機械工学のフロンティア

圧縮点火エンジンの紹介と簡単な歴史

ルドルフディーゼルが最終的に彼の名前を冠する内燃機関を発明して以来、圧縮点火はエンジンの燃焼を開始するための効果的かつ効率的な手段として利用されてきた。 ディーゼルは、当時の燃料のための石油インフラがなかったので、彼の新しいエンジンを発明するために植物油を使用しました。 自動点火に必要な圧力と温度を作り出すための高圧縮比は、圧縮点火エンジンの特徴でした。 燃焼室に燃料を直接噴射する機構も必要であった。 時間が進むにつれて、石油留出物のインフラストラクチャは、ガソリン（火花点火エンジンをサポートするため）、灯油、燃料油（暖房住宅）、そしてもちろんディーゼル燃料（Heywood、1988）などの燃料のために利用可能になった。

圧縮着火と燃焼室への燃料の直接噴射を使用することの利点は、その開発の今後数十年にわたって証明されています。 圧縮点火エンジンは、本質的に、自動点火のために必要な条件を作り出すために高圧縮比を必要とする。 高圧縮比は、効率を向上させるための設計特性の一つです。 さらに、圧縮点火はエンジンの出力を制御するためにスロットルを必要としなかった。 燃焼室への燃料の直接噴射は、圧縮比を制限し、最終的には、火花点火エンジンの効率をノックするために高い耐性を提供しました。 付加的な利点は、ノックの限定なしで、圧縮点火エンジンはターボチャージャーによって後押しする寛大な取入口圧力があることができ、更に効率および出力密度を高めることである。

その過程で、ディーゼル自動点火に必要な高圧縮比を堅牢に達成できるピストンやシリンダーヘッドを製造する能力、高圧縮比完全燃焼室に利用可能な比較的低圧インジェクタを活用できるプレチャンバー、プレチャンバーの必要性を排除し、燃焼室に直接噴射できる非常に高圧燃料を用いた新しい燃料噴射技術、最終的には電子制御やアクチュエータなど、多くの技術的なハードルが発生し、克服された。 排出規制の厳しい要求を満たすために、燃料、空気、および排出ガスを正確に制御します。

圧縮点火エンジンの現状

圧縮点火エンジンは、大型船、機関車、商用トラック、建設-農業機器、発電機、さらには自動車などの機器に電力を供給する、世界中の様々な商業用および民生用アプリケーションで使用されている。 ほとんど専ら、これらの適用は燃焼のためにディーゼル燃料を利用する。 ディーゼルエンジンは、燃料の自動点火の容易さに依存しており、化学的性質のエンジニアは、燃料の自動点火の容易さを記述する経験的に導出されたメトリクスであるセタン数/指数と呼ぶ。 Biodieselsはまた田園地域と発展途上国で多くの適用で、特に使用されます。 Biodieselsは一般に脂肪酸のメチル（かエチル）エステル（名声）を残すグリセリンプロダクトを取除くために化学的に処理された植物油からなされます。 Biodieselsはディーゼル燃料の特性をまねるように試み、端正な燃料の代理として使用することができるが石油のディーゼルとの混合代理店として一般に使

圧縮点火エンジンには、ツーストロークアーキテクチャとフォーストロークアーキテクチャの二つの主要なアプローチがあります。 非常に大きなCIエンジン（特に船と機関車）は、主にエンジン回転数が毎分低回転数（RPM）に制限されているため、二ストロークになる傾向があります。 二ストロークCIエンジンは、空気がシリンダーライナー内のポートを介してシリンダーに強制されるため、ターボチャージャーやスーパーチャージャー（または場合によっては両方のハイブリッド）などの空気供給の外部ソースを持っている必要があります。 図1は、この構成を示しています。 排気は別の一組の港（火花によって点火される版）またはシリンダーヘッドのポペット弁を通して排出される（図1を見なさい）。 シリンダーはさみ金の取入口空気港はピストンが力の打撃のそれらの下で落ちるとき開き、シリンダーに加圧された、涼しい空気を許可する。 ピストンがパワーストロークでBDCに向かうと、シリンダーヘッド内の排気バルブが開き始め、ホット排気がトップマウントされた排気バルブを介してシリ ピストンがBDCの方に先頭に立ち続けると同時にシリンダーはさみ金の取入口は開き、排気の最後を上の排気弁から強制するシリンダーに新鮮な空気を この清掃プロセスは、排気バルブが閉じるまで続きます（いつかbdcのピストン位置の周り）。 取入口の港はまだ開いています、従ってピストンがシリンダーの空気を引っ掛けるはさみ金の取入口の上を通るまで新鮮な空気は送風機からのシリ 次に、この空気を加熱し、ピストンがTDCの近くになるまで加圧します。 燃料噴射装置は、高温の圧縮空気中に高圧スプレーを発生させ、自動点火および燃焼を引き起こす。 その後、サイクルは新たに始まります。

一方、四ストローク圧縮点火エンジンは、吸気ストローク中に吸気マニホールドからシリンダに空気を誘導することによって動作し、TdcからBDCに（図2参照）、吸気バルブが閉じ、ピストンがtdcに向かって戻り、空気を高温圧力に圧縮しながらピストンが上昇する。 インジェクターは燃焼室に燃料を吹きかけ、点火は起こり、ピストンは力の打撃と呼ばれるものがの燃焼による高圧で下方に強制される。 最後に、排気弁は開き、ピストンはTDCに戻り、排気の打撃の排気の燃焼プロダクトを強制する。 サイクルはここから繰り返されます。

エンジンが二ストロークか四ストロークかにかかわらず、サイクルの圧縮部分の終わり近くに高圧と高温の空気を作り出すことを目的としています。 注入された燃料は高圧および高温空気にそれから露出され、非常に急速に自動発火します。 燃料の噴射と自動点火との間の遅延は、点火遅延と呼ばれ、これは典型的にはいくつかのクランク角度である。 燃料は噴流として噴射され続け、噴流の周囲に反応ゾーンがあり、反応ゾーンへの空気の拡散と反応ゾーンへの燃料の外側への拡散によって反応が制御さ この拡散プロセスはミリ秒単位で行われ、実際の反応はマイクロ秒のタイムスケールで行われるため、拡散の流体力学が反応速度を制御しています。

CIエンジンの効率、排出シグネチャ、信頼性、および出力を改善するための経路を研究するために、重要な研究努力が費やされています。 製造会社、大学、研究所は、すべてのCIエンジン技術を進めるために彼らの専門知識、設備、設備を貸してきました。 これらの進歩の中には、プレチャンバーの必要性を排除し、熱伝達を低減するための直接噴射（DI）、シリンダ内の汚染物質形成を研究するための光学診断、CIエ エンジニアや科学者は、CIエンジン技術の基礎的な研究に彼らの専門知識を適用し続けるように、追加の進歩が達成されることはほとんど疑いがあ

CIエンジンはSIエンジンとどのように違うのですか？

CIエンジンが商業用および産業用アプリケーションで非常に人気がある理由はいくつかあります。 一つの重要な理由は、CIエンジンの固有の燃費がSIエンジンの燃費よりも高いことです。 圧縮点火の性質は、高燃料効率を可能にするいくつかの重要な要因を提供する。 １つの要因は、高圧縮比である（Ｇｉｌｌ ｅ ｔ ａ ｌ．, 1954). CIエンジンはシリンダーに注入された燃料と空気とこの燃料の混合に依存しているので、エンジンのノックは避けられます。 エンジンノックは，ＳＩエンジンの圧縮比が高いことに対する主な制限の一つである。 第二の要因は、出力を制御するためにエンジンを絞る必要性を排除することです。 ここでも、燃料は燃焼室内で直接噴射され混合されるため、燃料と空気が予め混合され、本質的に一定の混合比で均質であるSIエンジンとは異なり、CIエ これは、その混合比を一定に保つために、燃料が減少する場合、空気も同じ割合で減少させなければならないことを意味する。 空気のこの管理はスロットル、か取入口の制限とされ、重要なガス交換か”ポンプ”損失を作成する。 第三の要因は熱伝達である。 CIエンジンは、エンジンが燃焼室内に存在するすべての燃料ではなく、すべての酸素を消費することを意味する”燃料リーン”を実行することができる。 これはより低いシリンダー内温度を作り出し、その結果、エンジンの冷却剤およびエンジンの排気および高性能へのより低い熱拒絶をがちである。 付加的な利点として、ガンマ、か比はcp/Cvを熱します化学量論で作動するエンジンのためより細い焼跡エンジンのために高いです。 燃焼反応によって生成される熱エネルギーの少ないは、より大きな三原子種（CO2とH2O蒸気）の励起状態で失われます。 これは、より多くの熱エネルギーが作動流体の圧力と温度を上昇させるために利用可能であることを意味し、これが抽出できる作業を生み出すもので

しかし、CIエンジンにはいくつかの欠点もありますが、言及する価値があります。 CIエンジンは、高圧縮比と昇圧吸気圧力によって生成される高い圧力と温度を処理するために非常に堅牢であるように設計する必要があります。 これにより、高回転慣性を有するエンジン設計が生成され、その後、最大エンジン速度が制限される。 また、すべてのハードウェアが非常に耐久性がある必要があるため、コストも上昇します。 CIエンジンのもう一つの欠点は、排出量の署名です。 拡散制御燃焼に依存することは、SIエンジンのガソリン/空気混合物の均質性とは対照的に、燃料と空気の間に有意な層別化があることを意味する。 この層別化により、粒子状物質（PM）と窒素酸化物（NOx）が生成されます。 CIの燃焼のこれらの望ましくないプロダクトは健康上の危険および環境的に有害であるために発見されました。 本質的に、従来のCIエンジンには効率の問題はなく、排出量の問題があります。

バイオ由来燃料はどうですか？

CIエンジンにおける現在および予測可能な作業の多くは、高効率を維持しながら有害な排出署名と温室効果ガス生産を大幅に削減するために、代替燃料または複数の燃料の使用に焦点を当てているようである。 バイオ由来燃料は、特に発展途上国では、温室効果ガスの課題と石油輸入のコストに対抗するための一般的なアプローチの1つです。 バイオ燃料は、一般的に植物油のいくつかのタイプから作られ、化学的に多くの点で石油ディーゼルを模倣する製品を作成するために処理されます。 いくつかの原料は、地元の栽培条件とそれらの条件の下で繁栄する作物に応じて、このように利用されています。 大豆、キャノーラ、ヤシの種子、ジャトロファ、およびkaranja油は、他の多くのものの中で燃料として処理されています。 一般に、このタイプのバイオ燃料は、食用植物に由来する油および非食用植物に由来する油のカテゴリーに分けられる。 化学的には、食用植物由来の燃料は、燃料への加工が容易であり、低コストである。 しかし、これはまた、地域経済における”食料や燃料”の課題を作成することができます。 非食用植物由来のバイオ燃料は、処理がより困難で高価であるが、「食品または燃料」の困難を回避する傾向がある。 伝統的なバイオディーゼル燃料への一つの課題は、燃料自体がその構造の一部として酸素を含むことである。 この酸素化された燃料は、石油ディーゼルと比較してエネルギー含有量を大幅に減少させます。 エネルギー含有量の削減は、一般的に石油ディーゼルと比較して体積で7-8％のオーダーです。 これは提供される同じ量のエネルギーのために消費される燃料のより多くの容積をもたらす。 従来のバイオ燃料よりもはるかに大きな収量の可能性を提供する藻類由来または藻類燃料に関して、より最近の研究が行われている（Ｆｒａｓｈｕｒｅ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2009). もう一つの最近の研究テーマは、石油ディーゼル燃料と同様の長鎖炭化水素を抽出するためのバイオマス材料の熱水または他の処理からの「再生可能な」, 2008). 再生可能なディーゼルは酸素化されない傾向があるので、エネルギー含有量は石油ディーゼルと同じになる傾向があります。 しかし、再生可能と非再生可能の両方のソースからディーゼル燃料を作成するための別のアプローチは、1930年代にこのプロセスのドイツの発明者の後、いわゆるフィッシャー-トロプシュ（FT）と呼ばれるプロセスを利用しています。FT燃料は、燃料として使用するのに適した長鎖炭化水素を作成するために、メタン、ガス化石炭、またはガス化バイオマスから派生しています。 いくつかの頭字語は、原料に応じて、燃料のこのタイプのために使用されています。 ガスから液体（GTL）、石炭から液体（CTL）、およびバイオマスから液体（BTL）は、これらの頭字語のいくつかです。 FTプロセスは、高セタン定格、低粘度、硫黄なし、高エネルギー含有量など、非常に高品質のディーゼル燃料を生成しますが、少なくとも現時点では複雑で高

CIエンジンの最先端とは何ですか？

CIエンジンは、動機と静止動力の源として世界中で利用されています。 インドや中国などの新興国経済が経済需要を満たすために輸送や電力の需要を増やすにつれて、環境規制、温室効果ガス規制、化石燃料の需要が厳しさを増している中で、CIエンジンの将来について深刻な問題があります。 これらの現在および将来の市場の需要を満たすためにCIエンジンを進化させる戦略はありますか？

従来のディーゼル燃料を使用して、エンジニアは共通の柵の高圧ポンプ、piezo作動させた燃料噴射装置、高度のturbomachineryおよび不用な熱回復（thermoelectrics、等）のような高度の注入）、およびディーゼル燃料の硫黄のほぼ除去。 燃料はより滑らか、より少なく汚れる燃焼のでき事を作成するために燃焼室に今はるかに正確にメーターで計ることができる。 排気ガスの再循環(EGR)の使用はエンジニアが重要な窒素化合物の減少をより低いピーク燃焼の温度に与える取入口空気の酸素濃度を減らすことを可 ディーゼル微粒子フィルター（DPF）、デノックス触媒（選択的触媒還元とリーントラップの両方）、ディーゼル酸化触媒（DOC）などの後処理の進歩は、現在、現代のCIエンジン

進行中の高度な燃焼作業は、CIエンジン効率の改善と排出量シグネチャの大幅な改善に刺激的な機会をもたらしました。 研究が進むにつれて、燃料供給（スロットルなし）によって出力を制御し、高圧縮比を保持する能力を保持しながら、燃料と空気のいくつかの予混合を これらの目標を達成するために採用されている戦略の様々ながあります。 一つは、一般に反応性制御圧縮点火（RCCI）として知られている二重燃料の使用です。 RCCIでは、低反応性燃料（ガソリン、エタノールなど）が主なエネルギー源として燃焼室に注入され、非常に少量の高反応性燃料（ディーゼル、バイオディーゼルなど）が燃焼室に注入される。). これはピーク燃焼の温度を減らし、効率を改善するが、また失火を避け、高い強さを保つために肯定的な点火の作戦を提供するエンジンの傾きを動かす 研究エンジンのRCCIは、非常に高いレベルの効率（主に従来のディーゼル燃焼よりも熱伝達がさらに低下するため）を達成し、堅牢性を制御する機会を示 RCCIの主な欠点は、シリンダーあたり2つのインジェクタ（各燃料ごとに1つ）の要件と、2つの別々の燃料を運ぶか、低反応性燃料の反応性向上添加剤を運ぶ, 2013).

CIエンジンの世界でもう一つの刺激的な機会は、かなり反応性の低い燃料（ガソリン、ナフサなど）の使用です。）ディーゼルと比較して、圧縮着火アーキテクチャエンジンを使用し、これらの燃料の長い着火遅延を利用して、負荷制御を提供するのに十分な層別化を保, 2007). ガソリン圧縮着火（GCI）または部分予混合圧縮着火（PPCI）は、二重燃料のRCCIsの使用と同じ目標を達成するが、正確な方法で一つの燃料を層別化することによ この点火制御は、特定の時間に高反応性燃料を積極的に添加するのではなく、刻々と変化する局所燃料/空気混合特性に依存するため、RCCIと比較して非常に 利点は、1つの燃料のみが必要であり、1気筒あたり1つのインジェクタが必要であることです。

RCCIとPPCIのそれぞれのケースでは、PMレベルを低くするために十分な予混合を可能にし、燃焼のリーンまたは希薄化を行い、ピーク燃焼温度を2000K以下に維持し、熱NOx生成を回避することを目的としている。 燃焼および着火に対するこれらの新しいアプローチの堅牢性は、世界中のいくつかの研究機関によってアプローチされている課題である（Johansson et al. ら、２ ０ １ ４；Ｓｅｌｌｎａｕ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2014).

CIエンジンの未来は何を保持していますか？

少なくとも2015年の時点で、CIエンジンは商用車およびオフロード車市場で支配的な地位を占めています。 温室効果ガス排出量と大気質に世界的に規制圧力が適用されるにつれて、CIエンジンはこれらの圧力に対応するために進化し続けます。 液体燃料の高エネルギー密度とCIエンジンの高出力密度と非常に低い製造コストの組み合わせは、CIエンジンを動機と静止電力生産のための一般的 この分野では、効率の向上、排出量の削減、排出制御後処理技術の改善のためのエキサイティングな研究が進行中であり、多大な進歩がなされています。 しかし、世界の人口が70億人を超え、発展途上国の電力需要が急増しているため、さらなる進歩が必要です。 今後数十年の間に輸送と電力の課題をどのように解決するかは、世界的に増え続ける人口に受け入れられる居住可能な環境と生活水準の両方を維持する社会としての私たちの能力のトーンを設定します。

利益相反声明

著者は、利益相反の可能性と解釈される可能性のある商業的または財政的関係がない場合に研究が行われたと宣言しています。

謝辞

提出された原稿は、アルゴンヌ国立研究所（”アルゴンヌ”）のオペレーターであるUChicago Argonne,LLCによって作成されました。 アルゴンヌ、米国エネルギー省科学研究所のオフィスは、契約番号の下で運営されています。 DE-AC02-06CH11357. 米国政府は、政府または政府に代わって、当該記事における有償の非独占的、取消不能の世界的ライセンスを保持しています。 これは、CC-BY条件の下で再発行および再配布する他人の権利には影響しません（www.creativecommons.org著者は氏Gurpreet Singhによって管理される車の技術のエネルギー省のオフィス、高度エンジンの燃焼プログラムの財政支援を認めることを望む。ることができると考えられている。 再生可能なディーゼル燃料としての水素処理された植物油（HVO）：大型エンジンのNox、粒子状排出量および燃料消費量とのトレードオフ。 SAE技術論文2008-01-2500. ウォレンデール(ペンシルバニア州: 自動車技術者協会。