Volvo汽車公司將一種可全球使用的全新4缸發(fā)動機系列及結構型式投放市場。該系列中的汽油機和柴油機具有相同的缸心距、缸徑和行程，它們的共同特點是明顯的小型化、進一步的模塊化、高升功率和低燃油耗。以往，Volvo公司采用4缸、5缸、6缸和8缸發(fā)動機，現(xiàn)在4缸以上機型已基本被取消。

1 高功率和低燃油耗

2013年秋季，Volvo汽車公司推出新型發(fā)動機系列，該系列以名為“Volvo發(fā)動機結構（VEA）”的新型結構型式為基礎，主要特點是高升功率和低燃油耗。此外，持續(xù)改進的模塊化結構和緊湊的動力總成外形為Volvo汽車公司的技術提供了新的自由度，該公司在底盤開發(fā)、前置發(fā)動機車型方案和被動安全等方面一直占據(jù)領先地位。VEA系列有8種機型，其中3種已于2013年秋季上市。

Volvo汽車公司的VEA系列機型以新穎的方式利用模塊化組合部件的原理。所有的汽油機和柴油機都具有相同的缸心距、缸徑和行程，排量均為2.0 L（圖1）。這些發(fā)動機在瑞典舍夫德的Volvo發(fā)動機工廠同一條流水線上生產(chǎn)。嚴格的模塊化原理使結構配置高柔性地適應不同發(fā)動機各自的市場需求，并使中等規(guī)模的汽車制造商能夠經(jīng)濟合理地組織生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本。

圖1 Volvo汽車公司的汽油機平臺和柴油機平臺（圖中的模糊圖像表示發(fā)動機尚未投放市場)

VEA系列動力總成僅涉及4缸機型，因而只需較小的安裝空間，對前置發(fā)動機車型的裝配具有眾多有利效果。由于發(fā)動機機艙相對較小，為較昂貴的前艙懸置解決方案取得了空間。此外，還允許采用較短的前懸掛，簡化汽車碰撞時的安全管理。

由于對增壓系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)進行了深入開發(fā)，VEA系列的頂級機型達到或超過傳統(tǒng)5缸和6缸機的功率水平。圖2所示新型T6汽油機以高升功率挑戰(zhàn)當今最高等級的動力驅(qū)動裝置（圖3），并且十分重視降低燃油耗。通過降低摩擦功率和流動損失，以及應用高效增壓、高熱效率和高效的熱管理技術，使發(fā)動機在冷起動后快速預熱，同時，配備有效的排氣后處理系統(tǒng)，最終達到了上述目標。

VEA系列中的首批3種機型已于2013年秋季上市，分別是T5汽油機、T6汽油機和D4柴油機，其他功率機型也將逐步投放市場.

圖2 新型T6直接噴射汽油機

圖3 T6、T5汽油機和D4柴油機與競爭機型的升功率比較

2 基礎發(fā)動機的模塊化

VEA系列機型具有統(tǒng)一的基本結構，這是持續(xù)不斷模塊化的基礎，所有汽油機和柴油機都具有相同的排量，并被分成2組功率等級。第1組功率等級包括高功率機型和中等功率機型，而柴油機強勁的最高燃燒壓力則決定了發(fā)動機的外形尺寸。

第2組功率等級包括功率較小而燃油效率較高的機型，功率較小的柴油機最高燃燒壓力降低到14 MPa，接近汽油機的水平。汽油機和柴油機的許多零部件均相同，例如曲軸、主軸承蓋框架底座、機油泵、油底殼、輔助設備傳動、發(fā)電機和空調(diào)壓縮機等，其余零部件則具有高度的共通性，例如氣缸體曲軸箱和平衡軸模塊。

3 輕型結構方案

無論是柴油機，還是汽油機，都具有壓鑄鋁氣缸體曲軸箱和主軸承蓋框架底座（圖4）。主軸承蓋加強鑲鑄件采用球墨鑄鐵件，氣缸套采用灰鑄鐵制成。柴油機除具有較高的結構高度和尺寸加強的氣缸套外，其氣缸體曲軸箱基本與汽油機的相同。鑲鑄氣缸套的外表面噴涂共晶鋁涂層，能夠與壓鑄鋁氣缸體曲軸箱良好結合，相比通常采用表面粗糙工藝的鑲鑄件更為牢固，可改善氣缸的圓度，減小活塞環(huán)的預張緊力。這種氣缸體曲軸箱的設計及其鑄造工藝在質(zhì)量或強度方面都能獲得良好的效果。

圖4 氣缸體曲軸箱和主軸承蓋框架底座（氣缸套和主軸承蓋的鋁涂層具有與鋁鑄件良好結合的特性）

主軸承蓋框架底座采用2種不同設計，唯一差別在于主軸承直徑。主軸承蓋完全被鋁包圍，在高功率機型上，在鑲鑄前，其表面也要噴涂共晶鋁涂層。

4 低摩擦的曲柄連桿機構

為了縮小軸承尺寸，所有機型的曲軸都是模鍛件。高功率機型組與燃油耗優(yōu)化機型組的主軸承直徑不同，以盡可能減少摩擦。主軸承蓋框架底座與氣缸體曲軸箱之間采用具有專利權的定位銷，可獲得更好的定位精確度，同時改善軸承的軸向同心度。

強勁的D5、D4柴油機使用相同的活塞，并帶有由機油冷卻的第1道活塞環(huán)槽鑲?cè)Α２捎酶邚姸纫r套縮小活塞銷直徑。由于D3、D2柴油機的最高燃燒壓力較低，允許使用具有較小壓縮高度的輕型活塞和較長的輕型連桿，以及較小的連桿小頭襯套直徑。輕型活塞能使慣性質(zhì)量減輕20%，因而可取消平衡軸。汽油機機型具有相似的活塞，只因壓縮比不同而使活塞頂設計有所不同，活塞銷也較短。此外，汽油機和柴油機的活塞銷都涂覆類金剛石碳（DLC）涂層。

采用最先進的工藝技術，明顯降低活塞摩擦，其中涉及新的珩磨工藝規(guī)范，以及第1道活塞環(huán)采用基于真空的物理汽相沉積涂層，有助于降低約50%切向力。所有汽油機均具有統(tǒng)一的活塞環(huán)設計。油環(huán)由兩部分組成，其特點是減小環(huán)高度，并具有較小的環(huán)岸寬度（即刮油唇高度），以及圓周表面涂覆DLC涂層。柴油機的活塞環(huán)組也是統(tǒng)一的。

5 氣缸蓋和氣門機構

新型氣缸蓋的結構設計在很大程度上以Volvo汽車公司久經(jīng)考驗的5缸機和6缸發(fā)動機為基礎，最重要的變化包括降低摩擦、提高升功率，以及開發(fā)通用件及用于汽油機和柴油機的共用接口。

由于汽油機的升功率較高，氣缸蓋必須能承受極大的熱負荷，因此選用AlSi7鋁合金材料，并對其進行T7熱處理。橫向流動冷卻方案提供了突出的恒定冷卻效果，這種冷卻方式也被用于柴油機機型。汽油機采用直接作用式氣門機構和具有DLC涂層的免維修機械式挺柱。進、排氣凸輪軸是可調(diào)的，其皮帶輪采用摩擦較小的滾動軸承。凸輪軸由灰鑄鐵制成，因為這種材料適用于與氣門挺柱之間的滑動接觸。

對柴油機的氣缸蓋結構及冷卻水套進行精心設計，可以承受19 MPa的最高燃燒壓力和較高的升功率。為了提高材料的強度和耐高溫極限，開發(fā)了一種鑄造過程中的熱處理新工藝，如采用冷的壓縮空氣有針對性地淬火，明顯改善材料的組織結構，使其樹枝狀晶體間距小于17 μm，這種材料規(guī)格被稱為“A317 T7”。柴油機采用滾輪搖臂、液力挺柱，以及質(zhì)量輕且材料硬度高的裝配式鋼凸輪軸。凸輪軸軸承定位套處的定位銷確保加工和裝配時的精確定位，能進一步降低運轉(zhuǎn)時的摩擦。

6 采用可調(diào)式機油泵的潤滑系統(tǒng)

VEA系列機型采用相同的潤滑系統(tǒng)。機油泵可全調(diào)節(jié)工作，通過電磁閥，以轉(zhuǎn)速、負荷和機油溫度為參數(shù)調(diào)節(jié)機油壓力，確保在所有運行工況下都有足夠的機油供應。在低負荷運行工況下，活塞頂停止噴機油冷卻，以減少摩擦損失，降低燃油耗和有害物排放。必要時，機油泵提高機油壓力，并打開活塞機油冷卻噴嘴。機油濾清器對微小顆粒具有極高的過濾能力。即使在低負荷下，機油溫度也相對較高，因此降低了摩擦損失，并改善了曲軸箱的通風效果。

Volvo汽車公司為VEA系列發(fā)動機開發(fā)了一種易流動的0W20級潤滑機油，能明顯降低摩擦。由于這種機油中的灰分較少，因此有助于排氣后處理系統(tǒng)獲得緊湊的外形。

7 冷卻系統(tǒng)和溫度利用

汽油機與柴油機的冷卻系統(tǒng)有所不同。柴油機的散熱在全負荷時較多，而在部分負荷和暖機運轉(zhuǎn)時則較少。汽油機使用功率為400 W的電動水泵，減少了摩擦損失，并能改變冷卻液流量，使冷起動后的發(fā)動機能迅速達到正常運行溫度。

Volvo汽車公司在柴油機上應用機械式冷卻水泵，由氣動調(diào)節(jié)閥控制發(fā)動機快速預熱所需的冷卻液流量。為了確保在發(fā)動機暖機期間車廂內(nèi)的采暖，由1個功率為15 W的小型電動水泵提供來自氣缸蓋冷卻循環(huán)回路的熱水。廢氣再循環(huán)（EGR）的冷卻水循環(huán)回路中同樣有1個功率為15 W的小型電動水泵，它經(jīng)過冷卻器后的閥輸送冷卻液。為了使再循環(huán)廢氣達到較低的溫度，從而降低氮氧化物排放，按低溫水平設計EGR循環(huán)回路。

8 用于不同功率機型的模塊化增壓系統(tǒng)

由于氣缸排量是統(tǒng)一的，因而對于VEA系列機型的功率等級差異而言，增壓系統(tǒng)起決定性作用。由于對升功率的要求較高，因而按照最新的技術狀況（包括兩級增壓在內(nèi)）來開發(fā)增壓系統(tǒng)，并分別應用于汽油機和柴油機（圖5）。新增壓系統(tǒng)最重要的特點是模塊化結構，所有功率等級的柴油機和汽油機增壓系統(tǒng)的安裝位置及發(fā)動機側(cè)接口都是相同的。這種設計方案使發(fā)動機配裝汽車時有統(tǒng)一的標準。

圖5 模塊化增壓系統(tǒng)是拓展功率等級的關鍵因素

為T5汽油機開發(fā)了一種帶廢氣渦輪增壓器的整體式鋼制排氣歧管，與鑄造排氣歧管相比，它具有較輕的質(zhì)量和較小的熱慣性。T6汽油機的增壓系統(tǒng)采用機械驅(qū)動的羅茨壓氣機，向大尺寸的廢氣渦輪增壓器輸送增壓空氣。在低轉(zhuǎn)速時，羅茨壓氣機自動工作，從而獲得較大的扭矩，轉(zhuǎn)速隨增壓壓力的建立而提高后，廢氣渦輪增壓器開始工作，羅茨壓氣機則脫開停止工作。

D4柴油機匹配串聯(lián)式兩級廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，Volvo汽車公司為此進一步開發(fā)了增壓技術，并于2008年首次用于2.4 L柴油機。這種優(yōu)化的增壓系統(tǒng)與改進的燃燒過程協(xié)調(diào)配合，將升功率從66 kW提高到71 kW。2個渦輪增壓器中較小的增壓器能在低轉(zhuǎn)速時自發(fā)地建立增壓壓力。

9 燃燒室中央汽油直接噴射

汽油機的火花塞和噴油器被布置在燃燒室中央，其新穎的噴霧形成能產(chǎn)生非常均質(zhì)的燃空混合氣。這種燃燒室中央汽油直接噴射方式能在發(fā)動機起動時形成分層充量，并實現(xiàn)最有效的催化轉(zhuǎn)化器預熱。采用這種噴油方式的VEA系列機型不僅性能超過進氣道噴射發(fā)動機，而且比噴油器側(cè)置的直接噴射汽油機更好，其優(yōu)點是燃油耗低，并能滿足美國準零排放車（PZEV）的廢氣排放標準要求。

進氣道設計能在進氣行程的氣缸中形成空氣和燃油的滾流運動，而在壓縮行程，則由滾流運動產(chǎn)生充量擾動，提高燃燒速度，使燃燒更穩(wěn)定，從而應用高EGR率降低泵吸損失和燃油耗。為了確保無爆震燃燒，在冷卻水套、進氣道、噴油嘴方向和燃燒室?guī)缀涡螤畹确矫孢M行全面優(yōu)化。最終，T5汽油機采用10.8的高壓縮比，T6汽油機采用10.3的高壓縮比。

10 應用250 MPa噴油壓力和噴油量閉環(huán)控制技術的柴油機燃燒系統(tǒng)

VEA系列的柴油機采用全球最新的共軌噴油系統(tǒng)，將250 MPa最大噴油壓力與所謂“智能精度修正技術”的噴油量閉環(huán)控制技術相結合。該技術基于每次噴油過程在燃油系統(tǒng)中產(chǎn)生的壓力波，從該壓力波獲得精確的噴油時刻和噴油量信息。在每個噴油器中都有1個壓力傳感器和1個用于數(shù)據(jù)傳輸及存儲的芯片，發(fā)動機電控單元用這些數(shù)據(jù)計算實時噴油量，并進行相應調(diào)節(jié)。這一精確可靠的系統(tǒng)能使發(fā)動機獲得高升功率、低排放、低燃燒噪聲和高熱效率的性能，而且還能自動補償噴油器老化和磨損，從而使發(fā)動機在整個使用壽命期內(nèi)穩(wěn)定、可靠地運行。

圖6示出燃油壓力傳感器在噴油器中的位置，緊湊的電磁執(zhí)行器被直接置于噴油嘴短針閥附近，它與壓電噴油器相似，能快速開啟或關閉噴油嘴針閥。該電磁閥能以極少的泄漏控制3/2伺服閥，因而能降低燃油泵消耗的功率和燃油耗。

圖6 帶燃油壓力傳感器和最高噴油壓力250 MPa的噴油器

同時，重新設計了發(fā)動機的進排氣道和燃燒室，以便與汽油機結構相匹配，并獲得模塊化接口。由于這種進排氣道具有優(yōu)良的流動特性，因而排氣道相對較小，同時較大的進氣道又能利用較大的空間?；钊斎紵野伎颖辉O計得寬而淺，以改善進氣效率，減少活塞熱損失，降低活塞熱負荷。出于升功率和升扭矩方面的高要求，最高氣缸壓力被提高到19 MPa，壓縮比被降低到15.8。

11 模塊化排氣后處理系統(tǒng)

按歐6b、美國超低排放車（ULEV）及PZEV廢氣排放標準設計的排氣后處理系統(tǒng)遵循汽油機和柴油機的模塊化原理。在所有機型上，渦輪出口和排氣后處理系統(tǒng)部件的進口都位于相同位置。氧化催化轉(zhuǎn)化器被設計得非常緊湊，第1個載體芯子位于廢氣渦輪增壓器出口后，第2個載體芯子則旋轉(zhuǎn)90°布置（圖7），2個芯子之間無需管道。這種專利布置型式具有極低的流動損失，而且在第2個芯子中能獲得均勻的流動分布?？傊?，這種氧化催化轉(zhuǎn)化器能確保響應時間短，以及有害物的高效凈化。

圖7 模塊化的排氣后處理系統(tǒng)具有較低的壓力損失和均勻的流動過程

用于汽油機的三效氧化催化轉(zhuǎn)化器第1個芯子體積為1.5 L，而體積為1.0 L的第2個芯子僅用于美國排放標準方案。與ULEV排放標準相比，PZEV排放標準方案的涂層必須具有較高的貴金屬含量。在柴油機上，則采用1.5 L的存儲式氮氧化物催化轉(zhuǎn)化器與2.5 L柴油機顆粒捕集器相組合的方案。

12 運行性能、功率和扭矩

VEA系列首批3種機型的功率和扭矩特性曲線示于圖8，為了進行比較，圖中還示出傳統(tǒng)5缸增壓發(fā)動機的特性曲線。T6汽油機在低轉(zhuǎn)速時具有極大的扭矩，在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，其扭矩特性曲線全面超越5缸2.5 L I5P增壓汽油機，考慮到其排量減小25%，T6汽油機已進入市場上的頂級機型領域。T5汽油機在1 500 r/min低轉(zhuǎn)速時也能提供大扭矩，其扭矩特性曲線與5缸發(fā)動機的極為接近。

圖8 新型T6、T5汽油機及D4柴油機與傳統(tǒng)5缸2.5 I5P及2.0 L I5D發(fā)動機的功率和扭矩比較

 與傳統(tǒng)單級渦輪增壓5缸發(fā)動機相比，新型D4柴油機在低轉(zhuǎn)速時的扭矩和功率特性曲線相似，D4柴油機的扭矩建立更快，但最大扭矩要在略高轉(zhuǎn)速下才能達到。較大的差別是在高轉(zhuǎn)速區(qū)域，從發(fā)動機轉(zhuǎn)速3 000 r/min起，新型4缸機的低壓渦輪就承擔起建立增壓壓力的任務，因而能夠提供大扭矩和高功率。

13 低燃油耗

在VEA系列機型的整個開發(fā)過程中，十分注重降低燃油耗。為此，除發(fā)動機小型化外，主要將精力集中于改進整機結構。圖9示出發(fā)動機摩擦特性。D4柴油機摩擦特性處于FEV分布帶的下端，而帶有小軸承和低摩擦活塞的較小功率機型摩擦甚至更低。T6、T5汽油機和D4柴油機配裝于S60轎車后，其CO2排放量示于圖10，其中，與競爭機型的比較是按汽車整備質(zhì)量考慮的。

圖9 新型T6、T5汽油機和D4柴油機的摩擦與FEV分布帶的比較（Stripp法、無燃燒）

圖10 Volvo汽車公司S60轎車（汽車整備質(zhì)量）的新歐洲行駛循環(huán)CO2排放量

14 結語

Volvo汽車公司成功開發(fā)了一種具有模塊化結構的新型發(fā)動機系列，該發(fā)動機平臺由2種功率組的4缸2.0 L發(fā)動機組成，通過增壓技術實現(xiàn)了寬廣的功率跨度，包括帶廢氣放氣閥的渦輪增壓器和先進的兩級增壓系統(tǒng)。針對汽油機和柴油機的燃燒過程，按各自的功率水平進行精確調(diào)整，降低了燃油耗和廢氣排放。作為新發(fā)動機系列的首批機型，T6、T5汽油機和D4柴油機已投放市場。T6高功率汽油機的升功率達到同類機型的頂級水平。由于摩擦較低，以及新開發(fā)的熱力學性能，所有機型的燃油耗都達到競爭機型中的最佳水平。新發(fā)動機系列的緊湊外形和標準安裝位置為汽車在安全性、底盤開發(fā)和前置發(fā)動機車型設計等方面開辟了新的空間。