)動機(jī)的性能做到一個新的高度。