JP2010001852A

JP2010001852A - エンジンシステム及びエンジンの運転方法

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Publication number: JP2010001852A
Application number: JP2008162933A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Oteru; 祐一大輝; Shinya Iida; 晋也飯田; Michitaka Nakano; 道王中野
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2008-06-23
Filing date: 2008-06-23
Publication date: 2010-01-07
Anticipated expiration: 2028-06-23
Also published as: JP5045569B2

Abstract

【課題】エンジンの熱効率を確実に向上させる。
【解決手段】本発明のエンジンシステム１０では、エンジン１２のシリンダ内で１回の燃焼により発生する熱量のうちシリンダ内の作動ガスに供給された熱量がシリンダ内の１回の燃焼でシリンダ内の作動ガスに供給される全熱量の３５％以上となる燃焼進行時期に到達した場合に、シリンダ内に６００Ｋ以上の液相又は蒸気圧曲線に対する高温側の気相若しくは臨界圧力以上で臨界温度以上の水からなる高温水が供給される。この構成によれば、エンジンの熱効率の向上にとって適切なタイミングで高温水が供給されるので、エンジンの熱効率を確実に向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンシステム及びエンジンの運転方法に係り、特にエンジンのシリンダ内に混合気に加えて高温水を供給するようにしたエンジンシステム及びエンジンの運転方法に関する。

従来、この種のエンジンシステムとしては、次のものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

すなわち、特許文献１には、臨界水をシリンダ内の燃料噴霧に対して干渉するように噴射し、且つ、臨界水の噴射期間をピストン上死点より−９０°〜＋３０°の範囲としたエンジンの運転方法が開示されている。

また、特許文献２には、シリンダ内への燃料噴射後の受熱期間終了前及び受熱期間の終了から膨張行程にかけての２回、シリンダ内へ蒸気を噴射するエンジンの運転方法が開示されている。
特表２００４−５１９５８３号公報特開２００６−２５８０号公報

しかしながら、特許文献１、特許文献２に記載の例では、臨界水や蒸気のシリンダ内への噴射を所定の期間内で行うようにしているが、この期間の中には、エンジンの熱効率の向上にとって適切でないタイミングも含まれている。従って、臨界水や蒸気の噴射タイミングが適切でない場合には、エンジンの熱効率が低下する可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、エンジンの熱効率を確実に向上させることができるエンジンシステム及びエンジンの運転方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載のエンジンシステムは、シリンダを有するエンジンと、前記シリンダ内に燃料及び空気の混合気を供給するための混合気供給部と、前記シリンダ内に６００Ｋ以上の液相又は蒸気圧曲線に対する高温側の気相若しくは臨界圧力以上で臨界温度以上の水からなる高温水を供給するための高温水供給部と、前記シリンダ内で１回の燃焼により発生する熱量のうち前記シリンダ内の作動ガスに供給された熱量が前記シリンダ内の１回の燃焼によって前記シリンダ内の作動ガスに供給される全熱量の３５％以上となる燃焼進行時期に到達した場合に、前記高温水供給部から前記シリンダ内に前記高温水を供給させる制御部と、を備えている。

請求項１に記載のエンジンシステムでは、エンジンのシリンダ内に混合気供給部から燃料及び空気の混合気が供給され、この混合気が燃焼される。また、この混合気の燃焼が進行しているときに、エンジンのシリンダ内に高温水供給部から高温水が供給される。

ここで、一般的に、高温水のシリンダ内への供給タイミングが適切である場合や、シリンダ内へ供給する高温水の温度や圧力が適切である場合には、高温水によってシリンダ内の圧力が上昇されると共に、高温水によってシリンダ内の温度が低下されることでエンジンを冷却するための冷却水による熱損失が減少するので、エンジンの熱効率が向上される。

しかしながら、高温水のシリンダ内への供給タイミングが適切でない場合や、シリンダ内へ供給する高温水の温度や圧力が適切でない場合には、エンジンの熱効率が低下する可能性がある。

つまり、シリンダ内で１回の燃焼により発生する熱量のうちシリンダ内の作動ガスに供給された熱量がシリンダ内の１回の燃焼によってシリンダ内の作動ガスに供給される全熱量の３５％以上となる燃焼進行時期よりも早いタイミングでエンジンのシリンダ内に高温水が供給された場合や、高温水であっても６００Ｋ未満の液相である場合には、高温水が供給されないベースとなるエンジンと比較して熱効率が低下する。

これに対し、請求項１に記載のエンジンシステムによれば、高温水供給部からシリンダ内に高温水が供給されるタイミングがシリンダ内で１回の燃焼により発生する熱量のうちシリンダ内の作動ガスに供給された熱量がシリンダ内の１回の燃焼によってシリンダ内の作動ガスに供給される全熱量の３５％以上となる燃焼進行時期に到達した場合とされており、且つ、シリンダ内に供給される高温水が６００Ｋ以上の液相又は蒸気圧曲線に対する高温側の気相若しくは臨界圧力以上で臨界温度以上の水とされている。従って、エンジンの熱効率を確実に向上させることができる。

請求項２に記載のエンジンシステムは、請求項１に記載のエンジンシステムにおいて、前記制御部が、前記エンジンの燃焼状態が予め定められた基準状態に対して悪化した場合に、前記高温水供給部から前記シリンダ内への前記高温水の供給時期を前記燃焼進行時期に対して遅らせる構成とされている。

請求項２に記載のエンジンシステムによれば、エンジンの燃焼状態が予め定められた基準状態に対して悪化した場合には、高温水供給部からシリンダ内への高温水の供給時期が上述の燃焼進行時期に対して遅らされるので、エンジンの燃焼状態の悪化を改善することができる。

請求項３に記載のエンジンシステムは、請求項１又は請求項２に記載のエンジンシステムにおいて、前記高温水供給部が、前記エンジンの排気系に設けられた熱交換器と、前記排気系における前記熱交換器に対する下流側に設けられた凝縮器と、前記凝縮器によって得られた水を前記熱交換器に圧送する水ポンプと、前記熱交換器によって生成された前記高温水を前記シリンダ内に噴射する高温水噴射弁と、を有する構成とされている。

請求項３に記載のエンジンシステムでは、シリンダ内から排出された排気ガスは、熱交換器で水と熱交換することで温度が低下され、凝縮器で水分が取り除かれる。また、この凝縮器で得られた水は、水ポンプによって熱交換器に圧送され、熱交換器で排気ガスにより加熱されて高温水として生成される。そして、この熱交換器で生成された高温水は、高温水噴射弁によってシリンダ内に噴射される。

このように、請求項３に記載のエンジンシステムによれば、シリンダ内に噴射された高温水を回収して再利用することができる。

請求項４に記載のエンジンシステムは、請求項３に記載のエンジンシステムにおいて、前記エンジンが火花点火式エンジンとされ、前記制御部が、前記燃料と前記空気との混合比が量論混合比となるように前記混合気供給部を制御し、前記エンジンの排気系に三元触媒が設けられている構成とされている。

請求項４に記載のエンジンシステムによれば、量論混合比で運転される火花点火式エンジンは、火花点火式希薄燃焼エンジンやディーゼルエンジンに比して燃焼熱が有効仕事に変換されずに排気温度が高くなるので、熱交換器にて高温水を生成する際に有利となり、この結果、正味熱効率を増加させることができる。また、シリンダ内から排出された排気ガスについては三元触媒で浄化することができる。

また、前記課題を解決するために、請求項５に記載のエンジンの運転方法は、エンジンのシリンダ内で１回の燃焼により発生する熱量のうち前記シリンダ内の作動ガスに供給された熱量が前記シリンダ内の１回の燃焼で前記シリンダ内の作動ガスに供給される全熱量の３５％以上となる燃焼進行時期に到達した場合に、前記シリンダ内に６００Ｋ以上の液相又は蒸気圧曲線に対する高温側の気相若しくは臨界圧力以上で臨界温度以上の水からなる高温水を供給する方法である。

請求項５に記載のエンジンの運転方法では、エンジンのシリンダ内に燃料及び空気の混合気を供給し、この混合気を燃焼させる。また、この混合気の燃焼が進行しているときに、エンジンのシリンダ内に高温水を供給する。

これに対し、請求項５に記載のエンジンの運転方法によれば、シリンダ内に高温水を供給するタイミングがシリンダ内で１回の燃焼により発生する熱量のうちシリンダ内の作動ガスに供給された熱量がシリンダ内の１回の燃焼によってシリンダ内の作動ガスに供給される全熱量の３５％以上となる燃焼進行時期に到達した場合としており、且つ、シリンダ内に供給される高温水を６００Ｋ以上の液相又は蒸気圧曲線に対する高温側の気相若しくは臨界圧力以上で臨界温度以上の水としている。従って、エンジンの熱効率を確実に向上させることができる。

請求項６に記載のエンジンの運転方法は、請求項５に記載のエンジンの運転方法において、前記エンジンの燃焼状態が予め定められた基準状態に対して悪化した場合に、前記シリンダ内への前記高温水の供給時期を前記燃焼進行時期に対して遅らせる方法である。

請求項６に記載のエンジンの運転方法では、エンジンの燃焼状態が予め定められた基準状態に対して悪化した場合には、シリンダ内への高温水の供給時期を上述の燃焼進行時期に対して遅らせるので、エンジンの燃焼状態の悪化を改善することができる。

以上詳述したように、本発明によれば、エンジンの熱効率を確実に向上させることができる。

［第一実施形態］
はじめに、本発明の第一実施形態について説明する。

図１には、本発明の第一実施形態に係るエンジンシステム１０の全体構成が示されている。この図に示されるように、エンジンシステム１０は、エンジン１２、スロットルバルブ１４、燃料噴射弁１６、燃料タンク１８、燃料ポンプ２０、排気触媒２２、熱交換器２４、凝縮器２６、水タンク２８、水ポンプ３０、流量制御弁３２、水温度センサ３４、排気温度センサ３６、高温水貯蔵タンク３８、高温水噴射弁４０、エアフローセンサ４２、クランクポジションセンサ４４、制御部としてのＥＣＵ４６を主要な構成として備えている。

エンジン１２は、シリンダ４８及び点火プラグ５０を有する火花点火式ガソリンエンジンとされており、シリンダ４８に接続された吸気系５２及び排気系５４を有して構成されている。スロットルバルブ１４及び燃料噴射弁１６は、吸気系５２に設けられており、排気触媒２２、熱交換器２４、凝縮器２６は、排気系５４に設けられている。また、凝縮器２６は、排気系５４における熱交換器２４に対する下流側に設けられている。

そして、このエンジンシステム１０では、スロットルバルブ１４、燃料噴射弁１６、燃料タンク１８、燃料ポンプ２０、吸気系５２により、シリンダ４８内に燃料及び空気の混合気を供給するための混合気供給部５６が構成されており、熱交換器２４、凝縮器２６、水タンク２８、水ポンプ３０、流量制御弁３２、高温水貯蔵タンク３８、高温水噴射弁４０により、シリンダ４８内に高温水を供給するための高温水供給部５８が構成されている。なお、高温水噴射弁４０は、点火プラグ５０に隣接して設けられている。

また、水温度センサ３４は、水ポンプ３０から熱交換器２４へ圧送される水の温度に応じた信号をＥＣＵ４６に出力する構成とされており、排気温度センサ３６は、排気系５４における排気触媒２２と熱交換器２４との間に配置されて、排気系５４の排気温度に応じた信号をＥＣＵ４６に出力する構成とされている。

一方、エアフローセンサ４２は、吸気系５２を流れる空気の量に応じた信号をＥＣＵ４６に出力する構成とされており、クランクポジションセンサ４４は、エンジン１２の回転数に応じた信号をＥＣＵ４６に出力する構成とされている。

さらに、ＥＣＵ４６は、上述の水温度センサ３４、排気温度センサ３６、エアフローセンサ４２から出力された信号に基づいて燃料噴射弁１６、水ポンプ３０、流量制御弁３２、高温水噴射弁４０を制御する構成とされている。

なお、本実施形態において、高温水供給部５８によってシリンダ４８内へ供給される高温水は、図２に示される６００Ｋ以上の液相又は蒸気圧曲線に対する高温側の気相若しくは臨界圧力（２２ＭＰａ）以上で臨界温度（６４７Ｋ）以上の水とされている。

また、ＥＣＵ４６は、後に詳述するように、シリンダ４８内で１回の燃焼により発生する熱量のうちシリンダ４８内の作動ガスに供給された熱量がシリンダ４８内の１回の燃焼によってシリンダ４８内の作動ガスに供給される全熱量の３５％となる燃焼進行時期（以後、３５％燃焼時期という）に到達した場合に、高温水供給部５８からシリンダ４８内に高温水を供給させる構成とされている。

つまり、ＥＣＵ４６には、例えば、図３に示されるように、エンジン１２の運転条件（例えば、トルク）毎に点火時期から３５％燃焼時期までの期間がマップ化されて記憶されている。

なお、このマップ化の作業は例えば次の要領で行われたものである。つまり、シリンダ４８内で１回の燃焼により発生する熱量のうちシリンダ４８内の作動ガスに供給された熱量（残りの熱量は外部に放出）の瞬時値をインジケータ線図（Ｐ−Ｖ線図）から算出し、この作業を各時刻毎に行う。続いて、上記熱量の瞬時値の総計に対して３５％の熱量が作動ガスに供給された時刻を算出し、このタイミングを３５％燃焼時期と定義する。そして、上記作業をエンジン１２の運転条件毎に行ったものである。

次に、本発明の第一実施形態に係るエンジンシステム１０の動作と併せてその作用及び効果について説明する。

図４には、高温水の生成量（熱交換器２４に供給する水量Ｍ_{ｗａｔｅｒ}）を決定するためのＥＣＵ４６の動作が示されている。

この図に示されるように、ＥＣＵ４６は、エアフローセンサ４２から出力された信号に基づいて吸入空気量ｍ_ａｉｒ（ｋｇ／ｓ）を、燃料噴射弁１６の噴射期間から燃料噴射量ｍ_ｆｕｅｌ（ｋｇ／ｓ）を、高温水噴射弁４０の噴射期間から高温水噴射量ｍ_{ｗａｔｅｒ}（ｋｇ／ｓ）を、排気温度センサ３６から出力された信号に基づいて排気温度Ｔ_ｅｘｔ（Ｋ）を、水温度センサ３４から出力された信号に基づいて熱交換器２４に供給する水の温度Ｔ_{ｗ_ｉｎｌｅｔ}（Ｋ）を、予め入力された高温水の目標温度Ｔ_{ｗ_ｔａｒｇｅｔ}（Ｋ）（例えば、６４７Ｋ）を取得する（ステップＳ１〜ステップＳ７）。

そして、ＥＣＵ４６は、下記式（１）を用いて熱交換器２４に供給する水量Ｍ_{ｗａｔｅｒ}を算出する（ステップＳ８）。

（ｍ_ａｉｒ＋ｍ_ｆｕｅｌ＋ｍ_{ｗａｔｅｒ}）・ｃｐ_ｅｘｔ・（Ｔ_ｅｘｔ−Ｔ_{ｗ＿ｔａｒｇｅｔ}）・η_ｈｘ
＝Ｍ_{ｗａｔｅｒ}・ｃｐ_{ｗａｔｅｒ}・（Ｔ_{ｗ＿ｔａｒｇｅｔ}−Ｔ_{ｗ＿ｉｎｌｅｔ}）・・・（１）

なお、ｃｐ_ｅｘｔは排気ガスの平均定圧比熱（ｋＪ／ｋｇＫ）、η_ｈｘは熱交換器２４の効率、ｃｐ_{ｗａｔｅｒ}は水の定圧比熱（ｋＪ／ｋｇＫ）である。

そして、ＥＣＵ４６は、Ｍ_{ｗａｔｅｒ}＞０であるか否かを判断し（ステップＳ９）、Ｍ_{ｗａｔｅｒ}＞０と判断した場合（ステップＳ９：ＹＥＳ）には、流量制御弁３２をＭ_{ｗａｔｅｒ}に対応した開度に設定し、水を熱交換器２４に供給させる（ステップＳ１０）。

一方、ＥＣＵ４６は、Ｍ_{ｗａｔｅｒ}≦０と判断した場合（ステップＳ９：ＮＯ）には、水をＴ_{ｗ＿ｔａｒｇｅｔ}まで加熱できるだけの排気エネルギが無いので、流量制御弁３２を閉じ、熱交換器２４への水の供給を止めさせる（ステップＳ１１）。

また、図５には、エンジン１２の運転条件に基づいて高温水を噴射させるためのＥＣＵ４６の動作が示されている。

この図に示されるように、ＥＣＵ４６は、クランクポジションセンサ４４から出力された信号に基づいてエンジン１２の回転数を、燃料噴射弁１６の噴射期間から燃料噴射量ｍ_ｆｕｅｌを、エアフローセンサ４２の出力から吸入空気量ｍ_ａｉｒを取得し、エンジン１２の運転条件を取得する（ステップＳ２１〜ステップＳ２３）。

そして、ＥＣＵ４６は、このエンジン１２の運転条件と、場合によっては図示しないスロットルポジションセンサの出力（エンジン１２の負荷情報を取得するのに燃料量及び空気量を使うか、スロットル開度を使うかによる）とから点火時期θ_ｉｇを決定する（ステップＳ２４）。

続いて、ＥＣＵ４６は、上述のエンジン１２の運転条件に対応した点火時期〜３５％燃焼時期までの期間τ_３５を予め記憶したマップから読み出して取得する（ステップＳ２５）。

そして、ＥＣＵ４６は、θ_ｗ＝θ_ｉｇ＋τ_３５の式より高温水の噴射時期θ_ｗを決定し（ステップＳ２６）、この決定した噴射時期θ_ｗで高温水噴射弁４０からシリンダ４８内に高温水を噴射させる（ステップＳ２７）。

このように、本発明の第一実施形態に係るエンジンシステム１０では、エンジン１２のシリンダ４８内に混合気供給部５６から燃料及び空気の混合気が供給され、この混合気が燃焼される。また、この混合気の燃焼が進行しているときに、エンジン１２のシリンダ４８内に高温水噴射弁４０から高温水が噴射される。

ここで、一般的に、高温水のシリンダ４８内への供給タイミングが適切である場合や、シリンダ４８内へ供給する高温水の温度や圧力が適切である場合には、高温水によってシリンダ４８内の圧力が上昇されると共に、高温水によってシリンダ４８内の温度が低下されることでエンジン１２を冷却するための冷却水による熱損失が減少するので、エンジン１２の熱効率が向上される。

しかしながら、高温水のシリンダ４８内への供給タイミングが適切でない場合や、シリンダ４８内へ供給する高温水の温度や圧力が適切でない場合には、エンジン１２の熱効率が低下する可能性がある。

つまり、高温水噴射開始時期の影響について調べた図６の結果より、高温水噴射開始時期を３５％燃焼時期よりも早く設定すると、高温水が供給されないベースとなるエンジンと比較して熱効率が低下する。また、高温水であっても６００Ｋ未満の液相である場合には、高温水が供給されないベースとなるエンジンと比較して熱効率が低下する。

これに対し、本発明の第一実施形態に係るエンジンシステム１０によれば、高温水噴射弁４０からシリンダ４８内に高温水が噴射されるタイミングが３５％燃焼時期に到達した場合とされており、且つ、シリンダ４８内に供給される高温水が６００Ｋ以上の液相又は蒸気圧曲線に対する高温側の気相若しくは臨界圧力以上で臨界温度以上の水とされている。従って、エンジン１２の熱効率を確実に向上させることができる。

そして、本発明の第一実施形態に係るエンジンシステム１０では、シリンダ４８内の燃焼ガス及び高温水は、水蒸気を多く含む排気ガスとしてシリンダ４８内から排気系５４へ排出される。そして、このシリンダ４８内から排出された排気ガスは、排気触媒２２を通過する際にＮｏｘ、ハイドロカーボン、ＣＯなどが浄化された後、熱交換器２４で水と熱交換することで温度が低下され、凝縮器２６で水分が取り除かれる。

また、この凝縮器２６で得られた水は、水タンク２８に一時的に蓄えられた後、水ポンプ３０によって熱交換器２４に圧送され、熱交換器２４で排気ガスにより加熱されて高温水として生成される。そして、この熱交換器２４で生成された高温水は、高温水貯蔵タンク３８に一時的に蓄えられた後、高温水噴射弁４０によってシリンダ４８内に噴射される。

このように、本発明の第一実施形態に係るエンジンシステム１０によれば、シリンダ４８内に噴射された高温水を回収して再利用することができる。

以上、本発明の第一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能であることは勿論である。

例えば、上記実施形態において、エンジンシステム１０は、火花点火式ガソリンエンジンに適用されていたが、火花点火式の希薄燃焼エンジンや、圧縮着火式エンジン（ディーゼルエンジン）や、その他のエンジン（例えば、バイオエタノールエンジン、アルコール混合ガソリンエンジン等）に適用されても良い。また、エンジンシステム１０は、４サイクルエンジンの他に、２サイクルエンジンに適用されても良い。

なお、エンジンシステム１０が火花点火式エンジンに適用された場合、ＥＣＵ４６には、上述のように、エンジン１２の運転条件毎に点火時期から３５％燃焼時期までの期間がマップ化されて記憶され、点火時期から３５％燃焼時期に到達した場合に、高温水噴射弁４０からシリンダ４８内に高温水が噴射される。

一方、エンジンシステム１０が圧縮着火式エンジンに適用された場合、ＥＣＵ４６には、燃料噴射時期から３５％燃焼時期までの期間がマップ化されて記憶され、燃料噴射時期から３５％燃焼時期に到達した場合に、高温水噴射弁４０からシリンダ４８内に高温水が噴射される。

また、上記実施形態では、点火時期から３５％燃焼時期に到達した場合に、高温水噴射弁４０からシリンダ４８内に高温水が噴射される構成とされていたが、点火時期から３５％燃焼時期に到達した場合よりも遅いタイミングで（つまり、３５％以上となる燃焼進行時期に到達した場合に）、高温水噴射弁４０からシリンダ４８内に高温水が噴射される構成とされていても良い。

なお、図６に示されるように、高温水噴射開始時期を５０％燃焼時期（シリンダ４８内で１回の燃焼により発生する熱量のうちシリンダ４８内の作動ガスに供給された熱量がシリンダ４８内の１回の燃焼によってシリンダ４８内の作動ガスに供給される全熱量の５０％となる燃焼進行時期）とすると、エンジン１２の熱効率が最大となる。

また、図７に示されるように、高温水噴射開始時期が３５％燃焼時期から５０％燃焼時期まではトータルハイドロカーボン排出量が増加し、高温水噴射開始時期を５０％燃焼時期とすると、高温水が供給されないベースとなるエンジンと同等のトータルハイドロカーボン排出量となる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について説明する。

本発明の第二実施形態では、エンジンシステムの基本的な構成は上述の本発明の第一実施形態と同一とされているが、ＥＣＵ４６が次の動作を追加で行うように構成されている。なお、エンジンシステムの全体構成については、図１を参照することとする。

ここで、図８には、ＥＣＵ４６による高温水の噴射時期を補正する動作が示されている。

この図に示されるように、ＥＣＵ４６は、クランクポジションセンサ４４から出力された信号に基づいてエンジン１２の回転数を取得し（ステップＳ３１）、出力軸の１回転毎の回転変動Ｎ（＝瞬時出力軸回転数の標準偏差／平均出力軸回転数）を算出する（ステップＳ３２）。

続いて、ＥＣＵ４６は、予め設定された出力軸の回転変動に対する上限値Ｎ_{ｌｉｍｉｔ}を取得し（ステップＳ３３）、上述の出力軸の１回転毎の回転変動Ｎが上限値Ｎ_{ｌｉｍｉｔ}以下であるか否かを判断する（ステップＳ３４）。

そして、ＥＣＵ４６は、上述の出力軸の１回転毎の回転変動Ｎが上限値Ｎ_{ｌｉｍｉｔ}以下であると判断した場合（ステップＳ３４：ＹＥＳ）には、一連の処理を終了する。

一方、出力軸の回転変動が増加したということはシリンダ４８内への高温水の噴射によりエンジン１２の燃焼状態が悪化したということなので、ＥＣＵ４６は、上述の出力軸の１回転毎の回転変動Ｎが上限値Ｎ_{ｌｉｍｉｔ}を上回ったと判断した場合（ステップＳ３４：ＮＯ）には、高温水の噴射時期を前サイクルよりも１ｄｅｇ．ＣＡ遅らせる（ステップＳ３５）。

そして、ＥＣＵ４６は、上述の出力軸の１回転毎の回転変動Ｎが上限値Ｎ_{ｌｉｍｉｔ}以下となるまで、上述のステップＳ３１〜ステップＳ３５の処理を繰り返し行う。

このように、本発明の第二実施形態によれば、エンジン１２の燃焼状態が予め定められた基準状態に対して悪化した場合には、高温水噴射弁４０からシリンダ４８内への高温水の供給時期が３５％燃焼時期から徐々に遅らされるので、エンジン１２の燃焼状態の悪化を改善することができる。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について説明する。

図９には、本発明の第三実施形態に係るエンジンシステム６０の全体構成が示されている。本発明の第三実施形態に係るエンジンシステム６０は、上述の本発明の第一実施形態に係るエンジンシステム１０に第二の排気温度センサ６２が追加されたものである。

すなわち、本発明の第三実施形態に係るエンジンシステム６０において、第二の排気温度センサ６２は、排気系５４における排気触媒２２に対する上流側に配置されて、排気系５４の排気温度に応じた信号をＥＣＵ４６に出力する構成とされている。

また、本発明の第三実施形態に係るエンジンシステム６０において、ＥＣＵ４６は、次の動作を追加で行うように構成されている。

ここで、図１０には、ＥＣＵ４６による高温水の噴射時期を補正する動作が示されている。

この図に示されるように、ＥＣＵ４６は、第二の排気温度センサ６２から出力された信号に基づいて排気系５４の排気温度Ｔを取得する（ステップＳ４１）。

そして、ＥＣＵ４６は、クランクポジションセンサ４４から出力された信号に基づいてエンジン１２の回転数を、燃料噴射弁１６の噴射期間から燃料噴射量ｍ_ｆｕｅｌを、エアフローセンサ４２の出力から吸入空気量ｍ_ａｉｒを、図示しないメモリから前サイクルの点火時期を取得し、エンジン１２の運転条件を取得する（ステップＳ４２〜ステップＳ４５）。

続いて、ＥＣＵ４６は、予め設定されたエンジン１２の運転条件毎の排気系５４の排気温度の下限値Ｎ_{ｌｉｍｉｔ}を取得し（ステップＳ４６）、上述の排気系５４の排気温度Ｔが下限値Ｔ_{ｌｉｍｉｔ}以上であるか否かを判断する（ステップＳ４７）。

そして、ＥＣＵ４６は、上述の排気系５４の排気温度Ｔが下限値Ｔ_{ｌｉｍｉｔ}以上であると判断した場合（ステップＳ４７：ＹＥＳ）には、一連の処理を終了する。

一方、排気系５４の排気温度Ｔが低下したということはシリンダ４８内への高温水の噴射によりエンジン１２の燃焼状態が悪化したということなので、ＥＣＵ４６は、上述の排気系５４の排気温度Ｔが下限値Ｔ_{ｌｉｍｉｔ}を下回ったと判断した場合（ステップＳ４７：ＮＯ）には、高温水の噴射時期を前サイクルよりも１ｄｅｇ．ＣＡ遅らせる（ステップＳ４８）。

そして、ＥＣＵ４６は、上述の排気系５４の排気温度Ｔが下限値Ｔ_{ｌｉｍｉｔ}以上となるまで、上述のステップＳ４１〜ステップＳ４８の処理を繰り返し行う。

このように、本発明の第三実施形態によっても、エンジン１２の燃焼状態が予め定められた基準状態に対して悪化した場合には、高温水噴射弁４０からシリンダ４８内への高温水の供給時期が３５％燃焼時期から徐々に遅らされるので、エンジン１２の燃焼状態の悪化を改善することができる。

［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態について説明する。

図１１には、本発明の第四実施形態に係るエンジンシステム７０の全体構成が示されている。本発明の第四実施形態に係るエンジンシステム７０は、上述の本発明の第一実施形態に係るエンジンシステム１０に酸素濃度センサ７２（Ｏ_２センサ）が追加されたものである。

すなわち、本発明の第四実施形態に係るエンジンシステム７０において、酸素濃度センサ７２は、排気系５４における排気触媒２２に対する上流側に配置されて、排気系５４を流れる排気ガス中の酸素濃度に応じた信号をＥＣＵ４６に出力する構成とされている。

また、本発明の第四実施形態に係るエンジンシステム７０において、ＥＣＵ４６は、次の動作を追加で行うように構成されている。

ここで、図１２には、ＥＣＵ４６による高温水の噴射時期を補正する動作が示されている。

この図に示されるように、ＥＣＵ４６は、酸素濃度センサ７２から出力された信号に基づいて排気系５４を流れる排気ガス中の酸素濃度Ｖを取得する（ステップＳ５１）。

そして、ＥＣＵ４６は、クランクポジションセンサ４４から出力された信号に基づいてエンジン１２の回転数を、燃料噴射弁１６の噴射期間から燃料噴射量ｍ_ｆｕｅｌを、エアフローセンサ４２の出力から吸入空気量ｍ_ａｉｒを、図示しないメモリから前サイクルの点火時期を取得し、エンジン１２の運転条件を取得する（ステップＳ５２〜ステップＳ５５）。

続いて、ＥＣＵ４６は、予め設定されたエンジン１２の運転条件毎の排気系５４を流れる排気ガス中の酸素濃度の上限値Ｖ_{ｌｉｍｉｔ}を取得し（ステップＳ５６）、上述の排気系５４を流れる排気ガス中の酸素濃度Ｖが上限値Ｖ_{ｌｉｍｉｔ}以下であるか否かを判断する（ステップＳ５７）。

そして、ＥＣＵ４６は、上述の排気系５４を流れる排気ガス中の酸素濃度Ｖが上限値Ｖ_{ｌｉｍｉｔ}以下であると判断した場合（ステップＳ５７：ＹＥＳ）には、一連の処理を終了する。

一方、排気系５４を流れる排気ガス中の酸素濃度Ｖが増加したということはシリンダ４８内への高温水の噴射によりエンジン１２の燃焼状態が悪化したということなので、ＥＣＵ４６は、上述の排気系５４を流れる排気ガス中の酸素濃度Ｖが上限値Ｖ_{ｌｉｍｉｔ}を上回ったと判断した場合（ステップＳ５７：ＮＯ）には、高温水の噴射時期を前サイクルよりも１ｄｅｇ．ＣＡ遅らせる（ステップＳ５８）。

そして、ＥＣＵ４６は、上述の排気系５４を流れる排気ガス中の酸素濃度Ｖが上限値Ｖ_{ｌｉｍｉｔ}以下となるまで、上述のステップＳ５１〜ステップＳ５８の処理を繰り返し行う。

このように、本発明の第四実施形態によっても、エンジン１２の燃焼状態が予め定められた基準状態に対して悪化した場合には、高温水噴射弁４０からシリンダ４８内への高温水の供給時期が３５％燃焼時期から徐々に遅らされるので、エンジン１２の燃焼状態の悪化を改善することができる。

［第五実施形態］
次に、本発明の第五実施形態について説明する。

図１３には、本発明の第五実施形態に係るエンジンシステム８０の全体構成が示されている。本発明の第五実施形態に係るエンジンシステム８０は、上述の本発明の第三及び第四実施形態に係るエンジンシステム６０，７０に対し、排気触媒２２の代わりに三元触媒８２が備えられたものである。

また、本発明の第五実施形態に係るエンジンシステム８０において、ＥＣＵ４６は、燃料噴射弁１６から噴射される燃料としてのガソリンと吸気系５２を流れる空気との混合比が量論混合比となるように燃料噴射弁１６を制御する構成とされている。

図１４には、２２ＭＰａ、６４７Ｋの超臨界水からなる高温水を、量論混合比で運転されるガソリンエンジンのシリンダ４８内に噴射したときの正味熱効率が示されている。なお、ここでは、上述の超臨界水からなる高温水を５０％燃焼時期に噴射すると共に、その噴射量を変化させている。この図に示されるように、高温水噴射量／燃料噴射量が増加するほど、正味熱効率が増加する。

このように、量論混合比で運転されるガソリンエンジン（ストイキガソリンエンジン）は、火花点火式希薄燃焼エンジンやディーゼルエンジンに比して燃焼熱が有効仕事に変換されずに排気温度が高くなるので、熱交換器２４にて高温水を生成する際に有利となり、この結果、正味熱効率を増加させることができる。また、シリンダ４８内から排出された排気ガスについては三元触媒８２で浄化することができる。

本発明の第一実施形態に係るエンジンシステムの全体構成を示す図である。水の相図である。エンジンの運転条件（トルク）と点火時期から３５％燃焼時期との関係を示す図である。高温水の生成量を決定するためのＥＣＵの動作を示す図である。エンジンの運転条件に基づいて高温水を噴射させるためのＥＣＵの動作を示す図である。高温水噴射時期と正味熱効率との関係を示す図である。高温水噴射時期とＴＨＣ比との関係を示す図である。ＥＣＵによる高温水の噴射時期を補正する動作を示す図である。本発明の第三実施形態に係るエンジンシステムの全体構成を示す図である。ＥＣＵによる高温水の噴射時期を補正する動作を示す図である。本発明の第四実施形態に係るエンジンシステムの全体構成を示す図である。ＥＣＵによる高温水の噴射時期を補正する動作を示す図である。本発明の第五実施形態に係るエンジンシステムの全体構成を示す図である。高温水噴射量／燃料噴射量と正味熱効率との関係を示す図である。

符号の説明

１０，６０，７０，８０エンジンシステム
１２エンジン
２４熱交換器
２６凝縮器
３０水ポンプ
４０高温水噴射弁
４６ＥＣＵ（制御部）
５４排気系
５６混合気供給部
５８高温水供給部
８２三元触媒

Claims

シリンダを有するエンジンと、
前記シリンダ内に燃料及び空気の混合気を供給するための混合気供給部と、
前記シリンダ内に６００Ｋ以上の液相又は蒸気圧曲線に対する高温側の気相若しくは臨界圧力以上で臨界温度以上の水からなる高温水を供給するための高温水供給部と、
前記シリンダ内で１回の燃焼により発生する熱量のうち前記シリンダ内の作動ガスに供給された熱量が前記シリンダ内の１回の燃焼によって前記シリンダ内の作動ガスに供給される全熱量の３５％以上となる燃焼進行時期に到達した場合に、前記高温水供給部から前記シリンダ内に前記高温水を供給させる制御部と、
を備えたエンジンシステム。
前記制御部は、前記エンジンの燃焼状態が予め定められた基準状態に対して悪化した場合に、前記高温水供給部から前記シリンダ内への前記高温水の供給時期を前記燃焼進行時期に対して遅らせる、
請求項１に記載のエンジンシステム。
前記高温水供給部は、
前記エンジンの排気系に設けられた熱交換器と、
前記排気系における前記熱交換器に対する下流側に設けられた凝縮器と、
前記凝縮器によって得られた水を前記熱交換器に圧送する水ポンプと、
前記熱交換器によって生成された前記高温水を前記シリンダ内に噴射する高温水噴射弁と、
を有する、
請求項１又は請求項２に記載のエンジンシステム。
前記エンジンは、火花点火式エンジンとされ、
前記制御部は、前記燃料と前記空気との混合比が量論混合比となるように前記混合気供給部を制御し、
前記エンジンの排気系には、三元触媒が設けられている、
請求項３に記載のエンジンシステム。
エンジンのシリンダ内で１回の燃焼により発生する熱量のうち前記シリンダ内の作動ガスに供給された熱量が前記シリンダ内の１回の燃焼で前記シリンダ内の作動ガスに供給される全熱量の３５％以上となる燃焼進行時期に到達した場合に、前記シリンダ内に６００Ｋ以上の液相又は蒸気圧曲線に対する高温側の気相若しくは臨界圧力以上で臨界温度以上の水からなる高温水を供給するエンジンの運転方法。
前記エンジンの燃焼状態が予め定められた基準状態に対して悪化した場合に、前記シリンダ内への前記高温水の供給時期を前記燃焼進行時期に対して遅らせる、
請求項５に記載のエンジンの運転方法。