予混合圧縮着火

予混合圧縮着火(HCCI) エンジン：高効率と低排出ガスを目指して

予混合圧縮着火(Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI)は、ガソリンエンジンとディーゼルエンジンの両方の利点を融合した革新的な内燃機関の燃焼方式です。ガソリンエンジンと同様に、燃料と空気を予め混合しますが、ディーゼルエンジンと同様に、混合気の圧縮によって自然発火させます。このため、火花点火プラグを必要とせず、低温燃焼を実現します。

HCCIのメリット

HCCIの最大の利点は、その高い[熱効率]]と極めて低い窒素酸化物]排出量です。低温[燃焼により、NOxの生成が大幅に抑制されます。また、熱効率のポテンシャルは内燃機関の中でも非常に高く、[[二酸化炭素]排出量の削減にも大きく貢献する可能性を秘めています。

HCCIの実現に向けた課題

HCCIを実現するには、ガソリンと空気の混合気を、火花点火よりもはるかに高い圧力で圧縮し、密度と温度を上昇させる必要があります。同時に、混合気の空燃比を精密に制御する必要もあります。しかし、この制御が非常に難しいことが、HCCIの実用化における最大の課題となっています。

ガソリンは軽油と比べて着火点がはるかに高いため、圧縮比を高くするとノッキングが発生しやすく、制御が困難になります。また、空燃比が希薄になると、不完全燃焼を起こして出力低下やNOx排出量の増加を招きます。このため、世界中の自動車メーカーが長年にわたって研究開発に取り組んできましたが、未だ決定的な解決策は得られていません。

HCCIの応用事例と研究開発

HCCI技術は、商業規模での生産には至っていませんが、多くの自動車メーカーが研究開発を進めており、いくつかのプロトタイプが開発されています。

F1カー: 2014年以降のF1カーのパワーユニット(ICE)には、HCCIの要素を取り入れた「セミHCCI」技術が採用されています。これは、点火プラグによる着火とHCCIを組み合わせたもので、レギュレーションを満たしつつHCCIのメリットの一部を享受しています。
ホンダ: 1994年には、AR(Activated Radical)燃焼技術を採用したEXP-2バイクを開発。排気バルブを使ってHCCIモードを模倣した2ストロークエンジンを搭載していました。
[ゼネラルモーターズ]: オペル・ベクトラやサターン・オーラに搭載された2.2LエンジンでHCCIの実証実験を実施。低速走行時にはHCCIモードで動作し、高速走行時は従来の火花点火に切り替わるシステムでした。
メルセデス・ベンツ: ディゾットエンジンと呼ばれるHCCIエンジンを開発し、F700テストカーで実証しました。
フォルクスワーゲン: CCS(Combined Combustion System)とGCI(Gasoline Compression Ignition)と呼ばれる2種類のHCCIエンジンを開発。
現代自動車: デルファイ・オートモーティブと共同でGDCI(Gasoline Direct Injection Compression Ignition)エンジンの開発を発表。スーパーチャージャーとターボチャージャーを併用することで、点火プラグを完全に排除することを目指しました。
* マツダ: 「SKYACTIV-X」エンジンは、HCCI燃焼を代替する技術として火炎球を用いた着火技術を採用。圧縮比を18:1に高めることでHCCI燃焼を実現する試みも行っています。また、ロータリーエンジンを用いたHCCI研究も行っています。

最新の研究動向

近年では、異なる反応性を持つ燃料を組み合わせたハイブリッド燃料を用いることで、HCCIの着火と燃焼の制御性を向上させる研究が進められています。反応度制御圧縮着火(RCCI)は、広い負荷範囲と速度範囲で高効率かつ低排出ガス運転を実現できる可能性を示しています。

まとめ

HCCIは、高い環境性能と熱効率を両立できる非常に魅力的な燃焼方式です。しかし、その制御の難しさから、実用化には未だ多くの課題が残されています。今後の技術革新によって、HCCIが実用化され、自動車の燃費向上と環境問題解決に貢献する日が来ることを期待しています。

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