張繼忠，張樹(shù)勇，吳建全，霍學(xué)敏，孫惠民，劉毅

(1. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)，天津 300400；2.GAC R&D Center，Detroit 48331； 3.大同北方天力增壓器有限公司，山西 大同 037036)

新技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)了汽車工業(yè)向電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化的方向發(fā)展[1]，使得動(dòng)力技術(shù)呈現(xiàn)了多樣化發(fā)展趨勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到，技術(shù)多元化引起了環(huán)境保護(hù)和能源安全方面的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，單純對(duì)個(gè)體產(chǎn)品的污染和能耗評(píng)估是不科學(xué)的，考慮“能量轉(zhuǎn)換、能源結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)乃至于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)”等因素的多維度、全生命周期(搖籃到墳?zāi)?，Cradle to Grave)[2]的綜合評(píng)估方法逐漸受到重視。在當(dāng)前形勢(shì)下，汽車工業(yè)的發(fā)展對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)提升熱效率、降低排放提出了更高的要求，也對(duì)增壓技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。

增壓技術(shù)可以有效增加發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的進(jìn)氣密度，強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)。在內(nèi)燃機(jī)百年發(fā)展的歷史進(jìn)程中，催生演變了許多不同種類的增壓方式和不同結(jié)構(gòu)的增壓產(chǎn)品，而電子化/電氣化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步推動(dòng)了增壓技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多不同類型的機(jī)/電/液輔助增壓技術(shù)。

1 增壓技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

早在19世紀(jì)，戴姆勒和狄賽爾就認(rèn)識(shí)到，采用機(jī)械裝置驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)(機(jī)械增壓)可以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率。1905年，瑞士的Alfred Büchi博士首次提出了廢氣渦輪增壓概念。1924年，廢氣渦輪增壓技術(shù)在船用柴油機(jī)和大型陸用柴油機(jī)上開(kāi)始商業(yè)化應(yīng)用[3]；1938年，廢氣渦輪增壓技術(shù)首次應(yīng)用在波音B-17飛機(jī)上，解決了在高空環(huán)境使用的問(wèn)題；到1960年，廢氣渦輪增壓技術(shù)已經(jīng)大量應(yīng)用于車用柴油機(jī)[4]；1980年，增壓技術(shù)開(kāi)始在汽油機(jī)上應(yīng)用，最初在F1汽車上加裝增壓器，最大功率超過(guò)了735 kW[3]。到目前為止，增壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)上，成為發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展過(guò)程中的里程碑技術(shù)。

1.1 增壓技術(shù)的發(fā)展

發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓有多種方式，朱大鑫[5]將增壓方式分為四大類：1)沒(méi)有專門增壓裝置的增壓，如慣性增壓、諧波增壓等；2)機(jī)械增壓；3)廢氣渦輪增壓；4)復(fù)合增壓。除第一類外，其他增壓方式均為發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)的部件技術(shù)，得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

機(jī)械增壓有螺桿式、羅茨式和離心式等多種型式，其中螺桿式、羅茨式機(jī)械增壓常用于小排量汽油機(jī)，離心式機(jī)械增壓則常用于具有高壓比需求的大中排量柴油機(jī)或汽油機(jī)上[6]。羅茨式機(jī)械增壓器的應(yīng)用最廣，壓比不超過(guò)2.5，瞬態(tài)響應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、運(yùn)行可靠[7-8]，但由于其排氣流量與其轉(zhuǎn)速基本呈線性關(guān)系，和發(fā)動(dòng)機(jī)匹配不靈活[9]，油耗高，使用范圍受到一定的限制，一度被廢氣渦輪增壓技術(shù)所替代。隨著高傳動(dòng)比、高速軸承的發(fā)展，加之復(fù)合增壓技術(shù)的需求，離心式機(jī)械增壓技術(shù)又逐漸受到重視，并向小型發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用延伸。驅(qū)動(dòng)方式由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸驅(qū)動(dòng)，發(fā)展到利用機(jī)械、電能、液力能等多種能量驅(qū)動(dòng)(或混合驅(qū)動(dòng))；傳動(dòng)比不斷提高，由固定傳動(dòng)比發(fā)展到可變傳動(dòng)比；液力驅(qū)動(dòng)的增壓方式還可以吸收車輛制動(dòng)能量，已在頻繁起停車輛上得到應(yīng)用；電機(jī)驅(qū)動(dòng)的羅茨式(E_Super[10])或離心式壓氣機(jī)，使機(jī)械增壓器的使用更加靈活，不僅可以應(yīng)用于傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，在混合動(dòng)力、燃料電池等方面也具有廣闊的應(yīng)用前景。機(jī)械增壓已經(jīng)逐漸向多能驅(qū)動(dòng)、可變、可控、能量回收的方向發(fā)展。

廢氣渦輪增壓晚于機(jī)械增壓，由于其緊湊、高效、節(jié)能等特點(diǎn)，在車船用發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)其結(jié)構(gòu)和燃?xì)廨啓C(jī)相似，成熟的航空技術(shù)可以移植過(guò)來(lái)，使廢氣渦輪增壓技術(shù)得以高速發(fā)展[13]。為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)全工況增壓匹配需求，可利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)、軸承、密封、工藝、材料等新技術(shù)，不斷提升增壓器的指標(biāo)，如高壓比、高效率、寬流量范圍、高可靠性、低成本等(見(jiàn)圖1)[11]。CFD技術(shù)的應(yīng)用使得壓氣機(jī)的壓比、效率和流量范圍同時(shí)得到提高，應(yīng)力優(yōu)化、無(wú)孔工藝和新材料的應(yīng)用可使壓氣機(jī)獲得15倍以上的疲勞壽命[12](見(jiàn)圖2)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前車用增壓器的單級(jí)壓比最高能夠達(dá)到6.0，壓氣機(jī)和渦輪的效率最高達(dá)到了82%，壓氣機(jī)葉輪輪周線速度突破了580 m/s[13]，船用增壓器的壓比則更高；在壓氣機(jī)端，軸流+徑流串聯(lián)、雙徑流串聯(lián)、雙徑流并聯(lián)等多種組合方式，滿足了車用工況高壓比、寬流量范圍、高緊湊性的要求[15]；渦輪端通過(guò)利用波渦作用效應(yīng)、脈沖能量非定常作用效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)渦輪的高膨脹比和大焓降[16]；高速滾珠軸承的應(yīng)用使得增壓器轉(zhuǎn)子的機(jī)械效率在95%以上，鈦鋁、陶瓷等輕質(zhì)材料的應(yīng)用使得增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的“渦輪滯后”問(wèn)題得以大幅度改善[11]；調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用使得增壓器內(nèi)部的氣體流動(dòng)狀態(tài)由被動(dòng)適應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)控制，產(chǎn)生了變幾何截面渦輪(VGT、VNT)[11]、變幾何截面壓氣機(jī)(VGC)[17]等增壓器型式；其中VGT技術(shù)和高壓共軌燃油噴射技術(shù)的配合，改善了柴油機(jī)的全負(fù)荷性能，尤其是低速扭矩提升了44%[18]；VGT技術(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)EGR技術(shù)的配合，使得廢氣流量在渦輪增壓器和EGR系統(tǒng)中得到合理分配，有效改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的排放[12,19]。

復(fù)合增壓由機(jī)械/電/液力驅(qū)動(dòng)的增壓器、廢氣渦輪增壓器以及動(dòng)力渦輪等作為功能單元，組成不同型式的復(fù)合增壓系統(tǒng)。BMW公司提出了多個(gè)廢氣渦輪增壓器組合的復(fù)合增壓概念[20]，通過(guò)切換和調(diào)節(jié)3個(gè)廢氣渦輪增壓器(2個(gè)高壓級(jí)+1個(gè)低壓級(jí))，實(shí)現(xiàn)7種增壓模式，分別匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的5個(gè)工況，滿足了車用發(fā)動(dòng)機(jī)的全工況最優(yōu)的增壓匹配需求；文獻(xiàn)[21]和文獻(xiàn)[22]介紹的機(jī)械+廢氣渦輪增壓器組合，采用羅茨式機(jī)械增壓和廢氣渦輪增壓構(gòu)成二級(jí)增壓系統(tǒng)，使汽油機(jī)實(shí)現(xiàn)了65%的小型化目標(biāo)；文獻(xiàn)[23]介紹的電動(dòng)壓氣機(jī)+VGT廢氣渦輪增壓器組合，在2.0 L 4缸柴油機(jī)上得到應(yīng)用；文獻(xiàn)[6]介紹的廢氣渦輪增壓器和動(dòng)力渦輪(或朗肯循環(huán))的組合，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣余能梯級(jí)利用。

圖1 高壓比增壓技術(shù)[11]

圖2 無(wú)中心孔工藝和材料應(yīng)用提升壓氣機(jī)葉輪的壽命[12]

1.2 未來(lái)增壓技術(shù)的發(fā)展特征

1.2.1面向需求的空氣系統(tǒng)管理

增壓的作用不僅僅是將空氣壓縮到發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)增加空氣密度，對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，還要適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷、不同海拔環(huán)境的匹配要求。單純依賴增壓器內(nèi)部氣動(dòng)性能的優(yōu)化，已達(dá)到旋轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計(jì)極限，將無(wú)法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度提升和日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的要求。

未來(lái)的增壓技術(shù)將從發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)空氣的需求角度(air-on-demand)進(jìn)行系統(tǒng)、低成本、高效管理[6]，綜合考慮氣體流動(dòng)路徑上的各個(gè)部件、各個(gè)單元的流動(dòng)特性，綜合評(píng)估包含空氣濾、增壓器、進(jìn)排氣管路、中冷器、EGR、進(jìn)氣道及缸內(nèi)過(guò)程等因素的發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)，統(tǒng)一管理氣體在系統(tǒng)中的流動(dòng)過(guò)程與狀態(tài)，綜合考慮多方面因素，諸如壓縮氣體流動(dòng)狀態(tài)(超聲速或亞聲速)的選擇、空間布置和沿程壓降損失與畸變的均衡控制、中冷器冷卻與壓降損失的均衡控制、廢氣再循環(huán)量與路徑的控制、進(jìn)排氣量的控制、進(jìn)氣道渦旋流動(dòng)狀態(tài)的控制、缸內(nèi)油氣摻混狀態(tài)的控制等。

重點(diǎn)圍繞以下兩方面不斷提升技術(shù)水平：1)進(jìn)一步提高氣體流動(dòng)品質(zhì)(Air Flow Quality)，降低壓氣機(jī)內(nèi)部氣體跨聲速流動(dòng)中的激波、二次流、泄漏、壁面摩擦等損失，提高壓氣機(jī)做功能力和氣動(dòng)適應(yīng)性(拓寬流量范圍)[24]；2)控制氣體流通路徑(Air Path Control)[25]，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓需求，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣策略，利用調(diào)節(jié)技術(shù)控制氣體流通路徑，實(shí)現(xiàn)多級(jí)增壓的串并聯(lián)和切換、高低壓EGR切換等多模控制。

1.2.2基于多能驅(qū)動(dòng)的能量綜合利用

發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出過(guò)程，本質(zhì)上是進(jìn)入缸內(nèi)燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為曲軸有效輸出功的過(guò)程，廢氣或曲軸輸出能量通過(guò)增壓器壓氣機(jī)再輸出部分，即理論泵氣功，也是由燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化的[26]。隨著機(jī)電一體化的發(fā)展，多能驅(qū)動(dòng)、能量綜合利用的增壓方式將越來(lái)越受到關(guān)注。應(yīng)用不同形態(tài)的能量驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，使得增壓系統(tǒng)的能量綜合利用更加靈活，ECU可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，選擇外部或內(nèi)部能量進(jìn)行增壓，以最小能量消耗為發(fā)動(dòng)機(jī)提供最合適的空氣需求量。尤其是利用獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出功之外的電能、液力能等，可以隨時(shí)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)增壓需求，解決了廢氣渦輪增壓匹配中“遇弱則弱、遇強(qiáng)則強(qiáng)”的問(wèn)題；采用動(dòng)力渦輪、發(fā)電機(jī)、液壓儲(chǔ)能裝置等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)能量回收和梯級(jí)利用，提升整機(jī)的熱效率。

1.2.3面向最優(yōu)匹配的柔性組合

增壓技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生的新結(jié)構(gòu)、新型式，為增壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)柔性組合提供了可能，不同類型的增壓方式帶來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓匹配的差異。機(jī)械增壓在改善發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)性的同時(shí)會(huì)消耗一部分功率，導(dǎo)致油耗增加；廢氣渦輪增壓利用廢氣能量獲得高壓比，但無(wú)法避免“渦輪滯后”效應(yīng)[27]。因此，不同功能組合的增壓型式將逐步受到關(guān)注。

未來(lái)發(fā)展將聚集在以下兩個(gè)方面。

1) 由多個(gè)增壓器柔性組合構(gòu)成的復(fù)合增壓系統(tǒng)，可以是大小不同的廢氣渦輪增壓器之間的柔性組合(串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián))，也可以是廢氣渦輪增壓器與機(jī)/電/液驅(qū)動(dòng)的輔助增壓器之間的柔性組合，在氣動(dòng)性能、可靠性、響應(yīng)性等方面取長(zhǎng)補(bǔ)短，滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)在不同運(yùn)行工況、不同使用環(huán)境下的增壓匹配需求。

2) 由各元件柔性組合構(gòu)成的增壓器，如廢氣渦輪增壓器與電機(jī)耦合，廢氣渦輪增壓器與液力傳動(dòng)系統(tǒng)耦合，可以達(dá)到改善瞬態(tài)響應(yīng)和回收能量的目的。電動(dòng)壓氣機(jī)與動(dòng)力渦輪的組合，徹底改變了廢氣渦輪增壓器的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，打破了壓氣機(jī)和渦輪之間的功率、轉(zhuǎn)速和流量平衡的約束，使得壓氣機(jī)系統(tǒng)和渦輪系統(tǒng)始終與其保持最佳匹配狀態(tài)，為混合動(dòng)力、燃料電池等新一代動(dòng)力技術(shù)發(fā)展提供了解決方案。

1.2.4基于環(huán)境感知與健康管理的智能控制

隨著傳感技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展和低成本化，增壓系統(tǒng)在環(huán)境適應(yīng)性和健康管理方面已經(jīng)開(kāi)始具備了智能化特征。利用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)增壓器轉(zhuǎn)速、內(nèi)部壓力、溫度和外部環(huán)境等參數(shù)，通過(guò)預(yù)置程序和預(yù)先設(shè)定的邏輯準(zhǔn)則，判斷增壓器工作環(huán)境和健康狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的控制程序，利用變幾何調(diào)節(jié)、電子調(diào)節(jié)、機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)等手段，控制增壓器運(yùn)行狀態(tài)，或者切換不同的增壓匹配方案，滿足車用發(fā)動(dòng)機(jī)變海拔環(huán)境適應(yīng)性要求，也滿足船用增壓器長(zhǎng)壽命、高安全性的需求。

2 按照驅(qū)動(dòng)方式劃分的增壓類型和輔助增壓技術(shù)

從本質(zhì)上講，增壓器是一臺(tái)壓氣(縮)機(jī)(下簡(jiǎn)稱壓氣機(jī))。壓氣機(jī)分為容積型和速度型，容積型分為往復(fù)式活塞式和回轉(zhuǎn)式，速度型又分為軸流式、離心式和混流式3種[28]。

發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器一般采用兩種型式的壓氣機(jī)：一種是容積型，通常選擇回轉(zhuǎn)式，主要有渦旋式、螺桿式、滑片式和羅茨式等；另一種是速度型，一般選擇離心式(或混流式)。兩者相比，容積型壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速低、壓比低、效率低、流量范圍寬、質(zhì)量大、體積大，速度型壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速高、壓比高、效率高、流量范圍偏窄、質(zhì)量輕、體積小、振動(dòng)噪聲小。

按照驅(qū)動(dòng)方式分類，驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)工作的能量有4種形態(tài)(見(jiàn)圖3)：一是廢氣內(nèi)能驅(qū)動(dòng)，即廢氣渦輪增壓；二是機(jī)械能驅(qū)動(dòng)，即曲軸驅(qū)動(dòng)的機(jī)械增壓；三是電能驅(qū)動(dòng)，利用電池能量帶動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)；四是液力內(nèi)能驅(qū)動(dòng)，利用滑油或燃油系統(tǒng)的內(nèi)能推動(dòng)渦輪或液壓傳動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)可以分為曲軸驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液力機(jī)械驅(qū)動(dòng)、廢氣渦輪驅(qū)動(dòng)4種基本型。在增壓器內(nèi)部，兩種(及以上)驅(qū)動(dòng)方式組合工作，構(gòu)成耦合工作模式，形成了電機(jī)與曲軸耦合驅(qū)動(dòng)、廢氣渦輪與曲軸耦合驅(qū)動(dòng)、廢氣渦輪和液力耦合驅(qū)動(dòng)、廢氣渦輪和電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)等類型。在增壓器外部，由兩個(gè)(及以上)增壓器組合工作，構(gòu)成復(fù)合工作模式，即復(fù)合增壓系統(tǒng)。

圖3 4種不同能量驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)的增壓方式

目前大多數(shù)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)以廢氣渦輪增壓方式為主，其他增壓方式均以輔助角色參與工作，輔助增壓模式主要有兩種：一種是在廢氣渦輪增壓器內(nèi)部，驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)的能量形態(tài)以廢氣能量為主，以機(jī)械能、電能和液力內(nèi)能為輔的耦合模式；另外一種是復(fù)合增壓系統(tǒng)中，以廢氣渦輪增壓為主，以曲軸驅(qū)動(dòng)的機(jī)械增壓、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械增壓、液力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械增壓為輔的復(fù)合模式。

3 幾種典型的離心式輔助增壓技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

3.1 曲軸驅(qū)動(dòng)的離心式機(jī)械增壓技術(shù)

20世紀(jì)90年代，隨著離心式壓氣機(jī)技術(shù)、高傳動(dòng)比技術(shù)和高速軸承技術(shù)的發(fā)展，曲軸驅(qū)動(dòng)的離心式輔助增壓技術(shù)(下簡(jiǎn)稱離心式機(jī)械增壓)開(kāi)始興起，先后出現(xiàn)了德國(guó)ASA、丹麥Rotrex、美國(guó)Vortech等公司[29]，形成離心式機(jī)械增壓器系列產(chǎn)品，傳動(dòng)比高達(dá)1∶60，汽油機(jī)增壓器最高轉(zhuǎn)速達(dá)到240 000 r/min；另外在柴油機(jī)低速時(shí)，單級(jí)壓比達(dá)到3.5，最高效率達(dá)到80%，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于容積式機(jī)械增壓器，和發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配功率由20 kW覆蓋到1 120 kW[30]。這種類型增壓器具有以下特點(diǎn)：

1) 與電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輔助增壓技術(shù)相比，離心式機(jī)械增壓可以匹配大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)，不依賴電池容量，但需要發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力輸出裝置(皮帶輪等)；

2) 離心式機(jī)械增壓的氣動(dòng)性能(壓比、效率)要高于容積式(羅茨)，但由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和軸承的限制，比廢氣渦輪增壓器稍低，葉輪輪周線速度不太高，因此，可以在輕量化和材料選用方面做進(jìn)一步優(yōu)化，以減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、增加軸系穩(wěn)定性、降低成本；

3) 離心式機(jī)械增壓的質(zhì)量和體積均低于容積式(羅茨)機(jī)械增壓，振動(dòng)噪聲小，易布置；

4) 增壓器轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是固定傳動(dòng)比，實(shí)現(xiàn)高效匹配存在一定的困難，尤其是在適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)變海拔環(huán)境的工作條件。

2000年左右，出現(xiàn)了可調(diào)傳動(dòng)比的離心式機(jī)械增壓，如英國(guó)Torotrak公司的V_Charge增壓器，利用步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)傳動(dòng)比，實(shí)現(xiàn)8～10倍的變速比范圍，壓氣機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的性能匹配，采用無(wú)級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)比達(dá)到1∶100。圖4示出該增壓器在某發(fā)動(dòng)機(jī)上的概念方案對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，低速扭矩提升40%，在發(fā)動(dòng)機(jī)1 000 r/min轉(zhuǎn)速下，加速時(shí)間約400 ms[31]。

圖4 V_Charge增壓器提升發(fā)動(dòng)機(jī)低速性能[31]

3.2 曲軸和廢氣渦輪耦合驅(qū)動(dòng)的離心式輔助增壓技術(shù)

烏克蘭研制的一款二沖程柴油機(jī)采用曲軸和廢氣渦輪耦合驅(qū)動(dòng)的離心式輔助增壓技術(shù)。文獻(xiàn)[32]給出了這種增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5)。發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣驅(qū)動(dòng)動(dòng)力渦輪，動(dòng)力渦輪通過(guò)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和壓氣機(jī)相連；發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過(guò)摩擦離合器、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和壓氣機(jī)相連。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，壓氣機(jī)同時(shí)接受來(lái)自動(dòng)力渦輪和曲軸的功率輸出，形成機(jī)械渦輪耦合增壓系統(tǒng)；摩擦離合器的作用是在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速發(fā)生突變時(shí)，可以在超出一定傳遞扭矩的工況下使曲軸與壓氣機(jī)脫離，防止整個(gè)增壓系統(tǒng)因過(guò)載而損壞。該耦合方式解決了廢氣渦輪增壓在二沖程柴油機(jī)無(wú)法起動(dòng)和全工況應(yīng)用的難題，滿足了二沖程柴油機(jī)固有的“進(jìn)排氣正壓差”增壓要求，同時(shí)，壓氣機(jī)和渦輪在發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下能夠相對(duì)獨(dú)立地高效率運(yùn)行，提高燃油經(jīng)濟(jì)性能。

圖5 機(jī)械和廢氣渦輪耦合驅(qū)動(dòng)的增壓器結(jié)構(gòu)示意[32]

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心式機(jī)械增壓技術(shù)

3.3.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心式機(jī)械增壓技術(shù)的發(fā)展

隨著高速電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心式機(jī)械增壓技術(shù)(下簡(jiǎn)稱電動(dòng)壓氣機(jī))得到了迅猛發(fā)展，該壓氣機(jī)以其體積小、易安裝、轉(zhuǎn)速可控可調(diào)、壓比可控可調(diào)、驅(qū)動(dòng)功率不受發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)工況約束、快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，有望成為解決發(fā)動(dòng)機(jī)低速工況問(wèn)題的有效措施，世界各大公司競(jìng)相加大研發(fā)投入[33,42]。由此該技術(shù)也產(chǎn)生了各式各樣的名稱，如電動(dòng)壓氣機(jī)(Electric-Driven Compressor)、電動(dòng)增壓器(Electric Booster)、電動(dòng)機(jī)械增壓(Electric Supercharger)等。

BorgWarner公司經(jīng)過(guò)多年開(kāi)發(fā)的電動(dòng)壓氣機(jī)(e-Booster)已在奔馳S級(jí)汽車M256直列汽油機(jī)平臺(tái)批產(chǎn)。采用無(wú)刷直流永磁高速電機(jī)(PMBLDC)，電壓48 V，電動(dòng)持續(xù)功率2～3 kW，峰值功率5 kW，在0.3 s內(nèi)使壓氣機(jī)葉輪從靜止加速至70 000 r/min[34]。

德國(guó)Pierburg公司研發(fā)了12 V和48 V兩款電動(dòng)壓氣機(jī)(eAC:Electric Air Charger)，對(duì)于48 V電動(dòng)壓氣機(jī)，其永磁電機(jī)持續(xù)功率5 kW，峰值功率7.5 kW；采用特殊結(jié)構(gòu)的滾珠軸承，即預(yù)應(yīng)力固定-可移動(dòng)式組合結(jié)構(gòu)和間隙補(bǔ)償?shù)耐猸h(huán)支撐結(jié)構(gòu)，具有高轉(zhuǎn)速自密封潤(rùn)滑功能，轉(zhuǎn)速達(dá)70 000 r/min。壓氣機(jī)葉輪采用鍛鋁材料銑削制成，進(jìn)行了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的減重設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低于常規(guī)葉輪的50%。通過(guò)熱分析，5 kW的電機(jī)輸出功，最終作用到離心式壓氣機(jī)葉輪上用于壓縮空氣的功率大約為3.15 kW，其中電機(jī)和控制器的熱損耗0.485 kW，占9.7%，壓氣機(jī)壓縮空氣的熱損耗1.365 kW，占27.3%(見(jiàn)圖6)[35]。

圖7示出法國(guó)Valeo公司研發(fā)的電動(dòng)壓氣機(jī)(EPC：Electric Powered Compressor)，采用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，48 V電壓，峰值功率輸出7 kW，在350 ms內(nèi)使其轉(zhuǎn)子加速至70 000 r/min[23]。

圖8示出英國(guó)Aeristech公司研制的電動(dòng)壓氣機(jī)，由離心式壓氣機(jī)、四極永磁電機(jī)、控制器潤(rùn)滑系統(tǒng)(油脂)及冷卻系統(tǒng)(冷卻介質(zhì)為水+乙二醇)高度集成，在電機(jī)控制方面具有獨(dú)到之處，電機(jī)熱平衡得到了有效控制，保證了在48 V供電條件下持續(xù)輸出10 kW的功率，使轉(zhuǎn)子在0.5 s內(nèi)從靜止加速到120 000 r/min，非常適合改善發(fā)動(dòng)機(jī)低速響應(yīng)的增壓匹配要求[36]。

圖8 英國(guó)Aeristech公司電動(dòng)離心式壓氣機(jī)[36]

廢氣渦輪增壓電氣化已經(jīng)成為趨勢(shì)，圖9示出英國(guó)CPT公司開(kāi)發(fā)的電動(dòng)壓氣機(jī)(左)和渦輪發(fā)電機(jī)(右)。采用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，電動(dòng)壓氣機(jī)峰值功率輸出8 kW，持續(xù)功率2.5 kW，持續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)速65 000 r/min；渦輪發(fā)電機(jī)采用低速電機(jī)，在15 000 r/min轉(zhuǎn)速下輸出2 kW的電能[37]。2016年在英國(guó)倫敦召開(kāi)的IMechE會(huì)議上，UCL展示了廢氣渦輪增壓電氣化解耦的概念方案(Electrically Decoupled Turbocharger)(見(jiàn)圖10)，將電動(dòng)壓氣機(jī)和渦輪發(fā)電機(jī)組合在一起，完全替代傳統(tǒng)渦輪增壓器，解除了廢氣渦輪增壓器中的渦輪和壓氣機(jī)的機(jī)械約束，可以靈活匹配發(fā)動(dòng)機(jī)、壓氣機(jī)、渦輪三者之間的功率、轉(zhuǎn)速和流量，使壓氣機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)全工況最優(yōu)匹配、渦輪和發(fā)動(dòng)機(jī)全工況最優(yōu)匹配成為可能[38]，在混合動(dòng)力、燃料電池等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖9 英國(guó)CPT公司的電動(dòng)離心壓氣機(jī)和向心渦輪發(fā)電機(jī)[37]

圖10 電氣化解耦增壓器概念[37-38]

3.3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心式機(jī)械增壓與廢氣渦輪增壓的復(fù)合應(yīng)用

電動(dòng)壓氣機(jī)與廢氣渦輪增壓器組成的復(fù)合增壓系統(tǒng)能夠提升發(fā)動(dòng)機(jī)全工況性能。在增壓匹配設(shè)計(jì)初期，電動(dòng)壓氣機(jī)和廢氣渦輪增壓各有分工，電動(dòng)壓氣機(jī)作為輔助角色，側(cè)重發(fā)動(dòng)機(jī)低速匹配，廢氣渦輪增壓則側(cè)重發(fā)動(dòng)機(jī)高速匹配，在發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況和標(biāo)定工況工作，這樣既提升發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩性能，又滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定功率匹配要求。尤其是電動(dòng)壓氣機(jī)起動(dòng)工作的動(dòng)力來(lái)源于電池(外部能源)，不依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)本身工況約束，通過(guò)控制可以獲得最佳的加速特性，這是傳統(tǒng)的機(jī)械增壓無(wú)法比擬的，該復(fù)合增壓技術(shù)已在最新的高性能車輛產(chǎn)品得到應(yīng)用。

Borg Warner公司的Hermann Breitbach博士對(duì)三種柴油機(jī)增壓方案進(jìn)行了對(duì)比分析(見(jiàn)圖11)，研究了eBooster在柴油機(jī)小型化(Downsize)方面的應(yīng)用成效。方案1為排量2.0 L配置單級(jí)VTG增壓柴油機(jī)，方案2為排量1.6 L配置單級(jí)VTG增壓柴油機(jī)，方案3為排量1.6 L配置單級(jí)VTG(或二級(jí)可調(diào)R2S)增壓+eBooster的柴油機(jī)。結(jié)果表明，eBooster僅需不大于2 kW的電機(jī)功率，就可以將1.6 L柴油機(jī)的性能提升到2.0 L柴油機(jī)(VTG)的水平[34]，為發(fā)動(dòng)機(jī)小型化提供了一條技術(shù)思路。

圖11 三種增壓方案的對(duì)比[34]

德國(guó)奧迪汽車公司在Audi SQ7汽車4.0 L V8雙渦輪增壓柴油機(jī)上集成了電動(dòng)壓氣機(jī)，與兩個(gè)廢氣渦輪增壓組成新型的復(fù)合增壓系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)峰值功率達(dá)到340 kW(升功率85 kW/L)，發(fā)動(dòng)機(jī)1 000 r/min時(shí)達(dá)到最大扭矩900 N·m。圖12示出3種增壓系統(tǒng)工作模式。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，采用廢氣渦輪(低壓)+電動(dòng)壓氣機(jī)(高壓)組成二級(jí)增壓系統(tǒng)；發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)，兩個(gè)廢氣渦輪增壓器并聯(lián)工作；發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速采用一個(gè)廢氣渦輪增壓[39]。

英國(guó)Aeristech公司和馬勒(MAHLE)公司合作開(kāi)發(fā)的電動(dòng)機(jī)械增壓(Electric Supercharger)，在馬勒公司的Powertrain 1.2 L Di3發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了極度小型化的概念階段應(yīng)用驗(yàn)證，原基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)采用單級(jí)廢氣渦輪增壓器，功率120 kW；采用二級(jí)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率達(dá)到144 kW，升功率達(dá)到120 kW/L；采用二級(jí)復(fù)合增壓系統(tǒng)(電動(dòng)壓氣機(jī)+廢氣渦輪增壓器)，廢氣渦輪增壓器為高壓級(jí)，渦輪端帶有旁通結(jié)構(gòu)，電動(dòng)壓氣機(jī)作為低壓級(jí)(帶有旁通結(jié)構(gòu))，高低壓級(jí)間中冷(見(jiàn)圖13)，發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率達(dá)到193 kW，升功率達(dá)到161 kW/L(相對(duì)基型發(fā)動(dòng)機(jī)提升了61%)。發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明(圖14a)，采用單級(jí)廢氣渦輪增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)在1 600 r/min工況下，pme為3 MPa，而采用二級(jí)復(fù)合增壓系統(tǒng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)在1 500 r/min工況下，pme就達(dá)到3.3 MPa。發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明(圖14b)，發(fā)動(dòng)機(jī)加速1.2 s達(dá)到1 500 r/min固定轉(zhuǎn)速后，監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的pme值，采用二級(jí)復(fù)合增壓系統(tǒng)，pme為2.97 MPa，達(dá)到了發(fā)動(dòng)機(jī)峰值pme(3.5 MPa)的90%；單獨(dú)采用電動(dòng)壓氣機(jī)，pme為2.7 MPa；采用廢氣渦輪增壓器，pme僅為1.45 MPa；而自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)pme僅有1.1 MPa[40]。

圖13 馬勒公司Powertrain 1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)電復(fù)合的二級(jí)增壓系統(tǒng)[40]

圖14 裝用電動(dòng)-渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)的1.2 L Di3發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果[40]

北京理工大學(xué)的趙永生等研究了電動(dòng)壓氣機(jī)和廢氣渦輪增壓器對(duì)柴油機(jī)性能的影響，采用廢氣渦輪增壓器和電動(dòng)壓氣機(jī)組成復(fù)合增壓系統(tǒng)，模擬計(jì)算了800 r/min，1 000 r/min和1 200 r/min 3個(gè)轉(zhuǎn)速下的柴油機(jī)性能變化。計(jì)算結(jié)果表明，采用電動(dòng)壓氣機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量提高了27%以上，空燃比均從18提高到23.8，在800 r/min時(shí)，最大負(fù)荷時(shí)扭矩提高了14.4%，最小負(fù)荷時(shí)提高了21.1%，在改善煙度、提高發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩和降低燃油消耗率均有一定效果。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，電動(dòng)壓氣機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的改善程度呈減弱趨勢(shì)[41]。

3.4 電機(jī)與廢氣渦輪耦合驅(qū)動(dòng)的增壓技術(shù)

在發(fā)展電動(dòng)壓氣機(jī)技術(shù)的同時(shí)，國(guó)內(nèi)外各大公司和研究機(jī)構(gòu)也在研發(fā)另外一種更為緊湊的電機(jī)與廢氣渦輪耦合驅(qū)動(dòng)的增壓型式，即將電機(jī)集成在廢氣渦輪增壓器上，以廢氣能量為主、電能為輔耦合驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)。其工作原理為：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在起動(dòng)、低速大負(fù)荷、加速工況時(shí)，電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，電機(jī)驅(qū)動(dòng)廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)子加速，提高進(jìn)氣壓力，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高速或大負(fù)荷工況時(shí)，電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，廢氣渦輪回收其中一部分能量，傳到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存。但該結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且存在兩大問(wèn)題：一是在原廢氣渦輪增壓器軸上布置電機(jī)轉(zhuǎn)子后，會(huì)帶來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增加，響應(yīng)性和機(jī)械效率會(huì)有所降低；二是高溫和機(jī)械沖擊對(duì)電機(jī)的影響較大，需要采取更復(fù)雜、昂貴的技術(shù)措施[42]。

由于研究機(jī)構(gòu)眾多，由此也產(chǎn)生了許多名稱，如ETA (Electrically Assisted Turbocharger)，MAT(Motor Assisted Turbocharger)，Motor-Generator Assisted Turbocharger，Hybrid turbo，E-Turbo等，本研究統(tǒng)稱電輔助廢氣渦輪增壓器(下簡(jiǎn)稱電輔助增壓器)。這種結(jié)構(gòu)形式的增壓器興起于2000—2005年期間，但由于汽車上小于40 V電源安全的限制，大多數(shù)電輔助增壓器都無(wú)法安裝在整車上。近年來(lái)隨著混合動(dòng)力(300 V)的發(fā)展，電輔助增壓又逐漸興起。

電輔助增壓器一般有兩種典型的連接方式，一種是電機(jī)內(nèi)置到增壓器(見(jiàn)圖15a)，另外一種是電機(jī)外置到壓氣機(jī)端(見(jiàn)圖15b)。

圖15 電機(jī)與廢氣渦輪耦合的兩種方式[43]

3.4.1電機(jī)內(nèi)置式電輔助增壓器

BorgWarner公司在電機(jī)內(nèi)置式電輔助增壓器ETA(Electrically Assisted Turbocharger)方面開(kāi)展了深入的研究。文獻(xiàn)[44]和文獻(xiàn)[45]介紹了一臺(tái)帶VTG結(jié)構(gòu)的電輔助增壓器裝在一臺(tái)帶EGR的13 L 6缸機(jī)上的性能改善情況，通過(guò)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)加速時(shí)，電輔助增壓器通過(guò)電機(jī)加速轉(zhuǎn)子，避免了原來(lái)利用VTG增壓器時(shí)縮小渦輪噴嘴喉口面積而造成的泵氣損失，發(fā)動(dòng)機(jī)效率提高4.1%，燃油消耗降低3.9%；同時(shí)在WHSC(20)循環(huán)工況下，還研究了電輔助增壓器消耗和吸收電能的變化規(guī)律。圖16示出在世界重卡穩(wěn)態(tài)道路工況圖上標(biāo)出的5個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)，表1給出了5個(gè)工況點(diǎn)下電輔助增壓器的工作狀態(tài)。圖16中的百分比為整個(gè)循環(huán)時(shí)間的占比，其中A點(diǎn)為電機(jī)推動(dòng)增壓器轉(zhuǎn)子的加速過(guò)程，消耗8 kW的能量，C點(diǎn)為廢氣渦輪推動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出5 kW的能量，而B(niǎo)，D，E是電輔助增壓器處于發(fā)電和電機(jī)兩個(gè)狀態(tài)[44]。

另外，E. Winward等在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)分別進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)和瞬態(tài)試驗(yàn)，并進(jìn)行了詳細(xì)分析。穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)中，研究了內(nèi)置電機(jī)的繞組溫度與發(fā)動(dòng)機(jī)及增壓器工作狀態(tài)的變化規(guī)律，在發(fā)動(dòng)機(jī)持久加速或高負(fù)荷狀態(tài)下，電輔助增壓器的繞組溫度達(dá)到最高，甚至于超過(guò)了設(shè)計(jì)極限，此時(shí)電機(jī)需求的冷卻流量最大，需對(duì)電機(jī)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)；瞬態(tài)試驗(yàn)中，在低速全負(fù)荷工況下，電輔助增壓器可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)提高60%[45]。

圖16 發(fā)動(dòng)機(jī)在WHSC圖上的5個(gè)運(yùn)行點(diǎn)[44]

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下電輔助增壓器消耗和吸收電能情況[44]

3.4.2電機(jī)外置式電輔助增壓器

與內(nèi)置結(jié)構(gòu)相比，外置式結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但體積較大。圖17示出MTU公司在ZR系列增壓器基型上研發(fā)的電輔助增壓樣機(jī)，在德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和技術(shù)部支持下，項(xiàng)目經(jīng)歷了十多年研究，由德國(guó)G+L Innotec公司開(kāi)發(fā)。主要圍繞最小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、減小轉(zhuǎn)子質(zhì)量、可實(shí)現(xiàn)的最大扭矩、減小軸承負(fù)荷、最小熱負(fù)荷、易安裝、能量利用等7個(gè)目標(biāo)，開(kāi)展電輔助增壓的研究。

該樣機(jī)通過(guò)在傳統(tǒng)增壓器進(jìn)氣前端集成該公司獨(dú)有的大氣隙高速電機(jī)，能夠在柴油機(jī)瞬態(tài)工況下短時(shí)間提供電力功率使其轉(zhuǎn)子加速，從而縮短增壓器轉(zhuǎn)子加速時(shí)間，提高整機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)性。由于高速電機(jī)集成于壓氣機(jī)前端，同時(shí)采用大氣隙設(shè)計(jì)，不僅可以解決高速電機(jī)靠近熱端所面臨的熱負(fù)荷問(wèn)題，同時(shí)對(duì)原增壓器的結(jié)構(gòu)改動(dòng)和性能影響很小，具備極強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值[43]。MTU公司的增壓器開(kāi)發(fā)和流體系統(tǒng)部的主任Johannes Kech指出，“電輔助渦輪增壓技術(shù)為混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)道路上的一個(gè)里程碑。掌握該技術(shù)，我們就有可能開(kāi)發(fā)靈巧的低燃油耗發(fā)動(dòng)機(jī)?！盡TU公司已獨(dú)家收購(gòu)該公司的電輔助增壓技術(shù)，并將于2021年之后在其450 kW以上地面車輛、船舶以及應(yīng)急發(fā)電機(jī)組用柴油機(jī)產(chǎn)品上推廣應(yīng)用[46]。

圖17 MTU外置式電輔助增壓器及在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置[46]