燃料噴射装置

燃料噴射装置は、予混合燃焼機関で、液体燃料を吸入空気に霧状に噴射する装置である。

1. 概要
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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。

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。しかしその簡便さゆえ、年々強化される自動車排出ガス規制にキャブレターでは適合させられなくなるなど、技術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、2001年以降は自動車用途では電子制御式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。一方で電子制御式は作動には電源をはじめ、加圧ポンプやコントロールユニットなどの補機類が必要で、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。

1.1. 歴史
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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。そのため重力や空力に頼らず、ガソリンを直に加圧してスプレーする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年に川崎重工業のZ750GPに初めて採用された。また、WGPが2ストロークに有利な規定だったこともあって、モータースポーツの世界では1994年に登場したホンダ・RVF750/RC45が登場するまでは使用されていなかった。そのため、ホンダ以外の各メーカーはヤマハは1999年に限定発売されたYZF-R7が初採用であり、スズキは1998年に発売されたTL1000Rが、カワサキに至ってはMotoGPに参戦するまでキャブレターを採用していた。一方で、2003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を搭載した。2004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。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。

2. 動作原理
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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date=2013年7月}}のインジェクターはスプレーノズルの概念を取り入れ、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。

3. 制御方式
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2013年現在、ほぼすべての燃料噴射装置が電子制御になった。

コモンレール方式は、燃料を、噴出装置までレールを使って送り、電子制御で噴射する。
ユニットインジェクターは、シリンダー上部に注射器のように取り付け、カムによって噴射する。電子制御は、噴射量を減らす操作を行う。インジェクターまでは低圧のパイプでつながっている。カムによる圧縮で2,000気圧の高圧噴射を可能にしている。

3.1. 機械式
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電子制御式が普及する以前の機械式による燃料噴射の技術。 燃料噴射量の決定に電子式の演算装置を用いないもの全般を指す。

クーゲルフィッシャー ドイツのFAGクーゲルフィッシャーが製造していた機械式の燃料ポンプで、基本構造とシステムとしてはディーゼルエンジンの燃料噴射方式と同様で、気筒数分のカムとプランジャーを内蔵させたインジェクションポンプをエンジンの動力によって作動させ、各気筒の吸気ポートに噴射させる方式。噴射量制御もディーゼル同様アクセル開度に連動した遠心ガバナーとラック・アンド・ピニオンによるプランジャーの圧縮ストローク制御となる。1960年代から1970年代前半のポルシェ・メルセデス・ベンツ・BMW・プジョー・ランチアなどに使用例がある。 三菱重工業によるクーゲルフィッシャーのデッドコピー品 大日本帝国海軍は第二次世界大戦中、同盟国のドイツからの技術導入でインジェクターの国産化を狙ったが、技術機密の流出を危惧したドイツ側に拒否されてしまった。そこでライセンス生産を目的として輸入したダイムラー・ベンツDB601エンジンに装着されていたインジェクターを三菱重工にリバースエンジニアリングさせ、デッドコピーで生産させていた。三菱重工業が手がけた理由は、同社が戦前期すでに直噴式ディーゼルエンジンを実用化していたことによる。同社の航空機用空冷星型エンジンの他、DB601を国産化した愛知航空機製のアツタ、川崎飛行機製のハ40も、クーゲルフィッシャーの製造ライセンスが得られなかったため、三菱のデッドコピー品を使用していた。しかし、初期は工作の不慣れから、後に工業技術力の低下により、インジェクターとしての完成品のうち検査合格品は2割程度だったとされる。一方、B-29迎撃に活躍した局地戦闘機『雷電』や五式戦闘機など、三菱製インジェクターエンジン搭載機はそれなりの実績を上げている。 ボッシュ・Kジェトロニック ディーゼルエンジン用の燃料噴射装置の流用では機構構造が複雑で、重量や価格の面でも一般的な量産車には向かないため、コスト低減のために開発されたのがKジェトロニックである。フラップ式のエアフローメータが噴射量を制御するプランジャーに機械的に直結している。燃圧は、フューエルポンプで圧送された燃料をレギュレーターで制御するのみで、カムとプランジャーによる加圧は行わない。また、燃圧も上記ディーゼル流用タイプに比べ、低いことが特徴で、全気筒に対し連続的に燃料噴射を行なう。こちらはフォルクスワーゲン、
アウディ、BMW、メルセデス・ベンツ、ロールス・ロイス、ベントレー、ロータス、フェラーリ、プジョー、ルノー、ボルボ、デロリアン、フォードヨーロッパなど18社の自動車メーカーが採用した。 名称の「K」は、ドイツ語で「連続的な、持続的な」を意味する「Kontinuierlich」に由来する。 ボッシュ・KAジェトロニック 三元触媒装着車に対応するため、排出ガス中の酸素濃度に応じた噴射量の制御機能を追加したタイプ。酸素濃度を測定するO2センサー信号を、簡単なコンピュータにより処理し、燃料噴射量を制御するという意味では「電子制御式」であるが、主要な燃料噴射の制御はKジェトロニック同様のフラップ式エアフローメータが制御プランジャーと構造的に直結しているもの。この時期の機械式インジェクションは主にエンジンの出力アップを目的としていたため、その後の排出ガス規制には適応できず、電子制御式に取って代わられた。

3.2. 電子制御式
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燃料の噴射に電子的な演算を行なうタイプを広く指す。2013年現在「燃料噴射装置」や「インジェクション」というと大抵こちらの電子制御式である。

ボッシュ・Dジェトロニック}} 吸入された空気量を直接計測するシステムではなく、圧力センサーで計測したスロットルボディ付近の吸入空気圧を基本データとし、吸気温センサーで計測した吸入空気温度とスロットル開度センサーからのスロットルバルブ開度の情報を補足データとして、吸入された空気量を予測する。これも初期タイプは出力アップのみを目的としていたが、O2センサーと三元触媒を装着することによって排気ガス浄化システムとして継続している。コストが抑えられるため日本では気筒数の少ない軽自動車や小型自動車用のインジェクションシステムとして使用されている。'D'は ドイツ語の"Druck"を意味しており、エンジン温度、エンジン回転数と並んで、吸入エア量をインテークマニホールドに設置された負圧センサで測定したインテークマニホールド圧を元に計算が行われ、インジェクタ内のシステム圧を一定に保つ電動フューエルポンプと組み合わせた。VW 1600 LE/TLEに搭載され、量産型乗用車世界初の電子制御式ガソリン燃料噴射システムとして1967年に登場した。 ボッシュ・Lジェトロニック}} 吸入された空気量をエアクリーナーとスロットルボディの間に装着したエアフローセンサーで直接計測することで、吸入空気量を基本データとして燃料噴射量を決定する。 エアフローセンサーは、初期タイプではフラップ式のものが使われていたが、これだと吸気管内での抵抗になるため、ホットワイヤー式やカルマン渦式のエアフローセンサーが採用されるようになった。 吸入空気の脈動による計測誤差が少ないので、気筒数の多いエンジンに採用されることが多い。また、吸入空気を過給するターボチャージャーやスーパーチャージャーを装着させたエンジンにも向いている。 三元触媒が排出ガス浄化に用いられるようになり、O2センサーを用いたフィードバック制御が必要になった時期から急速に発達した。 名称の "L" は、エアフローセンサーをドイツ語で "Luftmengenmesser" と呼ぶことから来ている。 ボッシュ・KEジェトロニック}} 吸入された空気量をフラップ式のエアフロセンサーで計測するシステムで、その他は機械式のインジェクションシステムと変わりが無かった。排気ガス浄化としてO2センサーと三元触媒を装着して対応するようになった。
なお二輪車等で排出ガス規制の対象外の車種においては、電子制御式ながら主としてアクセル開度とエンジン回転数から噴射量を決定しており、実際の吸入空気量を計測していないものがある。

4. 利用方式
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4.1. シングルポイントインジェクション
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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そのため、キャブレター車と同じ大きさのエアクリーナーが使用されている。また、寒冷時のエンジン始動方法もマルチポイント式とは少し異なり、セルモーターを回す前にアクセルペダルを1/10程度踏み込む必要があった