博格瓦納公司電動(dòng)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

【德】　H.Breitbach　D.Metz　S.Weiske　G.Spinner

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

博格瓦納公司電動(dòng)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

【德】H.BreitbachD.MetzS.WeiskeG.Spinner

摘要：博格瓦納(Borg Warner)公司開(kāi)發(fā)的電動(dòng)壓氣機(jī)(電動(dòng)增壓器)是傳統(tǒng)增壓的1種補(bǔ)充方案，它能提高低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的增壓壓力，從而獲得更好的起步加速性能，并且由于降低了排氣背壓和全負(fù)荷時(shí)的加濃需求，因而能提高功率和降低燃油耗。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)壓氣機(jī)加速響應(yīng)減排降油耗

1電動(dòng)輔助增壓具有吸引力

從20世紀(jì)60年代以來(lái)，在汽車(chē)工業(yè)中廢氣渦輪增壓就批量應(yīng)用于轎車(chē)，并相繼在汽油機(jī)和柴油機(jī)上獲得很大成功。廢氣渦輪增壓能提高扭矩和功率，使發(fā)動(dòng)機(jī)小型化和低速化，但是其加速響應(yīng)性能卻是1個(gè)挑戰(zhàn)。除了改善廢氣渦輪增壓器本身之外，曾試驗(yàn)過(guò)多種替代方案，例如廢氣渦輪增壓器與機(jī)械增壓器的組合、多個(gè)廢氣渦輪增壓器串聯(lián)、并聯(lián)轉(zhuǎn)換或者電輔助渦輪增壓器等[1]。

從20世紀(jì)90年代以來(lái)，曾一再試驗(yàn)過(guò)電輔助增壓裝置。由于汽車(chē)上的12V電氣系統(tǒng)，以及當(dāng)時(shí)的功率電子器件和微處理器的發(fā)展?fàn)顩r，電輔助驅(qū)動(dòng)功率只能達(dá)到2kW[2]，并且由壓氣機(jī)、渦輪、傳動(dòng)軸和電動(dòng)機(jī)組成的電輔助渦輪增壓器具有很大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在瞬態(tài)過(guò)程中其驅(qū)動(dòng)功率在很大程度上被消耗在轉(zhuǎn)子的加速上，同時(shí)汽車(chē)電氣系統(tǒng)可供使用的能量也要比如今的少。

隨著汽車(chē)電氣化的增長(zhǎng)、性能更好的功率電子器件，以及工作能力更強(qiáng)的微處理器的應(yīng)用，使得電輔助驅(qū)動(dòng)功率在12V時(shí)達(dá)到2.5kW，在48V時(shí)達(dá)到5kW水平，因此電輔助增壓又再次具有吸引力，特別是電動(dòng)壓氣機(jī)[3]。

2電動(dòng)壓氣機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

博格瓦納(Borg Warner)公司已開(kāi)發(fā)了1種電動(dòng)壓氣機(jī)(電動(dòng)增壓器)，可用于改善低轉(zhuǎn)速范圍的增壓壓力和起步加速性能，并且由于沒(méi)有附加渦輪產(chǎn)生的廢氣動(dòng)壓頭，所以不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)換氣產(chǎn)生不良作用，這對(duì)于受爆燃限制的汽油機(jī)而言是至關(guān)重要的。電動(dòng)壓氣機(jī)與廢氣側(cè)沒(méi)有聯(lián)系，使其安裝位置具有很大的靈活性，而且與多級(jí)渦輪增壓相比，在廢氣后處理裝置的加熱及向發(fā)動(dòng)機(jī)艙中的熱輻射方面具有優(yōu)勢(shì)。

電動(dòng)壓氣機(jī)優(yōu)先選擇布置于廢氣渦輪增壓器壓氣機(jī)的后面。由于電動(dòng)壓氣機(jī)的壓力比其所必需的特性曲線場(chǎng)范圍小，因而其消耗的功率較少，這樣就能在較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行電動(dòng)增壓。而電動(dòng)壓氣機(jī)布置在廢氣渦輪增壓器之前，廢氣渦輪增壓器壓氣機(jī)可有效利用的特性曲線場(chǎng)范圍會(huì)縮小，因?yàn)檫M(jìn)氣條件的變化使運(yùn)行工況點(diǎn)向泵吸極限方向移動(dòng)。

相對(duì)于使用同等功率廢氣渦輪增壓器，電動(dòng)壓氣機(jī)能改善起步加速性能，或者可在保持起步加速性能不變的情況下選用具有較小動(dòng)壓頭性能的渦輪，從而能提高功率,并且由于背壓較小和全負(fù)荷時(shí)加濃需求較少，在改善燃油耗方面也能獲得好處。

表1比較表明了功率為2kW的12V電動(dòng)壓氣機(jī)在柴油機(jī)上的潛力，其基本型是采用單級(jí)可變幾何截面渦輪增壓器(VTG)的2.0L發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)2種功率相同，分別采用VTG及串聯(lián)轉(zhuǎn)換電動(dòng)壓氣機(jī)和兩級(jí)渦輪增壓的1.6L發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較(表1)。

表1　2款發(fā)動(dòng)機(jī)方案比較

圖1示出了對(duì)每種機(jī)型都進(jìn)行了增壓優(yōu)化。1.6L發(fā)動(dòng)機(jī)在廢氣渦輪增壓器后和增壓空氣冷卻器前安裝了1個(gè)電動(dòng)壓氣機(jī)，而在所謂的R2S(兩級(jí)可調(diào)式)系統(tǒng)中高壓級(jí)采用VTG廢氣渦輪增壓器。

圖1　3種機(jī)型增壓優(yōu)化后示意圖

圖2(a)示出了采用VTG增壓器而無(wú)電動(dòng)壓氣機(jī)的1.6L發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩虧損，為達(dá)到目標(biāo)功率，增壓器在全負(fù)荷時(shí)采用了較高的增壓壓力，因而在部分負(fù)荷時(shí)能較快地達(dá)到泵吸極限，而采用電動(dòng)壓氣機(jī)就能補(bǔ)償所虧損的扭矩。圖2還示出了為達(dá)到此目標(biāo)，各自從汽車(chē)電氣系統(tǒng)中所需要的電功率。

圖2　發(fā)動(dòng)機(jī)方案的全負(fù)荷比較和由電動(dòng)壓氣機(jī)電功率附加的發(fā)動(dòng)機(jī)功率(轉(zhuǎn)速1400r/min)

圖2(b)示出了在轉(zhuǎn)速為1400r/min時(shí)由電動(dòng)壓氣機(jī)電功率所提高的發(fā)動(dòng)機(jī)功率。通過(guò)附加燃燒空氣獲得了約7～10的增力系數(shù)。隨著空氣質(zhì)量流量的增大，渦輪功率也相應(yīng)提高，VTG導(dǎo)向葉片能開(kāi)得更大，這樣就能提高渦輪效率，減少換氣損失，從而降低燃油耗。

要使R2S系統(tǒng)達(dá)到目標(biāo)扭矩，高壓級(jí)要從廢氣流中取走的能量約為電動(dòng)壓氣機(jī)消耗的電功率的2倍(圖3(a))。如果電能來(lái)自于廢氣利用的話，那么在總的能量平衡中使用電動(dòng)壓氣機(jī)是有利的，否則應(yīng)采用R2S增壓系統(tǒng)。

圖3　R2S渦輪驅(qū)動(dòng)扭矩與電動(dòng)壓氣機(jī)的比較及在特定工況(1500r/min,25N·m)時(shí)的負(fù)荷突變

機(jī)型的加速響應(yīng)性可用1500r/min轉(zhuǎn)速時(shí)的負(fù)荷突變狀況來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)(圖3(b))。VTG導(dǎo)向葉片盡可能保持關(guān)閉(在離泵吸極限5%動(dòng)力學(xué)間距時(shí)才打開(kāi))，而電動(dòng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速則被調(diào)節(jié)到目標(biāo)增壓壓力。扭矩曲線首先顯示出2.0L機(jī)型的優(yōu)勢(shì)，而使用電動(dòng)壓氣機(jī)則能增大扭矩曲線的斜率，而且能比2.0L機(jī)型，甚至比采用R2S增壓系統(tǒng)的1.6L機(jī)型更快地達(dá)到全負(fù)荷扭矩，當(dāng)然R2S增壓系統(tǒng)能保持較高的穩(wěn)態(tài)增壓壓力，這是使用電動(dòng)壓氣機(jī)所無(wú)法達(dá)到的。

圖4示出了FTP-75行駛循環(huán)中電動(dòng)壓氣機(jī)消耗的電功率，這是用單位功率質(zhì)量為13kg/kW和6檔變速器的高級(jí)轎車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得到的。電動(dòng)壓氣機(jī)的功率為2kW，怠速運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為6000r/min，在行駛循環(huán)中所需的平均電功率約為210W。電動(dòng)壓氣機(jī)大約有一半時(shí)間處于怠速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，若這些時(shí)間停機(jī)的話，則可節(jié)省13W功率。配備電動(dòng)壓氣機(jī)時(shí)可采用較大的低壓EGR行駛，并在換氣方面得到好處，從而可獲得4%的燃油耗優(yōu)勢(shì)，與R2S機(jī)型相比僅在氮氧化物(NOx)排放方面略有遜色，但在顆粒排放方面略有優(yōu)勢(shì)，過(guò)量空氣系數(shù)停留在碳煙極限的時(shí)間可減少約5%。

圖4　FTP-75行駛循環(huán)中的電動(dòng)壓氣機(jī)的電功率及電動(dòng)壓氣機(jī)從基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速和停車(chē)狀態(tài)開(kāi)始的加速過(guò)程

3對(duì)電動(dòng)壓氣機(jī)的要求

從電動(dòng)壓氣機(jī)的功能就可明確地得知設(shè)計(jì)的要求： (1) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有最小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；(2) 較小的電能和機(jī)械能損失；(3) 電動(dòng)機(jī)必須能可靠地經(jīng)受熱負(fù)荷；(4) 采用整體式功率電子器件；(5) 高效的功率電子器件(在5kW功率情況下，每1%的效率損失就意味著50W熱量)；(6) 用于12V和48V的電動(dòng)壓氣機(jī)方案采用模塊化；(7) 在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到噪聲-振動(dòng)-平順性(NVH)。

4電動(dòng)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)

上述要求對(duì)于電動(dòng)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)方案具有決定性意義。選擇無(wú)刷永磁式電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，因?yàn)樗犬惒诫妱?dòng)機(jī)或開(kāi)關(guān)磁阻式電動(dòng)機(jī)更為高效。為了能長(zhǎng)時(shí)間通電運(yùn)轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)必須能耐高溫，因而選用了釤-鈷磁鐵，在溫度高達(dá)300℃時(shí)磁性仍能保持穩(wěn)定。

同時(shí),這種類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)不會(huì)磁化功率電子器件,這會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)尺寸和功率損失產(chǎn)生有利的影響。此外，設(shè)計(jì)這種電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)注意，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的扭矩要均勻，間歇扭矩也就是從電動(dòng)機(jī)發(fā)出的高頻噪聲激勵(lì)要小。

圖4示出了電動(dòng)機(jī)從怠速6000r/min開(kāi)始和從停車(chē)位置快速起步加速的狀況。從怠速運(yùn)轉(zhuǎn)開(kāi)始加速，230ms后就達(dá)到了90%的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，而從靜止位置開(kāi)始加速，250ms后達(dá)到了90%的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。其電子器件和軸承被設(shè)計(jì)得電動(dòng)壓氣機(jī)能長(zhǎng)時(shí)間在怠速下運(yùn)轉(zhuǎn)或處于停機(jī)狀態(tài)。

在設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速時(shí)應(yīng)注意，轉(zhuǎn)子消耗的能量是隨著轉(zhuǎn)速成二次方增加，因此在快速起步加速時(shí)間較短的低速電動(dòng)機(jī)和大壓氣機(jī)組合與較小的高速電動(dòng)機(jī)和起步加速時(shí)間較長(zhǎng)的壓氣機(jī)組合之間進(jìn)行優(yōu)化選擇。

采用70000r/min轉(zhuǎn)速進(jìn)行折中選擇，最終獲得了總體尺寸十分緊湊的，并與電動(dòng)機(jī)和壓氣機(jī)側(cè)直徑大致相同的電動(dòng)壓氣機(jī)裝置，在螺旋轉(zhuǎn)子直徑為135mm的情況下，48V電動(dòng)壓氣機(jī)的總長(zhǎng)約為170mm(包括壓氣機(jī)接口在內(nèi))。

為了滿足高的可用性和長(zhǎng)的通電運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的要求，定子同樣也通過(guò)高的銅填充量和對(duì)殼體的良好散熱進(jìn)行了熱優(yōu)化。為了減少散熱，功率電子器件使用了最小電阻等級(jí)和高效電容器的結(jié)構(gòu)元件，并被集成在CAN總線接口中，印刷電路板與殼體的良好連接確保了高效的散熱。

為了冷卻零件，曾試驗(yàn)過(guò)空氣冷卻和水冷卻，而考慮到方便性最終選用了空氣冷卻。當(dāng)然，空氣冷卻僅夠用于12V電動(dòng)壓氣機(jī)，而48V電動(dòng)壓氣機(jī)只有采用水冷卻才能滿足目標(biāo)要求。

采用這樣的設(shè)計(jì)方案最終使電動(dòng)壓氣機(jī)達(dá)到了卓越的性能。表2示出通電和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的典型數(shù)值，根據(jù)冷卻水和冷卻空氣的溫度以及汽車(chē)上的環(huán)境溫度的不同數(shù)值可能有所變化。在總體上最有利的運(yùn)行條件下，48V電動(dòng)壓氣機(jī)的持續(xù)功率約為 2kW。

為了確保電動(dòng)壓氣機(jī)在汽車(chē)上應(yīng)用時(shí)始終處于良好的可用狀態(tài)，博格瓦納公司已開(kāi)發(fā)了1種模擬計(jì)算方法，它能可靠地預(yù)測(cè)電動(dòng)壓氣機(jī)的溫度和可用性。在此基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)荷管理，較低的電流消耗是48V電動(dòng)壓氣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。為了能用于排量較大的發(fā)動(dòng)機(jī)，以及在起步加速性能和燃油耗方面獲得較大的好處，需要電動(dòng)壓氣機(jī)具有較大的功率。通過(guò)模擬計(jì)算可查明所需求的能量，以便盡早檢驗(yàn)電氣方面的設(shè)施。

表2　博格瓦納公司電動(dòng)壓氣機(jī)產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格

5結(jié)論

博格瓦納公司的電動(dòng)壓氣機(jī)為傳統(tǒng)增壓提供了1種補(bǔ)充方案，在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)就能在非常短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)備好增壓壓力，明顯改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的加速響應(yīng)特性，因此電動(dòng)壓氣機(jī)也為內(nèi)燃機(jī)開(kāi)辟了提高功率的潛力。在由電動(dòng)壓氣機(jī)和渦輪增壓器組成的整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)得合適的情況下，特別是在柴油機(jī)上能夠降低燃油耗和有害物排放。

參考文獻(xiàn)

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[3] Spinner G, et al. BorgWarner’s ebooster the new generation of electric assisted boosting[C]. 18. Aufladetechnische Konferenz, Dresden,2013.

范明強(qiáng)譯自MTZ，2015，76(10)

何丹妮編輯

(收稿日期：2015-11-24)