有了这个技术,涡轮迟滞将成历史

原创 文/冯金刚 时间:2017-08-31 17:18

有了eBooster,法拉利会对涡轮发动机心动的。

1977年对我们来说,是个特别的日子,对萨博来说,也是个很特别的日子。这一年,萨博99的问世标志着“人车合一,贴地飞行”时代到来,而这与其采用涡轮增压发动机有着莫大关系。也是从那时候开始,汽车发动机开始大规模采用涡轮增压技术。

虽然涡轮增压技术扬名在外,但在超跑领域依然难以撼动自吸的地位,其中一个重要原因是涡轮增压技术有个天然缺陷——涡轮迟滞。在起步与低速工况下,涡轮发动机表现出动力孱弱,一旦越过叶轮额定转速,动力突突往上窜,这种动力表现非常影响操控体验感,与超跑精神相悖。

法拉利董事长马尔乔内直言:“我们会继续生产V12引擎,涡轮增压方案是荒谬的,我们不会采取,V12将运用自然吸气以及混动系统。”他的发言粉碎了法拉利V12缩小规格或V8引擎涡轮增压化的传言。

或许意大利人太过傲娇了,德国人就务实得多。为了消除涡轮发动机的涡轮迟滞问题,德国人为新一代奔驰S级搭载的3.0LV6发动机配备了博格华纳eBooster技术。或许这项技术可以消除马尔乔内对涡轮增压的误解。

eBooster,开启电增压时代

第一代eBooster的主体结构包括两部分,左边是涡轮与进排气通道,与一般涡轮增压器没有多大区别。右边是永磁无刷电机,它的优点是噪音和体积都很小,而且效率很高,一般90%以上。气道上腔与电机之间是PCB板子,负责eBooster的低压控制;下腔与电机之间是压力通风管。

电机下方有两个部件,EMC隔离器,这是为了避免电机产生的电磁干扰信号,影响车上其它电器正常工作,电磁干扰是新能源汽车故障干扰源之一。另一个是电机电源连接器,据博格华纳透露,eBooster有两种电压平台,12V和48V,48VeBooster能产生更大输出功率,一般在5kW到6kW,最大转速70,000转,且响应时间更短,达到90%最大扭矩仅需270毫秒。虽然48V输出功率与动力响应更好,但考虑到成本与效率问题,2.0升以下发动机更适合12V电源系统。

另外,eBooster一共有三种布置方式,一种上游布置和两种下游布置。上游布置是将eBooster放在涡轮增压器前面,下游布置都是将涡轮增压器放在eBooster的前面,一种是eBooster放在中冷器的前面,一种是放在中冷器的后面。

eBooster的布局会影响经过eBooster的气体流量与温度,三种方式没有绝对的优势和劣势。布局准则是,如果布置在冷的位置,eBooster电机工作环境更好效率更高;如果布置在离发动机近的位置,发动机动力响应会更好。

下图为eBooster原理图,空气经过涡轮增压器后经过eBooster或者控制阀,然后经过中冷器,最后进入发动机。

在整个工作过程中,当汽车处于起步、加速或者爬坡等工况时,发动机需求更多空气,但是涡轮增压器短时难以增压更多气体,这时控制阀关闭,eBooster介入工作,经过一次增压的空气进入eBooster完成二次增压,所以这个发动机也用了“双增压”。即使废气涡轮的增压不够,但eBooster是由电机驱动,可以即时响应,能弥补增压,使发动机吸入更多空气。

当发动机处于中高转速达到需求工况,且排气量够多,足以驱动涡轮提供更多进气,此时控制阀打开,eBooster关闭,被增压的空气从控制阀经过,此时进气只被增压一次。

eBooster的优势,涡轮迟滞将成历史

采用博格华纳eBooster技术的效果是发动机输出瞬时扭矩更高,同时消除了涡轮迟滞现象,能够给驾驶者提供更好的驾驶体验。下图红线为搭载博格华纳eBooster的福特野马转速-扭矩曲线,蓝色为相似的柴油机曲线。

从图中可以看出,搭载eBooster技术的发动机扭矩在1500rpm时增长了85%,在2000rpm时增长了55%,以及在2500rpm时增长了38%。这个转速以后,发动机扭矩逐渐下降,到4500rpm时,eBooster系统关闭,之后两台发动机扭矩曲线几乎同步下降,由于前者是汽油机,所以扭矩在6000rpm左右时就开始大幅下降。

据悉,采用eBooster和尺寸较大涡轮增压器后,福特野马在所有发动机转速区间的扭矩大约提升38%,并且在高转速时输出功率提高78%。

从上文的分析可知,eBooster技术能够提升一定的动力,在一定程度上加速了发动机小型化,比如奔驰S级原本打算采用4.0V8发动机,最后换成了3.0V6。

另一方面,它还具备一定省油能力。当汽车处于加速或者爬坡工况,此时转速比较低,一般会降档升转速,但如果采用eBooster技术,可以不用降档,轻微加速即可获得较大扭矩,也可以理解为得到同等扭矩时发动机转速更低,进而提升燃油经济性。另外,应用eBooster的48V系统可使燃油效率提升35%,节能减排效果更明显,所以博格华纳称eBooster与48V是“天作之合”。

eBooster的缺陷,还需更成熟

关于eBooster布置在何处,目前没有最好的方案。如果布置在涡轮增压器后面,那么发动机的高温排气会“加热”eBooster左边的涡轮气道,右边的PCB电路板和电机会受到不同程度的影响,极端情况可能会影响正常工作,这对eBooster的散热设计要求很高。如果布置在中冷器后面,一方面可能会升高进入气缸的空气温度,另一方面可能会增加一套中冷器,使系统更加复杂。

eBooster的电机如果采用12V方案,eBooster的输出功率仅有是1.7kW,短时间也可以达到2.4kW,功率不是很高,会导致电增压不够,发动机无法吸入更多空气,那么eBooster的价值没有真正体现出来,并且12V方案对低压12V电源的输出功率与容量有一定要求,它必须满足eBooster能够在1.0KW输出功率工况下持续放电。另外,如果eBooster采用48V方案,输出功率可以达到5kW到6kW,电增压足够了,但前提是有车载48V电源,然而现状是48V市场现在并不成熟,搭载48V系统的车型极少,另一个解决办法是在混合动力汽车上额外配置一个降压器,不过这样会增加一定成本。

分析完eBooster,可以发现,能被奔驰S级采用,说明第一代eBooster量产完全没问题,只是有些地方还需要优化。而eBooster与48V的“天作之合”尚需时间,好消息是,以奥迪A8为首的欧美车型将大规模采用48V系统,这将加速48V系统的普及进度,也是eBooster的机会。

据博格华纳透露,他们除了eBooster,未来还有eTurbo,它综合了eBooster和涡轮增压器,是涡轮增压的终极进化版——电动涡轮增压器。它的优点是完全没有涡轮迟滞,平顺性堪比自吸,同时,发动机动力更加强劲,且燃油经济性更高。

其实,电动涡轮增压有点类似马自达刚刚宣布的SKYACTIV-X发动机,都是向气缸内压入更多空气,以提高动力,降低油耗。所不同的是,博格华纳用的是电动涡轮,马自达用的是压缩机。

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