近日，蓋瑞特表示，將于今年與某歐洲豪華汽車品牌共同推出業(yè)內(nèi)首款量產(chǎn)48V電動渦輪增壓器。大眾、通用、寶馬、上汽、長城等汽車企業(yè)的內(nèi)燃機(jī)也趨于小型化，1.5L以下排量內(nèi)燃機(jī)將成為未來內(nèi)燃機(jī)市場的主流。
隨著排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，動力強(qiáng)勁且油耗較低的渦輪增壓發(fā)動機(jī)受到汽車企業(yè)的青睞。近幾年來，渦輪增壓發(fā)動機(jī)車型占比迅速提升。同時(shí)，隨著新能源汽車發(fā)展越來越快，渦輪增壓器迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。
♦ 迎接混動浪潮有備而來
根據(jù)咨詢機(jī)構(gòu)IHS的預(yù)測，到2030年，全球范圍內(nèi)依然有超過80%的車輛使用內(nèi)燃機(jī)和混合動力系統(tǒng)，增壓器的配裝比例將比2019年再提升10個(gè)百分點(diǎn)，超過60%。
同時(shí)，為應(yīng)對第五階段乘用車油耗標(biāo)準(zhǔn)(百公里4.6L)，整車企業(yè)開發(fā)將以熱效率40%以上的混動專用發(fā)動機(jī)作為主要技術(shù)路線。2020年10月發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)線路圖2.0》提出，到2035年，混合動力汽車將占汽車總銷量的50%。作為未來節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)之一，混合動力技術(shù)迅速成為整車企業(yè)先進(jìn)動力技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。
博馬科技球首席運(yùn)營官、亞太地區(qū)負(fù)責(zé)人陳曄博士對記者表示，當(dāng)前行業(yè)對高度定制化的渦輪增壓器需求量很大，博馬科技根據(jù)市場趨勢和客戶不同需要，可提供適用于傳統(tǒng)燃油發(fā)動機(jī)、混動專用發(fā)動機(jī)和增程式發(fā)動機(jī)的渦輪增壓解決方案。
“高熱效率混動發(fā)動機(jī)將采用高壓縮比、強(qiáng)米勒循環(huán)等技術(shù)手段。這對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)提出了更高的挑戰(zhàn)和要求。”蓋瑞特中國乘用車業(yè)務(wù)總經(jīng)理王成龍對記者表示，在今年的上海車展上，蓋瑞特展出了采用創(chuàng)新耐高溫材料和涂層的新一代VNT?可變截面增壓器，耐溫達(dá)1020℃，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了100kW/L的升功率水平，將于2023年量產(chǎn)。
另外，對于行業(yè)越來越追求40%以上甚至更高的熱效率來說，可變截面配合米勒循環(huán)技術(shù)將是提高熱效率最直接的方式。近期，越來越多的國際和國內(nèi)知名企業(yè)都會推出采用可變截面技術(shù)的渦輪增壓器。
“博馬科技除了自主創(chuàng)新研發(fā)的FNT(浮動式可變截面渦輪增壓器)可以迅速提高熱效率外，還面向其他各種高效率發(fā)動機(jī)的技術(shù)路線開發(fā)了一系列相關(guān)的前沿技術(shù)，利用先進(jìn)的空氣動力學(xué)設(shè)計(jì)理念、開發(fā)出高效率低噪聲的3D軸承、可調(diào)截面壓氣機(jī)技術(shù)以及電子輔助渦輪增壓器等，能為不同的客戶高度定制更高熱效率的產(chǎn)品，滿足各類混動發(fā)動機(jī)的需求，部分重點(diǎn)項(xiàng)目即將量產(chǎn)。”陳曄對記者說。
♦ 渦輪增壓器與電動空壓機(jī)升級
近兩年來，渦輪增壓器企業(yè)除了對傳統(tǒng)渦輪增壓器進(jìn)行升級改造之外，還將渦輪增壓器核心技術(shù)應(yīng)用在燃料電池汽車的空壓機(jī)上。
電動空壓機(jī)是氫燃料電池汽車動力系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)，如同燃料電池堆的“肺”。先進(jìn)的電動空壓機(jī)技術(shù)可以更好地幫助燃料電池堆調(diào)節(jié)空氣壓力和流量，顯著提升燃料電池堆的功率密度和效率，并有效幫助動力系統(tǒng)節(jié)約能耗。但是，當(dāng)前常規(guī)的燃料電池汽車空壓機(jī)使用的空氣軸承有緊湊的公差帶，大批量生產(chǎn)有挑戰(zhàn)性，且成本也相對昂貴。
博馬科技全球研發(fā)副總裁、首席技術(shù)官Nisar AI-Hasan博士說，博馬科技空壓機(jī)有著獨(dú)特的“液壓軸承”，可以提高燃料電池系統(tǒng)的整體效率。為解決以上問題，博馬科技在自有專利“3D軸承”的基礎(chǔ)上開發(fā)的液壓動力軸承的電動燃料電池壓縮機(jī)不僅性能可靠、易于生產(chǎn)，而且成本低。與空氣軸承相比，流體動力軸承可實(shí)現(xiàn)更快的轉(zhuǎn)子速度。博馬科技的燃料電池汽車壓縮機(jī)持續(xù)運(yùn)行功率可高達(dá)20kW，可以滿足客戶在400V至700V之間的不同需要。
蓋瑞特的燃料電池汽車空壓機(jī)已配裝本田Clarity轎車并量產(chǎn)。蓋瑞特研發(fā)的新一代電動空壓機(jī)在多方面有所提升：一是體積減小30%，更容易布置;二是成本有所下降，新一代電動空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速從10萬轉(zhuǎn)提升至15萬轉(zhuǎn)，所需要的貴金屬原材料有所減少;三是電機(jī)轉(zhuǎn)速提升以后，消耗功率會下降，第一代的電機(jī)是20kW，消耗功率下降了25%。
電機(jī)消耗的功率降低，意味著初始成本降低。王成龍給記者算了一筆賬，當(dāng)前1kW電堆成本約為5000元至8000元，降低5kW就意味著節(jié)約幾萬元初始成本。同時(shí)，新一代的產(chǎn)品還可以選擇有能量回收功能的膨脹端設(shè)計(jì)，可利用電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的高溫廢氣轉(zhuǎn)化成電能，實(shí)現(xiàn)能量回收，再降低三成能耗，進(jìn)一步節(jié)約使用成本。
“空壓機(jī)與渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)很類似，而空壓機(jī)是燃料電池汽車的必備品，未來市場空間很大，這也是企業(yè)紛紛研發(fā)空壓機(jī)產(chǎn)品的原因。”天津大學(xué)教授、內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室原副主任姚春德說。
據(jù)介紹，蓋瑞特48V/400V一體化的電動增壓器集成高速電機(jī)，可以為輕度混合動力和深度混合動力汽車提供電力輔助增壓。其復(fù)雜的電機(jī)控制系統(tǒng)可以超過每分鐘20萬轉(zhuǎn)，顯著增強(qiáng)發(fā)動機(jī)在全工況下的瞬態(tài)響應(yīng)性能。
蓋瑞特中國乘用車業(yè)務(wù)總經(jīng)理王成龍表示，電動渦輪增壓器對發(fā)動機(jī)的性能和節(jié)油效果有明顯提升，以蓋瑞特研發(fā)的電動渦輪增壓器為例，可以幫助混動系統(tǒng)節(jié)油1%至3%;發(fā)動機(jī)性能提升也很明顯，在首款量產(chǎn)車上可以用2.0T發(fā)動機(jī)替代以前的V8發(fā)動機(jī)。他說：“車輛在高速巡航時(shí)，可以將多余的廢氣能量轉(zhuǎn)換成電能回收，補(bǔ)償電池或電驅(qū)系統(tǒng)。該技術(shù)還具備能量回收功能，從而進(jìn)一步降低油耗。”
♦ 自主增壓器產(chǎn)業(yè)需過幾道坎
在渦輪增壓器行業(yè)，排名前五位的企業(yè)全部是外資企業(yè)。據(jù)一位不愿透露姓名的企業(yè)負(fù)責(zé)人坦言，當(dāng)前在汽油機(jī)中，自主渦輪增壓器企業(yè)的產(chǎn)品占比約為10%，年配套量為200萬只。
姚春德說：“自主企業(yè)在廢氣渦輪增壓產(chǎn)品上有一定進(jìn)步，但在流道設(shè)計(jì)等方面還有一定差距，高端市場仍然是外資品牌產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢。”近幾年來，長城、吉利等自主整車企業(yè)也開發(fā)了自己的渦輪增壓器，表現(xiàn)不錯(cuò)。
上述企業(yè)負(fù)責(zé)人指出，在柴油機(jī)渦輪增壓器市場上，自主品牌企業(yè)也有一定占比，許多輕卡的渦輪增壓器實(shí)現(xiàn)了本土供貨，但如乘用車一樣，高端重卡的渦輪增壓器仍然會選擇外資品牌的產(chǎn)品。“自主企業(yè)的起步較晚，而渦輪增壓器的技術(shù)門檻也比較高，自主企業(yè)在追趕中，聲量雖然不大，但仍在發(fā)展之中。”
“從2010年以后，科技部對內(nèi)燃機(jī)的支持比較少。近兩年，燃料電池汽車火起來了，空壓機(jī)發(fā)展得到了一些政策支持。因此，自主渦輪增壓器未來發(fā)展還是需要政策支持。”姚春德認(rèn)為，自主渦輪增壓企業(yè)還需要技術(shù)創(chuàng)新，首先就是必須突破“卡脖子”技術(shù)難關(guān)，比如軸承與電機(jī)。“動輒數(shù)萬上十萬轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速對材料的耐熱、耐磨性能提出了非常高的要求。”
對電動渦輪來說，技術(shù)挑戰(zhàn)更大。王成龍指出，首先是渦輪里的電機(jī)體積很小，沒有多余的空間來布置傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器。這就需要通過軟件來給電動渦輪明確的指令，要求軟件計(jì)算有非常高的精準(zhǔn)性，以到達(dá)發(fā)動機(jī)匹配需要的轉(zhuǎn)速。(趙玲玲)
