V-Charge为轻量化发动机增添力量

Torotrak的V-Charge增压器由一只传统的离心压缩器与该公司的紧凑型环形(Torodia)变速器组成,以提供所需的压缩空气。

这是Torotrak的环形变速器的组成部件。

Torotrak的V-Charge系统是专门针对轻量化涡轮增压汽油机开发的,旨在提高低转速下的扭矩与瞬态响应性能。

Torotrak的Doug Cross 表示,V-Charge可以实现“接近瞬时的”油门反应速度。

发动机的轻量化有时会带来一些问题,包括低速状态下扭矩明显不足, 以及瞬态响应速度较慢等等。即便应用了敏感度较高的涡轮增压技术,仍然无法解决这些问题。目前Torotrak与巴斯大学正在研发一种可能成功的解决方案——可变驱动增压技术。在英国政府的支持下,这个合作研究项目正在顺利开展,目标是实现这一技术的商业化应用。

该项目正在研究业内顶尖水平的轻量化汽油发动机与可变增压器相结合之后,所形成的系统运行的状态。以及发动机与Torotrak的V-Charge可变驱动增压器如何共同工作,以便在低速状态下显著提高扭矩,加快瞬态响应速度,并降低燃耗。

V-Charge的设计和研发目的,是利用一个增压器和一个变速机械传动装置,在任何发动机转速下实现Torotrak所称的“接近即时”的快速反应状态,并创造出尺寸较大的自然吸气发动机能够带给用户的感觉。

Torotrak的首席技术官Doug Cross表示:“为了实施更进一步的轻量化策略,我们需要一种既可以提高驾驶性能,又不会增加成本与复杂度的方案。而我们遇到的一个难题就是,牵涉到成本和复杂程度的不仅仅是增压系统,还有越来越复杂的尾气后处理系统,它必须保持较高且稳定的温度才能运作,而添加在尾气流中的涡轮增压器会减低其效果。”

最佳方案

除了上述问题之外,还有一个根本性的难题。在发动机转速较慢、油门并未全开时,进气系统中的气流不够多,就连一个二级式系统中的小涡轮都难以驱动。Cross表示,在一个轻量化的发动机中,如需在怠速状态下瞬间唤起油门反应,需要一个增压器。这一措施还能解决许多后处理难题,因为增压器是在发动机温度较低的那一面工作的,不会干扰尾气流。

当然,传统的机械式风扇肯定有自身局限。如果专为发动机低速响应而将风扇尺寸缩小,则无法在高速运作时提供所需的空气量。而如果使用较大的风扇并用齿轮调整低速响应能力,那么则需要使用旁路装置或离合器来避免高速时气流过强(这样会浪费能量)的问题。添加一个离合器可能对附件驱动造成负荷压力,再添加一个子系统也会带来同样的问题。

某些汽车制造商,比如大众公司,已经决定推行小型增压器与涡轮增压器结合的解决方案,前者可以增强发动机低转速时提升扭矩和反应速度,而后者可以在发动机高转速时提供较高功率。

另一种有潜力的技术是电动增压,但Cross指出,与其能够提供的空气量相比,这一技术的功率受限程度很高,限制了它在发动机低速运转时能够发挥的作用。1个12伏的电动增压系统可以多提供2-3kW (2.6-4 hp)的功率用以压缩进气,但即便是一个48伏的系统,也只能多提供6kW (8 hp)左右的功率。

“最好的解决方案是使增压器即便在发动机低速运转的状态下也能迅速做出瞬态响应,并在发动机的整个转速范围内配合其需求,”Corss告诉《汽车工程杂志》的记者。它不仅不会在需求未达到最大水平的时候因为使用节流阀而降低效率,也不会浪费多余的能量,而且安装简便,能够降低制造成本和复杂程度。

巴斯大学的研究对象中还包括了福特汽车。福特的1.0-L三缸Ecoboost系列发动机的转速范围可以满足多种车型的转速要求,其中包括C/D级的蒙迪欧(具体请阅读http://articles.sae.org/14204/)。

V-Charge目前已经发展到了生产前的设计阶段,下一步将与现有的增压方案进行对照评估。第一步是集中模拟,第二步是将设备安装在一个轻量化汽油发动机上进行测试。Torotrak已经借助一辆1.1-L的汽车向潜在客户展示了这一设计理念的可行性。

“传统的涡轮增压器在经过优化的稳定状态下,燃油效率提升非常理想,但当发动机的比输出升至150kW/L或更高水平时,传统的单阶式涡轮增压器可以提供低速所需的功率。” Cross解释道。

他表示,一旦未来的排放法规生效,小型发动机将会用在与更接近真实情况的驾驶工况测试中,瞬态增压的重要性就越来越显著。这也将是适用于汽油机和柴油机的V-Charge发挥作用的时候,因为它可以解决目前限制发动机小型化发展的一个主要问题。

这个系统的运作方式是通过一个紧凑型的变速驱动装置将传统的离心增压器与发动机连接起来。这个机制可以让气流调整不受发动机的速度或尾气能量的影响,独立进行,以更好地匹配发动机的要求。增压器需要安装在发动机前端的辅机传动装置(FEAD)上,它可提供显著的增压能力,持续功率为20kW (27hp)。

无齿轮机械牵引驱动装置可提供10:1的比例范围,因此转速范围很广。这使得压缩机的可以运作的范围比定速驱动装置理想得多。

冷却进气是V-Charge的另一项优势

V-Charge可以像电动增压器一样,在低速状态下快速旋转,然后在更高的转速下提供所需的气流,但不超过压缩机的性能范围。Cross称,使用V-Charge后,发动机的扭矩输出可在400毫秒内从0升至95%,与最先进的单阶式涡轮增压器相比,可将“到达所需扭矩的时间”最多降低70%。

Cross还表示,因为比率是用一只10W的作动器通过机电控制来调整的,而且不需要使用额外的功率保持其稳定,因此该系统的效率比传统的增压器驱动系统要高得多。

“无论时增压期间还是非增压期间,我们都已将V-Charge的寄生损失降到了最低水平,”他指出。“今后,它还有可能在油门开口较小的时候切断驱动。这将带来一个巨大的优势,因为增压器在重新接合的时候往往会在FEAD区域产生巨大的惯性冲击。但我们的可变驱动系统则可以在重新接合的时候降低比率和参照惯量。”

除了上述优势之外,离心式风扇还能带来其他效率上的好处,因为它可以使V-Charge的进气温度比螺旋式增压器更低。这有助于解决轻量化发动机面对的一个根本难题——燃烧温度过高。Cross认为,在柴油排放的控制方面,SCR(选择性催化还原)后处理将成为降低氮氧化物含量的最佳方案,因为,将增压器移至发动机温度较低的一侧“可以减小SCR系统的尺寸和成本。”

温度更低的进气流还有助于提升燃油经济性的其他策略的实现,如米勒循环发动机(丰田最近在其非混动汽车上采用了这种发动机,而奥迪则在A4上采用),这种发动机需要在整个转速范围内使用温度较低的进气温度,并获得较高的进气压力。

因译员水平有限,难免会有译错,您也可以访问以下网站阅读英文全文:
http://articles.sae.org/14256/

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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