博格瓦納公司電動壓氣機的設計和應用

【德】　H.Breitbach　D.Metz　S.Weiske　G.Spinner

設計開發

博格瓦納公司電動壓氣機的設計和應用

【德】H.BreitbachD.MetzS.WeiskeG.Spinner

摘要：博格瓦納(Borg Warner)公司開發的電動壓氣機(電動增壓器)是傳統增壓的1種補充方案，它能提高低轉速范圍內的增壓壓力，從而獲得更好的起步加速性能，并且由于降低了排氣背壓和全負荷時的加濃需求，因而能提高功率和降低燃油耗。

關鍵詞：電動壓氣機加速響應減排降油耗

1電動輔助增壓具有吸引力

從20世紀60年代以來，在汽車工業中廢氣渦輪增壓就批量應用于轎車，并相繼在汽油機和柴油機上獲得很大成功。廢氣渦輪增壓能提高扭矩和功率，使發動機小型化和低速化，但是其加速響應性能卻是1個挑戰。除了改善廢氣渦輪增壓器本身之外，曾試驗過多種替代方案，例如廢氣渦輪增壓器與機械增壓器的組合、多個廢氣渦輪增壓器串聯、并聯轉換或者電輔助渦輪增壓器等[1]。

從20世紀90年代以來，曾一再試驗過電輔助增壓裝置。由于汽車上的12V電氣系統，以及當時的功率電子器件和微處理器的發展狀況，電輔助驅動功率只能達到2kW[2]，并且由壓氣機、渦輪、傳動軸和電動機組成的電輔助渦輪增壓器具有很大的轉動慣量，在瞬態過程中其驅動功率在很大程度上被消耗在轉子的加速上，同時汽車電氣系統可供使用的能量也要比如今的少。

隨著汽車電氣化的增長、性能更好的功率電子器件，以及工作能力更強的微處理器的應用，使得電輔助驅動功率在12V時達到2.5kW，在48V時達到5kW水平，因此電輔助增壓又再次具有吸引力，特別是電動壓氣機[3]。

2電動壓氣機在發動機上的應用

博格瓦納(Borg Warner)公司已開發了1種電動壓氣機(電動增壓器)，可用于改善低轉速范圍的增壓壓力和起步加速性能，并且由于沒有附加渦輪產生的廢氣動壓頭，所以不會對發動機換氣產生不良作用，這對于受爆燃限制的汽油機而言是至關重要的。電動壓氣機與廢氣側沒有聯系，使其安裝位置具有很大的靈活性，而且與多級渦輪增壓相比，在廢氣后處理裝置的加熱及向發動機艙中的熱輻射方面具有優勢。

電動壓氣機優先選擇布置于廢氣渦輪增壓器壓氣機的后面。由于電動壓氣機的壓力比其所必需的特性曲線場范圍小，因而其消耗的功率較少，這樣就能在較大的轉速范圍內進行電動增壓。而電動壓氣機布置在廢氣渦輪增壓器之前，廢氣渦輪增壓器壓氣機可有效利用的特性曲線場范圍會縮小，因為進氣條件的變化使運行工況點向泵吸極限方向移動。

相對于使用同等功率廢氣渦輪增壓器，電動壓氣機能改善起步加速性能，或者可在保持起步加速性能不變的情況下選用具有較小動壓頭性能的渦輪，從而能提高功率,并且由于背壓較小和全負荷時加濃需求較少，在改善燃油耗方面也能獲得好處。

表1比較表明了功率為2kW的12V電動壓氣機在柴油機上的潛力，其基本型是采用單級可變幾何截面渦輪增壓器(VTG)的2.0L發動機，對2種功率相同，分別采用VTG及串聯轉換電動壓氣機和兩級渦輪增壓的1.6L發動機進行比較(表1)。

表1　2款發動機方案比較

圖1示出了對每種機型都進行了增壓優化。1.6L發動機在廢氣渦輪增壓器后和增壓空氣冷卻器前安裝了1個電動壓氣機，而在所謂的R2S(兩級可調式)系統中高壓級采用VTG廢氣渦輪增壓器。

圖1　3種機型增壓優化后示意圖

圖2(a)示出了采用VTG增壓器而無電動壓氣機的1.6L發動機的扭矩虧損，為達到目標功率，增壓器在全負荷時采用了較高的增壓壓力，因而在部分負荷時能較快地達到泵吸極限，而采用電動壓氣機就能補償所虧損的扭矩。圖2還示出了為達到此目標，各自從汽車電氣系統中所需要的電功率。

圖2　發動機方案的全負荷比較和由電動壓氣機電功率附加的發動機功率(轉速1400r/min)

圖2(b)示出了在轉速為1400r/min時由電動壓氣機電功率所提高的發動機功率。通過附加燃燒空氣獲得了約7～10的增力系數。隨著空氣質量流量的增大，渦輪功率也相應提高，VTG導向葉片能開得更大，這樣就能提高渦輪效率，減少換氣損失，從而降低燃油耗。

要使R2S系統達到目標扭矩，高壓級要從廢氣流中取走的能量約為電動壓氣機消耗的電功率的2倍(圖3(a))。如果電能來自于廢氣利用的話，那么在總的能量平衡中使用電動壓氣機是有利的，否則應采用R2S增壓系統。

圖3　R2S渦輪驅動扭矩與電動壓氣機的比較及在特定工況(1500r/min,25N·m)時的負荷突變

機型的加速響應性可用1500r/min轉速時的負荷突變狀況來進行評價(圖3(b))。VTG導向葉片盡可能保持關閉(在離泵吸極限5%動力學間距時才打開)，而電動壓氣機轉速則被調節到目標增壓壓力。扭矩曲線首先顯示出2.0L機型的優勢，而使用電動壓氣機則能增大扭矩曲線的斜率，而且能比2.0L機型，甚至比采用R2S增壓系統的1.6L機型更快地達到全負荷扭矩，當然R2S增壓系統能保持較高的穩態增壓壓力，這是使用電動壓氣機所無法達到的。

圖4示出了FTP-75行駛循環中電動壓氣機消耗的電功率，這是用單位功率質量為13kg/kW和6檔變速器的高級轎車縱向動力學模型計算得到的。電動壓氣機的功率為2kW，怠速運轉轉速為6000r/min，在行駛循環中所需的平均電功率約為210W。電動壓氣機大約有一半時間處于怠速運轉狀態，若這些時間停機的話，則可節省13W功率。配備電動壓氣機時可采用較大的低壓EGR行駛，并在換氣方面得到好處，從而可獲得4%的燃油耗優勢，與R2S機型相比僅在氮氧化物(NOx)排放方面略有遜色，但在顆粒排放方面略有優勢，過量空氣系數停留在碳煙極限的時間可減少約5%。

圖4　FTP-75行駛循環中的電動壓氣機的電功率及電動壓氣機從基礎轉速和停車狀態開始的加速過程

3對電動壓氣機的要求

從電動壓氣機的功能就可明確地得知設計的要求： (1) 驅動電機具有最小的轉動慣量；(2) 較小的電能和機械能損失；(3) 電動機必須能可靠地經受熱負荷；(4) 采用整體式功率電子器件；(5) 高效的功率電子器件(在5kW功率情況下，每1%的效率損失就意味著50W熱量)；(6) 用于12V和48V的電動壓氣機方案采用模塊化；(7) 在設計時必須考慮到噪聲-振動-平順性(NVH)。

4電動壓氣機的設計

上述要求對于電動壓氣機的設計方案具有決定性意義。選擇無刷永磁式電動機作為驅動裝置，因為它比異步電動機或開關磁阻式電動機更為高效。為了能長時間通電運轉，電動機必須能耐高溫，因而選用了釤-鈷磁鐵，在溫度高達300℃時磁性仍能保持穩定。

同時,這種類型的電動機不會磁化功率電子器件,這會對其結構尺寸和功率損失產生有利的影響。此外，設計這種電動機時應注意，旋轉電機的扭矩要均勻，間歇扭矩也就是從電動機發出的高頻噪聲激勵要小。

圖4示出了電動機從怠速6000r/min開始和從停車位置快速起步加速的狀況。從怠速運轉開始加速，230ms后就達到了90%的目標轉速，而從靜止位置開始加速，250ms后達到了90%的目標轉速。其電子器件和軸承被設計得電動壓氣機能長時間在怠速下運轉或處于停機狀態。

在設計運轉轉速時應注意，轉子消耗的能量是隨著轉速成二次方增加，因此在快速起步加速時間較短的低速電動機和大壓氣機組合與較小的高速電動機和起步加速時間較長的壓氣機組合之間進行優化選擇。

采用70000r/min轉速進行折中選擇，最終獲得了總體尺寸十分緊湊的，并與電動機和壓氣機側直徑大致相同的電動壓氣機裝置，在螺旋轉子直徑為135mm的情況下，48V電動壓氣機的總長約為170mm(包括壓氣機接口在內)。

為了滿足高的可用性和長的通電運轉時間的要求，定子同樣也通過高的銅填充量和對殼體的良好散熱進行了熱優化。為了減少散熱，功率電子器件使用了最小電阻等級和高效電容器的結構元件，并被集成在CAN總線接口中，印刷電路板與殼體的良好連接確保了高效的散熱。

為了冷卻零件，曾試驗過空氣冷卻和水冷卻，而考慮到方便性最終選用了空氣冷卻。當然，空氣冷卻僅夠用于12V電動壓氣機，而48V電動壓氣機只有采用水冷卻才能滿足目標要求。

采用這樣的設計方案最終使電動壓氣機達到了卓越的性能。表2示出通電和運轉時間的典型數值，根據冷卻水和冷卻空氣的溫度以及汽車上的環境溫度的不同數值可能有所變化。在總體上最有利的運行條件下，48V電動壓氣機的持續功率約為 2kW。

為了確保電動壓氣機在汽車上應用時始終處于良好的可用狀態，博格瓦納公司已開發了1種模擬計算方法，它能可靠地預測電動壓氣機的溫度和可用性。在此基礎上能夠實現負荷管理，較低的電流消耗是48V電動壓氣機的優點。為了能用于排量較大的發動機，以及在起步加速性能和燃油耗方面獲得較大的好處，需要電動壓氣機具有較大的功率。通過模擬計算可查明所需求的能量，以便盡早檢驗電氣方面的設施。

表2　博格瓦納公司電動壓氣機產品技術規格

5結論

博格瓦納公司的電動壓氣機為傳統增壓提供了1種補充方案，在發動機低轉速時就能在非常短的時間內準備好增壓壓力，明顯改善了發動機的加速響應特性，因此電動壓氣機也為內燃機開辟了提高功率的潛力。在由電動壓氣機和渦輪增壓器組成的整個系統設計得合適的情況下，特別是在柴油機上能夠降低燃油耗和有害物排放。

參考文獻

[1] Arnold S, et al. Design and development of e-Turbo for SUV and light truck applications[C]. DEER-Konferenz,2004.

[2] Münz S, u.a. Der eBooster-konzeption und leistungsverm?gen eines fortgeschrittenen elektrisch unterstützten aufladesystems[C]. 7. Aufladetechnische Konferenz, Dresden,2002.

[3] Spinner G, et al. BorgWarner’s ebooster the new generation of electric assisted boosting[C]. 18. Aufladetechnische Konferenz, Dresden,2013.

范明強譯自MTZ，2015，76(10)

何丹妮編輯

(收稿日期：2015-11-24)