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カムレスまたはフリーバルブピストンエンジンは、従来のカムの代わりに電磁式、油圧式、または空気圧式のアクチュエータ[ 1 ]によって作動するポペットバルブを備えたエンジンです。アクチュエータは、バルブの開閉両方に使用したり、スプリングなどの手段で閉じられたバルブを開いたりすることができます。
カムシャフトは通常、バルブごとに1つのローブを持ち、バルブの作動時間とリフト量は固定されています。現代の多くのエンジンはカムシャフト位相制御を採用していますが、稼働中のエンジンでリフト量とバルブ作動時間を調整するのは困難です。一部のメーカーは複数のカムローブを備えたシステムを採用していますが、同時に作動できるプロファイルは限られているため、これは依然として妥協点と言えます。カムレスエンジンでは、バルブごと、サイクルごとにリフト量とバルブタイミングを自由に調整できます。また、1サイクルあたり複数のリフトイベント、さらには1サイクルあたりイベントなし（シリンダーを完全に停止）も可能です。
カムレスバルブトレインは、ルノー、BMW、フィアット、ヴァレオ、ゼネラルモーターズ、リカルド、ロータスエンジニアリング（1980年代後半にアクティブサスペンションプログラムのスピンオフとして電気油圧バルブアクチュエーションを開発（どちらも同様の電気油圧アクチュエーションと制御を使用））、フォード、江蘇工達動力技術、ケーニグセグの姉妹会社であるフリーバルブなど、複数の企業によって長年研究されてきた。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]これらのシステムの一部は市販されているが、まだ市販のロードカーのエンジンには搭載されていない。2015年春、クリスチャン・フォン・ケーニグセグは記者に対し、同社が追求している技術は「実を結ぶ準備が整っている」と述べたが、同社のタイムテーブルについては具体的なことは何も言わなかった。[ 7 ] [ 8 ]
2016年11月、中国の自動車メーカーであるQoros Autoは、2016年広州モーターショーでQoros 3ハッチバックを展示し、新型Qoros「Qamfree」エンジンを披露した。このエンジンのスウェーデンの設計者であるFreeValveは、 1.6リットル（98立方インチ）ターボチャージャー付きエンジンが170kW （230馬力）の出力と320N⋅m （240lb⋅ft）のトルクを発揮すると主張している。また、同様の従来型エンジンと比較して、サイズが50%縮小（高さが50ミリメートル（2.0インチ）低くなることも含む）、重量が30%削減、出力とトルクが30%向上、燃費が30%向上、排出ガスが50%削減されると主張している。[ 9 ]クリスチャン・フォン・ケーニグセグはビデオの中で、PHEAカムレス技術を採用したQamfreeエンジンは、「5、6年前にドイツとオーストリアで開発された」既存のQorosエンジンをベースにしていると主張している。[ 10 ]
クリスチャン・フォン・ケーニグセグは、PHEAカムレス技術により、排気サイクルを操作することで標準の触媒コンバーターを素早く温度上昇させることができるため、触媒前コンバーターを不要にできると主張している。 [ 10 ]
カムレスエンジンにはカムシャフトがないため、可動部品が少なくなる可能性がある。これらのシステムでは、カムシャフトフォロワー、ロッカーアーム、および/またはプッシュロッドが、既存のオイルポンプを使用する電気油圧アクチュエータシステムに置き換えられており、既存の技術を採用することで新しいシステムの開発リスクが低減されている。[ 11 ]旧型のB&W MCエンジンでは、カムローラーの方向を物理的に変更することで方向転換が行われていたが、新しいカムレスエンジンでは、コンピュータによって制御される。これにより、方向転換中に不具合が発生した場合にエンジンを損傷する可能性のある機械的故障のリスクが排除される。さらに、クランクシャフトとカムシャフトの間にチェーン接続がないため、エンジンは軽量化され、故障箇所が少なくなる。カムシャフトがないということは、エンジンの寄生負荷が低いことも意味し、これは特に大型船舶エンジンで有用であり、大幅な電力節約につながる可能性がある。カムレスエンジンでは、燃料噴射と排気タイミングはエンジン制御ユニットによって直接制御され、エンジンを停止することなく常に変更・調整できます。これにより、エンジンを低回転数で運転することが可能になり、船舶においてはドッキング時の低速操縦性が向上するため、非常に有用です。さらに、船舶が操縦されている際には、コンピューター制御による燃料噴射とバルブタイミングによって回転数制御が迅速に行えるため、緊急時の停止速度も速くなります。
ソレノイドバルブは、電子的に作動するバルブの制御に使用されます。液体や気体の流れを制御するために使用され、流体制御要素として最も一般的に使用されています。高い信頼性と高速処理能力を備え、流体の放出、遮断、混合、分配など、多機能な動作を実現します。ソレノイドバルブ市場は、あらゆる地域での成長に伴い拡大しています。年々アプリケーション分野が拡大し、技術の進歩や流体自動化技術の開発が進むにつれ、世界規模で市場が成長しています。
従来の機械式カムシャフト駆動は、極めて高い力を発生させることができ、従来の現代的なバルブトレインレイアウトの非常に高い剛性と低い機械的コンプライアンスと組み合わせることで、エンジンバルブの位置を非常に正確かつ一貫して制御できます。これにより、非常に高いレベルのバルブ加速とリフト、および非常に小さなバルブ間およびバルブとピストン間のクリアランスを、非常に高いエンジン回転数と組み合わせて使用できます。たとえば、FIAの規制以前は、F1エンジンは、従来のカムシャフトと機械式バルブ駆動を使用して自然吸気で、20,000 RPMを超える回転数と330 bhp/L (250 kW/L)を超える出力で動作していました。カムレスバルブ駆動でこの高いエンジン回転数と出力を達成できる可能性は極めて低いでしょう。20,000 RPMでは、バルブは毎秒166回開閉します。
カムレスエンジンは、燃焼プロセスをより精密に制御できるため、同等のカムシャフトエンジンよりも排出ガスを少なくすることができます。これにより、すべての炭化水素がより完全に燃焼されます。コンピューターは、燃料がすべて消費されていないことを検知し、すぐにバルブタイミングを緩めてシリンダーへの燃料供給量を減らすことができます。ECUは、特定の回転数/トルク負荷に対して効率を最適化するために、バルブタイミング、バルブ高さ、および燃料/空気混合比を常に調整できます。NOxとSOxの排出量が多いことを検知し、タイミングを変更して排気ガスの温度を高くしたり低くしたりすることもできます。エンジンは機械的ではなく電子的に制御されるため、カムレスエンジンは機械的な変更を加えることなく、新しい排出ガス規制に適合するようにアップデートできます。
カムレスエンジンは、燃料噴射段階制御を用いることで、NOx排出量をさらに削減できます。燃料噴射段階制御では、燃料を一定量噴射するのではなく、最も完全な燃焼を実現するために最適なタイミングで燃料を噴射します。十分な圧力がかかったときに燃料噴射を停止し、圧力が低下したときに燃料を追加することで、エンジンを理想的なディーゼルサイクルに近づけることができます。これにより、エンジンは環境条件と金属の熱容量が許す限り効率的に作動します。
これらの新型エンジンは自己診断が可能で、オペレーターが設定を変更しなくても効率的に稼働するため、海上でのメンテナンスに必要な乗組員が少なくて済みます。この乗組員の削減は、輸送コストの削減とグローバル貿易の拡大につながります。[ 12 ]
英国企業のカムコン・テクノロジー[ 13 ]は、独自のインテリジェント・バルブ・アクチュエーション（IVA）システムをベースにした乗用車用カムレスエンジンを開発している。カムコンはジャガー・ランドローバーと協力し、インジニウム2.0リッター4気筒ガソリンエンジンにIVAを搭載し、2017年のアーヘン・コロキウムで共同で結果を発表した[ 14 ] 。カムコンはまた、オートカー誌に掲載された記事とビデオでその特徴と利点について説明した[ 15 ]。
スウェーデンのフリーバルブAB（旧カーギン）は、ケーニグセグ・オートモーティブABの姉妹会社であり、既存のSAAB自動車エンジンにカムレスシステムを開発している。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]
2016年4月、中国の自動車メーカーQorosはFreevalveテクノロジーを組み込んだコンセプトカーを発表した。[ 20 ]
2020年3月、ケーニグセグ・オートモーティブABは、初の4人乗り車であるジェメラを発表した。ジェメラは、3つの電気モーターと組み合わせた、シーケンシャルターボチャージャー付き2.0リッター直列3気筒エンジンを搭載する予定だった。これらの電気モーターのうち2つは、それぞれ600bhp（450kW）を発生し、後輪に搭載されている。3つ目のモーターはエンジンのクランクシャフトに取り付けられ、400bhp（300kW）を発生する。モーターと連携して前輪を駆動するのが、ケーニグセグがタイニー・フレンドリー・ジャイアント（TFG）エンジンと呼ぶもので、600bhpの定格出力を持ち、カムレスのフリーバルブ技術を使用している。[ 21 ]しかし、2024年7月現在、すべての顧客向け車両は、ツインターボチャージャー付き5.0リッターV8エンジンを使用する予定である。[ 22 ]