内燃機関超基礎講座 | 直噴とポート噴射の併用：トヨタD-4S

2005年に2GR-FSE（3.5ℓ-V6）に搭載されたD-4Sは、世界で初めてポート噴射（PFI）と筒内噴射（DI）を併用したシステムである。


TEXT：牧野茂雄（MAKINO Shigeo）

直噴エンジンはその性質上、良好な混合気生成のため気流の渦をつくる必要がある。トヨタのストイキ直噴・D-4は、吸気ポートにスワールコントロールバルブ：SCVを設け、横渦を発生させることでこれに対処していたが、いっぽうでバルブが圧力損失を招き、直噴のメリットを削ぐ結果にもつながっていた。




そのネガを打ち消すため、トヨタはSCVを廃止することで空気流入量を増大。燃焼性の悪化に対してはPFIを追加するD-4S（Direct injection 4 stroke gasoline engine Superior version）によって全負荷性能の向上を図った。渦流の生成は、DI噴孔に2カ所の扇状の「縦ダブルスリット」を設けることで、最適な噴霧を行なう。これらにより、4.5ℓ-V8クラスの動力性能と3ℓ以上の燃費を可能としている。

D-4Sを備えたシリンダーヘッドのカットイラスト。吸気ポートはスワールコントロールバルブを配したことで最大効率化が図られる。DIには2孔式高圧スリットノズルインジェクターを採用、幅130ミクロンの高微粒化燃料を扇状に噴射することでスワール流を発生させる仕組み。PFI側は通常の噴孔形状をもつ。エミッション対策を含めた低中回転域のPFI/DI併用、充填効率に優れる高速域でのDI使用など、両方式それぞれの欠点を補い、「いいとこどり」を図ったシステムである。

▶︎ 膨張〜吸入行程


吸気バルブが開く前に、ポート噴射用インジェクターから吸気ポートへ燃料噴射。


▶︎ 吸入行程


吸気バルブが開き、均質な混合気が燃焼室へ吸入される。


▶︎ 圧縮行程


圧縮行程後半に、筒内噴射用インジェクターから燃焼室へ燃料噴射。


▶︎ 膨張行程


スパークプラグ周辺の成層化した混合気に点火される。

エアフローメーターの流入量から、中低回転域ではPFIとDIの併用、高回転域ではDIのみと切り替えるのが基本動作。また、エミッション低減にも大きく寄与する。




DIの冷間時の触媒暖機性は、点火時期を限界まで遅角させられることからPFIに比べて優勢だが、半面、始動時のHC排出量はPFIの低さに及ばない。そこでD-4Sは冷間始動直後、膨張〜吸入行程にPFI噴射、圧縮行程後半にDI噴射を行なうことで成層燃焼とし、点火時期を遅角化。触媒暖機性とHC低減の両立を可能とした。これにより、北米SULEVレベル以下を実現している。