燃焼方式の基礎知識

吉田 幸司（日本大学理工学部）

1．は じ め に

「燃焼方式の基礎知識」を執筆するにあたり，読書は機械

工学や自動車関連学科で，熱力学の基礎を学んだ学生諸君と

した．よって，エンジンに造詣の深い学生諸君や内燃機関，

燃焼工学のような科目を学んだ学生諸君には，物足りないも

のと思うが，復習と思って読んで戴ければ幸いである．

2．エンジンの歴史とガスサイクル

現在、自動車用として用いられている機関は，ガソリンエ

ンジンとディーゼルエンジンである．但し，ガソリンエンジ

ンという名称は，燃料として主にガソリンを用いているため

に呼ばれるもので，タクシーではLPG(液化石油ガス)，バスで

は CNG(圧縮天然ガス)も燃料として用いられている．よって，

点火方式で区別し，ガソリンエンジンは火花点火機関，ディ

ーゼルエンジンは，圧縮着火機関と呼ぶ方が適切である．

4ストローク火花点火機関は，1876年にドイツのNicolaus A.

Otto によって初めて運転された．圧縮着火機関は，Rudolf

Dieselによって1892年にその基本的な構想が述べられ，その

5年後に最初の実用的な機関が運転された．(1）2ストローク機

関は，4ストローク機関が開発された後に開発されている．

二種類のエンジンが作動しているガスサイクルは，火花点

火機関は図1左図のP-V線図に示すオットーサイクルであり，

圧縮着火機関は右図に示すディーゼルサイクルである．（2）こ

こでP-V線図とは，シリンダ内に閉じ込められた気体(閉じた

系ぶ)の圧力Pと体積Vの関係を示したものである．

二つのガスサイクルの気体の状態変化における唯一の相違

点は受熱である．熱量 Q1 を一定容積の下で受熱する(等容受

熱)のがオットーサイクルであり，一定圧力の下で受熱(等圧

受熱)するのがディーゼルサイクルである．その他のサイクル

を構成している気体の状態変化は，断熱変化(圧縮と膨張)と

等容変化(等容排熱)と，全く同じである．実際のエンジンに

おいて，「受熱」とは燃焼であるから，二種類のエンジンの

相違は，点火方式にあると共に本質的にはその燃焼にある．

3．予混合燃焼と拡散燃焼

エンジンの燃焼は，火花点火機関では予混合燃焼，圧縮着

火機関では拡散燃焼と呼ばれる．予混合燃焼とは，その名前

の通り，「予め」燃料と酸化剤である空気とを「混合」した

混合気をエンジンに供給して燃焼させる方式である．拡散燃

焼も，その名前の通り，燃料と空気を別々に供給し，燃料と

空気が「拡散」・混合しながら燃焼が進行する方式である．

よって，火花点火機関では混合比(=吸入された空気質量/供給

された燃料質量)の均一な混合気が吸入され，圧縮着火機関で

は空気のみを吸入し，燃料は燃焼室に直接噴射される．

実際のエンジンで用いられている燃料にはガソリン，軽油

のような液体燃料と，LPG，CNG のような気体燃料がある．予

混合燃焼の場合，液体燃料もキャブレターなどで気化した後

に空気と混合するため，燃料が気体でも液体でも燃焼に相違

はない．しかし，拡散燃焼の場合は，液体燃料を噴射した場

合は，拡散・混合の前に燃料が気化する過程が必要であるた

めに気体燃料と比較して現象は複雑になる．

また燃焼は，エンジンのように閉じられた空間内部で起き

る容器内燃焼(間欠燃焼)と開いた開放雰囲気中で起きるバー

ナー燃焼(連続燃焼)に分けられる．(3)

顔写真

Volume

Pressure

Volume

Pressure

Fig.1 P-V diagrams of Otto cycle and Diesel cycle

Q1 Q1

Fig.2 Pre-mixed flame and diffusion flame

図 2 は，ライターすなわちバーナー燃焼における予混合燃

焼(左)と拡散燃焼(右)の例である．予混合燃焼では，青い火

炎の内部により明るい部分があるのに対して，拡散燃焼の場

合は，火炎基部が青黒く，全体的には，すすの発光により黄

色い火炎となる．しかし，燃料に相違はなく，両方のライタ

ーとも主にプロパンやブタンを混合したものである．

また，予混合燃焼，拡散燃焼とも層流燃焼と乱流燃焼とい

う燃焼形態がある．これは,流体力学の層流，乱流と同じ区分

であり，乱流燃焼では，予混合燃焼，拡散燃焼とも火炎に乱

れやしわが生ずる．図 2 はどちらも層流燃焼の例である．し

かし，層流燃焼，拡散燃焼ともに燃焼の本質は同じであり，

乱流燃焼も瞬間的，局所的に見れば，層流燃焼と類似の火炎

形態である．但し，乱れの凹凸によって火炎面積が増加する

ために単位時間当たり燃焼する燃料は増加し，見かけ上の燃

焼速度が上がる．エンジン内は，強度の乱流場であるため，

火花点火機関，圧縮着火機関とも乱流燃焼である．

3.1. 予混合燃焼

層流予混合燃焼の例を模式的に図 3 に示す．左図は容器内

燃焼の場合で燃焼室中心で点火されている．右図はバーナー

のように開いた空間の例である．予混合燃焼の特徴は，まだ

燃焼していない未燃混合気(青い部分)とすでに燃焼してしま

った既燃ガス(茶色の部分)とが火炎面(赤色の線)で明確に分

けられている点にある．燃焼反応は，非常に薄い火炎面でお

きる．図 2 左図のライターは，層流予混合火炎であり，炎の

中で青白く輝いているのが火炎面、その内側に未燃混合気が

あり，外側の薄く青い部分が既燃ガスである．

予混合燃焼の場合，燃料と空気が均一に混合しているため，

燃料が薄すぎても(希薄混合気)，濃すぎても(過濃混合気)，

うまく燃焼せず，その燃料に適した可燃混合範囲が存在する．

ガソリンでは，概ね混合比9～20程度である．

図 4 に容器内での層流予混合燃焼の様子を，シュリーレン

法を用いた影写真で時系列に示す．ここで，燃焼室は横80[mm]

×縦 50[mm]の四角形であり，燃焼室の中心で点火している．

混合気は，空気-プロパンを使用した．画像の黒い球形が火炎

面であり，その内部が既燃ガス，周囲は未燃混合気である．

火炎面が，点火源から未燃混合気へ伝ぱすることで燃焼が進

行する．火炎面は，燃焼反応によって進むと共に，既燃ガス

の温度上昇による体積膨張によって推し進められる．よって，

火炎伝ぱ速度は，既燃ガスの体積膨張による速度と燃焼速度

の和になる．また，燃焼時間が非常に短い(火炎伝ぱ速度が速

い)ことも特徴であり，オットーサイクルに示されるように，

ほぼ定容の下で受熱(燃焼)を完了ができる．

容器内の予混合燃焼では，火炎が伝ぱすることで燃焼が進

行するが，図 2 のライターのようなバーナー燃焼の場合，火

炎は止まって見える．これは未燃混合気が火炎面に垂直に流

入する速度と燃焼速度が釣り合っているためである．

気筒内燃料直噴式火花点火機関の場合も，燃料は直接シリ

ンダ内に噴射されるものの，混合気が形成された後に点火す

る予混合燃焼である．しかし，シリンダ内での混合比を局所

的に不均一にすることができるため，混合比の均一な通常の

予混合燃焼とは違い，場所によって燃焼速度が異なる．

3.2. 拡散燃焼 拡散燃焼では，容器内燃焼の場合は等容過程，バーナー燃

焼の場合は等圧過程であることを除けば，基本的に燃焼過程

は同じものである．すなわち，燃料を空気中に噴射した場合，

燃料噴射ノズル出口では燃料 100[%]の状態であり，十分離れた場所では空気が 100[%]である．よって，拡散燃焼は，燃料と空気の境界で両者が混合することで発生する．化学反応速

度は空気や燃料の拡散速度と比較して速いため，拡散燃焼の

速度は，燃料と空気の拡散混合速度によって定まる．また，

拡散燃焼においても火炎面は存在するもが，伝ぱはしない．

図 2 右図のライターは，層流拡散火炎の典型的な例である． エンジン内での拡散燃焼では，軽油等の液体燃料を圧縮直

後の高温，高圧の空気中に噴射して発生する噴霧燃焼と呼ば

れ，その燃焼過程は非常に複雑である．燃料は，燃料噴射ノ

ズルから噴射することで数十μm 程度に微粒化され，空気との拡散・混合と表面積の増加による蒸発が促進される． 図 5 に，シュリーレン法によって撮影した燃料噴射の例を

時系列に示す．これは, 実際の燃料噴射装置のものではなく，

高電圧放電を利用した燃料噴射であり，燃料にはメタノール

を用いている．大気圧力，開放雰囲気において行った実験で

あるが，燃料が噴射，微粒化され空気と混合する様子が分か

る．尚,画像が撮影された円形部の直径は30[mm]である．

噴射・微粒化した燃料は，次の 4 つの過程を経て燃焼する． (1)着火遅れ期間：噴射した燃料が気化し，空気と混合する期間であり，物理的遅れ(微粒化，拡散，混合)と化学的遅れ(燃料自身の着火性)によって決まる． (2)無制御燃焼期間：燃料の酸化反応が起こり始め，燃焼室内Fig.3 Pre-mixed flames

Propane-air mixture Equivalence ratio 1.0 [-] 1.0 [ms] 2.0 [ms] 4.0 [ms] 8.0 [ms]

Fig.4 Flame propagation in a vessel

の最も条件の良い場所で自然着火し，それまで噴射されてい

た燃料が一気に燃焼する期間． (3)制御燃焼期間：引き続き噴射された燃料が拡散燃焼する期間．燃料噴射率により燃焼を制御することが可能である． (4)後燃え期間：燃料噴射終了後に，未燃燃料が燃焼する期間．

図 6 に拡散燃焼過程のシュリーレン写真を時系列に示す。

この燃焼も図 5 と同様にメタノールを用いた実験結果である

が，噴射された燃料の周囲から拡散燃焼する様子が分かる．

4．異常燃焼

4.1. 火花点火機関の異常燃焼 火花点火機関における異常燃焼にノッキングがある．予混

合燃焼において，燃焼室内の未燃混合気は既燃ガスの膨張よ

って断熱的に圧縮され，また火炎面からの熱伝達によって温

度が上昇する．燃焼室末端部の未燃混合気の温度が自着火温

度に達すると，未燃混合気全体が一気に燃焼する．この急激

な温度と圧力の上昇によって衝撃波が発生し，いわゆるカン

カンといった金属音が聞こえる．この現象がノッキングであ

る．圧縮比を上げればオットーサイクルの理論熱効率は当然

向上すが，圧縮比を上げると燃焼前の未燃混合気温度が上昇

し，ノッキングが発生しやすくなる．ノッキングが発生する

と，シリンダ壁面の温度境界層(シリンダ壁面の近くで温度が

燃焼温度から壁面温度まで急激に変化する部分)が薄くなり，

熱伝達が増加し，最悪の場合エンジンが破壊する．

ノッキングの防止方法としては，自着火のしにくい耐ノッ

ク性の高い燃料を使用すれば良い．燃料の耐ノック性を示す

指数が，オクタン価である．ノッキングを起こしにくい燃料

の代表としてイソオクタンのオクタン価を100，ノッキングを

起こしやすい燃料としてノルマルヘプタンのオクタン価を 0

とし，イソオクタンとノルマルヘプタンの混合燃料中のイソ

オクタン体積割合をオクタン価と定める．レギュラーガソリ

ンのオクタン価は約90，プレミアムガソリンは約100である．

自動車を運転中にノッキングが発生した場合は，点火進角

(点火火花を飛ばすタイミング，通常は上死点前 20-30[deg.]

程度)を遅くすることでノッキングの発生を押させることが

できる．これは，点火時期を遅らせることで最高燃焼圧力を

低下させ，かつ到達する時期を遅らせることで，末端未燃混

合気の温度上昇を防ぎ，ノッキングを防止するものである．

5.2. 圧縮着火機関の異常燃焼

拡散燃焼には異常燃焼はないが，ディーゼルノックと呼ば

れる現象がある．ディーゼルノックとは，燃料の着火性が悪

い場合やシリンダ内の温度が十分に上昇しない内に燃料が噴

射された場合に起きる，つまり，着火遅れ期間に多量の燃料

が噴射され燃焼せずに溜まり，着火と同時に一気に燃焼して

温度と圧力が急激に上昇する現象であり，カラカラという音

や振動が発生する．しかし，ディーゼルノックは，正常な拡

散燃焼と本質的には変わらない．

ディーゼルノックを防止する方法としては，着火性の良い

燃料を使用すれば良い．燃料の，圧縮着火性を示す指数が，

セタン価である．セタン価が高い燃料程，高温の下で着火し

やすい．着火し易い燃料としてセタンのセタン価を100，着火

しにくい燃料の代表としてヘプタメチルノナンをセタン価 15

とする．(以前はα-メチルナフタレンのセタン価を 0 として

いた．)セタン価とオクタン価は，全く逆の性質を示す指数で

あり，セタン価の高い燃料はオクタン価が低く，オクタン価

の高い燃料はセタン価が低い．

また，燃料噴射時期を遅らせることによって，シリンダ内

が断熱圧縮によって温度が十分に上昇したところで燃料を噴

射し，ディーゼルノックを防ぐことができる．但し，燃料噴

射時期を遅らせ過ぎると，最高燃焼圧力が低下し，後燃え期

間が長くなり熱効率が低下してしまう．

4．お わ り に エンジン燃焼は，100 年以上前に実用化されたものであり，

現在でも基本的な燃焼に全く変わりはない．しかし，近年の

環境問題や省エネルギの観点から，予混合燃焼，拡散燃焼に

とらわれない全く新しい燃焼方式の研究が行われている．

予混合燃焼からは HCCI(Homogeneous Charge Compression

Ignition)燃焼のように，予混合気をエンジンに供給しながら

も，火花点火ではなく圧縮によって自着火するような燃焼が

ある．拡散燃焼からは，2段噴射ディーゼル機関のように，圧

縮行程中に一部の燃料を噴射してシリンダ内部に予混合気を

形成した後に，燃料を噴射する燃焼方式や，MK(Modulated

Kinetics)燃焼のように，あえて着火遅れ期間を長くすること

で燃焼室内に予混合気を形成するような燃焼方式がある．

参 考 文 献

(1) John B. Heywood ： Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill Book Company, p.1-4, (1988) (2) 斎間厚他 3 名：基礎熱力学，産業図書，ｐ.69-83 (1987) (3) 水谷幸夫：燃焼工学 第 3 版，森北出版，ｐ.26 (2002)

Fuel: Methanol Open atmosphere

2.0 [ms] 4.0 [ms] 6.0 [ms] 8.0 [ms]

Fig.5 Fuel injection

Fuel: Methanol Open atmosphere

2.0 [ms] 6.0 [ms] 20.0 [ms] 30.0 [ms]

Fig.6 Diffusion flame

Appendix: Movie Clips （クリックで再生します ※要 QuickTime7）

Fig.2 左 Fig.2 右

Fig.4 Fig.5

Fig.6

本文ムービー

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