燃料噴射

燃料噴射とは、燃料噴射装置によって内燃機関（最も一般的には自動車エンジン）に燃料を導入することです。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）と多くの火花点火エンジン（オットーやヴァンケルなどのガソリンエンジン）は、何らかの形で燃料噴射を使用しています。 1930年代後半から1940年代前半にかけて、量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）が利用可能になり、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、燃料噴射は1950年代前半に導入され、徐々に普及していき、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さまざまな異なるシステムで構成されています。すべての燃料噴射システムに共通する唯一のことは、キャブレターがないことです。内燃機関の混合気形成システムには、内部と外部の2 つの主な機能原理があります。外部混合気形成を使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、直接噴射と間接噴射のさまざまな種類に分けることができますが、最も一般的なのは、直接噴射の一種であるコモンレール噴射です。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あらゆる燃料噴射システムを指します。

システム機能

燃料噴射システムの基本的な機能については、次のセクションで説明します。一部のシステムでは、1 つのコンポーネントが複数の機能を実行します。

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によって作動します。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。

初期の機械式噴射システムのいくつかでは、燃料を計量し、噴射圧力を生成する、比較的高度ならせん制御の噴射ポンプが使用されていました。1980 年代以降、燃料の計量を制御するために電子システムが使用されるようになりました。最近のシステムでは、燃料を計量し、点火時期やその他のさまざま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使用されています。

燃料注入

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、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。

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、各気筒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ます。したがって、吸気行程中にエンジンに吸い込まれるのは空気だけです。噴射方式は常に間欠的です（シーケンシャルまたは気筒別）。

これは空気の噴射^[4]または油圧で行うことができ、後者の方法は自動車エンジンでより一般的です。通常、油圧直接噴射システムは、シリンダーまたは燃焼室内の空気中に燃料を噴射します。直接噴射は、従来のらせん制御噴射ポンプ、ユニットインジェクター、または高度なコモンレール噴射システムを使用して実現できます。最後のシステムは、現代の自動車エンジンで最も一般的なシステムです。

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でキャブレターまたは間接燃料噴射が使用されていました。21 世紀には、ガソリンエンジンでの直接噴射の使用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ヘッダー（アキュムレーターと呼ばれる）に供給され、次にチューブを通ってインジェクターに送られ、そこで燃焼室に噴射されます。アキュムレーターには圧力を維持し、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、ソレノイド作動式ニードルバルブで開閉するノズルの助けを借りて噴霧されます。^[5]第3世代のコモンレールディーゼルは、精度を高めるために圧電インジェクターを使用しており、燃料圧力は最大300 MPaまたは44,000 psiです。^{[6]燃料インジェクターのニードルを直接駆動することにより、}Terfenol-Dアクチュエーターの主な特性を使用して、ソレノイドおよび圧電燃料インジェクターのシリンダー内効率、排出量、騒音、および燃料柔軟性の不足を克服できます。最も重要なのは、1)量子力学による生涯耐久性と、2) 各噴射イベントの全期間を通じてインジェクターニードルリフトを継続的に制御できることです。ニードルリフトは、アクチュエーターへの電流入力を直接反映します。アクチュエーター/ニードルの速度は、電圧時間率と燃料圧力によって必要に応じて増加します (燃料圧力がTerfenol-Dにプリロードされている場合)。電圧時間率を継続的に制御することで、ニードルがシートに穏やかに接触します。アクチュエーター/ニードルの遅延は、入射磁場が Terfenol-D に出入りする時間率によってのみ制限されます。拡散時間率は燃料圧力プリロードとともに増加します。^[7] ^[8] ^[9]

コモンレールシステムの種類には、エアガイド噴射^[10]とスプレーガイド噴射^[10]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、次のものがあります。

ポンペ・デューゼ^[11]
ポンプレールノズルシステム^[11]

らせん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次のものがあります。

ラノバ直噴^[12]
後室噴射^[13]
Gシステム（球形燃焼室）^[14]
ガードナー方式（半球形燃焼室）^[14]
ザウラーシステム（トーラス燃焼室）^[14]
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ていました ^{[15] 。}

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燃料エンジンで一般的です。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、空気と燃料の混合物がエンジンに吸い込まれます。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。

これらのシステムでは、連続噴射または間欠噴射設計が採用されている。^[16]連続噴射システムでは、燃料は常に燃料インジェクターから流れているが、流量は可変である。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ていたボッシュKジェトロニックシステムである。間欠噴射システムには、各シリンダーの吸気行程に合わせて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と正確に同期せずに、グループごとにシリンダーに燃料が噴射されるバッチ、すべてのシリンダーに同時に燃料が噴射される同時、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る。 ^[16]

マルチポイント注入

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。 ^[17]通常、マルチポイント噴射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、^[18] 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。^[19]

シングルポイントインジェクション

シングルポイント噴射（「スロットルボディ噴射」とも呼ばれる）^[20]は、吸気マニホールドの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1つのインジェクターを使用する。キャブレター付き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。[ ^18]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」（始動が容易、スムーズに作動、エンジンの不調がない）を提供する比較的低コストの方法であった。キャブレターのサポート部品（エアフィルター、吸気マニホールド、燃料ラインのルーティングなど）の多くは、ほとんどまたはまったく変更せずに使用できた。これにより、これらの部品の再設計とツールのコストが延期された。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年代前半から中期にかけては一部の欧州車で使用された。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（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副燃焼室（アンテチャンバーとも呼ばれる）^{[21]の2つの燃焼室があります。燃料は副燃焼室（燃焼が始まる場所）にのみ噴射され、主燃焼室には直接噴射されません。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。^[22]

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。

予燃焼室噴射^[22]
気室注入法^[23]

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

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した内燃機関の特許を取得しました。^[24]^{: 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、さらに改良しました。^[25]^{: 414}彼は、エアブラスト圧力を4～5 kp/cm ² (390～490 kPa) から65 kp/cm ² (6,400 kPa) に増加しました。^[26]^{: 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1884年にヨハネス・シュピールによって設計されました。^[27]

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最初のエンジンとなった。^[28]^[29]ホットバルブエンジンと呼ばれるこの設計では、燃料油を高圧でインジェクターに噴射するために「ジャークポンプ」が使用されていた。初期のディーゼルエンジンにおけるもう一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^[30]がエアブラスト噴射システムの欠点を回避するために発明した。予燃焼室により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。^{[23]より高圧の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^[31]の生産を開始しました。^[要出典] 1906年のAntoinette 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使用した別の初期の4ストロークエンジンでした。直接噴射を使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でした。^[32]直接噴射を使用する別の初期の火花点火エンジンは、スウェーデンのエンジニア、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でした。 ^[33]^[34]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）で動作し、 ^[35]層状充填原理を使用して、燃料を圧縮行程の終わりに向けて噴射し、スパークプラグで点火しました。

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。^[36] 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。^[37]

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、航空機用のガソリンエンジンのいくつかは直噴システムを使用していました。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噴射システムに基づいていました。^[38] 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」と呼ばれていました）に切り替えましたが、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使用していました。 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。^[39]

最初の量産型ガソリン直噴システムはボッシュ社によって開発され、当初は小型自動車用2ストロークガソリンエンジンに使用された。1950年に小型サルーンのゴリアテ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追加された。この機械制御システムは本質的に、吸気スロットルバルブの後ろの真空によって制御されるタイプの、特別に潤滑された高圧ディーゼル直噴ポンプであった。^[40]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の直列8気筒にも使用されていた。乗用車用初の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スポーツカーに搭載されて発売された。^[41]しかし、ガソリンがエンジンオイルを薄めてしまうため、エンジンの潤滑に問題が生じたため、^[42]^[43]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切り替わりました。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設計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年までにジャガーのレーシングカーに採用された。^[44]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。 ^[45]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^[46] 、SPICA ^[47]、クーゲルフィッシャーでも燃料噴射システムが製造された。

この時まで、燃料噴射システムは機械的な制御システムを使用していました。1957年に、制御システムにアナログ電子機器を使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のランブラーレベルに搭載される予定でしたが、信頼性の問題により燃料噴射オプションは提供されませんでした。 ^[48]^[49]^[50]^[51]^[52] 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提供され、電子燃料噴射（EFI）システムを使用した最初の車として知られるようになりました。^[53]

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。^[54] Dジェトロニックは1967年から1976年にかけて生産され、最初に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、エンジン速度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、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（Dジェトロニックシステムのパルス流ではなく）。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。^[55]

また、1974 年にボッシュは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の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。エンジンに入る燃料の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は制御システムにアナログ電子機器を使用していました。ボッシュの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によって制御される最初のシステムの1つでもあります）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は、別の初期のデジタル燃料噴射システムでした。^[56]^[57]これらのシステムと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年代を通じて普及し、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のときに変わり始めました。 ^[58]^[59]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、1999年のアルファロメオ156 1.9 JTDモデルに導入されたフィアットマルチジェット[ broken anchr ]直列4気筒エンジンでした。[ ⁶⁰^]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 年代初頭に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 ガスと微粒子の排出ガスの増加、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

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