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12/06/2018

电气化涡轮增压、电动增压等技术引发行业关注-盖瑞特Garrett

对于汽车行业来说,节能环保是大势所趋。根据国家燃油消耗法规,到2020年,乘用车平均燃料消耗量需降到5L/100KM;到2025年,乘用车平均燃料消耗量需降到4 L/100KM。而与此同时,汽车的动力性能、驾驶乐趣,依然是普通驾乘者看重的功能属性。在满足油耗水平的同时不妥协汽车驾驶性能,涡轮增压这一成熟的技术正在被越来越广泛的为主流车企采用。

传统燃油车及混动汽车仍大有发展空间 涡轮增压渗透率快速增长

新能源汽车在满足油耗方面游刃有余,但仍有成本、电池技术等诸多难题待解,几乎所有汽车企业都面临着较大的压力。从目前来看,为了应对以上方面的挑战,车企们各有各的策略,不过归结起来,无外乎以下几个方面:一、提升纯燃油车燃油经济性;二、发展混合动力汽车;三、加大新能源汽车的布局。换句话说,在承认新能源汽车这一大趋势的前提下,也要看到,实现完全的零排放仍需经历较长的过程,在这一过程之中,带有内燃机的车型还大有发展的空间,尤其是节能减排方面表现突出的混合动力汽车。

据盖世汽车研究院预测,到2025年,近9成车辆仍然配有内燃机,其中混合动力汽车(采用内燃机和电动机两种动力源的汽车)将迅速增长。盖瑞特动力系统高级总监Peter Davies在接受盖世汽车采访时表示,传统内燃机与电池、电机相配合形成混合动力之后,可以进一步提升车辆的热效率,降低油耗,也能进一步提升它的性能,加之涡轮增压等技术的应用,混合动力车型在节能减排方面有非常优异的表现。“我们对混合动力持乐观的态度,我们深信在真正的零排放车辆到来之前,混合动力会在相当长的一段时间发挥其作用,这是个动态的过程,并不是一刀切。”

不过值得注意的是,在节能减排的压力之下,无论是纯燃油车还是混合动力车都必须“想方设法”的提升性能、降低能耗。而涡轮增压在这一方面有不错的表现。涡轮增压的主要作用是提高发动机进气量,从而提高发动机的功率和扭矩。据了解,一台发动机装上涡轮增压器后,其最大功率与同尺寸自然吸气发动机相比,可提升20%-40%的动力水平。与此同时,它在相同动力水平上还拥有更好的油耗表现,从而能够减少10%-20%的尾气排放。

正因以上方面的优势,涡轮增压渗透率快速增长,并逐渐被推到了“主流技术”的位置上来。据盖世汽车研究院预测,到2025年,内燃机车型的涡轮增压器配给率将达到71%左右,混动车型的涡轮增压器配给率则将达到88%左右。

可见,涡轮增压市场具有较大的增长潜力,而同样不可否认的是,为满足更为严苛的燃油排放法规以及消费者的需求,未来车型对于涡轮增压的要求也在提高,涡轮增压技术同样需要升级换代。如果说传统内燃机结合涡轮增压技术可以帮助整车达到2015年6L/100KM的油耗要求,那么要满足2020年5L/100KM的油耗标准则需要整车在发动机小型化的基础上使用更为先进的涡轮增压技术,而要满足2025年4L/100KM的目标则更为不易,需要整车结合混动车型以及涡轮增压、电动压缩机、电动涡轮增压等创新技术。

电动增压提升电气化车辆表现 未来前景看好

电动增压的技术可以让48V中混的发动机有更好的性能,以及满足更严苛的排放和油耗水平, 因此受到混动车辆的青睐。据盖瑞特高级创新技术总监Robert Cadle透露,目前,盖瑞特已经开发了第二代空气压缩机,该产品具有低惯性空气动力学和连续运行特点,能够以更高的输出功率实现电动增压。第二代电动压缩机仅需250毫秒即可达到最高转速的90%,极大提高低速扭矩,改善整车提速性能,提升驾驶乐趣,并可减少二氧化碳排放量。并据了解,盖瑞特48V电动压缩机可帮助传统的涡轮增压发动机缩短实现目标扭矩的响应时间10-15%,加速更快,并帮助整车燃油经济性提升10-15%。

盖瑞特(前身是霍尼韦尔交通事业部)是涡轮增压技术的领导者,为全球各地的乘用车、商用车、售后替换市场和赛车改装客户服务已超过65年,在电动增压领域也从上世纪80年代开始布局,并推出了电动压缩机、电动涡轮增压器、适用于氢燃料电池的高效电动空压机等多款产品。Rob Cadle 负责盖瑞特针对电气化动力技术的新产品开发工作。

值得一提的是,在电动压缩机的基础上,盖瑞特还推出了电动涡轮增压器。电动涡轮天生所具有的优势就是可以在发动机低转速时就启动,为发动机提供充足的进气量,解决传统涡轮增压在低转速情况下所带来的迟滞现象;同时,相比机械增压与涡轮增压的组合,电动涡轮增压器通过废气旁通涡轮增压器和高速电机的集成,拥有成本低、体积小的优势。此外,电动涡轮的发电机可根据负载情况,通过补充电能来驱动压缩机叶轮,从而提高增压,或者作为一个气体驱动发电机将废气能量转化为电能,然后储存起来,以备后续使用。电动涡轮最初将与现有的48伏混合动力系统配对,后者还使用皮带传动交流发电机/起动器或电动机/发电机来增加车轮扭矩,并恢复制动期间的电能。

Robert Cadle表示:“电动压缩机是和我们传统的涡轮增压器配套使用的,是两个整体。而电动涡轮增压器是一个整体的部件,这是二者从外观上或者从构成上的最大的一个区别。另外,电动压缩机是先出现的,它适合于48V电机驱动混动汽车,目前已经有了一定的市场应用。而电动涡轮增压器是更新的一代技术,它的集成性更好,因为它可以把电机、压缩机和驱动系统都集成在一起,统一性更好,成本又低,布局也更容易。”

盖瑞特高增长区市场总监王成龙还告诉,电动压缩机的功能仅限于借助电力驱动,为发动机增压,提升响应速度。而盖瑞特电动涡轮增压拥有电能回收的功能,可以利用电机,将过量排放的废气再转化成电能,储存到电池,这是它更加节能的价值。

据了解,盖瑞特与领先的工程服务公司艾尔维 (IAV)合作开发了的电动涡轮原型车已在维也纳车展展出。该电动涡轮车通过一辆配备48V电气系统的奥迪Q7开发而成,其成功展示了电动增压解决方案在满足最新EU7排放目标下,提高发动机功率(+16% vs量产车)和扭矩(+10% )并将六档百公里加速的时间缩短25%。同时实现理论空燃比的燃烧,即空气和燃料均完美混合和燃烧,帮助满足更为严苛的油耗及排放要求。Robert Cadle透露,目前,e-Turbo已经有一个OEM定点的项目,预计到2021年能够正式量产。

需要指出的是,除了以上为混动车型开发的电动压缩机以及电动涡轮增压器之外,针对氢燃料电池汽车,盖瑞特亦开发了将电动产品与传统机械应用相结合的两级电动压缩机创新技术,从而为汽车实现真正的零排放。目前,该产品已在本田汽车公司的Clarity氢燃料电池车上实现量产,帮助车辆实行750公里的续航里程,充满氢气只需要3分钟。

新技术助推传统燃油车高效节能 引发行业关注

根据盖世汽车研究院预测,到2025年,纯内燃机车型占比仍然将在50%以上,前面也提到,届时内燃机车型的涡轮增压器配给率将达到71%左右。可见,就这些车型来说,涡轮增压越来越成为主流的进气方式之一。

不过,涡轮增压虽有其自身的优势,亦有不可忽视的先天不足,比如涡轮迟滞现象。传统的废气旁通式增压器为了在低速扭矩时快速响应,必须采用高效的小涡轮,但高速性能会被削减。当然,这一难题也并非无法破解。可变截面(VNT)涡轮增压器便可以有力地解决这一问题。为达到增压性能可选择更合适尺寸的涡轮,通过可变截面喷嘴调整,精确控制进气量,改善涡轮迟滞状况。该技术以往受制于汽油发动机排气的超高温度,只能用在柴油发动机上。而盖瑞特已经在2016年推出汽油可变截面(VNT)涡轮增压器,并且已经实现在大众汽车上的规模量产。

可变截面涡轮增压技术可以与米勒循环搭配提高燃油经济性,这一技术被整车企业更多关注和使用。据了解,该产品配合米勒循环发动机油耗效率高达10-15%,满足第四,第五阶段油耗标准。目前盖瑞特已经开发全系列汽油可变截面增压器,涵盖1.0L-2.0L发动机型号。

此外,盖瑞特还推出了第三代轻型柴油车用增压器,满足国六排放法规对轻型商用车严苛要求。这一产品具备提升低速扭矩(多达20%)、改善车辆燃油经济性(多达1-2%)、提高60%的封油能力、减小噪音水平,延长疲劳寿命(2-3倍)等诸多优点。整车厂家可以在不牺牲性能的前提下通过匹配更高效的传动系统进一步降低整车油耗。

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