JP2019105222A - 予混合圧縮着火式エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】高い熱効率を実現しつつ燃焼騒音を低減可能な予混合圧縮着火式エンジンを提供する。【解決手段】燃料と空気との混合気を燃焼室６内で自着火により燃焼させる自着火燃焼が所定の条件下で実行される予混合圧縮着火式エンジンにおいて、燃焼室６内に、混合気の燃焼時に燃焼しない物質からなる不活性物質を供給する不活性物質供給手段１５を設ける。燃焼室６を、径方向の中央部を含む第１領域Ｒ１と、当該第１領域Ｒ１よりも径方向の外側の第２領域Ｒ２とに区分けするとき、自着火燃焼による運転時に、自着火燃焼の開始時点で第１領域Ｒ１内の不活性物質の濃度の方が前記第２領域Ｒ２内の前記不活性物質の濃度よりも高くなるように、前記不活性物質供給手段１５を制御する。【選択図】図３

Description

本発明は、燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、前記燃焼室内で燃料と空気の混合気を自着火させることが可能な予混合圧縮着火式エンジンに関する。

従来、ガソリンを含む燃料と空気とを予め混合させておき、この混合気を燃焼室内で自着火させるいわゆる予混合圧縮着火燃焼を実施することが検討されている。

予混合圧縮着火燃焼では、火炎伝播燃焼に比べて、エンジン本体の高圧縮比化が可能であることおよび燃焼時間が短縮されることに伴って熱効率を高めることができる。一方、予混合圧縮着火燃焼では、燃焼室内の圧力すなわち筒内圧が急激に上昇して燃焼騒音が悪化しやすいという問題がある。

これに対して、例えば、特許文献１には、燃料を前段噴射と後段噴射とに分けて燃焼室に噴射するとともに、これら前段噴射と後段噴射との間に混合気に点火を行うように構成されたエンジンが開示されている。特許文献１のエンジンによれば、前段噴射により形成された混合気の燃焼を点火によって開始させることができるため、点火時期を調整することで着火時期を適切に制御できるとともに、前段噴射により形成された混合気と後段噴射により形成された混合気の燃焼を異なるタイミングで開始させることができ、筒内圧の急上昇を抑えることができる。

特開２０１２−２４１５９０号公報

しかしながら、特許文献１の構成においても、エンジン本体の圧縮比をさらに高くした場合やエンジン負荷が高い運転条件等では、混合気が所望のタイミング（例えば点火タイミング）よりも早くに自着火を開始していまい燃焼騒音を十分に低減できないおそれがある。

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、高い熱効率を実現しつつ燃焼騒音を低減可能な予混合圧縮着火式エンジン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、燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、燃料と空気との混合気を前記燃焼室内で自着火により燃焼させる自着火燃焼が所定の条件下で実行される予混合圧縮着火式エンジンであって、前記燃焼室内に、前記混合気の燃焼時に燃焼しない物質からなる不活性物質を供給する不活性物質供給手段と、前記不活性物質供給手段を制御する制御手段とを備え、前記燃焼室を、径方向の中央部を含む第１領域と、当該第１領域よりも径方向の外側の第２領域とに区分けするとき、前記自着火燃焼は前記第１領域から開始するものであって、前記制御手段は、前記自着火燃焼による運転時において、当該自着火燃焼の開始時点で前記第１領域内の前記不活性物質の濃度の方が前記第２領域内の前記不活性物質の濃度よりも高くなるように前記不活性物質供給手段を制御する不活性物質供給制御を実施する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンを提供する（請求項１）。

この構成によれば、筒内圧の急激な上昇を抑制しつつ燃焼期間を短く抑えることができ、燃焼騒音を抑制しつつ高い熱効率を得ることができる。

具体的には、燃焼室内において、混合気の自着火燃焼は、燃焼室の壁面から遠く温度の高い径方向の中央部において開始し、その後、外周側に広がっていく。これに対して、この構成では、自着火燃焼の開始時点において、燃焼室の中央部を含む第１領域に多くの不活性物質を存在させている。そのため、燃焼室の中央部を含む第１領域で生じる初期の燃焼時に、その燃焼温度が急激に上昇するのを抑制でき燃焼を緩慢にできる。一方で、第１領域の外周側に位置する第２領域の不活性物質の濃度は少なく抑えている。そのため、第２領域での燃焼時つまり後期の燃焼時に、燃焼が急激にあるいは過度に緩慢になるのを防止することができる。従って、燃焼初期の筒内圧の急激な上昇を抑制しつつ、燃焼の終了時期が遅くなるのを防止して燃焼期間を短く抑えることができる。

前記構成において、前記不活性物質は水であるのが好ましい（請求項２）。

このようにすれば、水の潜熱作用によって燃焼室内の温度を低下させることができ、燃焼をより緩慢にできる。

前記構成において、前記不活性物質供給手段は、水を前記燃焼室内に複数回に分けて噴射可能な装置であり、前記制御手段は、前記不活性物質供給手段に、前記不活性物質供給制御の実施時において、少なくとも前記第２領域に水を噴射する第１噴射と、前記第１領域に水を噴射する第２噴射とを実施させる、のが好ましい（請求項３）。

このようにすれば、比較的簡単な構成で第１領域と第２領域との水（不活性物質）の濃度を異ならせることができる。

前記とは異なる構成として、前記不活性物質供給手段は、前記燃焼室と連通して吸気を当該燃焼室に導入するための吸気ポートに水を噴射する第１の手段と、前記燃焼室内に水を噴射する第２の手段とを備え、前記制御手段は、前記不活性物質供給制御の実施時において、前記第１の手段に、前記吸気ポートを開閉する吸気弁が閉弁するまでに、前記吸気ポートに水を噴射させるとともに、前記第２の手段に、前記吸気弁が閉弁してから前記混合気の自着火が開始するまでの間に、前記燃焼室内に水を噴射させる、構成としてもよい（請求項４）。

この構成においても、比較的簡単な構成で第１領域と第２領域との水（不活性物質）の濃度を異ならせることができる。

また、前記構成において、前記制御手段は、前記不活性物質供給制御の実施時に、前記燃焼室の径方向の中央部から前記第１領域と前記第２領域との境界付近に向けて径方向の外側ほど前記不活性物質の濃度が高くなるように、前記不活性物質供給手段を制御する、のが好ましい（請求項５）。

このようにすれば、第１領域のうち径方向の外側の部分であって第１領域内でも比較的温度の低い領域の温度をさらに低下させて、第１領域内の径方向についての温度勾配を大きくできる。そのため、第１領域内において混合気が自着火を開始するタイミングを径方向について大きく異ならせることができる。すなわち、第１領域内で混合気が一気に自着火するのを防止することができ、筒内圧の急激な上昇をより一層抑制できる。

以上説明したように、本発明の予混合圧縮着火式エンジンによれば、高い熱効率を実現しつつ燃焼騒音を低減することができる。

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。 燃焼室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。 制御マップを示した図である。 第１領域と第２領域の範囲を示したエンジン本体の概略断面図である。 高負荷領域における水の濃度分布を示した図である。 高負荷領域における燃料および水の噴射パターンと熱発生率とを示した概略図である。 高負荷領域における燃焼室内の様子を示した図であり、（１）〜（４）は互いに異なる時点での燃焼室内の様子を示している。 クランク角に対する熱発生率の変化を示した概略図である。 高負荷領域における水の濃度分布の他の例を示した図である。 水噴射構造の他の例を示したエンジン本体の概略断面図である。 高負荷領域における燃料および水の噴射パターンと熱発生率の他の例を示した概略図である。

図１は、本発明の予混合圧縮着火エンジンが適用され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２０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３０とを備える。

エンジン本体１は、例えば、４つの気筒２が図１の紙面と直交する方向に直列に配置された直列４気筒エンジンである。こ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。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。なお、燃料は、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。

（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とを有する。

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、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６ａ（以下、単に、燃焼室天井面６ａという）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（以下、単に、ピストン冠面５ａという）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１９が形成されている。なお、ここでは、ピストン５の位置や混合気の燃焼状態によらず気筒２の内側空間のうちピストン冠面５ａと燃焼室天井面６ａとの間の空間を、燃焼室６という。

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、１５以上３０以下（例えば２０程度）に設定されている。

シリンダヘッド４には、吸気通路２０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９と、気筒２内で生成された排気を排気通路３０に導出するための排気ポート１０とが形成されている。これら吸気ポート９と排気ポート１０とは、気筒２毎にそれぞれ２つずつ形成されている。

シリンダヘッド４には、各吸気ポート９の気筒２側の開口をそれぞれ開閉する吸気弁１１と、各排気ポート１０の気筒２側の開口をそれぞれ開閉する排気弁１２とが設けられている。

シリンダヘッド４には、燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射手段）１４が設けられている。インジェクタ１４は、噴射口が形成された先端部が燃焼室天井面６ａの中央付近に位置して燃焼室６の中央を臨むように取り付けられている。インジェクタ１４は、燃焼室天井面６ａの中央付近からピストン冠面５ａに向かって、気筒２の中心軸を中心としたコーン状（詳しくはホローコーン状）に燃料を噴射するように構成されている。コーンのテーパ角（噴霧角）は、例えば９０°〜１００°である。

本実施形態では、インジェクタ１４として、外開式のインジェクタが用いられている。なお、インジェクタ１４は、前記のように気筒２の中心軸を中心としたコーン状に燃料を噴射可能なものであればどのような構成のものであってもよく、外開式に限らず、ＶＣＯ（Ｖａｌｖｅ Ｃｏｖｅｒｅｄ Ｏｒｉｆｉｃｅ）ノズルタイプのインジェクタや、先端部に複数の噴孔が設けられかつ所定の噴霧角で燃料を噴射するマルチホールタイプのインジェクタや、ホロ−コーン状に燃料を噴射するスワールインジェクタであってもよい。

シリンダヘッド４には、燃焼室６内の混合気を点火するための点火プラグ（点火装置）１３が設けられている。点火プラグ１３は、火花を放電して混合気を点火し混合気に点火エネルギーを付与する電極が形成された電極部１３ａを有する。点火プラグ１３は、電極部１３ａが燃焼室の天井面６ａの中央付近に位置して燃焼室６の中央を臨むように配置されている。

シリンダヘッド４には、燃焼室６の概略断面図である図３に示すように、さらに、燃焼室６内に、混合気の燃焼時に燃焼しない不活性物質である水を噴射する水インジェクタ（不活性物質供給手段）１５が設けられている。水インジェクタ１５は、噴射口が形成された先端部が燃焼室天井面６ａの中央付近に位置して燃焼室６の中央を臨むように取り付けられている。水インジェクタ１５は、燃焼室天井面６ａの中央付近からからピストン冠面５ａに向かって、気筒２の中心軸を中心としたコーン状（詳しくはホローコーン状）に水を噴射するように構成されている。このコーンのテーパ角（噴霧角）は、例えば９０°〜１００°である。水インジェクタ１５としては、例えば、インジェクタ１４と同様の構造を有する装置を適用することができる。なお、インジェクタ１４と水インジェクタ１５とは、図２の紙面と直交する方向に近接して並んでいる。

図１に戻り、吸気通路２０には、上流側から順に、エアクリーナ２１と、吸気通路２０を開閉するためのスロットルバルブ２２とが設けられている。本実施形態では、エンジンの運転中、スロットルバルブ２２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２０を遮断する。

排気通路３０には、上流側から順に、排気を浄化するための浄化装置３１、コンデンサー３２が設けられている。浄化装置３１は、例えば、三元触媒を内蔵している。

コンデンサー３２は、排気通路３０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る。コンデンサー３２と水インジェクタ１５とは水供給通路３５によって接続されており、コンデンサー３２で生成された凝縮水は、水供給通路３５を介して水インジェクタ１５に供給される。このように、本実施形態では、水インジェクタ１５は、排気から生成された水の供給を受けてこれを燃焼室６内に噴射する。より詳細には、水供給通路３５には、コンデンサー３２で生成された凝縮水を貯留する水タンク３３が設けられるとともに、水タンク３３内の水を圧送する水ポンプ３４が設けられており、この水ポンプ３４によって水タンク３３から水インジェクタ１５に凝縮水が供給される。例えば、水インジェクタ１５には、その噴射圧が２０ＭＰａとなるように水が圧送される。また、本実施形態では、水ポンプ３４は比較的低圧のポンプであり、水インジェクタ１５から噴射される水は、エンジン冷却水の温度と同程度の９０℃となっている。なお、これに代えて、高圧のポンプを用いて水の温度・圧力をさらに高くしてもよい。例えば、水インジェクタ１５から超臨界水が噴射されるように水を加圧してもよい。

排気通路３０には、排気通路３０を通過する排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路２０に還流するためのＥＧＲ装置４０が設けられている。ＥＧＲ装置４０は、吸気通路２０のうちスロットルバルブ２２よりも下流側の部分と排気通路３０のうち浄化装置３１よりも上流側の部分とを連通するＥＧＲ通路４１、および、ＥＧＲ通路４１を開閉するＥＧＲバルブ４２を有する。また、本実施形態では、ＥＧＲ通路４１に、これを通過するＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４３が設けられており、ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ４３にて冷却された後吸気通路２０に還流される。

（２）制御系統
（２−１）システム構成
図４は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。図４に示すように、本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。

車両には各種センサが設けられており、ＰＣＭ１００はこれら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、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２０を通って各気筒２に吸入される空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、これらセンサＳＮ１〜ＳＮ３等からの入力信号に基づいて種々の演算を実行して、点火プラグ１３、インジェクタ１４、水インジェクタ１５等のエンジンの各部を制御する。

（２−２）燃焼制御
本実施形態では、全運転領域において予混合圧縮着火燃焼（ＣＩ燃焼）が実施される。

具体的には、圧縮上死点よりも前にインジェクタ１４から燃焼室６内に燃料が噴射される。そして、この燃料と空気との混合気を圧縮することで昇温し、圧縮上死点付近で自着火させる。

ここで、火炎伝播燃焼に比べてＣＩ燃焼では熱効率（エンジントルク）を高めることができる。具体的には、ＣＩ燃焼では、燃焼室６内の複数の領域でそれぞれ燃焼を開始させることができる。従って、火炎伝播によって燃焼が進行する火炎伝播燃焼に比べて燃焼期間を短くでき、熱効率を高めることができる。

しかしながら、ＣＩ燃焼では、エンジン負荷が高くなると燃焼室６内の温度が高くなることに伴って燃焼室６内の混合気が一気に（非常に短時間で）燃焼し、これにより、燃焼室６内の圧力つまり筒内圧が急上昇して燃焼騒音が大きくなりやすい。また、燃焼室６内の温度つまり筒内温度が非常に高くなってＮＯｘが生成しやすい。

そこで、本実施形態では、横軸がエンジン回転数で縦軸がエンジン負荷である図５の制御マップにおいてエンジン負荷が予め設定された基準負荷Ｔｑ１以上となる高負荷領域Ａ１では、燃焼騒音およびＮＯｘの生成を抑制するべく、次に説明する高負荷制御を実施する。

高負荷領域Ａ１では、燃焼室６内に水が噴射される。このとき、混合気が自着火を開始する直前（以下、適宜、自着火開始時点という）において、燃焼室６の径方向の中央部Ｃを含む第１領域Ｒ１の水の濃度の方が、第１領域Ｒ１よりも径方向外側の第２領域の水の濃度よりも高くなるように制御される（不活性物質供給制御が実施される）。詳細には、第１領域Ｒ１内の各箇所における局所的な水の濃度の方が、第２領域Ｒ２内の各箇所における局所的な水の濃度よりも高くなるように制御される。

図３および図６に示すように、本実施形態では、気筒２の中心軸に沿う方向から見ておよそキャビティ１９が形成された領域が第１領域Ｒ１として設定されている。詳細には、上面視で、キャビティ１９の開口縁１９ａよりもわずかに径方向外側にラインＸ１をひいたときに、このラインＬ１０から径方向内側の領域が第１領域Ｒ１として設定されている。第２領域Ｒ２は、燃焼室６のうち第１領域Ｒ１よりも径方向の領域全体に設定されている。

また、本実施形態では、自着火開始時点において、各領域Ｒ１、Ｒ２内においても水の濃度が径方向について異なるように制御される。

図７は、高負荷領域Ａ１における水の濃度分布を示した図である。図７の横軸は、燃焼室６の中心（気筒２の中心軸上の点）からの径方向についての距離であり、図７の縦軸は水の濃度（各箇所における局所的な水の濃度）である。

図７に示すように、本実施形態では、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界ラインＸ１付近に位置するキャビティ１９の開口縁１９ａに向けて、燃焼室６の中心Ｃから径方向外側にいくほど水の濃度は濃くされる。また、キャビティ１９の開口縁１９ａから燃焼室６の外周縁に向けて、径方向外側にいくほど水の濃度は薄くされる。

このように、本実施形態では、高負荷領域Ａ１において、自着火開始時点で、第１領域Ｒ１の水の濃度の方が第２領域Ｒ２の水の濃度よりも高くされる。また、第１領域Ｒ１内においては第２領域Ｒ２との境界ラインＸ１付近を除いて、径方向外側にいくほど水の濃度が高くされる。また、第２領域Ｒ２内においては、径方向外側にいくほど水の濃度が低くされる。

前記のような水の濃度分布を実現するために、高負荷領域Ａ１では、図８に示すように、水および燃料が噴射される。

図８は、高負荷領域Ａ１における、燃料の噴射パターンと、水の噴射パターンと、熱発生率ｄＱとを概略的に示した図である。図９は、高負荷領域Ａ１における燃焼室６内の様子を概略的に示した図である。図９（１）〜（４）は、この順に時間が経過しており、図９の（１）〜（４）は、圧縮行程中の燃焼室６内の様子を示している。

図８および図９の（１）に示すように、水インジェクタ１５は、まず、主として第２領域Ｒ２に水を偏在させるための第１水噴射Ｗ１１を実施する。第１水噴射Ｗ１１では、水インジェクタ１５は、図９の（１）に示すように、キャビティ１９の開口縁１９ａよりもわずかに径方向外側の部分に向かって水が飛散するタイミングで水を噴射する。本実施形態では、第１水噴射Ｗ１１は、圧縮行程の中期に実施される。なお、本明細書において圧縮行程等の○○行程の前期、中期、後期は、この行程を３等分したときの前期、中期、後期のことを指し、○○行程の前半、後半は、この行程を２等分したときの前半、後半のことを指す。

第１水噴射Ｗ１１の実施後しばらく後には、図９の（２）に示すように、第１水噴射Ｗ１１により噴射された水は、第２領域Ｒ２とこれよりも径方向内側の領域とを含む領域に拡散する。このとき、径方向の外側の方が容積が大きいことに伴い、キャビティ１９の開口縁１９ａ付近から径方向外側に向かうほど水の濃度は小さくなる。

次に、水インジェクタ１５は、第１領域Ｒ１に水を偏在させるための第２水噴射Ｗ１２を実施する。第２水噴射Ｗ１２では、水インジェクタ１５は、図９の（３）に示すように、キャビティ１９の開口縁１９ａよりもわずかに径方向内側の部分に向かって水が飛散するタイミングで水を噴射する。本実施形態では、第２水噴射Ｗ１２は、圧縮行程の後期に実施される。

第２水噴射Ｗ１２により、図９の（４）に示すように、キャビティ１９の内側にも水が導入される。ここで、キャビティ１９の内側の空間は容積が小さい。そのため、キャビティ１９の内側空間の水の濃度は高くなる。また、キャビティ１９の開口縁１９ａよりもわずかに径方向内側の部分に向かって水が飛散することで、燃焼室６の中央部Ｃからキャビティ１９の開口縁１９ａ付近に向かうほど水の濃度は高くなる。さらに、第１水噴射Ｗ１１によってキャビティ１９の開口縁１９ａ付近には既に比較的多量の水が存在している。そのため、この水と第２水噴射Ｗ１２による水とが合わさって、キャビティ１９の開口縁１９ａ付近の水の濃度は高くなる。これにより、第２水噴射Ｗ１２後において、燃焼室６内の水の濃度分布は、図７に示したようになる。

次に、インジェクタ１４によって、燃焼室６内に燃料が供給される。例えば、第２水噴射Ｗ１２の直後且つ圧縮上死点前に、燃料噴射Ｆ１１が実施される。高負荷領域Ａ１では、１燃焼サイクルでこの１回の燃料噴射Ｆ１１のみが実施されるようになっており、このとき、要求されているエンジントルクに対応する量の燃料が噴射される。詳細には、本実施形態では、高負荷領域Ａ１において燃焼室６内の空燃比を理論空燃比とするように設定されている。そして、まず、要求されているエンジントルクに対応する空気の量が燃焼室６に導入され、燃焼室６に導入された空気の量に応じて空燃比が理論空燃比となるような量の燃料が噴射される。

燃料噴射Ｆ１１によって燃焼室６内に供給された燃料は空気と混合し、形成された混合気は圧縮上死点付近において自着火する。

このようにして、本実施形態では、水の濃度分布が図７に示すような分布とされた状態で混合気が自着火する。

（３）作用等
前記の高負荷制御の実施によって燃焼騒音およびＮＯｘの生成を抑制できる理由について、すなわち、高負荷制御の作用について説明する。

図１０は、横軸をクランク角、縦軸を熱発生率としたグラフである。図１０には、高負荷制御を実施した場合の熱発生率ｄＱ２（実線）と、比較例として高負荷制御を実施しなかった場合の熱発生率ｄＱ１（破線）とを示している。比較例では、高負荷制御を実施した場合と同様に燃料噴射Ｆ１１を実施する（同じタイミングおよび同じ噴射量）一方、高負荷制御を実施した場合と異なり第１水噴射Ｗ１１と第２水噴射Ｗ１２とを実施しない。

比較例では、圧縮上死点後に熱発生率が急激に立ち上がる。つまり、混合気がクランク角度ＣＡ１にて自着火を開始した後、多くの混合気が一気に（非常に短時間で）燃焼する。この結果、比較例では、筒内圧が急上昇して高い燃焼騒音が生じる。また、筒内温度が急上昇して多量のＮＯｘが生成される。

ここで、燃焼室６の外周部は燃焼室６の壁面により冷却されることで比較的低温であり、燃焼室６内ではその中央部の温度が最も高い。そのため、混合気の自着火は、まず燃焼室６内の中央部において生じ、その後、径方向外側に向かって順次生じていく。従って、比較例では、クランク角度ＣＡ１付近において、燃焼室の中央部とその周囲の混合気が一気に燃焼している。

これに対して、本実施形態では、高負荷制御の実施によって、自着火開始直前に、燃焼室の中央部を含む第１領域Ｒ１に水が多量に（高い濃度で）偏在されている。そのため、燃焼前において、水の潜熱作用によって第１領域Ｒ１の温度を低下させることができる。さらに、燃焼時には、多量の水によって比熱が高められていることで、第１領域Ｒ１の温度上昇を抑制できる。従って、第１領域Ｒ１の混合気が急激に燃焼するのを抑制することができる。

特に、本実施形態では、第１領域Ｒ１内において径方向外側にいくほど水の濃度が高くされている。そのため、第１領域Ｒ１での燃焼をより一層緩慢にすることができる。

具体的には、前記のように、燃焼室６内の温度は径方向外側ほど低くなるが、これに加えて第１領域Ｒ１内の水の濃度が径方向外側にいくほど高くされていることで、第１領域Ｒ１内の温度は径方向外側にいくほど一層低くなる。つまり、水の濃度が前記のようにされることで、第１領域Ｒ１内の温度勾配が大きくなる。そのため、第１領域Ｒ１内において、混合気が自着火を開始するタイミングを径方向についてより確実に異ならせることができ（径方向外側ほどより遅くすることができ）、第１領域Ｒ１内の混合気が一気に燃焼するのを抑制できる。

このようにして、本実施形態では、図１０の実線で示すように、クランク角度ＣＡ１にて混合気の自着火が開始した後の燃焼であって初期の燃焼が緩慢となる（熱発生率の傾きが緩やかとなる）。従って、本実施形態では、筒内圧および筒内温度の急上昇を抑えて、燃焼騒音およびＮＯｘの生成量を小さくできる。

ここで、燃焼を緩慢にするだけであれば、例えば、燃焼室６全体に単純に多量の水を均一な濃度で存在させる方法もある。しかしながら、この方法では、図１０の鎖線で示すように、燃焼室６の外周側の部分での燃焼であって燃焼後期の燃焼も緩慢となってしまう。そのため、燃焼の終了時期が遅くなって（燃焼期間が長くなって）熱効率が悪化する。

これに対して、本実施形態では、燃焼室６の外周側に位置する第２領域Ｒ２内の水の濃度が第１領域Ｒ１に比べて小さくされている。そのため、第２領域Ｒ２での燃焼つまり燃焼後期における燃焼が過度に緩慢になるのを防止でき、燃焼期間を短く抑えられる。

特に、本実施形態では、第２領域Ｒ２において、径方向外側ほど水の濃度が小さくされており、水による燃焼室６の外周縁付近の温度低下が小さく抑えられている。そのため、燃焼室６の外周縁付近の燃焼が過度に緩慢となるのをより確実に回避して、燃焼期間をより確実に短く抑えることができる。

以上のように、本実施形態では、第１領域Ｒ１で生じる燃焼初期の燃焼を緩慢としつつ第２領域Ｒ２での燃焼であって燃焼後期の燃焼が過度に緩慢になるのを防止でき、燃焼騒音およびＮＯｘの生成量を小さく抑えつつ熱効率を高く確保することができる。

（４）変形例
前記実施形態では、第１領域Ｒ１内においてその中央部Ｃから径方向外側にいくほど水の濃度が高くなるように制御した場合について説明したが、第１領域Ｒ１内において水の濃度は均一であってもよい。同様に、第２領域Ｒ２内の水の濃度も均一であってもよい。また、水の濃度分布は、図１１の実線や鎖線に示すような形態であってもよい。

また、前記実施形態では、第１水噴射Ｗ１１を圧縮行程の中期に実施し、第２水噴射Ｗ１２を圧縮行程の後期に実施し、燃料噴射Ｆ１１を圧縮上死点の直前に実施した場合について説明したが、これら噴射の具体的な時期はこれに限らない。

また、水の噴射回数は２回以上であってもよい。例えば、第１水噴射Ｗ１１で噴射する水を、さらに２回に分けて噴射してもよい。

また、前記実施形態では、水インジェクタ１５の噴射時期を変更することで、水の濃度を第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とで異ならせるようにした場合について説明したが、水の濃度を領域Ｒ１、Ｒ２毎で異ならせるための具体的な手段はこれに限らない。例えば、水インジェクタ１５として、異なる領域に燃料を噴射可能なもの、例えば、異なる噴射角度で水を噴射することが可能なものを用いて、この噴射領域を変更することで第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とにおいて水の濃度を変化させてもよい。

また、前記実施形態では、燃焼室６内に水を噴射する水インジェクタ１５のみを用いて燃焼室６内に水を供給した場合について説明したが、この水インジェクタ１５（第２の手段）に加えて、図１２に示すように、吸気ポート９に水を噴射（供給）する水噴射装置（第１の手段）１１５を設け、これらを用いて燃焼室６内に水を供給するように構成してもよい。

この場合は、図１３に示すように、吸気弁１１が閉弁するタイミング（吸気閉弁時期）よりも前に水噴射装置１１５によって吸気ポート９に水を噴射する第１水噴射Ｗ１０１を実施し、前記実施形態と同様に圧縮行程の後期あるいは後半に水インジェクタ１５によって燃焼室６内に水を噴射する第２水噴射Ｗ１０２を実施する。この場合であっても、第１水噴射Ｗ１０１によって供給された水が燃焼室６のほぼ全体に拡散した状態で、第２水噴射装置１１５によって第２領域Ｒ２に水が供給されることで、第２領域Ｒ２の水の濃度を第１領域Ｒ１の水の濃度よりも高くすることができる。

また、前記実施形態では、燃焼を緩慢にするための不活性物質として水を用いた場合について説明したが、水に代えて排気通路３０を流通している排気ガスや窒素等を不活性物質として用いてもよい。

ただし、水を用いれば、その潜熱作用によって燃焼室６内の温度をより一層低温にすることができる。

また、前記実施形態では、燃料がガソリンを含む場合について説明したが、燃料の具体的な種類はこれに限らず、ナフサ（ｎａｐｈｔｈａ）であってもよい。

また、エンジン本体の幾何学的圧縮比は前記に限らない。ただし、混合気の適切な自着火燃焼を実現して高い熱効率を得るために、幾何学的圧縮比は前記実施形態のように設定されるのが好ましい。

また、前記実施形態では、エンジンシステムに過給機が設けられていない場合について説明したが、過給機を備えたエンジンシステムに前記実施形態が適用されてもよい。過給機を備えたエンジンシステムでは、過給によって燃焼室６内の温度がより高くなるため、このシステムに前記実施形態を適用すれば熱効率を高めつつあるいはエンジントルクを高めつつ効果的に燃焼騒音およびＮＯｘの生成量を低減できる。

１ エンジン本体
２ 気筒
６ 燃焼室
１４ インジェクタ
１５ 水インジェクタ（不活性物質供給手段、第２の手段）
１９ キャビティ
１００ ＰＣＭ（制御手段）
１１５ 水噴射装置（第１の手段）
Ｒ１ 第１領域
Ｒ２ 第２領域

前記課題を解決するために、本発明は、燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、燃料と空気との混合気を前記燃焼室内で自着火により燃焼させる自着火燃焼が所定の条件下で実行される予混合圧縮着火式エンジンであって、前記燃焼室内に、前記混合気の燃焼時に燃焼しない物質からなる不活性物質である水を前記燃焼室内に複数回に分けて噴射可能な不活性物質供給手段と、前記不活性物質供給手段を制御する制御手段とを備え、前記燃焼室を、径方向の中央部を含む第１領域と、当該第１領域よりも径方向の外側の第２領域とに区分けするとき、前記自着火燃焼は前記第１領域から開始するものであって、前記制御手段は、前記自着火燃焼による運転時において、当該自着火燃焼の開始時点で前記第１領域内の前記不活性物質の濃度の方が前記第２領域内の前記不活性物質の濃度よりも高くなるように前記不活性物質供給手段を制御する不活性物質供給制御を実施し、当該不活性物質供給制御の実施時において、前記不活性物質供給手段に、少なくとも前記第２領域に水を噴射する第１噴射と、前記第１領域に水を噴射する第２噴射とを実施させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンを提供する（請求項１）。

しかも、前記不活性物質が水であることで、水の潜熱作用によって燃焼室内の温度を低下させることができ、燃焼をより緩慢にできる。

また、前記第１噴射と第２噴射との実施によって、比較的簡単な構成で第１領域と第２領域との水（不活性物質）の濃度を異ならせることができる。

また、前記構成において、前記制御手段は、前記不活性物質供給制御の実施時に、前記燃焼室の径方向の中央部から前記第１領域と前記第２領域との境界付近に向けて径方向の外側ほど前記不活性物質の濃度が高くなるように、前記不活性物質供給手段を制御する、のが好ましい（請求項２）。

Claims (5)

1. 燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、燃料と空気との混合気を前記燃焼室内で自着火により燃焼させる自着火燃焼が所定の条件下で実行される予混合圧縮着火式エンジンであって、
   前記燃焼室内に、前記混合気の燃焼時に燃焼しない物質からなる不活性物質を供給する不活性物質供給手段と、
   前記不活性物質供給手段を制御する制御手段とを備え、
   前記燃焼室を、径方向の中央部を含む第１領域と、当該第１領域よりも径方向の外側の第２領域とに区分けするとき、前記自着火燃焼は前記第１領域から開始するものであって、
   前記制御手段は、前記自着火燃焼による運転時において、当該自着火燃焼の開始時点で前記第１領域内の前記不活性物質の濃度の方が前記第２領域内の前記不活性物質の濃度よりも高くなるように前記不活性物質供給手段を制御する不活性物質供給制御を実施する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
2. 請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記不活性物質は水である、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
3. 請求項２に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記不活性物質供給手段は、水を前記燃焼室内に複数回に分けて噴射可能な装置であり、
   前記制御手段は、前記不活性物質供給手段に、前記不活性物質供給制御の実施時において、少なくとも前記第２領域に水を噴射する第１噴射と、前記第１領域に水を噴射する第２噴射とを実施させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
4. 請求項２に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記不活性物質供給手段は、前記燃焼室と連通して吸気を当該燃焼室に導入するための吸気ポートに水を噴射する第１の手段と、前記燃焼室内に水を噴射する第２の手段とを備え、
   前記制御手段は、前記不活性物質供給制御の実施時において、
   前記第１の手段に、前記吸気ポートを開閉する吸気弁が閉弁するまでに、前記吸気ポートに水を噴射させるとともに、
   前記第２の手段に、前記吸気弁が閉弁してから前記混合気の自着火が開始するまでの間に、前記燃焼室内に水を噴射させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記制御手段は、前記不活性物質供給制御の実施時に、前記燃焼室の径方向の中央部から前記第１領域と前記第２領域との境界付近に向けて径方向の外側ほど前記不活性物質の濃度が高くなるように、前記不活性物質供給手段を制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。

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