JP5772762B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に関する。

従来、内燃機関の排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するために、水を用いることが知られている。熱容量の大きな水を添加することにより燃焼室における燃焼温度が低下し、排気に含まれるＮＯｘは大幅に減少する。燃焼室に供給する水の量が増加するほど、排気に含まれるＮＯｘの減少効果は大きくなる。供給する水の量を増加させるためには、水の気化を促進することが必要である。また、添加される水の量によって排気に含まれるＮＯｘの量は大きく変化する。そのため、燃料の噴射量に対する水の供給量は、応答性を高める必要がある。したがって、燃焼室と水を供給する位置とは可能な限り近いことが望ましい。

このように水を用いる従来技術として、特許文献１および特許文献２がある。特許文献１は、吸気通路を流れる吸気、または排気還流（ＥＧＲ：Exhoust Gas Recirculation）通路に水を添加している。これにより、添加された水は、吸気通路を流れる吸気または排気通路から戻された排気とともに燃焼室へ吸入される。しかしながら、特許文献１の場合、吸気、またはＥＧＲクーラを通過した排気に水が添加される。そのため、水を添加する対象となる吸気や排気の温度が低く、水の気化が不十分となる。その結果、燃焼室に吸入される水の量が減少し、ＮＯｘの低減効果は低いという問題がある。また、特許文献１のように吸気や戻された排気に水を添加する場合、添加された水は数周期以降の吸気行程で燃焼室へ吸入される。そのため、ＮＯｘの制御のための応答性は低下するという問題がある。

一方、特許文献２のように水を直接燃焼室に添加することにより、水の添加量の制御は容易になり、応答性も向上する。しかし、特許文献２のように水を直接燃焼室に添加するためには、圧縮された高圧の吸気に打ち勝つ圧力の水を提供する必要がある。そのため、水を添加するための機構は複雑化するという問題がある。

特開平１１−８２１８２号公報 特開２００５−１４７０４６号公報

そこで、本発明の目的は、応答性が高く、構造の複雑化を招くことなく排気に含まれるＮＯｘを低減する内燃機関を提供することにある。

請求項１記載の発明では、排気弁制御手段は、排気弁の開閉時期を制御する。すなわち、排気弁制御手段は、燃焼室が排気行程にあるとき、排気弁を開き、燃焼室と排気通路とを接続する。そして、排気弁制御手段は、燃焼室が吸気行程にあるとき、再び排気弁を開いて燃焼室と排気通路との間を接続する。ここで、流体添加手段は、排気の流れ方向において排気弁よりも下流側に設けられている。そして、流体添加手段は、燃焼室から排出された排気に水を含む非燃焼流体を添加する。そのため、燃焼室から排気通路へ排出された排気は、流体添加手段から非燃焼流体が添加されるとともに、排気弁が開くことによって、燃焼室が吸気行程にあるとき、排気通路から燃焼室へ吸入される。すなわち、燃焼室には、吸気通路から新鮮な新気が吸入されるだけでなく、排気通路から非燃焼流体が添加された排気が吸入される。非燃焼性流体は、水または水を含む尿素水や炭酸水などの流体である。燃焼室から排気通路へ排出された直後の排気は、非燃焼流体に含まれる水の気化に十分な程度に高温である。そのため、流体添加手段から添加された非燃焼流体に含まれる水は、排気の熱によって十分に気化する。これにより、燃焼室には、高温の排気に添加された十分な量の水蒸気が吸入される。このように、非燃焼流体は、燃焼室から排出された排気に添加される。そのため、排気通路の排気は、燃焼室に比較して圧力が低下している。これにより、排気に添加するために非燃焼流体を高圧化する必要がなく、流体添加手段の構造は簡略化される。また、流体添加手段から添加された非燃焼流体は、排気とともに燃焼室へ吸入される。すなわち、排気は、非燃焼流体を添加された後、燃焼室へ逆流する。そのため、排気に添加された非燃焼流体に含まれる水は、燃焼室における次の吸気行程において燃焼室に排気とともに吸入される。したがって、応答性を高めることができるとともに、構造の複雑化を招くことなく、排気に含まれるＮＯｘを低減することができる。

第１実施形態による内燃機関を示す模式図 第１実施形態による内燃機関を示すブロック図 第１実施形態による内燃機関の作動の流れを示す概略図 第１実施形態による内燃機関が排気行程にあるとき、燃焼室の圧力、流体インジェクタの作動、吸気弁の開閉および排気弁の開閉を示す概略図 第１実施形態による内燃機関が吸気行程にあるとき、燃焼室の圧力、流体インジェクタの作動、吸気弁の開閉および排気弁の開閉を示す概略図 第１実施形態による内燃機関が圧縮行程にあるとき、燃焼室の圧力、流体インジェクタの作動、吸気弁の開閉および排気弁の開閉を示す概略図 第１実施形態による内燃機関が膨張行程にあるとき、燃焼室の圧力、流体インジェクタの作動、吸気弁の開閉および排気弁の開閉を示す概略図 第２実施形態による内燃機関を示す模式図 その他の実施形態による内燃機関を示す模式図

以下、内燃機関の複数の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
図１に示すように第１実施形態による内燃機関１０は、機関本体１１、排気系１２、排気弁１３、吸気系１４および過給器１５を備えている。機関本体１１は、複数の燃焼室１６を形成している。第１実施形態の場合、内燃機関１０は、ディーゼルサイクルを適用した四気筒のディーゼルエンジンである。機関本体１１は、図示しないシリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンを形成している。ピストンは、シリンダブロックが形成するシリンダを往復移動する。燃焼室１６は、これらシリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンの間に形成される。

排気系１２は、排気管部材２０を有している。排気管部材２０は、分岐管部２１および集合管部２２を有している。これら分岐管部２１および集合管部２２を有する排気管部材２０は、排気通路２３を形成している。分岐管部２１は、機関本体１１の燃焼室１６にそれぞれ接続している。集合管部２２は、排気の流れ方向において分岐管部２１の下流側で分岐管部２１の機関本体１１と反対側の端部を束ねている。排気通路２３は、一方の端部が各燃焼室１６に接続し、他方の端部が大気に開放されている。排気弁１３は、燃焼室１６と排気通路２３との間を開閉する。詳細には、排気弁１３は、燃焼室１６と分岐管部２１が形成する排気通路２３との間を開閉する。排気弁１３の開放によって燃焼室１６から排出された排気は、分岐管部２１および集合管部２２が形成する排気通路２３を経由して大気中へ放出される。

吸気系１４は、吸気管部材２５、エアクリーナ２６および吸気弁２７を有している。吸気管部材２５は、吸気通路２８を形成している。吸気通路２８は、一方の端部が大気に開放され、他方の端部が各燃焼室１６に接続している。エアクリーナ２６は、吸気通路２８を流れる吸気に含まれる異物を除去する。吸気弁２７は、吸気通路２８と燃焼室１６との間を開閉する。大気から導入された吸気は、吸気弁２７の開放によって吸気通路２８から燃焼室１６へ吸入される。

過給器１５は、タービン３１、コンプレッサ３２、伝達軸部材３３およびインタークーラ３４を有している。タービン３１は、排気通路２３に設けられている。コンプレッサ３２は、吸気通路２８に設けられている。伝達軸部材３３は、このタービン３１とコンプレッサ３２とを接続している。タービン３１は、排気通路２３を流れる排気によって回転する。タービン３１の回転は、伝達軸部材３３を経由してコンプレッサ３２に伝達される。コンプレッサ３２は、伝達軸部材３３によって伝達されたタービン３１の駆動力によって回転する。これにより、吸気通路２８を流れる吸気は、回転するコンプレッサ３２によって加圧される。インタークーラ３４は、過給器１５の加圧によって温度が上昇した吸気を冷却する。

第１実施形態の内燃機関１０は、上記の構成に加え、流体添加手段として流体インジェクタ４１、可変バルブ機構部４２、および図２に示す制御装置４３を備えている。流体インジェクタ４１は、図１に示すように排気通路２３に設けられている。本実施形態の場合、流体インジェクタ４１は、各燃焼室１６に接続する分岐管部２１にそれぞれ設けられている。このように、流体インジェクタ４１は、排気の流れ方向において排気弁１３の下流側であって、排気通路２３において燃焼室１６に近い位置に設けられている。流体インジェクタ４１は、分岐管部２１において排気通路２３を流れる排気に水を含む非燃焼流体を噴射する。これにより、排気通路２３を流れる排気は、必要に応じて流体インジェクタ４１から非燃焼流体が添加される。非燃焼流体は、図示しない流体ポンプによって流体タンクから供給される。第１実施形態の場合、非燃焼流体は不可避的な不純物を含む水である。非燃焼流体は、純粋な水に限らず、水を含む非燃焼性の流体であればいずれでもよい。例えば、非燃焼流体は、尿素水や炭酸水などの水溶液のように水を主成分とするものであればよい。以下、第１実施形態では、非燃焼性流体として水を例に説明する。

可変バルブ機構部４２は、排気弁１３の開閉位相、作用角度またはリフト量の少なくともいずれか一つを変更する。排気弁１３は、機関本体１１の図示しないクランクシャフトから伝達される駆動力によって駆動される。具体的には、排気弁１３は、カムシャフト４４に設けられた図示しないカムによって作動する。カムシャフト４４は、図示しないタイミングベルトによってクランクシャフトから駆動力が伝達される。可変バルブ機構部４２は、例えばカムシャフト４４に設けられたカム、またはカムのプロファイルなどを変更することにより、排気弁１３の開閉位相、作用角度およびリフト量を変更する。なお、排気弁１３は、機関本体１１の駆動力によって機械的に駆動する例に限らない。例えば、排気弁１３は、圧縮空気や油圧で駆動したり、電磁気的に駆動してもよい。これらの場合、可変バルブ機構部４２は、圧縮空気や油圧の供給、または電気信号の出力を変更することにより、排気弁１３の開閉位相、作用角度およびリフト量などを変更する。

図２に示すように制御装置４３は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを有するマイクロコンピュータで構成されている。制御装置４３は、ＲＯＭに記憶されているコンピュータプログラムを実行することにより、流体添加制御部５１、運転状態検出部５２、燃料噴射量算出部５３、排気温度取得部５４および可変バルブ機構制御部５５をソフトウェア的に実現している。これら流体添加制御部５１、運転状態検出部５２、燃料噴射量算出部５３、排気温度取得部５４および可変バルブ機構制御部５５は、ソフトウェア的に限らず、ハードウェアで実現、あるいはハードウェアとソフトウェアとの協働によって実現してもよい。

流体添加制御部５１は、流体インジェクタ４１に接続している。流体インジェクタ４１は、流体添加制御部５１から出力された電気信号に基づいて排気への非燃焼性流体である水の噴射を断続する。流体添加制御部５１は、流体インジェクタ４１に出力する電気信号によって、流体インジェクタ４１から排気通路２３を流れる排気へ水を添加する時期、および添加する水の量などを制御する。

運転状態検出部５２は、回転数センサ５６およびアクセル開度センサ５７に接続している。回転数センサ５６は、機関本体１１の図示しないクランクシャフトの回転数を検出する。回転数センサ５６は、検出したクランクシャフトの回転数を電気信号として運転状態検出部５２へ出力する。運転状態検出部５２は、回転数センサ５６で検出したクランクシャフトの回転数に基づいて、クランクシャフトの回転角度を算出する。アクセル開度センサ５７は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出する。アクセル開度センサ５７は、検出したアクセルペダルの踏み込み量を電気信号として運転状態検出部５２へ出力する。運転状態検出部５２は、回転数センサ５６から取得したクランクシャフトの回転数、およびアクセル開度センサ５７から取得したアクセルペダルの踏み込み量に基づいて、機関本体１１の運転状態すなわち負荷を検出する。

燃料噴射量算出部５３は、運転状態検出部５２で検出した機関本体１１の運転状態に基づいて、機関本体１１へ供給する燃料の噴射量を算出する。機関本体１１は、各燃焼室１６にそれぞれ図示しない燃料インジェクタを有している。燃料インジェクタは、燃料噴射量算出部５３で算出された燃料の噴射量に基づいて、燃焼室１６で圧縮された吸気に燃料を噴射する。燃料噴射量算出部５３は、算出した燃料の噴射量を、例えば冷却水の温度および吸気の温度などに基づいて補正してもよい。

排気温度取得部５４は、排気温度センサ５８に接続している。排気温度センサ５８は、排気通路２３に設けられている。排気温度センサ５８は、排気通路２３を流れる排気の温度を検出する。排気温度センサ５８は、検出した排気の温度を電気信号として排気温度取得部５４へ出力する。可変バルブ機構制御部５５は、可変バルブ機構部４２による排気弁１３の駆動を制御する。すなわち、可変バルブ機構制御部５５は、可変バルブ機構部４２のカムやカムのプロファイルなどを変更して、排気弁１３の開閉位相、作用角度、およびリフト量などを制御する。可変バルブ機構部４２および可変バルブ機構制御部５５は、特許請求の範囲の排気弁制御手段に相当する。

次に、上記の構成による内燃機関１０の作動の流れについて図３に基づいて説明する。
内燃機関１０が運転されているとき、運転状態検出部５２は機関本体１１の運転状態を検出する（Ｓ１０１）。具体的には、運転状態検出部５２は、回転数センサ５６で機関本体１１の回転数を検出するとともに、アクセル開度センサ５７でアクセルペダルの開度を検出する。これにより、運転状態検出部５２は、機関本体１１の運転状態すなわち負荷状態を取得する。
燃料噴射量算出部５３は、Ｓ１０１で検出した機関本体１１の運転状態に基づいて、燃料の噴射量を算出する（Ｓ１０２）。このとき、燃料噴射量算出部５３は、冷却水の温度や吸気の温度などに基づいて算出した燃料の噴射量を補正する。また、燃料噴射量算出部５３は、燃料を機関本体１１の各燃焼室１６へ噴射する時期を設定する（Ｓ１０３）。

流体添加制御部５１は、Ｓ１０２で算出した燃料の噴射量が予め設定された下限噴射量よりも大きいか否かを判断する（Ｓ１０４）。流体インジェクタ４１から排気への水の添加は、機関本体１１の運転状態に応じて判断される。すなわち、内燃機関１０の負荷状態が大きくなると、燃焼室１６における燃焼温度は上昇し、排気に含まれるＮＯｘが増大する。この内燃機関１０の負荷は、燃料の噴射量に相関し、内燃機関１０の負荷が大きくなるほど燃料の噴射量が多くなる。そのため、Ｓ１０２で算出した燃料の噴射量は、機関本体１１の運転状態すなわち内燃機関１０の負荷と相関する。そこで、流体添加制御部５１は、Ｓ１０２で算出した燃料の噴射量が下限噴射量よりも大きいか否かを判断する。

可変バルブ機構制御部５５は、Ｓ１０４において燃料の噴射量が下限噴射量よりも大きいと判断されると（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）、吸気行程における排気弁１３の開閉位相を設定するとともに（Ｓ１０５）、排気弁１３の作用角度を設定し（Ｓ１０６）、排気弁１３のリフト量を設定する（Ｓ１０７）。燃料の噴射量が下限噴射量よりも大きいとき、燃料インジェクタから燃焼室１６へ噴射される燃料の量が多くなり、燃焼室１６における燃焼温度は上昇する。そのため、可変バルブ機構制御部５５は、燃料の噴射量が下限噴射量よりも大きいと判断されると、可変バルブ機構部４２により排気弁１３の開閉位相、作用角度およびリフト量を変更する。具体的には、可変バルブ機構制御部５５は、排気行程だけでなく、吸気行程においても排気弁１３を駆動する。そのため、可変バルブ機構制御部５５は、吸気行程において駆動する排気弁１３の開閉位相、作用角度およびリフト量を設定する。吸気行程における排気弁の開閉位相、作用角度およびリフト量は、機関本体１１のクランクシャフトの回転数および燃料の噴射量に基づくマップとしてＲＯＭなどに記憶されている。可変バルブ機構制御部５５は、Ｓ１０１で取得したクランクシャフトの回転数とＳ１０２で算出した燃料の噴射量とから、記憶されたマップに基づいて吸気行程における排気弁１３の開閉位相、作用角度およびリフト量を取得する。

吸気行程における排気弁１３の作動条件が設定されると、流体添加制御部５１は、流体インジェクタ４１から排気へ添加する水の噴射量および噴射圧力を設定する（Ｓ１０８）。この流体インジェクタ４１から排気へ添加する水の噴射量および噴射圧力は、機関本体１１のクランクシャフトの回転数および燃料の噴射量に基づくマップとしてＲＯＭなどに記憶されている。流体添加制御部５１は、Ｓ１０１で取得したクランクシャフトの回転数とＳ１０２で算出した燃料の噴射量とから流体インジェクタ４１から添加する水の噴射量および噴射圧力を設定する。

流体添加制御部５１は、水の噴射量および噴射圧力を設定すると、水の噴射時期を設定する（Ｓ１０９）。流体添加制御部５１は、Ｓ１０５で設定した吸気行程における排気弁１３の開閉位相に基づいて、流体インジェクタ４１から排気へ水を噴射する時期を設定する。そして、流体添加制御部５１は、水を添加するための添加条件を取得する（Ｓ１１０）。具体的には、流体添加制御部５１は、排気温度センサ５８で検出した排気温度を排気温度取得部５４から取得する。これにより、流体添加制御部５１は、Ｓ１０８で設定した水の噴射量および噴射圧力、ならびにＳ１０９で設定した水の噴射時期を、排気温度などの添加条件に基づいて補正する。

Ｓ１０５からＳ１１０において、吸気行程における排気弁１３の作動のための各種パラメータ、および流体インジェクタ４１からの水の添加のための各種パラメータが設定されると、可変バルブ機構制御部５５は可変バルブ機構部４２により吸気行程において排気弁１３を駆動する（Ｓ１１１）。これとともに、流体添加制御部５１は、流体インジェクタ４１から排気通路２３を流れる排気へ水を添加する（Ｓ１１２）。そして、燃料インジェクタは、圧縮行程の末期または膨張行程の初期に燃焼室１６へ燃料を噴射する（Ｓ１１３）。

一方、Ｓ１０４において燃料の噴射量が下限噴射量以下であると判断されると（Ｓ１０４：Ｎｏ）、吸気行程における排気弁１３の駆動を停止するとともに（Ｓ１１４）、流体インジェクタ４１からの水の添加も実行しない（Ｓ１１５）。燃料の噴射量が下限噴射量以下のとき、燃料インジェクタから燃焼室１６へ噴射される燃料の量が少なくなり、燃焼室１６における燃焼温度は低下する。そのため、可変バルブ機構制御部５５は、燃料の噴射量が下限噴射量以下と判断されると、可変バルブ機構部４２により、吸気行程における排気弁１３の駆動を停止する。また、流体添加制御部５１は、燃料の噴射量が下限噴射量以下と判断されると、流体インジェクタ４１から排気への水の添加を停止する。

次に、機関本体１１の複数の気筒のうち第一気筒を例に、排気行程、吸気行程、圧縮行程および膨張行程の各行程における燃焼室１６の圧力、水の添加の状態、吸気弁２７および排気弁１３の作動状態の変化について説明する。
図４に示すように機関本体１１の第一気筒が排気行程にあるとき、排気弁１３は燃焼室１６と排気通路２３との間を開放する。すなわち、排気弁１３は「開」となる。一方、吸気弁２７は、吸気通路２８と燃焼室１６との間を閉じた「閉」となる。排気行程にあるとき、図示しないピストンは、下死点から上死点へ上昇する。このピストンの上昇によって、燃焼室１６の排気は排気通路２３へ排出される。そして、流体添加制御部５１は、この排気行程の末期に、流体インジェクタ４１へ水を添加するための指令信号を出力する。これにより、流体インジェクタ４１の水は、排気行程の末期において、排気通路２３を流れる排気に添加される。添加された水は、高温の排気によって気化し、水蒸気となって排気に含まれる。水を含む非燃焼性流体を添加する場合、添加された非燃焼性流体に含まれる水は、高温の排気によって水蒸気となって排気に含まれる。排気行程の末期は、排気行程の初期に比較して燃焼室１６から排出される排気の圧力が低下している。そのため、流体インジェクタ４１の水の噴射圧力は、比較的小さくなる。したがって、排気に水を添加する流体インジェクタ４１をはじめとする水供給部は、高圧化が必要なく、構造を簡略化することができる。

図５に示すように機関本体１１の第一気筒が排気行程から吸気行程へ移行すると、その移行中に排気弁１３は燃焼室１６と排気通路２３との間を一旦閉鎖する。すなわち、排気弁１３は、排気行程から吸気行程の間に「閉」となる。一方、吸気弁２７は、吸気通路２８と燃焼室１６との間を開放した「開」となる。吸気行程にあるとき、図示しないピストンは、上死点から下死点へ下降する。このピストンの下降によって、燃焼室１６には吸気通路２８から吸気が吸入される。このとき、排気弁１３は、可変バルブ機構部４２によって開閉位相、作用角度およびリフト量が変更されている。そのため、排気弁１３は、一旦「閉」となった後、吸気行程において再び燃焼室１６と排気通路２３との間を開放する。すなわち、排気弁１３は、再び「開」となる。その結果、ピストンの下降によって、燃焼室１６には吸気通路２８からの吸気だけでなく排気通路２３から排気の一部も吸入される。すなわち、燃焼室１６には、新鮮な吸気に加え、排気行程で排気通路２３に排出された排気の一部も吸入される。排気通路２３から燃焼室１６へ吸入される排気は、上述のように排気行程の末期において水が添加されている。これにより、排気通路２３から燃焼室１６へ戻される排気は、流体インジェクタ４１から添加された水を水蒸気として含んでいる。

図６に示すように機関本体１１の第一気筒が吸気行程から圧縮行程へ移行すると、吸気弁２７は吸気通路２８と燃焼室１６との間を閉鎖するとともに、排気弁１３は燃焼室１６と排気通路２３との間を閉鎖する。すなわち、排気弁１３および吸気弁２７は、いずれも「閉」となる。圧縮行程にあるとき、図示しないピストンは下死点から上死点へ上昇する。排気弁１３および吸気弁２７はいずれも「閉」であるため、このピストンの上昇によって、燃焼室１６に吸入された新気および水蒸気を含む排気は圧縮される。その結果、燃焼室１６の圧力は上昇する。そして、燃料インジェクタは、ピストンが上死点の近傍にあるとき燃焼室１６で圧縮された吸気に燃料を噴射する。すなわち、燃料は、ピストンが上死点に到達する直前または上死点を通過した直後に燃焼室１６へ噴射される。

燃料が噴射されると、燃料は燃焼室１６において燃焼する。燃料の燃焼によって、図示しないピストンは上死点から下死点へ下降する。これにより、図７に示すように機関本体１１の第一気筒は、圧縮行程から膨張行程へ移行する。この膨張行程にあるとき、吸気弁２７は吸気通路２８と燃焼室１６との間を閉鎖するとともに、排気弁１３は燃焼室１６と排気通路２３との間を閉鎖する。すなわち、排気弁１３および吸気弁２７は、いずれも「閉」となる。この膨張行程の初期において、燃料インジェクタから噴射された燃料は燃焼室１６において燃焼する。このとき、上述のように燃焼室１６には水蒸気を含む排気が戻されている。そのため、水蒸気の大きな熱容量により、燃焼室１６における燃焼温度は低下する。その結果、排気に含まれるＮＯｘは大幅に低減することができる。

以上説明した第１実施形態では、可変バルブ機構制御部５５は、可変バルブ機構部４２によって排気弁１３の開閉時期を制御する。すなわち、排気弁１３は、燃焼室１６が排気行程だけでなく吸気行程においても開かれる。そのため、燃焼室１６は、吸気行程においても排気通路２３と接続される。これにより、燃焼室１６から排出された排気は、吸気行程においてその一部が吸気通路２８から吸入される吸気とともに燃焼室１６へ戻される。ここで、流体インジェクタ４１は、排気の流れ方向において排気弁１３よりも下流側に設けられている。そして、流体インジェクタ４１は、燃焼室１６から排出された排気に水を噴射する。そのため、吸気行程にあるとき、排気通路２３から燃焼室１６へ吸入される排気は、水が気化した水蒸気を含んでいる。燃焼室１６から排気通路２３へ排出された直後の排気は、十分に高温である。そのため、流体インジェクタ４１から添加された水は、排気の熱によって十分に気化する。これにより、燃焼室１６には、高温の排気に添加された十分な量の水が気化した状態で吸入される。このように、水は、燃焼室１６から排出された排気に添加される。排気通路２３の排気は、燃焼室１６に比較して圧力が低下している。これにより、排気に添加するために水を高圧化する必要がなく、流体インジェクタ４１を含む水供給部の構造は簡略化される。したがって、構造の複雑化を招くことがない。

また、第１実施形態では、流体インジェクタ４１から添加された水は、排気とともに燃焼室１６へ吸入される。すなわち、排気は、水を添加された後、燃焼室１６へ戻される。そのため、排気に添加された水は、燃焼行程後の次の吸気行程において排気とともに水蒸気となって燃焼室１６へ吸入される。これにより、水は、排気への添加後の次の燃焼行程において燃焼温度の低減に寄与する。したがって、燃料の噴射量の変化にともなう燃焼温度の変化に迅速に対応し、燃焼温度の変化への応答性を高めることができる。
このように、第１実施形態では、流体インジェクタ４１から添加された水は水蒸気となって排気とともに燃焼室１６へ戻される。そのため、燃焼行程における燃焼温度は、熱容量の大きな十分な量の水蒸気によって低下する。したがって、排気に含まれるＮＯｘを低減することができる。

第１実施形態では、燃料インジェクタから噴射される燃料の量によって、流体インジェクタ４１から排気に添加する水の量が設定される。これにより、内燃機関１０の負荷に応じて排気に添加する水の量が変化する。すなわち、燃料の噴射量が増加するほど、水の添加量も増加する。したがって、内燃機関１０の負荷に関わらず、排気に含まれるＮＯｘの量を精度よく低減することができる。

第１実施形態では、排気の温度によって、流体インジェクタ４１から排気に添加する水の量が設定される。これにより、流体インジェクタ４１から排気に添加される水の量は、排気の温度に応じて十分に気化するように設定される。したがって、添加した水を無駄なく水蒸気として燃焼室１６へ戻すことができる。

第１実施形態では、吸気行程における排気弁１３の開閉位相、作用角度およびリフト量の少なくともいずれか一つは、機関本体１１の運転状態に基づいて設定される。内燃機関１０の負荷が大きくなると、燃焼室１６へ戻される排気の量は増加する。そのため、内燃機関１０の負荷が大きくなるほど、排気弁１３の開弁期間を延長し、リフト量を大きくする必要がある。したがって、内燃機関１０の負荷に応じて水が添加された適切な量の排気を燃焼室へ戻すことができる。

第１実施形態では、流体インジェクタ４１は、排気の流れ方向において過給器１５よりも上流側に設けられている。そのため、流体インジェクタ４１は、過給器１５を通過する前の温度の高い排気に水を噴射する。これにより、流体インジェクタ４１から噴射された水は、気化が促進される。特に、第１実施形態では、流体インジェクタ４１は、排気通路２３のうち排気弁１３に近い分岐管部２１に設けられている。そのため、流体インジェクタ４１から噴射された水は、燃焼室１６から排出された直後の高温の排気によって十分に気化する。そして、このように分岐管部２１に流体インジェクタ４１を設ける場合、流体添加制御部５１は、排気行程の末期において排気弁１３が燃焼室１６と排気通路２３とを遮断する前に流体インジェクタ４１から水を噴射する。排気行程の末期にあるとき、燃焼室１６から排気通路２３へ排出される排気は高い温度が維持されつつ圧力が低下している。そのため、流体インジェクタ４１をはじめとする水供給部は、高圧化が不要であり、構造がより簡略化される。また、排気行程の末期は、燃焼室１６から排出される排気の流速が低下する。そのため、流体インジェクタ４１から噴射された水は、流体インジェクタ４１の周囲に滞留する。その結果、吸気行程において排気弁１３が開いたとき、水蒸気を含む排気は十分に水を保持したまま燃焼室１６へ戻される。さらに、分岐管部２１に設けられた流体インジェクタ４１は、燃焼室１６までの距離が小さくなる。そのため、排気行程において水が添加された排気は、直後の吸気行程において燃焼室１６に速やかに吸入される。その結果、水が添加された排気は、次の燃焼行程における燃焼温度の低下に寄与する。したがって、燃料の噴射量に対する応答性を高めることができ、排気に含まれるＮＯｘのさらなる低減を図ることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態による内燃機関を図８に示す。
第２実施形態の場合、水インジェクタ６１は、排気管部材の集合管部２２に設けられている。これにより、機関本体１１の複数の燃焼室１６には、流体インジェクタ４１から噴射された水を含む排気が戻される。第２実施形態の場合でも、流体インジェクタ４１は、燃焼室１６から排出された高温の排気に水を噴射する。そのため、流体インジェクタ４１から噴射された水は、高温の排気によって気化が促進される。

第２実施形態の場合、一本の流体インジェクタ４１から水を添加する点で第１実施形態と異なっている。そのため、第２実施形態の流体インジェクタ４１は、排気に水を噴射する時期が第１実施形態と異なる。第２実施形態の場合、各燃焼室１６から流体インジェクタ４１までの距離が第１実施形態に比較して長い。そのため、燃焼室１６へ戻される水を含む排気は、流体インジェクタ４１から燃焼室１６までの所要時間がより長くなる。そこで、流体添加制御部５１は、機関本体１１の複数の燃焼室１６がそれぞれ排気行程の初期または中期にあるとき流体インジェクタ４１を駆動する。また、四気筒の機関本体１１の場合、流体添加制御部５１は、機関本体１１の図示しないクランクシャフトが１８０°回転するごとに流体インジェクタ４１から水を噴射する。これにより、流体インジェクタ４１から添加された水を含む排気は、各燃焼室１６の吸気行程において燃焼室１６へ戻される。

以上説明したように、第２実施形態では、一本の流体インジェクタ４１から排気に水を添加する。したがって、流体インジェクタ４１の本数を低減することができ、構造の簡略化および部品点数の低減を図ることができる。また、第２実施形態では、集合管部２２を流れる排気に水を添加する。そのため、流体インジェクタ４１から噴射される排気は、十分に高温の排気によって気化が促進される。したがって、第１実施形態と同様により多くの水蒸気を含む排気を燃焼室１６へ戻すことができる。

（その他の実施形態）
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
上述の複数の実施形態では、排気は、吸気行程における排気弁１３の開放によって排気通路２３から燃焼室１６へ戻されることを説明した。しかし、内燃機関１０は、この構成を前提として、図９に示すように外部のＥＧＲ装置７０を備えていてもよい。すなわち、内燃機関１０は、複数の実施形態の構成に加え、外部のＥＧＲ装置７０を別途備えていてもよい。ＥＧＲ装置７０は、例えばＥＧＲ通路部材７１、ＥＧＲ弁７２およびＥＧＲクーラ７３などを有している。ＥＧＲ通路部材７１は、内部にＥＧＲ通路を形成する。ＥＧＲ通路は、一方の端部が排気通路２３に接続し、他方の端部が吸気通路２８に接続している。ＥＧＲ弁７２は、ＥＧＲ通路に設けられ、ＥＧＲ通路を経由して吸気通路２８へ戻される吸気の量を調整する。ＥＧＲクーラ７３は、吸気通路２８へ戻される排気を冷却する。このようにＥＧＲ装置７０を備えることにより、水の添加による燃焼温度の低下に加え、ＥＧＲ装置７０を経由して戻された排気による燃焼温度の低下もあわせて図ることができる。

また、上述の複数の実施形態では、機関本体１１として四気筒のディーゼルサイクルを適用したエンジンを例に説明した。しかし、機関本体１１は、四気筒に限らず任意の気筒数に設定することができ、ディーゼルサイクルに限らずオットーサイクルなど他のサイクルを適用したエンジンであってもよい。

図面中、１０は内燃機関、１１は機関本体、１２は排気系、１３は排気弁、１５は過給器、１６は燃焼室、２１は分岐管部、２２は集合管部、２３は排気通路、４１、６１は流体インジェクタ（流体添加手段）、４２は可変バルブ機構部（排気弁制御手段）、５１は流体添加制御部（流体添加制御手段）、５２は運転状態検出部（運転状態検出手段）、５３は燃料噴射量算出部（燃料噴射量算出手段）、５５は可変バルブ機構制御部（排気弁制御手段）、５８は排気温度センサ（排気温度検出手段）を示す。

Claims (9)

1. 複数の燃焼室（１６）を有する機関本体（１１）と、
   前記燃焼室（１６）から排出される排気が流れる排気通路（２３）を形成し、前記機関本体（１１）に接続する排気系（１２）と、
   前記燃焼室（１６）と前記排気通路（２３）との間を開閉する排気弁（１３）と、
   排気の流れ方向において前記排気弁（１３）よりも下流側に設けられ、前記排気通路（２３）を流れる排気に水を含む非燃焼流体を添加する流体添加手段（４１、６１）と、
   前記排気弁（１３）の開閉時期を制御して、前記燃焼室（１６）が排気行程にあるとき、前記排気弁（１３）を開いて前記燃焼室（１６）と前記排気通路（２３）との間を接続するとともに、前記燃焼室（１６）が吸気行程にあるとき、前記排気弁（１３）を開いて前記燃焼室（１６）と前記排気通路（２３）との間を接続して前記流体添加手段（４１、６１）から添加された非燃焼流体を含む排気を前記燃焼室（１６）へ戻す排気弁制御手段（４２、５５）と、
   前記流体添加手段（４１、６１）から前記排気通路（２３）を流れる排気への非燃焼流体の添加を制御する流体添加制御手段（５１）と、
   を備え、
   前記流体添加制御手段（５１）は、排気行程において前記排気弁（１３）が前記燃焼室（１６）と前記排気通路（２３）とを遮断する前に前記流体添加手段（４１）から非燃焼流体の噴射を開始し、この排気行程において非燃焼流体の噴射を終了する内燃機関。
2. 前記機関本体（１１）の運転状態を検出する運転状態検出手段（５２）と、
   前記運転状態検出手段（５２）で検出した前記機関本体（１１）の運転状態に基づいて前記機関本体（１１）への燃料の噴射量を算出する燃料噴射量算出手段（５３）とをさらに備え、
   前記流体添加制御手段（５１）は、前記燃料噴射量算出手段（５３）で算出された燃料の噴射量に基づいて、前記流体添加手段（４１、６１）から排気へ添加する非燃焼流体の量を設定する請求項１記載の内燃機関。
3. 前記排気通路（２３）を流れる排気の温度を検出する排気温度検出手段（５８）をさらに備え、
   前記流体添加制御手段（５１）は、前記排気温度検出手段（５８）で検出された排気の温度に基づいて、前記流体添加手段（４１、６１）から排気へ添加する非燃焼流体の量を設定する請求項１または２記載の内燃機関。
4. 前記排気弁制御手段（４２、５５）は、前記運転状態検出手段（５２）で検出した前記機関本体（１１）の運転状態に基づいて、前記排気弁（１３）の開閉位相、作用角度およびリフト量の少なくともいずれか一つを設定する請求項１、２または３記載の内燃機関。
5. 前記排気通路（２３）を流れる排気によって前記燃焼室（１６）へ吸入される吸気を過給する過給器（１５）をさらに備え、
   前記流体添加手段（４１、６１）は、前記機関本体（１１）から前記過給器（１５）までの間に設けられている請求項１から４のいずれか一項記載の内燃機関。
6. 前記排気系（１２）は、前記燃焼室（１６）のそれぞれ接続する分岐管部（２１）、および排気の流れ方向において下流側で前記分岐管部（２１）を束ねる集合管部（２２）を有し、
   前記流体添加手段（４１）は、前記分岐管部（２１）にそれぞれ設けられている請求項５記載の内燃機関。
7. 前記流体添加制御手段（５１）は、前記流体添加手段（４１）からの非燃焼流体の噴射の開始およびその終了を、排気行程の末期に行なう請求項１または６記載の内燃機関。
   
8. 前記排気系（１２）は、前記燃焼室（１６）のそれぞれ接続する分岐管部（２１）、および排気の流れ方向において下流側で前記分岐管部（２１）を束ねる集合管部（２２）を有し、
   前記流体添加手段（６１）は、前記集合管部（２２）に設けられている請求項５記載の内燃機関。
9. 前記流体添加制御手段（５１）は、排気行程の初期において前記排気弁（１３）が前記燃焼室（１６）と前記排気通路（２３）とを開放した後に前記流体添加手段（６１）から非燃焼流体を噴射する請求項８記載の内燃機関。

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