Loading article…
燃料噴射とは、燃料噴射装置を用いて内燃機関（最も一般的なのは自動車用エンジン）に燃料を供給することである。この記事では、往復ピストンエンジンとヴァンケル式ロータリーエンジンにおける燃料噴射について解説する。
すべての圧縮着火エンジン（ディーゼルエンジンなど）と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、何らかの燃料噴射方式を採用しています。乗用車用の量産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 年代前半に登場し、乗用車用としては初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、1950 年代初頭に燃料噴射が導入され、徐々に普及し、1990 年代初頭にはキャブレターをほぼ完全に置き換えました。 [ 2 ]キャブレターと燃料噴射の主な違いは、燃料噴射では高圧で小さなノズルを通して燃料を霧状にすることです。一方、キャブレターでは、ベンチュリ管を通して加速された吸気によって生じる吸引力を利用して燃料を気流に吸い込みます。
「燃料噴射」という用語は曖昧で、根本的に異なる動作原理を持つ様々なシステムを包含している。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ある。
内燃機関の混合気形成システムには、「内部式」と「外部式」という2つの主要な動作原理があります。外部式混合気形成を用い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「ポート式」）噴射とシングルポイント（または「スロットルボディ式」）噴射の2種類があります。
内部混合気形成システムは、「直接噴射」と「間接噴射」のいくつかの種類に分類できます。最も一般的なのはコモンレール噴射で、これは直接噴射の一種です。「電子燃料噴射」という用語は、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全般を指します。
燃料噴射は、加圧された燃料をエンジン内に噴射する方式です。そのため、燃料ポンプなどの燃料を加圧する装置が必要となります。
システムは、供給すべき適切な燃料量を決定し、それを供給する燃料の流れを制御する必要がある。
初期の機械式燃料噴射システムでは、燃料の計量と噴射圧力の生成の両方を行う、比較的高度ならせん制御式噴射ポンプが使用されていました。1980年代以降は、燃料の計量制御に電子システムが用いられるようになりました。より新しいシステムでは、燃料の計量、点火時期の制御、その他様々なエンジン機能の制御を行う電子エンジン制御ユニットが使用されています。
燃料噴射装置は、燃料供給の最終段階でエンジンに燃料を供給する噴霧ノズルです。噴射装置は、燃焼室、吸気マニホールド、または（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。
燃料噴射量を制御する機能も備えた燃料噴射装置は「噴射バルブ」と呼ばれ、3つの機能すべてを実行する噴射装置は「ユニットインジェクター」と呼ばれる。
直接噴射とは、各シリンダーの主燃焼室に燃料を噴射す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、吸気行程中は空気のみがエンジンに吸い込まれます。噴射方式は常に間欠的です（シーケンシャルまたはシリンダー個別）。
燃料は、空気噴射または油圧によって燃焼室に直接噴射される。前者は、20世紀初頭に予燃焼室が発明されたことにより、自動車エンジンでは時代遅れとなった。
一般的に、油圧式直噴システムは、シリンダー内、すなわち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。後者は、現代の自動車エンジンで最も一般的なシステムです。
20世紀の間、ガソリンエンジンのほとんどはキャブレター式か間接燃料噴射式を採用していた。21世紀に入り、ガソリンエンジンにおける直接燃料噴射式の使用がますます一般的になってきている。
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ヘッダー（アキュムレータと呼ばれる）に供給され、チューブを通ってインジェクタに送られ、燃焼室に噴射されます。アキュムレータには、圧力を維持し、余分な燃料を燃料タンクに戻すための高圧リリーフバルブがあります。燃料は、ソレノイド作動ニードルバルブで開閉されるノズルによって噴射されます。[ 4 ]第3世代コモンレールディーゼルは、精度を高めるためにピエゾインジェクタを使用し、燃料圧力は最大300 MPaまたは44,000 psiに達します。[ 5 ]
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、以下が含まれます。
この噴射方式は、これまで多くのディーゼルエンジンで使用されてきた。システムの種類は以下のとおりである。
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たMシステムは、燃焼室の壁に燃料を噴射する方式で、燃焼室の中央に燃料を噴射する他のほとんどの直接噴射システムとは対照的である[ 11 ] 。
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用いられています。マニホールド噴射システムでは、空気と燃料は燃焼室の外で混合され、その後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種類は、「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」または「間欠」噴射設計のいずれかを使用します。[ 12 ]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 年代半ばまでさまざまな自動車メーカーで使用されたマルチポイントのBosch K-Jetronic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同期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、特定のシリンダーの吸気行程に正確に同期することなく、グループごとに燃料がシリンダーに噴射されるバッチ式、すべてのシリンダーに同時に燃料が噴射される同時噴射、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噴射があります。 [ 12 ]
マルチポイントインジェクション（「ポートインジェクション」とも呼ばれる）は、吸気マニホールドの中央点ではなく、各シリンダーの吸気バルブのすぐ上流にある吸気ポートに燃料を噴射します。 [ 13 ]通常、マルチポイントインジェクションシステムでは複数の燃料インジェクターを使用しますが、[ 14 ] GMの中央ポートインジェクション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の代わりに中央のインジェクターから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。[ 15 ]
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）[ 16 ]は、インテーク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内のインジェクターを1つ使用します。キャブレター式吸気システムと同様に、燃料はインテークマニホールドに入る前に空気と混合されます。[ 14 ]シングルポイントインジェクションは、自動車メーカーが排気ガスを削減して厳しくなる規制に準拠しつつ、キャブレターよりも優れた「運転性」（始動が容易で、スムーズに走行し、エンジンのもたつきがない）を実現するための比較的低コストな方法でした。エアフィルター、インテークマニホールド、燃料ラインの配線など、キャブレターの多くのサポートコンポーネントは、ほとんどまたは全く変更せずに使用できました。これにより、これらのコンポーネントの再設計と工具コストが延期されました。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と小型トラックで広く使用され、1990年代前半から中頃にかけては一部のヨーロッパ車でも使用されました。米国では、2000年型シボレー・メトロに搭載されたG10エンジンが、米国で販売された車両に搭載された最後のスロットルボディ噴射式エンジンとなった。
間接噴射式ディーゼルエンジン（およびアクロイドエンジン）には、主燃焼室と、主燃焼室に接続された予燃焼室（前室とも呼ばれる）[ 17 ]の2つの燃焼室があります。燃料は主燃焼室に直接噴射されるのではなく、予燃焼室（そこで燃焼が始まります）にのみ噴射されます。そのため、この原理は間接噴射と呼ばれます。同様の特性を持つ、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。[ 18 ]
ディーゼルエンジンで使用される間接噴射方式には、以下のような種類があります。
1872年、ジョージ・ベイリー・ブレイトンは、ブレイトンが発明した空気圧燃料噴射システム、すなわち空気噴射方式を用いた内燃機関の特許を取得した。[ 20 ] : 413 1894年、ルドルフ・ディーゼルはブレイトンの空気噴射システムをディーゼルエンジンに模倣したが、さらに改良を加えた。[ 21 ] : 414彼は空気噴射圧力を390～490 kPa (57～71 psi)から6,400 kPa (920 psi)に高めた。[ 22 ] : 415その一方で、最初のマニホールド噴射システムは、ドイツのハレシェ機械工場で働いていたヨハネス・シュピールによって1884年に設計された。[ 23 ]
1891年、イギリスのハーバート・アクロイド石油エンジンは、加圧燃料噴射システムを使用した最初のエンジンとなった。[ 24 ] [ 25 ]この設計はホットバルブエンジンと呼ばれ、 「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供給した。初期のディーゼルエンジンのもう1つの開発は、空気噴射システムの欠点を回避するために1919年にプロスペル・ロランジュによって発明された予燃焼室であった。 [ 26 ]予燃焼室により、自動車に適したサイズのエンジンを製造することが可能になり、MAN Truck & Busは1924年にトラック用の最初の直接噴射ディーゼルエンジンを発表した。[ 19 ]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ストローク定置式ガソリンエンジンの製造を開始しました[ 27 ] 。 1906年のAntoinette 8V航空機エンジン（世界初のV8エンジン）も、マニホールド噴射式を採用した初期の4ストロークエンジンでした。直接噴射式の最初のガソリンエンジンは、1916年にオットー・マダーが設計した2ストローク航空機エンジンでした[ 28 ]。直接噴射式を採用した初期の火花点火エンジンとしては、スウェーデンのエンジニア、ヨナス・ヘッセルマンが設計した1925年のヘッセルマンエンジンも挙げられます[ 29 ] [ 30 ] 。このエンジンは、さまざまな燃料（オイル、灯油、ガソリン、ディーゼルオイルなど）で稼働でき[ 31 ] 、圧縮行程の終わりに燃料を噴射し、スパークプラグで点火する成層燃焼方式を採用していました。
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。[ 32 ] 1936年に、メルセデス・ベンツ OM 138ディーゼル エンジン (予燃焼室を使用) は、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。[ 33 ]
第二次世界大戦中、航空機用のガソリンエンジンのいくつかは、ヨーロッパのユンカース 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、直接噴射システムを使用していた。ドイツの直接噴射システムは、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噴射システムに基づいていた。[ 34 ] 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、ドイツのエンジンの直接噴射システムではなく、スロットルボディマニホールド噴射を使用していた。 1940年から三菱金星60シリーズエンジンは直噴システムを採用し、1941年からは関連する三菱火星エンジンも採用した。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た。[ 35 ]
量産型ガソリン直噴システムの最初のものはボッシュによって開発され、当初は小型自動車の2ストロークガソリンエンジンに使用されました。1950年のゴリアテGP700小型サルーンに導入され、1952年にはグートブロート・スーペリアエンジンにも追加されました。この機械制御システムは基本的に、吸気スロットルバルブの後ろの負圧によって制御されるタイプの、特殊潤滑された高圧ディーゼル直噴ポンプでした。[ 36 ]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1レーシングカーで使用された直列8気筒エンジンにも使用されました。乗用車用の最初の4ストローク直噴ガソリンエンジンは、翌年、メルセデス・ベンツ300SLスポーツカーで発売されました。[ 37 ]しかし、ガソリンがエンジンオイルを希釈したため、エンジンは潤滑の問題を抱え、[ 38 ] [ 39 ]その後のメルセデス・ベンツのエンジンはマニホールド噴射設計に変更されました。同様に、2000年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設計を使用していました。
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ました。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年にはジャガーのレーシングカーに採用されました。[ 40 ] 1957年のル・マン24時間レースでは、1位から4位までがルーカス燃料噴射システムを採用したジャガーDタイプでした。[ 41 ]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ました。1960年代には、ヒルボーン、スピカ、クーゲルフィッシャーも燃料噴射システムを製造しました。[ 42 ] [ 43 ]
それまでは、燃料噴射システムは機械式制御システムを使用していた。1957年に、制御システムにアナログ電子回路を使用したアメリカン・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た。エレクトロジェクターは、 AMCの新しい327立方インチ（5.4L ）V8エンジンを搭載したアメリカン・モーターズの新型ランブラー・レベルに搭載される予定だった。[ 44 ]しかし、信頼性の問題により、燃料噴射オプションは顧客に提供されなかった。[ 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、プリマス・フューリーがエレクトロジェクター・システムを提供し、電子燃料噴射（EFI）システムを使用した最初の車となった。[ 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-ジェトロニックに発展させた。[ 51 ] D-ジェトロニックは1967年から1976年まで生産され、最初にVW 1600TL/Eに採用された。このシステムは、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する速度/密度システムだった。1974年、ボッシュはインジェクターからの連続燃料流を使用するK-ジェトロニックシステムを導入した（D-ジェトロニックシステムのパルス流とは対照的）。K-ジェトロニックは、吸気マニホールド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流量を制御する機械式噴射システムだった。[ 52 ]
また、1974年には、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、空気流量計を使用し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。L-ジェトロニックシステムは、エンジンに入る燃料量を制御するために開閉する電子制御式燃料インジェクターを使用するシステムであり、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。
1979年以前は、燃料噴射システムの電子制御にはアナログ電子制御が使われていました。ボッシュのモトロニック多点式燃料噴射システム（点火システムが燃料噴射システムと同じ装置で制御される最初のシステムの1つでもある）は、デジタル電子制御を採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のEEC-III単点式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のいずれかを使用）は1980年代を通じて普及し、1990年代初頭には先進国で販売されるほとんどの新型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の噴射システムは、 1954～1959年のメルセデス・ベンツ300 SLを除いて、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配置されている）を使用していた。乗用車向けの最初の量産ガソリン直噴システムが、1997年の三菱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とき、この状況は変わり始めた。 [ 55 ] [ 56 ]乗用車ディーゼルエンジンの最初のコモンレールシステムは、1997年モデルのアルファロメオ156 2.4 JTDであった。[ 57 ]この5気筒ターボディーゼルは、フィアットグループとマグネティ・マレリが開発し、ボッシュが製造した高圧直噴システムを備えていた。[ 58 ]
2010年代以降、多くのガソリンエンジンは直噴方式（場合によっては各シリンダーごとに独立したインジェクターを併用）に切り替わった。同様に、多くの最新のディーゼルエンジンはコモンレール式を採用している。
成層燃焼噴射は、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、 NOxガスや微粒子の排気ガス排出量の増加、システムのコストと複雑さの増加により、成層燃焼システムは2010年代後半にはほとんど使用されなくなりました。
{{cite book}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）