圧電インジェクターと直接噴射インジェクター: テクニカル ガイド

最新のエンジンの燃料インジェクター: 直接噴射から圧電駆動まで

燃料インジェクターは、正確なタイミング、制御された噴霧量、および急速な混合と完全燃焼のために最適化された液滴スペクトルで燃料を燃焼プロセスに導入するコンポーネントです。シンプルなポート噴射から初期の直接噴射を経て、2,500 bar を超える噴射圧力でサイクルごとに複数回の噴射が可能な現行世代の圧電インジェクターに至るまで、過去 30 年間にわたるインジェクター技術の進化は、ますます厳しくなる排出ガス規制、燃費目標、および小排気量エンジンからのより高い比出力の追求によって推進されてきました。

直接注入と圧電注入は競合する代替手段ではなく、同じ技術階層の 2 つのレベルを表します。圧電インジェクターは、ソレノイドではなく圧電アクチュエーターを使用してニードルバルブを制御する直接噴射インジェクターの一種です。直接インジェクションはアプリケーションのコンテキストです。圧電アクチュエーションは、ダイレクトインジェクションの最高パフォーマンスの実行を可能にするメカニズムです。

各テクノロジーがどのように機能するのか、圧電駆動がソレノイド駆動の直接噴射に比べて性能面で優れている理由、エンジンの性能、診断、修理に対する実際的な影響を理解することは、エンジンの設計、車両の選択、整備作業において情報に基づいた意思決定を行うための基礎となります。

直噴インジェクター : 原理、圧力、噴霧の形成

直噴インジェクターは、吸気バルブの上流の吸気ポートではなく、燃焼室に燃料を直接噴射します。この噴射位置の根本的な違い (燃焼室と吸気ポート) により、ポート噴射では提供できない一連の燃焼システム機能が可能になります。これには、高い噴射圧力での均一なチャージ形成、部分負荷での層状チャージ動作 (このモード用に設計されたガソリン直接噴射システム)、燃焼室内での直接燃料蒸発によるチャージ冷却、インテークマニホールドのダイナミクスに依存しない噴射燃料質量のサイクルごとの正確な制御などが含まれます。

ガソリン直噴（GDI）

ガソリン直接噴射 (GDI) エンジンでは、最新のシステムでは通常 100 バールから 350 バールの範囲の圧力で燃料が噴射され、一部の先進的なエンジンでは最大 500 バールの圧力が使用されます。高い噴射圧力により、シリンダー内の高温で圧縮された装入物内で急速に霧化する微細な液滴スプレーが生成されます。燃焼室内での燃料液滴の直接蒸発により給気からの熱が吸収され、給気温度が低下し、同等のポート噴射エンジンで圧縮比を制限する異常燃焼 (ノック) が発生することなく、より高い圧縮比が可能になります (熱力学的効率が向上します)。

GDI 噴射システムは、噴射圧力の供給 (カムシャフトから駆動される高圧燃料ポンプを介して)、サイクルごとの噴射イベントの数 (現行世代のシステムでは 1 回噴射から 5 回以上に徐々に増加)、およびインジェクター ノズルのスプレー形状 (個別のスプレー ジェットを生成する多穴パターン、中空円錐スプレーを生成するスワール インジェクター、またはより最近の外開きピントル バルブ設計) によって特徴付けられます。

ディーゼルコモンレール直噴

コモンレールシステムを介したディーゼル直接噴射は、乗用車、小型商用車、さらには大型用途での主流のディーゼル噴射アーキテクチャです。コモン レールは、目標噴射圧力 (初期のシステムでは 1,600 bar から現行世代の大型システムでは 2,700 bar の範囲) で燃料を共有アキュムレータ ボリューム (レール) に貯蔵し、そこから個々のインジェクターが燃料を引き出します。 レール内の高圧貯蔵により噴射圧力がエンジン速度から切り離され、以前のポンプラインノズル噴射システムのように高速条件に限定されるのではなく、エンジンの任意の動作点で最大噴射圧力を使用できるようになります。

コモンレールディーゼルインジェクターは、アイドル状態から全負荷ピーク圧力までの圧力範囲にわたって確実に動作し、マイクロ秒からミリ秒の範囲の応答時間でニードルバルブを開閉して正確な噴射タイミングと持続時間を実現し、性能のドリフトを最小限に抑えながら数百万回の噴射イベントにわたって噴射量の精度を維持する必要があります。これらの要件には、精密な製造公差、最高品質の材料、および動作範囲全体にわたって応答時間と力の要件を満たすことができる作動機構が必要です。

インジェクターニードルバルブとスプレー形成

インジェクター本体の先端にあるニードルバルブは、高圧燃料システムから燃焼室への燃料の流れを制御する要素です。ニードルがシートから持ち上がると、高圧燃料がノズル先端のサック容積を通って流れ、規定の数の穴 (最新のディーゼル ノズルでは通常 5 ～ 10 個、GDI ノズルでは 3 ～ 12 個) を通って高速ジェットとして排出され、乱流の分裂とシリンダー内の高密度の給気との空気力学的相互作用によって微細な液滴に霧化されます。

ニードルバルブのリフト、開閉の速度、開く瞬間のノズル穴間の圧力差はすべて、初期の液滴サイズ分布、スプレー浸透（勢いを失って装薬と混合する前にスプレージェットがどれだけ遠くまで移動するか）、およびイベントごとに噴射される燃料の量に影響します。インジェクターの作動機構は、ソレノイドであろうと圧電であろうと、ニードルバルブの動きの速度と精度を直接制御し、噴射品質の重要な決定要因となります。

直噴インジェクターのソレノイド作動

現在使用されている直接噴射式インジェクターの大部分は、作動機構としてソレノイドバルブを使用しています。ソレノイド インジェクターは、1990 年代にコモンレール噴射が導入されて以来主流の設計であり、依然として世界中で最も広く製造されている直接噴射インジェクター タイプです。

ソレノイドインジェクターの仕組み

ソレノイド作動のコモンレールディーゼルインジェクターでは、ニードルバルブはソレノイドによって直接駆動されません。代わりに、ソレノイドは、インジェクター本体内の高圧燃料回路内の小さな制御バルブ (二方向または三方向制御バルブ) を作動させます。制御バルブは、ニードル上の油圧制御室内の圧力を管理し、ニードルにかかる正味の油圧力がシートに向かうか (ニードルが閉じ、射出が停止している)、シートから離れる方向に向かうか (ニードルが開いており、射出が進行中) を制御します。

ソレノイドが通電されると、制御バルブが開き、制御チャンバーの圧力が排出されて (低圧) 戻ります。制御チャンバーとノズル圧力の間の圧力差がニードルに上向きに作用し、ニードルをシートから持ち上げて噴射を開始します。ソレノイドの通電が遮断されると、制御バルブが閉じ、制御室内の圧力が回復し、油圧復元力とニードルスプリングの組み合わせ作用によりニードルがシートに戻ります。したがって、噴射期間はソレノイドの通電と非通電の間の時間となり、噴射量はこの時間にわたる流量の積分によって決まります。

直接噴射におけるソレノイド作動の固有の制限は、ソレノイド-バルブ-ニードル システムの機械的応答時間です。ソレノイド電磁石は磁場の構築と消滅に時間がかかり、油圧増幅回路によりソレノイドの作動とニードルバルブの応答の間に追加の遅延が追加されます。これにより、達成可能な最小噴射期間と連続する噴射間の最小間隔が制限され、高いエンジン速度で単一エンジン サイクル内で実行できる噴射イベントの数が制限されます。

圧電インジェクター : 圧電アクチュエーションの仕組み

圧電インジェクタは、ソレノイド アクチュエータを圧電スタック アクチュエータに置き換えます。圧電セラミック要素 (最も一般的にはチタン酸ジルコン酸鉛 (PZT)) の列で、電圧が印加されると膨張し、電圧が除去されると収縮します。スタックのこの物理的な膨張と収縮は、インジェクター制御バルブを操作する、または一部の設計ではニードルバルブの位置を直接制御する作動力と変位を提供します。

インジェクターアクチュエーターの圧電効果

圧電セラミックは逆の圧電効果を示します。セラミックに電界がかかると、材料が機械的に変形します。燃料インジェクターアクチュエーター用に設計された PZT スタックでは、200 ～ 400 枚の個別のセラミック ウェーハ (それぞれの厚さは約 0.1 mm) のスタック全体に 100 ～ 200 V の電圧が印加されると、総直線変位は約 30 ～ 60 マイクロメートルになります。変位は電圧印加から数マイクロ秒以内に発生します。このほぼ瞬時の応答は、直接噴射インジェクターにおけるソレノイド駆動に対する圧電駆動の基本的な性能上の利点です。

印加電圧とスタック変位の関係はほぼ線形であり、部分的な電圧の印加により比例した部分変位が生じることを意味します。この特性により、圧電インジェクターは、制御バルブまたはニードルの正確な部分リフトを実行でき、ソレノイド システムでは再現できないニードルのフル リフトの任意の部分で、正確に制御された少量の噴射を行うことができます。

直動式および油圧増幅型圧電インジェクター

量産車両では、2 つの主要な圧電インジェクター アーキテクチャが使用されています。

• 油圧増幅圧電インジェクター : 圧電スタックは高圧燃料回路のサーボ バルブを作動させ (原理的にはソレノイド コントロール バルブのアプローチと同様)、ニードルの位置を油圧で制御します。油圧増幅ステージは、応答時間をある程度犠牲にして、ピエゾスタックの小さな機械的変位を増大させてより大きなニードルリフトを生成します。これは、最初の商用圧電ディーゼル インジェクターである Bosch CRI3 (コモン レール インジェクター) および同様のシステムで使用されているアーキテクチャです。
• 直動式圧電インジェクター : このアーキテクチャでは、圧電スタックは結合要素、通常はスタックとインジェクター本体の材料 (両方とも異なる熱膨張係数を持つ) の温度依存の寸法変化を補償する油圧カプラーを介してニードルバルブに機械的に直接結合されます。直接結合により油圧制御回路が完全に不要になり、電圧印加から約 50 ～ 100 マイクロ秒以内にニードルが開き、最速の応答が得られます。 Delphi (現 BorgWarner Fuel Systems) は、直動式圧電コモンレール インジェクターを量産導入した最初の企業であり、このアーキテクチャは現在の技術で可能な究極の噴射応答速度を提供します。

直動システムの油圧カプラ

直動式圧電インジェクターの油圧カプラーは、圧電スタックとニードル バルブ連結ロッドの間にある小さな密閉された油圧チャンバーです。その主な機能は、スチール製インジェクター本体と PZT セラミックスタック間の熱膨張の正味の差を補償することです。補償しないと、ウォームアップおよび全負荷運転中の温度変化に応じてインジェクターが予測不可能な量を供給することになります。 油圧カプラは、射出の速いダイナミクス (マイクロ秒からミリ秒のタイムスケール) の間、スタックからニードルカップリングに機械力を忠実に伝達し、熱膨張の違い (秒から分のタイムスケール) に対応するためにゆっくりと漏れます。このエレガントな機械設計は、直動式圧電インジェクターの重要なエンジニアリング成果の 1 つであり、その長期にわたる噴射量の安定性の基礎となります。

ソレノイドインジェクタと比較した圧電インジェクタの性能上の利点

直噴インジェクターではソレノイド作動に比べて圧電作動の性能上の利点があり、最高性能で排出ガスに最も敏感な用途、特に噴射精度への要求が最も高いディーゼルコモンレールシステムでの圧電インジェクターの採用が推進されています。

応答時間の短縮

圧電アクチュエータは、ソレノイド アクチュエータのミリ秒単位の時間スケールと比較して、マイクロ秒単位で応答します。この高速応答により、最小噴射期間の短縮が可能になります。これは、先進的なディーゼル燃焼システムで燃焼騒音を低減し、微粒子排出を制御し、ディーゼル微粒子フィルターの再生をサポートするために使用されるパイロットおよび噴射後のイベントにとって非常に重要です。圧電インジェクターは、ストロークあたり 1 mm3 未満の量を確実に噴射できます。この量は、ソレノイド インジェクターでは正確に制御するには短すぎる噴射時間を必要とします。

サイクルごとの噴射イベント数の増加

連続する噴射イベント間の最小間隔 (噴射間の滞留時間) は、コマンドオフ後にニードル バルブがより早く完全閉位置に到達するため、ソレノイド インジェクターよりも圧電インジェクターの方が短くなります。最新の圧電コモンレール ディーゼル インジェクターは、高いエンジン速度で 1 サイクルあたり最大 8 回以上の噴射イベント (複数のパイロット、メイン噴射、および複数のポスト噴射) を実行できますが、ソレノイド インジェクターでは応答が遅いためイベントの数が少なくなります。 サイクルごとの噴射イベント数の増加により、騒音 (メイン イベントの前に複数回の少量のパイロット噴射で点火前に少量の燃料を予混合し、圧力上昇率を低減) と排出ガス (噴射後の微粒子後処理と NOx 削減戦略をサポート) を劇的に低減する燃焼戦略が可能になります。

比例針上げ制御

圧電スタックの変位は印加電圧に比例するため、ニードルバルブのリフトは全開または全閉に制限されるのではなく、中間位置で制御できます。この比例制御機能により、噴射イベント中にノズル孔を通る流量を連続的に変化させることができます。これはレートシェーピングと呼ばれる機能で、燃料吐出量が意図的に制御されて所望のプロファイル (たとえば、噴射開始時の上昇、主噴射中の持続的なプラトー、および終了時の制御された下降) に従うようになります。レートシェーピングにより、従来の長方形の噴射レートプロファイルと比較して、燃焼騒音と NOx 排出量をさらに低減できます。

消費電力と発熱量の削減

圧電容量性アクチュエータは、電気エネルギーをコイル抵抗の熱に変換するソレノイド アクチュエータとは異なり、各注入サイクル中に電気エネルギーを蓄積および返します (スタックは、電圧が印加されるとエネルギーを電荷として蓄積し、放電されるとエネルギーを返します)。この容量性エネルギー回収は、インジェクター ドライバー電子機器に対するピーク電力需要は高いものの、噴射イベントごとの正味エネルギー消費量は同等のソレノイド システムよりも低いことを意味します。アクチュエータ自体の発熱が少ないため、インジェクターコンポーネントへの熱ストレスが軽減され、インジェクタードライバー電子機器の熱管理要件が簡素化されます。

圧電インジェクタードライバーのエレクトロニクスと制御戦略

圧電インジェクターには、エンジン コントロール ユニット (ECU) 内の専用の高電圧ドライバー回路、または別個のインジェクター ドライバー モジュールが必要です。圧電アクチュエータは誘導性負荷ではなく容量性負荷であるため、圧電インジェクタの駆動はソレノイド インジェクタの駆動とは根本的に異なります。

インジェクタを開くには、ドライバが昇圧された電源コンデンサ バンクから圧電スタックを目標電圧 (通常は 100 V ～ 200 V) まで充電します。充電電流は、所望の電圧上昇率を生成するように制御され、これによりニードルが開く速度と、開度過渡時の噴射率が決まります。インジェクタを閉じるには、蓄積された電荷がスタックから供給コンデンサに放電されて回復されます。

スタックに印加される正確な電圧レベルによってニードルリフトの度合いが決まり、これは任意の噴射圧力で噴射される燃料量に直接影響します。したがって、ECU は、排出ガス適合性とドライバビリティに必要な噴射量の精度を達成するために、ドライバ出力電圧を高精度 (通常、動作範囲全体で 1 ～ 2 ボルト以内) で制御する必要があります。流量測定モジュールまたはニードルリフトセンサーからのデータを使用した閉ループ噴射量補正は、インジェクターごとの変動とスタック応答特性の長期ドリフトを補償するために一般に実装されます。

インジェクター固有の校正データ

圧電インジェクターは製造時に個別に校正され、公称仕様と比較して主要な動作点におけるインジェクターの特定の性能特性をエンコードする一連の補正コード (IMA コード、C3I コード、またはメーカーや車両のプラットフォームに応じた同等のコード) が割り当てられます。これらの補正コードは、インジェクターの取り付け時に ECU にプログラムされるため、噴射制御ソフトウェアが個々のインジェクターの特性を補正し、許容許容範囲内の製造ばらつきにもかかわらず正確な噴射量を提供できるようになります。圧電インジェクターを交換する場合、交換用インジェクターの校正コードを ECU にプログラムすることが重要な手順です。これを怠ると、噴射量エラーが発生し、運転が荒くなり、排出ガスが増加し、燃料過多によるエンジン損傷が発生する可能性があります。

量産車両における圧電インジェクターの応用

圧電インジェクターは、2000 年代初頭に量産ディーゼル乗用車に初めて導入され、それ以来、特に最高の噴射性能と排出能力が必要とされる幅広いディーゼルおよびガソリン直接噴射用途に採用されてきました。

ディーゼル用途

圧電コモンレールインジェクタは、複数のメーカーの乗用車および小型商用ディーゼルエンジンで使用されています。 Bosch の CRI3 (Common Rail Injector 3) と Delphi の DFI1 (後の DCO) 直動式圧電システムは、初期の生産の代表的な製品であり、その後この技術は複数の世代を経て改良され、最大 2,700 bar のレール圧力で 1 サイクルあたり 7 ～ 8 回の噴射イベント カウントで動作する現在のシステムに到達しました。圧電噴射は、乗用車に加えて、トラックやオフハイウェイ機器用の大型ディーゼル エンジンにも適用されており、排出ガス準拠 (ユーロ VI、EPA 2010 以降の基準) に対する噴射性能の利点により、ソレノイド システムと比較してインジェクターのコストが高くつくことが正当化されます。

ガソリン直噴用途

圧電駆動はガソリン直接噴射システムにも適用されますが、GDI では噴射圧力が低いため (ディーゼルでは 1,600 ～ 2,700 バールであるのに対し、100 ～ 500 バール)、ソレノイド駆動に対する圧電駆動の利点はディーゼル コモン レールほど極端ではありません。最も厳しい粒子数 (PN) 制限を対象とした高性能 GDI アプリケーションおよびシステムでは、壁の濡れや粒子の形成を減らすためにサイクルごとに複数回の噴射を正確に制御する必要があり、ガソリン環境での圧電駆動の恩恵を最大限に受けます。

新たなアプリケーション

内燃機関用の水素直接噴射は、車両や重量物輸送用の新たなパワートレイン技術であり、圧電インジェクターの性能が特に重要な将来の応用分野となります。水素の低いエネルギー密度、広い可燃範囲、および非常に高い火炎速度は、異常な燃焼現象を回避するために高速で正確な噴射制御を必要とする燃焼ダイナミクスを生み出します。圧電インジェクターは高い応答速度と比例制御機能を備えているため、水素 DI 燃焼の要求に最適です。

圧電インジェクターの診断、メンテナンス、交換

圧電インジェクターには、ソレノイド インジェクターとは異なる特定の診断およびサービス要件があります。通常、同等のソレノイド インジェクターのコストの 2 ～ 5 倍のコストがかかるため、交換に踏み切る前に噴射システムの故障を正確に診断することが重要になります。キャリブレーション コード要件により、交換手順においてプログラミングが必須のステップとなります。

一般的な故障モード

圧電インジェクターは、いくつかのメカニズムによって故障する可能性があります。

• 圧電スタックの層間剥離または亀裂 : セラミックスタックは、通常、熱衝撃、燃料システム内のウォーターハンマーによる機械的衝撃、または電圧スパイク損傷により、個々の層に亀裂や剥離が発生する可能性があります。スタック故障はアクチュエータ機能の損失を引き起こし、インジェクタは通常、故障の種類に応じてデフォルトで開固着または閉固着故障モードになります。
• ニードルバルブの固着・焼き付き ：燃料の劣化生成物や燃焼の吹き返しによりニードルやシートにカーボンデポジットが蓄積すると、ニードルが固着して噴射しない（ニードル閉固着）または噴射が継続する（ニードル開固着）可能性があります。この故障モードは、品質の悪い燃料を使用したり、燃料フィルターの交換スケジュールを超えてサービス間隔が延長されたエンジンでより一般的です。
• インジェクター本体の漏れ : 高圧燃料接続部とインジェクター本体のシールは内部または外部に漏れる可能性があり、内部漏れにより燃料戻り流量が増加し、レール圧力と噴射量が低下し、外部漏れにより火災の危険が生じます。
• 油圧カプラーの劣化（直動システム） : 油圧カプラーのオイルが劣化したり、カプラーのシール要素を越えて漏れたりする可能性があり、カプラーのクリアランスが校正された状態から増減するにつれて、熱補償機能が失われ、噴射量のドリフトが進行する可能性があります。

診断アプローチ

圧電インジェクターの故障は、ECU 故障コードの読み取り、燃料インジェクターの寄与 (シリンダーバランス) テスト、燃料戻り量の測定、インジェクターの電気抵抗と静電容量のテストを組み合わせて診断されます。 圧電スタックの静電容量 (インジェクターを車両ハーネスから外した状態で測定) は、スタックの完全性を直接示す指標です。ひび割れまたは剥離したスタックでは仕様値に比べて静電容量が大幅に低下し、短絡したスタックでは静電容量がほぼゼロになります。この静電容量テストは、スタック故障の最も確実な電気テストであり、関連する測定範囲が可能な標準的な LCR メーターを使用して実行できます。

噴射量の精度は、車両と互換性のあるほとんどの診断スキャン ツールで利用可能なシリンダー寄与バランス テストを使用して評価されます。これは、アイドル品質のバランスを保つために噴射制御ソフトウェアによって各シリンダーに適用されるアイドル速度補正を比較します。大きなプラスの補正が必要なシリンダーは、インジェクターが目標量を下回っていることを示し、マイナスの補正は過剰噴射を示します。このテストでは、どのインジェクターが許容範囲外で動作しているかを特定しますが、数量エラーを引き起こす故障メカニズムは特定しません。

交換手順

圧電インジェクターの交換には、機械的な取り外しと取り付け (銅製シーリングワッシャー、インジェクターボアからの炭素堆積物の除去、およびクランプ装置またはユニオンナットの正しいトルクに注意しながら、ソレノイドインジェクターの交換とほぼ同様の手順に従います) と、交換用インジェクターの校正コードを ECU にプログラムするという重要な追加手順が含まれます。

校正コードは交換用インジェクターに同梱されており (インジェクター本体のラベルまたはパッケージ内の別のデータカードに記載されています)、特定の車両プラットフォームのインジェクターコーディング機能をサポートする互換性のある診断ツールを使用して ECU に入力する必要があります。ほとんどのプロフェッショナルグレードの診断システムは、主要なエンジン管理システム (Bosch EDC17、Delphi DCM、Continental、Denso など) の圧電インジェクターコーディングをサポートしており、この機能は通常、エンジン ECU の特殊機能メニューからアクセスできます。

交換後にキャリブレーション コードをプログラムしないと、ECU が以前のインジェクターのコード (またはデフォルト値) を使用して新しいインジェクターを制御することになり、噴射量エラーが発生し、アイドリングの粗さ、アイドル時または部分負荷時の煙、排出ガスの増加、さらには深刻な場合には 1 つ以上のシリンダーの慢性的な過剰燃料による新しいインジェクターまたはエンジンの損傷として現れます。交換後のインジェクターのコーディングはオプションではなく、推奨されるベスト プラクティスではありません。

比較: ソレノイドと圧電直接噴射インジェクター