Pankl渦輪系統(tǒng)公司與Federal-Mogul動力公司合作開發(fā)了一種用于48V汽車電路的電輔助渦輪增壓器（EAT），采用這種柔性增壓器系統(tǒng)的目標(biāo)是滿足現(xiàn)代動力總成開發(fā)的核心要求。本文用模擬和試驗臺試驗結(jié)果表明，其在降低燃油耗的同時提高了駕駛愉悅性。

1對增壓系統(tǒng)的要求

為了在提高行駛功率的同時降低燃油耗和廢氣排放，近年來已證實增壓技術(shù)與發(fā)動機(jī)小型化及低速化相組合是一種充滿潛力的方案，但是高增壓發(fā)動機(jī)在瞬態(tài)負(fù)荷工況下的缺陷往往會影響到該方案的實施。考慮到日益嚴(yán)格的廢氣排放法規(guī)，未來的發(fā)動機(jī)開發(fā)和增壓系統(tǒng)需采用新的方法。為了滿足該要求，作為傳統(tǒng)動力總成系統(tǒng)的升級版，混合動力系統(tǒng)得以推廣使用。目前用于中型汽車的4缸2.0 L汽油機(jī)的電輔助渦輪增壓器（EAT）以48 V汽車電路為研究目標(biāo)，并開發(fā)出了樣機(jī)。在該開發(fā)目標(biāo)下需在提高行駛動力性的同時降低燃油耗，該目標(biāo)已通過EAT與發(fā)動機(jī)相組合，得以實現(xiàn)。同時回收廢氣能量以提高整機(jī)效率也是該項目的開發(fā)目標(biāo)之一。通過對燃油耗試驗循環(huán)與真實行駛狀況的模擬，將EAT與競爭對手開發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行對比研究。

2電輔助渦輪增壓器的方案及其設(shè)計

在Pankl渦輪系統(tǒng)公司與Federal-Mogul動力公司合作開發(fā)出了EAT結(jié)構(gòu)系列方案,提供了較高的方案可選擇性,以此適應(yīng)用戶的使用需求。同時由于安裝較為簡便，因此除了可用于不同的驅(qū)動方式和發(fā)動機(jī)機(jī)型之外，還能實現(xiàn)動力裝置的混合動力化，并能適用于電壓≥48 V的汽車電路。圖1示出了EAT剖視圖。

圖1 EAT剖視圖

樣機(jī)的質(zhì)量取決于廢氣渦輪增壓器和電機(jī)，兩者約各占50%。在長度方面EAT有別于傳統(tǒng)的廢氣渦輪增壓器，在電機(jī)定子長度為100 mm的情況下廢氣渦輪增壓器長度僅為90 mm，而且能通過提高電機(jī)的功率密度進(jìn)一步改善其結(jié)構(gòu)空間和質(zhì)量。與附帶有電驅(qū)動壓氣機(jī)（EAV）的增壓系統(tǒng)相比，因其減少了部件數(shù)量從而具備緊湊性的優(yōu)勢。

電機(jī)及其附屬增壓器轉(zhuǎn)子質(zhì)量的集成提高了支承的復(fù)雜性，穩(wěn)定的支承系統(tǒng)會影響平衡過程的不平衡度和開發(fā)成本。所使用的混合軸承是新開發(fā)的，其特點(diǎn)是渦輪側(cè)帶有滑動軸承，而壓氣機(jī)側(cè)帶有由機(jī)油潤滑的雙排滾動軸承。由于將滾動軸承的剛性與滑動軸承的阻尼相組合，并成功地實現(xiàn)了一個穩(wěn)定的支承方案，該方案適用于傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓器的整個轉(zhuǎn)速范圍。EAT的冷卻水循環(huán)回路的尺寸不僅使內(nèi)燃機(jī)能在高達(dá)1 050 ℃的廢氣溫度下持續(xù)運(yùn)行，而且可使電極持續(xù)在最大負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)。該冷卻水系統(tǒng)的冷卻能力是在計算流體力學(xué)（CFD）和熱有限元法（FEM）計算基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計的，并在燃燒室試驗中進(jìn)行了驗證。

電機(jī)是按照使用的靜態(tài)和動態(tài)設(shè)計任務(wù)書為目標(biāo)而進(jìn)行設(shè)計的，并力圖達(dá)到盡可能高的功率質(zhì)量比，該目標(biāo)通過具有高頻涂層板、高銅含量的定子設(shè)計以及磁極偶數(shù)較少的永磁激勵同步電機(jī)而實現(xiàn)的，同時材料的選擇也考慮到該系統(tǒng)未來面臨的工業(yè)化生產(chǎn)。因為以48 V汽車電路為基礎(chǔ)進(jìn)行研究，功率仍被限制在20 kW，在最高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可提供連續(xù)運(yùn)行中的最大扭矩。

空氣動力學(xué)部件已針對EAT系統(tǒng)的內(nèi)部要求，對提高壓氣機(jī)級效率水平和改善泵吸極限的穩(wěn)定性進(jìn)行了優(yōu)化。針對其性能而言，渦輪級的設(shè)計要具有盡量小的慣性矩，并且無需電輔助就能穩(wěn)定地達(dá)到額定扭矩點(diǎn)，除此之外還包括渦輪級的優(yōu)化并提高廢氣能量回收，以便進(jìn)一步提高動力總成的效率。

3348V-EAT系統(tǒng)的分析評價

EAT的設(shè)計和分析評價分3步進(jìn)行，這樣就能對EAT的潛力進(jìn)行全面評估。此外，為了對各種不同的運(yùn)行策略進(jìn)行試驗研究，還要對各種不同的增壓方案進(jìn)行比較評估。除了傳統(tǒng)的廢氣渦輪增壓和EAT之外，還需要研究渦輪增壓器附加電驅(qū)動壓氣機(jī)。而動力裝置低速化則可作為降低燃油耗的基本措施一并開展試驗，其中電輔助可用于改善動態(tài)特性，以此發(fā)動機(jī)的低速化才不會影響到車輛的行駛性能。但需注意的是，隨著EAT的慣性增大，首先會使動態(tài)性能方面產(chǎn)生缺陷，需要由電機(jī)來進(jìn)行超額補(bǔ)償，同時要從原理上對廢氣能量回收的潛力予以評估。

基礎(chǔ)工作是根據(jù)發(fā)動機(jī)邊界條件進(jìn)行測量或與從CFD計算得到的廢氣渦輪增壓器特性曲線場進(jìn)行匹配,以此能得出關(guān)于增壓系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的結(jié)論。在該步驟中對采用的空氣動力學(xué)部件進(jìn)行確認(rèn)，還需考慮到關(guān)于電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性的邊界條件。為了評估增壓系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)的協(xié)同工作效果，可借助于1D發(fā)動機(jī)工作過程模擬來全面評估EAT的潛力。

除了考察穩(wěn)態(tài)下全負(fù)荷曲線和發(fā)動機(jī)特性曲線場之外，還要通過在轉(zhuǎn)速保持恒定不變情況下的負(fù)荷突變對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)評價。圖2示出了3種不同增壓系統(tǒng)在3 000 r/min轉(zhuǎn)速下瞬態(tài)負(fù)荷的建立狀況以及達(dá)到90%最大扭矩的時間。EAT因電機(jī)提供的高驅(qū)動力矩而具有顯著優(yōu)勢，并可使車輛處于加速狀態(tài)。不僅如此，幾乎在所有時刻，其轉(zhuǎn)速都可保持穩(wěn)定，以此有效改善了車輛的機(jī)動性和動態(tài)性能。

圖2 用于廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的

瞬態(tài)負(fù)荷突變特性

下一個步驟是在新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）、全球統(tǒng)一的輕型車行駛循環(huán)（WLTP）和真實行駛排放（RDE）等實際行駛循環(huán)中考察整個動力總成系統(tǒng)。為了評價整個動力總成系統(tǒng)的動態(tài)行駛性能，進(jìn)行汽車加速性能模擬。除了考察牽引能力（80～120 km/h）之外，還包括研究從停車開始的加速性能（0～100 km/h）。在該方面，將無法實現(xiàn)低速化的常規(guī)渦輪增壓系統(tǒng)作為比較基準(zhǔn)。電氣化增壓系統(tǒng)因受動態(tài)負(fù)荷的影響會使其工作速度加快7%或者10%，并且可以實現(xiàn)低速化，同時不會帶來牽引特性方面的缺陷。與傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)相比，EAT在實際行駛條件下能獲得0.23 L/100 km的燃油耗優(yōu)勢，這相當(dāng)于CO2排放降低了5.3 g/km，同時0～100 km/h的加速時間可縮短0.5s。這些結(jié)果都示于圖3。

圖3 EAT與低速化相結(jié)合在加速性和

燃油耗方面的優(yōu)勢

憑借不同試驗場合下的有效比燃油耗就可觀察到廢氣能量回收的潛力。借助于考察系統(tǒng)中的熱量回收功率，通過熱量回收就能降低燃油耗。在實際行駛條件下，發(fā)動機(jī)在正常運(yùn)行時通過廢氣能量回收即可提高整機(jī)效率，而在發(fā)動機(jī)高負(fù)荷工況范圍內(nèi)就能觀測到該系統(tǒng)在燃油經(jīng)濟(jì)性方面的顯著優(yōu)勢。為了減小對發(fā)動機(jī)換氣的負(fù)面影響，通過調(diào)節(jié)廢氣放氣閥將氣缸背壓p3限制在0.2～5 MPa。針對廢氣能量回收，通過優(yōu)化相關(guān)空氣動力學(xué)部件就可進(jìn)一步改善熱量回收的效果，其試驗結(jié)果示于圖4。

圖4 通過回收廢氣能量

降低有效比燃油耗

4熱燃?xì)庠囼炁_試驗

EAT的試驗研究在熱燃?xì)庠囼炁_上進(jìn)行，其中除了閉環(huán)測試壓氣機(jī)和擴(kuò)展的渦輪特性曲線之外，還需持續(xù)運(yùn)行以驗證機(jī)械和電氣部件的工作能力。系統(tǒng)在高達(dá)1 050 ℃的熱力學(xué)和電氣全負(fù)荷條件下持續(xù)運(yùn)行。為了控制電機(jī)而采用了蓄電池模擬器和48V高頻逆變器，其中除了系統(tǒng)動態(tài)性能之外，還要通過試驗驗證其熱量回收的潛力。在全負(fù)荷運(yùn)行條件下要始終遵守所有對運(yùn)行具有重要意義的溫度極限，無論是軸承部件還是電機(jī)都不能過熱。其試驗結(jié)果示于圖5（圖中電動機(jī)-發(fā)電機(jī)單元（MGU）。

圖5 電輔助應(yīng)用范圍和相應(yīng)的加速性和

熱量回收試驗結(jié)果

此外，為檢驗其工作能力，還對轉(zhuǎn)子動態(tài)特性和軸承的機(jī)械性能進(jìn)行了諸多試驗。通過軸軌跡和加速性測試來評價和驗證軸承系統(tǒng)的功能，即使在共振條件下系統(tǒng)仍能處于穩(wěn)定狀態(tài)（圖6）。

圖6 機(jī)械驗證結(jié)果（轉(zhuǎn)子動態(tài)特性）

5結(jié)論和展望

介紹了EAT技術(shù)開發(fā)，并給出了系統(tǒng)方案和設(shè)計的概況，與競爭對手的系統(tǒng)相比，EAT在改善動態(tài)特性的同時降低了燃油耗，該軸承系統(tǒng)可靈活地進(jìn)行方案調(diào)整并適用于各種不同的應(yīng)用場合。除了壓氣機(jī)和渦輪級的標(biāo)準(zhǔn)用途之外，還能在具有48～800 V電壓的混合動力領(lǐng)域以及在電功率為40 kW的汽車電路中作為電機(jī)輔助驅(qū)動。該系統(tǒng)的最大潛力在于集成了電機(jī)，并具備相應(yīng)的靈活性。因此，按照該系統(tǒng)的配置，通過優(yōu)化控制能量流動就能使內(nèi)燃機(jī)針對不同運(yùn)行工況而采取各種不同的運(yùn)行策略。在此處所介紹的方案已通過模擬評價了其在一種中級運(yùn)動型汽車上的應(yīng)用效果，并在熱燃?xì)庠囼炁_上通過穩(wěn)態(tài)全負(fù)荷條件和動態(tài)加速試驗驗證了EAT的功能，證實了該系統(tǒng)在熱力學(xué)、熱管理和機(jī)械動力學(xué)方面的工作能力以及電氣化功能，從而確認(rèn)了其在所有工況范圍內(nèi)與模擬計算結(jié)果具有良好的一致性。結(jié)論為EAT與動力總成系統(tǒng)低速化相結(jié)合，實現(xiàn)了提升動力性能與降低燃油耗的目標(biāo)。