楊金鵬，杜田田，王巖，梁濤，信松嶺

（長(zhǎng)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(duì)環(huán)境保護(hù)和能源利用要求日益嚴(yán)苛，小型化渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)逐步取代大排量的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)。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(dòng)機(jī)的低速扭矩。通過采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)低速時(shí)的增壓壓力，從而能顯著提升發(fā)動(dòng)機(jī)低速動(dòng)力性。該技術(shù)方案將成為發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)替代渦輪機(jī)，同軸驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)壓縮空氣，實(shí)現(xiàn)快速增壓。其主要由高速電機(jī)、離心壓氣機(jī)、電控單元等部件組成。

相比渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，電子增壓器具有以下改善效果。

（1）提升低速扭矩，補(bǔ)償因掃氣效率降低而導(dǎo)致的扭矩?fù)p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(dòng)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(jìn)氣壓力，或者基于渦輪增壓器的增壓壓力，實(shí)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(jī)、柴油機(jī)、混合動(dòng)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(jī)設(shè)計(jì)與制造》2018年第4期 《電子增壓器在渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上的匹配應(yīng)用及性能研究》。

2 提升發(fā)動(dòng)機(jī)低速性能的試驗(yàn)

本次試驗(yàn)以一款2.0 L排量的渦輪增壓直噴進(jìn)排氣門可變正時(shí) （DVVT）汽油機(jī)作為試驗(yàn)樣機(jī)，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(shí)現(xiàn)2次增壓。電子增壓器臺(tái)架布置示意圖見圖1。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)裝置主要是：AVL-PUMA臺(tái)架電力測(cè)功機(jī)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻恒溫裝置、燃油恒溫系統(tǒng)、機(jī)油外循環(huán)冷卻系統(tǒng)、軸流風(fēng)機(jī)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(cè)儀，專門為電子增壓器準(zhǔn)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(dòng)機(jī)運(yùn)行需要監(jiān)測(cè)的各個(gè)溫度和壓力傳感器，如圖2所示。

2.2 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)6.2 kW，持續(xù)工作時(shí)功率為2.5 kW，具體參數(shù)詳見表2。

圖2 試驗(yàn)樣機(jī)臺(tái)架布置及監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意

表2 電子增壓器主要特性參數(shù)

2.3 試驗(yàn)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升效果，對(duì)比渦輪增壓器單獨(dú)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(dòng)機(jī)性能。發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)邊界限值。利用電子增壓器控制模塊，通過手動(dòng)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(shí)配合調(diào)整點(diǎn)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(jìn)排氣VVT角度等ECU控制參數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 電子增壓器提升發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩

先確認(rèn)渦輪增壓器單獨(dú)工作狀態(tài)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能及各ECU控制參數(shù)，然后同時(shí)調(diào)節(jié)電子增壓器和點(diǎn)火提前角，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的提升。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到目標(biāo)扭矩或電子增壓器壓比達(dá)到限值，且點(diǎn)火提前角調(diào)整至爆震臨界點(diǎn)時(shí)，停止調(diào)整。電子增壓器介入對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dú)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(dú)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(shí)的扭矩由原來的241 Nm提升至355 Nm，提升幅度達(dá)47.3%；1 200 r/min時(shí)的扭矩由原來的327 Nm提升至420 Nm，提升幅度達(dá)28.4%；1 500 r/min時(shí)的扭矩由原來404 Nm提升至420 Nm；2 000 r/min時(shí)的扭矩因僅渦輪增壓器工作就能達(dá)到420 Nm，故不進(jìn)行對(duì)比。由此可見，電子增壓器對(duì)提升發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩效果明顯。

目前，在1 000 r/min及1 200 r/min時(shí)，電子增壓器功率及轉(zhuǎn)速未達(dá)到其極限值，其增壓壓力可進(jìn)一步提升，說明電子增壓器具有進(jìn)一步提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的潛力。

3.2 電子增壓器壓比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響。

圖3 電子增壓器介入前后低速扭矩對(duì)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(dá)到額定壓比1.5時(shí)，其轉(zhuǎn)速和功率相對(duì)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，電子增壓器達(dá)到額定壓比1.5所需的轉(zhuǎn)速和功率將增加。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升至1 500 r/min、扭矩達(dá)到420 Nm、電子增壓器達(dá)到額定壓比時(shí)，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(shí)都有所增加。同理，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不同，要達(dá)到相同的電子增壓器壓比，則隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，對(duì)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(dòng)機(jī)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(shí)逐步增加電子增壓器壓比，來維持發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓壓力，并保持相同的進(jìn)排氣VVT開度、點(diǎn)火提前角、空燃比 （lambda）等控制參數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(shí)所對(duì)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(jìn)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(jìn)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(shí)，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(jìn)氣VVT對(duì)燃油耗影響的試驗(yàn)

應(yīng)用電子增壓器后，發(fā)動(dòng)機(jī)低速增壓壓力充足，可通過優(yōu)化進(jìn)排氣VVT，減小氣門重疊角，降低掃氣效率，來達(dá)到降低燃油耗的目標(biāo)。調(diào)整進(jìn)氣VVT，將進(jìn)氣開門啟分別滯后20°CA、40°CA，縮小進(jìn)排氣門重疊角，研究掃氣效率對(duì)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(dòng)機(jī)達(dá)到420 Nm性能?？紤]早燃對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)安全的影響，特選取1 500 r/min外特性工況點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。由于進(jìn)氣門開啟相對(duì)滯后，導(dǎo)致充氣效率降低，需提高增壓壓力來滿足進(jìn)氣量需求；同樣，泵氣損失也隨進(jìn)氣門開啟相對(duì)滯后而明顯降低，掃氣效率降低，THC排放最大降幅達(dá)41%，如圖9所示。進(jìn)氣門開啟滯后40°CA時(shí)，燃油消耗率最大降幅達(dá)23 g/（kW·h）。由于采用電子增壓器后，需重新調(diào)整進(jìn)排氣VVT角度，以提升燃燒效率。進(jìn)排氣門重疊角的變化將影響發(fā)動(dòng)機(jī)低速早燃，故需要進(jìn)行專項(xiàng)早燃試驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)機(jī)低速扭矩。采用電子增壓器實(shí)現(xiàn)2次增壓，對(duì)缸內(nèi)燃燒無明顯影響，但對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jìn)排氣門重疊角，其變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低速早燃有影響，需要針對(duì)性地進(jìn)行早燃試驗(yàn)研究。

（3）由于電子增壓器高速電機(jī)特性參數(shù)及邊界條件的特殊性，需專項(xiàng)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(shí)時(shí)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(diǎn)。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)。