斯沃博達的渦輪電氣化讓內(nèi)燃機輕松呼吸

在開發(fā)預算大幅縮減的情況下，內(nèi)燃發(fā)動機面臨更加嚴苛的減排與降耗要求。名為 Cross Charger 的電動廢氣渦輪增壓器執(zhí)行器為車輛制造商提供了一項解決方案：借此可實現(xiàn)節(jié)能高達 10% 以及更潔凈、性能更強并且無“渦輪遲滯”的汽油、柴油和混合驅(qū)動系統(tǒng)——以可控的成本。斯沃博達與技術合作伙伴合作實現(xiàn)的創(chuàng)新帶來三項獨特的電動渦輪優(yōu)勢：介質(zhì)間隙電動機、能量回收以及便于內(nèi)置的模塊化附加理念。高級車 OEM 已為批量使用測試 Cross Charger。該系統(tǒng)也適用于乘用車和商用車中的氫能驅(qū)動系統(tǒng)。

從當前歐洲的角度來看，所有注意力可能都放在全電動驅(qū)動系上。然而，從全球范圍來看，內(nèi)燃發(fā)動機遠未過時：根據(jù)一項最新研究，2030 年^[1]內(nèi)燃機還會作為一半新造乘用車的主要驅(qū)動裝置——約 5 千萬輛，其中也包括混合動力車輛。其對于商用車同樣必不可少。但內(nèi)燃機必須得到大幅改進?！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”，斯沃博達的銷售與開發(fā)總經(jīng)理 Christian G?ser 表示。

圖片文字說明: Swoboda 采用創(chuàng)新設計的 Cross Charger^?是一款電氣化渦輪增壓器，其有助于顯著減少內(nèi)燃發(fā)動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)新通過使扭矩及功率暫時提升高達 80%、消除渦輪遲滯以及使起步加速度最多提高 55% 促進駕駛樂趣^[2]：通過電動渦輪升級，試驗用乘用車在行駛 2.5 秒后達到 55 km/h——以傳統(tǒng)充電方式速度僅為 25 km/h。此外，Cross Charger 可以顯著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%。隨著歐 7 標準計劃于 2025 年實施，后者必須大大減少，并且是在明顯縮短的發(fā)動機暖機時間之后。斯沃博達使車輛制造商更容易實現(xiàn)這些目標：“可以有盡可能多的車輛類型和應用場景得益于 Cross Charger，從插電式混合動力汽車上的小型化汽油發(fā)動機到大排量的商用車柴油機。因此，主要開發(fā)目標是方便安裝系統(tǒng)和花費相對較少的成本”，G?ser 說道。通過眾多設計和理念上的細節(jié)創(chuàng)新，斯沃博達實現(xiàn)了這一目標，并且這些創(chuàng)新使 Cross Charger 從市場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(xiàn)有增壓器實現(xiàn)后續(xù)電氣化。在這種情況下，執(zhí)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，其不必從一開始就作為新的、昂貴的增壓器系統(tǒng)的集成組件被一同開發(fā)出來?！霸诂F(xiàn)有量產(chǎn)增壓器的部件中，高達 90% 可以通過我們的解決方案接管。但其幾乎不占用額外的結(jié)構(gòu)空間”，工程設計合作伙伴 G+L innotec的執(zhí)行董事 Holger G?deke表示，其負責 Cross Charger 技術的基礎開發(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現(xiàn)不同功率變型：在這種情況下，Cross Charger 為頂級發(fā)動機帶來功率提升。此外，其也可以切換到發(fā)電機模式并進行能量回收，即：將不需要的廢氣能量轉(zhuǎn)化為電池的充電電流。由斯沃博達開發(fā)的電子控制系統(tǒng)可根據(jù)結(jié)構(gòu)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

對于電動機，在壓縮機葉輪前面的新安裝位置也帶來巨大優(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(tǒng)或者不存在對高溫敏感的轉(zhuǎn)子退磁的風險。由于結(jié)構(gòu)型式，渦輪增壓器的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量因所使用的介質(zhì)間隙電機僅略微增加（< 5%）。這說明了與傳統(tǒng)理念的本質(zhì)區(qū)別：在傳統(tǒng)理念中，電動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(zhuǎn)/分鐘）的渦輪增壓器部件之一。但這種傳統(tǒng)的解決方法也將轉(zhuǎn)動慣量提高 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(zhuǎn)子與定子之間留出很大空間，使吸入的所有空氣都能流過它。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影響電動機的效率——其憑借 95% 的效率實現(xiàn)與傳統(tǒng)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)動機轉(zhuǎn)速以及低排氣壓力下，當踩下油門踏板時，功率為幾千瓦的電動機使進氣渦輪迅速發(fā)動：所需增壓“從地下室”就直接開始。另外，內(nèi)燃機由此獲得更多最大扭矩：當前參考渦輪發(fā)動機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(nèi)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(tǒng)更快達到工作溫度。二者顯著減少了 NOX排放，尤其是面對歐 7 標準。

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

[1] IHS Markit 輕型汽車替代推進系統(tǒng)預測，2021 年10 月

[2]運動型緊湊級轎車上的 2.0 L GDI 四缸渦輪發(fā)動機