■クリーンディーゼル進化の立役者は、コモンレール噴射システム

●燃料噴射圧力や噴射時期、噴射回数を自在に制御して排出ガスと燃焼音を低減

コモンレール噴射システムの出現によってディーゼルエンジンは大きく進化しました。噴射圧の高圧化とともに多段噴射によって燃焼を自在に制御できることが、コモンレール噴射の最大のメリットです。

コモンレール噴射システムによるディーゼルエンジンの燃焼制御について、解説していきます。

●ディーゼル噴射システムの歴史

ディーゼルエンジンは、コモンレール噴射システムが登場する以前は、主として分配型燃料ポンプ式の噴射システムを採用していました。このシステムでは、燃料圧力によって弁開閉を行う自動噴射弁と分配型ポンプを組み合わせて、燃料をシリンダー内に噴射します。分配型燃料ポンプは、回転するカムでプランジャーを作動させて高圧燃料を発生させる燃料ポンプです。

1995年に、噴射自由度の高い電子制御のコモンレール噴射システムが実用化されました。

高圧噴射や噴射を複数回分割する多段(マルチ)噴射など、高精度に燃料噴射が制御できるため、排ガス規制の強化とともに急速に普及しました。

●コモンレール噴射システムの構成

コモンレール噴射システムは、ガソリンの噴射システムと同様、あらかじめ高圧の燃料をコモンレール(デリバリーパイプ)に蓄えておき、電磁タイプの高圧噴射弁で燃料を噴射します。

燃料は、燃料タンクから高圧ポンプに内蔵されたフィードポンプで吸い上げられ、高圧(サプライ)ポンプで昇圧。高圧ポンプは、プランジャーの往復運動により、燃料を吸入・圧送しますが、本体はベルトやチェーンを介してエンジンで駆動します。

コモンレールに圧送された燃料は、圧力コントロールバルブによって既定の圧力に調整されます。

高圧噴射弁は、ソレノイドコイルのON/OFF制御によってコマンドピストンを作動させて噴射弁を開閉します。燃料の微粒化と分散性のため6〜8個程度の多噴孔噴射弁を使い、噴射圧は最高で200MPaを超える仕様もあります。

高級ディーゼル車の一部では、応答性の高いピエゾタイプの噴射弁を採用しています。ピエゾ噴射弁は、電圧をかけると伸張するピエゾ素子を弁開閉のアクチュエーターとして使用。コストは高いですが、応答性に優れ精度高く噴射量と噴射時期を制御できるのが、特長です。

コモンレール噴射システム
コモンレール噴射システム

●コモンレール噴射による燃焼制御

コモンレール噴射は、燃料噴射量や圧力、噴射時期、噴射回数を自在に制御できる画期的な噴射システムです。特に、噴射を複数回に分割する多段(マルチ)噴射によって、ディーゼルエンジンの課題であった排出ガスと燃焼音を同時に低減できるようになりました。

多段噴射の噴射パターンは運転条件に応じて使い分けられます。典型的な多段噴射は、主噴射の前のパイロット噴射とプレ噴射、主噴射の後のアフター噴射とポスト噴射の計5回噴射です。

・パイロット噴射

主噴射の前に少量の燃料を燃焼させることで、燃焼室内の温度を上昇させてその後の主燃焼の着火遅れを小さくします。主燃焼の急激な圧力上昇が抑えられるので、燃焼音を低減できます。

・プレ噴射

主燃焼の直前に微小燃料を噴射して、燃焼音の低減とNOx低減のバランスを取ります。

・主(メイン)噴射

出力を決定する燃料量を噴射します。

・アフター噴射

主噴射で燃えなかった燃料を再燃焼するように、主噴射の直後に少量噴射します。

・ポスト噴射

排気系に装着されたDPF(ディーゼル・パティキュレート・フィルター)に溜まった煤を定期的に燃焼除去(再生制御)するために、排気温度を上昇させる目的で噴射します。

高圧噴射弁と多段噴射
高圧噴射弁と多段噴射

ディーゼル乗用車の排ガス規制は、2000年以降段階的に強化されましたが、コモンレール噴射システムの登場と進化で対応してきました。

ガソリンエンジンの燃焼は、点火プラグの火花が燃焼のトリガーになります。一方、ディーゼルエンジンは自着火なので、着火の制御とその後の燃焼制御が難しいという根本的な課題があります。

(Mr.ソラン)