淺談混動(dòng)背景下的發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)化

雖然如今純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展如火如荼，被認(rèn)為是零排放“終極”解決方案的燃料電池在我國(guó)也被確立為與純電動(dòng)汽車(chē)同等重要的技術(shù)路線。但是新技術(shù)從發(fā)生到普及到成為主流需要一個(gè)很長(zhǎng)的過(guò)程，在未來(lái)的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，內(nèi)燃機(jī)任然充當(dāng)著重要的角色。根據(jù)AVL的預(yù)測(cè)，到2030年仍然有80%以上的車(chē)輛需要搭載內(nèi)燃機(jī)，只是內(nèi)燃機(jī)的形式需要多樣化，基于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行改變，讓其更適應(yīng)混動(dòng)或者插電混車(chē)型，逐漸建立起新時(shí)期的具有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)的內(nèi)燃機(jī)型式。

前期文章中，動(dòng)力君曾與大家分享了AVL提出的內(nèi)燃機(jī)4.0概念，其中一個(gè)重要的概念就是內(nèi)燃機(jī)4.0=電氣化+網(wǎng)聯(lián)化。“電氣化”主要就是指發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)附件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電氣化，能量來(lái)源于電池，而非內(nèi)燃機(jī)本身的能量，這樣可以讓內(nèi)燃機(jī)的能量更為專注于輸出給車(chē)輛，而非驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)附件，減少相當(dāng)?shù)哪芰繐p失。另一大優(yōu)勢(shì)就是附件系統(tǒng)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)（如進(jìn)排氣、冷卻潤(rùn)滑等）將更加靈活。

在整車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電氣化的影響下，發(fā)動(dòng)機(jī)的電氣化趨勢(shì)亦是必然。尤其是在短期內(nèi)，隨著48V技術(shù)往深處發(fā)展，給發(fā)動(dòng)機(jī)的電氣化創(chuàng)造了有利的基礎(chǔ)條件。無(wú)論是汽油機(jī)還是柴油機(jī)，未來(lái)都將朝著48V電氣化的方向繼續(xù)發(fā)展。

就發(fā)動(dòng)機(jī)的附件系統(tǒng)而言，電氣化的思路其實(shí)并不復(fù)雜，保留基本的缸體缸蓋，其他附件系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化，如電動(dòng)水泵、電動(dòng)油泵、電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)、電動(dòng)增壓、電動(dòng)化氣門(mén)等等，解決發(fā)動(dòng)機(jī)本身的“煩惱”，讓發(fā)動(dòng)機(jī)“更專心的工作”。

如上圖所示，電動(dòng)化部件中，電動(dòng)壓縮機(jī)其實(shí)在現(xiàn)在的插電混車(chē)型中已經(jīng)非常常見(jiàn)，電動(dòng)油泵在混動(dòng)變速箱上的應(yīng)用也比較普及。下面我們通過(guò)一些舉例，來(lái)看一看已經(jīng)在開(kāi)發(fā)或者在應(yīng)用的其他電氣化部件的情況。

電動(dòng)氣門(mén)

最早在2016年，觀致就觀致3搭載了一臺(tái)1.6T無(wú)凸輪軸的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行全球首試。這項(xiàng)技術(shù)就來(lái)源于科尼塞克的電控氣門(mén)技術(shù)Freevavle，它在系統(tǒng)程序的控制下，可以自由的控制每一個(gè)氣門(mén)的開(kāi)啟，從而舍去了凸輪軸、正時(shí)鏈條等一系列復(fù)雜的配氣系統(tǒng)部件，同時(shí)也擺脫了這些“傳統(tǒng)”配氣部件對(duì)氣缸進(jìn)氣的“束縛”。

通過(guò)采用Freevavle系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鏈條驅(qū)動(dòng)凸輪軸結(jié)構(gòu)，根據(jù)公布數(shù)據(jù)，發(fā)動(dòng)機(jī)的重量得到進(jìn)一步減輕，降低25kg，發(fā)動(dòng)機(jī)高度和長(zhǎng)度分別減少50mm和70mm，在結(jié)構(gòu)更為緊湊的同時(shí)，相對(duì)1.6T原發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能提升45%，油耗降低15%。雖然賬面數(shù)據(jù)很好看，但是畢竟新技術(shù)，尚未能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，媒體實(shí)際試駕反饋，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出不夠平順，成熟度方面依然有待繼續(xù)提高。
 

2018年，CmconAutomotive公司向外界展示了最新開(kāi)發(fā)的智能閥門(mén)技術(shù)Intelligent Vlve Technology，與上述Freevavle系統(tǒng)最大的不同是，該閥門(mén)并不與曲柄軸相連，而是分別配置了各自的小型凸輪軸，通過(guò)電機(jī)控制，進(jìn)行自行調(diào)控。

該裝置可精準(zhǔn)地定時(shí)并改變凸輪軸的提升及持續(xù)時(shí)間，即控制閥開(kāi)操作及其持續(xù)時(shí)間，且不會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)性能方面作出設(shè)計(jì)妥協(xié)，在既定轉(zhuǎn)速下，當(dāng)凸輪軸處于低位時(shí)輸出動(dòng)力，提升燃油經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)凸輪軸處于高位時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行排氣。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在捷豹2.0L增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試，相對(duì)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，性能提升高達(dá)20%，燃油經(jīng)濟(jì)性改善7.5%。
 

電動(dòng)增壓
 

說(shuō)到電動(dòng)增壓，首先說(shuō)一下BorgWarner2017年推出的48VeBooster電子增壓器，eBooster技術(shù)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，目前的型號(hào)需要與渦輪增壓器共同工作，首款應(yīng)用在奔馳3.0L 直列六缸發(fā)動(dòng)機(jī)上，使其達(dá)到了4.8L V8發(fā)動(dòng)機(jī)相同的動(dòng)力性能水準(zhǔn)。

BorgWarner的eBooster，其功率是5?kW，最大轉(zhuǎn)速72?000?r/min，達(dá)到90%的最大轉(zhuǎn)速需230 ms。瞬時(shí)功率最大可以達(dá)到6.2?kW，在持續(xù)工作中，可以達(dá)到2～3?kW。OEM可以根據(jù)需要將eBooster布置在渦輪增壓器之前或者之后，這就相當(dāng)于兩級(jí)渦輪增壓，在這個(gè)過(guò)程中，eBooster在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)保持2～3?kW持續(xù)增壓，以輔助渦輪增壓器。這不僅可以大大提升發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)矩，并且能有效降低渦輪遲滯。
 

eBooster主要功能是起到輔助傳統(tǒng)渦輪的作用，但尚不能單獨(dú)承擔(dān)起增壓的重任，目前BorgWarner的渦輪增壓技術(shù)正由eBooster向eTurbo邁進(jìn)。eTurbo是BorgWarner正研發(fā)的一款由電能輔助的集成電機(jī)式渦輪增壓器。除了提供必備的增壓功能以外，eTurbo還能通過(guò)廢氣進(jìn)行能量回收，產(chǎn)生電能。

以上介紹的兩個(gè)電動(dòng)附件系統(tǒng)（電動(dòng)氣門(mén)、電動(dòng)增壓）相對(duì)比較復(fù)雜，其他諸如電動(dòng)水泵、電動(dòng)油泵就可以很好理解。以電動(dòng)水泵為例，機(jī)械水泵由于通過(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速始終與發(fā)動(dòng)機(jī)的速度呈正相關(guān)關(guān)系。因此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，水溫還較低時(shí)，機(jī)械水泵同樣會(huì)以一定速度運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶走大量熱量，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)升溫以及排放控制，并且浪費(fèi)了發(fā)動(dòng)機(jī)能量。那么電動(dòng)水泵就可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際溫度管理需求，靈活的控制轉(zhuǎn)速即冷卻液流量，從而使熱管理更加的精準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)。
 

總而言之，在48V或者混合動(dòng)力的大背景下，發(fā)動(dòng)機(jī)仍有很大的發(fā)展空間。在內(nèi)燃機(jī)4.0時(shí)代，OEM將會(huì)積極推出電氣化的混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)本身有望進(jìn)一步開(kāi)源節(jié)流，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的控制水平，提高熱效率，降低能量損失。