335kW的2.0T是如何做到的?沃尔沃概念发动机初探

  • 发表于: 2014/10/12 23:04:52 来源:车云网

这台发动机的升功率做到如此之高,是其涡轮增压模块采用了两个涡轮增压器和一个电动涡轮增压器的组合。

沃尔沃Drive-E系列动力总成我们之前已经进行过详细分析,不过最近几天沃尔沃又发布了新内容。它们推出了一款基于Drive-E动力打造而来的2.0L概念发动机,其最大输出功率达335千瓦,升功率达到168千瓦。一旦投产,它将成为民用量产发动机中升功率最大的发动机。


沃尔沃2.0T新概念环保发动机,最大功率335kW

根据沃尔沃官方的信息显示,这台发动机的升功率做到如此之高,是其涡轮增压模块采用了两个涡轮增压器和一个电动涡轮增压器的组合。那么,这一套系统到底是怎样的结构?

电动涡轮增压为何物?

从原理来讲,所谓的电动涡轮增压非常简单。相比较传统观的涡轮增压器,沃尔沃的这台概念发动机增加的电动涡轮增压器,实际上就是在排气驱动涡轮之外,再增加一个电动机来驱动涡轮转动。

既然原理那么简单,为什么电动涡轮增压器却迟迟没有出现呢?原因还是出在电动动力上。在发动机高转速的情况下,涡轮增压器往往都要处于极高的转速,而且随着发动机负荷的增加转速还成积数增长。如果只通过电动涡轮增压器实现增压的话,电动机是吃不消的。

所以,它的存在只能是起到辅助涡轮增压器的作用,弥补涡轮增压发动机的涡轮迟滞问题。在低转速的条件下,通过电机驱动涡轮增压器,提前与排气驱动之前使涡轮增压器开始工作。

在涡轮增压器流行之前,我们知道市场上有些发动机采用机械增压+涡轮增压的双增压系统,也达到了较高的动力性能,那么电动涡轮增压+涡轮增压的优势在哪里?


机械增压器剖面图

众所周知,机械增压的工作原理是通过曲轴带动齿轮增速器来驱动压气机。由于增压器的动力源来自于曲轴,所以机械增压器在发动机转速较低的情况下也能够介入工作,从而弥补涡轮增压的迟滞问题。但是,机械增压器在工作过程中不可避免的要消耗掉一部分发动机的功率。此外,采用机械增压+涡轮增压组合的发动机由于结构更加庞大,发动机的布局非常困难。

但是电动涡轮增压+涡轮增压的组合却弥补了机械增压的短板。首先,电动涡轮增压器的电机驱动能量来源来自于单独的锂电池组,锂电池组的能量由可以通过制动能量回收获得,所以不存在占用发动机输出功率的问题;其次,电动涡轮增压器由于独立存在,所以发动机整体结构要更为简单。而且电机的体积也更小,方便布置。

正是基于以上原因,沃尔沃的这款概念发动机,选择了电动涡轮增压器的增压结构。电动涡轮增压器通过电机使涡轮增压器提前开始工作,避免了涡轮迟滞问题的发生,就使得设计人员可以采用大尺寸的涡轮来提供更大的增压压力。

电动涡轮增压带来的挑战

然而,将2.0T的发动机功率提升到335kW,可不仅仅是对增压系统的改进这一点就能够实现的,它会对整个发动机的系统提出挑战。

由于增压器的作用,发动机的进气量和空气密度有了大幅度增加,要保证燃油的充分燃烧,就必须提升燃油系统的供油压力。所以与在沃尔沃的这台概念发动机上,燃油通过两个工作压力高达250bar的燃料泵供给到气缸中。要知道,目前市场上的主流直喷发动机的供油压力基本保持在40-130bar左右,而自然吸气发动机供油压力也就是在5bar以内。所以,油泵、油轨以及喷油器都必须要满足高喷油压力的需求。


高压油泵

除了燃油供给系统,如此之高的升功率,对缸体本身也提出了较高要求。

在大尺寸涡轮增压器的作用下,这台发动机的平均气缸有效压力会大幅增加,其最大爆压会远远大于市面上主流汽油发动机的参数。简单点说,就是如果缸体的结构设计和制造工艺上哪怕出现那么一点点的瑕疵,这台发动机就极其容易爆缸。

普通自然吸气车型的正常最大爆压是在70bar左右,非直喷增压发动机的最大爆压在90bar左右,增压柴油发动机的最大爆压在150-180bar之间。因为沃尔沃的Drive-E发动机采用了汽柴油相同的缸体结构(屈服强度有高低之分),所以它能够承受汽油高增压带来的最大爆压。


Drive-e缸体结构

实际上,除了我们这里提到的燃油供给系统、缸体等之外,包括点火系统、润滑系统、冷却系统、尾气后处理系统等都需要进行改进。高爆压意味着更高的缸内温度,那么火花塞就需要承受更高的温度;同样的,润滑系统和冷却系统的工作效率也需要根据温度的提高而提高。更高的缸内温度和压力,还将会对排放的尾气结构带来改变,氮氧化合物将急剧升高,需要排放系统提高对这一有害尾气的处理能力。也正因为要面对如此之多的挑战,沃尔沃的这款发动机目前还处在概念阶段,未来何时量产还是个未知数。

车云小结:

对增压发动机而言,其功率的提升其实还有很大空间。沃尔沃的概念发动机已经足够强大,但当前F1赛车所使用的1.6T四缸发动机,其最大功率限定为552kW。虽然F1发动机的设计属于极限表现,量产发动机并不适合进行对比,但沃尔沃的电涡轮增压发动机概念的提出,至少从另一个侧面向我们展示了,随着零部件技术和发动机调校的进步,通过其他手段,也可能将量产增压发动机的性能做到一个新的高度。


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