ハーレーダビッドソンのEFI電子制御燃料噴射装置の仕組み

電子制御燃料噴射システム（EFI）は、今や二輪車ライフの一部となっています。これは燃料の量を同じにしてもより大きなパワーを生み出せるため効率が高く、排出ガスも少なく、さらにエンジンをより緻密に作動させることができます。
ますます進化するこれらのシステムの基本的な仕組みを、可能な限りシンプルに解説します。

燃料の噴射
電子燃料噴射、すなわちEFI（Electronic Fuel Injection）は、エンジンの作動に必要な燃料を供給するという役割において、キャブレターに代わるものです（基本的にはエンジンそのものは変わっておらず、発生する総出力も同じで、燃料の供給方法が変わるだけです）。
EFIシステムには、ECM（またはECU）、センサー、アクチュエーターという3つの基本的な構成要素があります。

ECM（エンジンコントロールモジュール）
ECMまたはECU（Electronic Control Unit）とも呼ばれ、システムの頭脳にあたります。これは小型のコンピューターで、他のコンポーネントとアナログ（電圧）で通信するほか、バイクに搭載された「インターネット」のようなデジタル通信でも情報をやり取りします（詳細はこちらの記事をお読みください）。

ECMの役割は、各シリンダーにいつ、どれだけの量の燃料を噴射すべきかを決定することです。そのために、さまざまなセンサーから届く情報（温度、回転数、スロットル開度など）を分析し、メモリに書き込まれたテーブルやマップと照合します。量とタイミングを正確に計算した後、インジェクターを開くよう命令を出し、シリンダーへの燃料供給を行います。また、点火時期を制御し、スパークプラグがいつ火花を飛ばすべきかを決める役割も担っています。これらすべてが、1秒間に数百回もの速さで行われています。

センサー（入力）
センサーは、車両（およびエンジン）がどのような状態で走行しているかをECUが把握するために必要な情報をすべて提供する役割を担っています。主なセンサーは以下の通りです：

• CKP（Crankshaft Position）：クランク角センサー

エンジンクランクケースに配置され、クランクシャフトの回転を検知することで、エンジンの回転数（RPM）をECMに伝えます。

• CMP（Camshaft Position）：カム角センサー

カムシャフトのマークを読み取ることで、エンジンが現在どの工程（吸気、圧縮、燃焼、排気）にあるかを判定します。

• MAP（Manifold Air Pressure）：吸気圧センサー

吸気マニホールド内の負圧を測定し、エンジンの負荷とシリンダー内に流入する空気量をECMに伝えます。

• ET（Engine Temperature）：エンジン温度センサー

シリンダーヘッドやシリンダーに設置され、エンジンの稼働温度を報告します。これによりECMはエンジンが冷間時か作動温度に達しているかを判別できます。

• TPS（Throttle Position Sensor）：スロットルポジションセンサー

ドライバーがスロットルグリップをどれだけ開いているかをこの入力からECMが把握します。通常、吸気スロットルバルブ付近に設置されています。

• IAT（Intake Air Temperature）：吸気温度センサー

吸気口に設置されたメーターを通じて、外気の環境温度を報告します。

• O2センサー：ラムダセンサー

排気管に設置され、燃焼の状態に関する情報を提供します。これにより、混合気が「リッチ（濃い）」か「リーン（薄い）」かをリアルタイムでECUが把握できます。

• ノックセンサー

エンジンブロックに取り付けられた小さな「マイク」です。点火時期の不具合によって発生する振動をリアルタイムで検知し、エンジン内部のコンポーネントに壊滅的な結果をもたらすのを防ぎます。

• 気圧センサー（Baroセンサー）

大気圧と標高の変化を測定します。これにより、海面から高地へ移動したり、気象条件が変わったりしても、キャブレターのように調整を行う必要がなくなります。

近年、このセンサーは姿を消しつつあります。バイクを始動する直前にMAPセンサーが同じ機能を担うようになったためです。

吸気サイクル
これらすべてのデバイスや入力を総合的に理解するために、例を挙げます。
時速90kmで走行中としましょう。クランク角センサーからの信号により、ECMは2060 RPMで走行中であることを知っています。また、カム角センサーからの信号をRPMと照らし合わせることで、各シリンダーのピストンが吸気上死点にあるタイミングも把握しています。
さらにECMは、スロットルポジションセンサーにより「パーシャルスロットル」状態であることを認識しており、MAPセンサーのデータを照合して、わずかな登り坂でエンジン負荷がかかっていることも把握しています。エンジン温度センサーの電圧から、エンジンが作動温度にあることも分かっています。
これらのデータをもとに、ECMは気圧と吸気温度を確認し、すべての情報をマップのテーブルと比較して、その瞬間にどれだけのガソリンを噴射すべきか、そしていつスパークプラグに火花を飛ばすべきかを決定します。算出にあたっては、O2センサーからの情報も考慮して計算を再調整します。
繰り返しますが、あなたが風を感じながら少し加速しようとするその瞬間にも、バイクの中ではこうしたことが1秒間に何百回も繰り返されているのです。

システムの出力（Outputs）
各センサーから情報を受け取ると、ECMはこれらのデータをマップ内に保存された値と比較し、処理を行った上で、エンジンを希望通りに作動させるために各制御デバイスや出力端子へ命令を下します。
システムの主な出力は以下の通りです：

• IAC（Idle Air Control）：アイドルスピードコントロール

アイドリングを制御するためのステッピングモーターです。

吸気経路を開閉して、プログラムされたRPMでエンジンがアイドリングするように維持します。そのため、アイドリング回転数を下げるには、そのテーブルを再プログラムする必要があります。

• インジェクター

適切なタイミングで各シリンダーに正確な量のガソリンを供給します。

この量はECMによって決定され、インジェクターの開弁時間を増減させることで制御されます。

• イグニッションコイル

コイルは、正確なタイミングで各シリンダーに個別に火花を飛ばします。

このように、ECMは燃料噴射の制御だけでなく、センサーからの情報を利用して点火時期の進角や調整を自動的に行っていることがわかります。

• アクティブ吸排気システム

これらのバルブはエアフィルターの吸気口や排気出口を開閉し、排出ガス規制への適合を助けます。

もしこれらを無効にする場合は、プログラミングによってECMにその旨を伝える必要があります。

• TCA（Throttle Control Actuator）：スロットル制御アクチュエーター

電子制御スロットルシステムにおいて、吸気スロットルバルブの開閉を制御するモーターです。

この場合、スロットルはコントローラーのような信号をECMへ送り、制御モーターを通じてECMがバルブを開閉します。

トータルコントロール
複雑に思えるかもしれませんが、実際には最新の燃料噴射制御システムを採用することで、点火制御、排気ガス、制動、アクティブセーフティなどを同時に管理できるようになります。部品を重複させることなく、診断も非常に透明性をもって行えるため、メンテナンスも簡素化されます。

例えば、ABSブレーキセンサーの助けを借りることで、ECMは加速時にスリップが発生したかどうかを検出し、TCA（スロットル）とコイル（点火時期）の出力を変更するだけでトラクションコントロールシステムを起動させることができます。追加の部品は一切不要です。
また、近年のECMで利用できるメリットとして、異なるマップ（エコ、スポーツ、シティ、ウェットなど）を切り替え、ボタン一つで車両の挙動を変えることも可能です。これにより、より扱いやすく、環境に優しく、そして楽しいバイクを実現しています。

Frank Burguera

#mecanicaharley