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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、燃焼時の熱を受けて膨張しピストンを押し下げる役割を果たし、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(ストイキオメトリ燃焼)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。

世界初の実用筒内直噴ガソリンエンジンとしては、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がある。現代の自動車用エンジンとは異なり、主目的は、高G下での燃料の安定供給と、過給機による高ブースト圧状態での高出力化のためであった。この技術はドイツのボッシュが世界に先駆けて完成させた、ディーゼルエンジンの無気噴射システムの応用である。その後ダイムラー・ベンツによりDB601エンジンが開発され、Bf109に搭載されたたため、直噴ガソリンエンジンとしてはこちらのほうがより有名である。またこのエンジンは日本でもライセンス生産されている。

これを再び自動車用としたものが、戦後の1954年、メルセデス・ベンツ 300SLに搭載されている。

代表的なガソリン直噴エンジンには三菱自動車工業のGDIやトヨタ自動車のD-4、本田技研工業のi-VTEC I、日産自動車のNEO Di、マツダのDISI TURBO/DISI、欧州ではフォルクスワーゲングループのFSI、アルファロメオのJTSなどがある。

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

ターボチャージャーなどの過給機との相性が良く、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。

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