JP2017089555A - エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過渡時等におけるエンジンの応答性を高めつつ適正な燃焼を実現することのできるエンジンの制御装置を提供する。
【解決手段】吸気通路３０と排気通路４０とを連通して排気の一部をＥＧＲガスとして気筒２に還流するＥＧＲ通路５１と、気筒２に還流するＥＧＲガスの量を変更して気筒２内のガスのうちＥＧＲガスが占める割合であるＥＧＲ率を変更可能なＥＧＲ率変更手段５２と、気筒２内に水を噴射する水噴射手段２２とを設け、ＥＧＲ率の目標値をエンジン本体１の運転状態に応じて設定して実際のＥＧＲ率がこの目標ＥＧＲ率になるようにＥＧＲ率変更手段５２を制御するとともに、目標ＥＧＲ率が増加すると、水噴射手段２２によって気筒２内に供給される水の量を増加させる。
【選択図】図１０

Description

本発明は、気筒が形成されたエンジン本体と、当該エンジン本体に空気を導入する吸気通路と、前記エンジン本体から外部に排気を排出する排気通路とを備えるエンジンの制御装置に関する。

従来、エンジンにおいて、排気通路と吸気通路とを連通する通路を設け、この通路を介して排気通路内の排気の一部であるＥＧＲガスを吸気通路および気筒に還流させるＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）を実施することが行われている。

例えば、特許文献１には、燃料と空気とを予め混合しておきこの混合気を自着火させるエンジンにおいて、ＥＧＲを実施して気筒内に不活性ガスを導入することで、混合気の着火遅れ時間を増大させ、これにより混合気と燃料との混合を促進させるものが開示されている。

特開２００９−２０９８０９号公報

ＥＧＲガスは、排気通路と吸気通路とを連通する通路および吸気通路を通過した後気筒に導入される。そのため、気筒内のガスのうちＥＧＲガスが占める割合であるＥＧＲ率を増大させる指示を出してから実際にＥＧＲ率が増大するまでには時間の遅れがある。従って、エンジンの過渡時には、ＥＧＲ率が適切に増大せず混合気の適切な燃焼が実現できないおそれがある。例えば、過渡時において、ＥＧＲ率が目標値に到達せずＥＧＲガスが不足すると、混合気が過早着火して燃焼騒音やスモークが増大するおそれ等がある。これに対して、ＥＧＲ率が適切な値に増大するまでの間、過早着火等の不適切な燃焼を回避するために気筒に供給する燃料を少なく抑えることが考えられる。しかしながら、この場合には、加速性能等のエンジンの応答性が悪化する。

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過渡時におけるエンジンの応答性を高め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。

前記課題を解決するために、本発明は、気筒と、当該気筒に吸気を導入する吸気通路と、前記気筒から外部に排気を排出する排気通路とを備えるエンジンの制御装置であって、前記気筒内に燃料を供給する燃料供給手段と、前記吸気通路と前記排気通路とを連通して当該排気通路内の排気の一部をＥＧＲガスとして前記気筒に還流するＥＧＲ通路と、前記気筒に還流するＥＧＲガスの量を変更して、前記気筒内のガスのうち前記ＥＧＲガスが占める割合であるＥＧＲ率を変更可能なＥＧＲ率変更手段と、前記気筒内に水を噴射する水噴射手段と、前記燃料供給手段、前記ＥＧＲ率変更手段および前記水噴射手段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ＥＧＲ率の目標値である目標ＥＧＲ率を前記エンジン本体の運転状態に応じて設定して実際のＥＧＲ率がこの目標ＥＧＲ率になるように前記ＥＧＲ率変更手段を制御するとともに、前記目標ＥＧＲ率が増加すると、前記水噴射手段によって前記気筒内に噴射される水の量を増加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）。

本発明によれば、目標ＥＧＲ率が増大したときに、気筒内に燃料でも空気でもない物質（以下、不活性物質という場合がある）である水が気筒内に噴射される。そのため、ＥＧＲガスの遅れに伴うＥＧＲ率の不足すなわちＥＧＲガス量の不足をこの水で補って気筒内に不活性物質を適切量導入することができる。従って、不活性物質の不足に合わせて燃料を低減する必要がないまたは低減量を少なく抑えることができるため、適正な燃焼を実現しつつエンジンの応答性を高めることができる。

本発明において、前記水噴射手段は、超臨界水または亜臨界水を前記気筒内に噴射するのが好ましい（請求項２）。

このようにすれば、より確実に適切量の水を気筒に導入しつつエネルギーロスを抑制しすることができる。

具体的には、超臨界水または亜臨界水は通常の気体の水（水蒸気）よりも密度が高い。そのため、超臨界水または亜臨界水を気筒内に噴射することにより、気体の水を噴射する場合に比べて多量の水を効率よく気筒内に導入することができる。また、液体の水は蒸発するために潜熱を必要とする一方、超臨界水または亜臨界水は潜熱を必要としないまたは潜熱が小さい。そのため、液体の水を気筒内に噴射した場合には、噴射した水が気筒内で蒸発するのに伴って気筒内の温度が大幅に低下して熱効率が悪化するおそれがある。これに対して、超臨界水または亜臨界水を気筒内に噴射した場合には、このような大幅な温度低下および熱効率の悪化を回避することができる。

また、本発明において、前記制御手段は、前記水噴射手段によって、前記目標ＥＧＲ率の増加に伴って前記気筒内に噴射される水の量を増加させた後、時間とともに当該水の噴射量を減少させていくのが好ましい（請求項３）。

このようにすれば、目標ＥＧＲ率が増大してから実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に到達するまでの間、気筒内の不活性物質の量を適切な量に維持することができる。そのため、より確実に適正な燃焼を実現してエンジン性能を高めることができる。

また、本発明において、前記制御手段は、前記目標ＥＧＲ率が増加したときであって、前記エンジンの減速に伴って前記燃料供給手段から前記気筒内への燃料の供給が停止された後に当該燃料の供給が再開されたときに、前記水噴射手段によって前記気筒内に噴射される水の量を増加させるのが好ましい（請求項４）。

このようにすれば、減速後の加速時であって特に加速性が求められる場合において、適正な燃焼を実現しつつ燃料の減量を抑制することができ効果的にエンジンの応答性を高めることができる。

また、本発明において、前記制御手段は、前記目標ＥＧＲ率が増加したときであって、前記エンジンが搭載された車両が停車するのに伴って前記燃料供給手段から前記気筒内への燃料の供給が自動的に停止された後に当該燃料の供給が再開されたときに、前記水噴射手段によって前記気筒内に噴射される水の量を増加させるのが好ましい（請求項５）。

このようにすれば、燃料の供給が自動的に停止されたときすなわちいわゆるアイドルストップがなされた後の再始動および再加速時であって特に加速性が求められる場合において、適正な燃焼を実現しつつ燃料の減量を抑制することができ効果的にエンジンの応答性を高めることができる。

また、本発明において、前記制御手段は、前記目標ＥＧＲ率が増加したときであって、前記エンジンの負荷が増加したときに、前記水噴射手段によって前記気筒内に噴射される水の量を増加させるのが好ましい（請求項６）。

このようにすれば、エンジンの負荷に応じてＥＧＲ率を適正にしつつエンジンの加速性を効果的に高めることができる。

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過渡時におけるエンジンの応答性を高めることができる。

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。 エンジン本体の概略断面図である。 超臨界水を説明するための水の状態図である。 亜臨界水を説明するための水の状態図である。 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。 エンジンの制御系統を示すブロック図である。 エンジン負荷と目標ＥＧＲ率との関係を示した図である。 Ｆ／Ｃ後の加速およびアイドルストップ後の再始動時のエンジン負荷の変化を説明するための図である。 目標ＥＧＲ率増加時の問題点を説明するための図である。 水噴射に係る制御手順を示したフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る効果を説明するための図である。 本発明の他の実施形態に係るエンジンシステムの構成を示した図である。

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に燃焼用の吸気（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。

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。

（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。

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。

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、燃焼室６の天井面（シリンダヘッド４の下面）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。

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。

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。

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。

シリンダヘッド４には、気筒２内に燃料を噴射する燃料噴射装置（燃料供給手段）２１が設けられている。燃料噴射装置２１は、その先端が気筒２の中心軸付近に位置してピストン５の冠面のほぼ中央を臨むように配置されている。

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。

燃料噴射装置２１からは、エンジン本体１の運転状態に応じたタイミングでこの運転状態に応じた量の燃料が気筒２内に噴射される。本実施形態では、混合気を圧縮上死点（ＴＤＣ）付近で自着火させるために、主として圧縮上死点よりも前に燃料が気筒２内に噴射される。

シリンダヘッド４には、さらに、気筒２内に超臨界水を噴射する水噴射装置（水噴射手段）２２が設けられている。図２に示すように、水噴射装置２２は、サイド噴射方式で水を燃焼室６内に噴射するようにシリンダヘッド４に取り付けられており、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。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。

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し、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。

図３を用いて具体的に説明する。図３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３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。

図３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／ｍ３）を示している。例えば、ＬＲ０．０１は密度が０．０１ｋｇ／ｍ３の等密度線であり、ＬＲ１０００は密度が５００ｋｇ／ｍ３の等密度線である。

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／ｍ３から５００ｋｇ／ｍ３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。

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／ｍ３以上の超臨界水を用いるのが好ましい。

また、図３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。

（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。

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。

（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（昇温装置）、コンデンサー（凝縮器）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。

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。このように蓄熱材により保温されることで、熱交換器４２において後述する熱交換通路６１ａ内の水は効果的に昇温され、浄化装置４１はより適切な温度に維持される。

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。

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と排気通路４０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。図１に示した例では、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のうち触媒装置４１よりも上流側の部分とがＥＧＲ通路５１により連通されている。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。

ＥＧＲ通路５１には、これを開閉するＥＧＲバルブ（ＥＧＲ率変更手段）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。そして、これにより、気筒２内のガスのうちＥＧＲガスが占める割合であるＥＧＲ率が変更される。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にて冷却された後に吸気通路３０に還流する。

気筒２内に燃料および空気以外の不活性物質であるＥＧＲガスが導入されると、気筒２内の全ガス量に対する燃料および空気の割合が小さくされるとともに気筒２内のガス温度の上昇が小さく抑えられる。そのため、燃料と空気の反応速度を小さく抑えて着火遅れ時間（燃料が気筒２内に供給されてから混合気の燃焼が開始するまでの時間）を長くすることができる。そして、着火遅れ時間を長くすれば、燃料と空気とを十分に混合した後に燃焼させることができ、適正な予混合圧縮自着火燃焼を実現することができる。

（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。

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。

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。

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。

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。

本実施形態では、水供給通路６１の一部６１ａが排気通路４０の内側に挿通されて、これらが接触することで熱交換器４２が形成されている。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。

熱交換通路６１ａは、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。詳細には、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に挿通されている。そして、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も保温されている。

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。

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。

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。

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。

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。

ただし、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。

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。

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５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５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。

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。

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。

図５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。

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５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５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。

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。

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、排気のエネルギーが効果的に利用されながら超臨界水が生成される。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。

（５）制御系統
図６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。

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。

例えば、シリンダブロック３には、ピストン５に連結された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に吸入される吸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。

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。

例えば、前記のように、スロットルバルブ３２は、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するよう構成されており、ＰＣＭ１００はこの運転条件のときにスロットルバルブ３２を閉弁させる。

また、ＰＣＭ１００は、前記のように、燃料噴射装置２１に、主として圧縮上死点前に気筒２内に燃料を噴射させる。

また、ＰＣＭ１００は、図７に示すように目標ＥＧＲ率を設定し、この目標ＥＧＲ率が実現されるようにＥＧＲバルブ５２の開度を制御する。

本実施形態では、エンジン負荷が基準負荷Ｔ１未満の低負荷領域Ｂ１では、エンジン負荷が高いほど目標ＥＧＲ率が高くなるように設定され、エンジン負荷が基準負荷Ｔ１以上の高負荷領域Ｂ２では、エンジン負荷が高いほど目標ＥＧＲ率が低くなるように設定されている。前記のように、ＥＧＲガスを気筒２内に導入すれば着火遅れ時間を長くすることができる。そして、エンジン負荷が高いほど着火遅れ時間は短くなりやすい。そこで、本実施形態では、低負荷領域Ｂ１において、各エンジン負荷において着火遅れ時間が適正量となって適正な予混合圧縮自着火燃焼が実現されるように、エンジン負荷が高いほど目標ＥＧＲ率を高く設定する。ただし、エンジン負荷が基準負荷Ｔ１以上の比較的高い運転領域ではエンジントルクを確保するために気筒２内に導入される吸気量（新気量）を多く確保する必要がある。そこで、本実施形態では、高負荷領域Ｂ２では、気筒２内に燃料を分割して噴射する等により着火遅れ時間を適正にしつつ、エンジン負荷に対応した吸気量を確保するべく、エンジン負荷が高いほど目標ＥＧＲ率を低く設定する。

ＰＣＭ１００は、この目標ＥＧＲ率が実現されるようにＥＧＲバルブ５２の開度を変更する。例えば、目標ＥＧＲ率が高いときにはＥＧＲバルブ５２の開度を開き側に制御する。また、ＰＣＭ１００は、ＥＧＲガスを気筒２内に導入する場合であってエンジン負荷が低く排気通路４０の圧力が低い場合には、前記のように、排気シャッターバルブ４４を閉弁側に操作してＥＧＲガスの還流を促進する。

ここで、ＥＧＲガスは、排気通路４０からＥＧＲ通路５１および吸気通路３０を通過して気筒２内に還流する。そのため、ＰＣＭ１００がＥＧＲバルブ５２に指令を出してから、気筒２内に導入されるＥＧＲガス量およびＥＧＲ率が実際に変化するまでの時間には遅れがある。そして、このようにＥＧＲ率の変化が遅れると着火遅れ時間が適正量確保されず適正な予混合圧縮自着火燃焼が実現されなくなる。具体的には、ＥＧＲガス量が不足して着火遅れ時間が短くなる結果、いわゆる過早着火が生じてスモークや燃焼騒音が悪化するおそれがある。

これに対して、例えば、ＥＧＲ率が目標値に到達するまで気筒２内に供給される燃料の量を小さくすることが考えられる。しかしながら、この場合には、エンジントルクの応答性が悪くなる。

特に、図８のラインＬ１に示すように、アイドルストップが実施されてから、すなわち、車両が停車するのに伴って気筒２内への燃料の供給が自動的に停止されてから、エンジンを再始動および再加速する時や、図８のラインＬ２で示すように減速に伴って気筒２内への燃料供給が停止されてから加速する時、すなわち、減速後の加速時には、エンジン負荷（エンジントルク）を例えば点Ａ１や点Ａ２から点Ａ１０まで急激に増大させることが求められ、同時に、図７に示すように、点Ａ１や点Ａ２から点Ａ１０までＥＧＲ率を急激に増大させることが求められるが、このときに仮にＥＧＲ率の遅れに合わせて気筒２に供給する燃料量を制限してしまうとエンジントルクが増大せず加速性が著しく悪化してしまう。また、加速時であってラインＬ３およびＬ４で示すようにエンジン負荷が低い状態（Ａ３等）からエンジン負荷が高い状態（Ａ１０やＡ２０）への移行時にも、ＥＧＲ率が増加する場合があるため、同様の問題が生じる。

図９を用いて具体的に説明する。図９は、エンジントルク、噴射量（燃料噴射量であって気筒２内に供給される燃料量）、ＥＧＲ率の時間変化を示した図である。この図９に示すように、時刻ｔ１にて、アイドルストップからの再始動、減速からの加速、エンジン負荷が増大する加速が行われると、エンジントルクの目標値である目標トルク（破線）は急増し、これに伴い目標ＥＧＲ率（破線）も急増する。しかしながら、実線で示すように、実際のＥＧＲ率は目標ＥＧＲ率にすぐには追従しない。そのため、過早着火等が生じる。これに対して、仮に実際のＥＧＲ率に合わせて燃料噴射量を要求噴射量（目標トルクに対応する燃料噴射量）よりも少なく抑えると、過早着火は抑制されるが、得られるエンジントルクは実線のようになり、実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に到達する時刻ｔ２まで目標トルクが実現されず、加速感が悪化する。

そこで、本実施形態では、目標ＥＧＲ率が増加したときであって、再始動、減速からの加速、エンジン負荷が増大する加速時には、ＥＧＲガスの不足を水によって補うべく水噴射装置２２から気筒２内に超臨界水を噴射する。すなわち、水は、燃料でも空気でもなく、気筒２内においてＥＧＲガスと同様に不活性物質として作用するため、この水を気筒２内に噴射することでＥＧＲガスの不足量を補い、気筒２内に不活性物質を適正な量存在させる。

図１０を用いてこの水噴射の制御手順を具体的に説明する。

まず、ステップＳｐ１にて、目標ＥＧＲ率が増加したか否かを判定する。この判定がＮＯであって目標ＥＧＲ率が増加していない場合は、そのまま処理を終了する。一方、この判定がＹＥＳであって目標ＥＧＲ率が増加した場合は、ステップＳｐ２に進む。なお、前記のように、このとき、ＥＧＲバルブ５２は、目標ＥＧＲ率の増加に応じて開き側に制御される。

ステップＳｐ２では、減速に伴う燃料供給停止（Ｆ／Ｃ：フューエルカット）後の加速であるか、または、エンジン負荷が増大する加速時であるか、または、アイドルストップ後のエンジンの再始動および再加速時であるかを判定する。例えば、減速後の加速であるか否かは、燃料噴射装置２２に対する指令に基づいて判定することができる。また、エンジン負荷が増大する加速時であるか否かは、アクセル開度センサＳＮ３からの信号に基づき算出されるエンジン負荷に基づいて判定することができる。また、アイドルストップ後のエンジンの再始動および再加速時であるか否かは、別途演算されている再始動の実施に係る信号と前記エンジン負荷とに基づいて判定することができる。

ステップＳｐ２の判定がＮＯの場合は、そのまま処理を終了する。一方、ステップＳｐ２の判定がＹＥＳであって、減速後の加速、エンジン負荷が増大する加速、アイドルストップ後のエンジンの再始動および再加速のいずれかが行われた場合は、ステップＳｐ３に進む。

ステップＳｐ３では、水噴射装置２２によって気筒２内へ超臨界水を噴射する。

ステップＳｐ３の後はステップＳｐ４に進み、実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に到達したか否かを判定する。ここで、ＰＣＭ１００は、エアフローセンサＳＮ２からの信号等に基づき常時ＥＧＲ率を算出しており、ステップＳｐ４では、この算出したＥＧＲ率と、図７に示すように設定された目標ＥＧＲ率とを比較する。

ステップＳｐ４の判定がＮＯであって、実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に到達していない場合は、ステップＳｐ５に進み、超臨界水の気筒２内への噴射を継続する。ただし、ステップＳｐ３での噴射量よりも少ない量の超臨界水を気筒２内に噴射する。

ステップＳｐ５の後は再びステップＳｐ４に進み、再び実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に到達したか否かを判定する。そして、この判定がＮＯの場合は、再度ステップＳｐ５に進み、さらに超臨界水の気筒２内への噴射を継続する。ただし、このときにも、先のステップＳｐ５で噴射された量よりも少ない量の超臨界水を気筒２内に噴射する。そして、ステップＳｐ４に進む。

このように、本実施形態では、実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に到達するまでの所定期間、水噴射装置２２による気筒２内への超臨界水の噴射を継続する。そして、時間の経過とともに気筒２内に噴射する超臨界水の量を減量していく。

ステップＳｐ４の判定がＹＥＳであって実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に到達していれば、ステップＳｐ６に進む。そして、水噴射すなわち気筒２内への超臨界水の噴射を停止する。なお、本実施形態では、前記所定期間は、目標ＥＧＲ率と実際のＥＧＲ率とのずれがある期間としたが、エンジン回転数およびエンジン負荷等のエンジンの運転状態に基づいて、このずれが無くなる少し手前までの期間や、ずれが無くなった直後を含む期間に設定しても良い。

（６）作用等
前記の水噴射の制御を実施したときの、エンジントルク、噴射量（燃料噴射量）、ＥＧＲ率、水噴射量（気筒２内への超臨界水の噴射量）の時間変化を図１１に示す。この図１１に示すように、時刻ｔ１１にて、減速後の加速時、エンジン負荷が増大する加速時、アイドルストップ後のエンジンの再始動および再加速が行われると、エンジントルクの目標値である目標トルク（破線）は急増し、目標ＥＧＲ率（破線）が急増する。これに伴い、時刻ｔ１１にて、気筒２内への超臨界水の噴射が開始される。そして、その後、水噴射量は、時間とともに、すなわち、実際のＥＧＲ率の増大とともに減量されていき、実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に到達する時刻ｔ１２にて気筒２内への超臨界水の噴射が停止される。

このように気筒２内への超臨界水の噴射が実施されると、気筒２内におけるＥＧＲガスの不足すなわち不活性物質の不足が超臨界水により補われて、気筒２内に適切な量の不活性物質を存在させることができる。そのため、過早着火を抑制するために気筒２内に噴射する燃料量を要求噴射量に対して減量する必要性がなくなる。従って、図１１に示すように、時刻ｔ１１にて実線で示すように気筒２内に要求噴射量の燃料を噴射することができ、実線で示すように時刻ｔ１１にてエンジントルクを要求に応じて急増させることができる。また、時刻ｔ１２までの間においても、気筒２内の不活性物質の量を適切に維持することができ、適正な燃焼を実現することができる。

このように、本実施形態では、過早着火を抑制して適正な燃焼を実現しつつ加速性すなわちエンジンの応答性を高めることができる。

特に、本実施形態では、目標ＥＧＲ率が増加する場合であって、減速後の加速時、エンジン負荷が増大する加速時、アイドルストップ後のエンジンの再始動および再加速時において、前記超臨界水の噴射の制御を実施している。そのため、これらの特に加速性を求められる場合において、エンジントルクを急増させることができ車両運転時の快適性を高くすることができる。

また、本実施形態では、気筒２内に水として超臨界水を噴射している。そのため、エネルギーロスを抑制しつつより確実に適切量の水を気筒に導入することができる。

すなわち、前記のように、超臨界水は通常の気体の水（水蒸気）よりも密度が高い。そのため、超臨界水を気筒内に噴射することにより、気体の水を噴射する場合に比べて多量の水を効率よく気筒内に導入することができる。従って、ＥＧＲガスの不足量をより確実に補うことができる。また、前記のように、液体の水は蒸発するために潜熱を必要とする。そのため、液体の水を気筒内に噴射した場合には、噴射した水が気筒内で蒸発するのに伴って気筒内の温度が大幅に低下して熱効率が悪化するおそれがある。一方、超臨界水は潜熱を必要としない。そのため、超臨界水を気筒２内に噴射すれば、前記のような大幅な温度低下および熱効率の悪化を回避することができ、エネルギーロスを小さく抑えることができる。

（７）変形例
ここで、図３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、前記実施形態では、気筒２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、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４に示す領域Ｚ１０であって、温度が６００Ｋ以上かつ密度が２５０ｋｇ／ｍ３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。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、エネルギーロスを小さく抑えながらＥＧＲガスの不足量を補えるだけの適切な量の水を気筒２内に供給することができる。

さらに、気筒２内に通常の水（例えば、液体の水）を噴射してもよい。この場合であっても、ＥＧＲガスの不足量を水で補うことができるため、適正な燃焼を実現しつつエンジンの応答性を高めることができる。ただし、前記のように、通常の水よりも超臨界水または亜臨界水を気筒２内に噴射すれば、より確実にエネルギーロスを抑えながらＥＧＲガスの不足量を水で補うことができる。

また、前記実施形態では、目標ＥＧＲ率が増加した場合において、減速後の加速時、エンジン負荷が増大する加速時、アイドルストップ後のエンジンの再始動および再加速時といった特定の条件が成立したときにのみ気筒２内へ超臨界水を噴射し、これ以外のときには気筒２内への超臨界水の噴射を停止する場合について説明したが、この超臨界水の噴射を常に、または、所定の運転領域において実施するよう構成し、前記特定の条件が成立すると、気筒２内に噴射する超臨界水の量を増量するようにしてもよい。例えば、エンジン回転数およびエンジン負荷等に応じて気筒２内に噴射する基本的な超臨界水の量を設定し、通常の運転時にはこの基本量が実現されるように水噴射装置２２を制御するとともに、前記特定の条件の成立時には、この基本量に対して気筒２内に噴射する超臨界水の量を増量させるようにしてもよい。なお、この場合には、特定の条件が成立してから所定時間の間、基本量よりも多い範囲で、気筒２内に噴射する超臨界水の量を時間とともに減量すればよい。

また、再始動時または加速時であるか否かによらず、目標ＥＧＲ率が増加すれば、気筒２内に超臨界水を噴射する（水噴射量を増量する）ようにしてもよい。ただし、減速後の加速時、エンジン負荷が増大する加速時、アイドルストップ後のエンジンの再始動および再加速時には、特に加速性が求められる。そのため、このような場合においてのみ、目標ＥＧＲ率の増加に伴って超臨界水の噴射を行えば（超臨界水の噴射量を増量すれば）、効果的に加速感を高めつつ、超臨界水の噴射（噴射量の増量）に伴う低圧ポンプ６３および高圧ポンプ６４の駆動にかかるエネルギーを小さく抑えることができる。

また、前記水噴射の制御が適用されるエンジンは、予混合圧縮自着火燃焼が実施されるエンジンに限らず、燃料と空気とが混合していない状態で圧縮自着火燃焼が実施されるエンジンや、点火により燃焼が開始する火花点火式のエンジンであってもよい。

また、前記実施形態では、ＥＧＲ率増加の遅れに伴う過早着火を抑制できる点を効果として挙げたが、ＥＧＲ率増加の遅れに伴うＮＯｘの悪化等も抑制することができる。

また、前記実施形態に係る水噴射の制御を図１２に示すようなエンジンシステムに用いれば、より効果的である。

具体的には、図１２のエンジンシステムでは、過給機１９０が設けられており、吸気通路３０に、上流側から順にエアクリーナ３１、スロットルバルブ３２およびコンプレッサ１９１が設けられているとともに、排気通路４０に、上流側から順にタービン１９２、浄化装置４１、熱交換器４２およびコンデンサー４３が設けられている。そして、ＥＧＲ通路１５１が、排気通路４０のうち熱交換器４２とコンデンサー４３との間の部分と、吸気通路３０のうちスロットルバルブ３２とコンプレッサ１９１との間の部分とを連通しており、ＥＧＲ通路１５１にＥＧＲクーラ１５３とＥＧＲバルブ１５２とが設けられている。このように構成されたエンジンシステムでは、図１に例示したエンジンシステムよりも、ＥＧＲガスが流通する部分の長さが長くなり、ＥＧＲ率の時間遅れは長くなる。そのため、前記水噴射の制御を実施しない場合には、より長期間にわたって燃焼が不適切になる、あるいは、加速できないおそれがある。従って、このようなエンジンシステムにおいて、前記水噴射の制御を実施すれば、より効果的に燃焼を適正に、かつ、加速性を高めることができる。なお、図１２において、図１のエンジンシステムと構成が同じものについてはこれと同じ符号を付している。

また、排熱回収装置６０を省略して、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、前記のように排熱回収装置６０を用いればエネルギー効率を高くすることができる。

また、エンジン負荷とＥＧＲ率との関係は前記に限らない。

１ エンジン本体
２ 気筒
２１ 水噴射装置
２２ 燃料噴射装置（燃料供給手段）
３０ 吸気通路
４０ 排気通路
５１ ＥＧＲ通路
５２ ＥＧＲバルブ（ＥＧＲ率変更手段）
１００ ＰＣＭ（制御手段）

Claims (6)

1. 気筒と、当該気筒に吸気を導入する吸気通路と、前記気筒から外部に排気を排出する排気通路とを備えるエンジンの制御装置であって、
   前記気筒内に燃料を供給する燃料供給手段と、
   前記吸気通路と前記排気通路とを連通して当該排気通路内の排気の一部をＥＧＲガスとして前記気筒に還流するＥＧＲ通路と、
   前記気筒に還流するＥＧＲガスの量を変更して、前記気筒内のガスのうち前記ＥＧＲガスが占める割合であるＥＧＲ率を変更可能なＥＧＲ率変更手段と、
   前記気筒内に水を噴射する水噴射手段と、
   前記燃料供給手段、前記ＥＧＲ率変更手段および前記水噴射手段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ＥＧＲ率の目標値である目標ＥＧＲ率を前記エンジン本体の運転状態に応じて設定して実際のＥＧＲ率がこの目標ＥＧＲ率になるように前記ＥＧＲ率変更手段を制御するとともに、前記目標ＥＧＲ率が増加すると、前記水噴射手段によって前記気筒内に噴射される水の量を増加させることを特徴とするエンジンの制御装置。
2. 請求項１に記載のエンジンの制御装置において、
   前記水噴射手段は、超臨界水または亜臨界水を前記気筒内に噴射することを特徴とするエンジンの制御装置。
3. 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、
   前記制御手段は、前記水噴射手段によって、前記目標ＥＧＲ率の増加に伴って前記気筒内に噴射される水の量を増加させた後、時間とともに当該水の噴射量を減少させていくことを特徴とするエンジンの制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のエンジンの制御装置において、
   前記制御手段は、前記目標ＥＧＲ率が増加したときであって、前記エンジンの減速に伴って前記燃料供給手段から前記気筒内への燃料の供給が停止された後に当該燃料の供給が再開されたときに、前記水噴射手段によって前記気筒内に噴射される水の量を増加させることを特徴とするエンジンの制御装置。
5. 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、
   前記制御手段は、前記目標ＥＧＲ率が増加したときであって、前記エンジンが搭載された車両が停車するのに伴って前記燃料供給手段から前記気筒内への燃料の供給が自動的に停止された後に当該燃料の供給が再開されたときに、前記水噴射手段によって前記気筒内に噴射される水の量を増加させることを特徴とするエンジンの制御装置。
6. 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、
   前記制御手段は、前記目標ＥＧＲ率が増加したときであって、前記エンジンの負荷が増加したときに、前記水噴射手段によって前記気筒内に噴射される水の量を増加させることを特徴とするエンジンの制御装置。

Images