Pankl渦輪系統公司與Federal-Mogul動力公司合作開發了一種用于48V汽車電路的電輔助渦輪增壓器（EAT），采用這種柔性增壓器系統的目標是滿足現代動力總成開發的核心要求。本文用模擬和試驗臺試驗結果表明，其在降低燃油耗的同時提高了駕駛愉悅性。

1對增壓系統的要求

為了在提高行駛功率的同時降低燃油耗和廢氣排放，近年來已證實增壓技術與發動機小型化及低速化相組合是一種充滿潛力的方案，但是高增壓發動機在瞬態負荷工況下的缺陷往往會影響到該方案的實施。考慮到日益嚴格的廢氣排放法規，未來的發動機開發和增壓系統需采用新的方法。為了滿足該要求，作為傳統動力總成系統的升級版，混合動力系統得以推廣使用。目前用于中型汽車的4缸2.0 L汽油機的電輔助渦輪增壓器（EAT）以48 V汽車電路為研究目標，并開發出了樣機。在該開發目標下需在提高行駛動力性的同時降低燃油耗，該目標已通過EAT與發動機相組合，得以實現。同時回收廢氣能量以提高整機效率也是該項目的開發目標之一。通過對燃油耗試驗循環與真實行駛狀況的模擬，將EAT與競爭對手開發的系統進行對比研究。

2電輔助渦輪增壓器的方案及其設計

在Pankl渦輪系統公司與Federal-Mogul動力公司合作開發出了EAT結構系列方案,提供了較高的方案可選擇性,以此適應用戶的使用需求。同時由于安裝較為簡便，因此除了可用于不同的驅動方式和發動機機型之外，還能實現動力裝置的混合動力化，并能適用于電壓≥48 V的汽車電路。圖1示出了EAT剖視圖。

圖1 EAT剖視圖

樣機的質量取決于廢氣渦輪增壓器和電機，兩者約各占50%。在長度方面EAT有別于傳統的廢氣渦輪增壓器，在電機定子長度為100 mm的情況下廢氣渦輪增壓器長度僅為90 mm，而且能通過提高電機的功率密度進一步改善其結構空間和質量。與附帶有電驅動壓氣機（EAV）的增壓系統相比，因其減少了部件數量從而具備緊湊性的優勢。

電機及其附屬增壓器轉子質量的集成提高了支承的復雜性，穩定的支承系統會影響平衡過程的不平衡度和開發成本。所使用的混合軸承是新開發的，其特點是渦輪側帶有滑動軸承，而壓氣機側帶有由機油潤滑的雙排滾動軸承。由于將滾動軸承的剛性與滑動軸承的阻尼相組合，并成功地實現了一個穩定的支承方案，該方案適用于傳統廢氣渦輪增壓器的整個轉速范圍。EAT的冷卻水循環回路的尺寸不僅使內燃機能在高達1 050 ℃的廢氣溫度下持續運行，而且可使電極持續在最大負荷下運轉。該冷卻水系統的冷卻能力是在計算流體力學（CFD）和熱有限元法（FEM）計算基礎上進行設計的，并在燃燒室試驗中進行了驗證。

電機是按照使用的靜態和動態設計任務書為目標而進行設計的，并力圖達到盡可能高的功率質量比，該目標通過具有高頻涂層板、高銅含量的定子設計以及磁極偶數較少的永磁激勵同步電機而實現的，同時材料的選擇也考慮到該系統未來面臨的工業化生產。因為以48 V汽車電路為基礎進行研究，功率仍被限制在20 kW，在最高轉速范圍內可提供連續運行中的最大扭矩。

空氣動力學部件已針對EAT系統的內部要求，對提高壓氣機級效率水平和改善泵吸極限的穩定性進行了優化。針對其性能而言，渦輪級的設計要具有盡量小的慣性矩，并且無需電輔助就能穩定地達到額定扭矩點，除此之外還包括渦輪級的優化并提高廢氣能量回收，以便進一步提高動力總成的效率。

3348V-EAT系統的分析評價

EAT的設計和分析評價分3步進行，這樣就能對EAT的潛力進行全面評估。此外，為了對各種不同的運行策略進行試驗研究，還要對各種不同的增壓方案進行比較評估。除了傳統的廢氣渦輪增壓和EAT之外，還需要研究渦輪增壓器附加電驅動壓氣機。而動力裝置低速化則可作為降低燃油耗的基本措施一并開展試驗，其中電輔助可用于改善動態特性，以此發動機的低速化才不會影響到車輛的行駛性能。但需注意的是，隨著EAT的慣性增大，首先會使動態性能方面產生缺陷，需要由電機來進行超額補償，同時要從原理上對廢氣能量回收的潛力予以評估。

基礎工作是根據發動機邊界條件進行測量或與從CFD計算得到的廢氣渦輪增壓器特性曲線場進行匹配,以此能得出關于增壓系統穩態特性的結論。在該步驟中對采用的空氣動力學部件進行確認，還需考慮到關于電機轉子轉動穩定性的邊界條件。為了評估增壓系統與發動機的協同工作效果，可借助于1D發動機工作過程模擬來全面評估EAT的潛力。

除了考察穩態下全負荷曲線和發動機特性曲線場之外，還要通過在轉速保持恒定不變情況下的負荷突變對系統進行動態評價。圖2示出了3種不同增壓系統在3 000 r/min轉速下瞬態負荷的建立狀況以及達到90%最大扭矩的時間。EAT因電機提供的高驅動力矩而具有顯著優勢，并可使車輛處于加速狀態。不僅如此，幾乎在所有時刻，其轉速都可保持穩定，以此有效改善了車輛的機動性和動態性能。

圖2 用于廢氣渦輪增壓系統的

瞬態負荷突變特性

下一個步驟是在新歐洲行駛循環（NEDC）、全球統一的輕型車行駛循環（WLTP）和真實行駛排放（RDE）等實際行駛循環中考察整個動力總成系統。為了評價整個動力總成系統的動態行駛性能，進行汽車加速性能模擬。除了考察牽引能力（80～120 km/h）之外，還包括研究從停車開始的加速性能（0～100 km/h）。在該方面，將無法實現低速化的常規渦輪增壓系統作為比較基準。電氣化增壓系統因受動態負荷的影響會使其工作速度加快7%或者10%，并且可以實現低速化，同時不會帶來牽引特性方面的缺陷。與傳統廢氣渦輪增壓系統相比，EAT在實際行駛條件下能獲得0.23 L/100 km的燃油耗優勢，這相當于CO2排放降低了5.3 g/km，同時0～100 km/h的加速時間可縮短0.5s。這些結果都示于圖3。

圖3 EAT與低速化相結合在加速性和

燃油耗方面的優勢

憑借不同試驗場合下的有效比燃油耗就可觀察到廢氣能量回收的潛力。借助于考察系統中的熱量回收功率，通過熱量回收就能降低燃油耗。在實際行駛條件下，發動機在正常運行時通過廢氣能量回收即可提高整機效率，而在發動機高負荷工況范圍內就能觀測到該系統在燃油經濟性方面的顯著優勢。為了減小對發動機換氣的負面影響，通過調節廢氣放氣閥將氣缸背壓p3限制在0.2～5 MPa。針對廢氣能量回收，通過優化相關空氣動力學部件就可進一步改善熱量回收的效果，其試驗結果示于圖4。

圖4 通過回收廢氣能量

降低有效比燃油耗

4熱燃氣試驗臺試驗

EAT的試驗研究在熱燃氣試驗臺上進行，其中除了閉環測試壓氣機和擴展的渦輪特性曲線之外，還需持續運行以驗證機械和電氣部件的工作能力。系統在高達1 050 ℃的熱力學和電氣全負荷條件下持續運行。為了控制電機而采用了蓄電池模擬器和48V高頻逆變器，其中除了系統動態性能之外，還要通過試驗驗證其熱量回收的潛力。在全負荷運行條件下要始終遵守所有對運行具有重要意義的溫度極限，無論是軸承部件還是電機都不能過熱。其試驗結果示于圖5（圖中電動機-發電機單元（MGU）。

圖5 電輔助應用范圍和相應的加速性和

熱量回收試驗結果

此外，為檢驗其工作能力，還對轉子動態特性和軸承的機械性能進行了諸多試驗。通過軸軌跡和加速性測試來評價和驗證軸承系統的功能，即使在共振條件下系統仍能處于穩定狀態（圖6）。

圖6 機械驗證結果（轉子動態特性）

5結論和展望

介紹了EAT技術開發，并給出了系統方案和設計的概況，與競爭對手的系統相比，EAT在改善動態特性的同時降低了燃油耗，該軸承系統可靈活地進行方案調整并適用于各種不同的應用場合。除了壓氣機和渦輪級的標準用途之外，還能在具有48～800 V電壓的混合動力領域以及在電功率為40 kW的汽車電路中作為電機輔助驅動。該系統的最大潛力在于集成了電機，并具備相應的靈活性。因此，按照該系統的配置，通過優化控制能量流動就能使內燃機針對不同運行工況而采取各種不同的運行策略。在此處所介紹的方案已通過模擬評價了其在一種中級運動型汽車上的應用效果，并在熱燃氣試驗臺上通過穩態全負荷條件和動態加速試驗驗證了EAT的功能，證實了該系統在熱力學、熱管理和機械動力學方面的工作能力以及電氣化功能，從而確認了其在所有工況范圍內與模擬計算結果具有良好的一致性。結論為EAT與動力總成系統低速化相結合，實現了提升動力性能與降低燃油耗的目標。