コモンレール

コモンレール式直噴燃料噴射は、高圧燃料レールからソレノイドバルブに燃料を供給する直噴燃料噴射システムです。この圧力は通常、2,000 bar 、200 MPa 、または 29,000 psiを超えます。コモンレールシステムは、ユニットインジェクター（またはポンプノズル）に燃料を供給する低圧燃料ポンプとは対照的です。高圧噴射は、燃料をより多くの小さな液滴として噴射することで、表面積対体積比を大幅に高め、従来の低圧燃料噴射よりも出力と燃費の面で優れています。これにより、燃料液滴の表面からの気化が促進され、気化した燃料と大気中の酸素との結合効率が向上し、より完全な燃焼が実現します。   

コモンレール噴射はディーゼルエンジンで広く用いられている。また、ガソリンエンジンで使用されるガソリン直噴システムの基礎となっている。

1916年、ビッカース社はG級潜水艦エンジンに機械式コモンレールシステムを採用した。90°回転ごとに4つのプランジャーポンプにより、一定の噴射圧力3,000ポンド/平方インチ（210バール、21MPa ）が得られ、各シリンダーへの燃料供給はインジェクターラインのバルブで遮断された。^{[ 1 ]} 1921年から1980年まで、ドックスフォード・エンジン社は対向ピストン式船舶エンジンにコモンレールシステムを採用し、多気筒往復式燃料ポンプにより約600バール（60MPa 、8,700psi ）の圧力を発生させ、燃料はアキュムレータボトルに貯蔵された。^{[ 2 ]}圧力制御は調整可能なポンプ吐出ストロークと「スピルバルブ」によって実現された。カムシャフトで駆動される機械式タイミングバルブは、スプリング式のBrice/CAV/Lucasインジェクターに燃料を供給するために使用され、シリンダー側面からピストン間に形成された燃焼室に燃料を噴射した。初期のエンジンには、前進用と後進用の2つのタイミングカムが装備されていた。後期のエンジンでは、シリンダーごとに2つのインジェクターが装備され、最終シリーズの定圧ターボチャージャー付きエンジンには4つのインジェクターが装備された。このシステムは、ディーゼル燃料と重油（600cStを約130 ℃まで加熱したもの）の両方の噴射に使用された。     

コモンレールエンジンは、船舶や機関車などの用途で長年にわたり使用されてきました。クーパー・ベッセマーGN-8（ 1942年頃）は、油圧作動式のコモンレールディーゼルエンジンの一例であり、改良型コモンレールとも呼ばれています。

自動車エンジン用のコモンレールシステムのプロトタイプは、1960年代後半にスイスのロバート・フーバーによって開発され、その後、チューリッヒのスイス連邦工科大学のマルコ・ガンザー博士によって技術がさらに発展し、後にオーバーエーゲリのガンザー・ハイドロマグAG（1995年設立）に入社した。

道路車両に使用された最初のコモンレール式ディーゼルエンジンは、東ドイツのVEB IFA Motorenwerke Nordhausen社製のMN 106エンジンでした。これは1985年にIFA W50に1台搭載されました。資金不足のため開発は中止され、量産化は実現しませんでした。^{[ 3 ]}

コモンレールを搭載した最初の量産車は、1995年に日本で販売されました。デンソー株式会社の伊藤翔平博士と宮木正彦博士は、日野レンジャートラックに搭載されたECD-U2コモンレールシステムを開発しました。^{[ 4 ]}デンソーは、1995年に最初の商用高圧コモンレールシステムであると主張しています。 ^{[ 5 ]}

現代のコモンレールシステムは、インジェクターを機械的ではなく電気的に制御するエンジン制御ユニットによって制御されます。1990年代にMagneti Marelli、Centro Ricerche Fiat in Bari、Elasisによってプロトタイプが作成され、物理学者のMario Ricco Fiat Groupによってさらに開発されました。残念ながら、当時Fiatは財政的に苦しい状況にあったため、この設計はRobert Bosch GmbHによって買収され、改良と量産が行われました。^{[ 6 ]}このシステムを使用した最初の乗用車は、2.4L JTDエンジンを搭載した1997年のAlfa Romeo 156でした。 ^{[ 7 ]}そして同年後半には、Mercedes-BenzがW202モデルにこのシステムを導入しました。2001年には、シボレー シルバラード HDとGMC シエラ HDで使用されている6.6リットル Duramax LB7 V8の導入により、コモンレール噴射がピックアップトラックに採用されました。 2003年にダッジとカミンズがコモンレールエンジンを発売し、フォードも2008年に6.4Lパワーストロークでそれに続いた。現在では、商用車以外のディーゼル車のほぼすべてがコモンレールシステムを採用している。

The common rail system is suitable for all types of road cars with diesel engines, ranging from city cars (such as the Fiat Panda) to executive cars (such as the Audi A8). The main suppliers of modern common rail systems are Bosch, Delphi Technologies, Denso, and Siemens VDO (now owned by Continental AG).^[8]

The automotive manufacturers refer to their common rail engines by their own brand names:

• Ashok Leyland: CRS (used in U Truck and E4 Busses)
• Audi: TDI, BiTDi The "Bi" stands for BiTurbo
• BMW Group (BMW and Mini): d (also used in the Land Rover Freelander as TD4 and the Rover 75 and MG ZT as CDT and CDTi), D and SD
• ChryslerCRD
• Citroën: HDi, e-HDi and BlueHDi
• Cummins and Scania: XPI (developed under joint venture)
• Cummins: CCR (Cummins pump with Bosch injectors)
• Daimler: CDI
• Fiat Group (Fiat, Alfa Romeo and Lancia): JTD (also branded as MultiJet, JTDm, and by supplied manufacturers as TDi, CDTi, TCDi, TiD, TTiD, DDiS and QuadraJet)
• Ford Motor Company: TDCi (Duratorq and Powerstroke) and EcoBlue Diesel
• GM: VCDi (licensed from VM Motori) Duramax Diesel, Diesel and CTDI
• Honda: i-CTDI and i-DTEC
• Hyundai, Kia and Genesis: CRDi
• IKCO: EFD
• Isuzu: iTEQ, Ddi and DI TURBO
• Jaguar: d
• Jeep: CRD and EcoDiesel
• Komatsu: Tier3, Tier4, 4D95 and higher HPCR-series
• Land Rover: TD4, eD4, SD4, TD6, TDV6, SDV6, TDV8, SDV8
• Lexus: d (e.g. 450d and 220d)
• Mahindra: CRDe, m2DiCR, mEagle, mHawk, mFalcon and mPower (Trucks)
• Maserati: Diesel
• Mazda: MZR-CD and Skyactiv-D (some MZR-CD engines are manufactured by the Ford and PSA Peugeot Citroën joint venture) and earlier DiTD
• Mercedes-Benz: CDI and d
• Mitsubishi: Di-D
• Nissan: DDTi
• Opel/Vauxhall: DTI, CDTI, BiTurbo CDTI, CRI, Turbo D and BiTurbo D
• Porsche: Diesel
• Proton: SCDi
• Groupe PSA (Peugeot, Citroën and DS): HDi, e-HDi or BlueHDi (developed under joint venture with Ford) – See PSA HDi engine
• Renault, Dacia and Nissan: dCi and BLUEdCi (Infiniti uses some dCi engines as part of the Renault-Nissan Alliance, branded d)
• Saab: TiD (The 2.2 turbo diesel engine was also called "TiD", but it didn't have Common rail) and TTiD The double "T" stands for Twin-Turbo
• SsangYong: XDi, eXDI, XVT or D
• Subaru: TD, D or BOXER DIESEL (as of Jan 2008)
• Suzuki: DDiS
• タタ：2.2 VTT DiCOR （ Safariなどの大型SUVクラスで使用）、VARICOR （ Safari Storme、Aria、Hexaなどの大型SUVクラスで使用）、1.05 Revotorq CR3 （ TiagoおよびTigorで使用） 、 1.5 Revotorq CR05（NexonおよびAltrozで使用）、1.4 CR4 （ Indica、Indigoで使用）、3.0 CR4 （ Sumo goldで使用）、1.3 Quadrajet（Fiatが供給し、 Indica Vista、Indigo Manza、Zestで使用）、2.0 Kryotec（これもFiatが供給し、SUV Harrierおよび新型Safariで使用）、3.3 L Turbotronnおよび5L Turbotronn（M&HCVトラックで使用）。
• トヨタ：D4-D
• フォルクスワーゲングループ（フォルクスワーゲン、アウディ、セアト、シュコダ）：TDI （より新しいモデルは、以前のユニットインジェクターエンジンとは異なり、コモンレールを使用）。ベントレーは、ベンテイガのディーゼルを単にディーゼルと呼んでいます。
• ボルボ：D、D2、D3、D4、D5エンジン（一部はフォードとPSAプジョーシトロエンが製造）、ボルボペンタDシリーズエンジン

ソレノイドバルブまたは圧電バルブにより、燃料噴射のタイミングと量を電子的に精密に制御することが可能になり、コモンレール技術によって得られる高圧により、燃料の微粒化が向上します。エンジンの騒音を低減するために、エンジンの電子制御ユニットは、主噴射イベントの直前に少量のディーゼルを噴射（「パイロット」噴射）することができ、これにより爆発性と振動が低減され、燃料品質の変化、冷間始動などに応じて噴射のタイミングと量が最適化されます。一部の先進的なコモンレール燃料システムでは、1ストロークあたり最大5回の噴射が行われます。^{[ 9 ]}

コモンレールエンジンは、周囲温度にもよるが、非常に短いか全く予熱時間を必要としず、旧式のシステムよりもエンジンの騒音と排出ガスが少ない。^{[ 10 ]}

ディーゼルエンジンは、歴史的に様々な燃料噴射方式を採用してきた。代表的なものとして、ユニットインジェクションシステムとディストリビューター/インラインポンプシステムが挙げられる。これらの旧来のシステムは、燃料量と噴射タイミングを正確に制御できるものの、いくつかの制約がある。

• これらはカム駆動式であり、噴射圧力はエンジン回転数に比例します。これは通常、最高の噴射圧力は最高のエンジン回転数でのみ達成でき、エンジン回転数が低下するにつれて達成可能な最大噴射圧力も低下することを意味します。この関係は、コモンレールシステムで使用されるものも含め、すべてのポンプに当てはまります。ユニットシステムまたはディストリビューターシステムでは、噴射圧力はアキュムレータなしで単一のポンピングイベントの瞬間圧力に結び付けられるため、この関係はより顕著で厄介なものとなります。
• これらのシステムは、1回の燃焼イベント中に制御できる噴射イベントの数とタイミングに制限があります。複数の噴射イベントはこれらの旧式システムでも可能ですが、実現するにははるかに困難でコストがかかります。
• 一般的なディストリビューター／インラインシステムでは、噴射開始は所定の圧力（ポップ圧力と呼ばれることが多い）で行われ、噴射終了も所定の圧力で行われます。この特性は、シリンダーヘッド内の「ダム」インジェクターによって実現されます。インジェクターは、インジェクター内のプランジャーにかけられるスプリングの予圧によって決まる圧力で開閉します。インジェクター内の圧力が所定のレベルに達すると、プランジャーが持ち上がり、噴射が開始されます。

コモンレールシステムでは、高圧ポンプが燃料を高圧（最大2,000バール（200MPa 、29,000psi ）以上）で貯蔵します。「コモンレール」とは、すべての燃料インジェクターが共通の燃料レールから燃料を供給されることを指します。この燃料レールは、燃料が高圧で貯蔵される圧力アキュムレータに他なりません。このアキュムレータは、複数の燃料インジェクターに高圧燃料を供給します。これにより、高圧ポンプの役割は、目標圧力（機械的または電子的に制御）を維持するだけで済むため、簡素化されます。燃料インジェクターは通常、エンジン制御ユニット（ECU）によって制御されます。燃料インジェクターが電気的に作動すると、油圧バルブ（ノズルとプランジャーで構成）が機械的または油圧的に開き、燃料が所定の圧力でシリンダーに噴射されます。燃料圧力エネルギーは遠隔で蓄積され、インジェクターは電気的に作動するため、噴射開始時と終了時の噴射圧力はアキュムレータ（レール）内の圧力に非常に近くなり、結果として噴射速度は方形になります。アキュムレータ、ポンプ、および配管のサイズが適切であれば、複数回の噴射イベントそれぞれにおいて、噴射圧力と噴射速度は一定になります。  

Third-generation common rail diesels now feature piezoelectric injectors for increased precision, with fuel pressures up to 2,500 bar (250 MPa; 36,000 psi).^[11]

• Hydraulically actuated electronic unit injection
• Unit pump
• Water sensor

• コモンレール直噴システム（CRDIシステム）の仕組みと利点
• CRDIエンジンの動作原理に関する簡単な概要
• コモンレールの仕組みを説明するアニメーション