燃料噴射システム入門

現代の内燃機関は、燃料供給を正確に制御し、排出量、性能、経済性を制御するために不可欠な燃料噴射システムなしでは完成しません。このセクションでは、燃料噴射システムの基本的な考え方、形式、および部品について説明します。

燃料噴射の基本原理

エンジンの燃焼室にガソリンを噴射する厳密に制御された手順は、燃料噴射として知られています。燃料噴射の背後にある主な考え方は次のとおりです。

制御された計測: 燃料噴射量を正確に制御することで、最適な燃焼と廃棄物および排出量の削減が可能になります。

スプレー噴霧: 完全燃焼を保証し、効率を高めるために、燃料は小さな液滴として噴霧されます。

タイミング制御: エンジンサイクルの適切な段階で燃料を供給することにより、噴射タイミングは負荷と速度の変化に適応します。

燃料噴射システムの種類

さまざまなエンジンのニーズに対応するために、さまざまな燃料噴射システム設計が構築されてきました。

直噴 (DI)

• 燃料は燃焼室に直接噴射されます。
• 特に高負荷時に正確な制御と効率的な燃焼が可能になります。

ポート噴射 (PI)

• 燃料はポート噴射 (PI) を使用して吸気マニホールドまたはポートに噴射されます。乗用車で頻繁に使用され、優れた混合調製を提供します。

シーケンシャル燃料噴射 (SFI)

• エンジンの点火シーケンスと同期しながら、各インジェクタを個別に制御できます。
• 各シリンダへの燃料の流れをより正確に制御することで、パフォーマンスが向上します。

スロットルボディ噴射 (TBI)

• 吸気マニホールドの上流にあるスロットルボディに燃料を噴射します。
• 一般的に、他の技術よりも簡単な技術であると考えられています。

燃料噴射システムの部品

燃料噴射システムは多くの重要な部品で構成されています。

インジェクタ: エンジンに正確に燃料を供給する正確なツール。さまざまな用途に合わせて、さまざまなデザインをご用意しています。

燃料レール: これらは、必要な圧力を維持しながらインジェクタに燃料を供給するパイプです。

燃料ポンプ: これらは燃料をタンクから燃料レールへ移送するのに使用され、燃料圧力を調整するために圧力レギュレータが付属していることがよくあります。

エンジン制御ユニット (ECU): エンジン制御ユニット (ECU) はシステムの頭脳であり、センサ入力を使用して必要な燃料の量と噴射のタイミングを決定します。

センサ: ECUは、質量空気流量センサや酸素センサなどのさまざまなセンサからリアルタイムのデータを受信し、適応制御を可能にします。

図1 : 代表的な燃料噴射システムの図

多くのアプリケーションにおいて、燃料噴射システムは、現代の内燃機関の基本部品として、キャブレタに取って代わっています。燃料噴射システムは、高度に制御された霧化、タイミング、計量を使用して、応答性と効率性を向上します。燃料噴射は、設計の自由度を可能にするさまざまな種類と部品のおかげで、幅広いエンジンタイプと動作状況に合わせてカスタマイズできます。燃料噴射システムの基礎と要素を理解することで、現代のエンジン管理を推進する統合と制御スキームを調査する道が開かれます。

燃料噴射制御戦略

現代の内燃機関は、正確な燃料噴射制御によって機能しており、それが効率、排出量、性能に影響を与えます。ここでは、燃料噴射システムの主な制御方式について、空燃比管理、噴射のタイミングと持続時間の制御、エンジンと環境状況の変化に対する適応制御に重点を置いて説明します。

空燃比制御

エンジンの吸入混合物中の燃料と空気の量は、空燃比、またはAFRとして知られています。燃料効率を維持し、排出量を最小限に抑え、効率的な燃焼を実現するには、AFRを正確に制御することが不可欠です。重要な要素は次のとおりです。

ストイキオメトリック空燃比: これは最適な比率であり、ガソリンの場合、利用可能な酸素とともに燃料がすべて利用されると、通常は約14.7 : 1になります。多くの運転状況において、これは目標となり、有害な排出物を削減します。

リーンと濃い混合気: AFRの高い希薄混合気は燃費を向上させることができますが、NOx排出量の増加とエンジンノッキングの危険性があります。出力を高めるために濃い混合気 (低AFR) が使用される場合もありますが、これにより燃費が悪化し、CO排出量が増加します。

ラムダ制御: 酸素センサはラムダセンサとも呼ばれ、排気中の酸素量を検出するために使用されます。次に、AFRが適切に調整されるようにECUに入力を提供します。

クローズドループ制御: 意図したAFRを維持するために、温度、負荷、およびその他の変数を考慮しながらインジェクタのパルス幅を継続的に変更するフィードバック制御システム。

噴射時期と噴射期間の制御

最適なエンジン性能と経済性を得るには、燃料噴射時期と持続時間も重要な要素です。

噴射時期: エンジンのサイクルに関連して燃料噴射がいつ開始されるかを、噴射時期と呼びます。エンジンの種類や運転状況に応じて、吸気行程の前、最中、または後に発生する可能性があります。

噴射時間: これは、インジェクタが開いている時間を示し、供給される燃料の量に影響します。スロットル位置、エンジン速度、負荷は、ECUが必要な時間を決定するために使用する変数の一部です。

複数回噴射: 最新のシステムでは、1サイクルで複数の噴射を実行できるため、排出ガス、ノイズ、燃焼をより正確に制御できます。

変化するエンジンと環境条件に対応する適応制御

現代のエンジンは、負荷、温度、高度、燃料品質の変化など、幅広い動作変数に対応する必要があります。重要な対処メカニズムには以下が含まれます。

荷重検知: これにより、エンジンの負荷に合わせて燃料噴射を調整し、アイドリング時と最大出力時の両方で効率的なエンジン性能が確保されます。

温度補正: 熱いエンジンでは大きな音を止めるために調整が必要になる場合がありますが、冷たいエンジンではより濃い混合気が必要です。

高度補正: 高度が高いほど空気中の酸素が少なくなるため、AFRを調整する必要があります。

燃料品質センシング: エンジンは、さまざまな燃料の特性に基づいて噴射方法を調整する場合があります。

現代のエンジン管理システムは、厳しい汚染規制と性能目標を満たすために正確な燃焼制御を提供する燃料噴射制御技術に基づいています。現代の燃料噴射システムは、空燃比や噴射タイミングを動的に変更し、さまざまなエンジンや環境の状況に対応することで、現在利用可能な多種多様な内燃エンジンを稼働させるために必要な複雑な編成に貢献しています。燃料噴射制御は、センサ、アルゴリズム、ハードウェアの進歩により、常に革新と最適化が進められている領域です。

点火システム入門

内燃機関に必須な構成要素である点火システムは、空気と燃料の混合物に点火し、燃焼プロセスを開始します。よく考えられた点火システムは、徹底的かつ効果的な燃焼を保証するために、十分なエネルギーとタイミングで火花を発生する必要があります。この章のセクションでは、点火の基礎と、自動車エンジンでよく使用されるさまざまな種類の点火システムについて説明します。

点火の基本原理

エンジンのシリンダ内の圧縮された空気と燃料の混合物は火花によって点火され、点火プロセスが開始され、急速な燃焼とエネルギーの放出が起こります。基本的な考え方は次のとおりです。

スパーク生成: スパークプラグの電極間に高電圧の電流を流すことで火花が発生します。点火コイルは、自動車の低電圧電源を必要な高電圧に変換することで、これにエネルギーを供給します。

点火時期: エンジンの動作には、火花のタイミングが非常に重要です。通常、これは圧縮行程中にピストンが上死点 (TDC) に達する直前に発生します。最高のエンジン性能、燃料効率、排出ガス管理にはタイミングが重要です。

エネルギー転送: 火花は混合気に点火するのに十分なエネルギーを持っている必要がありますが、スパークプラグの電極やその他の部品を徐々に侵食するほどのエネルギーを持ってはいません。

点火システムの種類

さまざまなエンジンのニーズと技術開発に対応するために、多様な点火システムタイプが開発されてきました。主な種類は次のとおりです。

ディストリビュータ点火システム: この従来の設定では、機械的に操作されるディストリビュータを使用して、適切なタイミングで適切なスパークプラグに高電圧が送られます。タイミングの変更は、機械的に、または真空および電気コントローラを使用して実行されることがよくあります。

ディストリビュータレス点火システム (DIS): このシステムでは、1つまたは複数のシリンダに個別のコイルを使用するため、ディストリビュータは不要です。スパークタイミングを調整するには、センサからの入力を収集するコンピュータ制御モジュールを頻繁に使用します。

コイルオンプラグ (COP) 点火システム: この最新の方法では、各スパークプラグのすぐ上に1つの点火コイルが配置されており、より正確な制御とエネルギー効率の向上が実現されています。COPシステムは、火花の移動距離を短縮することでエネルギー損失を排除し、点火の信頼性を向上します。

無駄なスパークシステム: このシステムでは、2つのシリンダをペアにして、1つのコイルを使用して2つのスパークプラグを同時に点火します。1つの火花は排気行程シリンダ内で「浪費され」、もう1つの火花はシリンダ内の混合気に点火します。COPほど効果的ではありませんが、簡単です。

機械的に制御されるディストリビュータシステムから複雑な電子制御設計まで、点火システムは時代とともに進化してきました。目的は同じです。空気と燃料の混合物を、迅速かつ強力な火花で点火することです。自動車のエンジニアは、コスト、性能、排出ガス、信頼性を考慮して点火システムを最適化する必要があるため、これらのシステムの基礎と変形について十分に理解している必要があります。自動車の設計において、制御性、効率性、環境への責任をさらに追求する傾向は、コイルオンプラグなどのより正確で効率的なシステムへの傾向に反映されています。

点火システム制御戦略

エンジン性能を最大限に引き出すために正確な管理方法が必要となるエンジン制御ユニット (ECU) の開発により、現在の点火システムは非常に複雑な部品になっています。重要な戦略には、ノックの検出と管理、点火時期の制御、スパークの進角と遅角のスキームなどが含まれます。このセクションでは、自動車工学におけるこれらの技術の重要性について詳しく説明します。

点火時期制御

定義と重要性: シリンダ内の空気と燃料の混合物に点火するためにスパークプラグが点火する正確な瞬間を点火時期と呼びます。出力を最大化し、排出量を削減し、燃費を最大化するには、このタイミングを適切に制御する必要があります。

静的タイミングと動的タイミング

• 静的タイミング: 負荷やエンジン速度を無視した事前に決定された点火ポイント。
• 動的タイミング: 速度、負荷、温度などのいくつかのエンジンパラメータに基づいて点火時期を変更します。

制御方法

• 機械: ディストリビュータはスプリングと遠心ウェイトを使用します。
• 電子: より正確な制御のために、最新のシステムではセンサとECUが活用されています。

課題

パフォーマンス、効率、排出量などの競合するニーズのバランスを取る必要がある場合、点火タイミング管理を実装するのは難しい場合があります。

スパークの前進と遅延戦略

スパークアドバンス

• 定義: 点火を早めることにより、ピストンの圧縮行程中に空気と燃料の混合物の早期点火が実現されます。
• 目的: 高速または重い負荷がかかる場合に、燃焼プロセスにさらに時間をかけるのに役立ちます。
• 効果: エンジン出力が向上する可能性がありますが、過度に使用するとエンジンノッキングが発生する可能性があります。

スパーク遅延

• 定義: 点火を遅らせると、混合気は圧縮行程の後半で点火することになります。
• 目的: 低負荷の状況やノックが感じられる場合に便利です。
• 効果: 電力を削減できるだけでなく、排出量とノッキングの可能性も軽減します。
• 制御戦略: 現代のエンジンは、さまざまなセンサ入力に基づいて、必要に応じて点火時期を進めたり遅らせたりしながら継続的に点火タイミングを変更します。

ノック検出と制御

エンジンノック: 空気とガソリンの混合気が早期に制御不能に燃焼し、エンジンに損傷を与える可能性があります。

ノックセンサ: 圧電センサを使用してノックによる振動を識別します。

制御戦略:

• スパーク遅延: 前述のように、スパーク遅延はノックの防止に役立ちます。
• 燃料混合気調整: 燃焼プロセスを冷却し、ノッキングを回避するには、空気と燃料の混合気を濃くすることでも実現できます。

制御の重要性: 適切に実行されたノック制御により、エンジンをあらゆる損傷から保護し、パフォーマンスと燃費を最適化します。

現代のエンジン管理の重要な要素は、点火システム制御技術の使用です。エンジニアは、これらの技術を理解して実践することで、汚染制御、燃料効率、エンジン性能を最大限に高めることができます。環境に優しい自動車の需要が高まっているため、これらの技術は自動車技術の発展に不可欠です。この分野でさらに教育を受ける学生は、自動車工学のダイナミックな分野に革新をもたらし、貴重な貢献をする準備をより整えるでしょう。

燃料噴射と点火制御の統合

現代の内燃機関は、最高の性能、効率、排出ガス制御を実現するために、燃料噴射システムと点火制御システムを統合する必要があります。この部分では、この統合の複雑さと革新性を探り、最高のパフォーマンスを実現するための協調制御に重点を置き、それに伴う問題とソリューションを検討します。

最適なパフォーマンスのための協調制御

燃料と点火の相互依存性: 理想的な燃焼を保証するには、点火火花と燃料噴射のタイミングを正確に同期させる必要があります。エンジン速度、負荷、温度、その他の要因の変化は、両方のシステムで処理する必要があります。

管理目標

協調制御の目標は次のとおりです。

• 効率: 燃料のエネルギーへの変換を最大化します。
• 排出ガス制御: 完全燃焼を保証し、有害な排出物を削減します。
• 性能: パワーとトルクの特性を向上します。

テクニック

• 同期マッピング: エンジン制御ユニット (ECU) は、さまざまなエンジン状況に合わせて点火タイミングと燃料噴射をリンクする事前設定されたマップを採用しています。
• 適応制御: これは、燃料の品質、環境要因、または摩耗の変化に即座に適応する学習アルゴリズムの能力を指します。

利点

• 燃費: 調和のとれた管理により、燃費の向上が実現できる可能性があります。
• 応答性の高いパフォーマンス: この統合により、ブレーキや加速など、運転者からの入力に対する反応が速くなります。
• 長い寿命: バランスのとれた燃焼により、エンジン部品にそれほど負担がかかりません。

統合における課題とソリューション

課題

• 複雑さ: 考慮すべき変数の膨大な量とそれらの相互関連性が複雑さを増しています。
• 互換性: さまざまな燃料噴射システムと点火システムのタイプの間には、注意を必要とする固有の違いがある場合があります。
• リアルタイム要件: システムは数ミリ秒以内に膨大な量のデータを処理し、判断を下す必要があります。
• コスト: 高度な制御の費用は、高度なハードウェアとソフトウェアの必要性によって増加します。

ソリューション

• 高度なアルゴリズム: 多次元入力処理方法と現代の制御理論を活用します。
• シミュレーションとモデリング: 信頼性の高いコントローラを作成するには、シミュレーションによる広範なテストが必要です。
• 規格化: さまざまな部品に共通の標準を確立することで相互運用性が確保されます。
• ハードウェア加速: リアルタイム計算のニーズは、専用のプロセッサによって満たすことができます。

現代のエンジン技術の重要な要素は、燃料噴射と点火制御の統合であり、これによりエンジンの性能、効率、環境基準への準拠が大幅に向上します。この統合には多くの技術的ハードルが伴いますが、ハードウェア、アルゴリズム、標準の進歩により、大きな進歩が可能になりました。

自動車市場がさらに発展するにつれて、専門家と工学部の学生の両方にとって、このつながりを理解することが重要になります。自動車工学がいかに学際的であるか、そして流体力学、熱力学、制御システムなどの分野の知識がいかに必要であるかを強調します。このテーマは、将来の改良では排気後処理やハイブリッドパワートレイン制御などの他のサブシステムとのさらなる統合が必要になる可能性があるため、さらなる革新と研究にとって魅力的なものです。