ガソリン直噴エンジン

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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をシリンダー内に、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。

目次

概要 [編集]

およそ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の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ではノッキングの問題からやたら圧縮比を上げられないが、直噴は燃料噴射を行うまではディーゼル機関と同様に空気のみを圧縮するため、ノッキングをそれ程気にせず圧縮比を上げることが可能。さらに、直噴は燃料噴射の際に発生する気化熱を利用できるので、筒内温度がポート噴射に比べ下げやすいというメリットもある。その結果、低回転域でも必要十分なトルクを得ることが出来るため、低燃費と出力向上の両立が実現可能となる。
昨今のエコ路線と高出力＆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例も出てきており、トップカテゴリーであるF1エンジンもV型6気筒1.6Lのシングルターボエンジンが2014年から採用予定となっている。
なお、この特性を利用したエンジンとしてマツダのSKYACTIV-G（スカイアクティブ・ジー）が挙げられ、最新鋭ディーゼルエンジンであるSKYACTIV-D（スカイアクティブ・ディー）と共に同社の主軸エンジンとして期待されている。
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。
ドイツの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り、ターボチャージャーなどの過給機を使うことにより、自然吸気エンジンと同等の動力性能を確保したまま排気量を小型化し、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、耐ノック性の悪化による出力低下と熱問題のために燃料消費が多いと言う欠点から、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。

詳細は「ダウンサイジングコンセプト」を参照

排気ガス低減
ポート噴射エンジンと比べ、エンジン始動直後に関しては燃料の気化・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、エンジンが冷えているときでも触媒の温度が上昇するように制御できることも、排気ガス低減に寄与する。

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。
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、直噴エンジンの吸気バルブは空気しか通らない為、マニホールドからバルブまでの間で付着した汚れが落ちることは基本的にない。
燃料添加剤やハイオクガソリンで謳われる吸気マニホールド～バルブ間の洗浄作用も、直噴エンジンであるが故に意味がない。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。
メンテナンス性
更にこのすす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。
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、ノイズが発生してしまう。
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。
排気ガス（黒煙）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、燃料は一度ポート壁面に付着し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。
指定燃料
これに加えて、現在の直噴エンジンは例外[1]もあるがその大部分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。

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で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、マツダの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：三菱自動車が世界初のリーンバーン直噴エンジンGDIエンジン (4G93) を実用化し、日本国内向けのギャランと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年には世界初の「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や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）。

三菱のGDI発表後、日本と欧州のメーカーを中心にガソリン直噴エンジンが普及するが、一方で排ガス規制の強化にともない成層燃焼、希薄燃焼（いわゆるリーンバーン）を採用するエンジンは減っていく。

  • 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[2]の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型を新型ワゴンRのスポーツグレード「RR-DI」に搭載。直噴ターボでありながら10・15モード燃費 19.0km/L（2WD・4AT）で、超‐低排出ガス（U-LEV・★★★）認定と、出力はそのままに低燃費・低排出ガスを実現した。
  • 2005年：トヨタがレクサスGSの2GR-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。後の、レクサスLSに搭載された1UR-FSE（V型8気筒 4.6L）でも同様の技術を採用。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。翌2006年にはMPVにも同型エンジンを搭載したモデルが現れ、同年末登場のCX-7は全車がこのエンジンを搭載している。2007年にはプレマシーに直噴自然吸気式エンジン(DISI)のLF-VD（直列4気筒 2.0L）搭載モデルが追加された。

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]

「2ストローク機関#デイ式2ストロークエンジン」も参照

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、イタリアのビモータによる「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、プジョーとキムコのスクーターと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[3][4] OMC purchased a controlling interest in Ficht in 1998.[5][6][7][8]。

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） [9]。
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。[10][11]。

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を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]

ウィキメディア・コモンズには、ガソリン直噴エンジンに関連するカテゴリがあります。
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  1. ^ 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
  2. ^ 2.0i-VTEC I
  3. ^ "OMC and Ficht announce stategic alliance", PR Newswire, 1995年7月24日
  4. ^ " OMC Ficht fuel injection engines hit the market", PR Newswire, 1996年7月31日
  5. ^ "Marriage Made in Boat Heaven", Sarasota Herald-Tribune, 1998年12月26日
  6. ^ "Canadian, German Companies Buy Assets of Waukegan, Ill., Boating Company", St. Louis Post-Dispatch, 2001年3月26日
  7. ^ OMC Bankruptcy Sets Consumers Adrift | Boat/US Magazine | Find Articles at BNET.com
  8. ^ "2004 Clean Air Excellence Awards Recipients", EPA website, 2004年
  9. ^ Envirofit works to retrofit the Philippines
  10. ^ Ernasia project - Asian City Air Pollution Data Are Released
  11. ^ Retrofitting Engines Reduces Pollution, Increases Incomes | Worldwatch Institute
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