ガソリン直噴エンジン

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』
移動: 案内検索

ガソリン直噴エンジン(ガソリンちょくふんエンジン、英語:Gasoline Direct injection engine)とは、燃料であるガソリンシリンダー内に、高圧で直接噴射するガソリンエンジンのことである。「筒内噴射」方式と呼ばれる。

概要[編集]

50から200気圧という高圧のガソリンを、エンジンの吸気行程~圧縮行程でインジェクターからシリンダー内に直接噴射し、点火プラグによる火花放電により着火するものである。世代によって、以下の分類がなされる。

成層燃焼[編集]

シリンダー内の気流を利用して、点火プラグ付近に燃焼可能な混合比の層(成層燃焼)を形成することで、シリンダー内全体としては空燃比20:1から55:1の超リーンバーンを可能にしている。リーンバーンにより、以下の理由で燃費が向上する。

  1. ポンピングロスの低減
  2. 比熱比改善
  3. 冷却損失改善

また、高負荷時は出力空燃比(12:1)付近での燃焼(均質燃焼)へ切り替えて吸気行程でガソリンを噴射する。この際、ガソリンの気化熱によりシリンダー内の吸気が冷却されることで充填効率(酸素濃度)が向上し、高出力が得られる。

燃焼モード切替時(超希薄空燃比 ⇔ 理論空燃比)には必要とする吸入空気量に大きな差があり、また切り替え時のトルク変動を抑えるため、スロットルバルブの動作には、電子制御スロットルを用いる場合が殆どである。

希薄燃焼時の排出ガスは酸素過多の状態にあり、従来の三元触媒ではNOx還元作用が期待できず、リーンバーン時にはNOxを吸蔵し、理論空燃比よりもリッチな状態になった場合に還元するNOx還元触媒が必要となる。 排ガス規制の緩かった初期のガソリン直噴エンジン車では、鼻を突く独特な匂いの排出ガスを出すものがある。

均質燃焼[編集]

理論空燃比下での燃焼(ストイキオメトリ燃焼)を行い、燃費や出力の向上だけでなく低排出ガス化を図ったガソリン直噴エンジンも増えた。希薄燃焼を行わない場合でも燃費に有効なのは、

  1. 過給吸気を利用し、エンジンの排気量を小型化する(ダウンサイジング)コンセプトと相性が良いこと
  2. 高圧縮比が可能
  3. 耐ノック性の向上

によるものである。

特色[編集]

メリット[編集]

出力向上
ポート噴射エンジンと比較して圧縮比を高くできる[1]。これは、ガソリン直噴エンジンでは燃料噴射前はディーゼル機関と同様に空気のみを圧縮するのでノッキングしないこと、さらに燃料噴射後の燃料が気化熱を吸収することで筒内温度がポート噴射に比べ下がることとによる。その結果、全回転域でのトルクを高められ、高効率すなわち低燃費と出力向上との両立が実現しやすい。
燃料消費削減と高出力&軽量化の両立が出来る事からレースエンジンとしての採用も増えつつあり、例えばトップカテゴリーであるF12014年からのパワーユニットは、ガソリン直噴のV型6気筒1.6Lシングルターボエンジンを使用するものに限定されている。
ダウンサイジング
上記の耐ノック性を活かしたモノとして、過給機を利用したエンジン排気量および気筒数の大幅削減が挙げられる。ドイツフォルクスワーゲンの主軸となっているダウンサイジングコンセプトがこの代表例である。
排気量・気筒数を少なくして機械損失を減らしたガソリン直噴エンジンにターボチャージャーなどの過給機を組み合わせることで、大排気量の自然吸気エンジンと同等の動力性能を確保したまま巡行時の燃費を向上させるエンジン設計が、この方式の肝となっている。類似点が多いディーゼルエンジンも過給機との相性がよく、ディーゼルエンジンのノウハウに卓越しているヨーロッパメーカーらしいエンジンとも言える。
なおポート噴射エンジンでも過給吸気は可能であるが、ノッキング対策による効率低下と熱問題のための無駄な燃料消費とにより、燃費向上を狙ったダウンサイジングコンセプトを成立させることは難しく、ガソリン直噴エンジンならではの技術と言える。
排気ガス低減
ポート噴射エンジンと比べ、エンジン始動直後の冷間時には燃料の気化・霧化に優れるため、排気ガス低減に寄与する。
またポート噴射よりも直噴の方が排気温度の制御が行いやすい為、冷間時の触媒の温度上昇を速めるように制御できることも、排気ガスの有害成分低減に寄与する。

デメリット[編集]

高コスト
高温・高圧に耐える、噴霧を最適化した専用のインジェクターや高圧の噴射ポンプ、特殊な形状(冠面がくぼんだ)のピストンなどを必要とする為、エンジン全体のコストが上がる。
なお、熟成が進んだポート噴射式の燃料噴射装置はこの限りではなく、現在では安価に生産できる。
指定燃料
現在の直噴エンジンは例外[2]もあるがハイオク燃料仕様となっていることが多い。これは負荷状態によって燃料を圧縮中に噴射する場合と吸気中に噴射する場合、もしくはその両方があるためであり、もともと直噴エンジンは構造上高圧縮比にしていることが多いため、オクタン価が低いとノッキングの原因となってしまい、エンジン故障の原因ともなるからである。
燃焼室内に堆積しやすいカーボンを、添加されている洗浄剤で落とす目的もある。
排気ガス悪化
筒内で混合気を作り出す関係で、ポート噴射エンジン以上に霧化が難しく、結果として高圧多孔インジェクターで強制的に霧化させている。ポート噴射エンジンでは、液体のままポート壁面に付着した燃料も時間をかけて気化がされるが、直噴エンジンでは燃料噴射後に気化する時間が十分に無い為、黒煙発生の素となる。
通常のガソリンエンジンに比べ、ガソリン由来のPM2.5(粒子状物質)の排出量が5~10倍以上あるため、対策が必要とされている[3]。また下記のような煤(カーボン)由来の問題を発生させる。
煤によるトラブルの増加
オイル汚れ
上記のススの一部は燃焼室内に残留してエンジンオイルによって回収されるためオイル汚れが激しいので、ポート噴射式に比べてオイル交換サイクルを短くしたほうがよい。実際、GDIエンジンが登場した当時は現在のオイルほど清浄分散剤(すすなどを微粒化させる)の添加量がなかったために、主にこの配合量を増やした「GDIエンジン専用オイル」なるものが三菱のGDI車用純正オイルとして使用されていた。この問題と三菱の不祥事が起因する経営不振が、GDIを主力エンジンとするプロジェクトを頓挫させる原因となった。
現在一般的に販売されている規格のオイル(SJ以上)ではどのオイルを使ってもほとんど問題はないが、やはりオイル交換サイクルを短めにしたほうが良いことに変わりはない。
燃焼室内における煤の堆積
ポート噴射式エンジンに比べて、シリンダー内にガソリンの燃えカスが溜まることが多い。40:1を超える超希薄燃焼ではすすが発生しやすく、その煤がインジェクターノズルに付着すると適正な燃料噴射ができなくなることが主な原因である。さらに、ポート噴射式に比べ燃料噴射のコントロールがシビアで、燃料噴射量が狂うと更に煤が発生しやすくなるという悪循環が発生してしまう。
吸気系における煤の堆積
吸気側への燃焼ガスの吹き返し(主にオーバーラップ時に発生)により、マニホールド~吸気バルブ間にカーボンが堆積する。通常のポート噴射エンジンでは、オーバーラップによる吹き返しなどでマニホールド~吸気バルブ間に堆積したカーボンを、噴射された燃料が洗い流し、混合気と一緒に吸い込み燃焼する。しかし直噴エンジンではマニホールドからバルブまでの間には噴射された燃料はなく、たとえ燃料添加剤やハイオクガソリンを使用してもこれらで謳われる吸気マニホールド~バルブ間の洗浄作用は働かず、この間に付着した汚れを落とすことはできない。
この為吸気系にカーボンがより堆積し易く、渦流生成用バルブにカーボンが付着してバルブが故障し、必要な渦流が発生しないため燃料がうまく空気と混合せず異常燃焼を起こしたり、点火プラグが燻るなどしてエンジン不調に陥る事例もある。また、バルブとバルブシートの当たりが悪くなり、極端なパワーダウンなど、燃焼室が密閉されないことで発生するトラブルも起こりうる。
燃焼安定性の悪化
燃焼室内に煤が付着すると燃料の気化速度が狂ってしまう。主な症状としてはエンストアイドリングの不安定、異常な黒煙、不安定なエンジン音、出力の低下、燃費の悪下などである。
新型のエンジンでは、ピストントップと燃焼室形状の最適化や、インジェクターの改良、フィードバック制御の高度化などによりそれらの症状が出ることは少なくなったが、いまだに耐久性や信頼性、整備性にはいささか疑問が残る。例えば、通常モデルでは直噴を採用していても、特殊用途の車両(警察車両など)ではポート噴射となっている例や、日本国内では直噴を採用しているモデルても、海外向けではポート噴射となる例がある。主に整備性や、仕向け地の排出ガス基準でそのような変更を行っているようである。
ノイズ
ガソリン直噴エンジンに欠かせない高圧インジェクターが、ノイズを発する。ガソリンエンジンの場合、元来騒音が少なく、その音が目立ってしまう。車室内ではほとんど聞こえないが、車外で聞くとカタカタ、カチカチという耳につく音となる。エンジンによってはディーゼルエンジンに近い音が聞こえる場合がある。
この問題は共通点が多いディーゼルエンジンも同様であるが、インジェクターの改良やエンジンルームの遮音・吸音材である程度は改善されている。

歴史[編集]

世界初の実用筒内直噴ガソリンエンジンとしては、第二次世界大戦中においてドイツメッサーシュミットMe109用に開発された航空機用エンジンJumo 210Gがある。現代の自動車用エンジンとは異なり、主目的は、高G下での燃料の安定供給と、過給機による高ブースト圧状態での高出力化のためであった。この技術はドイツのボッシュが世界に先駆けて完成させた、ディーゼルエンジンの無気噴射システムの応用である。その後ダイムラー・ベンツにより開発されたDB 601エンジンがMe109に搭載されたため、直噴ガソリンエンジンとしてはこちらのほうがより有名である。またこのエンジンは日本でもライセンス生産されている。航空機用エンジンとして先んじて実用化できたのは、航空機は自動車と比較してエンジンのスロットル操作の頻度が極めて少ないからである。

これを自動車用としたものが、戦後の1954年メルセデス・ベンツ 300SLに搭載されている。ただし明らかに当時の技術では無理があり、燃料ポンプは点火を止めてもエンジンが停止するまでガソリンを噴射しつづけたため、シリンダの壁面からオイルを洗い流し、頻繁なオイル交換が必要といった問題を生じた。

しかしスロットルの電子制御の技術が確立したため、1990年代から2000年代にかけて三菱自動車工業のGDIを先駆けとして、各メーカーが次々と直噴エンジンを投入する事となった。三菱以外にはトヨタ自動車のD-4、本田技研工業のi-VTEC I、日産自動車のNEO Di、マツダDISI TURBO/DISI、欧州ではフォルクスワーゲングループのFSI/TSI、メルセデス・ベンツのCGI、アルファロメオのJTSなどがある(アルファロメオJTSは三菱自動車からの技術供与によってGDIエンジンを元に開発されたもの)。

最近では排ガス規制等との兼合いや、メンテナンスの難しさ(カーボン発生による不具合の頻発)などから、各社とも再びポート噴射型のエンジンに戻りつつある。また、未だに直噴を採用しているメーカーにおいてもポート噴射と併用することによって、ポート噴射でノッキングを起こさない程度の燃料を予混合し均質化した空気をシリンダに吸入させ、シリンダ内のインジェクタノズルによって噴射した微量の燃料に点火することによって燃料を完全燃焼させるという方法で直噴エンジンの燃費のよさを活かしつつ、カーボンの発生を抑えて、不具合の減少を図っている。

海外では日本とは異なり、2000年代以降直噴エンジンを採用するメーカーが増えてきている。年々厳しくなる排ガス規制や燃費基準に対応するために、均質燃焼タイプの直噴エンジンを採用している。さらに、大排気量自然吸気エンジンを小排気量過給器付きエンジンに置き換えて、パワーと燃費をバランスさせる動き(ダウンサイジングコンセプト)が欧州メーカーを中心に加速しているが、その際過給器との相性が良く燃費の向上も図ることが出来る直噴技術は必要不可欠なものとなってきている。

最近の様子としては、メーカーによって直噴に対する評価が分かれているということである。日産では、一時は大排気量エンジンに直噴を積極的に採用していたが、排ガス規制に適合するために一時期ラインアップから消滅、その後技術的進歩などによって再び採用を始めている。トヨタでは、以前は一部車種に限定して直噴エンジンを搭載していたが、主力ミニバンなどでも採用した。また、12代目クラウンなどに搭載されるGR型V型6気筒エンジンではポート噴射と直噴を併用するD-4Sを採用した。トヨタ自動車では、現在レクサスブランドの車種でもGR型およびUR型エンジンを搭載したモデルはすべてD-4Sを採用している。マツダでは、直噴の制御性の高さを利用したアイドリングストップシステム「i-stop」、また圧縮比14:1を実現したSKYACTIV-Gなど、積極的に展開している。

ボッシュの開発したピエゾ式インジェクターにより数回に分けた噴射等と空間混合が可能になり、従来の成層燃焼時の問題が幾つか解決された。その技術は現在メルセデス・ベンツやBMWのエンジンに採用されている。

年表[編集]

第二次世界大戦中:ドイツでメッサーシュミットBf109用に開発された倒立V型12気筒航空機用エンジンJumo 210Gに使用される。

  • 1954年:メルセデス・ベンツ・300SLにおいてガソリン直噴エンジンが使用される。これが市販乗用車初のインジェクション車でもあった。航空機用技術の流用であった。
  • 1996年:三菱自動車が量産自動車世界初のリーンバーンガソリン直噴エンジンGDIエンジン (4G93) を実用化し、日本国内向けのギャランレグナムに搭載することにより、自動車市場にガソリン直噴エンジンが復活する。その後2000年には量産自動車世界初の「ガソリン直噴+ターボチャージャー」エンジンを開発するなど全車GDI化を目指し、後に欧州向けのカリスマV型6気筒 3.5Lの6G74エンジン なども発表したものの高い製造コストそして期待されたほど燃費性能が発揮されないこと、さらに日本国内でのNOx規制に対応できなかったことから搭載車種を徐々に減らし、2007年に製造を終了した。
  • 1997年日産自動車はNeo Diという名称でレパードにガソリン直噴エンジンを投入(なお2010年より日産ではガソリン直噴エンジンに「DIG」という愛称を使用している)。
ルノーが2.0 IDE (Injection Direct Essence)という名称で、メガーヌラグナに投入する。なおルノーのシステムはリーンバーンよりむしろ、低負荷時のEGR効率を高める設計であった。
PSAも三菱からライセンスを受けたGDI技術をHPiの名称で、シトロエン・C5プジョー・406に採用する(EW10 D型エンジン、2L 16V 140hp/104kW)。
  • 2002年アルファロメオもGDIのパテントを得て、JTSという名称で156から採用し、以後同ブランドの主流ガソリンエンジンとなる。
ダイハツミラに直噴エンジンEF-VD型を追加。これにアイドリングストップシステム「DAIHATSU STOP AND GO SYSTEM」を組み合わせることにより、30.5km/Lという低燃費を実現させた。
  • 2003年:ホンダが排ガス規制強化後、成層燃焼を可能にしたi-VTEC I[4]K20B(直列4気筒 2.0L)をストリーム・アブソルートに採用する。しかしながら、後のストリームのフルモデルチェンジによりエンジンが変更され、2007年1月時点でiVTEC Iを搭載した車種はなくなった。
スズキは軽自動車初となる直噴ターボエンジンK6A型ワゴンRのスポーツグレード「RR-DI」に搭載。10・15モード燃費 19.0km/L(2WD・4AT)および超‐低排出ガス(U-LEV・★★★)認定と、直噴ターボで出力はそのままに低燃費・低排出ガスを実現した。
ダイハツ東京モーターショーに参考出品したコンセプトモデルaiに、ユニフロースカベンジング方式後述)の2サイクルエンジンを搭載。これは軽自動車の小排気量でトルクを確保するものであった。車体ともども商品化は果たされていない。
BMWはガソリン直噴のV型12気筒エンジン、N73型を発表。このエンジンは当初リーンバーンではなかったが、2006年に第2世代に進化した直列6気筒のN52型ではリーンバーンとし、総合燃費も向上している。
いすゞ自動車は、北米市場向けSUVアクシオムDIGE(直噴エンジン)化した 6VE1Wを投入する。
  • 2005年:トヨタがレクサスGS2GR-FSE(V型6気筒 3.5L)でD4-Sと呼ばれる、筒内直接噴射用インジェクターとポート噴射用インジェクターの両方を搭載し、状況に応じて2つのインジェクターを組み合わせることができる技術を世界で初めて採用。
マツダがマツダスピードアテンザにL3-VDT(直列4気筒 2.3L ターボチャージャー付)を採用し、同社初のガソリン直噴は過給器付エンジン(DISIターボ)となった。2007年にはプレマシーに自然吸気のガソリン直噴エンジン(DISI)のLF-VD(直列4気筒 2.0L)搭載モデルが追加された。
  • 2007年:BMWが直列6気筒ガソリン直噴+ツインターボのN54エンジンを発表し、335iクーペを皮切りに、335iセダン、535i135iにも搭載された。
BMWとPSAが共同で新開発した直列4気筒1.6Lツインスクロール直噴ターボチャージャー(最高出力175ps)エンジンが、まず2代目ミニ・クーパーSに搭載された。
スズキセルボSRにて、「直噴ターボエンジン+マニュアルモード(7速)付CVT」という日本初の組み合わせで(10・15モード燃費 23.0km/L)を実現。
ゼネラルモーターズは、V型6気筒 3.6LのLLTエンジンをキャデラック・CTSとSTSビュイック・アンクレイブとその姉妹モデルにそれぞれ搭載した。
フェラーリカリフォルニアに同社初となるガソリン直噴エンジンを搭載。

2サイクルエンジンにおける直噴[編集]

クランクケース圧縮式2ストロークエンジンの直噴化[編集]

有害な排出物の発生を抑えることができるため、直噴の恩恵は2ストロークエンジンにおいてより高まる。従来の2ストロークエンジンでは吸気時に排気口が同時に開くため、排気ガス中に未燃焼ガスが含まれるのを避けることはできなかったが、直噴により解決する。

一般市販の自動二輪車では、イタリアビモータによる「500 V-Due」(500 ブイ-ドゥエ)で採用され発売された。スピードメーターの目盛りも320 km/hまで刻まれており、500ccでありながら110馬力、トルクは9.0キロと当時のオートバイ専門誌でインパクトのある記事が掲載されていたが、実際には制御用コンピューターはじめ多くの点で技術的に不完全なところも多く、期待されていた性能は出なかったこともあり、モデルチェンジの際に通常のキャブレター仕様になっている。

低圧空気式と高圧式の2種類の直噴が2ストロークエンジンに使用されている。オーストラリアのオービタル社が燃料と空気の混合気を燃焼室に噴射するエンジンを開発した。空気は膨張して燃料は8μm径の油滴になる。他の直噴形式では油滴は20〜30μmである。オービタル社(Orbital Australia)のシステムはアプリリアピアジオ、プジョーとキムコスクーター船外機の製造企業であるマーキュリー社と東発によるボンバルディア向けに使用されている。

1990年代初頭、フィヒト社 (Ficht GmbH) は高圧噴射式の2サイクルエンジンを開発した。噴射装置は他に類を見ないもので、高圧ポンプを持たずに、閉鎖された燃焼室で噴射する充分な圧力を得る事ができるものだった。船外機の製造会社であるアウトボード・マリーン・コーポレーションが1995年に許諾を得て1996年から船外機を製造している[5][6] OMC purchased a controlling interest in Ficht in 1998.[7][8][9][10]

ヤマハ発動機もまた、高圧直噴エンジンの船外機を開発した。

コロラド州立大学の支援を受けて非営利企業のEnviroFitは東南アジアにおける大気汚染を減らすため、オービタル社の開発した技術を基に2ストローク自動二輪向けの改造キットを開発した。(フィリピンなど、対策、TV映像[11]
世界保健機関 (WHO) は東南アジアと太平洋において大気汚染によって毎年、537,000人が死亡していると報告している、大気汚染の原因となる、1億台に及ぶ2ストロークエンジンのタクシーと自動二輪の排気ガスを改善する。[12][13]

ユニフロースカベンジング式2ストロークガソリン直噴エンジンの可能性[編集]

2ストローク方式のレシプロ内燃機関は上記クランクケース圧縮式の他に、ルーツブロアによる強制掃気を行うユニフロースカベンジング式が存在する。かつては、バス・トラック用及び電気式ディーゼル機関車用として一世を風靡した中型高速ディーゼルエンジンの1形態であった。

クランクケース圧縮式同様吸気の吹き抜けが起き、またクランクケース圧縮式より構造上複雑になるため、市販車用のガソリンエンジンには使用されていない構造だった。しかし、直接噴射式であれば吸気吹き抜けによる未燃ガソリンの放出がなくなる。

この方式でガソリン直噴エンジンを製作するメリットとしては、4ストロークエンジンと比較した場合、従来キャブレター式やポート噴射インジェクター方式に比してトルク不足となることから、コンパクトカー・軽自動車クラスのエンジンの政策が難しかったが、爆発回数が倍になるためトルクが増しトルクの増大・小排気量化が可能となる。2ストロークエンジンとしては、クランクケース圧縮式と異なり、4ストローク機関と同等のクローズした潤滑系統になり、エンジンオイルを燃やすことがない為、排ガス浄化の面で有利になる。と言った点がある。

この事から1980年代後半から、BMWトヨタ自動車ダイハツ工業などが研究・開発を行っていた。

しかし、クランクケース圧縮式と異なり4ストロークエンジン同様のバルブ機構(排気のみ)があり、しかもSOHC化が難しくOHVに甘んじなければならない、また同一回転数での爆発回数が倍になることから回転数の限界が4ストロークエンジンに比べて低いなどのデメリットから、BMW、トヨタ自動車はエンジンの一応の完成まで見たものの、その後はその技術を4ストロークのリーンバーンエンジンへと応用したに留まった。ダイハツ工業は、2003年に車両本体まで完成したコンセプトモデルai東京モーターショーに参考出展するが、これも市販化には至っていない。

ロータリーエンジンにおける直噴[編集]

MAZDAは、RX-8に搭載された13B-MSPエンジンをベースに直噴化の研究を進め、排気量を拡大させた16Xという直噴化を取り入れた試作エンジンを公表した。しかしもともと吸入・排気ともサイドポート化されたロータリーエンジンは煤の発生が多い傾向にあり、直噴化によってそれがさらに悪化すること、燃費の向上が僅かであったこと、スポーツカーブームの終焉やリーマンショック以降の不景気により、開発は中断された。

脚注[編集]

[ヘルプ]
  1. ^ 直噴を採用したマツダのSKYACTIV-Gは、量産ガソリンエンジンとしては世界一の圧縮比14.0を実現している。
  2. ^ トヨタの1AZ-FSEなどはレギュラーガソリン指定のものがある
  3. ^ 直噴ガソリン車のPM2.5排出、従来車の10倍以上 - 日本経済新聞
  4. ^ 2.0i-VTEC I
  5. ^ "OMC and Ficht announce stategic alliance", PR Newswire, 1995年7月24日
  6. ^ " OMC Ficht fuel injection engines hit the market", PR Newswire, 1996年7月31日
  7. ^ "Marriage Made in Boat Heaven", Sarasota Herald-Tribune, 1998年12月26日
  8. ^ "Canadian, German Companies Buy Assets of Waukegan, Ill., Boating Company", St. Louis Post-Dispatch, 2001年3月26日
  9. ^ OMC Bankruptcy Sets Consumers Adrift | Boat/US Magazine | Find Articles at BNET.com
  10. ^ "2004 Clean Air Excellence Awards Recipients", EPA website, 2004年
  11. ^ Envirofit works to retrofit the Philippines
  12. ^ Ernasia project - Asian City Air Pollution Data Are Released
  13. ^ Retrofitting Engines Reduces Pollution, Increases Incomes | Worldwatch Institute