Compresorul acționat electric BorgWarner eBooster®

În plus față de conceptele convenționale de turbocompresie, compresorul BorgWarner eBooster® acționat electric îmbunătățește presiunea de supraalimentare și comportamentul tranzitoriu al motorului la turații scăzute pentru a permite reducerea dimensiunii pentru o eficiență îmbunătățită sau creșterea puterii motorului cu un cuplu tranzitoriu excelent.

Introducere

Dezvoltarea unor motoare mai eficiente și mai curate este determinată de cererea din partea consumatorilor de eficiență a consumului de combustibil și de o mai bună manevrabilitate, precum și de reglementările dificile. Prin urmare, creșterea economiei de combustibil prin reducerea dimensiunilor și a turației, precum și prin îmbunătățirea cuplului la turație joasă și a performanțelor tranzitorii ale motorului a devenit un obiectiv major al industriei auto. Pentru a satisface cerințele ridicate în ceea ce privește eficiența consumului de combustibil și performanța, producătorii de echipamente originale utilizează diferite soluții în domeniul electrificării grupului motopropulsor, cum ar fi introducerea sistemelor electrice de 48 de volți. Această sursă de alimentare de înaltă tensiune oferă îmbunătățiri semnificative în ceea ce privește eficiența și facilitează noi funcții, cum ar fi supraalimentarea electrică de mare putere pentru un cuplu redus îmbunătățit și un răspuns tranzitoriu fără un turbo lag vizibil.
În calitate de lider de produs în ceea ce privește soluțiile de sisteme de propulsie curate și eficiente din punct de vedere energetic pentru vehicule cu combustie, hibride și electrice, Borg Warner este dedicat să ofere cel mai bun suport posibil clienților săi. Din acest motiv, compania își extinde în continuare portofoliul puternic de tehnologii de stimulare a performanțelor ridicate pentru motoare cu combustie și hibride.

Beneficii pentru ambele motoare – diesel și pe benzină

Compresorul BorgWarner eBooster® acționat electric, așa cum este prezentat în figura 2, a fost proiectat pentru a îmbunătăți presiunea de supraalimentare și comportamentul tranzitoriu al motorului la turații mici, fără a crește contrapresiunea la evacuare și fără a avea un impact negativ asupra schimbului de gaze din motor, deoarece nu este necesară o turbină suplimentară.
Acesta este un mare avantaj, în special pentru motoarele pe benzină susceptibile la detonații.
O comparație realizată între noul concept și o soluție de turbocompresor cu mai multe trepte arată că configurația compresorului eBooster acționat electric permite o ambalare flexibilă, lasă mai multă căldură la evacuare pentru sistemul de posttratare și provoacă un flux de căldură mai mic în compartimentul motorului.

Compresorul eBooster acționat electric este instalat de preferință în aval de turbocompresor, după cum se vede în figura 3. Aici, cu cel mai mic volum între compresor și motor, răspunsul motorului la compresorul acționat electric eBooster este cel mai rapid.
În cazul unui turbocompresor convențional, tehnologia eBooster poate îmbunătăți comportamentul tranzitoriu, menținând în același timp puterea motorului.
Într-un alt concept, răspunsul tranzitoriu poate fi menținut constant prin utilizarea unei turbine mai mari cu o contrapresiune mai mică, ceea ce duce la creșterea puterii motorului și la reducerea consumului de combustibil datorită contrapresiunii mai mici la sarcini ridicate și la o nevoie mai mică de îmbogățire a combustibilului la sarcină maximă.
Concentrându-se asupra intervalului de funcționare a ciclului de emisii, analiza următoare demonstrează potențialul unui compresor eBooster de 12 volți acționat electric cu o putere de 2 kW. Un motor diesel de 2,0 litri cu un turbocompresor cu geometrie variabilă a turbinei (VTG) cu o singură treaptă a fost configurația de bază care a fost comparată cu două motoare de 1 . 6 litri, unul echipat cu un turbocompresor VTG cu un compresor suplimentar eBooster acționat electric și unul cu un sistem cu două trepte reglementate (R2S®).
Printre alte rezultate, s-a constatat că motorul de 1 . 6 litri echipat cu un turbocompresor VTG a prezentat un decalaj semnificativ în ceea ce privește cuplul motor fără funcționarea compresorului acționat electric eBooster.
Datorită reducerii dimensiunii la 1 . 6 litri, cuplul la turație joasă este limitat. Acest lucru poate fi compensat cu ajutorul compresorului acționat electric eBooster.
În comparație, configurația R2S îndeplinește, de asemenea, obiectivele de cuplu, dar consumă mai multă energie din fluxul de gaze de eșapament decât consumă compresorul cu acționare electrică eBooster atunci când se află în faza de înaltă presiune. Atunci când energia electrică este obținută prin recuperare, tehnologia eBooster oferă un bilanț energetic global avantajos în comparație cu R2S, pe lângă principalele beneficii în materie de economie de combustibil obținute prin reducerea dimensiunii.
Înainte ca presiunea de supraalimentare să crească, motorul de 2,0 litri oferă un avantaj de cuplu inițial față de motorul de 1,6 litri. Cu toate acestea, gradientul de cuplu al motorului VTG de 1,6 litri devine mai abrupt și atinge cuplul la sarcină maximă mai devreme decât celelalte două configurații, imediat ce compresorul eBooster acționat electric începe să funcționeze.
Cu toate acestea, configurația eBooster poate oferi doar o supraalimentare tranzitorie în regim de funcționare stabilă, în timp ce sistemul R2S poate menține o presiune de supraalimentare ridicată.
Conform analizei ciclului de acționare FTP-75, compresorul acționat electric eBooster funcționează la 2 kW și la o viteză minimă menținută de 6 000 rpm, cu un consum mediu de energie de 210 W. Deoarece tehnologia eBooster asigură o presiune de supraalimentare suplimentară, se poate utiliza o cantitate mai mare de EGR pentru a obține avantaje în ceea ce privește emisiile de NOX.
Ca urmare, eficiența combustibilului crește cu până la aproximativ 4 procente în comparație cu conceptul R2S. În comparație cu motorul de referință, se așteaptă, de asemenea, avantaje în ceea ce privește emisiile de particule, deoarece timpul în care raportul aer-combustibil la limita de fum a scăzut cu 5 procente.

Design avansat pentru eficiență maximă

Compresorul eBooster acționat electric trebuie să îndeplinească anumite cerințe specifice de proiectare pentru a oferi cea mai bună funcționalitate posibilă. În primul rând, inerția motorului electric, precum și pierderile electrice și mecanice trebuie să fie reduse la minimum. În plus, motorul trebuie să aibă un design foarte compact, cu o electronică de putere integrată și extrem de eficientă. De asemenea, acesta ar trebui să poată rezista la temperaturi ridicate. În cele din urmă, trebuie să se țină cont de comportamentul NVH (zgomot, vibrații, duritate), iar tehnologia eBooster trebuie să fie modulară și să fie disponibilă în versiuni de 12 și 48 de volți. Deoarece un motor de curent continuu fără perii cu magneți permanenți, cu magneți de samariu-cobalt foarte rezistenți la căldură, este mult mai eficient decât motoarele asincrone sau cu reluctanță comutată, a fost aleasă această configurație. Compresorul cu acționare electrică eBooster permite atingerea unei turații maxime de 70.000 rpm de la staționare în 270 ms – practic într-o clipită. Această turație a fost aleasă pentru a realiza un pachet pe ansamblu omogen, cu un diametru aproximativ similar între motor, electronica de putere și partea de compresor a compresorului eBooster acționat electric.
Alte elemente de proiectare substanțiale ale compresorului acționat electric eBooster includ electronica de putere care utilizează componente cu specificații de rezistență minimă și condensatori foarte eficienți, o conexiune bună între placa electronică și carcasă pentru a asigura un transfer eficient de căldură și un stator optimizat pentru timpi de funcționare lungi și cicluri de funcționare ridicate prin utilizarea unei umpluturi de cupru de înaltă densitate. În plus, deoarece răcirea cu apă cu un bun transfer de căldură către stator și placa electronică de putere a fost fezabilă pentru configurația de 48 de volți, această opțiune este preferată față de răcirea cu aer, care a funcționat doar pentru compresorul eBooster de 12 volți acționat electric. În general, configurația eBooster de 48 de volți este preferată deoarece atinge o putere permanentă de aproximativ 3 kW în condiții de funcționare favorabile, oferind în același timp numeroase avantaje, cum ar fi beneficii suplimentare în ceea ce privește performanța tranzitorie și economia de combustibil, precum și curenți mai mici și o putere mai mare pentru motoarele de cilindree mai mare, a se vedea figura 4.

Concluzie

Compresorul Borg Warner eBooster acționat electric furnizează presiune de supraalimentare foarte rapid, chiar și la turații mici ale motorului, ceea ce îl face un accesoriu excelent și foarte eficient la turbocompresorul convențional, pentru a îmbunătăți economia de combustibil a motorului, răspunsul tranzitoriu și, în consecință, pentru a permite creșterea densității de putere a motorului. În plus, îmbunătățirea eficienței combustibilului și optimizarea emisiilor, în special în cazul motoarelor diesel, sunt facilitate de potrivirea compresorului acționat electric eBooster și a turbocompresorului ca sistem global.