電子增壓器可改善渦輪增壓發(fā)動機低速性能

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)境保護和能源利用要求日益嚴苛，小型化渦輪增壓發(fā)動機逐步取代大排量的自然吸氣發(fā)動機。然而渦輪增壓器存在低速喘振、增壓壓力不足現(xiàn)象[1]，直接影響發(fā)動機的低速扭矩。通過采用電機驅(qū)動的電子增壓器與渦輪增壓器雙增壓協(xié)同工作，可以提升發(fā)動機低速時的增壓壓力，從而能顯著提升發(fā)動機低速動力性。該技術(shù)方案將成為發(fā)動機發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。

1 電子增壓器

電子增壓器基本結(jié)構(gòu)與渦輪增壓器相似，采用電機替代渦輪機，同軸驅(qū)動壓氣機壓縮空氣，實現(xiàn)快速增壓。其主要由高速電機、離心壓氣機、電控單元等部件組成。

相比渦輪增壓發(fā)動機，電子增壓器具有以下改善效果。

（1）提升低速扭矩，補償因掃氣效率降低而導(dǎo)致的扭矩損失[3]。

（2）提升瞬態(tài)加速響應(yīng)性。

（3）重新匹配渦輪增壓器，可提升高速動力性。

（4）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。

（5）增壓控制模式的多樣化，可提高渦輪增壓器的基礎(chǔ)進氣壓力，或者基于渦輪增壓器的增壓壓力，實現(xiàn)2次增壓效果[4]。

電子增壓器安裝布置自由度高，與渦輪增壓器的安裝布置采用串聯(lián)模式，適用于汽油機、柴油機、混合動力等。電子增壓器安裝布置形式有3種：1）在渦輪增壓器上游；2）在渦輪增壓器下游；3）在中冷器下游。電子增壓器3種具體布置形式，及安裝布置所需考慮的因素，參見 《柴油機設(shè)計與制造》2018年第4期 《電子增壓器在渦輪增壓發(fā)動機上的匹配應(yīng)用及性能研究》。

2 提升發(fā)動機低速性能的試驗

本次試驗以一款2.0 L排量的渦輪增壓直噴進排氣門可變正時 （DVVT）汽油機作為試驗樣機，采用博格華納廠家生產(chǎn)的48V第2代電子增壓器。電子增壓器布置在渦輪增壓器下游，實現(xiàn)2次增壓。電子增壓器臺架布置示意圖見圖1。

2.1 試驗設(shè)備

本次試驗裝置主要是：AVL-PUMA臺架電力測功機，包括發(fā)動機冷卻恒溫裝置、燃油恒溫系統(tǒng)、機油外循環(huán)冷卻系統(tǒng)、軸流風(fēng)機等輔助設(shè)備；AVL燃燒分析儀；集成式缸內(nèi)壓力傳感器，空燃比監(jiān)測儀，專門為電子增壓器準備的60 V-160 A規(guī)格穩(wěn)壓電源，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，以及發(fā)動機運行需要監(jiān)測的各個溫度和壓力傳感器，如圖2所示。

2.2 試驗發(fā)動機

試驗發(fā)動機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

博格華納48 V第2代電子增壓器主要技術(shù)參數(shù)：功率5 kW，最高轉(zhuǎn)速72 000 r/min，由怠速5 000 r/min提升至90%的最高轉(zhuǎn)速 （t90）的響應(yīng)速度為230 ms，瞬態(tài)功率最高可達6.2 kW，持續(xù)工作時功率為2.5 kW，具體參數(shù)詳見表2。

圖2 試驗樣機臺架布置及監(jiān)測點示意

表2 電子增壓器主要特性參數(shù)

2.3 試驗方案

在1 000～2 000 r/min低轉(zhuǎn)速段外特性穩(wěn)態(tài)工況下，研究電子增壓器對發(fā)動機性能的提升效果，對比渦輪增壓器單獨工作狀態(tài)下與渦輪增壓器和電子增壓器雙增壓協(xié)同工作狀態(tài)下的發(fā)動機性能。發(fā)動機最大扭矩限定為420 Nm，電子增壓器的壓比限值設(shè)定為1.5。

電子增壓器控制原則：保持電子增壓器持續(xù)功率為2.5 kW，供電電壓為36～54 V，極限轉(zhuǎn)速為72 000 r/min，以此作為電子增壓器長時間運轉(zhuǎn)邊界限值。利用電子增壓器控制模塊，通過手動調(diào)節(jié)來增加電子增壓器轉(zhuǎn)速，以提高電子增壓器的增壓壓力，同時配合調(diào)整點火提前角、增壓控制電磁閥占空比 （占空比越高，增壓器的廢棄旁通閥關(guān)閉角度越大，即提供的增壓壓力越大）、進排氣VVT角度等ECU控制參數(shù)。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 電子增壓器提升發(fā)動機低速扭矩

先確認渦輪增壓器單獨工作狀態(tài)時發(fā)動機性能及各ECU控制參數(shù)，然后同時調(diào)節(jié)電子增壓器和點火提前角，實現(xiàn)發(fā)動機扭矩的提升。當(dāng)發(fā)動機達到目標扭矩或電子增壓器壓比達到限值，且點火提前角調(diào)整至爆震臨界點時，停止調(diào)整。電子增壓器介入對發(fā)動機低速扭矩的影響結(jié)果，如圖3所示。圖3中A表示渦輪增壓器單獨工作的增壓壓力，B表示雙增壓協(xié)同工作的增壓壓力，C表示渦輪增壓器單獨工作的扭矩，D表示雙增壓協(xié)同工作的扭矩。由圖3可見，電子增壓器介入后低速扭矩改善明顯，其中1 000 r/min時的扭矩由原來的241 Nm提升至355 Nm，提升幅度達47.3%；1 200 r/min時的扭矩由原來的327 Nm提升至420 Nm，提升幅度達28.4%；1 500 r/min時的扭矩由原來404 Nm提升至420 Nm；2 000 r/min時的扭矩因僅渦輪增壓器工作就能達到420 Nm，故不進行對比。由此可見，電子增壓器對提升發(fā)動機低速扭矩效果明顯。

目前，在1 000 r/min及1 200 r/min時，電子增壓器功率及轉(zhuǎn)速未達到其極限值，其增壓壓力可進一步提升，說明電子增壓器具有進一步提升發(fā)動機動力的潛力。

3.2 電子增壓器壓比對發(fā)動機燃燒特性的影響

維持1 200 r/min的420 Nm不變，調(diào)整渦輪增壓器的廢棄旁通閥開度，降低渦輪增壓器增壓工作程度，由此可增加渦輪增壓器喘振余量；同時逐步加大電子增壓器的轉(zhuǎn)速，增加電子增壓器的壓比，研究不同的電子增壓器壓比對發(fā)動機燃燒特性的影響。

圖3 電子增壓器介入前后低速扭矩對比

通過提高電子增壓器的轉(zhuǎn)速和功率，來滿足增加其壓比的要求。電子增壓器電氣特性參數(shù)變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可見，當(dāng)電子增壓器壓比達到額定壓比1.5時，其轉(zhuǎn)速和功率相對限值仍有余量。

圖4 電子增壓器電氣特性參數(shù)

隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加，電子增壓器達到額定壓比1.5所需的轉(zhuǎn)速和功率將增加。發(fā)動機轉(zhuǎn)速提升至1 500 r/min、扭矩達到420 Nm、電子增壓器達到額定壓比時，電子增壓器的轉(zhuǎn)速為60 000 r/min，功率為2.36 kW@48 V。轉(zhuǎn)速和功率相比1 200 r/min時都有所增加。同理，發(fā)動機轉(zhuǎn)速不同，要達到相同的電子增壓器壓比，則隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加，對電子增壓器的轉(zhuǎn)速和功率需求也將逐步遞增。反之，在相同的電子增壓器轉(zhuǎn)速和功率情況下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速越低，電子增壓器可提供的壓比越大。

通過不斷降低渦輪增壓器的壓比，同時逐步增加電子增壓器壓比，來維持發(fā)動機的增壓壓力，并保持相同的進排氣VVT開度、點火提前角、空燃比 （lambda）等控制參數(shù)。發(fā)動機燃燒參數(shù)隨電子增壓器壓比變化的規(guī)律如圖5所示。由圖5可見，隨著電子增壓器壓比增加，發(fā)動機燃燒并未產(chǎn)生明顯變化。圖5中AI10、AI50和AI90分別表示缸內(nèi)燃料已燃燒完10%、50%和90%時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角 （°CA）。由于渦輪增壓器的增壓壓力逐步降低，致使渦輪增壓器廢棄旁通閥的開度增大，進而導(dǎo)致渦前壓力和溫度均有不同程度的降低，如圖6所示。

圖5 燃燒參數(shù)

圖6 渦前壓力及渦前溫度

由于進排氣VVT開度未變化，氣門重疊角依然為30°CA，電子增壓器的增壓壓力與渦輪增壓器前的壓力之間的壓差逐步增大，提升了掃氣效率，導(dǎo)致燃油消耗率增加，THC排放明顯增加，如圖7所示。

與此同時，充氣效率有明顯提升，且泵氣損失降低，如圖8所示。

圖7 燃油消耗率和THC排放

圖8 充氣效率和泵氣損失

4 進氣VVT對燃油耗影響的試驗

應(yīng)用電子增壓器后，發(fā)動機低速增壓壓力充足，可通過優(yōu)化進排氣VVT，減小氣門重疊角，降低掃氣效率，來達到降低燃油耗的目標。調(diào)整進氣VVT，將進氣開門啟分別滯后20°CA、40°CA，縮小進排氣門重疊角，研究掃氣效率對燃油消耗率的影響。依然通過雙增壓協(xié)同工作模式，改變電子增壓器壓比，確保發(fā)動機達到420 Nm性能。考慮早燃對發(fā)動機安全的影響，特選取1 500 r/min外特性工況點進行試驗。由于進氣門開啟相對滯后，導(dǎo)致充氣效率降低，需提高增壓壓力來滿足進氣量需求；同樣，泵氣損失也隨進氣門開啟相對滯后而明顯降低，掃氣效率降低，THC排放最大降幅達41%，如圖9所示。進氣門開啟滯后40°CA時，燃油消耗率最大降幅達23 g/（kW·h）。由于采用電子增壓器后，需重新調(diào)整進排氣VVT角度，以提升燃燒效率。進排氣門重疊角的變化將影響發(fā)動機低速早燃，故需要進行專項早燃試驗驗證。

圖9 THC排放和泵氣損失

5 結(jié)論

（1）電子增壓器能有效提升發(fā)動機低速扭矩。采用電子增壓器實現(xiàn)2次增壓，對缸內(nèi)燃燒無明顯影響，但對發(fā)動機的渦前壓力和溫度、燃油消耗率、THC排放、充氣效率、泵氣損失等有影響。

（2）應(yīng)用電子增壓器后，發(fā)動機低速增壓壓力充足，需優(yōu)化ECU控制參數(shù)，以提升燃燒效率，降低油耗。ECU控制參數(shù)中的進排氣門重疊角，其變化對發(fā)動機低速早燃有影響，需要針對性地進行早燃試驗研究。

（3）由于電子增壓器高速電機特性參數(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)，以實時監(jiān)控電子增壓器轉(zhuǎn)速、壓比、電壓、電流、冷卻溫度等特性參數(shù)。

（4）電子增壓器與渦輪增壓器的雙增壓協(xié)同工作模式將作為后續(xù)研究工作的重點。為了最大化地發(fā)揮雙增壓效果，控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用將成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。