JP2022012227A - エンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン負荷が比較的高いときに水を燃焼室内に噴射することで発生する異常燃焼を抑制する。【解決手段】エンジンシステム１００は、エンジン１と、加熱された水を燃焼室１１内に噴射する水噴射装置４と、アクセル開度を検出するアクセル開度センサＳＮ１と、圧縮行程中において水を燃焼室１１内に噴射させるように水噴射装置４を制御するコントローラ１０と、を有する。コントローラ１０は、アクセル開度に基づき、車両に付与すべき要求トルクを取得し、要求トルクに応じたエンジン１の負荷である要求エンジン負荷を取得し、要求エンジン負荷が第１負荷領域Ｒ１内にある場合に、要求エンジン負荷が第１負荷領域Ｒ１よりも低い第２負荷領域Ｒ２内にある場合よりも、水噴射量を少なくするように水噴射装置４を制御する。【選択図】図５

Description

本発明は、エンジンの燃焼室内に水を噴射するエンジンシステムに関する。

この種の技術が、例えば特許文献１に開示されている。具体的には、特許文献１には、混合気を圧縮着火させることにより燃焼させる圧縮着火エンジンにおいて、加熱した水、具体的には２５０℃以上且つ１０Ｍｐａ以上の亜臨界水を、圧縮行程中において燃焼室内に噴射する技術が開示されている。このように水を燃焼室内に噴射することで、エミッションの改善（ＮＯｘやＣＯの排出量の低減）及びエンジン効率の向上を図っている。

特開２００９－１６８０３９号公報

ところで、本願発明者らは、エンジンが比較的高い負荷で運転しているときに燃焼室内に水を噴射すると、プリイグニッションなどの異常燃焼が発生する可能性があることを見出した。すなわち、比較的高負荷においてはエンジンの筒内温度が高くなるが、このときに水を圧縮行程中に噴射すると、温度上昇により気化して膨張した水に起因して筒内圧が大きく上昇することで、異常燃焼が発生してしまうのである。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、エンジン負荷が比較的高いときに水を燃焼室内に噴射することで発生する異常燃焼を適切に抑制することができるエンジンシステムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、エンジンシステムであって、燃料と空気との混合気を燃焼させて車両の動力を発生するエンジンと、加熱された水をエンジンの燃焼室内に噴射する水噴射装置と、車両のアクセルペダルの操作量に対応するアクセル開度を検出するアクセル開度センサと、エンジンの圧縮行程中において水を燃焼室内に噴射させるように水噴射装置を制御するよう構成された制御器と、を有し、制御器は、アクセル開度センサにより検出されたアクセル開度に基づき、車両に付与すべき要求トルクを取得し、要求トルクに応じたエンジンの負荷である要求エンジン負荷を取得し、要求エンジン負荷が第１負荷領域内にある場合に、要求エンジン負荷が第１負荷領域よりも低い第２負荷領域内にある場合よりも水噴射量を少なくするように水噴射装置を制御するよう構成されている、ことを特徴とする。

このように構成された本発明によれば、制御器は、要求エンジン負荷が第１負荷領域内にある場合に、要求エンジン負荷が第１負荷領域よりも低い第２負荷領域内にある場合よりも水噴射量を少なくするので、エンジン負荷が比較的高いときに燃焼室内に水を噴射することで発生する異常燃焼（プリイグニッションなど）を適切に抑制することができる。具体的には、第１負荷領域において水噴射量を少なくすることで、噴射された水がシリンダ内で温度上昇により気化して膨張する体積が減り、圧縮行程での過度の筒内圧上昇が抑えられるので、異常燃焼を抑制することができる。

本発明において、好ましくは、制御器は、要求エンジン負荷が第１負荷領域内にある場合に、要求エンジン負荷が第２負荷領域内にある場合よりも水噴射時期を進角させるように水噴射装置を制御するよう構成されている。
このように構成された本発明によれば、第１負荷領域において圧縮行程の比較的早い時期に噴射された水は、燃焼室内のシリンダライナ付近に到達して、シリンダライナ付近に存在する混合気（所謂エンドガス）を冷却することができ、ノッキングやＮＯｘの発生を抑制することが可能となる。また、噴射された水が冷却に用いられるため、水の膨張に起因する筒内圧上昇による異常燃焼も抑制可能となる。

本発明において、好ましくは、制御器は、要求エンジン負荷が第１負荷領域内にある場合には、圧縮行程中に水を複数回噴射させるように水噴射装置を制御するよう構成されている。
このように構成された本発明によれば、第１負荷領域において、ノッキングなどを抑制するための水噴射だけでなく、エンジン効率を向上させるための水噴射も適切に行うことが可能となる。

本発明において、好ましくは、制御器は、要求エンジン負荷が第１負荷領域内にある場合に水を複数回噴射させるときの少なくとも１回目の水噴射時期を、要求エンジン負荷が第２負荷領域内にある場合の水噴射時期よりも進角させるように、水噴射装置を制御するよう構成されている。
このように構成された本発明によれば、第１負荷領域において圧縮行程の比較的早い時期に１回目の水噴射を行うことで、噴射された水が燃焼室内のシリンダライナ付近に到達して、シリンダライナ付近に存在する混合気（エンドガス）を冷却することができ、ノッキングやＮＯｘの発生を効果的に抑制することが可能となる。

本発明において、好ましくは、制御器は、要求エンジン負荷が第１負荷領域内にある場合に水を複数回噴射させるときに、前半の噴射での水噴射量を後半の噴射での水噴射量よりも多くするように、水噴射装置を制御するよう構成されている。
このように構成された本発明によれば、第１負荷領域において圧縮行程の比較的早い時期に比較的多量の水噴射を行うことで、ノッキングなどを確実に抑制することができる。また、第１負荷領域において圧縮行程の比較的遅い時期に比較的少量の水噴射を行うことで、過度の筒内圧上昇による異常燃焼を抑制しつつ、エンジン効率を向上させることができる。

本発明において、好ましくは、エンジンの排気管に設けられ、エンジンの排気ガスの熱によって水を加熱する熱交換器を更に有し、水噴射装置には、熱交換器によって加熱された水が供給される。
このように構成された本発明によれば、水噴射装置により燃焼室内に噴射する水を排気ガスの熱を利用して加熱するので、排気熱を回収して、エンジンの熱効率を向上させることができる。

他の観点では、上記の目的を達成するために、本発明は、エンジンシステムであって、燃料と空気との混合気を燃焼させて車両の動力を発生するエンジンと、加熱された水をエンジンの燃焼室内に噴射する水噴射装置と、車両のアクセルペダルの操作量に対応するアクセル開度を検出するアクセル開度センサと、エンジンの圧縮行程中において水を燃焼室内に噴射させるように水噴射装置を制御するよう構成された制御器と、を有し、制御器は、アクセル開度センサにより検出されたアクセル開度に基づき、車両に付与すべき要求トルクを取得し、要求トルクに応じたエンジンの負荷である要求エンジン負荷を取得し、要求エンジン負荷が高いほど水噴射量を少なくするように水噴射装置を制御するよう構成されている、ことを特徴とする。
このように構成された本発明によっても、要求エンジン負荷が高いほど水噴射量を少なくするので、エンジン負荷が比較的高いときに燃焼室内に水を噴射することで発生する異常燃焼を適切に抑制することができる。

本発明のエンジンシステムによれば、エンジン負荷が比較的高いときに水を燃焼室内に噴射することで発生する異常燃焼を適切に抑制することができる。

本発明の実施形態によるエンジンシステムの概略構成図である。 本発明の実施形態によるエンジンシステムの電気的構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態による水噴射制御の基本概念の説明図である。 本発明の実施形態によるエンジンシステムの水噴射制御を示すフローチャートである。 本発明の実施形態による水噴射制御の作用及び効果を説明するためのタイムチャートである。 本発明の他の実施形態による水噴射制御の説明図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンシステムを説明する。

［エンジンシステムの構成］
まず、図１及び図２を参照して、本発明の実施形態によるエンジンシステムの構成について説明する。図１は、本発明の実施形態によるエンジンシステムの概略構成図であり、図２は、本発明の実施形態によるエンジンシステムの電気的構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態によるエンジンシステム１００は、主に、燃料と空気との混合気を燃焼させて車両の動力を発生するエンジン１と、エンジン１内に水を噴射する水噴射装置４と、水噴射装置４に水を供給する水供給装置５と、を有する。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、四輪の車両に搭載されている。エンジン１が運転することによって、車両は走行する。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（気筒）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。なお、「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。なお、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。

また、シリンダヘッド１３には、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。なお、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にはスロットル弁が配設されている。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。

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。なお、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。つまり、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。

また、シリンダヘッド１３には、図１では説明の便宜上図示を省略しているが、点火プラグ６５（図２参照）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。また、点火プラグ６５は、燃焼室１１の天井部に取り付けられている。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）燃焼を行う。なお、エンジン１は、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）燃焼をするものであってもよい。すなわち、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ってもよい。

他方で、水供給装置５は、水を加熱して、加熱された水（以下では適宜「加熱水」と呼ぶ。）を水噴射装置４に供給し、水噴射装置４は、水噴射装置４から供給された加熱水をエンジン１の燃焼室１１内に噴射する。このエンジン１は、燃焼室１１内に加熱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内に加熱水を噴射することにより燃焼室１１内を冷却して、異常燃焼の抑制やエミッションの改善（ＮＯｘやＣＯの排出量の低減）を図る。

水噴射装置４は、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の天井部に取り付けられている。水噴射装置４は、エンジン１の吸気側と排気側とのほぼ中間位置に配置されている。また、水噴射装置４は、点火プラグ６５から離して配置される。

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、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。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の排気ガスの熱によって加熱される。水ポンプ５３が加圧し且つ熱交換器５４が加熱した高温高圧の水が、水噴射装置４に送られる。好適な例では、水噴射装置４には、１００℃以上且つ３Ｍｐａ以上の加熱水が送られる。より好適な例では、水噴射装置４には、２５０℃以上且つ１０Ｍｐａ以上の加熱水（亜臨界水に相当する）が送られる。

また、エンジンシステム１００は、図２に示すように、コントローラ１０を有する。コントローラ１０は、回路により構成されており、周知のマイクロコンピュータをベースとする制御器である。コントローラ１０は、プログラムを実行する中央演算処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）としての１以上のマイクロプロセッサ１０ａ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１０ｂと、電気信号の入出力をする入出力バス等を備えている。例えば、コントローラ１０は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）などにより構成される。

コントローラ１０には、各種のセンサが接続されている。具体的には、コントローラ１０には、主に、アクセル開度センサＳＮ１及びクランク角センサＳＮ２が接続されている。アクセル開度センサＳＮ１は、アクセルペダル機構（図示省略）に取り付けられ、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を検出する。クランク角センサＳＮ２は、エンジン１に取り付けられ、クランクシャフトの回転角を検出する。これらのセンサＳＮ１、ＳＮ２は、検出値に対応する検出信号をコントローラ１０に出力する。

コントローラ１０は、アクセル開度センサＳＮ１及びクランク角センサＳＮ２の検出信号に基づいて、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。コントローラ１０は、演算をした制御量に係る制御信号を、水噴射装置４やインジェクタ６４や点火プラグ６５などに出力する。特に、本実施形態では、コントローラ１０は、エンジン１の圧縮行程中において加熱水を燃焼室１１内に噴射させるように水噴射装置４を制御する。また、コントローラ１０は、エンジン負荷に応じて水噴射装置４の水噴射量や水噴射時期を制御する。

［水噴射制御］
次に、本発明の実施形態においてコントローラ１０が行う水噴射制御について説明する。まず、図３を参照して、本発明の実施形態による水噴射制御の基本概念について説明する。図３は、横軸にエンジン回転数を示し、縦軸にエンジン負荷を示している。図３において、符号Ｒ１はエンジン負荷が比較的高い第１負荷領域を示し、符号Ｒ２はエンジン負荷が比較的低い第２負荷領域を示している。

本実施形態では、コントローラ１０は、まず、アクセル開度センサＳＮ１により検出されたアクセル開度に基づき、車両に付与すべき要求トルクを取得し、この要求トルクに応じたエンジン１の負荷である要求エンジン負荷を取得する。そして、コントローラ１０は、要求エンジン負荷が第１負荷領域Ｒ１内にある場合に、要求エンジン負荷が第１負荷領域Ｒ１よりも低い第２負荷領域Ｒ２内にある場合よりも水噴射量を少なくするように水噴射装置４を制御する。こうすることで、要求エンジン負荷が比較的高いときに水を燃焼室１１内に噴射することで発生する異常燃焼（プリイグニッションなど）を抑制するようにする。すなわち、第１負荷領域Ｒ１においては、噴射された加熱水がシリンダ１４内で温度上昇により気化して膨張する体積を減らし、圧縮行程での過度の筒内圧上昇を抑えることで、異常燃焼を抑制するようにする。

ここで、第１負荷領域Ｒ１及び第２負荷領域Ｒ２のそれぞれの領域は、図３に示す所定値Ｌ１により規定される。この所定値Ｌ１は、エンジン負荷が当該値以上になると、水噴射装置４から噴射された加熱水により異常燃焼が発生し易くなるような値により規定される。この観点から、第１負荷領域Ｒ１では、燃焼室１１内においてシリンダライナ付近に存在する混合気（所謂エンドガス）を噴射した加熱水により冷却して、このエンドガスに起因するノッキングを抑制することを主目的として、水噴射装置４から燃焼室１１内に加熱水を噴射している。これに対して、第２負荷領域Ｒ２では、燃焼室１１内に噴射した水の気化による膨張仕事によってエンジン効率を向上させることを主目的として、水噴射装置４から燃焼室１１内に加熱水を噴射している。

更に、本実施形態では、コントローラ１０は、要求エンジン負荷が第１負荷領域Ｒ１内にある場合に、要求エンジン負荷が第２負荷領域Ｒ２内にある場合よりも水噴射時期を進角させるように水噴射装置４を制御する。すなわち、コントローラ１０は、第１負荷領域Ｒ１では第２負荷領域Ｒ２よりも水噴射装置４からの水噴射を開始する時期を早める。典型的には、コントローラ１０は、第１負荷領域Ｒ１では、圧縮行程の前期における所定期間において加熱水を噴射させる一方で、第２負荷領域Ｒ２では、圧縮行程の後期における所定期間又は中期から後期にわたる所定期間において加熱水を噴射させる。なお、圧縮行程の前期、中期及び後期は、圧縮行程を３等分した３つの期間にそれぞれ対応する。

上記のように第１負荷領域Ｒ１において圧縮行程の比較的早い時期に噴射された加熱水は、燃焼室１１内のシリンダライナ付近に適切に到達するため、シリンダライナ付近に存在する混合気（エンドガス）を冷却して、ノッキングやＮＯｘの発生を抑制できるようになる。また、噴射された加熱水が冷却に用いられるため、加熱水の膨張に起因する筒内圧上昇による異常燃焼も抑制できるようになる。

次に、図４を参照して、本発明の実施形態による水噴射制御での具体的な処理の流れについて説明する。図４は、本発明の実施形態によるエンジンシステムの水噴射制御を示すフローチャートである。このフローは、コントローラ１０内のマイクロプロセッサ１０ａによって、メモリ１０ｂに記憶されたプログラムに基づき、所定の周期で繰り返し実行される。

まず、ステップＳ１１において、コントローラ１０は、アクセル開度センサＳＮ１により検出されたアクセル開度を取得する。そして、ステップＳ１２において、コントローラ１０は、ステップＳ１１で取得されたアクセル開度に基づき、ドライバの要求トルクを取得する。例えば、コントローラ１０は、アクセル開度に応じて適用すべき要求トルクが規定されたマップ（１つの例では種々の車速及びギヤ段ごとに用意される）を参照して、現在のアクセル開度に対応する要求トルクを決定する。そして、ステップＳ１３において、コントローラ１０は、ステップＳ１２で取得された要求トルクを実現するためのエンジン１の負荷である要求エンジン負荷を取得する。コントローラ１０は、トルクと負荷とが対応付けられたマップを参照するか、又はトルクを負荷に変換するための所定の演算を行うことで、要求エンジン負荷を取得する。

次いで、ステップＳ１４において、コントローラ１０は、ステップＳ１３で取得された要求エンジン負荷が第１負荷領域Ｒ１内にないか否かを判定する。その結果、要求エンジン負荷が第１負荷領域Ｒ１内にない場合（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、つまり要求エンジン負荷が第２負荷領域Ｒ２内にある場合、コントローラ１０は、ステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５において、コントローラ１０は、第２負荷領域Ｒ２用の水噴射量Ｑ２を設定する。この水噴射量Ｑ２は、第２負荷領域Ｒ２において、燃焼室１１内に噴射した加熱水の気化による膨張仕事によってエンジン効率を向上させる観点から事前に規定される。なお、第２負荷領域Ｒ２において、一定の水噴射量Ｑ２を用いることに限定はされず、エンジン負荷に応じて水噴射量Ｑ２を変化させてもよい、具体的にはエンジン負荷が高くなるほど水噴射量Ｑ２を小さくしてもよい。

次いで、ステップＳ１６において、コントローラ１０は、第２負荷領域Ｒ２用の水噴射時期Ｔ２（第２負荷領域Ｒ２において水噴射装置４からの水噴射を開始するタイミングに相当する）を設定する。この水噴射時期Ｔ２も、第２負荷領域Ｒ２において、燃焼室１１内に噴射した加熱水の気化による膨張仕事によってエンジン効率を向上させる観点から事前に規定される。典型的には、水噴射時期Ｔ２には、圧縮行程の中期又は後期における所定タイミングが適用される。なお、第２負荷領域Ｒ２において、一定の水噴射時期Ｔ２を用いることに限定はされず、エンジン負荷に応じて水噴射時期Ｔ２を変化させてもよい、具体的にはエンジン負荷が高くなるほど水噴射時期Ｔ２を進角させてもよい。

次いで、ステップＳ１９において、コントローラ１０は、ステップＳ１５、Ｓ１６でそれぞれ設定された水噴射量Ｑ２及び水噴射時期Ｔ２に基づき、水噴射装置４から加熱水を噴射させる制御を行う。つまり、コントローラ１０は、圧縮行程中の水噴射時期Ｔ２から水噴射が開始され且つ水噴射量Ｑ２が噴射されるように、水噴射装置４に対して制御信号を出力する。

他方で、要求エンジン負荷が第１負荷領域Ｒ１内にある場合（ステップＳ１４：Ｎｏ）、コントローラ１０は、ステップＳ１７に進む。ステップＳ１７において、コントローラ１０は、上記した第２負荷領域Ｒ２用の水噴射量Ｑ２よりも少ない、第１負荷領域Ｒ１用の水噴射量Ｑ１を設定する。この水噴射量Ｑ１は、第１負荷領域Ｒ１において、燃焼室１１内に噴射した加熱水によりシリンダライナ付近に存在する混合気（エンドガス）を冷却してノッキングやＮＯｘを抑制する観点から事前に規定される。なお、第１負荷領域Ｒ１において、一定の水噴射量Ｑ１を用いることに限定はされず、エンジン負荷に応じて水噴射量Ｑ１を変化させてもよい、具体的にはエンジン負荷が高くなるほど水噴射量Ｑ１を小さくしてもよい。この場合、第１負荷領域Ｒ１で適用される水噴射量Ｑ１と上記の第２負荷領域Ｒ２で適用される水噴射量Ｑ２とのエンジン負荷に応じた変化を連続させるのがよい、つまり第１負荷領域Ｒ１及び第２負荷領域Ｒ２の２つの領域にわたって水噴射量をエンジン負荷に応じて連続的に変化させるのがよい。

次いで、ステップＳ１８において、コントローラ１０は、上記した第２負荷領域Ｒ２用の水噴射時期Ｔ２よりも進角した、第１負荷領域Ｒ１用の水噴射時期Ｔ１（第１負荷領域Ｒ１において水噴射装置４からの水噴射を開始するタイミングに相当する）を設定する。この水噴射時期Ｔ１も、第１負荷領域Ｒ１において、燃焼室１１内に噴射した加熱水によりシリンダライナ付近に存在する混合気（エンドガス）を冷却してノッキングやＮＯｘを抑制する観点から事前に規定される。典型的には、水噴射時期Ｔ１には、圧縮行程の前期における所定タイミングが適用される。なお、第２負荷領域Ｒ２において、一定の水噴射時期Ｔ２を用いることに限定はされず、エンジン負荷に応じて水噴射時期Ｔ２を変化させてもよい、具体的にはエンジン負荷が高くなるほど水噴射時期Ｔ２を進角させてもよい。

次いで、ステップＳ１９において、コントローラ１０は、ステップＳ１７、Ｓ１８でそれぞれ設定された水噴射量Ｑ１及び水噴射時期Ｔ１に基づき、水噴射装置４から加熱水を噴射させる制御を行う。つまり、コントローラ１０は、圧縮行程中の水噴射時期Ｔ１から水噴射が開始され且つ水噴射量Ｑ１が噴射されるように、水噴射装置４に対して制御信号を出力する。

［作用及び効果］
次に、図５を参照して、本発明の実施形態による水噴射制御の作用及び効果について説明する。図５（Ａ）は、本実施形態による第２負荷領域Ｒ２での水噴射制御を示すタイムチャートであり、図５（Ｂ）は、本実施形態による第１負荷領域Ｒ１での水噴射制御を示すタイムチャートである。図５（Ａ）及び（Ｂ）は、横軸にクランク角を示し、また、クランク角が圧縮上死点（ＴＤＣ）の前では水噴射を模式的に示し、クランク角が圧縮上死点（ＴＤＣ）の後ではエンジン１の筒内圧の変化を模式的に示している。

図５（Ａ）に示すように、本実施形態では、コントローラ１０は、要求エンジン負荷が第２負荷領域Ｒ２内にある場合には、圧縮行程の中期における水噴射時期Ｔ２から水噴射が開始され且つ比較的多い水噴射量Ｑ２が噴射されるように（符号Ａ１１参照）、水噴射装置４を制御する。ここで、図５（Ａ）において、符号Ａ１２は、第２負荷領域Ｒ２において上記のような水噴射制御を行った場合の、エンジン１での混合気の燃焼による筒内圧の変化を示しており、符号Ａ１３は、水噴射制御を行わなかった場合の、エンジン１での混合気の燃焼による筒内圧の変化を示している。なお、吸気行程でインジェクタ６４が燃料を噴射し、ＴＤＣ付近で点火プラグ６５が点火することで、燃焼室１１内の混合気が燃焼される（以下同様とする）。図５（Ａ）の符号Ａ１２、Ａ１３より、水噴射制御を行った場合には、水噴射制御を行わなかった場合よりも、筒内圧が大きく上昇していることがわかる。すなわち、圧縮行程中に加熱水を燃焼室１１内に噴射すると、この加熱水の気化による膨張仕事によって、エンジン１のトルクが増加し、エンジン効率が向上するのである。

一方で、図５（Ｂ）に示すように、本実施形態では、コントローラ１０は、要求エンジン負荷が第１負荷領域Ｒ１内にある場合には、圧縮行程の前期における水噴射時期Ｔ１（＜Ｔ２）から水噴射が開始され且つ比較的少ない水噴射量Ｑ１（＜Ｑ２）が噴射されるように（符号Ａ２１参照）、水噴射装置４を制御する。ここで、図５（Ｂ）において、符号Ａ２２は、第１負荷領域Ｒ１において上記のような水噴射制御を行った場合の、エンジン１での混合気の燃焼による筒内圧の変化を示しており、符号Ａ２３は、第１負荷領域Ｒ１において第２負荷領域Ｒ２と同様の水噴射制御、つまり圧縮行程の中期における水噴射時期Ｔ２から比較的多い水噴射量Ｑ２を噴射した場合の（符号Ａ１１参照）、エンジン１での混合気の燃焼による筒内圧の変化を示している。これより、第２負荷領域Ｒ２と同様の水噴射制御を行った場合には、筒内圧が一時的（突発的）に大きく上昇しているが、第１負荷領域Ｒ１用の水噴射制御を行った場合には、筒内圧が全体的に滑らかに変化していることがわかる。すなわち、比較的多い水噴射量Ｑ２を圧縮行程における遅い時期に噴射すると、異常燃焼（プリイグニッションなど）が発生するが、比較的少ない水噴射量Ｑ１を圧縮行程における早い時期に噴射すると、このような異常燃焼の発生が抑制されるのである。

以上述べたように、本実施形態によれば、コントローラ１０は、要求エンジン負荷が第１負荷領域Ｒ１内にある場合に、要求エンジン負荷が第２負荷領域Ｒ２内にある場合よりも水噴射量を少なくするので、エンジン負荷が比較的高いときに燃焼室１１内に加熱水を噴射することで発生する異常燃焼を適切に抑制することができる。具体的には、第１負荷領域Ｒ１において水噴射量を少なくすることで、噴射された加熱水がシリンダ１４内で温度上昇により気化して膨張する体積が減り、圧縮行程での過度の筒内圧上昇が抑えられるので、異常燃焼を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、コントローラ１０は、要求エンジン負荷が第１負荷領域Ｒ１内にある場合に、要求エンジン負荷が第２負荷領域Ｒ２内にある場合よりも水噴射時期を進角させる。こうして第１負荷領域Ｒ１において圧縮行程の比較的早い時期に噴射された加熱水は、燃焼室１１内のシリンダライナ付近に到達して、シリンダライナ付近に存在する混合気（エンドガス）を冷却することができ、ノッキングやＮＯｘの発生を抑制することが可能となる。また、噴射された加熱水が冷却に用いられるため、加熱水の膨張に起因する筒内圧上昇による異常燃焼も抑制可能となる。

［他の実施形態］
次に、上述した実施形態を変形した他の実施形態について説明する。上述した実施形態では、第１負荷領域Ｒ１において圧縮行程中に１回のみ水噴射を行っていたが、他の実施形態では、第１負荷領域Ｒ１において複数回水噴射を行ってもよい。代表的な例では、第１負荷領域Ｒ１において２回水噴射を行ってもよい。

図６を参照して、本発明の他の実施形態による水噴射制御について説明する。図６は、横軸にクランク角を示し、また、クランク角が圧縮上死点（ＴＤＣ）の前では水噴射を模式的に示し、クランク角が圧縮上死点（ＴＤＣ）の後ではエンジン１の筒内圧の変化を模式的に示している。

図６に示すように、他の実施形態では、コントローラ１０は、要求エンジン負荷が第１負荷領域Ｒ１内にある場合に、圧縮行程中に加熱水を２回噴射させるように水噴射装置４を制御する。具体的には、コントローラ１０は、１回目の水噴射として、圧縮行程の前期における水噴射時期Ｔ１１から水噴射量Ｑ１１を噴射するように（符号Ａ３１参照）、水噴射装置４を制御すると共に、２回目の水噴射として、圧縮行程の後期における水噴射時期Ｔ１２から水噴射量Ｑ１２を噴射するように（符号Ａ３２参照）、水噴射装置４を制御する。この場合、１回目の水噴射時期Ｔ１１は、上記した第２負荷領域Ｒ２の水噴射において適用される水噴射時期Ｔ２（図５参照）よりも進角しており、また、１回目の水噴射量Ｑ１１は、２回目の水噴射量Ｑ１２よりも多い。

このような他の実施形態によれば、第１負荷領域Ｒ１において圧縮行程の比較的早い時期に１回目の水噴射を行うことで（符号Ａ３１参照）、噴射された水が燃焼室１１内のシリンダライナ付近に到達して、シリンダライナ付近に存在する混合気（エンドガス）を冷却することができ、ノッキングやＮＯｘの発生を抑制することが可能となる。また、噴射された加熱水が冷却に用いられるため、加熱水の膨張に起因する筒内圧上昇による異常燃焼も抑制可能となる。

更に、他の実施形態によれば、第１負荷領域Ｒ１において圧縮行程の比較的遅い時期に２回目の水噴射を行うことで（符号Ａ３２参照）、燃焼室１１内に噴射した水の気化による膨張仕事によってエンジン効率を向上させることができる。特に、他の実施形態によれば、２回目の水噴射において比較的少量の水を噴射するので、過度の筒内圧上昇による異常燃焼を抑制しつつ、このようなエンジン効率の向上を実現できる（符号Ａ３３参照）。

なお、更に他の実施形態では、第１負荷領域Ｒ１において３回以上水噴射を行ってもよい。この場合、３回以上行う水噴射のうちの少なくとも１回目の水噴射時期を、第２負荷領域Ｒ２での水噴射時期Ｔ２２よりも進角させればよい。また、３回以上水噴射を行うときに、前半の水噴射での噴射量を後半の水噴射での噴射量よりも多くすればよい。なお、前半の水噴射は、ノッキングなどを抑制する目的で、第２負荷領域Ｒ２で適用される水噴射時期Ｔ２２よりも早い時期に行われる水噴射を指す。また、後半の水噴射は、エンジン効率を向上させる目的で、前半の水噴射の後に行われる水噴射、例えば第２負荷領域Ｒ２で適用される水噴射時期Ｔ２２と同時期に行われる水噴射を指す。

１ エンジン
３ ピストン
４ 水噴射装置
５ 水供給装置
１０ コントローラ
１１ 燃焼室
１４ シリンダ
５１ 凝縮器
５２ 水タンク
５３ 水ポンプ
５４ 熱交換器
６２ 排気管
６４ インジェクタ
６５ 点火プラグ
１００ エンジンシステム
ＳＮ１ アクセル開度センサ

Claims (7)

1. エンジンシステムであって、
   燃料と空気との混合気を燃焼させて車両の動力を発生するエンジンと、
   加熱された水を前記エンジンの燃焼室内に噴射する水噴射装置と、
   前記車両のアクセルペダルの操作量に対応するアクセル開度を検出するアクセル開度センサと、
   前記エンジンの圧縮行程中において水を前記燃焼室内に噴射させるように前記水噴射装置を制御するよう構成された制御器と、
   を有し、
   前記制御器は、
   前記アクセル開度センサにより検出されたアクセル開度に基づき、前記車両に付与すべき要求トルクを取得し、
   前記要求トルクに応じた前記エンジンの負荷である要求エンジン負荷を取得し、
   前記要求エンジン負荷が第１負荷領域内にある場合に、前記要求エンジン負荷が前記第１負荷領域よりも低い第２負荷領域内にある場合よりも水噴射量を少なくするように前記水噴射装置を制御するよう構成されている、
   ことを特徴とするエンジンシステム。
2. 前記制御器は、前記要求エンジン負荷が前記第１負荷領域内にある場合に、前記要求エンジン負荷が前記第２負荷領域内にある場合よりも水噴射時期を進角させるように前記水噴射装置を制御するよう構成されている、請求項１に記載のエンジンシステム。
3. 前記制御器は、前記要求エンジン負荷が前記第１負荷領域内にある場合には、前記圧縮行程中に水を複数回噴射させるように前記水噴射装置を制御するよう構成されている、請求項１に記載のエンジンシステム。
4. 前記制御器は、前記要求エンジン負荷が前記第１負荷領域内にある場合に水を複数回噴射させるときの少なくとも１回目の水噴射時期を、前記要求エンジン負荷が前記第２負荷領域内にある場合の水噴射時期よりも進角させるように、前記水噴射装置を制御するよう構成されている、請求項３に記載のエンジンシステム。
5. 前記制御器は、前記要求エンジン負荷が前記第１負荷領域内にある場合に水を複数回噴射させるときに、前半の噴射での水噴射量を後半の噴射での水噴射量よりも多くするように、前記水噴射装置を制御するよう構成されている、請求項３又は４に記載のエンジンシステム。
6. 前記エンジンの排気管に設けられ、前記エンジンの排気ガスの熱によって水を加熱する熱交換器を更に有し、
   前記水噴射装置には、前記熱交換器によって加熱された水が供給される、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載のエンジンシステム。
7. エンジンシステムであって、
   燃料と空気との混合気を燃焼させて車両の動力を発生するエンジンと、
   加熱された水を前記エンジンの燃焼室内に噴射する水噴射装置と、
   前記車両のアクセルペダルの操作量に対応するアクセル開度を検出するアクセル開度センサと、
   前記エンジンの圧縮行程中において水を前記燃焼室内に噴射させるように前記水噴射装置を制御するよう構成された制御器と、
   を有し、
   前記制御器は、
   前記アクセル開度センサにより検出されたアクセル開度に基づき、前記車両に付与すべき要求トルクを取得し、
   前記要求トルクに応じた前記エンジンの負荷である要求エンジン負荷を取得し、
   前記要求エンジン負荷が高いほど水噴射量を少なくするように前記水噴射装置を制御するよう構成されている、
   ことを特徴とするエンジンシステム。

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