eBooster助力未来高效发动机

eBooster助力未来高效发动机

作者:博格华纳 文章来源:AI《汽车制造业》 点击数:82 发布时间:2017-12-27
eBooster电子增压器不仅可作为传统涡轮增压系统的重要补充,还可充分利用48 V电源,根据需求提供高效的增压解决方案,实现完美的低速转矩,为研发面向未来的发动机打下坚实的基础。
eBooster助力未来高效发动机

eBooster 技术由电动机驱动

图1 eBooster 技术由电动机驱动

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48 V弱混技术成为了“新宠”。在这一趋势之下,博格华纳独家开发的eBooster电子增压器(见图1)不仅可作为传统涡轮增压系统的重要补充,还可充分利用48 V电源,根据需求提供高效的增压解决方案,助力未来的发动机

48 V系统面向未来蓄势待发

凭借着优化燃油经济性、降低排放的强大优势,48 V系统强势来袭。原先汽车搭载的12 V电压,由于电源蓄电池的电量不足,无法长时间为全车用电器提供电源,因此在使用自动起停功能时,发动机经常会重新点火,并且能量回收不充分,节油不彻底。而搭载48 V系统将拥有更高的蓄电池容量和更高的电压,可以游刃有余地为全车电器提供能源。同时,高电压设计能够支持功率更大的起动机,自动起停功能的反应速度也将进一步得到提升。起步时用电动机起步、滑行时用电动机回收能量、全油门时电动机还能协助输出动力,而且空调也能使用电动机,熄火后不会停止工作。此外,48 V系统除了优化当前的自动起停功能,还具有发动机停机滑行、行驶与制动能量回收、加速助力和电续航功能。

据IHS《全球洞察》预测,2025年,48 V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48 V技术的主要市场,到2025年预计大约会有接近800万台的48 V车型在中国生产。

什么是eBooster?

图2 eBooster 原理结构

eBooster是博格华纳最新开发的电子增压器,由电动机驱动,目前的型号需要与涡轮增压器共同工作。在最开始的怠速阶段,只有涡轮增压器进行工作,但增压比不高,所以感觉涡轮增压器没有发挥多大的作用。如图2所示,空气进入涡轮增压器后进行压缩,然后进入发动机。当汽车进行加速、爬坡或其他工况时,阀门打开,空气通过涡轮增压器先压缩,然后再进入到eBooster里,最后进入发动机。当整个发动机的性能已经达到需求的时候,eBooster就会停止运转,所有的空气只经过涡轮增压器进行增压再进入发动机。

需要指出的是,eBooster的布局方式并不局限于下游布局,根据客户的需要,eBooster也可布置在涡轮增压器之前。加了eBooster之后,转矩可以在更短的时间内达到峰值,所以eBooster可以在发动机低转速时按需求提供增压。博格华纳第一代eBooster主要是瞬时工作(二代eBooster可实现持续性工作),为小型发动机提供更好的低速转矩且不会产生可察觉的涡轮迟滞现象。该技术配备了无刷直流电动机和钐钴磁体,具有出色的效率,电动机还采用了球轴承技术,采用了该技术后,不需任何的油路供给,可以自我润滑。其使用12/48 V电源,可适用于混合动力及燃油发动机应用。除了灵活安装外,该技术还减少了尾气中的热质量,从而加快后处理系统的加热速度。通过eBooster技术和涡轮增压器的完美匹配,整个增压系统可根据客户的特定需求进行优化。

强强联合缔造强劲动力

48 V系统中的eBooster,其功率是5 kW,最大转速72 000 r/min,达到90%的最大转速需230 ms。瞬时功率最大可以达到6.2 kW,在持续工作中,可以达到2~3 kW。博格华纳没有把eBooster的功率做得更高是因为需要考虑系统整体效率问题。提高压比并不是等比例提高电量就可以的,如果提高压比导致整级系统使用在低效率范围内,那么意味着要消耗更多的电量为代价。因此博格华纳是综合考虑了功率范围和电子增压器压比的。同时,应用eBooster的48 V系统可使燃油效率提升多达35%,能显著降低排放。

打造舒适驾乘体验

eBooster电子驱动技术与涡轮增压器协同工作,可根据需求提供增压的同时也能有效避免可察觉的涡轮迟滞现象。

传统的涡轮增压动力系统带给驾驶者最大的困扰是涡轮迟滞。在发动机转速较低时,涡轮增压器并不介入工作,而当发动机转速提升后,排气流量瞬间变大使得涡轮增压器介入工作,驾驶者能明显感受到踩下油门的一瞬间没有很强大的动力,瞬时动力甚至比一般的自然吸气发动机输出更疲软一些,只有等到转速攀升到一定程度,强劲的动力才逐步跟上。

eBooster技术可在不损耗发动机能耗的前提下,很好地解决涡轮迟滞现象。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,由电动机先驱动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使转矩达到最大值。因eBooster由电动机驱动,230 ms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。此外,eBooster本身体积小且非常轻便,并有良好的NVH性能。

eBooster和涡轮增压器的配合相当于两级涡轮增压器。在这个过程中,eBooster在发动机高转速运转时保持2~3 kW持续增压,以辅助涡轮增压器。这不仅可以大大提升发动机在各个转速时的转矩, 还为发动机小型化提供了更多的可能性,从而降低燃油的消耗量。值得注意的是,增加eBooster后的增压系统可以更好地为发动机提供增压,这是因为在与发动机匹配的过程中,eBooster在发动机低转速时具有很好的效果,涡轮增压器从而可以在和发动机匹配时更专注于发动机中高转速,从而提供更好的增压效果,以及更大程度提升驾驶乐趣的同时节省燃油消耗量并且降低排放。

图3 福特野马2.3 L EcoBoost 测试车数据图(1 ft-lbs=1.3558 N·m)

图4  福特野马2.3·L EcoBoost测试车数据图(1·ft-lbs=1.3558 N·m)

图3和图4所示为福特野马2.3 L EcoBoost测试车数据,并配有其他涡轮增压器数据,从中可以看到eBooster和涡轮增压器的配合可以达到良好的效果。2015款的福特野马(Mustang)拥有2.3 L EcoBoost的四缸发动机,样车中使用了48 V eBooster,其最大功率为5 kW。eBooster每次仅仅工作很短的几秒,所以它所消耗的能量是十分低的。在巡航的过程中,甚至是在高速巡航时,eBooster也很少或完全不被起动。

助力发动机小型化和低速化

随着国内CAFC法规逐年收紧,2020 年将要求所有车企达到 5.0 L/100km以内的排放目标限值,而小型化和低速化是汽车提升燃油经济性、降低排放的重要技术依靠。

配备了eBooster之后,可将变速器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公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,转矩会比较大。而使用了eBooster之后,不需要降档,就可直接在高挡位低转速时提供较大转矩,从而实现了发动机的低转速化,以降低油耗和排放。此外,eBooster也可助力发动机缩小尺寸,使小型发动机的转矩和功率与大型发动机相媲美。以eBooster量产的第一个项目戴姆勒的S Class举例来说,它原本采用4.8 L的V8发动机,最大功率为320 kW。然而加了eBooster之后,在功率不变的情况下,发动机变为3.0 L的L6发动机。

eTurbo——涡轮增压的未来

涡轮增压器的未来之路将会实现从eBooster到eTurbo的进化。秉承相同的理念,eTurbo是博格华纳正在研发的一款由电能辅助的集成电动机式涡轮增压器。这一产品所面临的最大挑战是实现轴承概念和集成电动机,并将很重的集成电动机在涡轮增压器高转速下同时实现高速运转。目前博格华纳已经生产了一个实验样机,并且很多欧美OEM厂家都已经拿到了样机开展试验。相信这将是一种面向未来的解决方案,在较短的时间内获得最大转矩,为驾驶者带来更有乐趣的驾驶体验。

结语

迫于越来越重的环境压力和油耗限值,中国汽车的未来之路必定迈向更加清洁、高效的转型升级之路。面对12 V系统节油效果不佳、电动机与电池的性能受限等种种问题,全新48 V系统应运而生,它在提供持久的强劲动力的同时可有效提高燃油经济性、降低排放,这是目前市场上公认的最有效应对即将全面实行的国六排放标准的解决方案。博格华纳研发的高效的增压解决方案48V eBooster,具有超高燃油经济性,能够切实助力发动机小型化和低速化。