燃料噴射

ガソリン直噴エンジンの断面図

燃料噴射とは、燃料インジェクターを用いて内燃機関（主に自動車エンジン）に燃料を噴射することです。この記事では、往復ピストンエンジンとヴァンケルロータリーエンジンにおける燃料噴射に焦点を当てます。

すべての圧縮着火エンジン (ディーゼル エンジンなど)、および多くの火花点火エンジン (オットー エンジンやヴァンケルエンジンなどのガソリン エンジン) は、なんらかの種類の燃料噴射を使用しています。 大量生産された乗用車用ディーゼル エンジン (メルセデス ベンツ OM 138など) は、1930 年代後半から 1940 年代前半にかけて利用できるようになり、乗用車用としては初めての燃料噴射エンジンとなりました。[ 1 ]乗用車のガソリン エンジンでは、燃料噴射は 1950 年代前半に導入され、徐々に普及して、1990 年代前半までにキャブレターに取って代わりました。[ 2 ]キャブレターと燃料噴射の主な違いは、燃料噴射では高圧下で小さなノズルから燃料を霧化するのに対し、キャブレターではベンチュリー管で加速された吸入空気によって生じる吸引力を利用して燃料を気流に 引き込むことです。

燃料噴射という用語は曖昧で、根本的に異なる機能原理を持つ様々なシステムから構成されています。すべての燃料噴射システムに共通する唯一の点は、キャブレターが存在しないことです。

内燃機関の混合気形成システムには、主に内部噴射と外部噴射の2つの機能原理があります。外部噴射を利用する燃料噴射システムは、マニホールド噴射システムと呼ばれます。マニホールド噴射システムには、マルチポイント（またはポート）噴射とシングルポイント（またはスロットルボディ）噴射 の2種類があります。

内部混合気形成システムは、直噴と間接噴射の異なる種類に分類できます。最も一般的なのは、直噴の一種であるコモンレール噴射です。電子燃料噴射とは、エンジン制御ユニットによって制御される燃料噴射システムを指します。

システム機能

以下のセクションでは、燃料噴射システムの基本的な機能について説明します。システムによっては、1つのコンポーネントが複数の機能を実行する場合もあります。

燃料の加圧

燃料噴射は、加圧された燃料をエンジン内に噴射することで作動します。そのため、燃料ポンプなどの燃料を加圧する装置が必要です。

燃料計量

システムは、供給される燃料の適切な量を決定し、その量を供給するために燃料の流れを制御する必要があります。

初期の機械式燃料噴射システムには、比較的高度なヘリックス制御式噴射ポンプが採用されており、燃料の計量と噴射圧力の生成の両方を行っていました。1980年代以降、燃料の計量制御には電子システムが使用されるようになりました。近年のシステムでは、燃料の計量、点火時期、その他様々なエンジン機能 を制御する電子エンジン制御ユニットが採用されています。

燃料を注入する

燃料インジェクターは、実質的にはエンジンへの燃料供給の最終段階を担うスプレーノズルです。インジェクターは燃焼室、吸気マニホールド、あるいは（あまり一般的ではありませんが）スロットルボディに配置されています。

計量も制御する燃料インジェクターはインジェクションバルブと呼ばれ、3 つの機能すべてを実行するインジェクターはユニットインジェクターと呼ばれます。

直噴システム

直噴とは、燃料が各気筒の主燃焼室に噴射されることを意味します。[ 3 ]空気と燃料は燃焼室内でのみ混合されるため、吸気行程では空気だけがエンジンに吸入されます。噴射方式は常に間欠的（シーケンシャル噴射または気筒別噴射）です。

燃料は空気の噴射[ 4 ]または油圧によって燃焼室に直接噴射されますが、前者は20世紀初頭の 予燃焼室の発明により自動車エンジンでは時代遅れになりました。

通常、油圧式直噴システムは、シリンダー内または燃焼室内の空気中に燃料を噴射します。直噴は、従来型のヘリックス制御式噴射ポンプ、ユニットインジェクター、または高度なコモンレール式噴射システムによって実現できます。コモンレール式噴射システムは、現代の自動車エンジンで最も一般的に採用されているシステムです。

ガソリンエンジン用直噴

20世紀には、ほとんどのガソリンエンジンはキャブレターか間接燃料噴射を採用していました。21世紀には、ガソリンエンジンにおける直噴化がますます一般的になっています。

コモンレール噴射システム

コモンレールシステムでは、燃料タンクからの燃料は共通のヘッダー（アキュムレーターと呼ばれる）に供給され、そこからチューブを通ってインジェクターに送られ、燃焼室に噴射されます。アキュムレーターには高圧リリーフバルブが備わっており、圧力を維持し、余分な燃料を燃料タンクに戻します。燃料は、ソレノイド作動のニードルバルブによって開閉されるノズルから噴射されます。[ 5 ]第三世代のコモンレールディーゼルエンジンでは、精度を高めるために圧電式インジェクターが採用されており、燃料圧力は最大300 MPa（44,000  psi）に達します 。[ 6 ]

コモンレールシステムの種類には、エアガイド噴射[ 7 ]とスプレーガイド噴射[ 7 ]がある。

ユニットインジェクターシステム

ディーゼル エンジンで使用されるこれらのシステムには次のものが含まれます。

  • ポンプ・デューゼ[ 8 ]
  • ポンプレールノズルシステム[ 8 ]

ヘリックス制御ポンプシステム

この噴射方法は、以前は多くのディーゼルエンジンで使用されていました。システムの種類には以下が含まれます。

  • ラノバ直噴[ 9 ]
  • 後室噴射[ 10 ]
  • Gシステム（球形燃焼室）[ 11 ]
  • ガードナー方式（半球形燃焼室）[ 11 ]
  • ザウラーシステム（トーラス燃焼室）[ 11 ]
  • フラットピストン（ピストンとヘッドの間に燃焼室がある）

エアブラスト噴射システム

その他のシステム

1960年代から1980年代にかけて一部のディーゼルエンジンで使用されていたMシステムは、燃焼室の中央に燃料を噴霧する他のほとんどの直噴システムとは対照的に、燃焼室の壁に燃料を噴霧しました [ 12 ] 。

間接噴射システム

マニホールド注入

マニホールド噴射システムは、オットーエンジンやヴァンケルエンジンなどのガソリンエンジンで一般的に採用されています。マニホールド噴射システムでは、空気と燃料が燃焼室の外で混合され、その混合気がエンジン内に吸入されます。マニホールド噴射システムの主なタイプは、マルチポイント噴射とシングルポイント噴射です。

これらのシステムは、連続噴射または間欠噴射設計のいずれかを使用します。[ 13 ]連続噴射システムでは、燃料は燃料インジェクターから常に流れていますが、流量は可変です。最も一般的な自動車用連続噴射システムは 、1974年に導入され、1990年代半ばまで様々な自動車メーカーで使用されていたマルチポイントのボッシュKジェトロニックシステムです。間欠噴射システムには、各シリンダーの吸気行程と一致するように噴射のタイミングが調整されるシーケンシャル、特定シリンダーの吸気行程と正確に同期せずにシリンダーにグループで燃料を噴射するバッチ、すべてのシリンダーに同時に燃料を噴射する同時、またはエンジン制御ユニットが各シリンダーの噴射を個別に調整できるシリンダー個別があります。 [ 13 ]

マルチポイント注入

機械式ポート噴射システムの概略図

マルチポイント噴射（「ポート噴射」とも呼ばれる）は、吸気マニホールド内の中央点ではなく、各シリンダーの吸気バルブのすぐ上流の吸気ポートに燃料を噴射します。 [ 14 ]通常、マルチポイント噴射システムは複数の燃料インジェクターを使用しますが、[ 15 ] GMの中央ポート噴射システムなどの一部のシステムでは、複数のインジェクターではなく、中央のインジェクターから燃料が供給されるポペットバルブ付きのチューブを使用します。[ 16 ]

シングルポイントインジェクション

シングルポイントインジェクション（「スロットルボディインジェクション」とも呼ばれる）[ 17 ]は、吸気マニホールドにキャブレターと同様に取り付けられたスロットルボディに1つのインジェクターを配置する。キャブレター式吸気システムと同様に、燃料は吸気マニホールドに入る前に空気と混合される。[ 15 ]シングルポイントインジェクションは、自動車メーカーにとって、厳しくなる規制に対応するために排出ガス量を削減しながら、キャブレターよりも優れた「ドライバビリティ」（始動性、スムーズな走行、エンジンの不調がない）を実現するための比較的低コストな方法であった。キャブレターの補助部品（エアフィルター、吸気マニホールド、燃料ラインの配線など）の多くは、ほとんど変更せずに、あるいは全く変更せずに使用可能であった。これにより、これらの部品の再設計や金型製作にかかるコストを先送りすることができた。シングルポイントインジェクションは、1980年から1995年にかけてアメリカ製の乗用車や小型トラックに広く採用され、1990年代初頭から中期にかけては一部のヨーロッパ車にも採用された。米国では、2000 年型シボレー メトロの G10 エンジンが、アメリカで販売される車両でスロットル ボディ インジェクションを採用した最後のエンジンとなりました。

ディーゼルエンジン

間接噴射式ディーゼルエンジン（アクロイドエンジンも同様）には、2つの燃焼室があります。主燃焼室と、それに接続された副燃焼室（アンテチャンバーとも呼ばれる）[ 18 ]です。燃料は副燃焼室（ここで燃焼が始まります）にのみ噴射され、主燃焼室に直接噴射されることはありません。そのため、この原理は間接噴射と呼ばれます。類似した特性を持つ、わずかに異なる間接噴射システムがいくつか存在します。[ 19 ]

ディーゼルエンジンで使用される間接噴射の種類は次のとおりです。

ホットバルブインジェクション

歴史

1870年代～1930年代: 初期のシステム

1898年式ディーゼルエンジン用エアブラスト噴射システム
1906年式アントワネット8V エンジンの機械式ポート噴射システム

1872年、ジョージ・ベイリー・ブレイトンは、同じくブレイトンが発明した空気圧燃料噴射システム、エアブラスト噴射を使用する内燃機関の特許を取得しました。[ 21 ] : 413 1894年、ルドルフ・ディーゼルは、ディーゼルエンジン用にブレイトンのエアブラスト噴射システムをコピーしましたが、さらに改良を加えました。[ 22 ] : 414 彼は、エアブラスト圧力を390〜490 kPa（57〜71 psi）から6,400 kPa（920 psi）に増加しました。[ 23 ] : 415 その間に、最初のマニホールド噴射システムは、ドイツのハレシェ・マシーネンファブリークで働いていたヨハネス・シュピールによって1884年に設計されました。[ 24 ]

1891年、イギリスのハーバート・アクロイド石油エンジンが加圧燃料噴射システムを採用した初のエンジンとなった。[ 25 ] [ 26 ]ホットバルブエンジンと呼ばれるこの設計では、「ジャークポンプ」を使用して燃料油を高圧でインジェクターに噴射した。初期のディーゼルエンジンにおけるもう1つの進歩は予燃焼室で、これは1919年にプロス​​パー・ロランジュによって発明され[ 27 ]、エアブラスト噴射システムの欠点を回避した。予燃焼室によって自動車に適したサイズのエンジンを生産できるようになり、MAN Truck & Busは1924年にトラック用の最初の直噴ディーゼルエンジンを発表した。[ 20 ]高圧ディーゼル噴射ポンプは1927年にボッシュによって導入された。

1898年、ドイツのDeutz AG社はマニホールド噴射式の4ストロークガソリン定置エンジンの生産を開始した[ 28 ]。1906年のアントワネット8V航空機エンジン（世界初のV8エンジン）は、マニホールド噴射を採用した初期の4ストロークエンジンの1つだった。直接噴射を採用した最初のガソリンエンジンは、1916年にオットー・マーダーが設計した2ストローク航空機エンジンだった[ 29 ]。直接噴射を採用した初期の火花点火エンジンの1つは、スウェーデン人エンジニアのジョナス・ヘッセルマンが設計した1925年のヘッセルマンエンジンだった[ 30 ] 。 [ 31 ]このエンジンはさまざまな燃料（石油、灯油、ガソリン、ディーゼル油など）で作動し[ 32 ] 、層状充填原理を採用していたため、圧縮行程の終わり頃に燃料を噴射し、点火プラグで点火した。

カミンズモデルHディーゼルトラックエンジンは1933年にアメリカで導入されました。[ 33 ] 1936年には、メルセデスベンツOM138ディーゼルエンジン（予燃焼室を使用）が、量産乗用車に使用された最初の燃料噴射エンジンの1つとなりました。[ 34 ]

1940年代～1950年代: 第二次世界大戦の航空機と初期の直噴ガソリンエンジン

第二次世界大戦中、欧州のユンカース Jumo 210、ダイムラー・ベンツ DB 601、BMW 801、シュベツォフ ASh-82FN (M-82FN)など、航空機用ガソリンエンジンのいくつかは直噴システムを採用していた。ドイツの直噴システムは、ボッシュ、デッケル、ユンカース、ロランジュが使用していたディーゼル燃料噴射システムをベースとしていた。[ 35 ] 1943年頃までに、ロールスロイス マーリンとライト R-3350は従来のキャブレターから燃料噴射（当時は「圧力キャブレター」と呼ばれていた）に切り替えたが、これらのエンジンはドイツ製エンジンの直噴システムではなく、スロットルボディマニホールド噴射を採用していた。 1940年からは三菱金星60系エンジンが直噴システムを採用し、1941年からは関連する三菱化成エンジンも直噴システムを採用した。1943年には中島誉23型星型エンジンに低圧燃料噴射システムが追加されました。[ 36 ]

最初の量産型ガソリン直噴システムはボッシュ社が開発し、当初は小型自動車用2ストロークガソリンエンジンに採用された。1950年に小型セダンのゴリアテGP700に導入され、1952年にはグートブロッド・スーペリアエンジンにも搭載された。この機械制御システムは、基本的には特殊潤滑された高圧ディーゼル直噴ポンプで、吸気スロットルバルブ背後の真空によって制御されるタイプだった。[ 37 ]ボッシュの機械式直噴システムは、1954年のメルセデス・ベンツW196フォーミュラ・ワン・レーシングカーに搭載された直列8気筒エンジンにも採用された。乗用車用としては初の4ストローク直噴ガソリンエンジンは、翌年、スポーツカーのメルセデス・ベンツ300SLに搭載されて発売された。[ 38 ]しかし、ガソリンがエンジンオイルを希釈するため、エンジンの潤滑に問題が発生したため、[ 39 ] [ 40 ]その後、メルセデス・ベンツのエンジンはマニホールド噴射方式に変更されました。同様に、2000年代以前のほとんどのガソリン噴射システムは、より安価なマニホールド噴射方式を採用していました。

1950年代～1970年代: ガソリンエンジン用マニホールド噴射

1950年代のロチェスター ラムジェット機械式ポート噴射システム（シボレー 283 エンジン搭載）
1970年代のクーゲルフィッシャー機械式ポート噴射システム（ BMW M88エンジン搭載）
1970年代のK-ジェトロニック電子ポート噴射システムのコンポーネント

1950年代を通じて、いくつかのメーカーがガソリンエンジン用のマニホールド噴射システムを導入した。ルーカス インダストリーズは1941年に燃料噴射システムの開発を開始し、1956年までにはジャガーのレーシングカーに採用された。[ 41 ] 1957年のル・マン24時間レースでは、1位から4位までをルーカスの燃料噴射システムを搭載したジャガー Dタイプが独占した。[ 42 ]また1957年には、ゼネラルモーターズがシボレー コルベットのV8エンジン用の燃料噴射システムであるロチェスター ラムジェットオプションを導入した。1960年代には、ヒルボーン[ 43 ] 、SPICA [ 44 ]、クーゲルフィッシャーも燃料噴射システムを製造した。

それまで、燃料噴射システムは機械式制御システムを採用していました。1957年、制御システムにアナログ電子機器を採用したアメリカのベンディックス・エレクトロジェクターシステムが導入されました。エレクトロジェクターは中型車ランブラー・レベルに搭載される予定でしたが、信頼性の問題から燃料噴射オプションは提供されませんでした。 [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] 1958年にはクライスラー300D、デソート・アドベンチャー、ダッジD-500、プリムス・フューリーにエレクトロジェクターシステムが搭載され、電子燃料噴射（EFI）システムを採用した最初の車となりました。[ 50 ]

エレクトロジェクターの特許はその後ボッシュに売却され、ボッシュはエレクトロジェクターをボッシュDジェトロニックに開発した。[ 51 ] Dジェトロニックは1967年から1976年にかけて生産され、初めてVW 1600TL/Eに使用された。このシステムは速度/密度システムで、エンジン回転数と吸気マニホールドの空気密度を使用して噴射する燃料の量を計算した。1974年、ボッシュはKジェトロニックシステムを発表した。これは（Dジェトロニックシステムの脈動流ではなく）インジェクターからの連続的な燃料の流れを使用するものであった。Kジェトロニックは機械式噴射システムで、吸気マニホールドの圧力によって作動するプランジャーを使用してインジェクターへの燃料の流れを制御した。[ 52 ]

1974年、ボッシュはLジェトロニックシステムを発表しました。これは、エアフローメーターを用いて必要な燃料量を計算するパルスフローシステムです。Lジェトロニックは1970年代から1980年代にかけて、ヨーロッパの自動車に広く採用されました。エンジンに供給される燃料量を制御するために開閉する電子制御燃料インジェクターを使用するシステムであるLジェトロニックシステムは、現代の電子燃料噴射（EFI）システムと同じ基本原理を採用しています。

1980年代～現在：デジタルエレクトロニクスとコモンレール噴射

1979年以前は、燃料噴射システムの電子機器の制御システムにアナログ電子機器が使用されていました。ボッシュ・モトロニック・マルチポイント燃料噴射システム（点火システムが燃料噴射システムと同じデバイスで制御される最初のシステムでもあります）は、デジタル電子機器を使用した最初の量産システムでした。 1980年に導入されたフォードEEC-IIIシングルポイント燃料噴射システムも、初期のデジタル燃料噴射システムでした。[ 53 ] [ 54 ]これらのシステムやその他の電子マニホールド噴射システム（ポート噴射またはスロットルボディ噴射を使用）は、1980年代を通じて普及が進み、1990年代初頭までには、先進国で販売されるほとんどの新しいガソリンエンジン車でキャブレターに取って代わりました。

前述のガソリン乗用車エンジン用の噴射システムは、1954～1959年のメルセデス・ベンツ300SLを除き 、すべてマニホールド噴射（つまり、インジェクターが燃焼室内ではなく、吸気ポートまたはスロットルボディにある）を使用していました。これが変わり始めたのは、1997年に三菱6G74 V6エンジンに導入されたコモンレールシステムであった、乗用車用の最初の量産ガソリン直噴システムが採用されたときです。[ 55 ] [ 56 ]乗用車ディーゼルエンジン用の最初のコモンレールシステムは、フィアット マルチジェット直列4気筒エンジンで、[ 57 ] 1999年のアルファロメオ 156 1.9 JTDモデルに導入されました。2010年代以降、多くのガソリンエンジンが直噴に切り替わりました（シリンダーごとに個別のマニホールドインジェクターと組み合わせて使用​​される場合もあります）。同様に、多くの現代のディーゼルエンジンはコモンレール設計を使用しています。

層状チャージインジェクションは、2000 年に導入されたフォルクスワーゲン 1.4 FSI エンジンなど、2000 年代初頭のいくつかのガソリン エンジンで使用されていました。しかし、 NO xガスと粒子状物質の排出の増加、システムのコストと複雑さの増加により、2010 年代後半までに層状チャージ システムはほとんど使用されなくなりました。

参照

ウィキメディア コモンズには、燃料噴射に関連するメディアがあります。

参考文献

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