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传统节能减排与动力电气化需求并行 涡轮增压两大“黄金组合”浮出

2017-10-17盖世汽车

汽车圈有关节能减排的讨论由来已久,但这一需求却从来没有像今天这般迫切。近几年,我们清楚地看到,基于环境以及法规方面的压力,车企们一面加大改进传统内燃机,一面加大投资做了更多的混合动力以及新能源,使得汽车市场开始“别有一番景象”。不过,尽管未来新能源及混合动力的比重必定有所增加,但同样不可否认,以上几种动力类型并行的局面还将保持相当长的时间。

博格华纳涡轮增压系统中国区及泰国区副总裁兼总经理倪广山近日在接受媒体访问时就曾提到,整个市场确实在走向一个电气化的发展趋势,但是这并不意味着传统内燃机就消失殆尽了。实际上,今天甚至在今后的10年、20年之内,传统内燃机仍然将占有比较大的份额。其近期的一份报告更是明确指出,以内燃机为基础的车型仍然在继续增长,并且在2027年仍将占据95%的份额。

既然内燃机还将存在相当长的时间,那么其节能增效方面的需求定会只增不减。如此一来,作为如今已被各大汽车厂商广泛使用的涡轮增压技术也将有很大的发展空间。原因很简单,涡轮增压技术对于降低尾气排放、提升性能以及节省燃油消耗都有一定的贡献,而这一技术在混动车型中的应用,也证明它同样能够适用于汽车电气化的发展趋势。倪广山预计,今年涡轮增压市场的增长应该会在15%左右,高于汽车整体市场的增长,并且未来3-5年的增长率还会保持在这个水平。 

当然,在需求增长的同时,涡轮增压技术必须在当前的水平上进行升级,唯有如此才能够迎合更为严苛的油耗排放法规,满足主机厂更长时期的需求。针对此,汽车厂商以及零部件供应商们的开发早已紧锣密鼓地展开,他们给出的方案也可谓精彩纷呈。而以下两种被称为“黄金组合”的方案正在为业界所关注与尝试。 

米勒循环+汽油机VTG

涡轮增压虽好,但其也有不可忽视的硬伤——为了满足高速高负荷更好的性能更好的增压效果,采用大涡轮就免不了大的涡轮迟滞,为了减少涡轮迟滞以及满足发动机低速扭矩的需求,采用小涡轮又会导致增压效果弱,似乎总不能两全。不过市场中出现的可变截面涡轮增压技术(VTG)一定程度解决了这一问题。 

根据旁通式增压器的机理,它会在高速的时候有一定的放气,放气会导致效率上的降低,并且发动机的整个背压会有所提升,所以会导致整个发动机效率的降低。而VTG不存在放气的问题,所有的废气都会进行做功,相比旁通式增压器,能够既满足低速扭矩需求,同时能够提高发动机高速高负荷时增压器的整级效率。同时VTG技术通过导向叶片的角度调整,能够改善叶轮转动惯量产生的迟滞。不过,不可忽视的是,受限于汽油发动机排气的超高温度,这种技术此前只能用在柴油发动机上。 

而后,博格华纳与保时捷共同研发出了能在汽油机上使用的VTG技术。如今,博格华纳这一技术经过多年已经发展到第六代,预计很快将会进行SOP。据了解,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。此外,最新的VTG技术配备了一个强大的电动执行器,快速、精确地调节导向叶片,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,博格华纳的专利S形导叶片可调节VTG涡轮机的输出功率,在极低的转速下提高热动力和发动机响应速度。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。 

VTG的市场潜力之所以被看好,还得益于业界对于米勒循环的热衷,随着法规的日益严苛,米勒循环凭借不错的节油效果而被很多汽车厂商所看重,相应的增压需求自然也就增长了起来。博格华纳涡轮增压系统应用工程总监Marc Neel表示,博格华纳目前在全球有相当数量的汽油发动机VTG的项目正在开发和接近SOP的过程当中。而在这些项目之中,有80%是针对米勒循环的。 

熟悉米勒循环的人士应该知道,与普通的动力系统相比,这一模式通过气门的晚关和早开,可以使排温从传统的1000多度降低到950度甚至更低,而当你的排温有所降低的时候,系统对于各方面的材料和耐久的要求就会降低很多,加快了VTG 在汽油发动机中的使用。Marc Neel透露,目前博格华纳的VTG方案还是主要以柴油机为主,不过针对950度汽油机的VTG方案已经在进行一些项目的测试,相关进展正在加快,针对1000度以上的方案也在持续开发当中。 

此外,他还指出,VTG在技术上的持续的改进,能够让它配合现在发动机的要求,达到更高的要求。与此同时,如今汽油机VTG已经变得更加平民化,不再是只能用于豪华跑车上的技术,其价格已经可以和一定的旁通式增压器的价格相竞争。可以预见,随着市场对于发动机效率和排放的要求不断提高,汽油发动机VTG的市场潜力将十分可观。

48V+eBooster

混动车会是一个在未来相当长的一段时间内,可能是一个比较主流的技术。而在整个混动市场中,48V系统也将成为不可忽视的一股力量。

不难看到,随着国内外油耗和排放法规日益严苛,各大主机厂开始着力研发具有超高燃油经济性的动力系统,兼顾油耗排放法规与成本的48V弱混技术成为了“新宠”。据IHS《全球洞察》预测,截至到2025年,48V混动汽车的市场占有率将占全球轻度混动车市场的95%,几乎将是全球混动汽车总量的一半。更重要的是,中国未来将成为48V技术的主要市场,到2025年大约会有接近800万台的48V车型在中国生产。 

毫无疑问,48V的发展推动了一系列相关产品的需求,eBooster®也是其一。倪广山表示,如果真正48伏推广起来的话,eBooster®的优势将会非常明显。

涡轮增压,电子增压,米勒循环

今年5月份,博格华纳48伏eBooster®电子涡轮增压器日前成功应用于戴姆勒最新的3.0升汽油发动机中。该发动机将结合eBooster®电子涡轮增压技术与博格华纳的涡轮增压技术,实现了更优化的低速扭矩输出,同时根据需要进行增压,可避免明显的涡轮迟滞现象。值得一提的是,应用eBooster®的48V系统可使燃油效率提升多达35%,能显著降低排放。 

那么,eBooster®是如何具体实现这些效果的?笔者将其简单总结为以下几点:

首先,eBooster® 电子驱动技术与涡轮增压器协同工作: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eBooster®介入工作,提供增压。等到排气流量变大后,通过废气带动另一个涡轮增压器介入工作。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,扭矩达到最大值。因eBooster®由电机驱动,230毫秒就可以达到电子增压器的最大转速。车辆的加速性能和操控感得到显著提升。 

其次,配备了eBooster®之后,可将变速箱和差速器等一系列传动装置与发动机相匹配,使发动机在既定的高速路工况下以每分钟较低的转速运转。例如:汽车加速、爬坡的时候,驾驶员一般换到低档位,降档升转速,然后踩油门加速,由此一来,扭矩会比较大。而使用了eBooster®之后,不需要降档,可直接在高挡位低转速时提供较大扭矩,从而实现了发动机的低转速化,以降低油耗和排放。 

此外,通过缩小发动机的尺寸,eBooster®技术可使燃油和混合动力汽车的燃油效率提升5%到10%。

当然,eBooster®并不是涡轮增压的电气化的唯一方案。博格华纳还正在开发eTurbo®的技术。博格华纳的eTurbo®是由电能辅助的集成电机式涡轮增压器。这一产品所面临的最大挑战是实现轴承概念和集成电机,电机驱动和涡轮增压概念的集成必然对轴系高转速下的稳定性和耐久性提出更高的要求。这个技术的亮点还包括高效的电能搜集功能,是一个更为节能高效的增压系统。据了解,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。

盖世小结:总而言之,在传统节能减排与动力电气化需求并行的情况之下,各类方案的接连出现将给汽车厂商带来更多的选择,而以上所提到的两大“黄金组合”也必定会俘获不少汽车厂商。当然,正如博格华纳涡轮增压系统工程研发总监彩霞博士在接受采访时所说,汽车整体性能或是燃油效果的提升并非依靠某一款产品或是某一部件来实现的,还需要相关材料、部件或是主机厂相关系统的“完美契合”,如此才能够更好体现它的价值。

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