博格華納：展示當下和未來內燃機、混動和純電動需求的熱管理、減排及驅動技術

本刊記者 肖獻法 文

作為內燃機、混合動力、電動汽車3大清潔高效驅動系統解決方案的全球技術領導者，博格華納于2020年北京車展期間展示了一系列先進技術和產品組合，包括：(1)燃油(氣)動力/混動動力(HEV)的內燃機冷卻解決方案(含電子風扇)、內燃機的可變凸輪正時·中間位置鎖止(VCT)技術、混合動力的內燃機EGR(廢氣再循環)技術、混合動力的內燃機全新渦輪增壓技術、面向未來內燃機的高效渦輪增壓器、混合動力的48 V驅動技術、混合動力的P2混動驅動模塊，以及純電驅動或混動的集成式電驅動模塊(iDM)、電動汽車的創新型扭矩矢量雙離合器系統、適用于SUV/皮卡的電機式智能分動器、應用于車廂/動力電池及燃料電池的加熱器。這些產品和技術，可以全面應對當下和未來任何動力驅動汽車在節能、減排、驅動效率等方面的有效提升。下面，僅重點介紹一下博格華納此次展示的用于內燃機或混動內燃機的節能、減排及驅動技術。

1.實現國Ⅵ排放標準的商用車冷卻解決方案

中國汽車市場自2019年7月1日開始進入國Ⅵ時代(僅個別城市提前)，至2023年7月1日新車銷售全部要達到國Ⅵ排放標準，其中商用車面臨的技術與成本壓力較大。博格華納為商用車滿足國Ⅵ標準可提供有效的冷卻解決方案。其核心部件之一 ——博格華納Vistronic@系列冷卻風扇離合器結合了博格華納成熟的粘性流體技術與精準的電子控制策略。

圖1 博格華納展臺

圖2 博格華納的Vistronic@系列風扇離合器

圖3 博格華納為某全球知名汽車制造商提供的面向不同發動機尺寸的一體化EGR解決方案

Vistronic@系列風扇離合器由發動機控制模塊精準調控轉速(通過發動機ECU傳輸PWM信號實現控制，閉環控制與電控環境兼容)，在提供更強勁散熱能力的同時改善了燃油經濟性，減少了無用功消耗。具體而言，一是改善效率：風扇會在有需要時以合適的轉速轉動，油耗及功率損耗可降低約6%～10%；二是免維修：自有模塊化整體更換，無需額外維修；三是更加精準的溫控策略：為延長發動機及零件壽命提供可能；四是采用高速儲油腔和獨有液體分布設計。

另據博格華納介紹，Vistronic@系列風扇離合器覆蓋711～813 mm的風扇直徑，可用于在輕、中、重型商用車(道路與非道路)。在連接上，可以曲軸直連，也可選擇螺紋軸與法蘭軸連接方案，并可選擇正轉或反轉設計。

2.應用于混合動力汽車的內燃機EGR技術

混合動力汽車是新能源汽車的重要技術路線之一，其中內燃機動力需要同步滿足國家最新排放法規的要求，如當下的國Ⅵ排放標準。通過采用先進的廢氣再循環(EGR)系統，可以有效滿足國Ⅵ排放標準。博格華納提供的廢氣再循環(EGR)系統，即可助力汽車廠商減少NOx排放，滿足歐Ⅵd、國Ⅵ等排放法規要求。

據介紹，博格華納EGR系統是一種經濟高效的發動機內部解決方案，通過將可控比例的廢氣再循環至進氣管，從而顯著降低NOx排放。該系統通過優化熱吸收，降低燃燒室內的氧氣濃度，從而減低氣缸溫度峰值，以達到減少氮氧化物排放的目的。憑借高熱負荷耐受力，這一先進解決方案即使在冷卻劑流量極低的情況下也能保證卓越的效率和耐用性。

還值得一提的是，博格華納的EGR模塊采用一體化設計(而非單個配件)，這也進一步鞏固了博格華納在熱交換技術領域的領先地位。該模塊將EGR冷卻器、旁路閥和EGR閥等多種技術整合于一個緊湊封裝中。憑借最新的一體化EGR系統，博格華納有能力滿足燃油汽車市場對高效清潔技術不斷增長的需求。

對于混合動力電動汽車和插電式混合動力汽車，博格華納還開發了創新的廢熱再回收系統(EHRS)，該系統已經于2018年投產。

不同于過去汽車尾氣一般通過排氣管排出并浪費掉，全新的廢熱再回收系統通過利用尾氣中保存的熱能來減少機械損失。在發動機冷啟動期間，控制閥將尾氣引導至熱交換器中，從而利用氣體中的熱能加熱車輛子系統中的液體。因此，發動機可以快速升溫，從而減少排放并提高燃油效率。同時通過輔助加熱可以提高駕駛艙的舒適性。這種經濟高效的解決方案憑借緊湊、輕量化設計，可輕松集成于現有車輛中。

最終，通過將廢氣再循環(EGR)系統與廢熱再回收系統(EHRS)相結合，博格華納充分利用其在傳熱和廢氣后處理技術(如EGR冷卻裝置和控制閥)方面的豐富經驗，創造出卓越的解決方案。

3. 針對混合動力汽車的內燃機eTurboTM電子渦輪增壓器

博格華納的eTurboTM是針對混合動力汽車推出的一個功能強大且高效的解決方案，可以提升動力性能、改善油耗、降低排放，并提升系統效能，從而為汽車提供決定性的優勢。

eTurboTM將渦輪增壓器和電機組合為一體，電機直接耦合在渦輪軸上，可工作為發動機或發電機2種模式。集成的解決方案不僅具有傳統廢氣渦輪增壓器的優點，同時因電機的快速響應，帶來了eTurboTM更好的快速響應。此外，還可以通過后處理技術和精確的空燃比控制，捕集多余的廢氣能量，驅動電機發電，同時降低排放。

圖4 eTurboTM電子渦輪增壓器的工作原理圖

eTurboTM在瞬態增壓響應方面提升200%以上，同樣穩態扭矩也得到很大提升，從而可進一步促進發動機小型化：在不損失性能的前提下，還帶來了更低的燃油消耗及排放，尤其適合于米勒發動機的需求。

除了提升車輛性能以外，eTurboTM還可以將多余的廢氣能量，直接轉換為電能，可用作輔助電源，或者為電池充電，從而可以減少電池的容量。eTurboTM還可以根據需求，增加發動機背壓，通過與廢氣再循環EGR的配合，來降低排放。eTurboTM的電氣功能也可以關閉，關閉后即恢復為傳統的渦輪增壓器運轉。

憑借eTurboTM的關鍵性能和能效特性，博格華納一直致力于持續提升車輛性能，也致力于協助整車廠在滿足日趨嚴格的全球排放法規的同時提高燃油效率。早在2019年1月，博格華納就與歐洲OEM客戶簽訂了供貨合同，為其生產的乘用車提供高性能的電子渦輪增壓器eTurboTM，這是博格華納贏得的eTurboTM首份系列生產合同，并計劃于2022年開始批量化生產。

eTurboTM工作模式如下：(1)增壓器中集成了電機功能(公用渦輪軸)，既可以工作在電輔助模式也可以工作在發電模式。(2)電動增壓模式下，可以輔助壓氣機提供充足的增壓壓力。(3)發電模式下，從排氣中獲得額外的渦輪能量驅動電機發電。(4)在電氣功能被關閉時，即返回到傳統的渦輪增壓器模式。(5)有助于EGR的應用，通過調高發動機的背壓。

eTurboTM不僅適用于乘用車，在商用車領域也有廣泛的應用，博格華納可提供一系列eTurboTM產品，包括全性能的48 V產品和更高壓的兼容架構。此外，客戶還可以自由選擇集成或半集成電子功率控制模塊。下面僅具體介紹應用于商用車的eTurboTM電子渦輪增壓器：

商用車用eTurboTM電子渦輪增壓器具有如下特點：(1)擁有耐高溫的永磁體電機；(2)適應48～450 V直流電壓；(3)提供高達17 kW的持續功率和高達32 kW的峰值功率；(4)水冷和油冷；(5)平臺尺寸B50-B70；(5)擁有電子功率控制器。

據博格華納介紹，當前商用車面臨3大挑戰，一是要實現更好的燃油經濟性，二是要實現更低的尾氣排放，三是要獲得駕駛樂趣的同時還能大批量生產。

圖5 博格華納的商用車用eTurboTM電子渦輪增壓器

對于商用車來說，采用eTurboTM增壓發動機有6大優點：(1)同一個零件中，集成了電動增壓和能量回收的功能；(2)直接地控制增壓壓力和空燃比 (帶或不帶VTG)；(3)無性能衰減的同時，能夠顯著的降轉速和減小發動機排量；(4)可使用大流量的增壓器來提升燃油效率，得益于電機的加速補充；(5)原先直接排放的過量廢氣被轉化為電能儲存；(6)主動將Map偏移到進氣系統高效區。

4.應用于未來內燃機(含混動內燃機)的高效渦輪增壓器

4.1 汽油機 VTG可變截面渦輪增壓器

據介紹，博格華納于2017年推出了面向各類汽油機的VTG可變截面渦輪增壓器，在保持發動機卓越性能的同時提高了成本效益，且在設計和材料方面對全新的汽油機VTG渦輪增壓器作了優化，使其能在低發動機轉速下實現快速響應，帶來實現接近瞬間加速的駕駛體驗。汽油機VTG渦輪增壓器的推出進一步鞏固了博格華納在渦輪增壓技術領域的領導地位，讓博格華納成為汽車廠商首選的創新渦輪增壓解決方案供應商。

該解決方案也能夠與混合動力汽車的新型內燃機系統完美匹配，從而成為未來清潔節能推進系統的核心組件。

博格華納的汽油機 VTG(可變截面渦輪增壓器)充分支持米勒汽油機對渦輪和壓縮機側的增壓需求，可支持米勒發動機實現良好的低速扭矩能力, 以及大功率時的低油耗表現,提供最合適的增壓壓力。(注：米勒循環發動機(Miller cycle engine)是一種以奧托循環(Otto cycle)為基礎的機械增壓(supercharger)四沖程發動機。——編者)

博格華納對汽油機VTG渦輪增壓器的材料和設計進行了優化，使其更堅固，從而能夠承受汽油機的高熱負荷，適應排氣溫度能力高達 950 ℃，可保證在最惡劣的條件下可靠運行。同時,為了適應更高功率密度的米勒循環發動機(1 020～1 050℃)，目前也可以進行深度定制。

此外，最新的VTG高效渦輪增壓器配備了一個強大的電動執行器，可控制渦輪上游的壓力，快速、精確地調節導向葉片，實現接近瞬時加速的效果和最優化的功率輸出。通過改變渦輪機葉輪入口處的流入角度和速度，博格華納的專利S形導葉片可調節VTG渦輪機的輸出功率，在極低的轉速下提高熱動力和發動機響應速度。

總之，先進的汽油機VTG技術，能帶來出色的油門響應和平穩的動力輸送，同時提高發動機的燃油效率，降低排放；該技術適用于更多種類型的汽車。

4.2 多種商用車用渦輪增壓器

圖6 博格華納面向未來內燃機(含混動內燃機)的VTG高效渦輪增壓器

除汽油機VTG可變截面渦輪增壓器外，博格華納還提供渦輪增壓器的多樣性選擇，從High-Efficiency Turbo(HET)高效渦輪增壓器，到Dual Volute增壓器，從球軸承增壓器到eTurbo電子增壓器，博格華納的產品非常全面。其中：

(1)High Efficiency Turbo (HET) 高效渦輪增壓器：博格華納能夠為on road/off road商用車提供5～10 L/10～16 L發動機不帶EGR或帶輕度EGR的High-Efficiency Turbo(HET)高效渦輪增壓器。該產品具有最佳熱力學和機械效率，尤其在巡航效率上表現突出：應用于10～16 L的HET，能夠改善SCR催化劑的起燃并提高廢氣旁通閥式渦輪增壓器的效率；應用于5～10L的HET，優化了發動機低速扭矩和峰值扭矩效率，提高了發動機瞬時響應；應用于off-road 商用車5～10 L的HET，能優化發動機的峰值扭矩和額定功率。另外還能提供專門為應用輕度EGR工況而優化的HET版本。

(2)球軸承增壓器：是博格華納為4.5～16 L發動機研發的新的球軸承增壓器，可應用于全系列商用車發動機。該增壓器耐用結實，使用帶氮化硅涂層滾珠的球軸承組件，并采用帶專利的用于廢氣旁通或可變截面增壓器的擠壓油膜緩沖設計。使用壽命可達20 000 h或160萬km。

(3)Dual Volute 增壓器：該增壓器通過去除公共通道，并將2個氣流通道完全分離，能夠捕獲比雙流道渦輪增壓器更多的廢氣脈沖能量。在低發動機轉速下，排氣脈沖之間的時間間隔更長，且排氣流的多少存在較大差異，這種情況下，利用來自發動機的脈沖能比僅利用廢氣創造出更多的能量，從而更好地驅動渦輪機葉輪。這種在低轉速下利用更多能量的能力也是實現快速增壓響應的關鍵，有助于滿足現代渦輪增壓發動機中對于發動機響應速度的需求。

5.座艙、動力電池及燃料電池加熱器

博格華納在熱管理領域有著各種各樣的產品組合，其中還包括動力電池、燃料電池及座艙加熱器系列(高壓冷卻液加熱器形式的電水加熱系統)，可為司機和乘客提供舒適的車廂溫度，同時為動力電池、燃料電池提供適宜的工作溫度。

對于電動汽車的動力電池來說，低溫狀態下，鋰離子的活性大幅減低，同時，電解液的粘度急劇增加。如此一來，電池的性能會大幅下滑，同時也會影響電池壽命，因此，對電池包的加熱顯得非常重要。目前很多新能源車上只裝配了電池冷卻系統，而忽視了加熱系統。

目前比較主流的電池包加熱方式主要是熱泵和高壓液體加熱。從整車廠角度，各種選擇方案不盡相同：如特斯拉 Model S電池包采用的是能耗較高的電阻絲加熱，為了節約寶貴的電能，特斯拉在Model 3上取消了電阻絲加熱，轉而用電機和電子電力系統的廢熱加熱電池。而采用50%水+50%乙二醇為介質的電池加熱系統，目前受到各大汽車制造商的歡迎，已有較多新項目正處于量產前的準備階段。還有采用熱泵加熱的車型，但熱泵在環境溫度較低時，搬熱能力較低，不能快速升溫制熱；因此，目前來看對整車廠而言，“高壓液體加熱方案”是解決冬季電池加熱痛點的首選。

博格華納的新型高壓液體加熱器(HVCH)采用超緊湊的模塊化設計, 熱功率密度高。低熱質量和高效率、響應時間快，能為混合動力汽車和電動汽車提供舒適的車廂溫度。其包裝尺寸和重量減小、使用壽命長: 后膜加熱元件的使用壽命長達 1.5萬h或更久；電源高度靈活并采用冷卻劑接通裝置設想；還可選配 800 V 快速充電。

2018年9月，憑借在電動汽車熱管理解決方案領域的豐富經驗，博格華納獲得歐洲某一流汽車制造商和亞洲某主要汽車廠商的高壓液體加熱器大批量訂單，該訂單已經于2020年開始生產。

博格華納排放與熱系統事業部總裁兼總經理Joe Fadool表示：“我們很高興能為歐洲和亞洲一流的汽車制造商提供小巧輕便的創新加熱解決方案，助力其降低電動汽車的電池消耗，提高乘客舒適度。我們的工程師在座艙和電池加熱技術方面擁有豐富的經驗，對電動汽車和混合動力汽車制造商的技術要求亦有著深入的了解。”

作為博格華納動力電池和座艙加熱產品家族的一員，高壓液體加熱器(HVCH)采用最新的厚膜元件(TFE)技術，通過單一設備解決了純電動汽車和混合動力汽車市場中，座艙加熱和動力電池加熱管理技術的2大痛點。既能在沒有發動機熱量的情況下保持座艙溫暖，又可調節動力電池組的溫度，確保其高效率運作。

圖7 博格華納的高壓液體加熱器(HVCH)

據介紹，該技術的開發，旨在滿足迅速產生熱量的高性能系統對于熱管理的需求。當前和未來車輛的熱管理系統將逐漸與內燃機分離，在混合動力汽車中大部分將脫離內燃機熱量，直至在純電動汽車中徹底分離。由于高壓液體加熱器的加熱元件完全浸沒于冷卻劑中，因而能實現最小的功率損耗。該技術通過在電池組及電池內部保持均衡的溫度來提高電池能量表現。

高壓液體加熱器的熱質量較低，因而具有極高的熱功率密度和快速響應時間，電池耗用較少，從而延長汽車電池的續航里程。此外，該技術還支持直接溫度感測功能。

目前高壓液體加熱器(HVCH)提供單板和雙板加熱器2種版本，兩者都集成于堅固的鋁制外殼中，具有出色的電磁屏蔽。單板加熱器僅負責電池熱管理或座艙加熱功能之一，性價比高；雙板加熱器則可同時勝任兩項任務，并且其傳熱表面比單板加熱器大80%左右。

高壓液體加熱器(HVCH)有不同的規格，功率范圍3～10 kW，適用于各類車型，適用的電源電壓為180～800 V。為防止設備過熱，系統會在出現故障時自動關閉。

6.小結

博格華納作為內燃機汽車、純電動汽車和混合動力汽車清潔高效驅動系統解決方案的提供商，在中國乃至全球市場一直發展迅速。據悉，至少近10年來博格華納在中國地區的銷售收入每年平均保持了近30%的增長，遠遠超過了同期中國汽車市場的年平均增速。近些年來，面對汽車動力技術新的革命，博格華納在自主創新和兼并重組的雙重驅動下，從內燃機汽車動力熱管理系統和底盤傳動系統，到純電動汽車、混合動力汽車的驅動模塊和熱管理系統等，逐步實現了諸多領域的技術創新和跨越，最終成為全球多個汽車領域的領先者。