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电动涡轮增压将是重要的技术发展趋势
http://www.rpmnet.cn 2019-07-09 09:50:36 中国汽车报

  近几年,小排量涡轮增压发动机大行其道。有了涡轮增压的加持,发动机能够以更低的排量获得更强劲的动力,并且在节能减排方面表现更好。不过,传统的涡轮增压发动机从诞生以来发展了几十年,即使有很多厂商发展传统汽车涡轮技术,但涡轮迟滞带来的突兀感依旧无法避免。

  为了减少涡轮迟滞,汽车厂商想出来机械涡轮增压和电动涡轮增压技术。但是机械增压最大的问题就是它使用发动机自身的动力来带动工作,所以当发动机转速上升时,它会吸走越来越多的动力。正是这个原因,使得机械增压发动机的燃油效率往往较低。随着各国排放法规日益严格,各个车企对于发动机的燃油经济性要求也越来越高,而燃油效率比较低下的机械增压将逐渐被淘汰,电动涡轮增压或将成为未来汽车技术主流。

  在2019年上海车展盖瑞特展台的会议室中,仅对部分受约客户开放展示的一款新型电动涡轮增压器亮相。盖瑞特全球总裁兼首席执行官芮博廉介绍,这款产品将于2021年量产,其一体化的设计简化了封装难度和空间布置难度,它有助于发动机进一步降低燃油消耗、提升燃烧效率。电动涡轮增压器可以帮助车辆满足更严格循环工况测试下的油耗和排放要求,理论上可以使发动机达到理想的1∶1的空燃比,另外具备废热能量回收的功能,它产生的电能要比消耗的电能多。

  -电动涡轮增压所为何物

  普通涡轮增压的工作原理很简单,发动机排出的废气驱动排气端涡轮叶片转动,进气端叶片也跟着转动,从而压缩新鲜空气进入发动机。而电动涡轮,顾名思义,是靠电力来驱动涡轮旋转的,这点和普通涡轮有明显区别。

  对于普通废气涡轮来说,涡轮迟滞现象是与生俱来的缺点,但电动涡轮在不损耗发动机能耗的前提下,很好地解决了涡轮迟滞现象。在发动机低速运转时,排气流量还带不动涡轮增压器的叶轮时,由电机先驱动电动涡轮介入工作,提供增压。等到排气流量变大后,即通过废气带动涡轮增压器介入工作。在发动机转速较高时,发动机排出的废气足以驱动废气涡轮,此时废气涡轮就可单独工作,电动涡轮可停止转动,以节约电能。涡轮迟滞现象的消除给驾驶者带来了更强劲的动力体验,可以在更短的时间内,使扭矩达到最大值。

  -电动涡轮需要48V电气系统

  因为电动涡轮的驱动力来自于电机,若是驱动电动达不到一定的转速,增压效果也会大打折扣,因此电动涡轮的出现对电机技术提出了更高要求。要想电机达到更高转速,传统12V电压肯定不够,一套电压更高的车用电源系统必不可少,因此这就牵涉到了另一项技术:48V电气系统。

  以奔驰全新S500车型为例,它采用博格华纳提供的eBooster电动涡轮,装在全新的M256直列6缸发动机上。依托于48V电源,该电动涡轮额定功率5kW,最高瞬时功率6.2kW,持续工作功率2kW至3kW,最高转速高达72000rpm,并且在230毫秒内就能够实现90%的最大转速工作。电动涡轮的效果是明显的,基本消除了涡轮迟滞现象,提供稳定的增压效果,使发动机动力输出更加平顺舒适,更符合S级的产品形象。与之前的8缸发动机相比,其6缸发动机在动力参数上丝毫不逊色,并且在油耗和排放方面还有更好的表现。

  -国内外技术差距大

  上海交通大学机械与动力工程学院副教授石磊向《中国汽车报》记者介绍,电动涡轮增压技术的优势非常明显,能减少涡轮迟滞、增加车辆低速扭矩、提升燃油经济性。该技术有三个应用方向:一是应用在传统燃油车上,单纯在废弃涡轮的基础上,加装一个电动涡轮;二是在电动涡轮和废气涡轮之间,加入发电机,回收废气涡轮多余的能量来发电;三是集成应用在48V混动和氢燃料电池车型上。

  对于记者提出的“为什么氢燃料电池汽车上要应用电动涡轮”的疑问,石磊解释,在氢燃料电池汽车上加装电动涡轮,可以增加进气量,加快氢燃料电池化学反应速率,从而提高氢燃料电池发动机的能量密度。

  石磊介绍,电动涡轮增压技术目前掌握在国外几大零部件企业手上,并已经搭载在市售车型上,如奔驰、奥迪部分高性能车型,系统复杂和成本高昂是该技术还未大面积使用的重要原因。国内一些企业虽然也在做相关的研究,但技术水平和国外相比差距较大,同时也无法造出高速高效的电机和满足要求的轴承。对于国内车企如何面对电动增压这一技术趋势,石磊直言不讳地表示,“可以直接向国外供应商购买。”

  -混动技术加速布局

  随着对燃油效率提升的研发深入,业内分析机构普遍认为电动化的混合动力系统代表了最大的增长机会。行业分析机构IHS预测,到2025年,全球轻型汽车产量预计将接近每年1.1亿辆。其中混合动力汽车将达到3300万辆,或在全球新车占比达到30%。为了提升小型化发动机的动力表现,76%的混合动力汽车将使用涡轮增压技术。

  芮博廉认为,电气化是2019上海车展非常明确的展出方向,涡轮增压器的电气化也是市场非常欢迎的新技术,这种技术在混动和氢燃料电池汽车上的应用比例将超过传统内燃机市场。随着混动技术加速布局,电动涡轮增压大有可为。

  石磊也表示,电动涡轮增压技术不仅能够实现更好的燃效和燃油经济性,在排放方面也有可以起到一定改善作用,并且对于驾驶者而言,它还可以实现更为顺滑的动力输出表现。虽然目前搭载电动涡轮增压技术的车型主要还是高性能车以及一些旗舰豪华车。这主要是因为电子涡轮结构复杂成本较高,但是随着时间的推移,电动涡轮增压技术的逐渐成熟以及相关配件的生产成本降低,电子涡轮将在大部分车型上进行装备。

  “在排放法规日趋严格的背景下,我非常看好电动涡轮增压技术。”石磊毫不掩饰对电动涡轮增压技术的支持。(记者张玉)

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