斯沃博達(dá)的渦輪電氣化讓內(nèi)燃機(jī)輕松呼吸

在開發(fā)預(yù)算大幅縮減的情況下，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)面臨更加嚴(yán)苛的減排與降耗要求。名為 Cross Charger 的電動(dòng)廢氣渦輪增壓器執(zhí)行器為車輛制造商提供了一項(xiàng)解決方案：借此可實(shí)現(xiàn)節(jié)能高達(dá) 10% 以及更潔凈、性能更強(qiáng)并且無“渦輪遲滯”的汽油、柴油和混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)——以可控的成本。斯沃博達(dá)與技術(shù)合作伙伴合作實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新帶來三項(xiàng)獨(dú)特的電動(dòng)渦輪優(yōu)勢：介質(zhì)間隙電動(dòng)機(jī)、能量回收以及便于內(nèi)置的模塊化附加理念。高級(jí)車 OEM 已為批量使用測試 Cross Charger。該系統(tǒng)也適用于乘用車和商用車中的氫能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

從當(dāng)前歐洲的角度來看，所有注意力可能都放在全電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系上。然而，從全球范圍來看，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)未過時(shí)：根據(jù)一項(xiàng)最新研究，2030 年^[1]內(nèi)燃機(jī)還會(huì)作為一半新造乘用車的主要驅(qū)動(dòng)裝置——約 5 千萬輛，其中也包括混合動(dòng)力車輛。其對(duì)于商用車同樣必不可少。但內(nèi)燃機(jī)必須得到大幅改進(jìn)?！拔覀兊?Cross Charger，針對(duì)廢氣渦輪增壓器的新型電氣化解決方案，使汽油機(jī)和柴油機(jī)適合其所面臨的巨大要求”，斯沃博達(dá)的銷售與開發(fā)總經(jīng)理 Christian G?ser 表示。

圖片文字說明: Swoboda 采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)的 Cross Charger^?是一款電氣化渦輪增壓器，其有助于顯著減少內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗和有害氣體排放。圖片：斯沃博達(dá)提供

電氣化激發(fā)情感，而不增加排放

該創(chuàng)新通過使扭矩及功率暫時(shí)提升高達(dá) 80%、消除渦輪遲滯以及使起步加速度最多提高 55% 促進(jìn)駕駛樂趣^[2]：通過電動(dòng)渦輪升級(jí)，試驗(yàn)用乘用車在行駛 2.5 秒后達(dá)到 55 km/h——以傳統(tǒng)充電方式速度僅為 25 km/h。此外，Cross Charger 可以顯著降低油耗以及減少排放。在試驗(yàn)臺(tái)測試中，一臺(tái) 2 升柴油機(jī)的燃油消耗量減少高達(dá) 10%，并且排放的氮氧化物（NOX）減少 40%。隨著歐 7 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃于 2025 年實(shí)施，后者必須大大減少，并且是在明顯縮短的發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間之后。斯沃博達(dá)使車輛制造商更容易實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)：“可以有盡可能多的車輛類型和應(yīng)用場景得益于 Cross Charger，從插電式混合動(dòng)力汽車上的小型化汽油發(fā)動(dòng)機(jī)到大排量的商用車柴油機(jī)。因此，主要開發(fā)目標(biāo)是方便安裝系統(tǒng)和花費(fèi)相對(duì)較少的成本”，G?ser 說道。通過眾多設(shè)計(jì)和理念上的細(xì)節(jié)創(chuàng)新，斯沃博達(dá)實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，并且這些創(chuàng)新使 Cross Charger 從市場上已有的電氣化量產(chǎn)渦輪增壓器中脫穎而出。

可以保留原先的廢氣渦輪增壓器

憑借斯沃博達(dá)創(chuàng)新，才能使現(xiàn)有增壓器實(shí)現(xiàn)后續(xù)電氣化。在這種情況下，執(zhí)行器作為精確匹配的附加解決方案（“add-on”），置于渦輪增壓器的壓縮機(jī)葉輪前面。因此，其不必從一開始就作為新的、昂貴的增壓器系統(tǒng)的集成組件被一同開發(fā)出來?！霸诂F(xiàn)有量產(chǎn)增壓器的部件中，高達(dá) 90% 可以通過我們的解決方案接管。但其幾乎不占用額外的結(jié)構(gòu)空間”，工程設(shè)計(jì)合作伙伴 G+L innotec的執(zhí)行董事 Holger G?deke表示，其負(fù)責(zé) Cross Charger 技術(shù)的基礎(chǔ)開發(fā)部分。

此外，該附加原理特別適合渦輪增壓器，用于在被增壓的基本機(jī)組基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)不同功率變型：在這種情況下，Cross Charger 為頂級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)帶來功率提升。此外，其也可以切換到發(fā)電機(jī)模式并進(jìn)行能量回收，即：將不需要的廢氣能量轉(zhuǎn)化為電池的充電電流。由斯沃博達(dá)開發(fā)的電子控制系統(tǒng)可根據(jù)結(jié)構(gòu)空間情況，作為集成解決方案直接安裝在渦輪增壓器上或單獨(dú)安裝。

介質(zhì)間隙使電機(jī)冷卻

對(duì)于電動(dòng)機(jī)，在壓縮機(jī)葉輪前面的新安裝位置也帶來巨大優(yōu)勢。在那里其處于最高 120 攝氏度的溫度下。因此，可以省去復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)或者不存在對(duì)高溫敏感的轉(zhuǎn)子退磁的風(fēng)險(xiǎn)。由于結(jié)構(gòu)型式，渦輪增壓器的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量因所使用的介質(zhì)間隙電機(jī)僅略微增加（< 5%）。這說明了與傳統(tǒng)理念的本質(zhì)區(qū)別：在傳統(tǒng)理念中，電動(dòng)機(jī)位于廢氣渦輪壓縮機(jī)與空氣壓縮機(jī)之間的軸承上，承受最大熱負(fù)荷（高達(dá) 350 °C）和機(jī)械負(fù)荷（高達(dá) 300,000 轉(zhuǎn)/分鐘）的渦輪增壓器部件之一。但這種傳統(tǒng)的解決方法也將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量提高 20% 以上，由此極大影響渦輪增壓器的響應(yīng)特性。

Cross Charger 的電動(dòng)機(jī)之所以能位于更有利的前移安裝位置，是因?yàn)槠洳捎锚?dú)特的設(shè)計(jì)方式：這種所謂的介質(zhì)間隙電機(jī)在轉(zhuǎn)子與定子之間留出很大空間，使吸入的所有空氣都能流過它。作為正面的副作用，這樣還能額外冷卻機(jī)器。主要組件之間的更大距離不會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的效率——其憑借 95% 的效率實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)競爭對(duì)手相同的高水準(zhǔn)。

潔凈能源引起巨大興趣

Cross Charger 與其他電動(dòng)渦輪增壓器共用基本工作原理。在低負(fù)荷范圍，即：在低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及低排氣壓力下，當(dāng)踩下油門踏板時(shí)，功率為幾千瓦的電動(dòng)機(jī)使進(jìn)氣渦輪迅速發(fā)動(dòng)：所需增壓“從地下室”就直接開始。另外，內(nèi)燃機(jī)由此獲得更多最大扭矩：當(dāng)前參考渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)2從 380 Nm強(qiáng)化到 475 Nm，僅得益于 Cross Charger。這樣機(jī)組也能在效率優(yōu)化的范圍內(nèi)工作更久。從而降低油耗。尤其是對(duì)于 Cross Charger，廢氣再循環(huán)（EGR）的效率提高，后處理系統(tǒng)更快達(dá)到工作溫度。二者顯著減少了 NOX排放，尤其是面對(duì)歐 7 標(biāo)準(zhǔn)。

汽車行業(yè)對(duì)這項(xiàng)創(chuàng)新表現(xiàn)出相應(yīng)興趣：“我們目前正與多家 OEM 商談。一家德國的高級(jí)車制造商正在就 Cross Charger 在其新一代內(nèi)燃機(jī)上的批量使用進(jìn)行測試”，G?ser 稱。電氣化增壓設(shè)備同樣適用于電子燃料以及氫能應(yīng)用，無論是以燃料電池還是經(jīng)過改進(jìn)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的形式。

[1] IHS Markit 輕型汽車替代推進(jìn)系統(tǒng)預(yù)測，2021 年10 月

[2]運(yùn)動(dòng)型緊湊級(jí)轎車上的 2.0 L GDI 四缸渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)