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日志

 
 

电动涡轮技术将步入实用阶段  

2015-08-21 16:17:05|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 简单的说,增压发动机就是加装了压气机,实现强制进气的发动机。过去,驱动压气机的动力要么取自排气气流(涡轮增压),要么直接取自曲轴(机械增压)。随着技术的发展,近年来出现了第三种增压方式,就是加装一个电动机直接带动增压器实现强制进气的效果,这就是电动增压。     

    还记得前几年,各种廉价的电动增压改装套件开始流行,这些电动增压器均宣传普通的小排量自然吸气家用轿车通过加装这种售价在几百到几千元的外挂增压器,发动机的动力能够有15%甚至更高的提升,甚至可以解决小排量车起步肉,夏天开空调无力的问题。相对于传统的涡轮增压改装,电动增压器可以从0rpm开始就进入增压状态,也就消除了涡轮增压器最大的问题----涡轮迟滞现象。

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【某电动增压器的宣传语】

    正是基于这样的宣传,电动增压套件因其安装简单价格便宜,相比动辄数万元的涡轮增压器改装套件,显然是一种高性价比的提升动力方案,似乎在一夜间电动增压器就火了,市面上也出现了各式各样的对应各种车款的电动增压器套件。

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【后市场中良莠不齐的电动增压套件】

    自然吸气发动机加装了这些电动增压套件,汽车是否就拥有了动力提升呢?其实没有马力机的普通车主只能靠自己去感受前后的差异了,带有很主观的心理暗示。直到12年汽车之家发布了一篇《流言终结者-----又一个骗局!电子涡轮实测》的文章,文章中对比了同一台车原厂状态和加装电动增压器后上马力机实测轮上马力,和百公里加速成绩,发现加装了电动增压器后动力输出水平不升反降,油耗则变高。电动涡轮增压器的神话被瞬间打破……

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    其实并不是电动增压的形式是一场骗局,而是廉价的电动增压器,其电动机的性能无法满足增压的需求。廉价电动增压器的核心部件就是这个工作电压为12V的直流永磁式电动机,通常输出功率都在100-300瓦,工作转速范围大约在几千转到1万多转之间,匹配工程塑料或者铝合金的叶片。

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    对比真正能够给发动机带来大幅提升的涡轮增压器,其工作转速通常在几万rpm,同时其涡轮叶片材质和形状与电动涡轮的涡扇也有着天壤之别,涡轮增压器在提供最大压力的同时,会消耗掉数千瓦的功率,这也是区区几百瓦的廉价电动涡轮没办法比拟的。这就是为什么廉价电涡轮为什么不能增加动力的原因,它并不能有效提升进气歧管的压力值,也就没办法让更多的空气灌入燃烧室参与燃烧,因此喷油量也不会因此而增加,这样在发动机的一个奥托循环内,参与燃烧的燃料并未增加,动力怎么会可能有提升呢?相反在发动机高转速情况下,电动涡轮增压器的叶片反而对进气气流形成了阻碍,导致最大功率不升反降。

    而近年来,越来越多的汽车厂商开始关注电动增压器。在汽车界,电动增压器似乎已经成为未来增压发动机的改进良药。

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【利用曲轴动力驱动皮带带动叶片式压气机运转的机械增压器】

    其实笔者更愿意将电动增压看作是一种特殊的机械增压装置,不过将机械增压的能力来源----驱动轮改为了发电机和电瓶;将驱动增压器,传递动力的皮带,变成了铜芯电线;而增压器的涡轮,则连接在另外一个电动机上。

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【道奇Viper的机械增压套件通过皮带把曲轴的动力传送给压气机】

    电动增压就像电传动内燃机车,而传统的机械增压就像传统的内燃机车一样。而电动增压的好处也是显而易见的,通过发电机-电线-电动机的能量传递效率,要比传统机械增压的皮带传动更高,功率浪费降低。同时电动增压可以由ECU实现增压区段的自由调整,可以选择在低转速区间增压,高转速区间则断开,减少发动机的负荷,从而避免机械增压器在高转速造成发动机拖累等弊端。

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    采用了电动增压器的奥迪的双增压TDI柴油发动机,在低速时由电动涡轮增压器提供增压,而转速升高后,由于排气流量增大,电动增压器不再介入工作,转而由传统的涡轮增压器负责增压,从而实现了全转速区间的增压。

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【奥迪的电动涡轮本体】

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    其实这样的思路类似于十年前发布的大众的EA111 1.4T双增压发动机,这台2005-2011年连续入选沃德十佳发动机的小排量增压发动机同时拥有废气涡轮增压和机械增压两套增压系统,这台双增压发动机在2000rpm以下,以机械增压为主,涡轮增压基本不起作用;而在2000rpm~3500rpm,机械增压与涡轮增压协同工作,涡轮增压逐渐占据上风;3500rpm以后,涡轮增压独立运作;而到了4500rpm以后,涡轮进入衰减期,扭矩开始下降。

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    双增压的加入让这台小排量发动机能够从1750rpm-4500rpm都输出最大扭矩,而在1000rpm的低转速下,依然能够有175牛·米的扭矩输出,与1.8L NA发动机的峰值扭矩相当。在奥迪的最新双增压发动机中,机械增压部分被更加轻巧的电动涡轮取代,目的依然是弥补低转速区间的扭力输出问题。

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【某小型军用柴油发电机组也采用了电动增压装置,以改善高海拔地区功率下降的问题】

   事实上,世界各大车厂及零配件供应商均已参与到电动涡轮发动机的研发生产中:

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【AMG GT或将追加搭载采用电动增压器的发动机】

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【将采用电动涡轮的马自达RX-9转子发动机跑车】

    据悉马自达RX-9将搭载一台16X混合增压转子发动机,为了获得小排量下的高功率,这台发动机将采用双涡轮增压+电动涡轮的组合,从而获得最高450马力的输出。而且,和所有电涡轮的车型一样,涡轮会在低转速时就介入。

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    零配件厂商早在数十年前就开始致力于研究电动涡轮技术,其中CPT公司(因法雷奥看好其电动增压器技术,目前已被法雷奥收购)算是佼佼者,其在2000年之前就已经投入到了VTES(Variable Torque Enhancement System,可变扭矩增强系统)电动增压器的研发当中,其增压效果随着增压功率的提升已经逐渐向涡轮增压器和传统机械增压器靠近。不像普通的曲轴驱动的机械增压和废气驱动的涡轮增压器,电动增压器的转速完全和发动机的转速无关,可以在发动机低转速时效果一样明显,而且省去了皮带,还有布置上的麻烦。

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    上图这只由CPT公司生产的电动增压器本体,其电动机工作电压12V,功率约为2千瓦,转速高达60000rpm,并采用了与机械增压,涡轮增压相同的叶片式(Vane)压气机。在工作时整个电动涡轮的温度将会飚升到850摄氏度,因此CPT为其专门匹配了冷却液管路迅速带走热量。

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    而上图这台并非电动涡轮,而是利用排气气流带动一个发电机进行发电,是实现能量回收的另一个渠道。当然这个装置会在ECU的控制下在合适的转速区间介入工作,并不会对发动机的出力表现产生明显的负面影响。

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【多轴飞行器的快速发展离不开大功率无刷电机】

    随着低成本的大功率高转速无刷电机的普及,电动增压器替代传统增压器的曙光逐渐显现。

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【无刷电机将让电动涡轮走入实用化阶段】

    话题回到电动增压器部分。其实目前限制电动增压器的技术瓶颈就在电动机本身,由于电动增压器需要高转速,小体积的大功率电动机才能达成过去废气涡轮增压和机械增压的效能。目前的永磁式直流电机性能指标并不能很好的实现这一目标。而笔者认为,随着大功率场效应管(MOSFET)的成熟,大功率无刷电机逐渐变成现实,未来的电动增压器的动力源将由无刷电机扛起大旗。

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    目前用于航模/多轴飞行器上的4274规格无刷电机,在外径42毫米,长74.5毫米,重430g的小体积下,实现了最大3500w的输出功率,和高达60000rpm的转速,并且拥有较长的使用寿命,这样的性能表现已经可以满足电动涡轮增压器的需求,但其寿命依然不足以满足汽车的需求,毕竟作为电动增压器,其工作寿命需要跟汽车本身的运行寿命等长才合理。

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    我们可以展望一下,未来基于电动增压的小排量车型,真正能够实现以小排量获得接近于同功率大排量自然吸气发动机的驾驶感受,不再有明显的涡轮迟滞现象,比起传统的机械增压,在低转速下依然可以获取恒定的最大增压值,而不必像机械增压那样随着发动机转速的攀升,增压值才逐渐变大,而且摆脱了机械增压装置会在高转速区间消耗掉大量发动机功率的弊端。而且,装备了电动增压器的发动机可以让涡轮的工作更加受控,比如ECU可以划分出几种增压模式,比如低压,中压,高压。不同的模式对应不同的增压器电动机输出转速,改变增压的压力值,从而让同一台发动机可以任意改变最大输出功率值或是输出功率曲线,最终实现经济模式,普通模式或是运动模式。一台四缸机甚至可以安装四台“电动鼓风机”进行增压,达到四缸涡轮增压的效果,实现目前传统增压机型难以达到的超高功率输出,达到更高的发动机功率密度,为汽车的轻量化作出贡献。

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【法雷奥的电动增压器,涡轮叶片从静止加速70000rpm转速,实现最大增压值只需要350毫秒】

    电动增压发动机在不同转速下的增压值也可以随意改变,比如在低转速区间使用高增压,而到了高转速区间则降低增压值,或是不增压,这样能够获得更加平滑的扭矩曲线,从而实现更平顺的驾驶感受。

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    正因为增压值与发动机转速之间是无关的,所以电动增压器的玩法实在太多,而后期针对汽车动力提升的方案也将变得更加定制化。由于电动增压发动机的输出曲线会变得更漂亮,这样的发动机与混合动力系统的电动机进行匹配,也将变得更加容易。

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   目前,电动增压器已经开始在各大车厂的高端产品中试水,而今后一定会惠及小排量发动机。笔者猜想,随着无刷电机技术的不断成熟,这样的时代或许就快要来临了。届时增压技术,必将迎来一次真正的革命。

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