[维京海盗]沃尔沃XC40/S60 第三代2.0T 48V轻混米勒发动机开发解密

先给大家道个歉。。。我好久没有更新硬核文章了。。。这一篇相当硬核。。。

北欧一直是世界上最具神秘色彩的地区之一，彪悍的北欧神话、骁勇善战的维京海盗，以及现代简约的斯堪的纳维亚风格，都和其他地区的文化格格不入。在豪华中型轿车市场上，沃尔沃同样是独特的存在，极致的安全，宜家的格调，低调内敛的个性，受到广大行业精英、医生教授们的青睐。然而，很多人不知道的是，在这西装革履之下，却有着一颗狂野之芯！

图沃尔沃第三代2.0T 48V轻混米勒发动机

今天的主题就是上图的这款发动机，第三代2.0T 48V轻混米勒发动机，看了这个介绍也应该知道，这是一款燃油经济性取向的发动机，并且一定程度兼顾性能。这款发动机由沃尔沃团队研发，是其VEA架构（Volvo Environmental Architecture）的第三代产品，广泛应用于沃尔沃全系产品，不同功率对应不同车型。

沃尔沃S60 B4

今天主要介绍的是其低功率版本，应用在目前在售的XC40和S60的145 kW版本（旗下还有120kW的更低功率的阉割版本，在此略过）。

1 引言

沃尔沃因为旗下车型较少，产品开发更多是精品战略，发动机主要由两款，柴油的VED和汽油的VEP发动机。汽油发动机包括220 kW高功率版本（HP）和184 kW中功率版本（MP），还有145 kW的低功率版本（LP）。在目前最新量产的VEP 第三代发动机上，有一些新增的功能，比如高位置涡轮、集成式排气歧管、集成在进气歧管中的水冷式中冷器（WCAC）、具有短回路低压降的增压系统、全新燃烧系统和450bar（45MPa）高压直喷系统。

天马行空小贴士：45MPa高压直喷系统，牛掰，量产发动机中很少见。

VEA架构下发动机的燃油泵由曲轴直接驱动，而没有像主流发动机那样挂在凸轮轴上，这使得进排气门系统的摩擦损失可以降低。与VEA架构下第一代和第二代发动机相比，采用了更宽的高压压铸发动机缸体，底座更高，支架更少，从而提高系统刚度和NVH表现。

为了提高燃油经济性，扭矩响应和发动机启停的实际体验，发动机配备了48V的皮带集成启发一体电机（B-ISG，行业也称BSG），启发一体电机功率12 kW，算是一套48V轻混吧。

天马行空小贴士：目前中国市场48V轻混渐渐淡出市场了，主要是因为工况从NEDC变为WLTC，48V轻混的效果大打折扣，性价比不高。

2 VEP 架构LP低功率版发动机主要指标和功能

如今的时代早已不是性能为王，更多要考虑油耗和排放法规，因此LP低功率版设计之初就注重燃油经济性，以及23年中国会上的RDE随机道路测试排放法规。最终，在这个对发动机不友好的行业背景下，沃尔沃集团把VEP LP发动机的设计指标更新如下：

–提高了发动机全域的效率，WLTC中的油耗降低了3%

–改善低扭性能，1500 rpm时就能达到最大扭矩300 Nm，4750rpm即可达到最大功率145 kW（外特性如下图）

–发动机全域内无加浓喷射（PS：如果在大负荷进行加浓，可以提高发动机极限功率，中高负荷下没有加浓的燃料进行降温，估计在热管理上做文章，用其他策略改善涡轮温度和排气温度）

–响应良好，1000rpm~1500rpm的扭矩爬升与MP中功率发动机相同

–符合欧6d排放法规，包括RDE（PS：也满足国6b排放，大概率也满足国6b的RDE排放）

–在VEA家族中保持高度通用化，降低成本，提高设计可靠性

图 VEP发动机LP/MP/HP不同功率版本的外特性图

上图为 VEP第三代 LP、MP和HP发动机的最大扭矩和功率（数据来自沃尔沃论文），虽然是涡轮增压发动机，但是也采用了大范围米勒循环，通过相应的燃烧设计和配气机构，提高了发动机的热效率。采用了全可变机油泵，压力可以在180~370 kPa进行按需调节。除了降低机械损失外，这个机油泵还可以配合发动机热管理，实现更加灵活的活塞冷却策略。比如当发动机功率低于30 kW时，机油压力适当降低，活塞冷却不会工作，从而避免了活塞端面不必要的冷却。

天马行空小贴士：这个结构不难，在活塞下面装一个喷嘴，喷嘴里面有一个单向阀，用弹簧控制，压力大于弹簧压力，即可进行冷却。

图发动机性能参数（LP/MP/HP）

3 米勒循环概念

VEP LP发动机的米勒循环策略是在进气冲程中活塞到达下止点之前关闭进气门，从而限制进气量，降低有效压缩比。这种策略允许更高的几何压缩和膨胀比，从而提高了整个工作范围内的效率，并消除了高负荷运行期间燃油加浓的需要（PS：

极限负荷不大，燃烧不剧烈，不需要加浓进行降温）。使用米勒气门正时，往往在压缩行程中才被压缩的气体有一部分在涡轮增压器的压缩机中压缩。因此这对中冷器提出更高的要求，必须要降低压缩后气体的温度，也因为气体温度更低，反过来又可以实现更高的物理压缩比，而不会增加爆震倾向。

为了成功应用米勒循环的概念，并不是简简单单搞一个VVT可变气门正时就行了，如果这么搞，那基本事倍功半，必须同时考虑以下方面：

–适当的几何压缩比

–进气门打开持续时间和凸轮轴相位设计，以获得适当的有效压缩比

–涡轮设计，在更高增压压力下更有效率

–充分的增压空气冷却，以补偿增压压力的增加

–高滚流进气口，以保持燃烧速度

在详细设计过程中，需要应用一维仿真和CFD流体仿真，来模拟不同硬件匹配过程，然后进行单缸玻璃发动机和多缸样机发动机的测试，最终才能实现米勒概念。

4 气门升程和时刻

沃尔沃这一款发动机通过将进气门打开持续时间从194°CA缩短至140°CA（升程为1 mm以上的位置），实现了米勒循环，不过这也不可避免地限制了最大升程，最大升程减少了2.3 mm。进气凸轮相位器的调整幅度从50°CA增加到70°CA，以增强对进气充填效率的控制，如下图。

图 VEP的MP/LP版本发动机进排气门升程和时刻

如下图显示，在大多数工况中，进气凸轮轴都是提前确定相位角的，因为这样可以实现最佳的燃油效率，在大负荷下，这个相位可以确保在炎热地区+低辛烷值燃油的最严苛工况下，也能够满足扭矩目标。唯一不适用的情况是发动机低转速时，涡轮增压器效率受到限制时。

天马行空小贴士：因为此时扭矩比较低，如果进气门过早关闭会导致燃烧不稳定性，这是由于固有的气门重叠角过大，大量燃烧废气残留，稀释了新鲜空气导致燃烧恶化。

图进气门位置稳态值（图片来自沃尔沃论文）

5 涡轮增压器

米勒循环的气门正时不可避免地会导致充填效率降低（PS：充填效率可以简单理解为进气效率，就是新鲜空气进入燃烧室的难易程度）。对于给定的空气流量，这需要较高的增压压力，涡轮增压器必须相应进行优化。如下图所示，为VEP LP（低功率）和MP（中功率）发动机的涡轮压缩机工况图。黑色是中功率，蓝色是低功率，我们可以看到，低功率版本最佳效率的区域向更低流量（corrected mass flow）的位置偏移，但是压力比更高（Pressure ratio）。图中还展示了全负荷掠期间实际涡轮压缩机的流速和压力比。

图 VEP MP和LP发动机涡轮压缩机压缩比的工况图对比（数据来自沃尔沃论文）

由于米勒循环的最终目的就是小压缩比，长膨胀比，长膨胀比效率更高，因此最终的排气温度更低（PS：卡诺循环的物理理论，气体被膨胀的越多，温度越低）。

按照这款发动机设计排气温度不超过950°C，因此可以使用可变截面涡轮（VGT），该涡轮在发动机全域内有效地为压缩机提供增压，从而提高中等负荷下的性能，并且允许以lambda= 1（理论空燃比）在极限功率下运行。

天马行空小贴士：一般可变截面涡轮VGT的材料承受温度可靠性极限是950℃，如果正常发动机需要使用VGT，必须配合加浓喷射降温。这也是大家看到大众EA211低功率版本有VGT，但是高功率就取消VGT的原因，因为排气温度不合适；我猜测这款沃尔沃发动机高功率版本应该也没有用VGT。

此外这款发动机还引入了集成到进气歧管的短气路中冷器，与这个涡轮增压器相互配合，提供了出色的气体充填能力。

天马行空小贴士：进气歧管集成中冷器优势是气体回路短，响应快，降温效率高，缺点是结构复杂，需要对进气系统进行重新设计。一般欧系会用这种方案，日系都是空气中冷器或外置水冷中冷器，气体回路比较长。

6 燃烧系统

米勒循环概念应用于VEP LP发动机时，相比与中功率版本，燃烧系统有两个主要的变化：1压缩比增加到12:1，2高滚流进气道。

对于一款涡轮增压发动机来说，选定12:1的压缩比是不容易的，这是系统优化的结果，经过了大量一维和三维模拟以及发动机测试，并且针对该压缩比对燃烧系统（燃烧室和进气口）进行优化。为了最大限度地提高VEP Gen3系列发动机之间的通用性，燃烧室顶部几何形状与MP和HP版本相同，压缩比的增加是通过提高活塞顶部来实现的。在确定下图所示的设计之前，在CAE模拟和单缸发动机测试中对几种设计进行了评估，特别注意该端面的阀腔深度不高，从而获得最大的碗状面，提高滚流系数。

图活塞端面设计

与许多现代汽油发动机一样，VEP Gen3发动机也是典型的空气导向模型，通过高滚流，大湍流，在点火前实现空气和燃料的混合。使用米勒气门正时，由于进气压力和气门升程较高，在进气冲程早期阶段，滚流系数会增加，然而，进气过程的提前终止会导致滚流强度下降，最终导致燃烧开始时燃烧室的湍流减少。这对点火延迟、燃烧持续时间、工况变化和残余废气耐受性有不利影响。

为了弥补米勒气门正时的这一缺点，LP发动机有一个新开发的进气口，它增加了滚流系数，但是增强滚流特性通常会使端口设计比较困难，气体流阻较大，流量系数降低。

因此，最佳进气口设计在滚流和流量之间进行了平衡。为了找到这样的设计，对端口的不同尺寸进行了参数化，并随后通过CFD流体仿真进行了修正，然后计算了（稳态）滚流比和流量系数，如下图所示。

图 CFD模拟不同的端口设计对湍流和流量的影像（示意图）

这个仿真还兼顾了在加工、铸造和几何约束方面哪些设计是可行的（例如到冷却水套的最小距离等等）。然后从帕累托图（Pareto）中选取最合适的改善点，使用动态曲柄角度解析CFD模拟进行进一步分析。

VEP LP发动机的早期原型表明，米勒循环用气门正时的上述缺点确实对燃烧特性产生了负面影响，但通过优化进气口和活塞顶部几何形状，燃烧特性恢复到与MP发动机类似的水平。

7 发动机燃油经济性

这一部分相信是大家最最最关心的内容了，以上说了这么多，实际效果必须要拿出来遛一遛。

下图就是VEP 第三代LP发动机的有效燃油消耗率（BSFC）。在最佳点，BSFC为218 g/kWh，相当于39.3%的真实热效率。其前身上一代LP发动机的BSFC嘴角点为231g/kWh，相当于37.1%。第二代LP发动机与第三代LP发动机具有相同的排量和额定功率，只不过使用了传统的气门正时和11.3:1的压缩比，热效率也就差了2.2%。

天马行空小贴士：国际和国内关于热效率的评价方式有差异，导致国内的热效率普遍高于国际，就拿大众最新的EA211 Evo来说，官方论文的热效率也就38%，但是在国内机构测试是比这个高的，在此不讨论这种试验方式的差异。

图 VEP第三代LP米勒循环发动机（左）和VEP第二代LP发动机（右）的BSFC

VEP第三代的总体改善+LP发动机专门的米勒循环气门正时相结合，使其性能优于其前身，也让新发动机在保持lambda 1的前提下，获得了和上一代加浓喷射相同的功率等级。

相对于MP中功率版本，在WLTC工况的平均油耗降低约11%，非常夸张，搭载S60的车型WLTC油耗才5.95L/100km。这个数据有多厉害呢？同级别的奔驰C级，用最新的M254 915发动机，用了一系列电器化方案，用了更先进的48V ISG轻混，低功率1.5T版本性能更弱的情况下，整车质量一样的情况下，WLTC还要6.2L/100km，可见沃尔沃这个发动机的省油优势。

不过这个发动机也有劣势，在高扭矩和低发动机转速下，效率并没有提高，因为在这些工况下涡轮增压器效率较低，需要延迟气门正时，而这又导致需要延迟点火时刻，从而降低了效率，在NEDC工况下油耗没有优势。

天马行空小贴士：NEDC也不符合大家真实使用，还是WLTC更具有参考价值。

8 发动机性能

如前所述，VEP第三代LP发动机的设计要求之一是在整个工况内实现λ=1，结果也做到了，如下图所示，它比较了LP第三代、MP第三代和LP第二代发动机在λ=1下的功率输出。VEP第三代系列通过更短的进气路和集成的排气歧管，确保发动机在λ=1时的有一定性能输出，随着米勒循环概念的加入，LP发动机的λ=1时功率仅比MP发动机低10%，同时在热效率和油耗方面具有显著的优势。与前一代LP相比，无论是MP发动机还是LP发动机，在λ=1时功率方面都有很大提高。下图还显示了涡轮入口的相应排气温度，与MP第三代发动机相比，LP第三代发动机的排气温度低了80°C，LP第三代发动机在λ=1时功率相差很大的情况下，排气温度也低于LP第二代发动机。

天马行空小贴士：大家可能不理解，为何要实现 λ=1，一方面λ=1在未来RDE排放中没有问题，不过有多余的THC和CO，一方面全域λ=1也保证大家实际日常使用时油耗不会很高。如果λ＜1，那么可以有多余的燃料不参与燃烧，从而吸热降低排气问题，保护涡轮，保护催化器。

图 LP第三代、MP第三代和LP第二代发动机在λ=1下的功率输出

9 响应优化，凸轮轴相位策略

如前所述，米勒循环概念也对增压系统提出了更高要求，尤其是从低水平快速增加增压压力的瞬态工况。我们看一个案例，如下图显示了在1800 rpm下，各种凸轮移相器提前设置下，扭矩需求阶跃从50Nm到300 Nm后的气缸充填响应趋势。如果我们想提高响应，那么可以通过延迟凸轮轴相位来改善，但是这样会带来爆震倾向，KCS传感器会不得不强行延迟点火时刻，导致燃油效率降低，并相应增加达到扭矩需求所需的空气量。

图充填响应和发动机效率的曲线（蓝色最快响应，红色最高热效率）

考虑到上述情况，制定了专门提高响应的凸轮轴相位策略，以提供必要的填充效率来实现扭矩响应请求，同时将油耗恶化降至最低。