【自動車用語辞典:燃料噴射系「ポート噴射システム」】吸気ポート内にガソリンを噴射して混合気を作る仕組み

■キャブレターに代わり1980年頃から普及

●シリンダー内の空燃比を高精度に制御できる

ガソリンエンジンの標準的な噴射システムは、各気筒の吸気ポートに噴射弁を装着したポート噴射システムです。排ガス規制が強化され始めた1980年頃から普及し始め、現在大半のガソリンエンジンが採用しています。

ガソリンエンジンの標準的なポート噴射システムについて、解説していきます。

●ガソリン燃料噴射システムの歴史

ガソリンエンジンの噴射システムは、排気ガス規制の強化や低燃費ニーズに応えるため、従来の機械式のキャブレター(気化器)方式から、1980年代~1990年代にかけて吸気ポートに燃料を噴射する電子制御のポート噴射(PI)システムに置き換わりました。

過渡時には、キャブレターの位置に1本(または2本)の噴射弁を装着したSPI(シングルポイントインジェクション)システムもありましたが、中途半端な位置づけとなり短命に終わりました。ポート噴射を、SPIという表現に対比してMPI(マルチポイントインジェクション)と呼ぶ場合もあります。

また最近は、燃料をシリンダー内に直接噴射する筒内噴射システムを採用するエンジンが増えています。

●キャブレター

キャブレターは、吸気管の負圧を利用して燃料を吸出し、霧状にして空気と混合させながらシリンダーの中に供給するシステムです。エンジンの回転と負荷に応じて、燃料の吸出し量が変化するように内部の燃料通路構造を構成しています。

●ポート噴射システムの構成

燃料(ガソリン)は、燃料タンク内蔵の燃料ポンプによって吸い出されます。次に、燃料フィルタで異物が除去され、燃料デリバリーパイプに圧送されます。デリバリーパイプには、プレッシャーレギュレーターが付いており、既定の噴射圧(0.3~0.4MPa)になるように圧力を調整します。

燃料は、デリバリーパイプから各気筒の吸気ポートに装着した噴射弁に供給され、シリンダー内に正確かつ均等に分配されます。噴射される燃料量や噴射時期などは、ECU(エンジンコントロールユニット)によって運転条件に応じて適切に制御されます。

シリンダー内の空燃比(吸入空気重量/供給燃料重量)を精度高く制御できるため、三元触媒と組み合わせて、排出ガス性能が飛躍的に改善されました。

キャブレター方式とポート噴射方式
キャブレター方式とポート噴射方式

●三元触媒と空燃比

三元触媒は、エンジンの空燃比を理論空燃比14.7近傍に設定することによって、CO、HC、NOxを同時に浄化できます。空燃比を理論空燃比近傍に精度良く設定するため、排気管に装着した酸素センサー(O2センサー)信号を使ってフィードバック制御します。

●噴射弁

燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧特性や分散特性は、シリンダー内の混合気形成や燃焼特性に大きな影響を与えます。

噴射弁は、ニードル弁、プランジャー、ソレノイドコイルなどで構成される電磁弁です。

ソレノイドコイルに所定の時間の電流が流れると、プランジャーコアが磁力によって吸引され、コアと一体になっているニードルが引き上げられて、噴射弁が開きます。この間、プレートノズル部で微粒化された燃料噴霧が噴出します。

ソレノイドコイルの電流が切れると、ニードルはスプリングの押し付け力により全閉となります。燃料噴霧には、優れた微粒化特性が要求されるので、噴射弁先端ノズル部の形状の最適化が重要です。

噴射弁の構造と作動原理
噴射弁の構造と作動原理

燃料噴射システムが、キャブレター方式からポート噴射システムへ変わった時点で、ガソリンエンジンは大きな進化を遂げました。

現在筒内噴射システムを採用しているエンジンも増えていますが、コストパーフォーマンスの点で当面はポート噴射が主流であり続けると思います。

(Mr.ソラン)