閥門決定燃效：專門針對燃效降低成本（一）

　　日立汽車系統(tǒng)的VEL現(xiàn)已在日產(chǎn)汽車的V型6缸發(fā)動機(jī)“VQ37VHR”中投入使用。VEL通過用馬達(dá)轉(zhuǎn)動偏心軸來錯開驅(qū)動閥門的連桿機(jī)構(gòu)的支點，使閥門升程連續(xù)變化。日立汽車系統(tǒng)為進(jìn)一步普及該系統(tǒng)，正在開發(fā)比V6發(fā)動機(jī)用VEL成本更低的4缸發(fā)動機(jī)用VEL（圖4）。

圖4：4缸發(fā)動機(jī)用可變閥門升程機(jī)構(gòu)“VEL”
日立汽車系統(tǒng)正在開發(fā)的4缸發(fā)動機(jī)用VEL。在結(jié)構(gòu)上，與現(xiàn)在使用的V型6缸發(fā)動機(jī)用VEL沒有太大區(qū)別，不過降低了轉(zhuǎn)速極限并降低了成本，還注重了工作的控制和燃效。

　　據(jù)日立汽車系統(tǒng)介紹，V6發(fā)動機(jī)用VEL面向跑車發(fā)動機(jī)，因此采用了高達(dá)7500rpm的性能參數(shù)，所以成本升高。但是，如果用于普通發(fā)動機(jī)，就不需要支持如此高的轉(zhuǎn)速。如果將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高到6000rpm左右，便能夠?qū)⒉考惺艿呢?fù)荷減少4～5成，能夠降低材料的強(qiáng)度和剛性并省去熱處理。從而能夠大幅降低成本。

　　另一方面，已廣泛普及的VTC也在改進(jìn)之中?，F(xiàn)在作為主流的油壓驅(qū)動式VTC方面，已開發(fā)出工作范圍比原來更大的機(jī)型。其被稱作“中間鎖定VTC”（圖5）。原來的VTC配備了在不能獲得足夠油壓的800～1000rpm以下低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)將閥門正時鎖定在最遲位置的機(jī)構(gòu)。因此，要求在VTC的工作正時位于最遲位置時發(fā)動機(jī)也能夠啟動，這成為擴(kuò)大VTC工作范圍的制約。

圖5：中間鎖定VTC
通過比原來的VTC擴(kuò)大工作范圍，實現(xiàn)了阿特金森循環(huán)等。外觀跟原來的VTC相同，中間鎖定裝置也沒大變化

　　但是，最近整車廠商要求推遲閥門關(guān)閉正時、采用提高膨脹比超過壓縮比的阿特金森循環(huán)來提高燃效。在發(fā)動機(jī)啟動時，如果這樣推遲閥門關(guān)閉正時，會導(dǎo)致尤其在低溫下的發(fā)動機(jī)啟動性降低。

　　而中間鎖定VTC配備有在最快角和最遲角之間鎖定閥門正時的機(jī)構(gòu)，能夠在不降低發(fā)動機(jī)啟動性的前提下擴(kuò)大工作范圍，實現(xiàn)阿特金森循環(huán)。日立汽車系統(tǒng)以外的部件廠商也在開發(fā)這種VTC，比如：富士重工業(yè)在新開發(fā)的水平對置發(fā)動機(jī)“FB型”中采用了美國Borg Warner制造的中間鎖定VTC（富士重工業(yè)稱之為AVCS）。

圖6：電動VTC
工作速度比油壓驅(qū)動的原VTC快，即使發(fā)動機(jī)停止運行也能夠工作

　　另外，日立汽車系統(tǒng)預(yù)測到中間鎖定VTC之后的發(fā)展趨勢，開發(fā)出了電動VTC（圖6）。電動VTC不用油壓而用馬達(dá)改變閥門正時，在油壓低的低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)也能夠高精度控制閥門正時。并且，工作速度也很快，“是油壓VTC的3倍左右”（日立汽車系統(tǒng)）。因此，還能夠擴(kuò)大工作范圍。

　　雖然電動的可變閥門正時機(jī)構(gòu)已被電裝用于豐田汽車的V型8缸發(fā)動機(jī)，不過日立的電動VTC提高了響應(yīng)性并減少了耗電量。日立預(yù)計電動VTC將從2014年開始全面采用。

　　上述VEL和電動VTC也可以與怠速系統(tǒng)及混合動力系統(tǒng)等配套使用。在怠速系統(tǒng)和混合動力系統(tǒng)中，車輛反復(fù)停止和前進(jìn)，發(fā)動機(jī)反復(fù)停止和重啟。在如上所述重啟發(fā)動機(jī)時，如果使用電動VTC推遲閥門關(guān)閉正時，便能夠降低啟動馬達(dá)產(chǎn)生的發(fā)動機(jī)啟動扭矩。能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機(jī)的快速重啟和降低啟動馬達(dá)的成本。另外，如果混合動力車在減速時使用VEL進(jìn)行氣缸間歇，則能夠降低發(fā)動機(jī)的阻力、增加再生能量。

柴油發(fā)動機(jī)也采用可變閥門升程機(jī)構(gòu)

　　正如通過UniAir和VEL所看到的，可變閥門升程機(jī)構(gòu)過去主要用來減少泵氣損失。因此，泵氣損失本來就少的柴油發(fā)動機(jī)基本沒采用過該機(jī)構(gòu)。

　　在這種背景下，馬自達(dá)宣布將在現(xiàn)在開發(fā)的新一代柴油發(fā)動機(jī)“SKYACTIV-D”的排氣閥門上采用可變閥門升程機(jī)構(gòu)。馬自達(dá)尚未公布該發(fā)動機(jī)所采用的機(jī)構(gòu)的具體參數(shù)，不過基本上采用凸輪切換方式。雖然并不是上面介紹的連續(xù)可變型，不過可變閥門升程機(jī)構(gòu)被柴油發(fā)動機(jī)采用的案例備受關(guān)注。

　　該公司在柴油發(fā)動機(jī)中采用可變閥門升程機(jī)構(gòu)的目的不是減少泵氣損失，而是確保啟動性。SKYACTIV-D的最大特點是將壓縮比降到了14，這在柴油發(fā)動機(jī)中為世界最低。這樣能夠延長從燃料噴射到著火的延遲時間，因此燃料氣化，燃燒變得均勻。

　　這不僅能夠減少煤煙的產(chǎn)生，而且避免了局部的高溫燃燒，因此還能夠削減NOx排量。另外，由于不用延遲燃料噴射來減少NOx、最大燃燒壓力降低使得運動類部件重量減輕并減少了機(jī)械損失等原因，燃效也得以提高。

　　不過，如果降低壓縮比，尤其在低溫下的發(fā)動機(jī)啟動性就會降低，啟動后的暖機(jī)運行也不穩(wěn)定，容易陷入半失火狀態(tài)。因此，SKYACTIV-D在排氣閥上配備可變閥門升程機(jī)構(gòu)，在吸氣行程中稍微打開排氣閥（圖7）。通過使排氣孔中的廢氣逆流回氣缸內(nèi)來提高吸氣溫度并促進(jìn)壓縮時的溫度升高。從而提高著火的穩(wěn)定性。（未完待續(xù)，記者：鶴原吉郎）

圖7：SKYACTIV-D的可變閥門升程機(jī)構(gòu)
在吸氣行程中打開排氣閥，使廢氣逆流回氣缸內(nèi)以提高壓縮溫度