【汽车与环境】奕森科技总裁辛军：汽车低碳化、电气化对增压系统的要求

2018年12月7日-8日，以“创新驱动、技术引领”为主题的2018第六届“汽车与环境”创新论坛在上海·安亭正式举办。本次论坛完整覆盖汽车行业技术领域的研讨，旨在进一步促进整车企业与零部件企业之间对技术发展趋势的探讨、加强汽车行业专家之间的交流互动、增强整车与零部件企业的交流、搭建合作平台，通过活动促进汽车零部件产业创新转型升级、打造更具竞争力的整零协同创新关系，助力实现向汽车强国的转变。以下是奕森科技总裁辛军在本次论坛上的发言：

奕森科技总裁 辛军

汽车与环境创新论坛的特点是给听众带来既有广度又有深度的汽车技术发展的报告，我们今天的报告准备花费了不少我和我们公司研发副总裁顾茸蕾博士的时间。我们希望给大家能够带来最前沿的技术分享，我的演讲题目是汽车低碳化、电气化对于增压系统的要求。汽车产业的可持续发展取决于我们如何解决能源、环境、交通、安全四个方面的问题。就能源问题我稍微展开讲一下。

作为能量的储存系统，电动汽车上的电池与汽车的油箱相似。讲到油箱内的汽油，中国消耗石油的60%以上是从国外进口的，是一个能源安全问题。当前三元电池中的金属元素钴，全球储量低，而且集中在少数国家。目前，中国的钴进口依赖度高达90%以上，非洲的刚果就占了全球储量的50%以上。我们要避免在解决石油对于国外的依赖性同时，却制造出来另外一个对于国外的依赖性。

解决这四个问题的途径是什么？汽车不仅有大家讲的汽车四化，我认为还应该再加一个低碳化。低碳化是非常重要的，为什么低碳化非常重要的？我们来看未来十到二十年，汽车动力系统有哪几种形式构成，内燃机起什么作用。我们从有代表性的全球汽车企业的技术路线来看，不论是大众、丰田、本田还是日产，基本上是传统的燃油车比例逐步下降，混合动力逐步增加，另外还有纯电动汽车以及燃料电池车。从动力系统形式来看，从最左边的传统燃油车中只有内燃机，到微混、弱混、中混、强混、纯电动，内燃机增程电动，直到燃料电池。除了纯电动和燃料电池汽车，其他的动力系统都有内燃机。不要一讲电气化，就以为没有内燃机了。只有中国才有新能源汽车一说，也不要把新能源汽车与汽车电气化等同。汽车电气化的范围比中国讲的新能源汽车广的多。 

从各方面的预测来判断，2030年中国汽车至少70%还是会有内燃机。但是，在2030年百分之百的车都会有某种形式的电气化。所以，不断降低内燃机的油耗或内燃机的低碳化是中长期降低石油消耗的重要路径。 

再说低碳化和电气化对于增压系统的要求，我先讲低碳化对于汽油机的要求，汽油机还是非常大的进一步降低油耗潜力。大约三分之一的化学能转换成机械能，大约三分之一被冷却介质带走，大约三分之一被废气带走。昨天苏院士的报告提到热效率可以从当前的40%提高到51%，结合其他方面的优化和发动机工作运行点的管理，这些都能够使内燃机作为动力源的整车油耗有大幅降低的空间。 

低碳化对于汽油机的要求来讲，希望低速扭矩越来越高，最大扭矩越来越高，另外最大功率要求也越来越高，动态响应要快，另外也不能通过混合气加浓的办法来降低排温。这样的汽油机特性对增压器会有怎样的要求？希望涡轮增压器空气流量范围宽、高压比、低背压、低惯量、低摩擦损失、能用低黏度机油、能承受更高的机油温度、低机油泄漏量，另外希望能够承受更高排气温度，另外涡轮增压器能够耐EGR腐蚀等。下面我针对低碳汽油机对增压器的要求逐一展开，介绍奕森科技产品如何满足这方面的市场需求。 

首先，针对空气流量范围宽、高压比、低背压，希望涡轮增压器的总量从原来粉红的线变成棕色的线，希望涡轮增压器的运行范围更加宽广，只有这样才能确保在低速的时候有足够的喘振余量。同时在最大功率的时候，也有足够的空气流量。这样从上一代的Map的范围，到新一代的市场需要，这需要做很多空气动力学方面的计算，在此基础上我们建立各种压气机特点的气动方案可以供客户选用。 

另外峰值扭矩和最大功率这也是一个跷跷板，两头兼顾是比较难的。这个图是说明我们如何兼顾峰值扭矩和最大功率。性价比较高的方案，就是采用双流道涡壳。另外VGT技术可以最好地平衡满足峰值低速扭矩和最大功率。VGT是可变截面增压器，其特点就在于其可变的流道面积和气流方向，这类似于可变气门正时VVT。有VVT技术之前，发动机工程师很难兼顾发动机的低速扭矩和额定功率。也可以从这样的角度理解可变截面增压器，VGT的叶片可以通过随发动机的转速和负荷进行调整。使得不管是发动机在低转速的时候，还是发动机在高转速的时候，永远能够做到最佳的空气动力学特性，同时保持最低的排气背压。从而VGT获得比双流道涡壳更好的发动机性能。

大家可能也听说过VGT和米勒循环搭配，提高发动机的热效率。VGT用于汽油机面临几个关键问题，最关键的问题就是汽油发动机的排温很高，如何能够在高达一千度的排温环境下，VGT还能正常工作，不卡滞，低排温时又不能有太大的间隙，同时材料价格不能高，这是一个挑战。

我们认为要满足中国汽车市场未来的要求，VGT是客户所必须采用的技术。我们奕森科技VGT承受排气温度能够到950度。另外VGT最担心的一点，就是叶片被卡滞，我们在设计的时候有一些细节方面考虑，能够兼顾它的效率、尽可能减少漏气量的同时，又能降低叶片卡滞的风险。另外我们也在VGT机构和零件数量上做足功课，控制成本增加。那么我们奕森科技VGT技术方案，如何在结构上面设计锝更加优异？这是一个示意图，左边这个图是市场上竞争对手的VGT方案，比如有三个滚轮、两个销，我们VGT把滚轮和销的功能，集成到在奕森科技VGT本身所需要的其他零件，从而把这几个零件取消了，让我们的结构更加简化。

有关响应性和最大功率，如何保证发动机性能的同时，又可以满足对于响应时间的要求，采用大流量混流涡轮是解决方案之一。影响涡轮增压器转动惯量的几个零件，诸如涡轮、压叶、轴等零件，涡轮的影响最大。因为涡轮材料的比重是压轮材料的三倍左右，所以如何把涡轮的重量降低这是非常重要的。采用混流涡轮设计，能够使增压器的相应时间变得短。

下面来介绍涡轮增压器如何降低摩擦损失，如何能使用低黏度机油，如何涡轮增压器能够做到在更高的机油温度正常工作，如何降低机油泄漏量、降低漏气量。通过介绍奕森科技新一代涡轮增压器的设计特点和试验结果，来阐述这方面的技术。奕森科技新一代涡轮增压器，轴径是五毫米，另外我们设计用机油是低黏度机油0W20，设计机油温度是150度。具体设计方案，比如非对称承载面的设计、两侧双PR密封，另外我们奕森科技独特的单体spacer设计，独特的压端密封设计，高轴向承载能力等等，这是我们涡轮增压器的设计特点。 

大家知道，机油粘度随油温升高而降低。而机油粘度对轴系转动稳定性是有利的，当然不利于效率和响应。用低粘度机油在更高的机油温度条件下高速运转，是对轴系设计的巨大挑战。由于我们在设计和工艺上对相关零件的结构、设计和工差作了全面的考虑和优化，取得了非常优异的结果。新一代的涡轮增压器比对标涡轮增压器稳定性提高50%。另外次同步振动振幅降低了70%。这个图可以看清楚，采用5毫米的轴，效率提高了2-3个百分点。

另外压端密封结构，使它的油封能力提升2倍。我们在油路和气路设计时，尽可能使两者分离，在新一代的涡轮增压器总成结构，油和气路基本上分开，这就解释了为什么我们在新一代的涡轮增压器能够把机油的泄漏量降到很低。这是两个视频，对标涡轮增压器这里可以看到很多机油在这里堆积，有些堆积的机油有被从轴向带出来的风险，新一代的涡轮增压器这个部位基本上看不见机油。 

为什么降低机油泄漏这么重要？发动机尤其是低速扭矩提上去以后，最难解决的问题就是超级爆震。产生超级爆震有两个机理，一个是燃烧室表面有热点，另外一个机理是机油液滴的形成。那么机油液滴可能有哪几个途径可以进去？一是内部形成，另外一个途径有可能从进气吸入。而进气吸入的机油有可能来自增压器或者曲轴箱通风。当高扭矩密度直喷增压汽油机运行在低速高负荷工况时，如果有机油进入燃烧室，很容易引发超级爆震，导致发动机损坏。 

前面已讲到，电气化动力系统的形式范围非常广。其中的许多电气化动力系统，还是需要内燃机的。混合动力系统里面发动机对于涡轮增压器的匹配要求与传统燃油车中发动机对于涡轮增压器的匹配要求是不一样的。传统的燃油车的发动机运行工况非常宽广，这样在不同的工况里，涡轮增压器都需要有比较好的表现。但是如果在混合动力，发动机的运行就固定在比较小的区域里面。因为这样一个特殊的用途，我们在涡轮增压器设计的时候，可以更加关注于涡轮增压器的效率和成本，使产品组合能够达到最好的表现。 

无论是出于降低汽油机泵气损失，还是出于在高负荷降低燃烧温度和排气温度的考虑，废气再循环技术在下一代发动机产品会得到更加普遍的应用。EGR对增压器的影响主要表现在压气机叶轮，压叶轮有可能受到以下几点影响。一个是颗粒冲击损伤叶轮，另外一个废气里面有酸性气体，酸性物质也会腐蚀叶轮，还有如果EGR用时间长了以后，都会在管子里面和表面会形成一层油泥，沉积起来也会影响叶轮性能。我们对压叶轮表面进行涂层保护，可以看到有表面涂层保护和没有涂层保护的压叶轮，经过100小时耐久实验以后，没有涂层保护的叶轮在叶片的边缘就出现了锯齿形状的损坏。但是有涂层的的压叶轮，叶轮在叶片的边缘还是非常光滑的，没有出现了锯齿形状的损坏。

下面讲一下电气化对于增压器的要求。昨天下午余卓平教授的报告阐述了氢气在未来中国能源组成中的作用，以及因此而带来的燃料电池技术的普及。这份2017年发布的氢气委员会报告也认为燃料电池首先会在城市公交车、长途汽车、货车等方面被普及采用。从这里的横坐标来看，2025年在市场上应该能够看到燃料电池的增长态势。随着燃料电池的装机量的增加，燃料电池的成本将大幅度下降，用户的使用成本比汽油还低。氢气也许是汽车能源的终极来源。

燃料电池有一个特点和发动机是一样的，你进去的空气压力越高，产生同样功率的燃料电池的尺寸可以做的越小，对于燃料电池来说它也是需要空气压缩机。基于燃料电池的特点，它对增压器有什么要求呢？首先是无油，因为机油会使燃料电池中毒。另外低流量、高压比，还有高效率，效率很重要，空气压缩机的能耗在燃料电池的输出功率中占有相当大的比例。当然在汽车应用，重量、体积和NVH是永恒的话题，都希望体积小、重量轻、NVH低。

燃料电池用的增压器，其实市场上主要就是有两种方案，一种方案就是蜗杆式的，另外一个就是离心式的。我们认为离心式的增压器，能更加容易满足前面的要求。我们针对燃料电池空压机的要求，我们团队经过多轮设计，最后产生右下角这个图的气动方案。同时从总体结构来说，我们采用两级增压，也就是空气进来先通过左边压气机先压到1.8，然后再通到第二个压气机。这样做的目的，主要也是考虑将燃料电池空压机的转速控制在合理范围。高速电机的轴承采用动压式空气轴承。我们奕森科技的目标，就是在2020年跟我们客户一起把燃料电池空气压缩机投放市场，这也是我们奕森科技利用在高速旋转机械的竞争优势，在离心增压器这个领域一个横向的拓展。

最后一页是今天报告的结束语，就不再复述了。

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