燃料噴射装置

概要

ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関では燃料をシリンダー内部で一瞬で爆発的に燃焼させるため、液体の燃料を霧状にしてシリンダーに送り込む必要がある。ガソリンエンジンの燃料を「気化」する原理は、ベンチュリー効果と呼ばれる原理を使用するものと、圧力を加えた燃料を小孔から噴出させる、スプレー効果を利用する2つの方式がある。
実用的な燃料気化装置としてまず実用化されたのは、ベンチュリー効果を利用した、より簡便で単純なキャブレターであり、20世紀中には広く用いられた。しかしキャブレターは次第に技術的、環境的限界に直面するようになり、また電子技術の進歩に伴い、21世紀は自動車用途では電子燃料噴射装置がほぼ全面的に採用され、キャブレターを駆逐した。
一方で作動には電源はじめ、加圧ポンプやコントロールユニットなど補機類が必要で、装置の構造が複雑精密、かつ高価になることから、一部の可搬式作業機械用エンジンなどでは、キャブレターがいまだに使われている。

歴史

キャブレターは気圧や温度といった外気の状態変化に左右されやすく、高度で大気状態が極端に変化する航空機では状況に応じた対応が難しかった。また重力を利用しているため、装置の上下が逆になったり、逆Gがかかる機動を行う戦闘機用途では、燃料が途切れてエンジンが停止する問題があった。そのためスプレー噴射方式が早くから研究され、あるものは機械式燃料噴射装置として実用化された。
機械式燃料噴射装置は第二次世界大戦終結までのドイツ空軍で航空用エンジンとして盛んに用いられた。メッサーシュミット Bf109は、他国の戦闘機がキャブレターを搭載していた当時に燃料噴射装置を採用し、マイナスGのかかる逆宙返りや背面飛行が可能だった。日本やイタリアでもライセンス生産され、燃料噴射装置は三菱重工業が開発・製造した航空機用エンジンの火星後期型や金星末期型に採用された。
自動車への適用は1954年に発表されたメルセデス・ベンツ・300SLが最初であり、同時に自動車用としては世界初のガソリン直噴エンジンでもあった。その後アメリカ、特にカリフォルニア州で環境意識の高まりから排ガス規制が厳格化されると、汚染物質の排出原因である、シリンダー内の燃料の不完全燃焼問題を解決するため、より精密なエンジン制御が求められるようになった。これは機械式キャブレターでは対応しきれない要求であった。そこで自動車メーカー各社は当時発達しつつあったデジタル技術による燃料供給の制御化に積極的に取り組み、燃料噴射は車載マイコンのエンジンコントロールユニット（ECU）のプログラムに制御されるようになり、噴射量や噴射タイミングをエンジンの負荷や回転速度といった運転状況に応じてきめ細かく変化させるようになった。これにより排出ガスに含まれる有害成分を低減することだけでなく、出力や始動性の向上、燃費の改善が可能となった。
レシプロエンジンの民間用航空機では電子制御式燃料噴射装置の採用は、電子制御の信頼性が確立されていないなどの理由で自動車用に比べるとやや遅かったが、1990年代以降はほぼ全面的に置き換わった。高度により大気圧（空気密度）が変化する航空機では空燃比コントロール操作が操縦者の負担であったが、電子制御により自動化が容易となった。
オートバイでは1980年代に本田技研工業が電子制御の燃料噴射装置付きエンジンを実用化し、日本国内市販車では1982年（昭和57年）に川崎重工業のZ750GP（Z750V1）に初めて採用された。2003年（平成15年）10月3日には本田技研工業が原動機付自転車用49 cc4ストロークエンジンエンジンを搭載した。2004年（平成16年）10月にスズキが燃料を重力落下式とし、燃料ポンプと噴射ノズルを一体化したディスチャージポンプ式49 cc4ストロークエンジンをレッツ4に搭載した。この方式では燃料ポンプと高圧に耐える燃料パイプが不要となり、コストを低減させるとともに機構の信頼性を確保した。オートバイ用として燃料噴射装置が普及するようになるとスロットル開度に対するエンジン出力上昇が急速な特性を緩和する方策をとる車種も登場した。これは1つの吸気経路に2つのバタフライバルブを直列に設け一方をアクセルワイヤーで動作。もう一方はECUで制御されたアクチュエーターモーターで動作させるツインバルブとも呼ばれる機構で、ECU制御バルブは運転手の操作に対するスロットル開度の応答を抑える働きをする。排気量が比較的大きな車種に採用される。
2ストロークエンジンでは、船外機やスノーモービルで採用されている。1990年代に本田技研工業がレース用バイクのNSR500に採用したが、市販車への採用は見送られた。海外ではビモータが1997年に筒内直噴インジェクションを採用した500V dueを市販したが、制御面での不具合が頻発し早期に販売を終了している（この失敗が同社が倒産する最大の要因になった）。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。

動作原理

燃料タンクに備え付けられた燃料ポンプにより燃料系統パイプに常時高い圧力（燃料圧力）が掛けられる。燃料系統パイプの末端に設けられたインジェクターは、電気信号の入力で内部のプランジャーが作動、もしくは機械式噴射ポンプによって高圧となった燃料により開弁することで、スプレーチップ先端のノズルからインテークマニホールド内の吸気ポート付近に燃料を噴射する。
電子制御式インジェクターは1分間に噴射できる燃料（300cc/min等の数値で判別できる）が定められており、エンジンの排気量や性能に応じて最適な容量のインジェクターが設計時に選択される。規定噴射量はごく簡単にはキャブレターにおけるメインジェットと同様に、先端のノズルの孔径によってほぼ決定され、孔が大きくなる程同じ燃料圧力でもより多くの燃料が噴射できる。逆に、ノズルの孔径が同じであっても規定の燃料圧力が異なる場合には燃料圧力が高い程より多くの燃料を噴射できる。
実際にエンジン内に噴射される燃料の量はインジェクターの1分当たり噴射量と開弁時間、及び燃料圧力レギュレータによって決定された燃料圧力によって制御されている。基本的な噴射時間はエアフロメーターで計測された吸入空気量により決定されるが、そのままではラフなアクセル操作などにより急激に燃調が濃くなった際にエンジンが不調となったり、排気ガスの濃度が増すため、排気管内に設けられたO₂センサーで空燃比を計測し、その計測結果に応じて開弁時間の補正を行うことで高性能と排出ガスの低エミッション化を両立している。
初期のインジェクターは水鉄砲様の単孔式プレーンノズルであったが、近年のインジェクターはスプレーノズル（en:Spray_nozzle）の概念を取り入れ、ノズルの内部構造を複雑なものとしたり、スプレーチップ先端に複数の穴が開けられた樹脂カバーを装備することで燃料の霧化をより促進してさらなる燃焼効率の向上を図っているものもある。

シングルポイントインジェクション

シリンダーごとではなく、全シリンダーに対して一括して一箇所（1個ないし2個）のインジェクターで燃料を供給する方式。SiやSPIなどと省略される。低圧燃料噴射装置とも呼ばれる。
燃料を噴射するインジェクターと、撹拌し均一性の高い混合気にするミキサー、それらを収めるハウジングからなる。
キャブレター方式のエンジンにも最小限の設計変更で搭載が可能で、吸気抵抗の低減、古い設計のエンジンの電子制御化などが比較的ローコストで実現できる。インジェクター総数が1本ないし2本程度で済むため、MPI形式に比べてインジェクター不良によるエンジン始動不能の確率が相対的に低くなることや、インジェクター不良による各気筒への噴射量のバラツキに起因するエンジントラブルが起こらないというメリットがある。しかし相対的な性能ではMPIのポート噴射式インジェクターには及ばない。
航空機用としては日本では中島飛行機が「栄」や「誉」の末期型用に開発した。しかし、空冷星型エンジンの各シリンダーに均一な混合気を均一な圧力で供給することが難しく、改良も進められたが、実用化とほぼ同時に終戦を迎え、実績はほとんど挙げていない。
自動車用では、日本車での採用例はトヨタのCi（採用エンジン例:1S-iLU・4S-Fi）、日産のEi（採用エンジン例:CA18i・GA16i・SR18Di・VG30i）、また中島飛行機の後身である富士重工が1,800ccエンジンのレオーネ・EA82系アルシオーネ・EJ18系レガシィの初期にSPFIと称して採用したほか、軽自動車用のスバル・EN型エンジンで採用した。
これらのメーカーは燃料噴射装置付きエンジンの中でも比較的低廉なグレードのものにSPIを採用していたが、三菱のECI（採用エンジン例:G63B、G54B、G32B等の縦置きエンジン）は、各ポート噴射式のMPI（ECI-MULTI）を本格的に採用するまでの間は、ターボエンジンなどの上級グレードの車種にも積極的にSPIを搭載していた。三菱のSPIはスロットルボディの前に配置された2本の大容量インジェクターがスロットルに向けて集中的に燃料を噴射する独自の形式で、WRCに参戦する車両（ランサーEX、スタリオン）のエンジンにも市販車と同じ構造のSPIを使用し、多数の実績を収めている。こうしたSPIの中で一番の成功例はホンダの第1期F1用エンジンであろう（1964年 - 1968年にかけて2勝を記録）。日本国外のメーカーで、日本での馴染みの深い車種としてはイギリス・ローバー製のミニがその末期で採用した。
アメリカでは古いエンジン用に、キャブレターをインジェクションに変更するレトロフィットキットが現在でも市販されている。

デュアルインジェクター（ツインインジェクター）

気筒毎に2本のインジェクタを持つ配置する方式。後述の追加インジェクタの様に異なる仕様のインジェクタを組み合わせることも可能だが、同じ仕様のインジェクタを使用することが多い。1本の大容量インジェクターでは細かい噴射量の調整が難しく、無効噴射時間の増大による制御性の低下、燃料霧化性の悪化、噴射時間の長大化などの欠点があるが、2本のインジェクタで行うことでこれらの欠点が解消出来るため、レーシングカーなどでは比較的用いられていた手法となる。
近年においては省燃費を重視する量産車においても採用が進んでいる。従来の吸気2バルブのエンジンでは2つの吸気ポートに対して一つのインジェクタで対応していたが、これらは2本のインジェクタがそれぞれのポートに対応する構成となっている。噴射燃料が微粒化することで燃焼が安定、特にEGRを大量に導入することが一般的になってきている省燃費車においてより多くのEGRの導入が可能となるなどメリットは大きい。
さらにインジェクタを吸気バルブに近い位置に配置し噴射制御を最適化することで、シリンダ内へ直接燃料が入る割合が増え、燃料気化によるシリンダ内の温度低下が期待できる点も大きい。これによりノッキングを抑制されるため圧縮比を上げることも可能になる。ノッキング抑制はシリンダ内に直接噴射する直噴エンジンほどではないが、コストのかかる高圧インジェクタやポンプ、それらに対応する補機類が不要であり、インジェクタ増によるコストの増加はあるものの既存のポート噴射エンジンの若干の改良で対応が可能である。
同機構の国内メーカーにおける呼称は、日産では「デュアルインジェクター」、ホンダでは「ツインインジェクションシステム」、スズキでは「デュアルジェットエンジン」（デュアルインジェクターを含む複数の機構を採用したエンジンの総称）、ダイハツでは「デュアルインジェクタ」となっている。同機構は量産車としては日産が世界初としている。

コールドスタートインジェクタ

気筒毎にインジェクタを持つ（マルチポイント）エンジンでは、冷間時の始動性の向上のためにコールドスタートインジェクタを持つものがある。キャブレター時代のチョーク機構の代わりというべきもので、冷却水の温度が一定以下の状態や、排気温度が一定以下の状態で作動するようコンピュータで管理されている。真冬の寒冷地などでエンジン冷却水路内のサーモスタットが開きっぱなしになった場合など、水温がなかなか上がらない状況などでは動きっぱなしとなり、燃費の悪化に繋がる。

追加インジェクタ

いわゆるチューニングカーでもターボチャージャーの大容量化などの著しい出力の向上を図るための改造を行った場合に、標準のインジェクタでは勿論、純正を置き換えるタイプのインジェクタでも燃料噴射量が不足する場合がある。過給圧に対し燃料がリーンとなればノッキングの原因となり、結果燃焼室（ピストントップ）の冷却が追いつかず、熱を持ったピストンが棚落ちするなど、エンジンブローの原因となる。そこで元々のインジェクタに加え、高過給圧条件下で燃料を噴射するようなインジェクタを設け出力空燃比に近づけるセッティングを行うことで、高過給圧下での燃料噴射を確実に行なう。実際のセッティングは排気温度計とA/F計を主に用いて行なう。当然エンジンブローに至るまでのマージンは少なくなる。