功率困扰催生eSupercharger(发动机电动超级增压器)

SAEInternational2018-12-05 06:14:03

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Aeristech公司的CEOBryn RichardseSupercharger。他表示公司所有的电机技术可以在1秒内充分满足发动机的气动力负荷需求,同时解决了常规发动机经常出现的冷却问题。


英国的Aeristech公司高调宣称已研制出世界上功率密度最大的可变速电机,有助于解决小尺寸发动机的技术难题,更好地实现二氧化碳减排目标。

公司CEO Bryn Richards表示:对于极小尺寸发动机而言,多级或机械增压均不能解决问题,因为这些增压设备不能保证在低速时提供充足动力。下一代的小尺寸发动机需要电动增压器,功率充足,可以满足低转速时的发动机增压需求,并且冷却性能优良,可以实现持续运转。

因此,Aeristech研发出了eSupercharger,旨在提供低速扭矩和即时节气门响应性能,消费者期望获得这些优良性能,但在小尺寸和正常尺寸的涡轮增压发动机中却难以实现。

Richards解释说,多级涡轮增压整合了不同尺寸的涡轮,有利于小尺寸发动机在更大的速度范围内驱动,但也带来了诸如成本、复杂度、热管理和催化性能方面的其他问题。他也强调,随着尾气排放限制日益严苛,催化性能带来的问题很可能会越来越严重。他表示:对于一部安装在发动机和催化装置间的两级涡轮增压系统来说,其热质量会增加车辆在轻负载或发动机低速运行时的熄火概率。

显然,替代方案是使用增压器,但常规的机械增压机无法在发动机低速运行时提供充足助力。Richards认为,电驱动单元目前仅能提供最短暂的瞬时助力

依据目前的发展情形,Richards认为,汽车行业很有可能会大力发展48V系统,并打造出在低速时也能提供充足助力的电涡轮增压器。

要实现持续工作,首先必须要满足冷却性能的要求,他告诉SAE《汽车工程杂志》,并指出Aeristech所有的电机技术可在1秒内充分满足发动机的气动力负荷需求,而不会引起常规发动机经常出现的冷却问题。


Aeristech的电机采用了永磁技术,响应速度更快,而不会引起开关磁阻电机经常出现的冷却问题。电机策略可以分隔换流和功率控制。


新电机控制策略

目前,整个行业正在大力发展备受期待的48 V轻混合系统,可以为电动增压器提供所需功率,以保证小尺寸发动机在低速运行时提供充足的助力需求。同时,机械涡轮性能也得以优化,可以只在发动机高速运行时提供助力,可以实现更大的比功率和更低的排气阻力。

Richards解释道,为了充分发挥48V系统的优势,提供电动增压,Aeristech公司采用了永磁技术。这种技术的响应速度更快,并且不会引起传统开关磁阻(SR)电机经常出现的冷却问题。目前,Aeristech公司已获得永磁技术专利。Richards认为,永磁技术是SR电机唯一的可选择的解决方案。他预计,一旦SR电机实现大规模量产,这两套系统的成本将基本持平。

我们的电机控制策略可以分隔换流和功率控制,也就是说,电转换频率无需高于运转速度,他说。这种全新的方法可以大幅削减许多关键的开关元件的成本,并保证精准的高瞬时速度控制。

这种方法也将赋予永磁技术很高的性价比,他表示,“这也是eSupercharger首次能够实现持续提供2.5bar及更高的助力”

该技术同时适用于柴油和汽油发动机。在日益严苛的法规面前,现在柴油发动机依赖于过滤系统来处理废气中的颗粒物,但却增加了发动机的压力,”Richards指出。如果能将这些颗粒物在内燃舱中转化为能量,而不是直接过滤出去,肯定更有意义。通过eSupercharger的运用,可以在发动机低速运行时及时响应瞬时变化,供应燃烧所需当量的气体,这样即可以解决排放问题,也一并提高燃油经济性。



Mahle用一款31.2 L发动机演示了eSupercharger


BMEP的显著收益

Aeristech表示,eSupercharger具备行业领先的功率密度和低惯性水平,可以在0.4秒内,以怠速到目标速度(idle-to-targetspeed)的瞬时响应性能,加速至150,000rpm。该技术已成功通过里卡多公司(Ricardo)和英国马勒动力总成公司(MahlePowertrain)的独立评估。

Richards表示,Ricardo曾使用其公司的WAVE模拟软件,为一款采用单极涡轮增压机、输出功率为221kW2.0 L汽油发动机建立详细的模型。他说,加装48VAeristecheSupercharger能将涡轮尺寸提高80%可以在发动机的整个速度范围内提升BSFC(汽车制动油耗率),扭矩响应和瞬时响应。

Ricardo最后表示,如果依赖于常规的单级涡轮增压机,而不使用eSupercharger,那么仅有大型发动机才能满足需求。Mahle用一辆D级别评估用车展示了48VeSupercharger,该车配置了公司生产的小尺寸1.2L三缸汽油发动机。这款车原本配置的是两级涡轮增压机,发动机输出功率为144 kW193 hp),BMEP(制动平均有效压力)刚刚超过30bar

Richards表示,如果用eSupercharger替代小涡轮,大涡轮就可以实现再次优化,发动机的最大输出功率可达193 kW2000 rpm时的峰值BMEP可达33 bar,这是非常了不起的。他表示,在发动机的整个速度范围内,扭矩都有所提升,最大可达313 N·m 231 lb·ft);发动机在1200rpm时的BMEP20 bar提升至接近29 bar

“Mahle表示,采用了eSupercharger后,单位气缸容量扭矩要高于市面上任一量产发动机,”Richards说。eSupercharger可以直接提高扭矩,并间接提高输出功率。通过用eSupercharger替换两级涡轮增压机中的小涡轮,Mahle的工程师可以加大主涡轮的尺寸,实现优良的操控性能和瞬态反应性能。

Richards预测,在未来,对于旨在达到95g/km的二氧化碳排放要求的C级车而言,其发动机将进一步减小尺寸,甚至会小于现有产品的最小尺寸。他表示,采用eSupercharger的高增压800cc的发动机可以提供与常规的2.2L自然吸气发动机相当的功率和扭矩,并提供同样高效的油门响应,而油耗却更低。

作者:Stuart Birch

来源:SAE《汽车工程杂志》

翻译:SAE上海办公室


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原译:美国汽车工程师学会

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