ポート噴射と直噴の違い｜噴射位置・燃焼・汚れ・併用を解説

ガソリンエンジンには「ポート噴射」と「直噴」があります。燃料を入れる場所が違うと、何が変わるのでしょうか？

違うのは、燃料を吹く場所

ポート噴射は、シリンダーヘッドの吸気通路へ燃料を吹きます。この通路を吸気ポートと呼び、燃料を吸気バルブの手前へ送ります。空気と燃料は、その先のバルブを通って気筒へ入ります。

直噴は、気筒の燃焼室へ直接、燃料を吹く方式です。ガソリン直噴はGDIやDIとも表記されます。DIはDirect Injection、直接噴射という意味です。どちらも、噴射する部品はインジェクターと呼びます。

ポート噴射は、吸気側で空気と混ぜる

ポート噴射では、燃料が気筒へ入るまでに蒸発し、空気と混ざる時間を作れます。燃焼室の中へ噴射する直噴に比べ、低い燃料圧力で成立する方式です。ただし、吸気管やバルブに付く燃料の量も、正確な制御へ影響します。

電子制御で噴射する量と時期を調整できるため、キャブレターとは違います。バルブが開いているときだけ噴射するとは限らず、温度や運転条件に合うタイミングを使います。

比較的簡潔な燃料系で、空気と均一に混ざる状態を作りやすいことが利点です。一方、燃焼室へ直接燃料を入れることで得られる冷却効果や、噴射時期を使った混合気の作り方には違いがあります。

直噴は、燃焼室の中で蒸発する燃料を使う

燃料が蒸発するときには、周りから熱を受け取ります。直噴はその冷却を気筒内で利用でき、ノッキングを抑えることに役立ちます。ノッキングとは、通常の炎の広がりとは別に、混合気の一部が急に自己着火する異常燃焼です。

直噴では、燃料をいつ、どの方向へ、何回に分けて吹くかが重要です。燃料を点火プラグの周りへ集める成層燃焼と、気筒全体で混ぜる均質燃焼は違います。直噴だから、いつでも薄い混合気で成層燃焼をするわけではありません。

気筒の圧力に負けずに噴射するため、高圧ポンプ、レール、専用のインジェクターを使います。圧力の高さだけでなく、霧の粒、広がり、壁への付着を含めて設計する必要があります。

粒子と吸気バルブの堆積物は、別の課題

直噴では、噴射と空気の流れが合わず、局所的に燃料が多い部分や壁への付着ができると、粒子の生成につながります。噴射圧力とタイミング、燃焼室の形、必要に応じたガソリン粒子フィルターなどを組み合わせて対策します。

また、直噴だけの方式では、燃料が吸気バルブの裏側を通りません。ポート噴射にある燃料による洗浄がないため、吸気バルブへ堆積物が蓄積する課題があります。オイルなど、燃料以外の成分も関わります。

SAEの2016年の研究は、2.0Lターボ直噴車を使い、堆積物にオイルや摩耗由来の成分などが関わることを調べています。ただし、その研究を根拠に、すべての車で同じ距離に清掃が必要とは決められません。症状と、そのエンジンの整備資料で判断します。

二つの噴射を併用し、条件に合う役割を分ける

ポート噴射と直噴を、同じエンジンへ両方設ける構成もあります。ToyotaのD-4Sなどがその例です。片方だけを使う領域と、両方を使う領域を設け、温度や負荷に合わせて量と時期を変えます。

部分負荷ではポート噴射の特徴を、高い負荷では直噴のノッキングを抑える特徴を生かす、といった使い方があります。粒子の削減や燃焼の安定も、組み合わせる目的です。実際の切り替え方は、車種とエンジンで違います。

併用すれば部品と制御は増えます。単独方式より常に故障しにくい、あるいは必ず燃費がよいとはいえません。購入時には方式名に加え、実際の性能、整備条件、使用する燃料などを見ることが大切です。

よくある疑問

直噴はディーゼルと同じ点火方式？

一般的なガソリン直噴は、スパークプラグで点火します。圧縮で熱くした空気へ燃料を噴き、自己着火させるディーゼルとは燃焼の前提が違います。

直噴なら高圧ポンプは一つだけ？

気筒数や構成で違います。また、タンク側の低圧供給と、エンジン側の高圧供給は別の段階です。

ポート噴射は性能が低い？

方式だけでは決まりません。エンジン全体の設計と使う条件で評価します。ポート噴射にも高い出力を得る設計があります。

関連記事

燃料が届くまでの部品／空燃比と理論値／圧縮比とノッキング

参考資料

1. Bosch：ポート噴射と直噴の併用
2. Bosch：直噴と燃焼制御
3. Toyota：初期D-4の成層・均質燃焼
4. Toyota：D-4Sを使うDynamic Force Engine
5. Guinther・Smith、SAE 2016-01-2252：直噴エンジンの吸気バルブ堆積物
6. Bosch：ポート噴射用インジェクター