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。

 

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48 V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。”

 

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-target speed）的瞬时响应性能，加速至150,000 rpm。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（Mahle Powertrain）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221 kW的2.0 L汽油发动机建立详细的模型。他说，加装48 V的Aeristech eSupercharger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48 V的eSupercharger，该车配置了公司生产的小尺寸1.2 L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 kW（193 hp），BMEP（制动平均有效压力）刚刚超过30 bar。

 

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 kW，2000 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1200 rpm时的BMEP从20 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2.2 L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