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、直噴ガソリンエンジンとも, 英：Gasoline Direct injection）とは、「筒内噴射」方式と呼ばれる、圧縮行程のシリンダー内に、燃料であるガソリンを、高圧で直接噴射するガソリンエンジンのことである。

燃焼の原理は異なるが、噴射にかかわる基本技術はディーゼルエンジンの無気噴射システムを基としている。

[編集] 概要

およそ50から120気圧という高圧のガソリンを、エンジンの圧縮行程でインジェクターから高圧のシリンダー内に噴射し、一般的にシリンダー内の気流（タンブル旋回流または、スワール旋回流）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の超希薄燃焼を可能にしている。成層燃焼中は、EGR（排出ガス再循環装置）を導入しても燃焼の悪化がほとんどないため、大量のEGRを導入することが可能となり、ポンピングロスの低減に非常に有効である。同時に、EGRを導入する事により燃焼温度が低く抑えられ、NOx（窒素酸化物）の排出量を低減できる。

微粒化したガソリンが点火プラグの周辺にのみ存在すれば燃焼が成立し、その周辺の空気はシリンダー壁との断熱や、燃焼時の熱を受けて膨張しピストンを押し下げる役割を果たし、従来の吸気行程に噴射する「ポート噴射」と「予混合燃焼」方式の組み合わせに比べ、熱損失の低減が図られ、結果として省燃費となる。

また、高負荷時は出力空燃比（12:1）付近での燃焼（均質燃焼）へ切り替えて吸入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、点火時期の進角が可能となり、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、バイワイヤー化した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触媒が必用となる。

近年は、希薄燃焼（リーンバーン燃焼）を行わずに理論空燃比下での燃焼（ストイキオメトリ燃焼）のみを行い、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、上述のように高圧縮比を実現しやすく、より正確な空燃比を実現できるからである。

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Bf109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DB601エンジンが開発され、Bf109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。

これを再び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。

代表的なガソリン直噴エンジンには三菱自動車工業のGDIやトヨタ自動車の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、アルファロメオのJTSなどがある。

日本では1990年代から2000年代にかけて三菱の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したが、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。

[編集] メリット

ターボチャージャーなどの過給機との相性が良く、それらと組み合わせることによって高出力化と低燃費化と低公害化とを同時に実現できる。その例が、マツダのDISIターボである。平成17年排出ガス基準75％低減レベルの低排ガス性能と低燃費を実現しながら高出力を獲得している。直噴エンジンの緻密なトルク制御により低回転域のトルクを確保しながらターボラグを抑制している。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ため、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が、低排ガスを実現できたひとつの要因である。BMWでも最新のインジェクターを装備した直噴エンジンにターボチャージャーを組み合わせたモデルが存在する。

直噴エンジンは噴射する燃料の量を調整することでエンジンの正確なトルク制御が容易であるため、無段変速機 (CVT) と組み合わせた場合にも、その正確なトルク制御のおかげでCVTベルトクランプ力を最低限に出来るメリットがあり、燃費向上に有効である。現にGDIを搭載したランサーセダン（セディアの1.5L DOHCおよび中期型までの1.8L DOHCの自然吸気モデル）およびランサーワゴン（1.8L DOHCの自然吸気モデル）、ミラージュディンゴ（後期型の1.5L DOHCモデル）のようなガソリン直噴エンジンとCVTを組み合わせた車では、非公式ではあるが燃費が20km/Lを超えるケースも確認されている^[要出典]。

[編集] デメリット

高温、高圧に耐える、また、成層燃焼のための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(皿型)のピストンなどを必要とするため、エンジン全体のコストが上がる。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。

現在でも少なからず残っている直噴ガソリンエンジンのデメリットは、シリンダー内にガソリンの燃えカスが溜まることがポート噴射式エンジンに比べて多いことである。いくつかの原因があるが、40:1を超える超希薄燃焼ではすすが発生しやすく、そのすす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。燃料噴射量が狂うとさらにすすが発生しやすくなるという悪循環が発生してしまう。さらに吸気側への一部排気の吹き戻し（主にオーバーラップ時に発生）により、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、燃焼室内にすす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。

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。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。

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混合気と一緒に吸い込み燃焼するが、直噴エンジンの吸気バルブは当然空気しか通らないため、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。よって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。

また、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のノイズが発生してしまうこともデメリットとなる。ガソリンエンジンの場合、もともと騒音が少なく、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。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。

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吸気負圧で霧化が促進されるが、負圧の発生がほぼ終了した圧縮行程の下死点～上死点間で燃料を噴射する為に霧化が促進されず、急にアクセルを踏み込んだ際などは燃料過多の不完全燃焼（リッチバーン）となり黒煙が出る。

これに加えて現在の直噴エンジンは例外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。

[編集] 歴史

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。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NOx規制に対応できなかったことから徐々に全面撤退を行った。2007年に製造終了。

1998年、トヨタ自動車はD4という名称で日本国内向けにガソリン直噴エンジンを投入する。その後2001年にアベンシスに搭載し欧州市場にも投入する。

1999年、PSA・プジョーシトロエン、ヒュンダイ、ボルボが三菱自動車からGDI技術のライセンスを獲得し、ヒュンダイはGDIのV型8気筒エンジンを開発している。ルノーも2.0 IDE (Injection Direct Essence)という名称で、メガーヌとラグナに投入する。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。

2000年：フォルクスワーゲンが、ルポにFSI (Fuel Stratified Injection) の名称で、直列4気筒 1.4Lのガソリン直噴エンジンを投入する。その後アウディ・A4などにもFSIエンジンを採用し、同グループ内の主流ガソリンエンジンとなる。PSA・プジョーシトロエン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とプジョー・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。

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希薄燃焼、成層燃焼（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^[1]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。

同年、ダイハツが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に搭載。これはユニフロースカベンジング方式の2サイクルエンジンであり、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。また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は達成しなかったが、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を実現し、総合燃費も向上している。

2004年、ゼネラルモーターズは2002年中にガソリン直噴エンジンのフルラインナップ化を計画するが、それが2004年になってやっと3機種が投入された。直列4気筒 2.2L Ecotec, 155 hp (116 kW) をベクトラとシグナムに搭載。翌年、直列4気筒 2L Ecotec ターボ付をオペル・GT、サターン・スカイ・レッドラインそしてポンティアック・ソルスティス GXPに搭載。同じエンジンを2007年にシボレー・コバルト・スーパースポーツとシボレー・HHRにも搭載。さらにいすゞ自動車は、北米市場向けSUVいすゞ・アクシオムなどにGDiを投入する。

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。

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、現在では直噴をほとんど採用していない。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、現行型クラウンなどに搭載されるGR型V型6気筒エンジンで直噴を採用した。トヨタ自動車では、現在レクサスブランドの車種でも4.3L V8エンジンを搭載したモデル以外はすべて直噴を採用している。ただし、GR型をはじめとしてこれら最近のレクサス採用のエンジンはポート噴射と併用するタイプである。

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。

2006年、メルセデス・ベンツが、上記のピエゾ式インジェクターを採用した新世代の直噴エンジンCGIをCLS350に搭載した。

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、535i、135iにも搭載した。またPSAと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。スズキは、セルボSRにて「直噴ターボエンジン+（7速）マニュアルモード付CVT」という日本初の組み合わせが実現。（公称燃費23.0km/L (10・15モード)）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・エンクレイブとその姉妹モデルにそれぞれ搭載した。

2009年、i-stop　2005年にマツダがモーターを用いることなく、エンジンの筒内点火のみで再始動する「スマート アイドリング ストップ システム」を開発したことを発表した。 これは直噴エンジンに採用可能なシステムで、再始動しやすいピストン位置でエンジンを停止し、再始動時には停止中のエンジンのシリンダー内に燃料を噴射して爆発させ、ピストンを押し下げて再始動させるものである。その後名称を「i-stop」に改め、スタータモーターを併用する方式に変更され0.35秒での再始動が可能になった。その後、2009年6月に発売された2代目アクセラの2リッターモデルに初めて搭載された。

同年、ポルシェもガソリン直噴エンジンを各モデルに投入開始し、フェラーリは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。

[編集] 2サイクルエンジンにおける直噴

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サイクルエンジンにおいてより高まる。従来の2サイクル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サイクル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^[2][3] OMC purchased a controlling interest in Ficht in 1998.^[4][5][6][7]。

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サイクル自動二輪向けの改造キットを開発した^[8]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。1億台に及ぶ2サイクルエンジンのタクシーと自動二輪が要因である^[9][10]。

[編集] ロータリーエンジンにおける直噴

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。^[要出典]

[編集] 参照

この項目「ガソリン直噴エンジン」は、工学・技術に関連した書きかけ項目です。加筆、訂正などをして下さる協力者を求めています。