電動渦輪增壓將是重要的技術發展趨勢機械

時間:2019/7/9 9:41:29    來源:中國汽車報    點擊率:682
近幾年,小排量渦輪增壓發動機大行其道。有了渦輪增壓的加持,發動機能夠以更低的排量獲得更強勁的動力,并且在節能減排方面表現更好。不過,傳統的渦輪增壓發動機從誕生以來發展了幾十年,即使有很多廠商發展傳統汽車渦輪技術,但渦輪遲滯帶來的突兀感依舊無法避免。

        近幾年,小排量渦輪增壓發動機大行其道。有了渦輪增壓的加持,發動機能夠以更低的排量獲得更強勁的動力,并且在節能減排方面表現更好。不過,傳統的渦輪增壓發動機從誕生以來發展了幾十年,即使有很多廠商發展傳統汽車渦輪技術,但渦輪遲滯帶來的突兀感依舊無法避免。

  為了減少渦輪遲滯,汽車廠商想出來機械渦輪增壓和電動渦輪增壓技術。但是機械增壓最大的問題就是它使用發動機自身的動力來帶動工作,所以當發動機轉速上升時,它會吸走越來越多的動力。正是這個原因,使得機械增壓發動機的燃油效率往往較低。隨著各國排放法規日益嚴格,各個車企對于發動機的燃油經濟性要求也越來越高,而燃油效率比較低下的機械增壓將逐漸被淘汰,電動渦輪增壓或將成為未來汽車技術主流。

  在2019年上海車展蓋瑞特展臺的會議室中,僅對部分受約客戶開放展示的一款新型電動渦輪增壓器亮相。蓋瑞特全球總裁兼首席執行官芮博廉介紹,這款產品將于2021年量產,其一體化的設計簡化了封裝難度和空間布置難度,它有助于發動機進一步降低燃油消耗、提升燃燒效率。電動渦輪增壓器可以幫助車輛滿足更嚴格循環工況測試下的油耗和排放要求,理論上可以使發動機達到理想的1∶1的空燃比,另外具備廢熱能量回收的功能,它產生的電能要比消耗的電能多。

  ■電動渦輪增壓所為何物

  普通渦輪增壓的工作原理很簡單,發動機排出的廢氣驅動排氣端渦輪葉片轉動,進氣端葉片也跟著轉動,從而壓縮新鮮空氣進入發動機。而電動渦輪,顧名思義,是靠電力來驅動渦輪旋轉的,這點和普通渦輪有明顯區別。

  對于普通廢氣渦輪來說,渦輪遲滯現象是與生俱來的缺點,但電動渦輪在不損耗發動機能耗的前提下,很好地解決了渦輪遲滯現象。在發動機低速運轉時,排氣流量還帶不動渦輪增壓器的葉輪時,由電機先驅動電動渦輪介入工作,提供增壓。等到排氣流量變大后,即通過廢氣帶動渦輪增壓器介入工作。在發動機轉速較高時,發動機排出的廢氣足以驅動廢氣渦輪,此時廢氣渦輪就可單獨工作,電動渦輪可停止轉動,以節約電能。渦輪遲滯現象的消除給駕駛者帶來了更強勁的動力體驗,可以在更短的時間內,使扭矩達到最大值。

  ■電動渦輪需要48V電氣系統

  因為電動渦輪的驅動力來自于電機,若是驅動電動達不到一定的轉速,增壓效果也會大打折扣,因此電動渦輪的出現對電機技術提出了更高要求。要想電機達到更高轉速,傳統12V電壓肯定不夠,一套電壓更高的車用電源系統必不可少,因此這就牽涉到了另一項技術:48V電氣系統。

  以奔馳全新S500車型為例,它采用博格華納提供的eBooster電動渦輪,裝在全新的M256直列6缸發動機上。依托于48V電源,該電動渦輪額定功率5kW,最高瞬時功率6.2kW,持續工作功率2kW至3kW,最高轉速高達72000rpm,并且在230毫秒內就能夠實現90%的最大轉速工作。電動渦輪的效果是明顯的,基本消除了渦輪遲滯現象,提供穩定的增壓效果,使發動機動力輸出更加平順舒適,更符合S級的產品形象。與之前的8缸發動機相比,其6缸發動機在動力參數上絲毫不遜色,并且在油耗和排放方面還有更好的表現。

  ■國內外技術差距大

  上海交通大學機械與動力工程學院副教授石磊向《中國汽車報》記者介紹,電動渦輪增壓技術的優勢非常明顯,能減少渦輪遲滯、增加車輛低速扭矩、提升燃油經濟性。該技術有三個應用方向:一是應用在傳統燃油車上,單純在廢棄渦輪的基礎上,加裝一個電動渦輪;二是在電動渦輪和廢氣渦輪之間,加入發電機,回收廢氣渦輪多余的能量來發電;三是集成應用在48V混動和氫燃料電池車型上。

  對于記者提出的“為什么氫燃料電池汽車上要應用電動渦輪”的疑問,石磊解釋,在氫燃料電池汽車上加裝電動渦輪,可以增加進氣量,加快氫燃料電池化學反應速率,從而提高氫燃料電池發動機的能量密度。

  石磊介紹,電動渦輪增壓技術目前掌握在國外幾大零部件企業手上,并已經搭載在市售車型上,如奔馳、奧迪部分高性能車型,系統復雜和成本高昂是該技術還未大面積使用的重要原因。國內一些企業雖然也在做相關的研究,但技術水平和國外相比差距較大,同時也無法造出高速高效的電機和滿足要求的軸承。對于國內車企如何面對電動增壓這一技術趨勢,石磊直言不諱地表示,“可以直接向國外供應商購買。”

  ■混動技術加速布局

  隨著對燃油效率提升的研發深入,業內分析機構普遍認為電動化的混合動力系統代表了最大的增長機會。行業分析機構IHS預測,到2025年,全球輕型汽車產量預計將接近每年1.1億輛。其中混合動力汽車將達到3300萬輛,或在全球新車占比達到30%。為了提升小型化發動機的動力表現,76%的混合動力汽車將使用渦輪增壓技術。

  芮博廉認為,電氣化是2019上海車展非常明確的展出方向,渦輪增壓器的電氣化也是市場非常歡迎的新技術,這種技術在混動和氫燃料電池汽車上的應用比例將超過傳統內燃機市場。隨著混動技術加速布局,電動渦輪增壓大有可為。

  石磊也表示,電動渦輪增壓技術不僅能夠實現更好的燃效和燃油經濟性,在排放方面也有可以起到一定改善作用,并且對于駕駛者而言,它還可以實現更為順滑的動力輸出表現。雖然目前搭載電動渦輪增壓技術的車型主要還是高性能車以及一些旗艦豪華車。這主要是因為電子渦輪結構復雜成本較高,但是隨著時間的推移,電動渦輪增壓技術的逐漸成熟以及相關配件的生產成本降低,電子渦輪將在大部分車型上進行裝備。

  “在排放法規日趨嚴格的背景下,我非常看好電動渦輪增壓技術。”石磊毫不掩飾對電動渦輪增壓技術的支持。(記者 張玉)



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