斯沃博達的渦輪電氣化讓內燃機輕松呼吸

Cross Charger 致力于歐 7 排放目標并提升駕駛樂趣

2022年3月22日，德國維根斯巴赫/紹恩多夫。在開發預算大幅縮減的情況下，內燃發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行器為車輛制造商提供了一項解決方案：借此可實現節能高達 10% 以及更潔凈、性能更強并且無“渦輪遲滯”的汽油、柴油和混合驅動系統——以可控的成本。斯沃博達與技術合作伙伴合作實現的創新帶來三項獨特的電動渦輪優勢：介質間隙電動機、能量回收以及便于內置的模塊化附加理念。高級車 OEM 已為批量使用測試 Cross Charger。該系統也適用于乘用車和商用車中的氫能驅動系統。

從當前歐洲的角度來看，所有注意力可能都放在全電動驅動系上。然而，從全球范圍來看，內燃發動機遠未過時：根據一項最新研究，2030 年［1］內燃機還會作為一半新造乘用車的主要驅動裝置——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。但內燃機必須得到大幅改進。“我們的 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總經理 Christian G?ser 表示。

電氣化激發情感，而不增加排放

該創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動機暖機時間之后。斯沃博達使車輛制造商更容易實現這些目標：“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動機到大排量的商用車柴油機。因此，主要開發目標是方便安裝系統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創新，斯沃博達實現了這一目標，并且這些創新使 Cross Charger 從市場上已有的電氣化量產渦輪增壓器中脫穎而出。

可以保留原先的廢氣渦輪增壓器

憑借斯沃博達創新，才能使現有增壓器實現后續電氣化。在這種情況下，執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、昂貴的增壓器系統的集成組件被一同開發出來。“在現有量產增壓器的部件中，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構空間”，工程設計合作伙伴 G+L innotec的執行董事 Holger G?deke表示，其負責 Cross Charger 技術的基礎開發部分。

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不同功率變型：在這種情況下，Cross Charger 為頂級發動機帶來功率提升。此外，其也可以切換到發電機模式并進行能量回收，即：將不需要的廢氣能量轉化為電池的充電電流。由斯沃博達開發的電子控制系統可根據結構空間情況，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或者不存在對高溫敏感的轉子退磁的風險。由于結構型式，渦輪增壓器的旋轉質量因所使用的介質間隙電機僅略微增加（《 5%）。這說明了與傳統理念的本質區別：在傳統理念中，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/分鐘）的渦輪增壓器部件之一。但這種傳統的解決方法也將轉動慣量提高 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：這種所謂的介質間隙電機在轉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% 的效率實現與傳統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：在低發動機轉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動：所需增壓“從地下室”就直接開始。另外，內燃機由此獲得更多最大扭矩：當前參考渦輪發動機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化的范圍內工作更久。從而降低油耗。尤其是對于 Cross Charger，廢氣再循環（EGR）的效率提高，后處理系統更快達到工作溫度。二者顯著減少了 NOX排放，尤其是面對歐 7 標準。

汽車行業對這項創新表現出相應興趣：“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過改進的內燃發動機的形式。