殷 勇，米 嬌，趙艷婷，劉子豪，李 平

（1.同濟大學 汽車學院，上海201804；2.東風商用車有限公司技術(shù)中心，武漢430056）

0 概述

日益嚴格的環(huán)保政策和油耗法規(guī)對商用車提出了越來越高的要求，商用車要在2025年達到國際先進的碳排放水平，需要柴油機在降低顆粒物（particulate matter，PM）和NOx排放的同時提高燃油經(jīng)濟性，這對柴油機提出了嚴峻的挑戰(zhàn)［1-2］。為了滿足未來車輛的市場需求，隨著48 V 汽車電路的推廣及蓄電池和電機技術(shù)的進步，在進一步研發(fā)高效清潔發(fā)動機的熱效率提升技術(shù)的同時，柴油機電動化、混合動力化技術(shù)也成為節(jié)能減排的重要技術(shù)路徑［3-4］。

現(xiàn)有傳統(tǒng)柴油機主要通過渦輪增壓技術(shù)提升內(nèi)燃機的進氣量。渦輪增壓系統(tǒng)中，大氣通過渦輪增壓器的壓氣機增壓后進入發(fā)動機中冷器，冷卻后的增壓氣體進入氣缸進行燃燒做功，做功后的廢氣通過排氣歧管進入渦輪機膨脹做功同時帶動增壓器運轉(zhuǎn)，最終通過后處理系統(tǒng)排出［5］。常見的渦輪增壓器主要有固定截面增壓器（fixed gate turbocharger，F(xiàn)GT）、廢氣旁通閥式增壓器（waste gate turbocharger，WGT）和可變截面式增壓器（variable geometry turbocharger，VGT）3 種。FGT 通常是不可調(diào)控的增壓器；WGT 主要由壓氣機壓力控制旁通閥的開啟與關(guān)閉，當壓力太大時部分發(fā)動機廢氣需要通過旁通閥排出；VGT 主要通過噴嘴環(huán)位置在打開與關(guān)閉之間無限制地變化使得渦流流道出口面積、增壓壓力等實現(xiàn)可調(diào)［6］。

渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)決定了其不可能同時兼顧低速工況和高速工況，采用WGT 時為了改善發(fā)動機的低速性能，必須使用更小的蝸殼來提高低速工況的空燃比，而在高速工況時為了避免增壓器超速和發(fā)動機最高燃燒壓力超限需要打開旁通閥進行放氣。VGT 低速性能略優(yōu)于WGT，但為了同時匹配低速與高速工況，選型時需要折中考慮。機械式渦輪增壓器都存在低速性能折中和動態(tài)響應(yīng)性較差的問題［7］。

電輔助增壓技術(shù)主要包括電動壓氣機（electrical boost，E-boost）、電輔助渦輪增壓器（electrical turbo，E-turbo）和電子復(fù)合渦輪機等。E-boost 技術(shù)通常與常規(guī)增壓器一起使用［8-9］，布置在常規(guī)渦輪增壓器的上游或下游，在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速下提高增壓壓力和發(fā)動機瞬時響應(yīng)，無形中消除了渦輪遲滯現(xiàn)象［10-11］。在高轉(zhuǎn)速時，應(yīng)盡可能由常規(guī)渦輪增壓器承擔增壓任務(wù)，此時E-boost 借助于自行調(diào)節(jié)的旁通閥實現(xiàn)旁通功能。通過集成的電子器件、發(fā)動機的合適選擇及相應(yīng)匹配設(shè)計的發(fā)動機電控系統(tǒng)可以使發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性及噪聲—振動—平順性（noisevibration-harshness，NVH）達到良好匹配［12-13］。

本文中基于量產(chǎn)中型柴油機平臺和已有電動壓氣機平臺開展了電動增壓系統(tǒng)基于傳統(tǒng)柴油機的仿真分析［14］，對柴油機電動化的性能影響和產(chǎn)品匹配展開初步研究［15］，然后基于該中型機的混合動力平臺，針對典型的混動工況進行了電動增壓混合動力化的技術(shù)研究，為進一步的整機系統(tǒng)匹配、臺架測試和道路試驗奠定了基礎(chǔ)。

1 原機標定

以某排量5 L 中型柴油機為基礎(chǔ)進行原機標定，該柴油機基本技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗用中型發(fā)動機技術(shù)參數(shù)

基于該發(fā)動機技術(shù)參數(shù)，通過發(fā)動機一維性能過程仿真軟件建立了一維仿真模型，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行了原機校核，標定結(jié)果見圖1。標定結(jié)果與試驗結(jié)果誤差在5% 以內(nèi)。

圖1 原機試驗值與仿真模型計算值的結(jié)果對比

2 電動壓氣機

電動壓氣機主要由壓氣機和高速電機組成，本研究所用電動壓氣機樣件見圖2。電動增壓技術(shù)主要是利用高速電機驅(qū)動壓氣機，電動壓氣機具有補氣作用且響應(yīng)快速，使發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速時能夠無滯后增壓。如果與電動增壓器并聯(lián)一個旁通閥，可以避免非增壓工況時的節(jié)氣損失［16］。

圖2 電動壓氣機樣件

電動壓氣機與渦輪增壓發(fā)動機的布置形式主要分為并聯(lián)式、串聯(lián)前置式、串聯(lián)后置式3 種，如圖3所示。

圖3 電動壓氣機在發(fā)動機上的布置形式

3 基于柴油機平臺的電動壓氣機布置形式研究

3.1 并聯(lián)式電動增壓

搭建并聯(lián)式電動增壓系統(tǒng)的一維性能仿真模型如圖4 所示。為了探索原機動力性和經(jīng)濟性的提升潛力，調(diào)整增壓器的壓比和調(diào)整發(fā)動機的噴油量及空燃比，對比電動壓氣機與渦輪增壓器壓氣機并聯(lián)布置后最大功率轉(zhuǎn)矩、制動燃油消耗率（brake specific fuel consumption，BSFC）及低速轉(zhuǎn)矩的提升情況。

圖4 并聯(lián)式電動增壓系統(tǒng)模型

并聯(lián)式電動增壓仿真結(jié)果見圖5。由圖5 可知，并聯(lián)布置對轉(zhuǎn)矩有提升作用，低速轉(zhuǎn)矩最大提升9%，進氣量改善42%，不考慮電機消耗功率時BSFC 可改善9%，考慮電機消耗功率時BSFC 惡化10%。

圖5 并聯(lián)電動增壓系統(tǒng)與原機轉(zhuǎn)矩、進氣量和比油耗對比

考慮到未來電動化技術(shù)的拓展，電機可使用制動功率回收發(fā)電、余熱回收發(fā)電的電能，因此評估電動增壓系統(tǒng)對油耗的改善程度時可暫不考慮電機消耗功率。

電動壓氣機和渦輪增壓器壓端脈譜如圖6 所示。由圖6 可知，電動壓氣機的最大流量僅為壓氣機最大流量的1/2，最大壓比約為壓氣機的3/4。

圖6 電動壓氣機和壓氣機脈譜對比

高速工況時，并聯(lián)布置下兩個壓氣機的進出口壓力一樣，但流量和壓比范圍相差較大，會導(dǎo)致流量和壓比在壓氣機脈譜范圍內(nèi)時，E-boost 由于與壓氣機壓比相同，會運行在E-boost 的脈譜范圍以外。

同時，通過兩個壓端流量判斷可知，高速工況下E-boost 沒有流量通過，E-boost 沒有工作，相當于原機的布置結(jié)構(gòu)，此時并聯(lián)布置電動增壓系統(tǒng)動力性潛力與原機增壓器相同而與電動壓氣機無關(guān)。

低速工況下，E-boost 流量在脈譜范圍內(nèi)，壓比超過范圍，可嘗試通過調(diào)整電機功率降低壓比。圖7 為將電機功率由10 kW 逐漸降低時發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩和比油耗變化趨勢的仿真結(jié)果。電機功率對轉(zhuǎn)矩和比油耗的影響是：電機功率越大則提升轉(zhuǎn)矩潛力越大，比油耗也越優(yōu)。即使調(diào)小電機功率，并聯(lián)布置對E-boost 來說壓比仍然過大，低速工況下E-boost 即便處于可工作的流量范圍，壓比仍不滿足MAP 需求。

圖7 發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和油耗隨電機功率變化而變化的趨勢

綜上，并聯(lián)布置下電動壓氣機僅在低速工況下工作，高速工況電動壓氣機不工作，原機動力性得不到提升；低速工況下需要電動壓氣機與渦輪增壓器具有相同壓比，但實際電動壓氣機比渦輪增壓器壓比范圍小，會導(dǎo)致實際工作運行線偏離電動壓氣機脈譜導(dǎo)致無法工作。因此，并聯(lián)布置雖然布置相對簡單，但需要與渦輪增壓器大小相似的電動壓氣機，且兩者必須重新匹配才能達到最優(yōu)效果。

3.2 串聯(lián)式電動增壓

串聯(lián)式電動增壓的一維性能仿真模型見圖8。根據(jù)電動壓氣機與壓氣機的位置關(guān)系，串聯(lián)式電動增壓可分為串聯(lián)前置式和串聯(lián)后置式兩種。為了保證電動壓氣機的水冷溫度不超過限值，在后置布置中壓氣機后端增加電動壓氣機的中冷器。另外，加入了具有旁通閥開關(guān)的旁通管路以保證電動壓氣機不工作狀態(tài)下的安全性。為了探索對原機動力性和經(jīng)濟性的提升潛力，通過調(diào)整增壓器的壓比、調(diào)整發(fā)動機的噴油量及空燃比和調(diào)整旁通閥的開關(guān)，對比分析電動壓氣機與渦輪增壓器壓氣機串聯(lián)前置和串聯(lián)后置對最大功率轉(zhuǎn)矩、經(jīng)濟性及低速轉(zhuǎn)矩的提升潛力。

圖8 串聯(lián)式電動增壓系統(tǒng)模型

兩種串聯(lián)式電動增壓的轉(zhuǎn)矩、進氣量和BSFC仿真結(jié)果對比如圖9 所示。由圖9 可知：串聯(lián)前置下低速轉(zhuǎn)矩提升13%，進氣量提升44%，若不考慮電機消耗功率BSFC 可改善12%，考慮電機消耗功率則油耗惡化5%；串聯(lián)后置下轉(zhuǎn)矩提升11%，進氣量提升37%，不考慮電機消耗功率時BSFC 可改善11%，考慮電機消耗功率則油耗惡化7%。

圖9 不同串聯(lián)形式的電動增壓系統(tǒng)與原機轉(zhuǎn)矩、進氣量和比油耗對比

串聯(lián)前置布置下打開和關(guān)閉旁通閥時，配有電動壓氣機的發(fā)動機的不同進氣狀態(tài)對比如圖10 所示，圖中紅色箭頭部分為進氣流動位置和方向。串聯(lián)前置布置下旁通閥打開時，壓氣機位于E-boost和旁通管路的后端，具有抽氣作用，E-boost 流量不足的部分由旁通管路補氣。圖11 為串聯(lián)前置布置形式下旁通閥關(guān)閉、串聯(lián)前置旁通閥打開、串聯(lián)后置及原機的功率與進氣量的對比圖。由圖11 可知，在旁通閥關(guān)閉時，旁通管路不能發(fā)揮補氣作用，E-boost 流量范圍不足，無法達到增壓器需求的進氣量，會導(dǎo)致1 200 r/min 以上的中高速工況進氣量不足，從而造成功率不足。因此1 200 r/min 以上工況需要打開旁通閥，并關(guān)閉電機使E-boost 不工作，即中高速與原機狀態(tài)一致。

圖10 串聯(lián)前置式的旁通閥打開和關(guān)閉下電動增壓系統(tǒng)的進氣狀態(tài)對比

圖11 串聯(lián)前置式旁通閥關(guān)閉時與串聯(lián)前置、串聯(lián)后置及原機的功率與進氣量對比

串聯(lián)后置布置下，對比旁通閥開和關(guān)兩種狀態(tài)。旁通閥開和關(guān)狀態(tài)下，因為E-boost 后的壓力大于E-boost 前的壓力，旁通管路無進氣流通，只有E-boost不工作時進氣從旁通管路流入發(fā)動機中冷器，這時相當于只有增壓器單獨工作的原機。

4 混動工況下電動增壓研究

若電動壓氣機的電機功率消耗來源于發(fā)動機，BSFC 相比原機則會惡化，而在混動車輛平臺中應(yīng)用電動壓氣機可充分利用電能。因此研究了電動增壓系統(tǒng)基于混動發(fā)動機的運輸工況下的性能影響［17-18］，選取該中型機混動車輛常用的行駛工況進行研究，如圖12 所示。

圖12 不同混動工況下的轉(zhuǎn)矩占比

選取轉(zhuǎn)矩占比較大的3 個典型工況的試驗數(shù)據(jù)重新進行了模型的標定，然后選取串聯(lián)布置形式（包括串聯(lián)前置和串聯(lián)后置）進行了仿真分析，結(jié)果如圖13 所示。由圖13 可知，采用兩種串聯(lián)布置形式時功率和轉(zhuǎn)矩均可達到原機水平。不考慮電機消耗功率，后置優(yōu)于前置，BSFC 最多優(yōu)化11%。3 個工況均為部分負荷工況，不存在增壓器超速問題及最高燃燒壓力超限問題。串聯(lián)后置時電動壓氣機效率更高，串聯(lián)前置時渦輪增壓器效率更高。

圖13 混動工況電動增壓仿真結(jié)果

5 結(jié)論

（1）基于某量產(chǎn)中型柴油機平臺對電動增壓并聯(lián)布置、串聯(lián)前置布置和串聯(lián)后置布置形式下電動增壓系統(tǒng)對動力性和經(jīng)濟性的影響進行的研究表明：采用并聯(lián)式電動增壓系統(tǒng)可使低速轉(zhuǎn)矩最多提升9%，進氣量改善42%，BSFC 改善9%，但并聯(lián)布置時需要與渦輪增壓器大小相似的電動壓氣機結(jié)合使用并重新匹配才能達到最優(yōu)效果。串聯(lián)前置時可使低速轉(zhuǎn)矩提升13%，進氣量提升44%，BSFC 改善12%；串聯(lián)后置時轉(zhuǎn)矩提升11%，進氣量提升37%，BSFC 可改善11%。但串聯(lián)后置須另加中冷造成成本增加，且電動壓氣機僅工作在低速工況以提升轉(zhuǎn)矩和優(yōu)化油耗，高速時需要進一步優(yōu)化匹配原機渦輪增壓器。

（2）基于混動平臺對電動增壓串聯(lián)前置布置和串聯(lián)后置布置形式下的電動增壓系統(tǒng)對動力性和經(jīng)濟性的影響進行的研究表明：典型混動工況下，功率和轉(zhuǎn)矩均可達到目標水平，串聯(lián)后置優(yōu)于串聯(lián)前置，比油耗最多優(yōu)化11%，后置時電動壓氣機效率更高，前置時渦輪增壓器效率更高?，F(xiàn)有電動增壓系統(tǒng)的匹配方案仍有優(yōu)化空間。