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混合動力總成系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)——電輔助渦輪增壓
2020-02-19 23:35:45· 來源：汽車與新動力 作者：[法]P.DAVIES等
Garrett Motion公司和IAV公司通過闡明電輔助增壓技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并在一個(gè)案例分析中介紹了一款2.0 L直噴式汽油機(jī)在SUV車型上與eGT25增壓器以及最大功率6 kW電輔助系
Garrett Motion公司和IAV公司通過闡明電輔助增壓技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并在一個(gè)案例分析中介紹了一款2.0 L直噴式汽油機(jī)在SUV車型上與eGT25增壓器以及最大功率6 kW電輔助系統(tǒng)的集成，基于此研究了其對廢氣排放特性和車輛性能的影響效果。
1 背景
汽車領(lǐng)域的技術(shù)變化可謂日新月異，其中最重要的推動因素是城市空氣質(zhì)量和氣候變化，但如無排放驅(qū)動方案以及網(wǎng)絡(luò)化自動駕駛車輛等新技術(shù)也促使形勢發(fā)生了重大改變。純電動車所占的市場份額得以快速增長，同時(shí)為了推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展，采用了如允許車輛駛?cè)胧袇^(qū)、易于泊車以及免除使用周期性CO2排放鑒定等優(yōu)惠政策。此外，相關(guān)法規(guī)得以持續(xù)快速發(fā)展，真實(shí)行駛排放（RDE）、清潔車輛指令（CVD）、CO2排放檢測以及尚待通過的歐7排放目標(biāo)要求歐洲車隊(duì)?wèi)?yīng)首先實(shí)現(xiàn)對真實(shí)排放指標(biāo)的監(jiān)測，由此可對整個(gè)使用周期的CO2排放狀況進(jìn)行監(jiān)測。
然而，目前瞬息萬變的情況不僅是出現(xiàn)在了汽車領(lǐng)域，而且在能源領(lǐng)域內(nèi)針對可再生能源（RED Ⅱ）的指導(dǎo)方針和燃?xì)馐袌龅脑O(shè)計(jì)是歐盟委員會用來使初始能源工業(yè)（例如供電行業(yè)和天然氣行業(yè)）在2050年之前的CO2排放降低約90%的重要實(shí)現(xiàn)途徑。所有措施均需花費(fèi)一定時(shí)間，因?yàn)樾枰獙Ω髯缘男袠I(yè)進(jìn)行調(diào)整。在2025年之前應(yīng)進(jìn)一步逼近相關(guān)規(guī)定，而直至2030年才能實(shí)質(zhì)性地在使用周期內(nèi)對CO2排放進(jìn)行比較。
與純電動車相比，目前較高的蓄電池成本為開發(fā)以具有較高效率和較低總CO2排放量的內(nèi)燃機(jī)為基礎(chǔ)的混合動力系統(tǒng)開辟了全新的發(fā)展空間。就邏輯層面而言，輕度混合動力總成系統(tǒng)是當(dāng)前廣泛采用的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。在此期間，柴油機(jī)可充分滿足嚴(yán)格的RDE-NOx排放要求，并且能與混合動力系統(tǒng)相適應(yīng)，而汽油機(jī)則因采用了顆粒捕集器而使排放的顆粒數(shù)（PN）低于預(yù)期目標(biāo)，而且目前如通過采用米勒循環(huán)即可大幅優(yōu)化其壓縮效果，則使該機(jī)型的CO2排放可與常規(guī)柴油機(jī)一較高下。此時(shí)，因使用可變渦輪幾何截面（VTG）而提高了對增壓系統(tǒng)的要求，大眾公司在2016年即已展示了該類技術(shù)的組合。使用配備有VTG增壓器和米勒循環(huán)的高壓縮比汽油機(jī)的最低比燃油耗可達(dá)到225 g/kW·h，而目前汽油機(jī)的最低比燃油耗為240～250g/kW·h，而且前者能在寬廣的特性曲線場范圍內(nèi)以化學(xué)計(jì)量比運(yùn)行。因此，在今后5年內(nèi)歐洲將有一半以上的渦輪增壓直噴式汽油機(jī)會使用VTG增壓器。
Garre公司方面確信，如果最先進(jìn)的燃燒技術(shù)與合適的增壓技術(shù)有效結(jié)合的話，以此就可實(shí)現(xiàn)190～195 g/kW·h的最低燃油耗和寬廣的特性曲線場范圍內(nèi)220 g/kW·h的燃油耗兩項(xiàng)數(shù)值。無論是采用米勒循環(huán)過程的稀薄運(yùn)行方案還是采用壓縮點(diǎn)火直噴式汽油機(jī)（GDCI），二者均有實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的潛力，而如與電氣化相結(jié)合，則還能節(jié)省更多燃油。
除此之外，動力總成系統(tǒng)的混合動力化同樣開辟了通過增壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電氣化的可能性，以此逐步拓寬了空氣動力學(xué)的設(shè)計(jì)空間，從而使渦輪增壓器在真實(shí)條件下能更高效地運(yùn)行，因此一級方程式賽車進(jìn)入到雙廢氣渦輪增壓器的時(shí)代并非意料之外。該類發(fā)動機(jī)采用稀薄運(yùn)行方案、米勒配氣定時(shí)以及回收動能的發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)單元（MGU-K）和回收熱能的發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)單元（MGU-H），從而具有較高的車速和較好的動態(tài)性能。此時(shí)，其最高熱效率（BTE）可高于46%，最高總效率可高于51%（在考慮回收動能的前提下）。離開賽車路段后混合增壓系統(tǒng)能以多種多樣的方式投入使用，其中首先使用的是電動壓氣機(jī)和電輔助廢氣渦輪增壓器。因?yàn)槟壳耙延斜姸嗟碾妱訅簹鈾C(jī)應(yīng)用實(shí)例，本文將重點(diǎn)介紹電輔助廢氣渦輪增壓器，其內(nèi)容為euATL與一臺處于當(dāng)前技術(shù)水平的直噴式汽油機(jī)的組合，在此將重點(diǎn)討論在寬廣的特性曲線場范圍內(nèi)針對以化學(xué)計(jì)量比運(yùn)行的所有重要性能特性參數(shù)所具有的改善效果。
2 電輔助廢氣渦輪增壓器的工作原理
電輔助廢氣渦輪增壓器提供了豐富的應(yīng)用可能性，圖1示出了其中的一些應(yīng)用實(shí)例，并且圖中按照燃油和車輛類型進(jìn)行了區(qū)分。
圖1 電輔助增壓器的使用可能性
廢氣渦輪增壓器的電氣化消除了其高效率小渦輪應(yīng)用于低流量運(yùn)行工況時(shí)的必要性，而是為汽油機(jī)設(shè)計(jì)用于額定功率點(diǎn)以化學(xué)計(jì)量比運(yùn)行的渦輪，在小流量工況時(shí)渦輪功率的不足以及慣性的惡化可由電機(jī)予以補(bǔ)償。若再附加使用一個(gè)具有寬廣特性曲線場的壓氣機(jī)，則可同時(shí)提高低轉(zhuǎn)速與高轉(zhuǎn)速工況范圍下的工作能力，因此尺寸合適的電輔助渦輪增壓器通過小型化和低速化即可有效降低CO2排放。
能量回收功能可實(shí)現(xiàn)均衡的能量分配過程，并實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化。其他可供使用的功能（但本文不作詳細(xì)討論）主要如下：
（1）能量管理（優(yōu)化應(yīng)用和為車輛提供電能）；
（2）部分負(fù)荷增壓（優(yōu)化氣門配氣定時(shí)和渦輪增壓器的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)）；
（3）熱管理（對于標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展邊界條件下的RDE試驗(yàn)是必不可少的）；
（4）米勒過程（汽油機(jī)CO2排放可降低10%～15%）；
（5）兩級增壓（用于米勒配氣定時(shí)情況下的兩級增壓）；
（6）稀薄燃燒（汽油機(jī)CO2排放最多可降低10%～15 %）；
（7）瞬態(tài)λ調(diào)節(jié)（用于GDCI和燃燒時(shí)的精確調(diào)節(jié)）。
3 2.0 L汽油機(jī)案例研究
為了展示尺寸合適的電輔助廢氣渦輪增壓器的應(yīng)用潛力，選擇了一款廣受好評的2.0 L汽油機(jī)和一類SUV等級車輛，即搭載第三代EA888直噴式汽油機(jī)的奧迪 Q7，該類車型自重2 200 kg再加上4個(gè)成年乘客總質(zhì)量約2 500 kg（圖2）。
圖2 演示車輛：采用電輔助廢氣渦輪增壓器的奧迪 Q7 4 TFSI 四輪驅(qū)動
（搭載第三代EA888發(fā)動機(jī)）
4 廢氣渦輪增壓器
基礎(chǔ)廢氣渦輪增壓器采用與GT17相近的結(jié)構(gòu)尺寸，發(fā)動機(jī)最大扭矩為380 N·m，額定功率可達(dá)185 kW。新設(shè)計(jì)方案的特定目標(biāo)為從1 500 r/min的轉(zhuǎn)速起，升扭矩高于200 N·m/L，額定轉(zhuǎn)速時(shí)的升功率可達(dá)100 kW/L，同時(shí)寬廣的特性曲線場能以化學(xué)計(jì)量比運(yùn)行。為此，Garret公司開發(fā)了一種型號為eGT25的電輔助廢氣渦輪增壓器（包括功率電子器件在內(nèi)）（圖3），3種結(jié)構(gòu)尺寸比常規(guī)的GT17更大，能集成到該車型上。
圖3 用于2.0L汽油機(jī)的48V電輔助廢氣渦輪增壓器
5 發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果
由圖4上圖所示出的穩(wěn)態(tài)全負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果表明，尺寸合適的eGT25渦輪增壓器在低轉(zhuǎn)速時(shí)具有與量產(chǎn)產(chǎn)品幾乎相同的扭矩曲線，在1 750 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)的扭矩為420 N·m，在中等轉(zhuǎn)速范圍的扭矩達(dá)到了450 N·m，5 500 r/min時(shí)的額定功率為215 kW。按照預(yù)期的那樣，在1 000～2 500 r/min時(shí)的低轉(zhuǎn)速時(shí)應(yīng)具有需1～3 kW的電功率輔助，而在高轉(zhuǎn)速時(shí)渦輪功率是較為充足的。圖4中圖表明，在化學(xué)計(jì)量比工況下運(yùn)行不會超過渦輪前的極限溫度980 ℃。下圖表明量產(chǎn)發(fā)動機(jī)能以20%的掃氣功率達(dá)到其低轉(zhuǎn)速扭矩，并以λ=0.85達(dá)到其額定功率，與其相比采用電輔助渦輪增壓器即可取消掃氣和燃油加濃過程，而且即使以λ=1工況運(yùn)行也不會超過渦輪前的極限溫度。
圖4 發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果
6 發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺瞬態(tài)試驗(yàn)結(jié)果
按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)得以加大的廢氣渦輪增壓器在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺上同樣經(jīng)受了動態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證。因慣性加大和對小流量得以優(yōu)化的渦輪設(shè)計(jì)所引起的不良影響可通過電輔助予以補(bǔ)償。
圖5示出了在1 000 r/min、1 500r/min和2 000 r/min時(shí)加載負(fù)荷的試驗(yàn)結(jié)果。相比于基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)，采用電輔助渦輪增壓器的發(fā)動機(jī)在所有的轉(zhuǎn)速下扭矩的建立均顯示出明顯優(yōu)勢，特別令人印象深刻的是在1 500 r/min時(shí)的效果，相對于基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)的20 N·m/(L·s)，其扭矩提升效果達(dá)到了95 N·m/(L·s)，在該情況下僅1 s就達(dá)到了額定扭矩而非4.5 s，此時(shí)電機(jī)短暫使用了約6 kW的最大電功率。在1 000 r/min時(shí)因受壓氣機(jī)的限制而并未充分利用系統(tǒng)的全部潛力，同樣在2 000 r/min時(shí)經(jīng)過短暫時(shí)間處理后即可提供足夠的渦輪功率。
圖5 發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺瞬態(tài)試驗(yàn)結(jié)果
7 整車試驗(yàn)結(jié)果
在啟用了全新的調(diào)節(jié)功能并經(jīng)過發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺上廣泛的特性曲線場標(biāo)定之后就可將試驗(yàn)載體集成到車輛上。在進(jìn)一步的試驗(yàn)研究過程中就能完成行駛性能的調(diào)整，并在Millbrook（大不列顛的一個(gè)地名）舉行的CENEX低碳車輛活動中展現(xiàn)了演示車輛并開展了相關(guān)試驗(yàn)，在舉辦過程中由Garre公司確定的試驗(yàn)道路包含了通往山區(qū)的路段、彎道和7%、14%和21%的坡道以及高速路段，以在高達(dá)200 km/h車速下得以試驗(yàn)的扭矩特性和靈活性（圖6）。
圖6 Millbrook試驗(yàn)中心主要的試驗(yàn)路段
8 靈活性試驗(yàn)（60～100 km/h）和爬坡
靈活性試驗(yàn)是在第六檔位從60 km/h加速到100 km/h（圖7），基本車型為此大約需要11 s，采用無電輔助的GT25增壓器的車輛大約需要14.5s，而具有6 kW最大電輔助功率的eGT25渦輪增壓器則能有效克服這種缺陷，可使量產(chǎn)配置車輛的加速時(shí)間縮短到8.8 s，這相當(dāng)于改善了約20%。在此處需重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)兩件事情。采用eGT25電輔助渦輪增壓器加速不僅可實(shí)現(xiàn)更快的加速過程，而且加速數(shù)值幾乎是恒定的。正如從圖7上圖所示，eGT25電輔助渦輪增壓器并不存在工作效果較差的區(qū)域。經(jīng)道路行駛優(yōu)勢分析表明，與基本車型相比，該類現(xiàn)象更令人印象深刻。采用eGT25電輔助渦輪增壓器的車輛在達(dá)到100 km/h車速時(shí)已領(lǐng)先于量產(chǎn)車輛約17 m（圖7下圖），換言之，eGT25車型領(lǐng)先量產(chǎn)車型約3.5個(gè)汽車長度（圖8）。
圖7 第6檔60-100km/h加速（注：原圖將eGT25與GT25的圖標(biāo)和標(biāo)注搞反了，已改正）
圖8 整車試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)
除了高速路段上的靈活性試驗(yàn)之外，還在坡度為7%，14%和21%的山區(qū)分別進(jìn)行了一系列的加速行駛試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用電輔助渦輪增壓器的車輛通常能調(diào)高兩個(gè)檔位。雖然該過程尚未有明顯的試驗(yàn)結(jié)果，但是卻顯示出了為駕駛員提供更充分的靈活性和舒適性的潛力以及重新確定換檔的策略，以便在真實(shí)行駛條件下將燃油耗和CO2排放降到最低。
9 發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)的加速性
電輔助渦輪增壓器的的轉(zhuǎn)子能通過電驅(qū)動系統(tǒng)加速到最高轉(zhuǎn)速并得以減速，eGT25電輔助渦輪增壓器轉(zhuǎn)速最高可達(dá)180 000 r/min，在該轉(zhuǎn)速下，所具有的總功率可達(dá)40 kW，而電輔助或能量回收最多僅有6 kW。圖9表明采用該方法加速即使在相對較高的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)均有始終一致的無滯后效果。
圖9 電輔助直至渦輪達(dá)到最高轉(zhuǎn)速
10 動能回收
電輔助渦輪增壓器的動能回收功能在目前的開發(fā)狀況下已顯示出可回收用于增壓器轉(zhuǎn)子加速所需電能的60%。首次模擬計(jì)算表明，實(shí)際上動能回收的潛力約為可用能量的300%。電輔助渦輪增壓器并非永動機(jī)，但可回收比例高于100%的能量，因?yàn)樵鰤浩鬓D(zhuǎn)子的大部分動能來自于廢氣熱焓，而不僅來自于電機(jī)，這就意味著電輔助渦輪增壓器應(yīng)被視作是蓄電池充電狀態(tài)時(shí)的凈輸出設(shè)備，而非汽車電路中的純耗電設(shè)備（圖10）。
圖10 城市行駛期間的動能回收
11 結(jié)論和下一步工作
至此，該研究項(xiàng)目已表明，尺寸合適的電輔助廢氣渦輪增壓器與48 V汽車電路相結(jié)合能有效改善發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)運(yùn)行性能，從而將對與此相關(guān)的車輛在靈活性、機(jī)動性和最高車速等方面的要求產(chǎn)生有利的影響，由此能取消掃氣和燃油加濃過程。其優(yōu)點(diǎn)可歸納如下：
（1）額定功率從185 kW（λ=0.85）提高到215kW（λ=1），提高了16%；
（2）扭矩從380 N·m提高到420 N·m，提高了10.5%；
（3）瞬態(tài)扭矩提升從20 N·m/(L·s)提高到95 N·m/(L·s)，改善了4.75倍；
（4）第六檔60～100 km/h的加速性從11.0s縮短到8.8 s ，改善了20%，無滯后現(xiàn)象；
（5）在7%、14%和21%的坡道能比量產(chǎn)車型提高兩個(gè)行駛檔位，具有降低CO2排放的潛力；（6） 扭矩較高，并可利用電動機(jī)功率輔助直至渦輪增壓器達(dá)到最高轉(zhuǎn)速。
目前可回收約60%的動能，最終可高于直流輸入功率的100%。相關(guān)研究已經(jīng)表明，OEM制造商已為尺寸合適的電輔助廢氣渦輪增壓器提供了一條勝歐7廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的途徑，特別是能在保持化學(xué)計(jì)量比運(yùn)行的同時(shí)，提高其動力總成系統(tǒng)功率的要求。這里所介紹的解決方案能充分與輕度或插電式混合動力化相結(jié)合，從而發(fā)揮其各自的附加優(yōu)勢，因此電輔助廢氣渦輪增壓器被看作是混合動力化的補(bǔ)充技術(shù)，其本質(zhì)上是附加于汽車混合動力化上的一種隨插隨用技術(shù)。除此之外，其可與米勒過程、可變渦輪幾何截面和用于廢氣再循環(huán)的解決方案相兼容，并對蓄電池充電狀態(tài)時(shí)作出貢獻(xiàn)。
對電輔助廢氣渦輪增壓器的總體評價(jià)是一個(gè)歷時(shí)多年的研究項(xiàng)目，因而更進(jìn)一步的試驗(yàn)研究成果和認(rèn)識依然莫衷一是。在該項(xiàng)目開展研究后的第二年，Garre公司就打算將米勒過程、渦輪復(fù)合運(yùn)行和熱管理（見圖1）并行發(fā)展，同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)研究，并準(zhǔn)備從2021年起與OEM制造商通力合作，將這種技術(shù)投入批量生產(chǎn)。
作者：[法]P.DAVIES等
整理：范明強(qiáng)
編輯：伍賽特
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