斯沃博達的渦輪電氣化讓內燃機輕松呼吸

在開(kāi)發(fā)預算大幅縮減的情況下，內燃發(fā)動(dòng)機面臨更加嚴苛的減排與降耗要求。名為 Cross Charger 的電動(dòng)廢氣渦輪增壓器執行器為車(chē)輛制造商提供了一項解決方案：借此可實(shí)現節能高達 10% 以及更潔凈、性能更強并且無(wú)“渦輪遲滯”的汽油、柴油和混合驅動(dòng)系統——以可控的成本。斯沃博達與技術(shù)合作伙伴合作實(shí)現的創(chuàng )新帶來(lái)三項獨特的電動(dòng)渦輪優(yōu)勢：介質(zhì)間隙電動(dòng)機、能量回收以及便于內置的模塊化附加理念。高級車(chē) OEM 已為批量使用測試 Cross Charger。該系統也適用于乘用車(chē)和商用車(chē)中的氫能驅動(dòng)系統。

從當前歐洲的角度來(lái)看，所有注意力可能都放在全電動(dòng)驅動(dòng)系上。然而，從全球范圍來(lái)看，內燃發(fā)動(dòng)機遠未過(guò)時(shí)：根據一項最新研究，2030 年^[1]內燃機還會(huì )作為一半新造乘用車(chē)的主要驅動(dòng)裝置——約 5 千萬(wàn)輛，其中也包括混合動(dòng)力車(chē)輛。其對于商用車(chē)同樣必不可少。但內燃機必須得到大幅改進(jìn)?！拔覀兊?Cross Charger，針對廢氣渦輪增壓器的新型電氣化解決方案，使汽油機和柴油機適合其所面臨的巨大要求”，斯沃博達的銷(xiāo)售與開(kāi)發(fā)總經(jīng)理 Christian G?ser 表示。

圖片文字說(shuō)明: Swoboda 采用創(chuàng )新設計的 Cross Charger^?是一款電氣化渦輪增壓器，其有助于顯著(zhù)減少內燃發(fā)動(dòng)機的油耗和有害氣體排放。圖片：斯沃博達提供

電氣化激發(fā)情感，而不增加排放

該創(chuàng )新通過(guò)使扭矩及功率暫時(shí)提升高達 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(lè )趣^[2]：通過(guò)電動(dòng)渦輪升級，試驗用乘用車(chē)在行駛 2.5 秒后達到 55 km/h——以傳統充電方式速度僅為 25 km/h。此外，Cross Charger 可以顯著(zhù)降低油耗以及減少排放。在試驗臺測試中，一臺 2 升柴油機的燃油消耗量減少高達 10%，并且排放的氮氧化物（NOX）減少 40%。隨著(zhù)歐 7 標準計劃于 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)機暖機時(shí)間之后。斯沃博達使車(chē)輛制造商更容易實(shí)現這些目標：“可以有盡可能多的車(chē)輛類(lèi)型和應用場(chǎng)景得益于 Cross Charger，從插電式混合動(dòng)力汽車(chē)上的小型化汽油發(fā)動(dòng)機到大排量的商用車(chē)柴油機。因此，主要開(kāi)發(fā)目標是方便安裝系統和花費相對較少的成本”，G?ser 說(shuō)道。通過(guò)眾多設計和理念上的細節創(chuàng )新，斯沃博達實(shí)現了這一目標，并且這些創(chuàng )新使 Cross Charger 從市場(chǎng)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

憑借斯沃博達創(chuàng )新，才能使現有增壓器實(shí)現后續電氣化。在這種情況下，執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葉輪前面。因此，其不必從一開(kāi)始就作為新的、昂貴的增壓器系統的集成組件被一同開(kāi)發(fā)出來(lái)?！霸诂F有量產(chǎn)增壓器的部件中，高達 90% 可以通過(guò)我們的解決方案接管。但其幾乎不占用額外的結構空間”，工程設計合作伙伴 G+L innotec的執行董事 Holger G?deke表示，其負責 Cross Charger 技術(shù)的基礎開(kāi)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組基礎上實(shí)現不同功率變型：在這種情況下，Cross Charger 為頂級發(fā)動(dòng)機帶來(lái)功率提升。此外，其也可以切換到發(fā)電機模式并進(jìn)行能量回收，即：將不需要的廢氣能量轉化為電池的充電電流。由斯沃博達開(kāi)發(fā)的電子控制系統可根據結構空間情況，作為集成解決方案直接安裝在渦輪增壓器上或單獨安裝。

介質(zhì)間隙使電機冷卻

對于電動(dòng)機，在壓縮機葉輪前面的新安裝位置也帶來(lái)巨大優(yōu)勢。在那里其處于最高 120 攝氏度的溫度下。因此，可以省去復雜的冷卻系統或者不存在對高溫敏感的轉子退磁的風(fēng)險。由于結構型式，渦輪增壓器的旋轉質(zhì)量因所使用的介質(zhì)間隙電機僅略微增加（< 5%）。這說(shuō)明了與傳統理念的本質(zhì)區別：在傳統理念中，電動(dòng)機位于廢氣渦輪壓縮機與空氣壓縮機之間的軸承上，承受最大熱負荷（高達 350 °C）和機械負荷（高達 300,000 轉/分鐘）的渦輪增壓器部件之一。但這種傳統的解決方法也將轉動(dòng)慣量提高 20% 以上，由此極大影響渦輪增壓器的響應特性。

Cross Charger 的電動(dòng)機之所以能位于更有利的前移安裝位置，是因為其采用獨特的設計方式：這種所謂的介質(zhì)間隙電機在轉子與定子之間留出很大空間，使吸入的所有空氣都能流過(guò)它。作為正面的副作用，這樣還能額外冷卻機器。主要組件之間的更大距離不會(huì )影響電動(dòng)機的效率——其憑借 95% 的效率實(shí)現與傳統競爭對手相同的高水準。

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。在低負荷范圍，即：在低發(fā)動(dòng)機轉速以及低排氣壓力下，當踩下油門(mén)踏板時(shí)，功率為幾千瓦的電動(dòng)機使進(jìn)氣渦輪迅速發(fā)動(dòng)：所需增壓“從地下室”就直接開(kāi)始。另外，內燃機由此獲得更多最大扭矩：當前參考渦輪發(fā)動(dòng)機2從 380 Nm強化到 475 Nm，僅得益于 Cross Charger。這樣機組也能在效率優(yōu)化的范圍內工作更久。從而降低油耗。尤其是對于 Cross Charger，廢氣再循環(huán)（EGR）的效率提高，后處理系統更快達到工作溫度。二者顯著(zhù)減少了 NOX排放，尤其是面對歐 7 標準。

汽車(chē)行業(yè)對這項創(chuàng )新表現出相應興趣：“我們目前正與多家 OEM 商談。一家德國的高級車(chē)制造商正在就 Cross Charger 在其新一代內燃機上的批量使用進(jìn)行測試”，G?ser 稱(chēng)。電氣化增壓設備同樣適用于電子燃料以及氫能應用，無(wú)論是以燃料電池還是經(jīng)過(guò)改進(jìn)的內燃發(fā)動(dòng)機的形式。

[1] IHS Markit 輕型汽車(chē)替代推進(jìn)系統預測，2021 年10 月

[2]運動(dòng)型緊湊級轎車(chē)上的 2.0 L GDI 四缸渦輪發(fā)動(dòng)機