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混合动力总成系统关键技术——电辅助涡轮增压

2020-02-19 23:35:45·  来源：汽车与新动力  作者：[法]P.DAVIES等  
　
Garrett Motion公司和IAV公司通过阐明电辅助增压技术的优点，并在一个案例分析中介绍了一款2.0 L直喷式汽油机在SUV车型上与eGT25增压器以及最大功率6 kW电辅助系
Garrett Motion公司和IAV公司通过阐明电辅助增压技术的优点，并在一个案例分析中介绍了一款2.0 L直喷式汽油机在SUV车型上与eGT25增压器以及最大功率6 kW电辅助系统的集成，基于此研究了其对废气排放特性和车辆性能的影响效果。
 
1 背景 
         
汽车领域的技术变化可谓日新月异，其中最重要的推动因素是城市空气质量和气候变化，但如无排放驱动方案以及网络化自动驾驶车辆等新技术也促使形势发生了重大改变。纯电动车所占的市场份额得以快速增长，同时为了推动经济发展，采用了如允许车辆驶入市区、易于泊车以及免除使用周期性CO2排放鉴定等优惠政策。此外，相关法规得以持续快速发展，真实行驶排放（RDE）、清洁车辆指令（CVD）、CO2排放检测以及尚待通过的欧7排放目标要求欧洲车队应首先实现对真实排放指标的监测，由此可对整个使用周期的CO2排放状况进行监测。
 
然而，目前瞬息万变的情况不仅是出现在了汽车领域，而且在能源领域内针对可再生能源（RED Ⅱ）的指导方针和燃气市场的设计是欧盟委员会用来使初始能源工业（例如供电行业和天然气行业）在2050年之前的CO2排放降低约90%的重要实现途径。所有措施均需花费一定时间，因为需要对各自的行业进行调整。在2025年之前应进一步逼近相关规定，而直至2030年才能实质性地在使用周期内对CO2排放进行比较。
与纯电动车相比，目前较高的蓄电池成本为开发以具有较高效率和较低总CO2排放量的内燃机为基础的混合动力系统开辟了全新的发展空间。就逻辑层面而言，轻度混合动力总成系统是当前广泛采用的内燃机技术的进一步发展。在此期间，柴油机可充分满足严格的RDE-NOx排放要求，并且能与混合动力系统相适应，而汽油机则因采用了颗粒捕集器而使排放的颗粒数（PN）低于预期目标，而且目前如通过采用米勒循环即可大幅优化其压缩效果，则使该机型的CO2排放可与常规柴油机一较高下。此时，因使用可变涡轮几何截面（VTG）而提高了对增压系统的要求，大众公司在2016年即已展示了该类技术的组合。使用配备有VTG增压器和米勒循环的高压缩比汽油机的最低比燃油耗可达到225 g/kW·h，而目前汽油机的最低比燃油耗为240～250g/kW·h，而且前者能在宽广的特性曲线场范围内以化学计量比运行。因此，在今后5年内欧洲将有一半以上的涡轮增压直喷式汽油机会使用VTG增压器。
 
Garre公司方面确信，如果最先进的燃烧技术与合适的增压技术有效结合的话，以此就可实现190～195 g/kW·h的最低燃油耗和宽广的特性曲线场范围内220 g/kW·h的燃油耗两项数值。无论是采用米勒循环过程的稀薄运行方案还是采用压缩点火直喷式汽油机（GDCI），二者均有实现该目标的潜力，而如与电气化相结合，则还能节省更多燃油。
 
除此之外，动力总成系统的混合动力化同样开辟了通过增压系统实现电气化的可能性，以此逐步拓宽了空气动力学的设计空间，从而使涡轮增压器在真实条件下能更高效地运行，因此一级方程式赛车进入到双废气涡轮增压器的时代并非意料之外。该类发动机采用稀薄运行方案、米勒配气定时以及回收动能的发动机-发电机单元（MGU-K）和回收热能的发动机-发电机单元（MGU-H），从而具有较高的车速和较好的动态性能。此时，其最高热效率（BTE）可高于46%，最高总效率可高于51%（在考虑回收动能的前提下）。离开赛车路段后混合增压系统能以多种多样的方式投入使用，其中首先使用的是电动压气机和电辅助废气涡轮增压器。因为目前已有众多的电动压气机应用实例，本文将重点介绍电辅助废气涡轮增压器，其内容为euATL与一台处于当前技术水平的直喷式汽油机的组合，在此将重点讨论在宽广的特性曲线场范围内针对以化学计量比运行的所有重要性能特性参数所具有的改善效果。

2 电辅助废气涡轮增压器的工作原理
 
电辅助废气涡轮增压器提供了丰富的应用可能性，图1示出了其中的一些应用实例，并且图中按照燃油和车辆类型进行了区分。
              
图1 电辅助增压器的使用可能性
废气涡轮增压器的电气化消除了其高效率小涡轮应用于低流量运行工况时的必要性，而是为汽油机设计用于额定功率点以化学计量比运行的涡轮，在小流量工况时涡轮功率的不足以及惯性的恶化可由电机予以补偿。若再附加使用一个具有宽广特性曲线场的压气机，则可同时提高低转速与高转速工况范围下的工作能力，因此尺寸合适的电辅助涡轮增压器通过小型化和低速化即可有效降低CO2排放。
能量回收功能可实现均衡的能量分配过程，并实现进一步优化。其他可供使用的功能（但本文不作详细讨论）主要如下：
（1）能量管理（优化应用和为车辆提供电能）；
（2）部分负荷增压（优化气门配气定时和涡轮增压器的实时调节）；
（3）热管理（对于标准和扩展边界条件下的RDE试验是必不可少的）；
（4）米勒过程（汽油机CO2排放可降低10%～15%）；
（5）两级增压（用于米勒配气定时情况下的两级增压）；
（6）稀薄燃烧（汽油机CO2排放最多可降低10%～15 %）；
（7）瞬态λ调节（用于GDCI和燃烧时的精确调节）。
3 2.0 L汽油机案例研究
 
为了展示尺寸合适的电辅助废气涡轮增压器的应用潜力，选择了一款广受好评的2.0 L汽油机和一类SUV等级车辆，即搭载第三代EA888直喷式汽油机的奥迪 Q7，该类车型自重2 200 kg再加上4个成年乘客总质量约2 500 kg（图2）。
图2 演示车辆：采用电辅助废气涡轮增压器的奥迪 Q7 4 TFSI 四轮驱动
（搭载第三代EA888发动机）
4 废气涡轮增压器
 
   
基础废气涡轮增压器采用与GT17相近的结构尺寸，发动机最大扭矩为380 N·m，额定功率可达185 kW。新设计方案的特定目标为从1 500 r/min的转速起，升扭矩高于200 N·m/L，额定转速时的升功率可达100 kW/L，同时宽广的特性曲线场能以化学计量比运行。为此，Garret公司开发了一种型号为eGT25的电辅助废气涡轮增压器（包括功率电子器件在内）（图3），3种结构尺寸比常规的GT17更大，能集成到该车型上。
图3 用于2.0L汽油机的48V电辅助废气涡轮增压器
5 发动机试验台稳态试验结果
 
  
由图4上图所示出的稳态全负荷试验结果表明，尺寸合适的eGT25涡轮增压器在低转速时具有与量产产品几乎相同的扭矩曲线，在1 750 r/min转速时的扭矩为420 N·m，在中等转速范围的扭矩达到了450 N·m，5 500 r/min时的额定功率为215 kW。按照预期的那样，在1 000～2 500 r/min时的低转速时应具有需1～3 kW的电功率辅助，而在高转速时涡轮功率是较为充足的。图4中图表明，在化学计量比工况下运行不会超过涡轮前的极限温度980 ℃。下图表明量产发动机能以20%的扫气功率达到其低转速扭矩，并以λ=0.85达到其额定功率，与其相比采用电辅助涡轮增压器即可取消扫气和燃油加浓过程，而且即使以λ=1工况运行也不会超过涡轮前的极限温度。
图4 发动机试验台稳态试验结果
6 发动机试验台瞬态试验结果
 
  
按照传统设计标准得以加大的废气涡轮增压器在发动机试验台上同样经受了动态试验验证。因惯性加大和对小流量得以优化的涡轮设计所引起的不良影响可通过电辅助予以补偿。
图5示出了在1 000 r/min、1 500r/min和2 000 r/min时加载负荷的试验结果。相比于基础发动机，采用电辅助涡轮增压器的发动机在所有的转速下扭矩的建立均显示出明显优势，特别令人印象深刻的是在1 500 r/min时的效果，相对于基础发动机的20 N·m/(L·s)，其扭矩提升效果达到了95 N·m/(L·s)，在该情况下仅1 s就达到了额定扭矩而非4.5 s，此时电机短暂使用了约6 kW的最大电功率。在1 000 r/min时因受压气机的限制而并未充分利用系统的全部潜力，同样在2 000 r/min时经过短暂时间处理后即可提供足够的涡轮功率。
图5 发动机试验台瞬态试验结果
7 整车试验结果
 
  
在启用了全新的调节功能并经过发动机试验台上广泛的特性曲线场标定之后就可将试验载体集成到车辆上。在进一步的试验研究过程中就能完成行驶性能的调整，并在Millbrook（大不列颠的一个地名）举行的CENEX低碳车辆活动中展现了演示车辆并开展了相关试验，在举办过程中由Garre公司确定的试验道路包含了通往山区的路段、弯道和7%、14%和21%的坡道以及高速路段，以在高达200 km/h车速下得以试验的扭矩特性和灵活性（图6）。
图6 Millbrook试验中心主要的试验路段
8 灵活性试验（60～100 km/h）和爬坡
 
  
灵活性试验是在第六档位从60 km/h加速到100 km/h（图7），基本车型为此大约需要11 s，采用无电辅助的GT25增压器的车辆大约需要14.5s，而具有6 kW最大电辅助功率的eGT25涡轮增压器则能有效克服这种缺陷，可使量产配置车辆的加速时间缩短到8.8 s，这相当于改善了约20%。在此处需重点强调两件事情。采用eGT25电辅助涡轮增压器加速不仅可实现更快的加速过程，而且加速数值几乎是恒定的。正如从图7上图所示，eGT25电辅助涡轮增压器并不存在工作效果较差的区域。经道路行驶优势分析表明，与基本车型相比，该类现象更令人印象深刻。采用eGT25电辅助涡轮增压器的车辆在达到100 km/h车速时已领先于量产车辆约17 m（图7下图），换言之，eGT25车型领先量产车型约3.5个汽车长度（图8）。
图7 第6档60-100km/h加速（注：原图将eGT25与GT25的图标和标注搞反了，已改正）
图8 整车试验结果总结
除了高速路段上的灵活性试验之外，还在坡度为7%，14%和21%的山区分别进行了一系列的加速行驶试验。试验结果表明，使用电辅助涡轮增压器的车辆通常能调高两个档位。虽然该过程尚未有明显的试验结果，但是却显示出了为驾驶员提供更充分的灵活性和舒适性的潜力以及重新确定换档的策略，以便在真实行驶条件下将燃油耗和CO2排放降到最低。
9 发动机高转速时的加速性
 
  
电辅助涡轮增压器的的转子能通过电驱动系统加速到最高转速并得以减速，eGT25电辅助涡轮增压器转速最高可达180 000 r/min，在该转速下，所具有的总功率可达40 kW，而电辅助或能量回收最多仅有6 kW。图9表明采用该方法加速即使在相对较高的发动机转速时均有始终一致的无滞后效果。
图9 电辅助直至涡轮达到最高转速
10 动能回收
 
  
电辅助涡轮增压器的动能回收功能在目前的开发状况下已显示出可回收用于增压器转子加速所需电能的60%。首次模拟计算表明，实际上动能回收的潜力约为可用能量的300%。电辅助涡轮增压器并非永动机，但可回收比例高于100%的能量，因为增压器转子的大部分动能来自于废气热焓，而不仅来自于电机，这就意味着电辅助涡轮增压器应被视作是蓄电池充电状态时的净输出设备，而非汽车电路中的纯耗电设备（图10）。
图10 城市行驶期间的动能回收
11 结论和下一步工作
 
  
至此，该研究项目已表明，尺寸合适的电辅助废气涡轮增压器与48 V汽车电路相结合能有效改善发动机稳态和瞬态运行性能，从而将对与此相关的车辆在灵活性、机动性和最高车速等方面的要求产生有利的影响，由此能取消扫气和燃油加浓过程。其优点可归纳如下：
（1）额定功率从185 kW（λ=0.85）提高到215kW（λ=1），提高了16%；
（2）扭矩从380 N·m提高到420 N·m，提高了10.5%；
（3）瞬态扭矩提升从20 N·m/(L·s)提高到95 N·m/(L·s)，改善了4.75倍；
（4）第六档60～100 km/h的加速性从11.0s缩短到8.8 s ，改善了20%，无滞后现象；
（5）在7%、14%和21%的坡道能比量产车型提高两个行驶档位，具有降低CO2排放的潜力；（6） 扭矩较高，并可利用电动机功率辅助直至涡轮增压器达到最高转速。
 
目前可回收约60%的动能，最终可高于直流输入功率的100%。相关研究已经表明，OEM制造商已为尺寸合适的电辅助废气涡轮增压器提供了一条胜欧7废气排放标准的途径，特别是能在保持化学计量比运行的同时，提高其动力总成系统功率的要求。这里所介绍的解决方案能充分与轻度或插电式混合动力化相结合，从而发挥其各自的附加优势，因此电辅助废气涡轮增压器被看作是混合动力化的补充技术，其本质上是附加于汽车混合动力化上的一种随插随用技术。除此之外，其可与米勒过程、可变涡轮几何截面和用于废气再循环的解决方案相兼容，并对蓄电池充电状态时作出贡献。
 
对电辅助废气涡轮增压器的总体评价是一个历时多年的研究项目，因而更进一步的试验研究成果和认识依然莫衷一是。在该项目开展研究后的第二年，Garre公司就打算将米勒过程、涡轮复合运行和热管理（见图1）并行发展，同时进行试验研究，并准备从2021年起与OEM制造商通力合作，将这种技术投入批量生产。
 
作者：[法]P.DAVIES等
整理：范明强  
编辑：伍赛特
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