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

　　可變閥門機構自由度最大化的終極狀態(tài)是電動閥門。用螺線管直接驅動閥門，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動閥門的閥門驅動系統(tǒng)（無凸輪驅動系統(tǒng)）。柴油發(fā)動機的缸內壓力高，驅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)動機的無凸輪驅動系統(tǒng)的構造是：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閉閥門。在一個閥門上配備一個供應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：原來的閥門驅動系統(tǒng)（左）與無凸輪驅動系統(tǒng)（右）的比較
打開電磁閥時，油壓推動閥門，閥門打開。關閉電磁閥時，油壓釋放，利用永久磁鐵關閉閥門。

圖9：配備無凸輪驅動系統(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業(yè)技術綜合開發(fā)機構（NEDO）的“創(chuàng)新性下一代低公害車綜合技術開發(fā)”項目中開發(fā)的未來柴油發(fā)動機的關鍵技術之一。為提高熱效率，將力爭實現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終止燃燒。而這時出現的問題是，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動系統(tǒng)，這樣做的目的之一在于控制內部EGR。鑒于采用普通EGR閥門的“外部EGR”響應性低，為精密控制EGR量，正考慮增加提前關閉排氣閥以使廢氣留在缸內的“內部EGR”。

　　不過，現在尚未實施可變壓縮比運行，正在日本國內廢氣試驗模式JE05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停止3缸的實驗結果表明，按照JE05模式換算，燃效提高了8.9％。

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