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從飛機坦克到汽車 “降耗利器”渦輪增壓以何站穩C位?

國內不斷趨嚴的油耗法規和實施中的“雙積分”政策紅線,讓節能減排成為車企迫在眉睫的頭等大事。根據國家燃油消耗法規,到2020年乘用車平均燃料消耗量需降到5L/100KM;到2025年乘用車平均燃料消耗量需降到4L/100KM,渦輪增壓技術在滿足油耗要求的同時提升汽車駕駛性能,作為經濟有效的節能減排技術被眾多車企廣泛採用。據蓋世汽車研究院預測,到2025年,中國汽車市場內燃機汽車渦輪增壓器滲透率將達到71%左右。

渦輪增壓的重要意義在於通過提高發動機進氣量提高發動機的功率和扭矩,裝配渦輪增壓器後的發動機最大功率可提升四成,同時提高近20%的燃油效率,減少近兩成的尾氣排放。而在功率不變的前提下,可降低發動機的整體尺寸,實現降本減重。據蓋世汽車研究院分析數據,當前全球增壓器市場的主要有博格華納、三菱重工、IHI、蓋瑞特(原霍尼韋爾交通系統)等,佔據了中國乘用車市場大約95%市場份額。此外,目前寧波豐沃、奕森科技等國內品牌企業,也正在努力提升自主研發實力,這些供應商不斷通過創新持續推進渦輪增壓技術的更新。

渦輪增壓效率不斷提升

渦輪增壓器位於發動機進排氣系統,通過壓縮空氣來增加進氣量。不僅改善發動機排放,還提高車輛燃油的經濟性。博格華納首創的汽油機可變截面渦輪增壓器(VTG)通過改變廢氣渦輪的進氣截面,能大幅提升渦輪增壓器的響應和增壓效率,有效解決渦輪遲滯問題。此前受限於汽油發動機排氣的超高溫度,VTG技術只能用在柴油發動機上。博格華納對原用於柴油發動機的VTG渦輪增壓器進行重新設計,使其能夠應對鋼彈1000°C的廢氣溫度,從而適用於汽油發動機。近年來博格華納對汽油機VTG渦輪增壓技術進行了持續的革新,推出面向各類汽油發動機的VTG渦輪增壓器。

2017年博格華納成功研發出了基於第六代產品設計的汽油機VTG渦輪增壓器,在裝配和結構上進行了更新換代,進一步提高了空氣動力學效率和可靠性,使其與混合動力汽車的新型內燃機系統也能完美匹配。據其預計,該款VTG渦輪增壓器將在2019年年中投入市場。博格華納渦輪增壓系統中國區及泰國副總裁兼總經理倪廣山表示,“這些新技術都是在幫助渦輪增壓發揮更大的效率,並應用於更多種類的車型之中。”

同樣作為渦輪增壓技術的創新者與引領者,蓋瑞特中國立足本土客戶需求和市場特性,為中國客戶提供可應用於0.8L至2.0L汽油機的廣泛渦輪增壓產品矩陣。在今年的北京車展上,蓋瑞特的汽油雙流道增壓技術的首例國產化應用正式亮相。通過優化四缸引擎的排氣脈衝,雙流道增壓技術提升了低轉速下的扭矩表現,使其起步有力。該技術的首次應用,協助某國際SUV長官品牌的2.0T車型創下同級別車型中世界領先的最大扭矩400 N?m,最大功率195 kW 的新記錄。

吉利汽車在北京車展上展出的1.0TD直列三缸發動機,採用蓋瑞特中國團隊自主研發,並全球範圍內率先在中國市場應用的第三代小型汽油渦輪增壓技術,在顯著提升動力和燃油經濟表現的同時,明顯降低機構噪聲水準。創新的Z-Ultra 軸承系統,降低了50%的軸承功耗,從而達到更高效率,並大幅提升瞬態響應,助力發動機實現100kW/L的升功率與205N.m/L升扭矩, 與2.0L自然吸氣發動機功率及扭矩表現相媲美,達到業內領先水準。

秉承技術創新的理念,BMTS在前期技術基礎上,自主創新研發出第二代VTG——FNT(浮動式可變截面渦輪增壓器),其在第一代VTG基礎上做了相當大的改善,可滿足“國六”排放的嚴苛要求,讓內燃機在降低燃油消耗、減少廢氣汙染物排放的同時提高其能量轉換效率。據BMTS研發副總裁、首席技術官J?rg Jennes介紹,與傳統的渦輪增壓器相比,FNT能夠減小導流葉片間隙,使得增壓器擁有更高的效率,同時提升了壽命並能有效緩解增壓器遲滯的問題。對於駕駛者來說,FNT增壓器技術能顯著降低油耗,提高駕駛樂趣。

除了上述外資品牌,寧波豐沃作為自主品牌的代表,已建立多個汽油機渦輪增壓技術平台,在現有產品系列的基礎上持續優化更新,在有關渦輪增壓技術的研發方面不斷取得突破性進展。自搭載豐沃增壓器的海馬汽車發動機項目按計劃成功批產後,寧波豐沃國內自主品牌在汽油渦輪增壓技術領域裡的首次突破,成為國內第一家與OEM配套的自主品牌。近年來,為緩解渦輪遲滯,一些外資零組件企業已推出汽油機可變截面渦輪增壓器,同時可降低排放的電動渦輪增壓器同樣深受業內廣泛關注。寧波豐沃緊隨技術前沿,與國外同步開啟了汽油機可變截面增壓器及電動增壓器的開發,後續將實現這兩大技術的成功導入。

在眾多自主零組件企業中,同樣值得關注的還有奕森科技。對於當前油電混動的快速增長的趨勢下,奕森科技開發出了一種全新的技術,有望在這個細分市場和自然吸氣發動機、廢氣旁通閥渦輪增壓發動機、可變截面渦輪增壓發動機等展開競爭。據了解,奕森科技的工程師正在全力以赴驗證這個新概念,並且準備提出16個新的專利來加以保護。如果這個新概念在未來得到驗證,將對國內外汽車產業產生重要影響,而奕森科技的業績也有可能在原來規劃的基礎上得到更大的發展。

材料和工藝更新迭代加速

由於渦輪轉速高且工作溫度高,因此對於軸承要求很高,用滾珠軸承代替浮動軸承,增壓器總效率可以提高5%-7%。嚴苛的工作環境對渦輪增壓器的材料和製造工藝也提出了很高的要求,蓋世汽車研究院分析師表示,渦輪增壓器新材料主要是鈦合金和陶瓷材料,它們具有良好的耐熱性,能夠顯著提升發動機的性能。

具體來看,博格華納對其VTG渦輪增壓器的材料和設計進行了優化,使其更堅固,從而能夠承受汽油發動機的高熱負荷,保證在最惡劣的條件下也能可靠運行。最新的VTG技術配備了一個強大的電動執行器,可根據實際應用工況需求,快速、精準地調節導向葉片,實現接近瞬時加速的效果和最優化的功率輸出。

通過改變渦輪機葉輪入口處的流入角度和速度,VTG的渦輪可以迅速提升葉輪轉速,增加泵氣能力,進而提高發動機的瞬時響應速度。博格華納的專利S形導流葉片充分進行了空氣動力學優化,進一步提升了VTG增壓器渦端效率和做功能力,從而更深度地增強整個發動機系統的動力性。先進的汽油VTG技術能帶來出色的油門響應和平穩的動力輸送,同時提高發動機的燃油效率,降低排放,適用於更多類型的汽車。

蓋瑞特推出面向中國汽車後市場的新產品Redboost系列渦輪增壓器,Redboost秉承了霍尼韋爾蓋瑞特嚴格的品控體系和品質標準,在性價比、動力和耐久性等方面都有卓越的表現。其核心部件使用航空級耐高溫材料,通過500次深度熱衝擊試驗,耐久性比普通增壓器翻倍。針對國內商用車客戶對長期行駛狀態下的動力要求,Redboost在發動機長期運行區域做出了特別調教,實現油耗水準平均降低5%,扭矩最高可提升20%。

此外,蓋瑞特還推出行業最高性能最小尺寸的應用於改裝車的霍尼韋爾蓋瑞特G系列高性能改裝渦輪增壓器,該系列產品性能有多方提升,可支持鋼彈485千瓦(660馬力)的動力輸出。產品具有多方位的殼體定位和四個可選排/出水口,實現小體積發動機艙內的安裝,使其連接更便捷。鍛造的全機加工壓氣機葉輪是蓋瑞特G系列產品的核心所在。當與較大壓氣機殼體組合時,全新的葉輪與空氣動力學特性能夠提升額定功率,提高反應能力與效率。全新的Mar-M合金渦輪機葉輪也進行了空氣動力學改進,耐熱性鋼彈1050° C(1922° F)。

電子增壓技術是未來趨勢

蓋世汽車研究院分析師指出,渦輪增壓器未來的發展趨勢是電子增壓技術,電子增壓是用電機代替排氣來推動渦輪旋轉,可以消除渦輪增壓普遍存在的渦輪遲滯現象,因為電機的控制更精準。

eBooster電子增壓器作為博格華納最新的創新型電氣化解決方案,成為傳統渦輪增壓系統的絕佳補充,大幅提升燃油經濟性並降低排放。eBooster電子增壓器集成了電子器件,由電機驅動,目前其第一代產品需與渦輪增壓器共同工作。eBooster技術配備了無刷直流電機和釤鈷磁體,具有出色的效率,其電機還採用了球軸承技術,不需任何的油路供給,可以自我進行潤滑。除靈活安裝外,該技術還可減少尾氣中的熱品質,從而加快後處理系統的加熱速度。

電子增壓技術也可以讓48V中混的發動機有更好的性能,可滿足更嚴苛的排放和油耗水準, 廣泛應用於混動車輛。據蓋瑞特高級創新技術總監Robert Cadle透露,目前,蓋瑞特已經開發了第二代空氣壓縮機,該產品具有低慣性空氣動力學和連續運行特點,能夠以更高的輸出功率實現電動增壓。第二代電動壓縮機僅需250毫秒即可達到最高轉速的90%,極大提高低速扭矩,改善整車提速性能,提升駕駛樂趣,並可減少二氧化碳排放量。據了解,蓋瑞特48V電動壓縮機可幫助傳統的渦輪增壓發動機縮短實現目標扭矩的響應時間10-15%,加速更快,並幫助整車燃油經濟性提升10-15%。

在電動壓縮機的基礎上,蓋瑞特推出了電動渦輪增壓器。電動渦輪可以在發動機低轉速時就啟動,為發動機提供充足的進氣量,解決傳統渦輪增壓在低轉速情況下所帶來的遲滯現象。相比機械增壓與渦輪增壓的組合,電動渦輪增壓器通過廢氣旁通渦輪增壓器和高速電機的集成,擁有成本低、體積小的優勢。對此,Robert Cadle指出:“電動壓縮機是和我們傳統的渦輪增壓器配套使用的,而電動渦輪增壓器可獨立使用。電動壓縮機可應用於48V電機驅動混動汽車,電動渦輪增壓器是的集成性更好,其將電機、壓縮機和驅動系統融為一體,不僅布局更容易也更有成本優勢。”

蓋世小結:

自上世紀初年瑞士工程師比希發明渦輪增壓以來,渦輪增壓技術從最初應用於飛機和坦克發動機,到上世紀60年代美國通用將渦輪增壓技術引入汽車,再到70年代裝備渦輪增壓的保時捷911的誕生,國外零組件企業對渦輪增壓器的開發比國內要早很多,技術上也更成熟。而據了解,國內渦輪增壓應用領域,除了上汽和奇瑞起步較早,大多數自主品牌在2011年後才啟動汽油渦輪增壓發動機開發項目。而在當前渦輪增壓技術應用的基礎上,如何準確把握未來渦輪增壓發展趨勢,通過材料和工藝的創新緊跟市場發展的步伐,縮小和國外領先技術的差距,值得自主零組件供應商們深思。

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