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沃爾沃Drive-E 2.0T發(fā)動機(jī)三渦輪增壓技術(shù)解析

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沃爾沃Drive-E 2.0T發(fā)動機(jī)裝備了3個渦輪增壓器，其最大功率可達(dá)335 kW，其動力輸出超越了搭載3.0T雙渦輪增壓發(fā)動機(jī)的寶馬M3車。沃爾沃Drive-E 2.0T三渦輪增壓發(fā)動機(jī)屬于沃爾沃的Drive-E系列，E的含義是高效、環(huán)保、電驅(qū)，要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，小排量增壓技術(shù)是比較適合的方法，值得關(guān)注的是，這臺發(fā)動機(jī)采用了電動渦輪增壓技術(shù)，這也是沃爾沃首次對外界公開展示其搭載電動渦輪的機(jī)型。

1 沃爾沃Drive-E 2.0T發(fā)動機(jī)三渦輪增壓器的整體布局

圖1 位于排氣側(cè)的雙廢氣渦輪增壓器

圖2 位于進(jìn)氣側(cè)的電動增壓器

圖3 電動增壓器

沃爾沃Drive-E 2.0T三渦輪增壓發(fā)動機(jī)由2個廢氣渦輪增壓器與1個電動渦輪增壓器組成。傳統(tǒng)的廢氣渦輪增壓器由廢氣驅(qū)動，因此會存在一個因廢氣量不足以推動渦輪進(jìn)入工作轉(zhuǎn)速區(qū)間，從而導(dǎo)致廢氣渦輪增壓器失效的狀態(tài)，這就是渦輪遲滯，而即使是采用大小渦輪設(shè)計，也不能完全消除遲滯現(xiàn)象。如圖1所示，該款發(fā)動機(jī)的傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓部分，是在發(fā)動機(jī)的排氣側(cè)布置了上下2個并聯(lián)的廢氣渦輪增壓器，這無疑會加重廢氣渦輪的遲滯。為此，如圖2所示，該款發(fā)動機(jī)在進(jìn)氣一側(cè)安裝了第3個增壓器，這就是由電動機(jī)驅(qū)動的電動渦輪增壓器（圖3）。對比廢氣渦輪和機(jī)械增壓技術(shù)，電動渦輪增壓器由電動機(jī)驅(qū)動，在極低的轉(zhuǎn)速就開始為發(fā)動機(jī)提供增壓能力，剛好彌補(bǔ)了廢氣渦輪增壓器因轉(zhuǎn)動慣量較大引起的渦輪遲滯，到了高轉(zhuǎn)速，電動機(jī)停轉(zhuǎn)，再交由大廢氣渦輪增壓器負(fù)責(zé)增壓，這樣便完全消除了廢氣渦輪增壓普遍存在的渦輪遲滯現(xiàn)象，從而讓小排量渦輪增壓發(fā)動機(jī)獲得像大排量自然吸氣發(fā)動機(jī)一樣的順暢加速感。正因?yàn)槭请妱訙u輪增壓器，便無需在排氣側(cè)設(shè)置渦輪，直接在進(jìn)氣側(cè)布置壓氣機(jī)即可。沃爾沃Drive-E 2.0T三渦輪增壓發(fā)動機(jī)電動渦輪增壓器位于進(jìn)氣歧管一側(cè)，從Suction Pipe（連接空氣濾清器與渦輪本體之間的管路）外接一段管路經(jīng)過電動渦輪增壓器，空氣經(jīng)增壓后回到Suction Pipe，隨后Suction Pipe在岔口處一分為二，將新鮮空氣送入反面排氣側(cè)的2個并聯(lián)的廢氣渦輪增壓器中，經(jīng)二次增壓后分別進(jìn)入各缸，其中，一個渦輪由1、4缸驅(qū)動，而另一個渦輪由2、3缸驅(qū)動。

2 三渦輪增壓系統(tǒng)工作原理

三渦輪增壓系統(tǒng)的工作原理是將2個相同的廢氣渦輪增壓器與發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)相連接，并由一個電動渦輪增壓器輔助其工作（提供動力），電動渦輪增壓器生成的壓縮空氣并不是直接導(dǎo)入氣缸，而是用于迅速帶動2個廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)動，在進(jìn)一步提升發(fā)動機(jī)功率輸出的同時，也解決了當(dāng)排氣停止時廢氣渦輪增壓器也會停止工作的問題。由此可見，電動渦輪增壓機(jī)與2個廢氣渦輪增壓器是串聯(lián)+并聯(lián)的連接方式，電動渦輪增壓器只是一個輔助廢氣渦輪增壓器的增壓裝置，目的是為了在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速時為廢氣渦輪增壓器提供足夠的轉(zhuǎn)速，彌補(bǔ)低速時渦輪不介入的硬傷。實(shí)際上，電動渦輪增壓器并不能獨(dú)立工作，加速時電動增壓器“瞬間”提高轉(zhuǎn)速，但是廢氣渦輪還是會慢半拍，廢氣渦輪增壓器的遲滯現(xiàn)象多少還是會有一點(diǎn)的。

如圖4a所示，在發(fā)動機(jī)處于低轉(zhuǎn)速時，旁通閥將空氣攔截而全部進(jìn)入電動渦輪增壓，此時發(fā)動機(jī)主要依靠電動渦輪增壓器來提供壓縮空氣；隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，廢氣渦輪增壓器開始介入工作，經(jīng)過電動渦輪器增壓后的壓縮空氣進(jìn)入廢氣渦輪增壓器進(jìn)行二次增壓；隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高，電動渦輪增壓器對于高速氣流而言反而成了累贅，如圖4b所示，氣流被旁通閥阻隔在電動渦輪增壓器之外，而沿著Suction Pipe流向已經(jīng)進(jìn)入狀態(tài)的廢氣渦輪器。這一套系統(tǒng)通過引入電動渦輪增壓器，解決大尺寸廢氣渦輪低速介入性不良的問題，而且在松油再加速時，電動渦輪增壓器又能快速啟動以彌補(bǔ)廢氣渦輪增壓器的渦輪遲滯。

值得一提的是，三渦輪增壓技術(shù)并非沃爾沃的創(chuàng)意，寶馬早在2012年就已推出一款類似的三渦輪增壓發(fā)動機(jī)，是一款3.0 L的6缸柴油發(fā)動機(jī)（圖5），型號為M550d，擁有最大280 kW的動力輸出。

在發(fā)動機(jī)上采用自然吸氣或增壓這個問題上，汽車生產(chǎn)廠商都堅持著自己的意見，但隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的逾加嚴(yán)格，小排量增壓將是不可阻擋的趨勢。三渦輪增壓技術(shù)，或多或少對于制造成本，使用及養(yǎng)護(hù)成本有一定的影響，但對于動力的提升、排放的控制卻有明顯的幫助。

圖4 三渦輪增壓系統(tǒng)的工作原理

圖5 寶馬3.0 L的6缸柴油發(fā)動機(jī)的三渦輪增壓系統(tǒng)

2017-03-12）