關(guān)于電輔助渦輪增壓器的應(yīng)用

Pankl渦輪系統(tǒng)公司與Federal-Mogul動(dòng)力公司合作開(kāi)發(fā)了一種用于48V汽車電路的電輔助渦輪增壓器（EAT），采用這種柔性增壓器系統(tǒng)的目標(biāo)是滿足現(xiàn)代動(dòng)力總成開(kāi)發(fā)的核心要求。本文用模擬和試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果表明，其在降低燃油耗的同時(shí)提高了駕駛愉悅性。

1對(duì)增壓系統(tǒng)的要求

為了在提高行駛功率的同時(shí)降低燃油耗和廢氣排放，近年來(lái)已證實(shí)增壓技術(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)小型化及低速化相組合是一種充滿潛力的方案，但是高增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在瞬態(tài)負(fù)荷工況下的缺陷往往會(huì)影響到該方案的實(shí)施?？紤]到日益嚴(yán)格的廢氣排放法規(guī)，未來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)和增壓系統(tǒng)需采用新的方法。為了滿足該要求，作為傳統(tǒng)動(dòng)力總成系統(tǒng)的升級(jí)版，混合動(dòng)力系統(tǒng)得以推廣使用。目前用于中型汽車的4缸2.0 L汽油機(jī)的電輔助渦輪增壓器（EAT）以48 V汽車電路為研究目標(biāo)，并開(kāi)發(fā)出了樣機(jī)。在該開(kāi)發(fā)目標(biāo)下需在提高行駛動(dòng)力性的同時(shí)降低燃油耗，該目標(biāo)已通過(guò)EAT與發(fā)動(dòng)機(jī)相組合，得以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)回收廢氣能量以提高整機(jī)效率也是該項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)目標(biāo)之一。通過(guò)對(duì)燃油耗試驗(yàn)循環(huán)與真實(shí)行駛狀況的模擬，將EAT與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比研究。

2電輔助渦輪增壓器的方案及其設(shè)計(jì)

在Pankl渦輪系統(tǒng)公司與Federal-Mogul動(dòng)力公司合作開(kāi)發(fā)出了EAT結(jié)構(gòu)系列方案,提供了較高的方案可選擇性,以此適應(yīng)用戶的使用需求。同時(shí)由于安裝較為簡(jiǎn)便，因此除了可用于不同的驅(qū)動(dòng)方式和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型之外，還能實(shí)現(xiàn)動(dòng)力裝置的混合動(dòng)力化，并能適用于電壓≥48 V的汽車電路。圖1示出了EAT剖視圖。

圖1 EAT剖視圖

樣機(jī)的質(zhì)量取決于廢氣渦輪增壓器和電機(jī)，兩者約各占50%。在長(zhǎng)度方面EAT有別于傳統(tǒng)的廢氣渦輪增壓器，在電機(jī)定子長(zhǎng)度為100 mm的情況下廢氣渦輪增壓器長(zhǎng)度僅為90 mm，而且能通過(guò)提高電機(jī)的功率密度進(jìn)一步改善其結(jié)構(gòu)空間和質(zhì)量。與附帶有電驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)（EAV）的增壓系統(tǒng)相比，因其減少了部件數(shù)量從而具備緊湊性的優(yōu)勢(shì)。

電機(jī)及其附屬增壓器轉(zhuǎn)子質(zhì)量的集成提高了支承的復(fù)雜性，穩(wěn)定的支承系統(tǒng)會(huì)影響平衡過(guò)程的不平衡度和開(kāi)發(fā)成本。所使用的混合軸承是新開(kāi)發(fā)的，其特點(diǎn)是渦輪側(cè)帶有滑動(dòng)軸承，而壓氣機(jī)側(cè)帶有由機(jī)油潤(rùn)滑的雙排滾動(dòng)軸承。由于將滾動(dòng)軸承的剛性與滑動(dòng)軸承的阻尼相組合，并成功地實(shí)現(xiàn)了一個(gè)穩(wěn)定的支承方案，該方案適用于傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓器的整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍。EAT的冷卻水循環(huán)回路的尺寸不僅使內(nèi)燃機(jī)能在高達(dá)1 050 ℃的廢氣溫度下持續(xù)運(yùn)行，而且可使電極持續(xù)在最大負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)。該冷卻水系統(tǒng)的冷卻能力是在計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和熱有限元法（FEM）計(jì)算基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，并在燃燒室試驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證。

電機(jī)是按照使用的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)為目標(biāo)而進(jìn)行設(shè)計(jì)的，并力圖達(dá)到盡可能高的功率質(zhì)量比，該目標(biāo)通過(guò)具有高頻涂層板、高銅含量的定子設(shè)計(jì)以及磁極偶數(shù)較少的永磁激勵(lì)同步電機(jī)而實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)材料的選擇也考慮到該系統(tǒng)未來(lái)面臨的工業(yè)化生產(chǎn)。因?yàn)橐?8 V汽車電路為基礎(chǔ)進(jìn)行研究，功率仍被限制在20 kW，在最高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可提供連續(xù)運(yùn)行中的最大扭矩。

空氣動(dòng)力學(xué)部件已針對(duì)EAT系統(tǒng)的內(nèi)部要求，對(duì)提高壓氣機(jī)級(jí)效率水平和改善泵吸極限的穩(wěn)定性進(jìn)行了優(yōu)化。針對(duì)其性能而言，渦輪級(jí)的設(shè)計(jì)要具有盡量小的慣性矩，并且無(wú)需電輔助就能穩(wěn)定地達(dá)到額定扭矩點(diǎn)，除此之外還包括渦輪級(jí)的優(yōu)化并提高廢氣能量回收，以便進(jìn)一步提高動(dòng)力總成的效率。

3348V-EAT系統(tǒng)的分析評(píng)價(jià)

EAT的設(shè)計(jì)和分析評(píng)價(jià)分3步進(jìn)行，這樣就能對(duì)EAT的潛力進(jìn)行全面評(píng)估。此外，為了對(duì)各種不同的運(yùn)行策略進(jìn)行試驗(yàn)研究，還要對(duì)各種不同的增壓方案進(jìn)行比較評(píng)估。除了傳統(tǒng)的廢氣渦輪增壓和EAT之外，還需要研究渦輪增壓器附加電驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)。而動(dòng)力裝置低速化則可作為降低燃油耗的基本措施一并開(kāi)展試驗(yàn)，其中電輔助可用于改善動(dòng)態(tài)特性，以此發(fā)動(dòng)機(jī)的低速化才不會(huì)影響到車輛的行駛性能。但需注意的是，隨著EAT的慣性增大，首先會(huì)使動(dòng)態(tài)性能方面產(chǎn)生缺陷，需要由電機(jī)來(lái)進(jìn)行超額補(bǔ)償，同時(shí)要從原理上對(duì)廢氣能量回收的潛力予以評(píng)估。

基礎(chǔ)工作是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)邊界條件進(jìn)行測(cè)量或與從CFD計(jì)算得到的廢氣渦輪增壓器特性曲線場(chǎng)進(jìn)行匹配,以此能得出關(guān)于增壓系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的結(jié)論。在該步驟中對(duì)采用的空氣動(dòng)力學(xué)部件進(jìn)行確認(rèn)，還需考慮到關(guān)于電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性的邊界條件。為了評(píng)估增壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)同工作效果，可借助于1D發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程模擬來(lái)全面評(píng)估EAT的潛力。

除了考察穩(wěn)態(tài)下全負(fù)荷曲線和發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)之外，還要通過(guò)在轉(zhuǎn)速保持恒定不變情況下的負(fù)荷突變對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。圖2示出了3種不同增壓系統(tǒng)在3 000 r/min轉(zhuǎn)速下瞬態(tài)負(fù)荷的建立狀況以及達(dá)到90%最大扭矩的時(shí)間。EAT因電機(jī)提供的高驅(qū)動(dòng)力矩而具有顯著優(yōu)勢(shì)，并可使車輛處于加速狀態(tài)。不僅如此，幾乎在所有時(shí)刻，其轉(zhuǎn)速都可保持穩(wěn)定，以此有效改善了車輛的機(jī)動(dòng)性和動(dòng)態(tài)性能。

圖2 用于廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的

瞬態(tài)負(fù)荷突變特性

下一個(gè)步驟是在新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）、全球統(tǒng)一的輕型車行駛循環(huán)（WLTP）和真實(shí)行駛排放（RDE）等實(shí)際行駛循環(huán)中考察整個(gè)動(dòng)力總成系統(tǒng)。為了評(píng)價(jià)整個(gè)動(dòng)力總成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行駛性能，進(jìn)行汽車加速性能模擬。除了考察牽引能力（80～120 km/h）之外，還包括研究從停車開(kāi)始的加速性能（0～100 km/h）。在該方面，將無(wú)法實(shí)現(xiàn)低速化的常規(guī)渦輪增壓系統(tǒng)作為比較基準(zhǔn)。電氣化增壓系統(tǒng)因受動(dòng)態(tài)負(fù)荷的影響會(huì)使其工作速度加快7%或者10%，并且可以實(shí)現(xiàn)低速化，同時(shí)不會(huì)帶來(lái)牽引特性方面的缺陷。與傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)相比，EAT在實(shí)際行駛條件下能獲得0.23 L/100 km的燃油耗優(yōu)勢(shì)，這相當(dāng)于CO2排放降低了5.3 g/km，同時(shí)0～100 km/h的加速時(shí)間可縮短0.5s。這些結(jié)果都示于圖3。

圖3 EAT與低速化相結(jié)合在加速性和

燃油耗方面的優(yōu)勢(shì)

憑借不同試驗(yàn)場(chǎng)合下的有效比燃油耗就可觀察到廢氣能量回收的潛力。借助于考察系統(tǒng)中的熱量回收功率，通過(guò)熱量回收就能降低燃油耗。在實(shí)際行駛條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)通過(guò)廢氣能量回收即可提高整機(jī)效率，而在發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷工況范圍內(nèi)就能觀測(cè)到該系統(tǒng)在燃油經(jīng)濟(jì)性方面的顯著優(yōu)勢(shì)。為了減小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)換氣的負(fù)面影響，通過(guò)調(diào)節(jié)廢氣放氣閥將氣缸背壓p3限制在0.2～5 MPa。針對(duì)廢氣能量回收，通過(guò)優(yōu)化相關(guān)空氣動(dòng)力學(xué)部件就可進(jìn)一步改善熱量回收的效果，其試驗(yàn)結(jié)果示于圖4。

圖4 通過(guò)回收廢氣能量

降低有效比燃油耗

4熱燃?xì)庠囼?yàn)臺(tái)試驗(yàn)

EAT的試驗(yàn)研究在熱燃?xì)庠囼?yàn)臺(tái)上進(jìn)行，其中除了閉環(huán)測(cè)試壓氣機(jī)和擴(kuò)展的渦輪特性曲線之外，還需持續(xù)運(yùn)行以驗(yàn)證機(jī)械和電氣部件的工作能力。系統(tǒng)在高達(dá)1 050 ℃的熱力學(xué)和電氣全負(fù)荷條件下持續(xù)運(yùn)行。為了控制電機(jī)而采用了蓄電池模擬器和48V高頻逆變器，其中除了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能之外，還要通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其熱量回收的潛力。在全負(fù)荷運(yùn)行條件下要始終遵守所有對(duì)運(yùn)行具有重要意義的溫度極限，無(wú)論是軸承部件還是電機(jī)都不能過(guò)熱。其試驗(yàn)結(jié)果示于圖5（圖中電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)單元（MGU）。

圖5 電輔助應(yīng)用范圍和相應(yīng)的加速性和

熱量回收試驗(yàn)結(jié)果

此外，為檢驗(yàn)其工作能力，還對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)特性和軸承的機(jī)械性能進(jìn)行了諸多試驗(yàn)。通過(guò)軸軌跡和加速性測(cè)試來(lái)評(píng)價(jià)和驗(yàn)證軸承系統(tǒng)的功能，即使在共振條件下系統(tǒng)仍能處于穩(wěn)定狀態(tài)（圖6）。

圖6 機(jī)械驗(yàn)證結(jié)果（轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)特性）

5結(jié)論和展望

介紹了EAT技術(shù)開(kāi)發(fā)，并給出了系統(tǒng)方案和設(shè)計(jì)的概況，與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的系統(tǒng)相比，EAT在改善動(dòng)態(tài)特性的同時(shí)降低了燃油耗，該軸承系統(tǒng)可靈活地進(jìn)行方案調(diào)整并適用于各種不同的應(yīng)用場(chǎng)合。除了壓氣機(jī)和渦輪級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)用途之外，還能在具有48～800 V電壓的混合動(dòng)力領(lǐng)域以及在電功率為40 kW的汽車電路中作為電機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)。該系統(tǒng)的最大潛力在于集成了電機(jī)，并具備相應(yīng)的靈活性。因此，按照該系統(tǒng)的配置，通過(guò)優(yōu)化控制能量流動(dòng)就能使內(nèi)燃機(jī)針對(duì)不同運(yùn)行工況而采取各種不同的運(yùn)行策略。在此處所介紹的方案已通過(guò)模擬評(píng)價(jià)了其在一種中級(jí)運(yùn)動(dòng)型汽車上的應(yīng)用效果，并在熱燃?xì)庠囼?yàn)臺(tái)上通過(guò)穩(wěn)態(tài)全負(fù)荷條件和動(dòng)態(tài)加速試驗(yàn)驗(yàn)證了EAT的功能，證實(shí)了該系統(tǒng)在熱力學(xué)、熱管理和機(jī)械動(dòng)力學(xué)方面的工作能力以及電氣化功能，從而確認(rèn)了其在所有工況范圍內(nèi)與模擬計(jì)算結(jié)果具有良好的一致性。結(jié)論為EAT與動(dòng)力總成系統(tǒng)低速化相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了提升動(dòng)力性能與降低燃油耗的目標(biāo)。