淺談混動背景下的發(fā)動機電動化

雖然如今純電動汽車的發(fā)展如火如荼，被認為是零排放“終極”解決方案的燃料電池在我國也被確立為與純電動汽車同等重要的技術(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很長的過程，在未來的很長一段時間內(nèi)，內(nèi)燃機任然充當(dāng)著重要的角色。根據(jù)AVL的預(yù)測，到2030年仍然有80%以上的車輛需要搭載內(nèi)燃機，只是內(nèi)燃機的形式需要多樣化，基于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機進行改變，讓其更適應(yīng)混動或者插電混車型，逐漸建立起新時期的具有相當(dāng)優(yōu)勢的內(nèi)燃機型式。

前期文章中，動力君曾與大家分享了AVL提出的內(nèi)燃機4.0概念，其中一個重要的概念就是內(nèi)燃機4.0=電氣化+網(wǎng)聯(lián)化。“電氣化”主要就是指發(fā)動機的相關(guān)附件系統(tǒng)實現(xiàn)電氣化，能量來源于電池，而非內(nèi)燃機本身的能量，這樣可以讓內(nèi)燃機的能量更為專注于輸出給車輛，而非驅(qū)動系統(tǒng)附件，減少相當(dāng)?shù)哪芰繐p失。另一大優(yōu)勢就是附件系統(tǒng)對于發(fā)動機調(diào)節(jié)（如進排氣、冷卻潤滑等）將更加靈活。

在整車驅(qū)動系統(tǒng)電氣化的影響下，發(fā)動機的電氣化趨勢亦是必然。尤其是在短期內(nèi)，隨著48V技術(shù)往深處發(fā)展，給發(fā)動機的電氣化創(chuàng)造了有利的基礎(chǔ)條件。無論是汽油機還是柴油機，未來都將朝著48V電氣化的方向繼續(xù)發(fā)展。

就發(fā)動機的附件系統(tǒng)而言，電氣化的思路其實并不復(fù)雜，保留基本的缸體缸蓋，其他附件系統(tǒng)逐步實現(xiàn)電動化，如電動水泵、電動油泵、電動空調(diào)壓縮機、電動增壓、電動化氣門等等，解決發(fā)動機本身的“煩惱”，讓發(fā)動機“更專心的工作”。

如上圖所示，電動化部件中，電動壓縮機其實在現(xiàn)在的插電混車型中已經(jīng)非常常見，電動油泵在混動變速箱上的應(yīng)用也比較普及。下面我們通過一些舉例，來看一看已經(jīng)在開發(fā)或者在應(yīng)用的其他電氣化部件的情況。

電動氣門

最早在2016年，觀致就觀致3搭載了一臺1.6T無凸輪軸的發(fā)動機進行全球首試。這項技術(shù)就來源于科尼塞克的電控氣門技術(shù)Freevavle，它在系統(tǒng)程序的控制下，可以自由的控制每一個氣門的開啟，從而舍去了凸輪軸、正時鏈條等一系列復(fù)雜的配氣系統(tǒng)部件，同時也擺脫了這些“傳統(tǒng)”配氣部件對氣缸進氣的“束縛”。

通過采用Freevavle系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鏈條驅(qū)動凸輪軸結(jié)構(gòu)，根據(jù)公布數(shù)據(jù)，發(fā)動機的重量得到進一步減輕，降低25kg，發(fā)動機高度和長度分別減少50mm和70mm，在結(jié)構(gòu)更為緊湊的同時，相對1.6T原發(fā)動機動力性能提升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)，尚未能實現(xiàn)量產(chǎn)，媒體實際試駕反饋，發(fā)動機動力輸出不夠平順，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發(fā)的智能閥門技術(shù)Intelligent Vlve Technology，與上述Freevavle系統(tǒng)最大的不同是，該閥門并不與曲柄軸相連，而是分別配置了各自的小型凸輪軸，通過電機控制，進行自行調(diào)控。

該裝置可精準(zhǔn)地定時并改變凸輪軸的提升及持續(xù)時間，即控制閥開操作及其持續(xù)時間，且不會在發(fā)動機性能方面作出設(shè)計妥協(xié)，在既定轉(zhuǎn)速下，當(dāng)凸輪軸處于低位時輸出動力，提升燃油經(jīng)濟性。當(dāng)凸輪軸處于高位時，發(fā)動機進行排氣。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在捷豹2.0L增壓發(fā)動機上進行了測試，相對傳統(tǒng)發(fā)動機，性能提升高達20%，燃油經(jīng)濟性改善7.5%。
 

電動增壓
 

說到電動增壓，首先說一下BorgWarner2017年推出的48VeBooster電子增壓器，eBooster技術(shù)由電機驅(qū)動，目前的型號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)動機上，使其達到了4.8L V8發(fā)動機相同的動力性能水準(zhǔn)。

BorgWarner的eBooster，其功率是5?kW，最大轉(zhuǎn)速72?000?r/min，達到90%的最大轉(zhuǎn)速需230 ms。瞬時功率最大可以達到6.2?kW，在持續(xù)工作中，可以達到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)于兩級渦輪增壓，在這個過程中，eBooster在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時保持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)動機在各個轉(zhuǎn)速時的轉(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。eTurbo是BorgWarner正研發(fā)的一款由電能輔助的集成電機式渦輪增壓器。除了提供必備的增壓功能以外，eTurbo還能通過廢氣進行能量回收，產(chǎn)生電能。

以上介紹的兩個電動附件系統(tǒng)（電動氣門、電動增壓）相對比較復(fù)雜，其他諸如電動水泵、電動油泵就可以很好理解。以電動水泵為例，機械水泵由于通過皮帶驅(qū)動，其轉(zhuǎn)速始終與發(fā)動機的速度呈正相關(guān)關(guān)系。因此，當(dāng)發(fā)動機啟動，水溫還較低時，機械水泵同樣會以一定速度運轉(zhuǎn)，從而帶走大量熱量，不利于發(fā)動機升溫以及排放控制，并且浪費了發(fā)動機能量。那么電動水泵就可以根據(jù)發(fā)動機的實際溫度管理需求，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。
 

總而言之，在48V或者混合動力的大背景下，發(fā)動機仍有很大的發(fā)展空間。在內(nèi)燃機4.0時代，OEM將會積極推出電氣化的混動專用發(fā)動機，發(fā)動機本身有望進一步開源節(jié)流，提升發(fā)動機的控制水平，提高熱效率，降低能量損失。