电池电动汽车正在上升,但现实情况是内燃机将要出现一段时间……而ICE方面仍有改进的空间。电力也是该方程式的一部分,即电动涡轮增压器,它有望在效率和功率传输方面迈出一大步。
近年来,涡轮增压器已成为汽车的主流,随着发动机变得越来越小且对效率的要求不断提高,涡轮增压器改善了动力传递和燃油经济性。现在,Garrett Motion已经确立了其作为一流零部件制造商的地位,并且在涡轮增压技术方面备受推崇。该公司宣布,它将在2021年投入电气化涡轮增压器(e-turbos)的使用,特别着重于混合动力发动机。
在现代发动机中,涡轮增压显然是下一步的涡轮增压。希望是,通过对涡轮增压器的转子进行更多控制,可以提高功率(从而提高效率)。要了解其工作原理,了解涡轮增压器如何影响燃烧以提高发动机的动力输出和效率非常重要。
涡轮增压快速入门
内燃发动机点燃腔室(汽缸)中的燃料和空气混合物以产生运动。正确使用燃油:空气混合物对于从最少的燃油中获取最大的动力至关重要。与我们可能想到的相反,电力输送是效率的重要组成部分。如果可以通过更少的燃料获得更多的动力,那么发动机显然会更加高效。从事赛车运动的人很早以前就了解到,高效的动力产生比倾倒燃料更有效。前者可产生更好,更可用的动力并减轻重量,从而使车辆行驶得更快,并保持更长的速度。
涡轮增压器通过在力的作用下将更多的空气推入燃烧室,从而帮助改善发动机中的燃油:空气混合,因此可以更精确地调节进入燃烧室的空气量。非涡轮增压(也称为“自然吸气”)发动机通过后退活塞和打开的进气门产生的部分真空将空气吸入燃烧室。增压发动机使用类似于涡轮增压器的强制空气方法,但由发动机本身驱动,因此需要发动机提供动力才能运行。尽管传统上增压器比涡轮增压器更容易控制,但它也更昂贵,对于小排量发动机也不总是那么好。
传统的涡轮增压器由来自发动机的废气提供动力,不会对发动机的动力输出产生阻力。废气使涡轮旋转,从而吸入空气,压缩空气并将其推入气缸的进气口。涡轮增压器的不利方面是使发动机从低压(低RPM)升至高压(高RPM)以使涡轮增压器旋转时的滞后(等待)。
在典型的应用中,涡轮增压器的大小可使其涡轮的动力传递正时与发动机需求保持平衡。涡轮压缩机越大,启动提供更多动力之前的滞后时间就越长。通常,这种折衷意味着涡轮增压器太小而无法以很高的RPM有效运行。在高RPM速率下,这些涡轮增压器通常会关闭,并且更多的燃油会被泵入发动机以补偿涡轮增压器并使其冷却。
大众汽车和梅赛德斯-奔驰等公司已经开发了两级涡轮增压器,该涡轮增压器使用电动机使涡轮压缩机旋转,直到废气可以赶上并以更高的速度接收。这些双级涡轮增压器受相关物理条件的限制,因为小型电动机只能旋转给定尺寸的压缩机。因此,保持了尺寸与热量之间的前述平衡。
电动涡轮
加勒特计划通过完全电动化将涡轮增压器提升到一个水平。公司内部的E-Turbo设计将很快与来自BorgWarner和Mitsubishi等其他涡轮制造商的竞争对手一起加入。E-Turbo不是使用较小的电动机来部分驱动压缩机,而是使用较大的电动机以较低的速度转动较大的压缩机,最终随着发动机转速的提高,废气可以部分或完全转动压缩机。
从本质上讲,涡轮增压器现在可以更大,从而扩大了其在提高功率和提高效率方面的实用性,同时几乎消除了涡轮滞后现象。更重要的是,涡轮上的电机可以反向工作。
当不再需要涡轮增压器时,例如减速或驾驶员开始以一定速度“滑行”时,旋转涡轮增压器的惯性可以被捕获并发送到车辆的电池。Garrett专门设计了E-Turbo来与现在用于许多量产车辆的48伏系统一起工作。这样可以捕获原本会从排气管发出的能量,从而进一步提高了效率。
而且,当油门需要时,获得的能量可用于再次使涡轮增压。加勒特说,这些效率的提高可以使车辆的燃油效率提高多达10%。大多数人会看到2%到5%的范围内,但是这完全取决于E-Turbo系统的使用方式和格式。此外,E-Turbo可用于柴油发动机,最多可减少20%的NOx排放,这是另一个巨大的优势。
发动机在萎缩,但动力输出却没有,加勒特认为,E-Turbo可以帮助保持这一趋势。由于E-Turbo可以使用更大的涡轮机,因此在运行过程中可以保持较低的温度,因此不需要燃料排放,因此较小的涡轮机在长时间使用时必须自行冷却。
尽管有几家制造商开始涉足电子涡轮增压游戏,但只有加勒特(Garrett)才宣布计划在即将上市的汽车中使用它。我们不知道哪种车辆,但是我们被告知这是一家大型制造商,它将是生产模型,而不是实验。我们最好的猜测是捷豹路虎,因为两家公司以前在类似技术上进行过合作。
到时候,E-Turbo可能会革新发动机效率,并在短期内为行业带来巨大的进步。