典型的な電子燃料噴射装置。車のエンジンの写真をもっと見る。
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排出ガス規制と燃費法に遅れずについていくために、現代の自動車で使用される燃料システムは、長年にわたって大きく変化しました。1990年のスバルジャスティは、キャブレターを搭載した米国で最後に販売された車でした。次のモデル年に、ジャスティは燃料噴射をしました。しかし、燃料噴射は1950年代から行われており、電子燃料噴射は1980年頃からヨーロッパの自動車で広く使用されていました。現在、米国で販売されているすべての自動車に燃料噴射システムが搭載されています。
この記事では、燃料がエンジンのシリンダーにどのように入るのか、そして「マルチポート燃料噴射」や「スロットルボディ燃料噴射」などの用語が何を意味するのかを学びます。
- キャブレターの落下
- ガスを踏んだとき
- インジェクター
- エンジンセンサー
- エンジン制御とパフォーマンスチップ
キャブレターの落下
存在のほとんどの内燃機関、気化器は、エンジンへの燃料供給装置でした。芝刈り機やチェーンソーなど、他の多くの機械では、今でもそうです。しかし、自動車が進化するにつれて、キャブレターはすべての操作要件を処理しようとしてますます複雑になりました。たとえば、これらのタスクのいくつかを処理するために、キャブレターには5つの異なる回路がありました。
- 主回路-燃費の良いクルージングに十分な燃料を供給します
- アイドル回路-エンジンをアイドリング状態に保つのに十分な燃料を供給します
- アクセルポンプ-アクセルペダルを最初に踏んだときに燃料の追加バーストを提供し、エンジンがスピードアップする前にためらいを減らします
- パワーエンリッチメント回路-車が坂を上るときやトレーラーをけん引するときに追加の燃料を供給します
- チョーク-エンジンが冷えているときに追加の燃料を供給して、エンジンが始動するようにします
より厳しい排出要件を満たすために、触媒コンバーターが導入されました。触媒コンバーターを効果的にするには、空燃比を非常に注意深く制御する必要がありました。酸素センサーは排気ガス中の酸素量を監視し、エンジンコントロールユニット（ECU）はこの情報を使用して空燃比をリアルタイムで調整します。これは閉ループ制御と呼ばれ、キャブレターでこの制御を実現することは不可能でした。燃料噴射システムが引き継ぐ前に、電気的に制御されたキャブレターが短期間ありましたが、これらの電気キャブレターは、純粋に機械的なものよりもさらに複雑でした。
当初、キャブレターは、電気制御式燃料噴射バルブをスロットルボディに組み込んだスロットルボディ燃料噴射システム（シングルポイントまたはセントラル燃料噴射システムとも呼ばれます）に置き換えられました。これらはほとんどキャブレターのボルトイン交換であったため、自動車メーカーはエンジン設計に大幅な変更を加える必要はありませんでした。
徐々に、新しいエンジンが設計されると、スロットルボディの燃料噴射はマルチポート燃料噴射（ポート、マルチポイント、またはシーケンシャル燃料噴射とも呼ばれます）に置き換えられました。これらのシステムには、各シリンダーに燃料インジェクターがあり、通常は吸気バルブに直接スプレーするように配置されています。これらのシステムは、より正確な燃料計量とより迅速な応答を提供します。
ガスを踏んだとき
車のアクセルペダルはスロットルバルブに接続されています。これは、エンジンに入る空気の量を調整するバルブです。つまり、アクセルペダルは実際にはエアペダルです。
スロットルバルブが部分的に開いている
アクセルペダルを踏むとスロットルバルブが開き、空気が入ります。エンジン制御ユニット（ECU、エンジンのすべての電子部品を制御するコンピューター）は、スロットルバルブが開いていることを「認識」し、エンジンに入る空気の増加を見越して燃料レートを上げます。スロットルバルブが開いたらすぐに燃料レートを上げることが重要です。そうしないと、アクセルペダルを最初に踏んだときに、十分な燃料が入っていない状態で一部の空気がシリンダーに到達するため、ためらいが生じる可能性があります。
センサーは、エンジンに入る空気の質量と、排気ガス中の酸素の量を監視します。ECUはこの情報を使用して、空燃比が適切になるように燃料供給を微調整します。
インジェクター
燃料噴射装置は、電子制御バルブに他なりません。車内の燃料ポンプから加圧燃料が供給され、1秒間に何度も開閉できます。
燃料噴射装置の内部 |
インジェクターに通電すると、電磁石がプランジャーを動かしてバルブを開き、加圧された燃料を小さなノズルから噴出させます。ノズルは、燃料を微粒化するように設計されています。つまり、ミストをできるだけ細かくして、簡単に燃焼できるようにします。
燃料噴射装置の点火 |
エンジンに供給される燃料の量は、燃料インジェクターが開いたままの時間によって決まります。これはパルス幅と呼ばれ、ECUによって制御されます。
エンジンのインテークマニホールドに取り付けられた燃料噴射装置 |
インジェクターはインテークマニホールドに取り付けられており、インテークバルブに直接燃料を噴射します。燃料レールと呼ばれるパイプは、すべてのインジェクターに加圧燃料を供給します。
この写真では、3つのインジェクターを見ることができます。燃料レールは左側のパイプです。 |
適切な量の燃料を供給するために、エンジンコントロールユニットには多くのセンサーが装備されています。それらのいくつかを見てみましょう。
エンジンセンサー
すべての動作条件に適切な量の燃料を供給するために、エンジンコントロールユニット（ECU）は膨大な数の入力センサーを監視する必要があります。ここにいくつかあります：
- マスエアフローセンサー-エンジンに入る空気の質量をECUに伝えます
- 酸素センサー-排気ガス中の酸素量を監視し、ECUが燃料混合物の濃さまたは希薄度を判断し、それに応じて調整できるようにします
- スロットルポジションセンサー-スロットルバルブの位置（エンジンに入る空気の量を決定する）を監視して、ECUが変化に迅速に対応し、必要に応じて燃料レートを増減できるようにします
- クーラント温度センサー-ECUがエンジンが適切な動作温度に達したときを判断できるようにします
- 電圧センサー-車内のシステム電圧を監視して、電圧が低下している場合にECUがアイドル速度を上げることができるようにします（これは高い電気負荷を示します）
- マニホールド絶対圧センサー-インテークマニホールド内の空気の圧力を監視します
- エンジンに引き込まれる空気の量は、エンジンがどれだけのパワーを生み出しているかを示す良い指標です。エンジンに入る空気が多いほど、マニホルドの圧力が低くなるため、この読み取り値を使用して、生成されている電力量を測定します。
- エンジン速度センサー-パルス幅の計算に使用される要素の1つであるエンジン速度を監視します
マルチポートシステムの制御には、主に2つのタイプがあります。燃料噴射装置をすべて同時に開くか、シリンダーの吸気バルブが開く直前にそれぞれを開くことができます（これはシーケンシャルマルチポート燃料噴射と呼ばれます）。
シーケンシャル燃料噴射の利点は、ドライバーが突然の変更を行った場合、変更が行われた時点から、次の完了を待つのではなく、次の吸気バルブが開くまで待つだけでよいため、システムがより迅速に応答できることです。エンジンの回転。
エンジン制御とパフォーマンスチップ
エンジンを制御するアルゴリズムは非常に複雑です。このソフトウェアは、自動車が100,000マイルの排出要件を満たし、EPAの燃費要件を満たし、エンジンを乱用から保護できるようにする必要があります。また、他にも数十の要件を満たす必要があります。
エンジンコントロールユニットは、式と多数のルックアップテーブルを使用して、特定の動作条件のパルス幅を決定します。方程式は、互いに乗算された一連の多くの要因になります。これらの要因の多くは、ルックアップテーブルから発生します。燃料噴射装置のパルス幅の簡単な計算を行います。この例では、方程式には3つの要素しかありませんが、実際の制御システムには100以上の要素がある場合があります。
パルス幅を計算するために、ECUは最初にルックアップテーブルでベースパルス幅を検索します。ベースパルス幅は、エンジン速度（RPM）と負荷（マニホールドの絶対圧力から計算できます）の関数です。エンジン速度が2,000RPMで、負荷が4であるとしましょう。2,000と4の交点で、8ミリ秒の数値が見つかります。
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次の例では、AとBはセンサーからのパラメーターです。Aが冷却水温度、Bが酸素レベルであるとしましょう。クーラント温度が100に等しく、酸素レベルが3に等しい場合、ルックアップテーブルは、ファクターA = 0.8およびファクターB = 1.0であることを示しています。
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したがって、ベースパルス幅は負荷とRPMの関数であり、パルス幅=（ベースパルス幅）x（ファクターA）x（ファクターB）であることがわかっているため、この例の全体的なパルス幅は次のようになります。
この例から、制御システムがどのように調整を行うかを確認できます。排気ガス中の酸素レベルとしてパラメーターBを使用すると、Bのルックアップテーブルは、（エンジン設計者によると）排気ガス中の酸素が多すぎるポイントです。したがって、ECUは燃料を削減します。
実際の制御システムには100を超えるパラメーターがあり、それぞれに独自のルックアップテーブルがあります。一部のパラメータは、触媒コンバーターなどのエンジンコンポーネントの性能の変化を補正するために、時間の経過とともに変化します。また、エンジン速度によっては、ECUが1秒間に100回以上これらの計算を実行する必要がある場合があります。
パフォーマンスチップ
これは、パフォーマンスチップの説明につながります。 ECUの制御アルゴリズムがどのように機能するかについて少し理解したので、パフォーマンスチップメーカーがエンジンからより多くの電力を引き出すために何をするかを理解できます。
パフォーマンスチップはアフターマーケット会社によって製造され、エンジン出力を高めるために使用されます。ECUには、すべてのルックアップテーブルを保持するチップがあります。パフォーマンスチップがこのチップに取って代わります。パフォーマンスチップの表には、特定の運転条件で燃料レートが高くなる値が含まれています。たとえば、すべてのエンジン速度でフルスロットルでより多くの燃料を供給する場合があります。また、点火時期を変更する場合もあります（そのためのルックアップテーブルもあります）。パフォーマンスチップメーカーは、自動車メーカーほど信頼性、走行距離、排出量管理などの問題に関心がないため、パフォーマンスチップの燃料マップでより積極的な設定を使用しています。
燃料噴射システムやその他の自動車のトピックの詳細については、次のページのリンクを確認してください。
