【中】　范明強(qiáng)　編譯

發(fā)展動(dòng)向

電動(dòng)壓氣機(jī)的發(fā)展新動(dòng)向

【中】范明強(qiáng)編譯

摘要：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)小型化和升功率的不斷提高，以及48V混合動(dòng)力的興起，電輔助渦輪增壓和電動(dòng)壓氣機(jī)得到迅速發(fā)展。闡述了電動(dòng)壓氣機(jī)目前令人關(guān)注的問(wèn)題。試驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用已證實(shí)，電動(dòng)壓氣機(jī)能夠顯著改善低轉(zhuǎn)速狀態(tài)加速響應(yīng)特性和提高機(jī)動(dòng)性，并降低CO2和有害物排放。以Pierburg公司開(kāi)發(fā)的電動(dòng)壓氣機(jī)為例，介紹其開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)及其使用效果。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)壓氣機(jī)熱負(fù)荷技術(shù)規(guī)格

1電動(dòng)壓氣機(jī)是新的發(fā)展趨勢(shì)

發(fā)動(dòng)機(jī)小型化和升功率的不斷提高，推動(dòng)了兩級(jí)和多級(jí)渦輪增壓的迅速發(fā)展，但是由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和昂貴的成本，并且兩級(jí)增壓系統(tǒng)在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)時(shí)的動(dòng)態(tài)加速響應(yīng)特性總是遜色于自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，因而電輔助渦輪增壓和電動(dòng)壓氣機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。近幾年混合動(dòng)力興起，特別是48V汽車電路的應(yīng)用為電動(dòng)壓氣機(jī)的發(fā)展提供了非常有利的條件，尤其是以其特有的優(yōu)點(diǎn)獲得了實(shí)際應(yīng)用，顯示出了良好的發(fā)展前景。

電輔助渦輪增壓并非是新生事物，早在1940年德國(guó)MTZ雜志上就已介紹“由廢氣渦輪驅(qū)動(dòng)增壓器的情況下，廢氣流不足會(huì)降低增壓能力”。電動(dòng)壓氣機(jī)可以作為1個(gè)部件布置在渦輪與壓氣機(jī)之間的連接軸上”。當(dāng)時(shí)，瑞士蘇黎世州溫特圖爾市的Sulzer持有與此相關(guān)的專利。

那么，這種與多級(jí)增壓相競(jìng)爭(zhēng)的方案意味著什么？它們?cè)谄蜋C(jī)和柴油機(jī)上的應(yīng)用又有哪些差異？電動(dòng)壓氣機(jī)能否與輕度混合動(dòng)力競(jìng)爭(zhēng)或相互取長(zhǎng)補(bǔ)短？這些都是目前十分令人關(guān)注的問(wèn)題。

與電動(dòng)壓氣機(jī)不同，電輔助渦輪增壓器提供了從廢氣流中回收能量的可能性。但是，Audi公司則更偏向于單獨(dú)的電動(dòng)壓氣機(jī)，因?yàn)椴粫?huì)增大渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的慣性，但是必須采取附加的電功率予以補(bǔ)償。

2014年，Audi公司推出了2款搭載不同結(jié)構(gòu)等級(jí)的3.0L-TDI渦輪增壓直噴式柴油機(jī)車型。其中，在Audi A6 TDI車型上，采用單渦輪增壓器與電動(dòng)壓氣機(jī)的組合方案，電動(dòng)壓氣機(jī)增壓覆蓋了低于1500 r/min的運(yùn)行范圍。而在RS 5 TDI車型上，則采用電動(dòng)壓氣機(jī)與雙渦輪增壓的組合方案(圖1和圖2)。在這兩種情況下，Valeo公司開(kāi)發(fā)的電動(dòng)壓氣機(jī)被布置在增壓空氣冷卻器后方，當(dāng)廢氣能量太少時(shí)廢氣渦輪增壓器不能提供足夠增壓壓力的情況下，就可打開(kāi)旁通閥進(jìn)行輔助增壓。

圖1　Audi V6 雙渦輪增壓與電動(dòng)壓氣機(jī)組合發(fā)動(dòng)機(jī)增壓空氣管路中空氣流動(dòng)狀況

圖2　Audi V6 雙渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)表現(xiàn)出的電動(dòng)壓氣機(jī)潛力

BMW M車型搭載了3.0L柴油機(jī)，但是采用3只渦輪增壓器。并且應(yīng)用BorgWarner公司提供的增壓系統(tǒng)(圖3)，由2個(gè)小的可變渦輪截面(VTG)高壓渦輪增壓器和1個(gè)較大的水冷式低壓渦輪增壓器組成。

圖3　BorgWarner公司3只渦輪增壓在低轉(zhuǎn)速和高穩(wěn)態(tài)增壓壓力下的良好瞬態(tài)性能

此外，幾十年來(lái)BorgWarner公司一直推進(jìn)其電動(dòng)增壓器技術(shù)的發(fā)展，并根據(jù)長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)按照應(yīng)用范圍區(qū)分了它們各自的優(yōu)點(diǎn)。在高端車型上，例如BMW公司的3渦輪增壓器系統(tǒng)繼續(xù)保持著非常好的應(yīng)用效果，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍勝過(guò)電動(dòng)增壓器，特別是對(duì)于廢氣排放方面起著非常重要的作用，甚至在瞬態(tài)過(guò)渡工況運(yùn)行范圍，顯現(xiàn)出更好的加速響應(yīng)性能。

BorgWarner公司認(rèn)為，電動(dòng)壓氣機(jī)及其48V汽車電路與單級(jí)渦輪增壓相組合是替代兩級(jí)渦輪增壓的趨勢(shì)，并主要用于汽油機(jī)。在這種情況下，電動(dòng)壓氣機(jī)能充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，非常快速地產(chǎn)生增壓壓力。通常1kW電功率就能使內(nèi)燃機(jī)多產(chǎn)生7～10kW 功率。

為了使電動(dòng)壓氣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)幾秒鐘多至幾分鐘直至廢氣渦輪增壓器能承擔(dān)起有效的增壓效果，那就必須能回收并貯存足夠的能量以供電動(dòng)壓氣機(jī)使用。電動(dòng)壓氣機(jī)還具有應(yīng)用靈活性的優(yōu)點(diǎn)。Audi公司表明，電動(dòng)壓氣機(jī)可成為1個(gè)獨(dú)立的模塊納入模塊化發(fā)動(dòng)機(jī)系列中使用。作為1個(gè)單獨(dú)的自給自足的進(jìn)氣壓縮機(jī)，它能夠自由地布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙中，并且在增壓壓力最高50MPa的極限范圍內(nèi)任意選用，其增壓壓力提升響應(yīng)時(shí)間約為250ms，可滿足從最低轉(zhuǎn)速起的最短時(shí)間加速響應(yīng)的特性要求。

但是，電動(dòng)壓氣機(jī)的這些優(yōu)點(diǎn)在柴油機(jī)和汽油機(jī)上存在著部分差異。目前電動(dòng)壓氣機(jī)主要適用于汽油機(jī)，主要是因?yàn)槠蜋C(jī)1050℃的高溫廢氣，再加上兩級(jí)常規(guī)增壓導(dǎo)致強(qiáng)烈的熱流向發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)散發(fā)，同時(shí)電動(dòng)壓氣機(jī)與渦輪增壓器組合所回收的廢氣能量要比兩級(jí)渦輪增壓器少，這有利于降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓和加熱催化轉(zhuǎn)化器。此外，汽油機(jī)不可能從穩(wěn)定的高增壓中獲得與柴油機(jī)相同程度的好處。

柴油機(jī)能夠利用附加的增壓空氣來(lái)提高廢氣再循環(huán)(EGR)率，從而降低氮氧化物(NOx)排放。2013年Valeo公司在第34屆維也納發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)術(shù)研討會(huì)上所作的報(bào)告中提出：“具有高動(dòng)態(tài)效應(yīng)的電動(dòng)壓氣機(jī)輔助增壓可能是改善瞬態(tài)EGR管理的重要解決方案，并在嚴(yán)厲的排放法規(guī)下有助于降低NOx排放”。

由于電動(dòng)壓氣機(jī)與較大的渦輪增壓器相結(jié)合能在扭矩特性方面獲得好處，因此將電動(dòng)壓氣機(jī)的良好品質(zhì)用于發(fā)動(dòng)機(jī)小型化。但是，Audi公司Knirsch博士在2014年曾表示：“將1臺(tái)非常小型的機(jī)組匹配調(diào)整到非常高的比壓時(shí)，與最佳設(shè)計(jì)的機(jī)組相比，在平均摩擦壓力方面總是存在明顯的缺陷”。當(dāng)然，電動(dòng)壓氣機(jī)與較大的渦輪增壓器相結(jié)合肯定能為發(fā)動(dòng)機(jī)低速化提供更多的可能性，因?yàn)榕ぞ靥匦郧€場(chǎng)可以設(shè)計(jì)得更寬廣，即使在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)瞬態(tài)過(guò)渡工況運(yùn)行時(shí)也能具有良好的加速特性。

在2015年1月第10屆ATZ/MTZ以“明天的動(dòng)力裝置”為主題的專業(yè)會(huì)議和維也納發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)術(shù)研討會(huì)上，AVL和Hyundai/Kia公司進(jìn)行了有關(guān)48V柴油機(jī)混合動(dòng)力與電動(dòng)壓氣機(jī)相結(jié)合的學(xué)術(shù)報(bào)告。將具有起動(dòng)-停車系統(tǒng)的Kia Optima車型作為研究用的汽車平臺(tái)，Hyundai汽車CO2排放降低15%。其中，4%歸因于48V汽車電路中的能量回收，5%～6%則主要是因?yàn)榧哟?5%的電動(dòng)壓氣機(jī)傳動(dòng)比，以及由皮帶傳動(dòng)的8/12kW功率電機(jī)，而其余的燃油耗的降低則源于基本的發(fā)動(dòng)機(jī)措施、高效的電路能量回收、起動(dòng)-停車功能的良好可利用性，以及新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)中輕度混合動(dòng)力分級(jí)的自由接入點(diǎn)。

因此，電動(dòng)壓氣機(jī)、較大的渦輪增壓器，以及發(fā)動(dòng)機(jī)低速化的組合為整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)了最大的節(jié)油效果。盡管發(fā)動(dòng)機(jī)低速化，但是在典型的機(jī)動(dòng)性的情況下動(dòng)力裝置仍具有靈活性，并獲得了5%～10%的改善效果。對(duì)此，Hyundai歐洲汽車公司動(dòng)力傳動(dòng)開(kāi)發(fā)部的負(fù)責(zé)人Jürgen Grimm在MTZ 50周年特刊中提出：“起動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)與電動(dòng)壓氣機(jī)的組合，是具有高小型化率的發(fā)動(dòng)機(jī)，有助于獲得豐滿的低轉(zhuǎn)速扭矩，從而也就獲得了極好的動(dòng)態(tài)行駛性能”。

首先必須指出，電動(dòng)壓氣機(jī)的應(yīng)用會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。Mahle公司Heinz K.Junker博士在MTZ 50周年特刊中提出：“在新的標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)中，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)運(yùn)行已成為焦點(diǎn)，多級(jí)增壓系統(tǒng)將會(huì)得到越來(lái)越多應(yīng)用，而采用電動(dòng)壓氣機(jī)輔助增壓是1種有利的選擇。當(dāng)然，這種新技術(shù)首先在成本方面要經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，而且采用電動(dòng)輔助增壓后，發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜性或換氣設(shè)計(jì)方面的費(fèi)用要保持不變”。因此，整個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)已經(jīng)變得尤為重要。

目前，諸如Audi、Hyundai/Kia、Valeo和BorgWarner等公司所從事的試驗(yàn)研究工作推動(dòng)了電動(dòng)壓氣機(jī)的發(fā)展，這些公司甚至考慮先采用12V作為切入方案，使電動(dòng)壓氣機(jī)盡早推廣應(yīng)用，最終完全使用48V電路。大眾公司Hans-Jakob Neusser博士在2015年的維也納發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)術(shù)研討會(huì)上非常明確地指出，1臺(tái)3缸TSI直噴式汽油機(jī)，采用單渦流渦輪增壓器與電動(dòng)壓氣機(jī)組合能使發(fā)動(dòng)機(jī)升功率達(dá)到200kW，說(shuō)明內(nèi)燃機(jī)仍隱藏著潛力。

電動(dòng)壓氣機(jī)與輕度混合動(dòng)力由于在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍內(nèi)各具優(yōu)點(diǎn)，也能夠一起使用。除了Hyundai/AVL的組合方式之外，還可能采用具有較高持續(xù)功率的軸向或變速集成的電機(jī)，組成無(wú)需高電壓汽車電路的輕度混合動(dòng)力，并獲得全混合動(dòng)力的性能。

現(xiàn)在已證實(shí)，電動(dòng)壓氣機(jī)對(duì)于行駛性能和柴油機(jī)原始排放有十分顯著的效果，而在汽油機(jī)熱力學(xué)能量轉(zhuǎn)換方面，電動(dòng)壓氣機(jī)具有極高的效率，可應(yīng)用于可分級(jí)的模塊化增壓方案，并具有很大的自由度。

2電動(dòng)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)增壓

用戶在購(gòu)買1輛新車時(shí)，除了可體驗(yàn)到如加速性和極速性等特點(diǎn)之外，更注重的是低于標(biāo)準(zhǔn)的燃油耗。除此之外，CO2排放限值進(jìn)一步從130g/km降低到95g/km，這是對(duì)制造商開(kāi)發(fā)汽車及其動(dòng)力裝置提出的更高挑戰(zhàn)。如果總的開(kāi)發(fā)目標(biāo)長(zhǎng)期無(wú)法相互統(tǒng)一，那么內(nèi)燃機(jī)從單獨(dú)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換到其部件電氣化驅(qū)動(dòng)的方案則提供了全新的設(shè)計(jì)可能性。

電壓狀況和電流承載能力相匹配的汽車電路，使得能夠應(yīng)用工作能力強(qiáng)大的機(jī)電一體化部件，它們能夠靈活工作，并且不受內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行狀態(tài)影響。發(fā)動(dòng)機(jī)小型化和低速化方案利用了增壓部件電氣化方面的靈活性，在這種增壓系統(tǒng)中用1個(gè)純電動(dòng)壓氣機(jī)來(lái)輔助傳統(tǒng)的增壓?jiǎn)卧?，這樣從低轉(zhuǎn)速起就能加速地建立起增壓壓力，由此達(dá)到只有純電驅(qū)動(dòng)才能達(dá)到的大扭矩特性。

由于12V和48V高電壓葉片機(jī)械所顯現(xiàn)出的市場(chǎng)潛力，Pierburg公司作為定點(diǎn)供應(yīng)商已擴(kuò)充了電動(dòng)壓氣機(jī)(也被稱為電動(dòng)空氣增壓器，eAC)的生產(chǎn)能力。下面以Pierburg公司的電動(dòng)壓氣機(jī)為例，詳細(xì)介紹開(kāi)發(fā)電動(dòng)壓氣機(jī)的挑戰(zhàn)、解決方案、開(kāi)發(fā)重點(diǎn)及其效果。

3電動(dòng)壓氣機(jī)在空氣管路中的定位

電動(dòng)壓氣機(jī)提供了在空氣管路中自由定位或單獨(dú)針對(duì)技術(shù)要求定位的可能性，其相對(duì)較短暫和臨時(shí)應(yīng)用于快速準(zhǔn)備好增壓壓力的用途決定了這種部件的應(yīng)用范圍，并成為多級(jí)增壓系統(tǒng)中的理想部件。電動(dòng)壓氣機(jī)運(yùn)行時(shí)間有限使得應(yīng)用與其平行布置的旁通裝置顯得十分重要，它可使電動(dòng)壓氣機(jī)與廢氣渦輪增壓器串聯(lián)或者使空氣繞過(guò)電動(dòng)壓氣機(jī)直接進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖4在簡(jiǎn)化的進(jìn)氣空氣管路上示出了電動(dòng)壓氣機(jī)可能的安裝位置，并在表格中對(duì)各種安裝位置進(jìn)行了評(píng)價(jià)。每種安裝位置都各具優(yōu)缺點(diǎn)，而在這種裝置與內(nèi)燃機(jī)的相互作用方面部分呈現(xiàn)出明顯相反的效果。通過(guò)匹配發(fā)動(dòng)機(jī)空氣狀況可使負(fù)荷承載狀況得到改善，并與自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)近似，降低原始排放，而根據(jù)電動(dòng)壓氣機(jī)安裝位置的不同還可提高EGR率。另外，在第3和4種安裝位置時(shí)，可使壓氣機(jī)特性曲線場(chǎng)變窄而對(duì)電動(dòng)壓氣機(jī)的總效率產(chǎn)生有利的影響。

圖4　電動(dòng)壓氣機(jī)在空氣管路中可能的位置

在電動(dòng)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的早期階段就應(yīng)考慮到零件可能承受到的高空氣壓力和溫度，同樣設(shè)置在電動(dòng)壓氣機(jī)之前的增壓?jiǎn)卧谢瑒?dòng)軸承的沉積物，以及來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油、燃油和水汽成分的曲軸箱竄氣也對(duì)電動(dòng)壓氣機(jī)帶來(lái)不利的影響，此外來(lái)自低壓EGR管路及其所帶有的顆粒捕集器(DPF)沉積物和腐蝕性添加劑的摻入也會(huì)造成損害。

4設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)

電動(dòng)壓氣機(jī)的有效效率取決于以下各項(xiàng)所規(guī)定的目標(biāo)： (1) 角速度/轉(zhuǎn)速梯度；(2) 空氣動(dòng)力學(xué)輸送功率/總效率；(3) 結(jié)構(gòu)尺寸；(4) 制造成本。而且，在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命期間，電動(dòng)壓氣機(jī)的性能應(yīng)確保15年和300000km。

電動(dòng)壓氣機(jī)按照公式(1)和公式(2)將供給它的電能轉(zhuǎn)化成軸扭矩用于瞬態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)階段的加速和輸送功率。

M電動(dòng)機(jī)=M輸送+M加速

(1)

(2)由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子組件和壓氣機(jī)葉輪組成的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的慣性是轉(zhuǎn)子達(dá)到高的加速度的重要參數(shù)，而其中減小壓氣機(jī)葉輪慣性呈現(xiàn)出很大潛力，其結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證達(dá)到額定轉(zhuǎn)速需要較短的T90加速時(shí)間(其中T90相當(dāng)于電動(dòng)壓氣機(jī)突變到90%額定轉(zhuǎn)速所需的持續(xù)時(shí)間)。

根據(jù)所規(guī)定的轉(zhuǎn)速限制(例如容許的零件應(yīng)力)，首先取決于壓氣機(jī)級(jí)的熱負(fù)荷，以及可供使用的葉片和轉(zhuǎn)子的材料，特別是決定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁性的材料，而且支承轉(zhuǎn)子的滾動(dòng)軸承與轉(zhuǎn)速限制也有關(guān)聯(lián)。滾動(dòng)軸承替代了廢氣渦輪增壓器通常所使用的滑動(dòng)軸承，因而無(wú)需供應(yīng)機(jī)油。

可供使用的軸材料、從軸承中心至懸臂軸段上壓氣機(jī)葉片重心的間距，以及滾動(dòng)軸承和殼體的剛度等因素決定了轉(zhuǎn)子固有頻率所處的頻段。在限制了額定轉(zhuǎn)速的情況下，強(qiáng)制規(guī)定額定轉(zhuǎn)速必須低于臨界值。作為最好的折中方法，電動(dòng)壓氣機(jī)的額定轉(zhuǎn)速在65000～70000r/min之間。

5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)規(guī)格

基于上述轉(zhuǎn)速水平，使用非自密封、帶有聚醚醚酮(PEEK)保持支架和高品質(zhì)潤(rùn)滑脂的球軸承，并采用預(yù)應(yīng)力固定/浮動(dòng)組合，以及可間隙補(bǔ)償和旋轉(zhuǎn)可靠的外座圈特殊固定。

由于壓氣機(jī)葉輪承受動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，因此其制造材料不考慮采用高品質(zhì)塑料，而且其結(jié)構(gòu)形狀出現(xiàn)了不利于制造的條件，因而壓氣機(jī)級(jí)只能達(dá)到有限的效率。

為此，壓氣機(jī)葉輪被設(shè)計(jì)成鋁銑削件結(jié)構(gòu)型式，開(kāi)發(fā)時(shí)運(yùn)用最現(xiàn)代的CAE方法，并經(jīng)試驗(yàn)臺(tái)和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化葉輪輪轂長(zhǎng)度和背面輪廓形狀，從而使其慣性小于傳統(tǒng)壓氣機(jī)葉輪額定值的50%。壓氣機(jī)單元的另一個(gè)特征是為了減少縫隙損失，使葉輪與蝸殼內(nèi)部輪廓的間距非常小，以及整個(gè)蝸殼具有可拔模性(圖5)。

圖5　電動(dòng)壓氣機(jī)剖視圖

其他的結(jié)構(gòu)組件根據(jù)力矩平衡所必需的電動(dòng)機(jī)的造型來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該電動(dòng)機(jī)由定子繞組、具有高效電磁性能的轉(zhuǎn)子和功率電子器件(LE)組成，后者由半導(dǎo)體功率電子器件、與功率器件電分離并帶有CAM/LIN接口的控制板及中間電路組成。

由功率電子器件控制轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)的電動(dòng)機(jī)被設(shè)計(jì)成特別的結(jié)構(gòu)型式。Pierburg公司為電動(dòng)壓氣機(jī)選擇了1種對(duì)稱設(shè)計(jì)的多用途永磁式同步電動(dòng)機(jī)。在選擇設(shè)計(jì)時(shí)，其可供使用的安裝空間，以及高效率起到?jīng)Q定性的作用，同樣在低噪聲輻射和部件價(jià)格方面也提出了要求。這些要求決定了電動(dòng)機(jī)后端的高效功率電子器件要小，并且中間電路需要的電容量要小。

另外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能仔細(xì)地確定轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙尺寸及其公差，這不僅有利于降低制造成本，還可以明顯減小徑向分力，從而能在噪聲-振動(dòng)-平順性(NVH)特性方面獲得非常大的好處。

如此設(shè)計(jì)出來(lái)的電動(dòng)壓氣機(jī)就能使單個(gè)裝置進(jìn)行靈活的分級(jí)，無(wú)論是12V或48V方案都能實(shí)現(xiàn)2kW或5kW的功率。表1示出了目前在硬件方面可供使用的電動(dòng)壓氣機(jī)的技術(shù)規(guī)格指標(biāo)。

表1　電動(dòng)壓氣機(jī)的技術(shù)規(guī)格

6零件熱負(fù)荷

為了保護(hù)電動(dòng)機(jī)和功率電子器件，熱量必須散發(fā)出去。圖6示出了在輸入功率為5kW時(shí)的效率鏈，其中散熱及電動(dòng)機(jī)和功率電子器件中的初始損耗會(huì)損失485W。電機(jī)繞組和半導(dǎo)體元器件附近的溫度傳感器能確保各構(gòu)件處于調(diào)節(jié)策略所規(guī)定的溫度范圍內(nèi)免遭損壞。

圖6　電動(dòng)壓氣機(jī)在最佳運(yùn)行點(diǎn)時(shí)的效率鏈

如此可經(jīng)久耐用的電動(dòng)壓氣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻度可高達(dá)100%。圖7示出了根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、冷卻液溫度和容許的極限溫度按公式(2)定義的溫度比與運(yùn)轉(zhuǎn)頻度和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的關(guān)系曲線。

(2)

圖7　電動(dòng)機(jī)溫度比隨運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間和運(yùn)轉(zhuǎn)頻度的變化

7密封裝置

由于轉(zhuǎn)速非常高而在壓氣機(jī)殼體與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子之間不可能應(yīng)用耐磨的密封裝置，因而存在著諸如添加劑、高的空氣溫度和空氣壓力沿著轉(zhuǎn)子軸進(jìn)入電動(dòng)機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，所有涉及到的個(gè)別部件，例如非自密封的軸承、電動(dòng)機(jī)和功率電子器件等，會(huì)因腐蝕和軸承潤(rùn)滑劑的滲出而受到不可逆轉(zhuǎn)的損壞。為此專門開(kāi)發(fā)了1種密封方案，這種密封裝置在總體功能上使得電動(dòng)壓氣機(jī)內(nèi)腔與進(jìn)氣管之間沒(méi)有增壓空氣和添加劑的交換，從而確保了壓氣機(jī)的耐久性，并取消了分開(kāi)式靜態(tài)密封措施，特別是功率電子器件方面的密封措施。

8旁通裝置

電動(dòng)壓氣機(jī)通過(guò)1個(gè)旁通裝置被臨時(shí)接入空氣管路，這種旁通裝置應(yīng)盡可能做到打開(kāi)時(shí)無(wú)節(jié)流而關(guān)閉時(shí)密封性好，并具有靈活的運(yùn)行特性。通過(guò)壓縮空氣再循環(huán)，不可能主動(dòng)移動(dòng)運(yùn)行工況點(diǎn)阻止出現(xiàn)泵吸效應(yīng)。

因此，專門開(kāi)發(fā)了1種具有失效保護(hù)功能的連續(xù)電動(dòng)的調(diào)節(jié)閥板，并使其可朝相反方向擺動(dòng)，這種調(diào)節(jié)閥板具有高的系統(tǒng)集成度，能將旁通閥和其它功能綜合在1個(gè)單元中，而且專門開(kāi)發(fā)的密封座能確保殘余泄漏量處于節(jié)氣門調(diào)節(jié)閥板的水平之上。此外，蝸殼出口處的旁通閥集成在1個(gè)結(jié)構(gòu)型式中，整體式殼體非常緊湊，有利于降低成本和減小所需的安裝空間。

9結(jié)論與展望

介紹的電動(dòng)壓氣機(jī)由于具有模塊化的結(jié)構(gòu)，并可應(yīng)用于12V和48V 這兩種電壓規(guī)格，因而能同時(shí)滿足的柴油機(jī)和汽油機(jī)的使用要求。這種電動(dòng)壓氣機(jī)與傳統(tǒng)的渦輪增壓器組合使用可改善瞬態(tài)特性，如果整個(gè)增壓管路針對(duì)電動(dòng)壓氣機(jī)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整的話，就能使所有的目標(biāo)參數(shù)獲得重大的改善。

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[12] Winkler M, Hoffmann S， Unterberger B, u. a. Hyunda kia’s holixtic approach on 48V hybridization[C]. 36. Internationales Wiener Motorensymposium， 2015.

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范明強(qiáng)編譯

何丹妮編輯

(收稿日期：2015-09-11)