層状チャージエンジン

成層給気エンジンとは、トラック、自動車、ポータブル機器、据置型機器に使用できる、通常は火花点火 (SI) エンジンである、特定のタイプの内燃エンジンを指します。「成層給気」という用語は、シリンダーに入る作動流体と燃料蒸気を指します。通常、燃料はシリンダーに噴射されるか、燃料が豊富な蒸気として入り、火花またはその他の手段を使用して点火を開始し、燃料が豊富な領域が空気と相互作用して完全燃焼を促進します。成層給気により、従来の内燃エンジンよりも わずかに高い圧縮比と「ノック」なしで、より希薄な空燃比が可能になります。

従来、4 ストローク(ガソリン)オットー サイクルエンジンは、吸気行程中に空気と燃料の混合物を燃焼室に引き込むことによって燃料を供給されます。これにより、均質な充填、つまり空気と燃料の均質な混合物が生成され、圧縮行程の頂点近くの所定の瞬間にスパーク プラグによって点火されます。

均質充填システムでは、空燃比は化学量論比に非常に近く保たれ、燃料の完全燃焼に必要な正確な量の空気が含まれます。これにより安定した燃焼が得られますが、エンジンの効率に上限が設定されます。均質充填で非常に希薄な混合気（燃料が少ない、または空気が多い）を実行して燃費を改善しようとすると、燃焼が遅くなり、エンジン温度が高くなります。これは出力と排出量に影響し、特に窒素酸化物またはNO _{x が}増加します。

簡単に言えば、成層給気エンジンは、点火点の近くでは濃い混合気を、燃焼室の残りの部分では薄い混合気を作り出します。濃い混合気は簡単に点火し、次に燃焼室の残りの部分で薄い混合気を点火します。最終的に、エンジンは薄い混合気を使用できるようになり、効率が向上し、完全燃焼が保証されます。

より高い機械的圧縮比、または強制吸入による動的圧縮比を使用すると、熱力学的効率を向上させることができます。燃焼の開始が必要になる直前まで燃料が燃焼室に噴射されないため、過早着火やエンジンノックのリスクはほとんどありません。

エンジンは、層状充填を使用して、全体的な空燃比を大幅に薄くして動作することもできます。層状充填では、少量の濃い燃料混合物が最初に点火され、それを使用して大量の薄い燃料混合物の燃焼が改善されます。

デメリットは次のとおりです:

• インジェクターのコストと複雑さが増加
• より高い燃料圧力要件
• 極端に希薄な領域が存在するため、NO _{x生成が増加します。ガソリン エンジンでは空気と燃料がよりよく混合されるため、通常、これらの領域は存在しません。}

スパークプラグに希薄混合気が存在する場合、燃焼に問題が生じる可能性があります。しかし、ガソリンエンジンに直接燃料を供給すると、燃焼室内の他の部分よりも多くの燃料がスパークプラグに向けられます。^[1]これにより、層状充填が発生します。層状充填では、空気/燃料比は燃焼室内で均一ではなく、シリンダーの容積全体にわたって制御された（そして潜在的に非常に複雑な）方法で変化します。

充填成層化は、シリンダー内に充填成層化がない場合でも実現できます。つまり、吸入混合気が非常に希薄な場合、従来の点火プラグで提供される限られたエネルギーでは点火できません。ただし、この極めて希薄な混合気は、ガソリン燃料エンジンの場合、12～15:1 の従来の混合気濃度を使用して、メインの希薄混合気室に隣接して接続された小さな燃焼室に供給することで点火できます。この燃焼混合物からの大きな火炎面は、充填物を燃焼させるのに十分です。この充填成層化方法から、希薄充填物が「燃焼」し、この形態の成層化を使用するエンジンが「ノック」または制御不能な燃焼の影響を受けないことがわかります。したがって、希薄充填物で燃焼される燃料は「ノック」やオクタン価の制限を受けません。したがって、このタイプの成層化では、さまざまな燃料を使用できます。特定のエネルギー出力は燃料の 発熱量のみに依存します。

比較的濃い空気/燃料混合気が、マルチホールインジェクターを使用してスパークプラグに送られます。この混合気が点火され、強力で均一かつ予測可能な炎面が形成されます。その結果、シリンダー内の他の部分にあるはるかに弱い混合気が高品質に燃焼します。

現代の直接燃料供給式ガソリン エンジンと直噴式ディーゼル エンジンを比較してみる価値はあります。ガソリンはディーゼル燃料よりも速く燃焼するため、最高エンジン速度が上がり、スポーツ エンジンの最大出力が向上します。一方、ディーゼル燃料はエネルギー密度が高く、より高い燃焼圧力と相まって、より「一般的な」道路車両に非常に強いトルクと高い熱力学的効率を提供できます。

この「燃焼」速度の比較は、かなり単純化された見方です。ガソリン エンジンとディーゼル エンジンは動作が似ているように見えますが、この 2 つのタイプはまったく異なる原理で動作します。初期の製造バージョンでは、外観上の特徴は明らかでした。ほとんどのガソリン エンジンはキャブレター式で、燃料と空気の混合気をエンジンに吸い込みますが、ディーゼル エンジンは空気のみを吸い込み、燃料は高圧でシリンダーに直接噴射されます。従来の 4 ストローク ガソリン エンジンでは、ピストンがまだボア内を上昇している間に、スパーク プラグが上死点の 40 度手前でシリンダー内の混合気を点火し始めます。ピストンがボア内を上昇するこの動きの中で、混合気の制御された燃焼が起こり、上死点の直後に最大圧力が発生し、ピストンがボア内を下降するにつれて圧力が減少します。つまり、シリンダーの容積とシリンダー圧力時間生成との関係は、燃焼サイクル全体にわたって基本的に一定のままです。一方、ディーゼル エンジンの動作では、ピストンが上死点に移動する動きによってのみ空気を吸い込み、圧縮します。この時点で、シリンダー圧力は最大に達しています。ここで燃料がシリンダーに噴射され、この時点で圧縮された高温の空気によって燃料の「燃焼」または膨張が始まります。燃料が燃焼すると膨張してピストンに圧力がかかり、クランクシャフトにトルクが発生します。ディーゼル エンジンが一定圧力で動作していることがわかります。ガスが膨張すると、ピストンもシリンダー内を下降します。このプロセスにより、ピストンとそれに続くクランクはより大きなトルクを経験しますが、このトルクはガソリン エンジンよりも長い時間間隔で発生します。

燃焼を開始する必要がある瞬間に燃料を燃焼室に直接噴射する原理は、1887 年にジョージ ブレイトンによって初めて発明されましたが、ガソリン エンジンでは長い間効果的に使用されていました。ブレイトンは、この発明を次のように説明しています。「私は、重油をシリンダーの点火部分内または連通する点火室内で、機械的に細かく分割された状態に変換できることを発見しました。」別の部分には、「私の知る限り、液体燃料を燃焼室またはシリンダーに直接放出する量を可変的に制御して、即時の燃焼に非常に好ましい細かく分割された状態にすることで、初めて速度を制御しました。」と書かれています。これは、リーン バーン システムを使用してエンジン速度/出力を制御した最初のエンジンでした。このようにして、エンジンはすべてのパワー ストロークで点火され、速度/出力は噴射された燃料の量によってのみ制御されました。

ハリー・リカードは、 1900 年代初頭に初めて希薄燃焼「層状給気」エンジンのアイデアに取り組み始めました。1920 年代に、彼は初期の設計を改良しました。

ガソリン直噴の初期の例としては、 1925 年にスウェーデンのエンジニアJonas Hesselmanが発明したHesselman エンジンがあります。Hesselman エンジンは超希薄燃焼原理を採用し、圧縮行程の終わりに燃料を噴射し、点火プラグで点火します。多くの場合、ガソリンで始動し、その後ディーゼルまたは灯油に切り替えて作動します。Texaco Controlled Combustion System (TCCS) は、1950 年代に開発された多燃料システムで、Hesselman の設計によく似ています。TCCS は UPS の配達用バンでテストされ、全体的な経済性が約 35% 向上することがわかりました。

ホンダのCVCCエンジンは、1970年代初めのシビック、その後10年後のアコードとシティの各モデルで発売され、かなり長い間市場で広く受け入れられた層状給気エンジンの一種です。CVCCシステムには、従来の吸気バルブと排気バルブに加えて、スパークプラグの周囲を給気する3つ目の補助吸気バルブがありました。スパークプラグとCVCC吸気口は、穴あき金属板によってメインシリンダーから隔離されていました。点火時に、一連の火炎面が穴を通して非常に希薄なメイン給気内に噴射され、完全な点火が保証されました。ホンダシティターボでは、このようなエンジンが7,000rpm以上のエンジン速度で高いパワーウェイトレシオを生み出しました。

ジャガー・カーズは1980 年代にジャガー V12 エンジンの HE (いわゆる高効率) バージョンを開発しました。これはジャガー XJ 12 およびジャガー XJSモデルに搭載され、エンジンの非常に重い燃料消費量を削減するために「メイ・ファイアボール」と呼ばれる層状チャージ設計を採用しました。

ベスパET2 スクーターには 50 cc の2 ストローク エンジンが搭載されており、空気はトランスファー ポートから取り入れられ、点火直前にスパーク プラグ付近のシリンダーに濃い燃料混合物が噴射されます。噴射システムは完全に機械式で、タイミング ポンピング シリンダーと逆止弁を使用しています。

下降ストロークで、濃い混合気を約 70 psi まで圧縮すると、圧力上昇によりスプリング式ポペット バルブがシートから外れ、充填物がシリンダー内に噴射されます。充填物はスパーク プラグ領域に向けられ、点火されます。燃焼圧力によりスプリング式ポペット バルブが即座に閉じられ、それ以降は「通常の」成層充填点火プロセスとなり、炎の前面がシリンダー内の薄い混合気領域に点火します。^[2]

フォルクスワーゲンは現在、ターボチャージャーと組み合わせて、直噴1.0、1.2、1.4、1.5、1.8、2.0リットルのTFSI（ターボ燃料層状噴射）ガソリンエンジンに層状充電を使用しています。

メルセデス・ベンツは、 Blue DIRECT システムを搭載した層状給気エンジンを採用しています。

3.0L V-6 は、層状給気方式を採用し、引き続き直接燃料噴射を採用しますが、インジェクターは圧縮直前の吸気行程後半で高圧下で噴射するように再設計され、燃料はシリンダー内の特定の領域に到達するように形作られ、燃焼が最適化されます。この戦略により、燃焼前にチャンバーをより均一に満たす従来の均質給気システムよりも、チャンバー内の空気と燃料の混合比がはるかに薄くなります。

SAEインターナショナルは、層状チャージエンジンの実験作業に関する論文を発表している。^[3]

ターボ燃料層状噴射（TFSI ）は、フォルクスワーゲングループの商標で、燃料が燃焼室に直接圧力噴射され、層状の充填を形成する 強制吸気（「ターボ」）エンジンの一種です。FSI直接噴射技術は、火花点火エンジンのトルクと出力を増大させ、最大15％の経済性を高め、排気ガスの排出量を削減します。^[4]

TFSI エンジンの利点:

1. 燃焼室内の燃料分配と燃料充填の改善
2. 噴射プロセス中に燃料が蒸発し、シリンダー室が冷却される。
3. 加圧燃料の冷却効果により、低オクタン価燃料の使用が可能になり、エンドユーザーのコスト削減につながります。
4. 圧縮比が高くなり、パワーが増す
5. 燃料燃焼効率の向上
6. 車両ピックアップ時のパワーアップ

1. 吸気バルブの後ろにカーボンが蓄積します。燃料は燃焼室内に直接噴射されるため、バルブの後ろの汚染物質を洗い流す機会がありません。その結果、時間の経過とともにカーボンが過剰に蓄積され、パフォーマンスが低下します。一部のエンジン (トヨタのダイナミック フォース エンジンなど) では、この問題を改善するために、直接噴射と従来のマルチポート燃料噴射を組み合わせています。
2. より高価 - シリンダー内に燃料を直接噴射するためには、はるかに高圧の燃料ポンプが必要です。これには、従来のマルチポート噴射装置よりもはるかに高い最大200バールの燃料圧力が必要です（直接噴射を参照）^[5]

• リーンバーン