非道路高功率發動機的電輔助增壓技術

0 前言

在持續開發渦輪增壓器的背景下，德國MTU公司決定將電輔助渦輪增壓(e-TC)技術納入其技術組合中。目前，發動機相繼采用渦輪增壓器，帶廢氣旁通閥、可變幾何截面(VTG)的渦輪增壓器，采用電輔助渦輪增壓器可進一步提高發動機的瞬態特性。

在非道路應用中也出現了驅動系統電氣化的發展趨勢，這為現有電氣基礎設施(如車載網絡、存儲系統和電力電子元件)的協同效應開辟了道路。與此同時，混合驅動系統還應具備高度靈活性，從而使排放最小化。因此，將電機和內燃機組合在一起，可以隨時提供所需的扭矩。如果已經通過電輔助產生足夠的增壓壓力，則負荷的躍變和內燃機自發接通需要與排放最小化一起實現。

e-TC技術的回收能力可以將多余的廢氣能量輸送到車載網絡中。此外，電輔助產生的增壓壓力還可以增加渦輪的臨界流量和性能，并省去廢氣旁通閥。渦輪流動壓力降低會產生另一個積極的連帶作用，那就是減少換氣損失，這有利于在寬廣的發動機特性圖內降低消耗。

為了使這項技術實現產品化和系列化，MTU公司采用了G&L Innotec公司開發的交叉充電裝置[1]。該裝置的主要優勢在于，不僅可以將這項技術用于現有的渦輪增壓器，而且不必放棄ZR系列渦輪增壓器的設計原理和理念。

電驅動裝置的功能性已通過分析研究和組件試驗得到驗證[2]。下文通過渦輪增壓器試驗臺和發動機試驗臺上的試驗證明了該技術的有效性。

1 組件試驗結果

首先進行電氣組件試驗、大氣隙電機的設計驗證和壓氣機入口的計算流體力學(CFD)分析，然后將廢氣渦輪增壓器(ETC)轉換為交叉充電裝置，在內部熱氣試驗臺上進行了試驗。圖1為沿渦輪增壓器樣機(集成大氣隙電機)旋轉軸軸線的截面圖。

圖1 轉換為交叉充電裝置的渦輪增壓器ETC ZR1.115.F

該試驗分2個階段進行：第一階段是研究大氣隙電機與壓氣機的集成程度對改變渦輪增壓器重要功能特性的影響。初始試驗研究了固定在壓氣機前的轉子磁鐵是否影響轉子的振動特性，以及廢氣渦輪增壓器是否可以安全地達到極限轉速且不引起軸承損壞。試驗結果用于確定壓氣機性能和特性圖寬度。在這兩個試驗中，大氣隙電機的定子和轉子均由模型替代，模型的幾何形狀和質量分布與電機部件的幾何形狀和質量分布相對應。第二階段是研究電機與渦輪增壓器之間的相互作用。試驗包括負荷躍變到不同的目標轉速，以確定瞬態特性，對不同轉速下的穩態點進行觀測，以研究連續運行的適用性。

2 功能驗證

為了確定向心軸承的穩定性，采用兩個偏移90°的渦流傳感器測量壓氣機入口處的軸心軌跡。圖2示出了1個徑向位移傳感器在轉速40 000～100 000 r/min升速期間的頻率分析，該分析代表了不同機油邊界條件下的所有升速情況。在轉速40 000～60 000 r/min(660～1 000 Hz)的較低轉速范圍內，徑向路徑最初相對較高，并由2個次同步振動分量表征。從轉速60 000 r/min開始，徑向路徑隨著轉子定心減少了2倍。在全速運行時，次同步振動和轉速同步振動均處于相對較低的水平。測定的振動特性為具有獨立平衡狀態的轉子特征，即使壓氣機葉輪前有附加質量，廢氣渦輪增壓器也可以穩定運行。

圖2 徑向位移1在升速期間的頻率分析

壓氣機性能檢查包括對運行點進口流入量的CFD分析、特性曲線驗算，以及試驗中的交叉充電裝置配置與標準配置的最終比較，結果如圖3所示。

圖3 流入量CFD分析與特性圖驗證

根據CFD計算表明，量產廢氣渦輪增壓器的壓氣機螺母區域出現分離氣泡，而交叉充電裝置模式通過入流拱頂設計消除了這些氣泡，并因此改善了壓氣機性能。特性圖試驗證明，這種模式下的壓比和效率也得到了提高。

3 電輔助試驗

圖4示出了熱氣試驗臺上的交叉充電裝置配置示意圖以及采用電輔助的升速結果。除了標準的廢氣渦輪增壓器配置之外，還需要變頻器和直流電源來控制電機及供電。采用功率測量儀器測量直流側(DC)和交流側(AC)的電子參數。

圖4 燃氣輪機模式下的交叉充電裝置試驗結構示意圖以及采用電輔助的升速結果

使變頻器與大氣隙電機的規格相匹配可以充分利用電機潛力。熱氣試驗之前先在電機試驗臺上進行匹配，同時驗證大氣隙電機的設計。

熱氣試驗臺上的廢氣渦輪增壓器符合燃氣輪機工作原理。在向柴油燃燒室供給熱量之后，壓氣機輸送的空氣可作為渦輪的驅動能量。組件試驗證明了這種結構的自增強效果，后續還會將該結構用于內燃機。

圖4示出了在35 000～80 000 r/min轉速下的負荷躍變結果。在熱氣試驗臺上無負荷運行的廢氣渦輪增壓器只能在不超過渦輪入口最高溫度的情況下運行，使得該工況點產生增壓。當電機通電時，功率消耗急劇增加到約12 kW。廢氣渦輪增壓器的加速得益于從電機獲得的扭矩及在燃燒室加熱的燃燒空氣。通過線性流量控制閥無需精確調節系統中的空氣量來控制燃料量。

通過熱氣燃燒室的能量轉換來確定轉速與輸入功率曲線，盡管不能直接將該曲線與內燃機的特定特性進行比較，但它示出了電輔助熱動力學系統的功能原理。圖5比較了采用電輔助和不采用電輔助的升速情況。

圖5 采用電輔助和不采用電輔助的升速比較

最后，研究了大氣隙電機在穩態運行下的加熱特性。為此，在恒定轉速和10 kW的輔助功率下測量電機從100 ℃加熱到130 ℃所需的時間。電機允許的最高溫度為160 ℃。

試驗證明，在恒定功率下加熱30 K所需的時間主要取決于轉速。所需時間從150 s(36 000 r/min)到840 s(65 000 r/min)不等。因而研究表明，除了增壓運行之外還可實現穩態運行，且電機不會馬上過熱。

4 試驗載體選擇

為了研究電輔助增壓，MTU公司選擇890系列小型化發動機作為試驗的發動機系統。在發動機開發過程中，特別注意到了發動機機體尺寸的緊湊性。同時為了獲得廣泛的發動機特性圖和更高的額定功率，該發動機系列的增壓水平非常高。該11 L 10缸V型發動機的增壓系統由2個相同的渦輪增壓器組成，這兩個渦輪增壓器具有可變幾何截面，并設置為單級順序切換模式。發動機在額定功率點(3 800 r/min)的功率為800 kW。作為軍用陸地動力系統，響應性是該發動機開發重點，因此對所研究的e-TC系統提出了非常高的要求。

5 分析預測

采用基于GT-Power的一維(1D)過程計算來評估電輔助增壓技術對發動機整體性能的影響。在此，確定了電機為渦輪增壓器轉子提供可利用能量的重要性。該值后續可作為大氣隙電機的設計依據。分析證明，通過每個渦輪增壓器提供約10.5 kW的額外功率，可以顯著改善整個發動機系統的瞬態負荷接收性能和扭矩建立性能。

6 整機試驗結果

由于作為附加部件的電機非常緊湊，所以可以將改進后的渦輪增壓器集成到發動機中。2個DC/AC變頻器各由2個固定的直流可變電源設備供電，如圖6所示。

圖6 MT892柴油機的增壓路徑圖(a)與安裝在整機上的電輔助增壓結構圖(b)

為了確定整個發動機系統的評估標準，首先評估了各種應用下的運行與應用配置情況。穩態和瞬態運行中的極端情況為研究提供了試驗標準。同時，也要驗證先前計算出的發動機反應。

在試驗過程中研究了以下幾個方面的系統特性，下文將詳細介紹以下幾個方面：(1)確定獲得扭矩的時間(發動機在恒定轉速下形成的扭矩)；(2)確定恒定轉速下的負荷接收能力；(3)測量柴油機加速過程(起動～穩態)；(4)研究永久擴寬發動機特性圖；(5)對柴油機排放特性的影響；(6)采用廢氣渦輪增壓器來產生電能(回收操作)；(7)通過發動機電控單元(ECU)研究新技術的各種控制策略；(8)變頻器輸入電壓對整機運行特性的影響。

在測量過程中，評估了停用和激活e-TC子系統時的對應比較。試驗時主要關注的是發動機整體性能，并對與電有關的參數進行了測量、記錄和評估。

停用子系統時可發現輕微的瞬態劣化，這是因為與不帶電機的標準系統相比，電機轉子使渦輪轉子組件的軸增加了額外的質量。這種影響總體來講是微不足道的。

7 發動機恒定轉速下的扭矩發展

獲得扭矩的時間直接反映了渦輪增壓器與柴油機相互作用的靈活性。可以在不同邊界條件和發動機轉速情況下獲得扭矩的時間值。為此，通過試驗臺上控制轉速的測功機保持柴油機輸出轉速恒定。加速踏板的躍變(0～100%)標志著測量的開始，達到最大扭矩后測量結束。

在這種情況下，系統激活時測量時間可減少2.5倍。圖7示出了發動機怠速轉速點的測量結果。e-TC系統的接通條件決定了在不同情況下所測得的不同時間。圖7還示出了整個系統的分析預測。這些都可以在實際運行中加以改進。

圖7 采用e-TC和不采用e-TC情況下獲得扭矩的時間值

8 發動機恒定轉速下的負荷躍變

另一個試驗點為檢測整個系統的負荷躍變能力。為此，在發動機怠速下進行 “數字化”的扭矩躍變。相應的負荷躍變高度完全反映了柴油機可實現的極限。為了更好地比較這種行駛機動性，發動機在轉速控制模式下運行。試驗臺測功機選擇的扭矩設定點為測量開始點(圖8)。

圖8 采用e-TC和不采用e-TC的負荷接收能力

通過電輔助增壓，停用e-TC時的最大增加值使得扭矩躍變從100%增加到220%。發動機系統的控制特性也有顯著變化，由于扭矩躍變柴油機的轉速降幅從12%上升到21%。同樣，對這些測量而言，e-TC系統的接通條件是決定性因素。

9 發動機加速度仿真

上述2種測量都研究了e-TC系統在發動機穩態轉速下的影響。下文將討論基于船舶應用特性功率曲線(起動～穩態)或者鎖定輸出側的變扭器(失速制動器)的加速過程。

為此，發動機在怠速下運行且基本負荷較小，與客戶應用中的基本負荷相當。加速踏板的信號躍變標志著測量開始，達到額定轉速點(失速點、發動機全負荷曲線與所研究的螺旋槳曲線的交點)代表測量結束。測量開始與測量結束之間經歷的時間代表評估標準(圖9)。

圖9 發動機加速度(采用e-TC和不采用e-TC)螺旋槳曲線

加速時間可以減少到原始值的67%。停用系統時，在測量時間約70%處可觀察到轉速停滯，這主要歸因于增壓裝置的順序切換。增壓裝置的電輔助技術將這種現象降低到幾乎察覺不到的水平。

10 永久擴寬發動機特性圖

另一個測量主要針對根據增壓配置變化的柴油機特性圖寬度。在傳統的單級增壓高性能應用中(例如串聯混合驅動應用)，高額定功率與特性圖寬度之間存在目標沖突。在此類應用中，增壓裝置的主要設計標準是高額定功率。然而，提高燃油效率需要較寬的發動機特性圖。

通過調整后的增壓器順序切換參數仿真這種應用情況。研究了兩種技術，一種采用傳統的廢氣渦輪增壓技術，另一種采用了電輔助技術。在所研究的發動機轉速范圍內，發動機可實現的最大扭矩受渦輪上游的廢氣溫度和燃燒過量空氣系數(λ)限制。

當達到特定的發動機轉速之后，最大扭矩下降，這是因為增壓壓力不足，必須減少燃油噴射量，以防超出上述極限值(圖10)。在第二次測量中，采用e-TC系統可達到更高的發動機扭矩。因此，在所考慮的轉速范圍內，穩態下實現的發動機扭矩加倍，且不會出現超過發動機極限值的情況。

圖10 擴寬穩態發動機特性圖

11 結語

通過所述研究驗證了e-TC系統的功能。該技術保持了MTU公司渦輪增壓器系列的設計原理和理念，并且可以根據需求使用電輔助裝置。在發動機試驗臺上的研究表明，發動機靈活性在非道路應用的所有負荷轉換循環中得到顯著提升。

下一個開發步驟是將該技術集成到測試車輛中。通過這項技術革新，MTU公司ZR系列渦輪增壓器的性能得到顯著提升，并因此為客戶帶來額外的利益。未來的發動機項目將繼續采用該技術，以提高瞬態特性并優化燃油消耗。