閥門決定燃效：不使用凸輪的柴油發(fā)動機（二）

不使用凸輪的柴油發(fā)動機

　　可變閥門機構(gòu)自由度最大化的終極狀態(tài)是電動閥門。用螺線管直接驅(qū)動閥門，能夠自由控制正時、升程和工作角。以前，有很多廠商致力于開發(fā)電動閥門，但面臨著成本、耗電量和螺線管過大等課題，尚未達到實用水平。

　　而五十鈴中央研究所正在開發(fā)用電磁閥控制油壓以驅(qū)動閥門的閥門驅(qū)動系統(tǒng)（無凸輪驅(qū)動系統(tǒng)）。柴油發(fā)動機的缸內(nèi)壓力高，驅(qū)動閥門需要很大的推力，但問題在于閥門是直立的，無法增大螺線管直徑。該公司通過使螺線管只用于控制油壓，推進小型化，解決了這一問題（圖8）。

　　該發(fā)動機的無凸輪驅(qū)動系統(tǒng)的構(gòu)造是：打開電磁閥施加油壓時、閥門打開，釋放油壓時、利用永久磁鐵的磁力關(guān)閉閥門。在一個閥門上配備一個供應(yīng)液壓油的螺線管和一個控制排出的螺線管共2個螺線管（圖9）。

圖8：原來的閥門驅(qū)動系統(tǒng)（左）與無凸輪驅(qū)動系統(tǒng)（右）的比較
打開電磁閥時，油壓推動閥門，閥門打開。關(guān)閉電磁閥時，油壓釋放，利用永久磁鐵關(guān)閉閥門。

圖9：配備無凸輪驅(qū)動系統(tǒng)的實驗發(fā)動機
實際上，一個閥門有兩個電磁閥，因此，6缸24閥的實驗發(fā)動機使用了48個電磁閥。

　　該系統(tǒng)是該公司在日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）的“創(chuàng)新性下一代低公害車綜合技術(shù)開發(fā)”項目中開發(fā)的未來柴油發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)之一。為提高熱效率，將力爭實現(xiàn)盡量提高壓縮比并在上止點附近開始和終止燃燒的發(fā)動機。

　　為了在上止點附近開始和終止燃燒，需要在盡可能短的時間內(nèi)終止燃燒。而這時出現(xiàn)的問題是，燃燒溫度升高，NOx發(fā)生量增加。因此，開發(fā)發(fā)動機配備了確保燃料所需空氣量并能實現(xiàn)大量EGR（廢氣再循環(huán)）的多級增壓（此次的發(fā)動機中為三級渦輪）系統(tǒng)。

　　另一方面，如果提高壓縮比，能夠提高理論上的熱效率，但配備多級增壓系統(tǒng)時，最大缸內(nèi)壓力（Pmax）升高，對發(fā)動機要求的機械強度過高。因此開發(fā)發(fā)動機在Pmax過高的運行條件下推遲吸氣閥門打開正時來降低有效壓縮比。目標是使其在通常的運行條件下能夠以高壓縮比運行，從而提高燃效。

　　不僅吸氣閥門，排氣閥也采用了無凸輪驅(qū)動系統(tǒng)，這樣做的目的之一在于控制內(nèi)部EGR。鑒于采用普通EGR閥門的“外部EGR”響應(yīng)性低，為精密控制EGR量，正考慮增加提前關(guān)閉排氣閥以使廢氣留在缸內(nèi)的“內(nèi)部EGR”。

　　不過，現(xiàn)在尚未實施可變壓縮比運行，正在日本國內(nèi)廢氣試驗?zāi)Ｊ絁E05模式下限定于使用頻率高的輕中負荷范圍進行試驗。因此，無凸輪發(fā)動機上的閥門正時和提升機構(gòu)也在這種運行條件下優(yōu)化并進行了試驗。壓縮比提高到20的開發(fā)發(fā)動機與壓縮比為16.2的普通發(fā)動機相比，按照JE05模式換算，燃效提高了5.5％。另外，實驗發(fā)動機為6缸，不過利用閥門正時和升程控制自由度在輕負荷范圍內(nèi)停止3缸的實驗結(jié)果表明，按照JE05模式換算，燃效提高了8.9％。

　　另外，此次實驗中，驅(qū)動凸輪的油壓并非由發(fā)動機本身產(chǎn)生而是由外部油泵產(chǎn)生，將其驅(qū)動損失考慮在內(nèi)，計算出了燃效。