JP2010248988A - 水噴射装置付きエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンを構成する部品に対して、潤滑能力の低下を抑制することができる水噴射装置付きエンジンを提供すること。
【解決手段】水噴射装置付きエンジン１−１では、吸気経路１０２内に噴射した水が燃焼室１０１内に供給され、燃焼室１０１の内周面に形成された油膜に付着した後、オイル経路１２に入り込んでしまっても、オイル経路１２に配置されている油水分離装置１３により、オイル経路１２を流動するオイルから水が分離される。このため、エンジン１０を構成する部品に対して供給されるオイルの粘度の低下を抑制することができる。したがって、エンジン１０を構成する部品に対して、潤滑能力の低下を抑制することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水噴射装置により貯留タンクに貯留されている水が燃焼室内あるいは燃焼室に接続されている吸気経路内に噴射される水噴射装置付きエンジンに関するものである。

従来より、エミッションの悪化を抑制したり、ノッキングの発生を抑制したりするために、エンジンの燃焼室内あるいは燃焼室に接続されている吸気経路内に水を噴射する水噴射装置を備えたエンジン、すなわち、水噴射装置付きエンジンが提案されている。水噴射装置付きエンジンでは、噴射した水を回収するために、冷却装置により排気ガスを冷却することで、排気ガスから水分を凝縮させ、タンクに回収するものが提案されている（特許文献１、２）。

また、オイルに含まれる燃料や水分などの不純物を分離する装置である不純物分離装置が提案されている。例えば、不純物分離装置として、オイル分子を透過させず、なおかつ、燃料分子を透過させるフィルタにより、オイルに含まれる燃料を除去するものが提案されている（特許文献３）。また、例えば、不純物分離装置として、オイル貯留部内の下部に、水を貯留する空間である水貯留部を設けておき、水の比重がオイルの比重よりも大きいことを利用して、オイルに混ざっている水を水貯留部に貯留させ、これにより、オイルと水とを分離するものが提案されている（特許文献４）。

特開平５−１０１１５号公報 特開２００８−１７５１２７号公報 特開２００８−２８０９８６号公報 特開２００３−３０７１０８号公報

ところで、燃焼室内では、シリンダとピストンとの間に供給されたオイルによりシリンダの内周面に油膜が形成される。この油膜を形成するオイルは、シリンダおよびピストンの下方に設けられているクランク室に落下し、例えばオイル貯留部に貯留されるので、水噴射装置付きエンジンでは、燃焼室内あるいは吸気経路内に噴射した水がこの油膜に付着すると、この油膜を形成するオイルが水と混ざった状態で、例えばオイル貯留部に貯留される虞がある。このため、オイルに水が入り込んでしまうと、水が混ざっているオイルでエンジンを構成する部品を潤滑することになり、潤滑能力が低下してしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、エンジンを構成する部品に対して、潤滑能力の低下を抑制することができる水噴射装置付きエンジンを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る水噴射装置付きエンジンは、水が貯留されている貯留タンクと、前記貯留されている水を、燃焼室内あるいは前記燃焼室に接続されている吸気経路内に噴射する噴射手段とから構成される水噴射装置を備える水噴射装置付きエンジンであって、少なくとも前記燃焼室を構成するシリンダとピストンとの間にオイルポンプによりオイルを供給し、当該オイルを循環させるオイル経路と、前記オイル経路に配置され、前記オイルに含まれる水を分離する分離手段と、前記分離された水を回収する回収手段と、を備えることを特徴としている。

また、本発明に係る水噴射装置付きエンジンにおいて、前記回収手段は、前記貯留タンクと別体とされた回収タンクを有する、ことが好ましい。

本発明では、エンジンを構成する部品に対して、潤滑能力の低下を抑制することができるという効果を奏する。

以下に、本発明に係る水噴射装置付きエンジンの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の各実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

〔実施の形態１〕
以下、実施の形態１に係る水噴射装置付きエンジンについて説明する。図１は、実施の形態１に係る水噴射装置付きエンジンの概略を示す模式図である。また、図２は、水噴射装置付きエンジンの主要部を示す断面図である。水噴射装置付きエンジン１−１は、エミッションの悪化を抑制したり、ノッキングの発生を抑制したりするために、エンジン１０の燃焼室１０１内あるいは燃焼室１０１に接続されている吸気経路１０２内に水を噴射する水噴射装置１１を、エンジン１０に備えたものである。水噴射装置付きエンジン１−１は、エンジン１０と、水噴射装置１１と、オイル経路１２と、油水分離装置１３と、回収装置１４と、ＥＣＵ１５とを備えている。

エンジン１０は、図示しない駆動輪に伝達する駆動力を発生するものである。なお、図１において、符号１０１ａは、燃料インジェクタを示しており、符号１０１ｂは、燃料インジェクタ１０１ａと接続されている燃料タンクを示している。また、図１において、符号１０２ａは、メイン吸気経路を示しており、符号１０２ｂは、メイン吸気経路１０２ａの途中に設けられたエアクリーナを示しており、符号１０２ｃは、エアクリーナ１０２ｂよりも燃焼室１０１側でメイン吸気経路１０２ａ内に設けられたスロットルバルブを示しており、符号１０２ｄは、メイン吸気経路１０２ａと燃焼室１０１との間に介在するインテークマニホールドを示している。

水噴射装置１１は、貯留タンク１１１と、水インジェクタ１１２とから構成されている。貯留タンク１１１は、水が貯留されているタンクである。貯留タンク１１１には、予め外部から供給された水が貯留されている。水インジェクタ１１２は、噴射手段である。水インジェクタ１１２は、水を加圧するポンプである図示しない第１加圧ポンプを介して貯留タンク１１１と接続されており、この第１加圧ポンプにより、水インジェクタ１１２は、貯留タンク１１１に貯留されている水を、燃焼室１０１内あるいは燃焼室１０１に接続されている吸気経路１０２内に噴射するものである。実施の形態１では、水インジェクタ１１２は、インテークマニホールド１０２ｄの各分岐経路に対して１個ずつ配置されている。なお、水インジェクタ１１２は、各燃焼室１０１に１個ずつ配置されていてもよい。

オイル経路１２は、少なくとも燃焼室１０１を構成するシリンダとピストンとの間にオイルポンプ１２１によりオイルを供給し、この供給したオイルを循環させるものである。

オイルポンプ１２１は、エンジン１０で発生する駆動力により駆動する。実施の形態１では、オイルポンプ１２１のオイルを吸引する側である吸引側は、オイルパンに接続されている。実施の形態１では、このオイルパンは、燃焼室１０１を構成するシリンダとピストンとの下方に設けられているクランク室の下部に配置されている。このため、オイルが燃焼室１０１を構成するシリンダとピストンとの間に供給されると、シリンダとピストンとの間に供給されたオイルは、クランク室に落下して、オイルパンに貯留され、さらに、駆動しているオイルポンプ１２１により吸引されることとなる。

また、オイルポンプ１２１のオイルを吐出する側である吐出側は、油水分離装置１３を介して、オイルフィルタ１２２に接続されている。このオイルフィルタ１２２は、オイルから異物を除去するものである。また、オイルフィルタ１２２の油水分離装置１３と反対側は、エンジン１０の内部の潤滑部や冷却部と接続されている。潤滑部は、エンジン１０の内部のうちオイルにより潤滑される部分であり、冷却部は、エンジン１０の内部のうちオイルにより冷却される部分である。オイルポンプ１２１により加圧されたオイルは、エンジン１０の内部において、少なくとも燃焼室１０１を構成するシリンダとピストンとの間に供給される。

つまり、オイル経路１２は、オイルポンプ１２１が駆動すると、オイルポンプ１２１により少なくとも燃焼室１０１を構成するシリンダとピストンとの間にオイルを供給するとともに、これらのシリンダとピストンとの間に供給された後にクランク室に落下して、オイルパンに貯留されたオイルを、オイルポンプ１２１により吸引する。すなわち、オイル経路１２は、オイルポンプ１２１によりオイルを循環させるものである。

油水分離装置１３は、分離手段である。油水分離装置１３は、オイル経路１２に配置されており、オイルに含まれる水を分離するものである。

ここで、油水分離装置１３は、分離フィルタ１３１を備えている。分離フィルタ１３１は、水を透過させ、なおかつ、オイルを透過させないフィルタである。油水分離装置１３の内部では、分離フィルタ１３１により、オイルが流動する領域であるオイル流動領域と、水が流動する領域である水流動領域とが区画されている。実施の形態１では、油水分離装置１３の内部において、分離フィルタ１３１は、例えば、チューブ状とされており、その内部がオイル流動領域とされている。そして、実施の形態１では、油水分離装置１３の内部において、分離フィルタ１３１に対して、外部が水流動領域とされている。オイル流動領域のオイルが供給される側である供給側は、オイルポンプ１２１に接続されており、オイル流動領域のオイルが吐出される側である吐出側は、オイルフィルタ１２２に接続されている。これにより、実施の形態１では、分離フィルタ１３１は、オイルポンプ１２１により加圧されたオイルがオイル流動領域に供給されると、このオイルの圧力により水のみを透過させ、分離フィルタ１３１に対して外部の水流動領域に排出する一方、オイルをオイルフィルタ１２２に供給する。つまり、油水分離装置１３の分離フィルタ１３１は、オイルポンプ１２１から供給されたオイルの圧力によりオイルと水とを分離する。すなわち、この油水分離装置１３により、オイルポンプ１２１から供給されたオイルに混ざっている水が分離される。

回収装置１４は、回収手段である。回収装置１４は、油水分離装置１３により分離された水を回収するものである。実施の形態１では、回収装置１４は、油水分離装置１３により分離された水の経路である回収水経路１４１と、回収水経路１４１に配置された回収水ポンプ１４２とから構成されている。実施の形態１では、回収水経路１４１は、油水分離装置１３の水流動領域と貯留タンク１１１とを接続しており、油水分離装置１３により分離された水は、回収水ポンプ１４２により貯留タンク１１１に供給される。つまり、実施の形態１では、回収装置１４は、油水分離装置１３により分離された水を貯留タンク１１１に戻す。

ＥＣＵ１５は、各燃料インジェクタ１０１ａおよび各水インジェクタ１１２の駆動を制御するものである。ＥＣＵ１５は、エンジンＥＣＵであり、電気的な指示を各燃料インジェクタ１０１ａおよび各水インジェクタ１１２毎に出力して、各燃料インジェクタ１０１ａにより各燃焼室１０１内に単位時間あたりに噴射される燃料の量と、各水インジェクタ１１２により吸気経路１０２を介して各燃焼室１０１に単位時間あたりに供給される水の量とを制御する。

次に、実施の形態１の水噴射装置付きエンジン１−１の動作について説明する。

水噴射装置付きエンジン１−１において、エンジン１０が高速運転状態あるいは高負荷運転状態である場合において、エミッションの悪化やノッキングの発生を抑制すべき状態となったときには、ＥＣＵ１５は、水インジェクタ１１２を駆動させ、貯留タンク１１１に貯留されている水を吸気経路１０２内に噴射する。つまり、ＥＣＵ１５は、水インジェクタ１１２により貯留タンク１１１に貯留されている水を噴射させることで、燃焼室１０１内に水を供給する。水が供給された燃焼室１０１では、供給された水の気化潜熱により燃焼室１０１内の温度上昇が抑制され、これにより、エミッションの悪化やノッキングの発生が抑制される。

ここで、水噴射装置付きエンジン１−１では、吸気経路１０２内に噴射された水は、燃焼室１０１内に供給されると、燃焼室１０１を構成するシリンダの内周面に形成された油膜に付着し、この油膜を形成しているオイルとともにクランク室に落下してオイルパンに貯留される虞がある。つまり、吸気経路１０２内に噴射された水は、オイル経路１２に入り込んでしまう虞がある。しかし、水がオイル経路１２に入り込んでしまった場合、オイルに混ざった水は、オイルが循環する方向にオイルと共に流動するが、オイル経路１２に配置されている油水分離装置１３により、オイルに含まれる水が分離される。オイルから分離された水は、オイル経路１２ではなく、回収水ポンプ１４２により回収水経路１４１を経て貯留タンク１１１に貯留される。

一方、分離フィルタ１３１により水が減少したオイルは、オイルフィルタ１２２を経て、エンジン１０の内部の潤滑部や冷却部に供給される。

つまり、水噴射装置付きエンジン１−１では、水噴射装置１１による水噴射を繰り返し行うことで、オイル経路１２を循環しているオイルに対し、混ざる水の量が増大したとしても、エンジン１０の内部の潤滑部や冷却部にオイルを供給する前の段階で、油水分離装置１３によりオイルに含まれる水が分離されることとなる。このため、エンジン１０の内部の潤滑部や冷却部には、水が減少したオイルが繰り返し供給されることとなる。これにより、水噴射装置付きエンジン１−１は、オイル経路１２を循環しているオイルに対し、混ざる水の量が増大し、このオイルの粘度が低下することで、エンジン１０の内部の潤滑部に対して、潤滑能力が低下してしまうことを抑制することができる。

以上説明したように、水噴射装置付きエンジン１−１は、オイルに混ざっている水を減少させるので、オイルの粘度の低下を抑制することができる。このため、水噴射装置付きエンジン１−１は、エンジン１０を構成する部品に対して、潤滑能力の低下を抑制することができる。

また、水噴射装置付きエンジン１−１は、油水分離装置１３によりオイルから分離した水を回収装置１４により貯留タンク１１１に回収し、水インジェクタ１１２による吸気経路１０２内への噴射に再利用するので、エンジン１０の所定駆動時間に対し、外部から供給され貯留タンク１１１に貯留した水の使用量を減少させることができる。またこのため、水噴射装置付きエンジン１−１は、エンジン１０の所定駆動時間に対し、貯留タンク１１１への水の補充量を減少させることができる。

〔実施の形態２〕
次に、実施の形態２に係る動力伝達装置について説明する。図３は、実施の形態２に係る水噴射装置付きエンジンの概略を示す模式図である。実施の形態２に係る水噴射装置付きエンジン１−２は、油水分離装置１３によりオイルから分離した水を、貯留タンク１１１と別体とされたタンクに貯留するものである。ここで、実施の形態２に係る水噴射装置付きエンジンにおいて、実施の形態１に係る水噴射装置付きエンジンと構成が同一である箇所には、同一符号を付して、その説明を省略する。

実施の形態２では、水インジェクタ１１２は、貯留インジェクタ１１２ａと、回収インジェクタ１１２ｂとから構成されている。回収インジェクタ１１２ｂは、オイル経路１２から回収した水を加圧するポンプである図示しない第２加圧ポンプを介して後述の回収タンク１４３と接続されており、この第２加圧ポンプにより、回収インジェクタ１１２ｂは、回収タンク１４３に貯留されている水を、燃焼室１０１内あるいは燃焼室１０１に接続されている吸気経路１０２内に噴射するものである。実施の形態２では、貯留インジェクタ１１２ａは、インテークマニホールド１０２ｄの各分岐経路に対して１個ずつ配置されており、回収インジェクタ１１２ｂは、メイン吸気経路１０２ａに対して１個配置されている。なお、貯留インジェクタ１１２ａおよび回収インジェクタ１１２ｂは、各燃焼室１０１に対して１個ずつ配置されていてもよい。

実施の形態２では、回収装置１４は、貯留タンク１１１と別体とされたタンクである回収タンク１４３をさらに有している。つまり、実施の形態２では、回収装置１４は、回収水経路１４１と、回収水ポンプ１４２と、回収タンク１４３とから構成されている。実施の形態２では、回収水経路１４１は、油水分離装置１３の水流動領域と回収タンク１４３とを接続しており、油水分離装置１３により分離された水は、回収水ポンプ１４２により回収タンク１４３に供給される。つまり、実施の形態２では、回収装置１４は、油水分離装置１３により分離された水を貯留タンク１１１へ戻さずに、回収タンク１４３に供給する。また、実施の形態２では、回収タンク１４３に図示しない水量センサが設けられている。この水量センサは、ＥＣＵ１５に接続されており、回収タンク１４３の水量の検出結果をＥＣＵ１５に出力する。

図４は、水噴射装置付きエンジン１−２の動作のフローチャートを示す図である。エンジン１０が駆動すると、ＥＣＵ１５は、水噴射実行中であるか否かを判断する（ステップＳ１００）。つまり、ＥＣＵ１５は、水インジェクタ１１２が駆動しているか否かを判断する。

次に、ＥＣＵ１５は、水噴射実行中でないと判断すると（ステップＳ１００否定）、水インジェクタ１１２の駆動制御を終了する。つまり、ＥＣＵ１５は、水インジェクタ１１２が駆動していないと判断すると、水インジェクタ１１２の駆動制御を行う必要がないため、水インジェクタ１１２の駆動制御を終了する。なお、ＥＣＵ１５は、水インジェクタ１１２の駆動制御を終了した後も、エンジン１０が駆動している場合には、直ちに水インジェクタ１１２の駆動制御を再開する（リターン）。

また、ＥＣＵ１５は、水噴射実行中であると判断すると（ステップＳ１００肯定）、回収タンク１４３の水量を検出する（ステップＳ１０１）。つまり、ＥＣＵ１５は、水インジェクタ１１２が駆動していると判断すると、回収タンク１４３に設けられている水量センサの検出結果に基づいて、回収タンク１４３の水量を検出する。

次に、ＥＣＵ１５は、回収タンク１４３の水量が基準値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１０２）。ここで、例えば、回収タンク１４３の水量の基準値が回収インジェクタ１１２ｂにより回収タンク１４３に貯留されている水を連続的に噴射可能な水量の下限に設定されている場合には、ＥＣＵ１５は、回収タンク１４３の水量が回収インジェクタ１１２ｂにより連続的に噴射可能な水量に達しているか否かを判断することとなる。また、例えば、回収タンク１４３の水量の基準値が回収タンク１４３に貯留可能な水量の上限に設定されている場合には、ＥＣＵ１５は、油水分離装置１３により分離された水が回収タンク１４３に貯留できなくなったか否かを判断することとなる。

次に、ＥＣＵ１５は、回収タンク１４３の水量が基準値以上でないと判断すると（ステップＳ１０２否定）、水インジェクタ１１２の駆動制御を終了する。つまり、ＥＣＵ１５は、回収インジェクタ１１２ｂによる水の噴射が不要であると判断すると、水インジェクタ１１２の駆動制御を終了する。なお、ＥＣＵ１５は、水インジェクタ１１２の駆動制御を終了した後も、エンジン１０が駆動している場合には、直ちに水インジェクタ１１２の駆動制御を再開する（リターン）。

次に、ＥＣＵ１５は、水噴射実行中であるか否かを判断する（ステップＳ１００）。

次に、ＥＣＵ１５は、水噴射実行中であると判断すると（ステップＳ１００肯定）、回収タンク１４３の水量を検出する（ステップＳ１０１）。

次に、ＥＣＵ１５は、回収タンク１４３の水量が基準値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１０２）。

次に、ＥＣＵ１５は、回収タンク１４３の水量が基準値以上であると判断すると（ステップＳ１０２肯定）、貯留インジェクタ１１２ａと回収インジェクタ１１２ｂとの噴射比率を計算する（ステップＳ１０３）。つまり、ＥＣＵ１５は、回収インジェクタ１１２ｂによる水の噴射量を０から所定量に変更するとともに、貯留インジェクタ１１２ａによる水の噴射量を減少させ、貯留インジェクタ１１２ａによる水の噴射量と、回収インジェクタ１１２ｂによる水の噴射量との総和が燃焼室１０１内に供給するのに過剰な量とならないようにする。

次に、ＥＣＵ１５は、貯留インジェクタ１１２ａと回収インジェクタ１１２ｂとの駆動を制御する（ステップＳ１０４）。つまり、ＥＣＵ１５は、ステップＳ１０３で設定した噴射比率に基づいて、貯留インジェクタ１１２ａにより貯留タンク１１１に貯留されている水を噴射させるとともに、回収インジェクタ１１２ｂにより回収タンク１４３に貯留されている水を噴射させる。

以上説明したように、水噴射装置付きエンジン１−２は、外部から供給された水を貯留タンク１１１に貯留し、なおかつ、油水分離装置１３によりオイルから分離した水を貯留タンク１１１と別体の回収タンク１４３に貯留するので、貯留タンク１１１に貯留されている水を、不純物が混入していない状態に維持できる。つまり、水噴射装置付きエンジン１−２は、貯留タンク１１１に貯留されている水の品質を、外部から供給されて貯留タンク１１１に貯留したときの水の状態に維持できる。

また、水噴射装置付きエンジン１−２は、油水分離装置１３によりオイルから分離した水を回収装置１４により回収し、水インジェクタ１１２による吸気経路１０２内への噴射に再利用するので、エンジン１０の所定駆動時間に対し、外部から供給され貯留タンク１１１に貯留した水の使用量を減少させることができる。またこのため、水噴射装置付きエンジン１−２は、エンジン１０の所定駆動時間に対し、貯留タンク１１１への水の補充量を減少させることができる。この点は、実施の形態１と同様である。

また、水噴射装置付きエンジン１−２は、貯留インジェクタ１１２ａによる水の噴射量と、回収インジェクタ１１２ｂによる水の噴射量との総和が燃焼室１０１内に供給するのに過剰な量とならないように、貯留インジェクタ１１２ａによる水の噴射量と、回収インジェクタ１１２ｂによる水の噴射量とを調整するので、貯留インジェクタ１１２ａおよび回収インジェクタ１１２ｂによる水の過剰噴射を防止することができる。

また、水噴射装置付きエンジン１−２は、貯留インジェクタ１１２ａによる水噴射の実行中において、回収タンク１４３の水量が基準値以上になった場合に、回収インジェクタ１１２ｂによる水噴射を実行するので、回収タンク１４３が満水となることを抑制することができる。つまり、水噴射装置付きエンジン１−２は、回収タンク１４３に水を貯留できなくなることを防止できる。

以上のように、本発明に係る水噴射装置付きエンジンは、エミッションの悪化の抑制やノッキングの発生の抑制が要求されるエンジンとして有用であり、特に、エンジンを構成する部品に対して、潤滑能力の低下の抑制が要求されるエンジンとして有用である。

図１は、実施の形態１に係る水噴射装置付きエンジンの概略を示す模式図である。 図２は、水噴射装置付きエンジンの主要部を示す断面図である。 図３は、実施の形態２に係る水噴射装置付きエンジンの概略を示す模式図である。 図４は、水噴射装置付きエンジンの動作のフローチャートを示す図である。

１−１、１−２ 水噴射装置付きエンジン
１０１ 燃焼室
１０２ 吸気経路
１１ 水噴射装置
１１１ 貯留タンク
１１２ 水インジェクタ（噴射手段）
１２ オイル経路
１２１ オイルポンプ
１３ 油水分離装置（分離手段）
１４ 回収装置（回収手段）
１４１ 回収水経路
１４２ 回収水ポンプ
１４３ 回収タンク

Claims (2)

1. 水が貯留されている貯留タンクと、前記貯留されている水を、燃焼室内あるいは前記燃焼室に接続されている吸気経路内に噴射する噴射手段とから構成される水噴射装置を備える水噴射装置付きエンジンであって、
   少なくとも前記燃焼室を構成するシリンダとピストンとの間にオイルポンプによりオイルを供給し、当該オイルを循環させるオイル経路と、
   前記オイル経路に配置され、前記オイルに含まれる水を分離する分離手段と、
   前記分離された水を回収する回収手段と、
   を備えることを特徴とする水噴射装置付きエンジン。
2. 前記回収手段は、前記貯留タンクと別体とされた回収タンクを有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の水噴射装置付きエンジン。

Images