マニホールド注入

マニホールド噴射は、外部混合気形成を行う内燃機関の混合気形成システムです。オットーエンジンやヴァンケルエンジンなど、ガソリンを燃料とする火花点火式エンジンでよく使用されます。マニホールド噴射エンジンでは、燃料が吸気マニホールドに噴射され、そこで空気と混合して可燃性の混合気を形成し始めます。吸気バルブが開くとすぐに、ピストンは形成中の混合気を吸い込みます。通常、この混合気は比較的均質で、少なくとも乗用車の量産エンジンではほぼ化学量論的です。つまり、燃焼室全体に燃料と空気が均等に分配され、燃料の完全燃焼に必要な量よりも少ない量の空気が存在します。噴射タイミングと燃料量の測定は、機械的 (燃料分配器による) または電子的 (エンジン制御ユニットによる) に制御できます。 1970年代から1980年代にかけて、乗用車のキャブレターはマニホールド噴射に置き換えられてきました。しかし、1990年代後半から、自動車メーカーはガソリン直噴を採用し始め、新しく生産される車へのマニホールド噴射の搭載は減少しました。

マニホールド注入には 2 つの種類があります。

マルチポイント噴射 （MPI）システム（ポート噴射、ドライマニホールドシステムとも呼ばれる）
シングルポイントインジェクション （SPI）システム、別名スロットルボディインジェクション（TBI）、中央燃料噴射（CFI）、電子ガソリン噴射（EGI）、ウェットマニホールドシステム

この記事では、マルチポイント噴射 (MPI) とシングルポイント噴射 (SPI) という用語が使用されています。MPI システムでは、シリンダーごとに 1 つの燃料インジェクターがあり、吸気バルブのすぐ近くに設置されています。SPI システムでは、燃料インジェクターは 1 つだけあり、通常はスロットルバルブのすぐ後ろに設置されています。現代のマニホールド噴射システムは通常 MPI システムであり、SPI システムは現在では時代遅れと見なされています。

説明

マニホールド噴射エンジンでは、燃料は比較的低い圧力 (70...1470 kPa) で吸気マニホールドに噴射され、微細な燃料蒸気を形成します。この蒸気は空気と可燃性混合物を形成し、その混合物は吸気行程中にピストンによってシリンダーに吸い込まれます。オットーエンジンは、所望のエンジントルクを設定するために量制御と呼ばれる技術を使用します。つまり、エンジンに吸い込まれる混合物の量によって、生成されるトルクの量が決まります。混合物の量を制御するためにスロットルバルブが使用されるため、量制御は吸気スロットリングとも呼ばれます。吸気スロットリングは、エンジンに吸い込まれる空気の量を変更します。つまり、ストイキオメトリック ( ) 空気燃料混合物が必要な場合は、噴射される燃料の量を吸気スロットリングに合わせて変更する必要があります。そのために、マニホールド噴射システムには、現在エンジンに吸い込まれている空気の量を測定する方法が少なくとも1つあります。燃料分配器を備えた機械制御システムでは、制御ラックに直接接続された真空駆動ピストンが使用されるのに対し、電子制御マニホールド噴射システムでは通常、エアフローセンサーとラムダセンサーが使用されます。電子制御システムのみが、三元触媒が十分に機能するのに十分なほど正確に化学量論的な空気燃料混合物を形成できるため、ボッシュKジェトロニックなどの機械制御マニホールド噴射システムは現在では時代遅れと見なされています。^[1] $\lambda \approx 1$

主な種類

シングルポイントインジェクション

**ボッシュモノジェトロニックのシングルポイント噴射燃料インジェクター (1990 年代頃)**

名前が示すように、シングルポイント噴射 (SPI) エンジンには燃料インジェクターが 1 つしかありません。通常、スロットルボディのスロットルバルブのすぐ後ろに取り付けられます。シングルポイント噴射は、自動車メーカーが、厳しくなる規制に準拠するために排気ガスの排出量を削減し、キャブレターで得られるよりも優れた「運転性」(始動のしやすさ、スムーズな走行、ためらいのなさ) を提供する比較的低コストの方法でした。キャブレターのサポートコンポーネント (エアクリーナー、吸気マニホールド、燃料ラインルーティングなど) の多くは、ほとんど変更せずに使用できます。これにより、これらのコンポーネントの再設計とツールのコストが延期されました。ただし、シングルポイント噴射では、現代の排出ガス規制に必要な非常に正確な混合を形成することができないため、乗用車では時代遅れの技術と見なされています。^[1]シングルポイント噴射は、1980 年から 1995 年にかけて米国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は一部のヨーロッパ車で使用されました。

シングルポイント噴射は1960年代から知られている技術だが、噴射ポンプが必要でより複雑なため、長い間キャブレターより劣ると考えられてきた。^[2] 1980年代に安価なデジタルエンジン制御ユニット（ECU）が利用可能になって初めて、シングルポイント噴射は乗用車にとって合理的な選択肢となった。通常、間欠噴射の低噴射圧（70...100 kPa）システムが使用され、低コストの電動燃料噴射ポンプの使用が可能になった。^[3]多くの乗用車で使用されている非常に一般的なシングルポイント噴射システムは、ボッシュのモノジェトロニックであり、ドイツの自動車ジャーナリスト、オラフ・フォン・フェルセンはこれを「燃料噴射とキャブレターの組み合わせ」とみなしている。^[4]

このシステムは、ゼネラルモーターズではスロットルボディインジェクションまたはデジタル燃料噴射、フォードではセントラル燃料噴射、ホンダではPGM-CARB、マツダではEGIと呼ばれていました。

マルチポイント注入

マルチポイント噴射エンジンでは、各シリンダーに専用の燃料インジェクターがあり、通常、燃料インジェクターは吸気バルブのすぐ近くに取り付けられています。したがって、インジェクターは開いた吸気バルブからシリンダーに燃料を噴射しますが、これを直接噴射と混同しないでください。特定のマルチポイント噴射システムでは、個別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燃料が供給されるポペットバルブ付きのチューブも使用されます。ただし、通常、マルチポイント噴射エンジンには、シリンダーごとに1つの燃料インジェクター、電動燃料ポンプ、燃料分配器、エアフローセンサー、^[5]があり、最新のエンジンではエンジン制御ユニットがあります。^[6]吸気バルブ付近の温度はかなり高く、吸気行程で吸入空気の渦が発生し、空気と燃料の混合気が形成される時間が長くなります。^[7]したがって、燃料をあまり霧化する必要はありません。^[2]霧化の質は噴射圧力に比例するため、多点噴射エンジンでは比較的低い噴射圧力（直接噴射と比較して）で十分です。噴射圧力が低いと相対的な空気燃料速度が低くなり、燃料液滴が大きくゆっくりと蒸発します。^[8]したがって、未燃焼燃料（およびHC排出量）を最小限に抑えるには、噴射タイミングを正確にする必要があります。このため、ボッシュKジェトロニックなどの連続噴射システムは時代遅れです。^[1]現代の多点噴射システムでは、代わりに電子制御間欠噴射を使用しています。^[6]

1992年から1996年にかけて、ゼネラルモーターズはセントラルポートインジェクションまたはセントラルポート燃料噴射と呼ばれるシステムを導入した。このシステムでは、中央のインジェクターからポペットバルブ付きのチューブを使用して、中央のスロットルボディではなく各吸気ポートに燃料を噴射する^[要出典]。燃料圧力はシングルポイントインジェクションシステムに似ている。CPFI（1992年から1995年まで使用）はバッチファイアシステムであり、CSFI（1996年から）はシーケンシャルシステムである。^[9]

噴射制御機構

マニホールド噴射エンジンでは、燃料を計量し、噴射タイミングを制御する主な方法が 3 つあります。

機械制御

完全に機械的な噴射システムを備えた初期のマニホールド噴射エンジンでは、機械的な「アナログ」エンジンマップを備えたギア、チェーン、またはベルト駆動の噴射ポンプが使用されていました。これにより、燃料を断続的に、かつ比較的正確に噴射することができました。通常、このような噴射ポンプには、エンジンマップを表す 3 次元カムがあります。スロットルの位置に応じて、3 次元カムはシャフト上で軸方向に移動します。噴射ポンプ制御ラックに直接接続されたローラータイプのピックアップ機構が、3 次元カムに乗っています。3 次元カムの位置に応じて、カムシャフトで作動する噴射ポンププランジャーを押し込んだり押し出したりします。これにより、噴射される燃料の量と噴射タイミングの両方が制御されます。噴射プランジャーは、噴射圧力を生成すると同時に、燃料分配器としても機能します。通常、気圧セルに接続された追加の調整ロッドと冷却水温度計があり、空気圧と水温に応じて燃料量を修正できます。^[10]クーゲルフィッシャーの噴射システムには、機械式遠心クランクシャフト速度センサーも搭載されています。^[11]機械制御によるマルチポイント噴射システムは1970年代まで使用されていました。

噴射タイミング制御なし

噴射タイミング制御のないシステムでは、燃料は連続的に噴射されるため、噴射タイミングは必要ありません。このようなシステムの最大の欠点は、吸気バルブが閉じているときにも燃料が噴射されることです。しかし、このようなシステムは、3 次元カムのエンジンマップを備えた機械式噴射システムよりもはるかにシンプルで安価です。噴射される燃料の量を決定するだけでよく、これは、吸気マニホールドの真空駆動式エアフローセンサーによって制御される、かなりシンプルな燃料分配器で簡単に行うことができます。燃料ポンプがすでに噴射に十分な圧力 (最大 500 kPa) を提供しているため、燃料分配器は噴射圧力を生成する必要はありません。したがって、このようなシステムは「無動力」と呼ばれ、機械式噴射ポンプを備えたシステムとは異なり、チェーンやベルトで駆動する必要はありません。また、エンジン制御ユニットも不要です。^[12]ボッシュKジェトロニックのような噴射タイミング制御のない「無動力」マルチポイント噴射システムは、1970年代半ばから1990年代初頭にかけて乗用車で一般的に使用されていましたが、1957年から1965年にかけてシボレーのスモールブロックエンジンの高性能バージョンで提供されたロチェスターラムジェットなどの例は以前にも存在していました。

電子制御ユニット

マニホールド噴射と電子エンジン制御ユニットを備えたエンジンは、電子燃料噴射 (EFI) を備えたエンジンと呼ばれることがよくあります。通常、EFI エンジンには、読み取り専用メモリなどの個別の電子部品に組み込まれたエンジンマップがあります。これは、3 次元カムよりも信頼性が高く、正確です。エンジン制御回路は、エンジンマップに加えて、空気の流れ、スロットルバルブ、クランクシャフト速度、および吸気温度センサーのデータを使用して、噴射される燃料の量と噴射タイミングを決定します。通常、このようなシステムには、単一の加圧燃料レールと、エンジン制御回路から送信された電気信号に応じて開く噴射バルブがあります。回路は、完全にアナログでもデジタルでもかまいません。Bendix Electrojectorなどのアナログシステムはニッチなシステムであり、1950 年代後半から 1970 年代前半まで使用されていました。デジタル回路は 1970 年代後半に利用可能になり、それ以来、電子エンジン制御システムで使用されています。最初に普及したデジタルエンジン制御ユニットの一つはボッシュ・モトロニックであった。^[13]

空気塊の決定

空気と燃料を正しく混合して適切な空気燃料混合物を形成するには、噴射制御システムがエンジンに吸い込まれる空気の量を把握し、それに応じて噴射する燃料の量を決定する必要があります。現代のシステムでは、スロットルボディに組み込まれた空気質量計が空気質量を計測し、エンジン制御ユニットに信号を送信して、正しい燃料質量を計算できるようにします。または、マニホールド真空センサーを使用することもできます。マニホールド真空センサー信号、スロットル位置、およびクランクシャフト速度は、エンジン制御ユニットによって正しい燃料量を計算するために使用できます。現代のエンジンでは、これらすべてのシステムの組み合わせが使用されています。^[5]機械式噴射制御システムと非動力式システムには、通常、インジェクションポンプラックまたは燃料ディストリビューターに機械的に接続された吸気マニホールド真空センサー（膜またはセンサープレート）のみがあります。^[14]

注入動作モード

マニホールド噴射エンジンは連続噴射と間欠噴射のどちらかを使用することができます。連続噴射システムでは、燃料は連続的に噴射されるため、動作モードはありません。ただし、間欠噴射システムでは通常、4つの異なる動作モードがあります。^[15]

同時注入

同時に間欠的に噴射するシステムでは、すべてのシリンダに対して単一の固定噴射タイミングが存在します。したがって、噴射タイミングは一部のシリンダに対してのみ理想的であり、少なくとも 1 つのシリンダでは閉じた吸気バルブに対して燃料が噴射されます。これにより、シリンダごとに燃料の蒸発時間が異なります。

グループ注射

間欠グループ噴射システムは、同時に噴射する燃料インジェクターのグループが 2 つ以上あることを除いて、前述の同時噴射システムと同様に機能します。通常、グループは 2 つの燃料インジェクターで構成されます。2 つの燃料インジェクターグループを備えたエンジンでは、クランクシャフトの半回転ごとに噴射が行われるため、少なくともエンジンマップの一部の領域では、閉じた吸気バルブに対して燃料が噴射されません。これは、同時噴射システムよりも改善されています。ただし、燃料の蒸発時間は、シリンダーごとに異なります。

連続注入

シーケンシャル噴射システムでは、各燃料インジェクターの噴射タイミングは固定されており、正しく設定されており、点火プラグの点火順序と吸気バルブの開きと同期しています。これにより、閉じた吸気バルブに対してそれ以上の燃料が噴射されなくなります。

シリンダー別噴射

シリンダ固有の噴射とは、噴射タイミングに制限がないことを意味します。噴射制御システムは各シリンダの噴射タイミングを個別に設定でき、各シリンダのインジェクタ間の固定同期はありません。これにより、噴射制御ユニットは点火順序と吸気バルブの開放間隔に従って燃料を噴射できるだけでなく、シリンダの充填不規則性を修正することもできます。このシステムの欠点は、シリンダ固有の空気質量の決定が必要なことで、これは順次噴射システムよりも複雑になります。

歴史

最初のマニホールド噴射システムは、ハレシェ・マシーネンファブリークのヨハネス・シュピールによって設計された。^[16] ドイツは1898年にマニホールド噴射を備えた定置型4ストロークエンジンの量産を開始した。グレードは1906年にマニホールド噴射を備えた最初の2ストロークエンジンを製造した。最初のマニホールド噴射式量産4ストローク航空機エンジンは、同じ年にライトとアントワネットによって製造された（アントワネット8V）。^[17] 1912年にボッシュは、オイルポンプから作った間に合わせの噴射ポンプを船舶エンジンに装備したが、このシステムは信頼性がなかった。1920年代に、彼らはディーゼルエンジンの噴射ポンプをガソリン燃料のオットーエンジンに使用しようとした。しかし、成功しなかった。1930年にモト・グッツィはオートバイ用の最初のマニホールド噴射オットーエンジンを製造し、これは最終的にマニホールド噴射を備えた最初の陸上車両エンジンとなった。^[18] 1930年代から1950年代にかけて、マニホールド噴射システムは乗用車には存在していたにもかかわらず、使用されていなかった。これは、キャブレターがよりシンプルで安価でありながら、まだ交換する必要のない十分な混合気形成システムであることが証明されたためである。^[14]

1950年頃、ダイムラー・ベンツはメルセデス・ベンツのスポーツカー向けにガソリン直噴システムの開発を開始した。しかし、乗用車にはマニホールド噴射システムの方が実現可能だと判断された。^[14]最終的に、メルセデス・ベンツのW 128、W 113、W 189、W 112乗用車にはマニホールド噴射式のオットーエンジンが搭載された。^[19]^[20]

1951年から1956年にかけて、FAGクーゲルフィッシャー・ゲオルク・シェーファー社は機械式クーゲルフィッシャー噴射システムを開発しました。^[18]このシステムは、プジョー404（1962年）、ランチア・フラビア・イニエツィオーネ（1965年）、BMW E10（1969年）、フォード・カプリRS 2600（1970年）、BMW E12（1973年）、BMW E20 （1973年）、 BMW E26 （1978年）など、多くの乗用車に使用されました。^[21]

1957年、ベンディックス社は、最初の電子制御マニホールド噴射システムの1つであるベンディックスエレクトロジェクターを発表しました。 ^[22]ボッシュはライセンスを受けてこのシステムを構築し、1967年からDジェトロニックとして販売しました。^[21] 1973年、ボッシュは最初の自社開発のマルチポイント噴射システムである電子式Lジェトロニックと、機械式で無動力のKジェトロニックを発表しました。^[23]完全にデジタル化されたモトロニックシステムは1979年に発表され、ドイツの高級セダンで広く使用されました。同時に、ほとんどのアメリカの自動車メーカーは、電子式シングルポイント噴射システムに固執しました。^[24] 1980年代半ば、ボッシュは非モトロニックマルチポイント噴射システムをデジタルエンジン制御ユニットでアップグレードし、KEジェトロニックとLHジェトロニックを作成しました。^{[23]フォルクスワーゲンは}「ワッサーボクサー」水冷エンジン用にデジタル「デジジェット」噴射システムを開発し、1985年にフォルクスワーゲンデジファントシステムに進化しました。 ^[4]

1987年に導入されたモノジェトロニックのような、2元または3元触媒コンバーターと連動する安価なシングルポイント噴射システム^[23]により、自動車メーカーはエコノミーカーでもキャブレターの代替品を経済的に提供できるようになり、1990年代にはすべての乗用車市場セグメントでマニホールド噴射システムが広く普及しました。^[25] 1995年に三菱は乗用車用として最初のガソリン直噴オットーエンジンを導入し、それ以来ガソリン直噴はマニホールド噴射に取って代わってきましたが、すべての市場セグメントでそうではありません。いくつかの新しく生産された乗用車エンジンは、依然としてマルチポイント噴射を使用しています。^[26]

参考文献

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