予混合圧縮着火

予混合圧縮着火（HCCI ）は、よく混合された燃料と酸化剤（通常は空気）が自己着火点まで圧縮される内燃機関の一種です。他の燃焼形式と同様に、この発熱反応によって熱が生成され、熱機関で仕事に変換されます。

HCCI は、従来のガソリン エンジンとディーゼル エンジンの特性を組み合わせたものです。ガソリン エンジンは、均質充填 (HC) と火花点火(SI) を組み合わせたもので、HCSI と略されます。最新の直噴ディーゼル エンジンは、成層充填(SC) と圧縮着火(CI) を組み合わせたもので、SCCI と略されます。

HCSI と同様に、HCCI は吸気行程中に燃料を噴射します。ただし、混合気の一部を点火するために放電 (火花) を使用するのではなく、HCCI は圧縮によって密度と温度を上昇させ、混合気全体が自然に反応するまで続けます。

層状給気圧縮着火も、圧縮による温度と密度の上昇を利用します。ただし、燃料は圧縮行程の後半で噴射されます。燃焼は燃料と空気の境界で起こるため、排出量は多くなりますが、より希薄で高圧縮の燃焼が可能になり、効率が向上します。

HCCI を制御するには、マイクロプロセッサ制御と点火プロセスの物理的な理解が必要です。HCCI 設計では、ディーゼル エンジンのような効率でガソリン エンジンのような排出ガスを実現します。

HCCIエンジンは窒素酸化物排出量（NO
_x) は触媒コンバーターなしでは排出されません。炭化水素 (未燃焼の燃料と油) と一酸化炭素の排出物は、自動車の排出ガス規制を満たすために依然として処理が必要です。

最近の研究では、異なる反応性（ガソリンとディーゼルなど）を組み合わせたハイブリッド燃料が、HCCI点火と燃焼速度の制御に役立つことが示されています。RCCI（反応性制御圧縮点火）は、広い負荷と速度範囲にわたって、高効率で低排出ガスの動作を実現することが実証されています。^[1]

HCCI エンジンには長い歴史がありますが、火花点火やディーゼル噴射ほど広く実装されていません。基本的にはオットー燃焼サイクルです。HCCI は電子火花点火が使用される前から普及していました。1 つの例は、高温の気化室を使用して燃料と空気を混合するホットバルブ エンジンです。余分な熱と圧縮を組み合わせることで、燃焼条件が誘発されます。もう 1 つの例は、「ディーゼル」モデル航空機エンジンです。

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ると発火します。濃度や温度は、いくつかの方法で上昇させることができます。

• 圧縮比の向上
• 誘導ガスの予熱
• 強制誘導
• 残留または再吸入された排気ガス

点火すると、燃焼は非常に速く起こります。自己点火が早すぎたり、化学エネルギーが多すぎたりすると、燃焼が速すぎて、シリンダー内の圧力が高くなり、エンジンが破損する可能性があります。このため、HCCI は通常、全体的な燃料混合気が薄い状態で作動します。

• HCCIエンジンは燃料が希薄であるため、ディーゼルのような圧縮比（> 15）で動作することができ、従来のSIガソリンエンジンよりも30％高い効率を達成します。^[2]
• 燃料と空気の均一な混合により、燃焼がよりクリーンになり、排出量も少なくなります。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ます。さらに、この技術_では煤も発生しません。^[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作動します。^[4]
• HCCIはスロットル損失を回避し、効率をさらに向上させます。^[5]

• コールドスタート機能を実現します。
• 高い熱放出と圧力上昇率はエンジンの摩耗につながります。
• 自己着火は、それぞれスパークプラグとシリンダ内燃料インジェクタによって制御されるSIエンジンとディーゼルエンジンの点火イベントとは異なり、制御が困難です。 ^[6]
• HCCIエンジンはトルク範囲が狭く、低負荷時には希薄燃焼限界によって、高負荷時にはシリンダ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、典型的な火花点火エンジンよりも高く、それぞれ不完全酸化（急速な燃焼と低いシリンダー内温度による）と閉じ込められた隙間ガスによって引き起こされます。^[8]

HCCI は、SI やディーゼルなどの他の燃焼エンジンよりも制御が困難です。一般的なガソリン エンジンでは、火花を使用して予混合された燃料と空気に点火します。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ります。どちらの場合も、燃焼タイミングは明示的に制御されます。ただし、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燃焼が始まります。つまり、明確に定義された燃焼イニシエーターが直接制御するわけではありません。エンジンは、点火条件が望ましいタイミングで発生するように設計する必要があります。動的な動作を実現するには、制御システムで燃焼を誘発する条件を管理する必要があります。オプションには、圧縮比、吸入ガス温度、吸入ガス圧力、燃空比、または保持または再吸入される排気量が含まれます。以下では、いくつかの制御方法について説明します。

2つの圧縮比が重要です。幾何学的圧縮比は、シリンダーヘッドの上部にある可動プランジャーで変更できます。このシステムは、ディーゼルモデル航空機エンジンで使用されています。可変バルブ駆動（ミラーサイクルを可能にする可変バルブタイミング）を使用して、吸気バルブを非常に遅くまたは非常に早く閉じることで、有効圧縮比を幾何学的比から下げることができます。どちらのアプローチも、高速応答を実現するためにエネルギーを必要とします。さらに、実装には費用がかかりますが、効果的です。^[9] HCCI燃焼に対する圧縮比の影響も広範囲に研究されています。^[10]

HCCIの自己着火は温度に非常に敏感です。最も単純な温度制御方法は、抵抗ヒーターを使用して吸気温度を変化させますが、この方法ではサイクルごとに温度を変えるには遅すぎます。^[11]もう1つの技術は、高速熱管理（FTM）です。これは、熱い空気流と冷たい空気流を混合して吸気温度を変化させることによって実現されます。これはサイクルごとに制御できるほど高速です。^[12]また、実装にはコストがかかり、アクチュエータのエネルギーに関連する帯域幅が限られています。

排気ガスは、前回の燃焼サイクルから保持または再導入された場合は非常に高温になりますが、従来のEGRシステムのように吸気口から再循環された場合は低温になります。排気ガスはHCCI燃焼に2つの影響を及ぼします。新鮮な電荷を希釈し、点火を遅らせ、化学エネルギーとエンジン出力を低下させます。逆に、高温の燃焼生成物はシリンダー内のガス温度を上昇させ、点火を早めます。EGRを使用したHCCIエンジンの燃焼タイミングの制御は実験的に実証されています。^[13]

可変バルブ駆動(VVA) は、燃焼室内の温度、圧力、時間エンベロープをより細かく制御することで、HCCI の動作領域を拡大します。VVA は、次のいずれかの方法でこれを実現します。

• 有効圧縮比の制御: 吸気時の VVA は、吸気バルブが閉じるポイントを制御できます。下死点 (BDC) を超えて遅らせると、圧縮比が変わり、シリンダー内の圧力と時間のエンベロープが変わります。
• 燃焼室内に保持される高温排気ガスの量を制御する: VVA は、バルブの再開またはバルブオーバーラップの変更によって、燃焼室内の高温 EGR の量を制御できます。冷却された外部 EGR の割合と VVA システムによって生成される高温の内部 EGR のバランスをとることで、シリンダー内の温度を制御できます。

電気油圧式およびカムレス VVA システムはバルブ イベントの制御を提供しますが、このようなシステムのコンポーネントは現在複雑で高価です。一方、機械式の可変リフトおよび可変期間システムは、標準のバルブ トレインよりも複雑ですが、安価で複雑ではありません。このようなシステムを構成し、バルブ リフト カーブに必要な制御を実現するのは比較的簡単です。

作動範囲を拡張する別の手段は、燃料自体を操作することで点火の開始と熱放出率を制御することです^{[14] [15]}。これは通常、同じエンジンで複数の燃料を「オンザフライ」で混合することによって実行されます。^{[16]例としては、市販のガソリンとディーゼル燃料の混合、 [17]、}天然ガスの採用^[18]、またはエタノールの採用などがあります。 ^[19]これはいくつかの方法で実現できます。

• 上流混合: 燃料は液相で混合されます。1 つは着火抵抗が低い燃料 (ディーゼルなど)、もう 1 つは抵抗が大きい燃料 (ガソリン) です。点火のタイミングは、これらの燃料の比率によって異なります。
• チャンバー内混合: 1 つの燃料を吸気ダクトに噴射し (ポート噴射)、もう 1 つの燃料をシリンダー内に直接噴射します。

圧縮着火直接噴射（CIDI）燃焼は、点火時期と熱発生率を制御する確立した手段であり、ディーゼルエンジンの燃焼に採用されています。部分予混合圧縮着火（PPCI）は予混合圧縮着火（PCCI）とも呼ばれ、CIDI燃焼の制御とHCCIの排気ガス排出量の削減、特にすすの低減を組み合わせた妥協案です。 [ ^{20]熱発生率は、燃焼がより長い時間にわたって起こり、}ノッキングが発生しにくくなるように可燃性混合物を準備することで制御されます。これは、点火開始時に燃焼シリンダー全体にさまざまな空燃比が広がるように噴射タイミングを計ることで行われます。点火は燃焼室の異なる領域で異なる時間に起こり、熱発生率を遅くします。この混合気は、燃料を多く含むポケットの数を最小限に抑えるように設計されており、すすの形成を減らします。^[21]高EGRと着火抵抗が大きいディーゼル燃料（よりガソリンに近い）の採用により、着火前の混合時間が長くなり、煤やNOを生成するリッチポケットが少なくなります。
_x^{[20] [21]}

典型的な内燃機関では、燃焼は炎によって起こる。したがって、どの時点でも、総燃料のほんの一部しか燃焼していない。このため、ピーク圧力が低く、エネルギー放出率も低い。しかし、HCCIでは、燃料/空気混合物全体がはるかに短い時間間隔で点火して燃焼するため、ピーク圧力が高く、エネルギー放出率が高くなります。高い圧力に耐えるために、エンジンは構造的に強くなければなりません。燃焼率とピーク圧力を下げるために、いくつかの戦略が提案されています。異なる自己着火特性を持つ燃料を混合すると、燃焼速度を下げることができます。^[22] しかし、これを実装するにはかなりの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（つまり、排気ガスによる）を使用して圧力と燃焼率（および出力）を下げます。^[23]

分割燃焼室方式 [1]では、小さな補助燃焼室と大きな主燃焼室の 2 つの燃焼室が連携して
動作します。補助燃焼室では高い圧縮比が使用されます。
主燃焼室では中程度の圧縮比が使用され、均質な空気と燃料の混合物が自動着火閾値付近で圧縮/加熱されますが、自動着火閾値を下回ります。
補助燃焼室での高い圧縮比により、均質な希薄空気と燃料の混合物が自動着火します (スパークプラグは不要)。燃焼したガスは、TDC の直前のいくつかの「転送ポート」から主燃焼室に噴出し、自動着火を引き起こします。
エンジンは構造的に強くする必要はありません。

ICE では、燃焼室に燃料を多く投入することで出力を増大できます。これらのエンジンは、熱放出率が遅いため、出力の増大に耐えることができます。ただし、HCCI エンジンでは、燃料/空気比を増大すると、ピーク圧力と熱放出率が高くなります。さらに、多くの実行可能な HCCI 制御戦略では、燃料の熱予熱が必要です。これにより、燃焼室の空気/燃料充填の密度と質量が減少し、出力が低下します。これらの要因により、HCCI エンジンでの出力増大は困難になります。

1つの方法は、異なる自己着火特性を持つ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、当量比を高めることができます。もう1つの方法は、圧縮された充填物の異なるポイントがさまざまな温度になり、さまざまな時間に燃焼するように充填物を熱的に層状にすることで、熱発生率を下げ、出力を高めることができます。^[24] 3番目の方法は、部分負荷状態でのみエンジンをHCCIモードで動作させ、高負荷状態ではディーゼルエンジンまたはSIエンジンとして動作させることです。^[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よりもずっと低くなります。この低いピーク温度によりNOの生成が低減します。
_xしかし、特に燃焼室の壁の近くでは、燃料の不完全燃焼も引き起こします。これにより、比較的高い一酸化炭素と炭化水素の排出が発生します。排気ガスにはまだ酸素が豊富に含まれているため、酸化触媒によって規制対象物質を除去できます。

エンジンのノックまたはピンギングは、SI エンジンの炎の前の未燃焼ガスの一部が自然発火したときに発生します。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、自然発火する可能性があります。これにより、圧力波がエンドガス領域から伝わり、膨張波がエンドガス領域に伝わります。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、波の移動中に熱放出が増加して共鳴が増幅される原始的な熱音響デバイスが形成されます。

HCCI でも同様の点火プロセスが発生します。ただし、反応混合物の一部が炎面の前の圧縮によって点火するのではなく、HCCI エンジンでは、圧縮された充填物の大部分がピストンの圧縮によってほぼ同時に点火されます。ガスの異なる領域間で圧力差はほとんど発生しないかまったく発生しないため、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熱付加から最大の効率を追求するという観点からは望ましいものです。

HCCIエンジンの燃焼と熱放出速度をシミュレートする計算モデルには、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/スプレーやスパークプロセスよりも化学反応速度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質であるという事実、特に温度の点で不均質であるという事実を考慮することの重要性を実証しました。この不均質性は、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、熱放出速度、したがってノッキングの傾向を決定します。^[28]これにより、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、より高速に解決する確率密度関数モデリングコードの統合がもたらされました。^{[29] [30]}

いくつかの自動車メーカーは機能する HCCI プロトタイプを持っています。

• 1994 年のホンダ EXP-2バイクは「ARC 燃焼」を採用しました。これは、排気バルブを使用して HCCI モードを模倣した 2 ストローク エンジンです。ホンダは CRM 250 AR を販売しました。
• 2007年から2009年にかけて、ゼネラルモーターズはオペル・ベクトラとサターン・オーラに搭載された改良型2.2LエコテックエンジンでHCCIを実証した。^[31]このエンジンは時速60マイル（97km/h）以下の速度または巡航時にはHCCIモードで作動し、スロットルが開かれると従来のSIに切り替わり、英ガロンあたり43マイル（6.6L/100km、36mpg- _US）の燃費と1キロメートルあたり約150グラムの二酸化炭素排出量を実現し、従来の2.2L直噴バージョンの英ガロンあたり37マイル（7.6L/100km、31mpg _-US）および180g/kmよりも改善されている。^{[32] GMはHCCI用途向けに小型の}ファミリー0エンジンも研究している。 GMはKIVAを直噴・層状充填ガソリンエンジンや高速燃焼・均質充填ガソリンエンジンの開発に使用してきた。 ^[30]
• メルセデス・ベンツは、制御された自動点火を備えたDiesOttoと呼ばれるプロトタイプエンジンを開発しました。これは、2007年のフランクフルトモーターショーでF 700コンセプトカーに展示されました。 ^[33]
• フォルクスワーゲンは、 HCCI運転用に2種類のエンジンを開発している。1つ目は複合燃焼システム（CCS）と呼ばれ、フォルクスワーゲングループの2.0リッターディーゼルエンジンをベースにしているが、均質吸気チャージを使用している。最大限の効果を得るには合成燃料が必要である。2つ目はガソリン圧縮着火（GCI）と呼ばれ、巡航時にはHCCIを使用し、加速時には火花点火を使用する。両方のエンジンはトゥーランのプロトタイプで実証されている。 ^[34]
• 2011年11月、ヒュンダイはデルファイ・オートモーティブと共同でGDCI （ガソリン直噴圧縮着火）エンジンの開発を発表した。^[35]このエンジンは点火プラグを廃止し、代わりにスーパーチャージャーとターボチャージャーの両方を使用してシリンダー内の圧力を維持している。このエンジンは近い将来に量産される予定である。^[36]
• 2005年10月、ウォールストリートジャーナルは、ホンダが次世代ハイブリッド車の開発の一環としてHCCIエンジンを開発していると報じた。 ^[37]
• 英国を拠点とするクリーンテクノロジー企業であるオキシジェンコンバスションは、ミシュランとシェルの協力を得て、フルロードHCCIコンセプトエンジンを開発した。^[38]
• マツダのスカイアクティブG第2世代は、HCCI燃焼を可能にするために18:1の圧縮比を持っています。^{[39]マツダは、}エンジン技術の大きな進歩として、スカイアクティブ#スカイアクティブ-Xと呼ばれるエンジンモデルを2017年8月に発表しました。^[40]
• マツダはヴァンケルエンジンによるHCCIの研究を行っている。^[41]

• マツダは2021年3月、可変圧縮比16.3:1～15.0:1の2.0L HCCI対応内燃エンジン「e-Skyactiv X」を搭載した2021年モデル2車種を発表した。^[42]

現在までに、HCCI モードで動作するプロトタイプ エンジンはほとんどありませんが、HCCI の研究により、燃料とエンジンの開発が進歩しました。例:

• PCCI/PPCI燃焼 - HCCIと従来のディーゼル燃焼のハイブリッドで、点火と熱放出率をより細かく制御し、煤とNOの排出量を低減します。
  _x排出量。^{[20] [21]}
• 燃料モデリングの進歩 - HCCI 燃焼は乱流混合や噴射ではなく、主に化学反応速度論によって駆動されるため、燃料の酸化と排出物の形成につながる化学反応のシミュレーションの複雑さが軽減されます。これにより、炭化水素の酸化を説明する化学反応速度論への関心が高まり、開発が進んでいます。
• 燃料混合アプリケーション - 燃料モデリングの進歩により、炭化水素燃料の酸化の詳細なシミュレーションが可能になり、ガソリン/ディーゼル^[17]やエタノール^[19]などの実用的な燃料のシミュレーションが可能になりました。エンジニアは燃料を仮想的に混合し、エンジンのコンテキストでどのように機能するかを判断できるようになりました。

• メルセデス ダイスオットーエンジン
• マツダ スカイアクティブX
• 内燃機関
• ガソリンエンジン
• ディーゼルエンジン
• フリーピストンエンジン
• 可変バルブタイミング
• ヘリカルカムシャフト

• スウェーデンのルンド大学での研究、出版
• サウス・サウス・ウェールズのチャルマース工科大学での研究
• 米国スタンフォード大学での研究 2016-03-04にWayback Machineでアーカイブ
• 米国ウィスコンシン大学マディソン校の研究、出版物。2018年12月15日にWayback Machineにアーカイブされました。
• 米国カリフォルニア大学バークレー校での研究
• 英国ケンブリッジ大学での研究
• ドイツのアーヘン工科大学での研究 2016-07-05にWayback Machineでアーカイブ
• オランダのアイントホーフェン工科大学での研究
• 米国ニューメキシコ州ロスアラモス、ロスアラモス国立研究所での研究

• 自動車用 HCCI エンジンは、2012 年 1 月、Sandia 燃焼研究施設により、Wayback Machineに 2014 年 5 月 31 日にアーカイブされました。