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节能技术：阀门决定燃效
（一）：利用油压推动阀门
　　可变阀门机构已成为提高燃效的关键技术。改善部分负荷范围内的燃烧及改变压缩比等，以前未无法实现的功能现在已经逐渐达到实用水平。与可变阀门机构无关的柴油发动机方面也出现了利用可变阀门机构提高燃效的做法。

虽然汽车的混合动力系统等动力传动系统日趋电动化，但目前提高燃效技术的主流依然是改进发动机。最近出现的关键技术是通过可变阀门机构提高燃效。

已投入使用的主要的可变阀门机构有可变阀门正时机构和可变阀门升程机构，可变阀门机构由最初的开闭工作到连续工作，现在又进一步扩大了工作范围。可变阀门机构一直在朝着扩大控制自由度的方向发展（图1）。

图1：可变阀门机构的发展过程和使用方法的变迁
可变阀门正时机构（VTC）和可变阀门升程机构原来都主要是开闭式，原来的主要目的是提高输出功率和提高废气净化性能，而最近连续可变式系统增多，主要目的变成了提高燃效（本站根据日立汽车系统的资料绘制）。

　　随着可变阀门机构的控制自由度提高，最近的发动机中，通过增大膨胀比超过压缩比的阿特金森循环、减少泵气损失及提高燃烧速度等来提高燃效的案例增多。

可变阀门机构控制自由度大幅提高的典型案例是由德国Schaeffler集团开发被意大利菲亚特配备于“Alfa Romeo MiTo 1.4T Sport”上使用的“Uni-Air ”（图2，菲亚特称其为“MultiAir”）。

图2：德国Schaeffler集团的油压可变阀门机构“UniAir”的构造
滚子从动件将凸轮的推动力转换成油压，推动阀门。通过用电磁阀控制油压，可以改变阀门的升程。

　　这是世界上首款油压式阀门驱动系统，其特点是能够通过一个系统控制阀门升程、阀门工作角及阀门正时。Schaeffler集团表示，通过该机构，能够将燃效最大提高10％，将低速区的扭矩最大提高15％。另外，通过结合增压和缩小发动机排量（所谓的小型化），可以将燃效最大提高25％。
利用油压推动阀门
　　UniAir的工作原理如下。系统中有与凸轮连接的滚子从动件，当该滚子从动件被推动时，油泵内就会产生油压。油压通过电磁阀传给油压柱塞，推动吸气阀门。由于中间的电磁阀在未通电时打开释放油压，因此吸气阀门不动。
　　通电时，电磁阀关闭，液压油无处释放，将油泵的油压传给吸气阀门。通过控制电磁阀的开闭时间，能够改变吸气阀门的开闭正时、阀门升程及阀门工作角。
　　Uni-Air的主要工作模式有以下四种（图3）。从中可以看到采用UniAir实际会带来的好处。
　　第一种模式是不运行电磁阀的模式〔图3（a）〕。在这种模式下，阀门升程和阀门工作角均达到最大，吸入的空气最多，能够获得最大的输出功率。
　　第二种模式是在部分负荷范围内高效产生必要扭矩的模式〔图3（b）〕。吸气阀门的打开正时不变，但通过改变关闭时间来控制导入发动机内的吸气。不用节流阀门而用吸气阀门控制吸气量以减少泵气损失。
　　第三种模式在用吸气阀门控制吸气量的想法上与第二种模式相同，但适用于比第二种模式负荷更低的状态和空转状态〔图3（c）〕。推迟吸气阀门打开的时机后，阀门在气缸内变成负压后才打开，因此吸气速度提高，能够改善低负荷范围内的燃烧。
　　第四种模式是负荷更低的极低负荷范围内使用的模式，其特点是关闭曾经打开过的吸气阀门然后再打开的“两次打开”〔图3（d）〕。通过在第二次打开阀门时高速导入吸气来促进燃烧室内的空气流动，从而在吸气量少的范围内也实现良好的燃烧。（未完待续，记者：鹤原吉郎）

图3：UniAir的阀门升程控制模式
根据发动机的负荷状态，区别使用四种模式。
（二）：专门针对燃效降低成本
专门针对燃效降低成本
　　虽然UniAir的控制自由度很高，但不可否认其比以前的阀门驱动机构复杂所以成本也会升高。其他公司虽然不能获得UniAir那样的自由度，但正通过改善原可变阀门正时机构和可变阀门升程机构的构造来提高控制自由度。
　　将可变阀门升程机构“VEL”和可变阀门正时机构“VTC”两种机构投入使用的日立汽车系统（Hitachi Automotive Systems）估算，通过在吸气阀门上组合VEL和在吸排气阀上组合VTC，能够将燃效提高约10％（VTC是该公司的叫法）。
　　日立汽车系统的VEL现已在日产汽车的V型6缸发动机“VQ37VHR”中投入使用。VEL通过用马达转动偏心轴来错开驱动阀门的连杆机构的支点，使阀门升程连续变化。日立汽车系统为进一步普及该系统，正在开发比V6发动机用VEL成本更低的4缸发动机用VEL（图4）。

图4：4缸发动机用可变阀门升程机构“VEL”
日立汽车系统正在开发的4缸发动机用VEL。在结构上，与现在使用的V型6缸发动机用VEL没有太大区别，不过降低了转速极限并降低了成本，还注重了工作的控制和燃效。

　　据日立汽车系统介绍，V6发动机用VEL面向跑车发动机，因此采用了高达7500rpm的性能参数，所以成本升高。但是，如果用于普通发动机，就不需要支持如此高的转速。如果将发动机转速提高到6000rpm左右，便能够将部件承受的负荷减少4～5成，能够降低材料的强度和刚性并省去热处理。从而能够大幅降低成本。
　　另一方面，已广泛普及的VTC也在改进之中。现在作为主流的油压驱动式VTC方面，已开发出工作范围比原来更大的机型。其被称作“中间锁定VTC”（图5）。原来的VTC配备了在不能获得足够油压的800～1000rpm以下低转速范围内将阀门正时锁定在最迟位置的机构。因此，要求在VTC的工作正时位于最迟位置时发动机也能够启动，这成为扩大VTC工作范围的制约。

图5：中间锁定VTC
通过比原来的VTC扩大工作范围，实现了阿特金森循环等。外观跟原来的VTC相同，中间锁定装置也没大变化。

但是，最近整车厂商要求推迟阀门关闭正时、采用提高膨胀比超过压缩比的阿特金森循环来提高燃效。在发动机启动时，如果这样推迟阀门关闭正时，会导致尤其在低温下的发动机启动性降低。
而中间锁定VTC配备有在最快角和最迟角之间锁定阀门正时的机构，能够在不降低发动机启动性的前提下扩大工作范围，实现阿特金森循环。日立汽车系统以外的部件厂商也在开发这种VTC，比如：富士重工业在新开发的水平对置发动机“FB型”中采用了美国Borg Warner制造的中间锁定VTC（富士重工业称之为AVCS）。

图6：电动VTC工作速度比油压驱动的原VTC快，即使发动机停止运行也能够工作。
另外，日立汽车系统预测到中间锁定VTC之后的发展趋势，开发出了电动VTC（图6）。电动VTC不用油压而用马达改变阀门正时，在油压低的低转速范围内也能够高精度控制阀门正时。并且，工作速度也很快，“是油压VTC的3倍左右”（日立汽车系统）。因此，还能够扩大工作范围。
　　虽然电动的可变阀门正时机构已被电装用于丰田汽车的V型8缸发动机，不过日立的电动VTC提高了响应性并减少了耗电量。日立预计电动VTC将从2014年开始全面采用。
　　上述VEL和电动VTC也可以与怠速系统及混合动力系统等配套使用。在怠速系统和混合动力系统中，车辆反复停止和前进，发动机反复停止和重启。在如上所述重启发动机时，如果使用电动VTC推迟阀门关闭正时，便能够降低启动马达产生的发动机启动扭矩。能够实现发动机的快速重启和降低启动马达的成本。另外，如果混合动力车在减速时使用VEL进行气缸间歇，则能够降低发动机的阻力、增加再生能量。

柴油发动机也采用可变阀门升程机构

　　正如通过UniAir和VEL所看到的，可变阀门升程机构过去主要用来减少泵气损失。因此，泵气损失本来就少的柴油发动机基本没采用过该机构。
　　在这种背景下，马自达宣布将在现在开发的新一代柴油发动机“SKYACTIV-D”的排气阀门上采用可变阀门升程机构。马自达尚未公布该发动机所采用的机构的具体参数，不过基本上采用凸轮切换方式。虽然并不是上面介绍的连续可变型，不过可变阀门升程机构被柴油发动机采用的案例备受关注。
　　该公司在柴油发动机中采用可变阀门升程机构的目的不是减少泵气损失，而是确保启动性。SKYACTIV-D的最大特点是将压缩比降到了14，这在柴油发动机中为世界最低。这样能够延长从燃料喷射到着火的延迟时间，因此燃料气化，燃烧变得均匀。
　　这不仅能够减少煤烟的产生，而且避免了局部的高温燃烧，因此还能够削减NOx排量。另外，由于不用延迟燃料喷射来减少NOx、最大燃烧压力降低使得运动类部件重量减轻并减少了机械损失等原因，燃效也得以提高。
　　不过，如果降低压缩比，尤其在低温下的发动机启动性就会降低，启动后的暖机运行也不稳定，容易陷入半失火状态。因此，SKYACTIV-D在排气阀上配备可变阀门升程机构，在吸气行程中稍微打开排气阀（图7）。通过使排气孔中的废气逆流回气缸内来提高吸气温度并促进压缩时的温度升高。从而提高着火的稳定性。

图7：SKYACTIV-D的可变阀门升程机构
在吸气行程中打开排气阀，使废气逆流回气缸内以提高压缩温度。

（三）：不使用凸轮的柴油发动机
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。（全文完，记者：鹤原吉郎）