汽车电动压气机性能试验研究

田 芳，安永东

(黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，哈尔滨 150050)

随着汽车工业的迅速发展，内燃机汽车的油耗和排放法规要求日益严格，电动汽车得到了迅速发展，但由于目前电池技术发展的制约，传统的内燃机汽车和混合动力汽车在未来相当长一段时间内仍将占有较高的比例。

目前，传统汽车生产厂家推出的采用增压器的车型越来越多，所采用的发动机也向小型化发展[1]，小型化发动机在部分负荷时节气门开度更大，一定程度上降低了节流损失，从而降低泵气损失，有利于降低燃油消耗率[2]。小型发动机的升功率不断提高，推动了两级和多级涡轮增压技术的迅速发展[3-4]，但相应地增加了结构的复杂程度，导致成本大幅增加，同时，采用多级增压技术的发动机处于低转速时的动态加速响应特性不如传统的自然吸气式发动机，近年来电动增压作为一种新型技术逐渐进入人们的视野[5-6]。电动压气机作为电辅助增压系统的关键组成部件，其性能直接决定了增压系统的优劣[7]。同时，电动机技术、电子技术的进一步优化使得电动增压系统的应用日益广泛[8]。

小排量汽油车主要通过减小发动机排量的措施来达到排放标准，排量下降后，发动机的动力性能大大降低，在爬坡或加速时，经常表现为动力不足[9]，即使配备了涡轮增压系统，但涡轮增压的滞后作用对小排量发动机影响非常大，易使发动机动力输出与车辆行驶负载不匹配[10]。同时，低转速工况下的涡轮增压器增压迟滞，往往需要驾驶员降低档位并提高发动机转速来获得更好的驾驶体验，导致实际油耗增加[11]。电动压气机在自然吸气发动机中应用可以提升低速扭矩，提高瞬间加速响应，有效提升汽车动能[12]。

谢文尚等[9]对小排量汽油机匹配电动增压器系统进行台架试验，结果表明：采用电动增压器后，汽油机动力性显著提高，其中，最大扭矩提高了15%，最低燃油消耗率降低了2%。张卫波等[13]设计了一套电动增压系统并进行了试验研究，结果表明可以提高柴油发动机6.7%的输出扭矩，降低14.3%的燃油消耗量。许为亮等[14]针对汽油机通过联合仿真验证了电动增压器对提升发动机瞬态响应性能的有效性。杨南杰[15]基于增压柴油机试验台架进行了电动增压试验，结果表明发动机低速工况性能明显提升，动力性最大提高4.9%，燃油消耗率降低了4.4%。冯浩等[2]开展了电子增压器对增压米勒循环汽油机性能影响的试验研究，结果表明电子增压器的应用提高了发动机低转速大负荷EGR引入能力，大幅降低燃油消耗率。刁一峰等[12]应用电子增压器在自然吸气发动机上进行性能研究，结果表明电子增压器有效提升了发动机低速扭矩，但在中高转速区域对于提升发动机性能并没有明显效果。黄英铭等[16]通过软件仿真和台架试验验证了复合增压系统能显著地提高发动机的低速扭矩、瞬态响应和最大功率。

目前，对于电动压气机的研究大多集中于理论和仿真，相关试验研究也多集中在柴油机和复合增压技术等方面。在借鉴前人研究的基础上，文中开展了电动压气机对自然吸气汽油机中低速性能影响的研究，进行了相应的发动机台架试验，分析了电动压气机对汽油机输出扭矩、功率与油耗率等方面的影响。

1 试验设备与方法

1.1 试验设备

台架试验采用的发动机为哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司生产的4G15，该发动机为自然吸气式电子燃油喷射汽油机，其具体参数如表1所示。

表1 试验发动机特征参数

发动机台架试验采用湖南湘仪动力测试仪器有限公司的FC2000 发动机自动测控系统和GW160电涡流测功机，此外，还使用了元征X431故障诊断仪、电动压气机试验装置等设备。

1.2 试验方案

目前电子增压器的控制参数有 3 种：增压压力、喷嘴开度位置以及增压器转速[17]。试验所采用的电动压气机为单独改装，受改装电动压气机叶轮承压能力的限制，其最高试验转速不超过15 000 r·min-1，为了更好地了解压气机的性能，试验选取的控制参数为增压器转速，即压气机转速。设定压气机初始转速为5 000 r·min-1，转速变化梯度为3 000 r·min-1，则压气机试验转速序列为5 000 r·min-1、8 000 r·min-1、11 000 r·min-1和14 000 r·min-1。

因电动压气机在发动机低转速段的性能提升效果明显[18]，试验所用电动压气机能力转速有限，试验中发动机的转速范围设为1 000～4 000 r·min-1，发动机的转速变化梯度为500 r·min-1。本研究拟定节气门变化梯度为25%，试验中节气门开度值分别为25%、50%、75%和100%。

1.3 试验环境

试验时台架实验室环境温度为15～17 ℃，相对湿度21%～23%，大气压力95～96 kPa。

2 试验结果与分析

2.1 动力性试验结果与分析

图1～4为不同节气门开度时的转速-扭矩/功率曲线，其中,实线为扭矩曲线，虚线为功率曲线。

从图1可以看出，在节气门开度为25%时，自然吸气状态的扭矩和功率比压气机参与工作时还要高一点。尤其是压气机转速为5 000 r·min-1、发动机转速3 500 r·min-1时，相对自然吸气状态，进气压力降低了3.0%，随着发动机转速的增加，扭矩和功率反而比自然吸气状态时下降更多，最高下降了61.4%。在压气机转速11 000 r·min-1、发动机转速3 500 r·min-1时，扭矩和功率增幅最大，增加了17.1%，虽然增幅较大，但此时发动机的扭矩较小，只有8.2 N·m，功率也只有3 kW。

图1 25%节气门开度时的转速-扭矩/功率曲线

导致上面结果主要是因为25%的节气门开度相对过小，节气门对气流的过度限制大幅度减少了发动机的进气量，同时导致压气机即使在较高转速下增压效果也并不明显。产生扭矩和功率的损失是因为压气机的转速相对较低，对发动机的正常吸气起到了阻滞作用，导致吸入的空气量比自然吸气状态时要少，尤其是发动机在较高转速状态条件下，压气机的气流阻滞作用非常明显，导致功率和扭矩大幅度下降，该发动机工况对于车辆运行的实际意义不大。

从图2可以看出，当节气门开度为50%时，在不同的压气机试验转速条件下，发动机的扭矩和功率都得到了提升，并且随着发动机转速或压气机转速的提高，提升的幅度也不断加大。其中，压气机转速为14 000 r·min-1、发动机转速1 000 r·min-1时，扭矩和功率较自然吸气状态时提高了9.7%，其中，扭矩增加了7.6 N·m，功率增加了0.8 kW；同压气机转速，发动机转速在4 000 r·min-1时，扭矩和功率较自然吸气状态时提高了8.8%，其中，扭矩增加了7.5 N·m，功率增加了3.1 kW。在发动机转速2 000 r·min-1左右、压气机转速为14 000 r·min-1时，扭矩增量显著，并随着转速的不断增加，基本保持了这一增量。本组试验中，压气机转速为14 000 r·min-1工况下的扭矩/功率平均增幅达到了7.0%，说明压气机在50%节气门开度条件下的增压效果显著。

图2 50%节气门开度时的转速-扭矩/功率曲线

从图3可以看出，节气门开度为75%时，在不同的压气机试验转速条件下，发动机的扭矩和功率基本都得到了提升，压气机转速14 000 r·min-1时，各发动机转速下扭矩和功率的平均增幅为4.0%，在发动机转速为1 000 r·min-1时，扭矩和功率提升最大，达到了8.0%，其中，扭矩增加了6.7 N·m，功率增加了0.7 kW。从曲线中看出，当发动机转速大于2 800 r·min-1、压气机转速为5 000 r·min-1时的输出扭矩小于自然吸气状态，说明该工况下的进气受到了压气机的阻滞，导致进气量减少。

图3 75%节气门开度时的转速-扭矩/功率曲线

图4为节气门开度为100%时的特性曲线， 在不同的压气机试验转速条件下，除了发动机转速3 000 r·min-1点外，发动机的扭矩和功率基本都得到了提升，在发动机转速为2 000 r·min-1时，扭矩和功率的增幅最大，达到12.8%，其中,扭矩增加了13.1 N·m，功率增加了2.7 kW。从图中可以看出，压气机参与工作后的扭矩曲线变化较大，尤其发动机转速在区间1 500～2 800 r·min-1时，输出扭矩增幅明显，转速大于2 800 r·min-1时，增幅不明显，但局部峰值有明显后移趋势。出现这样结果的主要原因是发动机节气门全开，没有了节气门的阻力，释放了发动机的潜力，在较低的发动机转速段，压气机的效能得以充分发挥，进气量增加较大，从而大幅度提高了输出扭矩，而在较高的发动机转速段，发动机需要更多的进气量，压气机后备能力减弱，发动机输出扭矩能力受到影响，峰值有所下降。

图4 100%节气门开度时的转速-扭矩/功率曲线

通过以上的试验曲线分析可知，对发动机进气进行增压，并不能提高发动机所有工况条件下的输出扭矩和功率，如果节气门开度较小(如本试验节气门开度25%以下)，压气机的转速又偏低，进气压力低于相同节气门开度和发动机转速条件下自然吸气时的进气压力，则会导致扭矩和功率的损失。在节气门开度50%以上时，随着发动机转速的增加，发动机扭矩会出现两次比较明显的波动，这种波动是该发动机的正常扭矩输出特性。

动力性能试验中扭矩和功率增幅最大值为17.1%(节气门开度25%，压气机转速11 000 r·min-1，发动机转速3 500 r·min-1)，此时的功率值为3 kW；增量最大值为13.1 N·m(节气门开度100%，压气机转速14 000 r·min-1，发动机转速2 000 r·min-1)。该结果表明，压气机进气增压对发动机的动力性能改善比较明显，尤其是节气门全开时对发动机中速段扭矩输出影响较大。

2.2 经济性试验结果与分析

图5～8为不同节气门开度时的转速-油耗率/进气压力曲线，其中,实线为油耗率曲线，虚线为进气压力曲线。

在节气门开度为25%时，如图5所示，在压气机转速为5 000 r·min-1、发动机转速为3 500 r·min-1时，油耗率急剧增加，增幅达到157.7%，但油耗却减少0.02 kg·h-1。这主要是因为节气门开度比较小，为了达到较高的发动机转速，测功机的负载转矩下降较大，发动机输出功率大幅度下降，而ECU控制下的喷油量变化不大导致。压气机转速为11 000 r·min-1时，油耗率降幅最大，达到10.4%，油耗增加了0.12 kg·h-1。压气机在试验转速下对油耗率的影响有增有减，没有体现出比较一致的规律性。

图5 25%节气门开度时的转速-油耗率/进气压力曲线

如图6所示，节气门开度为50%时，相对自然吸气状态，在各个压气机测试转速下，进气压力基本都得到了提高，最高增幅为3.73%(发动机转速3 500 r·min-1、压气机转速14 000 r·min-1)。在发动机转速1 000 r·min-1、压气机转速14 000 r·min-1时，油耗率降幅最大，达到10.3%，油耗量减少了0.07 kg·h-1。在发动机转速为2 000 r·min-1和2 500 r·min-1时，各个压气机转速下的油耗率都有所增加，而在发动机的其他转速下，油耗率基本呈下降状态。

图6 50%节气门开度时的转速-油耗率/进气压力曲线

图7为节气门开度为75%时的转速-油耗率/进气压力曲线，各压气机测试转速下的油耗率相比自然吸气状态时的油耗率基本都有所增加，在发动机转速2 500 r·min-1、压气机转速8 000 r·min-1时油耗率增幅最大，达到9.8%，油耗率增量为26.8 g·(kW·h)-1，油耗量增加了0.9 kg·h-1。在发动机转速1 000 r·min-1、压气机转速5 000 r·min-1时，油耗率降幅最大，达到3.0%，油耗率降低了10.2 g·(kW·h)-1，油耗量基本无变化。在发动机转速1 000 r·min-1、压气机转速14 000 r·min-1时，进气压力增幅最大，增幅为3.6%。

图7 75%节气门开度时的转速-油耗率/进气压力曲线

从图8可以看出，压气机转速8 000 r·min-1、发动机转速3 000 r·min-1时，油耗率增幅最大，为9.4%，此时的扭矩和功率均下降了1.9%；压气机转速14 000 r·min-1、发动机转速2 000 r·min-1时，油耗率降幅最大，为8.5%，降低了25.0 g·(kW·h)-1，油耗量增加了0.2 kg·h-1，此时的进气压力增幅也最大，为5.1%,增加了5 kPa，扭矩和功率增幅达到了本组试验的最大值12.8%(其中扭矩增加了13.1 N·m，功率增加了2.7 kW)。

图8 100%节气门开度时的转速-油耗率/进气压力曲线

通过对转速-油耗率/进气压力曲线的分析，压气机的节能效果在不同的发动机转速条件下是不同的。在较高压气机转速时的油耗率降幅相对较大。这主要是因为压气机的介入增加了发动机的进气量，使燃油效率得到较大的提高所致。同时，在节气门开度超过50%的所有试验中，节气门开度100%、压气机转速14 000 r·min-1、发动机转速2 000 r·min-1时，扭矩、油耗率降幅以及进气压力增幅均达到本组试验的最大值。说明压气机的高转速所带来的性能提升并不随发动机转速的增加而增加，而是对发动机中等转速工况的效果更突出。

3 结 论

文中通过电动压气机的发动机台架试验，得到了不同压气机转速条件下的发动机速度特性。试验数据分析结果表明：

1)对发动机进气进行增压，并不能提高发动机所有工况条件下的输出扭矩和功率，如果节气门开度较小(节气门开度25%)，同时压气机又在较低的转速下工作，则可能会对发动机在某些转速段的进气产生阻滞作用，降低发动机扭矩和功率。对于节气门开度大于等于50%的工况，进气增压基本都能够提高发动机的扭矩和功率输出。

2)在不同的发动机转速条件下，压气机的节能效果不同。在较高的压气机转速(压气机转速11 000～14 000 r·min-1)和发动机中等转速(2 000 r·min-1左右)时的油耗率降幅相对较大。同时，节气门开度对压气机节能效果也有较大影响，在节气门全开、压气机转速最大、发动机转速在中等转速2 000 r·min-1左右时，油耗率降幅最大。