ガソリン直噴エンジン

ガソリン直噴エンジンのすべて

ガソリン直噴エンジン(GDI: Gasoline Direct Injection engine)は、燃料であるガソリンを高圧でシリンダー内に直接噴射するエンジンの方式です。50～350気圧という高圧のガソリンをインジェクターから噴射し、点火プラグによる火花放電で燃焼させます。この方式は「筒内噴射」とも呼ばれ、燃費向上や出力向上に貢献する一方、課題も抱えています。

ガソリン直噴エンジンの種類

ガソリン直噴エンジンは、燃焼方式や過給機の有無によっていくつかの世代に分類されます。

第一世代（自然吸気・成層燃焼）: リーンバーン(希薄燃焼)による燃費向上を目的としています。
第二世代（自然吸気・均質燃焼）: 冷間始動時の排出ガス低減に効果があります。
第三世代（過給吸気・均質燃焼）: ダウンサイジングコンセプトに基づき、燃費向上を実現します。
第四世代（自然吸気・成層燃焼）: 新技術による混合気形成で、リーンバーンによる燃費向上を目指します。

成層燃焼

成層燃焼は、シリンダー内の気流を利用して点火プラグ付近に燃焼可能な混合比の層を作り出し、シリンダー全体としては空燃比20:1～55:1という超リーンバーンを実現します。リーンバーンによって、ポンピングロス、比熱比、冷却損失の低減による燃費向上を実現します。高負荷時には均質燃焼に切り替わり、ガソリンの気化熱を利用して吸気を冷却、充填効率を向上させ高出力を得ます。

均質燃焼

理論空燃比（ストイキオメトリ燃焼）で燃焼を行う方式で、燃費・出力向上に加え、排出ガス低減も目指しています。ダウンサイジングコンセプトとの相性も良く、高圧縮比化やノック性の向上も実現しています。

ガソリン直噴エンジンのメリット

出力向上: ポート噴射エンジンより圧縮比を高められるため、高出力と高効率（低燃費）の両立が容易です。F1エンジンなど、レース用途でも採用されています。
ダウンサイジング: 耐ノック性向上により、過給機と組み合わせたダウンサイジングが容易になり、小排気量エンジンでも大排気量エンジン並みの性能と低燃費を実現できます。
排気ガス低減: 冷間時の燃料気化・霧化が優れるため、始動直後の排気ガス低減に貢献します。また、排気温度制御が容易なため、触媒の暖まりを早くできます。

ガソリン直噴エンジンのデメリット

製造コストが高い: 高温高圧に耐えるインジェクター、高圧ポンプ、特殊形状ピストンなどが必要なため、製造コストが高くなります。
煤による不具合: 燃焼室内に煤が蓄積し、インジェクターノズルへの付着、オイル汚れ、燃焼安定性の悪化、吸気系への煤堆積などの問題が発生します。PM2.5排出量も増加します。
ノイズ: 高圧インジェクターによるノイズが発生し、特にエンジン音が静かなガソリンエンジンでは目立つ場合があります。
* 逆回転の可能性: ディーゼルエンジンと似た燃料装置を持つため、逆回転する可能性があります。

ガソリン直噴エンジンの歴史

第二次世界大戦中にドイツで航空機用エンジンとして実用化されました。その後、1950年代にはメルセデス・ベンツ300SLなどにも採用されましたが、技術的な課題も多くありました。1990年代以降、電子制御技術の発展により、三菱GDIエンジンを皮切りに各メーカーが実用化し、現在では多くの車種に搭載されています。

各メーカーのガソリン直噴エンジン

各メーカーは、独自の技術を開発し、ガソリン直噴エンジンを展開しています。例えば、トヨタのD-4Sはポート噴射と直噴を併用する技術、マツダのSKYACTIV-Gは高圧縮比を実現した技術などが挙げられます。

2ストロークエンジンとロータリーエンジンへの応用

ガソリン直噴技術は、2ストロークエンジンやロータリーエンジンにも応用されています。2ストロークエンジンでは有害排出物の低減に効果があり、ロータリーエンジンでは、マツダがレンジエクステンダーとして搭載するなど、新たな展開を見せています。

まとめ

ガソリン直噴エンジンは、燃費向上と出力向上という大きなメリットを持つ一方、煤の発生や製造コストの高さといった課題も抱えています。各メーカーはこれらの課題克服に努め、技術革新を続けています。今後、環境規制や燃費基準の強化に伴い、ガソリン直噴エンジンの技術はますます重要性を増していくでしょう。

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