基于中型柴油機(jī)的電動(dòng)增壓技術(shù)研究

殷 勇，米 嬌，趙艷婷，劉子豪，李 平

（1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海201804；2.東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，武漢430056）

0 概述

日益嚴(yán)格的環(huán)保政策和油耗法規(guī)對(duì)商用車提出了越來越高的要求，商用車要在2025年達(dá)到國(guó)際先進(jìn)的碳排放水平，需要柴油機(jī)在降低顆粒物（particulate matter，PM）和NOx排放的同時(shí)提高燃油經(jīng)濟(jì)性，這對(duì)柴油機(jī)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)［1-2］。為了滿足未來車輛的市場(chǎng)需求，隨著48 V 汽車電路的推廣及蓄電池和電機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，在進(jìn)一步研發(fā)高效清潔發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率提升技術(shù)的同時(shí)，柴油機(jī)電動(dòng)化、混合動(dòng)力化技術(shù)也成為節(jié)能減排的重要技術(shù)路徑［3-4］。

現(xiàn)有傳統(tǒng)柴油機(jī)主要通過渦輪增壓技術(shù)提升內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣量。渦輪增壓系統(tǒng)中，大氣通過渦輪增壓器的壓氣機(jī)增壓后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)中冷器，冷卻后的增壓氣體進(jìn)入氣缸進(jìn)行燃燒做功，做功后的廢氣通過排氣歧管進(jìn)入渦輪機(jī)膨脹做功同時(shí)帶動(dòng)增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)，最終通過后處理系統(tǒng)排出［5］。常見的渦輪增壓器主要有固定截面增壓器（fixed gate turbocharger，F(xiàn)GT）、廢氣旁通閥式增壓器（waste gate turbocharger，WGT）和可變截面式增壓器（variable geometry turbocharger，VGT）3 種。FGT 通常是不可調(diào)控的增壓器；WGT 主要由壓氣機(jī)壓力控制旁通閥的開啟與關(guān)閉，當(dāng)壓力太大時(shí)部分發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣需要通過旁通閥排出；VGT 主要通過噴嘴環(huán)位置在打開與關(guān)閉之間無限制地變化使得渦流流道出口面積、增壓壓力等實(shí)現(xiàn)可調(diào)［6］。

渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)決定了其不可能同時(shí)兼顧低速工況和高速工況，采用WGT 時(shí)為了改善發(fā)動(dòng)機(jī)的低速性能，必須使用更小的蝸殼來提高低速工況的空燃比，而在高速工況時(shí)為了避免增壓器超速和發(fā)動(dòng)機(jī)最高燃燒壓力超限需要打開旁通閥進(jìn)行放氣。VGT 低速性能略優(yōu)于WGT，但為了同時(shí)匹配低速與高速工況，選型時(shí)需要折中考慮。機(jī)械式渦輪增壓器都存在低速性能折中和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性較差的問題［7］。

電輔助增壓技術(shù)主要包括電動(dòng)壓氣機(jī)（electrical boost，E-boost）、電輔助渦輪增壓器（electrical turbo，E-turbo）和電子復(fù)合渦輪機(jī)等。E-boost 技術(shù)通常與常規(guī)增壓器一起使用［8-9］，布置在常規(guī)渦輪增壓器的上游或下游，在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速下提高增壓壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)響應(yīng)，無形中消除了渦輪遲滯現(xiàn)象［10-11］。在高轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)盡可能由常規(guī)渦輪增壓器承擔(dān)增壓任務(wù)，此時(shí)E-boost 借助于自行調(diào)節(jié)的旁通閥實(shí)現(xiàn)旁通功能。通過集成的電子器件、發(fā)動(dòng)機(jī)的合適選擇及相應(yīng)匹配設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及噪聲—振動(dòng)—平順性（noisevibration-harshness，NVH）達(dá)到良好匹配［12-13］。

本文中基于量產(chǎn)中型柴油機(jī)平臺(tái)和已有電動(dòng)壓氣機(jī)平臺(tái)開展了電動(dòng)增壓系統(tǒng)基于傳統(tǒng)柴油機(jī)的仿真分析［14］，對(duì)柴油機(jī)電動(dòng)化的性能影響和產(chǎn)品匹配展開初步研究［15］，然后基于該中型機(jī)的混合動(dòng)力平臺(tái)，針對(duì)典型的混動(dòng)工況進(jìn)行了電動(dòng)增壓混合動(dòng)力化的技術(shù)研究，為進(jìn)一步的整機(jī)系統(tǒng)匹配、臺(tái)架測(cè)試和道路試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

1 原機(jī)標(biāo)定

以某排量5 L 中型柴油機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行原機(jī)標(biāo)定，該柴油機(jī)基本技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)用中型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

基于該發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)，通過發(fā)動(dòng)機(jī)一維性能過程仿真軟件建立了一維仿真模型，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了原機(jī)校核，標(biāo)定結(jié)果見圖1。標(biāo)定結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差在5% 以內(nèi)。

圖1 原機(jī)試驗(yàn)值與仿真模型計(jì)算值的結(jié)果對(duì)比

2 電動(dòng)壓氣機(jī)

電動(dòng)壓氣機(jī)主要由壓氣機(jī)和高速電機(jī)組成，本研究所用電動(dòng)壓氣機(jī)樣件見圖2。電動(dòng)增壓技術(shù)主要是利用高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，電動(dòng)壓氣機(jī)具有補(bǔ)氣作用且響應(yīng)快速，使發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)能夠無滯后增壓。如果與電動(dòng)增壓器并聯(lián)一個(gè)旁通閥，可以避免非增壓工況時(shí)的節(jié)氣損失［16］。

圖2 電動(dòng)壓氣機(jī)樣件

電動(dòng)壓氣機(jī)與渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的布置形式主要分為并聯(lián)式、串聯(lián)前置式、串聯(lián)后置式3 種，如圖3所示。

圖3 電動(dòng)壓氣機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的布置形式

3 基于柴油機(jī)平臺(tái)的電動(dòng)壓氣機(jī)布置形式研究

3.1 并聯(lián)式電動(dòng)增壓

搭建并聯(lián)式電動(dòng)增壓系統(tǒng)的一維性能仿真模型如圖4 所示。為了探索原機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的提升潛力，調(diào)整增壓器的壓比和調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量及空燃比，對(duì)比電動(dòng)壓氣機(jī)與渦輪增壓器壓氣機(jī)并聯(lián)布置后最大功率轉(zhuǎn)矩、制動(dòng)燃油消耗率（brake specific fuel consumption，BSFC）及低速轉(zhuǎn)矩的提升情況。

圖4 并聯(lián)式電動(dòng)增壓系統(tǒng)模型

并聯(lián)式電動(dòng)增壓仿真結(jié)果見圖5。由圖5 可知，并聯(lián)布置對(duì)轉(zhuǎn)矩有提升作用，低速轉(zhuǎn)矩最大提升9%，進(jìn)氣量改善42%，不考慮電機(jī)消耗功率時(shí)BSFC 可改善9%，考慮電機(jī)消耗功率時(shí)BSFC 惡化10%。

圖5 并聯(lián)電動(dòng)增壓系統(tǒng)與原機(jī)轉(zhuǎn)矩、進(jìn)氣量和比油耗對(duì)比

考慮到未來電動(dòng)化技術(shù)的拓展，電機(jī)可使用制動(dòng)功率回收發(fā)電、余熱回收發(fā)電的電能，因此評(píng)估電動(dòng)增壓系統(tǒng)對(duì)油耗的改善程度時(shí)可暫不考慮電機(jī)消耗功率。

電動(dòng)壓氣機(jī)和渦輪增壓器壓端脈譜如圖6 所示。由圖6 可知，電動(dòng)壓氣機(jī)的最大流量?jī)H為壓氣機(jī)最大流量的1/2，最大壓比約為壓氣機(jī)的3/4。

圖6 電動(dòng)壓氣機(jī)和壓氣機(jī)脈譜對(duì)比

高速工況時(shí)，并聯(lián)布置下兩個(gè)壓氣機(jī)的進(jìn)出口壓力一樣，但流量和壓比范圍相差較大，會(huì)導(dǎo)致流量和壓比在壓氣機(jī)脈譜范圍內(nèi)時(shí)，E-boost 由于與壓氣機(jī)壓比相同，會(huì)運(yùn)行在E-boost 的脈譜范圍以外。

同時(shí)，通過兩個(gè)壓端流量判斷可知，高速工況下E-boost 沒有流量通過，E-boost 沒有工作，相當(dāng)于原機(jī)的布置結(jié)構(gòu)，此時(shí)并聯(lián)布置電動(dòng)增壓系統(tǒng)動(dòng)力性潛力與原機(jī)增壓器相同而與電動(dòng)壓氣機(jī)無關(guān)。

低速工況下，E-boost 流量在脈譜范圍內(nèi)，壓比超過范圍，可嘗試通過調(diào)整電機(jī)功率降低壓比。圖7 為將電機(jī)功率由10 kW 逐漸降低時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和比油耗變化趨勢(shì)的仿真結(jié)果。電機(jī)功率對(duì)轉(zhuǎn)矩和比油耗的影響是：電機(jī)功率越大則提升轉(zhuǎn)矩潛力越大，比油耗也越優(yōu)。即使調(diào)小電機(jī)功率，并聯(lián)布置對(duì)E-boost 來說壓比仍然過大，低速工況下E-boost 即便處于可工作的流量范圍，壓比仍不滿足MAP 需求。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和油耗隨電機(jī)功率變化而變化的趨勢(shì)

綜上，并聯(lián)布置下電動(dòng)壓氣機(jī)僅在低速工況下工作，高速工況電動(dòng)壓氣機(jī)不工作，原機(jī)動(dòng)力性得不到提升；低速工況下需要電動(dòng)壓氣機(jī)與渦輪增壓器具有相同壓比，但實(shí)際電動(dòng)壓氣機(jī)比渦輪增壓器壓比范圍小，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際工作運(yùn)行線偏離電動(dòng)壓氣機(jī)脈譜導(dǎo)致無法工作。因此，并聯(lián)布置雖然布置相對(duì)簡(jiǎn)單，但需要與渦輪增壓器大小相似的電動(dòng)壓氣機(jī)，且兩者必須重新匹配才能達(dá)到最優(yōu)效果。

3.2 串聯(lián)式電動(dòng)增壓

串聯(lián)式電動(dòng)增壓的一維性能仿真模型見圖8。根據(jù)電動(dòng)壓氣機(jī)與壓氣機(jī)的位置關(guān)系，串聯(lián)式電動(dòng)增壓可分為串聯(lián)前置式和串聯(lián)后置式兩種。為了保證電動(dòng)壓氣機(jī)的水冷溫度不超過限值，在后置布置中壓氣機(jī)后端增加電動(dòng)壓氣機(jī)的中冷器。另外，加入了具有旁通閥開關(guān)的旁通管路以保證電動(dòng)壓氣機(jī)不工作狀態(tài)下的安全性。為了探索對(duì)原機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的提升潛力，通過調(diào)整增壓器的壓比、調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量及空燃比和調(diào)整旁通閥的開關(guān)，對(duì)比分析電動(dòng)壓氣機(jī)與渦輪增壓器壓氣機(jī)串聯(lián)前置和串聯(lián)后置對(duì)最大功率轉(zhuǎn)矩、經(jīng)濟(jì)性及低速轉(zhuǎn)矩的提升潛力。

圖8 串聯(lián)式電動(dòng)增壓系統(tǒng)模型

兩種串聯(lián)式電動(dòng)增壓的轉(zhuǎn)矩、進(jìn)氣量和BSFC仿真結(jié)果對(duì)比如圖9 所示。由圖9 可知：串聯(lián)前置下低速轉(zhuǎn)矩提升13%，進(jìn)氣量提升44%，若不考慮電機(jī)消耗功率BSFC 可改善12%，考慮電機(jī)消耗功率則油耗惡化5%；串聯(lián)后置下轉(zhuǎn)矩提升11%，進(jìn)氣量提升37%，不考慮電機(jī)消耗功率時(shí)BSFC 可改善11%，考慮電機(jī)消耗功率則油耗惡化7%。

圖9 不同串聯(lián)形式的電動(dòng)增壓系統(tǒng)與原機(jī)轉(zhuǎn)矩、進(jìn)氣量和比油耗對(duì)比

串聯(lián)前置布置下打開和關(guān)閉旁通閥時(shí)，配有電動(dòng)壓氣機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的不同進(jìn)氣狀態(tài)對(duì)比如圖10 所示，圖中紅色箭頭部分為進(jìn)氣流動(dòng)位置和方向。串聯(lián)前置布置下旁通閥打開時(shí)，壓氣機(jī)位于E-boost和旁通管路的后端，具有抽氣作用，E-boost 流量不足的部分由旁通管路補(bǔ)氣。圖11 為串聯(lián)前置布置形式下旁通閥關(guān)閉、串聯(lián)前置旁通閥打開、串聯(lián)后置及原機(jī)的功率與進(jìn)氣量的對(duì)比圖。由圖11 可知，在旁通閥關(guān)閉時(shí)，旁通管路不能發(fā)揮補(bǔ)氣作用，E-boost 流量范圍不足，無法達(dá)到增壓器需求的進(jìn)氣量，會(huì)導(dǎo)致1 200 r/min 以上的中高速工況進(jìn)氣量不足，從而造成功率不足。因此1 200 r/min 以上工況需要打開旁通閥，并關(guān)閉電機(jī)使E-boost 不工作，即中高速與原機(jī)狀態(tài)一致。

圖10 串聯(lián)前置式的旁通閥打開和關(guān)閉下電動(dòng)增壓系統(tǒng)的進(jìn)氣狀態(tài)對(duì)比

圖11 串聯(lián)前置式旁通閥關(guān)閉時(shí)與串聯(lián)前置、串聯(lián)后置及原機(jī)的功率與進(jìn)氣量對(duì)比

串聯(lián)后置布置下，對(duì)比旁通閥開和關(guān)兩種狀態(tài)。旁通閥開和關(guān)狀態(tài)下，因?yàn)镋-boost 后的壓力大于E-boost 前的壓力，旁通管路無進(jìn)氣流通，只有E-boost不工作時(shí)進(jìn)氣從旁通管路流入發(fā)動(dòng)機(jī)中冷器，這時(shí)相當(dāng)于只有增壓器單獨(dú)工作的原機(jī)。

4 混動(dòng)工況下電動(dòng)增壓研究

若電動(dòng)壓氣機(jī)的電機(jī)功率消耗來源于發(fā)動(dòng)機(jī)，BSFC 相比原機(jī)則會(huì)惡化，而在混動(dòng)車輛平臺(tái)中應(yīng)用電動(dòng)壓氣機(jī)可充分利用電能。因此研究了電動(dòng)增壓系統(tǒng)基于混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)輸工況下的性能影響［17-18］，選取該中型機(jī)混動(dòng)車輛常用的行駛工況進(jìn)行研究，如圖12 所示。

圖12 不同混動(dòng)工況下的轉(zhuǎn)矩占比

選取轉(zhuǎn)矩占比較大的3 個(gè)典型工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)重新進(jìn)行了模型的標(biāo)定，然后選取串聯(lián)布置形式（包括串聯(lián)前置和串聯(lián)后置）進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如圖13 所示。由圖13 可知，采用兩種串聯(lián)布置形式時(shí)功率和轉(zhuǎn)矩均可達(dá)到原機(jī)水平。不考慮電機(jī)消耗功率，后置優(yōu)于前置，BSFC 最多優(yōu)化11%。3 個(gè)工況均為部分負(fù)荷工況，不存在增壓器超速問題及最高燃燒壓力超限問題。串聯(lián)后置時(shí)電動(dòng)壓氣機(jī)效率更高，串聯(lián)前置時(shí)渦輪增壓器效率更高。

圖13 混動(dòng)工況電動(dòng)增壓仿真結(jié)果

5 結(jié)論

（1）基于某量產(chǎn)中型柴油機(jī)平臺(tái)對(duì)電動(dòng)增壓并聯(lián)布置、串聯(lián)前置布置和串聯(lián)后置布置形式下電動(dòng)增壓系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響進(jìn)行的研究表明：采用并聯(lián)式電動(dòng)增壓系統(tǒng)可使低速轉(zhuǎn)矩最多提升9%，進(jìn)氣量改善42%，BSFC 改善9%，但并聯(lián)布置時(shí)需要與渦輪增壓器大小相似的電動(dòng)壓氣機(jī)結(jié)合使用并重新匹配才能達(dá)到最優(yōu)效果。串聯(lián)前置時(shí)可使低速轉(zhuǎn)矩提升13%，進(jìn)氣量提升44%，BSFC 改善12%；串聯(lián)后置時(shí)轉(zhuǎn)矩提升11%，進(jìn)氣量提升37%，BSFC 可改善11%。但串聯(lián)后置須另加中冷造成成本增加，且電動(dòng)壓氣機(jī)僅工作在低速工況以提升轉(zhuǎn)矩和優(yōu)化油耗，高速時(shí)需要進(jìn)一步優(yōu)化匹配原機(jī)渦輪增壓器。

（2）基于混動(dòng)平臺(tái)對(duì)電動(dòng)增壓串聯(lián)前置布置和串聯(lián)后置布置形式下的電動(dòng)增壓系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響進(jìn)行的研究表明：典型混動(dòng)工況下，功率和轉(zhuǎn)矩均可達(dá)到目標(biāo)水平，串聯(lián)后置優(yōu)于串聯(lián)前置，比油耗最多優(yōu)化11%，后置時(shí)電動(dòng)壓氣機(jī)效率更高，前置時(shí)渦輪增壓器效率更高。現(xiàn)有電動(dòng)增壓系統(tǒng)的匹配方案仍有優(yōu)化空間。