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德国IHI公司已开发了一种电辅助增压系统，能进一步提高采用米勒配气定时的汽油机的潜力。高的增压效率是以固定几何截面涡轮为基础而无需增加调节部件。
1 对增压的高要求
内燃机在未来的混合动力装置中仍然会起着重要的作用，而且未来的CO2排放目标也需采用全新的先进技术。在提高驱动动力学性能的同时降低燃油耗和废气排放，两者之间仍然存在着目标冲突。目前已证实，米勒循环应用于汽油机上是较为简单、有效同时又具较好成本效益的方法，作为概念其同样也被用于采用进气门早或晚关的方案。米勒循环的一大弊端是会降低发动机的容积效率，若要求功率保持恒定不变，则需提高增压压力。
在该情况下，常规的带有废气放气阀（WG）的废气涡轮增压器（ATL）设计在低转速时的增压压力建立速度与可达到的功率之间需有所折中。具有可变涡轮几何截面的涡轮增压器（VGS）就能缓和此类目标冲突，但其技术要求较为复杂，在汽油机条件下仍具有一定挑战性的，而且在宽广的运行范围内其效率也受到限制，因而动力总成系统的电气化为进一步缓和上述目标冲突提供了显著的技术潜力。通过简单的最佳增压系统的电气化就能为改善发动机效率作出贡献。IHI公司的e-xR电辅助增压系统方案（图1）是专门针对采用米勒循环的高效汽油机的混合动力总成系统而开发的。
图1 IHI公司的e-xR电辅助涡轮增压器
2 电辅助增压方案
这种增压方案是以IHI公司REF无调节的电辅助增压器为基础开发的，REF增压器的主要组成部分具有较好的空气动力学效率。采用加大流量的无废气放气阀涡轮，通过提高米勒循环度和压气机压比即可改善内燃机的热力学效率，而通过调节米勒循环水平就能达到无调节运行。以此来改变配气定时，也就是使增压压力及其压气机功率提高到某个值，其与在无调节条件下涡轮产生的功率实现精确匹配，而这种增压系统的动力学缺陷则借助于电辅助予以补偿。涡轮增压器的电动机位于轴承与压气机之间，以使其远离高温涡轮侧，并且在制造时可实现简单装配。其基本结构示于图2。
图2 REF电辅助涡轮增压器剖视图
无调节涡轮级需要采用一种替代的负荷调节方式，其可采用节气门调节和/或部分或全可变气门机构，在一定程度上能通过涡轮增压器的电机回收能量，但是对汽车的能量管理会产生影响。借助于外部冷却的低压废气再循环（ND-AGR）提供了另一种具有吸引力的解决方案，其能用于调节负荷，同时能显著降低燃油耗，因此其与电辅助增压相组合是较为理想的，但是其并非强制需要，特别是在对发动机动力学性能提出很高要求的车辆技术方面的挑战是较为艰巨的。
3 方法
为了使e-xR电辅助增压系统方案的潜力定量化，下文在相同边界条件和考虑相同限值的情况下研究了先进增压系统的热力学性能。在在IHI公司统计学试验计划（试验设计，DoE）的多目标优化方法的基础上进行增压系统的设计，如图3所示。采用GT-Power程序借助于1D换气模拟进行DoE计算（图3中的a点），并产生了各种不同发动机参数的响应面的基础，响应面是进气门开启长度（EVL，即进气门开启持续时间）、排气门开启长度（AVL）、压缩比（ε）、进排气配气定时（EÖ=进气门开，AS=排气门关）和涡轮增压器最佳参数的函数（图3中的b点）。借助于这些响应面就能优化用于EVL、AVL、ε和废气涡轮增压器零部件尺寸某些组合的配气定时（图3中的c点）。这些过程对一系列发动机运行工况点（例如用于分析扭矩（低端扭矩，LET）建立的低转速范围、额定功率和部分负荷等）重复进行，以便为某个给定的目标函数确定EVL、AVL、ε和废气涡轮增压器零部件尺寸的最佳折中（图3中的d点）。
图3 借助于多目标DoE优化方法进行开发
不考虑例如驱动装置低速化和提高混合动力化的最佳参数。试验发动机是一台4缸2.0 L直喷式汽油机，额定功率为160 kW（5 000 r/min），最大扭矩为350 N·m（1 500 r/min）（LET）。作为试验基础的E级车辆的全球统一的轻型车试验循环（WLTC）的CO2排放为152 g/km。降低WLTC的CO2排放是借助于关系重大的运行工况点的稳态模拟而进行的近似计算。所有方案在考虑系统极限的情况下对参数组合（EVL等）进行优化，这些参数组合使米勒循环水平和发动机效率最大化，同时从pme=0.2 MPa直至90% LET的扭矩响应特性（英语：TtT=Time-to-Torque,时间比扭矩）必须达到≤2.0 s。将下列各项参数作为限值：容许的最大涡轮增压器转速、压气机后空气温度190 ℃、所有运行工况点容积效率＞0.97、低压废气再循环（ND-AGR）率最大30%以及发动机额定功率。为了避免气门与活塞碰撞，应限制配气定时。
设计方案包括常规的废气放气阀（WG）调节的双联涡道（TS）*涡轮；带有（两股）废气流连通阀（SCV）的双涡道（DS）*涡轮（DS+SCV）；
高效的可变涡轮几何截面（VGS）的涡轮；废气放气阀（WG）调节的单涡道REF涡轮增压器。在先进的e-xR方案中，涡轮本身是不采用调节技术的，在整个特性曲线场中是通过ND-AGR来实现调节的。VGS作为已得以广泛应用的常规技术，在所考察的市场范围内同样也是通过ND-AGR而进行评价的，以便能进行公正的比较。
4 试验结果
关于在重要运行工况点的比燃油耗（Δbe）的优势以及在WLTC试验循环中降低CO2排放的情况示于图4。
图4 WLTC试验循环中Δbe和CO2排放的降低以及最佳的发动机参数
正如图中所示，所考察的系统可实现各种不同的参数组合并改变米勒循环度。与基本的TS-涡轮增压器相比，带SCV的DS-涡轮增压器降低CO2排放的优势约为1 g/km，这是通过稍微提高压缩比而实现的。VGS能够在加速响应特性改善55%的同时，优化到较短的EVL（进气门升程1 mm时150°CA）和较高的压缩比（11.7），其所得到的降低CO2排放的优势为2 g/km。在使用REF电辅助涡轮增压器的情况下，在优化过程中在很大程度上可不调整增压器的动态性能，并可进一步优化压缩比（13.0）和EVL（140°CA），此时的极限则是压气机和增压器的最高转速，在动态性能改善74%的同时，所得到的CO2排放的降低总量为3.6 g/km。
考察采用冷却ND-AGR的效果可在VGS和e-xR系统上进行。对于VGS增压器而言，ND-AGR率针对最低比燃油耗进行极限优化，从而在部分负荷工况时ND-AGR率高达20%，这种较高的数值并非具备全面优势，因为ND-AGR所能得到的优势无法补偿换气（pmiLW）恶化所导致的后果，这种效应是在可变涡轮几何截面经大幅减小状态时降低了VGS效率的结果。
与无ND-AGR的VGS增压器相比，采用冷却ND-AGR能使CO2排放降低5.5 g/km。对于e-xR系统而言，因固定几何截面的涡轮无调节，在涡轮效率和换气（LW）方面可获得一定优势，因此直至高达30% 的最大ND-AGR率时燃油耗仍有改善，结果比REF增压器CO2排放进一步降低了7 g/km，比采用ND-AGR的VGS增压器CO2排放降低量＞3 g/km。由于REF增压器或e-xR系统均采用较高的米勒循环度，容积效率＜0.5（与进气总管中的状态有关）以及增压所需的0.33 MPa压力，同时较高的涡轮效率和无调节的方式使得涡轮前的压力（p3）相对较低（0.31 MPa），甚至考虑采用汽油机颗粒捕集器。在发动机额定工况下也能进行扫气换气，但其受到进气配气定时调节和米勒循环度降低到容积效率为0.97等条件的限制。图5上除了涡轮效率、扫气过量系数和pmiLW之外还示出了此类实际情况。
图5 换气特性（EÖ=进气门开，AS=排气门关）
应用电辅助增压系统中的一个重点是行驶循环期间的电能需求。无论是REF增压器还是e-xR系统均依照该方式进行设计：在WLTC试验循环中增压器的电动机任何时候均不会稳定地实现驱动或制动，在全负荷范围内，在1 000～2 000 r/min的低转速时电动机必须以2 kW的轴功率进行辅助增压。两种系统都是通过最佳发动机参数与提高涡轮流量相组合被设计成在无调节条件下被动地采用电动机达到额定功率的状态。通过该方式设计的压气机和涡轮的直径是几乎相同的，涡轮的流量为VGS级最大流量的80%。图6为3种运行工况点示出了负荷调节的更多细节。
图6 e-xR方案的调节参数和ND-AGR率
在2 500～4 500 r/min 之间的全负荷状态时，电辅助增压的无调节运行受到最低容积效率0.97的限制，因此为了调节负荷，REF增压器必需实现最大为5%的废气放气率，而e-xR方案则必需实现10%的ND-AGR率。
5 结论
鉴于WLTG试验循环中的比燃油耗和CO2排放，e-xR方案应用于升功率为80 kW/L的汽油机领域能显示出其自身优势，但是在经充分调整的情况下，借助于所介绍的DoE优化方法，e-xR方案并不会受限于当前的市场条件，简单而效率得以优化的涡轮增压器的电辅助增压理念有助于降低所有发动机等级下的CO2排放，图7示出了按照对内燃机和驱动方案性能要求进行分类的细分市场的概貌。
图7 增压汽油机的细分市场
所介绍的IHI公司的电辅助增压方案是对废气涡轮增压器部件设计、系统电气化、创新的米勒循环策略和利用冷却ND-AGR部分或全面调节负荷的挑战，其显著的节油潜力将使电辅助增压系统进行以进一步扩大市场为目标的系统试验。电气化与新技术和新的调节策略相组合开启了改善内燃机的附加自由度。
【德】M.RODE等
【整理】范明强
【编辑】何丹妮
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