ガソリン直噴エンジン

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。

歴史

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 (川崎 ハ40、愛知 アツタ)されている。航空機用エンジンで自動車用エンジンに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が洗い流されてしまい、頻繁なオイル交換が必要になるという問題が生じた。
しかし電子制御スロットル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ーに吸入させ、シリンダー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、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。日本でも2010年代半ばからダウンサイジングコンセプトを受けた小排気量過給器付きエンジンを搭載した車種が登場している（日産・ノート2代目やトヨタ・オーリス2代目後期型など）。
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、排出ガス規制に適合するため一時期ラインナップから消滅、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、以前は一部車種の一部グレード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信頼性が優先されるLX、GXを除き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。

クランクケース圧縮式2ストロークエンジンの直噴化

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 OMC purchased a controlling interest in Ficht in 1998.。
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）
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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。。

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

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開発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開発が難しかったが、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ため、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

マツダは、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。