大学における HCCI 燃焼研究

飯田 訓正（慶応義塾大学理工学部）

１． は じ め に 予混合圧縮自己着火（Homogeneous Charge Compression Ignition：HCCI）機関は，空気と燃料の予混合気を燃焼室内

に導入し，ピストンの圧縮により高温・高圧とすることで多

点同時に自己着火させる機関である．HCCI 機関は，その燃

焼方式から高効率・低公害を実現しうる機関として注目され

ており，地球環境問題や石油資源の枯渇問題を緩和しうる手

法の一つとしてその実用化が求められている．しかし，HCCI機関には，着火が燃料固有の着火温度に依存するため着火時

期の制御が困難である，またノッキングのために運転領域が

低負荷に限られるといった課題が存在し，課題解決のために

多くの研究がなされている．HCCI 機関は，着火に至るまで

ピストンの圧縮によってのみ温度が上昇するので，着火時期

の制御には圧縮開始時の筒内ガス温度が重要となる．また，

ノッキングは急峻な燃焼により生じるため，その回避には燃

焼反応速度の抑制が不可欠となる．本報では，各大学の研究

室で行なわれている HCCI 燃焼研究の一部を紹介する．

２． 大学における HCCI 燃焼研究への取り組み ２．１． 燃焼実験による HCCI 燃焼の解析 （１） 単体燃料を用いた研究 慶応義塾大学の池本ら(1)は，ジメチルエーテル（DME）を

燃料とする小型発電機用HCCI機関の開発を目指し，①当量比

1.0 予混合気，②高温の内部EGRガス，③低温の外部EGRガスの三者の混合ガス割合を変えることにより，ノッキングを

回避しつつ，高い燃焼効率を確保し，着火時期の最適化によ

り高熱効率を得る制御システムを構築した．図１に三者のガ

スの混合の概念を示す．内部EGRガスの体積割合の増加に伴

い圧縮開始時筒内平均ガス温度は上昇し，着火時期は早期化

する．また，予混合気の体積割合が増加し外部EGRガスが減

少するにつれ筒内最高到達温度は上昇し，燃焼効率が高くな

る．逆に，予混合気の体積割合が減少し外部EGRガスが多く

なることで温度上昇は抑制され，燃焼反応速度は抑制される．

内部EGRガスの導入手法としては吸気工程中に排気バルブを

開ける二段排気カム機構を用い，三者の混合ガス割合調節は

スロットルおよびバルブにより行う（図２）．しかし，開発

した機関において，図示熱効率は目標としたディーゼル機関

並みの値を達成できたが，IMEPはノッキングにより投入燃料

質量が制限され，半分程度の値しか達成できなかった（図３）．

今後は圧縮比を高くし，予混合気および外部EGRガスの体積

割合を増加させることにより，熱効率・出力の向上を図る必

要がある．

Fig.1 Basic concept of gas mixingIM

EP MPaTemperature at Compression Start

External EGR Gas

Fig.2 Construction of proposed control system

KG

as F

ract

ion

vol%Internal EGR Gas

Premixture

Maxim

um Gas Tm

eperature K

External EGR Gas

IMEP M

PaTemperature at Compression Start G

as F

ract

ion

vol%Internal EGR Gas

Premixture

Maxim

um Gas Tm

eperature K

K

ExhaustGas

②InternalEGR Gas

Air

③ExternalEGR Gas

Heat Exchanger

Mass FlowController UnitDME

Laminar FlowMeter

①Premixture

αIEGR

βEEGR

:External EGR Gas Control Throttle:Internal EGR Gas Control Throttle:External EGR Gas Control Valve:Exhaust Pressure Control Valve

Open Area Rate

αEEGR

βEx

αEEGRαIEGRβEEGRβEx

Two Stage Exhaust Cam

0

10

20

30

40

50

60

0 0.2 0.4 0.6 0.8IMEP MPa

DENYODiesel

DENYOGasoline

HONDAGasoline

AchievementPoint ObjectiveObjective

Cam L2.1Cam L1.6

Cam L1.0 Cam L0 (Normal)

Indi

cate

d Th

erm

al E

ffici

ency

ηi%

Original Engine

ε=10.76

ε=9.12

ε=8.0

Fig.3 Engine performance comparison between conventional engines and the DME HCCI engine

（２） 混合燃料を用いた研究 HCCI機関において着火時期を制御するためには，着火温度

を自由に変えられることが望ましいが，着火温度は個々の燃

料でほぼ一意に決まっている．そこで慶応義塾大学の山下ら(2)

は，燃焼特性の異なる二種類の単体燃料を用い，混合割合が

着火温度に及ぼす影響を調査した．本研究では二種燃料とし

てメタンとDMEを採用した．横軸をメタン当量比，縦軸を

DME当量比にとった全実験点の運転領域を図４に示す．図４

において×は失火した点，●はHCCI燃焼が可能であった点，

▲はノッキングが生じた点である．また投入熱量の指標とし

て等投入熱量線，着火温度の指標として等着火温度線を示す．

図５に投入熱量一定条件のもと，両燃料の混合割合変化が圧

力・熱発生率に及ぼす影響を示す．図４よりメタン混合割合

の増加に伴い着火温度が上昇していることが分かる．図５に

おいてメタン混合割合の増加で着火時期が遅延化しているの

は，この着火温度の上昇に起因すると考えられる．実験点の

中で，ノッキングが生じることなく投入熱量を確保できる条

件が存在した．この条件では着火時期の遅延化により燃焼が

膨張行程で生じていた．HCCI機関で高出力運転を行うには，

燃焼を膨張行程で行わせることでノッキングを回避して投入

熱量を確保する有効であることが分かった．

茨城大学の金野ら(3)は，主燃料にメタン，DMEを，添加剤

にCH2O，H2O2，CO，CH3O，H2を用いて，HCCI燃焼にお

いて添加剤が主燃料の低温酸化反応，高温酸化反応に及ぼす

影響を調査した．メタン予混合気に各種共存成分をそれぞれ

15%添加したときの熱発生率，温度履歴を図６に示しす．図

６よりH2O2の生産能力が高い成分ほど高温酸化反応促進効

果が大きく，この観点からH2O2の直接投入が最も効果的であ

った．低温酸化反応の抑制効果は，添加剤の低温領域におけ

るOHとの反応性が高いほど大きく，CH2Oが最も高い抑制効

果があった． （３） 発光スペクトル解析 九州大学の村瀬ら(4)は，HCCI燃焼の基本的燃焼特性を確か

めるため急速圧縮装置においてn-Butaneを燃料として，化学

発光とその連続スペクトルを計測した．主熱発生の間，熱炎

の発光スペクトルは 306.4nmの波長のOHによる発光と

300nm～500nmの波長域をとるCOとOの再結合による発光

が確認された．主熱発生の後，広範囲のピークを持つ発光ス

ペクトルは高波長域へ移行する．この発光スペクトルは 580.7～966.9nmの波長域であるH2Oの振動回転域によるものであ

る（図７，図８）．

Fig.6 Effect of coexistence components on methane HCCI

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

CH4/DME/AirPin=0.1MPaTin=300±8KNe=960rpmε=21.6Experiment

DM

E-ba

sed

Equi

vale

nce

Rat

io

Fig.7 Pressure,dP/dt and light emission,in autoignition

Fig.8 Sequentially obtained light emission spectra in autoignition

φ DME

Methane-based Equivalence Ratio φCH4

200

400

600

800

1400

1600J/cycle

1000

1200

▲knockingCI combustion

×miss firing

knocking

HCCI combustion

Constant Energy Supply Line

miss firing

0

2

4

6

8

10●HC

Tig= 820K

860K840K

880K 900K

Fig.4 Map of the operation area

-30 -20 -10 0 10 20 30Crank Angle [deg]

-50

0

50

100

150

200

Rat

e of

Hea

t Rel

ease

[J/d

eg]

CH4/DME/AirPin=0.1MPaTin=300±8KNe=960rpmε=21.6Qin＝960±25JExperiment

Air

φCH4=0，φDME=0.3550.1，0.25

In-C

ylin

der G

as

Pres

sure

[MPa

]

TDC

0.16，0.180.25，0.1

Air

φCH4=0，φDME=0.3550.1，0.250.16，0.180.25，0.1

Fig.5 Pressure and RHR history on the mixing ratio of methane and DME

慶応義塾大学の熊野ら(5)は，４ストローク単気筒可視化エ

ンジンを使用しDME/空気予混合気の燃料濃度の不均質性が

HCCI燃焼に与える影響を二次元発光画像計測により調査し

た．図９に燃焼特性，図１０に二次元発光画像，図１１には

任意の局所における発光強度履歴を示す．予混合気中の燃料

濃度が不均質条件の時，均質条件に比べ熱発生率のピーク値

が下がり，燃焼期間が長くなることがわかった．二次元発光

画像を見ると均質条件では，image4 で燃焼室のほぼ全域で発

光が観測された．Image5 ではimage4 で発光していなかった

領域で発光が観測された．不均質条件では，image1～image8まで発光が確認されるが image2～image5 にかけては一度発

光した領域では再度発光が観測されることはなく前フレーム

で発光していない領域が次フレームで発光する様子が観測さ

れた．局所の発光強度履歴を見ると，均質条件では同じフレ

ームで同時期に発光がおこり，不均質条件では発光時期がば

らついているものの，両条件とも全ての場所において 1 つの

フレームでのみ発光が検出された． ２．２． 素反応数値計算による HCCI 燃焼の解析 京都大学の川那辺ら(6)は，燃料濃度に不均一を与えた場合

の燃焼過程を数値計算により調査した．筆者らは開発した確

率密度より不均一を表し，乱流混合により均一化する過程を

モンテカルロ法により計算した．吸気弁閉時においてシリン

ダ軸中心近傍に濃い混合気を偏って配置するcase D，および

微細なスケールの濃度変動が筒内に一様に分布するcase Hに

ついて，燃料と空気が完全に分離したcase 0，やや混合が進行Fig.12 Courses of pressure for heterogeneous

mixture condition

0

40

80

120

R.H

.R J

/deg

600

1000

1400

1800

In-C

ylin

der

Tem

pera

ture

K

0

1

2

3

In-C

ylin

der

Pres

sure

MPa

34 36 38 40 42 44Time after compresion ms

inhomogeneityAir

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15Crank Angle deg

I.I. Gate open1 2 3 4 5 6 7 8

550μs

6μs-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15

Crank Angle deg

I.I. Gate open1 2 3 4 5 6 7 8

550μs

6μs

homogeneity

Fig.9 Histories of in-cylinder gas pressure, in-cylinder gas temperature and rate of heat release

Fig.10 Chemiluminescence images

064

128192256

064

128192256 38 39 40 41

Time After Compression Start ms

064

128192256

064

128192256

064

128192256

38 39 40 41Time After Compression Start ms

0x1001x1062x1063x1064x1065x106

-12 8 -4 0 4Crank Angle deg

- TDC

I.I.Gate Open

6μs

550 μs1 2 3 4 5 6 7 8

-12 8 -4 0 4Crank Angle deg

- TDC

I.I.Gate Open

6μs

550 μs1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8

-12 -8 -4 0 4Crank Angle deg

TDC

6μs

550 μs1 2 3 4 5 6 7 8

-12 -8 -4 0 4Crank Angle deg

TDC

6μs

550 μs1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8

Point 1

Point 2

Point 3

Point 4

Point 5

Point 1

Point 2

Point 3

Point 4

Point 5

Integration Integration

Are

a in

tegr

atio

n of

Lu

min

esce

nce

inte

nsity

A.U

Lu

min

esce

nce

inte

nsity

A.U

I1

I2

I3

I4

I5

Ii∑i

Ii∑i

064

128192256

064

128192256 38 39 40 41

Time After Compression Start ms

064

128192256

064

128192256

064

128192256

38 39 40 41Time After Compression Start ms

0x1001x1062x1063x1064x1065x106

-12 8 -4 0 4Crank Angle deg

- TDC

I.I.Gate Open

6μs

550 μs1 2 3 4 5 6 7 8

-12 8 -4 0 4Crank Angle deg

- TDC

I.I.Gate Open

6μs

550 μs1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8

-12 -8 -4 0 4Crank Angle deg

TDC

6μs

550 μs1 2 3 4 5 6 7 8

-12 -8 -4 0 4Crank Angle deg

TDC

6μs

550 μs1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8

Point 1

Point 2

Point 3

Point 4

Point 5

Point 1

Point 2

Point 3

Point 4

Point 5

Integration Integration

064

128192256

064

128192256

064

128192256 38 39 40 41

Time After Compression Start ms

064

128192256 38 39 40 41

Time After Compression Start ms

064

128192256

064

128192256

064

128192256

064

128192256

064

128192256

064

128192256

38 39 40 41Time After Compression Start ms

38 39 40 41Time After Compression Start ms

0x1001x1062x1063x1064x1065x106

0x1001x1062x1063x1064x1065x106

-12 8 -4 0 4Crank Angle deg

- TDC

I.I.Gate Open

6μs

550 μs1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8

-12 8 -4 0 4Crank Angle deg

- TDC

I.I.Gate Open

6μs

550 μs1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8

-12 -8 -4 0 4Crank Angle deg

TDC

6μs

550 μs1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8

-12 -8 -4 0 4Crank Angle deg

TDC

6μs

550 μs1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8

Point 1

Point 2

Point 3

Point 4

Point 5

Point 1

Point 2

Point 3

Point 4

Point 5

Integration Integration

Are

a in

tegr

atio

n of

Lu

min

esce

nce

inte

nsity

A.U

Lu

min

esce

nce

inte

nsity

A.U

I1

I2

I3

I4

I5

Ii∑i

Ii∑i

Combustion Chamberφ82.5

Quartz Window φ60

18.3

Intake Valve

ExhaustValve

CombustionChamber

Point 1

Point 3

Point 2

φ41.3

Point 4

Point 5

Fig.11 Histories of local luminescence intensity and area integration of luminescence intensity in the visible area

4

+

44

+

11 2

+

22

+

3

+

33

+

5

+

55

+

6

+

66

+

7

+

77

+

8

+

88

+

+ + + + + + +

homogeneity

inhomogeneity0

32

64

96

128

160

192

224

255

0

32

64

96

128

160

192

224

255

発光強度積算画像

発光強度積算画像

したcase 1，均一に近いcase 2 の三条件について計算を行った

結果を図１２に示した．Case Dでは完全に分離したcase 0 で

は，均一のcase 2 に比べて圧力上昇が緩慢となった．このこ

とから圧縮前の燃料の不均一分布を適切に制御することによ

って，着火時期をほとんど変えることなく圧力上昇率を下げ

ることができることを示唆している． 立命館大学の西條ら(7)は，CFDを用いた３次元反応計算に

より筒内の燃料濃度分布がHCCI燃焼の熱発生，燃焼期間に及

ぼす影響について調査した．結果を図１３に示す．計算条件

は，ボアストローク 82.61×14.3mm，圧縮比 10，機関回転速

度 600rpm，当量比 0.3 である．均質，不均質条件ともに冷炎

から縮退までの挙動はほぼ同じであるが熱炎時に大きな違い

が現れていることがわかる．図１４に均質，不均質条件での

温度分布を示す．不均質条件では，均質条件に比べ局所的に

温度の高い領域が存在する．このために着火が局所的に時間

差をもって出現するために熱発生が緩やかになった．

３． 今 後 の 展 開 HCCI 燃焼研究の手法としては，単気筒・多気筒エンジン

を用いたパラメトリックスタディ，可視化エンジンを用いた

流れおよび燃焼診断研究という手法に加え，流体力学と化学

動力学に基づく CFD 数値解析モデル，素反応数値計算を駆使

した着火・燃焼の反応過程の解析などが挙げられる．これら

の解析結果をエンジンの基本設計に応用するためには，基本

的な燃焼原理を理解した上で，更なる解析力が必要となる． また，HCCI エンジンに適した燃料の研究も多く行われて

おり，燃料の着火および燃焼に対する理解がますます必要と

なる．そのためには，従来のオクタン価，セタン価という指

標に加えて，新しい指標が必要となる．着火特性に関する指

標（自己着火温度をはじめとする着火に関する指標）に加え，

着火後の燃焼反応性（熱発生率のピーク値，燃焼期間に関す

る特性），燃焼完結性（CO の酸化性，燃焼効率に関する特性）

等の指標の整備が検討されるべきであり，さらに衝撃波管や

急速圧縮装置を用いた単体燃料および混合燃料の着火遅れの

データベース整備，素反応機構の解明が必要となる．

参 考 文 献 (1) 池本雅里，小島雄一郎，飯田訓正，“DME を燃料とする

HCCI 機関の EGR による制御システムの開発”，自動車技術

会学術講演会前刷集，No.40-05，pp13-18(2005) (2) 山下大輔，權淳杓，佐藤進，飯田訓正，“HCCI 機関にお

けるメタン/DME 混合燃料の自着火と燃焼機構に関する研

究”，自動車技術会学術講演会前刷集，No.25-05，pp1-6(2005) (3) 金野満，米山佳之，石田憲之，陳之立，“予混合圧縮着火

過程に及ぼす共存成分の影響”，自動車技術会学術講演論会

前刷集，No.25-05，pp.7-12 (2004) (4) E. Murase，K. Hanada，T. Miyaura，J. Ikeda，N. Konishi，“ Experimental Studies of HCCI Combustion -Chemiluminescence Spectral Analysis and Photographic Observation”，COMODIA 2004，pp.303-310(2004) (5) 熊野賢吾，山崎由大，飯田訓正，“ラジカル発光計測によ

る予混合気中の燃料濃度不均質性が HCCI 機関の着火･燃焼

に与える影響の解析”，日本機械学会論文集 B 編，Vol.71，No.701，pp.295-302(2005) (6) 川那辺洋，石山拓二，藤原信久，“濃度・温度不均一を考

慮したCFDによる天然ガスPCCI燃焼の数値解析”，日本機械

学会論文集B編，Vol.70，No.700，pp.3246-3250 (2004) (7) 西條克哉，西脇一宇，吉原福全，小島隆史，“予混合圧縮

自己着火過程の数値解析”，日本機械学会年次大会講演論文

集(3)，pp.133-134(2003)

Fig.13 Time histories of cylinder-average pressure, temperature and total heat release rate calculated by the two different initial equivalence ratio distributions

Fig.14 Fields of temperature calculated from homogeneous charge (upper) and heterogeneous charge (lower) at 7 deg. BTDC (early or middle phase of hot flame reaction period)