電動壓氣機的發展新動向

【中】　范明強　編譯

發展動向

電動壓氣機的發展新動向

【中】范明強編譯

摘要：隨著發動機小型化和升功率的不斷提高，以及48V混合動力的興起，電輔助渦輪增壓和電動壓氣機得到迅速發展。闡述了電動壓氣機目前令人關注的問題。試驗研究和實際應用已證實，電動壓氣機能夠顯著改善低轉速狀態加速響應特性和提高機動性，并降低CO2和有害物排放。以Pierburg公司開發的電動壓氣機為例，介紹其開發的重點及其使用效果。

關鍵詞：電動壓氣機熱負荷技術規格

1電動壓氣機是新的發展趨勢

發動機小型化和升功率的不斷提高，推動了兩級和多級渦輪增壓的迅速發展，但是由于其復雜的結構和昂貴的成本，并且兩級增壓系統在低轉速狀態時的動態加速響應特性總是遜色于自然吸氣式發動機，因而電輔助渦輪增壓和電動壓氣機應運而生。近幾年混合動力興起，特別是48V汽車電路的應用為電動壓氣機的發展提供了非常有利的條件，尤其是以其特有的優點獲得了實際應用，顯示出了良好的發展前景。

電輔助渦輪增壓并非是新生事物，早在1940年德國MTZ雜志上就已介紹“由廢氣渦輪驅動增壓器的情況下，廢氣流不足會降低增壓能力”。電動壓氣機可以作為1個部件布置在渦輪與壓氣機之間的連接軸上”。當時，瑞士蘇黎世州溫特圖爾市的Sulzer持有與此相關的專利。

那么，這種與多級增壓相競爭的方案意味著什么？它們在汽油機和柴油機上的應用又有哪些差異？電動壓氣機能否與輕度混合動力競爭或相互取長補短？這些都是目前十分令人關注的問題。

與電動壓氣機不同，電輔助渦輪增壓器提供了從廢氣流中回收能量的可能性。但是，Audi公司則更偏向于單獨的電動壓氣機，因為不會增大渦輪增壓器轉子的慣性，但是必須采取附加的電功率予以補償。

2014年，Audi公司推出了2款搭載不同結構等級的3.0L-TDI渦輪增壓直噴式柴油機車型。其中，在Audi A6 TDI車型上，采用單渦輪增壓器與電動壓氣機的組合方案，電動壓氣機增壓覆蓋了低于1500 r/min的運行范圍。而在RS 5 TDI車型上，則采用電動壓氣機與雙渦輪增壓的組合方案(圖1和圖2)。在這兩種情況下，Valeo公司開發的電動壓氣機被布置在增壓空氣冷卻器后方，當廢氣能量太少時廢氣渦輪增壓器不能提供足夠增壓壓力的情況下，就可打開旁通閥進行輔助增壓。

圖1　Audi V6 雙渦輪增壓與電動壓氣機組合發動機增壓空氣管路中空氣流動狀況

圖2　Audi V6 雙渦輪增壓發動機表現出的電動壓氣機潛力

BMW M車型搭載了3.0L柴油機，但是采用3只渦輪增壓器。并且應用BorgWarner公司提供的增壓系統(圖3)，由2個小的可變渦輪截面(VTG)高壓渦輪增壓器和1個較大的水冷式低壓渦輪增壓器組成。

圖3　BorgWarner公司3只渦輪增壓在低轉速和高穩態增壓壓力下的良好瞬態性能

此外，幾十年來BorgWarner公司一直推進其電動增壓器技術的發展，并根據長期經驗按照應用范圍區分了它們各自的優點。在高端車型上，例如BMW公司的3渦輪增壓器系統繼續保持著非常好的應用效果，在穩態運行范圍勝過電動增壓器，特別是對于廢氣排放方面起著非常重要的作用，甚至在瞬態過渡工況運行范圍，顯現出更好的加速響應性能。

BorgWarner公司認為，電動壓氣機及其48V汽車電路與單級渦輪增壓相組合是替代兩級渦輪增壓的趨勢，并主要用于汽油機。在這種情況下，電動壓氣機能充分發揮其優點，非常快速地產生增壓壓力。通常1kW電功率就能使內燃機多產生7～10kW 功率。

為了使電動壓氣機運轉幾秒鐘多至幾分鐘直至廢氣渦輪增壓器能承擔起有效的增壓效果，那就必須能回收并貯存足夠的能量以供電動壓氣機使用。電動壓氣機還具有應用靈活性的優點。Audi公司表明，電動壓氣機可成為1個獨立的模塊納入模塊化發動機系列中使用。作為1個單獨的自給自足的進氣壓縮機，它能夠自由地布置在發動機艙中，并且在增壓壓力最高50MPa的極限范圍內任意選用，其增壓壓力提升響應時間約為250ms，可滿足從最低轉速起的最短時間加速響應的特性要求。

但是，電動壓氣機的這些優點在柴油機和汽油機上存在著部分差異。目前電動壓氣機主要適用于汽油機，主要是因為汽油機1050℃的高溫廢氣，再加上兩級常規增壓導致強烈的熱流向發動機艙內散發，同時電動壓氣機與渦輪增壓器組合所回收的廢氣能量要比兩級渦輪增壓器少，這有利于降低發動機排氣背壓和加熱催化轉化器。此外，汽油機不可能從穩定的高增壓中獲得與柴油機相同程度的好處。

柴油機能夠利用附加的增壓空氣來提高廢氣再循環(EGR)率，從而降低氮氧化物(NOx)排放。2013年Valeo公司在第34屆維也納發動機學術研討會上所作的報告中提出：“具有高動態效應的電動壓氣機輔助增壓可能是改善瞬態EGR管理的重要解決方案，并在嚴厲的排放法規下有助于降低NOx排放”。

由于電動壓氣機與較大的渦輪增壓器相結合能在扭矩特性方面獲得好處，因此將電動壓氣機的良好品質用于發動機小型化。但是，Audi公司Knirsch博士在2014年曾表示：“將1臺非常小型的機組匹配調整到非常高的比壓時，與最佳設計的機組相比，在平均摩擦壓力方面總是存在明顯的缺陷”。當然，電動壓氣機與較大的渦輪增壓器相結合肯定能為發動機低速化提供更多的可能性，因為扭矩特性曲線場可以設計得更寬廣，即使在低轉速范圍內瞬態過渡工況運行時也能具有良好的加速特性。

在2015年1月第10屆ATZ/MTZ以“明天的動力裝置”為主題的專業會議和維也納發動機學術研討會上，AVL和Hyundai/Kia公司進行了有關48V柴油機混合動力與電動壓氣機相結合的學術報告。將具有起動-停車系統的Kia Optima車型作為研究用的汽車平臺，Hyundai汽車CO2排放降低15%。其中，4%歸因于48V汽車電路中的能量回收，5%～6%則主要是因為加大15%的電動壓氣機傳動比，以及由皮帶傳動的8/12kW功率電機，而其余的燃油耗的降低則源于基本的發動機措施、高效的電路能量回收、起動-停車功能的良好可利用性，以及新歐洲行駛循環(NEDC)中輕度混合動力分級的自由接入點。

因此，電動壓氣機、較大的渦輪增壓器，以及發動機低速化的組合為整個系統帶來了最大的節油效果。盡管發動機低速化，但是在典型的機動性的情況下動力裝置仍具有靈活性，并獲得了5%～10%的改善效果。對此，Hyundai歐洲汽車公司動力傳動開發部的負責人Jürgen Grimm在MTZ 50周年特刊中提出：“起動機-發電機與電動壓氣機的組合，是具有高小型化率的發動機，有助于獲得豐滿的低轉速扭矩，從而也就獲得了極好的動態行駛性能”。

首先必須指出，電動壓氣機的應用會增加系統的復雜性。Mahle公司Heinz K.Junker博士在MTZ 50周年特刊中提出：“在新的標準行駛循環中，發動機瞬態運行已成為焦點，多級增壓系統將會得到越來越多應用，而采用電動壓氣機輔助增壓是1種有利的選擇。當然，這種新技術首先在成本方面要經過檢驗，而且采用電動輔助增壓后，發動機的復雜性或換氣設計方面的費用要保持不變”。因此，整個動力傳動系統的開發已經變得尤為重要。

目前，諸如Audi、Hyundai/Kia、Valeo和BorgWarner等公司所從事的試驗研究工作推動了電動壓氣機的發展，這些公司甚至考慮先采用12V作為切入方案，使電動壓氣機盡早推廣應用，最終完全使用48V電路。大眾公司Hans-Jakob Neusser博士在2015年的維也納發動機學術研討會上非常明確地指出，1臺3缸TSI直噴式汽油機，采用單渦流渦輪增壓器與電動壓氣機組合能使發動機升功率達到200kW，說明內燃機仍隱藏著潛力。

電動壓氣機與輕度混合動力由于在瞬態和穩態運行范圍內各具優點，也能夠一起使用。除了Hyundai/AVL的組合方式之外，還可能采用具有較高持續功率的軸向或變速集成的電機，組成無需高電壓汽車電路的輕度混合動力，并獲得全混合動力的性能。

現在已證實，電動壓氣機對于行駛性能和柴油機原始排放有十分顯著的效果，而在汽油機熱力學能量轉換方面，電動壓氣機具有極高的效率，可應用于可分級的模塊化增壓方案，并具有很大的自由度。

2電動輔助發動機增壓

用戶在購買1輛新車時，除了可體驗到如加速性和極速性等特點之外，更注重的是低于標準的燃油耗。除此之外，CO2排放限值進一步從130g/km降低到95g/km，這是對制造商開發汽車及其動力裝置提出的更高挑戰。如果總的開發目標長期無法相互統一，那么內燃機從單獨驅動轉換到其部件電氣化驅動的方案則提供了全新的設計可能性。

電壓狀況和電流承載能力相匹配的汽車電路，使得能夠應用工作能力強大的機電一體化部件，它們能夠靈活工作，并且不受內燃機運行狀態影響。發動機小型化和低速化方案利用了增壓部件電氣化方面的靈活性，在這種增壓系統中用1個純電動壓氣機來輔助傳統的增壓單元，這樣從低轉速起就能加速地建立起增壓壓力，由此達到只有純電驅動才能達到的大扭矩特性。

由于12V和48V高電壓葉片機械所顯現出的市場潛力，Pierburg公司作為定點供應商已擴充了電動壓氣機(也被稱為電動空氣增壓器，eAC)的生產能力。下面以Pierburg公司的電動壓氣機為例，詳細介紹開發電動壓氣機的挑戰、解決方案、開發重點及其效果。

3電動壓氣機在空氣管路中的定位

電動壓氣機提供了在空氣管路中自由定位或單獨針對技術要求定位的可能性，其相對較短暫和臨時應用于快速準備好增壓壓力的用途決定了這種部件的應用范圍，并成為多級增壓系統中的理想部件。電動壓氣機運行時間有限使得應用與其平行布置的旁通裝置顯得十分重要，它可使電動壓氣機與廢氣渦輪增壓器串聯或者使空氣繞過電動壓氣機直接進入發動機。

圖4在簡化的進氣空氣管路上示出了電動壓氣機可能的安裝位置，并在表格中對各種安裝位置進行了評價。每種安裝位置都各具優缺點，而在這種裝置與內燃機的相互作用方面部分呈現出明顯相反的效果。通過匹配發動機空氣狀況可使負荷承載狀況得到改善，并與自然吸氣式發動機近似，降低原始排放，而根據電動壓氣機安裝位置的不同還可提高EGR率。另外，在第3和4種安裝位置時，可使壓氣機特性曲線場變窄而對電動壓氣機的總效率產生有利的影響。

圖4　電動壓氣機在空氣管路中可能的位置

在電動壓氣機設計的早期階段就應考慮到零件可能承受到的高空氣壓力和溫度，同樣設置在電動壓氣機之前的增壓單元中滑動軸承的沉積物，以及來自發動機機油、燃油和水汽成分的曲軸箱竄氣也對電動壓氣機帶來不利的影響，此外來自低壓EGR管路及其所帶有的顆粒捕集器(DPF)沉積物和腐蝕性添加劑的摻入也會造成損害。

4設計目標參數

電動壓氣機的有效效率取決于以下各項所規定的目標： (1) 角速度/轉速梯度；(2) 空氣動力學輸送功率/總效率；(3) 結構尺寸；(4) 制造成本。而且，在整個發動機使用壽命期間，電動壓氣機的性能應確保15年和300000km。

電動壓氣機按照公式(1)和公式(2)將供給它的電能轉化成軸扭矩用于瞬態運轉階段的加速和輸送功率。

M電動機=M輸送+M加速

(1)

(2)由電動機轉子組件和壓氣機葉輪組成的旋轉系統的慣性是轉子達到高的加速度的重要參數，而其中減小壓氣機葉輪慣性呈現出很大潛力，其結構和尺寸應進行針對性的優化設計，并通過試驗來驗證達到額定轉速需要較短的T90加速時間(其中T90相當于電動壓氣機突變到90%額定轉速所需的持續時間)。

根據所規定的轉速限制(例如容許的零件應力)，首先取決于壓氣機級的熱負荷，以及可供使用的葉片和轉子的材料，特別是決定電動機轉子磁性的材料，而且支承轉子的滾動軸承與轉速限制也有關聯。滾動軸承替代了廢氣渦輪增壓器通常所使用的滑動軸承，因而無需供應機油。

可供使用的軸材料、從軸承中心至懸臂軸段上壓氣機葉片重心的間距，以及滾動軸承和殼體的剛度等因素決定了轉子固有頻率所處的頻段。在限制了額定轉速的情況下，強制規定額定轉速必須低于臨界值。作為最好的折中方法，電動壓氣機的額定轉速在65000～70000r/min之間。

5結構設計和技術規格

基于上述轉速水平，使用非自密封、帶有聚醚醚酮(PEEK)保持支架和高品質潤滑脂的球軸承，并采用預應力固定/浮動組合，以及可間隙補償和旋轉可靠的外座圈特殊固定。

由于壓氣機葉輪承受動態熱負荷和機械負荷，因此其制造材料不考慮采用高品質塑料，而且其結構形狀出現了不利于制造的條件，因而壓氣機級只能達到有限的效率。

為此，壓氣機葉輪被設計成鋁銑削件結構型式，開發時運用最現代的CAE方法，并經試驗臺和發動機臺架試驗來優化葉輪輪轂長度和背面輪廓形狀，從而使其慣性小于傳統壓氣機葉輪額定值的50%。壓氣機單元的另一個特征是為了減少縫隙損失，使葉輪與蝸殼內部輪廓的間距非常小，以及整個蝸殼具有可拔模性(圖5)。

圖5　電動壓氣機剖視圖

其他的結構組件根據力矩平衡所必需的電動機的造型來進行設計。該電動機由定子繞組、具有高效電磁性能的轉子和功率電子器件(LE)組成，后者由半導體功率電子器件、與功率器件電分離并帶有CAM/LIN接口的控制板及中間電路組成。

由功率電子器件控制轉速可調節的電動機被設計成特別的結構型式。Pierburg公司為電動壓氣機選擇了1種對稱設計的多用途永磁式同步電動機。在選擇設計時，其可供使用的安裝空間，以及高效率起到決定性的作用，同樣在低噪聲輻射和部件價格方面也提出了要求。這些要求決定了電動機后端的高效功率電子器件要小，并且中間電路需要的電容量要小。

另外，在結構設計時應盡可能仔細地確定轉子與定子之間的間隙尺寸及其公差，這不僅有利于降低制造成本，還可以明顯減小徑向分力，從而能在噪聲-振動-平順性(NVH)特性方面獲得非常大的好處。

如此設計出來的電動壓氣機就能使單個裝置進行靈活的分級，無論是12V或48V方案都能實現2kW或5kW的功率。表1示出了目前在硬件方面可供使用的電動壓氣機的技術規格指標。

表1　電動壓氣機的技術規格

6零件熱負荷

為了保護電動機和功率電子器件，熱量必須散發出去。圖6示出了在輸入功率為5kW時的效率鏈，其中散熱及電動機和功率電子器件中的初始損耗會損失485W。電機繞組和半導體元器件附近的溫度傳感器能確保各構件處于調節策略所規定的溫度范圍內免遭損壞。

圖6　電動壓氣機在最佳運行點時的效率鏈

如此可經久耐用的電動壓氣機運轉頻度可高達100%。圖7示出了根據發動機溫度、冷卻液溫度和容許的極限溫度按公式(2)定義的溫度比與運轉頻度和運轉時間的關系曲線。

(2)

圖7　電動機溫度比隨運轉時間和運轉頻度的變化

7密封裝置

由于轉速非常高而在壓氣機殼體與電動機轉子之間不可能應用耐磨的密封裝置，因而存在著諸如添加劑、高的空氣溫度和空氣壓力沿著轉子軸進入電動機的風險，所有涉及到的個別部件，例如非自密封的軸承、電動機和功率電子器件等，會因腐蝕和軸承潤滑劑的滲出而受到不可逆轉的損壞。為此專門開發了1種密封方案，這種密封裝置在總體功能上使得電動壓氣機內腔與進氣管之間沒有增壓空氣和添加劑的交換，從而確保了壓氣機的耐久性，并取消了分開式靜態密封措施，特別是功率電子器件方面的密封措施。

8旁通裝置

電動壓氣機通過1個旁通裝置被臨時接入空氣管路，這種旁通裝置應盡可能做到打開時無節流而關閉時密封性好，并具有靈活的運行特性。通過壓縮空氣再循環，不可能主動移動運行工況點阻止出現泵吸效應。

因此，專門開發了1種具有失效保護功能的連續電動的調節閥板，并使其可朝相反方向擺動，這種調節閥板具有高的系統集成度，能將旁通閥和其它功能綜合在1個單元中，而且專門開發的密封座能確保殘余泄漏量處于節氣門調節閥板的水平之上。此外，蝸殼出口處的旁通閥集成在1個結構型式中，整體式殼體非常緊湊，有利于降低成本和減小所需的安裝空間。

9結論與展望

介紹的電動壓氣機由于具有模塊化的結構，并可應用于12V和48V 這兩種電壓規格，因而能同時滿足的柴油機和汽油機的使用要求。這種電動壓氣機與傳統的渦輪增壓器組合使用可改善瞬態特性，如果整個增壓管路針對電動壓氣機進行適當調整的話，就能使所有的目標參數獲得重大的改善。

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范明強編譯

何丹妮編輯

(收稿日期：2015-09-11)