阀门决定燃效：不使用凸轮的柴油发动机（二）

不使用凸轮的柴油发动机

　　可变阀门机构自由度最大化的终极状态是电动阀门。用螺线管直接驱动阀门，能够自由控制正时、升程和工作角。以前，有很多厂商致力于开发电动阀门，但面临着成本、耗电量和螺线管过大等课题，尚未达到实用水平。

　　而五十铃中央研究所正在开发用电磁阀控制油压以驱动阀门的阀门驱动系统（无凸轮驱动系统）。柴油发动机的缸内压力高，驱动阀门需要很大的推力，但问题在于阀门是直立的，无法增大螺线管直径。该公司通过使螺线管只用于控制油压，推进小型化，解决了这一问题（图8）。

　　该发动机的无凸轮驱动系统的构造是：打开电磁阀施加油压时、阀门打开，释放油压时、利用永久磁铁的磁力关闭阀门。在一个阀门上配备一个供应液压油的螺线管和一个控制排出的螺线管共2个螺线管（图9）。

图8：原来的阀门驱动系统（左）与无凸轮驱动系统（右）的比较
打开电磁阀时，油压推动阀门，阀门打开。关闭电磁阀时，油压释放，利用永久磁铁关闭阀门。

图9：配备无凸轮驱动系统的实验发动机
实际上，一个阀门有两个电磁阀，因此，6缸24阀的实验发动机使用了48个电磁阀。

　　该系统是该公司在日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的“创新性下一代低公害车综合技术开发”项目中开发的未来柴油发动机的关键技术之一。为提高热效率，将力争实现尽量提高压缩比并在上止点附近开始和终止燃烧的发动机。

　　为了在上止点附近开始和终止燃烧，需要在尽可能短的时间内终止燃烧。而这时出现的问题是，燃烧温度升高，NOx发生量增加。因此，开发发动机配备了确保燃料所需空气量并能实现大量EGR（废气再循环）的多级增压（此次的发动机中为三级涡轮）系统。

　　另一方面，如果提高压缩比，能够提高理论上的热效率，但配备多级增压系统时，最大缸内压力（Pmax）升高，对发动机要求的机械强度过高。因此开发发动机在Pmax过高的运行条件下推迟吸气阀门打开正时来降低有效压缩比。目标是使其在通常的运行条件下能够以高压缩比运行，从而提高燃效。

　　不仅吸气阀门，排气阀也采用了无凸轮驱动系统，这样做的目的之一在于控制内部EGR。鉴于采用普通EGR阀门的“外部EGR”响应性低，为精密控制EGR量，正考虑增加提前关闭排气阀以使废气留在缸内的“内部EGR”。

　　不过，现在尚未实施可变压缩比运行，正在日本国内废气试验模式JE05模式下限定于使用频率高的轻中负荷范围进行试验。因此，无凸轮发动机上的阀门正时和提升机构也在这种运行条件下优化并进行了试验。压缩比提高到20的开发发动机与压缩比为16.2的普通发动机相比，按照JE05模式换算，燃效提高了5.5％。另外，实验发动机为6缸，不过利用阀门正时和升程控制自由度在轻负荷范围内停止3缸的实验结果表明，按照JE05模式换算，燃效提高了8.9％。

　　另外，此次实验中，驱动凸轮的油压并非由发动机本身产生而是由外部油泵产生，将其驱动损失考虑在内，计算出了燃效。