電子增壓器在渦輪增壓發動機上的匹配應用及性能研究

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中心，河北省汽車工程技術研究中心，保定071000）

0 引言

隨著對環境保護和能源利用的要求日益嚴苛，目前汽車制造商通過開發小型化增壓發動機，排量為1.0～2.0 L取代更大排量的自然吸氣發動機。然而渦輪增壓器的響應遲滯，直接影響發動機的低速動力快速響應性能[1]。采用電子增壓器與渦輪增壓器協同工作，可以消除渦輪增壓器的響應遲滯，能顯著改善發動機的加速響應性，提升低速動力性，并且能提升原有功率，降低車輛的燃油耗和污染物排放。電子增壓器帶來的降油耗和降排放的效果可以有效地幫助汽車制造商應對嚴苛的油耗法規和國六排放法規，且具有顯著的改善效果[2]。

1 電子增壓器基本結構

電子增壓器基本結構與渦輪增壓相似，只是采用電機替代渦輪機，壓氣機與電機同軸，對空氣進行壓縮，實現快速增壓。電子增壓器主要由高速電機、離心壓氣機、電控單元等部件組合而成[3]。依據正常工作時間等級可分為連續增壓、短暫增壓2種增壓情況。

高速電機主要分為永磁同步電機、開關磁阻電機、交流異步電機，由外接電源驅動[4]。不同類型電機對比見表1。

表1 電機特性參數

依據發動機增壓壓力要求，匹配電子增壓器的壓氣機參數。電子增壓器冷卻系統冷卻能力和電力系統供電能力需與電機相匹配，按照電機特性參數和邊界條件嚴格控制。電子增壓器特性參數匹配項目見表2。

表2 電子增壓器特性參數項目

電子增壓器采用電機驅動增壓，電機驅動系統須嚴格控制冷卻溫度。在滿足溫度條件下，電子增壓器由怠速5 000 r/min提升至90%的最高轉速（t90）的響應速度可以達到200 ms，響應速度遠遠快于渦輪增壓器，且其最高轉速相當于2.0 L渦輪增壓發動機1 800 r/min時的渦輪增壓轉速，壓比達到1.5以上，能夠提供更高增壓壓力，最終實現快速增壓。

2 電子增壓器優勢

利用電子增壓器快速響應的驅動特性，提高發動機的瞬態加速響應性。相對傳統的渦輪增壓發動機采用掃氣來提升低速大負荷區域增壓壓力，進而提升低速扭矩的情況，電子增壓器可以在降低掃氣的情況下繼續提高增壓壓力，從而達到相同的扭矩目標，甚至超越原扭矩目標，如圖1所示。采用電子增壓器可以降低排氣壓力，減少缸內殘余廢氣，弱化爆震傾向，改善燃燒效率。根據電子增壓器安裝布置形式差異，電子增壓器可提高渦輪增壓器的基礎進氣壓力，或基于渦輪增壓器的增壓壓力，實現再次增壓，達到2次增壓的效果。利用增壓控制模式多樣化，可實現渦輪增壓器或電子增壓器單獨增壓模式，或兩者協同增壓模式。

電子增壓器安裝布置自由度高，適用于汽油機、柴油機、混合動力等。

圖1 電子增壓器增壓效果

3 電子增壓器安裝布置

電子增壓器和渦輪增壓器采用串聯模式進行設計，布置設計時需考慮以下因素。

（1）電子增壓器與進氣歧管的距離對瞬態響應性能的影響。電子增壓器安裝位置越靠近進氣歧管，瞬態響應性越好。

（2）電子增壓器位于渦輪增壓器上游或下游布置形式對電子增壓器基礎進氣壓力要求、增壓壓力、熱負荷的影響[5]。若電子增壓器安裝在渦輪增壓器下游，因經渦輪增壓器增壓后的高溫氣體進入電子增壓器進行2次增壓，與布置在渦輪增壓器上游方式相比，電子增壓器需要承載更高的熱負荷。

（3）可靠性影響。考慮進入電子增壓器的壓縮空氣成分對壓氣機的腐蝕，尤其對于采用低壓廢氣再循環 （EGR）技術的發動機，其含有廢氣成分的進氣進入電子增壓器，容易腐蝕電子增壓器的壓氣機葉輪和殼體。

電子增壓器主要有3種安裝布置形式：在渦輪增壓器上游，在渦輪增壓器下游，在中冷器下游，如圖2所示。3種安裝布置形式的差異對比見表3。

圖2 電子增壓器安裝布置示意圖

表3 電子增壓器不同安裝布置形式的差異對比

電子增壓器的安裝要求如下：長期的可靠性試驗或安裝在車輛上使用時，考慮冷凝因素，電機軸向應傾斜一定角度，避免冷凝再循環廢氣在定子殼體處聚集；冷卻液管路應位于最高位置，以排出冷卻液內的空氣；發動機停機后，仍需保持水泵電機運行，使冷卻液繼續對電子增壓器的電機進行冷卻，直至其殼體周圍溫度≤105℃[6]。

4 電子增壓器增壓控制

電子增壓器依據車輛駕駛工況和環境，與渦輪增壓器協同工作。采用不同增壓控制模式，提升發動機全MAP（脈譜）動力性能。如圖3所示，電子增壓器應用區域主要分為3個。區域1，節氣門未完全開啟，無需增壓；區域2，瞬態加速響應區域，電子增壓器快速介入增壓控制，并與渦輪增壓器增壓壓力動態過渡；區域3，低速性能提升區域。

4.1 電子增壓器增壓控制模式

以渦輪增壓器下游位置的安裝布置形式為基礎，說明電子增壓器增壓控制模式。

小負荷工況，即節氣門未完全開啟的工況，通過調節節氣門開度來控制進氣量。在節氣門將全開和渦輪增壓器剛開始介入的過渡階段，采用電子增壓器和渦輪增壓器協同增壓的控制策略。

圖3 電子增壓器應用工況范圍

低速大負荷 （含外特性）或急加速工況，利用電子增壓器快速響應實現增壓壓力建立，改善傳統渦輪增壓器的響應遲滯，提升加速響應性和低速外特性最大扭矩。電子增壓器進氣路線見圖4。

圖4 電子增壓器進氣示意圖

中等轉速大負荷，電子增壓器與渦輪增壓器協同工作，達到期望的增壓壓力。協同進氣路線見圖5。

圖5 協同增壓進氣示意圖

中高轉速工況，電子增壓器增壓效果不顯著，且存在電機溫度超限值風險，而渦輪增壓器增壓能力充足，且增壓效率高，所以電子增壓器應停止工作，由渦輪增壓器單獨工作。

穩態工況，為減少電子增壓器的功率消耗，應盡可能通過渦輪增壓器來建立增壓壓力。另外，若考慮增壓控制過渡的平順性，則電子增壓器的壓氣機運行線與渦輪增壓器的壓氣機運行線，需有一定的重疊區。

4.2 電子增壓器增壓效果評價

電子增壓器工作從本質而言是通過電能轉化為機械能，帶動壓氣機工作，從而提高增壓壓力，增加進氣量。電子增壓器的電能可分為2部分，一部分為壓縮空氣而消耗的電能；另一部分為發動機部分負荷時，電子增壓器利用其壓氣機兩端的壓力差進行發電。因此，計算車輛燃油耗需時，需要考試這部分發出的電能。

對于電子增壓器，首先需從加速響應性進行評價，確認其瞬態扭矩曲線斜率，評估車輛駕駛性。具體評價方法可參考AVL公司扭矩斜率 （TTT）標準，采用發動機在瞬態加速扭矩變化曲線斜率評估車輛動力加速性。因進氣量的增加，低速扭矩將顯著提升，見圖1。

電子增壓器根據發動機進排氣凸輪型線等硬件的性能參數及ECU控制參數 （進、排氣相位，噴油相位等）的差異，達到相同動力性能 （相同轉速、相同扭矩）時，采用不同渦輪增壓器與電子增壓器的控制模式，隨電子增壓器介入程度的不同，其將影響發動機的燃燒特性，從而輸出不同的油耗和排放結果。比如，僅不同的進氣相位差異對油耗和早燃將產生很大影響。

5 系統匹配

電子增壓器應用不僅僅是簡單的裝配和使用，還需要與車輛及發動機進行系統匹配。

5.1 進氣系統

依據電子增壓器的布置，重新設計發動機的進氣系統，增加旁通管路，既要保證圖3電子增壓器應用工況范圍中區域1非增壓模式 （渦輪增壓器廢氣旁通閥完全打開）和渦輪增壓器單獨工作的進氣系統性能，又要兼顧電子增壓器與渦輪增壓器協同工作的氣體流通性。可利用進氣管路的CFD仿真分析，重新設計進氣管路、進氣歧管、進氣道，并結合1維發動機性能仿真分析，重新優化發動機進排氣凸輪型線。

5.2 渦輪增壓器

電子增壓器與渦輪增壓器協同工作時，相互作用、相互影響。電子增壓器主要負責加速響應性及低速動力性的提升，渦輪增壓器則負責高速動力性。相比渦輪增壓器單獨增壓的增壓系統，需要兼顧高、低速增壓性能要求，電子增壓器的應用，降低了渦輪增壓器的低速增壓性能要求，渦輪增壓器主要側重于提升高速動力性。因此，需重新匹配渦輪增壓器，以達到渦輪增壓器最優性能；并且需對增壓控制過渡階段進行優化，以便能夠實現二者之間的平穩切換。同時，根據表3電子增壓器不同安裝布置形式的差異對比分析，渦輪增壓器無論為電子增壓器提供基礎進氣壓力，或者負責實現最終的增壓壓力，渦輪增壓器的低速增壓性能依然需要滿足最低要求。

5.3 系統冷卻能力

因電子增壓器需對高速電機進行專項冷卻，以保證控制系統的穩定性，因此不同電機冷卻要求略有差別，但最終都增加了車輛原有冷卻系統的負擔。同時，因增壓壓力的提升，從而帶來新增的進氣量冷卻需求；此外，發動機性能的提升，使燃燒熱負荷增加，排氣溫度和排氣流量對排氣歧管的熱交換量增加，都對冷卻系統提出更加苛刻的要求。

5.4 曲柄連桿機構

發動機性能的提升，燃燒特性的變化，導致爆發壓力提高，曲柄連桿機構的強度需要重新校核或加強。此外，活塞燃燒室形狀、壓縮比和潤滑系統也需要重新分析或改進。

5.5 NVH性能

因電子增壓器介入發動機進氣增壓過程，相當于增加了新的噪聲源，需要針對增壓系統的NVH性能進行專項優化。電子增壓器的壓氣機主要噪聲同渦輪增壓器壓氣機，包括氣流噪聲、次同步噪聲、同步振動噪聲、同步壓力脈動噪聲、諧波噪聲、葉片脈沖噪聲等。電子增壓器單獨工作，其噪聲與渦輪增壓器單獨工作相當。但協同工作時噪聲值將明顯提升，可采用隔音材料包裹電子增壓器的方式降低噪聲。

6 結論

（1）電子增壓器能提升加速響應性和低速動力性，滿足增壓小型化發動機動力需求，但在中高轉速區域對提升動力性能并無改善。

（2）由于電子增壓器高速電機特性參數及邊界條件的特殊性，需專項開發電子增壓器控制系統、供電系統、冷卻系統，實時監控轉速、壓比、電壓、電流、冷卻溫度等特性參數。

（3）3種不同的安裝布置形式各有優劣，需綜合車輛需求評價選取。

（4）車輛及發動機系統需結合電子增壓器應用的效果進行系統匹配，以發揮其最優性能。

（5）目前電子增壓器應用經驗不足，如何通過完善雙增壓器控制策略來滿足整個發動機運行工況需求，并避免空燃比加濃，實現動力性、經濟性、可靠性、排放及NVH的綜合性能提升，需要持續研究。