JP2017089554A - Control device of engine - Google Patents

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Masahiko Fujimoto
昌彦 藤本
山下 洋幸
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a control device of an engine capable of surely suppressing cooling loss while realizing proper combustion.SOLUTION: A water injection device 22 for injecting supercritical water or subcritical water, is disposed in a combustion chamber 6. The water injection device 22 implements latter-stage water injection W2 for injecting the supercritical water or the subcritical water into the combustion chamber 6 before starting combustion of a mixture gas of fuel and air in a combustion chamber 6, in a latter stage of a compression stroke, and a front-stage water injection W1 for injecting the supercritical water or the subcritical water into the combustion chamber 6 before the latter stage of the compression stroke, in a water injection region A2 determined on at least a part of an operation region of an engine.SELECTED DRAWING: Figure 9

Description

本発明は、ピストンが気筒に往復動可能に嵌装されるとともに、前記ピストンの冠面を底面とする燃焼室が前記気筒に区画されたエンジンの制御装置に関する。   The present invention relates to a control device for an engine in which a piston is fitted in a cylinder so as to be able to reciprocate, and a combustion chamber whose bottom surface is a crown surface of the piston is partitioned into the cylinder.

従来、エンジンにおいて、燃費性能を高めるべく、燃焼ガスの熱エネルギーが燃焼室の壁面からエンジン外部に放出されることに伴う損失すなわち冷却損失を小さく抑えることが求められている。   2. Description of the Related Art Conventionally, in an engine, in order to improve fuel efficiency, it is required to suppress a loss, that is, a cooling loss caused by the release of thermal energy of combustion gas from the wall surface of the combustion chamber to the outside of the engine.

これに対して、例えば、特許文献1には、燃焼室の中央部分に燃料を滞留させて燃焼室の外周部分に空気層を形成し、この空気層によって燃焼ガスの熱エネルギーの外部への放出を抑制するエンジンが開示されている。   On the other hand, for example, in Patent Document 1, fuel is accumulated in the central portion of the combustion chamber to form an air layer in the outer peripheral portion of the combustion chamber, and the heat energy of the combustion gas is released to the outside by this air layer. An engine that suppresses this is disclosed.

特開2015−102004号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-102004

特許文献1のエンジンによれば冷却損失を小さく抑えて燃費性能を高めることができる。しかしながら、このエンジンでは、燃焼室の中央部分に燃料が集中されるため、燃焼室内に局所的にリッチな混合気(燃料の割合が高い混合気)が生成されやすい。そのため、燃焼室内で適正な燃焼が行われずスモーク等が悪化するおそれがある。   According to the engine of Patent Document 1, it is possible to improve the fuel consumption performance while suppressing the cooling loss to be small. However, in this engine, since the fuel is concentrated in the central portion of the combustion chamber, a locally rich mixture (a mixture having a high fuel ratio) is likely to be generated in the combustion chamber. Therefore, proper combustion is not performed in the combustion chamber, and smoke or the like may be deteriorated.

本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、適正な燃焼を実現しつつ冷却損失をより確実に小さく抑えることのできるエンジンの制御装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide an engine control device that can more reliably suppress a cooling loss while realizing proper combustion.

前記課題を解決するために、本発明は、ピストンが気筒に往復動可能に嵌装されるとともに、前記ピストンの冠面を底面とする燃焼室が前記気筒に区画されたエンジンの制御装置において、前記燃焼室内に燃料を供給する燃料供給装置と、前記燃焼室内に超臨界水または亜臨界水を噴射する水噴射装置と、前記燃料供給装置と前記水噴射装置とを含むエンジンの各部を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記エンジンの運転領域の少なくとも一部に設定された水噴射領域において、前記燃焼室内で前記燃料と空気の混合気が燃焼を開始する前かつ圧縮行程の後期に前記超臨界水または亜臨界水を前記燃焼室内に噴射する後段水噴射と、前記圧縮行程の後期よりも前に前記超臨界水または亜臨界水を前記燃焼室内に噴射する前段水噴射とを、前記水噴射装置に実施させることを特徴とするエンジンの制御装置を提供する(請求項1)。   In order to solve the above problems, the present invention provides an engine control apparatus in which a piston is fitted in a cylinder so as to be capable of reciprocating, and a combustion chamber whose bottom surface is a crown surface of the piston is partitioned into the cylinder. A fuel supply device that supplies fuel into the combustion chamber, a water injection device that injects supercritical water or subcritical water into the combustion chamber, and controls each part of the engine including the fuel supply device and the water injection device. Control means, and in the water injection region set in at least a part of the engine operation region, the control unit is configured to start the combustion of the fuel-air mixture in the combustion chamber before starting combustion. A latter-stage water injection that injects the supercritical water or the subcritical water into the combustion chamber at a later stage, and a front-stage water jet that injects the supercritical water or the subcritical water into the combustion chamber before the later stage of the compression stroke. Preparative, to provide a control apparatus for an engine, characterized in that to carried to the water injection system (claim 1).

本発明によれば、圧縮行程の後期とこれよりも前とに分けて燃焼室内に水が噴射されるため、燃焼室の壁面全体により確実に水による遮熱層を形成することができる。従って、混合気を均質な状態で燃焼させて適正な燃焼を実現しながら、この遮熱層によってより確実に冷却損失を抑えることができる。   According to the present invention, since water is injected into the combustion chamber separately in the latter half of the compression stroke and before this, a heat shield layer can be reliably formed by the entire wall surface of the combustion chamber. Therefore, it is possible to more reliably suppress the cooling loss by this heat shield layer while realizing proper combustion by burning the air-fuel mixture in a homogeneous state.

具体的には、圧縮行程の後期よりも前のタイミングでは、燃焼室内の圧力が比較的低いため燃焼室に噴射された水のペネトレーション(貫徹力)は比較的高くなる。従って、前段水噴射では、燃焼室の壁面のうち水噴射装置から比較的遠い部分にまで水を到達させることができる。一方、圧縮行程の後期は、燃焼室内の圧力が比較的高いため燃焼室に噴射された水のペネトレーションは比較的低くなる。従って、後段水噴射では、燃焼室の壁面のうち水噴射装置に近い部分に水を滞留させることができる。従って、燃焼室の壁面のより全体に水による遮熱層を形成することができる。   Specifically, at a timing before the latter stage of the compression stroke, the pressure in the combustion chamber is relatively low, and thus the penetration (penetration force) of the water injected into the combustion chamber is relatively high. Therefore, in the front stage water injection, water can reach a portion relatively far from the water injection device on the wall surface of the combustion chamber. On the other hand, in the latter half of the compression stroke, the pressure in the combustion chamber is relatively high, so the penetration of water injected into the combustion chamber is relatively low. Therefore, in the latter-stage water injection, water can be retained in the portion of the wall surface of the combustion chamber close to the water injection device. Accordingly, it is possible to form a heat shield layer of water on the entire wall surface of the combustion chamber.

特に、本発明では、前記水として通常の気体の水よりも密度の高い超臨界水または亜臨界水が用いられている。そのため、遮熱層における水の密度を高めて高い断熱効果を得ることができ、冷却損失をより確実に小さくして燃費性能を高めることができる。   In particular, in the present invention, supercritical water or subcritical water having a density higher than that of normal gaseous water is used as the water. Therefore, it is possible to increase the density of water in the heat shielding layer to obtain a high heat insulating effect, to more reliably reduce the cooling loss, and to improve the fuel efficiency.

なお、本発明において、圧縮行程後期とは、圧縮行程を3つ(初期、中期、後期)に分けたときの後期であり、圧縮上死点前60°CA(クランク角)から圧縮上死点までの期間をいう。   In the present invention, the latter stage of the compression stroke is the latter stage when the compression stroke is divided into three (initial stage, middle stage, and late stage), and the compression top dead center from 60 ° CA (crank angle) before the compression top dead center. The period until.

本発明において、前記気筒に吸気を導入するための吸気ポートを開閉する吸気弁を備え、前記制御手段は、前記圧縮行程の後期よりも前かつ前記吸気弁が閉弁した後に、前記水噴射装置に前記前段水噴射を実施させるのが好ましい(請求項2)。   In the present invention, the water injection device includes an intake valve that opens and closes an intake port for introducing intake air into the cylinder, and the control unit is configured to perform the water injection device before the latter stage of the compression stroke and after the intake valve is closed. It is preferable to perform the pre-stage water injection.

このようにすれば、吸気ポートから吸気が流入するのに伴って燃焼室内に生じる気流が、前段水噴射に係る水に及ぼす影響を小さく抑えることができ、前段水噴射によって気筒内に噴射された水をより確実に燃焼室の壁面のうち比較的遠い部分に到達させることができる。   In this way, the airflow generated in the combustion chamber as the intake air flows from the intake port can be suppressed to have a small effect on the water related to the upstream water injection, and is injected into the cylinder by the upstream water injection. Water can reach a relatively far part of the wall surface of the combustion chamber more reliably.

本発明において、水噴射装置としては、前記燃焼室の天井面の中央に、前記ピストンの冠面の中央を臨む姿勢で取付けられているものが挙げられる(請求項3)。   In the present invention, examples of the water injection device include those attached to the center of the ceiling surface of the combustion chamber so as to face the center of the crown surface of the piston (Claim 3).

この場合では、前段水噴射によってピストンの冠面すなわち燃焼室の底面全体に超臨界水または亜臨界水を到達させ、後段水噴射によって燃焼室の天井面に超臨界水または亜臨界水を滞留させることができ、これにより燃焼室の壁面全体に超臨界水または亜臨界水の遮熱層を形成することができる。   In this case, supercritical water or subcritical water is made to reach the crown surface of the piston, that is, the entire bottom surface of the combustion chamber by the front water injection, and supercritical water or subcritical water is made to stay on the ceiling surface of the combustion chamber by the rear water injection. In this way, a thermal barrier layer of supercritical water or subcritical water can be formed on the entire wall surface of the combustion chamber.

また、前記とは異なる構成として、水噴射装置として、前記燃焼室の天井面の中央から前記気筒の径方向の一方側にずれた位置に、前記気筒の径方向の他方側の内周面を臨む姿勢で取付けられているものが挙げられる(請求項4)。   Further, as a configuration different from the above, as the water injection device, the inner peripheral surface on the other side in the radial direction of the cylinder is disposed at a position shifted from the center of the ceiling surface of the combustion chamber to one side in the radial direction of the cylinder. What is attached with the posture which faces is mentioned (Claim 4).

この場合では、前段水噴射によって燃焼室の壁面のうち気筒の径方向について水噴射装置と反対側に位置する部分に超臨界水または亜臨界水を到達させ、後段水噴射によって燃焼室の壁面のうちその径方向について水噴射装置側の部分に超臨界水または亜臨界水を滞留させることができ、これにより燃焼室の壁面全体に超臨界水または亜臨界水の遮熱層を形成することができる。   In this case, supercritical water or subcritical water is made to reach the portion of the wall surface of the combustion chamber that is located on the opposite side of the water injection device in the radial direction of the cylinder by the front water injection, and the wall surface of the combustion chamber is injected by the rear water injection. Among them, supercritical water or subcritical water can be retained in the water injection device side in the radial direction, thereby forming a thermal barrier layer of supercritical water or subcritical water on the entire wall of the combustion chamber. it can.

また、本発明において、前記水噴射領域は、エンジン負荷が予め設定された基準負荷以上の領域であるのが好ましい(請求項5)。   In the present invention, it is preferable that the water injection region is a region where the engine load is equal to or higher than a preset reference load.

このようにすれば、エンジン負荷が高く燃焼温度が高いことに伴って増大しやすい冷却損失を効果的に小さく抑えることができる。   In this way, it is possible to effectively reduce the cooling loss that tends to increase with a high engine load and a high combustion temperature.

また、本発明において、前記エンジン本体の幾何学的圧縮比は、18以上35以下に設定されており、前記水噴射領域における前記エンジン本体の有効圧縮比は、15以上に設定されているのが好ましい(請求項6)。   In the present invention, the geometric compression ratio of the engine body is set to 18 or more and 35 or less, and the effective compression ratio of the engine body in the water injection region is set to 15 or more. Preferred (claim 6).

このようにすれば、有効圧縮比が高いことに伴って増大しやすい冷却損失を小さく抑えつつ、有効圧縮比を高くしてエンジントルクを高めることができる。   If it does in this way, an effective compression ratio can be made high and an engine torque can be raised, suppressing the cooling loss which tends to increase with a high effective compression ratio small.

以上説明したように、本発明のエンジンの制御装置によれば、適正な燃焼を実現しつつ冷却損失をより確実に小さく抑えることができる。   As described above, according to the engine control apparatus of the present invention, it is possible to more reliably suppress the cooling loss while realizing proper combustion.

本発明の一実施形態にかかるエンジンシステムの構成を示した図である。It is a figure showing composition of an engine system concerning one embodiment of the present invention. エンジン本体の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of an engine main body. ピストン冠面を示した図である。It is the figure which showed the piston crown surface. 超臨界水を説明するための水の状態図である。It is a state diagram of water for explaining supercritical water. 亜臨界水を説明するための水の状態図である。It is a phase diagram of water for explaining subcritical water. ヒートパイプの動作を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating operation | movement of a heat pipe. エンジンの制御系統を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the control system of an engine. エンジンの制御領域を示した図である。It is the figure which showed the control area | region of the engine. 高負荷領域における筒内圧、吸気弁のリフトカーブおよび水噴射率を示した図である。It is the figure which showed the cylinder pressure in the high load area | region, the lift curve of the intake valve, and the water injection rate. 第1実施形態に係る前段水噴射の様子を示したエンジン本体の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the engine main part which showed the mode of the front | former stage water injection which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る後段水噴射の様子を示したエンジン本体の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the engine main part which showed the mode of the back | latter stage water injection which concerns on 1st Embodiment. 第2実施形態に係る前段水噴射の様子を示したエンジン本体の概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view of the engine main body which showed the mode of the front | former stage water injection which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る後段水噴射の様子を示したエンジン本体の概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view of the engine main body which showed the mode of the back | latter stage water injection which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る前段水噴射の様子を示したエンジン本体の概略横断面図である。It is a schematic cross-sectional view of the engine body showing the state of the pre-stage water injection according to the second embodiment. 第2実施形態に係る後段水噴射の様子を示したエンジン本体の概略横断面図である。It is a schematic cross-sectional view of an engine body showing a state of rear-stage water injection according to the second embodiment. 他の実施形態に係るピストン冠面を示した概略図である。It is the schematic which showed the piston crown surface which concerns on other embodiment.

図1は、本発明の一実施形態にかかるエンジンシステムの構成を示す図である。本実施形態のエンジンシステムは、4ストロークのエンジン本体1と、エンジン本体1に燃焼用の空気を導入するための吸気通路30と、エンジン本体1で生成された排気を排出するための排気通路40と、水循環装置60とを備える。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an engine system according to an embodiment of the present invention. The engine system of the present embodiment includes a four-stroke engine main body 1, an intake passage 30 for introducing combustion air into the engine main body 1, and an exhaust passage 40 for discharging exhaust generated by the engine main body 1. And a water circulation device 60.

エンジン本体1は、例えば、4つの気筒2を有する4気筒エンジンである。本実施形態では、エンジン本体1は、ガソリンを含む燃料の供給を受けて駆動される。本実施形態のエンジンシステムは車両に搭載され、エンジン本体1は車両の駆動源として利用される。   The engine body 1 is a four-cylinder engine having four cylinders 2, for example. In the present embodiment, the engine main body 1 is driven by receiving supply of fuel including gasoline. The engine system of this embodiment is mounted on a vehicle, and the engine body 1 is used as a drive source for the vehicle.

(1)エンジン本体
図2は、エンジン本体1の概略断面図である。
(1) Engine Body FIG. 2 is a schematic sectional view of the engine body 1.

エンジン本体1は、気筒2が内部に形成されたシリンダブロック3と、シリンダブロック3の上面に設けられたシリンダヘッド4と、気筒2に往復動(上下動)可能に嵌装されたピストン5とを有している。   The engine body 1 includes a cylinder block 3 in which a cylinder 2 is formed, a cylinder head 4 provided on the upper surface of the cylinder block 3, and a piston 5 fitted to the cylinder 2 so as to be able to reciprocate (up and down). have.

ピストン5の上方には燃焼室6が形成されている。燃焼室6はいわゆるペントルーフ型であり、シリンダヘッド4の下面で構成される燃焼室6の天井面4aは吸気側および排気側の2つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。   A combustion chamber 6 is formed above the piston 5. The combustion chamber 6 is a so-called pent roof type, and the ceiling surface 4a of the combustion chamber 6 constituted by the lower surface of the cylinder head 4 has a triangular roof shape composed of two inclined surfaces on the intake side and the exhaust side.

図3は、気筒2内を示した横断面図であってピストン5の冠面5aを示した図である。ピストン5の冠面5aには、その中心部を含む領域をシリンダヘッド4とは反対側(下方)に凹ませたキャビティ10が形成されている。このキャビティ10は、ピストン5が上死点まで上昇したときの燃焼室6の大部分を占める容積を有するように形成されている。   FIG. 3 is a cross-sectional view showing the inside of the cylinder 2 and showing the crown surface 5 a of the piston 5. A cavity 10 is formed in the crown surface 5a of the piston 5 by denting a region including the center thereof on the opposite side (downward) from the cylinder head 4. The cavity 10 is formed to have a volume that occupies most of the combustion chamber 6 when the piston 5 rises to the top dead center.

本実施形態では、エンジン本体1の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン5が下死点にあるときの燃焼室6の容積とピストン5が上死点にあるときの燃焼室6の容積との比は、18以上35以下(例えば20程度)に設定されている。   In this embodiment, the geometric compression ratio of the engine body 1, that is, the volume of the combustion chamber 6 when the piston 5 is at the bottom dead center and the volume of the combustion chamber 6 when the piston 5 is at the top dead center. The ratio is set to 18 or more and 35 or less (for example, about 20).

シリンダヘッド4には、吸気通路30から供給される空気を気筒2(燃焼室6)内に導入するための吸気ポート16と、気筒2内で生成された排気を排気通路40に導出するための排気ポート17とが形成されている。これら吸気ポート16と排気ポート17とは、気筒2毎にそれぞれ2つずつ形成されている。また、シリンダヘッド4には、各吸気ポート16の気筒2側の開口をそれぞれ開閉する吸気弁18と、各排気ポート17の気筒2側の開口をそれぞれ開閉する排気弁19とが設けられている。   The cylinder head 4 has an intake port 16 for introducing air supplied from the intake passage 30 into the cylinder 2 (combustion chamber 6), and exhaust for generating exhaust gas generated in the cylinder 2 to the exhaust passage 40. An exhaust port 17 is formed. Two intake ports 16 and two exhaust ports 17 are formed for each cylinder 2. The cylinder head 4 is provided with an intake valve 18 that opens and closes an opening on the cylinder 2 side of each intake port 16 and an exhaust valve 19 that opens and closes an opening on the cylinder 2 side of each exhaust port 17. .

各排気ポート17には、それぞれヒートパイプ70が取り付けられている。本実施形態では、1つの排気ポート17にそれぞれ1つのヒートパイプ70が取り付けられており、1つの気筒2に2つのヒートパイプ70が配置されている。ヒートパイプ70は、水循環装置60の一部を構成する部品である。ヒートパイプ70の詳細については後述する。   A heat pipe 70 is attached to each exhaust port 17. In the present embodiment, one heat pipe 70 is attached to each exhaust port 17, and two heat pipes 70 are arranged in one cylinder 2. The heat pipe 70 is a component that constitutes a part of the water circulation device 60. Details of the heat pipe 70 will be described later.

シリンダヘッド4には、燃焼室6内に燃料を噴射する燃料噴射装置(燃料供給装置)21が設けられている。本実施形態では、燃料噴射装置21は、サイド噴射方式で燃料を燃焼室6内に噴射するようにシリンダヘッド4に取付けられており、その先端が燃焼室6の内周面から燃焼室6内を臨むように配置されている。   The cylinder head 4 is provided with a fuel injection device (fuel supply device) 21 for injecting fuel into the combustion chamber 6. In this embodiment, the fuel injection device 21 is attached to the cylinder head 4 so as to inject fuel into the combustion chamber 6 by a side injection method, and the tip of the fuel injection device 21 extends from the inner peripheral surface of the combustion chamber 6 to the inside of the combustion chamber 6. It is arranged to face.

燃料噴射装置21は、図外の燃料ポンプにより圧送された燃料を気筒2内に噴射する。本実施形態では、全運転領域において燃料と空気との混合気を予め混合させて、この混合気を圧縮上死点(TDC)付近で自着火させる予混合圧縮自着火燃焼が実施されるよう構成されている。これに伴い、図2に示した例では、エンジン本体1に気筒2内のガスに点火するための点火プラグが設けられていないが、冷間始動時等において混合気の適正な燃焼のために点火が必要な場合等には、適宜エンジン本体1に点火プラグを設けてもよい。   The fuel injection device 21 injects fuel pumped by a fuel pump (not shown) into the cylinder 2. In the present embodiment, premixed compression autoignition combustion is performed in which an air-fuel mixture of fuel and air is mixed in advance in the entire operation region, and the air-fuel mixture is self-ignited near the compression top dead center (TDC). Has been. Accordingly, in the example shown in FIG. 2, the engine main body 1 is not provided with a spark plug for igniting the gas in the cylinder 2, but for the proper combustion of the air-fuel mixture at the cold start or the like. When ignition is necessary, an ignition plug may be provided in the engine body 1 as appropriate.

シリンダヘッド4には、さらに、気筒2内に超臨界水または亜臨界水を噴射する水噴射装置22が設けられている。   The cylinder head 4 is further provided with a water injection device 22 that injects supercritical water or subcritical water into the cylinder 2.

図2に示すように、本実施形態では、水噴射装置22は、その先端が、燃焼室6の天井面の中央に位置してピストン5の冠面5aのほぼ中央を臨む姿勢で取り付けられている。水噴射装置22としては、例えば、従来のエンジンに用いられる、燃料を気筒2内に噴射するための装置を適用することができ、その詳細な構造の説明は省略する。なお、水噴射装置22は、例えば、20MPa程度で気筒2内に超臨界水を噴射する。   As shown in FIG. 2, in the present embodiment, the water injection device 22 is attached in such a posture that the tip thereof is located at the center of the ceiling surface of the combustion chamber 6 and faces almost the center of the crown surface 5 a of the piston 5. Yes. As the water injection device 22, for example, a device for injecting fuel into the cylinder 2 used in a conventional engine can be applied, and a detailed description of the structure is omitted. The water injection device 22 injects supercritical water into the cylinder 2 at, for example, about 20 MPa.

超臨界水とは、水の臨界点よりも温度および圧力が高い水であって、気体のように分子が激しく運動しながら液体に近い高い密度を有する。つまり、超臨界水は気体または液体の水に相変化するのに潜熱を必要としない水である。詳細は後述するが、本実施形態では、このような性状の水を気筒2内に噴射することで、気筒2内に形成された燃焼室6の壁面に遮熱層を形成する。   Supercritical water is water having a temperature and pressure higher than the critical point of water, and has a high density close to that of a liquid while molecules move vigorously like a gas. That is, supercritical water is water that does not require latent heat to change phase into gaseous or liquid water. Although details will be described later, in this embodiment, water having such properties is injected into the cylinder 2 to form a heat shield layer on the wall surface of the combustion chamber 6 formed in the cylinder 2.

図4を用いて具体的に説明する。図4は、横軸をエンタルピーとし、縦軸を圧力としたときの水の状態図を示したものである。この図4において、領域Z2は液体の領域、領域Z3は気体の領域、領域Z4は液体と気体が共存する領域である。実線で示したラインLT350、LT400・・・LT1000は、それぞれ同じ温度となる点をつないだ等温度線であって、それぞれ数字が温度(K)を示している。例えば、LT350は350Kの等温度線であり、LT1000は1000Kの等温度線である。そして、点C1が臨界点、領域Z1が臨界点C1よりも温度および圧力が高い領域であり、超臨界水はこの領域Z1に含まれる水である。具体的には、水の臨界点が、温度:647.3K,圧力:22.12MPaの点であるのに対して、超臨界水は温度圧力がこれら以上すなわち温度が647.3K以上かつ圧力が22.12MPa以上の水である。   This will be specifically described with reference to FIG. FIG. 4 shows a state diagram of water when the horizontal axis is enthalpy and the vertical axis is pressure. In FIG. 4, a region Z2 is a liquid region, a region Z3 is a gas region, and a region Z4 is a region where liquid and gas coexist. Lines LT350, LT400,..., LT1000 indicated by solid lines are isothermal lines connecting points having the same temperature, and the numbers indicate the temperature (K). For example, LT 350 is an isothermal line of 350K, and LT1000 is an isothermal line of 1000K. The point C1 is a critical point, the region Z1 is a region having a higher temperature and pressure than the critical point C1, and the supercritical water is water contained in the region Z1. Specifically, while the critical point of water is a point of temperature: 647.3K and pressure: 22.12 MPa, supercritical water has a temperature and pressure higher than these, that is, a temperature of 647.3K and higher. The water is 22.12 MPa or more.

図4において、破線で示したラインLR0.01、LR0.1・・・、LR500は、それぞれ同じ密度となる点をつないだ等密度線であって、それぞれ数字が密度(kg/m)を示している。例えば、LR0.01は密度が0.01kg/mの等密度線であり、LR1000は密度が500kg/mの等密度線である。 In FIG. 4, lines LR0.01, LR0.1..., LR500 indicated by broken lines are equal density lines connecting points having the same density, and the numbers indicate the density (kg / m 3 ). Show. For example, LR0.01 the density of isopycnic line of 0.01kg / m 3, LR1000 density is isopycnic line of 500 kg / m 3.

この等密度線LRと領域Z1,Z3との比較から明らかなように、領域Z1に含まれる水すなわち超臨界水の密度は50kg/mから500kg/m程度と液体の水に近い値であって気体の密度よりも非常に高い値となっている。 As is clear from a comparison between the isodensity line LR and the regions Z1 and Z3, the density of the water contained in the region Z1, that is, supercritical water, is about 50 kg / m 3 to 500 kg / m 3, which is a value close to liquid water. Therefore, the value is much higher than the density of the gas.

なお、エンジンシステムにて生成して気筒2内に噴射する超臨界水としては、密度が250kg/m以上の超臨界水を用いるのが好ましい。 As supercritical water generated by the engine system and injected into the cylinder 2, it is preferable to use supercritical water having a density of 250 kg / m 3 or more.

また、図4において矢印Y1で示すように、通常の液体の水は気体に変化するために大きなエンタルピーを必要とする。すなわち、通常の液体の水は気体に変化するのに比較的大きな潜熱を必要とする。これに対して、矢印Y2で示すように、超臨界水では、通常の気体の水に変化するのにほとんどエンタルピーすなわち潜熱を必要としない。   Further, as indicated by an arrow Y1 in FIG. 4, a normal liquid water requires a large enthalpy to change into a gas. That is, normal liquid water requires a relatively large latent heat to change into a gas. On the other hand, as indicated by arrow Y2, supercritical water requires little enthalpy, that is, latent heat, to change to normal gaseous water.

ここで、図4から明らかなように、領域Z1に近い領域に含まれる水は、密度も高く気体に変化するための潜熱も小さく、超臨界水に近い性状を有する。従って、本実施形態では、前記のように超臨界水を気筒2内に噴射するが、超臨界水に代えて領域Z1に近い領域に含まれる水である亜臨界水を生成および気筒2内に噴射してもよい。例えば、図5に示す領域Z10であって、温度が600K以上かつ密度が250kg/m以上の領域Z10に含まれる亜臨界水を生成および噴射してもよい。 Here, as is apparent from FIG. 4, the water contained in the region close to the region Z1 has a high density and a small latent heat for changing to gas, and has properties close to supercritical water. Therefore, in the present embodiment, supercritical water is injected into the cylinder 2 as described above, but subcritical water, which is water contained in a region close to the region Z1, is generated in the cylinder 2 instead of the supercritical water. You may spray. For example, subcritical water contained in the region Z10 shown in FIG. 5 and having a temperature of 600 K or higher and a density of 250 kg / m 3 or higher may be generated and injected.

(2)吸気通路
吸気通路30には、上流側から順に、エアクリーナ31と、スロットルバルブ32とが設けられており、エアクリーナ31およびスロットルバルブ32を通過した後の空気がエンジン本体1に導入される。
(2) Intake passage The intake passage 30 is provided with an air cleaner 31 and a throttle valve 32 in order from the upstream side, and the air after passing through the air cleaner 31 and the throttle valve 32 is introduced into the engine body 1. .

スロットルバルブ32は、吸気通路30を開閉するものである。ただし、本実施形態では、エンジンの運転中、スロットルバルブ32は基本的に全開もしくはこれに近い開度に維持されており、エンジンの停止時等の限られた運転条件のときにのみ閉弁されて吸気通路30を遮断する。   The throttle valve 32 opens and closes the intake passage 30. However, in the present embodiment, during engine operation, the throttle valve 32 is basically fully opened or close to the opening, and is closed only under limited operating conditions such as when the engine is stopped. Then, the intake passage 30 is shut off.

(3)排気通路
排気通路40には、上流側から順に、排気を浄化するための浄化装置41、熱交換器42、コンデンサー43、排気シャッターバルブ44が設けられている。熱交換器42およびコンデンサー43は、水循環装置60の一部を構成するものである。浄化装置41は、例えば、三元触媒41からなる。
(3) Exhaust passage The exhaust passage 40 is provided with a purification device 41 for purifying exhaust, a heat exchanger 42, a condenser 43, and an exhaust shutter valve 44 in order from the upstream side. The heat exchanger 42 and the condenser 43 constitute a part of the water circulation device 60. The purification device 41 includes, for example, a three-way catalyst 41.

本実施形態では、図1等に示すように、浄化装置41と熱交換器42とは、これらを保温するための蓄熱用ケース49の内側に収容されている。蓄熱用ケース49は、二重管構造を有しており、その外周壁の内側には、空間49aが形成されている。この空間49aには、蓄熱材が充填されており、この蓄熱材により、浄化装置41および熱交換器42は保温される。すなわち、蓄熱用ケース49の内側に位置する浄化装置41等に高温の排気が流入すると、この排気により空間49c内の蓄熱材は暖められ、この蓄熱材によって浄化装置41および熱交換器42は保温される。蓄熱材としては、例えば、エルスルトール等のように加熱されることで溶融してこれにより熱エネルギーを蓄熱する潜熱蓄熱材や、塩化カルシウム等のように加熱されることで化学反応してこれにより熱エネルギーを蓄熱する化学蓄熱材等が挙げられる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 1 and the like, the purification device 41 and the heat exchanger 42 are accommodated inside a heat storage case 49 for keeping them warm. The heat storage case 49 has a double tube structure, and a space 49a is formed inside the outer peripheral wall. The space 49a is filled with a heat storage material, and the heat purification material 41 and the heat exchanger 42 are kept warm by the heat storage material. That is, when high-temperature exhaust flows into the purification device 41 or the like located inside the heat storage case 49, the heat storage material in the space 49c is warmed by the exhaust, and the purification device 41 and the heat exchanger 42 are kept warm by this heat storage material. Is done. As the heat storage material, for example, a latent heat storage material that melts by being heated like Elsultol and stores heat energy thereby, or a chemical reaction by being heated like calcium chloride, etc. Examples include chemical heat storage materials that store energy.

排気シャッターバルブ44は、EGRガスの吸気通路30への還流を促進するためのものである。   The exhaust shutter valve 44 is for accelerating the recirculation of EGR gas to the intake passage 30.

すなわち、本実施形態のエンジンシステムでは、吸気通路30のうちスロットルバルブ32よりも下流側の部分と、排気通路40のうち浄化装置41よりも上流側の部分とを連通するEGR通路51が設けられており、排気の一部がEGRガスとして吸気通路30に還流される。排気シャッターバルブ44は、排気通路40を開閉可能なバルブであり、EGRを実施する場合であって排気通路40の圧力が低い場合に閉弁側に操作されることでEGR通路51の上流側の部分の圧力を高めてEGRガスの還流を促進する。   That is, in the engine system of the present embodiment, an EGR passage 51 that communicates a portion of the intake passage 30 downstream of the throttle valve 32 and a portion of the exhaust passage 40 upstream of the purification device 41 is provided. A part of the exhaust gas is recirculated to the intake passage 30 as EGR gas. The exhaust shutter valve 44 is a valve capable of opening and closing the exhaust passage 40, and is operated to the valve closing side when EGR is performed and the pressure of the exhaust passage 40 is low, so that the upstream side of the EGR passage 51 is operated. Increase the pressure of the part to promote the reflux of EGR gas.

EGR通路51には、これを開閉するEGRバルブ52が設けられており、EGRバルブ52の開弁量によって吸気通路30に還流されるEGRガスの量が調整される。また、本実施形態では、EGR通路51に、これを通過するEGRガスを冷却するためのEGRクーラ53が設けられており、EGRガスはEGRクーラ53にて冷却された後吸気通路30に還流される。   The EGR passage 51 is provided with an EGR valve 52 that opens and closes the EGR passage 51, and the amount of EGR gas recirculated to the intake passage 30 is adjusted by the amount of opening of the EGR valve 52. In the present embodiment, the EGR passage 51 is provided with an EGR cooler 53 for cooling the EGR gas passing through the EGR passage 51, and the EGR gas is cooled by the EGR cooler 53 and then returned to the intake passage 30. The

(4)水循環装置
水循環装置60は、排気の熱エネルギーを利用して超臨界水を生成するためのものである。
(4) Water Circulation Device The water circulation device 60 is for generating supercritical water using the thermal energy of the exhaust.

水循環装置60は、ヒートパイプ70、熱交換器42およびコンデンサー43に加えて、水噴射装置22とコンデンサー43とを接続する水供給通路61と、水タンク62と、低圧ポンプ63と、高圧ポンプ64とを備えている。   In addition to the heat pipe 70, the heat exchanger 42, and the condenser 43, the water circulation device 60 includes a water supply passage 61 that connects the water injection device 22 and the condenser 43, a water tank 62, a low pressure pump 63, and a high pressure pump 64. And.

コンデンサー43は、排気通路40を通過する排気中の水(水蒸気)を凝縮するためのものであり、コンデンサー43で凝縮した水が水噴射装置22に供給される。このように、本実施形態では、排気中の水が気筒2内に噴射される水として利用される。水タンク62は、内側に凝縮水を貯留するものである。コンデンサー43で生成された凝縮水は、水供給通路61を介して水タンク62に導入され水タンク62内で貯留される。   The condenser 43 is for condensing water (water vapor) in the exhaust gas passing through the exhaust passage 40, and the water condensed in the condenser 43 is supplied to the water injection device 22. Thus, in the present embodiment, water in the exhaust is used as water that is injected into the cylinder 2. The water tank 62 stores condensed water inside. The condensed water generated by the condenser 43 is introduced into the water tank 62 via the water supply passage 61 and stored in the water tank 62.

低圧ポンプ63は、水タンク62内の凝縮水を熱交換器42に送り込むためのポンプであり、水供給通路61のうち水タンク62と熱交換器42との間に配置されている。水タンク62内の凝縮水は、低圧ポンプ63によって熱交換器42に送り込まれる。   The low-pressure pump 63 is a pump for feeding the condensed water in the water tank 62 to the heat exchanger 42, and is disposed between the water tank 62 and the heat exchanger 42 in the water supply passage 61. The condensed water in the water tank 62 is sent to the heat exchanger 42 by the low pressure pump 63.

熱交換器42は、低圧ポンプ63から圧送された凝縮水と、排気通路40を通過する排気との間で熱交換を行わせるためのものである。熱交換器42は、排気通路40のうち浄化装置41の下流側の部分に、浄化装置41に隣接して配置されている。   The heat exchanger 42 is for causing heat exchange between the condensed water pumped from the low pressure pump 63 and the exhaust gas passing through the exhaust passage 40. The heat exchanger 42 is disposed adjacent to the purification device 41 in a portion of the exhaust passage 40 on the downstream side of the purification device 41.

本実施形態では、水供給通路61の一部61aが排気通路40の内側に挿通されることで熱交換器42が形成されており、この水供給通路61の一部61aが、排気通路40のうち浄化装置41のすぐ下流側の部分の内側に挿通されている。以下では、適宜、水供給通路61のうち排気通路40に挿入されている部分を熱交換通路61aという。   In the present embodiment, the heat exchanger 42 is formed by inserting a part 61 a of the water supply passage 61 into the exhaust passage 40, and the part 61 a of the water supply passage 61 is connected to the exhaust passage 40. Of these, the inside of the part immediately downstream of the purification device 41 is inserted. Hereinafter, the portion of the water supply passage 61 that is inserted into the exhaust passage 40 will be referred to as a heat exchange passage 61a.

熱交換通路61aは、蓄熱用ケース49の内側に位置する排気通路40に挿通されており、前記のように、本実施形態では、蓄熱用ケース49により浄化装置41に加えて熱交換器42および熱交換通路61aも保温されている。   The heat exchange passage 61a is inserted into the exhaust passage 40 located inside the heat storage case 49. As described above, in the present embodiment, the heat storage case 49 adds the heat exchanger 42 and the heat exchanger 42 in addition to the purification device 41. The heat exchange passage 61a is also kept warm.

熱交換通路61a内の凝縮水は、排気通路40のうち熱交換通路61aが挿通された部分を通過する排気により昇温される。具体的には、この排気通路40のうち熱交換通路61aが挿通された部分を通過する排気の温度が熱交換通路61a内の凝縮水の温度よりも高いと、排気から凝縮水に熱エネルギーが付与されて、凝縮水が昇温される。ただし、エンジン本体1から排出される排気の温度は常に少なくとも100度以上あり、液体の水である凝縮水の温度よりも排気の温度の方が常に高い。従って、熱交換通路61a内の凝縮水は、常に排気により昇温される。   The condensed water in the heat exchange passage 61a is heated by the exhaust passing through the portion of the exhaust passage 40 where the heat exchange passage 61a is inserted. Specifically, if the temperature of the exhaust gas passing through the portion of the exhaust passage 40 through which the heat exchange passage 61a is inserted is higher than the temperature of the condensed water in the heat exchange passage 61a, thermal energy is transferred from the exhaust to the condensed water. It is given and the condensed water is heated up. However, the temperature of the exhaust discharged from the engine body 1 is always at least 100 degrees or more, and the temperature of the exhaust is always higher than the temperature of the condensed water that is liquid water. Therefore, the temperature of the condensed water in the heat exchange passage 61a is always raised by exhaust.

本実施形態では、前記のように浄化装置41のすぐ下流側に熱交換通路61aが配置されていることで、熱交換通路61a内の凝縮水には、浄化装置41での反応熱も付与されるため、凝縮水は効果的に昇温される。また、熱交換通路61aおよび熱交換通路61aが蓄熱用ケース49により保温されていることによっても凝縮水は効果的に昇温される。   In the present embodiment, the heat exchange passage 61a is arranged immediately downstream of the purification device 41 as described above, so that the heat of reaction in the purification device 41 is also given to the condensed water in the heat exchange passage 61a. Therefore, the temperature of the condensed water is effectively increased. Further, the temperature of the condensed water is also effectively increased by the heat exchange passage 61 a and the heat exchange passage 61 a being kept warm by the heat storage case 49.

高圧ポンプ64は、熱交換器42から水噴射装置22に向けて凝縮水を圧送するためのポンプである。高圧ポンプ64は、水供給通路61のうち熱交換器42すなわち熱交換通路61aとヒートパイプ70との間に配置されている。この高圧ポンプ64は、熱交換器42で昇温された凝縮水を加圧して超臨界水としながら水噴射装置22に送り込む。   The high-pressure pump 64 is a pump for pumping condensed water from the heat exchanger 42 toward the water injection device 22. The high pressure pump 64 is disposed between the heat exchanger 42, that is, the heat exchange passage 61 a and the heat pipe 70 in the water supply passage 61. This high-pressure pump 64 pressurizes the condensed water heated by the heat exchanger 42 and feeds it into the water injection device 22 while making it supercritical water.

ここで、水供給通路61のうち高圧ポンプ64よりも下流側の部分は、高圧ポンプ64で加圧された後の高圧の超臨界水が流通する。そのため、この部分には、高圧用の配管が用いられる。   Here, high-pressure supercritical water after being pressurized by the high-pressure pump 64 flows through a portion of the water supply passage 61 on the downstream side of the high-pressure pump 64. Therefore, high-pressure piping is used for this part.

このように、本実施形態では、基本的には、熱交換器42と高圧ポンプ64とによって凝縮水が昇温昇圧されて超臨界水が生成され、水噴射装置22に供給される。   Thus, in the present embodiment, basically, the condensed water is heated and raised by the heat exchanger 42 and the high-pressure pump 64 to generate supercritical water, which is supplied to the water injection device 22.

ただし、エンジン本体1、詳細には気筒2、から排出された排気の温度が比較的高い場合には、ヒートパイプ70を介してこの高温の排気によって水供給通路61内の水が昇温されるようになっている。   However, when the temperature of the exhaust discharged from the engine body 1, specifically the cylinder 2, is relatively high, the water in the water supply passage 61 is heated by the high-temperature exhaust through the heat pipe 70. It is like that.

すなわち、ヒートパイプ70は、高圧ポンプ64から圧送された水と、排気通路40を通過する排気との間で熱交換を行わせるためのものであるが、ヒートパイプ70は、排気の温度が基準温度以上のときにのみ凝縮水を昇温させる。   That is, the heat pipe 70 is for causing heat exchange between the water pumped from the high-pressure pump 64 and the exhaust gas passing through the exhaust passage 40. The temperature of the condensed water is raised only when the temperature is higher.

本実施形態では、ヒートパイプ70は、所定の方向に延びる略円柱状の外形を有する。図6は、ヒートパイプ70の動作を説明するための概略断面図である。この図6および図2に示すように、ヒートパイプ70は、その長手方向の一方側の端部71が排気ポート17の内側に挿入されて排気と接触するように配置され、他方の端部72が水供給通路61の内側に挿入されて水供給通路61内の水と接触するように配置されている。   In the present embodiment, the heat pipe 70 has a substantially cylindrical outer shape extending in a predetermined direction. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining the operation of the heat pipe 70. As shown in FIGS. 6 and 2, the heat pipe 70 is disposed such that one end 71 in the longitudinal direction is inserted inside the exhaust port 17 and comes into contact with the exhaust, and the other end 72. Is inserted inside the water supply passage 61 so as to be in contact with the water in the water supply passage 61.

図1および図2に示すように、また前記のように、本実施形態では、各排気ポート17にそれぞれヒートパイプ70が挿通されている。具体的には、水供給通路61には、その下流側端付近において、気筒2の配列方向に延びる蓄圧部65が設けられているとともに、この蓄圧部65から各水噴射装置22に向けてそれぞれ独立通路61bが延びている。そして、各排気ポート17にそれぞれ1本ずつヒートパイプ70が設けられており、ヒートパイプ70の各端部71,72がそれぞれ各排気ポート17と蓄圧部65とに挿通されている。   As shown in FIG. 1 and FIG. 2 and as described above, in the present embodiment, the heat pipe 70 is inserted into each exhaust port 17. Specifically, the water supply passage 61 is provided with a pressure accumulating portion 65 extending in the arrangement direction of the cylinders 2 in the vicinity of the downstream end thereof, and from the pressure accumulating portion 65 toward each water injection device 22. An independent passage 61b extends. One heat pipe 70 is provided for each exhaust port 17, and each end 71, 72 of the heat pipe 70 is inserted into each exhaust port 17 and the pressure accumulating portion 65.

本実施形態では、図2に示すように、蓄圧部65はシリンダヘッド4に近接して配置されており、ヒートパイプ70はシリンダヘッド4に内蔵されている。具体的には、蓄圧部65は、排気ポート17よりも上方に位置し、ヒートパイプ70は、排気ポート17の内側空間から上方に延びて蓄圧部65に挿入されている。本実施形態では、ヒートパイプ70の排気ポート17側の端部71に、金属製の板状部材が上下方向に重ね合わされることで構成されたスタックフィン73が設けられており、この端部71に排気ポート17内の排気の熱がより多く伝えられるようになっている。   In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the pressure accumulating portion 65 is disposed close to the cylinder head 4, and the heat pipe 70 is built in the cylinder head 4. Specifically, the pressure accumulating portion 65 is located above the exhaust port 17, and the heat pipe 70 extends upward from the inner space of the exhaust port 17 and is inserted into the pressure accumulating portion 65. In the present embodiment, a stack fin 73 configured by stacking metal plate-like members in the vertical direction is provided at an end 71 of the heat pipe 70 on the exhaust port 17 side. Thus, more heat of the exhaust in the exhaust port 17 is transmitted.

図6に示すように、ヒートパイプ70は、熱伝導性の高い材料(例えば金属)で形成されたパイプ部材であり、その内側には、真空にされた状態で作動媒体Sが液体状態で封入されている。ヒートパイプ70の内壁には、多孔質部材70a(例えば金属製の網)が設けられており、いわゆるウィックとよばれる毛細管構造が形成されている。   As shown in FIG. 6, the heat pipe 70 is a pipe member formed of a material having high thermal conductivity (for example, metal), and inside the working medium S is sealed in a liquid state in a vacuum state. Has been. A porous member 70a (for example, a metal net) is provided on the inner wall of the heat pipe 70, and a capillary structure called a wick is formed.

このヒートパイプ70では、排気ポート17に挿入された一方の端部(以下、適宜、受熱側端部という)71が排気により温められ、その温度が所定の温度以上になると、作動媒体Sが蒸発し、図6の矢印Y10に示すように、水供給通路61に挿入された他方の端部(以下、適宜、放熱側端部という)72に向かって拡散していく。このとき、排気ポート17内の排気の温度は、その熱エネルギーをヒートパイプ70すなわち作動媒体Sに付与することで低下する。そして、前記作動媒体Sの蒸気は、放熱側端部72において水供給通路61に放熱して凝縮し、再び液体に戻る。このとき、水供給通路61内の水は作動媒体Sから熱エネルギーを受けて昇温される。再び液体に戻った作動媒体Sは、前記多孔質部材70aにおける毛細管現象により、図6の矢印Y20に示すように、受熱側端部71に戻り、再度排気から熱エネルギーを奪うことで再び蒸気となり、この熱エネルギーを水供給通路61内の水に付与する。   In this heat pipe 70, one end portion (hereinafter referred to as “heat receiving side end portion” where appropriate) 71 inserted into the exhaust port 17 is warmed by the exhaust, and when the temperature exceeds a predetermined temperature, the working medium S evaporates. Then, as indicated by an arrow Y10 in FIG. 6, it diffuses toward the other end portion (hereinafter referred to as a heat dissipation side end portion) 72 inserted into the water supply passage 61. At this time, the temperature of the exhaust gas in the exhaust port 17 is lowered by applying the heat energy to the heat pipe 70, that is, the working medium S. Then, the vapor of the working medium S dissipates heat in the water supply passage 61 at the heat dissipating side end 72, condenses, and returns to the liquid again. At this time, the water in the water supply passage 61 is heated by receiving heat energy from the working medium S. The working medium S that has returned to the liquid again returns to the heat receiving side end 71 as shown by the arrow Y20 in FIG. 6 due to the capillary phenomenon in the porous member 70a, and again becomes steam by taking the thermal energy from the exhaust again. This thermal energy is applied to the water in the water supply passage 61.

本実施形態では、この熱の移動が生じる排気の温度(基準温度)が650K程度に設定されており、これに対応する作動媒体Sがヒートパイプ70に封入されている。例えば、作動媒体Sとしてセシウムが用いられる。   In the present embodiment, the exhaust gas temperature (reference temperature) at which this heat transfer occurs is set to about 650 K, and the working medium S corresponding thereto is enclosed in the heat pipe 70. For example, cesium is used as the working medium S.

このようにして、本実施形態では、ヒートパイプ70によって、排気の温度が所定温度以上の高温になり作動媒体Sの温度が沸点以上になると、排気ポート17内の排気の熱エネルギーが水供給通路61に付与されて水供給通路61内の水が昇温される。従って、熱交換器42によって水供給通路61内の水が排気によってほぼ常時昇温されるとともに、排気の温度が基準温度以上の高温の場合には、ヒートパイプ70によってさらに水供給通路61内の水が排気によって昇温されるようになっており、排気のエネルギーを効果的に利用して超臨界水を生成することができる。特に、ヒートパイプ70が気筒2に近い位置に配置されているため、ヒートパイプ70によって、排気の高い熱エネルギーを利用して水供給通路61内の水を効果的に昇温させることができる。また、排気の温度が過剰に高い場合にはヒートパイプ70によって浄化装置41に流入する排気の温度を低く抑えることができ、かつ、排気の温度が低い場合にはこの排気をそのまま浄化装置41に流入させて浄化装置41に温度を高く維持することができ、浄化装置41の温度を適切な範囲に維持することができる。   Thus, in the present embodiment, when the temperature of the exhaust gas becomes higher than the predetermined temperature by the heat pipe 70 and the temperature of the working medium S becomes higher than the boiling point, the heat energy of the exhaust gas in the exhaust port 17 is changed to the water supply passage. The water in the water supply passage 61 is heated by being given to 61. Therefore, the water in the water supply passage 61 is almost always heated by the exhaust gas by the heat exchanger 42, and when the temperature of the exhaust gas is higher than the reference temperature, the heat pipe 70 further supplies the water in the water supply passage 61. Water is heated by exhaust gas, and supercritical water can be generated by effectively using the energy of the exhaust gas. In particular, since the heat pipe 70 is disposed at a position close to the cylinder 2, the heat pipe 70 can effectively raise the temperature of the water in the water supply passage 61 using the high heat energy of the exhaust. Further, when the temperature of the exhaust gas is excessively high, the temperature of the exhaust gas flowing into the purification device 41 can be kept low by the heat pipe 70, and when the temperature of the exhaust gas is low, the exhaust gas is directly passed to the purification device 41. The temperature can be maintained high in the purification device 41 by flowing in, and the temperature of the purification device 41 can be maintained in an appropriate range.

(5)制御系統
(5−1)システム構成
図7は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示すように、当実施形態のエンジンシステムは、PCM(パワートレイン・コントロール・モジュール、制御手段)100によって統括的に制御される。PCM100は、周知のとおり、CPU、ROM、RAM等から構成されるマイクロプロセッサである。
(5) Control System (5-1) System Configuration FIG. 7 is a block diagram showing an engine control system. As shown in the figure, the engine system of the present embodiment is comprehensively controlled by a PCM (powertrain control module, control means) 100. As is well known, the PCM 100 is a microprocessor including a CPU, a ROM, a RAM, and the like.

PCM100は、エンジンの運転状態を検出するための各種センサと電気的に接続されている。   The PCM 100 is electrically connected to various sensors for detecting the operating state of the engine.

例えば、シリンダブロック3には、クランク軸の回転角度および回転速度すなわちエンジン回転数を検出するクランク角センサSN1が設けられている。また、吸気通路30のうちエアクリーナ31とスロットルバルブ32との間の部分には、エアクリーナ31を通過して各気筒2に吸入される空気量(新気量)を検出するエアフローセンサSN2が設けられている。また、車両には、運転者により操作される図外のアクセルペダルの開度(アクセル開度)を検出するアクセル開度センサSN3が設けられている。   For example, the cylinder block 3 is provided with a crank angle sensor SN1 that detects a rotation angle and a rotation speed of the crankshaft, that is, an engine speed. An air flow sensor SN2 that detects the amount of air (fresh air amount) that passes through the air cleaner 31 and is sucked into each cylinder 2 is provided in a portion of the intake passage 30 between the air cleaner 31 and the throttle valve 32. ing. Further, the vehicle is provided with an accelerator opening sensor SN3 for detecting the opening degree of an accelerator pedal (accelerator opening degree) operated by the driver, which is not shown.

PCM100は、前記各種センサからの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、PCM100は、燃料噴射装置21、水噴射装置22、スロットルバルブ32、排気シャッターバルブ44、EGRバルブ52、低圧ポンプ63、高圧ポンプ64等と電気的に接続されており、前記演算の結果等に基づいてこれらの機器にそれぞれ駆動用の制御信号を出力する。   The PCM 100 controls each part of the engine while executing various determinations and calculations based on input signals from the various sensors. That is, the PCM 100 is electrically connected to the fuel injection device 21, the water injection device 22, the throttle valve 32, the exhaust shutter valve 44, the EGR valve 52, the low pressure pump 63, the high pressure pump 64, and the like. Based on the above, a drive control signal is output to each of these devices.

図8は、横軸がエンジン回転数、縦軸がエンジン負荷の制御マップを示している。本実施形態では、制御領域として、エンジン負荷が予め設定された基準負荷Tq1未満の低負荷領域A1と、エンジン負荷が基準負荷Tq1以上の高負荷領域(水噴射領域)A2とが設定されている。以下に、各領域A1、A2の制御内容について説明する。   FIG. 8 shows a control map of the engine speed on the horizontal axis and the engine load on the vertical axis. In the present embodiment, a low load region A1 where the engine load is less than a preset reference load Tq1 and a high load region (water injection region) A2 where the engine load is greater than or equal to the reference load Tq1 are set as the control region. . Below, the control content of each area | region A1, A2 is demonstrated.

(5−2)低負荷領域
低負荷領域A1では、要求されるエンジントルクが小さいため有効圧縮比を小さくすることができる。そこで、低負荷領域A1では、ポンピングロスを小さく抑えてエネルギー効率を高めるべく有効圧縮比が小さい値とされる。例えば、有効圧縮比は15よりも小さい値に抑えられる。具体的には、吸気弁18が吸気下死点よりも遅角側であって比較的遅い時期に閉弁され、これによって有効圧縮比が小さくされる。
(5-2) Low load region In the low load region A1, the required engine torque is small, so the effective compression ratio can be reduced. Therefore, in the low load region A1, the effective compression ratio is set to a small value in order to suppress the pumping loss and increase the energy efficiency. For example, the effective compression ratio is suppressed to a value smaller than 15. Specifically, the intake valve 18 is closed at a later timing than the intake bottom dead center and relatively late, thereby reducing the effective compression ratio.

低負荷領域A1では、混合気の発熱量が小さく燃焼温度が比較的低いため、燃焼により生成されるNOx(いわゆるRaw NOx)が少なく抑えられる。そのため、この領域A1では、三元触媒41によりNOxを浄化させる必要がなく、空燃比を三元触媒によるNOx浄化が可能な理論空燃比にする必要がない。そこで、低負荷領域A1では、燃費性能を高めるべく混合気の空燃比がリーンすなわち空気過剰率λ>1とされる。   In the low load region A1, since the calorific value of the air-fuel mixture is small and the combustion temperature is relatively low, NOx (so-called Raw NOx) generated by combustion is suppressed to a small amount. Therefore, in this region A1, it is not necessary to purify NOx by the three-way catalyst 41, and the air-fuel ratio does not have to be a stoichiometric air-fuel ratio that can be purified by the three-way catalyst. Therefore, in the low load region A1, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is made lean, that is, the excess air ratio λ> 1 in order to improve fuel efficiency.

低負荷領域A1では、EGRガスが気筒2内に還流される。すなわち、低負荷領域A1では、EGRバルブ52が開弁されて、排気通路40内の排ガスの一部がEGRガスとして吸気通路30に還流される。また、エンジン負荷が非常に低く、排気通路40内の圧力すなわちEGR通路51の上流側の圧力が低い運転領域では、排気シャッターバルブ44が閉じ側に制御されてEGRガスの還流が促進される。   In the low load region A1, the EGR gas is recirculated into the cylinder 2. That is, in the low load region A1, the EGR valve 52 is opened, and a part of the exhaust gas in the exhaust passage 40 is recirculated to the intake passage 30 as EGR gas. Further, in an operation region where the engine load is very low and the pressure in the exhaust passage 40, that is, the pressure on the upstream side of the EGR passage 51 is low, the exhaust shutter valve 44 is controlled to the closed side to promote the recirculation of EGR gas.

本実施形態では、低負荷領域A1において、燃料量に対する燃焼室6内の全ガス重量の割合であるG/Fが35以上となるようにEGRガスが還流される。また、エンジン負荷が高いほどEGR率(気筒2内の全ガス容量のうちEGRガスの容量が占める割合)が大きくされる。   In the present embodiment, in the low load region A1, the EGR gas is recirculated so that G / F, which is the ratio of the total gas weight in the combustion chamber 6 to the fuel amount, is 35 or more. Further, as the engine load is higher, the EGR rate (the ratio of the EGR gas capacity to the total gas capacity in the cylinder 2) is increased.

低負荷領域A1では、水噴射装置22による燃焼室6内への超臨界水の噴射は停止される。そして、これに伴い低圧ポンプ63および高圧ポンプ64の駆動が停止される。   In the low load region A1, the supercritical water injection into the combustion chamber 6 by the water injection device 22 is stopped. Accordingly, the driving of the low pressure pump 63 and the high pressure pump 64 is stopped.

低負荷領域A1では、圧縮行程後半(圧縮上死点前90°CA〜圧縮上死点まで)に、燃料噴射装置21によって燃焼室6内にすべての燃料が噴射される。例えば、圧縮上死点前30°CA付近に全燃料が燃焼室6内に噴射される。   In the low load region A1, all fuel is injected into the combustion chamber 6 by the fuel injection device 21 in the latter half of the compression stroke (from 90 ° CA before compression top dead center to compression top dead center). For example, all the fuel is injected into the combustion chamber 6 near 30 ° CA before compression top dead center.

(5−3)高負荷領域
高負荷領域A2では、エンジントルクを確保するために有効圧縮比が低負荷領域A1での有効圧縮比よりも大きくされる。本実施形態では、高負荷領域A2において、有効圧縮比が15以上とされる。具体的には、吸気弁18の閉弁時期が低負荷領域A1における閉弁時期よりも進角側とされ、これによって有効圧縮比が低負荷領域A1よりも高くされる。
(5-3) High load region In the high load region A2, the effective compression ratio is made larger than the effective compression ratio in the low load region A1 in order to ensure engine torque. In the present embodiment, the effective compression ratio is 15 or more in the high load region A2. Specifically, the valve closing timing of the intake valve 18 is set to an advance side with respect to the valve closing timing in the low load region A1, and thereby the effective compression ratio is made higher than that in the low load region A1.

高負荷領域A2では、三元触媒によるNOx浄化が可能となるように、空燃比が理論空燃比とされる。すなわち、空気過剰率λが1とされる。また、高負荷領域A2では、EGRバルブ52が閉弁されてEGRガスの還流が停止され、G/Fが35より小さい値とされる。   In the high load region A2, the air-fuel ratio is set to the stoichiometric air-fuel ratio so that NOx purification by the three-way catalyst is possible. That is, the excess air ratio λ is set to 1. In the high load region A2, the EGR valve 52 is closed to stop the recirculation of the EGR gas, and the G / F is set to a value smaller than 35.

ここで、高負荷領域A2では、エンジン負荷が高く燃焼室6内に噴射される燃料および発熱量が多いために燃焼室6内の温度が高くなる。特に、本実施形態では有効圧縮比が高いことに伴い燃焼室6内の温度はさらに高くなる。そのため、高負荷領域A2では冷却損失が大きくなるおそれがある。また、燃焼室6内の温度が高いことに伴って、高負荷領域A2では、特に、燃料と空気とが十分に混合していない状態すなわち燃焼室6内において混合気が均質でない状態(混合気の空燃比が不均一である状態)で燃焼が開始するとスモークが悪化するおそれがある。   Here, in the high load region A2, the temperature in the combustion chamber 6 increases because the engine load is high and the amount of fuel and heat generated in the combustion chamber 6 is large. In particular, in this embodiment, the temperature in the combustion chamber 6 becomes higher as the effective compression ratio is higher. Therefore, the cooling loss may increase in the high load region A2. Further, as the temperature in the combustion chamber 6 increases, particularly in the high load region A2, the fuel and air are not sufficiently mixed, that is, the air-fuel mixture is not homogeneous in the combustion chamber 6 (air-fuel mixture). If the combustion is started in a state where the air-fuel ratio of the fuel is not uniform, smoke may be deteriorated.

そこで、高負荷領域A2では、燃焼室6内の混合気がより均質化された状態で燃焼が開始するように、複数回に分けて燃料を気筒2内に噴射する。具体的には、圧縮行程前半(吸気下死点〜圧縮上死点前90°CAまで)に比較的多量の燃料を噴射し、圧縮行程後半に残りの燃料の一部を噴射し、さらにその後圧縮上死点よりもわずかに進角側の時期に残りの燃料を噴射する。これにより、混合気を均質化させつつ、この混合気を圧縮上死点後に自着火させる。   Therefore, in the high load region A2, the fuel is injected into the cylinder 2 in a plurality of times so that combustion starts in a state where the air-fuel mixture in the combustion chamber 6 is more homogenized. Specifically, a relatively large amount of fuel is injected in the first half of the compression stroke (from intake bottom dead center to 90 ° CA before compression top dead center), and a part of the remaining fuel is injected in the second half of the compression stroke. The remaining fuel is injected at a timing slightly ahead of the compression top dead center. Thus, the air-fuel mixture is made to self-ignite after compression top dead center while the air-fuel mixture is homogenized.

また、高負荷領域A2では、燃焼室6の壁面に超臨界水の層X(図10参照)が形成されるように、水噴射装置22によって燃焼室6内に超臨界水を噴射させる。すなわち、圧ポンプ63および高圧ポンプ64を駆動して、水噴射装置22から燃焼室6内に超臨界水を噴射させる。   Further, in the high load region A2, supercritical water is injected into the combustion chamber 6 by the water injection device 22 so that the supercritical water layer X (see FIG. 10) is formed on the wall surface of the combustion chamber 6. That is, the pressure pump 63 and the high pressure pump 64 are driven to inject supercritical water into the combustion chamber 6 from the water injection device 22.

図9は、高負荷領域A2での水噴射のタイミング、吸気弁18のリフトカーブ、燃焼室6内の圧力すなわち気筒2内の圧力である筒内圧を示したものである。なお、図9には、有効圧縮比を異ならせたときの複数の筒内圧の変化を示している。   FIG. 9 shows the timing of water injection in the high load region A2, the lift curve of the intake valve 18, the pressure in the combustion chamber 6, that is, the in-cylinder pressure that is the pressure in the cylinder 2. FIG. 9 shows a plurality of in-cylinder pressure changes when the effective compression ratio is varied.

図9に示すように、高負荷領域A2では、燃料と空気の混合気が燃焼を開始する前であって、圧縮行程を初期と中期と後期とに分けたときの圧縮行程の後期(圧縮上死点前60°CA〜圧縮上死点)の所定時期t2に後段水噴射W2が実施される。また、圧縮行程の後期よりも前であって吸気弁18の閉弁時期IVCよりも遅角側の時期t1に前段水噴射W1が実施される。   As shown in FIG. 9, in the high load region A2, before the combustion of the fuel and air mixture starts combustion, the latter half of the compression stroke (on the compression side) when the compression stroke is divided into the initial stage, the middle stage, and the latter stage. Subsequent water injection W2 is performed at a predetermined time t2 (60 ° CA before dead center to compression top dead center). Further, the pre-stage water injection W1 is performed before the later stage of the compression stroke and at a timing t1 that is retarded from the closing timing IVC of the intake valve 18.

本実施形態では、圧縮行程の初期(吸気下死点BDC〜圧縮上死点前120°CA)に前段水噴射W1が開始される。また、圧縮行程後期のより遅角側の時期(例えば、圧縮上死点前30°CA〜圧縮上死点)までの間に後段水噴射W2が実施される。   In the present embodiment, the pre-stage water injection W1 is started at the initial stage of the compression stroke (intake bottom dead center BDC to 120 ° CA before compression top dead center). Further, the latter-stage water injection W2 is performed during a later phase of the later stage of the compression stroke (for example, 30 ° CA before compression top dead center to compression top dead center).

このように異なる時期に分割して水噴射が実施されることで、高負荷領域A2では、燃焼室6の壁面全体に遮熱層Xが形成される。   As described above, the water injection is performed at different times, so that the heat shielding layer X is formed on the entire wall surface of the combustion chamber 6 in the high load region A2.

具体的には、前段水噴射W1は、圧縮行程の後期よりも前であって筒内圧P1が比較的低い時期に実施されている。そのため、前段水噴射W1に係る超臨界水の噴霧のペネトレーション(貫徹力)は相対的に高く、超臨界水の噴霧は水噴射装置22からより遠い位置まで飛散する。   Specifically, the pre-stage water injection W1 is performed before the later stage of the compression stroke and at a time when the in-cylinder pressure P1 is relatively low. Therefore, the penetration (penetration force) of the supercritical water spray related to the pre-stage water jet W <b> 1 is relatively high, and the supercritical water spray is scattered to a position farther from the water jet device 22.

なお、図9に示すように、有効圧縮比に応じて筒内圧は変化するが、いずれの有効圧縮比においても圧縮行程後期よりも前における筒内圧は小さく、圧縮行程後期における筒内圧は高くなる。   As shown in FIG. 9, the in-cylinder pressure changes according to the effective compression ratio. However, in any effective compression ratio, the in-cylinder pressure before the latter half of the compression stroke is small, and the in-cylinder pressure at the latter half of the compression stroke becomes high. .

本実施形態では、前記のように水噴射装置22が燃焼室6の天井面4aの中央に位置している。従って、図10に示すように、前段水噴射W1では、超臨界水の噴霧X1は、気筒2の径方向外側に広がりながらピストン5の冠面5aに向かって飛散し、ピストン5の冠面5a全体に到達してこの冠面5a全体に遮熱層Xを形成する。   In the present embodiment, the water injection device 22 is located at the center of the ceiling surface 4a of the combustion chamber 6 as described above. Therefore, as shown in FIG. 10, in the pre-stage water injection W <b> 1, the supercritical water spray X <b> 1 scatters toward the crown surface 5 a of the piston 5 while spreading outward in the radial direction of the cylinder 2, and the crown surface 5 a of the piston 5. The heat shield layer X is formed on the entire crown surface 5a by reaching the entire surface.

一方、後段水噴射W2は、圧縮行程の後期あって筒内圧P2が比較的高い時期に実施されている。そのため、後段水噴射W2に係る超臨界水の噴霧のペネトレーション(貫徹力)は相対的に低く、超臨界水の噴霧の飛散距離は前段水噴射W1に比べて短くなる。そのため、後段水噴射W2に係る超臨界水の噴霧X2は水噴射装置22の周囲に滞留する。本実施形態では、水噴射装置22が前記ように燃焼室6の天井面4aの中央に取付けられていることで、図11に示すように、後段水噴射W2の噴霧X2は、燃焼室6の天井面4aの中央およびその周囲に滞留し、この天井面4aに遮熱層X2を形成する。従って、これら前段水噴射W1と後段水噴射W2とによって、燃焼室6の壁面の全体にわたって遮熱層Xが形成される。   On the other hand, the latter-stage water injection W2 is performed at a later stage of the compression stroke and at a relatively high in-cylinder pressure P2. Therefore, the penetration (penetration force) of the supercritical water spray related to the latter-stage water injection W2 is relatively low, and the scattering distance of the supercritical water spray is shorter than that of the previous-stage water injection W1. Therefore, the supercritical water spray X <b> 2 related to the latter-stage water jet W <b> 2 stays around the water jet device 22. In the present embodiment, since the water injection device 22 is attached to the center of the ceiling surface 4a of the combustion chamber 6 as described above, the spray X2 of the rear-stage water injection W2 is generated in the combustion chamber 6 as shown in FIG. It stays in the center of the ceiling surface 4a and its periphery, and the heat shield layer X2 is formed on the ceiling surface 4a. Therefore, the heat shielding layer X is formed over the entire wall surface of the combustion chamber 6 by the front water injection W1 and the rear water injection W2.

ここで、遮熱層Xを形成するための物質として超臨界水(または亜臨界水)ではなく通常の液体の水を用いることが考えられる。しかしながら、前記のように、通常の液体の水では水蒸気への変化時に潜熱を必要とする。そのため、通常の液体の水を噴射した場合には、水の蒸発に伴って混合気の温度が低下してしまい熱効率が悪化する。   Here, it is conceivable to use normal liquid water instead of supercritical water (or subcritical water) as a material for forming the heat shield layer X. However, as described above, ordinary liquid water requires latent heat when changing to water vapor. Therefore, when normal liquid water is ejected, the temperature of the air-fuel mixture decreases as the water evaporates, and thermal efficiency deteriorates.

そこで、本実施形態では、前記のように、密度が高く、潜熱を必要としない超臨界水を燃焼室6内に噴射して、超臨界水によって遮熱層Xを形成する。   Therefore, in the present embodiment, as described above, supercritical water that has a high density and does not require latent heat is injected into the combustion chamber 6 to form the heat shield layer X with the supercritical water.

(6)作用等
以上のように、本実施形態では、高負荷領域A2にて、燃焼室6内に超臨界水を噴射して燃焼室6の壁面に超臨界水による遮熱層Xを形成していることで、冷却損失を小さく抑えて燃費性能を高めることができる。特に、高負荷領域かつ有効圧縮比が15以上とされた領域A2であって燃焼温度が高くなり冷却損失が大きくなりやすい領域でこの制御を実施しており、冷却損失を効果的に小さく抑えることができる。
(6) Action, etc. As described above, in this embodiment, in the high load region A2, supercritical water is injected into the combustion chamber 6 to form the thermal barrier layer X by the supercritical water on the wall surface of the combustion chamber 6. By doing so, the cooling loss can be kept small and the fuel efficiency can be improved. In particular, this control is performed in the high load region and the region A2 in which the effective compression ratio is 15 or more and the combustion temperature is high and the cooling loss is likely to be large, so that the cooling loss is effectively reduced. Can do.

また、前記のように、高負荷領域A2ではスモークが悪化するおそれがあるが、本実施形態では、燃料と空気とを均質に混合させつつ超臨界水によって遮熱層Xを形成することができ、スモークの悪化を抑制しつつ燃費性能を高めることができる。具体的には、仮に遮熱層を空気で形成した場合には、空気と燃料とを均質に混合することができない。これに対して、本実施形態では、超臨界水で遮熱層Xを形成しているため、遮熱層Xを形成しつつ混合気を均質にすることができ、冷却損失を抑制しつつ適正な燃焼を実現してスモークの悪化を抑制することができる。   Further, as described above, smoke may be deteriorated in the high load region A2, but in this embodiment, the heat shield layer X can be formed by supercritical water while homogeneously mixing fuel and air. The fuel efficiency can be improved while suppressing the deterioration of smoke. Specifically, if the heat shield layer is formed of air, air and fuel cannot be mixed homogeneously. On the other hand, in this embodiment, since the heat shield layer X is formed with supercritical water, the air-fuel mixture can be made homogeneous while forming the heat shield layer X, and it is appropriate while suppressing cooling loss. Can be achieved to suppress the deterioration of smoke.

特に、本実施形態では、圧縮行程の後期とこれよりも前とに分けて燃焼室6内に超臨界水が噴射されることで、前記のように、燃焼室6の壁面全体により確実に超臨界水を存在させることができる。従って、適正な燃焼を実現しつつ、超臨界水により形成された遮熱層Xによってより確実に冷却損失を抑えることができる。   In particular, in the present embodiment, supercritical water is injected into the combustion chamber 6 separately at the later stage of the compression stroke and before this, so that it is reliably exceeded by the entire wall surface of the combustion chamber 6 as described above. Critical water can be present. Therefore, the cooling loss can be more reliably suppressed by the heat shield layer X formed of supercritical water while realizing proper combustion.

また、前記実施形態では、吸気弁18の閉弁後に前段水噴射W1が実施されている。そのため、吸気ポート16から吸気が流入することに伴って燃焼室6内に生じる気流が前段水噴射W1に係る水の噴霧に及ぼす影響を小さく抑えることができる。そのため、前段水噴射W1に係る水の噴霧をより確実に燃焼室6の壁面のうち比較的遠い部分に到達させることができる。   In the above embodiment, the pre-stage water injection W1 is performed after the intake valve 18 is closed. Therefore, the influence of the airflow generated in the combustion chamber 6 as the intake air flows from the intake port 16 on the water spray related to the pre-stage water injection W1 can be reduced. Therefore, it is possible to more reliably cause the water spray related to the front-stage water injection W <b> 1 to reach a relatively far part of the wall surface of the combustion chamber 6.

(7)第2実施形態
前記実施形態では、水噴射装置22が、その先端が燃焼室6の天井面4aの中央に位置して、ピストン5の冠面5aのほぼ中央を臨むように取り付けられている場合について説明したが、水噴射装置22を図12に示すように取り付けてもよい。すなわち、水噴射装置22を、サイド噴射方式として、その先端が燃焼室6の内周面から燃焼室6内を臨むように配置してもよい。詳細には、水噴射装置22を、燃焼室6の天井面4aの中央から気筒2の径方向の一方側(図11における左側)にずれた位置に、気筒2の内周面のうち気筒2の径方向の他方側(図11における右側)の部分を臨む姿勢で取付けてもよい。
(7) 2nd Embodiment In the said embodiment, the water injection apparatus 22 is attached so that the front-end | tip may be located in the center of the ceiling surface 4a of the combustion chamber 6, and may face the substantially center of the crown surface 5a of the piston 5. FIG. However, the water injection device 22 may be attached as shown in FIG. That is, the water injection device 22 may be arranged as a side injection method so that the tip of the water injection device 22 faces the inside of the combustion chamber 6 from the inner peripheral surface of the combustion chamber 6. Specifically, the water injection device 22 is positioned at a position shifted from the center of the ceiling surface 4a of the combustion chamber 6 to one side in the radial direction of the cylinder 2 (left side in FIG. 11). You may attach with the attitude | position which faces the part of the other side (right side in FIG. 11) of radial direction of this.

この第2実施形態において、水噴射装置22と燃料噴射装置21との配置以外は前記第1実施形態と同様であり、第2実施形態においても、高負荷領域A2において、前段水噴射W1と後段水噴射W2が実施される。   The second embodiment is the same as the first embodiment except for the arrangement of the water injection device 22 and the fuel injection device 21. Also in the second embodiment, the front-stage water injection W1 and the rear-stage in the high load region A2. Water injection W2 is performed.

ただし、この第2実施形態では、水噴射装置22が前記のように配置されていることに伴い、図12に示すように、前段水噴射W1に係る超臨界水の噴霧X10は、燃焼室6の壁面のうち気筒2の径方向について水噴射装置22が配置されている側と反対側の部分に向かって飛散する。そして、これにより、図12および図14(図14は、図12に対応する図であって燃焼室6内を上方から見た図)に示すように、ピストン冠面5aのおよそ半分および燃焼室の壁面のおよそ半分であって気筒2の径方向について水噴射装置22が配置されている側と反対側の部分に遮熱層X10_aが形成される。   However, in the second embodiment, as the water injection device 22 is arranged as described above, the supercritical water spray X10 related to the pre-stage water injection W1 is generated in the combustion chamber 6 as shown in FIG. In the radial direction of the cylinder 2 is scattered toward the portion opposite to the side where the water injection device 22 is disposed. Accordingly, as shown in FIGS. 12 and 14 (FIG. 14 is a view corresponding to FIG. 12 and the combustion chamber 6 is viewed from above), approximately half of the piston crown surface 5a and the combustion chamber. The heat shielding layer X10_a is formed in a portion on the opposite side to the side where the water injection device 22 is arranged in the radial direction of the cylinder 2 in about the half of the wall surface.

そして、後段水噴射W2に係る超臨界水の噴霧X20は、図13および図15(図15は図13に対応する図であって燃焼室6内を上方から見た図)に示すように、水噴射装置22の周囲に滞留し、ピストン冠面5aのおよそ半分であって水噴射装置22に近い側の部分と、燃焼室6の天井面4aに遮熱層X20_aが形成される。そして、これにより、燃焼室6の壁面のほぼ全体に遮熱層Xが形成される。   And, as shown in FIG. 13 and FIG. 15 (FIG. 15 is a view corresponding to FIG. 13 and viewing the inside of the combustion chamber 6 from above), the supercritical water spray X20 related to the latter-stage water injection W2 is as follows. A heat shield layer X20_a is formed around the water injection device 22 and is formed on the portion near the water injection device 22 that is approximately half of the piston crown surface 5a and on the ceiling surface 4a of the combustion chamber 6. As a result, the heat shield layer X is formed on almost the entire wall surface of the combustion chamber 6.

従って、この第2実施形態でも、超臨界水により形成された遮熱層Xによって冷却損失が低減されて燃費性能が高められる。   Therefore, also in the second embodiment, the cooling loss is reduced by the heat shield layer X formed of supercritical water, and the fuel efficiency is improved.

(8)他の変形例
ここで、前記実施形態では、高負荷領域A2でのみ、燃焼室6の壁面に超臨界水による遮熱層Xを形成した場合について説明したが、低負荷領域A1において高負荷領域A2と同様の水噴射を実施して燃焼室6の壁面に超臨界水による遮熱層を形成してもよい。また、超臨界水による遮熱層Xを形成する運転領域(前記実施形態における高負荷領域A2)の有効圧縮比は15未満であってもよい。
(8) Other Modifications Here, in the above-described embodiment, the case where the thermal barrier layer X made of supercritical water is formed on the wall surface of the combustion chamber 6 only in the high load region A2, but in the low load region A1. Water injection similar to that in the high load region A <b> 2 may be performed to form a heat shield layer with supercritical water on the wall surface of the combustion chamber 6. Moreover, the effective compression ratio of the operation area | region (high load area | region A2 in the said embodiment) which forms the thermal-insulation layer X by supercritical water may be less than 15.

ただし、エンジン負荷が高い、あるいは、有効圧縮比が高い場合は、燃焼温度が高くなるため、冷却損失が大きくなりやすい。また、スモークが悪化しやすい。そのため、エンジン負荷が高い領域、または、有効圧縮比15以上の領域でのみ超臨界水による遮熱層を形成しても、高い効果を得ることができる。   However, when the engine load is high or the effective compression ratio is high, the combustion temperature becomes high, so that the cooling loss tends to increase. Also, smoke is likely to deteriorate. Therefore, a high effect can be obtained even if the thermal barrier layer made of supercritical water is formed only in a region where the engine load is high or a region where the effective compression ratio is 15 or more.

また、前記実施形態のように、水循環装置60を設け、排ガスの熱エネルギーを利用して超臨界水を生成する場合では、エンジン負荷が低い低負荷領域や有効圧縮比が低い領域では、燃焼温度が低く排ガスの温度が低いために超臨界水を必要量生成できないおそれがある。また、不足したエネルギーを別途設けたヒータ等で補うようにした場合には、エネルギー効率が悪化してしまう。そのため、この場合には、特にエンジン負荷が高いあるいは有効圧縮比が高く排ガスの温度が高い運転領域でのみ超臨界水の噴射を実施するのが好ましい。   Further, as in the above embodiment, in the case where the water circulation device 60 is provided and supercritical water is generated using the thermal energy of the exhaust gas, the combustion temperature is low in the low load region where the engine load is low or in the region where the effective compression ratio is low. The required amount of supercritical water may not be generated due to the low temperature of the exhaust gas. In addition, when the insufficient energy is supplemented by a heater or the like provided separately, the energy efficiency is deteriorated. Therefore, in this case, it is preferable to inject supercritical water only in an operation region where the engine load is high or the effective compression ratio is high and the temperature of the exhaust gas is high.

また、水循環装置60を省略して、前記のように別途設けたヒータ等を用いて超臨界水を生成してもよい。ただし、前記のように水循環装置60を用いればエネルギー効率を高くしつつ着火遅れを適正量確保することができる。   Further, the water circulation device 60 may be omitted, and supercritical water may be generated using a heater or the like separately provided as described above. However, if the water circulation device 60 is used as described above, an appropriate amount of ignition delay can be secured while increasing energy efficiency.

また、前記実施形態では、燃焼室6内に水として超臨界水が噴射される場合について説明したが、前述したように、亜臨界水であって超臨界水に近い性状を有する水を超臨界水の代わりに気筒2内に噴射してもよい。この場合であっても、密度が通常の水よりも高く潜熱が非常に小さいことから着火遅れ時間を長くすることができる。   In the above embodiment, the case where supercritical water is injected as water into the combustion chamber 6 has been described. However, as described above, water that is subcritical water and has properties close to supercritical water is supercritical. You may inject in the cylinder 2 instead of water. Even in this case, since the density is higher than that of normal water and the latent heat is very small, the ignition delay time can be extended.

また、燃焼形態は自着火燃焼に限らず、点火プラグによって混合気が点火されることで燃焼が開始する形態であってもよい。また、燃料として、ガソリンを含まない燃料が用いられてもよい。   The combustion mode is not limited to self-ignition combustion, but may be a mode in which combustion starts when the air-fuel mixture is ignited by an ignition plug. Moreover, the fuel which does not contain gasoline may be used as a fuel.

また、前記実施形態では、キャビティ510がピストン5の冠面5aの中心部に設けられた場合について説明したが、例えば、図16に示すように、キャビティ510がピストン5の冠面5aにおいて気筒2の径方向外側に偏った状態で設けられていてもよい。そして、この場合には、キャビティ510と燃焼室6の壁面とが近接しているため、キャビティ510内で生成された火炎(燃焼ガス)Fと燃焼室6の壁面との接触に伴う冷却損失が非常に大きくなるおそれがある。そのため、このような場合において、前記実施形態に係る超臨界水の噴射を行い燃焼室6の壁面に超臨界水による遮熱層を形成すれば、冷却損失を効果的に低減することができる。   In the above embodiment, the case where the cavity 510 is provided at the center of the crown surface 5a of the piston 5 has been described. For example, as shown in FIG. It may be provided in a state of being biased radially outward. In this case, since the cavity 510 and the wall surface of the combustion chamber 6 are close to each other, there is a cooling loss due to contact between the flame (combustion gas) F generated in the cavity 510 and the wall surface of the combustion chamber 6. May be very large. Therefore, in such a case, the cooling loss can be effectively reduced by injecting the supercritical water according to the above-described embodiment and forming a thermal barrier layer of supercritical water on the wall surface of the combustion chamber 6.

1 エンジン本体
2 気筒
4a 燃焼室の天井面
5 ピストン
5a ピストンの冠面
10 燃焼室
18 吸気弁
21 燃料噴射装置
22 水噴射装置
40 排気通路
41 浄化装置
X 遮熱層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Engine main body 2 Cylinders 4a Combustion chamber ceiling 5 Piston 5a Piston crown 10 Combustion chamber 18 Intake valve 21 Fuel injection device 22 Water injection device 40 Exhaust passage 41 Purification device X Heat insulation layer

Claims (6)

ピストンが気筒に往復動可能に嵌装されるとともに、前記ピストンの冠面を底面とする燃焼室が前記気筒に区画されたエンジンの制御装置において、
前記燃焼室内に燃料を供給する燃料供給装置と、
前記燃焼室内に超臨界水または亜臨界水を噴射する水噴射装置と、
前記燃料供給装置と前記水噴射装置とを含むエンジンの各部を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記エンジンの運転領域の少なくとも一部に設定された水噴射領域において、前記燃焼室内で前記燃料と空気の混合気が燃焼を開始する前かつ圧縮行程の後期に前記超臨界水または亜臨界水を前記燃焼室内に噴射する後段水噴射と、前記圧縮行程の後期よりも前に前記超臨界水または亜臨界水を前記燃焼室内に噴射する前段水噴射とを、前記水噴射装置に実施させることを特徴とするエンジンの制御装置。
In a control device for an engine in which a piston is fitted in a cylinder so as to be capable of reciprocating, and a combustion chamber whose bottom surface is a crown surface of the piston is partitioned into the cylinder,
A fuel supply device for supplying fuel into the combustion chamber;
A water injection device for injecting supercritical water or subcritical water into the combustion chamber;
Control means for controlling each part of the engine including the fuel supply device and the water injection device,
In the water injection region set in at least a part of the engine operation region, the control means includes the supercritical water before the start of combustion of the fuel / air mixture in the combustion chamber and in the latter half of the compression stroke. Alternatively, the water injection device includes: a post-stage water injection for injecting subcritical water into the combustion chamber; and a pre-stage water injection for injecting the supercritical water or subcritical water into the combustion chamber before the latter stage of the compression stroke. An engine control device characterized in that the engine control device is implemented.
請求項1に記載のエンジンの制御装置において、
前記気筒に吸気を導入するための吸気ポートを開閉する吸気弁を備え、
前記制御手段は、前記圧縮行程の後期よりも前かつ前記吸気弁が閉弁した後に、前記水噴射装置に前記前段水噴射を実施させることを特徴とするエンジンの制御装置。
The engine control device according to claim 1,
An intake valve for opening and closing an intake port for introducing intake air into the cylinder;
The engine control device according to claim 1, wherein the control means causes the water injection device to perform the pre-stage water injection before a later stage of the compression stroke and after the intake valve is closed.
請求項1または2に記載のエンジンの制御装置において、
前記水噴射装置は、前記燃焼室の天井面の中央に、前記ピストンの冠面の中央を臨む姿勢で取付けられていることを特徴とするエンジンの制御装置。
The engine control apparatus according to claim 1 or 2,
The engine control device according to claim 1, wherein the water injection device is attached to the center of the ceiling surface of the combustion chamber in a posture facing the center of the crown surface of the piston.
請求項1または2に記載のエンジンの制御装置において、
前記水噴射装置は、前記燃焼室の天井面の中央から前記気筒の径方向の一方側にずれた位置に、前記気筒の径方向の他方側の内周面を臨む姿勢で取付けられていることを特徴とするエンジンの制御装置。
The engine control apparatus according to claim 1 or 2,
The water injection device is mounted in a posture facing the inner peripheral surface on the other side in the radial direction of the cylinder at a position shifted from the center of the ceiling surface of the combustion chamber to one side in the radial direction of the cylinder. An engine control device.
請求項1〜4のいずれかに記載のエンジンの制御装置において、
前記水噴射領域は、エンジン負荷が予め設定された基準負荷以上の領域であることを特徴とするエンジンの制御装置。
The engine control apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The engine control apparatus according to claim 1, wherein the water injection region is a region where an engine load is equal to or greater than a preset reference load.
請求項1〜5のいずれかに記載のエンジンの制御装置において、
前記エンジン本体の幾何学的圧縮比は、18以上35以下に設定されており、
前記水噴射領域における前記エンジン本体の有効圧縮比は、15以上に設定されていることを特徴とするエンジンの制御装置。
The engine control apparatus according to any one of claims 1 to 5,
The geometric compression ratio of the engine body is set to 18 or more and 35 or less,
The engine control apparatus according to claim 1, wherein an effective compression ratio of the engine body in the water injection region is set to 15 or more.
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