機電液輔助增壓技術的發展及應用分析(一)

張繼忠，張樹勇，吳建全，霍學敏，孫惠民，劉毅

(1. 中國北方發動機研究所(天津)，天津 300400；2.GAC R&D Center，Detroit 48331； 3.大同北方天力增壓器有限公司，山西 大同 037036)

新技術的應用推動了汽車工業向電動化、智能化、網聯化、共享化的方向發展[1]，使得動力技術呈現了多樣化發展趨勢和競爭態勢。人們開始認識到，技術多元化引起了環境保護和能源安全方面的評估標準不統一，單純對個體產品的污染和能耗評估是不科學的，考慮“能量轉換、能源結構、產業結構乃至于社會、經濟結構”等因素的多維度、全生命周期(搖籃到墳墓，Cradle to Grave)[2]的綜合評估方法逐漸受到重視。在當前形勢下，汽車工業的發展對發動機提升熱效率、降低排放提出了更高的要求，也對增壓技術提出了新的挑戰。

增壓技術可以有效增加發動機缸內的進氣密度，強化發動機。在內燃機百年發展的歷史進程中，催生演變了許多不同種類的增壓方式和不同結構的增壓產品，而電子化/電氣化技術的應用進一步推動了增壓技術的發展，出現了許多不同類型的機/電/液輔助增壓技術。

1 增壓技術的發展趨勢

早在19世紀，戴姆勒和狄賽爾就認識到，采用機械裝置驅動壓氣機(機械增壓)可以有效提高發動機功率。1905年，瑞士的Alfred Büchi博士首次提出了廢氣渦輪增壓概念。1924年，廢氣渦輪增壓技術在船用柴油機和大型陸用柴油機上開始商業化應用[3]；1938年，廢氣渦輪增壓技術首次應用在波音B-17飛機上，解決了在高空環境使用的問題；到1960年，廢氣渦輪增壓技術已經大量應用于車用柴油機[4]；1980年，增壓技術開始在汽油機上應用，最初在F1汽車上加裝增壓器，最大功率超過了735 kW[3]。到目前為止，增壓技術已廣泛應用于各種往復活塞式發動機上，成為發動機發展過程中的里程碑技術。

1.1 增壓技術的發展

發動機的增壓有多種方式，朱大鑫[5]將增壓方式分為四大類：1)沒有專門增壓裝置的增壓，如慣性增壓、諧波增壓等；2)機械增壓；3)廢氣渦輪增壓；4)復合增壓。除第一類外，其他增壓方式均為發動機單獨的部件技術，得到廣泛應用和發展。

機械增壓有螺桿式、羅茨式和離心式等多種型式，其中螺桿式、羅茨式機械增壓常用于小排量汽油機，離心式機械增壓則常用于具有高壓比需求的大中排量柴油機或汽油機上[6]。羅茨式機械增壓器的應用最廣，壓比不超過2.5，瞬態響應性好、結構簡單、成本低、運行可靠[7-8]，但由于其排氣流量與其轉速基本呈線性關系，和發動機匹配不靈活[9]，油耗高，使用范圍受到一定的限制，一度被廢氣渦輪增壓技術所替代。隨著高傳動比、高速軸承的發展，加之復合增壓技術的需求，離心式機械增壓技術又逐漸受到重視，并向小型發動機應用延伸。驅動方式由發動機曲軸驅動，發展到利用機械、電能、液力能等多種能量驅動(或混合驅動)；傳動比不斷提高，由固定傳動比發展到可變傳動比；液力驅動的增壓方式還可以吸收車輛制動能量，已在頻繁起停車輛上得到應用；電機驅動的羅茨式(E_Super[10])或離心式壓氣機，使機械增壓器的使用更加靈活，不僅可以應用于傳統的發動機，在混合動力、燃料電池等方面也具有廣闊的應用前景。機械增壓已經逐漸向多能驅動、可變、可控、能量回收的方向發展。

廢氣渦輪增壓晚于機械增壓，由于其緊湊、高效、節能等特點，在車船用發動機上得到了廣泛的應用，同時其結構和燃氣輪機相似，成熟的航空技術可以移植過來，使廢氣渦輪增壓技術得以高速發展[13]。為滿足發動機全工況增壓匹配需求，可利用現代設計、軸承、密封、工藝、材料等新技術，不斷提升增壓器的指標，如高壓比、高效率、寬流量范圍、高可靠性、低成本等(見圖1)[11]。CFD技術的應用使得壓氣機的壓比、效率和流量范圍同時得到提高，應力優化、無孔工藝和新材料的應用可使壓氣機獲得15倍以上的疲勞壽命[12](見圖2)。據統計，目前車用增壓器的單級壓比最高能夠達到6.0，壓氣機和渦輪的效率最高達到了82%，壓氣機葉輪輪周線速度突破了580 m/s[13]，船用增壓器的壓比則更高；在壓氣機端，軸流+徑流串聯、雙徑流串聯、雙徑流并聯等多種組合方式，滿足了車用工況高壓比、寬流量范圍、高緊湊性的要求[15]；渦輪端通過利用波渦作用效應、脈沖能量非定常作用效應，實現渦輪的高膨脹比和大焓降[16]；高速滾珠軸承的應用使得增壓器轉子的機械效率在95%以上，鈦鋁、陶瓷等輕質材料的應用使得增壓發動機的“渦輪滯后”問題得以大幅度改善[11]；調節技術的應用使得增壓器內部的氣體流動狀態由被動適應轉變為主動控制，產生了變幾何截面渦輪(VGT、VNT)[11]、變幾何截面壓氣機(VGC)[17]等增壓器型式；其中VGT技術和高壓共軌燃油噴射技術的配合，改善了柴油機的全負荷性能，尤其是低速扭矩提升了44%[18]；VGT技術和發動機EGR技術的配合，使得廢氣流量在渦輪增壓器和EGR系統中得到合理分配，有效改善了發動機的排放[12,19]。

復合增壓由機械/電/液力驅動的增壓器、廢氣渦輪增壓器以及動力渦輪等作為功能單元，組成不同型式的復合增壓系統。BMW公司提出了多個廢氣渦輪增壓器組合的復合增壓概念[20]，通過切換和調節3個廢氣渦輪增壓器(2個高壓級+1個低壓級)，實現7種增壓模式，分別匹配發動機的5個工況，滿足了車用發動機的全工況最優的增壓匹配需求；文獻[21]和文獻[22]介紹的機械+廢氣渦輪增壓器組合，采用羅茨式機械增壓和廢氣渦輪增壓構成二級增壓系統，使汽油機實現了65%的小型化目標；文獻[23]介紹的電動壓氣機+VGT廢氣渦輪增壓器組合，在2.0 L 4缸柴油機上得到應用；文獻[6]介紹的廢氣渦輪增壓器和動力渦輪(或朗肯循環)的組合，實現了發動機廢氣余能梯級利用。

圖1 高壓比增壓技術[11]

圖2 無中心孔工藝和材料應用提升壓氣機葉輪的壽命[12]

1.2 未來增壓技術的發展特征

1.2.1面向需求的空氣系統管理

增壓的作用不僅僅是將空氣壓縮到發動機缸內增加空氣密度，對車用發動機來說，還要適應發動機不同轉速、不同負荷、不同海拔環境的匹配要求。單純依賴增壓器內部氣動性能的優化，已達到旋轉機械的設計極限，將無法滿足發動機功率密度提升和日益嚴格的排放法規的要求。

未來的增壓技術將從發動機對空氣的需求角度(air-on-demand)進行系統、低成本、高效管理[6]，綜合考慮氣體流動路徑上的各個部件、各個單元的流動特性，綜合評估包含空氣濾、增壓器、進排氣管路、中冷器、EGR、進氣道及缸內過程等因素的發動機空氣系統，統一管理氣體在系統中的流動過程與狀態，綜合考慮多方面因素，諸如壓縮氣體流動狀態(超聲速或亞聲速)的選擇、空間布置和沿程壓降損失與畸變的均衡控制、中冷器冷卻與壓降損失的均衡控制、廢氣再循環量與路徑的控制、進排氣量的控制、進氣道渦旋流動狀態的控制、缸內油氣摻混狀態的控制等。

重點圍繞以下兩方面不斷提升技術水平：1)進一步提高氣體流動品質(Air Flow Quality)，降低壓氣機內部氣體跨聲速流動中的激波、二次流、泄漏、壁面摩擦等損失，提高壓氣機做功能力和氣動適應性(拓寬流量范圍)[24]；2)控制氣體流通路徑(Air Path Control)[25]，根據發動機增壓需求，優化發動機進氣策略，利用調節技術控制氣體流通路徑，實現多級增壓的串并聯和切換、高低壓EGR切換等多?？刂?。

1.2.2基于多能驅動的能量綜合利用

發動機的動力輸出過程，本質上是進入缸內燃料的化學能轉化為曲軸有效輸出功的過程，廢氣或曲軸輸出能量通過增壓器壓氣機再輸出部分，即理論泵氣功，也是由燃料化學能轉化的[26]。隨著機電一體化的發展，多能驅動、能量綜合利用的增壓方式將越來越受到關注。應用不同形態的能量驅動壓氣機，使得增壓系統的能量綜合利用更加靈活，ECU可以根據發動機的工作狀態，選擇外部或內部能量進行增壓，以最小能量消耗為發動機提供最合適的空氣需求量。尤其是利用獨立于發動機動力輸出功之外的電能、液力能等，可以隨時滿足發動機增壓需求，解決了廢氣渦輪增壓匹配中“遇弱則弱、遇強則強”的問題；采用動力渦輪、發電機、液壓儲能裝置等技術，可實現能量回收和梯級利用，提升整機的熱效率。

1.2.3面向最優匹配的柔性組合

增壓技術發展產生的新結構、新型式，為增壓系統實現柔性組合提供了可能，不同類型的增壓方式帶來發動機增壓匹配的差異。機械增壓在改善發動機的瞬態響應性的同時會消耗一部分功率，導致油耗增加；廢氣渦輪增壓利用廢氣能量獲得高壓比，但無法避免“渦輪滯后”效應[27]。因此，不同功能組合的增壓型式將逐步受到關注。

未來發展將聚集在以下兩個方面。

1) 由多個增壓器柔性組合構成的復合增壓系統，可以是大小不同的廢氣渦輪增壓器之間的柔性組合(串聯、并聯、混聯)，也可以是廢氣渦輪增壓器與機/電/液驅動的輔助增壓器之間的柔性組合，在氣動性能、可靠性、響應性等方面取長補短，滿足了發動機在不同運行工況、不同使用環境下的增壓匹配需求。

2) 由各元件柔性組合構成的增壓器，如廢氣渦輪增壓器與電機耦合，廢氣渦輪增壓器與液力傳動系統耦合，可以達到改善瞬態響應和回收能量的目的。電動壓氣機與動力渦輪的組合，徹底改變了廢氣渦輪增壓器的傳統結構，打破了壓氣機和渦輪之間的功率、轉速和流量平衡的約束，使得壓氣機系統和渦輪系統始終與其保持最佳匹配狀態，為混合動力、燃料電池等新一代動力技術發展提供了解決方案。

1.2.4基于環境感知與健康管理的智能控制

隨著傳感技術和控制技術的發展和低成本化，增壓系統在環境適應性和健康管理方面已經開始具備了智能化特征。利用傳感器實時監測增壓器轉速、內部壓力、溫度和外部環境等參數，通過預置程序和預先設定的邏輯準則，判斷增壓器工作環境和健康狀態，執行相應的控制程序，利用變幾何調節、電子調節、機構調節等手段，控制增壓器運行狀態，或者切換不同的增壓匹配方案，滿足車用發動機變海拔環境適應性要求，也滿足船用增壓器長壽命、高安全性的需求。

2 按照驅動方式劃分的增壓類型和輔助增壓技術

從本質上講，增壓器是一臺壓氣(縮)機(下簡稱壓氣機)。壓氣機分為容積型和速度型，容積型分為往復式活塞式和回轉式，速度型又分為軸流式、離心式和混流式3種[28]。

發動機增壓器一般采用兩種型式的壓氣機：一種是容積型，通常選擇回轉式，主要有渦旋式、螺桿式、滑片式和羅茨式等；另一種是速度型，一般選擇離心式(或混流式)。兩者相比，容積型壓氣機轉速低、壓比低、效率低、流量范圍寬、質量大、體積大，速度型壓氣機轉速高、壓比高、效率高、流量范圍偏窄、質量輕、體積小、振動噪聲小。

按照驅動方式分類，驅動壓氣機工作的能量有4種形態(見圖3)：一是廢氣內能驅動，即廢氣渦輪增壓；二是機械能驅動，即曲軸驅動的機械增壓；三是電能驅動，利用電池能量帶動電機，驅動壓氣機；四是液力內能驅動，利用滑油或燃油系統的內能推動渦輪或液壓傳動裝置，驅動壓氣機。發動機增壓技術可以分為曲軸驅動、電機驅動、液力機械驅動、廢氣渦輪驅動4種基本型。在增壓器內部，兩種(及以上)驅動方式組合工作，構成耦合工作模式，形成了電機與曲軸耦合驅動、廢氣渦輪與曲軸耦合驅動、廢氣渦輪和液力耦合驅動、廢氣渦輪和電機耦合驅動等類型。在增壓器外部，由兩個(及以上)增壓器組合工作，構成復合工作模式，即復合增壓系統。

圖3 4種不同能量驅動壓氣機的增壓方式

目前大多數增壓發動機以廢氣渦輪增壓方式為主，其他增壓方式均以輔助角色參與工作，輔助增壓模式主要有兩種：一種是在廢氣渦輪增壓器內部，驅動壓氣機的能量形態以廢氣能量為主，以機械能、電能和液力內能為輔的耦合模式；另外一種是復合增壓系統中，以廢氣渦輪增壓為主，以曲軸驅動的機械增壓、電機驅動的機械增壓、液力驅動的機械增壓為輔的復合模式。

3 幾種典型的離心式輔助增壓技術的發展與應用

3.1 曲軸驅動的離心式機械增壓技術

20世紀90年代，隨著離心式壓氣機技術、高傳動比技術和高速軸承技術的發展，曲軸驅動的離心式輔助增壓技術(下簡稱離心式機械增壓)開始興起，先后出現了德國ASA、丹麥Rotrex、美國Vortech等公司[29]，形成離心式機械增壓器系列產品，傳動比高達1∶60，汽油機增壓器最高轉速達到240 000 r/min；另外在柴油機低速時，單級壓比達到3.5，最高效率達到80%，性能遠遠高于容積式機械增壓器，和發動機的匹配功率由20 kW覆蓋到1 120 kW[30]。這種類型增壓器具有以下特點：

1) 與電機驅動的輔助增壓技術相比，離心式機械增壓可以匹配大功率的發動機，不依賴電池容量，但需要發動機提供動力輸出裝置(皮帶輪等)；

2) 離心式機械增壓的氣動性能(壓比、效率)要高于容積式(羅茨)，但由于傳動機構和軸承的限制，比廢氣渦輪增壓器稍低，葉輪輪周線速度不太高，因此，可以在輕量化和材料選用方面做進一步優化，以減少轉動慣量、增加軸系穩定性、降低成本；

3) 離心式機械增壓的質量和體積均低于容積式(羅茨)機械增壓，振動噪聲小，易布置；

4) 增壓器轉速和發動機轉速是固定傳動比，實現高效匹配存在一定的困難，尤其是在適應發動機變海拔環境的工作條件。

2000年左右，出現了可調傳動比的離心式機械增壓，如英國Torotrak公司的V_Charge增壓器，利用步進電機調節傳動比，實現8～10倍的變速比范圍，壓氣機與發動機能夠實現良好的性能匹配，采用無級行星傳動機構，傳動比達到1∶100。圖4示出該增壓器在某發動機上的概念方案對比試驗結果，低速扭矩提升40%，在發動機1 000 r/min轉速下，加速時間約400 ms[31]。

圖4 V_Charge增壓器提升發動機低速性能[31]

3.2 曲軸和廢氣渦輪耦合驅動的離心式輔助增壓技術

烏克蘭研制的一款二沖程柴油機采用曲軸和廢氣渦輪耦合驅動的離心式輔助增壓技術。文獻[32]給出了這種增壓系統的結構(見圖5)。發動機廢氣驅動動力渦輪，動力渦輪通過齒輪傳動機構和壓氣機相連；發動機曲軸通過摩擦離合器、齒輪傳動機構和壓氣機相連。在發動機運行過程中，壓氣機同時接受來自動力渦輪和曲軸的功率輸出，形成機械渦輪耦合增壓系統；摩擦離合器的作用是在發動機曲軸轉速發生突變時，可以在超出一定傳遞扭矩的工況下使曲軸與壓氣機脫離，防止整個增壓系統因過載而損壞。該耦合方式解決了廢氣渦輪增壓在二沖程柴油機無法起動和全工況應用的難題，滿足了二沖程柴油機固有的“進排氣正壓差”增壓要求，同時，壓氣機和渦輪在發動機不同工況下能夠相對獨立地高效率運行，提高燃油經濟性能。

圖5 機械和廢氣渦輪耦合驅動的增壓器結構示意[32]

3.3 電機驅動的離心式機械增壓技術

3.3.1電機驅動的離心式機械增壓技術的發展

隨著高速電機技術的發展，電機驅動的離心式機械增壓技術(下簡稱電動壓氣機)得到了迅猛發展，該壓氣機以其體積小、易安裝、轉速可控可調、壓比可控可調、驅動功率不受發動機實時工況約束、快速響應等優點，有望成為解決發動機低速工況問題的有效措施，世界各大公司競相加大研發投入[33,42]。由此該技術也產生了各式各樣的名稱，如電動壓氣機(Electric-Driven Compressor)、電動增壓器(Electric Booster)、電動機械增壓(Electric Supercharger)等。

BorgWarner公司經過多年開發的電動壓氣機(e-Booster)已在奔馳S級汽車M256直列汽油機平臺批產。采用無刷直流永磁高速電機(PMBLDC)，電壓48 V，電動持續功率2～3 kW，峰值功率5 kW，在0.3 s內使壓氣機葉輪從靜止加速至70 000 r/min[34]。

德國Pierburg公司研發了12 V和48 V兩款電動壓氣機(eAC:Electric Air Charger)，對于48 V電動壓氣機，其永磁電機持續功率5 kW，峰值功率7.5 kW；采用特殊結構的滾珠軸承，即預應力固定-可移動式組合結構和間隙補償的外環支撐結構，具有高轉速自密封潤滑功能，轉速達70 000 r/min。壓氣機葉輪采用鍛鋁材料銑削制成，進行了拓撲結構優化的減重設計，轉動慣量低于常規葉輪的50%。通過熱分析，5 kW的電機輸出功，最終作用到離心式壓氣機葉輪上用于壓縮空氣的功率大約為3.15 kW，其中電機和控制器的熱損耗0.485 kW，占9.7%，壓氣機壓縮空氣的熱損耗1.365 kW，占27.3%(見圖6)[35]。

圖7示出法國Valeo公司研發的電動壓氣機(EPC：Electric Powered Compressor)，采用開關磁阻電機，48 V電壓，峰值功率輸出7 kW，在350 ms內使其轉子加速至70 000 r/min[23]。

圖8示出英國Aeristech公司研制的電動壓氣機，由離心式壓氣機、四極永磁電機、控制器潤滑系統(油脂)及冷卻系統(冷卻介質為水+乙二醇)高度集成，在電機控制方面具有獨到之處，電機熱平衡得到了有效控制，保證了在48 V供電條件下持續輸出10 kW的功率，使轉子在0.5 s內從靜止加速到120 000 r/min，非常適合改善發動機低速響應的增壓匹配要求[36]。

圖8 英國Aeristech公司電動離心式壓氣機[36]

廢氣渦輪增壓電氣化已經成為趨勢，圖9示出英國CPT公司開發的電動壓氣機(左)和渦輪發電機(右)。采用開關磁阻電機，電動壓氣機峰值功率輸出8 kW，持續功率2.5 kW，持續運行轉速65 000 r/min；渦輪發電機采用低速電機，在15 000 r/min轉速下輸出2 kW的電能[37]。2016年在英國倫敦召開的IMechE會議上，UCL展示了廢氣渦輪增壓電氣化解耦的概念方案(Electrically Decoupled Turbocharger)(見圖10)，將電動壓氣機和渦輪發電機組合在一起，完全替代傳統渦輪增壓器，解除了廢氣渦輪增壓器中的渦輪和壓氣機的機械約束，可以靈活匹配發動機、壓氣機、渦輪三者之間的功率、轉速和流量，使壓氣機和發動機全工況最優匹配、渦輪和發動機全工況最優匹配成為可能[38]，在混合動力、燃料電池等方面具有廣闊的應用前景。

圖9 英國CPT公司的電動離心壓氣機和向心渦輪發電機[37]

圖10 電氣化解耦增壓器概念[37-38]

3.3.2電機驅動的離心式機械增壓與廢氣渦輪增壓的復合應用

電動壓氣機與廢氣渦輪增壓器組成的復合增壓系統能夠提升發動機全工況性能。在增壓匹配設計初期，電動壓氣機和廢氣渦輪增壓各有分工，電動壓氣機作為輔助角色，側重發動機低速匹配，廢氣渦輪增壓則側重發動機高速匹配，在發動機常用工況和標定工況工作，這樣既提升發動機低速扭矩性能，又滿足了發動機的標定功率匹配要求。尤其是電動壓氣機起動工作的動力來源于電池(外部能源)，不依賴于發動機本身工況約束，通過控制可以獲得最佳的加速特性，這是傳統的機械增壓無法比擬的，該復合增壓技術已在最新的高性能車輛產品得到應用。

Borg Warner公司的Hermann Breitbach博士對三種柴油機增壓方案進行了對比分析(見圖11)，研究了eBooster在柴油機小型化(Downsize)方面的應用成效。方案1為排量2.0 L配置單級VTG增壓柴油機，方案2為排量1.6 L配置單級VTG增壓柴油機，方案3為排量1.6 L配置單級VTG(或二級可調R2S)增壓+eBooster的柴油機。結果表明，eBooster僅需不大于2 kW的電機功率，就可以將1.6 L柴油機的性能提升到2.0 L柴油機(VTG)的水平[34]，為發動機小型化提供了一條技術思路。

圖11 三種增壓方案的對比[34]

德國奧迪汽車公司在Audi SQ7汽車4.0 L V8雙渦輪增壓柴油機上集成了電動壓氣機，與兩個廢氣渦輪增壓組成新型的復合增壓系統，發動機峰值功率達到340 kW(升功率85 kW/L)，發動機1 000 r/min時達到最大扭矩900 N·m。圖12示出3種增壓系統工作模式。發動機起動時，采用廢氣渦輪(低壓)+電動壓氣機(高壓)組成二級增壓系統；發動機高速時，兩個廢氣渦輪增壓器并聯工作；發動機常用轉速采用一個廢氣渦輪增壓[39]。

英國Aeristech公司和馬勒(MAHLE)公司合作開發的電動機械增壓(Electric Supercharger)，在馬勒公司的Powertrain 1.2 L Di3發動機上進行了極度小型化的概念階段應用驗證，原基礎發動機采用單級廢氣渦輪增壓器，功率120 kW；采用二級廢氣渦輪增壓系統后，發動機最大功率達到144 kW，升功率達到120 kW/L；采用二級復合增壓系統(電動壓氣機+廢氣渦輪增壓器)，廢氣渦輪增壓器為高壓級，渦輪端帶有旁通結構，電動壓氣機作為低壓級(帶有旁通結構)，高低壓級間中冷(見圖13)，發動機最大功率達到193 kW，升功率達到161 kW/L(相對基型發動機提升了61%)。發動機穩態對比試驗結果表明(圖14a)，采用單級廢氣渦輪增壓的發動機在1 600 r/min工況下，pme為3 MPa，而采用二級復合增壓系統后，發動機在1 500 r/min工況下，pme就達到3.3 MPa。發動機瞬態對比試驗結果表明(圖14b)，發動機加速1.2 s達到1 500 r/min固定轉速后，監測發動機的pme值，采用二級復合增壓系統，pme為2.97 MPa，達到了發動機峰值pme(3.5 MPa)的90%；單獨采用電動壓氣機，pme為2.7 MPa；采用廢氣渦輪增壓器，pme僅為1.45 MPa；而自然吸氣發動機pme僅有1.1 MPa[40]。

圖13 馬勒公司Powertrain 1.2 L發動機機電復合的二級增壓系統[40]

圖14 裝用電動-渦輪復合增壓系統的1.2 L Di3發動機試驗結果[40]

北京理工大學的趙永生等研究了電動壓氣機和廢氣渦輪增壓器對柴油機性能的影響，采用廢氣渦輪增壓器和電動壓氣機組成復合增壓系統，模擬計算了800 r/min，1 000 r/min和1 200 r/min 3個轉速下的柴油機性能變化。計算結果表明，采用電動壓氣機，發動機空氣流量提高了27%以上，空燃比均從18提高到23.8，在800 r/min時，最大負荷時扭矩提高了14.4%，最小負荷時提高了21.1%，在改善煙度、提高發動機低速扭矩和降低燃油消耗率均有一定效果。同時還發現，隨著發動機轉速增加，電動壓氣機對發動機的改善程度呈減弱趨勢[41]。

3.4 電機與廢氣渦輪耦合驅動的增壓技術

在發展電動壓氣機技術的同時，國內外各大公司和研究機構也在研發另外一種更為緊湊的電機與廢氣渦輪耦合驅動的增壓型式，即將電機集成在廢氣渦輪增壓器上，以廢氣能量為主、電能為輔耦合驅動壓氣機。其工作原理為：當發動機工作在起動、低速大負荷、加速工況時，電機作為電動機運行，電機驅動廢氣渦輪增壓器轉子加速，提高進氣壓力，從而提升發動機低速扭矩；當發動機工作在高速或大負荷工況時，電機作發電機運行，廢氣渦輪回收其中一部分能量，傳到發電機轉化為電能并儲存。但該結構復雜，而且存在兩大問題：一是在原廢氣渦輪增壓器軸上布置電機轉子后，會帶來轉動慣量的增加，響應性和機械效率會有所降低；二是高溫和機械沖擊對電機的影響較大，需要采取更復雜、昂貴的技術措施[42]。

由于研究機構眾多，由此也產生了許多名稱，如ETA (Electrically Assisted Turbocharger)，MAT(Motor Assisted Turbocharger)，Motor-Generator Assisted Turbocharger，Hybrid turbo，E-Turbo等，本研究統稱電輔助廢氣渦輪增壓器(下簡稱電輔助增壓器)。這種結構形式的增壓器興起于2000—2005年期間，但由于汽車上小于40 V電源安全的限制，大多數電輔助增壓器都無法安裝在整車上。近年來隨著混合動力(300 V)的發展，電輔助增壓又逐漸興起。

電輔助增壓器一般有兩種典型的連接方式，一種是電機內置到增壓器(見圖15a)，另外一種是電機外置到壓氣機端(見圖15b)。

圖15 電機與廢氣渦輪耦合的兩種方式[43]

3.4.1電機內置式電輔助增壓器

BorgWarner公司在電機內置式電輔助增壓器ETA(Electrically Assisted Turbocharger)方面開展了深入的研究。文獻[44]和文獻[45]介紹了一臺帶VTG結構的電輔助增壓器裝在一臺帶EGR的13 L 6缸機上的性能改善情況，通過模擬計算發現，在發動機加速時，電輔助增壓器通過電機加速轉子，避免了原來利用VTG增壓器時縮小渦輪噴嘴喉口面積而造成的泵氣損失，發動機效率提高4.1%，燃油消耗降低3.9%；同時在WHSC(20)循環工況下，還研究了電輔助增壓器消耗和吸收電能的變化規律。圖16示出在世界重卡穩態道路工況圖上標出的5個發動機運行點，表1給出了5個工況點下電輔助增壓器的工作狀態。圖16中的百分比為整個循環時間的占比，其中A點為電機推動增壓器轉子的加速過程，消耗8 kW的能量，C點為廢氣渦輪推動發電機輸出5 kW的能量，而B，D，E是電輔助增壓器處于發電和電機兩個狀態[44]。

另外，E. Winward等在發動機試驗臺分別進行了發動機穩態試驗和瞬態試驗，并進行了詳細分析。穩態試驗中，研究了內置電機的繞組溫度與發動機及增壓器工作狀態的變化規律，在發動機持久加速或高負荷狀態下，電輔助增壓器的繞組溫度達到最高，甚至于超過了設計極限，此時電機需求的冷卻流量最大，需對電機和控制系統設計進行改進；瞬態試驗中，在低速全負荷工況下，電輔助增壓器可以使發動機的瞬態響應提高60%[45]。

圖16 發動機在WHSC圖上的5個運行點[44]

表1 發動機不同工況下電輔助增壓器消耗和吸收電能情況[44]

3.4.2電機外置式電輔助增壓器

與內置結構相比，外置式結構相對簡單，但體積較大。圖17示出MTU公司在ZR系列增壓器基型上研發的電輔助增壓樣機，在德國聯邦經濟和技術部支持下，項目經歷了十多年研究，由德國G+L Innotec公司開發。主要圍繞最小轉動慣量、減小轉子質量、可實現的最大扭矩、減小軸承負荷、最小熱負荷、易安裝、能量利用等7個目標，開展電輔助增壓的研究。

該樣機通過在傳統增壓器進氣前端集成該公司獨有的大氣隙高速電機，能夠在柴油機瞬態工況下短時間提供電力功率使其轉子加速，從而縮短增壓器轉子加速時間，提高整機的瞬態響應性。由于高速電機集成于壓氣機前端，同時采用大氣隙設計，不僅可以解決高速電機靠近熱端所面臨的熱負荷問題，同時對原增壓器的結構改動和性能影響很小，具備極強的工程實用價值[43]。MTU公司的增壓器開發和流體系統部的主任Johannes Kech指出，“電輔助渦輪增壓技術為混合動力發動機道路上的一個里程碑。掌握該技術，我們就有可能開發靈巧的低燃油耗發動機。”MTU公司已獨家收購該公司的電輔助增壓技術，并將于2021年之后在其450 kW以上地面車輛、船舶以及應急發電機組用柴油機產品上推廣應用[46]。

圖17 MTU外置式電輔助增壓器及在發動機安裝位置[46]