汽車節(jié)能、減排升級(jí)，渦輪增壓技術(shù)大有可為
——博格華納成立中國(guó)技術(shù)中心渦輪增壓研發(fā)部

祝晨彥 拂 曉 文/圖

面對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境和資源壓力，國(guó)家對(duì)汽車節(jié)能減排的要求不斷提升。2012年7月國(guó)務(wù)院發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃 (2012—2020 年 )》提出“到2020年，當(dāng)年生產(chǎn)的乘用車平均燃料消耗量降至5.0 L/100 km，節(jié)能型乘用車燃料消耗量降至4.5 L/100 km以下；商用車新車燃料消耗量接近國(guó)際先進(jìn)水平?！?018年4月《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》(俗稱：“雙積分”政策)正式實(shí)施。2018年7月國(guó)務(wù)院印發(fā)的《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》提出“2019年7月1日起，重點(diǎn)區(qū)域、珠三角地區(qū)、成渝地區(qū)提前實(shí)施國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)?！边@一系列政策法規(guī)力度空前且時(shí)限緊迫，促使更多車企將目光轉(zhuǎn)向渦輪增壓技術(shù)。

2018博格華納渦輪增壓系統(tǒng)技術(shù)研討會(huì)暨中國(guó)技術(shù)中心渦輪增壓研發(fā)部揭幕典禮現(xiàn)場(chǎng)

作為內(nèi)燃機(jī)、混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車方面全球領(lǐng)先的清潔高效動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)解決方案供應(yīng)商，博格華納認(rèn)為，在內(nèi)燃機(jī)及混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域，渦輪增壓技術(shù)憑借其在節(jié)能減排方面的巨大優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)并將繼續(xù)迎來(lái)極大的市場(chǎng)機(jī)遇。

為了助力汽車行業(yè)迎接新的挑戰(zhàn)，近日博格華納在上海成立了其中國(guó)技術(shù)中心渦輪增壓研發(fā)部。該研發(fā)部擁有先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室及工程研發(fā)能力，可滿足客戶及博格華納研發(fā)人員的測(cè)試需求。至此，博格華納在上海、太倉(cāng)、寧波3地實(shí)現(xiàn)了渦輪增壓業(yè)務(wù)布局，將形成“以點(diǎn)帶面”效應(yīng)，以更快的響應(yīng)速度和更高的本地化研發(fā)能力為廣泛的市場(chǎng)提供更為優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

同期，博格華納還舉行了2018渦輪增壓系統(tǒng)技術(shù)研討會(huì)。會(huì)上，博格華納技術(shù)專家重點(diǎn)分享了該公司應(yīng)對(duì)中國(guó)市場(chǎng)需求的新一代增壓技術(shù)以及博格華納增壓器應(yīng)對(duì)電氣化市場(chǎng)的技術(shù)策略。

第7代汽油機(jī)VTG渦輪增壓器：預(yù)計(jì)2019年廣泛投放市場(chǎng)

博格華納首創(chuàng)的汽油機(jī)可變截面渦輪增壓器(VTG)，通過(guò)改變廢氣渦輪的進(jìn)氣截面，大大提升了渦輪增壓器的響應(yīng)速度和增壓效率。該技術(shù)始于2002年與保時(shí)捷的合作。博格華納對(duì)原用于柴油機(jī)的VTG渦輪增壓器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使其能夠應(yīng)對(duì)高達(dá)1 000 ℃的廢氣溫度，從而適用于汽油機(jī)。在配備此款汽油機(jī)的保時(shí)捷車型量產(chǎn)后的10年間，博格華納對(duì)汽油機(jī)VTG渦輪增壓技術(shù)進(jìn)行了持續(xù)革新，推出了面向各類汽油機(jī)的VTG渦輪增壓器。2017年，博格華納成功研發(fā)出了基于第6代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的汽油機(jī)VTG渦輪增壓器(可稱為第7代，編者注)，在裝配和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了更新?lián)Q代，進(jìn)一步提高了空氣動(dòng)力學(xué)效率和可靠性，使其與混合動(dòng)力汽車的新型內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)也能完美匹配，勢(shì)將成為未來(lái)清潔節(jié)能推進(jìn)系統(tǒng)的核心組件。預(yù)計(jì)，該款VTG渦輪增壓器于2019年廣泛投入市場(chǎng)。

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

1.適用于更多類型的汽油汽車

博格華納新一代汽油機(jī)VTG渦輪增壓器能在保持發(fā)動(dòng)機(jī)卓越性能的同時(shí)提高成本效益。博格華納對(duì)其VTG渦輪增壓器的材料和設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，使其更堅(jiān)固，從而能夠承受汽油機(jī)的高熱負(fù)荷，保證在最惡劣的條件下也能可靠運(yùn)行。此外，最新的VTG技術(shù)配備了一個(gè)強(qiáng)大的電動(dòng)執(zhí)行器，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用工況需求，快速、精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片，實(shí)現(xiàn)接近瞬時(shí)加速的效果和最優(yōu)化的功率輸出。通過(guò)改變渦輪機(jī)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(zhuǎn)速，增加泵氣能力，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)響應(yīng)速度；博格華納的專利S形導(dǎo)流葉片充分進(jìn)行了空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化，進(jìn)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(qiáng)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力性。先進(jìn)的汽油VTG技術(shù)能帶來(lái)出色的油門響應(yīng)和平穩(wěn)的動(dòng)力輸送，同時(shí)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率，降低排放，適用于更多類型的汽車。

2.與米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)“組合”搭配電機(jī)組成混動(dòng)系統(tǒng)

此外，博格華納汽油機(jī)VTG渦輪增壓器可與米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)組成最佳“黃金組合”，有利于搭配電動(dòng)機(jī)組成混合動(dòng)力系統(tǒng)，為混合動(dòng)力汽車大規(guī)模市場(chǎng)化做準(zhǔn)備。米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)改變進(jìn)氣門關(guān)閉角度控制發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，從而減少了發(fā)動(dòng)機(jī)高速高負(fù)荷下的爆震問(wèn)題，能夠減少發(fā)動(dòng)機(jī)在該條件下為避免爆震而采取的過(guò)濃燃燒甚至完全實(shí)現(xiàn)燃油和空氣的當(dāng)量燃燒。發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹比大于壓縮比，在膨脹行程中可最大限度地將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，達(dá)到改善發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率、降低燃油消耗的目的。因此，米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比要比傳統(tǒng)的奧拓循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)更高，但其進(jìn)排氣方式會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的容積效率較低，升功率和升轉(zhuǎn)矩有所犧牲，所以為達(dá)到相同的性能目標(biāo)，采取增壓技術(shù)在必行。

通過(guò)VTG渦輪增壓器結(jié)合米勒循環(huán)工作模式，可同時(shí)兼顧低速和高功率兩端的性能要求，通過(guò)小開(kāi)角的導(dǎo)向葉片實(shí)現(xiàn)低速?gòu)?qiáng)勁的做功能力，同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)高功率高轉(zhuǎn)速工況下?lián)碛休^低的排氣背壓，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速下的整體效率。另外在較低發(fā)動(dòng)機(jī)排放溫度下運(yùn)行的米勒循環(huán)使得汽油VTG采用更為經(jīng)濟(jì)的核心調(diào)節(jié)系統(tǒng)材料變得更加可能，也進(jìn)一步讓汽油VTG技術(shù)從原來(lái)高端汽車應(yīng)用變成更具有普適性的技術(shù)。

eBooster?電子增壓器：助力汽車動(dòng)力電氣化

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(shù)能夠成為渦輪增壓系統(tǒng)的絕佳補(bǔ)充，可大幅提升燃油經(jīng)濟(jì)性并降低排放。

1.第一代產(chǎn)品需與渦輪增壓器共同工作

eBooster?電子增壓器集成了電子器件，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。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，僅有渦輪增壓器工作，空氣進(jìn)入渦輪增壓器壓縮后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)；當(dāng)汽車處于加速、爬坡或其他瞬態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓工況時(shí)，閥門打開(kāi)，空氣經(jīng)由渦輪增壓器壓縮，進(jìn)入eBooster?，最后再進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定的需求狀況時(shí)，eBooster?就會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，全部空氣受渦輪增壓器增壓后即進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)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?產(chǎn)品圖

eBooster?原理結(jié)構(gòu)圖(下游布局)

eBooster?技術(shù)配備了無(wú)刷直流電機(jī)和釤鈷磁體，具有出色的效率，其電機(jī)還采用了球軸承技術(shù)，不需任何的油路供給，可以自我潤(rùn)滑。除靈活安裝外，該技術(shù)還可減少尾氣中的熱質(zhì)量，從而加快后處理系統(tǒng)的加熱速度。

2.可使用12 V或48 V兩種電源

eBooster?可使用12 V及48 V兩種電源。但根據(jù)市場(chǎng)需求，博格華納將更多地推廣及應(yīng)用48 V的 eBooster?。

(1)48 V eBooster?適用于3.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)，其功率為5～6 kW，最大轉(zhuǎn)速在70 000 r/min，達(dá)到90%的最大轉(zhuǎn)矩歷時(shí)270 ms。在很短時(shí)間內(nèi)可達(dá)到6.2 kW，在持續(xù)工作中可達(dá)到2～3 kW。應(yīng)用eBooster?的48 V系統(tǒng)可使燃油效率提升多達(dá)35%。

(2)博格華納也提供適用于小型發(fā)動(dòng)機(jī)的12 V eBooster?，其功率為1.7 kW，在很短時(shí)間內(nèi)可達(dá)到2.4 kW，持續(xù)工作時(shí)功率會(huì)保持在1.0 kW。

3.很好地解決渦輪遲滯現(xiàn)象

如人們所知，傳統(tǒng)渦輪增壓動(dòng)力系統(tǒng)帶給駕駛者的最大困擾是渦輪遲滯，而eBooster?可在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)按需提供“增壓”，在排氣流量還帶不動(dòng)渦輪增壓器的葉輪時(shí)，由電機(jī)先驅(qū)動(dòng)eBooster?介入工作，很好地解決了渦輪遲滯現(xiàn)象；待排氣流量變大后，通過(guò)廢氣帶動(dòng)渦輪增壓器介入工作。因eBooster?由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，230 ms電子渦輪增壓器就可以達(dá)到最大轉(zhuǎn)速，使車輛的加速性能、動(dòng)力性能和操控感得到顯著提升。開(kāi)發(fā)中的第二代eBooster?有望實(shí)現(xiàn)持續(xù)性工作，從而為小型發(fā)動(dòng)機(jī)提供更好的低速轉(zhuǎn)矩且不會(huì)產(chǎn)生可察覺(jué)的渦輪遲滯現(xiàn)象。

4.使發(fā)動(dòng)機(jī)低速化、小型化成為現(xiàn)實(shí)

發(fā)動(dòng)機(jī)的低速化和小型化是汽車提升燃油經(jīng)濟(jì)性、降低排放的重要技術(shù)路線。eBooster?使得汽車在加速、爬坡時(shí)不需降檔，直接在高擋位、低轉(zhuǎn)速時(shí)即提供較大轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的低轉(zhuǎn)速化；而在小型化方面，以博格華納eBooster?量產(chǎn)的首個(gè)應(yīng)用項(xiàng)目戴姆勒S Class為例，eBooster?使其配備的發(fā)動(dòng)機(jī)在功率不變的情況下由原來(lái)的4.8 L-V8發(fā)動(dòng)機(jī)變?yōu)?.0 L-I6發(fā)動(dòng)機(jī)。

裝備eBooster?電子增壓器與否的測(cè)試效果對(duì)比

5.相當(dāng)于“兩級(jí)增壓”，分別“照顧”低轉(zhuǎn)速和中高轉(zhuǎn)速

eBooster?能夠很好地與和渦輪增壓器匹配，從而大幅提升燃油經(jīng)濟(jì)性。它們的配合相當(dāng)于兩級(jí)渦輪增壓器；在這個(gè)過(guò)程中，eBooster?在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)保持以2～3 kW持續(xù)增壓。在與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配過(guò)程中，由于eBooster?在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)具有很好的效果，渦輪增壓器便可在和發(fā)動(dòng)機(jī)匹配時(shí)更專注于發(fā)動(dòng)機(jī)中高轉(zhuǎn)速階段，提供更好的增壓效果。

此外，eBooster?本身非常小且輕便，并有良好的NVH效果，其電機(jī)效率為94%。通過(guò)eBooster?技術(shù)和渦輪增壓器的完美匹配，整個(gè)增壓系統(tǒng)可根據(jù)客戶的特定需求進(jìn)行優(yōu)化。

6.不僅混合形成二次增壓，也可單獨(dú)使用

博格華納eBooster?不僅可與渦輪增壓器配合使用形成二次增壓，也能獨(dú)立應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)以及向燃料電池供氣。

博格華納eBooster?210 ms的瞬時(shí)響應(yīng)性，有效支持了中國(guó)城市路況的頻繁起停，進(jìn)一步提升了發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排的效果。博格華納目前48 V eBooster?產(chǎn)品與P0的輕混框架相得益彰，更進(jìn)一步降低油耗；同時(shí)博格華納即將推出高壓電子增壓器，以滿足未來(lái)P2&P3混動(dòng)的更高要求。

博格華納渦輪增壓技術(shù)不斷升級(jí)：助力內(nèi)燃機(jī)應(yīng)對(duì)新挑戰(zhàn)

博格華納在汽車行業(yè)有著超過(guò)130年的經(jīng)驗(yàn)，作為前瞻性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)解決方案的世界領(lǐng)先者，致力于幫助汽車制造商和消費(fèi)者實(shí)現(xiàn)更加潔凈、節(jié)能的世界，并以高度創(chuàng)新的技術(shù)應(yīng)對(duì)未來(lái)挑戰(zhàn)。近幾十年來(lái)渦輪增壓器歷經(jīng)爆發(fā)式增長(zhǎng)，源于市場(chǎng)對(duì)節(jié)能減排的迫切需求，也源于發(fā)動(dòng)機(jī)小型化的發(fā)展趨勢(shì)。自1999年收購(gòu)德國(guó)3K和美國(guó)Schwitzer渦輪增壓器業(yè)務(wù)開(kāi)始進(jìn)入這一領(lǐng)域，博格華納也為此不斷進(jìn)行技術(shù)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(jī)VTG渦輪增壓器、兩級(jí)渦輪增壓器、三級(jí)渦輪增壓器，再到博格華納最新的eBooster?電子增壓器技術(shù)。

與汽車行業(yè)整體趨勢(shì)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(shù)正由eBooster?向eTurbo?邁進(jìn)。eTurbo?是博格華納正在研發(fā)的一款由電能輔助的集成電機(jī)式渦輪增壓器。這一產(chǎn)品面臨的最大挑戰(zhàn)是如何實(shí)現(xiàn)軸承概念和集成電機(jī)，并使很重的集成電機(jī)在渦輪增壓器高轉(zhuǎn)速下同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。目前博格華納已經(jīng)生產(chǎn)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，且很多歐美OEM都已經(jīng)拿到了樣機(jī)展開(kāi)試驗(yàn)。這些面向未來(lái)的解決方案，不僅可以用于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車輛，還適用于混合動(dòng)力及燃料電池車，推動(dòng)汽車市場(chǎng)在節(jié)能減排與電氣化之路大步邁進(jìn)。