JP2021116791A - 水噴射弁を備える内燃機関の制御方法、及び、水噴射弁を備える内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の熱効率を向上する。【解決手段】内燃機関１は、燃焼室３内に水を噴射する水噴射弁５を備える。水噴射弁は、複数の噴射孔５６を有し、複数の噴射孔は、燃焼室内における周方向に異なる複数の空間領域に向けて水を噴射する。複数の噴射孔は、第１孔と、第１孔よりも径が小さい第２孔とを含む。内燃機関の制御方法は、燃焼室内において燃焼が開始する前に、複数の領域のそれぞれに向けて、水噴射弁が、複数の噴射孔のそれぞれから水を噴射する。【選択図】図４

Description

ここに開示する技術は、水噴射弁を備える内燃機関の制御方法、及び、水噴射弁を備える内燃機関に関する。

特許文献１には、水噴射弁を備える内燃機関が記載されている。水噴射弁は、燃焼室の天井部における中央部に取り付けられている。水噴射弁は、ピストンの上面に向かってコーン状に水を噴射する。圧縮行程中の所定のタイミングで、水噴射弁が水を噴射することによって、ピストンの上面における径方向の特定の領域が冷却される。当該領域における混合気の低温酸化反応の開始が遅れる。その結果、燃焼室内おいて前記領域よりも外側の領域における混合気が先ず自己着火し、その後、水を噴射した領域へ自己着火が連鎖的に進行する。特許文献１に記載された内燃機関は、エンジンの負荷が高い場合に、過早着火の発生を抑制した圧縮自己着火による燃焼が実現する。内燃機関の全運転領域において圧縮自己着火による燃焼が可能になるため、この内燃機関は熱効率が向上する。

特開２０１５−０９４３０３号公報

特許文献１に記載された内燃機関は、燃焼室内における周方向の全域に亘る広い範囲に、水を均等に噴射しているため、燃焼室の全体の温度が低下する。燃焼室の全体において燃焼が比較的緩慢になるから、熱発生率のピークの発生タイミングが、圧縮上死点よりも大幅に遅れ、熱効率が低下する。この内燃機関は、熱効率の向上の点で改善の余地がある。

ここに開示する技術は、内燃機関の熱効率を向上する。

ここに開示する技術は、燃焼室内に水を噴射する水噴射弁を備える内燃機関の制御方法に係る。

前記水噴射弁は、複数の噴射孔を有し、前記複数の噴射孔は、前記燃焼室内における周方向に異なる複数の空間領域に向けて水を噴射し、前記複数の噴射孔は、第１孔と、前記第１孔よりも径が小さい第２孔とを含む。

この制御方法は、前記燃焼室内において燃焼が開始する前に、前記複数の領域のそれぞれに向けて、前記水噴射弁が、前記複数の噴射孔のそれぞれから水を噴射する。

燃焼室内に水を噴射すると、水の気化潜熱によって周囲の温度が下がる。

この制御方法に用いる水噴射弁は、複数の噴射孔が、燃焼室内において周方向に仮想的に分割された複数の空間領域に向けて水を噴射する。複数の噴射孔は、径の大きい第１孔と、第１孔よりも径が小さい第２孔とを含む。径の大きい第１孔から噴射される水の量は多く、径の小さい第２孔から噴射される水の量は少ない。

複数の噴射孔のそれぞれから水を噴射すると、複数の空間領域の一部の空間領域には、多くの水が噴射され、他の空間領域には、少ない水が噴射される。水の量が多いほど、当該空間領域の温度は低下する。燃焼室内の周方向に、温度の分布が生じる。

ピストンの上昇に伴い燃焼室内の温度が高くなると、水の噴射量が少ない空間領域の温度は、早期に温度が上昇するため、当該空間領域における燃焼が先に開始する。水の噴射量が多い空間領域の温度は、遅れて温度が上昇するため、当該空間領域における燃焼は、遅れて開始する。

先に開始する燃焼が燃焼室内の一部の空間領域に制限されるため、燃焼圧が急峻に上昇するような燃焼が回避される。燃焼室内における燃焼の開始時期を、比較的早い時期にすることができる。また、複数の空間領域における燃焼が、開始タイミングをずらして順次行われるため、燃焼室内全体としては、急速な燃焼を行いつつも、燃焼のピークが高くなりすぎることが抑制される。その結果、燃焼騒音の増大を抑制しながら、燃焼のピークの発生タイミングを圧縮上死点に近づけることができる。内燃機関は、熱効率が向上する。内燃機関を搭載した車両の燃費性能が向上する。

前記内燃機関は、圧縮自己着火式の内燃機関であり、
前記水噴射弁は、前記燃焼室内に燃料が供給された後、前記燃焼室内の混合気が自己着火する前に、前記複数の空間領域のそれぞれに向けて、前記水噴射弁が、前記複数の噴射孔のそれぞれから水を噴射する、としてもよい。

燃焼室内に水を噴射すると、混合気の酸化反応の開始及び／又は進行が抑制される。

前述したように、燃焼室内の複数の空間領域に対する水の噴射量が異なるため、混合気の酸化反応の進行度合いは、燃焼室内の周方向に均等でなく、進行度合いの分布が生じる。

ピストンの上昇に伴い燃焼室内の温度が高くなると、水の噴射量が少ない空間領域は、混合気の酸化反応の進行度合いが相対的に進んでいるため、当該空間領域において混合気が先に自己着火する。水の噴射量が多い空間領域は、混合気の酸化反応が遅れて進行するため、当該空間領域における混合気は、遅れて自己着火する。

従って、燃料室内の空間領域毎に、燃焼が順次開始するから、この内燃機関も、燃焼騒音の増大を抑制しながら、燃焼のピークの発生タイミングを圧縮上死点に近づけることができる。内燃機関の熱効率が向上する。

前記複数の噴射孔は、前記水噴射弁の軸を中心として周方向に並んで配置され、
前記複数の噴射孔の径は、前記周方向に次第に小さくなると共に、最大径の噴射孔と最小径の噴射孔とが、周方向に隣り合っており、
前記最大径の噴射孔と最小径の噴射孔との中心間距離は、前記最大径の噴射孔と二番目に大きい径の噴射孔との中心間距離よりも広い、としてもよい。

噴射孔の径が大きいと、水の噴霧の広がりが抑制される一方で、噴霧の到達距離は長い。噴射孔の径が小さいと、水の噴霧が大きく広がる一方で、噴霧の到達距離は短い。

最小径の噴射孔と隣の噴射孔との中心間距離が狭いと、最小径の噴射孔から噴射される水の噴霧が大きく広がるため、隣りの噴射孔から噴射される水の噴霧と重なる恐れがある。水の噴霧が重なると、温度が局所的に大きく低下してしまう。

隣り合う噴射孔間の中心間距離は、噴射孔の径の大きさに応じて定めてもよい。具体的には、前記の構成のように、最大径の噴射孔と最小径の噴射孔との中心間距離を、最大径の噴射孔と二番目に大きい径の噴射孔との中心間距離よりも広くする。こうすれば、水の噴霧の重なりが抑制される。

前記水噴射弁に供給される水の温度を取得し、
前記取得した水の温度が低いほど、高い場合よりも前記水噴射弁の噴射量を少なく設定する、としてもよい。

水の温度が低いと、燃焼室内の温度をより低下させることができる。水の温度が低い場合は、高い場合よりも水噴射弁の噴射量を少なくすることにより、燃焼室内を適切に冷却できる。混合気の燃焼が適正化する。また、水噴射弁の噴射量を少なくすると、水噴射弁に水を供給するポンプの仕事量が減る。この構成は、内燃機関を搭載する車両の燃費性能の向上にも有利である。

ここに開示する技術は、燃焼室内に水を噴射する水噴射弁が前記燃焼室の天井部に取り付けられた内燃機関に係る。この内燃機関は、
前記水噴射弁を制御する制御部を備え、
前記水噴射弁は、複数の噴射孔を有し、前記複数の噴射孔は、前記燃焼室内における周方向に異なる複数の空間領域に向けて、個別に水を噴射し、
前記複数の噴射孔は、第１孔と、前記第１孔よりも径が小さい第２孔とを含み、
前記制御部は、前記燃焼室内において燃焼が開始する前に、前記複数の領域のそれぞれに向けて、前記複数の噴射孔のそれぞれから水を噴射させる。

前述したように、この内燃機関は、燃焼騒音の増大を抑制しながら、燃焼のピークの発生タイミングを圧縮上死点に近づけることができる。内燃機関は、熱効率が向上する。内燃機関を搭載した車両の燃費性能が向上する。

以上説明したように、前記の水噴射弁を備える内燃機関の制御方法、及び、水噴射弁を備える内燃機関によると、内燃機関の熱効率を向上できる。

図１は、内燃機関の構成を例示するシステム図である。 図２は、水噴射弁の構成を例示する断面図である。 図３は、水噴射弁が燃焼室内の各空間領域に水を噴射する状態を例示する図である。 図４は、混合気の燃焼に関する各パラメータのタイミングチャートである。 図５は、水噴射弁の制御に関するフローチャートである。 図６は、内燃機関の運転領域を例示する図である。 図７は、噴射する水の温度の高低に対する水の噴射態様の違いを例示するタイミングチャートである。 図８は、水噴射弁の噴射孔の変形例を示す図である。 図９は、水噴射弁の噴射孔の変形例を示す図である。

以下、水噴射弁を備える内燃機関、及び、内燃機関の制御方法について、図面を参照しながら説明をする。尚、以下の説明は、例示である。図１は、内燃機関１のシステム図を示している。この内燃機関１は、圧縮自己着火式の４ストローク機関である。内燃機関１の燃料は、ガソリン、又は、ガソリンを含有する液体燃料である。内燃機関１は、４輪の車両に搭載されている。内燃機関１の出力を駆動輪に伝達することによって車両が走行する。

（内燃機関の全体構成）
内燃機関１は、シリンダブロック２１と、シリンダブロック２１の上に載置されるシリンダヘッド２２と、を備えている。シリンダブロック２１の内部には、複数のシリンダ２３が設けられている。複数のシリンダ２３は、クランクシャフト２６の方向に並んで配置されている。尚、内燃機関１のシリンダ数、及び、シリンダの配列は、特定の数及び配列に限定されない。

各シリンダ２３内には、クランクシャフト２６に対しコネクティングロッド２７を介して連結されるピストン２４が内挿されている。ピストン２４は、シリンダ２３内を往復する。ピストン２４の上面と、シリンダヘッド２２の天井部と、シリンダ２３の内周面とは、燃焼室３を形成する。

内燃機関１には、吸気管４１が接続されている。図示は省略するが、吸気管４１は、各燃焼室３に接続されている。吸気管４１は、各燃焼室３へ吸気を供給する。吸気管４１には、スロットル弁４１１が介設している。

内燃機関１には、排気管４２が接続されている。図示は省略するが、排気管４２は、各燃焼室３に接続されている。排気管４２は、各燃焼室３から排気を排出する。

シリンダヘッド２２には、シリンダ２３毎に燃料噴射弁４３が取り付けられている。燃料噴射弁４３は、燃焼室３内に直接、燃料を噴射する。燃料噴射弁４３の構成は、どのようなものであってもよい。燃料噴射弁４３は、例えば多噴口型の燃料噴射弁としてもよい。

尚、燃焼室３内に燃料を噴射する燃料噴射弁４３に代えて、又は、当該燃料噴射弁４３と共に、内燃機関１は、吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射弁を有してもよい。

シリンダヘッド２２にはまた、シリンダ２３毎に、水噴射弁５が取り付けられている。水噴射弁５は、例えばシリンダ２３の中心軸Ｘ上に配設されている。水噴射弁５は、燃焼室３内に水を噴射する。水噴射弁５の構成の詳細は、後述する。

水タンク６１は、水噴射弁５が噴射する水を貯留している。水タンク６１に貯留される水は、図１に一点鎖線で示すように、例えば排気管４２を流れる排気を凝縮することにより得られる。尚、水タンク６１は、外部から給水可能に構成してもよい。

水噴射弁５と水タンク６１とをつなぐ供給路６２には、ポンプ６３が介設している。ポンプ６３は、水噴射弁５へ水を圧送する。ポンプ６３は、内燃機関１によって駆動されてもよいし、電動ポンプでもよい。

内燃機関１はまた、冷却水回路６４を有している。冷却水回路６４は、冷却水の熱交換を行うラジエータ６４１を有している。冷却水は、内燃機関１とラジエータ６４１との間を循環する。

内燃機関１は、コントローラ７０を有している。コントローラ７０は、内燃機関１の運転を制御する。図１のシステム図において、コントローラ７０には、各種のセンサが接続されている。具体的に図１のシステム図においては、吸気温センサ７１、第１水温センサ７２、クランク角度センサ７３、車速センサ７４、アクセル踏み込み量センサ７５、スロットル弁開度センサ７６、筒内圧センサ７７、及び、第２水温センサ７８が、コントローラ７０に接続されている。

ここで、吸気温センサ７１は、吸気管４１に取り付けられかつ、吸気管４１を流れる吸気の温度に関係する計測信号をコントローラ７０に出力する。第１水温センサ７２は、冷却水回路６４に取り付けられ、冷却水の温度に関係する計測信号をコントローラ７０に出力する。

クランク角度センサ７３は、内燃機関１に取り付けられかつ、クランクシャフト２６の回転角度に関係する計測信号をコントローラ７０に出力する。

車速センサ７４は、車両の車輪に取り付けられかつ、車速に関係する計測信号をコントローラ７０に出力する。アクセル踏み込み量センサ７５は、アクセルペダル７５１に取り付けられかつ、アクセルペダル７５１の踏み込み量に関係する計測信号をコントローラ７０に出力する。

スロットル弁開度センサ７６は、スロットル弁４１１に取り付けられかつ、スロットル弁４１１の開度に関係する計測信号をコントローラ７０に出力する。筒内圧センサ７７は、シリンダヘッド２２に取り付けられかつ、燃焼室３内の圧力に関係する計測信号をコントローラ７０に出力する。

第２水温センサ７８は、水タンク６１に取り付けられかつ、燃焼室３内に噴射する水の温度に関係する計測信号をコントローラ７０に出力する。

コントローラ７０は、これらのセンサ７１〜７８の計測信号に基づいて内燃機関１の運転状態を判断する。

コントローラ７０は、燃料噴射弁４３と、水噴射弁５とに、制御信号を出力する。コントローラ７０は、内燃機関１の運転状態に応じた制御信号を出力する。

燃料噴射弁４３は、コントローラ７０からの制御信号を受け、所定の量の燃料を、所定のタイミングで、燃焼室３内に噴射する。燃料噴射弁４３は、例えば吸気行程の期間内、及び／又は、圧縮行程の期間内に、燃焼室３内に噴射する。尚、吸気ポートに設けられた燃料噴射弁は、例えば吸気行程の期間内に、吸気ポート、及び／又は、燃焼室３内に燃料を噴射する。

燃焼室３内に燃料が噴射されることによって、燃焼室３内には混合気が形成される。ピストン２４が上昇するに従い燃焼室３内の温度が高まる。混合気の酸化反応は、次第に進行する。燃焼室３内の温度が自己着火温度を超えると、混合気は、自己着火により燃焼する。

尚、水噴射弁５による水の噴射に関しては、後述する。

（水噴射弁の構成）
図２は、水噴射弁５の構成を例示している。水噴射弁５は、ソレノイド式の噴射弁である。つまり、水噴射弁５は、ソレノイドコイルに通電することにより、ニードルをストロークさせ、それによって、噴射孔を開く。

水噴射弁５は、バルブボディ５１と、ニードル５２と、ソレノイドコイル５３と、可動コア５４と、固定コア５５とを有している。

バルブボディ５１は、略円筒状である。バルブボディ５１は、水の通路を形成する。バルブボディ５１の基端部（つまり、図２における上端部）には、水が流入する流入口５１１が設けられている。バルブボディ５１の先端部（つまり、図２における下端部）は塞がっていると共に、複数の噴射孔５６が形成されている。

複数の噴射孔５６は、拡大図２０１に示すように、第１噴射孔５６１、第２噴射孔５６２、第３噴射孔５６３、第４噴射孔５６４、第５噴射孔５６５及び第６噴射孔５６６を含む。第１〜第６噴射孔５６１〜５６６は、周方向に等角度間隔で配置されている。第１〜第６噴射孔５６１〜５６６の径は互いに異なる。具体的に、第１〜第６噴射孔５６１〜５６６は、径が順番に大きくなる。第１〜第６噴射孔５６１〜５６６の内、第１噴射孔５６１の径が最も小さく、第６噴射孔５６６の径が最も大きい。最小径の第１噴射孔５６６と最大径の第６噴射孔５６１とは、周方向に隣り合っている。第１〜第６噴射孔５６１〜５６６の孔軸は、水噴射弁５の軸に対して傾いている。第１〜第６噴射孔５６１〜５６６は、図３に示すように、水噴射弁５の先端から斜め下向きに水Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６を噴射する。

ニードル５２は、第１〜第６噴射孔５６１〜５６６を開閉する。ニードル５２は、円柱状である。ニードル５２は、バルブボディ５１内において、水噴射弁５の軸に沿って伸びている。ニードル５２の先端は、バルブボディ５１の先端部に当接している。ニードル５２は、その基端部に設けられたスプリング５２０によって、バルブボディ５１の先端側へ付勢されている。ニードル５２は、非通電時には第１〜第６噴射孔５６１〜５６６を閉じる。

ニードル５２には、可動コア５４が外挿されている。可動コア５４は、円環状を有しており、ニードル５２に固定されている。尚、可動コア５４には、水が通過する通路５４２が、軸方向に貫通して、複数形成されている。

可動コア５４よりも、バルブボディ５１の基端側には、固定コア５５が配設されている。固定コア５５は、バルブボディ５１に内挿されかつ、バルブボディ５１に固定されている。固定コア５５には、水が流れる通路５５１が、軸方向に貫通して形成されている。

ソレノイドコイル５３は、バルブボディ５１に外挿されている。ソレノイドコイル５３に通電すると、可動コア５４が固定コア５５の方へ吸引される。これにより、ニードル５２が、スプリング５２０の付勢力に抗して基端側へ移動し、第１〜第６噴射孔５６１〜５６６のそれぞれから、水が噴射する。水噴射弁５は、複数の噴射孔５６１〜５６６のそれぞれから、一斉に水Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６を噴射できる。

各噴射孔５６１〜５６６から噴射される水の量は、噴射孔５６１〜５６６の径の大きさに応じて定まる。径が大きい噴射孔から噴射される水の量は多く、径の小さい噴射孔から噴射される水の量は少ない。水噴射弁５は、燃焼室３の周方向に均等な量の水を噴射しない。水の噴射量は、周方向に分布が生じる。

（水の噴射態様）
水噴射弁５は、図３に示すように、複数の噴射孔５６１〜５６６を通じて、燃焼室３内を、周方向に仮想的に分割した複数の空間領域３１〜３６のそれぞれに向けて、水を噴射できる。

図４は、混合気の燃焼に関する各パラメータのタイミングチャートを例示している。チャート４０１は、燃料噴射弁４３のリフト量を例示している。燃料噴射弁４３は、前述したように、吸気行程及び／又は圧縮行程の期間において、燃料を燃焼室３内に噴射する。燃焼室３内には混合気が形成される。

チャート４０３は、燃焼室３内の温度の変化を例示している。圧縮行程が進むに従い、燃焼室３内の温度が次第に高まる。混合気の酸化反応も次第に進行する。

チャート４０２は、水噴射弁５のリフト量を例示している。水噴射弁５は、圧縮行程の期間において、水Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６を燃焼室３内に噴射する。水噴射弁５は、第１〜第６噴射孔５６１〜５６６から一斉に、第１〜第６空間領域３１〜３６のそれぞれへ、水Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６を噴射する。

チャート４０３における一点鎖線は、水を噴射しない場合における燃焼室３内の温度の変化を例示している。水を噴射しない場合、燃焼室３内の温度は、圧縮上死点前の早いタイミングで自己着火温度に到達してしまう。この場合、燃焼室３内の混合気が一斉に燃焼を開始するため、燃焼圧が急峻に上昇するような燃焼となって、燃焼騒音が増大してしまう。

これに対し、水噴射弁５が燃焼室３内へ水を噴射すると、水の気化潜熱により燃焼室３内の温度が低下する。温度が低下することにより、混合気の酸化反応の開始及び／又は進行が抑制される。

水噴射弁５が、第１噴射孔５６１から第１空間領域３１へ水Ｗ１を噴射すると、当該第１空間領域３１の温度が低下する（Ｔ１参照）。水噴射弁５が、第２噴射孔５６２から第２空間領域３２へ水Ｗ２を噴射すると、当該第２空間領域３２の温度が低下する（Ｔ２参照）。同様に、水噴射弁５が、第３噴射孔５６３から第３空間領域３３へ水Ｗ３を噴射すると、当該第３空間領域３３の温度が低下し（Ｔ３参照）、水噴射弁５が、第４噴射孔５６４から第４空間領域３４へ水Ｗ４を噴射すると、当該第４空間領域３４の温度が低下し（Ｔ４参照）、水噴射弁５が、第５噴射孔５６５から第５空間領域３５へ水Ｗ５を噴射すると、当該第５空間領域３５の温度が低下し（Ｔ５参照）、水噴射弁５が、第６噴射孔５６６から第６空間領域３６へ水Ｗ６を噴射すると、当該第６空間領域３６の温度が低下する（Ｔ６参照）。

ここで、噴射する水の量が多いほど、当該空間領域の温度は低下する。第１噴射孔５６１、第２噴射孔５６２、第３噴射孔５６３、第４噴射孔５６４、第５噴射孔５６５、及び第６噴射孔５６６の噴射量が互いに異なるため、各空間領域３１〜３６における温度の低下量は異なる。燃焼室３内には、周方向に温度の分布が生じる。具体的には、第１空間領域３１への水Ｗ１の噴射量は少ないため、温度の低下度合いは小さい。第２空間領域３２への水Ｗ２の噴射量は、第１空間領域３１への水Ｗ１の噴射量よりも多いため、温度の低下度合いは、相対的に大きい。以下、第３空間領域３３の温度の低下度合いは、第２空間領域３２の温度の低下度合いよりも大きく、第４空間領域３４の温度の低下度合いは、第３空間領域３３の温度の低下度合いよりも大きく、第５空間領域３５の温度の低下度合いは、第４空間領域３４の温度の低下度合いよりも大きく、第６空間領域３６の温度の低下度合いは、第５空間領域３５の温度の低下度合いよりも大きい。水の噴射後、第１〜第６空間領域３１〜３６の温度は、圧縮行程が進むに従い、それぞれ上昇する。

チャート４０４は、燃焼室３内の熱発生率の変化を例示している。水の噴射量が最も少ない第１空間領域３１の温度が、最初に自己着火温度に到達する（ＣＡ１参照）。第１空間領域３１の混合気が自己着火し、燃焼を開始する。次いで、第２空間領域３２の温度が自己着火温度に到達し（ＣＡ２参照）、第２空間領域３２の混合気が燃焼を開始する。以降、第３空間領域３３の温度が自己着火温度に到達し（ＣＡ３参照）、第３空間領域３３の混合気が燃焼を開始し、第４空間領域３４の温度が自己着火温度に到達し（ＣＡ４参照）、第４空間領域３４の混合気が燃焼を開始し、第５空間領域３５の温度が自己着火温度に到達し（ＣＡ５参照）、第５空間領域３５の混合気が燃焼を開始し、第６空間領域３６の温度が自己着火温度に到達し（ＣＡ６参照）、第６空間領域３６の混合気が燃焼を開始する。

先に開始する燃焼が燃焼室３内の一部の空間領域に制限されるため、燃焼圧が急峻に上昇するような燃焼が回避される。燃焼室３内における燃焼の開始時期を、比較的早い時期にすることができる。また、開始タイミングをずらして、複数の空間領域における燃焼が順次行われるため、燃焼室３内全体としては、急速な燃焼を行いつつも、燃焼のピークが高くなりすぎることが抑制される。その結果、燃焼騒音の増大を抑制しながら、燃焼のピークの発生タイミングを圧縮上死点に近づけることができる。

ここで、チャート４０５は、従来の内燃機関における燃焼室内の温度変化を例示している。この内燃機関は、燃焼室内の全体に、水を均等に噴射する。これにより、燃焼室内の全体の温度が、大きく低下する（ΔＴ参照）。その後、圧縮行程が進むに従い、燃焼室内の温度が次第に高まるが、燃焼室内の温度が自己着火温度に到達するタイミングは、本構成の内燃機関１に比べて遅れる（ΔＣＡ参照）。従来の内燃機関における熱発生率の波形の図示は省略するが、混合気の着火が遅れるため、燃焼騒音の増大は抑制できるものの、熱発生率のピークの発生タイミングが圧縮上死点よりも大幅に遅れる。内燃機関の熱効率は、その分低い。

この内燃機関１は、従来の内燃機関と比較して、熱効率が向上する。内燃機関１を搭載した車両の燃費性能が向上する。

図５は、コントローラ７０が実行する、水噴射弁５の制御に関するフローチャートを例示している。スタート後のステップＳ１において、コントローラ７０は、各種センサの値を取得する。続くステップＳ２において、コントローラ７０は、水噴射が必要であるか否かを判断する。コントローラ７０は、具体的には、内燃機関１の運転状態が、予め設定された水噴射領域内にある場合、燃焼室３内への水噴射が必要であると判断する。

図６は、水噴射領域６０２を例示している。内燃機関１の回転数と負荷とによって規定される運転領域６０１において、水噴射領域６０２は、負荷の高い領域に設定されている。内燃機関１の負荷が高いと、燃料量が増えると共に、熱発生量が増えて燃焼室３内の温度が高くなるため、混合気の過早着火が発生しやすくなる。そこで、コントローラ７０は、燃焼室３内に水を噴射することによって、燃焼騒音を抑制しながら、自己着火による燃焼を実行する。

ここで、図６に矢印で示すように、水噴射領域６０２は、吸気の温度が高い場合、低負荷側へ拡大する。吸気の温度が高いと、燃焼室３内の温度が高くなるから、内燃機関１の負荷が低くても、混合気の過早着火が発生しやすくなるためである。尚、吸気の温度は、吸気温センサ７１が計測する。

コントローラ７０はまた、ステップＳ２において、異常燃焼（例えば過早着火）が生じている、又は、生じる可能性があることを判定する。この判定は、筒内圧センサ７７の計測信号に基づいて行うことができる。異常燃焼が生じている、又は、生じる可能性がある場合も、コントローラ７０は、水噴射が必要であると判断する。

ステップＳ２の判定がＹＥＳの場合、プロセスはステップＳ３に進む。ステップＳ２の判定がＮＯの場合、プロセスはリターンする。この場合、水噴射弁５は、水噴射を行わない。

ステップＳ３において、コントローラ７０は水噴射量を設定する。コントローラ７０は、噴射する水の温度に応じて水噴射量を設定する。

図７は、水タンク６１内の水の温度が基準温度の場合（チャート７０２）、基準温度よりも高い場合（チャート７０１）、及び、基準温度よりも低い場合（チャート７０３）の、水の噴射態様を例示するタイミングチャートである。水の温度が低い場合、チャート７０３に示すように、コントローラ７０は、水の噴射量を相対的に少なくする。水の温度が低いと、燃焼室３内に噴射した水によって、燃焼室３内の温度が大きく低下する。そこで、噴射する水の温度が基準温度よりも低い場合、コントローラ７０は、水噴射弁５の噴射量を少なくする。このことにより、燃焼室３内を適切に冷却でき、混合気の燃焼が適正化する。

水の温度が基準温度よりも高い場合、コントローラ７０は、チャート７０１に示すように、水の噴射量を相対的に多くする。水の温度が高いと、燃焼室３内に噴射した水による、燃焼室３内の温度の低下量が小さい。そこで、噴射する水の温度が高い場合、コントローラ７０は、水噴射弁５の噴射量を多くすることにより、燃焼室３内を適切に冷却でき、混合気の燃焼が適正化する。

水の温度が基準温度の場合、コントローラ７０は、チャート７０２に示すように、水の噴射量を中間量にする。このことにより、燃焼室３内を適切に冷却でき、混合気の燃焼が適正化する。コントローラ７０は、水の温度が低いほど、水の噴射量を少なく設定し、水の温度が高いほど、水の噴射量を多く設定してもよい。

尚、図７においては、水の噴射量を少なくする場合に、ポンプ６３の供給圧を下げるのではなく、噴射期間を短くしている。こうすることで、水の噴射量を減らしながら、各噴射孔５６から噴射される水の到達距離を長く確保できる。各噴射孔５６から噴射された水によって、個々の空間領域内の全体を冷却することができる。

また、図７においては、水の噴射を開始するタイミングを変えずに、水の噴射を終了するタイミングを、水の温度の高低に応じて変えている。図７とは異なり、水の噴射を開始するタイミングを、水の温度の高低に応じて変える、又は、水の噴射を開始するタイミングと水の噴射を終了するタイミングとの両方を、水の温度の高低に応じて変えてもよい。

図５のフローに戻り、コントローラ７０は、ステップＳ３において水の噴射量を設定すれば、続くステップＳ４において、設定した噴射量で、水噴射弁５に水の噴射を実行させる。

これにより、前述したように、内燃機関１の負荷が高い場合でも、燃焼騒音を抑制しながら自己着火による燃焼が実現し、内燃機関１の熱効率が向上する。

尚、燃焼室３内に温度分布を形成するに際し、燃焼室３内において最も冷却したい空間領域への水の噴射量を多くするようにしてもよい。例えば、内燃機関１において、隣り合うシリンダ２３同士の間は相対的に温度が高くなる。当該箇所は、過早着火が相対的に生じやすい箇所である。径が最も大きい第６噴射孔５６６の孔軸を、燃焼室３内においてシリンダ２３間の部位に近い空間領域を指向させてもよい。また、燃焼室３内において吸気ポートが接続される側の空間領域は、相対的に温度が低い。当該箇所は、過早着火が相対的に生じにくい箇所である。そのため、径が最も小さい第１噴射孔５６６の孔軸を、当該空間領域を指向させてもよい。

水噴射弁５に設けた第１〜第６噴射孔５６１〜５６６の孔軸の向きを、燃焼室３内における特定の向きにすることは、水噴射弁５に形成する取付用のネジ山と、シリンダヘッド２２に形成するネジ山との向きを管理することにより実現する。

前述した構成では、図２の拡大図２０１に示すように、複数の噴射孔５６１〜５６６の中心間距離を、全て同じにしている。これとは異なり、複数の噴射孔５６１〜５６６の中心間距離を、噴射孔５６１〜５６６の径に応じて変えてもよい。具体的には、噴射孔５６の径が小さいと、水の噴霧の広がる角度が広くかつ、水の噴霧の到達距離が短くなり、噴射孔５６の径が大きいと、水の噴霧の広がる角度が狭くかつ、水の噴霧の到達距離が長くなる。隣り合う噴射孔５６から噴射された水の噴霧同士が重ならないよう、径が小さい噴射孔５６と、当該噴射孔５６の隣りの噴射孔５６との中心間距離は長く、径が大きい噴射孔５６と、当該噴射孔５６の隣りの噴射孔５６との中心間距離は短くしてもよい。

図８の構成例では、最大径である第６噴射孔５６６と最小径である第１噴射孔５６１との中心間距離Ｌ１は、第６噴射孔５６６と二番目に大きい径の第５噴射孔５６５との中心間距離Ｌ２よりも広い。こうすることにより、第１噴射孔５６１から噴射された水Ｗ１の噴霧、第２噴射孔５６２から噴射された水Ｗ２の噴霧、第３噴射孔５６３から噴射された水Ｗ３の噴霧、第４噴射孔５６４から噴射された水Ｗ４の噴霧、第５噴射孔５６５から噴射された水Ｗ５の噴霧、及び、第６噴射孔５６６から噴射された水Ｗ６の噴霧が重なることが抑制される。燃焼室３内の温度が、局所的に大きく低下してしまうことが抑制されるため、混合気の燃焼が適正になる。

また、図９に例示するように、径の大きい噴射孔、つまり、第６噴射孔５６６、第５噴射孔５６５及び第４噴射孔５６４と、径の小さい噴射孔、つまり、第１噴射孔５６１、第２噴射孔５６２及び第３噴射孔５６３とを、周方向に交互に配置してもよい。尚、噴射孔５６の中心間距離は、全て同じである。こうすることでも、水の噴霧同士の重なりが抑制される。

尚、図示は省略するが、複数の噴射孔の径は、全て異ならせる必要はない。水噴射弁５は、第１径を有する複数の噴射孔と、第１径よりも径が小さい第２径を有する複数の噴射孔を有してもよい。

また、前記の構成において、水噴射弁５は、６個の噴射孔５６１〜５６６を有している。水噴射弁５は、適宜の数の噴射孔を有することができる。

前述した各構成例は、互いに組み合わせることができる。

尚、ここに開示する技術は、前述した内燃機関１に適用することに限らない。ここに開示する技術は、ディーゼル燃料を用いる圧縮着火式の内燃機関に適用することも可能である。

１ 内燃機関
３ 燃焼室
３１ 第１空間領域
３２ 第２空間領域
３３ 第３空間領域
３４ 第４空間領域
３５ 第５空間領域
３６ 第６空間領域
５ 水噴射弁
５６ 噴射孔
５６１ 第１噴射孔
５６２ 第２噴射孔
５６３ 第３噴射孔
５６４ 第４噴射孔
５６５ 第５噴射孔
５６６ 第６噴射孔
７０ コントローラ（制御部）

Claims (5)

1. 燃焼室内に水を噴射する水噴射弁を備える内燃機関の制御方法であって、
   前記水噴射弁は、複数の噴射孔を有し、前記複数の噴射孔は、前記燃焼室内における周方向に異なる複数の空間領域に向けて水を噴射し、
   前記複数の噴射孔は、第１孔と、前記第１孔よりも径が小さい第２孔とを含み、
   前記燃焼室内において燃焼が開始する前に、前記複数の領域のそれぞれに向けて、前記水噴射弁が、前記複数の噴射孔のそれぞれから水を噴射する内燃機関の制御方法。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御方法において、
   前記水噴射弁は、前記燃焼室内に燃料が供給された後、前記燃焼室内の混合気が自己着火する前に、前記複数の空間領域のそれぞれに向けて、前記水噴射弁が、前記複数の噴射孔のそれぞれから水を噴射する内燃機関の制御方法。
3. 請求項１又は２に記載の内燃機関の制御方法において、
   前記複数の噴射孔は、前記水噴射弁の軸を中心として周方向に並んで配置され、
   前記複数の噴射孔の径は、前記周方向に次第に小さくなると共に、最大径の噴射孔と最小径の噴射孔とが、周方向に隣り合っており、
   前記最大径の噴射孔と最小径の噴射孔との中心間距離は、前記最大径の噴射孔と二番目に大きい径の噴射孔との中心間距離よりも広い内燃機関の制御方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御方法において、
   前記水噴射弁に供給される水の温度を取得し、
   前記取得した水の温度が低いほど、高い場合よりも前記水噴射弁の噴射量を少なく設定する内燃機関の制御方法。
5. 燃焼室内に水を噴射する水噴射弁が前記燃焼室の天井部に取り付けられた内燃機関であって、
   前記水噴射弁を制御する制御部を備え、
   前記水噴射弁は、複数の噴射孔を有し、前記複数の噴射孔は、前記燃焼室内における周方向に異なる複数の空間領域に向けて、個別に水を噴射し、
   前記複数の噴射孔は、第１孔と、前記第１孔よりも径が小さい第２孔とを含み、
   前記制御部は、前記燃焼室内において燃焼が開始する前に、前記複数の領域のそれぞれに向けて、前記複数の噴射孔のそれぞれから水を噴射させる内燃機関。

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