Mr. ソラン 
目次
■２つの燃焼の違いは、ガソリンと軽油の性状に起因
●２つの燃焼の優れた点を融合させたのが、直噴ガソリンやHCCI(予混合圧縮自着火燃焼)
エンジンの代表的な燃焼は、ガソリンエンジンの予混合燃焼とディーゼルエンジンの拡散燃焼です。長い歴史の中で、予混合燃焼と拡散燃焼はそれぞれの特徴を生かしながら、要求に合わせて進化してきました。
基本的な燃焼方式の予混合燃焼と拡散燃焼について、解説していきます。
●予混合燃焼と拡散燃焼の違い
ガソリンエンジンは、混合気を圧縮して点火プラグの火花で着火させて燃焼する「火花点火方式」です。燃焼形態としては、空気と燃料をあらかじめ混合して混合気状態で燃焼するので「予混合燃焼」と呼ばれます。
一方ディーゼルエンジンは、圧縮して高温になった圧縮空気中に、微粒化した高圧の軽油を噴射し、蒸発した軽油が自着火する「圧縮自着火方式」です。燃焼形態は、噴射された燃料が蒸発拡散しながら燃焼するので「拡散燃焼」と呼ばれます。
両者の燃焼形態の違いは、使用するガソリンと軽油の性状の違いに起因します。
ガソリンは、蒸発しやすく炎を近づける(火花を飛ばす)と常温でも容易に着火し、軽油は蒸発しにくいですが、温度を上げるとガソリンよりも低い温度で自着火します。
●予混合燃焼
ガソリンエンジンの基本的な燃焼形態である予混合燃焼では、空気と燃料をあらかじめ混合し、均一な混合気を形成してから火花点火によって燃焼します。
通常のPI(ポート噴射)ガソリンエンジンでは、ガソリンは各気筒の吸気ポートに装着された噴射弁から噴射され、吸入空気と混合しながらシリンダー内に供給されます。
シリンダー内でさらに空気との混合が促進され、空気と燃料蒸気(一部蒸発しきれてない液滴)は空間的に均一な混合状態になります。
最近は、噴射弁を吸気ポートでなく燃焼室に直接装着した直噴(直接噴射)エンジンが増えています。直噴エンジンでは、微粒化特性の優れた高圧のガソリン噴霧を圧縮行程中にシリンダー内に直接噴射して、短時間で均一な混合気を形成させます。
予混合燃焼は均一な混合気の燃焼なので、局所的にリッチ(燃料が多い)やリーン(燃料が少ない)の領域がないため、ディーゼルエンジンのようにNOxや煤の生成が少ないのが特長です。
●拡散燃焼
ディーゼルエンジンの基本的な燃焼形態である拡散燃焼では、ピストンで圧縮された高温の空気に高圧の燃料(軽油)を噴射します。噴射された燃料は、蒸発し拡散しながら空気と混合して着火可能な混合気から自着火して燃焼します。
良好な燃焼を実現するには、燃料噴霧の微粒化や拡散、また筒内流動のスワール(旋回流)によって燃料と空気の混合を促進することが重要です。
ディーゼルエンジンの拡散燃焼は、点火系を必要としない、可燃範囲が広いという特徴と、高圧縮比の燃焼なので燃費性能に優れるという大きなメリットがあります。
一方で、局所的にみてリッチとリーンな領域が点在するので、NOxと煤が生成しやすいという課題があります。
1990年代後半のコモンレール噴射システムの登場によって、上記のような課題が大きく改良されました。
燃料噴射の噴射量や圧力、噴射時期、噴射回数を自在に制御できるようになり、ディーゼルエンジンの課題であった排出ガスと燃焼音を同時に低減できるようになりました。
エンジン開発の長い歴史の中で、予混合燃焼と拡散燃焼はそれぞれ独自の弱点を解消するように改良されてきました。
一方で最近は、直噴ガソリンやHCCI(予混合圧縮自着火)エンジンのように両者の良いとこ取りを狙った新しい燃焼方式が提案され、実現レベルに達しています。
今後、さらに新しい燃焼方式の開発が激化すると予想されます。
(Hr.ソラン)
