提高燃效/降低CO2的动力总成电子零件:2016日本汽车工程学会

IPTT公司的集成电动增压器・起动发电机、舍弗勒的电动可变气门正时控制技术

2016/07/19

概要

 “2016日本汽车工程学会 横滨”(公益法人团体 汽车技术会主办)于2016年5月举行,各公司展出了众多融合了最新技术的零部件和材料。选取其中主要为了提高燃效/降低CO2排放量的动力总成零部件中2个特别的电动组件进行介绍。

 第一个是加拿大麦格纳国际和英国Integral Powertrain公司的合资公司英国IPTT公司(Integral Powertrain Technology)开发的被称为“SuperGen”的“起动/发电机/电源和电动增压器”的集成产品,第2个是德国舍弗勒公司被称为“ECP”的电动气门正时控制系统。2款产品均被展出,且有产品介绍。



集成4个功能的起动・发电・助力・电动增压器 – IPPT公司“SuperGen”

“SuperGen”是什么?

 英国IPPT公司发布的“SuperGen”是兼具了“电动增压器”和ISG(Integrated Starter Generator)的功能、即集成了“起动机 + 发电机 + 动力用电动机 + 电动增压器”的电子组件。除了发动机的启停功能,还有12V电压驱动和提高了发动机相当于4~6kW的输出功率,可提高发动机的燃效/降低CO2。



写真1 “SuperGen”外観(IPPT社提供) 写真2 “SuperGen”内部
照片1 “SuperGen”外观(IPPT公司提供) 照片2 “SuperGen”内部



有何特别? 和其他公司的原有产品有何不同?

 可以比较的原有产品是集成了“电动助力 + 起动机 + 发电机”产品的混合动力用ISG。虽然各公司设计有所不同,但均具有以下功能。

  • 用电动机启动发动机的启动功能
  • 在发动机旋转中利用电动机作为发电机的发电机功能
  • 在制动操作时,电动机作为发电机,从动能回收电能的再生制动功能
  • 作为电源、用电动机辅助发动机旋转的轻度混合动力功能

 这里说的轻度混合动力功能并不是100V左右高驱动电压的系统,而是零部件数少、价格便宜的低电压轻度混合动力系统。有以下A)、B)两种控制方法等,但基本构造相同。

    A) 48V轻度混合动力,发动机的最高输出功率可提高10kW
    B) 12V轻度混合动力(微型混合动力),发动机的最高输出功率可提高近2kW

A)作为欧洲先行的小型涡轮增压发动机的涡轮补充系统而被广泛应用。
B)是日产和铃木采用的低成本轻度混合动力系统。

 针对这些,“SuperGen”既可像B)一样用12V驱动,也可享受A)与B)之间的发动机辅助性能。特别点是拥有与启动时动力辅助和驾驶时增压不同的发动机辅助功能。

    ① 作为电源,和B)一样在发动机启动时用电动机辅助直接发动机旋转运动的轻度混合动力功能
    ② 通过电动增压器功能,在涡轮增压迟滞的低转速范围内补充增压器。

 搭载2台与ISG不同的小型电动机,相互通过行星齿轮机构耦合。特点是发动机启动时通过结合耦合器的电动机的耦合操作,确保启动性能,驾驶时释放耦合,每个电动机拥有独立的发电功能和增压功能。通过使用行星齿轮区分功能,优化发动机运转状态。

 前提是代替现有发电机的系统,基于现有车辆可进行简单的轻度混合动力化



表1 SuperGen与其他公司现有的轻度混合动力用ISG的比较

SuperGen 12V-ISG 48V-ISG
额定电压值 12V 12V 48V
电动机数 2台 1 1
启动功能
发电机功能
与发动机的功率耦合 皮带
进气管
皮带 皮带
曲轴支架
辅助机构 功率增强
增压器增压
功率增强 功率增强
辅助领域 加速、巡航 停止~启动 加速、巡航
发动机输出功率辅助 +4~6kW ~+2kW ~+10kW



机制、机构变得怎样?

 上述的“SuperGen”是使2个电动机可以耦合/释放作为电源的电动助力和电动增压器的功能。该耦合不是通过离合器机构进行ON/OFF,而是利用了使用电动增压器的无级变速的行星齿轮机构。行星齿轮机构的特征是一般可以得到较大减速比、传递大扭矩,可以同轴配置输入轴和输出轴。无极控制增压器压缩机轴的旋转,在需要大扭矩的发动机启动时的电机运行,该行星齿轮机构是有用的机构。

 简单说明下构造,一边的电动机(E1)和另一边电动机(E2)之间配置行星齿轮机构。行星齿轮机构是、结合皮带滑轮的电动机E1连结外周齿轮(内齿轮)、电动机E2连结行星齿轮,压缩机轴连结太阳齿轮轴。

    ✔ 锁上电动机E2的话,太阳齿轮轴会停止旋转、停止压缩机
    ✔ 锁上外周齿轮的话,通过电动机E2的旋转,行星齿轮旋转、太阳齿轮也在相同方向减速旋转



照片3 “SuperGen”的行星齿轮机构(MarkLines基于IPPT公司的资料加工)

写真3 “SuperGen”の遊星ギア機構(IPPT社資料を基にMarkLinesが加工)



搭载实车的效果怎样?

 通过比较在实车上搭载和不搭载“SuperGen”的车辆,确认效果。

    试验车辆: D级、2.0L-4缸柴油涡轮发动机
    驾驶状态: 齿轮6速/发动机转速1500rpm,加大节气门开度、逐步达到满负荷
    测量周期: 启动之后的4.0秒内
    ✔ 燃效提高: 约7%
    ✔ 加速度改善: 约2倍,约1秒达到最大加速度
    ✔ 到达速度提高: 增加约8km/h (约5mph)

图1 有无搭载SuperGen的车辆速度・加速度比较

図1 SuperGen搭載有無での車両速度・加速度比較



可以从冷启动运行的连续可变气门正时的电动化– 舍弗勒”ECP”

什么是“ECP”? 和其他公司产品有何不同?

 在提高燃效/降低CO2的同时,还可降低烃类尾气、提高驾驶性能・输出性能的功能之一,对根据发动机的驾驶状态优化阀门启闭操作的控制技术来说是不可或缺的,特别是进气门,现在几乎所有的发动机都采用气门正时控制机构(凸轮相位)。1980年代初可变气门机构登场时是阶段可变,但从1990年代中期开始广泛采用连续可变气门控制。

 本次舍弗勒开发的”ECP (Electric Cam Phaser)”、连续可变气门正时机构不是液压控制的,而是电动控制。



写真5 電動式ECPと油圧式HCPの外観比較 写真6 ECPとギアボックスの搭載事例(Schaeffler社提供)
照片4 电动式ECP和液压式HCP的外观比较 照片5 ECP和变速器的搭载案例(舍弗勒提供)



为何需要电动化?

 可变气门控制几乎都是电子控制,对气门可变机构的机械动作,听从控制器指令、由电磁阀控制的液压,螺旋花键向凸轮轴方向转动来改变定时(相角)到现在仍是主流。但是液压式有个很大的缺点,在冷启动时或重启时·低速旋转时不能得到稳定的液压值,很难达到最佳气门正时控制。为了消除这个弊端,2001年日锻汽门的电磁离合器式连续可变气门正时机构实现产品化,被日产Skyline V35款搭载的VQ30DD发动机采用。但是因电磁离合器式的构成零部件多、成本高,所以近年来日产汽车对消除电磁式缺点的新电动式连续可变气门正时机构的需求增加。

 本次舍弗勒开发的“ECP”符合日产的需求,在产品演示上已言明被用于英菲尼迪Q50配套的新款VR30DDTT发动机。



表2 电动ECP与原有产品的比较

电动ECP 液压HCP
冷启动时 (-30degC)
(确保压缩比)
可以 不充分
冷启动时
(燃烧气体的低HC化)
可以 不充分
热启动时 
(抑制预燃)
可以 可以
从怠速停止返回
(平稳重启)
可以 不充分
阀门关闭响应
(减少泵气损失)
可以 不充分



有何特别? 和其他公司的原有产品有何不同?

 电动连续可变气门正时机构方面,本次舍弗勒生产的“ECP”并不是全球首创。2006年电装的电动可变气门正时系统是全球首次成功量产的产品,从Lexus LS起被依次广泛使用。针对电动产品,电装推进智能化/机电一体化,虽然该电动可变气门正时系统的EDU(电动驱动单元)与执行器一体化,但发动机缸盖侧面突出的壳体越来越大。

 本次舍弗勒开发的电动连续可变气门正时机构“ECP”与上述的电装产品不同,特地把控制器(电动驱动单元)分开,有利于抑制驱动电路的高温和配套性。另外通过缩小变速器,确保液压水平的配套性。另外,分离信号系统耦合器和电力系统耦合器,也考虑到电气噪声抗扰度和耦合器中发生短路故障时的信号系统电路保护。



图2 ECP系统图 – ECP (电动驱动单元) (舍弗勒提供)



测试可以看到电动化的效果吗?

 虽然并没有报告冷启动时的测试结果,但图3的启动波形可以确认从发动机首次爆炸前的开机键按下之后,到气门正时控制值的凸轮相位值变迁的阀门动作。另外图4是对发动机转速变化的凸轮相位移动速度的关系图,液压HCP在低转速范围由于液压不足而降低速度,可以在增加发动机转速的同时解除速度下降的状态。由此电动ECP可确保从500rpm左右的怠速旋转区域到4,000rpm以上的高转速区域的凸轮相位移动速度。

図3 エンジン始動時のECPによるカム位相値遷移 図4 エンジン回転数に対するカム位相値遷移速度(Schaeffler社提供)
图3 发动机启动时的ECP的凸轮相位值转变 图4 针对发动机转速的凸轮相位值转换速度(舍弗勒提供)



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