先給大家道個歉。。。我好久沒有更新硬核文章了。。。這一篇相當硬核。。。

北歐一直是世界上最具神秘色彩的地區之一，彪悍的北歐神話、驍勇善戰的維京海盜，以及現代簡約的斯堪的納維亞風格，都和其他地區的文化格格不入。在豪華中型轎車市場上，沃爾沃同樣是獨特的存在，極致的安全，宜家的格調，低調內斂的個性，受到廣大行業精英、醫生教授們的青睞。然而，很多人不知道的是，在這西裝革履之下，卻有著一顆狂野之芯！

圖 沃爾沃第三代2。0T 48V輕混米勒發動機

今天的主題就是上圖的這款發動機，第三代2。0T 48V輕混米勒發動機，看了這個介紹也應該知道，這是一款燃油經濟性取向的發動機，並且一定程度兼顧效能。這款發動機由沃爾沃團隊研發，是其VEA架構（Volvo Environmental Architecture）的第三代產品，廣泛應用於沃爾沃全系產品，不同功率對應不同車型。

沃爾沃S60 B4

今天主要介紹的是其低功率版本，應用在目前在售的XC40和S60的145 kW版本（旗下還有120kW的更低功率的閹割版本，在此略過）。

1 引言

沃爾沃因為旗下車型較少，產品開發更多是精品戰略，發動機主要由兩款，柴油的VED和汽油的VEP發動機。汽油發動機包括220 kW高功率版本（HP）和184 kW中功率版本（MP），還有145 kW的低功率版本（LP）。在目前最新量產的VEP 第三代發動機上，有一些新增的功能，比如高位置渦輪、整合式排氣歧管、整合在進氣歧管中的水冷式中冷器（WCAC）、具有短迴路低壓降的增壓系統、全新燃燒系統和450bar（45MPa）高壓直噴系統。

天馬行空小貼士：45MPa高壓直噴系統，牛掰，量產發動機中很少見。

VEA架構下發動機的燃油泵由曲軸直接驅動，而沒有像主流發動機那樣掛在凸輪軸上，這使得進排氣門系統的摩擦損失可以降低。與VEA架構下第一代和第二代發動機相比，採用了更寬的高壓壓鑄發動機缸體，底座更高，支架更少，從而提高系統剛度和NVH表現。

為了提高燃油經濟性，扭矩響應和發動機啟停的實際體驗，發動機配備了48V的皮帶整合啟發一體電機（B-ISG，行業也稱BSG），啟發一體電機功率12 kW，算是一套48V輕混吧。

天馬行空小貼士：目前中國市場48V輕混漸漸淡出市場了，主要是因為工況從NEDC變為WLTC，48V輕混的效果大打折扣，價效比不高。

2 VEP 架構LP低功率版發動機主要指標和功能

如今的時代早已不是效能為王，更多要考慮油耗和排放法規，因此LP低功率版設計之初就注重燃油經濟性，以及23年中國會上的RDE隨機道路測試排放法規。最終，在這個對發動機不友好的行業背景下，沃爾沃集團把VEP LP發動機的設計指標更新如下：

–提高了發動機全域的效率，WLTC中的油耗降低了3%

–改善低扭效能，1500 rpm時就能達到最大扭矩300 Nm，4750rpm即可達到最大功率145 kW（外特性如下圖）

–發動機全域內無加濃噴射（PS：如果在大負荷進行加濃，可以提高發動機極限功率，中高負荷下沒有加濃的燃料進行降溫，估計在熱管理上做文章，用其他策略改善渦輪溫度和排氣溫度）

–響應良好，1000rpm~1500rpm的扭矩爬升與MP中功率發動機相同

–符合歐6d排放法規，包括RDE（PS：也滿足國6b排放，大機率也滿足國6b的RDE排放）

–在VEA家族中保持高度通用化，降低成本，提高設計可靠性

圖 VEP發動機LP/MP/HP不同功率版本的外特性圖

上圖為 VEP第三代 LP、MP和HP發動機的最大扭矩和功率（資料來自沃爾沃論文），雖然是渦輪增壓發動機，但是也採用了大範圍米勒迴圈，透過相應的燃燒設計和配氣機構，提高了發動機的熱效率。採用了全可變機油泵，壓力可以在180~370 kPa進行按需調節。除了降低機械損失外，這個機油泵還可以配合發動機熱管理，實現更加靈活的活塞冷卻策略。比如當發動機功率低於30 kW時，機油壓力適當降低，活塞冷卻不會工作，從而避免了活塞端面不必要的冷卻。

天馬行空小貼士：這個結構不難，在活塞下面裝一個噴嘴，噴嘴裡面有一個單向閥，用彈簧控制，壓力大於彈簧壓力，即可進行冷卻。

圖 發動機效能引數（LP/MP/HP）

3 米勒迴圈概念

VEP LP發動機的米勒迴圈策略是在進氣衝程中活塞到達下止點之前關閉進氣門，從而限制進氣量，降低有效壓縮比。這種策略允許更高的幾何壓縮和膨脹比，從而提高了整個工作範圍內的效率，並消除了高負荷執行期間燃油加濃的需要（PS：

極限負荷不大，燃燒不劇烈，不需要加濃進行降溫）。使用米勒氣門正時，往往在壓縮行程中才被壓縮的氣體有一部分在渦輪增壓器的壓縮機中壓縮。因此這對中冷器提出更高的要求，必須要降低壓縮後氣體的溫度，也因為氣體溫度更低，反過來又可以實現更高的物理壓縮比，而不會增加爆震傾向。

為了成功應用米勒迴圈的概念，並不是簡簡單單搞一個VVT可變氣門正時就行了，如果這麼搞，那基本事倍功半，必須同時考慮以下方面：

–適當的幾何壓縮比

–進氣門開啟持續時間和凸輪軸相位設計，以獲得適當的有效壓縮比

–渦輪設計，在更高增壓壓力下更有效率

–充分的增壓空氣冷卻，以補償增壓壓力的增加

–高滾流進氣口，以保持燃燒速度

在詳細設計過程中，需要應用一維模擬和CFD流體模擬，來模擬不同硬體匹配過程，然後進行單缸玻璃發動機和多缸樣機發動機的測試，最終才能實現米勒概念。

4 氣門升程和時刻

沃爾沃這一款發動機透過將進氣門開啟持續時間從194°CA縮短至140°CA（升程為1 mm以上的位置），實現了米勒迴圈，不過這也不可避免地限制了最大升程，最大升程減少了2。3 mm。進氣凸輪相位器的調整幅度從50°CA增加到70°CA，以增強對進氣充填效率的控制，如下圖。

圖 VEP的MP/LP版本發動機進排氣門升程和時刻

如下圖顯示，在大多數工況中，進氣凸輪軸都是提前確定相位角的，因為這樣可以實現最佳的燃油效率，在大負荷下，這個相位可以確保在炎熱地區+低辛烷值燃油的最嚴苛工況下，也能夠滿足扭矩目標。唯一不適用的情況是發動機低轉速時，渦輪增壓器效率受到限制時。

天馬行空小貼士：因為此時扭矩比較低，如果進氣門過早關閉會導致燃燒不穩定性，這是由於固有的氣門重疊角過大，大量燃燒廢氣殘留，稀釋了新鮮空氣導致燃燒惡化。

圖 進氣門位置穩態值（圖片來自沃爾沃論文）

5 渦輪增壓器

米勒迴圈的氣門正時不可避免地會導致充填效率降低（PS：充填效率可以簡單理解為進氣效率，就是新鮮空氣進入燃燒室的難易程度）。對於給定的空氣流量，這需要較高的增壓壓力，渦輪增壓器必須相應進行最佳化。如下圖所示，為VEP LP（低功率）和MP（中功率）發動機的渦輪壓縮機工況圖。黑色是中功率，藍色是低功率，我們可以看到，低功率版本最佳效率的區域向更低流量（corrected mass flow）的位置偏移，但是壓力比更高（Pressure ratio）。圖中還展示了全負荷掠期間實際渦輪壓縮機的流速和壓力比。

圖 VEP MP和LP發動機渦輪壓縮機壓縮比的工況圖對比（資料來自沃爾沃論文）

由於米勒迴圈的最終目的就是小壓縮比，長膨脹比，長膨脹比效率更高，因此最終的排氣溫度更低（PS：卡諾迴圈的物理理論，氣體被膨脹的越多，溫度越低）。

按照這款發動機設計排氣溫度不超過950°C，因此可以使用可變截面渦輪（VGT），該渦輪在發動機全域內有效地為壓縮機提供增壓，從而提高中等負荷下的效能，並且允許以lambda= 1（理論空燃比）在極限功率下執行。

天馬行空小貼士：一般可變截面渦輪VGT的材料承受溫度可靠性極限是950℃，如果正常發動機需要使用VGT，必須配合加濃噴射降溫。這也是大家看到大眾EA211低功率版本有VGT，但是高功率就取消VGT的原因，因為排氣溫度不合適；我猜測這款沃爾沃發動機高功率版本應該也沒有用VGT。

此外這款發動機還引入了整合到進氣歧管的短氣路中冷器，與這個渦輪增壓器相互配合，提供了出色的氣體充填能力。

天馬行空小貼士：進氣歧管整合中冷器優勢是氣體迴路短，響應快，降溫效率高，缺點是結構複雜，需要對進氣系統進行重新設計。一般歐系會用這種方案，日系都是空氣中冷器或外接水冷中冷器，氣體迴路比較長。

6 燃燒系統

米勒迴圈概念應用於VEP LP發動機時，相比與中功率版本，燃燒系統有兩個主要的變化：1壓縮比增加到12：1，2高滾流進氣道。

對於一款渦輪增壓發動機來說，選定12：1的壓縮比是不容易的，這是系統最佳化的結果，經過了大量一維和三維模擬以及發動機測試，並且針對該壓縮比對燃燒系統（燃燒室和進氣口）進行最佳化。為了最大限度地提高VEP Gen3系列發動機之間的通用性，燃燒室頂部幾何形狀與MP和HP版本相同，壓縮比的增加是透過提高活塞頂部來實現的。在確定下圖所示的設計之前，在CAE模擬和單缸發動機測試中對幾種設計進行了評估，特別注意該端面的閥腔深度不高，從而獲得最大的碗狀面，提高滾流係數。

圖 活塞端面設計

與許多現代汽油發動機一樣，VEP Gen3發動機也是典型的空氣導向模型，透過高滾流，大湍流，在點火前實現空氣和燃料的混合。使用米勒氣門正時，由於進氣壓力和氣門升程較高，在進氣衝程早期階段，滾流係數會增加，然而，進氣過程的提前終止會導致滾流強度下降，最終導致燃燒開始時燃燒室的湍流減少。這對點火延遲、燃燒持續時間、工況變化和殘餘廢氣耐受性有不利影響。

為了彌補米勒氣門正時的這一缺點，LP發動機有一個新開發的進氣口，它增加了滾流係數，但是增強滾流特性通常會使埠設計比較困難，氣體流阻較大，流量係數降低。

因此，最佳進氣口設計在滾流和流量之間進行了平衡。為了找到這樣的設計，對埠的不同尺寸進行了引數化，並隨後透過CFD流體模擬進行了修正，然後計算了（穩態）滾流比和流量係數，如下圖所示。

圖 CFD模擬不同的埠設計對湍流和流量的影像（示意圖）

這個模擬還兼顧了在加工、鑄造和幾何約束方面哪些設計是可行的（例如到冷卻水套的最小距離等等）。然後從帕累託圖（Pareto）中選取最合適的改善點，使用動態曲柄角度解析CFD模擬進行進一步分析。

VEP LP發動機的早期原型表明，米勒迴圈用氣門正時的上述缺點確實對燃燒特性產生了負面影響，但透過最佳化進氣口和活塞頂部幾何形狀，燃燒特性恢復到與MP發動機類似的水平。

7 發動機燃油經濟性

這一部分相信是大家最最最關心的內容了，以上說了這麼多，實際效果必須要拿出來遛一遛。

下圖就是VEP 第三代LP發動機的有效燃油消耗率（BSFC）。在最佳點，BSFC為218 g/kWh，相當於39.3%的真實熱效率。其前身上一代LP發動機的BSFC嘴角點為231g/kWh，相當於37.1%。第二代LP發動機與第三代LP發動機具有相同的排量和額定功率，只不過使用了傳統的氣門正時和11.3:1的壓縮比，熱效率也就差了2.2%。

天馬行空小貼士：國際和國內關於熱效率的評價方式有差異，導致國內的熱效率普遍高於國際，就拿大眾最新的EA211 Evo來說，官方論文的熱效率也就38%，但是在國內機構測試是比這個高的，在此不討論這種試驗方式的差異。

圖 VEP第三代LP米勒迴圈發動機（左）和VEP第二代LP發動機（右）的BSFC

VEP第三代的總體改善+LP發動機專門的米勒迴圈氣門正時相結合，使其效能優於其前身，也讓新發動機在保持lambda 1的前提下，獲得了和上一代加濃噴射相同的功率等級。

相對於MP中功率版本，在WLTC工況的平均油耗降低約11%，非常誇張，搭載S60的車型WLTC油耗才5.95L/100km。這個資料有多厲害呢？同級別的賓士C級，用最新的M254 915發動機，用了一系列電器化方案，用了更先進的48V ISG輕混，低功率1.5T版本效能更弱的情況下，整車質量一樣的情況下，WLTC還要6.2L/100km，可見沃爾沃這個發動機的省油優勢。

不過這個發動機也有劣勢，在高扭矩和低發動機轉速下，效率並沒有提高，因為在這些工況下渦輪增壓器效率較低，需要延遲氣門正時，而這又導致需要延遲點火時刻，從而降低了效率，在NEDC工況下油耗沒有優勢。

天馬行空小貼士：NEDC也不符合大家真實使用，還是WLTC更具有參考價值。

8 發動機效能

如前所述，VEP第三代LP發動機的設計要求之一是在整個工況內實現λ=1，結果也做到了，如下圖所示，它比較了LP第三代、MP第三代和LP第二代發動機在λ=1下的功率輸出。VEP第三代系列透過更短的進氣路和整合的排氣歧管，確保發動機在λ=1時的有一定效能輸出，隨著米勒迴圈概念的加入，LP發動機的λ=1時功率僅比MP發動機低10%，同時在熱效率和油耗方面具有顯著的優勢。與前一代LP相比，無論是MP發動機還是LP發動機，在λ=1時功率方面都有很大提高。下圖還顯示了渦輪入口的相應排氣溫度，與MP第三代發動機相比，LP第三代發動機的排氣溫度低了80°C，LP第三代發動機在λ=1時功率相差很大的情況下，排氣溫度也低於LP第二代發動機。

天馬行空小貼士：大家可能不理解，為何要實現 λ=1，一方面λ=1在未來RDE排放中沒有問題，不過有多餘的THC和CO，一方面全域λ=1也保證大家實際日常使用時油耗不會很高。如果λ＜1，那麼可以有多餘的燃料不參與燃燒，從而吸熱降低排氣問題，保護渦輪，保護催化器。

圖 LP第三代、MP第三代和LP第二代發動機在λ=1下的功率輸出

9 響應最佳化，凸輪軸相位策略

如前所述，米勒迴圈概念也對增壓系統提出了更高要求，尤其是從低水平快速增加增壓壓力的瞬態工況。我們看一個案例，如下圖顯示了在1800 rpm下，各種凸輪移相器提前設定下，扭矩需求階躍從50Nm到300 Nm後的氣缸充填響應趨勢。如果我們想提高響應，那麼可以透過延遲凸輪軸相位來改善，但是這樣會帶來爆震傾向，KCS感測器會不得不強行延遲點火時刻，導致燃油效率降低，並相應增加達到扭矩需求所需的空氣量。

圖 充填響應和發動機效率的曲線（藍色最快響應，紅色最高熱效率）

考慮到上述情況，制定了專門提高響應的凸輪軸相位策略，以提供必要的填充效率來實現扭矩響應請求，同時將油耗惡化降至最低。

天馬行空小貼士：邏輯策略我猜測是將容積效率作為一個標定量，然後將要求的容積效率和凸輪軸移相器目標位置指定map關係，由容積效率模型的數值反演得到要求相位角，最終在各種扭矩需求下控制VVT實現相位。一般來說，在滿足需求響應下，設定可能的效率目標。

比如圖中的案例，最佳凸輪軸相位角度為30°CA，因為它具有良好的響應和可接受的效率下降。一旦滿足扭矩需求，凸輪軸將再次前進到最高效VVT。

由於進氣壓力控制和凸輪相位控制的動態特性不同，實際進氣壓力和凸輪相位之間可能會出現不匹配，從而導致實際進氣的波動（進氣量計算不準），產生不必要的影響，在極端情況下會發生失火。因此，應避免凸輪軸相位發生較大變化，沃爾沃進行了一系列驗證，設定了凸輪相位目標計算中的動態需求。

在極端情況下，最佳化容積效率的策略也可能會導致異常燃燒。因此，還需要對各種標號汽油和溫度進行相關限制，透過估計可用的最大扭矩和響應，動力傳動系統控制功能可以進一步調整換檔點，並使用ISG電機進行扭矩補償，確保在所有邊界條件下保持良好的瞬態車輛加速響應。

小結

VEA第三代發動機家族的新成員VEP 第三代LP發動機已開發完成，並搭載到旗下XC40、S60等車型，在深度米勒迴圈燃燒概念和48V輕混系統的加持下，該發動機的實際效能表現居於世界前列。這款發動機也在此證明了沃爾沃團隊的開發和技術能力，小廠也可以做的比大廠更好！

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