JP2012225214A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射弁から噴射された燃料と空気とが混合した混合気の温度を下げ、噴射された燃料の着火遅れを十分に確保することにより、ＰＭの生成を低減する内燃機関を提供する。
【解決手段】液体噴射弁１３は、燃料噴射弁１２から噴射された燃料が燃焼室１８に形成した燃料の噴霧６０に向けて水を噴射する。燃料の噴霧６０に向けて水を噴射することにより、燃料の噴霧６０は噴射された水によって冷却される。そのため、燃料の燃焼によって生じた燃焼ガスの温度の上昇は抑えられる。その結果、燃料噴射期間中における着火遅れが十分に確保され、燃料噴霧６０の燃焼領域から混合領域への火炎の拡大が妨げられる。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関に関する。

燃焼室へ燃料を直接噴射する内燃機関の場合、燃料噴射弁から噴射された燃料は、圧縮によって高温となった空気と触れることにより燃焼する。内燃機関の負荷が大きいとき、噴射された燃料は拡散燃焼を主として燃焼する。しかし、燃料の噴射からの時間の経過とともに燃料の燃焼によって生成した燃焼ガスの温度は上昇する。そのため、噴射された燃料は、空気との混合時間が十分に確保できないまま着火する（特許文献１参照）。その結果、噴射された燃料と空気との混合が不十分になり、スモークなどのＰＭ（Particulate Matter）を生成する原因となる。

特許第２８６４８９６号明細書

そこで、本発明の目的は、燃料噴射弁から噴射された燃料と空気とが混合した混合気の温度を下げ、噴射された燃料の着火遅れを十分に確保することにより、ＰＭの生成を低減する内燃機関を提供することにある。

請求項１記載の発明では、燃料噴射弁とは独立して設けられている液体噴射弁を備えている。液体噴射弁は、燃料噴射弁から噴射された燃料が燃焼室に形成した燃料噴霧に向けて非燃焼性液体を噴射する。燃料噴霧に向けて非燃焼性液体を噴射することにより、燃料噴霧は噴射された非燃焼性液体によって冷却される。そのため、燃料の燃焼によって生じた燃焼ガスの温度の上昇は抑えられる。その結果、燃料噴射弁から噴射された燃料と空気とが混合した混合気の温度は低下する。したがって、噴射された燃料の着火遅れを十分に確保することができ、ＰＭの生成を低減することができる。

請求項２記載の発明では、液体噴射弁は、噴霧の混合領域へ向けて非燃焼性液体を噴射する。燃料は、燃料噴射弁から燃焼室へ噴霧状に噴射される。このとき、燃料噴射弁から噴射された燃料によって形成された噴霧は、液領域、混合領域および燃焼領域を含んでいる。液領域は、燃料噴射弁から噴射された燃料が液滴状となっている領域である。混合領域は、この液領域よりも燃料噴射弁から遠い位置、すなわち液領域よりも噴霧の先端側に形成される。混合領域では、気化した燃料は、空気と混合しているものの着火していない。燃焼領域は、混合領域よりもさらに燃料噴射弁から遠い位置、すなわち噴霧の先端に形成される。燃焼領域では、空気と混合した燃料が着火し、火炎を生成している。請求項２記載の発明では、液体噴射弁は、これら三つの領域に区分される燃料噴霧のうち、混合領域に非燃焼性液体を噴射する。これにより、混合領域における混合気の温度を下げるとともに、燃焼領域から混合領域への火炎の伝搬を低減する。したがって、噴射された燃料の着火遅れを十分に確保することができ、ＰＭの生成を低減することができる。

請求項３記載の発明では、液体噴射弁は、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の噴射方向に対し後方から非燃焼性液体を噴射する。燃料噴射弁から噴射される燃料は、燃料噴射弁から遠ざかる方向へ進行する燃料噴霧を形成する。そこで、液体噴射弁は、この燃料噴霧の進行方向において後方から燃料の噴射方向に向かって燃料噴霧を追いかけるように非燃焼性液体を噴射する。これにより、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形成は、液体噴射弁から噴射された非燃焼性液体によって妨げられない。したがって、燃料噴霧を安定して形成することができる。

請求項４記載の発明では、液体噴射弁は、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の噴射方向に対し前方から非燃焼性液体を噴射する。燃料噴射弁から噴射される燃料は、燃料噴射弁から遠ざかる方向へ進行する燃料噴霧を形成する。そこで、液体噴射弁は、この燃料噴霧の進行方向において前方から燃料の噴射方向に対向して燃料噴霧に正面から衝突するように非燃焼性液体を噴射する。これにより、燃料噴射弁と液体噴射弁とは近接して配置する必要がない。したがって、空間が限定される燃焼室の近傍において、燃料噴射弁および液体噴射弁の配置を容易にすることができる。また、燃料噴霧の正面から非燃焼性液体を噴射することにより、非燃焼性液体を燃料噴霧の混合領域に向けて容易に噴射することができる。

請求項５記載の発明では、制御手段は、燃料噴射弁から噴射された燃料が着火した後に、液体噴射弁から非燃焼性液体の噴射を開始する。着火遅れを十分に確保するためには、燃焼領域から混合領域への火炎の拡大を低減すればよい。そのため、噴射された燃料が着火した後に非燃焼性液体を噴射することにより、火炎の生成すなわち着火性を確保しつつ生成した火炎領域の拡大が低減される。したがって、噴射された燃料の着火遅れを十分に確保することができ、ＰＭの生成を低減することができる。

請求項６記載の発明では、制御手段は、噴射される燃料の量が増大するにしたがって、非燃焼性液体の噴射率を増大する。ここで、制御手段は、非燃焼性液体の噴射率、すなわち単位時間当たりの噴射量を増大する。噴射される燃料の量が増大する場合、燃焼温度が上昇し、燃焼領域が燃料噴射弁側へ拡大する。そのため、非燃焼性液体の噴射率を増大することにより、短時間で大量の非燃焼性液体が燃料噴霧に向けて噴射される。したがって、燃料噴射期間中において噴射された燃料の着火遅れを十分に確保することができ、ＰＭの生成を低減することができる。

請求項７記載の発明では、非燃焼性液体は水を主成分とする。そのため、非燃焼性液体は安価にすることができる。また、水は、熱容量および気化熱が大きい。そのため、燃料噴霧に向けて噴射された水は、水蒸気へ気化することにより、燃焼室の内部の温度を低下させる。したがって、燃料の燃焼温度を低減させることができ、ＮＯｘの生成を低減することができる。さらに、噴射された水は、気化しながら燃料噴霧に混合する。そのため、水の気化によって生じた水蒸気は、周囲の空気を巻き込みながら燃料噴霧に混合する。その結果、空気を巻き込んで燃料噴霧に混合する水蒸気は、燃料噴霧に空気中の酸素を供給する。したがって、燃料の完全燃焼を促進することができ、ＰＭの生成をより低減することができる。

第１実施形態による内燃機関の構成を示す模式図 第１実施形態による内燃機関の燃焼室の近傍の概略を示す断面図 第１実施形態による内燃機関において、燃料噴射弁および液体噴射弁の配置ならびに燃料の噴霧および水の噴霧を示す模式図であり、（Ａ）は図２に相当する図、（Ｂ）は燃焼室をシリンダヘッド側から見た図 第１実施形態による内燃機関において、燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧および液体噴射弁から噴射される水の噴霧を示す模式図 第１実施形態による内燃機関の作動の流れを示す概略図 第１実施形態による内燃機関において、燃料噴射弁および液体噴射弁の噴射時期、ならびに噴射圧力を示す概略図 第２実施形態による内燃機関の図３に相当する図

以下、内燃機関の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
図１および図２に第１実施形態による内燃機関を示す。第１実施形態の場合、内燃機関は、ディーゼルエンジン（以下、「エンジン」と称する。）１０である。エンジン１０は、内燃機関本体（以下、「エンジン本体」と称する。）１１、燃料噴射弁１２および液体噴射弁１３を備えている。エンジン本体１１は、図２に示すようにシリンダブロック１４、シリンダヘッド１５およびピストン１６などを有している。シリンダブロック１４は、筒状のシリンダ１７を形成している。ピストン１６は、このシリンダ１７の内側を軸方向へ往復移動する。これら、シリンダブロック１４の内壁と、シリンダヘッド１５の端面と、ピストン１６の端面とは、燃焼室１８を形成している。燃料噴射弁１２は、シリンダヘッド１５を貫いて設けられている。これにより、燃料噴射弁１２の先端は、燃焼室１８に露出している。同様に、液体噴射弁１３は、シリンダヘッド１５を貫いて設けられている。これにより、液体噴射弁１３の先端は、燃焼室１８に露出している。

エンジン１０は、上記に加え、図１に示すように吸気系２１、排気系２２、燃料供給装置２３、液体供給装置２４、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置２５、過給装置２６および制御手段としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）２７を備えている。吸気系２１は、吸気管部材３１およびスロットル３２などを有している。吸気管部材３１は、吸気通路３３を形成している。吸気管部材３１が形成する吸気通路３３は、一方の端部が大気に開放され、他方の端部が燃焼室１８に接続している。図２に示すように吸気通路３３と燃焼室１８との間は、吸気バルブ３４によって開閉される。スロットル３２は、吸気通路３３を開閉し、吸気通路３３を流れる吸気の流量を制御する。排気系２２は、図１に示すように排気管部材３５および排気浄化部３６などを有している。排気管部材３５は、排気通路３７を形成している。排気管部材３５が形成する排気通路３７は、一方の端部が燃焼室１８に接続し、他方の端部が大気に開放されている。図２に示すように排気通路３７と燃焼室１８との間は、排気バルブ３８によって開閉される。排気浄化部３６は、排気通路３７に設けられ、排気通路３７を流れる排気を浄化する。排気浄化部３６は、例えば吸着や化学反応によって、排気に含まれるＮＯｘやＰＭなどの各種の排出物を浄化する。

図１に示すように燃料供給装置２３は、燃料噴射ポンプ４１およびコモンレール４２を有している。燃料噴射ポンプ４１は、エンジン本体１１によって駆動され、図示しない燃料タンクに貯えられている燃料を加圧する。本実施形態のようにディーゼルエンジンの場合、燃料は軽油である。燃料は、軽油に限らず、重油、天然ガス、バイオマス燃料、各種アルコールやエーテル類など、エンジン１０に適用可能であればいずれであってもよい。燃料噴射ポンプ４１で加圧された燃料は、コモンレール４２へ供給される。コモンレール４２は、燃料噴射ポンプ４１で加圧された燃料を、圧力を維持したまま貯える。燃料噴射弁１２は、コモンレール４２に接続している。コモンレール４２に貯えられている燃料は、燃料噴射弁１２を経由して燃焼室１８へ噴射される。

液体供給装置２４は、液体加圧ポンプ４３およびコモンレール４４を有している。液体加圧ポンプ４３は、エンジン本体１１によって駆動され、図示しない液体タンクに貯えられている液体を加圧する。ここで、液体は、燃料とともに燃焼することのない非燃焼性液体である。本実施形態の場合、非燃焼液体は水である。非燃焼性液体は、水に限らず、水に各種のイオンや有機物などの非燃焼性の添加物を加えた水溶液であってもよい。以下、非燃焼性液体として「水」を例に説明する。液体加圧ポンプ４３で加圧された水は、コモンレール４４へ供給される。コモンレール４４は、液体加圧ポンプ４３で加圧された水を、圧力を維持したまま貯える。液体噴射弁１３は、コモンレール４４に接続している。コモンレール４４に貯えられている水は、液体噴射弁１３を経由して燃焼室１８へ噴射される。

ＥＧＲ装置２５は、ＥＧＲ管部４６、ＥＧＲ弁４７および冷却器４８を有している。ＥＧＲ管部４６は、ＥＧＲ通路４９を形成している。ＥＧＲ通路４９は、一方の端部が排気通路３７に接続し、他方の端部が吸気通路３３に接続している。ＥＧＲ弁４７は、ＥＧＲ管部４６が形成するＥＧＲ通路４９を開閉する。これにより、ＥＧＲ弁４７がＥＧＲ通路４９を開放しているとき、排気通路３７を流れる排気の一部は吸気通路３３へ戻される。冷却器４８は、排気通路３７から吸気通路３３へ戻される排気を冷却する。

過給装置２６は、タービン５１、コンプレッサ５２およびインタークーラ５３を有している。タービン５１は排気通路３７に設けられ、コンプレッサ５２は吸気通路３３に設けられている。タービン５１とコンプレッサ５２とは、図示しないシャフトによって接続されている。タービン５１は、排気通路３７を流れる排気によって回転駆動される。タービン５１の回転力は、図示しないシャフトを経由してコンプレッサ５２に伝達され、コンプレッサ５２を回転駆動する。吸気通路３３に設けられているコンプレッサ５２は、回転することにより吸気通路３３を流れる空気を加圧する。これにより過給装置２６は、燃焼室１８へ供給する空気を過給する。インタークーラ５３は、吸気通路３３を経由して燃焼室１８へ供給される空気を冷却する。

ＥＣＵ２７は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを有するマイクロコンピュータで構成されている。ＥＣＵ２７は、燃料噴射弁１２の開閉および液体噴射弁１３の開閉をはじめとして、エンジン１０の全体を制御する。ＥＣＵ２７は、ＲＯＭに記憶されているコンピュータプログラムにしたがって燃料噴射弁１２および液体噴射弁１３の駆動を制御する。ＥＣＵ２７は、特許請求の範囲の制御手段に相当する。また、ＥＣＵ２７は、スロットル３２およびＥＧＲ弁４７の駆動を制御する。

ＥＣＵ２７は、ＲＯＭに記憶されているコンピュータプログラムにしたがって、燃料噴射弁１２から噴射する燃料の量および燃料の噴射時期を設定する。具体的には、ＥＣＵ２７は、アクセル開度センサ５５や回転数センサ５６からエンジン１０の負荷を取得する。そして、ＥＣＵ２７は、取得したエンジン１０の負荷に基づいて、燃料噴射弁１２から噴射する燃料の量および燃料の噴射時期を設定する。あわせて、ＥＣＵ２７は、設定した燃料噴射弁１２からの燃料の噴射量および燃料の噴射時期に基づいて、液体噴射弁１３から噴射する水の噴射量および水の噴射時期についても設定する。ここで、アクセル開度センサ５５はアクセルペダルの開度を検出するセンサであり、回転数センサ５６はエンジン本体１１の回転数を検出するセンサである。

ＥＣＵ２７は、図示しない水温センサや吸気温度センサなどに接続している。ＥＣＵ２７は、図示しない水温センサで検出したエンジン本体１１の冷却水温や吸気温度センサで検出した吸気温度などに基づいて燃料の噴射量を補正する。ＥＣＵ２７は、さらに圧力センサ５７および圧力センサ５８にも接続している。ＥＣＵ２７は、圧力センサ５７からコモンレール４２における燃料の圧力を取得し、圧力センサ５８からコモンレール４４における水の圧力を取得する。ＥＣＵ２７は、圧力センサ５７から取得した燃料の圧力に基づいて、燃料噴射ポンプ４１からコモンレール４２へ供給する燃料の流量を調整する。同様に、ＥＣＵ２７は、圧力センサ５８から取得した水の圧力に基づいて、液体加圧ポンプ４３からコモンレール４４へ供給する水の流量を調整する。

次に、上記の構成による燃料噴射弁１２および液体噴射弁１３について説明する。
燃料噴射弁１２は燃焼室１８側の端部に燃料を噴射する図示しない噴孔を有しており、液体噴射弁１３は燃焼室１８側の端部に水を噴射する図示しない噴孔を有している。コモンレール４２から供給された燃料は、燃料噴射弁１２の噴孔から燃焼室１８に向けて直接噴射される。同様に、コモンレール４４から供給された水は、液体噴射弁１３の噴孔から燃焼室１８に向けて噴射される。燃料噴射弁１２および液体噴射弁１３は、いずれも図示しない電磁弁を有している。燃料噴射弁１２および液体噴射弁１３は、ＥＣＵ２７から各電磁弁へ出力された電気信号に基づいて燃料または水の噴射を断続する。燃料噴射弁１２および液体噴射弁１３は、電磁弁の駆動によって直接的に図示しないニードルを駆動して燃料または水の噴射を断続してもよく、例えば図示しないニードルを閉弁方向へ押し付ける背圧を電磁弁で制御することによって間接的に燃料または水の噴射を断続してもよい。さらに、燃料噴射弁１２および液体噴射弁１３は、電磁弁に代えて圧電素子によって駆動する構成としてもよい。

第１実施形態の場合、燃料噴射弁１２は、図１および図３に示すように燃焼室１８の径方向において中心、すなわちピストン１６およびシリンダ１７の中心軸上に設けられている。燃料噴射弁１２は、燃料を放射状に噴射する。これにより、燃料は、燃料噴射弁１２から燃焼室１８の径方向外側へ向けて周方向へ複数の噴霧６０を形成する。一方、液体噴射弁１３は、燃料噴射弁１２と隣り合う位置に設けられている。具体的には、液体噴射弁１３は、燃料噴射弁１２に対し燃焼室１８の径方向外側の近い位置に設けられている。水は、この液体噴射弁１３から放射状に噴射される。これにより、液体噴射弁１３の水は、燃料噴射弁１２から噴射される燃料の進行方向において後方から燃料の噴霧６０を追いかけるように噴射される。

燃料噴射弁１２の噴孔から噴射された燃料は、図４に示すように噴霧６０を形成する。噴霧６０は、液領域６１、混合領域６２および燃焼領域６３の三つの領域に区分される。液領域６１は、燃料噴射弁１２に最も近い位置に形成され、噴孔から噴射された燃料が気化することなく液体の滴状である領域である。混合領域６２は、液領域６１と燃焼領域６３との間に形成され、噴孔から噴射された燃料が気化しているものの、着火していない領域である。燃焼領域６３は、燃料噴射弁１２から最も遠い位置に形成され、噴孔から噴射された燃料が気化して着火している領域である。燃料噴射弁１２から燃料を噴射すると、液滴状の燃料が気化した後、空気と十分に混合された燃焼領域６３において火炎を生じる。燃料は、燃料噴射弁１２から高圧で燃焼室１８へ噴射される。そのため、噴孔から噴射された燃料は、液領域６１および混合領域６２を経て燃焼領域６３へ到達する。これにより、燃料は、燃焼領域６３において燃焼する。このように、燃料噴射弁１２から噴射された燃料が安定して燃焼しているとき、燃焼領域６３から混合領域６２への火炎の領域の拡大がほとんど生じない。

一方、例えばエンジン１０が高負荷状態にあるときのように燃料の噴射量が多く燃焼温度が高いとき、混合領域６２において着火する傾向にある。これは、高負荷状態のとき、燃焼領域６３の温度が上昇するためにその手前にある混合気の着火遅れが短くなるために混合領域に火炎が拡大していくからである。このように、高負荷状態のように燃料の燃焼が継続するとき、着火遅れを十分に確保することは難しい。着火遅れが十分に確保されないと、上述のように燃焼領域６３で生じた火炎は混合領域６２または液領域６１へ拡大する。その結果、燃料と空気との混合が不十分となり、この混合が不十分な状態はＰＭの発生原因となる。

第１実施形態では、液体噴射弁１３は、この燃料噴射弁１２が形成した噴霧６０の混合領域６２に向けて水を噴射する。液体噴射弁１３から噴射された水は、燃料と同様に噴霧７０を形成する。この噴霧は、水が液滴状の液領域７１、および水が水蒸気へ気化した気化領域７２を形成する。液体噴射弁１３から燃料の噴霧６０の混合領域６２へ向けて燃料を噴射することにより、水蒸気となった水は燃料の噴霧６０の混合領域６２において燃料の噴霧に混合する。すなわち、液体噴射弁１３から噴射された水は、高温の燃焼室１８において速やかに水蒸気へ気化する。そして、水の噴霧７０は、水蒸気となった気化領域７２が燃料の噴霧６０の混合領域６２に混合する。水の気化によって生じた水蒸気は、自身の気化熱によって燃料の噴霧よりも温度が低い。そのため、混合領域６２で燃料の噴霧に混合した水蒸気は、混合領域６２における燃料の噴霧を冷却する。その結果、燃焼領域６３で生じた火炎は、温度が低下した混合領域６２へ伝搬しにくくなる。これにより、火炎の伝搬速度すなわち燃料の燃焼速度は低下し、燃料の噴霧６０は着火遅れが十分に確保される。すなわち、燃焼室１８の温度が高いときでも、燃料の噴霧６０と空気との混合時間は、十分に確保することができる。また、液体噴射弁１３から噴射された水は、水蒸気へ気化することにより、気化した水蒸気が周囲の空気を巻き込んだ状態で燃料の噴霧６０の混合領域６２へ到達する。これにより、燃料の噴霧６０は、水蒸気とともに空気とも混合する。そのため、燃料の空気との混合はより促進される。

次に、上記の構成によるエンジン１０の作動の流れについて図５に基づいて説明する。
エンジン１０は、運転期間中において基本的な制御ルーチンを実行している。ＥＣＵ２７は、この基本的な制御ルーチンにおいて予め設定された時期に、燃料および水の噴射についての噴射制御ルーチンへ移行する。ＥＣＵ２７は、噴射制御ルーチンへ移行すると、アクセルペダルの開度およびエンジン本体１１の回転数を取得する（Ｓ１０１）。具体的には、ＥＣＵ２７は、アクセル開度センサ５５から図示しないアクセルペダルの開度を取得するとともに、回転数センサ５６からエンジン本体１１の回転数を取得する。ＥＣＵ２７は、アクセルの開度およびエンジン本体１１の回転数を取得すると、燃料の噴射量、噴射時期および噴射圧力を設定する（Ｓ１０２）。ＥＣＵ２７は、例えば予め設定されＲＯＭに記憶されているマップなどを参照して、検出したアクセルの開度およびエンジン本体１１の回転数に基づく燃料の噴射量、噴射時期および噴射圧力を設定する。さらに、ＥＣＵ２７は、取得したアクセルの開度およびエンジン本体１１の回転数から、水の噴射量、噴射時期および噴射圧力を設定する（Ｓ１０３）。この場合も、ＥＣＵ２７は、例えば予め設定されＲＯＭに記憶されているマップなどを参照して、検出したアクセルの開度およびエンジン本体１１の回転数に基づく水の噴射量、噴射時期および噴射圧力を設定する。

ＥＣＵ２７は、Ｓ１０２およびＳ１０３において、燃料および水の噴射量、噴射時期および噴射圧力を設定すると、基本的な制御ルーチンにリターンする。ＥＣＵ２７は、基本的な制御ルーチンにおいて燃料の噴射を制御する時期になると、Ｓ１０２で設定した燃料の噴射量および噴射時期に基づいて燃料噴射弁１２を駆動する。同様に、ＥＣＵ２７は、基本的な制御ルーチンにおいて水の噴射を制御する時期になると、Ｓ１０３で設定した水の噴射量および噴射時期に基づいて液体噴射弁１３を駆動する。さらに、ＥＣＵ２７は、基本的な制御ルーチンにおいてコモンレール４２への燃料供給量を制御する時期になると、Ｓ１０２で設定した燃料の噴射圧力に基づいて燃料噴射ポンプ４１を制御する。同様に、ＥＣＵ２７は、基本的な制御ルーチンにおいてコモンレール４４への水供給量を制御する時期になると、Ｓ１０３で設定した水の噴射圧力に基づいて液体加圧ポンプ４３を制御する。

Ｓ１０２およびＳ１０３においてＥＣＵ２７は、燃料および水の噴射時期について図６に示すように設定する。ＥＣＵ２７は、水の噴射に先立って燃料を噴射する。すなわち、ＥＣＵ２７は、まず燃料噴射弁１２を駆動して燃料の噴射を開始した後、所定の期間が経過した後に液体噴射弁１３を駆動して水を噴射する。これは、液体噴射弁１３から噴射された水は、燃料噴射弁１２の燃料の噴霧６０の混合領域６２へ噴射されるからである。すなわち、燃料噴射弁１２から噴射した燃料が図４に示すような噴霧６０を形成した後、液体噴射弁１３はこの噴霧６０の混合領域６２へ向けて水を噴射する。そのため、燃料噴射弁１２による燃料の噴射開始から液体噴射弁１３による水の噴射開始までの時間差は、燃料の噴霧６０が形成されるまでの時間差に相当する。この燃料の噴射開始から水の噴射開始までの時間差は、エンジン１０の負荷によって決定する。すなわち、燃料の噴射量が多く燃料の燃焼温度が高くなりやすい高負荷状態になるほど、燃料の噴射開始から水の噴射開始までの時間差は短くなる。そして、ＥＣＵ２７は、燃料噴射弁１２からの燃料の噴射が終了しても、所定の時間、液体噴射弁１３からの水の噴射を継続する。これは、燃料の噴射が完了しても、燃焼室１８における燃料の燃焼は継続しているからである。すなわち、ＥＣＵ２７は、燃焼室１８において燃料の燃焼が継続している間、液体噴射弁１３からの水の噴射を継続する。

また、ＥＣＵ２７は、図６に示すように液体噴射弁１３から噴射する水の噴射圧力を、燃料噴射弁１２から噴射する燃料の噴射圧力よりも高く設定している。これは、燃料噴射弁１２から噴射された燃料に水から生じた水蒸気を混合させるためには、燃料の噴霧６０よりも高い圧力を付与する必要があるからである。水の圧力を燃料の圧力よりも高くすることにより、液体噴射弁１３から噴射された水は燃料の噴霧６０に容易に混合される。また、第１実施形態の場合、図３に示すように液体噴射弁１３は燃料噴射弁１２が形成した噴霧６０の進行方向後方側から水を噴射する。そのため、液体噴射弁１３から噴射する水の圧力を高めることにより、液体噴射弁１３から噴射される水は進行速度が大きくなる。その結果、燃料の噴霧６０の後方から水を噴射する場合でも、水は燃料の噴霧６０に容易に追いつき、燃料の噴霧６０に混合される。

さらに、ＥＣＵ２７は、液体噴射弁１３から噴射する水の噴射率、すなわち単位時間当たりの噴射量を、燃料噴射弁１２から噴射する燃料の噴射率よりも大きく設定している。特に、エンジン１０の負荷状態が大きくなるほど、ＥＣＵ２７は液体噴射弁１３から噴射する水の噴射率を増大する。エンジン１０の負荷状態が大きくなるほど、燃料噴射弁１２から噴射される燃料の量は増大する。そのため、燃焼室１８における燃料の燃焼温度は上昇し、火炎の伝搬速度も増大する。そこで、ＥＣＵ２７は、水の噴射率を増大することにより、短時間で大量の水を燃料の噴霧６０に向けて噴射する。

以上説明した第１実施形態では、エンジン１０は燃料噴射弁１２とは独立して設けられている液体噴射弁１３を備えている。液体噴射弁１３は、燃料噴射弁１２から噴射された燃料が燃焼室１８に形成した燃料の噴霧６０に向けて水を噴射する。燃料の噴霧６０に向けて水を噴射することにより、燃料の噴霧６０は噴射された水によって冷却される。そのため、燃料の燃焼によって生じた燃焼ガスの温度の上昇は抑えられる。その結果、燃料噴射弁１２から噴射された燃料と空気とが混合した混合気の温度は低下し、混合領域６２への火炎の領域の拡大が妨げられる。したがって、噴射された燃料の着火遅れを十分に確保することができ、ＰＭの生成を低減することができる。

また、第１実施形態では、液体噴射弁１３は、噴霧６０の混合領域６２へ向けて水を噴射する。これにより、混合領域６２における混合気の温度を下げるとともに、燃焼領域６３から混合領域６２への火炎の領域の拡大を低減する。したがって、噴射された燃料の着火遅れを十分に確保することができ、ＰＭの生成を低減することができる。

第１実施形態では、液体噴射弁１３は、燃料噴射弁１２から噴射される燃料の噴霧６０の噴射方向に対し、噴霧６０の進行方向の後方から水を噴射する。すなわち、液体噴射弁１３は、燃料の噴霧６０の進行方向において後方から燃料の噴射方向に沿って噴霧６０を追いかけるように水を噴射する。これにより、燃料噴射弁１２から噴射される燃料の噴霧６０は、液体噴射弁１３から噴射された水によって進行が妨げられない。したがって、噴霧６０の貫徹力を維持することができ、燃料の噴霧６０を安定して形成することができる。

第１実施形態では、ＥＣＵ２７は、燃料噴射弁１２から噴射された燃料が着火した後に、液体噴射弁１３から水の噴射を開始する。着火遅れを十分に確保するためには、燃焼領域６３から混合領域６２への火炎の伝搬を低減すればよい。そのため、噴射された燃料が着火した後に水を噴射することにより、火炎の生成すなわち着火性を確保しつつ生成した火炎の伝搬が低減される。したがって、噴射された燃料の着火遅れを十分に確保することができ、ＰＭの生成を低減することができる。

第１実施形態では、ＥＣＵ２７は、噴射される燃料の量が増大するにしたがって、水の噴射率を増大する。ここで、ＥＣＵ２７は、水の噴射率、すなわち単位時間当たりの噴射量を増大する。噴射される燃料の量が増大する場合、燃焼温度が上昇し、火炎の領域が拡大する。そのため、水の噴射率を増大することにより、短時間で大量の水が燃料の噴霧６０に向けて噴射される。したがって、噴射された燃料の着火遅れを十分に確保することができ、ＰＭの生成を低減することができる。

第１実施形態では、非燃焼性液体として水を主成分としている。そのため、非燃焼性液体は安価である。また、水は、熱容量および気化熱が大きい。そのため、燃料の噴霧６０に向けて噴射された水は、水蒸気へ気化することにより、燃焼室１８の内部の温度を低下させる。したがって、燃料の燃焼温度を低減させることができ、ＮＯｘの生成を低減することができる。さらに、噴射された水は、気化しながら燃料の噴霧６０に混合する。そのため、水の気化によって生じた水蒸気は、周囲の空気を巻き込みながら燃料の噴霧６０に混合する。その結果、空気の噴霧７０は、燃料の噴霧６０に空気中の酸素を供給する。したがって、燃料の完全燃焼を促進することができ、ＰＭの生成をより低減することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態によるエンジンについて説明する。
図７は、第２実施形態によるエンジン１０において燃料噴射弁１２および液体噴射弁１３の配置を模式的に示した図である。第２実施形態の場合、燃料噴射弁１２と液体噴射弁１３とは、燃焼室１８の径方向において互いに反対の端部側に配置されている。すなわち、燃料噴射弁１２と液体噴射弁１３とは、燃焼室１８の径方向において中心を挟んで対称な位置に配置されている。この場合、燃焼室１８の径方向において一方の端部側に配置されている燃料噴射弁１２は、径方向の他方の端部側に配置されている液体噴射弁１３側へ燃料を噴射する。これに対し、燃焼室１８の径方向において他方の端部側に配置されている液体噴射弁１３は、燃料噴射弁１２側へ水を噴射する。これにより、液体噴射弁１３の水は、燃料噴射弁１２から噴射される燃料の進行方向において前方から燃料の噴霧６０を向かい打つように噴射される。つまり、水の噴霧７０は、燃料の噴霧６０の進行方向前方から衝突する。第２実施形態の場合も、第１実施形態と同様に水は、燃料噴射弁１２から噴射された燃料の噴霧６０の混合領域６２に向けて噴射される。

第２実施形態では、液体噴射弁１３は、燃料噴射弁１２から噴射される燃料の噴霧６０の噴射方向に対し前方から水を噴射する。すなわち、液体噴射弁１３は、燃料噴射弁１２から噴射される燃料の噴霧６０の進行方向において前方から燃料の噴射方向に対向して燃料の噴霧６０に正面から衝突するように水を噴射する。これにより、燃料噴射弁１２と液体噴射弁１３とは近接して配置する必要がない。したがって、空間が限定される燃焼室１８の近傍において、燃料噴射弁１２および液体噴射弁１３の配置を容易にすることができる。また、燃料の噴霧６０の正面から水を噴射することにより、水の噴射位置が定めやすくなり、水を燃料の噴霧６０の混合領域６２に向けて容易に噴射することができる。

（その他の実施形態）
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

例えば上記の複数の実施形態では、内燃機関としてディーゼルエンジンを例に説明した。しかし、内燃機関は、ディーゼルエンジンに限らず、直噴式のガソリンエンジンなどであってもよい。

図面中、１０はエンジン（内燃機関）、１１はエンジン本体（内燃機関本体）、１２は燃料噴射弁、１３は液体噴射弁、１８は燃焼室、２７はＥＣＵ（制御手段）を示す。

Claims (7)

1. 燃焼室を形成する内燃機関本体と、
   前記燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁とは独立して設けられ、前記燃料噴射弁から前記燃焼室へ噴射した燃料によって前記燃焼室に形成された燃料噴霧へ向けて非燃焼性液体を噴射する液体噴射弁と、
   を備える内燃機関。
2. 前記液体噴射弁は、前記燃焼室に形成され前記燃料噴射弁から噴射された燃料が液体の液領域、前記液領域よりも前記燃料噴射弁から遠い位置において燃料が気化しつつ着火していない混合領域、および前記混合領域よりも前記燃料噴射弁から遠い位置で燃料が着火している燃焼領域を含む噴霧のうち、前記混合領域へ向けて前記非燃焼性液体を噴射する請求項１記載の内燃機関。
3. 前記液体噴射弁は、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射方向に対し、燃料の噴霧の前記燃料噴射弁に近い後方から燃料の噴射方向に向かって前記非燃焼性液体を噴射する請求項１または２記載の内燃機関。
4. 前記液体噴射弁は、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射方向に対し、燃料の噴霧の前記燃料噴射弁から遠い前方から燃料の噴射方向に対向して前記非燃焼性液体を噴射する請求項１または２記載の内燃機関。
5. 前記燃料噴射弁からの燃料の噴射時期、および前記液体噴射弁からの非燃焼性液体の噴射時期を制御する制御手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が着火した後に、前記液体噴射弁から前記非燃焼性液体の噴射を開始する請求項１から４のいずれか一項記載の内燃機関。
6. 前記制御手段は、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の量が増大するにしたがって、前記液体噴射弁から噴射される非燃焼性液体の噴射率を増大する請求項５記載の内燃機関。
7. 前記非燃焼性液体は、水を主成分とする請求項１から６のいずれか一項記載の内燃機関。

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