兰博新小牛Temerario上的L411双涡V8研发5000字深入详解
廉颇老矣的EA824 evo V10已经要退出了，小牛在R8终结后也失去继续使用V10的正确性。新小牛需要一台新发动机来取代这台5.2 V10发动机，从L411的名字上也能看出，这次L开头而非EA开头就意味着是这台发动机是完全独立于VW AG，由兰博独自开发和使用的。
如今的超跑无一不面临着将高性能、驾驶乐趣与法规要求相结合的重达挑战，尤其是燃油车。全球日渐严格的排放法规以及减排CAFÉ法案的需求，新小牛也无避免用上了混动。
一开始项目初始并没有特别明确到点的定义，只有纯内燃机的动力一定要超过800ps的目标，为了让发动机在量产初期就能有达到800马力的动力输出——相比自吸V10的640马力有了合理的提升——那就必须采用涡轮增压技术，这也为发动机排量的缩减提供了可能。在权衡各方面的因素后，最终选择的发动机本体基础布局是4.0升排量、平曲轴的双涡轮增压V8。为了保持自吸发动机的驾驶感受和高转速乐趣，最大转速目标被设定为10000 rpm，这一数值更接近F1赛车发动机，在市场上没有任何一款发动机具备这样的特性。
下面这里就从混动，涡轮选择，发动机机构等方面介绍下研发思考以及后续这台发动机的发展。
【混动方案选择】
在项目初期进行敏感性分析后，最终选择的混合动力架构为P1布局，轴向磁通电机兼具高扭矩和极为紧凑的长度，可以在曲轴箱铸件内集成，仅需几厘米空间且无需任何额外传动部件。前桥电驱则沿用了Revuelto的方案。
在图1中展示的是为实现预想动力性能的对比示意图。由于新发动机的目标是实现比传统涡增发动机更高的转速，因此在低扭方面必须做出一定妥协。经过初步的涡轮匹配一维仿真后发现，很明显，能够以理想效率在高转速达到设计目标功率的涡轮压气机，是无法在传统的1500-2000rpm的转速范围内实现理想低扭的。
但有了电机的加入，图中蓝色标记的区域的扭矩缺失则可以被弥补，从而在所有转速下最大化性能。此外，瞬态响应也能达到自然吸气发动机的响应速度，充分利用电机的瞬时扭矩，最大程度减少涡轮增压器本身转动惯量的影响。
图2则是最后期望各个输出区间的定义目标
【涡轮选型布局】
涡轮增压器的布置在项目初期仍是一个未定项。在项目启动几周后，结合发动机性能仿真以及发动机舱内的布置研究，才在Hot-V和Cold-V之间做出了选择。因为选型上决定采用的涡轮拥有相当大的叶轮和蜗壳，布局和空间设计因此受到了诸多影响。最后图3的Hot-V布局则最后被确定为最佳折中方案。
在Temerario上，Hot-V布局的优势主要包括：
更好的排放潜力：
为确保冷启动时三元催化能够最快加热，必须尽量减少排气系统的受热表面积，以便将更多热量传递给三元。涡轮增压器的位置使得排气歧管和催化器都能采用非常紧凑的设计，实现了极为紧密的布置。
充足的涡轮支撑：
采用铸造工艺制造的排气歧管，能够为大型涡轮增压器模组提供足够的刚性和强度而无需额外的支架。
发动机舱的布局：
由于涡轮增压器体积较大，在Cold-V结构下是难以在兼顾上述优势的同时又要满足整车空间布置需求，而Hot-V结构则能更好地实现这些目标。
集中的热管理：
虽然后置发动机需要特别关注V型夹角内涡轮产生的热量，但动力系统的电气部件反而受益于这种热源的集中。通过合理的隔热措施可以有效管理热量，避免电气部件过热现象的发生。
【涡轮匹配设计】
涡轮的匹配设计是在对来自不同供应商的多种方案进行广泛筛选后确定的。各方案的性能曲线都在发动机性能模型中进行了仿真，评估标准包括但不限于：最终功率性能目标、是否能降低排气压力以及压气机的效率。
在最终功率性能目标方面，考虑到发动机动力提升需求更多是在高转速区域，所以涡轮压气机重点关注是否能提供高质量流量空气，而不是依赖极高的增压压力，这样可以在类似高转自吸发动机的转速下实现峰值功率输出。从排气压力降低方面，单涡管涡轮是必选方案，同时还能减少排气浸润表面积，有利于催化器加热。压气机的效率则更加侧重于高发动机转速下的表现，要求在相同增压压力下降低压缩出口的空气温度
图4展示了所测试的压气机特性曲线中的两个例子。左侧的压气机A在最大功率下未能获得足够的转速裕度，且在低质量流量时工作点接近喘振线。相比之下，压气机B表现明显更好。
【实现10000 rpm】
研发初始就很明确，要想达到其他发动机都没有的10000 rpm的目标转速，深入细致的分析是必须的，以应对高转速下载荷的剧烈动态变化。由于采用90°夹角的V8平面曲轴结构，二阶不平衡的惯性力（由往复运动部件的质量产生）是无法避免的，而且会随发动机转速呈二次方增长，所以惯例上只有只有通过配以两倍于发动机转速旋转的配重才能平衡，但这种设计与发动机定义目标背道而驰。所以为了降低重量和转动惯量，L411上放弃了这种配重方案，反而通过特殊设计来尽量减小往复质量，从源头上降低二阶惯性力。其中包括全新设计活塞的尺寸（缸径90mm，行程78.5mm），以求在活塞平均、最大速度、重量以及热力学性能之间取得最佳平衡，因为过大的缸径/行程比会导致混合气均匀性和快速燃烧难以实现。还有采用钛合金连杆，以减小轴承上的惯性载荷、往复质量以及整个曲柄连杆机构的转动惯量。为降低曲轴前后端最大扭转变形及其应力，还需配备扭转减振器TVD。尽管如此，曲轴材料仍需选用高强度钢合金，并进行长期气体渗氮处理，以承受高机械载荷。图5为最终的曲轴配置设计
而在气门机构方面，从项目初期就选择了图6上的机械滑动指状挺杆，以满足高转速需求。为应对高动态载荷和高弹簧力带来的高接触压力，锻造指状挺杆表面采用了DLC涂层。正时驱动系统也针对高转速理念进行了图6下的专门设计：对于高转速轴（包括机油泵和冷却泵驱动），采用了齿轮传动。只有在传递到凸轮轴的最后一级，由于离心力较低，才采用链条传动。
【进气温度目标】
在自然吸气发动机中，进排气管道内的压力波是实现预期性能的关键，它们能够在所需的发动机转速下提高充气效率。而在涡增发动机中，压缩机产生的增压压力为气缸提供了充足的空气质量。在L411上，压气机出口处的空气温度会超过150°C，因此需要通过热交换器进行冷却，此处采用了水冷中冷器，并将其尺寸设计为确保进气歧管内的温度不超过55°C。该温度目标的设定旨在降低爆震倾向。由于L411的比功率更高，导致气缸内压力和温度也更高，因此其爆震倾向远高于自吸的V10发动机。降低爆震风险当然有助于提升效率，因为这样可以增加点火提前角，使燃烧中心更接近于上止点后8°CrA的最佳值。
【燃烧系统开发】
L411发动机的燃烧系统开发目标是实现高比功率和高转速。这些要求使其燃烧系统设计有别于当前主流的下排量高增压直喷发动机。缸径在采用90mm的尺寸的情况下实现高转速，那就必须具备极高的燃烧速度。为保证发动机可靠性和气门机构刚性，L4111上也并未采用可变气门升程系统，因为高转速下其应用存在局限。取而代之的是，进排气两侧均采用了具有50°曲轴角调节范围的可变相位系统。
为适应高转速，进气门凸轮轴的包线采用了较长的开启持续时间，这导致在低转速下进气门关闭时间非常晚，从而实现了类似阿特金森循环的工作方式，有助于在低转高扭区域降低爆震倾向。对于该发动机的首个版本，工程师并未采用米勒循环来降低排气温度，主要原因在于提前进气门关闭会降低湍流强度，并导致增压压力和中冷器热负荷增加，这些弊端难以接受。
也正因如此，发动机初版的压缩比被限制在9.35:1，以降低发动机热负荷和爆震倾向。从另一个角度来说，若进一步提高压缩比会导致活塞顶面形状复杂、重量增加，气流运动也会减弱而使混合气形成和燃烧变差。
燃烧室采用对称的五角顶4气门设计。火花塞规格为M10，以减小体积同时保持高热负荷能力，为水套设计提供最大灵活性。缸内直喷喷油器居中布置，以增强喷油过程中的气流运动，并在启动三元加热阶段通过分层喷射提升排气焓流，实现更快催化器升温。对于高性能发动机，这种布局下气门尺寸的减小通常会带来性能损失，但对于这台涡增发动机，由于缸径较大且可通过提升增压压力弥补气门尺寸的不足，所以在此气门尺寸影响较小。这使得气缸盖设计更加稳健，进排气两侧均采用了加厚的气门桥。
【喷油系统】
喷油系统的设计充分考虑了高发动机转速和高燃油流量需求。如图8所示，每一排气缸都配备了独立的高压系统，包括一台高压泵和四个喷油器。高压泵安装在专用的凸轮箱上，而不是直接安装在气缸盖上。这一布局得益于P1结构带来的纵向空间。系统最大工作压力为350 bar。综合所需流量，最佳方案为GDI高压泵速比为0.625，采用双凸轮结构和较大的活塞行程。同时其还具备更高的燃油流量潜力，无需增加低压喷油器，并为未来500bar喷射压力的应用提供了可能。
由于喷油器在极短时间内喷射大量燃油、高压泵活塞行程较长，以及高压泵的非同步转速，燃油系统需要进行深入研究。研究重点在于避免高压油路中的共振和压力波动，以提升各缸喷油量的精度。
喷油器参数的选择主要基于发动机功率点和三元催化加热工况，即在发动机转速1500 rpm，推迟点火角情况下下的性能评估。考虑了6孔或7孔不同喷雾模式及多种液压流量，并对未来500 bar系统的可行性进行了评估。 主要选型标准为点火时刻的空燃比分布和湍流强度。最终，选定了三个参考目标并进行了详细分析图x。所选用的6孔喷雾方案及中等喷油流量在动力工况下表现出最佳折中，同时在排放方面也取得了良好平衡。500 bar高压系统在两种发动机工况下的提升有限，因此500 bar方案目前被作为未来欧7以及国7应用的备选。
【声浪的传递】
实现自吸机驾驶感受的另一个重要特性是声音。考虑到从V10自吸发动机切换到V8双涡增发动机，这项任务并不容易。涡轮增压器本身会降低声压级。此外，声学和排放法规也有显著影响：现在全球各国外部噪音标准日益严格，进而要求排气消声器的消音效果日益增强。在排放方面，标配的GPF不仅会影响声压级，还会影响频率，也就是音色——主要是高频噪音被严重过滤，在高转速下影响更为明显。
虽然法规限制了外部噪音的调校空间，但在车内声音品质方面仍有足够的自由度以保留情感化的声音。为此，Temerario配备了图8的声音共鸣器，它可以让进气管中机械的声音更加贴近驾驶者。
虽然这种方式比使用扬声器的模拟声浪更复杂，但这里的目标是保留发动机呼吸时产生的纯粹、真实和物理的声音。该系统从发动机进气歧管开始，由一个被特定刚度的膜片分隔成两部分的腔体，让其分别在两个所需的特定频率下产生共振。在腔体下游设置了一个阀门，可以启用或关闭这个声音共鸣器。最后，叠加共振后的声音会通过一根合适直径的管道将压力波传递到驾驶舱。
【预燃室准备】
L411目前只是一代机，后面还有应对更高标准的二代机。那自然会留下提升空间，除了之前提到的500bar喷油是一个提升点，另一提升重点就是预燃烧室技术。预燃室点火通过喷射火焰进入燃烧室，提升燃烧速度，特别是在高转速下能够增强火焰传播。这项技术由于火焰传播更快，可以拓宽Lambda=1的工作窗口，从而抑制爆震并降低排气温度。如果将预燃室点火与米勒循环和更高的压缩比结合，优势会进一步增强。
然而，更快的燃烧速度和更高的压缩比会导致缸内压力升高，同时由于预燃室附近的局部传热，气缸盖冷却系统的负荷也会增加。此外，燃烧控制和标定也是该技术面临的重要挑战。这里预燃室中使用的嵌入件有如图9上两种布局方案：一种是干式布局，即嵌入件与气缸盖材料直接接触；另一种是湿式布局，即嵌入件直接由冷却水冷却。这两种方案在实际应用中都面临诸多挑战，包括冷却、密封和材料选择等问题。然而，它们都可作为未来潜在的升级方向。
图9中展示了采用标准火花塞、被动干式预燃室，以及与米勒循环和更高压缩比结合的湿式预燃室三种方案下测得的BSFC分布图。可以明显看出，尤其在高转速下，采用预燃室点火后，即使燃烧室几何形状未变，BSFC数值也更低，表明爆震限制减小，燃烧相位提前。将预燃室点火与米勒循环和更高压缩比结合后，燃油消耗还能进一步改善。可以预期，随着该系统的进一步优化，燃油经济性还将获得更大提升。被动预燃室与米勒循环系统的结合为未来发动机升级提供了巨大潜力。被动预燃室与米勒循环系统的结合为未来发动机升级提供了巨大潜力。即使在高转速下，只要发动机具备足够的峰值压力能力，也可以实现Lambda=1的运行。图9下显示了干式预燃室配合提高压缩比，已经展现出更高的效率。湿式预燃室结合米勒循环，则在燃油消耗和Lambda=1工作窗口方面表现出明显优势。
