汽油機兩級復合增壓系統的低速性能研究

鄧大偉 鄭有能 聶家誼

（泛亞汽車技術中心有限公司 上海 201201）

引言

隨著世界各國對汽車燃油經濟性和排放法規要求的日益嚴格，小排量渦輪增壓汽油機已成為國內外汽車公司降低油耗的主流發展技術之一[1]。歐美汽車公司如福特、通用、大眾、標致等，日系汽車公司如本田、豐田等，以及國內汽車公司如上汽、吉利、長城、長安等陸續推出了1.0～1.5 L排量的小型渦輪增壓汽油機。但是市場對渦輪增壓發動機的接受度不僅取決于燃油消耗率低，具有良好的駕駛性能也是客戶重要的需求，而渦輪遲滯的優化變成了渦輪增壓汽車駕駛性能改進的內容之一[2]。目前，小排量渦輪增壓汽油機在帶來油耗低、高速性能強勁等優勢的同時，仍然面臨著低速性能不足和瞬態渦輪遲滯的難題。

渦輪遲滯是指瞬態加速油門全開后，增壓壓力到達最大值需要一定的時間。這種遲滯效應是由于發動機和渦輪增壓器之間能量傳遞路徑的特性造成的[3]。另外，對于所有增壓發動機，發動機低速轉矩常受限于爆震邊界或壓氣機的喘振邊界。這個問題在瞬態工況尤其明顯，相應地影響整車的低速駕駛性能。

為了解決小排量渦輪增壓汽油機的低速性能問題，目前國內外汽車公司和研究機構提出的技術包括機械輔助增壓、可變噴嘴渦輪增壓、電動輔助增壓等。機械輔助增壓使用的機械增壓器由發動機曲軸皮帶機構直接驅動，低速響應快，但工藝復雜，系統成本高，噪聲大，而且影響油耗，目前主要應用在一些歐美大排量車型上，在小排量車型上很難量產應用。可變噴嘴渦輪增壓能根據發動機工況變化連續調節渦輪流通截面，保證渦輪在高低速范圍內都可以提供能量，使壓氣機獲得足夠的增壓比。該技術可明顯改善發動機低速性能和瞬態響應，在歐洲乘用車柴油機上已廣泛應用，但在汽油機上，由于排氣溫度高，可靠性仍待檢驗。電動增壓（electric supercharger，ESC）技術是一種新型的增壓技術，由電機直接驅動離心式壓氣機，響應時間更短。隨著發動機電氣化技術的發展，電動增壓有逐漸取代傳統機械增壓的趨勢，國外多家研究機構和汽車公司都在開發電動增壓技術。2017年，奧迪公司在SQ7 4.0L V8渦輪增壓直噴柴油發動機上率先量產應用電動增壓技術，但僅用于瞬態工況，電動增壓的作用時間僅幾秒。這是由于電機散熱的限制導致不能持續增壓。目前，法雷奧、博格華納、皮爾博格等供應商正在開發新一代電動增壓技術[4-6]，通過電機設計和散熱改進，實現持續增壓。

本文的研究對象是某1.0 L進氣道直接噴射渦輪增壓汽油機，原機渦輪增壓器的流量范圍要兼顧低速轉矩和高速功率，已接近性能極限。通過在原機基礎上增加一套電動增壓器，改造成復合增壓系統，基于模擬計算和臺架試驗研究低速性能和轉矩響應的改善。

1 復合增壓系統的設計與匹配

1.1 發動機

試驗用發動機原型機為某1.0 L進氣道直接噴射渦輪增壓汽油機樣機，其基本參數如表1所示。

表1 發動機基本參數

渦輪增壓器為電動放氣閥式渦輪增壓器，結構如圖1所示。

圖1 渦輪增壓器結構

1.2 電動增壓器

電動增壓器由高速直流電機直接驅動離心式壓氣機，包含驅動模塊和控制模塊。本文采用12V/48 V風冷電動增壓器，其性能參數如表2所示。

表2 電動增壓器主要性能參數

電動增壓器的樣件實物如圖2所示。

圖2 電動增壓器實物

1.3 復合增壓系統的布置設計

電動增壓器與渦輪增壓器串聯，可以布置在渦輪增壓器的上游或下游，2種方式各有優缺點。布置在下游，電動增壓器的熱負荷比較高，但是電動增壓器的流量特性范圍可以比較小。從瞬態轉矩響應的角度，電動增壓器布置在下游，距離進氣歧管短，響應快[4]。本文從提高動力和實際布置空間的角度考慮，將電動增壓器布置在高壓級，位于渦輪增壓器后，中冷器前。電動增壓器的旁通閥為開關式蝶閥，只有全開和全關等2種狀態。復合增壓系統的布置如圖3所示。

圖3 復合增壓系統布置圖

1.4 復合增壓系統的選型

原機渦輪增壓器的匹配為了兼顧高低速性能要求，預留了10%的高原轉速余量，如圖4所示。當發動機工作在1 000～2 000 r/min時，原機渦輪增壓器已接近喘振邊界，無法進一步提高低速性能。

圖4 渦輪增壓器性能圖譜

為了進一步提高低速性能，需要電動增壓器介入工作。通過GT-Power一維性能仿真計算，選配的電動增壓器的性能圖譜如圖5所示。電動增壓器的最大流量約為196 kg/h，最高效率約為70%。

1.5 復合增壓系統的控制

復合增壓系統的控制邏輯如圖6所示。

圖5 電動增壓器性能圖譜

圖6 復合增壓系統控制邏輯

渦輪增壓器采用電動放氣閥，可以全工況范圍內精確、快速地控制放氣閥開度，從而精確控制增壓壓力。

電動增壓器由于自身集成控制器，通過控制器局域網（CAN），與發動機控制器（ECU）通訊。由ECU根據目標增壓比和流量查表計算出目標轉速，然后通過CAN通訊把目標轉速指令發送給電動增壓器執行，電動增壓器把實際轉速反饋給ECU。

電動增壓器旁通閥與電動增壓器聯動控制，當電動增壓器工作時，旁通閥閥門關閉；電動增壓器停止工作時，旁通閥閥門打開。

電動增壓器的使能條件主要包括電動增壓器增壓比、發動機轉速、加速度踏板位置及變化梯度等。

2 發動機臺架試驗

基于原發動機臺架，搭建12 V/48 V電動增壓器、旁通閥及管路，系統布置如圖7所示。開展電動增壓器開啟前后發動機的外特性對比試驗以及瞬態轉矩響應的對比試驗。

圖7 復合增壓系統發動機臺架

2.1 外特性試驗

啟用電動增壓器后，在1 200～1 600 r/min低速區域，最大轉矩都得到顯著提高，如圖8所示。1 200 r/min時，轉矩提高32 N·m；1 400 r/min時，轉矩提高22 N·m；1 600 r/min時，轉矩提高8 N·m；在1 300 r/min時，即可達到最大轉矩。

圖8 復合增壓系統低速性能測試結果

2.2 瞬態轉矩響應試驗

本文中，瞬態轉矩響應時間定義為：從10%最大轉矩到達90%最大轉矩的響應時間。分別測試比較原機、附加12 V電動增壓器和48 V電動增壓器等3種方案的低速瞬態轉矩響應，如圖9所示。圖中，Base為渦輪增壓。

圖9 復合增壓系統低速瞬態轉矩響應測試結果

從圖9可以看出。在1 200～2 000 r/min低速范圍內，加裝電動增壓器后，瞬態轉矩響應顯著提高，渦輪遲滯基本上從2.5～3 s減少至1.2～1.5 s，改善約50%。其中，使用48 V電動增壓器，低速瞬態轉矩響應時間比使用12 V電動增壓器減少約0.2 s。

3 結論

在1.0T渦輪增壓發動機上，增加一套電動增壓器，建立了復合增壓系統。分別選配12 V和48 V的電動增壓器，搭建了發動機試驗臺架。

1）發動機臺架試驗表明，復合增壓系統將原機的低速性能顯著提高約32 N·m，并且在1 300 r/min時即可達到最大轉矩。

2）加裝電動增壓器后，發動機的瞬態轉矩響應得到極大改善，低速區域的渦輪遲滯縮減至1.5 s以內，瞬態轉矩響應時間減少約50%。