非道路高功率發(fā)動機的電輔助增壓技術(shù)

0 前言

在持續(xù)開發(fā)渦輪增壓器的背景下，德國MTU公司決定將電輔助渦輪增壓(e-TC)技術(shù)納入其技術(shù)組合中。目前，發(fā)動機相繼采用渦輪增壓器，帶廢氣旁通閥、可變幾何截面(VTG)的渦輪增壓器，采用電輔助渦輪增壓器可進一步提高發(fā)動機的瞬態(tài)特性。

在非道路應(yīng)用中也出現(xiàn)了驅(qū)動系統(tǒng)電氣化的發(fā)展趨勢，這為現(xiàn)有電氣基礎(chǔ)設(shè)施(如車載網(wǎng)絡(luò)、存儲系統(tǒng)和電力電子元件)的協(xié)同效應(yīng)開辟了道路。與此同時，混合驅(qū)動系統(tǒng)還應(yīng)具備高度靈活性，從而使排放最小化。因此，將電機和內(nèi)燃機組合在一起，可以隨時提供所需的扭矩。如果已經(jīng)通過電輔助產(chǎn)生足夠的增壓壓力，則負(fù)荷的躍變和內(nèi)燃機自發(fā)接通需要與排放最小化一起實現(xiàn)。

e-TC技術(shù)的回收能力可以將多余的廢氣能量輸送到車載網(wǎng)絡(luò)中。此外，電輔助產(chǎn)生的增壓壓力還可以增加渦輪的臨界流量和性能，并省去廢氣旁通閥。渦輪流動壓力降低會產(chǎn)生另一個積極的連帶作用，那就是減少換氣損失，這有利于在寬廣的發(fā)動機特性圖內(nèi)降低消耗。

為了使這項技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品化和系列化，MTU公司采用了G&L Innotec公司開發(fā)的交叉充電裝置[1]。該裝置的主要優(yōu)勢在于，不僅可以將這項技術(shù)用于現(xiàn)有的渦輪增壓器，而且不必放棄ZR系列渦輪增壓器的設(shè)計原理和理念。

電驅(qū)動裝置的功能性已通過分析研究和組件試驗得到驗證[2]。下文通過渦輪增壓器試驗臺和發(fā)動機試驗臺上的試驗證明了該技術(shù)的有效性。

1 組件試驗結(jié)果

首先進行電氣組件試驗、大氣隙電機的設(shè)計驗證和壓氣機入口的計算流體力學(xué)(CFD)分析，然后將廢氣渦輪增壓器(ETC)轉(zhuǎn)換為交叉充電裝置，在內(nèi)部熱氣試驗臺上進行了試驗。圖1為沿渦輪增壓器樣機(集成大氣隙電機)旋轉(zhuǎn)軸軸線的截面圖。

圖1 轉(zhuǎn)換為交叉充電裝置的渦輪增壓器ETC ZR1.115.F

該試驗分2個階段進行：第一階段是研究大氣隙電機與壓氣機的集成程度對改變渦輪增壓器重要功能特性的影響。初始試驗研究了固定在壓氣機前的轉(zhuǎn)子磁鐵是否影響轉(zhuǎn)子的振動特性，以及廢氣渦輪增壓器是否可以安全地達到極限轉(zhuǎn)速且不引起軸承損壞。試驗結(jié)果用于確定壓氣機性能和特性圖寬度。在這兩個試驗中，大氣隙電機的定子和轉(zhuǎn)子均由模型替代，模型的幾何形狀和質(zhì)量分布與電機部件的幾何形狀和質(zhì)量分布相對應(yīng)。第二階段是研究電機與渦輪增壓器之間的相互作用。試驗包括負(fù)荷躍變到不同的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，以確定瞬態(tài)特性，對不同轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)態(tài)點進行觀測，以研究連續(xù)運行的適用性。

2 功能驗證

為了確定向心軸承的穩(wěn)定性，采用兩個偏移90°的渦流傳感器測量壓氣機入口處的軸心軌跡。圖2示出了1個徑向位移傳感器在轉(zhuǎn)速40 000～100 000 r/min升速期間的頻率分析，該分析代表了不同機油邊界條件下的所有升速情況。在轉(zhuǎn)速40 000～60 000 r/min(660～1 000 Hz)的較低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，徑向路徑最初相對較高，并由2個次同步振動分量表征。從轉(zhuǎn)速60 000 r/min開始，徑向路徑隨著轉(zhuǎn)子定心減少了2倍。在全速運行時，次同步振動和轉(zhuǎn)速同步振動均處于相對較低的水平。測定的振動特性為具有獨立平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)子特征，即使壓氣機葉輪前有附加質(zhì)量，廢氣渦輪增壓器也可以穩(wěn)定運行。

圖2 徑向位移1在升速期間的頻率分析

壓氣機性能檢查包括對運行點進口流入量的CFD分析、特性曲線驗算，以及試驗中的交叉充電裝置配置與標(biāo)準(zhǔn)配置的最終比較，結(jié)果如圖3所示。

圖3 流入量CFD分析與特性圖驗證

根據(jù)CFD計算表明，量產(chǎn)廢氣渦輪增壓器的壓氣機螺母區(qū)域出現(xiàn)分離氣泡，而交叉充電裝置模式通過入流拱頂設(shè)計消除了這些氣泡，并因此改善了壓氣機性能。特性圖試驗證明，這種模式下的壓比和效率也得到了提高。

3 電輔助試驗

圖4示出了熱氣試驗臺上的交叉充電裝置配置示意圖以及采用電輔助的升速結(jié)果。除了標(biāo)準(zhǔn)的廢氣渦輪增壓器配置之外，還需要變頻器和直流電源來控制電機及供電。采用功率測量儀器測量直流側(cè)(DC)和交流側(cè)(AC)的電子參數(shù)。

圖4 燃?xì)廨啓C模式下的交叉充電裝置試驗結(jié)構(gòu)示意圖以及采用電輔助的升速結(jié)果

使變頻器與大氣隙電機的規(guī)格相匹配可以充分利用電機潛力。熱氣試驗之前先在電機試驗臺上進行匹配，同時驗證大氣隙電機的設(shè)計。

熱氣試驗臺上的廢氣渦輪增壓器符合燃?xì)廨啓C工作原理。在向柴油燃燒室供給熱量之后，壓氣機輸送的空氣可作為渦輪的驅(qū)動能量。組件試驗證明了這種結(jié)構(gòu)的自增強效果，后續(xù)還會將該結(jié)構(gòu)用于內(nèi)燃機。

圖4示出了在35 000～80 000 r/min轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷躍變結(jié)果。在熱氣試驗臺上無負(fù)荷運行的廢氣渦輪增壓器只能在不超過渦輪入口最高溫度的情況下運行，使得該工況點產(chǎn)生增壓。當(dāng)電機通電時，功率消耗急劇增加到約12 kW。廢氣渦輪增壓器的加速得益于從電機獲得的扭矩及在燃燒室加熱的燃燒空氣。通過線性流量控制閥無需精確調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的空氣量來控制燃料量。

通過熱氣燃燒室的能量轉(zhuǎn)換來確定轉(zhuǎn)速與輸入功率曲線，盡管不能直接將該曲線與內(nèi)燃機的特定特性進行比較，但它示出了電輔助熱動力學(xué)系統(tǒng)的功能原理。圖5比較了采用電輔助和不采用電輔助的升速情況。

圖5 采用電輔助和不采用電輔助的升速比較

最后，研究了大氣隙電機在穩(wěn)態(tài)運行下的加熱特性。為此，在恒定轉(zhuǎn)速和10 kW的輔助功率下測量電機從100 ℃加熱到130 ℃所需的時間。電機允許的最高溫度為160 ℃。

試驗證明，在恒定功率下加熱30 K所需的時間主要取決于轉(zhuǎn)速。所需時間從150 s(36 000 r/min)到840 s(65 000 r/min)不等。因而研究表明，除了增壓運行之外還可實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行，且電機不會馬上過熱。

4 試驗載體選擇

為了研究電輔助增壓，MTU公司選擇890系列小型化發(fā)動機作為試驗的發(fā)動機系統(tǒng)。在發(fā)動機開發(fā)過程中，特別注意到了發(fā)動機機體尺寸的緊湊性。同時為了獲得廣泛的發(fā)動機特性圖和更高的額定功率，該發(fā)動機系列的增壓水平非常高。該11 L 10缸V型發(fā)動機的增壓系統(tǒng)由2個相同的渦輪增壓器組成，這兩個渦輪增壓器具有可變幾何截面，并設(shè)置為單級順序切換模式。發(fā)動機在額定功率點(3 800 r/min)的功率為800 kW。作為軍用陸地動力系統(tǒng)，響應(yīng)性是該發(fā)動機開發(fā)重點，因此對所研究的e-TC系統(tǒng)提出了非常高的要求。

5 分析預(yù)測

采用基于GT-Power的一維(1D)過程計算來評估電輔助增壓技術(shù)對發(fā)動機整體性能的影響。在此，確定了電機為渦輪增壓器轉(zhuǎn)子提供可利用能量的重要性。該值后續(xù)可作為大氣隙電機的設(shè)計依據(jù)。分析證明，通過每個渦輪增壓器提供約10.5 kW的額外功率，可以顯著改善整個發(fā)動機系統(tǒng)的瞬態(tài)負(fù)荷接收性能和扭矩建立性能。

6 整機試驗結(jié)果

由于作為附加部件的電機非常緊湊，所以可以將改進后的渦輪增壓器集成到發(fā)動機中。2個DC/AC變頻器各由2個固定的直流可變電源設(shè)備供電，如圖6所示。

圖6 MT892柴油機的增壓路徑圖(a)與安裝在整機上的電輔助增壓結(jié)構(gòu)圖(b)

為了確定整個發(fā)動機系統(tǒng)的評估標(biāo)準(zhǔn)，首先評估了各種應(yīng)用下的運行與應(yīng)用配置情況。穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)運行中的極端情況為研究提供了試驗標(biāo)準(zhǔn)。同時，也要驗證先前計算出的發(fā)動機反應(yīng)。

在試驗過程中研究了以下幾個方面的系統(tǒng)特性，下文將詳細(xì)介紹以下幾個方面：(1)確定獲得扭矩的時間(發(fā)動機在恒定轉(zhuǎn)速下形成的扭矩)；(2)確定恒定轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷接收能力；(3)測量柴油機加速過程(起動～穩(wěn)態(tài))；(4)研究永久擴寬發(fā)動機特性圖；(5)對柴油機排放特性的影響；(6)采用廢氣渦輪增壓器來產(chǎn)生電能(回收操作)；(7)通過發(fā)動機電控單元(ECU)研究新技術(shù)的各種控制策略；(8)變頻器輸入電壓對整機運行特性的影響。

在測量過程中，評估了停用和激活e-TC子系統(tǒng)時的對應(yīng)比較。試驗時主要關(guān)注的是發(fā)動機整體性能，并對與電有關(guān)的參數(shù)進行了測量、記錄和評估。

停用子系統(tǒng)時可發(fā)現(xiàn)輕微的瞬態(tài)劣化，這是因為與不帶電機的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)相比，電機轉(zhuǎn)子使渦輪轉(zhuǎn)子組件的軸增加了額外的質(zhì)量。這種影響總體來講是微不足道的。

7 發(fā)動機恒定轉(zhuǎn)速下的扭矩發(fā)展

獲得扭矩的時間直接反映了渦輪增壓器與柴油機相互作用的靈活性?？梢栽诓煌吔鐥l件和發(fā)動機轉(zhuǎn)速情況下獲得扭矩的時間值。為此，通過試驗臺上控制轉(zhuǎn)速的測功機保持柴油機輸出轉(zhuǎn)速恒定。加速踏板的躍變(0～100%)標(biāo)志著測量的開始，達到最大扭矩后測量結(jié)束。

在這種情況下，系統(tǒng)激活時測量時間可減少2.5倍。圖7示出了發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速點的測量結(jié)果。e-TC系統(tǒng)的接通條件決定了在不同情況下所測得的不同時間。圖7還示出了整個系統(tǒng)的分析預(yù)測。這些都可以在實際運行中加以改進。

圖7 采用e-TC和不采用e-TC情況下獲得扭矩的時間值

8 發(fā)動機恒定轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷躍變

另一個試驗點為檢測整個系統(tǒng)的負(fù)荷躍變能力。為此，在發(fā)動機怠速下進行 “數(shù)字化”的扭矩躍變。相應(yīng)的負(fù)荷躍變高度完全反映了柴油機可實現(xiàn)的極限。為了更好地比較這種行駛機動性，發(fā)動機在轉(zhuǎn)速控制模式下運行。試驗臺測功機選擇的扭矩設(shè)定點為測量開始點(圖8)。

圖8 采用e-TC和不采用e-TC的負(fù)荷接收能力

通過電輔助增壓，停用e-TC時的最大增加值使得扭矩躍變從100%增加到220%。發(fā)動機系統(tǒng)的控制特性也有顯著變化，由于扭矩躍變柴油機的轉(zhuǎn)速降幅從12%上升到21%。同樣，對這些測量而言，e-TC系統(tǒng)的接通條件是決定性因素。

9 發(fā)動機加速度仿真

上述2種測量都研究了e-TC系統(tǒng)在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速下的影響。下文將討論基于船舶應(yīng)用特性功率曲線(起動～穩(wěn)態(tài))或者鎖定輸出側(cè)的變扭器(失速制動器)的加速過程。

為此，發(fā)動機在怠速下運行且基本負(fù)荷較小，與客戶應(yīng)用中的基本負(fù)荷相當(dāng)。加速踏板的信號躍變標(biāo)志著測量開始，達到額定轉(zhuǎn)速點(失速點、發(fā)動機全負(fù)荷曲線與所研究的螺旋槳曲線的交點)代表測量結(jié)束。測量開始與測量結(jié)束之間經(jīng)歷的時間代表評估標(biāo)準(zhǔn)(圖9)。

圖9 發(fā)動機加速度(采用e-TC和不采用e-TC)螺旋槳曲線

加速時間可以減少到原始值的67%。停用系統(tǒng)時，在測量時間約70%處可觀察到轉(zhuǎn)速停滯，這主要歸因于增壓裝置的順序切換。增壓裝置的電輔助技術(shù)將這種現(xiàn)象降低到幾乎察覺不到的水平。

10 永久擴寬發(fā)動機特性圖

另一個測量主要針對根據(jù)增壓配置變化的柴油機特性圖寬度。在傳統(tǒng)的單級增壓高性能應(yīng)用中(例如串聯(lián)混合驅(qū)動應(yīng)用)，高額定功率與特性圖寬度之間存在目標(biāo)沖突。在此類應(yīng)用中，增壓裝置的主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是高額定功率。然而，提高燃油效率需要較寬的發(fā)動機特性圖。

通過調(diào)整后的增壓器順序切換參數(shù)仿真這種應(yīng)用情況。研究了兩種技術(shù)，一種采用傳統(tǒng)的廢氣渦輪增壓技術(shù)，另一種采用了電輔助技術(shù)。在所研究的發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)動機可實現(xiàn)的最大扭矩受渦輪上游的廢氣溫度和燃燒過量空氣系數(shù)(λ)限制。

當(dāng)達到特定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速之后，最大扭矩下降，這是因為增壓壓力不足，必須減少燃油噴射量，以防超出上述極限值(圖10)。在第二次測量中，采用e-TC系統(tǒng)可達到更高的發(fā)動機扭矩。因此，在所考慮的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，穩(wěn)態(tài)下實現(xiàn)的發(fā)動機扭矩加倍，且不會出現(xiàn)超過發(fā)動機極限值的情況。

圖10 擴寬穩(wěn)態(tài)發(fā)動機特性圖

11 結(jié)語

通過所述研究驗證了e-TC系統(tǒng)的功能。該技術(shù)保持了MTU公司渦輪增壓器系列的設(shè)計原理和理念，并且可以根據(jù)需求使用電輔助裝置。在發(fā)動機試驗臺上的研究表明，發(fā)動機靈活性在非道路應(yīng)用的所有負(fù)荷轉(zhuǎn)換循環(huán)中得到顯著提升。

下一個開發(fā)步驟是將該技術(shù)集成到測試車輛中。通過這項技術(shù)革新，MTU公司ZR系列渦輪增壓器的性能得到顯著提升，并因此為客戶帶來額外的利益。未來的發(fā)動機項目將繼續(xù)采用該技術(shù)，以提高瞬態(tài)特性并優(yōu)化燃油消耗。