车用电动增压系统的设计及其性能试验研究

张卫波，杨南杰，吴 星

(福州大学机械工程及自动化学院，福建 福州 350116)

0 引言

随着能源和环境问题的日益凸显，排放法规的日益严苛，增压柴油机得到了广泛的应用. 增压柴油机虽具有热效率值高、输出功率大、能量利用率高等优点，但增压柴油机NOx及PM(颗粒物)排放严重，会对环境造成严重危害，且增压柴油机存在低速扭矩不足和加速冒黑烟的问题. 近年来，电动增压技术凭借其响应快速和工作灵活的特性，越发受到关注，该领域的研究工作也成为了业界的热点. 目前，电动涡轮增压技术在国外已经有了大量的研究，而在国内该技术还是较新的研究方向. Hofmann等[1]提出了电动增压系统中置的技术方案，进行了模拟计算和道路负荷试验. 试验结果表明，在标定点发动机的燃油消耗率降低了12%，而在经典的道路负荷工况下，燃油消耗率也降低了5%左右. Katrasnik等[2]通过电动涡轮增压技术，改善了电动柴油机的瞬态响应特性，并借助Simulink软件和试验台架，研究了ISG系统和电动涡轮增压系统单独工作时对柴油机瞬态响应特性的影响. Seiichil Baraki等[3]研发一套电动涡轮增压中置的系统. 该系统采用碳纤维材料对电机转子进行加强设计，并进行了试验研究. 研究结果表明，增压发动机的低速扭矩和瞬态响应特性都有所改善. Byeongil等[4]设计一个二阶电动增压+废气涡轮增压系统，通过与传统二阶废气涡轮+废气涡轮增压器系统和二阶机械增压式+废气涡轮增压系统三者比较，从稳态特性、瞬态特性、燃油消耗、背压、安装便利性、热负荷和重量上综合对比中发现，二阶电动增压+废气涡轮增压系统在各方面都优于后两者. 姚春德等[5]通过在原进气管路上并联一个电动压气机, 试验表明，电动压气机在恒扭矩加速和恒转速加载两种瞬态工况下都实现了快速补气，改善了柴油发动机的燃烧质量，降低了排放烟度，提高了发动机动力性，在低速和大扭矩工况下效果尤为明显. 杨建军等[6]设计的电动增压系统，由气路切换、电机、压气机、24 V车载蓄电池和发动机工况智能识别系统组成. 该系统由24 V车载蓄电池供电，在加速起步和急加速等瞬态工况下采用间断方式工作，降低了蓄电池能量的消耗. 试验结果表明，该电动增压系统在公交车柴油发动机上安装方便、性能稳定，能有效解决加速冒黑烟问题，提高了发动机的动力性、燃油经济性和排放水平. 以上文献对电动涡轮增压技术都具有十分重要的意义，但存在压气机与高速电机之间同轴度不够、联接螺母易松动、压气机驱动电路继电器吸合时间过长、控制策略不够全面及控制方法不够精准等问题.

结合目前的研究现状及存在的问题，以增压柴油机为研究对象，致力于解决增压柴油机在低转速时急加速冒黑烟和扭矩不足的问题. 设计思路是以一种电动增压系统在低转速下急加速时代替涡轮增压系统工作，完成发动机的快速进气. 从结构和控制两方面来进行设计，结构上采用一种新型背盘结构，同时采用压气机叶轮与电机主轴同轴联接的方法，以解决压气机与高速电机之间同轴度和联接螺母易松动的问题； 控制方面设计一个RC电路以解决继电器吸合时间过长的问题，且制定基于工况划分的控制策略，采用模糊控制方法实现对电动增压系统的精准控制. 最后通过增压柴油机试验台在同一进气量、不同负荷工况下的各性能试验，对设计的电动增压系统进行了试验验证分析.

1 电动增压系统的结构设计

所设计的电动增压系统由逆变电源、变频器、电控单元、高速交流电机及其驱动的压气机总成组成的执行机构构成.

执行机构的设计选型主要包括压气机和电动机. 压气机选择一款与企业合作的涡轮增压器GARRETT G15，其叶轮直径为56 mm，材质为铝合金，采用前倾后弯的叶片设计和无叶扩压器. 设计一种新型背盘结构，同时采用压气机叶轮与电机主轴同轴联接的方法，具体的联接方式如图1和图2所示.

图1 电动增压器集成结构图Fig.1 Electric compressor integrated structure figure

图2 电动增压器集成实物图Fig.2 Electric compressor integrated physical figure

高速异步电动机上设置有主轴和凸台，主轴为一体化结构轴，压气机叶轮与高速电机主轴同轴联接. 主轴的自由端与叶轮相匹配，并通过螺母将叶轮压紧； 主轴的中部与背盘相匹配； 背盘与高速电机凸台相匹配，并通过螺钉固定在高速电机的凸台上，压气机壳通过压板和螺钉固定在背盘上. 通过上述技术方案，避免了压气机与高速电机之间同轴度和联接螺母易松动的问题，提高了电动压气机的可靠性和稳定性. 最后，在电机选择上，姚春德等[5]应用了永磁无刷直流电动机，虽然有气隙大、效率高等优点，适用于大功率、性能要求高的场合，但其缺点也非常明显, 那就是转子转动时会产生涡流损耗，从而导致永磁体发生退磁现象，增加转子的转动惯量. 同时也有部分学者应用开关磁阻电动机，它的优点有：绕组端部短、转子结构简单等，但在高速领域的应用技术还不够成熟而且效率较低、振动大、噪音大. 异步电动机虽然存在气隙小、转子结构复杂、绕组端部长等不足，但考虑到成本、技术发展程度和应用场合等因素，更符合本研究对驱动电机的设计要求，所以选用了高速异步电动机作为电动压气机的驱动单元.

2 电动增压电控系统的设计

电动增压电控系统的主要目的是实现对增压柴油发动机工况的自动识别、对发动机进气气路的灵活切换，完成传感器信号的采集与处理、实现低速工况下迅速开启电动压气机进行快速进气等任务.

2.1 电动增压电控系统的硬件电路

电动增压电控系统的硬件电路包括：① 控制芯片最小工作模块，包括单片机、芯片电源电路、晶振电路以及复位电路等. 选用8位40引脚单片机PIC16F887作为电控单元的微处理器； ② 输入模块包括曲轴转速信号、油门位置信号、冷却水温度信号、进气歧管压力信号和压气机转速信号的采集及调理电路； ③ 输出模块包括压气机、冷却水泵和电动蝶阀的驱动电路和压气机转速显示电路； ④ 通信模块是USART通信电路； ⑤ 电源模块主要是给各模块供电，保证电控系统能够稳定运行. 电控系统硬件的总体结构如图3所示. 由于篇幅的关系，主要介绍压气机驱动电路.

图3 电控系统硬件的总体结构 Fig.3 Overall structure of the electronic control system hardware

图4 压气机驱动电路Fig.4 Compressor drive circuit

本电动增压器采用变频器变频启动方式. 变频器中带有可控制变频器启动和停止的接口，可通过控制继电器来控制电动压气机的启动和停止，这样压气机驱动电路的设计就转化成对继电器控制电路的设计. 继电器线圈需要较大的电流才能使继电器吸合，而一般的集成电路提供不了这么大的电流，因此在电路设计过程中必须进行扩流驱动. 一般采用芯片或晶体管对继电器进行驱动. 采用三极管对继电器进行驱动，为使输出的控制信号具有较强的抗干扰能力，通过光电耦合器U6对单片机的输出控制信号进行隔离. 当三极管Q1从导通状态切换到截止状态时，继电器线圈中的电流将突然减小，此时继电器线圈中会产生很高的电动势，如若该电动势与电源电压同时加在Q1上，会使三极管很容易被击穿. 为避免这种情况的发生, 同时也为了保护继电器线圈，在继电器线圈两端反向并联了一个二极管D7用来吸收该电动势，从而保护三极管和继电器线圈. 压气机驱动电路如图4所示.

当继电器额定电压低于电源电压时，存在继电器吸合时间过长的问题. 为解决此问题，设计了一种继电器与RC电路串联的电路，其工作原理是：当电路由断开切换到闭合状态的瞬间，电容C17两端的电压来不及发生改变，此时可将电容视为短路，这样就可以把更高的电源电压直接加到了继电器线圈上，使继电器线圈中的电流迅速增大，从而缩短继电器吸合的时间； 当电路稳定后电容C17也不再起作用，而电阻R17则起到限流的作用.

2.2 电动增压电控系统控制策略

采用的控制策略是基于工况划分的控制策略，即将发动机的运行过程划分为多种工况分别进行控制. 增压柴油发动机工况的判断依据主要有发动机转速、油门开度、油门位置变化率及冷却水温度等信号. 而且发动机工况随着时间一直处于变化状态中，所以需要主程序循环判断，工况判断程序流程图如图5所示. 具体工作原理结合压气机驱动程序说明.

图5 工况判断程序流程图Fig.5 Conditions to determine program flow chart

因主要研究低速下急加速工况电动增压系统对增压柴油发动机瞬态响应特性的影响，所以其他工况的处理策略在此就不进行详细描述. 当增压柴油发动机处于低速、急加速工况时，为适应发动机负荷的快速变化，并考虑到电动压气机的快速响应能力，采用具有较强鲁棒性的模糊控制策略，该策略能够完成对电动压气机工作时长的精准计算和控制.

图6 压气机驱动程序流程图 Fig.6 The compressor drive program flow chart

完成一次典型的模糊控制可分为以下几步：首先，确认输入输出变量. 当发动机在低速工况需加速时，主要是利用油门开度EP和油门位置变化率E’P 作为输入变量，将受控对象电动压气机工作时长T作为输出变量； 其次将输入的精确量转化成模糊量，即将输入的精确量，经过模糊化处理后，对应到各自的模糊论域范围内. 根据以往的研究经验，可将油门开度的实际变化范围定为[20%，90%]，油门开度变化率的实际变化范围定为[5%，15%]，将两个输入变量的实际变化范围对应到相应的模糊子集论域：{NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)，O(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}. 定义一个模糊子集，实质是确定语言变量隶属函数的形状，常见的隶属函数有三角形型、高斯型和Sigmoid型等[7]； 然后，建立模糊控制规则. 本研究制定模糊规则的基本准则是：当油门开度较小时，电动压气机工作时长对油门位置变化率的反应非常敏感； 随着油门开度的逐渐变大，电动压气机工作时长对油门位置变化率的敏感程度逐渐下降. 最后是模糊推理和解模糊化.

2.3 压气机驱动程序与工作原理

为实现对压气机工作时长的精准控制，采用PIC16F887单片机PWM输出模块对继电器进行控制. 通过设置PWM相关寄存器的初始值和占空比，就能实现对电动压气机工作时长的精确控制，压气机软件驱动程序流程图如图6所示.

3 电动增压系统在柴油发动机台架试验研究

基于柴油发动机试验台架，进行了柴油发动机的动力性、燃油经济性与排放性的性能试验，从而进一步验证电动增压系统的实用性与可靠性. 为了更加直观地说明电动增压系统的工作特性，电动增压系统与增压柴油发动机并联工作原理图与实物图如图7和图8所示. 柴油发动机试验台架主要由柴油发动机、测功机、发动机测控系统、电动增压系统及排放测量装置等组成. 选用的发动机是SL4108ZL型四缸直列、直喷式涡轮增压中冷柴油发动机，具体参数由表1所示.

图7 电动增压系统工作原理图Fig.7 Electric supercharging system schematic diagram

图8 电动增压系统工作实物图Fig.8 Electric supercharging system physical figure

缸径×行程/mm×mm VL/L压缩比N标定/r·min-1P标定/kWN最低空载/r·min-1Mmax/N·mN最大扭矩/r·min-1Be全负荷/g·(kW·h)-1N最高空载/r·min-1108×117 4.287182800105850±30≥4501800≤2203080

其他辅助设备还包括ET2500型智能油耗仪、ET2700型电喷发动机回油处理器、DW160型电涡流测功机和ET2000型发动机测控系统. 还采用了FTY-100型不透光烟度计和FGA-4100型汽车排气分析仪. 为满足涡轮增压系统与电动增压系统并联的设计要求，首先对原柴油发动机的进气管路进行了设计改造，将原柴油机的进气管设置为主进气管路，在旁路上并联本研究设计的电动增压系统，并在旁路上安装一个压力式电动蝶阀. 当增压柴油机工作于稳定工况时，该电动蝶阀处于闭合状态，此时只由废气涡轮增压器单独为柴油发动机供气； 当电动增压系统检测到增压柴油机工作于加速工况时，电动蝶阀迅速打开，代替与之并联的涡轮增压系统工作，成为进气量的主要供应者，从而提高涡轮增压器的瞬态响应特性，改善增压柴油机的燃烧质量，提高增压柴油机的动力性能和排放水平.

4 试验结果与分析

试验的主要目的是研究电动增压系统对增压柴油发动机性能的影响，进行了同一进气量、不同负荷工况下各性能影响试验研究. 为了使原机和电动增压柴油发动机的试验结果便于对比分析，在各负荷工况下都将电机的转速设置为20 kr·min-1. 在各负荷工况下都是先设置相应的油门开度、发动机转速和采集时间10 s，进行原机试验，然后打开电动压气机调到相应转速，保持上述设置不变，进行对比试验.

由于试验量大、试验数据繁多，所以仅以50%负荷和75%负荷两个较常用工况的数据为代表, 对比分析电动增压系统对增压柴油机各性能的影响.

图9和10是原增压柴油机和电动增压柴油机的速度特性对比曲线. 从图中可见，改装后的电动增压柴油机在低转速工况时，扭矩和有效功率有所增加，而在中、高速工况时, 动力性能与原增压柴油机相比反而略有下降. 因为在低转速时柴油机进气效率低、燃烧质量差，此时电动压气机的补气效果增加了柴油机的进气量、改善了燃烧质量，从而改善动力性能. 而当转速到达中、高速时，制约柴油机动力性能的参数不再是进气量，此时增加进气量反而使混合气变稀、燃烧室温度下降，从而使柴油机的动力性能有所下降. 基于上述分析，应将试验重点放在低转速工况，经过大量的试验不断修正工况划分策略中启动电动压气机的转速范围，综合考虑后确定在[1 100，1 800]范围内电动压气机有比较好的效果.

图9 输出功率对比图

图11 燃油消耗率对比图Fig.11 Specific fuel consumption contrast figure

图11为原增压柴油机和电动增压柴油机的负荷特性油耗率对比曲线. 从图11可见，电动增压柴油机油耗率相比于原增压柴油机有所降低，在低速时，中、高负荷下较为明显. 随着负荷增加，其下降幅度与原增压柴油机的油耗率相比更加明显，尤其在低速时，中、高负荷下，电动增压柴油机的燃油经济性改善最为明显.

图12为柴油机低速时，原增压柴油机和电动增压柴油机各负荷工况下烟度排放对比曲线. 从图12可知，原增压柴油机的烟度排放量随着负荷的增加而增加，且在大负荷工况下烟度排放量急剧增加. 与原增压柴油机相比电动增压柴油机的烟度排放量明显降低，主要是因为在低速大负荷时，电动压气机能够瞬间提供足量空气使气缸内的过量空气系数明显提高，同时降低了燃烧室的温度，改善了燃烧质量，大量降低了烟度的排放.

图13为柴油机低速时，原增压柴油机和电动增压柴油机各负荷工况下NOx排量对比曲线. 从图中可知，原增压柴油机的NOx排放量随着负荷的增加而增加. 这是因为NOx的生成遵循捷氏反应机理，即高温富氧，当发动机负荷增加时，燃烧室温度升高，有利于NOx生成，所以NOx排放量随负荷的增加而增加； 而在低速大负荷时，电动增压柴油机由于快速补气的原因，使燃烧室的温度明显降低，从而抑制了NOx大量生成，导致NOx的排放量明显下降，因为高温NO是内燃机和车用发动机NO排放的主要来源[8].

图12 烟度对比图Fig.12 Smoke contrast figure

图13 NOx排量对比图Fig.13 NOx emissions contrast figure

5 结语

采用电动增压器与涡轮增压器并联工作，低速急加速时，由电动增压系统单独工作，达到快速进气的目的. 同时制定了基于工况划分的控制策略，且采用模糊控制的方法来实现对电动增压系统工作时长的精准控制，最后进行了同一进气量对不同负荷工况下的各性能试验，并进行了试验分析.

1) 原废气涡轮增压器低速时的动力性、排放水平和燃油经济性均有所改善，最多时，能降低发动机45%的排气烟度和40%的NOx排放，并提高发动机6.7%的输出扭矩, 降低14.3%的燃油消耗量. 从而验证了方案的可行性.

2) 电动压气机介入转速范围仍需要大量的试验验证，从而逐步得到最佳转速范围.

3) 由于实验设备的限制，未能进行瞬态性能试验，研究电动增压系统在瞬态工况下对增压柴油发动机各性能的影响将是接下来的研究重点.

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