ガソリン直噴

ガソリン直噴（GDI ）は、ガソリン直噴（PDI ）とも呼ばれ、^[1]ガソリン（ペトロール）で動く内燃機関の混合気形成システムであり、燃料が燃焼室に噴射されます。これは、吸気マニホールド（インレットマニホールド）に燃料を噴射するマニホールド噴射システムとは異なります。

GDIの使用は、エンジン効率と比出力の向上、および排気ガスの削減に役立ちます。^[2]

最初のGDIエンジンは1925年に低圧縮トラックエンジン用に導入されました。1950年代にはいくつかのドイツ車がボッシュの機械式GDIシステムを採用していましたが、1996年に三菱が量産車に電子式GDIシステムを導入するまで、この技術の使用はまれでした。近年、GDIは自動車業界で急速に採用されており、米国では2008年モデルの生産台数の2.3%から2016年モデルの約50%に増加しています。^[3]^[4]

動作原理

充電モード

直噴エンジンの「チャージモード」とは、燃料が燃焼室全体にどのように分配されるかを指します。

「均質充填モード」では、マニホールド噴射と同様に、燃焼室全体で燃料が空気と均一に混合されます。
層状充電モードでは、スパークプラグの周囲に燃料の密度が高いゾーンがあり、スパークプラグから離れた場所には希薄な混合気（燃料の密度が低い）ゾーンがあります。

均一充電モード

均質モードでは、エンジンは均質な空気/燃料混合物（）で作動します。つまり、シリンダー内に燃料と空気が（ほぼ）完全に混合されます。燃料は吸気行程の最初に噴射され、噴射された燃料が空気と混合する時間を最大限に与え、均質な空気/燃料混合物が形成されます。^{[5]このモードでは、排気ガス処理に従来の}三元触媒を使用できます。^[6] $\lambda =1$

マニホールド噴射と比較すると、燃料効率はわずかにしか向上しませんが、比出力は優れています。^[7]そのため、均質モードはいわゆるエンジンのダウンサイジングに役立ちます。^[6]ほとんどの直噴乗用車ガソリンエンジンは均質チャージモードを使用しています。^[8]^[9]

成層充電モード

成層給気モードでは、点火プラグの周囲に燃料/空気混合気の小さなゾーンが形成され、シリンダーの残りの部分は空気で囲まれます。これにより、シリンダーに噴射される燃料が少なくなり、全体的な空燃比が非常に高くなります。^[10]平均空燃比は中負荷で、全負荷でです。^[11]理想的には、スロットルバルブは、スロットル損失を避けるために可能な限り開いたままです。その後、トルクは高品質のトルク制御によってのみ設定されます。つまり、エンジンのトルクを設定するために、噴射される燃料の量のみが操作され、吸入空気の量は操作されません。成層給気モードでは、炎がシリンダー壁から遠ざかるため、熱損失が減少します。^[12] $\lambda >8$ $\lambda =3...5$ $\lambda =1$

混合気が薄すぎると点火プラグでは点火できないため（燃料不足のため）、充填を成層化する必要がある（例えば、点火プラグの周囲に燃料と空気の混合気の小さな領域を作る必要がある）。^[13] このような充填を実現するために、成層充填エンジンは圧縮行程の後半に燃料を噴射する。ピストン上部の「渦巻き空洞」は、燃料を点火プラグの周囲の領域に導くためによく使用される。この技術により、キャブレターや従来のマニホールド燃料噴射では不可能な超希薄混合気の使用が可能になる。^[14]

低負荷時には、燃料消費量と排気ガス量を削減するために、成層給気モード（「超希薄燃焼」モードとも呼ばれる）が使用されます。しかし、高負荷時には成層給気モードは無効になり、エンジンは中程度の負荷時には理論空燃比の均質モードに切り替わり、高負荷時にはより濃い空燃比になります。^[15] $\lambda =1$

理論上は、成層給気モードにより燃費がさらに向上し、排出ガスが低減しますが、^[16]実際には、成層給気コンセプトは従来の均質給気コンセプトに比べて効率面で大きな利点があることは証明されておらず、固有の希薄燃焼により窒素酸化物がより多く生成され、^[17]排出ガス規制を満たすために排気システムにNOx吸着剤が必要になる場合があります。 ^[18] NOx吸着剤を使用する場合は、硫黄がNOx吸着剤の正常な機能を妨げるため、低硫黄燃料が必要になる場合があります。^[19]成層燃料噴射のGDIエンジンは、マニホールド噴射エンジンよりも粒子状物質の量が多くなる可能性があり、 ^[20]車両排出ガス規制を満たすために排気に粒子状フィルター（ディーゼル粒子状フィルターに類似）が必要になる場合があります。 ^[21]そのため、ヨーロッパの自動車メーカーの中には、成層給気コンセプトを放棄するか、そもそも採用していないところもある。例えば、2000年モデルのルノー2.0 IDEガソリンエンジン（F5R）には、成層給気モードは採用されなかった。 ^[22]また、2009年モデルのBMW N55と2017年モデルのメルセデス・ベンツM256エンジンでは、先代モデルで採用されていた成層給気モードが廃止されている。フォルクスワーゲングループは、FSIと表示された自然吸気エンジンで燃料成層噴射を使用していたが、これらのエンジンは、成層給気モードを無効にするエンジン制御ユニットのアップデートを受けている。^[23]TFSIおよびTSIと表示されたターボチャージャー付きのフォルクスワーゲンエンジンでは、常に均質モードが採用されている。^[24]後者のVWエンジンと同様に、新しい直噴ガソリンエンジン（2017年以降）でも、効率を上げるために、可変バルブタイミングと組み合わせて、より従来的な均質給気モードが採用されているのが一般的である。階層化課金の概念はほとんど放棄されている。^[25]

注入モード

燃焼室全体に燃料を所望の分布にするための一般的な技術は、スプレーガイド噴射、エアガイド噴射、または壁面ガイド噴射のいずれかです。近年の傾向は、燃料効率が高いことから、スプレーガイド噴射へと向かっています。

壁面誘導式直接噴射

壁誘導噴射エンジンでは、点火プラグと噴射ノズルの距離が比較的長い。燃料を点火プラグに近づけるために、燃料はピストン上部の渦流キャビティに噴射され（右のフォードエコブーストエンジンの写真を参照）、燃料は点火プラグに導かれる。特殊な渦流またはタンブル吸気ポートがこの過程を補助する。噴射タイミングはピストン速度に依存するため、ピストン速度が速い場合は、噴射タイミングと点火タイミングを非常に正確に早める必要がある。エンジン温度が低い場合、比較的冷たいピストン上の燃料の一部は冷却されすぎて、適切に燃焼できない。低エンジン負荷から中エンジン負荷に切り替えると（噴射タイミングを早める）、燃料の一部が渦流キャビティの後ろに噴射され、不完全燃焼を引き起こす可能性がある。^[26]そのため、壁誘導直接噴射エンジンは炭化水素排出量が多くなる可能性がある。^[27]

空気誘導式直接噴射

壁面誘導噴射エンジンと同様に、空気誘導噴射エンジンでは、点火プラグと噴射ノズルの距離が比較的長い。しかし、壁面誘導噴射エンジンとは異なり、燃料はシリンダー壁やピストンなどの（比較的）冷たいエンジン部品に接触しない。燃料をスワールキャビティに噴射する代わりに、空気誘導噴射エンジンでは、燃料は吸気によってのみスパークプラグに向かって誘導される。したがって、燃料をスパークプラグに向けるためには、吸気は特別なスワールまたはタンブル運動を持たなければならない。このスワールまたはタンブル運動は、比較的長い時間保持されなければならない。そうすることで、すべての燃料がスパークプラグに向かって押し出される。しかし、これによりエンジンの充填効率が低下し、出力も低下する。実際には、空気誘導噴射と壁面誘導噴射の組み合わせが使用される。^[28]空気誘導噴射のみに依存するエンジンは1つだけ存在する。^[29]

スプレーガイド式直接噴射

スプレーガイド式直噴エンジンでは、点火プラグと噴射ノズルの距離は比較的短くなっています。噴射ノズルと点火プラグは両方とも、シリンダーのバルブの間にあります。燃料は圧縮行程の後半に噴射され、非常に急速な (そして不均一な) 混合気形成を引き起こします。この結果、大きな燃料層化勾配が生じ、つまり、中央の空気比が非常に低く、端の空気比が非常に高い燃料雲が形成されます。燃料は、この 2 つの「ゾーン」の間でのみ点火できます。点火は、エンジン効率を高めるために、噴射後ほぼすぐに行われます。点火プラグは、混合気が点火可能なゾーンに正確に配置されるように配置する必要があります。これは、わずかな位置ずれでも燃焼が著しく低下する可能性があるため、製造公差を非常に小さくする必要があることを意味します。また、燃料は、燃焼熱にさらされる直前に点火プラグを冷却します。したがって、点火プラグは熱衝撃に非常によく耐える必要があります。^[30]ピストン（およびエンジン）速度が低い場合、相対的な空気/燃料速度が低いため、燃料が適切に気化せず、非常に濃い混合気になります。濃い混合気は適切に燃焼せず、カーボンの蓄積を引き起こします。^[31]ピストン速度が速い場合、燃料はシリンダー内でさらに広がり、混合気の発火可能な部分がスパークプラグから遠く離れ、空気/燃料混合気を点火できなくなる可能性があります。^[32]

コンパニオンテクノロジー

GDIを補完して成層充填を行うために使用される他の装置には、可変バルブタイミング、可変バルブリフト、可変長吸気マニホールドなどがあります。^[33]また、排気ガス再循環は、超希薄燃焼から生じる可能性のある高窒素酸化物（NOx）排出量を削減するために使用できます。^[34]

デメリット

ガソリン直噴には、燃料がシリンダーの上流でエンジンに導入されるときに提供されるバルブ洗浄作用がありません。^[35]非GDIエンジンでは、吸気ポートを通過するガソリンが霧状のオイルなどの汚染物質の洗浄剤として機能します。洗浄作用がないと、GDIエンジンでカーボン堆積が増加する可能性があります。サードパーティメーカーは、これらのカーボン堆積を防止または軽減するはずのオイルキャッチタンクを販売しています。

GDI では、必要な量の燃料を噴射できる時間が短いため、高エンジン回転数 (RPM) でピークパワーを生み出す能力がより制限されます。マニホールド噴射 (およびキャブレターとスロットルボディ燃料噴射) では、いつでも燃料を吸入空気混合物に追加できます。ただし、GDI エンジンは、吸気段階と圧縮段階でのみ燃料を噴射できます。これは、各燃焼サイクルの期間が短い高エンジン回転数 (RPM) では制限になります。この制限を克服するために、一部の GDI エンジン (Toyota 2GR -FSE V6エンジンやVolkswagen EA888 I4エンジンなど) には、高 RPM で追加の燃料を供給するマニホールド燃料インジェクターのセットも備わっています。これらのマニホールド燃料インジェクターは、吸気システムからカーボン堆積物を除去するのにも役立ちます。

ガソリンはディーゼルほどインジェクター部品に潤滑性を与えないため、GDIエンジンで使用される噴射圧力の制限要因となることがあります。GDIエンジンの噴射圧力は、インジェクターの過度の摩耗を防ぐために、通常約20MPa（2.9ksi）に制限されています。^[36]

気候と健康への悪影響

_{この技術は燃費向上とCO2}排出量削減に効果があるとされているが、GDIエンジンは従来のポート燃料噴射エンジンよりも多くのブラックカーボンエアロゾルを生成する。ブラックカーボンは太陽放射を強力に吸収し、気候を著しく温暖化する性質を持っている。^[37]

2020年1月にEnvironmental Science and Technology誌に発表された研究で、ジョージア大学（米国）の研究者チームは、GDI搭載車からのブラックカーボン排出量の増加により、米国の都市部での気候温暖化が、CO2削減に伴う冷却効果を大幅に上回る量で増加すると予測した_。研究者らはまた、従来のポート燃料噴射（PFI）エンジンからGDI技術の使用への移行により、車両排出ガスに関連する早期死亡率が米国で年間855人から1,599人にほぼ倍増すると考えている。彼らは、これらの早期死亡の年間社会的コストを59億5,000万ドルと見積もっている。^[38]

歴史

1911–1912

ガソリン直噴を試みた初期の発明者の一人はアーチボルド・ロー博士で、彼は自分のエンジンに「強制吸気エンジン」という紛らわしい名前を付けたが、実際には燃料の吸入が強制されただけだった。彼は1912年の初めにプロトタイプエンジンの詳細を明らかにし、^{[39]大規模なエンジン製造会社である}FEベイカー社が1912年に設計をさらに進め、 ^[40]成果は1912年11月のオリンピアモーターサイクルショーの自社ブースで展示された。このエンジンは高圧縮4ストロークのオートバイエンジンで、ガソリン燃料は別に1000psiに加圧され、小型ロータリーバルブによって「最高圧縮の瞬間」にシリンダー内に吸入され、スパークプラグとトレムブラーコイルによって同時に点火され、燃焼段階を通して火花が続くようにした。噴射される燃料は、エンジンシリンダーによって加熱された蒸気相であると説明された。燃料の圧力は燃料ポンプで調整され、燃料の吸入量は回転吸入バルブで機械的に制御されました。この革新的な設計は、FE ベイカーによってさらに進められなかったようです。

1916–1938

ガソリンエンジンでは直噴が一般的に使用されるようになったのは 2000 年以降ですが、ディーゼルエンジンでは1894 年に最初のプロトタイプが成功して以来、燃焼室 (または予燃焼室) に直接噴射される燃料が使用されてきました。

GDIエンジンの初期のプロトタイプは、1916年にドイツでユンカース航空機用に製造されました。このエンジンは当初ディーゼルエンジンとして設計されていましたが、ドイツ陸軍省が航空機エンジンはガソリンかベンゼンで作動しなければならないと布告したため、ガソリン用に設計が変更されました。クランクケース圧縮2ストローク設計であるため、失火によりエンジンが破損する可能性があるため、ユンカースはこの問題を防ぐためにGDIシステムを開発した。このプロトタイプエンジンは、第一次世界大戦の終結により開発が中止される直前に航空当局にデモンストレーションされました。^[41]

ヘッセルマンエンジンは、1925年から1951年にかけて様々なメーカーによって生産されたハイブリッドエンジン設計です。^[42]ヘッセルマンエンジンでは、従来のオットーサイクルエンジンの場合のように吸入行程中に空気とともに燃料が噴射されるのではなく、点火の少し前の圧縮行程中に燃料が噴射されます。^[43]ヘッセルマンエンジンはガソリンを含むさまざまな燃料を使用できましたが、一般的には従来のディーゼル燃料で動作しました。^[42]

1939–1995

第二次世界大戦中、BMW 801星型エンジン、ドイツの倒立 V12ダイムラー・ベンツ DB 601、DB 603、DB 605エンジン、同様のレイアウトのユンカース Jumo 210 G、Jumo 211、Jumo 213倒立 V12 エンジンなど、ドイツの航空機エンジンのほとんどが GDI を採用していました。GDI 燃料噴射システムを採用していた連合国の航空機エンジンは、ソ連のシュベツォフ ASh-82 FNV 星型エンジンと、アメリカの 54.9 リットル排気量のライト R-3350 デュプレックスサイクロン18 気筒星型エンジンでした。

ドイツのボッシュ社は1930年代から自動車用の機械式GDIシステムを開発しており^{[44] 、1952年に}ゴリアテGP700とグットブロッド・スーペリアの2ストロークエンジンに導入された。このシステムは基本的に、吸気スロットルバルブを備えた高圧ディーゼル直噴ポンプであった。これらのエンジンは優れた性能を発揮し、主にエンジン負荷が低い場合、キャブレターバージョンよりも最大30％燃料消費量を削減した。^[44]このシステムのさらなる利点は、自動的に燃料混合物に追加されたエンジンオイル用の別のタンクを持つことで、オーナーが独自の2ストローク燃料ブレンドを混合する必要がなくなった。^[45] 1955年のメルセデスベンツ300SLも初期のボッシュ機械式GDIシステムを使用していたため、GDIを使用する最初の4ストロークエンジンとなった。 2010 年代半ばまで、燃料噴射車のほとんどがマニホールド噴射を使用していたため、これらの初期の車がより高度な GDI システムを使用していたことは非常に珍しいことでした。^{[独自の調査? ]}

1970年代、アメリカの自動車メーカーであるアメリカンモーターズコーポレーションとフォードは、それぞれストラティチャージとプログラム燃焼（PROCO）と呼ばれるプロトタイプの機械式GDIシステムを開発した。 ^[46]^[47]^[48]^[49]これらのシステムはどちらも生産には至らなかった。^[50]^[51]

1997年～現在

1996年に日本市場向けに発売された三菱ギャランは、三菱4G93直列4気筒エンジンのGDIバージョンが導入され、GDIエンジンを使用した最初の量産車となった。 ^[52]^{[53]その後、1997年に}カリスマに搭載されて欧州に導入された。^[54]三菱はまた、1997年に最初の6気筒GDIエンジンである三菱6G74 V6エンジンを開発した。^[55]三菱はこの技術を広く応用し、2001年までに4つのファミリーで100万台以上のGDIエンジンを生産した。 ^[56]長年使用されてきたが、2001年9月11日、MMCは頭字語「GDI」の商標を主張した。^[57]その後数年間で、他のいくつかの日本および欧州のメーカーもGDIエンジンを導入した。三菱GDI技術は、プジョー、シトロエン、ヒュンダイ、ボルボ、フォルクスワーゲンにもライセンス供与された。^[58]^[59]^[60]^[61]^[62]^[63]^[64]

2005年のトヨタ2GR-FSE V6エンジンは、直接噴射と間接噴射の両方を組み合わせた最初のエンジンでした。このシステム（「D-4S」と呼ばれる）は、シリンダーごとに2つの燃料噴射装置を使用します。従来のマニホールド燃料噴射装置（低圧）と直接燃料噴射装置（高圧）で、ほとんどのトヨタエンジンで使用されています。^[65]

F1レースでは、2014年シーズンから直噴が義務化され、規則5.10.2では「直噴インジェクターはシリンダーごとに1つしか使用できず、吸気バルブの上流または排気バルブの下流にインジェクターを設置することは許可されない」と規定されている。^[66]

2ストロークエンジンの場合

2 ストロークエンジンの場合、GDI には、排気ガスの除去とクランクケースの潤滑に関する追加の利点があります。

掃気の側面は、ほとんどの 2 ストロークエンジンでは、排気行程中に吸気ポートと排気ポートの両方が開いており、シリンダーからの排気ガスの排出が改善されるということです。これにより、燃料と空気の混合物の一部がシリンダーに入り、燃焼せずに排気ポートからシリンダーから出ます。直接噴射の場合、空気 (および通常はいくらかのオイル) のみがクランクケースから供給され、ピストンが上昇してすべてのポートが閉じられるまで燃料は噴射されません。

2ストロークGDIエンジンでは、クランクケース内にオイルを注入することでクランクケースの潤滑が行われ、従来の燃料と混合したオイルをクランクケース内に注入する方法よりもオイル消費量が少なくなります。^[67]

2 ストロークでは、低圧エアアシストと高圧の 2 種類の GDI が使用されています。1992 年型Aprilia SR50モータースクーターで使用されている低圧システムでは、クランクシャフト駆動のエアコンプレッサーを使用してシリンダーヘッドに空気を噴射します。次に、低圧インジェクターが燃焼室に燃料を噴射し、圧縮空気と混合されて燃料が蒸発します。高圧 GDI システムは、ドイツの Ficht GmbH 社によって 1990 年代に開発され、 1997 年にOutboard Marine Corporation (OMC) によって船舶用エンジンに導入され、より厳しい排出ガス規制に対応しました。しかし、エンジンは信頼性の問題を抱えており、OMCは2000年12月に破産を宣言した。^[68]^[69]エビンルードE-Tecはフィヒトシステムの改良版であり、2003年に発売され^[70] 、 2004年にEPAクリーンエアエクセレンス賞を受賞した。 ^[71]

アメリカの非営利団体であるEnvirofit Internationalは、東南アジアの大気汚染を削減するプロジェクトの一環として、 2ストロークバイク用の直噴改造キット（ Orbital Corporation Limitedが開発した技術を使用）を開発した。 ^[72]東南アジアの1億台の2ストロークタクシーとバイクは、この地域の大気汚染の大きな原因となっている。^[73]^[74]

参照

参考文献

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