■ガソリンエンジンとディーゼルエンジンの燃焼の良い点を融合させた新しい燃焼方式

●まだ実用例はないが、有害排ガスを抑えつつ低燃費が実現できる将来有望なエンジン

現在エンジン技術者が実用化に向けて注力しているエンジンが、排ガスを抑えつつ大幅な燃費低減が期待できるHCCI(予混合圧縮着火)エンジンです。

HCCIエンジンの原理と効果について、解説していきます。

●HCCIエンジン(予混合圧縮着火)とは

HCCI(Homogeneous Compression Charge Ignition:予混合圧縮着火)エンジンは、燃料と空気を燃焼室全域で濃度が均一になるように混合して、圧縮による温度上昇によって自己着火させる「多点着火による予混合燃焼」ガソリンエンジンです。

ガソリンエンジンの均一予混合特性と、ディーゼルエンジンの圧縮着火特性を併せ持つエンジンです。

HCCIのコンセプト
HCCIのコンセプト
HCCI燃焼
HCCI燃焼

●HCCIの何が良いのか

火花点火では火炎伝播(燃焼)できないような超リーンな(薄い)均一混合気を形成し、燃焼室全域で起こる多点圧縮着火燃焼を実現するHCCIには、以下のメリットがあります。

・均一な予混合気の燃焼であるため、ディーゼルのような煤を含んだPM(微粒子状物質)がほとんど発生しない

・非常に薄い超リーンバーンであるため、スロットル開度が大きくなり、ポンプ損失が低減。また燃焼温度が低いため、NOxの生成がほとんどなく冷却損失も減少

・燃焼室全体で均一混合気の多点着火が起こるので、未燃損失が少なく完全燃焼しやすいため、熱効率が向上

●HCCIの課題

一方長年実用化を妨げてきた最大の課題は、HCCIが成立する運転領域が狭く、限られることです。

低負荷域では、混合気の温度が低いため安定して着火できず、高負荷になるとノッキングが発生します。ノッキングの発生は、高負荷では燃料量を増やすため燃焼が急激になることに起因します。

この課題は、条件に応じて適正に着火時期が制御できないことに起因しています。着火時期を制御するため、過給技術や可変動弁機構を活用したEGR導入などが試みられていますが、効果は限定的です。

●マツダのSPCCI(火花点火制御圧縮着火)

マツダは、HCCIの着火が制御できない課題の解決法として「SPCCI(Spark Controlled Compression Ignition)」を開発しました。SPCCIを一部運転領域で採用したエンジンを「SKYACTIV-X」と呼び、このエンジンを搭載したマツダ-3を2019年12月に発売しました。

最大の特長は、点火火花をトリガーとしてディーゼルのように燃焼室全域で圧縮着火燃焼させ、超リーンバーンを実現した点です。

SPCCIでは、圧縮比は圧縮着火が可能な16.3(95RONハイオクの場合)に設定。火花点火によって発生する膨張火炎核が、混合気を圧縮することでシリンダー内の温度が着火温度に達して、燃焼室全域で圧縮着火燃焼するというメカニズムです。

「SKYACTIV-X」は、運転条件に応じて3つの燃焼モードに切り替えます。

・一般的な理論空燃比(14.7)またはやや濃い空燃比の火花点火燃焼
高負荷領域で適用、その他極低温や高地の条件で使用

・大量のEGRを導入したSPCCI燃焼
外部および内部EGRによって低燃費を実現、低温時や中負荷領域で適用

・超リーンバーン(空燃比30以上)のSPCCI燃焼
軽負荷領域で適用、低燃費を実現

SKYACTIV-Xの燃焼
SKYACTIV-Xの燃焼

エンジンのあらゆる条件で着火と燃焼を制御するのは非常に難しく、それがHCCI実用化の高いハードルとなっています。

多くの先進技術を組み合わせたマツダのSPCCIは、現時点ではHCCIを目指す現実的な姿かもしれません。まだ進化の余地は多いので、今後もさまざまな形態のHCCIが出現してくると思われます。

(Mr.ソラン)