エアインジェクションシステム完全解説：排出ガス低減メカニズムと仕組み

エアインジェクションは、エンジン各排気ポートへ空気を噴射し、高温排気と混合させてHC（炭化水素）とCO（一酸化炭素）を酸化、H2OとCO2へ変換する排出ガス低減技術。排出ガス規制初期には、エアインジェクションで基準達成が容易でした。排気中のHCとCOを酸化する最初のアドオンデバイスの一つで、「エアポンプシステム」とも呼ばれます。

本記事では、エアインジェクションシステムの定義、構成部品、図解、作動原理、メリット・デメリットを解説します。

エアインジェクションシステムとは

HCとCO排出低減のため、エンジン排気ポートへ新鮮空気を送り込むシステム。エンジン排気には未燃焼・不完全燃焼燃料が含まれます。エアインジェクションシステムからの酸素でこれら燃料が燃焼継続。主要構成：エアポンプ、ディバーターバルブ、エア分配マニホールド、エアチェックバルブ。

考案者はルドルフ・ディーゼル。図1にシステム構成を示す。この構成では燃料供給時に空気と燃料の両方をシリンダーへ噴射。燃料噴射に必要な空気圧力は約70bar以上。

内燃機関における燃料噴射は、燃料と空気を混合する機構。燃料噴射システムには様々な機能目標があるが、共通して燃焼プロセスへ燃料供給する点。出力、燃費、排出性能、信頼性、スムーズ運転、始動性、ランニングコスト、メンテナンスコスト等、競合する目標が多数存在。

エアインジェクションシステムの構成部品

• フィルター付きエア供給ポンプ
• エアマニホールドとノズル
• アンチバックファイアバルブ
• チェックバルブ
• 接続ホース

エア供給ポンプ

エアポンプはクランクシャフトからベルト駆動、エンジンフロントに配置。外部フィルターから新鮮空気を吸入、接続ホース経由で低圧で各排気ポートへ送気。この追加空気が排気マニホールド内の高温HC・CO排出物と混合酸化、H2OとCO2へ変換。

エアマニホールドとノズル

初期エアインジェクションシステムでは、エンジン排気系へ空気供給に2方式：

• 小排気量エンジン：外部エアマニホールドから各排気バルブ付近の排気ポートへ噴射チューブで供給
• 大排気量エンジン：シリンダーヘッド内部通路または排気マニホールド内部通路で、各排気バルブ付近排気ポートへ内部エアマニホールドから供給

アンチバックファイアバルブ

減速時、高インテークマニホールド真空で空燃混合気がリッチ化。減速時にフレッシュエアが排気マニホールドへ噴射されると、排気内未燃焼ガソリンと混合しエンジンバックファイア発生。未燃焼ガス急速燃焼によるバックファイアはマフラー破損原因。これを防止するため、減速時エアフロー遮断のアンチバックファイア/バックファイア抑制バルブを使用。ガルプバルブとディバーターバルブの両方でエアフロー停止。

チェックバルブ

ワンウェイチェックバルブで、エンジンからエアポンプへの排気ガス逆流防止。エアマニホールドとディバーターバルブ/ガルプバルブ間に配置。排気圧力がエアインジェクション圧力超過時、またはエアポンプ故障時、チェックバルブスプリングが閉弁し逆流遮断。直列エンジンでは単一チェックバルブ、V型エンジンでは通常2個（バンク毎1個）設置。一部V型は単一のみ。

セカンダリエアインジェクションシステム図

（ここにシステム図が入ります）

セカンダリエアインジェクションシステムの追加部品：

• エアフィルター
• セカンダリエアポンプ
• エンジン制御ユニット（ECU）
• コントロールリレー
• 切替バルブ
• コンビネーションバルブ

作動原理

エアインジェクションシステムの作動は理解しやすい仕組みです。エンジン運転時、エアポンプ回転ベーンが空気をディバーターバルブへ送気。車両が減速中でなければ、ディバーターバルブ→チェックバルブ→エアインジェクションマニホールド→エンジンへ空気供給。排気バルブへフレッシュエア吹き付け。減速時はディバーターバルブがエンジン排気マニホールドへの空気流入防止。潜在的バックファイア回避で排気系保護。システム過圧時にディバーターバルブが余圧逃がし。

セカンダリエアインジェクションシステム

触媒が未作動の冷間始動フェーズで、HCとCOレベルをさらに低減。ストイキオメトリックガソリンエンジンでは三元触媒で90%以上変換率。しかし冷間始動で車両排出ガスの最大80%が発生。触媒は300-350℃でのみ有効なため、冷間始動フェーズで様々な手法で排出ガス低減必要。セカンダリエアシステムがこれを担う。

排気系に十分な残留酸素と高温があると、HCとCOが二次反応でCO2とH2O生成。

冷間始動時混合気が極めてリッチな場合、排気流へ空気噴射し反応用酸素確保。三元触媒+ラムダ制御車では約100秒でセカンダリエアシステム停止。二次反応発熱で触媒作動温度へ迅速到達。

補助空気供給はアクティブ/パッシブ両方式可能。パッシブシステム：排気系圧力振動利用。排気管流速による真空で、タイミングバルブ経由で追加空気導入。アクティブシステム：ポンプでセカンダリエア強制吹き込み。より精密な制御可能。

動画で理解するエアインジェクションシステム

（動画プレースホルダー）

エアインジェクションシステムのメリットとデメリット

メリット

• 燃料霧化と分配が改善
• 燃焼がより完全なため、他噴射システムより高BMEP（平均有効圧力）
• 安価な燃料使用可能

デメリット

• コンプレッサー駆動に複雑な機構必要
• エンジン重量増大
• エンジン出力の一部でコンプレッサー駆動必要、エンジンBHP（ブレーキ馬力）低下

以上、セカンダリエアインジェクションシステムの定義、構成部品、図解、作動原理、メリット・デメリットを解説しました。参考になれば幸いです。シェアや次回もお楽しみに！