JP2021014798A - エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内に水を噴射しても、混合気に点火することを可能にする。【解決手段】エンジン１の燃焼室構造は、燃焼室１１と、燃焼室の天井部１１１に配置された点火装置（点火プラグ６５）と、燃焼室内に臨む噴孔４３２を通じて、燃焼室内に水を噴射する水噴射装置４と、を備える。ピストン３は、キャビティ３１を有し、水噴射装置は、燃焼室が圧縮行程にあるときであって、少なくとも一部の噴孔の軸の延長線がキャビティと交差しているタイミングで、水をキャビティに向かって噴射する。キャビティは、水噴射装置が噴射した水が当たる底部３１１と、底部に沿って広がる水を水噴射装置の方へ巻き上げる巻上部（側壁３１２）とを有している。【選択図】図３

Description

ここに開示する技術は、エンジンの燃焼室構造に関する。

特許文献１には、一部の混合気を圧縮着火により燃焼させる圧縮着火式エンジンが記載されている。このエンジンは、点火装置が混合気に点火をする。火炎伝播燃焼が開始し、その火炎伝播燃焼により発生した熱によって、未燃混合気が自着火燃焼する。

前記のエンジンは、燃焼室内に水を噴射する水噴射装置を備えている。水噴射装置が燃焼室内に水を噴射すると燃焼室内が冷却される。このエンジンは、異常燃焼の発生を抑制することができる。

特許第６４７７８４９号公報

前述した異常燃焼の抑制を目的とする他に、本願発明者らは、燃焼室内に水（及び水蒸気）を噴射することによる作動ガス量の増加によって、エンジンのピストン仕事を増大させ、トルクの向上を図る点に着目した。

ところが、本願発明者らは、エンジンの燃焼室に、トルクの向上を目的として水を噴射すると、燃焼安定性が低下してしまうことに気づいた。これは、エンジンのトルクを向上させようとすると、燃焼室内に大量の水を噴射しなければならないためである。つまり、燃焼室内に噴射する水の量が増えると、点火装置の付近の水の濃度が高くなってしまい、点火装置が混合気に点火し難くなる。

ここに開示する技術は、燃焼室内に水を噴射しても、混合気に点火することを可能にする。

前記の課題に関して本願発明者らが検討を行った結果、水の拡散を抑制することができる燃焼室の構造と噴射形態の組み合わせがわかった。ここに開示する技術は、本願発明者らの新たな知見に基づいて完成したものである。

具体的にここに開示する技術は、エンジンの燃焼室構造に係る。このエンジンの燃焼室構造は、
エンジンに設けられたシリンダと、前記シリンダ内を往復動するピストンとによって形成される燃焼室と、
前記燃焼室の天井部に配置された点火装置と、
前記燃焼室内に臨む噴孔を通じて、前記燃焼室内に水を噴射する水噴射装置と、を備え、
前記ピストンは、その上面にキャビティを有し、
前記水噴射装置は、前記燃焼室が圧縮行程にあるときであって、少なくとも一部の噴孔の軸の延長線が前記キャビティと交差しているタイミングで、水を前記キャビティに向かって噴射し、
前記キャビティは、前記水噴射装置が噴射した水が当たる底部と、前記底部に沿って広がる水を前記水噴射装置の方へ巻き上げる巻上部とを有している。

圧縮行程時は、吸気行程時よりも燃焼室内の気体の流動が弱い。前記の構成によると、水噴射装置が圧縮行程時に水を噴射することによって、気体の流動による水の拡散が抑制される。尚、水噴射装置は、燃焼室内に水蒸気を噴射してもよい。この明細書において、「水」は、気体である水蒸気を含む。燃焼室内に水蒸気を噴射すれば、水が燃焼熱を消費することがない、又は、消費することが抑制されるため、燃焼室内に水蒸気を噴射することは、エンジンの熱効率の向上に有利になる。

前記の構成において、水噴射装置は、少なくとも一部の噴孔の軸の延長線がキャビティと交差しているタイミングで、水をキャビティに向かって噴射する。噴射された水は、キャビティ内に到達する。

キャビティは、底部と巻上部とを有している。巻上部は、底部に沿って広がる水を水噴射装置の方へ巻き上げる。本願発明者らの検討によると、巻上部を有するキャビティに向かって水を噴射することにより、キャビティ外の領域へ水が広がることが抑制されることがわかった。水がキャビティ内の領域に収まる、又は、ほぼ収まるから、燃焼室内に水を噴射しても、点火装置の付近は水の濃度が低く保たれる。点火装置は、混合気に安定して点火をすることができる。

そして、燃焼室内に水を噴射することによって作動ガス量が増えるため、エンジンのトルクが向上する。当該エンジンを搭載した自動車は、燃費性能が向上する。

尚、本明細書において「キャビティ内の領域」は、ピストンの上面から凹んだキャビティの中の領域と、当該キャビティの開口を燃焼室の天井部へシリンダの軸の方向に投影した投影面から、キャビティの開口までの領域と、を合わせた領域を意味する。本明細書において「キャビティ外の領域」は、前記の「キャビティ内の領域」以外の領域を意味する。

前記底部は、前記シリンダの軸に直交する平らな面で構成され、
前記巻上部は、前記底部に対して直交する側壁によって構成されている、としてもよい。

本願発明者らの検討によると、平らな底部に対し直交する側壁を設けると、キャビティ内に入った水を水噴射装置の方へと効果的に巻き上げることができることがわかった。この構成のキャビティに向かって、水噴射装置が水を噴射することにより、燃焼室内の水の拡散が、より一層抑制される。

前記ピストンの上面及び前記キャビティの表面には、前記ピストンの内部への熱の伝達を抑制する遮熱層が設けられている、としてもよい。

遮熱層は、エンジンの冷却損失を低減させる。また、前述したように、キャビティを、平らな底部と、底部に対して直交する側壁とによって構成する場合は、キャビティ形状が複雑でないため、当該キャビティの表面に遮熱層を形成しやすい。

前記水噴射装置の噴孔の少なくとも一部は、水を噴射するタイミングで、前記キャビティの巻上部を指向している、としてもよい。

キャビティ内に到達した水は、底部に沿って広がる間に減速する。巻上部に水が到達した時点で水の流速が低いと、水が巻き上がり難くなる。前記の構成では、水噴射装置が噴射した水の少なくとも一部は、キャビティの巻上部の近くに到達する。水の流速が高い間に、巻上部が水を巻き上げる。水が、水噴射装置の方へ巻き上げることによって、キャビティ外の領域への水の拡散が抑制される。

前記水噴射装置は、前記天井部に配置されていると共に、前記水噴射装置の、前記噴孔が開口する噴射面の少なくとも一部は、前記シリンダの軸に直交する方向に対して、前記キャビティの位置に位置し、
前記点火装置は、前記シリンダの軸に直交する方向に対して、前記キャビティから外れた位置に設置されている、としてもよい。

水噴射装置の噴射面の少なくとも一部は、シリンダの軸方向について、キャビティの真上に位置している。こうすることで、ピストンの位置が変わっても、水噴射装置は、水をキャビティに向かって噴射することができる。換言すると、水噴射装置が水を噴射するタイミングが変わっても、水噴射装置は水をキャビティに向かって噴射する。噴射された水は、キャビティ内の領域に収まる、又は、ほぼ収まる。

また、点火装置は、キャビティから外れた位置に設置されている。水がキャビティ内の領域に収まる、又は、ほぼ収まるから、点火装置の付近の水の濃度は低い。点火装置は、安定して、混合気に点火をすることができる。

前記水噴射装置は、全ての噴孔の軸が、互いに平行又は略平行である、としてもよい。

本願発明者らの検討によると、複数の噴孔の軸が互いに平行又は略平行であれば、水噴射装置が噴射した水の噴流は、その噴射方向に対し直交する方向へ広がり難くなる。各噴孔から燃焼室内へ噴射した水が同じ又はほぼ同じ方向へ進むため、当該方向に進む噴流の運動量が増大する。噴流の運動量が増大すると、水噴射装置が噴射した水の噴流の周囲の流体を、その噴流へ巻き込む力が強くなる。巻き込む力が強くなることによって、水の拡散が抑制される。

また、巻上部が水噴射装置の方へ巻き上げた水は、前述した水の噴流の巻き込み力により、噴流の方へ引き寄せられる。つまり、巻き上がった水がキャビティ外の領域へ広がることも抑制される。

キャビティの巻上部と、水噴射装置の噴射態様との組み合わせにより、水がキャビティ内の領域に収まる、又は、ほぼ収まる。燃焼室内において、水が拡散することを抑制することができる。燃焼室内に水を大量に噴射しても、点火装置は、混合気に安定して点火をすることができる。

前記噴孔の中心間距離は、５ｍｍ以下である、としてもよい。

噴孔の中心間距離が短いと、水噴射装置が噴射する噴流中の、水の密度が高まる。水の密度が高いと、運動量の増加により、噴流の周囲の流体の巻き込み力が強くなる。本願発明者らの検討によると、噴孔の中心間距離が５ｍｍ以下であれば、水の拡散が効果的に抑制されることがわかった。つまり、燃焼室内に大量に水を噴射しても、点火装置は、混合気を、安定して点火することが可能になる。

前記水噴射装置は、前記圧縮行程の前期から中期までの間に水を噴射する、としてもよい。

後述するように、燃焼室内に噴射する水の温度を高くすれば、燃焼熱を用いずに水を気化させることができ、エンジンの熱効率の向上に有利になる。圧縮行程の前期から中期までの期間は、燃焼室内の圧力が相対的に低い。燃焼室内の圧力が低いと水の沸点温度が下がるため、水の温度が低くても、気化した水を燃焼室内に噴射することができる。つまり、圧縮行程の前期から中期までの期間に水を噴射することによって、水の加熱に必要な熱量を節約することができる。この構成は、当該エンジンを搭載した自動車の燃費性能の向上に有利である。

尚、圧縮行程の「前期」及び「中期」はそれぞれ、圧縮行程の期間を、「前期」「中期」及び「後期」に三等分した場合の、「前期」及び「中期」としてもよい。

前記水噴射装置が噴射する水の量は、前記エンジンの負荷が低い場合は、高い場合よりも少なく、
前記水噴射装置は、水の噴射量が少ない場合は、多い場合よりも噴射の開始タイミングを遅らせる、としてもよい。

圧縮行程の早い時点で燃焼室内に水を噴射すると、ピストンの圧縮抵抗が増大する。水を噴射するタイミングは遅い方が、エンジンの熱効率の向上に有利である。水の噴射量が少なくて水の噴射期間が短い場合に、水噴射装置は、噴射の開始タイミングを遅らせる。ピストンの圧縮抵抗が低下するから、エンジンの熱効率の向上に有利になる。

また、水の噴射量が増えると、水噴射装置が水を噴射する期間が長くなる。水の噴射量が多いと、水噴射装置は、水噴射の開始タイミングを早める。水噴射装置は、圧縮行程の中期までに水噴射を終了することができる。その結果、前述したように、水の加熱に必要な熱量を節約することができる。

前記エンジンの燃焼室構造は、前記水噴射装置が噴射する水を加熱する加熱装置を備えている、としてもよい。

こうすることで、加熱によって気化した水を燃焼室に噴射することができる。燃焼室内に噴射した水が燃焼熱を消費することが抑制される。この構成は、エンジンの熱効率の向上に有利である。

前記加熱装置は、前記エンジンの排気管に取り付けられた熱交換器を有し、
前記熱交換器は、前記エンジンの排気ガスの熱によって、前記水噴射装置に供給する前の水を加熱する、としてもよい。

こうすることで、エンジンの排熱を、水を媒体として回収し、気化した水を燃焼室に噴射することができる。エンジンの熱効率が向上する。

前記水噴射装置は、水噴射弁と、前記水噴射弁と前記燃焼室との間に介在しかつ、前記水噴射弁が噴射した水の温度を前記燃焼室へ供給する前に上げる昇温部と、を有し、
前記加熱装置は、前記エンジンの排気ガスの熱を前記昇温部へ送るヒートパイプを有している、としてもよい。

こうすることで、エンジンの排熱を回収し、気化した水を燃焼室に噴射することができる。エンジンの熱効率が向上する。

前記エンジンの燃焼室構造は、前記水噴射装置に水を供給する水供給装置を備え、
前記水供給装置は、
前記エンジンの排気ガス中の水を凝縮する凝縮器と、
前記凝縮器が凝縮した水を溜める水タンクと、
前記水タンクの水を加圧して前記水噴射装置へ供給する水ポンプと、を有している、としてもよい。

こうすることで、乗員は、燃焼室内に噴射する水を水タンクに給水しなくてもよい。また、水ポンプが水を加圧するため、圧縮行程中の高圧の燃焼室内に水を噴射することができる。噴射した水の少なくとも一部は、減圧沸騰により気化する。水の気化に必要な熱量を少なくすることができる。

前記エンジンの燃焼室構造は、燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、
前記燃料噴射弁は、前記燃焼室に連通する吸気ポートに配置されている、としてもよい。

こうすることで、燃焼室内に均質な混合気を形成することができる。燃焼室内に水を噴射しても、点火装置は混合気に安定して点火をすることができる。

前記エンジンは、混合気の少なくとも一部が圧縮着火により燃焼する圧縮着火ガソリンエンジンである、としてもよい。

燃焼室内に水が存在しても、混合気は、圧縮着火により安定して燃焼することができる。

以上説明したように、前記のエンジンの燃焼室構造は、燃焼室内に水を噴射しても、混合気に点火することができる。

図１は、ここに開示する燃焼室構造が適用されたエンジンを例示する図である。 図２は、燃焼室の平面図である。 図３は、燃焼室を拡大して示す断面図である。 図４は、水供給装置と水噴射弁との構成例を示す図である。 図５は、図３のＶ−Ｖ断面図である。 図６は、図３のVI−VI端面図である。 図７の上図は、噴孔の密度が低い場合の水の噴流を例示する図であり、下図は、噴孔の密度が高い場合の水の噴流を例示する図である。 図８は、燃焼室内の水の濃度分布の変化を例示する図である。 図９は、燃焼室内に水を噴射した場合と噴射しない場合の、筒内圧力の変化（上図）及び筒内温度の変化（下図）を例示する図である。 図１０は、エンジンの制御装置の構成を例示するブロック図である。 図１１は、水の噴射量に関する制御マップを例示する図である。 図１２は、エンジンが高負荷の場合（上図）と、中負荷の場合（中図）及び低負荷の場合（下図）のそれぞれにおいて、燃料の噴射時期、水の噴射時期及び点火時期を例示する図である。

以下、エンジンの燃焼室構造の実施形態について、図面を参照しながら説明する。ここで説明する燃焼室構造は例示である。

図１は、ここに開示する燃焼室構造が適用されたエンジン１を例示している。エンジン１は、燃焼室１１が吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を繰り返すことにより運転する４ストロークのレシプロエンジンである。エンジン１は、四輪の自動車に搭載されている。エンジン１が運転することによって、自動車は走行する。エンジン１の燃料は、この構成例においてはガソリンである。燃料は、少なくともガソリンを含む液体燃料であればよい。燃料は、例えばバイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。

エンジン１は、シリンダブロック１２と、シリンダブロック１２の上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えている。シリンダブロック１２の内部に複数のシリンダ１４が形成されている。エンジン１は、多気筒エンジンである。図１及び図３では、一つのシリンダ１４のみを示す。

各シリンダ１４には、ピストン３が内挿されている。ピストン３は、シリンダ１４の内部を往復動する。ピストン３は、図示は省略するが、コネクティングロッドを介してクランクシャフトに連結されている。

ピストン３は、シリンダ１４及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１１を形成する。尚、「燃焼室」は広義で用いる。つまり、「燃焼室」は、ピストン３の位置に関わらず、ピストン３、シリンダ１４及びシリンダヘッド１３によって形成される空間を意味する。

シリンダヘッド１３には、シリンダ１４毎に、吸気ポート１５が形成されている。吸気ポート１５は、燃焼室１１に連通している。吸気ポート１５には、吸気弁２１が配設されている。吸気弁２１は、吸気ポート１５を開閉する。吸気弁２１は、カム２３の回転によって開閉する。尚、吸気弁２１を開閉する動弁装置は、図例では直動式である。吸気弁２１の動弁装置の構成は、特定の形式に限定されない。

シリンダヘッド１３にはまた、シリンダ１４毎に、排気ポート１６が形成されている。排気ポート１６も、燃焼室１１に連通している。排気ポート１６には、排気弁２２が配設されている。排気弁２２は、排気ポート１６を開閉する。排気弁２２は、カム２４の回転によって開閉する。尚、排気弁２２を開閉する動弁装置は、図例では直動式である。排気弁２２の動弁装置の構成は、特定の形式に限定されない。

エンジン１の一側部（図１における左側部）には吸気管６１が接続されている。吸気管６１は、吸気ポート１５に連通している。燃焼室１１に導入するガスは、吸気管６１の中を流れる。図示は省略するが、吸気管６１にはスロットル弁６６（図１０参照）が配設されている。尚、以下の説明において、エンジン１において吸気管６１が接続された側を、「吸気側」と呼ぶ場合がある。

エンジン１の他側部（図１における右側部）には排気管６２が接続されている。排気管６２は、排気ポート１６に連通している。燃焼室１１から排出された排気ガスは、排気管６２の中を流れる。排気管６２には、触媒コンバーター６３が配設されている。触媒コンバーター６３は、例えば三元触媒を有している。触媒コンバーター６３は、排気ガスを清浄化する。尚、以下の説明において、エンジン１において排気管６２が接続された側を、「排気側」と呼ぶ場合がある。

シリンダヘッド１３には、シリンダ１４毎に、インジェクタ６４が取り付けられている。インジェクタ６４は、吸気ポート１５に配設されている。インジェクタ６４は、吸気ポート１５内へ燃料を噴射する。詳細な図示は省略するが、インジェクタ６４は、例えば複数の噴口を有する多噴口型の燃料噴射弁である。尚、図１に示すインジェクタ６４の取り付け位置は、一例である。インジェクタ６４は、吸気ポート１５に配設する代わりに、燃焼室１１に配設してもよい。インジェクタ６４は、燃料を燃焼室１１内に直接噴射してもよい。

シリンダヘッド１３には、図３に示すように、点火プラグ６５が取り付けられている。点火プラグ６５は、シリンダ１４毎に取り付けられている。点火プラグ６５は、燃焼室１１の天井部１１１に取り付けられている。点火プラグ６５は、詳細な図示は省略するが、燃焼室１１内に臨む電極を有している。電極間の火花放電によって、点火プラグ６５は、燃焼室１１の中の混合気に強制的に点火をする。点火プラグ６５は、プラズマ放電を行ってもよい。点火プラグ６５は、点火装置の一例である。点火プラグ６５は、図２に一点鎖線で示すように、エンジン１の吸気側と排気側との中間位置に配置されている。点火プラグ６５はまた、図３にも示すように、シリンダ１４の中心軸Ｘよりも、エンジン１のフロント側に配置されている。点火プラグ６５は、シリンダ１４の中心軸Ｘに近い位置に位置している。点火プラグ６５は、一例として、シリンダ１４の軸に沿うように真っ直ぐに配設されている。

点火プラグ６５が混合気に強制的に点火をすると、混合気が火炎伝播によるＳＩ（Spark Ignition）燃焼を開始する。そのＳＩ燃焼の発熱によって燃焼室１１内の温度が高くなること、及び／又は、火炎伝播により燃焼室１１の中の圧力が高くなること、によって、未燃混合気が自己着火によるＣＩ（Compression Ignition）燃焼をする。このエンジン１は、混合気の少なくとも一部が圧縮着火により燃焼する圧縮着火ガソリンエンジンである。

（燃焼室内に水を噴射する構成）
このエンジン１は、水噴射装置４と、水供給装置５とを備えている。水噴射装置４は、燃焼室１１内に水を噴射する。水供給装置５は、水噴射装置４に水を供給する。このエンジン１は、燃焼室１１内に水を噴射することによって作動ガスを増加させ、エンジン１のピストン仕事の増加を図る。また、このエンジン１は、燃焼室１１内に水を噴射することにより燃焼室１１内を冷却して、異常燃焼の発生を抑制する。

エンジン１のトルク向上を図るためには、燃焼室１１内に大量の水を噴射しなければならない。ところが、本願発明者らの検討によると、燃焼室１１内に大量の水を噴射すると、燃焼安定性が低下することがわかった。これは、燃焼室１１内に噴射する水の量が増えると、点火プラグ６５の付近の水の濃度が高くなってしまい、点火プラグ６５が混合気に点火し難くなるためである。

そこで、水噴射装置４は、大量の水を燃焼室１１内に噴射しても、点火プラグ６５が混合気に安定して点火をすることができるよう、構成されている。

水噴射装置４は、図３に示すように、シリンダヘッド１３に取り付けられている。水噴射装置４は、シリンダ１４毎に取り付けられている。水噴射装置４は、燃焼室１１の天井部１１１に取り付けられている。水噴射装置４は、図２に一点鎖線で示すように、エンジン１の吸気側と排気側との中間位置に配置されている。水噴射装置４はまた、シリンダ１４の中心軸Ｘよりも、エンジン１のリヤ側に配置されている。水噴射装置４は、燃焼室１１の中心から離れた位置に位置している。水噴射装置４は、点火プラグ６５から離れている。水噴射装置４は、シリンダ１４の軸に対して傾いている。より詳細に、水噴射装置４は、上方から下方に向かって、シリンダ１４の中心軸Ｘに近づく方向に傾いている。尚、水噴射装置４は、シリンダ１４の軸に沿うように真っ直ぐに、シリンダヘッド１３に取り付けてもよい。水噴射装置４の構成の詳細は、後述する。

水供給装置５は、水噴射装置４に接続されている。水供給装置５は、排気ガス中の水を凝縮し、その凝縮水を水噴射装置４に供給する。水供給装置５は、図１及び図４に示すように、凝縮器５１と、水タンク５２と、水ポンプ５３と、熱交換器５４と、を有している。水供給装置５は、水を加熱する加熱装置を含んでいる。

凝縮器５１は、排気管６２から取り出した排気ガス中の水を凝縮する。凝縮器５１は、取出管５５に接続されている。取出管５５は、排気管６２と凝縮器５１とをつないでいる。水タンク５２は、凝縮器５１が凝縮した水を溜める。水タンク５２は、第１供給管５６を通じて水噴射装置４に接続されている。水ポンプ５３及び熱交換器５４は、第１供給管５６の途中に介設している。水ポンプ５３は、水タンク５２内の水を吸い込んで、熱交換器５４へ吐き出す。

熱交換器５４は、排気管６２に取り付けられている。熱交換器５４は、排気ガスと水との間で熱交換を行う。水は、エンジン１の排熱によって加熱される。水ポンプ５３が加圧しかつ、熱交換器５４が加熱した高温高圧の水が、水噴射装置４に送られる。

水噴射装置４は、図３に例示するように、水噴射弁４１と、昇温部４２と、ノズル部４３と、ヒートパイプ４４を有している。尚、図３は、水噴射弁４１の先端部のみを図示している。水噴射装置４も、水を加熱する加熱装置を含んでいる。

水噴射弁４１は、図４に示すように、後述するＥＣＵ（Engine Control Unit）１０の信号を受けて、燃焼室１１内に水を噴射する。水噴射弁４１は、高温室４１１と、低温室４１２とを有している。高温室４１１と低温室４１２との間は仕切られている。高温室４１１には、前述した第１供給管５６が接続されている。高温室４１１には、水ポンプ５３が加圧しかつ、熱交換器５４が加熱した高温高圧の水が供給される。低温室４１２には、第２供給管５７が接続されている。第２供給管５７は、水ポンプ５３と熱交換器５４との間において第１供給管５６から分岐している。第２供給管５７は、熱交換器５４をバイパスしている。低温室４１２には、水ポンプ５３が加圧しかつ、熱交換器５４をバイパスした低温高圧の水が供給される。低温高圧の水は、後述するように、針弁４１３を開閉させるための制御流体である。

針弁４１３は、高温室４１１に設けられた噴射口４１４を塞いでいる。針弁４１３の先端は、噴射口４１４を開閉する。針弁４１３の基端は、低温室４１２内の水の圧力を受けている。針弁４１３は、背圧を受けることによって、噴射口４１４を閉じている。低温室４１２には、制御弁４１５が設けられている。制御弁４１５は、例えばソレノイド弁である。制御弁４１５は、ＥＣＵ１０の制御信号を受けて開閉する。制御弁４１５が開くと、低温室４１２内の水が大気に放出される。低温室４１２内の圧力が下がって、針弁４１３は、噴射口４１４を開けるように持ち上がる（図４の白抜きの矢印参照）。針弁４１３が噴射口４１４を開けると、高温室４１１内の高温高圧の水が、噴射口４１４から噴射される。噴射口４１４から噴射された水の一部は、減圧沸騰により気化する。

ソレノイド弁は、耐熱温度が比較的低い。前述したように、低温室４１２に供給する制御流体を加熱しないことで、制御弁４１５の信頼性が向上する。また、大気に放出する制御流体を加熱しないことにより、エンジン１の熱エネルギの損失を低くすることができる。

水噴射装置４の昇温部４２は、図３に例示するように、水噴射弁４１と燃焼室１１との間に介在している。昇温部４２は、水噴射弁４１が噴射した水の温度を、燃焼室１１へ供給する前に上げる。前述した減圧沸騰と、昇温部４２の昇温とによって、水噴射装置４は、気化した水のみを燃焼室１１へ供給することができる。燃焼室１１へ気化した水を供給することにより、混合気の燃焼時に発生する燃焼熱を消費せずに、水を気化膨張させることができる。この構成は、エンジン１の熱効率の向上に有利になる。

昇温部４２は、取付部４２１と、本体部４２２と、伝熱部４２３と、を有している。本体部４２２は、水噴射弁４１の先端に取り付けられる。伝熱部４２３は、本体部４２２の側部に連続する。取付部４２１は、伝熱部４２３を挟んで、本体部４２２に接続される。

取付部４２１には、ヒートパイプ４４の先端部が取り付けられる。ヒートパイプ４４の基端部は、図示は省略するが、排気管６２に取り付けられている。ヒートパイプ４４は、排気ガスの熱を昇温部４２へ送る。

本体部４２２は、略円柱状のブロックである。本体部４２２は、ヒートパイプ４４の熱を蓄熱する。図５に例示するように、本体部４２２の中央部には、多数の通路４５が形成されている。水は各通路４５内を流れる。本体部４２２は、通路４５内を流れる水を加熱する。図３に示すように、各通路４５は、本体部４２２の上端面及び下端面のそれぞれに開口している。各通路４５は、本体部４２２の上端面から下端面へと、本体部４２２の軸方向に真っ直ぐに伸びている。前述したように、水噴射装置４はシリンダ１４の軸に対して傾いているため、各通路４５も、シリンダ１４の軸に対して傾いている。

複数の通路４５は等間隔に並んでいる。ここで、複数の通路４５は、本体部４２２の中心に対して対称に配置されていない。本体部４２２は、通路４５が形成されない非形成部４６を有している。非形成部４６は、本体部４２２を、伝熱部４２３を介してヒートパイプ４４が取り付けられる側（取付側）と、その反対側（反取付側）とに二等分したときの反取付側の一部に設けられている。非形成部４６は、図５の構成例では、略扇形である。通路４５は、本体部４２２における取付側と、反取付側の一部と、に設けられている。

非形成部４６は、ヒートパイプ４４から離れている。非形成部４６には、ヒートパイプ４４の熱が伝わりにくい。仮に非形成部４６に通路４５を形成しても、本体部４２２は、そこを流れる水に十分な熱を与えることができず、水が気化しない恐れがある。気化していない水が燃焼室１１内に噴射されると、水が燃焼熱を奪ってしまう。この場合、エンジン１の熱効率が低下する。

これに対し、本体部４２２に、通路４５を形成しない非形成部４６を設けると、本体部４２２は、通路４５を通過する水に熱を十分に与えることができ、水を全て、気化させることが可能になる。気化していない水が燃焼室１１内に噴射されることが抑制される。エンジン１の熱効率の低下が抑制されると共に、エンジン１のトルクが向上する。

伝熱部４２３は、本体部４２２と取付部４２１とを接続している。伝熱部４２３は、本体部４２２と取付部４２１とを最短でつなぐように形成されている。伝熱部４２３の長さＬは短い。また、伝熱部４２３は、本体部４２２の通路４５が延びる方向に、所定の幅Ｗを有している。幅Ｗは、通路４５の長さの半分以上である。伝熱部４２３の長さＬが短くかつ、幅Ｗが広いことによって、伝熱部４２３の熱抵抗は低い。伝熱部４２３は、ヒートパイプ４４の熱を、本体部４２２に効率良く伝えることができる。

尚、水噴射弁４１は、接続部４７を介して昇温部４２の本体部４２２に接続されている。接続部４７には、その下端（つまり、図３における下端）から凹んだ凹部４７１が形成されている。水噴射弁４１の先端は、凹部４７１につながっている。また、本体部４２２の上端面は、凹部４７１内に位置している。本体部４２２の上端面には、前述したように、通路４５が開口している。凹部４７１は、水噴射弁４１から噴射された水を、複数の噴孔４３２に分配する分配部として機能する。

水噴射装置４のノズル部４３は、昇温部４２の本体部４２２の下端に取り付けられている。ノズル部４３は、その上端から凹んだ凹部４３１と、複数の噴孔４３２とを有している。各噴孔４３２は、凹部４３１につながっていると共に、ノズル部４３の下端面に開口している。本体部４２２の通路４５から出た水は全て、一旦、凹部４３１内に入り、複数の噴孔４３２に分配される。

ノズル部４３の下端面は、水噴射装置４の噴射面４３３に相当する。噴射面４３３には、前述したように、複数の噴孔４３２が開口している。噴射面４３３は、燃焼室１１の天井部１１１において、燃焼室１１内に臨んでいる。図２に示すように、噴射面４３３のほぼ全体が、シリンダ１４の軸に直交する方向に対して、後述するキャビティ３１と同じ位置に位置している。言い替えると、噴射面４３３は、後述するキャビティ内の領域３３に含まれている。

図６に例示するように、この構成例では、ノズル部４３は、１２個の噴孔４３２を有している。噴孔４３２の数は、適宜の数にすることができる。複数の噴孔４３２は、互いに平行である。複数の噴孔４３２は、ノズル部４３の中心に対して対称に配置されている。複数の噴孔４３２は、略等間隔で配置されている。ここで、隣り合う噴孔４３２の中心間距離Ｐは、５ｍｍ以下である。一例として、各噴孔４３２の直径φは、φ＝１．５ｍｍで、噴孔の中心間距離Ｐは、Ｐ＝２．５ｍｍである。

尚、水噴射装置４は、ノズル部４３を省略し、本体部４２２の下端面を、燃焼室１１の天井部１１１に臨んで配設してもよい。

ピストン３の上面には、キャビティ３１が形成されている。キャビティ３１は、図２及び図３に例示するように、平面視で円形状である。キャビティ３１の円の中心は、シリンダ１４の吸気側と排気側とを間の中央線（図２の一点鎖線参照）上に位置している。キャビティ３１は、シリンダ１４の中心軸Ｘよりもエンジン１のリヤ側に位置している。キャビティ３１は、水噴射装置４に対して、シリンダ１４の軸方向に対向している。

図例において、キャビティ３１の円の直径は、ピストン３の直径の１／２以下である。尚、キャビティ３１の大きさは、適宜の大きさに設定することができる。しかしながら後述のように、キャビティ３１は、燃焼室１１に噴射された水をキャビティ内の領域３３に収めることで、水の拡散を抑制する機能を有している。キャビティ３１は大きすぎない方が好ましい。

図例のキャビティ３１は、底部３１１と、側壁３１２とによって構成されている。キャビティ３１は、比較的浅い。底部３１１は、平面視で円形状であり、シリンダ１４の軸に直交する方向に広がる平らな面によって構成されている。側壁３１２は、底部３１１の周縁に連続する。底部３１１と側壁３１２とは、直交している。底部３１１が円形状であるため、側壁３１２は、円周状である。

ピストン３の上面及びキャビティ３１の表面には遮熱層３２が設けられている。遮熱層３２は、ピストン３よりも熱伝導率が低い。尚、ピストン３は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金製である。遮熱層３２は、ピストン３の内部への熱の伝達を抑制する。遮熱層３２を設けるとエンジン１の冷却損失を低減することができる。遮熱層３２はまた、ピストン３よりも容積比熱が小さい。遮熱層３２の熱容量は小さい。遮熱層３２の熱容量が小さいと、遮熱層３２の温度は、燃焼室１１内の温度の変動に追従して変化する。燃焼室１１内で混合気が燃焼する際に、燃焼温度と遮熱層３２との温度差が小さくなるから、熱がピストン３へ伝わることをさらに抑制することができる。

遮熱層３２は、遮熱材料を、ピストン３の上面及びキャビティ３１の表面に塗布し、加熱処理によって遮熱材料を硬化させることにより形成してもよい。遮熱材料は、例えばガラスバルーン等の中空粒子と、例えばシリコーン樹脂等のバインダとを含有する。前述したように、キャビティ３１は、底部３１１と側壁３１２とからなる単純な形状であるため、ピストン３の上面及びキャビティ３１の表面に遮熱材料を塗布しやすい。遮熱層３２の形成は、比較的容易である。

詳細は後述するが、水噴射装置４は、燃焼室１１が圧縮行程にあるときに、燃焼室１１内に水を噴射する。水噴射装置４に供給される水は、水ポンプ５３によって加圧されているため、高圧の燃焼室１１内に噴射することができる。図３に一点鎖線で示すように、水噴射装置４は、キャビティ３１を指向して水を噴射する。水噴射装置４が噴射した水の少なくとも一部は、キャビティ３１内に到達する。

（燃焼室内に噴射した水の拡散を抑制するための構成）
前述したように、燃焼室１１内に大量の水を噴射すると、燃焼室１１内に水が拡散することに伴い点火プラグ６５の付近の水の濃度が高くなって、点火プラグ６５が安定して混合気に点火をすることができなくなる。

この課題に対して、本願発明者らが検討した結果、燃焼室１１内に噴射した水の拡散を抑制する水噴射装置４の水の噴射形態、キャビティ３１の形状、及び、それらの組み合わせを見出して、ここに開示する技術を完成するに至った。

前述したように、水噴射装置４のノズル部４３は複数の噴孔４３２を有している。複数の噴孔４３２は、図３に示すように、互いに平行である。本願発明者らの検討によると、複数の噴孔４３２の軸が互いに平行又は略平行であれば、水噴射装置４が噴射した水の噴流は、その噴射方向に対し直交する方向に広がり難くなる。複数の噴孔４３２から燃焼室１１内へ噴射した水がそれぞれ、同じ又はほぼ同じ方向へ進むため、当該方向に進む水の噴流の運動量が増大する。運動量が増大すると、水噴射装置４が噴射した水の噴流の周囲の流体を、その噴流へ巻き込む力が強くなるためと考えられる。図例の水噴射装置４は、１２個全ての噴孔４３２の軸が互いに平行又は略平行である。全ての噴孔４３２の軸が互いに平行又は略平行であると、水の運動量がさらに増大するから、噴流の周囲の流体の巻き込み力がより強くなる。こうして、水噴射装置４は、燃焼室１１内に噴射した水の拡散を抑制することができる。

本願発明者らの検討によると、噴孔４３２同士の軸間の角度差が５度以内であれば、水噴射装置４が噴射した水の噴流は、その噴射方向に対し直交する方向に広がり難くなり、水の拡散を抑制することができる。尚、水噴射装置４は、全ての噴孔４３２の軸が互いに平行又は略平行でなくてもよい。

また、図６に示すように、複数の噴孔４３２の中心間距離Ｐは比較的短い。中心間距離Ｐが短いと、水噴射装置４が噴射する水の密度が高まる。水の密度が高いと、運動量の増加により、噴流の周囲の流体の巻き込み力がより強くなる。本願発明者らの検討によると、噴孔４３２の中心間距離Ｐが５ｍｍ以下であれば、噴流の周囲の流体の巻き込み力が十分に強くなって、水の拡散をより効果的に抑制することができることがわかった。

キャビティ３１は、図３に示すように、平らな底部３１１と、底部３１１に直交する側壁３１２とを有している。水噴射装置４は、キャビティ３１内を指向して、水を噴射する。水噴射装置４が噴射した水は、キャビティ３１の底部３１１へ到達する。水は、底部３１１に沿ってシリンダ１４の軸に直交する方向へ広がり、側壁３１２に到達する。側壁３１２は、底部３１１に直交しているため、水を水噴射装置４の方へと巻き上げる。キャビティ３１が比較的浅いため、側壁３１２は、水を効果的に巻き上げることができる。キャビティ３１の側壁３１２は、水がキャビティ３１外の領域へと広がることを抑制する。側壁３１２は、巻上部の一例である。

キャビティ３１は、巻上部を有していることにより、水噴射装置４が噴射した水を、キャビティ内の領域３３に収めることができる。尚、「キャビティ内の領域」は、図３に示すように、ピストン３の上面から凹んだキャビティ３１の中の領域と、当該キャビティ３１の開口を燃焼室１１の天井部１１１へシリンダ１４の軸方向に投影した投影面から、キャビティ３１の開口までの領域と、を合わせた領域３３を意味する。また、キャビティ３１外の領域は、キャビティ内の領域３３以外の領域である。

そして、前述した水噴射装置４が噴射した水の噴流の巻き込み力と、キャビティ３１の側壁３１２による水の巻き上げとが組み合わさると、側壁３１２が巻き上げた水が、水の噴流の巻き込み力により、噴流の方へ引き寄せられる。巻き上がった水がキャビティ３１外の領域へと広がることが抑制される。その結果、燃焼室１１内の水の拡散が、より効果的に、抑制される。

点火プラグ６５は、キャビティ３１に対して、シリンダ１４の軸に直交する方向に位置がずれている。燃焼室１１内に大量の水を噴射しても、前述した水の拡散の抑制によって、点火プラグ６５の付近は水の濃度が低く保たれる。点火プラグ６５は、混合気に安定して点火をすることが可能になる。

ここで、図７は、水噴射装置４の噴孔４３２の密度が低い比較例７１と、噴孔４３２の密度が高い実施例７２とを比較する図である。比較例７１及び実施例７２はそれぞれ、水噴射装置４がキャビティ３１内を指向して水を噴射している例である。尚、図７の例は、図３の構成例とは異なり、水噴射装置４は、シリンダ１４の軸に沿うように水を噴射し、水は、キャビティ３１の底部３１１に直交する向きで衝突する。比較例７１及び実施例７２それぞれにおいて、水噴射装置４の複数の噴孔４３２は互いに平行である。

比較例７１は、噴孔４３２の中心間距離Ｐが５ｍｍを超える。噴孔４３２の密度が低いと、水噴射装置４が噴射した水の噴流の運動量が小さくなる。前述した巻き込み力は、相対的に弱くなる。その結果、キャビティ３１の側壁３１２が巻き上げた水は、噴流の方へ引き寄せられない。図７の上図に矢印で示すように、比較例７１では、キャビティ３１の側壁３１２が巻き上げた水が、キャビティ外の領域へと広がる。

これに対し、実施例７２は、噴孔４３２の中心間距離Ｐが５ｍｍ以下である。実施例７２は、噴孔４３２の密度が高い。噴孔４３２の密度が高いと、前述のように、水噴射装置４が噴射した水の噴流の運動量が大きいため、前述した巻き込み力が強い。その結果、キャビティ３１の側壁３１２が巻き上げた水は、噴流の方へ引き寄せられる。図７の下図に矢印で示すように、実施例７２では、キャビティ３１の側壁３１２が巻き上げた水が、キャビティ内の領域３３に収まるようになる。

こうして、水噴射装置４が、複数の噴孔４３２を互いに平行又は略平行にしかつ、噴孔４３２の密度を高めると共に、キャビティ３１の側壁３１２が、水を巻き上げることにより、燃焼室１１内で水が拡散することを抑制することができる。

ここで、図３に一点鎖線で示すように、水噴射装置４の噴孔４３２の少なくとも一部は、水を噴射するタイミングで、キャビティ３１の側壁３１２を指向している。キャビティ３１の底部３１１の中央部に到達した水は、底部３１１に沿って広がる間に減速する。側壁３１２に到達した時点で水の流速が低いと、水は巻き上がり難くなる。

噴孔４３２の少なくとも一部が側壁３１２を指向していると、水噴射装置４が噴射した水の少なくとも一部は、側壁３１２の近くに到達する。巻上部３１２は、水の流速が低下しない間に水を巻き上げることができる。水を噴射するタイミングで、噴孔４３２の少なくとも一部が側壁３１２を指向していると、キャビティ外の領域へ水が拡散することを、効果的に抑制することができる。

尚、図３に示す構成例のように噴孔４３２の軸の方向が、シリンダ１４の軸に対して傾いている場合、噴孔４３２の軸の延長線とキャビティ３１とが交差する位置は、ピストン３の位置に応じて変わる。つまり、水噴射装置４が水を噴射するタイミングが変わると、水噴射装置４が噴射した水が到達する位置が変わる。水噴射装置４は、少なくとも一部の噴孔４３２の軸の延長線がキャビティ３１と交差するタイミングで、水をキャビティ３１に向かって噴射してもよい。

そして、水噴射装置４が圧縮行程中に水を噴射することによっても、水の拡散を抑制することができる。圧縮行程時は、燃焼室１１内の圧力が相対的に高くかつ、燃焼室１１内の気体の流動が、吸気行程時よりも弱い。圧縮行程中に燃焼室１１内に水を噴射すると、燃焼室１１内の気体の流動による水の拡散が抑制される。

図８は、実施例の燃焼室構造における、水の濃度分布のシミュレーション結果を例示している。図８は、クランク角の進行に伴う水の濃度分布の変化を示している。図８のＰ８１は、水噴射装置４が圧縮行程中に水の噴射を完了した直後である６０°ｂＴＤＣ（before Top Dead Center）での水の濃度分布を示し、Ｐ８２は、４５°ｂＴＤＣでの水の濃度分布を示し、Ｐ８３は、１０°ｂＴＤＣでの水の濃度分布を示し、Ｐ８４は、ＴＤＣでの水の濃度分布を示している。図８は、水の濃度が濃い領域と、水の濃度が薄い領域と、水の濃度がそれらの中間の領域と、に分けている。

Ｐ８１に示すように、水の噴射が完了した直後は、キャビティ３１を含む、エンジン１のリヤ側の領域の水の濃度が高くかつ、点火プラグ６５を含む、エンジン１のフロント側の領域の水の濃度は低い。圧縮行程が進むに従い（Ｐ８２及びＰ８３）、水が拡散するため、水の濃度が高い領域は小さくなるが、エンジン１のフロント側の領域は水の濃度が低いままである。水が燃焼室１１内で広く拡散することが抑制されている。そして、Ｐ８４に示すように、点火プラグ６５が点火を行うタイミング前後のＴＤＣにおいても、点火プラグ６５の付近は、水の濃度が低く保たれている。点火プラグ６５は、安定的に混合気に点火をすることができる。

図９の符号９１は、燃焼室１１内に水を噴射した場合の筒内圧力の変化（実線）と、燃焼室１１内に水を噴射しない場合の筒内圧力（破線）の変化とを比較している。図９の符号９２は、燃焼室１１内に水を噴射した場合の筒内温度の変化（実線）と、燃焼室１１内に水を噴射しない場合の筒内温度の変化（破線）とを比較している。図９の横軸は、クランク角である。燃焼室１１内に水を噴射することにより、前述の通り、作動ガス量の増加によって、筒内圧力が高くなる。燃焼室１１内に水を噴射することにより、エンジン１のトルクの向上が図られる。また、燃焼室１１内に水を噴射することにより、燃焼室１１内の温度が低下する。燃焼室１１内に水を噴射することにより、異常燃焼の発生を抑制することができる。

前記の構成の水噴射装置４及び水供給装置５は、エンジン１の排熱を利用して水を加熱し、気化した水を燃焼室１１に噴射している。エンジン１の排気損失を低減することができるから、エンジン１の熱効率が向上する。また、燃焼室１１内に供給する水は、排気ガスから抽出した水であるため、前記の構成の水噴射装置４及び水供給装置５は、乗員が噴射用の水を、水タンクに給水する必要がないという利点もある。

（エンジンの制御装置の構成）
図１０は、エンジン１の制御装置の構成を例示している。エンジン１の制御装置は、ＥＣＵ１０を備えている。ＥＣＵ１０は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラーであって、プログラムを実行する中央演算処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）１０１と、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）により構成されてプログラム及びデータを格納するメモリ１０２と、電気信号の入出力をする入出力バス１０３と、を備えている。

ＥＣＵ１０には、各種のセンサＳＷ１〜ＳＷ３が接続されている。センサＳＷ１〜ＳＷ３は、信号をＥＣＵ１０に出力する。センサには、少なくとも以下のセンサが含まれる。

エアフローセンサＳＷ１は、吸気管６１に配置されかつ、吸気管６１を流れる空気の流量を計測する。クランク角センサＳＷ２は、エンジン１に取り付けられかつ、クランクシャフトの回転角を計測する。アクセル開度センサＳＷ３は、アクセルペダル機構（図示省略）に取り付けられかつ、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を計測する。

ＥＣＵ１０は、これらのセンサＳＷ１〜ＳＷ３の信号に基づいて、エンジン１の運転状態を判断すると共に、予め定められている制御ロジックに従って、各デバイスの制御量を演算する。制御ロジックは、メモリ１０２に記憶されている。制御ロジックは、メモリ１０２に記憶している運転マップを用いて、目標量及び／又は制御量を演算することを含む。

ＥＣＵ１０は、演算をした制御量に係る電気信号を、インジェクタ６４、点火プラグ６５、スロットル弁６６、及び、水噴射装置４に出力する。

図１１は、水の噴射量に係る制御マップ１１０を例示している。制御マップ１１０は、例えばメモリ１０２に記憶されている。水の噴射量は、エンジン１の回転数と、エンジン１の負荷との関係から定まる。ＥＣＵ１０は、センサＳＷ１〜ＳＷ３の信号に基づいてエンジン１の回転数及び負荷を把握しかつ、把握した回転数及び負荷と、制御マップ１１０とから、水の噴射量を決定する。

より詳細に、図１１に例示する制御マップ１１０は、エンジン１の負荷に対して、第１領域１１０１、第２領域１１０２及び第３領域１１０３の三つの領域に分かれている。第２領域１１０２は、第１領域１１０１よりも負荷が高い領域である。第３領域１１０３は、第１領域１１０１及び第２領域１１０２よりも負荷が高い領域である。第１領域１１０１は、おおよそ低負荷領域に対応し、第２領域１１０２は、おおよそ中負荷領域に対応し、第３領域１１０３は、おおよそ高負荷領域に対応する。ここで、低負荷領域、中負荷領域及び高負荷領域はそれぞれ、エンジン１の全運転領域を、負荷の高低について三等分したときの、低負荷領域、中負荷領域及び高負荷領域としてもよい。

第１領域１１０１は、前述したように、低負荷領域に対応する。第１領域１１０１は、エンジン１の回転数に対しては、最低回転から最高回転まで広がっている。第１領域１１０１において、水の噴射量は少ない。これは、エンジン１の負荷が低いと排気エネルギが低いためである。つまり、エンジン１の負荷が低いと排熱を利用して大量の水を十分に加熱することができない。

第２領域１１０２は、中負荷領域に対応する。第２領域１１０２は、エンジン１の回転数に対しては、最低回転から最高回転まで広がっている。第２領域１１０２において、水の噴射量は、第１領域１１０１の噴射量よりも多い。エンジン１の負荷が高くなると排気エネルギが高くなるため、エンジン１の排熱を利用して加熱することができる水の量が増える。

第３領域１１０３は、高負荷領域に対応する。第３領域１１０３は、エンジン１の回転数に対しては、最低回転から最高回転まで広がっている。第３領域１１０３において、水の噴射量は、第１領域１１０１の噴射量及び第２領域１１０２の噴射量よりも多い。高負荷領域は、異常燃焼が発生しやすい。第３領域１１０３において、水の噴射量を増やすことにより、エンジン１のトルク向上と共に、異常燃焼の発生を抑制することができる。

ここで、第２領域１１０２と第３領域１１０３との境界は、図１１において傾いている。つまり、エンジン１の回転数が高いと、第２領域１１０２が、高負荷の方へ広がる。エンジン１の回転数が低いと、第３領域が低負荷の方へ広がる。これは、回転数が高くなると、燃焼室１１内へ水を噴射する時間間隔が短くなるため、水を十分に加熱するだけの時間を確保することが難しくなるためである。エンジン１の回転数が高い場合は、水の噴射量が少ない第２領域１１０２を拡大することによって、十分に加熱した水を燃焼室１１内に噴射することができ、エンジン１のトルクを向上させることができる。エンジン１の回転数が低い場合は、水の噴射量が多い第３領域を拡大することによって、燃焼室１１内に噴射する水の量を増やすことができ、エンジン１のトルクを、さらに向上させることができる。当該エンジン１を搭載した自動車の燃費性能の向上に有利になる。

図１２は、ＥＣＵ１０の制御による、燃料噴射、水噴射及び点火の時期を例示している。図１２の横軸は、クランク角である。図１２の両端矢印は、噴射の期間を示している。

このエンジン１のインジェクタ６４は、吸気ポート１５に配設されている。インジェクタ６４は、吸気行程中に燃料を吸気ポート１５に噴射する。燃料が吸気と共に燃焼室１１内に導入される。燃焼室１１内に均質な混合気が形成される。均質な混合気は、点火プラグ６５による安定的な点火と、安定的な圧縮着火とに有利である。エンジン１の負荷が高いと、燃料の噴射量は増える。図１２の例では、インジェクタ６４は、高負荷時Ｐ１２１に、吸気行程の開始から終了までのほぼ全期間に亘って、燃料を噴射する。

吸気行程が終了し、続く圧縮行程において、水噴射装置４は水を燃焼室１１内に噴射する。エンジン１の負荷が高い場合、水の噴射量が多い（図１１参照）。水噴射装置４が水を噴射する期間は長い。水噴射装置４は、圧縮行程の前期から中期の期間に、燃焼室１１内に水を噴射する。圧縮行程の前期から中期は、燃焼室１１内の圧力が低い。燃焼室１１内に噴射する水の温度が低くても水が気化する。圧縮行程の後期は燃焼室１１内の圧力が高いため、燃焼室１１内に噴射する水の温度が高くないと水が気化しない。圧縮行程の前期から中期の期間に水を噴射することは、エンジン１の排熱を利用して水を気化させることを可能にする。エンジン１の熱効率の向上に有利になる。

尚、圧縮行程の前期、中期、及び、後期はそれぞれ、圧縮行程の期間を、「前期」「中期」及び「後期」に三等分した場合の、「前期」「中期」及び「後期」としてもよい。以下に記載する吸気行程の前期、中期、及び、後期も同様である。

エンジン１の負荷が高い場合、点火プラグ６５は、点火時期を遅角する。点火プラグ６５は、圧縮上死点後に点火を行う。これにより、異常燃焼の発生を抑制することができる点火プラグ６５は、図１２に破線の矢印で例示する期間内で、混合気に点火してもよい。

エンジン１が中負荷の場合（Ｐ１２２）、燃料の噴射量は、高負荷時よりも減る。インジェクタ６４の燃料の噴射期間は、相対的に短い。インジェクタ６４は、吸気行程の中期を含む期間に、燃料を噴射する。吸気行程の中期はピストン３の下降速度が速い。吸気行程の中期に燃料を噴射すると、噴射した燃料が拡散して、混合気が均質又は略均質になる。尚、エンジン１が中負荷の場合の燃料の噴射時期は、適宜の時期に設定してもよい。

吸気行程が終了し、続く圧縮行程において、水噴射装置４は水を燃焼室１１内に噴射する。エンジン１が中負荷の場合、水の噴射量は、高負荷時よりも減る（図１１参照）。水噴射装置４が水を噴射する期間は相対的に短い。水噴射装置４は、水の噴射開始時期を遅らせる。圧縮行程の早い時期に燃焼室１１内に水を噴射すると、作動ガスの増加により圧縮抵抗が増大してしまう。水の噴射開始時期を遅らせることによって、圧縮抵抗の増大を避けることができる。エンジン１の熱効率が向上する。水噴射装置４はまた、高負荷時と同様に、圧縮行程の中期までに噴射を完了する。これにより、水の加熱に必要な熱量を節約することができる。

エンジン１が中負荷の場合、点火プラグ６５は、点火時期を、高負荷時よりも進角する。これにより、異常燃焼の発生が抑制されると共に、点火時期の最適化によってエンジン１のトルクの向上が図られる。点火プラグ６５は、圧縮上死点後の、図１２に破線の矢印で例示する期間内で、混合気に点火してもよい。

エンジン１が低負荷の場合（Ｐ１２３）、燃料の噴射量は、中負荷時よりも減る。インジェクタ６４の燃料の噴射期間は、相対的に短い。インジェクタ６４は、吸気行程の中期を含む期間に、燃料を噴射する。これにより、混合気が均質又は略均質になる。尚、エンジン１が低負荷の場合の燃料の噴射時期は、適宜の時期に設定してもよい。

吸気行程が終了し、続く圧縮行程において、水噴射装置４は水を燃焼室１１内に噴射する。エンジン１が低負荷の場合、水の噴射量は、中負荷時よりも減る（図１１参照）。水噴射装置４が水を噴射する期間は相対的に短い。水噴射装置４は、水の噴射開始時期をさらに遅らせる。これにより、圧縮抵抗の増大を避けることができる。水噴射装置４はまた、高負荷及び中負荷時と同様に、圧縮行程の中期までに噴射を完了する。これにより、水の加熱に必要な熱量を節約することができる。

エンジン１が低負荷の場合、点火プラグ６５は、点火時期を、中負荷時よりも進角する。図１２に例示するように、点火プラグ６５は、圧縮上死点前に、混合気に点火をしてもよい。点火時期の最適化により、エンジン１のトルク向上を図ることができる。

尚、ここに開示するエンジンの燃焼室構造は、前述した構成のエンジン１に適用することに限定されない。ここに開示するエンジンの燃焼室構造は、様々な構成のエンジンに適用することが可能である。

１ エンジン
１１ 燃焼室
１１１ 天井部
１４ シリンダ
１５ 吸気ポート
３ ピストン
３１ キャビティ
３１１ 底部
３１２ 側壁（巻上部）
３２ 遮熱層
４ 水噴射装置
４１ 水噴射弁
４２ 昇温部
４２１ 取付部
４２２ 本体部
４２３ 伝熱部
４３２ 噴孔
４３３ 噴射面
４４ ヒートパイプ（加熱装置）
４５ 通路
４６ 非形成部
５ 水供給装置
５１ 凝縮器
５２ 水タンク
５３ 水ポンプ
５４ 熱交換器（加熱装置）
６２ 排気管
６４ インジェクタ（燃料噴射弁）
６５ 点火プラグ（点火装置）

Claims (15)

1. エンジンに設けられたシリンダと、前記シリンダ内を往復動するピストンとによって形成される燃焼室と、
   前記燃焼室の天井部に配置された点火装置と、
   前記燃焼室内に臨む噴孔を通じて、前記燃焼室内に水を噴射する水噴射装置と、を備え、
   前記ピストンは、その上面にキャビティを有し、
   前記水噴射装置は、前記燃焼室が圧縮行程にあるときであって、少なくとも一部の噴孔の軸の延長線が前記キャビティと交差しているタイミングで、水を前記キャビティに向かって噴射し、
   前記キャビティは、前記水噴射装置が噴射した水が当たる底部と、前記底部に沿って広がる水を前記水噴射装置の方へ巻き上げる巻上部とを有しているエンジンの燃焼室構造。
2. 請求項１に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   前記底部は、前記シリンダの軸に直交する平らな面で構成され、
   前記巻上部は、前記底部に対して直交する側壁によって構成されているエンジンの燃焼室構造。
3. 請求項１又は２に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   前記ピストンの上面及び前記キャビティの表面には、前記ピストンの内部への熱の伝達を抑制する遮熱層が設けられているエンジンの燃焼室構造。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   前記水噴射装置の噴孔の少なくとも一部は、水を噴射するタイミングで、前記キャビティの巻上部を指向しているエンジンの燃焼室構造。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   前記水噴射装置は、前記天井部に配置されていると共に、前記水噴射装置の、前記噴孔が開口する噴射面の少なくとも一部は、前記シリンダの軸に直交する方向に対して、前記キャビティの位置に位置し、
   前記点火装置は、前記シリンダの軸に直交する方向に対して、前記キャビティから外れた位置に設置されているエンジンの燃焼室構造。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   前記水噴射装置は、全ての噴孔の軸が、互いに平行又は略平行であるエンジンの燃焼室構造。
7. 請求項６に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   前記噴孔の中心間距離は、５ｍｍ以下であるエンジンの燃焼室構造。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   前記水噴射装置は、前記圧縮行程の前期から中期までの間に水を噴射するエンジンの燃焼室構造。
9. 請求項８に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   前記水噴射装置が噴射する水の量は、前記エンジンの負荷が低い場合は、高い場合よりも少なく、
   前記水噴射装置は、水の噴射量が少ない場合は、多い場合よりも噴射の開始タイミングを遅らせるエンジンの燃焼室構造。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造において、
    前記水噴射装置が噴射する水を加熱する加熱装置を備えているエンジンの燃焼室構造。
11. 請求項１０に記載のエンジンの燃焼室構造において、
    前記加熱装置は、前記エンジンの排気管に取り付けられた熱交換器を有し、
    前記熱交換器は、前記エンジンの排気ガスの熱によって、前記水噴射装置に供給する前の水を加熱するエンジンの燃焼室構造。
12. 請求項１０又は１１に記載のエンジンの燃焼室構造において、
    前記水噴射装置は、水噴射弁と、前記水噴射弁と前記燃焼室との間に介在しかつ、前記水噴射弁が噴射した水の温度を前記燃焼室へ供給する前に上げる昇温部と、を有し、
    前記加熱装置は、前記エンジンの排気ガスの熱を前記昇温部へ送るヒートパイプを有しているエンジンの燃焼室構造。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造において、
    前記水噴射装置に水を供給する水供給装置を備え、
    前記水供給装置は、
    前記エンジンの排気ガス中の水を凝縮する凝縮器と、
    前記凝縮器が凝縮した水を溜める水タンクと、
    前記水タンクの水を加圧して前記水噴射装置へ供給する水ポンプと、を有しているエンジンの燃焼室構造。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造において、
    燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、
    前記燃料噴射弁は、前記燃焼室に連通する吸気ポートに配置されているエンジンの燃焼室構造。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造において、
    前記エンジンは、混合気の少なくとも一部が圧縮着火により燃焼する圧縮着火ガソリンエンジンであるエンジンの燃焼室構造。

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