JP2022038045A - エンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン負荷が比較的低いときにエンジンでの損失を補填するように燃焼室への水噴射を適切に実行する。【解決手段】エンジンシステム１００は、燃料と吸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、加熱された水をエンジン１の燃焼室１１内に噴射する水噴射装置４と、エンジン１の膨張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を制御するよう構成されたコントローラ１０と、を備える。コントローラ１０は、エンジン１の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よりも高い第２負荷領域Ｒ２内にある場合よりも、水噴射量を多くするように水噴射装置４を制御するよう構成されている。【選択図】図４

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、圧縮行程及び膨張行程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）や、エンジン出力の向上を図っている。

特開２００９－１６８０３９号公報

ところで、エンジン負荷が比較的低いときには、エンジンでのポンプ損失が大きくなる。そのため、基本的には、エンジン負荷が比較的低いときには、エンジンにおいて所望の出力を達成するために、ポンプ損失の分だけ燃料噴射量を増大する必要があると言える。これに対処すべく、本願発明者らは、エンジン負荷が比較的低いときに燃焼室への水噴射を効果的に実行すれば、このようなポンプ損失を水噴射によるエンジン出力向上（機関仕事増大）により補填して、燃料噴射量の増大を抑制できるのではないかと考えた。

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低いときにエンジンでの損失を補填するように燃焼室への水噴射を適切に実行すること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、燃料と吸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、エンジンの膨張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、を備え、制御器は、エンジンの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負荷領域よりも高い第２負荷領域内にある場合よりも、水噴射量を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、ことを特徴とする。

このように構成された本発明では、制御器は、エンジンの膨張行程中に水噴射を行うときに、要求エンジン負荷が比較的低い第１負荷領域内にある場合には、要求エンジン負荷が比較的高い第２負荷領域内にある場合よりも、水噴射量を多くするように水噴射装置を制御する。このように第１負荷領域において水噴射量を増量すると、低負荷時におけるポンプ損失を、水噴射によるエンジン出力向上（機関仕事増大）により補填することができる。その結果、ポンプ損失に対処するための燃料噴射量の増大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、水噴射開始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、エンジン負荷が比較的低い第１負荷領域において水噴射を早期に開始することで、低負荷時におけるポンプ損失を水噴射により効果的に補填することができる。

本発明において、好ましくは、制御器は、エンジンの圧縮行程中において水を燃焼室内に更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ている。
このように構成された本発明によれば、圧縮行程中に更に水噴射を行うので、噴射した水によって燃焼室を冷却することで、ノッキング抑制やエミッション改善を実現することができる。また、こうして圧縮行程中に噴射した水も、気化して膨張仕事を行うことで、エンジン出力の向上に寄与させることができる。

本発明において、好ましくは、水噴射装置は、加熱された水をエンジンの燃焼室内に直接噴射する。
このように構成された本発明によれば、加熱水の気化による膨張をエンジン出力に変換しやくなる。

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、燃料と吸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、エンジンの膨張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、を備え、制御器は、エンジンの要求エンジン負荷を取得し、要求エンジン負荷が低いほど水噴射量を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、低負荷時におけるポンプ損失失を、水噴射によるエンジン出力向上により補填することができ、燃料噴射量の増大を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低いときにエンジンでの損失を補填するように燃焼室への水噴射を適切に実行することできる。

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において用いるエンジン負荷領域の説明図である。 本発明の実施形態による水噴射制御を説明するためのタイムチャートである。 本発明の実施形態による水噴射制御を示すフローチャートである。 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。 本発明の更に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内に直接噴射する。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、つまりエンジン出力の向上を図る。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（エンジン回転数に対応する）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の少なくとも膨張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、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に対応する要求エンジン負荷を取得して、この要求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具体的に説明する。

まず、図３及び図４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。具体的には、図３は、エンジン負荷が比較的低い第１負荷領域Ｒ１、及び、エンジン負荷が比較的高い第２負荷領域Ｒ２を示している。第１負荷領域Ｒ１は、エンジン負荷が所定負荷Ｌ１未満の領域であり、第２負荷領域Ｒ２は、エンジン負荷が所定負荷Ｌ１以上の領域である。

図４は、本発明の実施形態による水噴射制御の概要を説明するためのタイムチャートである。具体的には、図４（Ａ）は、本実施形態による第２負荷領域Ｒ２での水噴射制御を説明するためのタイムチャートであり、図４（Ｂ）は、本実施形態による第１負荷領域Ｒ１での水噴射制御を説明するためのタイムチャートである。また、図４（Ａ）及び（Ｂ）は、横軸にクランク角を示し、縦軸に筒内圧を示すと共に、燃料噴射及び水噴射を模式的に示している。

図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、本実施形態では、コントローラ１０は、第２負荷領域Ｒ２及び第１負荷領域Ｒ１の両方とも、吸気行程においてインジェクタ６４から燃料を噴射させ（符号Ｆ２１、Ｆ１１参照）、圧縮行程において水噴射装置４から加熱水を噴射させ（符号Ｗ２１、Ｗ１１参照）、また、膨張行程において水噴射装置４から加熱水を噴射させる（符号Ｗ２２、Ｗ１２参照）。圧縮行程においては、燃焼室１１内に噴射した水によって燃焼室１１を冷却することで、ノッキングの抑制やエミッションの改善を主として図っている。これに対して、膨張行程では、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、エンジン出力の向上を主として図っている。ここで、図４（Ａ）及び（Ｂ）において、符号Ａ２１、Ａ１１で示す筒内圧の変化は、燃料による仕事に対応し、符号Ａ２２、Ａ１２で示す筒内圧の変化は、水噴射による仕事に対応する。

特に、本実施形態では、コントローラ１０は、膨張行程中に水噴射を行うときに、アクセル開度に応じた要求トルクに対応する要求エンジン負荷が第１負荷領域Ｒ１内にある場合には、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（両者の場合ではエンジン回転数は同じであるものとする。以下同様とする。）、水噴射量を多くするように水噴射装置４を制御する（符号Ｗ２２、Ｗ１２参照）。具体的には、コントローラ１０は、第２負荷領域Ｒ２では、水噴射量Ｑ２（この水噴射量Ｑ２は、水噴射開始時期Ｔ２１から水噴射終了時期Ｔ２２までの水噴射期間に一義的に対応する）を水噴射装置４から噴射させる一方で、第１負荷領域Ｒ１では、この水噴射量Ｑ２よりも多い水噴射量Ｑ１（この水噴射量Ｑ１は、水噴射開始時期Ｔ１１から水噴射終了時期Ｔ１２までの水噴射期間に一義的に対応する）を水噴射装置４から噴射させる。このようにエンジン負荷が比較的低い第１負荷領域Ｒ１において水噴射量を増量することで、低負荷時におけるポンプ損失を水噴射によるエンジン出力向上（機関仕事増大）により補填して、燃料噴射量の増大を抑制することができる。

更に、本実施形態では、コントローラ１０は、膨張行程中に水噴射を行うときに、第１負荷領域Ｒ１では、第２負荷領域Ｒ２よりも、水噴射開始時期を進角させるように水噴射装置４を制御する（符号Ｗ２２、Ｗ１２参照）。具体的には、コントローラ１０は、第２負荷領域Ｒ２では、時期Ｔ２１において水噴射装置４から水噴射を開始させる一方で、第１負荷領域Ｒ１では、この時期Ｔ２１よりも早い時期Ｔ１１において水噴射装置４からの水噴射を開始させる。このようにエンジン負荷が比較的低い第１負荷領域Ｒ１において水噴射を早期に開始することで、低負荷時におけるポンプ損失を水噴射により補填して、燃料噴射量の増大を抑制することができる。

ここで、第１負荷領域Ｒ１において、エンジン負荷の大きさを考慮しないで設定された水噴射量及び水噴射開始時期（例えば第２負荷領域Ｒ２と同等の水噴射量Ｑ２及び水噴射開始時期Ｔ２１）を適用した場合には、所定のエンジン出力を実現するために燃料噴射量Ｆ１２が必要となる。しかしながら、上記のように第１負荷領域Ｒ１において比較的多い水噴射量Ｑ１及び比較的早い水噴射開始時期Ｔ１１を適用すると、燃料噴射量Ｆ１２よりも少ない燃料噴射量Ｆ１１により所定のエンジン出力を実現することができるようになる。

なお、１つの例では、コントローラ１０は、第２負荷領域Ｒ２では、水噴射開始時期Ｔ２１を圧縮上死点後１５度のクランク角に設定し、水噴射終了時期Ｔ２２を圧縮上死点後４５度のクランク角に設定する一方で、第１負荷領域Ｒ１では、水噴射開始時期Ｔ１１を圧縮上死点後５度のクランク角に設定し、水噴射終了時期Ｔ１２を圧縮上死点後４５度のクランク角に設定する。また、第１負荷領域Ｒ１と第２負荷領域Ｒ２とを区分けする所定負荷Ｌ１は、エンジン負荷が当該負荷Ｌ１未満になると、燃料噴射量の増大などにより対処すべきポンプ損失が発生するような値により規定される。

なお、コントローラ１０は、圧縮行程中に水噴射を行うときには、第１負荷領域Ｒ１では第２負荷領域Ｒ２よりも水噴射量を多くすると共に水噴射開始時期を進角させる、換言すると、第２負荷領域Ｒ２では第１負荷領域Ｒ１よりも水噴射量を少なくすると共に水噴射開始時期を遅角させる（符号Ｗ２１、Ｗ１１参照）。こうすることで、第１負荷領域Ｒ１及び第２負荷領域Ｒ２の両方において、水噴射によるノッキングの抑制やエミッションの改善を適切に確保することができる。

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での具体的な処理の流れについて説明する。図５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。なお、要求エンジン負荷は、上記のようにアクセル開度に基づき取得することに限定はされず、公知の種々の方法により取得することができる。

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内にあるか否か、換言すると要求エンジン負荷が所定負荷Ｌ１未満であるか否かを判定する。この判定の結果、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Ｓ１２：Ｎｏ）、つまり要求エンジン負荷が第２負荷領域Ｒ２内にある場合には、コントローラ１０は、ステップＳ１７、Ｓ１８の処理を行う。

ステップＳ１７、Ｓ１８のそれぞれにおいて、コントローラ１０は、エンジン負荷が比較的高い第２負荷領域Ｒ２での膨張行程中に水噴射を行うための水噴射開始時期Ｔ２１及び水噴射量Ｑ２を設定する。具体的には、コントローラ１０は、ステップＳ１７において、第２負荷領域Ｒ２用の比較的遅い水噴射開始時期Ｔ２１を設定し、ステップＳ１８において、第２負荷領域Ｒ２用の比較的少ない水噴射量Ｑ２を設定する。これらの水噴射開始時期Ｔ２１及び水噴射量Ｑ２は、エンジン負荷が比較的高い第２負荷領域Ｒ２において膨張行程で水噴射を行ったときに、高負荷時における水噴射が燃焼に与える影響を抑制してエンジン出力向上を適切に確保する観点から事前に規定される。

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開始時期Ｔ２１及び水噴射量Ｑ２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、膨張行程中の水噴射開始時期Ｔ２１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：Ｙｅｓ）、コントローラ１０は、ステップＳ１５、Ｓ１６の処理を行う。ステップＳ１５、Ｓ１６のそれぞれにおいて、コントローラ１０は、エンジン負荷が比較的低い第１負荷領域Ｒ１での膨張行程中に水噴射を行うための水噴射開始時期Ｔ１１及び水噴射量Ｑ１を設定する。具体的には、コントローラ１０は、ステップＳ１５において、第２負荷領域Ｒ２用の水噴射開始時期Ｔ２１よりも早い水噴射開始時期Ｔ１１（＜Ｔ２１）を設定し、ステップＳ１６において、第２負荷領域Ｒ２用の水噴射量Ｑ２よりも多い水噴射量Ｑ１（＞Ｑ２）を設定する。これらの水噴射開始時期Ｔ１１及び水噴射量Ｑ１は、エンジン負荷が比較的低い第１負荷領域Ｒ１において水噴射を膨張行程で行ったときに、低負荷時におけるポンプ損失を水噴射によるエンジン出力向上により適切に補填する観点から事前に規定される。

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開始時期Ｔ１１及び水噴射量Ｑ１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、膨張行程中の水噴射開始時期Ｔ１１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］
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、エンジン１の膨張行程中に水噴射を行うときに、要求エンジン負荷が第１負荷領域Ｒ１内にある場合には、要求エンジン負荷が第１負荷領域Ｒ１よりも高い第２負荷領域Ｒ２内にある場合よりも、水噴射量を多くするように水噴射装置４を制御する。このようにエンジン負荷が比較的低い第１負荷領域Ｒ１において水噴射量を増量すると、低負荷時におけるポンプ損失を、水噴射によるエンジン出力向上（機関仕事増大）により補填することができる。その結果、ポンプ損失に対処するための燃料噴射量の増大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、エンジン１の膨張行程中に水噴射を行うときに、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、水噴射開始時期を進角させるように水噴射装置４を制御する。このようにエンジン負荷が比較的低い第１負荷領域Ｒ１において水噴射を早期に開始することで、低負荷時におけるポンプ損失を水噴射により効果的に補填することができる。

また、本実施形態によれば、コントローラ１０は、エンジン１の圧縮行程中に更に水噴射を行うように水噴射装置４を制御するので、噴射した水によって燃焼室１１を冷却することで、ノッキング抑制やエミッション改善を実現することができる。また、こうして圧縮行程中に噴射した水も、気化して膨張仕事を行うことで、エンジン出力の向上に寄与させることができる。

また、本実施形態によれば、水噴射装置４は、加熱水をエンジン１の燃焼室１１内に直接噴射するので、噴射された水の気化による膨張をエンジンのピストン仕事に直接的に変換可能となる。

また、本実施形態によれば、エンジンシステム１００は、エンジン１の排気管６２に設けられ、エンジン１の排気ガスの熱によって水を加熱する熱交換器５４を更に有し、水噴射装置４には、熱交換器５４によって加熱された水が供給される。これにより、水噴射装置４により燃焼室１１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１の熱効率を向上させることができる。

［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と第２負荷領域Ｒ２とで水噴射開始時期Ｔ１１と水噴射開始時期Ｔ２１とを切り替えていたが（例えば図５参照）、他の実施形態では、エンジン負荷に応じて水噴射開始時期を変化させてもよい。具体的には、他の実施形態では、コントローラ１０は、エンジン１の膨張行程中に水噴射を行うときに、図６に示すように（図６は、横軸にエンジン負荷を示し、縦軸に水噴射開始時期を示す）、エンジン負荷（要求エンジン負荷）が低くなるほど水噴射開始時期を進角させてもよい。なお、エンジン負荷に対する水噴射開始時期の変化態様は図６に示したものに限定されない。

また、上述した実施形態では、第１負荷領域Ｒ１と第２負荷領域Ｒ２とで水噴射量Ｑ１と水噴射量Ｑ２とを切り替えていたが（例えば図５参照）、他の実施形態では、エンジン負荷に応じて水噴射量を変化させてもよい。具体的には、他の実施形態では、コントローラ１０は、エンジン１の膨張行程中に水噴射を行うときに、図７に示すように（図７は、横軸にエンジン負荷を示し、縦軸に水噴射量を示す）、エンジン負荷（要求エンジン負荷）が低くなるほど水噴射量を多くしてもよい。なお、エンジン負荷に対する水噴射量の変化態様は図７に示したものに限定されない。

また、更なる他の実施形態では、エンジン負荷に応じて、燃料噴射量に対する水噴射量の割合（水噴射量／燃料噴射量）を変化させてもよい。例えば、エンジン負荷が低くなるほど、燃料噴射量に対する水噴射量の割合を大きくしてもよい。

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 (6)

1. エンジンシステムであって、
   燃料と吸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、
   前記エンジンの膨張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、
   を備え、
   前記制御器は、
   前記エンジンの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負荷領域よりも高い第２負荷領域内にある場合よりも、水噴射量を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、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、水噴射開始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、前記エンジンの圧縮行程中において水を前記燃焼室内に更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ている、請求項１又は２に記載のエンジンシステム。
4. 前記水噴射装置は、前記加熱された水を前記エンジンの燃焼室内に直接噴射する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のエンジンシステム。
5. 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４のいずれか一項に記載のエンジンシステム。
6. エンジンシステムであって、
   燃料と吸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、
   前記エンジンの膨張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、
   を備え、
   前記制御器は、
   前記エンジンの要求エンジン負荷を取得し、
   前記要求エンジン負荷が低いほど水噴射量を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、ことを特徴とするエンジンシステム。

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