Использование гибридного турбонаддува для повышения отзывчивости и эффективности двигателя Otto Cycle

Драйв для более умного увеличения в двигателях цикла Отто

Двигатели цикла Отто - бензиновые силовые установки, которые доминируют в пассажирских транспортных средствах во всем мире - сталкиваются с давлением на установку для повышения тепловой эффективности, отклика на дроссель и соответствия выбросам. Традиционный турбонаддув позволил уменьшить мощность двигателя и повысить крутящий момент низкого класса, но он неизбежно вводит задержку между входом ускорителя и полной доставкой импульса: турбо-лаг. Гибридный турбонаддув устраняет это ограничение, электризуя сборку турбокомпрессора, сливая высокую удельную мощность выхлопной принудительной индукции с мгновенным откликом электродвигателя. Эта интеграция повышает производительность двигателя Отто, обеспечивая характеристики мощности, напоминающие двигатели с большим перемещением, естественно, с наддувом, сохраняя преимущества экономии топлива для уменьшенных турбированных агрегатов.

Автопроизводители все чаще используют гибридный турбонаддув в качестве экономически эффективного шага к полной электрификации. Сохраняя преимущества тепловой эффективности двигателя внутреннего сгорания, устраняя его самый нежелательный недостаток управляемости, технология преодолевает разрыв между обычными и электрическими силовыми агрегатами. Результатом является бензиновый двигатель, который чувствует себя отзывчивым, эффективным и чистым - комбинация, которая казалась противоречивой только десять лет назад.

Традиционный турбонаддув и его неотъемлемые ограничения

Обычный турбокомпрессор использует турбинное колесо, приводимое в движение выхлопными газами, для вращения компрессорного колеса, которое загоняет дополнительный воздух в цилиндры. Эта архитектура дает значительный прирост мощности, но полностью зависит от энергии выхлопа для ускорения вращающейся сборки. При низких оборотах двигателя - во время запуска из застоя или выхода из медленного угла - поток выхлопа недостаточен для быстрого вращения компрессора. Результат - ощутимое отставание перед сборками наддува, разочаровывая водителей, привыкших к немедленной реакции дроссельной заслонки.

Инженеры смягчили это с помощью меньших турбонаддувов с низкой инерцией, которые быстрее выталкиваются, двухпропускных корпусов, которые разделяют импульсы выхлопа, и турбин с переменной геометрией, которые динамически регулируют характеристики потока. Тем не менее, ни одна из них не устраняет фундаментальный дефицит энергии при низких оборотах в минуту. Агрессивное согласование турбонаддува приводит к компромиссу между пиковой выходной мощностью и переходной реакцией, оставляя разрыв в производительности, который эффективно соединяет гибридный турбонаддув.

Физика, лежащая в основе, проста: масштабы энергии выхлопных газов с оборотом двигателя и нагрузкой. В условиях простоя и низких круизов просто не хватает энтальпии для быстрого ускорения турбокомпрессора. Это не конструктивный недостаток, а физическое ограничение систем, приводимых в действие выхлопными газами. Гибридная турбонаддув вводит внешний источник энергии для преодоления этого ограничения, коренным образом изменяя взаимосвязь между скоростью двигателя и доступностью повышения.

Кроме того, обычные турбокомпрессоры накладывают тепловую нагрузку на двигатель. Для защиты компонентов турбины от чрезмерных температур во время длительной работы с высокой нагрузкой инженеры должны обогащать смесь воздушного топлива, увеличивая расход топлива и выбросы CO2. Эта стратегия обогащения также повышает выбросы твердых частиц - растущая нормативная проблема для бензиновых двигателей с прямым впрыском. Электрическая помощь гибридного турбокомпрессора снижает эту тепловую нагрузку, позволяя более экономичным смесям в более широком рабочем диапазоне.

Что такое гибридный турбонаддув?

Гибридный турбонаддув интегрирует электродвигатель-генератор непосредственно в сборку турбокомпрессора. Этот мотор может вращать компрессорную ступень независимо от потока выхлопных газов, обеспечивая практически мгновенный импульс по требованию. Система работает в двух основных режимах: в периоды низкой выхлопной энергии электродвигатель разгоняет турбовинтовой вал до целевой скорости в миллисекундах, сокращая лаг; при работе с большой нагрузкой двигатель может дополнять турбину для поддержания максимального давления наддува, или он может выступать в качестве генератора, извлекая избыточную энергию выхлопа для зарядки аккумулятора автомобиля или подачи энергии на другие электрические нагрузки.

Эта двойная роль делает гибридный турбокомпрессор регенеративным устройством, которое повышает общую эффективность трансмиссии. Электрическая помощь позволяет инженерам выбирать более крупные, более эффективные компрессорные и турбинные ступени без ущерба для переходного реагирования. По сути, гибридный турбонаддув отключает воздушный поток от скорости двигателя и выхлопной энтальпии, давая инженерам по калибровке свободу оптимизировать карту двигателя для эффективности без ущерба для управляемости.

Типичная гибридная установка турбокомпрессора для 48-вольтового легкогибридного транспортного средства встраивает синхронный двигатель постоянного магнита между турбиной и колесами компрессора. Некоторые системы используют отдельный электрический компрессор, расположенный выше по течению от обычного турбо, в то время как другие интегрируют двигатель в корпус подшипника турбо, разделяя общий вал. Выбор между этими архитектурами зависит от ограничений упаковки, давления нажатия на цель и напряжения электрической системы транспортного средства.

Важное различие заключается в архитектуре напряжения. Сорок восемь вольт-системы хорошо подходят для мягких гибридов и могут доставлять до 5-6 кВт электрического импульса в течение коротких периодов. Системы более высокого напряжения - обычно 400 В - позволяют электрическую мощность импульса, превышающую 20 кВт, поддерживая более крупные компрессоры и более агрессивные сокращения. Эти высоковольтные системы находятся в подключаемых гибридах и транспортных средствах производительности, где мгновенное реагирование имеет первостепенное значение.

Ключевые компоненты и системный макет

Электродвигатель-генератор

Сердцем гибридного турбо является компактный высокоскоростной двигатель, способный вращаться со скоростью более 120 000 об/мин, чтобы соответствовать рабочему диапазону турбокомпрессора. Чтобы пережить интенсивное тепло корпуса турбины - часто превышающее 950 ° C - двигатель отделен тепловым барьером и включает жидкое охлаждение. Используются передовые редкоземельные магниты или индукционные конструкции, с двигателем, управляемым специализированным модулем силовой электроники, который преобразует постоянный ток из электрической системы автомобиля в высокочастотный переменный ток, необходимый для точного управления скоростью.

Конструкция ротора имеет решающее значение: двигатель должен обрабатывать быстрое ускорение от остановки до рабочей скорости при сохранении баланса при экстремальной скорости вращения. Некоторые реализации используют подшипники рукава или активные магнитные подшипники для уменьшения трения и повышения стабильности на высокой скорости. Задача управления температурой не может быть переоценена - поддержание магнитов ниже температуры Кюри, в то время как установленные в дюймах от раскаленного корпуса турбины требуют сложных стратегий охлаждения, включая водяные куртки вокруг корпуса подшипника и охлаждение масла для самого ротора.

Энергетические хранилища и энергоснабжение

Гибридная турбонаддув требует всплесков высокой мощности в течение нескольких секунд, идеально подходит для 48-вольтовой литий-ионной батареи. Типичная система 48 В может обеспечить до 5-6 кВт электрического импульса для маневров ускорения продолжительностью несколько секунд, после чего батарея заряжается с помощью рекуперативного торможения или от функции турбогенератора во время плавания в устойчивом состоянии. Более продвинутые 400-вольтные архитектуры, такие как те, которые встречаются в подключаемых гибридах или высокопроизводительных транспортных средствах, позволяют использовать еще более высокую электрическую мощность импульса - до 20 кВт или более - позволяя использовать более крупные компрессоры без какого-либо заметного запаздывания.

Химия аккумуляторов и управление температурой являются важными соображениями. Предпочтительны литий-ионные элементы, оптимизированные для высокой мощности импульса, а не плотности энергии, поскольку система нуждается в быстром разряде и перезарядке, а не в устойчивой доставке энергии. В некоторых реализациях используются суперконденсаторы в сочетании с батареями для обработки самых высоких пиков тока, снижения нагрузки на основной аккумулятор и продления срока службы.

Стратегия силовой электроники и управления

Высокоскоростной инвертор соединяет батарею и двигатель, точно управляя крутящим моментом и скоростью. Блок управления двигателем (ECU) контролирует положение дроссельной заслонки, давление впускного коллектора и спрос водителя в режиме реального времени. Когда водитель наклоняется в дроссель, ECU командует электродвигателем вращать компрессор до целевого усиления в течение 300-500 миллисекунд - задолго до того, как основная турбина может реагировать.

По мере увеличения энергии выхлопных газов вклад электричества уменьшается, и двигатель может переключиться на режим генерации для восстановления энергии стока. Эта стратегия прогностического управления обеспечивает бесшовное сочетание электрической и выхлопной энергии, обеспечивая естественное ощущение без задержки, которое трансформирует характер вождения двигателя Otto с турбонаддувом. Расширенные алгоритмы включают в себя функции обучения, которые адаптируются к стилю вождения и условиям окружающей среды, оптимизируя профиль электрического импульса для каждой ситуации.

Программное обеспечение управления также должно управлять переходом между режимами движения и генерации без икоты крутящего момента. Это требует точной координации с блоком управления трансмиссией и, в гибридных транспортных средствах, с контроллером тягового двигателя. Результатом является сложная, но надежная система управления, которая работает прозрачно с точки зрения водителя.

Как гибридный турбонаддув трансформирует отзывчивость двигателя Otto

Наиболее очевидным преимуществом является устранение турбо-отставания. На стандартном турбируемом двигателе внезапный запрос на полный крутящий момент при 1500 оборотах в минуту заставляет водителя ждать полной секунды или более для повышения. С помощью электрической помощи компрессор может достичь целевого соотношения давления почти мгновенно, производя 90 процентов пикового крутящего момента в течение 0,3 секунды. Это приводит к реакции дросселя, которая конкурирует с большим перемещением естественно-аспирированного V8, сохраняя при этом низкий расход топлива небольшого, усиленного двигателя.

Преимущество в способности реагировать выходит за рамки остановки. Во время переходного движения, такого как обгон на двухполосной дороге, способность гибридного турбокомпрессора пре-спул до того, как дросселя полностью открыта, часто устраняет сиюминутные колебания, которые испытывают водители. Поскольку электродвигатель может выдерживать повышение во время передач или быстрых замыканий дросселя, двигатель обеспечивает непрерывный крутящий момент на протяжении всего цикла вождения. Эта характеристика особенно ценна в двухцепочечных и автоматических коробках передач, где непрерывность крутящего момента повышает качество сдвига и уверенность водителя.

Еще одним тонким, но значительным преимуществом является улучшенная управляемость на высоте. Естественно, двигатели с наддувом теряют мощность, поскольку плотность воздуха уменьшается с повышением. Гибридный двигатель с турбонаддувом может использовать электрический импульс для компенсации, поддерживая производительность на уровне моря даже на высоких горных перевалах, где обычные турбонаддувки будут бороться из-за снижения энергии выхлопа.

Кроме того, электрическая помощь позволяет быстрее подключаться к системе после простоя, сокращая время, необходимое для достижения пикового крутящего момента после смены шестерни. В пробке остановки и движения это приводит к более легкому вождению, поскольку двигатель быстро реагирует на опрокидывание без вялости, которая поражает многие уменьшенные турбодвигатели.

Повышение эффективности и сокращение потребления топлива

Гибридная турбонаддувка повышает тепловую эффективность цикла Отто с помощью нескольких механизмов. Во-первых, система позволяет двигателю большую часть времени работать в своей области с максимальной эффективностью - обычно при низких оборотах двигателя и высоких нагрузках - без ущерба для переходной производительности. Инженеры могут выбрать более крупную, более эффективную стадию компрессора, которая обычно считается слишком вялой; электрическая помощь обрабатывает разрыв в отклике.

Во-вторых, регенеративная функция собирает энергию, которая в противном случае была бы сброшена через сточную калитку, преобразуя ее в полезное электричество, которое может питать вспомогательные элементы транспортного средства или уменьшать нагрузку генератора. Это восстановление энергии наиболее эффективно во время длительных автомобильных круизов, где энергия выхлопа изобилует, и турбина в противном случае перегрузилась бы.

В-третьих, благодаря более ранней передаче крутящего момента система позволяет увеличить скорость передачи, дополнительно снизить скорость двигателя во время движения по шоссе и сократить расход топлива до 5% при движении в реальном мире. Эта передача приносит пользу соединениям с повышением эффективности за счет снижения потерь при перекачке при низких оборотах в минуту.

Некоторые реализации сочетают гибридную турбонаддувку с циклом Миллера, где впускные клапаны закрываются рано или поздно, чтобы уменьшить эффективное сжатие при сохранении высокого коэффициента расширения. Эта стратегия повышает эффективность, но традиционно страдает от дефицита крутящего момента на низких скоростях. Электрический компрессор заполняет этот разрыв точно, делая двигатель Миллера жизнеспособным без сложных механизмов подъема клапанов переменного тока. Результатом является бензиновый двигатель, который обеспечивает дизельный крутящий момент низкого класса с топливными показателями, приближающимися к показателям выделенной гибридной трансмиссии, без веса и стоимости полной гибридной системы.

Повышение тепловой эффективности на 3-6 процентов достижимо в реальных циклах вождения, в зависимости от применения и калибровки. Хотя это может показаться скромным, совокупный эффект в парке производителей может значительно снизить средние выбросы CO2, не требуя полной электрификации.

Выбросы и нормативное соблюдение

Быстрое нагревание катализатора имеет решающее значение для соблюдения стандартов выбросов холодного пуска, и гибридный турбокомпрессор может играть здесь роль. Приводя компрессор электрически во время запуска, система управления двигателем может обеспечить точно контролируемую смесь с постным сжиганием или слегка богатой смесью, которая быстро нагревает каталитический нейтрализатор без производства чрезмерных углеводородов. Это сокращает время отключения света катализатора на 30-50 процентов, существенно сокращая выбросы холодного пуска.

Кроме того, устранение обогащения богатым топливом во время переходного тяжелого ускорения - практика, используемая для охлаждения металла турбины в обычных турбонаддувах - снижает как расход топлива, так и выбросы твердых частиц. Обычные двигатели с турбонаддувом часто работают с богатыми смесями во время переходов с наддувом, чтобы поддерживать температуру выхлопных газов в пределах материалов. С электрической помощью, уменьшающей тепловую нагрузку на турбину, двигатель может поддерживать стехиометрические смеси в течение большей части рабочего цикла.

В результате получается более чистый двигатель Отто, который легче остается в пределах ЕС7 и Китая 7b при сохранении высокой удельной мощности. Выбросы количества твердых частиц, растущий нормативный фокус, сокращаются, потому что двигатель может избежать обогащения смеси, которая производит прекурсоры сажи. Это особенно важно для бензиновых двигателей с прямым впрыском, которые сталкиваются с проблемами выбросов твердых частиц из-за смачивания стен и местных богатых зон.

Связанное чтение: Правила выбросов транспортных средств EPA обеспечивают контекст для нормативного ландшафта, приводящего к инновациям в области турбонаддува. Кроме того, обзор ACEA стандартов Евро 7 предлагает перспективу в отношении сроков и требований к соблюдению следующего поколения.

Проблемы и инженерные соображения

Термический менеджмент

Размещение электродвигателя вблизи турбины, которая светится красным под нагрузкой, создает значительные проблемы с долговечностью. Инженеры используют корпуса подшипников с водяным охлаждением, специальные высокотемпературные обмотки и тепловые экраны, чтобы поддерживать температуру магнита двигателя ниже 180 ° C. Стратегии охлаждения с шириной импульса и тщательная конструкция выхлопного коллектора необходимы для обеспечения длительного срока службы. Добавленная сложность увеличивает стоимость и ограничения на упаковку под капотом.

Выбор материала имеет решающее значение: вал ротора должен поддерживать свои механические свойства в широком температурном диапазоне, поддерживая при этом как колесо турбины, так и ротор двигателя. Некоторые конструкции используют для вала и корпуса подшипников сплавы Inconel или другие суперсплавы, а обмотки статора используют высокотемпературные эмалевые покрытия, которые могут выдерживать устойчивое воздействие температур моторного отсека.

Стоимость и вес

Гибридная система турбокомпрессора добавляет двигатель, инвертор и связанные с ним силовые кабели к счету материалов. Хотя стоимость компонентов 48 В быстро упала, полная гибридная сборка турбонаддува все еще может добавить несколько сотен евро к стоимости автомобиля по сравнению с традиционным турбо. Вес увеличивается примерно на 3-5 кг, что должно быть компенсировано дальнейшим облегчением в других местах.

Анализ затрат и выгод показывает, что технология наиболее привлекательна в премиальном сегменте и в моделях производительности, где клиенты ценят отзывчивость и брендинг. Однако она медленно проникает в автомобили массового рынка по мере улучшения экономии за счет масштаба и по мере того, как правила выбросов делают повышение эффективности все более ценным для среднего соответствия парка.

Контроль сложности

Управление взаимодействием между энергией выхлопных газов, электрическим импульсом, регенерацией и состоянием заряда батареи требует сложных алгоритмов в реальном времени. Программное обеспечение управления должно плавно переходить между режимами движения и генерации, не вызывая крутящих моментов или колебаний магистрали. Обновления по воздуху и обширная калибровка необходимы для уточнения ощущения в широком диапазоне условий окружающей среды и марок топлива, добавляя время разработки.

Калибровочные усилия значительны: каждое приложение транспортного средства требует отображения профиля электрического усиления в тысячах рабочих точек, балансировки реакции на ограничения эффективности и долговечности.Трансорные маневры, такие как опрокидывание, опрокидывание и переключение передач, требуют тщательной координации между системой управления двигателем и электрическим турбоконтроллером.

Шум, вибрация и жесткость

Электрический моторный нытик на высоких скоростях может быть слышимым, если не правильно замаскирован. Инженеры должны спроектировать частоту переключения инвертора, чтобы избежать нежелательных тонов, а передаточный состав (если используется) должен быть оптимизирован для тихой работы. Активная генерация звука или крепления двигателя с адаптивным демпфированием могут потребоваться для сохранения опыта кабины премиум-класса, ожидаемого в транспортных средствах, использующих эту технологию.

Гибридный турбонаддув против других технологий повышения

Чтобы оценить ценность гибридного турбонаддува, он помогает сравнить его с альтернативными решениями. Электрические нагнетатели - автономные электрические компрессоры, размещенные последовательно или параллельно - предлагают мгновенное повышение, но не могут восстанавливать энергию и обычно работают всего несколько секунд из-за ограничений батареи. Они также являются отдельным компонентом с собственной упаковкой и требованиями к сантехнике.

Турбокомпрессоры с двойным свитком и переменной геометрией улучшают реакцию, но остаются зависимыми от выхлопной энтальпии. Они могут уменьшить отставание на 30-50 процентов по сравнению с однослойными конструкциями, но не могут полностью устранить его. Настройки с двойным турбонаддувом разделяют поток газа, но добавляют стоимость, вес и механическую сложность, все еще будучи зависимыми от выхлопной энергии при низких оборотах в минуту.

Гибридная турбонаддув выделяется тем, что интегрирует импульс и регенерацию в единый компактный блок, обеспечивая как мгновенный отклик, так и непрерывную выходную мощность без вторичного устройства зарядки воздуха. Эта консолидация упрощает упаковку и снижает паразитные потери по сравнению с системами, которые используют отдельный электрический нагнетатель последовательно с обычным турбо.

Дополнительное чтение: Для технического сравнения технологий повышения, Страница технологии электронной турбонаддува Garrett Motion предоставляет технические детали о гибридных турбокомпрессорах, предназначенных для производства. Также Страница электронного повышения Боргварнера предлагает альтернативный взгляд на системы повышения с электрическим приводом.

Реальные приложения в современных автомобилях

Несколько автопроизводителей перенесли гибридную турбонаддувку из лаборатории в выставочный зал. Двигатель Mercedes-AMG M139 в моделях A45 и CLA45 использует 48-вольтовый электрический компрессор, поддерживаемый интегрированным стартер-генератором, для доставки 421 л.с. из 2,0-литрового четырехцилиндрового с незначительным запаздыванием. Этот двигатель демонстрирует, что высокая удельная мощность не должна приходиться за счет реакции дроссельной заслонки.

Audi SQ7 и SQ8 TDI используют электрический компрессор, хотя это дизельное приложение; на бензиновой стороне модели Porsche 718 Cayman T и базовой модели 911 используют электрический шлюз и мягко-гибридную помощь для усиления реакции. Семейство двигателей Volkswagen Group EA888 Evo4, уже известное своей эффективной турбонаддувкой, готовится к варианту с мягко-гибридным турбонаддувом, который использует стартер-генератор с ремнем 48 В и электрический компрессор для выталкивания производительности 2,0-литрового агрегата за 300 л.с., сохраняя CO2 ниже 130 г / км.

296 GTB Ferrari использует 120-градусный V6 с двумя электрическими турбонаддувами в гибридной конфигурации с подключаемым модулем, что является четким сигналом того, что гибридная турбонаддув жизнеспособен на самых высоких уровнях производительности. Система обеспечивает 830 л.с. комбинированный выход с нулевым турбоотставанием, демонстрируя, что электрифицированное повышение может сосуществовать с экстремальными требованиями к производительности.

BorgWarner и Garrett Motion активно продают турбокомпрессоры с электрическим приводом для производителей, стремящихся соответствовать предстоящим стандартам выбросов. Считается, что несколько производственных программ разрабатываются для запусков моделей 2025-2027 годов в нескольких сегментах транспортных средств.

Будущее гибридных турбонаддувов

По мере ускорения электрификации транспортных средств роль гибридного турбонагнетателя будет развиваться. В слабогибридных архитектурах (48В) электрический компрессор станет стандартным компонентом для бензиновых двигателей объемом более 1,5 л, что позволит продолжить тенденцию к уменьшению, не жертвуя управляемостью. В подключаемых гибридах высоковольтные электрические турбодвигатели будут работать совместно с тяговыми двигателями для обеспечения бесшовной смешанной кривой крутящего момента, где электрический компрессор заполняет зазор задержки, в то время как электрическая ось обеспечивает крутящий момент запуска.

Некоторые исследовательские проекты изучают, как гибридный турбомотор может полностью заменить генератор, генерируя достаточную бортовую мощность для работы всех потребителей электроэнергии, действуя в качестве дополнительного двигателя во время ускорения полной нагрузки. Это устранит генератор в качестве отдельного компонента, уменьшая вес и повышая эффективность упаковки.

Передовые конструкции двигателей, использующие силовую электронику из карбида кремния, обещают увеличить мощность электрического импульса более чем на 15 кВт в системе 48 В, что еще больше разрушит последние остатки турбонаддува. В сочетании с деактивацией цилиндров и динамическим отказом от огня гибридный двигатель Otto с турбонаддувом может достичь тепловой эффективности, превышающей 45 процентов, что соответствует текущим дизельным двигателям, оставаясь экономически конкурентоспособным с полными гибридными трансмиссиями.

Сближение электрификации и технологий повышения эффективности указывает на то, что двигатель внутреннего сгорания является одновременно волнующим и экологически ответственным, что является важным шагом на пути к полной электрификации транспортных средств.По мере того, как технология аккумуляторов продолжает совершенствоваться, гибридный турбокомпрессор может в конечном итоге служить технологией моста в течение еще десятилетия или более, особенно в приложениях, где полная электрификация остается непрактичной из-за веса, стоимости или инфраструктурных ограничений.

Заключение

Гибридная турбонаддув представляет собой фундаментальный сдвиг в том, как инженеры подходят к принудительной индукции для двигателей цикла Отто. Взаимодействуя с высокоэффективным потенциалом импульса, приводимого в действие выхлопными газами, с мгновенным крутящим моментом электродвигателя, система решает вековой компромисс между производительностью и экономией топлива. Она открывает улучшенную реакцию дроссельной заслонки, снижение расхода топлива и снижение выбросов, одновременно упрощая операционную стратегию двигателя.

По мере снижения затрат и перехода отрасли к повсеместной электрификации на 48 В гибридный турбокомпрессор готов стать определяющей технологией в заключительной главе доминирования двигателя внутреннего сгорания. Он обеспечивает более чистый, более резкий и более привлекательный опыт вождения, чем когда-либо прежде, предоставляя убедительный ответ на вопрос о том, как сделать двигатель цикла Отто актуальным и конкурентоспособным в мире, где все больше электрифицируется. Для автопарков и производителей гибридный турбонаддув предлагает практичный, экономически эффективный путь к достижению целей по выбросам при сохранении эксплуатационных характеристик, которые требуют водители.