JP2019124190A - Compression ignition type engine - Google Patents

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Abstract

To actualize more sufficient improvement of heat insulation by water injection by preventing or suppressing a temperature drop at the outer peripheral edge of a piston crown surface when injecting high-density and high-temperature water into a combustion chamber.SOLUTION: A cylinder block 3, a cylinder head 4, and a piston 5c define a combustion chamber 6. A water injection device 22 is provided for injecting high-density and high-temperature water to a piston crown surface 5a as a surface facing a combustion chamber 6 out of the piston 5. On the piston crown surface 5a, a heat insulating material layer 7 is formed. The heat insulating material layer 7 is formed so that the thermal capacity at the outer peripheral edge of the piston crown surface 5a is greater than the thermal capacity at the center of the piston crown surface (for example, the center is a thin site 7a and the outer peripheral edge is a thick site 7b).SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、圧縮着火式エンジンに関するものである。   The present invention relates to a compression ignition engine.

エンジンにあっては、特許文献1に示すように、ピストン冠面(頂面)に遮熱材層を形成したものがある。遮熱材層を、例えば中空状粒子を含むものとして構成することにより、断熱性と熱応答性(周囲の熱変化に対する温度変化の応答性)とが両立されて、燃焼性向上や冷損低減の上で好ましいものとなる。特許文献2には、ピストン冠面に遮熱材層を形成すると共に、燃焼室に対して超臨界水や亜臨界水のような高密度で高温の水を噴射することによって断熱性をより高めるものが開示されている。   In the engine, as shown in Patent Document 1, there is one in which a heat insulating material layer is formed on a piston crown surface (top surface). By forming the heat shield material layer as one including, for example, hollow particles, heat insulation and thermal responsiveness (responsiveness of temperature change to surrounding heat change) are compatible, and burnability improvement and cold loss reduction are achieved. On top of the In Patent Document 2, while forming a heat shield layer on the piston crown surface, thermal insulation is further enhanced by injecting high-density high-temperature water such as supercritical water or subcritical water into the combustion chamber. Things are disclosed.

特開2015−081527号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2015-081527 特開2017−025775号公報JP 2017-025775 A

ところで、ピストン冠面のうち、シリンダ内壁面に近い外周縁部は、中央部に比して放熱しやすいものである。このため、特許文献2に記載のように、高密度で高温の水を燃焼室に噴射して断熱性を向上させようとしたとき、ピストン冠面のうち相対的に低温となる外周縁部では、水が凝縮して温度がかなり低下してしまうという問題を生じやすくなり、断熱性向上という点でさらなる改良が望まれるものである。   By the way, the outer peripheral edge close to the cylinder inner wall surface in the piston crown surface is easier to dissipate heat than the central region. For this reason, as described in Patent Document 2, when attempting to inject high-density, high-temperature water into the combustion chamber to improve heat insulation, the outer peripheral edge portion of the piston crown surface which is relatively low temperature This is likely to cause the problem of condensation of water and a considerable decrease in temperature, and further improvement is desired in terms of heat insulation improvement.

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、高密度で高温の水を燃焼室に噴射する場合に、ピストン冠面の外周縁部での温度低下を防止あるいは抑制して、水噴射による断熱性向上をより十分に行えるようにした圧縮着火式エンジンを提供することにある。   The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and its object is to prevent a temperature drop at the outer peripheral portion of the piston crown surface when high-density, high-temperature water is injected into the combustion chamber. An object of the present invention is to provide a compression-ignition engine capable of suppressing the heat insulation improvement by water injection more sufficiently.

前記目的を達成するため、本発明にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、請求項1に記載のように、
シリンダブロックとシリンダヘッドとピストンとにより燃焼室が画成され、
前記ピストンのうち前記燃焼室に臨む面となるピストン冠面に対して高密度で高温の水を噴射する水噴射装置が設けられ、
前記ピストン冠面に、遮熱材層が形成され、
前記遮熱材層は、前記ピストン冠面の外周縁部での熱容量が該ピストン冠面の中央部での熱容量よりも大きくなるように形成されている、
ようにしてある。
In order to achieve the above object, the following solutions are adopted in the present invention. That is, as described in claim 1,
The cylinder block, the cylinder head and the piston define a combustion chamber,
There is provided a water injection device for injecting high-temperature high-temperature water to a piston crown surface which is a surface facing the combustion chamber among the pistons,
A heat insulating material layer is formed on the piston crown surface,
The heat shield layer is formed such that the heat capacity at the outer peripheral edge of the piston crown surface is larger than the heat capacity at the central portion of the piston crown surface.
It is done like that.

上記解決手法によれば、ピストン冠面の外周縁部における遮熱材層の熱容量が中央部における遮熱材層の熱容量に比して大きくされていることから、この外周縁部での温度低下がより十分に防止されて、噴射された水がこの外周縁部で凝縮してしまう事態が防止あるいは抑制されて、水噴射による断熱性向上の効果をより十分に得ることができる。   According to the solution method, the heat capacity of the heat shield layer at the outer peripheral edge of the piston crown surface is larger than the heat capacity of the heat shield layer at the central portion, so the temperature decrease at this outer peripheral edge Can be sufficiently prevented, and a situation in which the injected water condenses at this outer peripheral portion can be prevented or suppressed, and the effect of the heat insulation improvement by the water injection can be obtained more sufficiently.

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、請求項2以下に記載のとおりである。すなわち、
前記遮熱材層は、前記ピストン冠面の外周縁部での厚さが該ピストン冠面の中央部での厚さに比して大きくされている、ようにしてある(請求項2対応)。この場合、厚さを相違させるという簡単な手法によって、遮熱材層の熱容量を中央部と外周縁部とで相違させることができる。
Preferred embodiments based on the above solution method are as described in claim 2 and the following claims. That is,
The heat shield layer is formed such that the thickness at the outer peripheral edge of the piston crown surface is larger than the thickness at the central portion of the piston crown surface (corresponding to claim 2) . In this case, the heat capacity of the heat shield material layer can be made different between the central portion and the outer peripheral portion by a simple method of making the thickness different.

前記遮熱材層の厚さが500μm〜1500μm未満の所定厚さ範囲に設定されて、該ピストン冠面の外周縁部の厚さと該ピストン冠面の中央部での厚さが該所定厚さ範囲内でもって相違されている、ようにしてある(請求項3対応)。この場合、噴射された水がピストン冠面外周縁部で凝縮するのを防止あるいは抑制するのに必要な遮熱材層の厚さが提供される。   The thickness of the heat shield layer is set to a predetermined thickness range of 500 μm to less than 1500 μm, and the thickness of the outer peripheral portion of the piston crown surface and the thickness at the central portion of the piston crown surface are the predetermined thickness It is made to be different within the range (corresponding to claim 3). In this case, the thickness of the heat shield layer necessary to prevent or suppress the jetted water from condensing at the outer peripheral portion of the piston crown surface is provided.

前記高密度で高温の水が、超臨界水または亜臨界水とされている、ようにしてある(請求項4対応)。この場合、噴射された水による断熱性向上を十分に得ることができる。また、かりに噴射された水が凝縮したとしてもその潜熱が極めて小さいために、ピストン冠面の外周縁部での温度低下を極めて小さいものとすることができる。   The high-density high-temperature water is made to be supercritical water or subcritical water (corresponding to claim 4). In this case, the heat insulation improvement by the injected water can fully be obtained. In addition, even if the water jetted into the water condenses, its latent heat is extremely small, so the temperature drop at the outer peripheral edge of the piston crown surface can be made extremely small.

前記ピストン冠面の中央部にキャビティが形成され、
前記遮熱材層の厚い部位と薄い部位との境界が、前記キャビティの外周縁よりも外側で該外周縁近傍に設定されている、
ようにしてある(請求項5対応)。この場合、燃焼により高温になるキャビティ部分を遮熱材層の薄い部位とし、それ以外を遮熱材層の厚い部位とすることにおり、噴射された水の凝縮を十分に防止あるいは抑制することができる。
A cavity is formed at the center of the piston crown surface,
The boundary between the thick portion and the thin portion of the heat shield layer is set outside the outer peripheral edge of the cavity and in the vicinity of the outer peripheral edge,
It corresponds (claim 5 correspondence). In this case, the cavity portion which becomes high temperature by combustion is made a thin portion of the heat shield layer, and the other portion is made a thick portion of the heat shield layer, and the condensation of the injected water is sufficiently prevented or suppressed. Can.

前記ピストン冠面の中央部にキャビティが形成され、
前記遮熱材層の厚い部位と薄い部位との境界が、前記キャビティの外周縁と前記ピストン冠面の外周縁との間の中間位置の付近または該中間位置よりも該ピストン冠面の外周縁側に設定されている、
ようにしてある(請求項6対応)。この場合、遮熱材層を構成する遮熱材の使用量を低減する上で好ましいものとなる。
A cavity is formed at the center of the piston crown surface,
The boundary between the thick portion and the thin portion of the heat shield layer is near the intermediate position between the outer peripheral edge of the cavity and the outer peripheral edge of the piston crown surface or on the outer peripheral edge side of the piston crown surface than the intermediate position Is set to,
(Claim 6 corresponds). In this case, it is preferable in terms of reducing the amount of heat shielding material constituting the heat shielding material layer.

前記遮熱材層が、中空状粒子を含むものとして構成されている、ようにしてある(請求項7対応)。この場合、熱応答性を高めて、断熱性による燃焼性向上を得つつ、ピストン冠面がいたずらに高温になったままに維持されてしまう事態を防止することができる。   The heat shield layer is configured to include hollow particles (corresponding to claim 7). In this case, it is possible to improve the heat responsiveness and obtain the combustion improvement by the heat insulating property, and to prevent the situation where the piston crown surface is maintained unnecessarily high temperature.

少なくとも所定の運転領域においてHCCI燃焼が行われる、ようにしてある(請求項8対応)。この場合、HCCI燃焼を行うことによって、遮熱材層による冷損低減と合わせて燃費向上を十分に図ることができる。また、遮熱材層によって、HCCI燃焼に要求される圧縮熱を十分に確保することができる。   HCCI combustion is performed at least in a predetermined operating range (corresponding to claim 8). In this case, by performing HCCI combustion, it is possible to sufficiently improve the fuel consumption together with the reduction of the cooling loss due to the heat shield material layer. In addition, the heat shield layer can sufficiently secure the heat of compression required for HCCI combustion.

本発明によれば、ピストン冠面の外周縁部での温度低下を防止あるいは抑制して、水噴射による断熱性向上をより十分に行うことができる。   According to the present invention, it is possible to more sufficiently improve the heat insulation by water injection by preventing or suppressing the temperature decrease at the outer peripheral edge portion of the piston crown surface.

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。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The figure which showed the structure of the engine system concerning one Embodiment of this invention. 超臨界水を説明するための水の状態図。Water phase diagram for explaining supercritical water. 亜臨界水を説明するための水の状態図。Phase diagram of water to explain subcritical water. エンジン本体の一部を拡大して示す概略断面図。The schematic sectional view which expands and shows a part of engine body. 燃料噴射装置の概略断面図。1 is a schematic cross-sectional view of a fuel injection device. (a)燃料の噴射間隔が長いときの燃料噴霧の広がりを示す概念図、(b)燃料の噴射間隔が短いときの燃料噴霧の広がりを示す概念図。(A) Conceptual view showing spread of fuel spray when fuel injection interval is long, (b) Conceptual view showing spread of fuel spray when fuel injection interval is short. (a)インジェクタのリフト量が小さいときの燃料噴霧の広がりを示す概念図、(b)インジェクタのリフト量が大きいときの燃料噴霧の広がりを示す概念図。(A) A conceptual view showing the spread of the fuel spray when the lift amount of the injector is small, and (b) a conceptual view showing the spread of the fuel spray when the lift amount of the injector is large. エンジンの制御系統を示すブロック図。A block diagram showing a control system of an engine. エンジンの制御領域を示した図。The figure which showed the control area | region of the engine. (a)低負荷噴射モードの噴射パターンと混合気層の形状とを示す図、(b)切替領域噴射モードの噴射パターンと混合気層の形状とを示す図、(c)中負荷噴射モードの噴射パターンと混合気層の形状とを示す図。(A) A diagram showing the injection pattern of the low load injection mode and the shape of the mixture layer, (b) A view showing the injection pattern of the switching region injection mode and the shape of the mixture layer, (c) of the medium load injection mode The figure which shows the injection pattern and the shape of an air-fuel | gaseous mixture layer. 高負荷領域での熱発生率、燃料噴射率、水噴射率を示した図。The figure which showed the heat release rate in a high load area | region, a fuel injection rate, and a water injection rate. 超臨界水噴射により断熱層が形成される様子を示した図。The figure which showed a mode that the heat insulation layer was formed by supercritical water injection. ピストン冠面を上方から見た平面図で、遮熱材層の厚さの異なる部位の分布を示す。The top view which looked at a piston crown surface from upper direction shows distribution of the site | part from which the thickness of a heat shield material layer differs. ピストン冠面を上方から見た平面図で、遮熱材層の厚さの異なる部位の分布を図13の場合とは相違させた例を示す。The top view which looked at a piston crown surface from upper direction, and shows the example which made distribution of the site | part from which the thickness of a heat shield material layer differs from the case of FIG. シリンダ壁面温度とエンジン負荷と水の飽和線との関係を示す図。The figure which shows the relationship between cylinder wall surface temperature, engine load, and the saturation line of water. 遮熱材層の熱伝導率とエンジン負荷と遮熱材層の限界厚さとの関係を示す図。The figure which shows the relationship between the heat conductivity of a heat shield material layer, engine load, and the limit thickness of a heat shield material layer. 遮熱材層の構造を模式的に示す図。The figure which shows the structure of a heat shielding material layer typically.

(1)エンジンシステムの全体構成
図1は、本発明の第1実施形態にかかるエンジンの制御装置が適用された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で生成された排ガスを排出するための排気通路40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。エンジン本体1に供給する燃料の種類は限定されないが、本実施形態ではガソリンを含む燃料が用いられる。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) Overall Configuration of Engine System FIG. 1 is a view showing the configuration of an engine system to which a control device for an engine according to a first embodiment of the present invention is applied. The engine system of the present embodiment includes a four-stroke engine body 1, an intake passage 30 for introducing combustion air into the engine body 1, and an exhaust passage 40 for discharging exhaust gas generated by the engine body 1. And The engine body 1 is, for example, a four-cylinder engine having four cylinders 2. Although the type of fuel supplied to the engine body 1 is not limited, in the present embodiment, a fuel containing gasoline is used. The engine system of the present embodiment is mounted on a vehicle, and the engine body 1 is used as a drive source of the vehicle.

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。   An air cleaner 31 and a throttle valve 32 are provided in the intake passage 30 sequentially from the upstream side, and air after passing through the air cleaner 31 and the throttle valve 32 is introduced into the engine main 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 operation of the engine, the throttle valve 32 is basically maintained at or almost fully open, and is closed only under limited operating conditions such as when the engine is stopped. Shut off the intake passage 30.

排気通路40には、上流側から順に、排ガスを浄化するための三元触媒41、熱交換器(昇温昇圧器)42、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、後述する排熱回収装置(水加工装置)60の一部を構成するものである。   The exhaust passage 40 is provided with a three-way catalyst 41 for purifying exhaust gas, a heat exchanger (temperature raising booster) 42, a condenser (condenser) 43, and an exhaust shutter valve 44 in this order from the upstream side. The heat exchanger 42 and the condenser 43 constitute a part of an exhaust heat recovery apparatus (water processing apparatus) 60 described later.

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 promoting the reflux of the 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のうち三元触媒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、排ガスの一部がEGRガスとして吸気通路30に還流されるようになっている。そして、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 is provided which 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 three-way catalyst 41. The exhaust gas is partially 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. When the EGR is performed and the pressure in the exhaust passage 40 is low, the exhaust shutter valve 44 is operated on the valve closing side to operate upstream of the EGR passage 51. The pressure of the side part is increased to promote the reflux of the 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 valve opening amount of the EGR valve 52. Further, in the present embodiment, the EGR passage 51 is provided with an EGR cooler 53 for cooling the EGR gas passing therethrough, and the EGR gas is cooled by the EGR cooler 53 and then recirculated to the intake passage 30. Ru.

排熱回収装置60は、排ガス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。すなわち、本実施形態のエンジンシステムでは、後述するように水噴射装置22から各気筒2内に超臨界水を噴射するように構成されているとともに、排ガスを利用してこの超臨界水を生成するように構成されている。   The exhaust heat recovery device 60 is for producing supercritical water using the thermal energy of the exhaust gas. That is, in the engine system of the present embodiment, supercritical water is injected from the water injection device 22 into each cylinder 2 as described later, and the supercritical water is generated using exhaust gas. Is configured as.

排熱回収装置60は、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とを接続する排気凝結水通路61と、水タンク62と、水噴射用ポンプ63とを備えている。   The exhaust heat recovery device 60 includes, in addition to the heat exchanger 42 and the condenser 43, an exhaust condensed water passage 61 connecting the water injection device 22 and the condenser 43, a water tank 62, and a water injection pump 63. There is.

コンデンサー43は、排気通路40を通過する排ガス中の水(水蒸気)を凝縮するためのものである。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、排気凝結水通路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 (steam) in the exhaust gas passing through the exhaust passage 40. The water tank 62 stores condensed water inside. The condensed water generated by the condenser 43 is introduced into the water tank 62 through the exhaust condensed water passage 61 and stored in the water tank 62.

水噴射用ポンプ63は、水タンク62内の凝縮水を熱交換器42を介して水噴射装置22に圧送するためのものである。水タンク62内の凝縮水は、水噴射用ポンプ63による圧送時に昇温昇圧される。例えば、凝縮水は、水噴射用ポンプ63によって、350K程度に昇温され250bar程度に昇圧される。   The water injection pump 63 is for pumping the condensed water in the water tank 62 to the water injection device 22 via the heat exchanger 42. The condensed water in the water tank 62 is heated and pressurized at the time of pressure feeding by the water injection pump 63. For example, the condensed water is heated to about 350 K and pressurized to about 250 bar by the water injection pump 63.

熱交換器42は、水噴射用ポンプ63から圧送された凝縮水と、排気通路40を通過する排ガス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、間接式熱交換器であり、凝縮水は熱交換器42の通過時に排ガスから熱エネルギーを受ける。熱交換器42を通過することで、凝縮水は、水噴射用ポンプ63により加圧された状態からさらに昇温昇圧され、超臨界水となる。   The heat exchanger 42 is for performing heat exchange between the condensed water pressure-fed from the water injection pump 63 and the exhaust gas passing through the exhaust passage 40. The heat exchanger 42 is an indirect heat exchanger, and the condensed water receives heat energy from the exhaust gas when passing through the heat exchanger 42. By passing through the heat exchanger 42, the condensed water is heated and pressurized from the state pressurized by the water injection pump 63 to become supercritical water.

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の壁面に断熱層を形成する。   Supercritical water is water whose temperature and pressure are higher than the critical point of water, and has a high density close to a liquid while the molecule is vigorously moving like a gas. In other words, supercritical water is water that does not require latent heat to change to gas or liquid water. Although the details will be described later, in the present embodiment, a water insulating layer is formed on the wall surface of the combustion chamber 6 formed in the cylinder 2 by injecting water of such a property into the cylinder 2.

図2を用いて具体的に説明する。図2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2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X1が臨界点、領域Z1が臨界点X1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. 2 shows a phase diagram of water when the horizontal axis is enthalpy and the vertical axis is pressure. In FIG. 2, a region Z2 is a region of liquid, a region Z3 is a region of gas, and a region Z4 is a region in which liquid and gas coexist. The lines LT350, LT400... LT1000 indicated by solid lines are isotemperature lines connecting points having the same temperature, and the numbers indicate the temperature (K). For example, LT 350 is a 350 K isothermal line, and LT 1000 is a 1000 K isothermal line. The point X1 is a critical point, the area Z1 is an area where the temperature and pressure are higher than the critical point X1, and the supercritical water is water contained in the area Z1. Specifically, while the critical point of water is a point of temperature: 647.3 K and pressure: 22.12 MPa, supercritical water has a temperature and pressure above these, ie, a temperature of 647.3 K and a pressure above It is water of 22.12 MPa or more.

図2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。   In FIG. 2, lines LR0.01, LR0.1,..., LR500 indicated by broken lines are isodensity lines connecting points having the same density, and the numbers indicate the density (kg / m 3). ing. For example, LR 0.01 is an isodensity line whose density is 0.01 kg / m 3, and LR 1000 is an isodensity line whose density is 500 kg / m 3. As apparent from the comparison between the isopycse line LR and the regions Z1 and Z3, the density of the water contained in the region Z1, ie, the supercritical water is a value close to that of the liquid water, about 50 kg / m3 to 500 kg / m3. 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/m3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2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。   Also, as indicated by arrow Y1 in FIG. 2, normal liquid water requires a large enthalpy to change to a gas. That is, normal liquid water requires a relatively large latent heat to turn into a gas. On the other hand, as indicated by the arrow Y2, supercritical water requires almost no enthalpy or latent heat to change to normal gas water.

ここで、図2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、上記のように排熱回収装置60によって超臨界水を生成して超臨界水を気筒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3に示す領域Z10であって、温度が600K以上、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。
(2)エンジン本体の構成
(2−1)全体構成
エンジン本体1の構成について次に説明する。
Here, as is clear from FIG. 2, the water contained in the area near the area Z1 has a high density and a small latent heat for changing to a gas, and has a property close to that of supercritical water. Therefore, in the present embodiment, as described above, the supercritical water is generated by the exhaust heat recovery apparatus 60 and the supercritical water is injected into the cylinder 2. However, instead of the supercritical water, the supercritical water is included in the area near the area Z1. Subcritical water, which is water, may be generated and injected into the cylinder 2. For example, subcritical water may be generated and jetted in the region Z10 shown in FIG. 3 and included in the region Z10 having a temperature of 600 K or more and a density of 250 kg / m 3 or more.
(2) Configuration of Engine Body (2-1) Overall Configuration The configuration of the engine body 1 will be described next.

図4は、エンジン本体1の一部を拡大して示した断面図である。図4に示すように、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。   FIG. 4 is a cross-sectional view showing a part of the engine body 1 in an enlarged manner. As shown in FIG. 4, the engine body 1 is capable of reciprocating (up and down) to the cylinder block 3 in which the cylinders 2 are formed, the cylinder head 4 provided on the upper surface of the cylinder block 3, and the cylinders 2. And a piston 5 fitted.

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。   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 (the lower surface of the cylinder head 4) of the combustion chamber 6 has a triangular roof shape consisting of two inclined surfaces on the intake side and the exhaust side.

本実施形態では、燃焼室6内の燃焼ガスの熱が燃焼室6の外部に放出されるのを抑制して冷却損失を低減するべく、燃焼室6の壁面(内側面)に、燃焼室6の内側面よりも熱伝導率が低い遮熱材層が設けられている。具体的には、燃焼室6の内側面を構成する、気筒2の壁面と、シリンダヘッド4の下面と、吸気弁19および排気弁19の各バルブヘッドの面とに、それぞれ遮熱材層71が設けられ、さらにピストン5の冠面5aに遮熱材層7が設けられている。なお、本実施形態では、図4に示すように、気筒2の壁面に設けられた遮熱材層71は、ピストン5が上死点に位置した状態でピストンリング5bよりも上側(シリンダヘッド4側)となる部分に限定されており、ピストンリング5bが遮熱材層71上を摺動しないようになっている。   In the present embodiment, the combustion chamber 6 is provided on the wall surface (inner side surface) of the combustion chamber 6 in order to reduce the cooling loss by suppressing the heat of the combustion gas in the combustion chamber 6 being released to the outside of the combustion chamber 6. The heat shield material layer whose thermal conductivity is lower than that of the inner surface of is provided. Specifically, the heat insulating material layer 71 is formed on the wall surface of the cylinder 2, which constitutes the inner side surface of the combustion chamber 6, the lower surface of the cylinder head 4, and the surfaces of the valve heads of the intake valve 19 and the exhaust valve 19. And the heat shield layer 7 is provided on the crown surface 5 a of the piston 5. In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the heat insulating material layer 71 provided on the wall surface of the cylinder 2 is located above the piston ring 5 b (cylinder head 4) in a state where the piston 5 is positioned at top dead center. It is limited to the part which becomes the side), and piston ring 5b does not slide on the heat insulation material layer 71 top.

遮熱材層7、71は、上記のように熱伝導率が低い材料で形成されればよく具体的な材料は限定されない。ただし、遮熱材層7、71として、燃焼室6の内側面よりも容積比熱が小さい材料を用いるのが好ましい。すなわち、エンジン本体1が冷却水により冷却される場合、燃焼室6内のガス温度は燃焼サイクルの進行によって変動する一方、燃焼室6の内側面の温度は略一定に維持される。そのため、この温度差に伴って冷却損失が大きくなる。そこで、遮熱材層7、71を容積比熱の小さい材料で形成すれば、遮熱材層7、71の温度が燃焼室6内のガスの温度の変動に追従して変化するため、冷却損失を小さく抑えることができる。   The heat shield layers 7 and 71 may be made of a material having a low thermal conductivity as described above, and the specific material is not limited. However, it is preferable to use a material having a volume specific heat smaller than that of the inner surface of the combustion chamber 6 as the heat shield layers 7 and 71. That is, when the engine body 1 is cooled by the cooling water, the gas temperature in the combustion chamber 6 fluctuates with the progress of the combustion cycle, while the temperature of the inner side surface of the combustion chamber 6 is maintained substantially constant. Therefore, the cooling loss increases with this temperature difference. Therefore, if the heat shield layers 7 and 71 are formed of a material having a small volume specific heat, the temperature of the heat shield layers 7 and 71 changes following the fluctuation of the temperature of the gas in the combustion chamber 6, so the cooling loss Can be kept small.

遮熱材層7、71は、例えば、燃焼室6の内側面上にZrO2等のセラミック材料がプラズマ溶射によりコーティングされることで形成されている。なお、このセラミック材料の中に多数の気孔が含まれるようにし、これにより遮熱材層7、71の熱伝導率および容積比熱をさらに小さくしてもよい。なお、遮熱材層7、71の詳細については、後述する。   The heat shield layers 7 and 71 are formed, for example, by coating a ceramic material such as ZrO 2 by plasma spraying on the inner side surface of the combustion chamber 6. In addition, a large number of pores may be included in the ceramic material, thereby further reducing the thermal conductivity and volume specific heat of the heat shield layers 7 and 71. The details of the heat shield layers 7 and 71 will be described later.

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。   The crown surface 5 a of the piston 5 is formed with a cavity 10 in which a region including the central portion thereof is recessed on the opposite side (downward) to 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.

ピストン冠面5aに形成された遮熱材層7の厚さは、その中央部が薄く、外周縁部が厚くなるように形成されて、その熱容量が外周縁部の方が中央部よりも大きくなるように設定されている。図4では、遮熱材層7のうち薄い部位が符号7aで示され、厚い部位が符号7bで示される。薄い部位7aと厚い部位7bとの境界線αは、本実施形態では図13に示すように、キャビティ10の外周縁の外側でその近傍に設定されている。なお、遮熱材層7の厚さの点については後述する。   The heat shield material layer 7 formed on the piston crown surface 5a is formed so that its central portion is thin and its outer peripheral portion is thick, and its heat capacity is larger at the outer peripheral portion than at its central portion. It is set to become. In FIG. 4, the thin portion of the heat shield layer 7 is indicated by reference numeral 7 a and the thick portion is indicated by reference numeral 7 b. The boundary line α between the thin portion 7a and the thick portion 7b is set outside the outer peripheral edge of the cavity 10 and in the vicinity thereof as shown in FIG. 13 in the present embodiment. The thickness of the heat shield layer 7 will be described later.

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 ratio of the volume of the combustion chamber 6 when the piston 5 is at the bottom dead center to the volume of the combustion chamber 6 when the piston 5 is at the top dead center Is set to 18 or more and 35 or less (for example, approximately 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燃焼室6に導入するための吸気ポート16と、燃焼室6で生成された排ガスを排気通路40に導出するための排気ポート17と、吸気ポート16の燃焼室6側の開口を開閉する吸気弁18と、排気ポート17の燃焼室6側の開口を開閉する排気弁19とが設けられている。なお、図4に示す例では、吸気ポート16の内側面にも、遮熱材層7、71と同様の成分からなる遮熱材層181が形成されている。   The cylinder head 4 has an intake port 16 for introducing air supplied from the intake passage 30 into the combustion chamber 6, and an exhaust port 17 for introducing exhaust gas generated in the combustion chamber 6 to the exhaust passage 40; An intake valve 18 for opening and closing an opening on the combustion chamber 6 side of the intake port 16 and an exhaust valve 19 for opening and closing an opening on the combustion chamber 6 side of the exhaust port 17 are provided. In the example shown in FIG. 4, a heat shield material layer 181 composed of the same components as the heat shield material layers 7 and 71 is also formed on the inner side surface of the intake port 16.

吸気弁18は、吸気弁開閉機構によって開閉される。吸気弁開閉機構には、吸気弁18の開閉時期を変更可能な吸気開閉時期変更機構18a(図8参照)が設けられており、運転条件等に応じて吸気弁18の開閉時期が変更されるようになっている。   The intake valve 18 is opened and closed by an intake valve opening and closing mechanism. The intake valve opening and closing mechanism is provided with an intake opening and closing timing changing mechanism 18a (see FIG. 8) capable of changing the opening and closing timing of the intake valve 18, and the opening and closing timing of the intake valve 18 is changed according to the operating conditions and the like. It is supposed to be.

また、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21と、燃焼室6内に臨界水を噴射する水噴射装置22とが取り付けられている。図4に示すように、燃料噴射装置21と水噴射装置22とは、それぞれ先端(燃焼室6側の端部)が気筒2の中心軸付近に位置してキャビティ10のほぼ中心部を臨むように隣接して配置されている。   Further, a fuel injection device 21 for injecting fuel into the combustion chamber 6 and a water injection device 22 for injecting critical water into the combustion chamber 6 are attached to the cylinder head 4. As shown in FIG. 4, the tip (end on the combustion chamber 6 side) of the fuel injection device 21 and the water injection device 22 is located near the central axis of the cylinder 2 and faces the approximate center of the cavity 10. It is located adjacent to.

なお、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4に示した例では、燃焼室6内の混合気に点火するための点火プラグがエンジン本体1に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。   Note that, in the present embodiment, premixed compression autoignition combustion is performed in which the mixture of fuel and air is mixed beforehand in the entire operation region and this mixture is self-ignited near the compression top dead center (TDC). It is configured as follows. Along with this, in the example shown in FIG. 4, the ignition plug for igniting the mixture in the combustion chamber 6 is not provided in the engine body 1, but in the case of cold start etc. In the case where ignition is necessary for the purpose, a spark plug may be provided on the engine body 1 as appropriate.

水噴射装置22は、上記のように、水噴射用ポンプ63から圧送された超臨界水を燃焼室6内に噴射する。水噴射装置22は、その先端に噴射口を有し、噴射口の開口期間が変更されることで噴射水量が変更されるようになっている。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、燃料を燃焼室6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程度で燃焼室6内に超臨界水を噴射する。   As described above, the water injection device 22 injects the supercritical water pumped from the water injection pump 63 into the combustion chamber 6. The water injection device 22 has an injection port at its tip, and the amount of injection water is changed by changing the opening period of the injection port. As the water injection device 22, for example, a device for injecting a fuel into the combustion chamber 6 which is used for a conventional engine can be applied, and the detailed description of the structure is omitted. The water injection device 22 injects supercritical water into the combustion chamber 6 at, for example, about 20 MPa.

上記のように、水噴射装置22は、先端が気筒2の中心軸付近に位置してキャビティ10のほぼ中心部を臨むように配置されている。これに伴い、水噴射装置22の先端からは、ピストン冠面5aに向かって超臨界水が噴射される。   As described above, the water injection device 22 is disposed such that its tip end is located near the central axis of the cylinder 2 and faces the substantially central portion of the cavity 10. Along with this, from the tip of the water injection device 22, supercritical water is injected toward the piston crown surface 5a.

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燃焼室6内に噴射する。本実施形態では外開き弁式の燃料噴射装置21が用いられている。
(2−2)燃料噴射装置の詳細構成
燃料噴射装置(燃料噴射弁)21の詳細について説明する。
The fuel injection device 21 injects the fuel pressure-fed by a fuel pump (not shown) into the combustion chamber 6. In the present embodiment, an open-valve fuel injection device 21 is used.
(2-2) Detailed Configuration of Fuel Injection Device The fuel injection device (fuel injection valve) 21 will be described in detail.

図5は、燃料噴射装置21の概略断面図である。図5に示すように、燃料噴射装置21は、先端(燃焼室6側の端部)にノズル口21bが形成された燃料管21cと、燃料管21cの内側に配設されてノズル口21bを開閉する外開き弁21aとを有する。外開き弁21aは、印加された電圧に応じて変形するピエゾ素子21dに接続されている。外開き弁21aは、ピエゾ素子21dに電圧が印加されていない状態でノズル口21bと当接してノズル口21bを閉弁し、ピエゾ素子21dが電圧の印加に伴って変形することで、ノズル口21bから先端側に突き出してノズル口21bを開弁する。   FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the fuel injection device 21. As shown in FIG. As shown in FIG. 5, the fuel injection device 21 includes a fuel pipe 21c having a nozzle port 21b formed at its tip (end on the combustion chamber 6 side), and a nozzle port 21b disposed inside the fuel pipe 21c. And an open / close valve 21a. The outer opening valve 21a is connected to a piezo element 21d that deforms in accordance with the applied voltage. The outer opening valve 21a is in contact with the nozzle port 21b in a state where voltage is not applied to the piezoelectric element 21d and closes the nozzle port 21b, and the piezoelectric element 21d is deformed in response to voltage application. The nozzle 21 b is opened by protruding from the end 21 b toward the tip end.

ノズル口21bおよび外開き弁21a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おり、ノズル口21bからは、ノズル口21b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(詳しくはホローコーン状)に噴射される。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。   The portion of the nozzle opening 21b and the outer opening valve 21a that abuts against the nozzle opening 21b has a tapered shape whose diameter increases toward the tip end, and from the nozzle opening 21b, the central axis of the nozzle opening 21b, that is, the cylinder 2. The fuel is injected in the form of a cone (more specifically, a hollow cone) around substantially the central axis. For example, the taper angle of this cone is 90 ° to 100 ° (the taper angle of the hollow portion in the hollow cone is about 70 °).

外開き弁21aの開弁期間およびリフト量(リフト量は、外開き弁21aの閉弁位置からの突出量でありノズル口21bの開口量である)は、ピエゾ素子21d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21aのリフト量に応じて、ノズル口21bから噴射される燃料噴霧のペネトレーション、単位時間あたりに噴射される燃料量および燃料噴霧の粒径は変化する。具体的には、リフト量が大きくノズル口21bの開口量が大きくなると、燃料噴霧のペネトレーションは大きくなり、単位時間あたりの噴射燃料量が大きくなるとともに燃料噴霧の粒径が大きくなる。   The opening period and lift amount of the outer opening valve 21a (lift amount is the projection amount from the closed position of the outer opening valve 21a and the opening amount of the nozzle port 21b) is the application period of voltage to the piezoelectric element 21d. And it changes according to the size of the voltage. Then, depending on the lift amount of the outer opening valve 21a, the penetration of the fuel spray injected from the nozzle port 21b, the amount of fuel injected per unit time, and the particle size of the fuel spray change. Specifically, when the lift amount is large and the opening amount of the nozzle 21 b is large, the penetration of the fuel spray becomes large, and the injected fuel amount per unit time becomes large and the particle diameter of the fuel spray becomes large.

上記構成に伴い、燃料噴射装置21は、1〜2msecの間に20回程度の多段噴射を行うことができる。また、燃料噴射装置21は、燃料噴射の間隔と、リフト量とをそれぞれ変更することによって、その軸方向に直交する径方向に対する燃料噴霧の広がりと、軸方向に対する燃料噴霧の広がりとを独立して制御することが可能となっている。   According to the above configuration, the fuel injection device 21 can perform multistage injection of about 20 times in 1 to 2 msec. Further, the fuel injection device 21 changes the fuel injection interval and the lift amount separately, thereby independently spreading the fuel spray in the radial direction orthogonal to the axial direction and spreading the fuel spray in the axial direction. Control is possible.

図6および図7を用いて具体的に説明する。   This will be specifically described using FIGS. 6 and 7.

図6は、燃料噴射装置21の噴射間隔の違いに伴う燃料噴霧の広がりの差を概念的に示した図である。具体的には、図6(a)は、燃料の噴射間隔を長くしたときの図であり、同図(b)は、同図(a)とリフト量を一定としながら噴射間隔を短くしたときの図である。   FIG. 6 is a diagram conceptually showing the difference in the spread of the fuel spray accompanying the difference in the injection interval of the fuel injection device 21. As shown in FIG. Specifically, FIG. 6 (a) is a view when the fuel injection interval is increased, and FIG. 6 (b) is a view when the injection interval is shortened while keeping the lift amount constant with that in FIG. 6 (a). Of the

これら図6(a)、(b)の比較から明らかなように、燃料の噴射間隔が短い方が、燃料噴霧の軸方向の広がりが促進される。   As apparent from the comparison of FIGS. 6 (a) and 6 (b), the axial spread of the fuel spray is promoted as the fuel injection interval is shorter.

すなわち、燃料噴射装置21からホローコーン状に噴射された燃料噴霧は、燃焼室6内を高速で流れる。このとき、コアンダ効果によりホローコーンの内側において燃料噴射装置21の軸に沿うように負圧領域が発生し、この負圧領域に向かって燃料噴霧が引き寄せられる。ここで、図6(a)に示すように、燃料噴射間隔が長い場合には、所定の燃料噴射から次の燃料噴射までの間に負圧領域の圧力が回復するため、負圧領域は燃料噴射装置21の軸に沿ってあまり伸びない。これに対し、燃料噴射間隔が短いときには、負圧領域での圧力回復が抑制され、負圧領域が燃料噴射装置21の軸方向に沿って延びる。従って、燃料噴射間隔が短い場合には、燃料噴霧が燃料噴射装置21の軸方向に沿ってより延びるようになる。   That is, the fuel spray injected in a hollow cone shape from the fuel injection device 21 flows in the combustion chamber 6 at high speed. At this time, a negative pressure region is generated along the axis of the fuel injection device 21 inside the hollow cone by the Coanda effect, and the fuel spray is drawn toward this negative pressure region. Here, as shown in FIG. 6A, when the fuel injection interval is long, the pressure in the negative pressure region recovers from the predetermined fuel injection to the next fuel injection, so the negative pressure region is the fuel It does not extend much along the axis of the injector 21. On the other hand, when the fuel injection interval is short, the pressure recovery in the negative pressure region is suppressed, and the negative pressure region extends along the axial direction of the fuel injection device 21. Therefore, when the fuel injection interval is short, the fuel spray extends more along the axial direction of the fuel injection device 21.

図7は、燃料噴射装置21のリフト量の違いに伴う燃料噴霧の広がりの差を概念的に示した図である。具体的には、図7(a)は、リフト量を小さくしたときの図であり、同図(b)は、同図(a)と噴射間隔を同じとしながらリフト量を大きくしたときの図である。   FIG. 7 is a diagram conceptually showing the difference in the spread of the fuel spray accompanying the difference in the lift amount of the fuel injection device 21. As shown in FIG. Specifically, FIG. 7 (a) is a view when the lift amount is reduced, and FIG. 7 (b) is a view when the lift amount is increased while making the injection interval the same as FIG. It is.

これら図7(a)、(b)の比較から明らかなように、燃料のリフト量が大きい方が、径方向(燃料噴射装置21の軸方向と直交する方向)について燃料噴霧の広がりが促進される。   As apparent from the comparison of FIGS. 7A and 7B, the spread of the fuel spray is promoted in the radial direction (the direction orthogonal to the axial direction of the fuel injection device 21) when the lift amount of the fuel is large. Ru.

すなわち、リフト量が大きい場合には、上記のように燃料噴霧の粒径が大きくなって燃料噴霧の運動量が大きくなる。そのため、リフト量が大きい場合には、燃料噴霧は負圧領域に引き寄せられにくくなり、径方向の外方へより広がることになる。
(3)制御系統
(3−1)システム構成
図8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。
That is, when the lift amount is large, the particle size of the fuel spray is increased as described above, and the momentum of the fuel spray is increased. Therefore, when the lift amount is large, the fuel spray is less likely to be attracted to the negative pressure region, and spreads outward in the radial direction.
(3) Control System (3-1) System Configuration FIG. 8 is a block diagram showing a control system of the engine. As shown in the figure, the engine system of the present embodiment is generally controlled by a PCM (power train control module, control means) 100. The PCM 100 is, as is well known, a microprocessor comprising 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 the rotational angle and rotational speed of the crankshaft, that is, the engine speed. Further, an air flow sensor SN2 is provided at a portion of the intake passage 30 between the air cleaner 31 and the throttle valve 32 to detect the amount of air (fresh air) sucked into each cylinder 2 through the air cleaner 31. ing. The vehicle is also provided with an accelerator opening sensor SN3 that detects the opening (accelerator opening) of an accelerator pedal (not shown) operated by the driver.

PCM100は、上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、水噴射用ポンプ63等と電気的に接続されており、上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 performing 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 water injection pump 63, etc. The drive control signal is output to each of these devices.

図9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以下の低負荷領域A1と、エンジン負荷が基準負荷Tq1よりも高い高負荷領域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。
(3−2)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、吸気開閉時期変更機構18aによって、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抑えられる。
In FIG. 9, the abscissa represents the engine speed, and the ordinate represents the control map of the engine load. In the present embodiment, a low load area A1 whose engine load is equal to or less than a preset reference load Tq1 and a high load area A2 whose engine load is higher than the reference load Tq1 are set as the control area. The control content of each area A1 and A2 will be described below.
(3-2) Low Load Region In the low load region A1, since the required engine torque is small, 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 to increase the energy efficiency. For example, the effective compression ratio can be reduced to a value less than 15. Specifically, the intake valve 18 is closed at a timing that is retarded and relatively later than the intake bottom dead center by the intake opening and closing timing changing mechanism 18a, whereby the effective compression ratio is reduced.

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 the combustion can be reduced. Therefore, in the region A1, it is not necessary to purify NOx by the three-way catalyst 41, and it is not necessary to set the air fuel ratio to the theoretical air fuel ratio that enables NOx purification by the three-way catalyst. Therefore, in the low load range 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 the 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。   The EGR gas is recirculated into the cylinder 2 in the low load region A1. 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 the operating 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 closing 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内の全ガス重量のうちEGRガスの重量が占める割合)が大きくされる。   In the present embodiment, in the low load area A1, the EGR gas is recirculated such 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, the EGR rate (the ratio of the weight of the EGR gas to the total weight of the gas in the cylinder 2) is increased as the engine load is higher.

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、これに伴い水噴射用ポンプ63の駆動が停止される。   In the low load region A1, the injection of supercritical water into the combustion chamber 6 by the water injection device 22 is stopped. And driving of the pump 63 for water injection is stopped in connection with this.

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付近で全燃料が燃焼室6内に噴射される。   In the low load range A1, all fuel is injected into the combustion chamber 6 by the fuel injection device 21 in the second 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 in the vicinity of 30 ° CA before the compression top dead center.

低負荷領域A1の噴射モードは、ピストン5の冠面5aに燃料が付着せず、燃焼室6の外周部分に空気の層が形成されるようなモードとされる。ここで、燃焼室6の外周部分とは、ピストン5の冠面5aの表面(冠面5a上の遮熱材層7の表面)、気筒2の内側面(内側面上の遮熱材層71の表面)およびシリンダヘッド4の下面付近を指す。   The injection mode in the low load area A1 is a mode in which no fuel adheres to the crown surface 5a of the piston 5 and a layer of air is formed on the outer peripheral portion of the combustion chamber 6. Here, the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 refers to the surface of the crown surface 5 a of the piston 5 (the surface of the heat shield layer 7 on the crown surface 5 a) and the heat shield layer 71 on the inner surface of the cylinder 2. And the lower surface of the cylinder head 4.

具体的には、低負荷領域A1のうちよりエンジン負荷が低い第1領域A1aと、これよりもエンジン負荷の高い第2領域A1bと、第1領域A1aと第2領域A1bとの切替領域A1cとにおいて、それぞれ噴射モードが、以下に説明する低負荷噴射モード、中負荷噴射モード、切替領域噴射モードとされる。   Specifically, a first area A1a having a lower engine load in the low load area A1, a second area A1b having a higher engine load than this, and a switching area A1c between the first area A1a and the second area A1b In each case, the injection mode is set to the low load injection mode, the medium load injection mode, and the switching area injection mode described below.

図10は、低負荷噴射モード、中負荷噴射モード及び切替領域噴射モードそれぞれの燃料噴射態様と、それに対応する混合気層の形状とを示した図である。
(低負荷噴射モード)
図10(a)は、第1領域A1aで実施される低負荷噴射モードである。低負荷噴射モードは、燃料噴射装置21のリフト量が小さくかつ噴射間隔が短い噴射が複数回連続して行われるモードである。なお、噴射回数は図の例に限らず適宜変更可能である。
FIG. 10 is a view showing fuel injection modes of each of the low load injection mode, the medium load injection mode and the switching area injection mode, and the shape of the air-fuel mixture layer corresponding thereto.
(Low load injection mode)
FIG. 10A shows the low load injection mode implemented in the first region A1a. The low load injection mode is a mode in which injection with a small lift amount of the fuel injection device 21 and a short injection interval is continuously performed a plurality of times. The number of injections is not limited to the example shown in the drawing and can be changed as appropriate.

上記のように、噴射間隔が短いと燃料噴霧は軸方向に長くなる。そして、リフト量が小さいと燃料噴霧の径方向の外方への広がりは抑制される。従って、低負荷噴射モードでは、燃料噴霧およびこれと空気との混合気の層は、径方向に対して軸方向の長さが相対的に長い縦長形状となる。   As described above, when the injection interval is short, the fuel spray becomes axially long. When the lift amount is small, the outward spread of the fuel spray in the radial direction is suppressed. Therefore, in the low load injection mode, the layer of the fuel spray and the mixture thereof with the air have a longitudinally elongated shape in which the axial length is relatively long with respect to the radial direction.

このようにして、第1領域A1aでは、燃焼室6内に縦長形状の混合気の層が形成されることで、燃焼室6のうち径方向外側の部分に空気の層が形成される。さらに、第1領域A1aでは燃料噴射量が小さい。そのため、縦長形状であっても混合気層の軸方向の長さは短く、ピストン5の冠面5aと混合気との接触は回避され、ピストン5の冠面5aの表面全体に空気層が形成される。
(中負荷噴射モード)
図10(c)は、第2領域A1bで実施される中負荷噴射モードである。中負荷噴射モードは、燃料噴射装置21のリフト量が低負荷噴射モードのリフト量よりも大きくかつ噴射間隔が低負荷噴射モードよりも長い噴射が複数回連続して行われるモードである。なお、噴射回数は図の例に限らず適宜変更可能である。
Thus, in the first region A1a, the layer of the vertically elongated mixture is formed in the combustion chamber 6, whereby the layer of air is formed in the radially outer portion of the combustion chamber 6. Furthermore, the fuel injection amount is small in the first region A1a. Therefore, the axial length of the air-fuel mixture layer is short even if it has a vertically long shape, and the contact between the crown surface 5a of the piston 5 and the mixture is avoided, and an air layer is formed on the entire surface of the crown surface 5a of the piston 5 Be done.
(Medium load injection mode)
FIG. 10C shows the medium load injection mode implemented in the second region A1 b. The medium load injection mode is a mode in which the lift amount of the fuel injection device 21 is larger than the lift amount of the low load injection mode and the injection interval is longer than the low load injection mode. The number of injections is not limited to the example shown in the drawing and can be changed as appropriate.

上記のように、噴射間隔が長いと燃料噴霧は軸方向に短くなる。そして、リフト量が大きいと燃料噴霧は径方向の外方へ広がる。従って、中負荷噴射モードでは、燃料噴霧および混合気の層は、軸方向に対して径方向の長さが相対的に長い横長形状となる。   As described above, when the injection interval is long, the fuel spray is axially shortened. When the lift amount is large, the fuel spray spreads radially outward. Therefore, in the medium load injection mode, the layer of the fuel spray and the air-fuel mixture has a laterally elongated shape in which the radial length is relatively long in the axial direction.

このようにして、第2領域A1bであって燃料噴射量が比較的多い領域では、燃焼室6内に横長形状の混合気の層が形成されることで、ピストン5の冠面5aと混合気との接触が回避され、ピストン5の冠面5aの表面に空気層が形成される。また、圧縮上死点付近における燃焼室6の寸法は軸方向よりも径方向の方が長く、径方向については空間に余裕がある。従って、第2領域A1bにおいて上記のように混合気の層は横長形状となるが、混合気の層は燃焼室6の径方向の外周すなわち気筒2の内側面まで到達せず、燃焼室6の径方向外側部分にも空気層が形成される。
(切替領域噴射モード)
図10(b)は、第3領域A1cで実施される切替領域噴射モードである。切替領域噴射モードは、低負荷噴射モードと中負荷噴射モードとを組み合わせたモードである。例えば、図10(b)に示すように、中負荷噴射モードの噴射を行った後(リフト量が大きくかつ噴射間隔が長い噴射を複数回連続させた後)、低負荷噴射モードの噴射を行う(リフト量が小さくかつ噴射間隔が短い噴射を複数回連続させる)。なお、これに代えて、低負荷噴射モードの噴射を行った後、中負荷噴射モードの噴射を行ってもよい。また、噴射回数は図の例に限らず適宜変更可能である。
In this manner, in the second area A1 b and in the area where the fuel injection amount is relatively large, the layer of the horizontally elongated mixture is formed in the combustion chamber 6, and the crown surface 5a of the piston 5 and the mixture Contact with the piston 5 is avoided, and an air layer is formed on the surface of the crown surface 5 a of the piston 5. Further, the dimension of the combustion chamber 6 near the compression top dead center is longer in the radial direction than in the axial direction, and there is a space in the radial direction. Therefore, although the layer of the mixture in the second region A1b has a laterally elongated shape as described above, the layer of the mixture does not reach the outer periphery of the combustion chamber 6 in the radial direction, ie, the inner surface of the cylinder 2. An air layer is also formed on the radially outer portion.
(Switching area injection mode)
FIG. 10B shows the switching area injection mode implemented in the third area A1 c. The switching area injection mode is a mode in which the low load injection mode and the medium load injection mode are combined. For example, as shown in FIG. 10 (b), after performing the injection in the medium load injection mode (after making the injection having a large lift amount and a long injection interval continue a plurality of times), the injection in the low load injection mode is performed (The injection with a small amount of lift and a short injection interval is made to continue several times). Instead of this, after the injection in the low load injection mode is performed, the injection in the medium load injection mode may be performed. Further, the number of injections is not limited to the example shown in the drawing and can be changed as appropriate.

切替領域噴射モードでは、低負荷噴射モードと中負荷噴射モードとの組み合わせにより、混合気層の特に径方向の外方への広がりが調整される。その結果、混合気層は、低負荷噴射モード時の混合気層よりも長くかつ、中負荷噴射モードの混合気層よりも短い形状となる。   In the switching area injection mode, the spread of the mixture layer, particularly in the radial direction, is adjusted by the combination of the low load injection mode and the medium load injection mode. As a result, the mixture layer has a shape longer than the mixture layer in the low load injection mode and shorter than the mixture layer in the medium load injection mode.

このようにして、第3領域A1cであって、第1領域A1aと第2領域A1bとの境界領域では、混合気層の形状が適切な形状に調整され、ピストン5の冠面5aの表面および燃焼室6の径方向外側部分に空気層が形成される。   Thus, in the third area A1 c and in the boundary area between the first area A1 a and the second area A1 b, the shape of the mixture layer is adjusted to an appropriate shape, and the surface of the crown surface 5 a of the piston 5 and An air layer is formed on the radially outer portion of the combustion chamber 6.

なお、切替領域噴射モードは省略可能である。   The switching area injection mode can be omitted.

以上のようにして、低負荷領域A1では、燃焼室6の外周部分に空気層すなわち空気からなる断熱層が形成される。そして、この空気層により冷却損失が抑制されて燃費性能が高められる。   As described above, in the low load area A1, an air layer, that is, a heat insulating layer made of air is formed on the outer peripheral portion of the combustion chamber 6. And a cooling loss is suppressed by this air layer and fuel consumption performance is improved.

ここで、このように燃焼室6の外周部分に空気層が形成されることに伴い、燃焼室6の内周部分すなわち燃焼室6の中央部分の空燃比は外周部分よりも高くなる。しかしながら、上記のように低負荷領域A1では、空気過剰率λが1より大きくされて燃焼に寄与しない余剰の空気が存在する。そのため、燃焼室6の中央部分には燃焼に必要な空気が確保され、この部分の空燃比は適正な範囲におさめられる。
(3−3)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、吸気開閉時期変更機構18aによって、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。
Here, with the formation of the air layer in the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 as described above, the air-fuel ratio of the inner peripheral portion of the combustion chamber 6, ie, the central portion of the combustion chamber 6 becomes higher than that of the outer peripheral portion. However, as described above, in the low load region A1, there is surplus air whose excess air ratio λ is larger than 1 and does not contribute to combustion. Therefore, the air necessary for combustion is secured in the central portion of the combustion chamber 6, and the air-fuel ratio of this portion is kept within the appropriate range.
(3-3) 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 secure the engine torque. In the present embodiment, the effective compression ratio is set to 15 or more in the high load area A2. Specifically, the closing timing of the intake valve 18 is made more advanced than the closing timing in the low load range A1 by the intake opening and closing timing changing mechanism 18a, whereby the effective compression ratio is higher than the low load range A1. Be

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 range A2, the air-fuel ratio is made the stoichiometric air-fuel ratio so that NOx purification by the three-way catalyst becomes possible. That is, the excess air ratio λ is set to one. Further, in the high load area A2, the EGR valve 52 is closed to stop the reflux 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、燃焼室6内に噴射される燃料が多くこの燃料を燃焼させるのに必要な空気量も多くなるため、余剰の空気が不足する。特に、本実施形態では、空気過剰率λが1とされることで、余剰の空気が存在しない状態となる。そのため、低負荷領域A1のように、燃焼室6の外周部分に空気層を形成した場合には、燃焼室6内に空燃比が過剰に高い混合気が生成されてスモークが悪化するおそれがある。また、高負荷領域A2では、噴射される燃料噴射量が多く発熱量が多いため燃焼室6内の温度が高くなる。さらに、本実施形態では有効圧縮比が高いことによって燃焼室6内の温度はさらに高くなる。そのため、高負荷領域A2ではスモークが発生しやすく、このような条件下でリッチな領域すなわち空気過剰率が小さな領域が形成されると多量のスモークが発生するおそれがある。   Here, in the high load area A2, the amount of fuel injected into the combustion chamber 6 is large, and the amount of air necessary to burn the fuel is also large, so the excess air is insufficient. In particular, in the present embodiment, by setting the excess air ratio λ to 1, there is no excess air. Therefore, when an air layer is formed on the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 as in the low load region A1, an air-fuel ratio having an excessively high air-fuel ratio may be generated in the combustion chamber 6 and smoke may be deteriorated. . Further, in the high load region A2, the temperature in the combustion chamber 6 becomes high because the amount of injected fuel is large and the amount of heat generation is large. Furthermore, in the present embodiment, the temperature in the combustion chamber 6 is further increased due to the high effective compression ratio. Therefore, smoke is likely to be generated in the high load area A2, and a large amount of smoke may be generated if a rich area, that is, an area having a small excess air ratio is formed under such conditions.

そこで、本実施形態では、高負荷領域A2では、低負荷領域A1のような空気層は形成せず、後述するように、代わりに超臨界水噴射による断熱層を形成する。また、スモークの悪化を抑制するべく、燃焼室6内の混合気がより均質化された状態(空燃比が均一とされた状態)で燃焼が開始するように、燃料を噴射する。   So, in this embodiment, an air layer like low load area A1 is not formed in high load area A2, but a heat insulation layer by supercritical water injection is formed instead, as mentioned later. Further, in order to suppress the deterioration of the smoke, the fuel is injected such that the combustion is started in a state where the air-fuel mixture in the combustion chamber 6 is more homogenized (the air-fuel ratio is made uniform).

また、高負荷領域A2では、上記のように発熱量が多いことおよび有効圧縮比が高いことから、圧縮上死点よりも前に燃焼が開始すると筒内圧(燃焼室6内の圧力)の絶対値および筒内圧の上昇率が非常に高くなり燃焼騒音が大きくなってしまう。そこで、本実施形態では、圧縮上死点よりも遅角側すなわちピストン5が下降して筒内圧が低下しているときに燃焼が開始するように燃料を噴射する。   Further, in the high load area A2, since the calorific value is large and the effective compression ratio is high as described above, the absolute value of the in-cylinder pressure (pressure in the combustion chamber 6) when combustion starts before the compression top dead center. The increase rate of the value and the in-cylinder pressure becomes very high, and the combustion noise becomes large. Therefore, in the present embodiment, the fuel is injected so as to start combustion when the retarded side, ie, the piston 5 is lowered below the compression top dead center and the in-cylinder pressure is decreased.

具体的には、高負荷領域A2では、図11に示すような高負荷噴射モードでの燃料噴射が実施される。すなわち、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する第1噴射Q1が実施され、圧縮行程後半に残りの燃料の一部を噴射する第2噴射Q2が実施され、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第3噴射Q3が実施される。   Specifically, in the high load area A2, fuel injection in the high load injection mode as shown in FIG. 11 is performed. That is, the first injection Q1 for injecting a relatively large amount of fuel is performed 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 second injection Q2 is performed, and then the third injection Q3 is performed to inject the remaining fuel slightly ahead of the compression top dead center.

第1噴射Q1は、混合気を均質化させるための噴射であり、第1噴射Q1が実施されて圧縮行程前半に多量の燃料が噴射されて空気と混合されることで、燃焼開始前の燃焼室6内の混合気が均質化される。第1噴射Q1は、例えば圧縮上死点前150°CA付近で開始される。   The first injection Q1 is an injection for homogenizing the air-fuel mixture, and the first injection Q1 is carried out, and a large amount of fuel is injected in the first half of the compression stroke and mixed with the air, whereby combustion before the start of combustion is started. The mixture in the chamber 6 is homogenized. The first injection Q1 is started, for example, near 150 ° CA before compression top dead center.

第3噴射Q3は、混合気をより遅角側で自着火させるための噴射であり、第3噴射Q3が圧縮行程後半に実施されることで、第1噴射Q1によって生成された均質な混合気が圧縮上死点後に自着火する。第3噴射Q3は、例えば圧縮上死点前15°CA付近で開始される。   The third injection Q3 is an injection for self-igniting the air-fuel mixture on the more retarded side, and the third injection Q3 is performed in the latter half of the compression stroke to form a homogeneous mixture generated by the first injection Q1. Fires after compression top dead center. The third injection Q3 is started, for example, around 15 ° CA before the compression top dead center.

第2噴射Q2は、燃焼安定性を高めるための噴射である。すなわち、第3噴射Q3によって圧縮上死点付近の比較的遅角側の時期で残りの燃料をすべて噴射した場合には、燃焼が開始するまでにピストン5の下降に伴って燃焼室6内の温度が燃焼可能な温度以下に低下して失火するおそれがある。そこで、本実施形態では、第3噴射Q3の前に第2噴射Q2を実施して、燃焼室6内の温度が圧縮上死点後においても燃焼可能な温度以上に維持されるようにする。第2噴射Q2は、例えば圧縮上死点前30°CA付近で実施される。   The second injection Q2 is an injection for enhancing the combustion stability. That is, when all the remaining fuel is injected by the third injection Q3 at a relatively retarded timing near the compression top dead center, the inside of the combustion chamber 6 is lowered along with the descent of the piston 5 before the start of the combustion. There is a risk that the temperature may drop below the temperature at which it can burn and misfire. So, in this embodiment, 2nd injection Q2 is implemented before 3rd injection Q3, and it is made for temperature in the combustion chamber 6 to be maintained above the temperature which can be combusted also after compression top dead center. The second injection Q2 is performed, for example, near 30 ° CA before compression top dead center.

そして、高負荷領域A2では、燃焼室6の外周部分に高温、高密度の水の層50、例えば高密度の蒸気層(図12参照)が形成されるように、水噴射装置22によって、燃焼室6内に超臨界水が噴射される。ここで、高温、高密度の水の層とは、常温水を気筒内の圧力下で噴射できる程度に圧力を高めて噴射した場合の水の層に対して、より高温、高密度の層であることを意味する。   In the high load area A2, the water injection device 22 burns so that a high temperature, high density water layer 50, for example, a high density steam layer (see FIG. 12) is formed on the outer peripheral portion of the combustion chamber 6. Supercritical water is injected into the chamber 6. Here, the high-temperature, high-density water layer is a higher-temperature, high-density layer with respect to the water layer when the pressure is increased to such an extent that normal temperature water can be injected under the pressure in the cylinder. It means that there is.

具体的には、図11に示すように、圧縮行程後半から膨張行程前半(圧縮上死点〜圧縮上死点後90°CA)の間であって第3噴射Q3の終了後、かつ、燃焼室6内で混合気が着火する前に、水噴射W1が実施される。本実施形態では、図11に示すように、圧縮上死点前に水噴射W1が実施される。   Specifically, as shown in FIG. 11, after the end of the third injection Q3, the combustion is between the second half of the compression stroke and the first half of the expansion stroke (compression top dead center to compression top dead center 90 ° CA) Before the mixture is ignited in the chamber 6, the water injection W1 is performed. In the present embodiment, as shown in FIG. 11, the water injection W1 is performed before the compression top dead center.

上記のように、水噴射装置22から噴射された超臨界水はピストン冠面5aに向かって噴射される。そのため、水噴射W1が実施されることで、高負荷領域A2では、図12に示すように、ピストン冠面5aの表面に高温、高密度の水が付着して超臨界水噴射による断熱層50が形成される。特に、本実施形態では、水噴射W1が圧縮上死点前であってピストン5の上昇中に実施されていることで、水噴射W1をピストン冠面5aにより確実に付着させることができる。なお、図12における網掛け部分は、水噴射W1の噴射の様子を模式的に示したものである。   As described above, the supercritical water injected from the water injection device 22 is injected toward the piston crown surface 5a. Therefore, as the water injection W1 is performed, high temperature, high density water adheres to the surface of the piston crown surface 5a in the high load area A2, as shown in FIG. Is formed. In particular, in the present embodiment, since the water injection W1 is performed before the compression top dead center and while the piston 5 is rising, the water injection W1 can be reliably attached to the piston crown surface 5a. In addition, the shaded part in FIG. 12 shows typically the mode of injection of water injection W1.

ここで、断熱層50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、通常の液体の水は、高温の燃焼室6内に噴射されたときに水蒸気(気体の水)となる。そして、上記のように、水蒸気は密度が小さい。そのため、通常の液体の水を噴射して水蒸気によって断熱層を形成しても、断熱層に含まれる水の重量(分子数)は少なく、断熱効果は小さい。また、上記のように、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、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, as a material for forming the heat insulating layer 50, it is conceivable to use normal liquid water instead of supercritical water (or subcritical water). However, normal liquid water becomes steam (gaseous water) when injected into the high temperature combustion chamber 6. And, as mentioned above, water vapor has a low density. Therefore, even if normal liquid water is jetted to form a heat insulating layer by steam, the weight (number of molecules) of water contained in the heat insulating layer is small, and the heat insulating effect is small. In addition, as described above, ordinary liquid water requires latent heat when converted to water vapor. Therefore, when normal liquid water is injected, the temperature of the mixture decreases with evaporation, and the thermal efficiency is degraded.

そこで、本実施形態では、上記のように、密度が高く、潜熱を必要としない超臨界水を気筒2内に噴射するとともに、着火前において噴射された超臨界水が高温、高密度の状態で存在するように、圧縮行程後半から膨張行程前半の高温高圧の燃焼室6内に超臨界水を噴射する。そして、燃焼室6内の混合気を均質としつつこの混合気の着火前に燃焼室6の外周部分に断熱層50を形成する。   Therefore, in the present embodiment, as described above, the supercritical water which has a high density and does not require latent heat is injected into the cylinder 2, and the supercritical water injected before ignition is in a high temperature / high density state. As present, supercritical water is injected into the high temperature and high pressure combustion chamber 6 in the second half of the compression stroke and the first half of the expansion stroke. Then, the heat insulating layer 50 is formed on the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 before ignition of the mixture while making the mixture in the combustion chamber 6 homogeneous.

なお、本明細書において、着火時期すなわち混合気が着火する時期とは、図11に示すように、熱発生率が急激に上昇する時期をいう。すなわち、図11に示すように、燃料と空気の混合気は、温度圧力が所定値になると、まず、冷却損失等を上回るわずかな発熱を伴う低温酸化反応(冷炎反応)であって熱発生率が緩やかに上昇する、あるいは、緩やかに上昇した後一旦低下するような反応を起こし、その後、高い発熱量および熱炎を伴う反応(熱炎反応)を起こす。そして、ここでは、この熱炎反応が開始された時期を着火時期という。なお、熱炎反応は、混合気の温度が1500K程度以上となると生じることが知られている。そのため、混合気の温度が1500K以上となる時期を着火時期としてもよい。
(4)作用等
以上のように、本実施形態では、低負荷領域A1では、燃焼室6の外周部分に余剰の空気によって空気層を形成することで、適正な燃焼を維持しつつ冷却損失を抑制することができる。そして、高負荷領域A2では、燃焼室6の外周部分に水によって断熱層50を形成することで、混合気の空燃比を適正な範囲に抑えてスモークの発生を抑制しつつ冷却損失を抑制することができる。特に、これら空気および水による断熱層に加えて燃焼室6の壁面に断熱材7が形成されているため、冷却損失を効果的に小さく抑えることができる。
In the present specification, the ignition timing, that is, the timing at which the mixture is ignited refers to the timing at which the heat generation rate rises rapidly, as shown in FIG. That is, as shown in FIG. 11, when the temperature and pressure reaches a predetermined value, the mixture of fuel and air is a low temperature oxidation reaction (cold flame reaction) accompanied by a slight heat generation exceeding cooling loss etc. The reaction rate increases slowly, or increases slowly and then declines, and then causes a reaction with a high calorific value and a hot flame (hot flame reaction). And here, the timing when this heat flame reaction is started is called ignition timing. The heat flame reaction is known to occur when the temperature of the air-fuel mixture reaches about 1500 K or more. Therefore, the timing at which the temperature of the air-fuel mixture becomes 1500 K or higher may be used as the ignition timing.
(4) Operation, Etc. As described above, in the low load region A1 according to the present embodiment, the air layer is formed by the excess air in the outer peripheral portion of the combustion chamber 6, thereby maintaining the appropriate combustion while maintaining the cooling loss. It can be suppressed. Then, in the high load area A2, the heat insulating layer 50 is formed by water on the outer peripheral portion of the combustion chamber 6, thereby suppressing the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to an appropriate range to suppress the generation of smoke while suppressing the cooling loss. be able to. In particular, since the heat insulating material 7 is formed on the wall surface of the combustion chamber 6 in addition to the heat insulating layer made of air and water, the cooling loss can be effectively reduced.

しかも、高負荷領域A2の断熱層50は超臨界水噴射により形成されているとともに、超臨界水が圧縮行程後半から膨張行程前半の高温高圧の燃焼室6内に噴射されて燃焼室6の壁面に水が高温、高密度の状態で存在するように構成されている。そのため、断熱層50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抑制して燃費性能をより確実に高めることができる。   Moreover, the heat insulating layer 50 in the high load area A2 is formed by supercritical water injection, and the supercritical water is injected into the high temperature and high pressure combustion chamber 6 in the latter half of the compression stroke and the first half of the expansion stroke. The water is configured to be present in a high temperature, high density state. Therefore, the density of water in the heat insulation layer 50 can be increased to obtain a high heat insulation effect, and the cooling loss can be more reliably suppressed, and the fuel consumption performance can be more reliably improved.

また、本実施形態では、排ガスの熱エネルギーを利用して超臨界水が生成されており、排ガスの温度が高い高負荷領域A2では、排ガスの熱エネルギーを有効に利用して超臨界水を生成することができエネルギー効率を高めることができる一方、エンジン負荷が低い低負荷領域A1では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、低負荷領域A1において、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。これに対して、本実施形態では、低負荷領域A1では、空気により断熱層を形成し、高負荷領域A2でのみ超臨界水噴射により断熱層50を形成しているため、エネルギー効率を高めつつ広範な負荷領域で冷却損失を抑制することができる。   Further, in the present embodiment, the supercritical water is generated using the thermal energy of the exhaust gas, and in the high load area A2 where the temperature of the exhaust gas is high, the thermal energy of the exhaust gas is effectively used to generate supercritical water. While it is possible to increase the energy efficiency, in the low load area A1 where the engine load is low, the necessary amount of supercritical water may not be generated because the temperature of the exhaust gas is low. In addition, in the low load area A1, when the insufficient energy is compensated by the separately provided heater or the like, the energy efficiency is deteriorated. On the other hand, in the present embodiment, the heat insulating layer is formed by air in the low load area A1, and the heat insulating layer 50 is formed by supercritical water injection only in the high load area A2. Cooling loss can be suppressed in a wide load range.

ここで、ピストン冠面5aに形成された遮熱材層7は、相対的に低温となる外周縁部の厚さが厚い部位7bとされている。この厚い部位7bとなる外周縁部は、高温となる中央部の薄い部位7aに比して熱容量が大きくなるため、断熱性が良好となる。したがって、水噴射を行った際に、ピストン冠面5aの外周縁部において水が凝縮することが防止あるいは抑制されて、ピストン冠面5aの外周縁部での冷損が防止あるいは抑制されることになる(水噴射による断熱性向上の利点を大きく助長させる)。   Here, the heat shield material layer 7 formed on the piston crown surface 5a is a portion 7b where the thickness of the outer peripheral edge where the temperature is relatively low is large. Since the heat capacity of the outer peripheral edge portion to be the thick portion 7b is larger than that of the thin portion 7a in the central portion where the temperature is high, the heat insulating property is improved. Therefore, when the water injection is performed, the condensation of the water at the outer peripheral edge of the piston crown surface 5a is prevented or suppressed, and the cooling loss at the outer peripheral edge of the piston crown surface 5a is prevented or suppressed. (It greatly promotes the advantage of the heat insulation improvement by water injection).

ここで、遮熱材層7を全体的に厚い部位7bと同様の厚さとすることも考えられるが、この場合は、遮熱材層7を構成する材料の使用量が大きくなり、コスト等の点で好ましくないものとなる。図14は、厚い部位7bの面積範囲をより狭めて、遮熱材層7を構成する材料の使用量をより低減した場合を示す。すなわち、図14の例では、薄い部位7aと厚い部位7bとの境界線αを、キャビティ10の外周縁とピストン冠面5aの外周縁との間の中間位置付近に設定してある。境界線αを、上記中間位置よりもさらにピストン冠面5aの外周縁側に設定することもできる。さらに、薄い部位7aの外周縁からピストン冠面5aの外周縁側に向けて徐々に遮熱材層7の厚さを厚くして、最終的に厚い部位7bに到達するような厚さ設定もできる。   Here, it is conceivable to make the heat shield layer 7 as thick as the thick portion 7b as a whole, but in this case, the amount of use of the material constituting the heat shield layer 7 becomes large, and the cost etc. It is not desirable in terms of points. FIG. 14 shows a case where the area range of the thick portion 7 b is narrowed to further reduce the amount of the material constituting the heat shield layer 7. That is, in the example of FIG. 14, the boundary line α between the thin portion 7 a and the thick portion 7 b is set near an intermediate position between the outer peripheral edge of the cavity 10 and the outer peripheral edge of the piston crown surface 5 a. The boundary line α can also be set closer to the outer peripheral edge side of the piston crown surface 5a than the intermediate position. Furthermore, the thickness of the heat shield layer 7 can be gradually increased from the outer peripheral edge of the thin portion 7a toward the outer peripheral edge side of the piston crown surface 5a, and the thickness can be set to finally reach the thick portion 7b. .

ピストン冠面5aに向けて噴射された水が、ピストン冠面5aの外周縁部で凝縮しないようにするには、この外周縁部の温度を水の飽和線以上の高温に維持すればよいことになる。図15は、筒内の壁面温度(つまり筒内のうち低い温度となるピストン冠面5aの外周縁部の温度)とエンジン負荷と水の飽和線との関係を示すものである。壁面温度が450度Kよりも高い温度であれば、エンジン負荷が100kpa以上の範囲では水が凝縮しないことになる。   In order to prevent the water jetted toward the piston crown surface 5a from condensing at the outer peripheral edge of the piston crown surface 5a, the temperature of the outer peripheral edge may be maintained at a temperature higher than the saturation line of water. become. FIG. 15 shows the relationship between the wall surface temperature in the cylinder (that is, the temperature of the outer peripheral portion of the piston crown surface 5a which is a low temperature in the cylinder), the engine load, and the water saturation line. If the wall surface temperature is higher than 450 ° K, water will not condense in the engine load range of 100 kpa or more.

遮熱材層7の厚さは、低負荷でも十分な断熱性を確保できるように、500μm〜1500μmの範囲となる所定厚さ範囲で設定するのが好ましいものである。薄い部位7aと厚い部位7bとは、上記所定厚さ範囲内でもって相違させることになる。図16は、遮熱材層7の限界厚さと遮熱材層7の熱伝導率とエンジン負荷との関係を示すものである。すなわち、ある負荷で定常運転したの際に、ピストン冠面5a(のうち特に温度が低くなる外周縁部)を所定温度(例えば図15で説明した450°K)以上に維持するのに必要な遮熱材層7の限界厚さ(最小必要厚さ)を示すものである。例えば、遮熱材層7の熱伝導率が0.15W/mKで、エンジン負荷が100kpaの場合に、遮熱材層7の厚さを500μm以上必要である、ということになる。勿論、エンジン負荷が大きくなるほど、筒内の温度が高くなるので、要求される遮熱材層7の厚さは小さくてすむことになる。使用できる材料等を勘案して、遮熱材層7の熱伝導率を0.1〜0.23W/mK程度の範囲で選択するのが、遮熱材層7を構成する材料等の点で実用的であり、この場合、遮熱材層7の厚さを500μm〜1500μmの厚さ範囲で設定すればよい。勿論、遮熱材層7の厚さを1500μm以上とすることも可能であるが、厚くし過ぎることは不必要にコストアップになることから、上記のような厚さ範囲とするのが好ましい。   The thickness of the heat shield layer 7 is preferably set within a predetermined thickness range of 500 μm to 1500 μm so as to ensure sufficient heat insulation even at low loads. The thin portion 7a and the thick portion 7b will be different within the above-mentioned predetermined thickness range. FIG. 16 shows the relationship between the critical thickness of the heat shield layer 7, the thermal conductivity of the heat shield layer 7, and the engine load. That is, it is necessary to maintain the piston crown surface 5a (of the outer peripheral portion where the temperature is particularly low) above a predetermined temperature (for example, 450.degree. K described in FIG. 15) during steady operation with a certain load. The critical thickness (minimum required thickness) of the heat shield material layer 7 is shown. For example, when the thermal conductivity of the heat shield layer 7 is 0.15 W / mK and the engine load is 100 kpa, the thickness of the heat shield layer 7 needs to be 500 μm or more. Of course, since the temperature in the cylinder increases as the engine load increases, the required thickness of the heat shield layer 7 can be reduced. The thermal conductivity of the heat shield layer 7 is selected in the range of about 0.1 to 0.23 W / mK in consideration of usable materials, etc. in terms of the material etc. constituting the heat shield layer 7 It is practical, and in this case, the thickness of the heat shield layer 7 may be set in a thickness range of 500 μm to 1500 μm. Of course, it is possible to make the thickness of the heat shield material layer 1500 μm or more, but it is preferable to set the thickness range as described above because it is unnecessary to increase the thickness if the cost is unnecessarily increased.

次に、遮熱材層7の材質等について、図17を参照しつつ説明するが、遮熱材層71や181においても同様な材質を用いることができる。本実施形態の遮熱材層7は、無機酸化物を主体とする中空状粒子123、及び緻密質バインダ材125を含む。遮熱材層7では、緻密質バインダ材125が中空状粒子123を覆い、中空状粒子123同士を結合し、中空状粒子123とピストン冠面5aとを結合することで、ピストン冠面5a上に層構造を成している。緻密質バインダ材125は、中空状粒子123同士の間隙を埋めるようにしてそれらを結合しており、また、緻密質バインダ材125は、非粉末状であって、それ自体が緻密に構成されている。このため、中空状粒子123同士の間や緻密質バインダ材125自体に燃料が通過可能な間隙がなく、その結果、燃焼室6に噴射された燃料や水が遮熱材層7に浸み込むことを防止できる。   Next, although the material and the like of the heat shield layer 7 will be described with reference to FIG. 17, the same material can be used for the heat shield layers 71 and 181. The heat shield material layer 7 of the present embodiment includes hollow particles 123 mainly composed of an inorganic oxide, and a dense binder material 125. In the heat shield layer 7, the dense binder material 125 covers the hollow particles 123, bonds the hollow particles 123 to each other, and bonds the hollow particles 123 to the piston crown surface 5a, whereby the piston crown surface 5a is formed. Layer structure. The dense binder material 125 bonds the hollow particles 123 so as to fill in the gaps between the hollow particles 123, and the dense binder material 125 is non-powdery and is itself densely configured. There is. For this reason, there is no gap through which the fuel can pass between the hollow particles 123 or in the dense binder 125 itself, and as a result, the fuel and water injected into the combustion chamber 6 penetrate into the heat shield layer 7 Can be prevented.

本実施形態において、緻密質バインダ材125は、上記のように非粉末状であり、それ自体が緻密に構成されていれば、その材料は特に限定されず、例えばシリコーン系樹脂を用いることができる。シリコーン系樹脂としては、例えばメチルシリコーン樹脂、メチルフェニルシリコーン樹脂に代表される、分岐度の高い3次元ポリマーからなるシリコーン樹脂を好適に用いることができ、具体例としては、例えばポリアルキルフェニルシロキサンを挙げることができる。   In the present embodiment, the dense binder material 125 is non-powdery as described above, and the material is not particularly limited as long as the dense binder material 125 itself is densely formed, and, for example, a silicone resin can be used. . As the silicone resin, for example, a silicone resin composed of a highly branched three-dimensional polymer represented by methyl silicone resin and methyl phenyl silicone resin can be suitably used, and specific examples thereof include polyalkylphenyl siloxanes. It can be mentioned.

本実施形態において、無機酸化物を主体とする中空状粒子123としては、フライアッシュバルーン、シラスバルーン、シリカバルーン、エアロゲルバルーン等のSi系酸化物成分(例えば、シリカ(SiO2))又はAl系酸化物成分(例えば、アルミナ(Al2O3))を含有するセラミック系中空状粒子を採用することが好ましい(各々の材質及び粒径は特許文献1の表1に開示されているのと同様に設定することができる)。なお、中空状粒子123は、メディアン径が5μm以上30μm以下のものを用いることが好ましく、5μm未満のメディアン径の中空重粒子をさらに追加してもよい。   In the present embodiment, the hollow particles 123 mainly composed of an inorganic oxide include Si-based oxide components (eg, silica (SiO 2)) such as fly ash balloons, silas balloons, silica balloons, airgel balloons, etc. or Al-based oxides. It is preferable to use ceramic-based hollow particles containing metal components (for example, alumina (Al.sub.2O.sub.3)) (the respective materials and particle sizes are set as disclosed in Table 1 of Patent Document 1). Can) The hollow particles 123 preferably have a median diameter of 5 μm to 30 μm, and hollow heavy particles having a median diameter of less than 5 μm may be further added.

例えば、フライアッシュバルーンの化学組成は、SiO2;40.1〜74.4%、Al2O3;15.7〜35.2%、Fe2O3;1.4〜17.5%、MgO;0.2〜7.4%、CaO;0.3〜10.1%(以上は質量%)である。シラスバルーンの化学組成は、SiO2;75〜77%、Al2O3;12〜14%、Fe2O3;1〜2%、Na2O;3〜4%、K2O;2〜4%、IgLoss;2〜5%(以上は質量%)である。   For example, the chemical composition of fly ash balloon is SiO2: 40.1 to 74.4%, Al2O3: 15.7 to 35.2%, Fe2O3: 1.4 to 17.5%, MgO: 0.2 to 7 .4%, CaO: 0.3-10.1% (more than% by mass). The chemical composition of the shirasu balloon is SiO2: 75 to 77%, Al2O3: 12 to 14%, Fe2O3: 1 to 2%, Na2O: 3 to 4%, K2O: 2 to 4%, IgLoss: 2 to 5% (or more) Is mass%).

遮熱材層7には、このような中空状粒子123が60vol%以上75vol%以下の体積比率で含まれている。遮熱材層7の成分としての中空状粒子123の含有量が体積比率で60vol%以上と大きいので、遮熱材層7内に空気層を多く含有できる。このため、遮熱材層7の熱伝導率及び体積比熱を低減することができて、遮熱材層7の断熱性能を向上することができる。また、遮熱材層7における中空状粒子123の体積比率が75vol%以下であるため、中空状粒子123同士を結合する緻密質バインダ材125の量を十分に確保できて、耐久性のある膜を形成することが可能となる。なお、含有させる中空状粒子123の体積比率は、粒子のみかけ密度と緻密質バインダ材125の密度とを測定し、続いて緻密質バインダ材125に対して添加する中空状粒子123の質量から算出することができる。なお、遮熱材層7の強度又は硬度を向上するために、遮熱材層7にフィラー材が含まれていてもよい。   The heat shielding material layer 7 contains such hollow particles 123 at a volume ratio of 60 vol% or more and 75 vol% or less. Since the content of the hollow particles 123 as a component of the heat shield layer 7 is as large as 60 vol% or more in volume ratio, many air layers can be contained in the heat shield layer 7. For this reason, the heat conductivity and volume specific heat of the heat shield material layer 7 can be reduced, and the heat insulation performance of the heat shield material layer 7 can be improved. In addition, since the volume ratio of the hollow particles 123 in the heat shield layer 7 is 75 vol% or less, the amount of the dense binder material 125 for bonding the hollow particles 123 can be sufficiently ensured, and the film is durable. It is possible to form The volume ratio of the hollow particles 123 to be contained is calculated from the mass of the hollow particles 123 added to the dense binder material 125 by measuring the apparent density of the particles and the density of the dense binder material 125. can do. In order to improve the strength or hardness of the heat shield layer 7, the heat shield layer 7 may contain a filler material.

遮熱材層7は、溶射や塗布によって形成することができる。また、遮熱材層7の材質(構造)は、上記したものに限定されるものではない。ただし、中空状粒子123を用いることにより、単に断熱性の向上のみならず、熱応答性(熱変化の応答性)がよくなり、ピストン5やその冠面5aが高温になったままの状態が維持されるのを阻止する上で好ましいものとなる(例えばノッキング防止等に有利)。ちなみに、遮熱材層7として断熱性が良好で熱応答性が悪いもの(例えば中実のセラミック材)を用いると、ピストン5やその冠面5aが高温になったままの状態が維持され続けてしまうおそれが強くなる。
(5)変形例
上記実施形態について説明したが、本発明はこれに限らす、特許請求の範囲に記載された範囲で適宜変更可である。例えば、高負荷領域A2の有効圧縮比が15以上に設定された場合について説明したが、高負荷領域A2の有効圧縮比はこれに限らない。ただし、上記のように、エンジン負荷が高く、かつ、有効圧縮比が高い場合には、スモークが悪化しやすい。そのため、この場合に、空気ではなく超臨界水噴射により断熱層を形成すれば、スモークの悪化を抑制しつつ冷却損失を抑制することができる。また、低負荷領域A1の有効圧縮比も上記に限らない。低負荷領域においても水噴射を行うようにしてもよい。
The heat shield layer 7 can be formed by thermal spraying or coating. Moreover, the material (structure) of the heat shield material layer 7 is not limited to what was mentioned above. However, by using the hollow particles 123, not only the heat insulating property is simply improved, but also the thermal responsiveness (responsiveness to thermal change) is improved, and the piston 5 and its crown surface 5a remain hot. It is preferable to prevent maintenance (for example, advantageous for knocking prevention and the like). By the way, when a heat insulating material is good and thermal responsiveness is poor (for example, a solid ceramic material) as the heat shield material layer 7, the state where the piston 5 and its crown surface 5a remain high temperature is maintained. Increase the risk of
(5) Modification Although the above-mentioned embodiment was described, the present invention is limited to this and can be suitably changed in the range indicated to the claim. For example, although the case where the effective compression ratio of the high load area A2 is set to 15 or more has been described, the effective compression ratio of the high load area A2 is not limited to this. However, as described above, when the engine load is high and the effective compression ratio is high, smoke tends to deteriorate. Therefore, in this case, if the heat insulating layer is formed not by air but by supercritical water injection, it is possible to suppress the cooling loss while suppressing the deterioration of the smoke. Further, the effective compression ratio of the low load area A1 is not limited to the above. Water injection may be performed even in the low load region.

また、排熱回収装置60に代えてあるいは加えて、上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、上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。なお、遮熱材層7を有することにより排ガスの温度が高まるため、排熱回収装置60を用いた際に超臨界水または臨界水を容易に生成することができる。   Further, instead of or in addition to the exhaust heat recovery apparatus 60, supercritical water may be generated using a heater or the like separately provided as described above. However, if the exhaust heat recovery device 60 is used as described above, the energy efficiency can be increased. In addition, since the temperature of the exhaust gas is increased by having the heat shield layer 7, supercritical water or critical water can be easily generated when the exhaust heat recovery apparatus 60 is used.

また、上記実施形態では、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、上述したように、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燃焼室6内に噴射してもよい。この場合であっても、断熱効果の高い断熱層を形成することができ、冷却損失を抑制することができる。   Moreover, although the case where supercritical water was injected as water into the combustion chamber 6 was described in the above embodiment, as described above, water that is subcritical water and has properties close to supercritical water is supercritical It may be injected into the combustion chamber 6 instead of water. Even in this case, a heat insulating layer having a high heat insulating effect can be formed, and cooling loss can be suppressed.

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く、ディーゼルエンジンであってもよい。   Further, the combustion mode is not limited to the self-ignition combustion, and the combustion may be started by igniting the air-fuel mixture by the spark plug. In addition, a fuel not containing gasoline may be used as the fuel, or a diesel engine may be used.

遮熱材層20の熱容量を相違させるには、その厚さの変更に代えてあるいは加えて、材質(構造)を変更することにより行うこともできる(例えば中空状粒子23の直径や材質を変更したり、その含有割合を変更する)。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。   The heat capacity of the heat shield layer 20 can be changed by changing the material (structure) instead of or in addition to changing the thickness (for example, changing the diameter or material of the hollow particles 23) Or change its content rate). Of course, the object of the present invention is not limited to what is explicitly stated, but implicitly also includes providing what is substantially preferred or expressed as an advantage.

本発明は、圧縮着火式エンジンに適用して好適である。   The present invention is suitable for application to a compression ignition engine.

1:エンジン本体
2:気筒
3:シリンダブロック
4:シリンダヘッド
5:ピストン
5a:ピストン冠面
7:遮熱材層
7a:薄い部位
7b:厚い部位
α:境界線(薄い部位と厚い部位との境界)
10:キャビティ
21:燃料噴射装置
22:水噴射装置
42:熱交換器(昇温昇圧器)
43:コンデンサー(凝縮器)
50:断熱層(水噴射により形成)
60:排熱回収装置(水加工装置)
100:PCM(制御手段)
1: Engine body 2: Cylinder 3: Cylinder block 4: Cylinder head 5: Piston 5a: Piston crown surface 7: Heat shield layer 7a: Thin portion 7b: Thick portion α: Boundary line (boundary between thin portion and thick portion )
10: Cavity 21: Fuel injection device 22: Water injection device 42: Heat exchanger (heating and pressure booster)
43: Condenser (Condenser)
50: Heat insulation layer (formed by water injection)
60: Exhaust heat recovery system (water processing system)
100: PCM (control means)

Claims (8)

シリンダブロックとシリンダヘッドとピストンとにより燃焼室が画成され、
前記ピストンのうち前記燃焼室に臨む面となるピストン冠面に対して高密度で高温の水を噴射する水噴射装置が設けられ、
前記ピストン冠面に、遮熱材層が形成され、
前記遮熱材層は、前記ピストン冠面の外周縁部での熱容量が該ピストン冠面の中央部での熱容量よりも大きくなるように形成されている、
ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
The cylinder block, the cylinder head and the piston define a combustion chamber,
There is provided a water injection device for injecting high-temperature high-temperature water to a piston crown surface which is a surface facing the combustion chamber among the pistons,
A heat insulating material layer is formed on the piston crown surface,
The heat shield layer is formed such that the heat capacity at the outer peripheral edge of the piston crown surface is larger than the heat capacity at the central portion of the piston crown surface.
A compression-ignition engine characterized by
請求項1において、
前記遮熱材層は、前記ピストン冠面の外周縁部での厚さが該ピストン冠面の中央部での厚さに比して大きくされている、ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
In claim 1,
The compression / ignition engine according to claim 1, wherein a thickness of the heat shield layer at an outer peripheral edge of the piston crown surface is larger than a thickness at a central portion of the piston crown surface.
請求項2において、
前記遮熱材層の厚さが500μm〜1500μm未満の所定厚さ範囲に設定されて、該ピストン冠面の外周縁部の厚さと該ピストン冠面の中央部での厚さが該所定厚さ範囲内でもって相違されている、ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
In claim 2,
The thickness of the heat shield layer is set to a predetermined thickness range of 500 μm to less than 1500 μm, and the thickness of the outer peripheral portion of the piston crown surface and the thickness at the central portion of the piston crown surface are the predetermined thickness A compression-ignition engine characterized in that it is different within a range.
請求項1ないし請求項3のいずれか1項において、
前記高密度で高温の水が、超臨界水または亜臨界水とされている、ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
In any one of claims 1 to 3,
The compression ignition engine, wherein the high-density, high-temperature water is used as supercritical water or subcritical water.
請求項2または請求項3において、
前記ピストン冠面の中央部にキャビティが形成され、
前記遮熱材層の厚い部位と薄い部位との境界が、前記キャビティの外周縁よりも外側で該外周縁近傍に設定されている、
ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
In claim 2 or claim 3,
A cavity is formed at the center of the piston crown surface,
The boundary between the thick portion and the thin portion of the heat shield layer is set outside the outer peripheral edge of the cavity and in the vicinity of the outer peripheral edge,
A compression-ignition engine characterized by
請求項2または請求項3において、
前記ピストン冠面の中央部にキャビティが形成され、
前記遮熱材層の厚い部位と薄い部位との境界が、前記キャビティの外周縁と前記ピストン冠面の外周縁との間の中間位置の付近または該中間位置よりも該ピストン冠面の外周縁側に設定されている、
ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
In claim 2 or claim 3,
A cavity is formed at the center of the piston crown surface,
The boundary between the thick portion and the thin portion of the heat shield layer is near the intermediate position between the outer peripheral edge of the cavity and the outer peripheral edge of the piston crown surface or on the outer peripheral edge side of the piston crown surface than the intermediate position Is set to,
A compression-ignition engine characterized by
請求項1ないし請求項6のいずれか1項において、
前記遮熱材層が、中空状粒子を含むものとして構成されている、ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
In any one of claims 1 to 6,
The compression ignition engine, wherein the heat shield layer is configured to include hollow particles.
請求項1ないし請求項7のいずれか1項において、
少なくとも所定の運転領域においてHCCI燃焼が行われる、ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
In any one of claims 1 to 7,
A compression ignition engine, wherein HCCI combustion is performed at least in a predetermined operation region.
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