機電液輔助增壓技術的發(fā)展及應用分析(二)

張繼忠，張樹勇，吳建全，霍學敏，孫惠民，劉毅

(1.中國北方發(fā)動機研究所(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)

3.5 電機與曲軸耦合驅動的離心式機械增壓技術

機電耦合驅動的離心式機械增壓器(下簡稱機電耦合機械增壓器)是在機械增壓的基礎上發(fā)展而來的。圖18示出英國一家公司研發(fā)的機電耦合機械增壓器(SuperGen)，該增壓器驅動裝置由行星傳動機構和兩個電機組成，驅動源以曲軸驅動的機械能為主，以電能驅動為輔，同時兼顧發(fā)電，通過分配不同的能量形式，獲得不同的傳動比。該增壓器打破了常規(guī)機械增壓中發(fā)動機轉速和壓氣機轉速之間的固有聯(lián)系，壓氣機可以根據(jù)發(fā)動機實時工況提供不同的壓比。

1—連接發(fā)動機前端皮帶輪，傳動比(2.5-3.5)∶1；2—電動機，E1；3—電動機靜子(s)；4—行星傳動機構，傳動比為10∶1；5—電動機，E2；6—軸承系統(tǒng)；7—徑流式壓氣機；8—壓氣機擴壓器；9—冷卻套 (冷卻水循環(huán))；10—集成式4 V MOSFET轉換器；11—輸入軸，與EI皮帶輪連接；12—齒圈；13—行星輪；14—行星輪軸承；15—行星架，與E2連接；16—太陽(輪)軸，與壓氣機連接；17—壓氣機葉輪。圖18 機電耦合的離心式輔助增壓器[47]

該增壓器工作有3種驅動模式。1)機械驅動模式：動力來源于發(fā)動機曲軸，經(jīng)過皮帶傳輸可達到2.7倍發(fā)動機轉速。此時外環(huán)為主動輪，行星架固定，電機E2鎖定，與太陽輪連接的壓氣機轉動，32倍傳動比，共獲得86.4倍發(fā)動機轉速。2)電驅動模式：行星架為主動輪，外環(huán)固定，電動機驅動行星架，壓氣機獲得11.5倍電動機轉速。3)混合驅動模式(見圖19)：壓氣機轉速最終取決于機械驅動與電驅動兩者的結合方式，壓氣機的轉速可以在0～150倍發(fā)動機轉速范圍內，可以達到200 000 r/min?；旌向寗拥墓ぷ髂Ｊ绞亲陨戆l(fā)電，不依賴于電池驅動，能量具體分配為：發(fā)動機主軸輸入4 kW機械能，輸出1.8 kW機械能直接驅動壓氣機，其余通過發(fā)電機E1將2.0 kW電能輸入到電動機E2中，輸出1.8 kW機械能驅動壓氣機，壓氣機共接受兩個部件傳遞的3.6 kW(1.8 kW+1.8 kW)機械能，除去部分軸承消耗，壓氣機葉輪可以獲得3.5 kW的驅動功率[47]。

圖19 混合工作模式下的功率分配[47]

在一臺SUV汽車2.0 L發(fā)動機進行了集成驗證，與原來的廢氣渦輪增壓器構成二級增壓系統(tǒng)，當駕駛員踩下油門時，壓氣機可以在300 ms內迅速加速，提供良好的瞬時動力與響應性[47]。

3.6 液力驅動的離心式機械增壓技術

液力驅動的離心式機械增壓技術(下簡稱液力機械增壓器)，幾乎與機械增壓技術同步興起，但因其液壓系統(tǒng)體積龐大、不宜小型化而逐步被淘汰。隨著液壓傳動技術的發(fā)展和應用，液力機械增壓器通過與車輛液壓傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)的聯(lián)合工作，以其成本低、儲能高、輸出力矩大、不受發(fā)動機工況約束等優(yōu)點，又開始受到關注，應用在一些有特定工況要求的發(fā)動機上，如頻繁起停工況、大功率發(fā)動機瞬時大負載工況等。

在20世紀90年代，Davorin D.Kapich利用高壓潤滑油系統(tǒng)驅動液力渦輪(圖20a)，帶動同軸的離心式壓氣機葉輪旋轉，構成液力機械增壓器[48]，其結構見圖20b，整個液壓油回路由高壓液力泵、液力渦輪、軸承系統(tǒng)、穩(wěn)壓罐、文丘里流量管和熱交換器構成。液力渦輪和軸承系統(tǒng)集成在一個液壓油回路中，液力渦輪采用向心高壓頭渦輪，軸承采用徑向浮動軸承，文丘里流量管和穩(wěn)壓罐可以使液力輔助增壓器在不同工作狀態(tài)下維持固定的液壓壓力，以保證足夠的油膜厚度支撐轉子軸承系統(tǒng)的運轉，同時也保證高壓油泵進口的正向壓力[49]。在液壓油壓力達到6.9 MPa(1 000 psi)時，液力機械增壓器最高轉速達到70 000 r/min，最高壓比可以達到1.5，與廢氣渦輪增壓器組成二級增壓系統(tǒng)，當發(fā)動機轉速在1 000 r/min時，就可以獲得2.16的增壓比[50-51]。

進入21世紀以來，機電一體化已成為機械行業(yè)的發(fā)展主流趨勢，但電能儲存困難、儲能密度低、制造成本高、安全性差、電池后期處理難度大等缺點，是長期困擾的難題。隨著車輛機電液復合傳動技術的發(fā)展，國外開始嘗試利用液力能進行能量存儲和驅動，將儲能罐、液壓緩速器能量回收裝置、液力傳動系統(tǒng)和發(fā)動機組成油液(力)混合動力系統(tǒng)(見圖21)。在車輛正常行駛狀態(tài)下，和常規(guī)的車輛一樣，發(fā)動機輸出動力到液壓傳動系統(tǒng)，驅動車輛向前行駛。在車輛起動和加速狀態(tài)下，高壓儲能罐的液力能釋放到液壓馬達泵，通過液壓傳動系統(tǒng)輔助發(fā)動機能量輸出，或直接輸出能量。在車輛減速期間，液壓緩速器能量回收裝置回收動能，驅動高壓渦輪泵將液壓油加壓并存入高壓儲能罐，以便在車輛加速期間使用，降低發(fā)動機泵吸損失、改善發(fā)動機燃油經(jīng)濟性和炭煙排放，降低剎車片顆粒物排放和原有緩速器散熱量[52]。

圖20 液力驅動的離心式輔助增壓器[48]

圖21 油液(力)混合動力概念圖[52]

液力混合動力系統(tǒng)為液力機械增壓器提供了很好的應用平臺，利用液力儲能裝置可以為液力渦輪提供足夠的驅動能量，與傳統(tǒng)的機械增壓相比，液力輔助增壓可以完全不受發(fā)動機工況(轉速和廢氣能量)的約束，能為發(fā)動機提供足夠的進氣。圖22示出由液力機械增壓器和常規(guī)的廢氣渦輪增壓器組成復合增壓系統(tǒng)。低速時通過液壓渦輪推動壓氣機葉輪工作，高速仍采用廢氣渦輪增壓器。圖23示出液力渦輪驅動和電機驅動的相同尺寸壓氣機的對比，在25 000～120 000 r/min的工作范圍內，液力機械增壓器的扭矩特性要高于電機驅動的機械增壓器，在低速工況下尤為明顯。

圖22 能量回收式緩速器液壓增壓系統(tǒng)[53]

圖23 液力輔助增壓和電輔助增壓扭矩對比[54]

與油電混合動力相比，油液混合動力系統(tǒng)具有成本低、儲能高、輸出力矩大、能量利用率高、安全性高等優(yōu)點，非常適合在頻繁起停的特種車輛(如城市公交)上應用。據(jù)資料分析，到目前為止，北美市場上投放了200輛油液(力)混合動力垃圾裝載卡車試運營，燃油經(jīng)濟性提高43%，累計運行14萬 h 200萬 km剎車蹄片更換一次[54]。圖24示出國外重載卡車采用油電混動(圖24a)和油液混動(圖24b)兩種動力的能量轉換的對比分析，油電混合動力由于受到電機低轉速扭矩的限制，能夠從低速剎車(56.3—0 km/h)條件下回收的能量非常有限，只有31%。除去其他系統(tǒng)的損失，驅動車輛達到56.3 km/h時速，只有20.8%的能量被實際利用。而油液(力)混合動力沒有低轉速扭矩的限制，能夠從低速剎車(56.3—0 km/h)條件下回收的能量可以達到86%。驅動車輛達到56.3 km/h時速，有71%能量被利用[54]。

圖24 油電混動和油液混動能量輸出/回收對比分析[54]

3.7 液力和廢氣渦輪耦合驅動的增壓技術

在美國DEER Conference 2008會議上，展示了機械-廢氣渦輪增壓器(Super-Turbocharger)，即液力和廢氣渦輪耦合驅動的增壓器(下簡稱液力廢氣耦合增壓系統(tǒng))，該裝置和發(fā)動機潤滑系統(tǒng)集成在一起，由旋轉斜盤式液壓泵(Swash plate Pump)和液壓渦輪組成一個液壓驅動回路，發(fā)動機機油泵為其提供潤滑油，發(fā)動機曲軸帶動旋轉斜盤式液壓泵工作，將高壓油傳送到液壓驅動馬達，液壓驅動馬達通過差速機構帶動廢氣渦輪增壓器工作[55]。該增壓系統(tǒng)有兩種工作模式：一種是增壓模式(圖25a)，在發(fā)動機加速過程中，高壓油驅動液壓馬達工作，通過齒輪機構推動廢氣渦輪增壓器轉軸旋轉，降低“渦輪滯后”效應，提高增壓器的瞬態(tài)響應；另一種是能量回收模式(圖25b)，廢氣渦輪通過齒輪機構帶動液壓驅動馬達工作，通過高壓油傳到旋轉斜盤式液壓泵上，將液壓能轉化為機械能，傳遞到發(fā)動機曲軸上[56]。

圖25 機械-廢氣渦輪增壓器的兩種工作模式[56]

在2010年，第二代Super-Turbo增壓器研制成功(見圖26)，并在卡特彼勒公司一款帶有可變傳動系統(tǒng)(CVT)的柴油機上進行了原理樣機的對比試驗。試驗表明，在發(fā)動機全負荷工況下，油耗降低了3.9%(低速)～7.0%(高速)，空燃比低速提高了137%，高速幾乎不變；功率在低速降低7.8 kW，高速增加了42.9 kW。

圖26 Super-turbo第二代樣機[57]

圖27示出發(fā)動機在1 200 r/min工況下的pme和空燃比的對比。由圖可知，裝有機械-廢氣渦輪增壓器的發(fā)動機經(jīng)過1 s多的加速，pme達到1.4 MPa，而原機經(jīng)過6 s加速后，pme僅接近1.4 MPa[57-59]。

圖27 發(fā)動機1 200 r/min加速性能對比[58]

4 幾種典型的離心式輔助增壓技術特點對比及其在大功率發(fā)動機的應用分析

幾種典型的離心式輔助增壓技術的技術應用特點對比見表2。

表2 幾種典型的離心式輔助增壓技術特點對比

隨著增壓器電子化/電氣化發(fā)展，離心式機電液輔助增壓技術以其壓比高、效率高、響應快、體積小、質量輕等優(yōu)點，在發(fā)動機上得到廣泛的應用，但這些技術的應用大多聚焦在小排量車用發(fā)動機，在大排量、車用特種發(fā)動機上的應用案例較少。

目前，大排量、車用特種發(fā)動機幾乎全部采用廢氣渦輪增壓器。隨著功率密度的提升和變海拔環(huán)境適應性要求的提高，增壓匹配會向大流量、高壓比移動，導致發(fā)動機低速性能變差。針對這一問題，選擇兩種結構簡單的離心式電液輔助增壓器(可變傳動比的機械增壓和電動壓氣機)，在某系列增壓柴油機上進行初步匹配計算，并分析其應用特點。

輔助增壓匹配的目的是改善柴油機的起動和低速瞬態(tài)響應，相對原機低速扭矩提高30%～70%。匹配原則：①從易布置、結構簡單、靈活性考慮，相對于原機雙廢氣渦輪增壓方案，盡可能選擇并聯(lián)模式，盡可能選擇電機驅動，盡可能選擇1臺輔助增壓器；②從電池容量和高速電機功率限制考慮，盡可能選用小流量增壓器，電機功率控制在20 kW以下。

圖28示出在原有廢氣渦輪增壓發(fā)動機上，布置了4種模式的復合增壓系統(tǒng)方案，其中Mx.代表機械驅動(Me.:Mechanical)或電機驅動(Mo.:Motor)。針對6，8，12缸不同排量的柴油機，按照式(1)對輔助增壓器的功率需求進行了初步估算。

圖28 在發(fā)動機上布置的四類增壓模式

(1)

式中：WRq為輔助增壓器需求功率；WC為壓氣機絕熱壓縮功率；Gc為壓氣機質量流量；cpa為比定壓熱容；T1為進口溫度；ηc為絕熱效率；πc為壓比；ηE為電機效率；ηM為機械效率。

輔助增壓的工作范圍主要控制在發(fā)動機最大扭矩轉速以下，和原廢氣渦輪增壓器組成串聯(lián)增壓或并聯(lián)增壓模式。在串聯(lián)增壓系統(tǒng)中，隨著發(fā)動機轉速增加，輔助增壓器介入的做功能力逐漸減小，廢氣渦輪增壓器做功能力逐漸增大；當廢氣渦輪增壓壓比達到要求(近最大扭矩點)時，切換兩種增壓器，因此，輔助增壓器的最大功率需求設置在發(fā)動機怠速工況。在并聯(lián)增壓系統(tǒng)中，輔助增壓器是補充廢氣渦輪增壓器在發(fā)動機低速工況的不足，輔助增壓器做功能力隨著發(fā)動機轉速的增加而增大，此時隨著廢氣能量增加，廢氣渦輪增壓器做功能力迅速增大，當達到平衡點(近最大扭矩點)時進行切換，因此，輔助增壓器的最大功率需求在發(fā)動機近最大扭矩點工況。

選擇電動壓氣機時，需盡可能降低輔助增壓器的需求功率。從式(1)可以看出，驅動壓氣機的需求功率和質量流量成正比，和絕熱壓縮效率成反比，與壓比的0.286次方呈正相關關系。因此，需要減小增壓匹配的質量流量，提高壓氣機的絕熱效率，降低壓氣機工作壓比。減小壓氣機匹配點的質量流量，可以選擇小排量發(fā)動機、發(fā)動機低速工況增壓匹配。提高壓氣機的絕熱壓縮效率，需要對壓氣機進行氣動詳細設計，由于電機、控制系統(tǒng)和軸承系統(tǒng)的限制，常規(guī)壓氣機在低轉速時很難獲得良好的氣動性能。因此，低比轉速壓氣機的設計是電動壓氣機設計的關鍵。降低壓氣機工作壓比，可以采用將輔助壓氣機置于二級增壓系統(tǒng)的高壓級或低壓級等方式。

由于輔助增壓器驅動功率的限制，在小排量發(fā)動機上進行了4種模式的估算，而在大排量發(fā)動機上僅進行了兩種模式的估算。圖29和表3示出對3種不同缸數(shù)發(fā)動機的估算結果。

圖29 不同發(fā)動機和不同增壓模式的功率-流量比較

在6缸機上，采用模式1，驅動功率可以控制在10 kW以內，輔助增壓壓比在1.8以上，最大流量在0.1 kg/s，電機轉速控制在80 000 r/min以下，選用2個電動壓氣機；采用模式2，驅動功率在15 kW以下，最大流量不超過0.2 kg/s，選用1個電動壓氣機，與模式1相比，結構簡單；模式3驅動功率為18 kW，選用2個電動壓氣機，電源功率需求大；模式4的驅動功率為36 kW，建議選擇1個曲軸驅動的機械增壓器。因此，6缸機最佳選擇方案是選擇1臺15 kW的電動壓氣機，次之為是選擇2臺10 kW以下的電動壓氣機。在8缸機上考慮3種模式，最終建議選用模式1，2個10 kW電動壓氣機。在12缸機上僅考慮兩種模式，建議選用模式4，1臺機械增壓器，機械驅動功率為133 kW(圖中沒有示出)。

表3 3個樣機和四類增壓模式的估算分配

5 結論

未來增壓技術發(fā)展將具有以下4個特征：基于需求的空氣管理，基于多能驅動的能量綜合利用，面向最優(yōu)匹配的柔性組合，基于環(huán)境感知與健康管理的智能控制。

a) 離心式機電液輔助增壓技術，具有氣動性能好、響應快、體積小、質量輕、振動小等特點，和廢氣渦輪增壓組合，可以大幅度提高發(fā)動機的瞬態(tài)響應、改善低速扭矩特性；

b) 輔助增壓的耦合模式主要針對廢氣渦輪增壓器內部，驅動壓氣機的能量形態(tài)以廢氣能量為主,以機械能、電能和液力內能為輔，形成機械渦輪耦合增壓器、電輔助增壓器、液力廢氣耦合增壓系統(tǒng)等，雖然結構緊湊、集成性好，但機構復雜，相互牽制因素多，工程實用性差；

c) 輔助增壓的復合模式主要針對多個增壓器，以廢氣渦輪增壓為主，以曲軸驅動的機械增壓、電機驅動的機械增壓、液力驅動的機械增壓為輔，已經(jīng)進入產品應用階段，隨著成本的降低，未來幾年進入大面積推廣階段；

d) 電機驅動的離心式機械增壓器，體積小、布置靈活，適合在小排量發(fā)動機上應用，但由于電機、控制系統(tǒng)和軸承系統(tǒng)的限制，壓氣機的轉速應盡可能低；離心式壓氣機屬于速度型壓縮機，在低轉速工況下很難獲得良好的氣動性能，因此，低比轉速壓氣機的設計是關鍵；同時，高速電機的控制是電驅動輔助增壓的瓶頸技術，尤其轉速在50 000 r/min以上，控制電流滿足不同負載下的電機轉速、功率、扭矩的匹配關系，控制策略和發(fā)動機的運行工況密切相關，同時還與電機和控制盒的冷卻息息相關，如果設計不好，會直接影響電機使用壽命，或導致冷卻系統(tǒng)體積龐大；

e) 曲軸驅動的離心式機械增壓器，驅動功率大、結構簡單，適合在大功率、大排量發(fā)動機上應用；選擇可變傳動比的機械增壓，或機電耦合的離心式輔助增壓器，可以大幅降低發(fā)動機增壓匹配難度，同時提高發(fā)動機的變海拔環(huán)境適應性；

f) 液力驅動的離心式機械增壓器，驅動功率大、低速響應快，儲能高、安全性好，適合于發(fā)動機在頻繁起停、低速大扭矩和空間限制要求不嚴格的場合使用。