胡超，楊名洋,2，鄧康耀,2，邢衛(wèi)東，張俊躍

(1.上海交通大學動力機械及工程教育部重點實驗室，上海 200240；2.上海交通大學高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；3.中國北方發(fā)動機研究所柴油機增壓技術重點實驗室,天津 300400)

隨著環(huán)境污染、全球變暖問題逐漸緊迫，世界主要國家都開始制定大幅度降低油耗和CO2排放的法規(guī)。巴黎氣候大會上，中國承諾在2030年實現(xiàn)CO2減排65%左右。近3年來，車用動力電動化的發(fā)展在世界范圍內(nèi)進入快車道，各國均推出了未來電動化車用動力的發(fā)展規(guī)劃。然而，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機相比，目前傳統(tǒng)車用電池技術仍然存在能量密度相對低、充電時間長、電池性能退化嚴重和環(huán)境污染等一系列問題需要逐一克服。燃料電池技術雖在能量密度和能量補充時間方面和內(nèi)燃機相當，但在技術成熟度、成本控制方面在可預見的時間內(nèi)難以與內(nèi)燃機相比。內(nèi)燃機和混合動力將是未來相當長一段時間內(nèi)的主流車用動力[1]。因此，發(fā)展節(jié)能型和低排放的內(nèi)燃機、加大汽車動力總成中的電氣化比重依舊是車用動力的關鍵任務之一。傳統(tǒng)內(nèi)燃機近30%的能量由廢氣帶走而浪費，故余熱利用技術成為了內(nèi)燃機進一步節(jié)能減排的關鍵。目前車船用動力余熱利用技術中，相對于有機朗肯循環(huán)(ORC)、熱發(fā)電(TEG)等，機電復合增壓技術以其節(jié)能減排的巨大潛力、高結(jié)構(gòu)緊湊性和技術成熟度等諸多優(yōu)勢，逐步成為該領域的研究熱點之一[2]。

機電復合增壓技術的特征是將電機(包含電動機與發(fā)電機)與傳統(tǒng)渦輪增壓器集成，實現(xiàn)發(fā)動機與渦輪增壓器運行的部分解耦甚至完全解耦，可從本質(zhì)上解決往復式活塞發(fā)動機與旋轉(zhuǎn)式葉輪機械渦輪增壓器難以全工況匹配的問題。發(fā)動機排氣能量與負荷程度正相關。傳統(tǒng)渦輪增壓須采用可調(diào)幾何方式如廢氣旁通等避免高負荷過度增壓、低負荷增壓不足的問題。該方法導致增壓器在廢氣能量利用方面存在嚴重不足，難以適應未來高性能發(fā)動機對增壓技術的需求。機電復合增壓通過高負荷渦輪發(fā)電、低負荷電機輔助增壓的方式，一方面實現(xiàn)渦輪增壓與發(fā)動機的全工況匹配，另一方面可以和混合動力系統(tǒng)電力整合，在提高傳統(tǒng)內(nèi)燃機與混合動力汽車的燃效和尾氣排放方面具有極大的潛力。

目前，在車用發(fā)動機領域，帝國理工學院、拉夫堡大學、盧布爾雅那大學和杜倫大學等國外高校聯(lián)合卡特彼勒、博格華納、CPT等OEM或零部件公司，針對機電復合增壓技術的系統(tǒng)匹配、切換控制、關鍵部件設計及流動機理等方面開展了相關研究。對于船舶發(fā)動機，特別是在低速二沖程大功率發(fā)動機領域，機電復合增壓技術研究比較少見，僅有日本三菱重工開展了針對低速機的機電復合增壓研究[3-5]。目前，國內(nèi)針對車船用機電復合增壓技術的研究仍較為少見，僅有部分概念性探討和對比研究[6-7]。本研究針對當前機電復合增壓技術的研究現(xiàn)狀、關鍵問題及現(xiàn)行的解決方案進行綜述，并對未來研究應用趨勢進行了進一步分析。

1 機電復合增壓的結(jié)構(gòu)布局

目前國內(nèi)外研究中的機電復合增壓結(jié)構(gòu)布局存在諸多形式。根據(jù)電機是否集成在渦輪軸上可分為三類(見圖1)：1)集成于傳統(tǒng)增壓器轉(zhuǎn)軸上的兩種結(jié)構(gòu)，包括混合增壓結(jié)構(gòu)(集成電動機/發(fā)電機，Hybrid Turbocharger)[8-9]和緊湊型電輔助增壓(集成電動機)結(jié)構(gòu)[10-12]；2)安置于進排氣管路中的三種串/并聯(lián)結(jié)構(gòu)，包括串聯(lián)在增壓器壓氣機上/下游的電輔助增壓[13-14]，串/并聯(lián)在增壓器渦輪端下游的動力渦輪[7,15]，以及集成了電輔助增壓和動力渦輪的分體式渦輪增壓[16]；3)上述兩類布局方案組合形成的復合型方案[17-18]。

圖1 機電復合增壓方案布局

對于同軸布局類型，緊湊型電輔助增壓和混合增壓通過高速電動機/發(fā)電機對增壓器轉(zhuǎn)子制動或增速實現(xiàn)渦輪發(fā)電或者輔助增壓，從而突破傳統(tǒng)增壓器中渦輪-壓氣機功率平衡、增壓器-發(fā)動機相互耦合的約束，解決內(nèi)燃機低負荷氣量不足和高負荷增壓過度等問題。由于汽車發(fā)動機艙許用空間有限，車用電輔助/電復合渦輪增壓一般將電機集成在渦輪和壓氣機之間的渦輪軸上以提高緊湊性。而船用動力艙空間相對較大，船用電輔助/電復合渦輪增壓通過聯(lián)軸器等將電機集成在徑流式壓氣機側(cè)的延長軸上，利用進氣空氣對電機定子進行輔助冷卻[19-20]。在相同輔助功率情況下，船用緊湊型電輔助渦輪增壓器掃氣壓力和工作效率遠高于傳統(tǒng)船用輔助風機[19]。緊湊型電輔助增壓通過在低負荷時助力增壓提高氣量以改善低速動力性能和排放性能，但是該布局型式在中高負荷時由于進氣量充足而喪失優(yōu)勢。另一方面，混合型布局方式由于兼具發(fā)電和助力的功能，因而可在低負荷氣量不足時實現(xiàn)輔助增壓提高進氣量，同時高負荷排氣能量過剩時渦輪發(fā)電回收能量。相比于緊湊型電輔助增壓方案，該布局結(jié)構(gòu)由于集成電動發(fā)電機于增壓器中間體中，因此要求電動發(fā)電機具有高可靠性、高緊湊性等要求，對高效冷卻技術、轉(zhuǎn)子動力學等提出了巨大的挑戰(zhàn)，目前仍處于樣機驗證階段。

對于不同軸布局類型，電輔助增壓通過電機直接驅(qū)動離心壓氣機或螺桿式壓氣機，在發(fā)動機低負荷工況進行輔助增壓，補充進氣以改善燃油經(jīng)濟性能，但須消耗額外能量，且僅在低負荷時具有良好效果。動力渦輪通過與傳統(tǒng)增壓器并聯(lián)或串聯(lián)的渦輪在高發(fā)動機負荷工況回收富余排氣能量，從而避免使用廢氣旁通閥，同時避免發(fā)動機高負荷增壓過度、壓氣機堵塞和增壓器超速等問題[15]。然而該方案僅在發(fā)動機高負荷時才具有較大節(jié)能優(yōu)勢，低負荷時由于使氣量進一步降低，反而導致發(fā)動機性能惡化。分體式增壓則綜合電輔助增壓和動力渦輪兩種方式，取消了渦輪和壓氣機之間的機械連接軸，使用電池電源作為柔性能量單元溝通壓氣機和渦輪，從而具有可實現(xiàn)發(fā)動機全負荷最佳運行狀態(tài)的潛力。但是該方案能量轉(zhuǎn)換鏈過長，系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率較低[16-17]。復合增壓類型是將上述多種增壓布局方案進行組合，目前研究較少，仍停留在概念層次[18]。

上述三大類型機電復合增壓布局方案的優(yōu)劣勢和潛力具有較大差異。諸葛偉林等比較了串、并聯(lián)動力渦輪和緊湊型混合增壓三種方案，指出并聯(lián)動力渦輪結(jié)構(gòu)在高低負荷均可提升燃油經(jīng)濟性(US06路況提升4%，F(xiàn)TP75提升1.6%)，是所研究的三種方案中最具潛力的布局[7]。Pasini等基于車用壓燃發(fā)動機比較了傳統(tǒng)增壓(可變幾何增壓VGT)、混合增壓和分體式增壓三種增壓布局方案的燃油經(jīng)濟性等指標[21]。研究結(jié)果表明，分體式增壓取消了傳統(tǒng)渦輪與壓氣機的功率和轉(zhuǎn)速相等的限制，比混合增壓擁有更大的節(jié)能潛力。其中，高轉(zhuǎn)速、中低負荷時混合增壓和分體式增壓分別比傳統(tǒng)增壓提高燃油機經(jīng)濟性6%和8%，但是中等轉(zhuǎn)速時此兩種機電復合增壓方案并無明顯優(yōu)勢。

2 機電復合增壓與發(fā)動機匹配及控制策略

機電復合增壓與發(fā)動機的匹配決定了兩者聯(lián)合工作范圍，匹配的好壞決定了增壓發(fā)動機節(jié)能減排潛力的大小?？刂撇呗允菣C電復合增壓技術的關鍵，其優(yōu)劣決定了增壓發(fā)動機燃油經(jīng)濟性和瞬態(tài)響應能力的高低。

對于傳統(tǒng)渦輪增壓器，匹配時須確保發(fā)動機耗氣特性曲線穿過壓氣機和渦輪高效率區(qū)，并與壓氣機喘振線有一定距離(10%及以上的喘振裕度)，具體方法包括估算[22-23]和試驗[24]等。其中顧宏中提出的JTK匹配估算方法見圖2。

圖2 JTK匹配估算方法[22]

傳統(tǒng)增壓器與發(fā)動機匹配、壓氣機與渦輪匹配須滿足轉(zhuǎn)速、流量相等以及功率平衡等約束條件。機電復合增壓由于實現(xiàn)發(fā)動機與增壓器、壓氣機與渦輪的解耦，因而具有不同的匹配約束條件，具體見表1。機電復合增壓與傳動增壓方案的約束差異導致機電復合增壓-發(fā)動機匹配和傳統(tǒng)匹配方法呈現(xiàn)顯著差異特征。然而，目前針對機電復合增壓匹配方法的報道較少，主要是基于傳統(tǒng)增壓發(fā)動機匹配方案進行修改調(diào)整。Dimitriou等開展了機電復合增壓渦輪與壓氣機大小對整機性能影響的規(guī)律研究，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)增壓器相比，須采用小渦輪和小壓氣機才可實現(xiàn)更優(yōu)的發(fā)動機燃油經(jīng)濟性和加速性能[25]。

表1 機電復合渦輪增壓方案約束條件

由于約束條件的減少，機電復合增壓增加了增壓發(fā)動機的控制變量(電動機/發(fā)電機功率)，且與其他控制量(VGT開度和EGR閥)耦合緊密，因而氣系統(tǒng)的控制更加復雜。目前機電復合增壓控制主要面臨以下三個關鍵問題：模式切換控制策略(電動模式/發(fā)電模式)、電機功率控制策略(電動機功率/發(fā)電量)和多變量協(xié)同控制(電動機/發(fā)電機功率、VGT和廢氣再循環(huán)EGR率)[26-28]。針對以上問題，Zhao等提出了混合增壓柴油機可預測控制模型控制方法[29-31]，采用H_∞解耦控制理論對多個變量(電動機/發(fā)電機功率、VGT開度和EGR率)進行解耦控制[32-33]，試驗結(jié)果證明該方法具備高可靠性和高跟隨性，發(fā)動機油耗下降0.5%左右[30]。

3 機電復合增壓技術的部件研究

機電復合增壓取消了傳統(tǒng)渦輪增壓發(fā)動機在功率平衡、轉(zhuǎn)速相等方面的約束，使得該技術對其核心部件即離心壓氣機、渦輪提出了與傳統(tǒng)增壓具有明顯差異的要求。電動機/發(fā)電機是機電復合增壓的另一個關鍵部件，與離心壓氣機、渦輪的聯(lián)合工作使得該部件與現(xiàn)有電動機/發(fā)電機的工況、運行環(huán)境具有顯著差別。因此，機電復合增壓技術須重點對離心壓氣機、渦輪以及電動機/發(fā)電機開展針對性的研究。

3.1 渦輪

渦輪是機電復合增壓技術中進行能量回收的部件，因此，與傳統(tǒng)增壓器相比，提高渦輪效率意義更為重大。傳統(tǒng)增壓器渦輪最高效率通常在80%左右[22]，而機電復合增壓技術為了獲得更高的收益，需要渦輪效率相比傳統(tǒng)渦輪明顯提高。Caterpillar公司所設計的機電復合渦輪最高效率達到85%左右[27]。對于具有串聯(lián)布局形式(見圖1)的機電復合增壓，動力渦輪前排氣能量較低，壓力在0.105～0.130 MPa[2]。然而，傳統(tǒng)徑流式渦輪最高效率的壓比高于2.0，在低膨脹比時效率極低(小于40%)。顯然，采用傳統(tǒng)增壓器渦輪設計方法無法滿足具有串聯(lián)布局形式的機電復合增壓技術。另一方面，由于目前適用于渦輪發(fā)電的發(fā)電機轉(zhuǎn)速通常顯著低于傳統(tǒng)增壓器運行轉(zhuǎn)速，因而機電復合增壓渦輪設計轉(zhuǎn)速須偏離徑流渦輪最佳轉(zhuǎn)速范圍。倫敦帝國理工學院Martinez-Botas等針對機電復合增壓技術設計了低膨脹比高效率混流渦輪(見圖3)[34-35]。該渦輪最高效點出現(xiàn)在膨脹比為1.1時，最高效率達75.8%。該機電復合增壓可使發(fā)動機在1.0 L汽油機臺架試驗中提高燃油經(jīng)濟性約3%。Kant等基于該渦輪設計方法進一步開展了10.0 L重卡柴油機的動力渦輪設計研究，結(jié)果顯示基于該動力渦輪的機電復合增壓技術可實現(xiàn)發(fā)動機油耗降低近4%[36]。

圖3 傳統(tǒng)渦輪和低膨脹比高效渦輪性能比較[35]

3.2 壓氣機

機電復合增壓廣泛采用離心壓氣機作為增壓壓氣機。由于壓氣機的驅(qū)動電機消耗能量，因而提高壓氣機效率對于機電復合增壓系統(tǒng)燃油經(jīng)濟性具有重要意義。Caterpillar所設計的機電復合增壓壓氣機比傳統(tǒng)增壓壓氣機效率高3%～8%[27]。對于電機驅(qū)動輔助增壓布局形式的機電復合增壓，由于目前輔助增壓用高速電機轉(zhuǎn)速通常難以達到傳統(tǒng)渦輪增壓器運行轉(zhuǎn)速，這就要求機電復合增壓的離心壓氣機采用相對較低的比轉(zhuǎn)速設計理念。楊名洋等針對電輔助設計了一款壓比2.0，轉(zhuǎn)速120 000 r/min的離心壓氣機，其最高效率為78%[37]。鄭新前等設計了一款轉(zhuǎn)速僅為20 000 r/min的電動離心壓氣機，采用大后彎角、小擴壓器等設計特征，實現(xiàn)最高效率約78%[38]。另一方面，由于機電復合增壓中渦輪發(fā)電工況將導致離心壓氣機向小流量工況移動，從而靠近喘振邊界，因此，機電復合增壓對壓氣機喘振裕度提出了更高的要求。Wang P等采用優(yōu)化葉輪葉尖負荷分布等方式提高電輔助增壓離心壓氣機的設計轉(zhuǎn)速，喘振裕度拓寬約51.4%[39]。由于對發(fā)動機加速性能的苛刻要求，需要離心壓氣機具有較小的轉(zhuǎn)動慣量。如何在低比轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動慣量之間平衡優(yōu)化，是機電復合增壓技術需要在電機技術成熟度、效率、成本、可靠性等諸多因素中綜合考慮的挑戰(zhàn)之一。

3.3 電動機/發(fā)電機

機電復合增壓技術要求其電動機/發(fā)電機具有高速(大于10 000 r/min)、低慣量快響應、高結(jié)構(gòu)緊湊性、高溫環(huán)境下的高可靠性、寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的交/直流高效逆變等一系列特征，目前研究主要包括集成電機結(jié)構(gòu)設計、高效冷卻、交/直流電(AC/DC)轉(zhuǎn)換、超快速啟動等方面。對于電動機/發(fā)電機集成在增壓器轉(zhuǎn)軸與中間體上的混合增壓或復合增壓布局形式，高溫渦輪端向電動機/發(fā)電機傳遞的大量熱與電動機/發(fā)電機緊湊空間內(nèi)的散熱極難被冷卻液帶走。高溫會導致包線絕緣性降低、永磁體退磁以及軸承潤滑不良等一系列問題，故須開展緊湊空間內(nèi)的高效冷卻技術。Rutledge等針對混合增壓布局形式的機電復合增壓開展了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計(見圖4)和水冷技術研究，提高電動機/發(fā)電機及其電路的可靠性[40]。發(fā)動機運行范圍寬廣，機電復合增壓轉(zhuǎn)速覆蓋范圍寬，因而電機電流基頻(甚至達kHz級)超高進而難以使用電壓源脈寬調(diào)制(PWM)進行變頻和轉(zhuǎn)換。Yamashita等采用高頻斬波器(30 kHz)的電流源逆變器有效避免了該問題[8]。另一方面，為了提高機電復合增壓加速響應性能，要求驅(qū)動電機在不超過1 s時間內(nèi)加速至壓氣機最低工作轉(zhuǎn)速(50 000～70 000 r/min)。這一方面對電機、儲能設備功率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量提出較高要求，另一方面，電子元器件易因強電流發(fā)熱受損。Kattwinkel等采用集成電路、場效應管并提升車載電源電壓(12 V提升到24 V或48 V)等方法，有效降低了啟動電流，并且提升了線路電流承載能力，解決了電子元器件的熱受損問題[41]。

圖4 電機中置集成在渦輪軸設計示意[40]

4 總結(jié)與展望

在車用動力電動化發(fā)展趨勢大潮下，機電復合增壓技術快速發(fā)展?，F(xiàn)有多種布局形式的機電復合增壓類型(同軸、不同軸和復合類型)，不同方案發(fā)動機-增壓、渦輪-壓氣機匹配約束和工作環(huán)境與傳統(tǒng)渦輪增壓器存在巨大差異，從而導致機電復合增壓-發(fā)動機匹配、關鍵部件等方面與傳統(tǒng)增壓在設計理念和方法方面迥異。

從機電復合增壓結(jié)構(gòu)布局特征、匹配與控制、關鍵部件等三個方面的研究進展進行了綜述，分析比較了三種布局方案的機電復合增壓技術的特點與潛力，討論了機電復合增壓匹配和控制技術特點與研究現(xiàn)狀，最后闡述了機電復合增壓的渦輪、壓氣機和電動機/發(fā)電機具體特點要求與研究進展。針對機電復合增壓尚無成體系的匹配方法，目前主要以基于傳統(tǒng)渦輪增壓匹配方法的經(jīng)驗為主。針對機電復合增壓部件的研究較少，目前仍然以傳統(tǒng)增壓離心壓氣機和渦輪設計方法為主，難以滿足機電復合增壓對高效低膨脹比渦輪、高效寬喘振裕度壓氣機的要求。目前高速、高緊湊性、高可靠性與低慣量電機/發(fā)電機的研發(fā)離機電復合增壓對之提出的要求仍有較大距離。雖然存在巨大的挑戰(zhàn)，但機電復合增壓基于發(fā)動機負荷工況實現(xiàn)精細化空氣管理，在提高傳統(tǒng)內(nèi)燃機與混合動力汽車的燃油經(jīng)濟性和降低排放方面具有極大潛力。機電復合增壓技術將在汽車電氣化發(fā)展中逐漸發(fā)展成熟，是未來最具潛力的主流增壓技術。