電子增壓器在渦輪增壓發(fā)動機(jī)上的匹配應(yīng)用及性能研究

楊金鵬，杜田田，王巖，梁濤，信松嶺

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，保定071000）

0 引言

隨著對環(huán)境保護(hù)和能源利用的要求日益嚴(yán)苛，目前汽車制造商通過開發(fā)小型化增壓發(fā)動機(jī)，排量為1.0～2.0 L取代更大排量的自然吸氣發(fā)動機(jī)。然而渦輪增壓器的響應(yīng)遲滯，直接影響發(fā)動機(jī)的低速動力快速響應(yīng)性能[1]。采用電子增壓器與渦輪增壓器協(xié)同工作，可以消除渦輪增壓器的響應(yīng)遲滯，能顯著改善發(fā)動機(jī)的加速響應(yīng)性，提升低速動力性，并且能提升原有功率，降低車輛的燃油耗和污染物排放。電子增壓器帶來的降油耗和降排放的效果可以有效地幫助汽車制造商應(yīng)對嚴(yán)苛的油耗法規(guī)和國六排放法規(guī)，且具有顯著的改善效果[2]。

1 電子增壓器基本結(jié)構(gòu)

電子增壓器基本結(jié)構(gòu)與渦輪增壓相似，只是采用電機(jī)替代渦輪機(jī)，壓氣機(jī)與電機(jī)同軸，對空氣進(jìn)行壓縮，實現(xiàn)快速增壓。電子增壓器主要由高速電機(jī)、離心壓氣機(jī)、電控單元等部件組合而成[3]。依據(jù)正常工作時間等級可分為連續(xù)增壓、短暫增壓2種增壓情況。

高速電機(jī)主要分為永磁同步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、交流異步電機(jī)，由外接電源驅(qū)動[4]。不同類型電機(jī)對比見表1。

表1 電機(jī)特性參數(shù)

依據(jù)發(fā)動機(jī)增壓壓力要求，匹配電子增壓器的壓氣機(jī)參數(shù)。電子增壓器冷卻系統(tǒng)冷卻能力和電力系統(tǒng)供電能力需與電機(jī)相匹配，按照電機(jī)特性參數(shù)和邊界條件嚴(yán)格控制。電子增壓器特性參數(shù)匹配項目見表2。

表2 電子增壓器特性參數(shù)項目

電子增壓器采用電機(jī)驅(qū)動增壓，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)須嚴(yán)格控制冷卻溫度。在滿足溫度條件下，電子增壓器由怠速5 000 r/min提升至90%的最高轉(zhuǎn)速（t90）的響應(yīng)速度可以達(dá)到200 ms，響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于渦輪增壓器，且其最高轉(zhuǎn)速相當(dāng)于2.0 L渦輪增壓發(fā)動機(jī)1 800 r/min時的渦輪增壓轉(zhuǎn)速，壓比達(dá)到1.5以上，能夠提供更高增壓壓力，最終實現(xiàn)快速增壓。

2 電子增壓器優(yōu)勢

利用電子增壓器快速響應(yīng)的驅(qū)動特性，提高發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)加速響應(yīng)性。相對傳統(tǒng)的渦輪增壓發(fā)動機(jī)采用掃氣來提升低速大負(fù)荷區(qū)域增壓壓力，進(jìn)而提升低速扭矩的情況，電子增壓器可以在降低掃氣的情況下繼續(xù)提高增壓壓力，從而達(dá)到相同的扭矩目標(biāo)，甚至超越原扭矩目標(biāo)，如圖1所示。采用電子增壓器可以降低排氣壓力，減少缸內(nèi)殘余廢氣，弱化爆震傾向，改善燃燒效率。根據(jù)電子增壓器安裝布置形式差異，電子增壓器可提高渦輪增壓器的基礎(chǔ)進(jìn)氣壓力，或基于渦輪增壓器的增壓壓力，實現(xiàn)再次增壓，達(dá)到2次增壓的效果。利用增壓控制模式多樣化，可實現(xiàn)渦輪增壓器或電子增壓器單獨增壓模式，或兩者協(xié)同增壓模式。

電子增壓器安裝布置自由度高，適用于汽油機(jī)、柴油機(jī)、混合動力等。

圖1 電子增壓器增壓效果

3 電子增壓器安裝布置

電子增壓器和渦輪增壓器采用串聯(lián)模式進(jìn)行設(shè)計，布置設(shè)計時需考慮以下因素。

（1）電子增壓器與進(jìn)氣歧管的距離對瞬態(tài)響應(yīng)性能的影響。電子增壓器安裝位置越靠近進(jìn)氣歧管，瞬態(tài)響應(yīng)性越好。

（2）電子增壓器位于渦輪增壓器上游或下游布置形式對電子增壓器基礎(chǔ)進(jìn)氣壓力要求、增壓壓力、熱負(fù)荷的影響[5]。若電子增壓器安裝在渦輪增壓器下游，因經(jīng)渦輪增壓器增壓后的高溫氣體進(jìn)入電子增壓器進(jìn)行2次增壓，與布置在渦輪增壓器上游方式相比，電子增壓器需要承載更高的熱負(fù)荷。

（3）可靠性影響?？紤]進(jìn)入電子增壓器的壓縮空氣成分對壓氣機(jī)的腐蝕，尤其對于采用低壓廢氣再循環(huán) （EGR）技術(shù)的發(fā)動機(jī)，其含有廢氣成分的進(jìn)氣進(jìn)入電子增壓器，容易腐蝕電子增壓器的壓氣機(jī)葉輪和殼體。

電子增壓器主要有3種安裝布置形式：在渦輪增壓器上游，在渦輪增壓器下游，在中冷器下游，如圖2所示。3種安裝布置形式的差異對比見表3。

圖2 電子增壓器安裝布置示意圖

表3 電子增壓器不同安裝布置形式的差異對比

電子增壓器的安裝要求如下：長期的可靠性試驗或安裝在車輛上使用時，考慮冷凝因素，電機(jī)軸向應(yīng)傾斜一定角度，避免冷凝再循環(huán)廢氣在定子殼體處聚集；冷卻液管路應(yīng)位于最高位置，以排出冷卻液內(nèi)的空氣；發(fā)動機(jī)停機(jī)后，仍需保持水泵電機(jī)運(yùn)行，使冷卻液繼續(xù)對電子增壓器的電機(jī)進(jìn)行冷卻，直至其殼體周圍溫度≤105℃[6]。

4 電子增壓器增壓控制

電子增壓器依據(jù)車輛駕駛工況和環(huán)境，與渦輪增壓器協(xié)同工作。采用不同增壓控制模式，提升發(fā)動機(jī)全MAP（脈譜）動力性能。如圖3所示，電子增壓器應(yīng)用區(qū)域主要分為3個。區(qū)域1，節(jié)氣門未完全開啟，無需增壓；區(qū)域2，瞬態(tài)加速響應(yīng)區(qū)域，電子增壓器快速介入增壓控制，并與渦輪增壓器增壓壓力動態(tài)過渡；區(qū)域3，低速性能提升區(qū)域。

4.1 電子增壓器增壓控制模式

以渦輪增壓器下游位置的安裝布置形式為基礎(chǔ)，說明電子增壓器增壓控制模式。

小負(fù)荷工況，即節(jié)氣門未完全開啟的工況，通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度來控制進(jìn)氣量。在節(jié)氣門將全開和渦輪增壓器剛開始介入的過渡階段，采用電子增壓器和渦輪增壓器協(xié)同增壓的控制策略。

圖3 電子增壓器應(yīng)用工況范圍

低速大負(fù)荷 （含外特性）或急加速工況，利用電子增壓器快速響應(yīng)實現(xiàn)增壓壓力建立，改善傳統(tǒng)渦輪增壓器的響應(yīng)遲滯，提升加速響應(yīng)性和低速外特性最大扭矩。電子增壓器進(jìn)氣路線見圖4。

圖4 電子增壓器進(jìn)氣示意圖

中等轉(zhuǎn)速大負(fù)荷，電子增壓器與渦輪增壓器協(xié)同工作，達(dá)到期望的增壓壓力。協(xié)同進(jìn)氣路線見圖5。

圖5 協(xié)同增壓進(jìn)氣示意圖

中高轉(zhuǎn)速工況，電子增壓器增壓效果不顯著，且存在電機(jī)溫度超限值風(fēng)險，而渦輪增壓器增壓能力充足，且增壓效率高，所以電子增壓器應(yīng)停止工作，由渦輪增壓器單獨工作。

穩(wěn)態(tài)工況，為減少電子增壓器的功率消耗，應(yīng)盡可能通過渦輪增壓器來建立增壓壓力。另外，若考慮增壓控制過渡的平順性，則電子增壓器的壓氣機(jī)運(yùn)行線與渦輪增壓器的壓氣機(jī)運(yùn)行線，需有一定的重疊區(qū)。

4.2 電子增壓器增壓效果評價

電子增壓器工作從本質(zhì)而言是通過電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動壓氣機(jī)工作，從而提高增壓壓力，增加進(jìn)氣量。電子增壓器的電能可分為2部分，一部分為壓縮空氣而消耗的電能；另一部分為發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷時，電子增壓器利用其壓氣機(jī)兩端的壓力差進(jìn)行發(fā)電。因此，計算車輛燃油耗需時，需要考試這部分發(fā)出的電能。

對于電子增壓器，首先需從加速響應(yīng)性進(jìn)行評價，確認(rèn)其瞬態(tài)扭矩曲線斜率，評估車輛駕駛性。具體評價方法可參考AVL公司扭矩斜率 （TTT）標(biāo)準(zhǔn)，采用發(fā)動機(jī)在瞬態(tài)加速扭矩變化曲線斜率評估車輛動力加速性。因進(jìn)氣量的增加，低速扭矩將顯著提升，見圖1。

電子增壓器根據(jù)發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣凸輪型線等硬件的性能參數(shù)及ECU控制參數(shù) （進(jìn)、排氣相位，噴油相位等）的差異，達(dá)到相同動力性能 （相同轉(zhuǎn)速、相同扭矩）時，采用不同渦輪增壓器與電子增壓器的控制模式，隨電子增壓器介入程度的不同，其將影響發(fā)動機(jī)的燃燒特性，從而輸出不同的油耗和排放結(jié)果。比如，僅不同的進(jìn)氣相位差異對油耗和早燃將產(chǎn)生很大影響。

5 系統(tǒng)匹配

電子增壓器應(yīng)用不僅僅是簡單的裝配和使用，還需要與車輛及發(fā)動機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)匹配。

5.1 進(jìn)氣系統(tǒng)

依據(jù)電子增壓器的布置，重新設(shè)計發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)，增加旁通管路，既要保證圖3電子增壓器應(yīng)用工況范圍中區(qū)域1非增壓模式 （渦輪增壓器廢氣旁通閥完全打開）和渦輪增壓器單獨工作的進(jìn)氣系統(tǒng)性能，又要兼顧電子增壓器與渦輪增壓器協(xié)同工作的氣體流通性?？衫眠M(jìn)氣管路的CFD仿真分析，重新設(shè)計進(jìn)氣管路、進(jìn)氣歧管、進(jìn)氣道，并結(jié)合1維發(fā)動機(jī)性能仿真分析，重新優(yōu)化發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣凸輪型線。

5.2 渦輪增壓器

電子增壓器與渦輪增壓器協(xié)同工作時，相互作用、相互影響。電子增壓器主要負(fù)責(zé)加速響應(yīng)性及低速動力性的提升，渦輪增壓器則負(fù)責(zé)高速動力性。相比渦輪增壓器單獨增壓的增壓系統(tǒng)，需要兼顧高、低速增壓性能要求，電子增壓器的應(yīng)用，降低了渦輪增壓器的低速增壓性能要求，渦輪增壓器主要側(cè)重于提升高速動力性。因此，需重新匹配渦輪增壓器，以達(dá)到渦輪增壓器最優(yōu)性能；并且需對增壓控制過渡階段進(jìn)行優(yōu)化，以便能夠?qū)崿F(xiàn)二者之間的平穩(wěn)切換。同時，根據(jù)表3電子增壓器不同安裝布置形式的差異對比分析，渦輪增壓器無論為電子增壓器提供基礎(chǔ)進(jìn)氣壓力，或者負(fù)責(zé)實現(xiàn)最終的增壓壓力，渦輪增壓器的低速增壓性能依然需要滿足最低要求。

5.3 系統(tǒng)冷卻能力

因電子增壓器需對高速電機(jī)進(jìn)行專項冷卻，以保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此不同電機(jī)冷卻要求略有差別，但最終都增加了車輛原有冷卻系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。同時，因增壓壓力的提升，從而帶來新增的進(jìn)氣量冷卻需求；此外，發(fā)動機(jī)性能的提升，使燃燒熱負(fù)荷增加，排氣溫度和排氣流量對排氣歧管的熱交換量增加，都對冷卻系統(tǒng)提出更加苛刻的要求。

5.4 曲柄連桿機(jī)構(gòu)

發(fā)動機(jī)性能的提升，燃燒特性的變化，導(dǎo)致爆發(fā)壓力提高，曲柄連桿機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度需要重新校核或加強(qiáng)。此外，活塞燃燒室形狀、壓縮比和潤滑系統(tǒng)也需要重新分析或改進(jìn)。

5.5 NVH性能

因電子增壓器介入發(fā)動機(jī)進(jìn)氣增壓過程，相當(dāng)于增加了新的噪聲源，需要針對增壓系統(tǒng)的NVH性能進(jìn)行專項優(yōu)化。電子增壓器的壓氣機(jī)主要噪聲同渦輪增壓器壓氣機(jī)，包括氣流噪聲、次同步噪聲、同步振動噪聲、同步壓力脈動噪聲、諧波噪聲、葉片脈沖噪聲等。電子增壓器單獨工作，其噪聲與渦輪增壓器單獨工作相當(dāng)。但協(xié)同工作時噪聲值將明顯提升，可采用隔音材料包裹電子增壓器的方式降低噪聲。

6 結(jié)論

（1）電子增壓器能提升加速響應(yīng)性和低速動力性，滿足增壓小型化發(fā)動機(jī)動力需求，但在中高轉(zhuǎn)速區(qū)域?qū)μ嵘齽恿π阅懿o改善。

（2）由于電子增壓器高速電機(jī)特性參數(shù)及邊界條件的特殊性，需專項開發(fā)電子增壓器控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，實時監(jiān)控轉(zhuǎn)速、壓比、電壓、電流、冷卻溫度等特性參數(shù)。

（3）3種不同的安裝布置形式各有優(yōu)劣，需綜合車輛需求評價選取。

（4）車輛及發(fā)動機(jī)系統(tǒng)需結(jié)合電子增壓器應(yīng)用的效果進(jìn)行系統(tǒng)匹配，以發(fā)揮其最優(yōu)性能。

（5）目前電子增壓器應(yīng)用經(jīng)驗不足，如何通過完善雙增壓器控制策略來滿足整個發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況需求，并避免空燃比加濃，實現(xiàn)動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、排放及NVH的綜合性能提升，需要持續(xù)研究。