均質混合気圧縮着火

燃料と空気の混合物は、反応物の濃度と温度が十分に高くなったときに着火する。濃度や温度は、いくつかの異なる方法で上昇させることができる。

• 圧縮比の増加
• 誘導ガスの予熱
• 強制誘導
• 残留または再導入された排気ガス

一度点火すると、燃焼は非常に速く進行します。自己着火が早すぎたり、化学エネルギーが過剰だったりすると、燃焼が速すぎてシリンダー内の圧力が上昇し、エンジンが破損する可能性があります。そのため、HCCIは通常、全体的に希薄な燃料混合比で運転されます。

• HCCIエンジンは燃料が薄いため、ディーゼルエンジンのような圧縮比（>15）で運転でき、従来のSIガソリンエンジンよりも30%高い効率を達成できます。^{[ 2 ]}
• _{燃料と空気の均一な混合により、}よりクリーンな燃焼と低排出ガスが実現します。ピーク温度が一般的なSIエンジンよりも大幅に低いため、NOxレベルはほぼ無視できるレベルになります。さらに、この技術ではすすが発生しません。^{[ 3 ]}
• HCCIエンジンは、ガソリン、ディーゼル燃料、およびほとんどの代替燃料で動作できます。^{[ 4 ]}
• HCCIはスロットル損失を回避するため、効率がさらに向上する。^{[ 5 ]}

• 低温始動機能を実現する。
• 高い発熱量と圧力上昇率は、エンジンの摩耗につながる。
• 自己着火は、火花点火エンジンやディーゼルエンジンの着火イベントとは異なり、制御が難しい。火花点火エンジンやディーゼルエンジンの着火イベントは、それぞれスパークプラグとシリンダー内燃料噴射装置によって制御される。^{[ 6 ]}
• HCCIエンジンはトルク範囲が狭く、低負荷では希薄燃焼限界によって、高負荷ではシリンダー内圧力制限によって制約される。^{[ 7 ]}
• 一酸化炭素（CO）と炭化水素（HC）の触媒前排出量は、それぞれ不完全な酸化（急速な燃焼と低いシリンダー内温度による）と隙間ガスの閉じ込めにより、一般的な火花点火エンジンよりも高くなっています。^{[ 8 ]}

HCCIは、SIやディーゼルなどの他の燃焼エンジンに比べて制御が難しい。一般的なガソリンエンジンでは、火花を使って予混合された燃料と空気に点火する。ディーゼルエンジンでは、燃料が予圧縮された空気に噴射されると燃焼が始まる。どちらの場合も、燃焼タイミングは明示的に制御される。しかし、HCCIエンジンでは、燃料と空気の均質な混合物が圧縮され、十分な圧力と温度に達するといつでも燃焼が始まる。つまり、明確な燃焼開始装置がないため、直接制御することはできない。エンジンは、所望のタイミングで点火条件が発生するように設計する必要がある。動的な運転を実現するには、制御システムが燃焼を誘発する条件を管理しなければならない。選択肢としては、圧縮比、吸入ガス温度、吸入ガス圧力、燃料空気比、または残留または再吸入される排気ガスの量などが挙げられる。いくつかの制御アプローチについては、以下で説明する。

一般的な内燃機関では、燃焼は炎によって起こります。そのため、どの時点においても、燃料全体のほんの一部しか燃焼していません。このため、ピーク圧力とエネルギー放出率は低くなります。しかし、HCCIでは、燃料/空気混合気全体がはるかに短い時間間隔で着火して燃焼するため、ピーク圧力とエネルギー放出率は高くなります。より高い圧力に耐えるために、エンジンは構造的に強くする必要があります。燃焼速度とピーク圧力を下げるためのいくつかの戦略が提案されています。自己着火特性の異なる燃料を混合することで、燃焼速度を下げることができます。^{[ 22 ]} ただし、これには実装するための大規模なインフラストラクチャが必要です。別のアプローチでは、希釈（排気ガスによる希釈など）を使用して圧力と燃焼速度（および出力）を下げます。^{[ 23 ]}

分割燃焼室方式では補助燃焼室と主燃焼室という2つの協働する燃焼室があります。 補助燃焼室では高い圧縮比が用いられます。 主燃焼室では中程度の圧縮比が用いられ、均質な空気燃料混合気が自己着火閾値付近で、しかしそれ以下の圧力で圧縮・加熱されます。 補助燃焼室の高い圧縮比により、その内部の均質な希薄な空気燃料混合気が自己着火します（点火プラグは不要）。燃焼ガスは、上死点直前にいくつかの「移送ポート」を通って主燃焼室に噴出し、主燃焼室の自己着火を引き起こします。 エンジンの構造は、主燃焼室よりも強くする必要はありません。

内燃機関（ICE）では、燃焼室に燃料を多く供給することで出力を向上させることができます。これらのエンジンは熱発生速度が遅いため、出力向上に耐えることができます。しかし、HCCIエンジンでは、燃料／空気比を上げると、最高圧力と熱発生速度が上昇します。さらに、多くの有効なHCCI制御戦略では燃料の熱予熱が必要となりますが、これにより燃焼室内の空気／燃料混合気の密度、ひいては質量が低下し、出力が低下します。これらの要因により、HCCIエンジンの出力向上は困難となっています。

1つの手法は、自己着火特性の異なる燃料を使用することです。これにより、熱発生率とピーク圧力が低下し、当量比を上げることが可能になります。もう1つの方法は、圧縮された混合気の異なる点が温度が異なり、異なるタイミングで燃焼するように混合気を熱的に成層化することで、熱発生率を下げ、出力を上げることが可能になります。^{[ 24 ]} 3つ目の方法は、部分負荷条件でのみエンジンをHCCIモードで運転し、高負荷条件ではディーゼルエンジンまたはSIエンジンとして運転することです。^{[ 25 ]}

HCCIは希薄混合気で作動するため、ピーク温度はSIエンジンやディーゼルエンジンに比べてはるかに低くなります。この低いピーク温度により、NOxの生成が抑制されます。_しかし、これは燃料の不完全燃焼、特に燃焼室壁付近での不完全燃焼を引き起こします。その結果、比較的高い一酸化炭素と炭化水素の排出量が発生します。排気ガスは依然として酸素を多く含んでいるため、酸化触媒を用いることで規制対象物質を除去することができます。

SIエンジンにおいて、燃焼炎の前方にある未燃焼ガスの一部が自然発火すると、エンジンノッキングやピンギングが発生します。このガスは炎が伝播するにつれて圧縮され、燃焼室内の圧力が上昇します。未燃焼反応物の高圧とそれに伴う高温により、自然発火が起こることがあります。これにより、圧力波がガス端領域から伝播し、膨張波がガス端領域に伝播します。2つの波は燃焼室の境界で反射し、相互作用して高振幅の定在波を生成します。これにより、ライケ管と同様に、波の伝播中に発生する熱放出の増加によって共鳴が増幅される、原始的な熱音響装置が形成されます。

HCCIでも同様の着火プロセスが発生します。ただし、火炎前線より前方の圧縮によって反応混合物の一部が着火するのではなく、HCCIエンジンでは、圧縮された混合気の大部分でピストンの圧縮がほぼ同時に起こることによって着火します。ガスの異なる領域間で圧力差はほとんど、あるいは全く生じないため、衝撃波やノッキングは発生しませんが、急速な圧力上昇は依然として存在し、ほぼ理想的な等容積加熱による最大効率を追求する上で望ましいものです。

HCCI エンジンの燃焼と熱発生率をシミュレートするための計算モデルには、詳細な化学モデルが必要です。^{[ 17 ] [ 26 ] [ 27 ]}これは主に、点火が SI エンジンやディーゼル エンジンで一般的な乱流/噴霧や火花プロセスよりも化学反応速度論に敏感であるためです。計算モデルは、シリンダー内の混合気が実際には不均一であり、特に温度に関して不均一であるという事実を考慮することの重要性を示しています。この不均一性は、乱流混合と燃焼室壁からの熱伝達によって引き起こされます。温度成層の量は熱発生率、ひいてはノッキング傾向を決定します。^{[ 28 ]}このため、シリンダー内の混合気を単一のゾーンとして考えることの有用性が制限され、ロスアラモス国立研究所のKIVA CFDコードなどの3D計算流体力学コードと、より高速に解ける確率密度関数モデリング コードの統合につながっています。^{[ 29 ] [ 30 ]}