【德】 J.Beer M.G?tzenberger W.Triller L.Vornweg

提高功率和降低燃油耗的電輔助增壓

【德】 J.Beer M.G?tzenberger W.Triller L.Vornweg

目前，電輔助增壓已成為改善汽車(chē)行駛動(dòng)力性能的主要方案。Continental公司近期開(kāi)發(fā)了1種電動(dòng)壓氣機(jī)，適合于采用48 V汽車(chē)電路的緊湊型汽車(chē)，可有效提高增壓器工作效率。

小型化換氣增壓電輔助增壓節(jié)能減排

1 轉(zhuǎn)換到無(wú)掃氣換氣增壓

增壓發(fā)動(dòng)機(jī)更高的升功率可補(bǔ)償排量的減小，因而借助廢氣渦輪增壓器能使內(nèi)燃機(jī)小型化，當(dāng)然必須確保采用廢氣渦輪增壓器的汽車(chē)即使在低轉(zhuǎn)速時(shí)仍能顯示出良好的動(dòng)態(tài)加速響應(yīng)性能。為了確保達(dá)到這樣的目標(biāo)，廢氣渦輪應(yīng)盡可能小，當(dāng)然小的廢氣渦輪在較高的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)導(dǎo)致較高的廢氣背壓，從而增大換氣損失，并通過(guò)燃燒重心位置對(duì)廢氣溫度和燃油耗產(chǎn)生不利影響，而低轉(zhuǎn)速扭矩與最大功率之間的增壓壓力是對(duì)增壓系統(tǒng)的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

為獲得高的低速扭矩通常采用調(diào)整氣門(mén)重疊角的方式，產(chǎn)生掃氣空氣來(lái)改善廢氣排出燃燒室的效果，這可增大壓氣機(jī)和廢氣渦輪的質(zhì)量流量。這些附加的掃氣空氣并不參加燃燒，而是增加了廢氣中的氧含量，并且減少了三元催化轉(zhuǎn)化器中的氮氧化物(NOx)的轉(zhuǎn)化凈化。為了更好的適應(yīng)未來(lái)的NOx排放限值，以及具有更高負(fù)荷份額的全球統(tǒng)一的輕型車(chē)試驗(yàn)循環(huán)(WLTC)，必須將掃氣的有效性作為廢氣渦輪增壓器調(diào)節(jié)策略的一部分予以研究。

廢氣渦輪增壓器與電動(dòng)壓氣機(jī)(Continental公司稱之為“eCompressor”)的組合提供了改善起步加速性能的可能性，在這種方案中壓氣機(jī)僅是短時(shí)間運(yùn)行。當(dāng)然，在設(shè)計(jì)得合適的情況下，它所附加獲得的扭矩能改善加速響應(yīng)性能，并有助于提高內(nèi)燃機(jī)的效率，當(dāng)然這種方案需要在較長(zhǎng)的時(shí)間間隔內(nèi)以低電功率進(jìn)行電輔助增壓，Continental公司新開(kāi)發(fā)的電動(dòng)壓氣機(jī)就能達(dá)到這樣的效果。

2 系統(tǒng)環(huán)境和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖1示出了集成電動(dòng)壓氣機(jī)的系統(tǒng)環(huán)境，其中不僅電動(dòng)壓氣機(jī)的所有組成部分都是以Continental公司自身技術(shù)為基礎(chǔ)，除此之外，用于與發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)(EMS)相關(guān)的48 V系統(tǒng)/汽車(chē)電路直至廢氣渦輪增壓器的整個(gè)環(huán)境的技術(shù)都屬于Continental公司，因此這里所介紹的電動(dòng)壓氣機(jī)是由在系統(tǒng)層面上經(jīng)過(guò)優(yōu)化的解決方案組成。其中電動(dòng)增壓級(jí)由4個(gè)主要部分組成：

(1)采用永磁技術(shù)的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)(PMSM)在小于250 ms的時(shí)間內(nèi)使壓氣機(jī)葉輪加速到70 000 r/min。具有高銅填充度的非常緊湊的定子，以及轉(zhuǎn)子永磁鐵的造型與最小空氣間隙相結(jié)合使得電動(dòng)機(jī)具有較高的效率，短時(shí)間可發(fā)出高達(dá)5 kW功率。由于采取了高效的冷卻策略，這種電動(dòng)機(jī)的持續(xù)功率高達(dá)2.5 kW。

(2)電動(dòng)機(jī)無(wú)需傳感器通過(guò)集成在換向器中的矢量控制(FOC)功能進(jìn)行控制。換向器提供環(huán)流所必需的三相交流電。與用矩形或正弦整流相比，F(xiàn)OC具有電動(dòng)機(jī)效率較高和輻射噪聲較小的優(yōu)點(diǎn)。除此之外，對(duì)汽車(chē)電路的穩(wěn)定性也有好處，具有FOC功能的PMSM在啟動(dòng)時(shí)引起的負(fù)荷峰值比采用傳統(tǒng)整流方法明顯降低。

(3)徑流式壓氣機(jī)及其蝸殼的幾何形狀和尺寸是以廢氣渦輪增壓器批量應(yīng)用所獲得的技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的，與廢氣渦輪增壓器一樣，壓氣機(jī)級(jí)的設(shè)計(jì)考慮到優(yōu)化每種使用工況，其中特別考慮到了電動(dòng)壓氣機(jī)的定位，若集成在廢氣渦輪增壓器上游的話，則所需的壓氣機(jī)特性曲線場(chǎng)要比集成在廢氣渦輪增壓器下游更寬廣。

(4)用于電動(dòng)壓氣機(jī)控制和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的功能軟件綜合在一個(gè)模塊(FSM)中。

圖1 電動(dòng)壓氣機(jī)及其主要組成部分的總體環(huán)境示意圖

圖2示出了從壓氣機(jī)側(cè)觀察的緊湊型電動(dòng)壓氣機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。具有專利的轉(zhuǎn)子支承方式是其設(shè)計(jì)特點(diǎn)之一，位于壓氣機(jī)葉輪與轉(zhuǎn)子組件之間的無(wú)間隙中間滾動(dòng)軸承具有兩個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)：

(1)這種結(jié)構(gòu)布置型式保證了2個(gè)滾動(dòng)軸承同時(shí)達(dá)到最佳的同心度，因此無(wú)需折中或成本方面的對(duì)策就能延長(zhǎng)軸承的使用壽命，同時(shí)也明顯簡(jiǎn)化了安裝和平衡工藝，這就利于量產(chǎn)。

(2)這種軸承布置方式允許軸承和轉(zhuǎn)子采用簡(jiǎn)單高效的冷卻方式，軸承、定子和壓氣機(jī)蝸殼后壁可由唯一接口供應(yīng)的冷卻液環(huán)繞冷卻。這種冷卻方式能夠從多方面優(yōu)化熱量的排出，因而采用這里所介紹的電動(dòng)壓氣機(jī)能夠以準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高效方案，不僅能使壓氣機(jī)幾秒鐘就能發(fā)揮作用，而且能在較長(zhǎng)的時(shí)間間隔內(nèi)輔助廢氣渦輪增壓器。

圖2 Continental公司電動(dòng)壓氣機(jī)剖視圖

3 工作原理和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)小型化的貢獻(xiàn)

為了分析采用電輔助增壓可實(shí)現(xiàn)的方案，在2.0 L缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)上應(yīng)用位于廢氣渦輪增壓器下游的電動(dòng)壓氣機(jī)(圖3)。

除了對(duì)最大功率220 kW的基本機(jī)型進(jìn)行試驗(yàn)之外，采用了能使發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率達(dá)到250 kW的Continental公司較大的廢氣渦輪增壓器。在這樣的功率水平下，就有可能用具有較小排量的4缸機(jī)替代6缸機(jī)，而采用傳統(tǒng)的單級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)并非是提高升功率目標(biāo)的方法，因?yàn)檩^大的廢氣渦輪增壓器會(huì)損害低轉(zhuǎn)速時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)。為此，較小的串聯(lián)式渦輪增壓器的基本機(jī)型應(yīng)采用掃氣，以便在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá)到所必需的扭矩。若采用較大的廢氣渦輪增壓器無(wú)掃氣的話，則在1 750 r/min時(shí)平均有效壓力會(huì)低約0.9 MPa，這相當(dāng)于功率虧損25 kW(圖4)。

圖4 掃氣對(duì)扭矩特性曲線低轉(zhuǎn)速扭矩(LET)的影響

試驗(yàn)時(shí)電動(dòng)壓氣機(jī)不僅用于取消串聯(lián)增壓，而且也能應(yīng)用較大的廢氣渦輪增壓器。圖5根據(jù)轉(zhuǎn)速1 500 r/min時(shí)負(fù)荷突變的模擬計(jì)算示出了電動(dòng)壓氣機(jī)的作用原理，在圖中標(biāo)出的黑色曲線上的(1)～(4)點(diǎn)之間電動(dòng)壓氣機(jī)通電并加速到最大轉(zhuǎn)速，其中在(3)和(4)點(diǎn)之間使用廢氣渦輪增壓器，因而在(5)和(7)點(diǎn)之間需要由電動(dòng)壓氣機(jī)建立的增壓壓力又降低了。圖5(b)中示出了需要的空氣量與電功率需求之間的關(guān)系。在短時(shí)間內(nèi)輔助增壓運(yùn)行時(shí)需要較高的能量，而從(7)至(8)點(diǎn)的曲線走向表明，在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)需要的電能明顯減少。

4 能量利用和熱力學(xué)效率

通過(guò)電輔助增壓能夠達(dá)到無(wú)掃氣的低速扭矩，同時(shí)應(yīng)用電動(dòng)壓氣機(jī)能夠在熱力學(xué)方面獲得一定優(yōu)勢(shì)。圖6示出了在3種不同轉(zhuǎn)速時(shí)減小氣門(mén)重疊角情況下使用電動(dòng)壓氣機(jī)的比燃油耗。在減少掃氣的情況下比燃油耗能夠達(dá)到各自的最佳值(藍(lán)色曲線)，從而使廢氣中的氧含量從之前的2.5%降低到0.5%。圖中示出的3種運(yùn)行工況點(diǎn)的比燃油耗優(yōu)勢(shì)在4.4%～8.5%之間。內(nèi)燃機(jī)具有較高的熱力學(xué)效率的原因是減少了換氣功以及因氣缸充量達(dá)到化學(xué)計(jì)量比過(guò)量空氣系數(shù)，避免了不完全燃燒所造成的損失。

原則上，輕度混合動(dòng)力汽車(chē)也能利用混合動(dòng)力化的效果，在加速階段就能將虧損的扭矩直接補(bǔ)償?shù)角S上，當(dāng)然在這種情況下所消耗的電能要比電輔助增壓時(shí)大得多。例如，為了在曲軸上增加20 kW功率，在為2.0 L缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)進(jìn)行電輔助增壓時(shí)電動(dòng)壓氣機(jī)僅需要約1.7 kW功率電能，而在直接利用曲軸上電驅(qū)動(dòng)電機(jī)情況下為獲得相同的扭矩則需要大于20 kW的電功率。因此，對(duì)于總能量平衡而言，在電動(dòng)壓氣機(jī)運(yùn)行時(shí)內(nèi)燃機(jī)同樣也要轉(zhuǎn)換更多的能量。從汽車(chē)電路可使用的有限電能以及貯存電能的成本相比較，還是電動(dòng)壓氣機(jī)輔助增壓來(lái)得更為有效。

5 結(jié)語(yǔ)和展望

鑒于未來(lái)對(duì)CO2和NOx排放的要求，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)的低轉(zhuǎn)速扭矩，內(nèi)燃機(jī)的掃氣并無(wú)更多合適的對(duì)策。未來(lái)即使沒(méi)有掃氣空氣在低轉(zhuǎn)速時(shí)也要獲得良好的起步加速特性，而采用Continental公司的電動(dòng)壓氣機(jī)實(shí)現(xiàn)電輔助增壓，開(kāi)辟了新的解決途徑，在輔助增壓運(yùn)行時(shí)短時(shí)間使用電能可以在負(fù)荷突變時(shí)確?？焖俚募铀夙憫?yīng)特性。除此之外，在較小電功率情況下較長(zhǎng)時(shí)間的電輔助運(yùn)行就能實(shí)現(xiàn)具有高功率和效率的方案，特別是在電能來(lái)自于余熱回收的情況下，能夠在明顯節(jié)油的同時(shí)獲得較高的功率。

因此，電動(dòng)增壓是增壓技術(shù)的下一個(gè)發(fā)展階段，并將對(duì)滿足未來(lái)廢氣排放法規(guī)情況下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)方案作出重大貢獻(xiàn)。在采用48 V電路技術(shù)的輕度混合動(dòng)力汽車(chē)上，電動(dòng)壓氣機(jī)開(kāi)拓是最有效的運(yùn)行策略。

范明強(qiáng) 譯自 MTZ，2016, 77(11)

何丹妮 編輯

2016-12-20)