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涡轮增压技术愈发盛行 相关供应商又玩出了哪些新花样?
涡轮增压技术愈发盛行 相关供应商又玩出了哪些新花样?
2018年9月21日   来源:盖世汽车  作者:
关键词: 涡轮增压  

    面对国内不断加严的油耗法规以及正在实施的“双积分”政策,汽车节能减排可谓“时间紧、任务重”。在这一情况之下,车企不得不做两手准备,既要加大新能源汽车的相关布局,还要大力推动燃油车以及混动汽车的节能增效,以应对全面进入新能源时代前的过渡阶段。而在这一过程之中,涡轮增压技术得到了更多的关注以及愈加广泛的应用。近日,博格华纳涡轮增压系统中国区及泰国副总裁兼总经理倪广山在接受盖世汽车记者采访时透露,如今涡轮增压市场的年增长率已基本处于10%-15%之间。

    涡轮增压的主要作用是提高发动机进气量,从而提高发动机的功率和扭矩。据了解,一台发动机装上涡轮增压器后,其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高。与此同时,它还拥有更好的油耗表现,能够减少10%-20%的尾气排放。动力更强、油耗及排放更低无疑是涡轮增压技术被广泛使用的重要原因,但是这一技术显然有改善优化的空间。近些年,相关供应商通过一连串的技术革新推进涡轮增压技术的升级,以使其发挥更大的作用,作为内燃机、混合动力和电动汽车清洁高效驱动系统解决方案全球供应商,博格华纳就玩出了不少“花样”。

    据倪广山透露,自1999年收购德国3K和美国Schwitzer涡轮增压器业务开始,博格华纳进入到这一领域,之后从普通旁通阀式涡轮增压器到双流道涡轮增压器,再到汽油机VTG涡轮增压器、两级涡轮增压器、三级涡轮增压器,以及最新的电子增压方案,博格华纳在这一领域不断进行技术创新,“这些新技术归根结底都是在帮助涡轮增压发挥更大的效率,并应用于更多种类的车型之中。”

    博格华纳首创的汽油机可变截面涡轮增压器(VTG)通过改变废气涡轮的进气截面,能大大提升涡轮增压器的响应和增压效率。长期以来,受限于汽油发动机排气的超高温度,VTG技术只能用在柴油发动机上。而在2002年通过与保时捷的合作,博格华纳对原用于柴油发动机的VTG涡轮增压器进行重新设计,使其能够应对高达1000°C的废气温度,从而适用于汽油发动机。另据了解,在配备此款汽油发动机的保时捷车型量产后的十年间,博格华纳对汽油机VTG涡轮增压技术进行了持续的革新,推出面向各类汽油发动机的VTG涡轮增压器。

汽油机VTG产品图

    具体来看,博格华纳对其VTG涡轮增压器的材料和设计进行了优化,使其更坚固,从而能够承受汽油发动机的高热负荷,保证在最恶劣的条件下也能可靠运行。另外,最新的VTG技术配备了一个强大的电动执行器,可根据实际应用工况需求,快速、精准地调节导向叶片,实现接近瞬时加速的效果和最优化的功率输出。通过改变涡轮机叶轮入口处的流入角度和速度,VTG的涡轮可以迅速提升叶轮转速,增加泵气能力,进而提高发动机的瞬时响应速度。此外,博格华纳的专利S形导流叶片充分进行了空气动力学优化,进一步提升了VTG增压器涡端效率和做功能力,从而更深度地增强整个发动机系统的动力性。先进的汽油VTG技术能带来出色的油门响应和平稳的动力输送,同时提高发动机的燃油效率,降低排放,适用于更多类型的汽车。

    博格华纳汽油机VTG涡轮增压器与米勒循环发动机可组成最佳“黄金组合”,有利于未来搭配电动机组成混合动力系统,为混合动力汽车大规模市场化做准备。据了解,通过VTG涡轮增压器结合米勒循环工作模式,可同时兼顾低速和高功率两端的性能要求,通过小开角的导向叶片实现低速强劲的做功能力,同时在发动机高功率高转速工况下拥有较低的排气背压,从而提高发动机高转速下的整体效率。另外在较低发动机排放温度下运行的米勒循环使得汽油VTG采用更为经济的核心调节系统材料变得更加可能,也进一步让汽油VTG技术从原来高端汽车应用变成更具有普适性的技术。

    值得一提的是,2017年,博格华纳成功研发出了基于第六代产品设计的汽油机VTG涡轮增压器,在装配和结构上进行了更新换代,进一步提高了空气动力学效率和可靠性,使其与混合动力汽车的新型内燃机系统也能完美匹配。据其预计,该款VTG涡轮增压器将于2019年年中投入市场。

    在汽油机VTG之外,作为博格华纳最新的创新型电气化解决方案,eBooster®电子增压器能够成为传统涡轮增压系统的绝佳补充,大幅提升燃油经济性并降低排放。

eBooster®产品图

    据了解,eBooster®电子增压器集成了电子器件,由电机驱动,目前其第一代产品需与涡轮增压器共同工作。以下游布局eBooster®为例,在最初的怠速阶段,仅有涡轮增压器进行工作,空气进入涡轮增压器压缩后进入发动机。当汽车处于加速、爬坡或其他瞬态发动机增压工况时,阀门打开,空气经由涡轮增压器压缩,进入eBooster®,最后再进入发动机。当发动机表现达到稳定的需求状况时,eBooster®就会停止运转,全部空气受到涡轮增压器增压后即进入发动机。

    当然,eBooster®的布局方式并不局限于下游布局,根据客户需求,eBooster®也可被放置在涡轮增压器之前。eBooster®技术配备了无刷直流电机和钐钴磁体,具有出色的效率,其电机还采用了球轴承技术,不需任何的油路供给,可以自我进行润滑。除灵活安装外,该技术还可减少尾气中的热质量,从而加快后处理系统的加热速度。

eBooster®原理结构图(下游布局)

    另值得注意的是,eBooster®可使用12V及48V两种电源。48V eBooster®适用于3.0发动机,其功率为5kW到6kW,最大转速在70,000转,达到90%的最大扭矩需270毫秒。在很短的时间内可以达到6.2kW,在持续工作中,可达到2-3kW。应用eBooster®的48V系统可使燃油效率提升多达35%。此外,博格华纳也提供适用于小型发动机的12V eBooster®,其功率为1.7kW,在很短的时间内可以达到2.4kW,持续工作时,功率会保持在1.0kW。而根据市场的需求,博格华纳将更多地推广及应用48V的eBooster®。

    此外,如人们所知,传统涡轮增压动力系统带给驾驶者最大的困扰是涡轮迟滞,而eBooster®可在发动机低转速时按需提供增压,在排气流量还带不动涡轮增压器的叶轮时,由电机先驱动eBooster®介入工作,很好地解决涡轮迟滞现象;待排气流量变大后,通过废气带动涡轮增压器介入工作。因eBooster®由电机驱动,230毫秒就可以达到电子涡轮增压器的最大转速,车辆的加速性能和操控感得到显著提升,为驾驶者带来更强劲的动力体验。开发中的第二代eBooster®有望实现持续性工作,从而为小型发动机提供更好的低速扭矩且不会产生可察觉的涡轮迟滞现象。

    发动机的低速化和小型化是汽车提升燃油经济性、降低排放的重要技术路线。eBooster®使得汽车在加速、爬坡时,不需降档,直接在高挡位低转速的时候提供较大扭矩,从而实现了发动机的低转速化。而在小型化方面,以博格华纳eBooster®量产的首个项目戴姆勒S Class为例,eBooster®使其配备的发动机在功率不变的情况下由原来的4.8L,V8发动机变为3.0L,I6发动机。

    eBooster®能够很好地与和涡轮增压器相匹配,从而大幅提升燃油经济性。它们的配合相当于两级涡轮增压器,在这个过程中,eBooster® 在发动机高转速运转时保持2-3kW持续增压。在与发动机匹配过程中,由于eBooster® 在发动机低转速时具有很好的效果,涡轮增压器便可在和发动机匹配时更专注于发动机中高转速阶段,提供更好的增压效果。eBooster®本身非常小且轻便,并有良好的NVH效果,其电机效率为94%,通过eBooster®技术和涡轮增压器的完美匹配,整个增压系统可根据客户的特定需求进行优化。

    值得注意的是,博格华纳eBooster®不仅可与涡轮增压器配合使用形成二次增压,也能够独立应用于内燃机以及向燃料电池提供空气供给。博格华纳eBooster® 210ms的瞬时响应性,有效支持了中国城市路况中的频繁起停,进一步提升新能源发动机节能、清洁排放的效果。博格华纳目前48v eBooster®产品与P0的轻混框架,相得益彰,更进一步降低油耗;同时博格华纳即将推出高压电子增压器,以满足未来P2&P3混动的更高要求。

    与汽车行业整体趋势相合,目前涡轮增压器正朝着电气化方向发展。博格华纳的涡轮增压技术正由eBooster® 向eTurbo®迈进。eTurbo®是博格华纳正研发的一款由电能辅助的集成电机式涡轮增压器。这一产品最大的挑战是实现轴承概念和集成电机,并将很重的集成电机在涡轮增压器高转速下同时实现高速运转。目前博格华纳已经生产了一个实验样机,并且很多欧美OEM都已经拿到了样机开展实验。

    显然,关于涡轮增压,博格华纳所能玩出的“花样”并不局限于以上方面,但这足以证明,在汽车节能减排与电气化的过程中,涡轮增压技术还大有可为。也正是基于这一点,博格华纳对于其涡轮增压业务的发展有较高的预期,“在涡轮增压领域,博格华纳目前的市场份额几乎已经是半壁江山,未来预计会扩大市场覆盖率。” 倪广山如此表示。

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