JP2019105224A

JP2019105224A - 予混合圧縮着火式エンジン

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Publication number: JP2019105224A
Application number: JP2017238501A
Authority: JP
Inventors: 太田　統之; Muneyuki Oota; 統之太田; 祐利瀬戸; Suketoshi Seto; 圭佑沖濱; Keisuke Okihama
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2019-06-27
Anticipated expiration: 2037-12-13
Also published as: JP6436219B1

Abstract

【課題】高い熱効率を確保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】燃焼室６内でガソリンを含有する燃料と空気と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おいて、燃焼室６内に水を噴射する水噴射手段１５を設ける。水噴射手段１５に、自着火燃焼による運転時において、圧縮行程後期あるいは膨張行程前期で且つ燃焼室６内で混合気の高温酸化反応が開始するよりも前に、燃焼室６の径方向の外周部Ｒ２と当該外周部Ｒ２から径方向の内側に離れた内周部Ｒ１との間に位置する中間部Ｒ３に水を噴射させる。【選択図】図１１

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、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によって着火時期を適切に制御することができるとともに、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て燃焼騒音の悪化を抑制できる。

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。

これに対して、例えば、排気ガスの一部つまりＥＧＲガスを多量に気筒に還流させることが考えられる。しかしながら、この方法では、燃焼室全体の燃焼が緩慢となって燃焼の終了時期が遅くなり熱効率が低下してしまう。

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、高い熱効率を確保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、前記燃焼室内でガソリンを含有する燃料と空気と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であって、前記燃焼室内に水を噴射する水噴射手段と、前記水噴射手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記水噴射手段に、前記自着火燃焼による運転時において、圧縮行程後期あるいは膨張行程前期で且つ前記燃焼室内で前記混合気の高温酸化反応が開始するよりも前に、前記燃焼室の径方向の外周部と当該外周部から径方向の内側に離れた内周部との間に位置する中間部に水を噴射させる、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て燃焼騒音を抑制しつつ、燃焼期間を短く抑えて高い熱効率を得ることができる。

具体的には、自着火燃焼では、混合気が温められると、まず、冷却損失を上回るわずかな発熱を伴う低温酸化反応が生じ、次に、この反応熱によって混合気がさらに温められることで高い熱エネルギーを発する高温酸化反応が生じる。また、燃焼室内では、燃焼室の壁面から遠く温度の高い部分においてまず混合気が燃焼し、これによって昇温されることで周囲の混合気が自着火していくようになっており、混合気の自着火は、燃焼室の壁面から遠い領域でまず開始し、その後外周側に向かって進行していく。

従って、燃焼室内の混合気の全体を自着火させるためには、燃焼室の壁面から遠く温度の高い部分において混合気の低温酸化反応を確実に生じさせる必要がある。一方で、混合気全体が急激に燃焼するのを防止するためには、最初に低温酸化反応した混合気の周囲の混合気が高温酸化反応を開始する時期を遅くするあるいはこの周囲の混合気の酸化反応の速度を遅くする必要がある。

これに対して、この構成では、圧縮行程後期あるいは膨張行程前期で且つ燃焼室内で混合気の高温酸化反応が開始するよりも前に、燃焼室の外周部と当該外周部から気筒の径方向の内側に離れた内周部との間に位置する中間部に水が噴射される。つまり、燃焼室の壁面から遠く温度が高い内周部には水は噴射されず、混合気の高温酸化反応が開始する直前に、この内周部の周囲に位置する中間部に水が偏在されるように構成されている。

そのため、内周部において混合気を適切に低温酸化反応させつつ、燃焼室の中間部における混合気の温度を水の潜熱作用および比熱の増大作用によって低く抑えることができる。従って、中間部で混合気が高温酸化反応を開始する時期を遅くあるいはこの酸化反応の速度を遅くすることができ、混合気の自着火を可能としながら筒内圧の急上昇を抑制できる。

しかも、この構成では、最後に混合気が燃焼する燃焼室の外周部には水が噴射されていない。そのため、この外周部での燃焼が緩慢になるのを防止することができ、燃焼を早期に終了させて燃焼期間を短くできる。

前記構成において、前記内周部は、前記燃焼室の中央を含む領域である、のが好ましい（請求項２）。

このようにすれば、燃焼室の中央であってより高温となりやすい領域の温度が水の潜熱作用によって過度に低減されるのを防止でき、燃焼室内においてより確実に混合気を自着火させることができる。

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、高い熱効率を確保しつつ燃焼騒音を低減できる。

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。外開式の水インジェクタ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。熱発生率を示した概略図である。低温酸化反応および高温酸化反応を説明するための図である。中負荷領域での中間領域を示した燃焼室の概略断面図である。中負荷領域での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。高負荷領域での中間領域を示した燃焼室の概略断面図である。高負荷領域での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。

（１）エンジンの全体構成
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。

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、ピストン５の径方向の中心を含む中央領域に凹設されたキャビティ１９が設けられている。キャビティ１９は、上面視で略円形の形状を有し、燃焼室６の径方向においてピストン冠面５ａの中央領域に、下方（シリンダヘッド４と反対の方向）に凹没するように形成されている。本実施形態では、ピストン冠面５ａの表面は、断熱層５ｂによってコーティングされている。

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と燃焼室の天井面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、１３以上２５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、燃料を噴射する燃料インジェクタ１４が設けられている。燃料インジェクタ１４は、噴射口が形成された先端部が燃焼室の天井面６ａの中央付近に位置して燃焼室６の中央を臨むように取り付けられている。燃料インジェクタ１４は、燃焼室の天井面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、燃料インジェクタ１４として、外開式のインジェクタが用いられている。なお、燃料インジェクタ１４は、外開式に限らず、ＶＣＯ（ＶａｌｖｅＣｏｖｅｒｅｄＯｒｉｆｉｃｅ）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。

図３は、燃焼室６の概略断面図である。図３に示すように、シリンダヘッド４には、さらに、燃焼室６内に水を噴射する水インジェクタ（水噴射手段）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取り付けられている。燃料インジェクタ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。

水インジェクタ１５は、燃焼室の天井面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。例えば、このコーンのテーパ角は９０°〜１００°（ホローコーンにおける内側の中空部のテーパ角は７０°程度）となっている。

本実施形態では、水インジェクタ１５として、燃料インジェクタ１４と同様に外開式のインジェクタが用いられる。

図４は、外開式の水インジェクタ１５の概略断面図である。図４に示すように、外開式の水インジェクタ１５は、先端にノズル口１５ｂが形成された燃料管１５ｃと、燃料管１５ｃの内側に配設されてノズル口１５ｂを開閉する外開き弁１５ａとを有する。外開き弁１５ａは、印加された電圧に応じて変形するピエゾ素子１５ｄに接続されている。外開き弁１５ａは、ピエゾ素子１５ｄに電圧が印加されていない状態でノズル口１５ｂと当接してノズル口１５ｂを閉弁し、ピエゾ素子１５ｄが電圧の印加に伴って変形することで、ノズル口１５ｂから先端側に突き出してノズル口１５ｂを開弁する。

ノズル口１５ｂおよび外開き弁１５ａのうちノズル口２１ｂと当接する部分は、先端側ほど径が大きくなるテーパ状を有している。これにより、ノズル口１５ｂからは、ノズル口１５ｂの中心軸すなわち気筒２のほぼ中心軸を中心として、燃料がコーン状に噴射される。

外開き弁１５ａのリフト量（リフト量は、外開き弁１５ａの閉弁位置からの突出量でありノズル口１５ｂの開口量である）は、ピエゾ素子１５ｄへの電圧の印加期間および電圧の大きさに応じて変化する。そして、外開き弁１５ａのリフト量に応じて、ノズル口１５ｂから噴射される水の粒径が変化し、さらに、水インジェクタ１５の軸方向に直交する径方向に対する噴霧の広がりが変化する。

具体的には、リフト量が大きくされると噴霧の粒径が大きくなりペネトレーションが強くなる。これに伴い、コアンダ効果によってホローコーンの内側に形成される負圧が高くなり、この負圧に噴霧が引き寄せられることで噴霧の広がりは小さく抑えられる。一方、リフト量が小さくされると噴霧の粒径が小さくなりペネトレーションが弱められ、ホローコーンの内側に形成される負圧が低くなって噴霧の広がりが大きくなる。

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４１、コンデンサー３２が設けられている。浄化装置４１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４６が設けられている。ＥＧＲ装置４６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４１よりも上流側の部分とを連通するＥＧＲ通路４７、および、ＥＧＲ通路４７を開閉するＥＧＲバルブ４８を有する。また、本実施形態では、ＥＧＲ通路４７に、これを通過するＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４９が設けられており、ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ４９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５は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。図５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、燃料インジェクタ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、自着火燃焼）が実施される。

具体的には、圧縮上死点よりも前に燃料インジェクタ１４から燃焼室６内に燃料が噴射されて、この燃料と空気との混合気が圧縮されて高温となり圧縮上死点付近で自着火する。

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、エンジン負荷が高い場合に混合気を自着火させようとすると、燃焼室６内の温度が高いことに伴って燃焼室６の各部で混合気が一気に（ほぼ同時に）燃焼を開始する結果、燃焼室６内の圧力つまり筒内圧が急激に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。

また、エンジン負荷が比較的低い一方エンジン回転数が高い場合も、反応時間が短いために、やはり燃焼室６内の各部において混合気が一気に燃焼し、燃焼騒音およびＮＯｘの生成量が増大する。

そこで、本実施形態では、エンジン負荷が比較的高い領域において、混合気が一気に燃焼を開始するのを防止するべく燃焼室６内に水を噴射する。

図６は、横軸がエンジン回転数で縦軸がエンジン負荷の制御マップである。図６に示すように、エンジン負荷が第１基準負荷Ｔｑ１以上且つ第２基準負荷Ｔｑ２未満の領域に中負荷領域Ａ１が設定されている。第１基準負荷Ｔｑ１は、エンジン回転数が高いほど低い値に設定されている。また、エンジン負荷が予め設定された第２基準負荷Ｔｑ２以上となる領域に高負荷領域Ａ２が設定されている。そして、これら中負荷領域Ａ１と高負荷領域Ａ２とにおいて燃焼室６内に水が噴射される。

燃焼室６内に水を噴射すれば、水の潜熱作用および比熱の増大によって燃焼室６内の温度上昇を抑制して混合気の燃焼を緩慢にできる（混合気が一気に燃焼を開始するのを防止できる）。ただし、燃焼室６内全体に単純に均一に水を供給したのでは熱効率が悪化する。図７を用いて具体的に説明する。図７は、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。

燃焼室６に水を供給しなかった場合（以下、比較例１という）は、燃焼室６内で混合気が一気に燃焼を開始することで、図７の破線に示すように、熱発生率ｄＱ１は急激に立ち上がる。

これに対して、燃焼室６全体に均一に水を供給した場合（以下、比較例２という）は、燃焼室６内の温度上昇が抑制されて燃焼が緩慢となり、図７の鎖線で示すように、熱発生率ｄＱ２の立ち上がりは緩やかとなる。この結果、比較例２では、筒内圧および筒内温度の急上昇は抑制される。

しかしながら、比較例２では、燃焼後期における熱発生率の傾きも緩やかとなり、燃焼期間が長くなる。そのため、比較例２では熱効率が悪化する。

また、比較例２では、混合気の自着火自体が生じず失火するおそれがある。つまり、比較例２では、混合気の自着火を安定して適切に実現できないおそれがある。

比較例２で前記の現象が生じるのは次の理由による。

自着火燃焼（予混合圧縮着火燃焼）では、混合気が温められると、まず、冷却損失を上回るわずかな発熱を伴う低温酸化反応が生じ、この反応熱によって混合気がさらに温められることで、高い熱エネルギーを発する高温酸化反応が開始する。低温酸化反応は、冷却損失を上回るわずかな発熱を伴う混合気の酸化反応である。図８は、混合気が自着火したときの筒内温度のモータリング時（燃焼室６で燃焼を生じさせなかった時）の筒内温度に対する上昇量を示したグラフである。このグラフに示されるように、自着火燃焼では、まず、クランク角ＣＡ１からわずかに温度が上昇し始め、その後、クランク角ＣＡ２において急激に温度が上昇する。低温酸化反応はクランク角ＣＡ１からクランク角ＣＡ２に生じている反応であり、クランク角ＣＡ２以降の急激な温度上昇が生じる反応が高温酸化反応である。

燃焼室６内では、燃焼室６の壁面から遠く比較的温度の高い部分においてまず混合気の酸化反応が開始し、この反応熱によって昇温されることで周囲の混合気が自着火していく。つまり、混合気の自着火は燃焼室６の壁面から遠い部分から外周側に向かって進行していく。本実施形態では、キャビティ１９の中央部Ｃが最も温度が高くなりこのキャビティ１９の中央部Ｃにおいてまず混合気の酸化反応が開始する。そのため、燃焼室６内において混合気を自着火させるためには、キャビティ１９の中央部Ｃで混合気の低温酸化反応を確実に生じさせてその後の燃焼を誘発させる燃焼の核を確実に生成する必要がある。

これに対して、比較例２では、キャビティ１９の中央部Ｃにも水が噴射されてこの中央部Ｃの温度が低く抑えられる。そのため、比較例２では、キャビティ１９の中央部Ｃで十分に酸化反応を生じさせることができず、失火するおそれがある。

また、前記のように混合気の自着火はキャビティ１９の中央部Ｃから外周側に向かって進行しており、燃焼室６の外周側の領域の混合気が最後に燃焼する。そのため、この燃焼が緩慢となると燃焼期間が長くなってしまう。

これに対して、比較例２では、燃焼室６の外周側の領域にも水が噴射されており、燃焼室６の外周側の領域に存在し燃焼室６の壁面によって冷却される混合気がさらに水によって冷却される。そのため、燃焼室６の外周側の領域の混合気の燃焼が過度に緩慢となり、燃焼期間が長くなる。

このことから、本実施形態では、燃焼室６内で混合気が高温酸化反応を開始する前に、キャビティ１９の中央部Ｃを含む第１領域Ｒ１と、燃焼室６の外周側の第２領域Ｒ２と、の間に位置する中間領域Ｒ３に水が偏在するように、燃焼室６内に水を噴射する。

このようにすれば、キャビティ１９の中央部Ｃの温度を過度に低下させることなく、中央部Ｃの温度上昇を抑制できる。具体的には、中間領域Ｒ３に水が噴射されて中間領域Ｒ３が冷却されることでこれに隣接する第１領域Ｒ１も冷却されるが、その冷却効果は第１領域Ｒ１に直接水を噴射するよりも低く抑えられ、第１領域Ｒ１内の混合気の温度上昇を、この温度が過度に低下しない程度に抑えることができる。従って、キャビティ１９の中央部Ｃでの高温酸化反応の開始時期あるいは高温酸化反応の速度を遅くしつつ、中央部Ｃでの低温酸化反応を確実に実現して失火を防止できる。

また、キャビティ１９の中央部Ｃで生じた反応熱を受けた中間領域Ｒ３内の混合気の温度上昇を抑制して、中間領域Ｒ３での混合気の燃焼を緩慢にすること（高温酸化反応の開始時期あるいは高温酸化反応の速度を遅くすること）ができる。従って、キャビティ１９の中央部Ｃおよびその周辺で一気に混合気が燃焼するのを防止できる。

また、燃焼室６の外周側の領域の温度が水によってさらに低くなるのを防止でき、この外周側の領域での燃焼が緩慢になるのを回避できる。従って、燃焼期間を短くできる。

第１領域Ｒ１は、第１領域Ｒ１に存在する混合気により生成される燃焼エネルギーが燃焼室６全体の混合気の自着火を誘発できるような範囲に設定されていればよく、その具体的な範囲は限定されないが、例えば、第１領域Ｒ１は、直径が２ｍｍ程度以上且つキャビティ１９の直径の約半分以下となるように設定されている。

中間領域Ｒ３に水を偏在させるべく、また、中間領域Ｒ３において水と混合気との接触機会を多くするべく、本実施形態では、圧縮行程後期あるいは膨張行程前期で且つ燃焼室６内で混合気の高温酸化反応が開始するよりも前に、中間領域Ｒ３に水を噴射する。つまり、過度に早期に水を噴射すると、水が中間領域Ｒ３以外の領域に拡散しやすくなるとともに、水が燃焼室６の壁面に付着して混合気と水との接触機会が低下し、水による混合気の冷却効果および水による混合気の温度上昇抑制効果が小さくなる。そこで、本実施形態では、前記のように、圧縮行程の後期以降であって混合気の高温酸化反応が開始する直前に水を噴射する。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、後期のことを指す。

さらに、中間領域Ｒ３内の混合気の低温酸化反応をより効果的に遅くするべく、本実施形態では、燃焼室６内で低温酸化反応が開始するタイミング（図８の例におけるクランク角ＣＡ１）と高温酸化反応が開始するタイミング（図８の例におけるクランク角ＣＡ２）との間の時期であって、中間領域Ｒ３内の混合気の低温酸化反応の開始前後に水を噴射する。

具体的には、予め実験等によって、各運転条件（各エンジン回転数と各エンジン負荷等）での低温酸化反応が開始するタイミング（図８の例におけるクランク角ＣＡ１）と高温酸化反応が開始するタイミング（図８の例におけるクランク角ＣＡ２）とが求められるとともに、これらのタイミングの中間の時期が水噴射の開始時期として設定されてＰＣＭ１００にマップ等で記憶されている。そして、ＰＣＭ１００は、運転条件に応じたこのマップ等から水噴射の開始時期を抽出し、この時期に水インジェクタ１５によって燃焼室６内に水を噴射させる。なお、これに代えて、燃焼室６内の圧力を検出する筒内圧センサを設け、この筒内圧センサによって検出された筒内圧を用いて熱発生率を算出し、熱発生率が上昇したタイミングから所定クランク角度後の時期を水噴射の開始時期として設定してもよい。

また、燃料としてハイオクガソリンが用いられる場合は、低温酸化反応が明確に現れにくいことが分かっている。そのため、ハイオクガソリンが用いられる可能性がある場合は、各運転条件において、高温酸化反応が開始するタイミングを求めるとともに、このタイミングからおよそ１０°ＣＡ程度前の角度を水噴射の開始時期として設定してＰＣＭ１００にマップ等で記憶させる。そして、センサ等によってハイオクガソリンが用いられていることが検出されると、このハイオクガソリン用のマップを用いて水噴射の開始時期を設定する。

ただし、中負荷領域Ａ１と高負荷領域Ａ２とで、混合気が形成される領域および水を噴射する詳細な領域は異なっている。これについて次に説明する。

（２−３）中負荷領域Ａ１
中負荷領域Ａ１では、次のような噴射制御が実施される。

まず、中負荷領域Ａ１では、燃費性能を高めるべく、主としてキャビティ１９内に混合気が形成されるようにキャビティ１９内に燃料が噴射され、主としてキャビティ１９内で混合気の燃焼が行われる。つまり、中負荷領域Ａ１では、キャビティ１９内の混合気の空燃比を適切に高めてこれの自着火を実現しつつ、燃焼室６内全体での空燃比をリーンとして燃費性能を高める。具体的には、中負荷領域Ａ１では、圧縮行程のおよそ中期にキャビティ１９内に向かって燃料が噴射される。

このように、中負荷領域Ａ１では主としてキャビティ１９内で混合気の燃焼が生じており、キャビティ１９の最外周部分つまり開口縁１９ａ付近の混合気が最後に燃焼する。従って、燃焼期間を短くするためには、キャビティ１９の開口縁１９ａ付近の温度低下を抑制する必要がある。

そこで、中負荷領域Ａ１では、圧縮行程の後期あるいは膨張行程前期であって燃焼室６内で混合気が高温酸化反応を開始する直前に、キャビティ１９内のうち図９に示す中間領域Ｒ３に、水が噴射される。

具体的には、中負荷領域Ａ１では、キャビティ１９の中央部Ｃを含む第１領域Ｒ１と、キャビティ１９の外周部とキャビティ１９よりも外周側の部分とで構成される第２領域Ｒ２、換言すると、キャビティ１９の開口縁１９ａよりも径方向内側のラインＬ１から径方向外側の第２領域Ｒ２と、の間の領域が中間領域Ｒ３とされており、この中間領域Ｒ３に水が噴射される。詳細には、図１０に示すように、中間領域Ｒ３と第２領域Ｒ２との境界ラインＬ１よりもわずかに径方向内側の部分に向かって水インジェクタ１５から水Ｗが噴射される。図９の例では、第１領域Ｒ１は、キャビティ１９の中心を中心としキャビティ１９の直径のおよそ１/４の寸法を直径とする領域に設定されている。

（２−４）高負荷領域Ａ２
高負荷領域Ａ２では、エンジン負荷が高いことに伴って燃焼室６内に供給せねばならない燃料量が多くなる。そのため、高負荷領域Ａ２では、キャビティ１９内に向かって燃料が噴射されるが、燃料はキャビティ１９よりも径方向外側にまで拡散し、燃焼室６内のほぼ全体に混合気が形成される。

このように、高負荷領域Ａ２では、燃焼室６内のほぼ全体で混合気の燃焼が生じるため、燃焼室６の外周縁付近の混合気が最後に燃焼する。従って、燃焼期間を短くするためには、キャビティ１９の外周縁付近の温度低下を抑制する必要がある。また、高負荷領域Ａ２では、燃焼室６内の温度が高いこと、および、燃料量が多いことに伴って、燃焼がより急峻になりやすい。

そこで、高負荷領域Ａ２では、圧縮行程の後期または膨張行程前期であって燃焼室６内で混合気が高温酸化反応を開始する直前に、キャビティ１９内のうち図１１に示す中間領域Ｒ１３に水が噴射される。

具体的には、高負荷領域Ａ２においても、キャビティ１９の中央部Ｃを含み燃焼の核を生成可能な領域であって中負荷領域Ａ１の第１領域Ｒ１とほぼ同じ範囲の領域に第１領域Ｒ１１が設定されている。一方、高負荷領域Ａ２では、燃焼室６の外周縁から、キャビティ１９の開口縁１９ａよりも径方向外側のラインＬ１１までの領域であってキャビティ１９の外周部を含む領域が第２領域Ｒ１２とされる。そして、これら第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間の領域が中間領域Ｒ１３とされて、この中間領域Ｒ１３に水が噴射される。つまり、高負荷領域Ａ２では、水が噴射される領域が、キャビティ１９の開口縁１９ａよりも径方向内側のラインＬ１２からキャビティ１９の開口縁１９ａよりも径方向外側のラインＬ１１までの領域であって、中負荷領域Ａ１よりも広い領域とされる。

詳細には、高負荷領域Ａ２では、中負荷領域Ａ１よりも水インジェクタ１５のリフト量が小さくされて水の噴霧角度が大きくされ、図１２に示すように、キャビティ１９の開口縁１９ａに向けて水インジェクタ１５から水Ｗが噴射される。そして、水インジェクタ１５のリフト量が小さくされていることで、水の粒径が小さくなり、水のペネトレーションは小さくなる。従って、高負荷領域Ａ２では、中負荷領域Ａ１に比べて水はより広範囲に拡散し、中負荷領域Ａ１よりも広い領域に水が供給される。

（３）作用等
以上のように、本実施形態では、中負荷領域Ａ１と高負荷領域Ａ２とにおいて、つまり、エンジン負荷が第１基準負荷Ｔｑ１以上の領域において、キャビティ１９の中央部Ｃすなわち燃焼室６の中央部Ｃを含む第１領域Ｒ１と、燃焼室６の外周部に位置する第２領域Ｒ２との間の中間領域Ｒ３、Ｒ１３内に、圧縮行程後期あるいは膨張行程前期で且つ燃焼室６内で混合気の高温酸化反応が開始するよりも前に、水が噴射されていることで、初期の燃焼を緩慢にして燃焼騒音を抑制しつつ、後期の燃焼が緩慢になるのを抑制して熱効率を高めることができる。

特に、本実施形態では、キャビティ１９内で主として混合気が燃焼する中負荷領域Ａ１では、キャビティ１９の開口縁１９ａから径方向内側に離間した領域を中間領域Ｒ３に設定して、この中間領域Ｒ３に水を噴射している。そのため、中負荷領域Ａ１において、熱効率をより一層高めることができる。

また、燃焼室６のおよそ全体で混合気が燃焼する高負荷領域Ａ２では、キャビティ１９の開口縁１９ａの径方向内側の領域と外側の領域とを含むより広い領域を中間領域Ｒ１３として設定して、この中間領域Ｒ１３に水を噴射している。そのため、高負荷領域Ａ２において、初期の燃焼をより一層緩慢にして燃焼騒音を確実に小さく抑えることができる。

（４）変形例
前記実施形態では、第１領域Ｒ１がキャビティ１９の中央部Ｃおよび燃焼室６の中央部Ｃを含む領域に設定された場合について説明したが、第1領域Ｒ１は、燃焼室６の外周縁から径方向内側に離間した領域であって圧縮上死点において最も高温となる領域に設定されていればよくキャビティ１９の中央部Ｃおよび燃焼室６の中央部Ｃを含んでいなくてもよい。

また、前記実施形態では、ピストン冠面５ａにキャビティ１９が形成されて、中負荷領域Ａ１においてこのキャビティ１９内で主として混合気が燃焼する場合について説明したが、キャビティ１９は省略してもよい。

また、中負荷領域Ａ１のようにキャビティ１９において主として混合気が形成される運転領域においても、高負荷領域Ａ２と同様にキャビティ１９の開口縁１９ａの径方向内側から外側に至る領域に水を噴射してもよい。

ただし、前記のように、ピストン冠面５ａにキャビティ１９が形成され、且つ、このキャビティ１９内で主として混合気が燃焼する場合（且つ、燃焼騒音を小さく抑える必要がある場合）は、前記実施形態の中負荷領域Ａ１での制御のように、キャビティ１９の中央を含む第１領域Ｒ１と、キャビティ１９の内周面付近の第２領域Ｒ２との間に位置する中間領域Ｒ３にのみ水を噴射するのが好ましい。

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、水インジェクタ１５を外開式としこれのリフト量を変更することで、中負荷領域Ａ１と高負荷領域Ａ２とで異なる領域に水を噴射させるようにした場合について説明したが、水の噴射領域を異ならせるための具体的な構成はこれに限らない。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、この噴射角度を変更することで水の噴射領域を変更してもよい。

１エンジン本体
２気筒
６燃焼室
１４燃料インジェクタ
１５水インジェクタ（水噴射手段）
１００ＰＣＭ（制御手段）
Ｒ１第１領域
Ｒ２第２領域
Ｒ３中間領域
Ｒ１１第１領域
Ｒ１２第２領域
Ｒ１３中間領域

Claims

燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、前記燃焼室内でガソリンを含有する燃料と空気と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であって、
前記燃焼室内に水を噴射する水噴射手段と、
前記水噴射手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記水噴射手段に、前記自着火燃焼による運転時において、圧縮行程後期あるいは膨張行程前期で且つ前記燃焼室内で前記混合気の高温酸化反応が開始するよりも前に、前記燃焼室の径方向の外周部と当該外周部から径方向の内側に離れた内周部との間に位置する中間部に水を噴射させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記内周部は、前記燃焼室の中央部を含む領域である、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。