燃料噴射はどのように機能するのでしょうか?

Mar 15, 2023

燃料噴射は、現代の自動車がすべてにおいて非常に優れている最大の理由の 1 つです。

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燃料噴射は、私たちがほぼ当然のことと考えている現代の工学的アメニティです。 あらゆる温度、あらゆる高度、あらゆる状況で車を確実に始動できるようにする技術がまだ初期段階にあったのは、それほど昔のことではなく、キャブレターと比較して独自の注意事項がありました。

しかし現在、燃料噴射は内燃機関車の大部分に動力を供給しており、過去 30 年間にわたってそうされ続けています。

機械式燃料噴射システムとしての初期の頃から長い道のりを経て、現代のエンジンが持つ燃費、排出ガス、出力の驚くべきバランスに大きく貢献しています。 すべては、最新の燃料噴射がその仕事を正確に遂行できるかどうかにかかっています。 しかし、それはどのように機能するのでしょうか? さて、読者の皆さん、座ってリラックスして、説明しましょう。

燃料噴射を理解するには、エンジンがどのように動作するかを一般的に理解する必要があります。 最も単純に言えば、エンジンは空気と燃料の混合物を吸入し、その混合物を圧縮し、点火して排気するエア ポンプです。 エンジンの最も重要なパラメータの 1 つは空気と燃料の混合物であり、その混合物を正確に制御することはすべてに影響します。 馬力、燃費、排出ガス、熱、効率など、何でも構いません。

かつて、自動車は空気と燃料の混合物を計量するためにキャブレターを使用していました。 これらは、複雑な通路で真空とプレスの差動を使用して動作し、車がアイドリング、クルーズ、フルスロットルのいずれであるかを判断する機械式コンピューターのように機能しました。 キャブレターの問題は、キャブレターが特定のサイズの燃料ジェットに合わせて事前に調整されていることです。つまり、高度の変化や温度の変化により、エンジンの出力と動作が大幅に変化します。 要するに、燃焼室のかなり手前で燃料をあまり正確に混合しなかったのです。 これは、エンジンの調整が事前に決定されている、いわゆる「オープンループ」システムです。

燃料噴射はまったく異なる方法で動作し、いくつかのバリエーションがあります。 しかし、決定的な違いは、一貫した燃料のミストを供給するキャブレターではなく、燃料噴射がその用途に合わせて正確にタイミング調整されることです。 燃料噴射は、吸気口に入る空気の量に応じて調整されます。 次に、そのシリンダー イベントに対して対応する燃料パルスが噴射されます。

燃料噴射の形式の違いは、燃料噴射のタイミングの取り方です。 機械的燃料噴射は電子機器を使用せずに機能し、通常はエンジンのカムシャフトの 1 つを使用して、エンジンと物理的にタイミングが調整されます。 電子燃料噴射は、エンジンのクランクシャフト、カムシャフト、またはその両方にあるセンサーを使用してタイミングを計り、噴射の正しいタイミングと長さを決定します。

最も一般的な噴射形式である電子燃料噴射 (EFI) の最大の利点は、閉ループで動作できることです。 これは、EFI が状況に応じて積極的に調整でき、質量空気流量センサー、マニホールド圧力センサー、または酸素センサーからの読み取り値に基づいて燃料混合物を常に最適化できることを意味します。 これは、車が氷点下の気温 14,000 フィートでも簡単に始動でき、その後すぐに海抜 110 度の華氏でも同じことを実行できることを意味します。

最新の EFI システムには、直接噴射とポート噴射という 2 つの主要なタイプがあります。 直接噴射は現在、ガソリン燃料噴射の主流の形式として広く普及しており、しばらくの間はディーゼル燃料噴射システムの主流となってきました。 現在のフォルクスワーゲン EA888 エンジンの場合、約 2,900 psi という非常に高い圧力で燃料を燃焼室に直接噴射します。 これにより、燃料を短時間でほぼ原子レベルの細かい霧として噴霧することができ、空気と燃料の最大限の混合を促進し、インジェクターパルスあたりの燃料量が非常に正確になります。 その主な欠点の 1 つは、ポート噴射よりもメンテナンスが必要であり、燃料が通常ポート噴射エンジンのバルブを洗浄するため、バルブに悪名高いカーボンの蓄積が残ることです。

もう 1 つはポート インジェクションで、90 年代後半以来 EFI の主流となっている形式です。 燃料インジェクターはバルブの前の吸気ポートに配置されています。つまり、燃料と空気はバルブの前で混合され、その後燃焼室内でさらに混合されます。 また、バルブの裏側を洗浄し、カーボンの蓄積を防ぐという利点もあります。 これは依然として燃料供給の正確な形式であり、優れた燃費を実現しますが、直接噴射という追加のステップは排出ガスにとって重要でした。 それにもかかわらず、多くの車は依然としてポート噴射式であり、一部の自動車メーカーはメンテナンスと信頼性の名目でポート噴射と直接噴射の両方を採用しています。

経緯は誰もが知っています。厳しくなり続ける排ガス規制により、内燃エンジンの革新が余儀なくされています。 70年代にEPAがなかったら、私たちはもっと違う国に住んでいたでしょう。 キャブレターでは 80 年代まで排出ガス規制を維持することが難しくなったため、自動車メーカーは 90 年代までに一斉に燃料噴射方式に切り替えました。 確かに排気ガスの影響もありましたが、EFIの燃費、信頼性、シンプルさはキャブレターよりも圧倒的に優れていました。

また、キャブレターよりも簡単で信頼性の高い燃料供給方法です。 ほとんどの EFI は問題を自己診断できるため、修復が簡単になります。 部品は安価でどこにでもあり、ほとんどの自動車メーカーで共有されています。 現場での改造や修理はキャブレターほど簡単ではありませんが、燃料噴射の信頼性はキャブレターをはるかに上回ります。

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