ガソリン直噴エンジン（ガソリンちょくふんエンジン、直噴ガソリンエンジンとも, 英:Gasoline Direct injection）とは、「筒内噴射」方式と呼ばれる、圧縮行程の
シリンダー内に、燃料である
ガソリンを、高圧で直接噴射する
ガソリンエンジンのことである。
燃焼の原理は異なるが、噴射にかかわる基本技術は
ディーゼルエンジンの無気噴射システムを基としている。
概要
およそ50から120
気圧という高圧のガソリンを、エンジンの圧縮行程で
インジェクターから高圧のシリンダー内に噴射し、一般的にシリンダー内の気流（タンブル旋回流または、スワール旋回流）を利用して
点火プラグ付近に燃焼可能な混合比の層（
成層燃焼）を形成することで、シリンダー内全体としては
空燃比20:1から55:1の超
希薄燃焼を可能にしている。成層燃焼中は、
EGR（排出ガス再循環装置）を導入しても燃焼の悪化が殆んど無い為、大量のEGRを導入することが可能となり、
ポンピングロスの低減に非常に有効である。同時に、EGRを導入する事により燃焼温度が低く抑えられ、
NOx（窒素酸化物）の排出量を低減できる。
微粒化したガソリンが点火プラグの周辺にのみ存在すれば燃焼が成立し、その周辺の空気はシリンダー壁との
断熱や、燃焼時のエネルギーによる熱膨張によるピストン押し下げの役割を果たし、従来の吸気行程に噴射する「ポート噴射」と「予混合燃焼」方式の組み合わせに比べ、熱損失の低減が図られ、結果として省
燃費となる。
また、高負荷時は出力
空燃比（12:1）付近での燃焼（均質燃焼）へ切り替えて吸入行程でガソリンを噴射する。この際、ガソリンの
気化熱によりシリンダー内の吸気が冷却されることで充填効率（
酸素濃度）が向上、点火時期の進角が可能となり、高出力が得られる。
燃焼モード切替時（超希薄空燃比 ⇔ 理論空燃比）には必要とする吸入空気量に大きな差があり、また切り替え時のトルク変動を抑えるため、スロットルバルブの動作には、
バイワイヤー化した電子制御スロットルを用いる場合が殆どである。
希薄燃焼時の排出ガスは酸素過多の状態にあり、従来の
三元触媒では
NOxの
還元作用が期待出来ず、リーンバーン時にはNOxを吸蔵し、理論空燃比よりもリッチな状態になった場合に還元する触媒が必用となる。
近年は、希薄燃焼（リーンバーン燃焼）を行わずに理論
空燃比下での燃焼（ストイキ燃焼）のみを行い、燃費や出力の向上だけでなく低
排出ガス化を図ったガソリン直噴エンジンも増えた。希薄燃焼を行わない場合でも
燃費に有効なのは、上述のように高圧縮比を実現しやすく、より正確な
空燃比を実現できるからである。
日本では1990年代から2000年代にかけて三菱のGDIを先駆けとして各メーカーが次々と直噴エンジンを投入したが、最近では排ガス規制等との兼合いや、メンテナンスの難しさ(カーボン発生による不具合の頻発)などから、各社とも再びポート噴射型のエンジンに戻りつつある。また、未だに直噴を採用しているメーカーにおいてもポート噴射と併用することによって、ポート噴射で
ノッキングを起こさない程度の燃料を予混合し均質化した空気をシリンダに吸入させ、シリンダ内のインジェクタノズルによって噴射した微量の燃料に点火することによって燃料を完全燃焼させるという方法で直噴エンジンの燃費のよさを活かしつつ、カーボンの発生を抑えて、不具合の減少を図っている。
メリット
最初は航空機のエンジンとして採用されており、強力な
Gがかかった場合は
キャブレターでは燃料の供給がストップする場合においても、直噴なら問題無く燃料が供給できた。
ターボチャージャーなどの
過給器との相性が良く、それらと組み合わせる事によって高出力化と低燃費化と低公害化とを同時に実現する事が出来る。その例が、マツダのDISIターボである。平成17年排出ガス基準75％低減レベルの低排ガス性能と低燃費を実現しながら高出力を獲得している。直噴エンジンの緻密なトルク制御により低回転域のトルクを確保しながらターボラグを抑制している。ポート噴射よりも直噴の方が排気温度の制御が行いやすいため、エンジンが冷えているときでも触媒の温度が上昇するように制御できることが、低排ガスを実現できたひとつの要因である。BMWでも最新のインジェクターを装備した直噴エンジンにターボチャージャーを組み合わせたモデルが存在する。
直噴エンジンは噴射する燃料の量を調整することでエンジンの正確なトルク制御が容易である為、
CVT（無段階変速装置）と組み合わせた場合にも、その正確なトルク制御のおかげでCVTベルトクランプ力を最低限に出来るメリットが有り、燃費向上に有効である。現に
GDIを搭載した
ランサーセダン（セディアの1.5L DOHCおよび中期型までの1.8L DOHCの自然吸気モデル）および
ランサーワゴン（1.8L DOHCの自然吸気モデル）、
ミラージュディンゴ（後期型の1.5L DOHCモデル）のようなガソリン直噴エンジンとCVTを組み合わせた車では、非公式ではあるにせよ、リッターあたりの燃費が20kmを超えるケースも確認されている。
デメリット
高温、高圧に耐える、また、成層燃焼のための噴霧を最適化した専用のインジェクターや、高圧の噴射ポンプ、特殊な形状(皿型)のピストンなどを必要とするため、エンジン全体のコストが上がる。ポート噴射式の
燃料噴射装置はこの限りでは無く、現在では安価に生産できる。
現在でも少なからず残っている直噴ガソリンエンジンのデメリットは、シリンダー内にガソリンの燃えカスが溜まることがポート噴射式エンジンに比べて多いことである。いくつかの原因があるが、40：1を超える超希薄燃焼では
すすが発生しやすく、そのすすがインジェクターノズルに付着すると適正な燃料噴射ができなくなることが主な原因である。燃料噴射量が狂うとさらにすすが発生し易くなるという悪循環が発生してしまう。さらに吸気側への一部排気の吹き戻し(主にオーバーラップ時に発生)により、渦流生成用バルブにカーボンが付着してバルブが故障し、必要な渦流が発生しないため燃料がうまく空気と混合せず異常燃焼を起こしたり、点火プラグが燻るなどしてエンジン不調に陥る事例もある。
また、燃焼室内にすすが付着すると燃料の気化速度が狂ってしまう。主な症状としては
エンスト、
アイドリングの不安定、異常な黒煙、不安定なエンジン音、出力の低下、燃費の悪下などである。新型のエンジンでは、ピストントップと燃焼室形状の最適化や、インジェクターの改良、
フィードバック制御の高度化などによりそれらの症状が出ることは少なくなったが、いまだに耐久性や信頼性、整備性にはいささか疑問が残る。例えば、通常モデルでは直噴を採用していても、特殊用途の車両（警察車両など）ではポート噴射となっている例や、日本国内では直噴を採用しているモデルても、海外向けではポート噴射となる例がある。主に整備性や、仕向け地の排出ガス基準でそのような変更を行っているようである。
更にこのすすの一部は燃焼室内に残留してエンジンオイルによって回収されるので、オイル汚れが激しく、この為ポート噴射式に比べてオイル交換サイクルを短くしたほうがよい。実際、GDIエンジンが登場した当時は現在のオイルほど清浄分散剤(すすなどを微粒化させる)の添加量が無かったために、主にこの配合量を増やした「GDIエンジン専用オイル」なるものが三菱のGDI車用純正オイルとして使用されていた。現在一般的に販売されている規格のオイル(SJ以上)ではどのオイルを使っても殆ど問題はないが、やはりオイル交換サイクルを短めにしたほうが良いことは確かである。
また、ガソリン直噴エンジンに欠かせない高圧インジェクターのノイズが発生してしまうこともデメリットとなる。ガソリンエンジンの場合、もともと騒音が少なく、その音が目立ってしまう。車室内ではほとんど聞こえないが、車外で聞くと耳につく音となる。音の表現は難しいが、カタカタカタという音である。エンジンによっては
ディーゼルエンジンに近い音が聞こえる場合がある。インジェクターの改良やエンジンルームの遮音・吸音材である程度は改善されている。
これに加えて現在の直噴エンジンは例外もあるがその大部分が
ハイオク燃料仕様となっていることが多い。これは負荷状態によって燃料を圧縮中に噴射する場合と吸気中に噴射する場合(もしくはその両方)があるためであり、もともと直噴エンジンは構造上高圧縮比にしていることが多いため、
オクタン価が低いと
ノッキングの原因となってしまい、エンジン故障の原因ともなるからである。
歴史
- 第二次世界大戦中においてドイツでメッサーシュミットBf109用に開発された航空機用エンジンJumo 210Gに使用される。
- 1954年：メルセデス・ベンツ・300SLにおいてガソリン直噴エンジンが使用される。これが市販乗用車初のインジェクション車でもあった。航空機用技術の流用であった。
- 1996年：三菱自動車がGDIエンジンを成層燃焼とともに実用化する。全車GDI化を目指し発表したものの、高い製造コストそして期待されたほど燃費性能が発揮されないこと、さらにNOx規制に対応できなかったことから静かに全面撤退を行った（2007年に製造終了）。
- 以後、トヨタ、日産および外国車においてもガソリン直噴エンジンが普及する。一方で排ガス規制の強化にともない希薄燃焼、成層燃焼（いわゆるリーンバーン）を採用するエンジンは減っていく。
- 2003年：ホンダが排ガス規制強化後、成層燃焼を可能にしたi-VTEC Iをストリーム・アブソルートに採用する。しかしながら、後のストリームのフルモデルチェンジにより、エンジンが変更され、iVTEC Iを搭載した車種はなくなった(2007年1月現在）
- 2003年：ダイハツが東京モーターショーに参考出品したコンセプトモデルaiに搭載。これはユニフロースカベンジング方式の2サイクルエンジンであり、軽自動車の小排気量でトルクを確保するものであった。車体ともども商品化は果たされていない。
- 2005年：トヨタがレクサスGSの2GR-FSE（V型6気筒3500cc）でD4-Sと呼ばれる、筒内直接噴射用インジェクターとポート噴射用インジェクターの両方を搭載し、状況に応じて2つのインジェクターを組み合わせることができる技術を世界で初めて採用。後の、レクサスLSに搭載された1UR-FSEエンジン(V型8気筒4600cc)でも同様の技術を採用。
- 2005年：マツダがマツダスピード・アテンザにL3-VDT（直列4気筒2300ccターボチャージャー付）を採用し、同社初のガソリン直噴は過給器付エンジン（DISIターボ）となった。翌2006年にはMPVにも同型エンジンを搭載したモデルが現れ、同年末登場のCX-7は全車がこのエンジンを搭載している。2007年にはプレマシーに直噴自然吸気式エンジン（DISI）のLF-VD（直列4気筒2000cc）搭載モデルが追加された。
- 最近の様子としては、メーカーによって直噴に対する評価が分かれているということである。日産では一時は大排気量エンジンに直噴を積極的に採用していたが、排ガス規制に適合するために、現在では直噴をほとんど採用していない。トヨタでは以前は一部車種に限定して直噴エンジンを搭載していたが、主力ミニバンなどでも採用した。また、現行型クラウンなどに搭載されるGR型V型6気筒エンジンで直噴を採用した。トヨタ自動車では、現在レクサスブランドの車種でも4.3L V8エンジンを搭載したモデル以外はすべて直噴を採用している。ただし、GR型をはじめとしてこれら最近のトヨタ採用のエンジンはポート噴射と併用するタイプである。
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ボッシュの開発したピエゾ式インジェクターにより数回に分けた噴射等と空間混合が可能になり、従来の成層燃焼時の問題が幾つか解決された。その技術は現在メルセデス・ベンツやBMWのエンジンに採用されている。
- 2007年：スズキが発売したセルボSRにて「直噴ターボエンジン＋（7速）マニュアルモード付CVT」という日本初の組み合わせが実現。（公称燃費23.0km/?(10・15モード)）
2サイクルエンジンにおける直噴
直噴の恩恵は
2サイクルエンジンに於いてより高まる。なぜなら、それにより有害な排出物の発生を抑える事が出来るからである。
従来の2サイクルエンジンでは吸気時に排気口が同時に開く為、排気ガス中に未燃焼ガスが含まれる事を避ける事は出来なかったが、直噴により解決する。
一般市販の自動二輪車では、イタリアのビモータによる『500 V-Due（500 ブイ−ドゥエ、「デュエ」ではない）』で採用され発売された。
スピードメーターの目盛りも320キロまで刻まれており、当時のオートバイ専門誌でインパクトのある記事が掲載されていたが、制御用コンピューターはじめ多くの点で技術的に不完全なところも多く、期待されていた性能は出なかったこともあり、モデルチェンジの際に通常のキャブレター仕様になっている。
2種類の直噴が2サイクルエンジンに使用されている。低圧空気式と高圧式である。オーストラリアのオービタル社が燃料と空気の混合気を燃焼室に噴射するエンジンを開発した。空気は膨張して燃料は8μm径の油滴になる。他の直噴形式では油滴は20〜30μmである。オービタル社のシステムはAprilia, Piaggio, Peugeot と Kymcoのスクーターと船外機の製造企業であるマーキュリー社と東発によるボンバルディア向けに使用されている。
1990年代初頭、Ficht GmbHは高圧噴射式の2サイクルエンジンを開発した。噴射装置は他に類を見ないもので、高圧ポンプを持たずに、閉鎖された燃焼室で噴射する充分な圧力を得る事が出来る物だった。船外機の製造会社であるアウトボード・マリーン・コーポレーションが1995年に許諾を得て1996年から船外機を製造している OMC purchased a controlling interest in Ficht in 1998.。
参照
