浅谈混动背景下的发动机电动化

故事        2019-06-12   来源:花姐谈往事

虽然如今纯电动汽车的发展如火如荼,被认为是零排放“终极”解决方案的燃料电池在我国也被确立为与纯电动汽车同等重要的技术路线。但是新技术从发生到普及到成为主流需要一个很长的过程,在未来的很长一段时间内,内燃机任然充当着重要的角色。根据AVL的预测,到2030年仍然有80%以上的车辆需要搭载内燃机,只是内燃机的形式需要多样化,基于传统的内燃机进行改变,让其更适应混动或者插电混车型,逐渐建立起新时期的具有相当优势的内燃机型式。


前期文章中,动力君曾与大家分享了AVL提出的内燃机4.0概念,其中一个重要的概念就是内燃机4.0=电气化+网联化。“电气化”主要就是指发动机的相关附件系统实现电气化,能量来源于电池,而非内燃机本身的能量,这样可以让内燃机的能量更为专注于输出给车辆,而非驱动系统附件,减少相当的能量损失。另一大优势就是附件系统对于发动机调节(如进排气、冷却润滑等)将更加灵活。

在整车驱动系统电气化的影响下,发动机的电气化趋势亦是必然。尤其是在短期内,随着48V技术往深处发展,给发动机的电气化创造了有利的基础条件。无论是汽油机还是柴油机,未来都将朝着48V电气化的方向继续发展。

就发动机的附件系统而言,电气化的思路其实并不复杂,保留基本的缸体缸盖,其他附件系统逐步实现电动化,如电动水泵、电动油泵、电动空调压缩机、电动增压、电动化气门等等,解决发动机本身的“烦恼”,让发动机“更专心的工作”。

如上图所示,电动化部件中,电动压缩机其实在现在的插电混车型中已经非常常见,电动油泵在混动变速箱上的应用也比较普及。下面我们通过一些举例,来看一看已经在开发或者在应用的其他电气化部件的情况。

电动气门

最早在2016年,观致就观致3搭载了一台1.6T无凸轮轴的发动机进行全球首试。这项技术就来源于科尼塞克的电控气门技术Freevavle,它在系统程序的控制下,可以自由的控制每一个气门的开启,从而舍去了凸轮轴、正时链条等一系列复杂的配气系统部件,同时也摆脱了这些“传统”配气部件对气缸进气的“束缚”。

通过采用Freevavle系统代替传统的链条驱动凸轮轴结构,根据公布数据,发动机的重量得到进一步减轻,降低25kg,发动机高度和长度分别减少50mm70mm,在结构更为紧凑的同时,相对1.6T原发动机动力性能提升45%,油耗降低15%。虽然账面数据很好看,但是毕竟新技术,尚未能实现量产,媒体实际试驾反馈,发动机动力输出不够平顺,成熟度方面依然有待继续提高。

2018年,CmconAutomotive公司向外界展示了最新开发的智能阀门技术Intelligent Vlve Technology,与上述Freevavle系统最大的不同是,该阀门并不与曲柄轴相连,而是分别配置了各自的小型凸轮轴,通过电机控制,进行自行调控。

该装置可精准地定时并改变凸轮轴的提升及持续时间,即控制阀开操作及其持续时间,且不会在发动机性能方面作出设计妥协,在既定转速下,当凸轮轴处于低位时输出动力,提升燃油经济性。当凸轮轴处于高位时,发动机进行排气。目前,该系统已经在捷豹2.0L增压发动机上进行了测试,相对传统发动机,性能提升高达20%,燃油经济性改善7.5%

电动增压

说到电动增压,首先说一下BorgWarner2017年推出的48VeBooster电子增压器,eBooster技术由电机驱动,目前的型号需要与涡轮增压器共同工作,首款应用在奔驰3.0L 直列六缸发动机上,使其达到了4.8L V8发动机相同的动力性能水准。

BorgWarner的eBooster,其功率是5 kW,最大转速72 000 r/min,达到90%的最大转速需230 ms。瞬时功率最大可以达到6.2 kW,在持续工作中,可以达到2~3 kW。OEM可以根据需要将eBooster布置在涡轮增压器之前或者之后,这就相当于两级涡轮增压,在这个过程中,eBooster在发动机高转速运转时保持2~3 kW持续增压,以辅助涡轮增压器。这不仅可以大大提升发动机在各个转速时的转矩,并且能有效降低涡轮迟滞。

eBooster主要功能是起到辅助传统涡轮的作用,但尚不能单独承担起增压的重任,目前BorgWarner的涡轮增压技术正由eBooster向eTurbo迈进。eTurbo是BorgWarner正研发的一款由电能辅助的集成电机式涡轮增压器。除了提供必备的增压功能以外,eTurbo还能通过废气进行能量回收,产生电能。


以上介绍的两个电动附件系统(电动气门、电动增压)相对比较复杂,其他诸如电动水泵、电动油泵就可以很好理解。以电动水泵为例,机械水泵由于通过皮带驱动,其转速始终与发动机的速度呈正相关关系。因此,当发动机启动,水温还较低时,机械水泵同样会以一定速度运转,从而带走大量热量,不利于发动机升温以及排放控制,并且浪费了发动机能量。那么电动水泵就可以根据发动机的实际温度管理需求,灵活的控制转速即冷却液流量,从而使热管理更加的精准、经济。

总而言之,在48V或者混合动力的大背景下,发动机仍有很大的发展空间。在内燃机4.0时代,OEM将会积极推出电气化的混动专用发动机,发动机本身有望进一步开源节流,提升发动机的控制水平,提高热效率,降低能量损失。


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