汽車節(jié)能減排與電氣化轉型，渦輪增壓技術大有可為

面對日益嚴峻的環(huán)境和資源壓力，國家對于汽車節(jié)能減排的要求不斷提升。今年4月，備受關注的《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》（即：“雙積分”政策）正式實施，燃油排放控制與新能源領域成為車企關注的重中之重。此前國家已對我國乘用車平均燃料消耗量水平做出了在2020年下降至5L/100km的要求，近日，國務院印發(fā)的《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》更是提出多個重點區(qū)域將于2019年7月1日起提前實施國六排放標準。這一系列規(guī)范時限緊迫、力度空前，使得更多車企將目光轉向渦輪增壓技術，以提升燃油經(jīng)濟性與推動電氣化雙管齊下，應對全面進入新能源時代前的過渡階段。


2018博格華納渦輪增壓系統(tǒng)技術研討會暨中國技術中心渦輪增壓研發(fā)部揭幕典禮現(xiàn)場

在內燃機及混動汽車領域，發(fā)動機排量小型化的趨勢愈加明顯，渦輪增壓技術憑借其在降低油耗及節(jié)能減排方面的巨大優(yōu)勢，迎來了極大的市場機遇。近日，內燃機、混合動力和電動汽車清潔高效驅動系統(tǒng)解決方案的全球領先供應商博格華納在上海成立了其中國技術中心渦輪增壓研發(fā)部，該研發(fā)部擁有先進的實驗室及工程能力，可滿足客戶及博格華納研發(fā)人員的測試需求。自此，博格華納在上海、太倉、寧波三地實現(xiàn)了渦輪增壓業(yè)務布局，將形成“以點帶面”效應，以更快的響應速度及更高的本地化研發(fā)能力為廣范的市場提供更為優(yōu)質的客戶服務。

值此之際，博格華納同期舉行了2018渦輪增壓系統(tǒng)技術研討會。會上，博格華納技術專家重點分享了該公司迎戰(zhàn)中國應用需求的新一代增壓技術以及博格華納增壓器應對電氣化市場的技術策略。

博格華納首創(chuàng)的汽油機可變截面渦輪增壓器（VTG）通過改變廢氣渦輪的進氣截面，能大大提升渦輪增壓器的響應和增壓效率。該技術始于2002年與保時捷的合作，博格華納對原用于柴油發(fā)動機的VTG渦輪增壓器進行重新設計，使其能夠應對高達1000°C的廢氣溫度，從而適用于汽油發(fā)動機。在配備此款汽油發(fā)動機的保時捷車型量產(chǎn)后的十年間，博格華納對汽油機VTG渦輪增壓技術進行了持續(xù)的革新，推出面向各類汽油發(fā)動機的VTG渦輪增壓器。2017年，博格華納成功研發(fā)出了基于第六代產(chǎn)品設計的汽油機VTG渦輪增壓器，在裝配和結構上進行了更新?lián)Q代，進一步提高了空氣動力學效率和可靠性，使其與混合動力汽車的新型內燃機系統(tǒng)也能完美匹配，勢將成為未來清潔節(jié)能推進系統(tǒng)的核心組件。預計，該款VTG渦輪增壓器將于2019年年中廣泛投入市場。

博格華納新一代汽油機VTG渦輪增壓器能在保持發(fā)動機卓越性能的同時提高成本效益。博格華納對其VTG渦輪增壓器的材料和設計進行了優(yōu)化，使其更堅固，從而能夠承受汽油發(fā)動機的高熱負荷，保證在最惡劣的條件下也能可靠運行。此外，最新的VTG技術配備了一個強大的電動執(zhí)行器，可根據(jù)實際應用工況需求，快速、精準地調節(jié)導向葉片，實現(xiàn)接近瞬時加速的效果和最優(yōu)化的功率輸出。通過改變渦輪機葉輪入口處的流入角度和速度，VTG的渦輪可以迅速提升葉輪轉速，增加泵氣能力，進而提高發(fā)動機的瞬時響應速度；博格華納的專利S形導流葉片充分進行了空氣動力學優(yōu)化，進一步提升了VTG增壓器渦端效率和做功能力，從而更深度地增強整個發(fā)動機系統(tǒng)的動力性。先進的汽油VTG技術能帶來出色的油門響應和平穩(wěn)的動力輸送，同時提高發(fā)動機的燃油效率，降低排放，適用于更多類型的汽車。

博格華納的汽油機VTG渦輪增壓技術迎合了全球日益高漲的節(jié)能高效發(fā)動機的需求，適用于多種類型的汽車，為改善環(huán)境質量做出貢獻

此外，博格華納汽油機VTG渦輪增壓器與米勒循環(huán)發(fā)動機可組成最佳“黃金組合”，有利于未來搭配電動機組成混合動力系統(tǒng)，為混合動力汽車大規(guī)模市場化做準備。米勒循環(huán)發(fā)動機通過改變進氣門關閉角度控制發(fā)動機負荷，從而減少了發(fā)動機高速高負荷下的爆震問題，能夠減少發(fā)動機在該條件下為避免爆震而采取的過濃燃燒甚至完全實現(xiàn)燃油和空氣的當量燃燒。發(fā)動機的膨脹比大于壓縮比，在膨脹行程中可最大限度的將熱能轉化為機械能，達到改善發(fā)動機熱效率、降低燃油消耗的目的。因此米勒循環(huán)發(fā)動機的壓縮比要比傳統(tǒng)的奧拓循環(huán)發(fā)動機更高，同時這種進排氣方式會導致發(fā)動機的容積效率較低，升功率和升扭矩有所犧牲。

為達到相同的性能目標，增壓發(fā)動機勢在必行。通過VTG渦輪增壓器結合米勒循環(huán)工作模式，可同時兼顧低速和高功率兩端的性能要求，通過小開角的導向葉片實現(xiàn)低速強勁的做功能力，同時在發(fā)動機高功率高轉速工況下?lián)碛休^低的排氣背壓，從而提高發(fā)動機高轉速下的整體效率。另外在較低發(fā)動機排放溫度下運行的米勒循環(huán)使得汽油VTG采用更為經(jīng)濟的核心調節(jié)系統(tǒng)材料變得更加可能，也進一步讓汽油VTG技術從原來高端汽車應用變成更具有普適性的技術。

作為博格華納最新的創(chuàng)新型電氣化解決方案，eBooster®電子增壓器技術能夠成為傳統(tǒng)渦輪增壓系統(tǒng)的絕佳補充，大幅提升燃油經(jīng)濟性并降低排放。eBooster®電子增壓器集成了電子器件，由電機驅動，目前其第一代產(chǎn)品需與渦輪增壓器共同工作。以下游布局eBooster®為例，在最初的怠速階段，僅有渦輪增壓器進行工作，空氣進入渦輪增壓器壓縮后進入發(fā)動機。當汽車處于加速、爬坡或其他瞬態(tài)發(fā)動機增壓工況時，閥門打開，空氣經(jīng)由渦輪增壓器壓縮，進入eBooster®，最后再進入發(fā)動機。當發(fā)動機表現(xiàn)達到穩(wěn)定的需求狀況時，eBooster®就會停止運轉，全部空氣受到渦輪增壓器增壓后即進入發(fā)動機。當然，eBooster®的布局方式并不局限于下游布局，根據(jù)客戶需求，eBooster®也可被放置在渦輪增壓器之前。eBooster®技術配備了無刷直流電機和釤鈷磁體，具有出色的效率，其電機還采用了球軸承技術，不需任何的油路供給，可以自我進行潤滑。除靈活安裝外，該技術還可減少尾氣中的熱質量，從而加快后處理系統(tǒng)的加熱速度。


eBooster®產(chǎn)品圖

eBooster®可使用12V及48V兩種電源。48V eBooster®適用于3.0發(fā)動機，其功率為5kW到6kW，最大轉速在70,000轉，達到90%的最大扭矩所需270毫秒。在很短的時間內可以達到6.2kW，在持續(xù)工作中，可達到2-3kW。應用eBooster®的48V系統(tǒng)可使燃油效率提升多達35%。此外，博格華納也提供適用于小型發(fā)動機的12V eBooster®，其功率為1.7kW，在很短的時間內可以達到2.4kW，持續(xù)工作時，功率會保持在1.0kW。而根據(jù)市場的需求，博格華納將更多地推廣及應用48V的eBooster®。

 eBooster®原理結構圖（下游布局）

如人們所知，傳統(tǒng)渦輪增壓動力系統(tǒng)帶給駕駛者最大的困擾是渦輪遲滯，而eBooster®可在發(fā)動機低轉速時按需提供增壓，在排氣流量還帶不動渦輪增壓器的葉輪時，由電機先驅動eBooster®介入工作，很好地解決渦輪遲滯現(xiàn)象；待排氣流量變大后，通過廢氣帶動渦輪增壓器介入工作。因eBooster®由電機驅動，230毫秒就可以達到電子渦輪增壓器的最大轉速，車輛的加速性能和操控感得到顯著提升，為駕駛者帶來更強勁的動力體驗。開發(fā)中的第二代eBooster®有望實現(xiàn)持續(xù)性工作，從而為小型發(fā)動機提供更好的低速扭矩且不會產(chǎn)生可察覺的渦輪遲滯現(xiàn)象。


數(shù)據(jù)來源: 福特野馬2.3L EcoBoost測試車，并且我們匹配了另外一個渦輪增壓器使用數(shù)據(jù)時請換算數(shù)據(jù)至Nm(1ft-lbs=1.3558Nm)

發(fā)動機的低速化和小型化是汽車提升燃油經(jīng)濟性、降低排放的重要技術路線。eBooster®使得汽車在加速、爬坡時，不需降檔，直接在高擋位低轉速的時候提供較大扭矩，從而實現(xiàn)了發(fā)動機的低轉速化。而在小型化方面，以博格華納eBooster®量產(chǎn)的首個項目戴姆勒S Class為例，eBooster®使其配備的發(fā)動機在功率不變的情況下由原來的4.8L，V8發(fā)動機變?yōu)?.0L，I6發(fā)動機。

eBooster®能夠很好地與和渦輪增壓器相匹配，從而大幅提升燃油經(jīng)濟性。它們的配合相當于兩級渦輪增壓器，在這個過程中，eBooster® 在發(fā)動機高轉速運轉時保持2-3kW持續(xù)增壓。在與發(fā)動機匹配過程中，由于eBooster® 在發(fā)動機低轉速時具有很好的效果，渦輪增壓器便可在和發(fā)動機匹配時更專注于發(fā)動機中高轉速階段，提供更好的增壓效果。eBooster®本身非常小且輕便，并有良好的NVH效果，其電機效率為94%，通過eBooster®技術和渦輪增壓器的完美匹配，整個增壓系統(tǒng)可根據(jù)客戶的特定需求進行優(yōu)化。

博格華納eBooster®不僅可與渦輪增壓器配合使用形成二次增壓，也能夠獨立應用于內燃機以及向燃料電池提供空氣供給。博格華納eBooster® 210ms的瞬時響應性，有效支持了中國城市路況中的頻繁起停，進一步提升新能源發(fā)動機節(jié)能，清潔排放的效果。博格華納目前48v eBooster®產(chǎn)品與P0的輕混框架，相得益彰，更進一步降低油耗；同時博格華納即將推出高壓電子增壓器，以滿足未來P2&P3混動的更高要求。



博格華納在汽車行業(yè)有著超過130年的經(jīng)驗，作為前瞻性驅動系統(tǒng)解決方案的世界領先者，致力于幫助汽車制造商和消費者實現(xiàn)更潔凈、更節(jié)能的世界并以高度創(chuàng)新的技術應對未來挑戰(zhàn)。渦輪增壓器在近幾十年歷經(jīng)的爆發(fā)式增長，源于市場對節(jié)能減排的迫切需求，也源于發(fā)動機小型化的發(fā)展趨勢。自1999年收購德國3K和美國Schwitzer渦輪增壓器業(yè)務開始進入這一領域，博格華納也為此不斷進行技術創(chuàng)新：從普通旁通閥式渦輪增壓器到雙流道渦輪增壓器，汽油機VTG渦輪增壓器，兩級渦輪增壓器，三級渦輪增壓器，再到博格華納最新的eBooster®電子增壓器技術。

與汽車行業(yè)整體趨勢相合，目前渦輪增壓器正朝著電氣化方向發(fā)展。博格華納的渦輪增壓技術正由eBooster® 向eTurbo®邁進。eTurbo®是博格華納正研發(fā)的一款由電能輔助的集成電機式渦輪增壓器。這一產(chǎn)品最大的挑戰(zhàn)是實現(xiàn)軸承概念和集成電機，并將很重的集成電機在渦輪增壓器高轉速下同時實現(xiàn)高速運轉。目前博格華納已經(jīng)生產(chǎn)了一個實驗樣機，并且很多歐美OEM都已經(jīng)拿到了樣機開展實驗。這些面向未來的解決方案，不僅可以應用于傳統(tǒng)的內燃機車輛，還適用于混合動力及燃料電池車，推動汽車市場在節(jié)能減排與電氣化之路大步邁進。