干货|48V电动增压柴油机性能研究——助力清洁高效柴油机技术开发！
GT-CONFERENCE 2019: FEV
为应对即将到来的BS06，电动压气机是一个在不影响性能的情况比较有前途的解决方案；利用所搭建的NOx控制模型还可以实现为满足目标NOx排放浓度的 EGR率的估算。
◆◆1.研究背景◆◆
随着排放法规日益严苛，为应对即将到来的BS06，所有发动机制造商都在寻求降低整体平均排放量的方法，有改善缸内燃烧的、有增设EGR的、有改善后处理装置的等方法。
本文将在某款增压柴油机的基础上，研究配备电动压气机对其性能及排放的影响，以及实现对满足目标NOx排放浓度的 EGR率的估算的功能。
◆◆2.基础模型搭建◆◆
2.1发动机基本参数
车型：SUV
燃料：柴油
排量/L：2L
功率/kW：120
最大扭矩/Nm：382
EGR：高压、带冷却
增压器：VGT
2.2性能参数
发动机原机性能参数和性能优化目标如下表：
2.3 发动机结构
原发动机结构基础上配备电动压气机后的结构如下图：
其中旁通阀by-pass用于控制流经电动压气机的空气流量，起性能调节作用。
2.4 GT模型
根据发动机结构，在GT里面搭建的具体模型如下：
◆◆3.性能仿真结果及分析◆◆
根据基础机型的试验数据对屏蔽电动压气机后基础模型进行标定，精度达标后再进行新方案的能力预测及其与基础机型性能对比分析。
3.1外特性仿真结果
3.1.1基础性能计算结果
根据基础机型的试验数据对基础模型进行标定，精度达标后的基础版外特性性能计算结果如下：
3.1.2方案对比
在基础版机型配置的基础上分别启动电动压气机和跟换大流量涡轮，计算结果如下：
从上面计算结果可以发现，跟换大涡轮后额定工况点的功率从120kW提升到135kW；且电动压气机方案能使最大扭矩对应的转速范围变宽，最大扭矩对应的最低转速降到1250rpm；外特性比油耗BSFC降低，在1000rpm比油耗降低6%，在2000rpm比油耗降低4%。
从上面计算结果可以看出在电动压气机的作用下，系统泵气损失减小，充气效率提高，从而显著提高了发动机系统的进气流量，Lambda也显著提高，从而能显著改善碳烟等排放物排放浓度，以减小后处理的压力。
从上面计算结果可以看出增压压力提高，从而缸内进气压力提高，增大进气量，发动机动力性得到提升；同时压气机出口温度未超限值，最大缸压也在安全范围内，从而中冷器无需改动。在2000 rpm时压气机功率为7kW。
从上面几个图可以看到，增压器运行点的变化导致增压器效率的降低，从而引起BSFC少许的劣化。
上图是基础配置状态下发动机外特性的压气机联合运行线，从中可以看出：增压器的喘振裕度足够，但高原运行的能力不足，最高转速限制为174000rpm。
上图是启动电动压气机后发动机外特性对应的主压气机联合运行线，从中可以看出：增压器的喘振裕度有所减小，但高原运行的能力充足，且不降低基本性能。
上图是启动电动压气机后发动机外特性对应的电动压气机的联合运行线（1000rpm—2000rpm），高转速限制为70000rpm。
3.2部分负荷仿真结果
上图是转速1500rpm下部分负荷的仿真计算结果，其中Case1：
1500rpm（转速）/3bar（BMEP），Case2：1500rpm/6bar。
从上面几个图可以看到，相比基础配置状态下的发动机，启动电动压气机后Case1的BSFC降低2.5%，Case2的BSFC降低4.9%。
从上面几个图可以看到，相比基础配置状态下的发动机，启动电动压气机后Lambda得到显著提升。其中电动压气机耗功：Case1消耗0.3kW，Case2消耗0.7kW。
上图是电动压气机运行点，其中电动压气机极限转速70000rpm。
上图是用所搭建的发动机模型分别耦合到P0和P2架构的整车模型后，进行的RDE仿真计算的计算结果，从中可以看出：针对P0架构，电动压气机方案能降低CO2排放约4%，降低NOx排放约15.4%；针对P2架构，电动压气机方案能降低CO2排放约7.05%，降低NOx排放约26.7%。
◆◆4.NOx仿真结果及分析◆◆
4.1NOx控制模型
影响NOx的产生及浓度的因素很多，但关键因素如下：
燃烧后新生成的NOx浓度（不包含EGR回收部分）计算的经验公式如下：
因为转速、负荷、冷却水温、进气温度、轨压、喷油时刻都与发动机性能直接相关，为便于控制模型的搭建，在此忽略除02浓度以外的其他因素对NOx的直接影响，在GT中搭建NOx控制模型原理如下：
进行万有特性计算后得到的缸内O2浓度map云图如下：
上图是在1500rpm，BMEP = 6bar工况点下计算得到的不同EGR率与相应NOx浓度的关系曲线，从中可以看出：EGR率越高，相应的NOx排放浓度越低；且EGR率超过40%以后，EGR率对NOx排放浓度的影响减小。
4.2部分负荷NOx仿真结果
Case1：1500rpm/3bar
Case2：1500rpm/6bar
控制功率/扭矩、比油耗在相同状态下，对不同目标NOx浓度进行仿真，计算结果如下:
从上面几个图的计算结果可以看到，在Case1工况下，要使NOx浓度下降6%，EGR率预计需增大5%；在Case2工况下，要使NOx浓度下降37%，EGR率预计需增大4%。
◆◆5.结论◆◆
为应对即将到来的BS06，电动压气机是一个在不降低发动机性能的情况比较有前途的解决方案，不仅能显著提高发动机系统进气流量和Lambda系数，从而改善碳烟排放浓度，还能增大额定功率和增大低速扭矩：
-额定点功率：+12.5% @3500 rpm
-低速扭矩：+69% @1000 rpm
-BSFC：-6% @1000 rpm
-BSFC：-4% @2000 rpm
还对NOx控制模型进行了研究，利用所搭建的NOx控制模型，实现对满足目标NOx排放浓度的 EGR率的估算。
