JP6369409B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ピストンが往復動可能に嵌装された気筒を有するエンジンの制御装置に関する。
従来、エンジンにおいて、燃費性能を高めるべく、燃焼ガスの熱エネルギーが燃焼室の壁面からエンジン外部に放出されることに伴う損失すなわち冷却損失を小さく抑えることが求められている。
これに対して、例えば、特許文献１には、燃焼室の中央部分に燃料を滞留させて燃焼室の外周部分に空気層を形成し、この空気層によって燃焼ガスの熱エネルギーの外部への放出を抑制するエンジンが開示されている。
特開２０１３−１９４６２２号公報
特許文献１のエンジンによれば冷却損失を小さく抑えて燃費性能を高めることができる。しかしながら、このエンジンでは、燃焼室の中央部分に燃料が集中されるため、燃焼室内に局所的にリッチな混合気（燃料の割合が高い混合気）が生成されやすい。そのため、燃焼室内で適正な燃焼が行われずスモーク等が悪化するおそれがある。
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、冷却損失を小さく抑えつつより確実に適正な燃焼を実現することのできるエンジンの制御装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、ピストンが往復動可能に嵌装された気筒と当該気筒内に空気を導入するための吸気ポートを開閉する吸気弁とを有するエンジンの制御装置において、上記気筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置と、上記気筒内に超臨界水または亜臨界水を噴射する水噴射装置と、上記吸気弁の開閉時期を変更可能な吸気開閉時期変更機構と、上記燃料噴射装置、上記水噴射装置、および上記吸気開閉時期変更機構を含むエンジンの各部を制御する制御手段とを備え、上記水噴射装置は、上記ピストンの冠面に向かって上記超臨界水または亜臨界水を噴射可能な位置に取り付けられており、上記制御手段は、エンジン負荷が予め定められた基準負荷よりも高い高負荷領域において、エンジン負荷が基準負荷以下の低負荷領域のときと比べてエンジンの有効圧縮比が高くなるように上記吸気開閉時期変更機構を制御するとともに、吸気行程から圧縮行程前半にかけての期間中に少なくとも一部の燃料を上記燃料噴射装置から上記気筒内に噴射させ、さらに、当該噴射された燃料と空気との混合気が気筒内で着火する前に上記超臨界水または亜臨界水が上記ピストンの冠面に付着して断熱層が形成されるように、圧縮行程後半から膨張行程前半の間であって上記燃料噴射装置による燃料噴射が終了してから上記混合気が着火するまでの間に、上記超臨界水または亜臨界水を上記ピストンの冠面に向かって上記水噴射装置から噴射させることを特徴とするエンジンの制御装置を提供する（請求項１）。
本発明によれば、吸気行程または圧縮行程前半の比較的早いタイミングで燃料が燃焼室内（気筒内）に噴射されることで着火前に燃料と空気とを十分に混合させることができるとともに、着火前にピストンの冠面に向かって水が噴射されることで着火前にピストンの冠面すなわち燃焼室の壁面の一部に水を付着させて水による断熱層を形成することができる。従って、混合気を均質な状態で燃焼させて適正な燃焼を実現しながら、冷却損失を小さく抑えることができる。
特に、本発明では、上記水として通常の気体の水よりも密度の高い超臨界水または亜臨界水が用いられるとともに、この超臨界水等が圧縮行程後半から膨張行程前半の高温高圧の気筒内に噴射されて、水が超臨界水または亜臨界水の状態で燃焼室の壁面上に存在するように構成されている。そのため、断熱層における水の密度を高めて高い断熱効果を得ることができ、冷却損失をより確実に小さくして燃費性能を高めることができる。
なお、本発明において、圧縮行程前半とは吸気下死点から圧縮上死点前９０°ＣＡ（クランク角）までの期間をいい、圧縮行程後半とは圧縮上死点前９０°ＣＡ（クランク角）から圧縮上死点までの期間をいい、膨張行程前半とは圧縮上死点から圧縮上死点後９０°ＣＡまでの期間をいう。
また、本発明は、ピストンが往復動可能に嵌装される気筒と当該気筒内に空気を導入するための吸気ポートを開閉する吸気弁とを有するエンジンの制御装置において、上記吸気ポート内に燃料を供給する燃料供給装置と、上記気筒内に超臨界水または亜臨界水を噴射する水噴射装置と、上記吸気弁の開閉時期を変更可能な吸気開閉時期変更機構と、上記燃料供給装置、上記水噴射装置、および上記吸気開閉時期変更機構を含むエンジンの各部を制御する制御手段とを備え、上記水噴射装置は、上記ピストンの冠面に向かって上記超臨界水または亜臨界水を噴射可能な位置に取り付けられており、上記制御手段は、エンジン負荷が予め定められた基準負荷よりも高い高負荷領域において、エンジン負荷が基準負荷以下の低負荷領域のときと比べてエンジンの有効圧縮比が高くなるように上記吸気開閉時期変更機構を制御するとともに、上記燃料供給装置によって上記吸気ポートを介して上記気筒内に導入された燃料と空気との混合気が着火する前に上記超臨界水または亜臨界水が上記ピストンの冠面に付着して断熱層が形成されるように、圧縮行程後半から膨張行程前半の間でかつ上記混合気が着火する前に、上記超臨界水または亜臨界水を上記ピストンの冠面に向かって上記水噴射装置から噴射させることを特徴とするエンジンの制御装置を提供する（請求項２）。
この装置においても、吸気ポートに燃料が供給されることで着火前の燃焼室内の混合気が均質とされつつ、超臨界水または亜臨界水の噴射によりこれら超臨界水または亜臨界水の層が燃焼室の壁面の一部に形成される。従って、適正な燃焼を実現しながら冷却損失を小さく抑えることができる。
また、本発明において、上記制御手段は、上記高負荷領域における気筒内の混合気の空気過剰率が１になり、かつ上記低負荷領域における気筒内の混合気の空気過剰率が１より大きくなるように、上記燃料噴射装置または上記燃料供給装置からの燃料の供給量を制御することが好ましい（請求項３）。
このようにすれば、空燃比がリッチで燃焼温度が高い高負荷領域において増大しやすい冷却損失を効果的に小さく抑えることができる。
本発明において、上記エンジンの幾何学的圧縮比は、１８以上３５以下に設定されており、上記高負荷領域における上記エンジンの有効圧縮比は、１５以上に設定されているのが好ましい（請求項４）。
このようにすれば、有効圧縮比が高いことに伴って増大しやすい冷却損失を小さく抑えつつ、有効圧縮比を高くしてエンジントルクを高めることができる。
以上説明したように、本発明のエンジンの制御装置によれば、冷却損失を小さく抑えつつより確実に適正な燃焼を実現することができる。
本発明の一実施形態にかかるエンジンシステムの構成を示した図である。 超臨界水を説明するための水の状態図である。 亜臨界水を説明するための水の状態図である。 第１実施形態に係るエンジン本体の一部を拡大して示す概略断面図である。 燃料噴射装置の概略断面図である。 エンジンの制御系統を示すブロック図である。 エンジンの制御領域を示した図である。 高負荷領域での熱発生率、燃料噴射率、水噴射率を示した図である。 超臨界水により断熱層が形成される様子を示した図である。 第２実施形態にかかるエンジン本体の一部を拡大して示す概略断面図である。
（１）エンジンシステムの全体構成
図１は、本発明の第１実施形態にかかるエンジンの制御装置が適用されたエンジンシステムの構成を示す図である。本実施形態のエンジンシステムは、４ストロークのエンジン本体１と、エンジン本体１に燃焼用の空気を導入するための吸気通路３０と、エンジン本体１で生成された排ガスを排出するための排気通路４０とを備える。エンジン本体１は、例えば、４つの気筒２を有する４気筒エンジンである。エンジン本体１に供給する燃料の種類は限定されないが、本実施形態ではガソリンを含む燃料が用いられる。本実施形態のエンジンシステムは車両に搭載され、エンジン本体１は車両の駆動源として利用される。
吸気通路３０には、上流側から順に、エアクリーナ３１と、スロットルバルブ３２とが設けられており、エアクリーナ３１およびスロットルバルブ３２を通過した後の空気がエンジン本体１に導入される。
スロットルバルブ３２は、吸気通路３０を開閉するものである。ただし、本実施形態では、エンジンの運転中、スロットルバルブ３２は基本的に全開もしくはこれに近い開度に維持されており、エンジンの停止時等の限られた運転条件のときにのみ閉弁されて吸気通路３０を遮断する。
排気通路４０には、上流側から順に、排ガスを浄化するための三元触媒４１、熱交換器４２、コンデンサー４３、排気シャッターバルブ４４が設けられている。熱交換器４２およびコンデンサー４３は、後述する排熱回収装置６０の一部を構成するものである。
排気シャッターバルブ４４は、ＥＧＲガスの吸気通路３０への還流を促進するためのものである。
すなわち、本実施形態のエンジンシステムでは、吸気通路３０のうちスロットルバルブ３２よりも下流側の部分と、排気通路４０のうち三元触媒４１よりも上流側の部分とを連通するＥＧＲ通路５１が設けられており、排ガスの一部がＥＧＲガスとして吸気通路３０に還流されるようになっている。そして、排気シャッターバルブ４４は、排気通路４０を開閉可能なバルブであり、ＥＧＲを実施する場合であって排気通路４０の圧力が低い場合に閉弁側に操作されることでＥＧＲ通路５１の上流側の部分の圧力を高めてＥＧＲガスの還流を促進する。
ＥＧＲ通路５１には、これを開閉するＥＧＲバルブ５２が設けられており、ＥＧＲバルブ５２の開弁量によって吸気通路３０に還流されるＥＧＲガスの量が調整される。また、本実施形態では、ＥＧＲ通路５１に、これを通過するＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ５３が設けられており、ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ５３にて冷却された後吸気通路３０に還流される。
排熱回収装置６０は、排ガスの熱エネルギーを利用して超臨界水を生成するためのものである。すなわち、本実施形態のエンジンシステムでは、後述するように水噴射装置２２から各気筒２内に超臨界水を噴射するように構成されているとともに、排ガスを利用してこの超臨界水を生成するように構成されている。
排熱回収装置６０は、熱交換器４２およびコンデンサー４３に加えて、水噴射装置２２とコンデンサー４３とを接続する排気凝結水通路６１と、水タンク６２と、水噴射用ポンプ６３とを備えている。
コンデンサー４３は、排気通路４０を通過する排ガス中の水（水蒸気）を凝縮するためのものである。水タンク６２は、内側に凝縮水を貯留するものである。コンデンサー４３で生成された凝縮水は、排気凝結水通路６１を介して水タンク６２に導入され水タンク６２内で貯留される。
水噴射用ポンプ６３は、水タンク６２内の凝縮水を熱交換器４２を介して水噴射装置２２に圧送するためのものである。水タンク６２内の凝縮水は、水噴射用ポンプ６３による圧送時に昇温昇圧される。例えば、凝縮水は、水噴射用ポンプ６３によって、３５０Ｋ程度に昇温され２５０ｂａｒ程度に昇圧される。
熱交換器４２は、水噴射用ポンプ６３から圧送された凝縮水と、排気通路４０を通過する排ガスとの間で熱交換を行わせるためのものである。熱交換器４２は、間接式熱交換器であり、凝縮水は熱交換器４２の通過時に排ガスから熱エネルギーを受ける。熱交換器４２を通過することで、凝縮水は、水噴射用ポンプ６３により加圧された状態からさらに昇温昇圧され、超臨界水となる。
超臨界水とは、水の臨界点よりも温度および圧力が高い水であって、気体のように分子が激しく運動しながら液体に近い高い密度を有する。つまり、超臨界水は気体または液体の水に相変化するのに潜熱を必要としない水である。詳細は後述するが、本実施形態では、このような性状の水を気筒２内に噴射することで、気筒２内に形成された燃焼室６の壁面に断熱層を形成する。
図２を用いて具体的に説明する。図２は、横軸をエンタルピーとし、縦軸を圧力としたときの水の状態図を示したものである。この図２において、領域Ｚ２は液体の領域、領域Ｚ３は気体の領域、領域Ｚ４は液体と気体が共存する領域である。実線で示したラインＬＴ３５０、ＬＴ４００・・・ＬＴ１０００は、それぞれ同じ温度となる点をつないだ等温度線であって、それぞれ数字が温度（Ｋ）を示している。例えば、ＬＴ３５０は３５０Ｋの等温度線であり、ＬＴ１０００は１０００Ｋの等温度線である。そして、点Ｘ１が臨界点、領域Ｚ１が臨界点Ｘ１よりも温度および圧力が高い領域であり、超臨界水はこの領域Ｚ１に含まれる水である。具体的には、水の臨界点が、温度：６４７．３Ｋ，圧力：２２．１２ＭＰａの点であるのに対して、超臨界水は温度圧力がこれら以上すなわち温度が６４７．３Ｋ以上かつ圧力が２２．１２ＭＰａ以上の水である。
図２において、破線で示したラインＬＲ０．０１、ＬＲ０．１・・・、ＬＲ５００は、それぞれ同じ密度となる点をつないだ等密度線であって、それぞれ数字が密度（ｋｇ／ｍ３）を示している。例えば、ＬＲ０．０１は密度が０．０１ｋｇ／ｍ３の等密度線であり、ＬＲ１０００は密度が５００ｋｇ／ｍ３の等密度線である。この等密度線ＬＲと領域Ｚ１，Ｚ３との比較から明らかなように、領域Ｚ１に含まれる水すなわち超臨界水の密度は５０ｋｇ／ｍ３から５００ｋｇ／ｍ３程度と液体の水に近い値であって気体の密度よりも非常に高い値となっている。
なお、エンジンシステムにて生成して気筒２内に噴射する超臨界水としては、密度が２５０ｋｇ／ｍ３以上の超臨界水を用いるのが好ましい。
また、図２において矢印Ｙ１で示すように、通常の液体の水は気体に変化するために大きなエンタルピーを必要とする。すなわち、通常の液体の水は気体に変化するのに比較的大きな潜熱を必要とする。これに対して、矢印Ｙ２で示すように、超臨界水では、通常の気体の水に変化するのにほとんどエンタルピーすなわち潜熱を必要としない。
ここで、図２から明らかなように、領域Ｚ１に近い領域に含まれる水は、密度も高く気体に変化するための潜熱も小さく、超臨界水に近い性状を有する。従って、本実施形態では、上記のように排熱回収装置６０によって超臨界水を生成して超臨界水を気筒２内に噴射するが、超臨界水に代えて領域Ｚ１に近い領域に含まれる水である亜臨界水を生成および気筒２内に噴射してもよい。例えば、図３に示す領域Ｚ１０であって、温度が６００Ｋ以上かつ密度が２５０ｋｇ／ｍ３以上の領域Ｚ１０に含まれる亜臨界水を生成および噴射してもよい。
（２）エンジン本体の構成
エンジン本体１の構成について次に説明する。
図４は、エンジン本体１の一部を拡大して示した断面図である。図４に示すように、エンジン本体１は、気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上面に設けられたシリンダヘッド４と、気筒２に往復動（上下動）可能に嵌装されたピストン５とを有している。
ピストン５の上方には燃焼室６が形成されている。燃焼室６はいわゆるペントルーフ型であり、燃焼室６の天井面（シリンダヘッド４の下面）は吸気側および排気側の２つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。
本実施形態では、燃焼室６内の燃焼ガスの熱が燃焼室６の外部に放出されるのを抑制して冷却損失を低減するべく、燃焼室６の壁面（内側面）に、燃焼室６の内側面よりも熱伝導率が低い断熱材７が設けられている。具体的には、燃焼室６の内側面を構成する、気筒２の壁面と、ピストン５の冠面５ａと、シリンダヘッド４の下面と、吸気弁１８および排気弁１９の各バルブヘッドの面とに、それぞれ断熱材７が設けられている。なお、本実施形態では、図４に示すように、気筒２の壁面に設けられた断熱材７は、ピストン５が上死点に位置した状態でピストンリング５ｂよりも上側（シリンダヘッド４側）となる部分に限定されており、ピストンリング５ｂが断熱材７上を摺動しないようになっている。
断熱材７としては、上記のように熱伝導率が低い材料で形成されればよく具体的な材料は限定されない。ただし、断熱材７として、燃焼室６の内側面よりも容積比熱が小さい材料を用いるのが好ましい。すなわち、エンジン本体１が冷却水により冷却される場合、燃焼室６内のガス温度は燃焼サイクルの進行によって変動する一方、燃焼室６の内側面の温度は略一定に維持される。そのため、この温度差に伴って冷却損失が大きくなる。そこで、断熱材７を容積比熱の小さい材料で形成すれば、断熱材７の温度が燃焼室６内のガスの温度の変動に追従して変化するため、冷却損失を小さく抑えることができる。
例えば、断熱材７は、燃焼室６の内側面上にＺｒＯ２等のセラミック材料がプラズマ溶射によりコーティングされることで形成されている。なお、このセラミック材料の中に多数の気孔が含まれるようにし、これにより断熱材７の熱伝導率および容積比熱をさらに小さくしてもよい。
ピストン５の冠面５ａには、その中心部を含む領域をシリンダヘッド４とは反対側（下方）に凹ませたキャビティ１０が形成されている。このキャビティ１０は、ピストン５が上死点まで上昇したときの燃焼室６の大部分を占める容積を有するように形成されている。
本実施形態では、エンジン本体１の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン５が下死点にあるときの燃焼室６の容積とピストン５が上死点にあるときの燃焼室６容積との比は、１８以上３５以下（例えば２０程度）に設定されている。
シリンダヘッド４には、吸気通路３０から供給される空気を燃焼室６に導入するための吸気ポート１６と、燃焼室６で生成された排ガスを排気通路４０に導出するための排気ポート１７と、吸気ポート１６の燃焼室６側の開口を開閉する吸気弁１８と、排気ポート１７の燃焼室６側の開口を開閉する排気弁１９とが設けられている。なお、図４に示す例では、吸気ポート１６の内側面にも断熱層１８１が形成されている。
吸気弁１８は、吸気弁開閉機構によって開閉される。吸気弁開閉機構には、吸気弁１８の開閉時期を変更可能な吸気開閉時期変更機構１８ａ（図６参照）が設けられており、運転条件等に応じて吸気弁１８の開閉時期が変更されるようになっている。
また、シリンダヘッド４には、燃焼室６内に燃料を噴射する燃料噴射装置２１と、燃焼室６内に臨界水を噴射する水噴射装置２２とが取り付けられている。図４に示すように、燃料噴射装置２１と水噴射装置２２とは、それぞれ先端（燃焼室６側の端部）が気筒２の中心軸付近に位置してキャビティ１０のほぼ中心部を臨むように隣接して配置されている。
なお、本実施形態では、全運転領域において燃料と空気との混合気を予め混合させて、この混合気を圧縮上死点（ＴＤＣ）付近で自着火させる予混合圧縮自着火燃焼が実施されるよう構成されている。これに伴い、図４に示した例では、燃焼室６内の混合気に点火するための点火プラグがエンジン本体１に設けられていないが、冷間始動時等において混合気の適正な燃焼のために点火が必要な場合等には、適宜エンジン本体１に点火プラグを設けてもよい。
水噴射装置２２は、上記のように、水噴射用ポンプ６３から圧送された超臨界水を燃焼室６内に噴射する。水噴射装置２２は、その先端に噴射口を有し、噴射口の開口期間が変更されることで噴射水量が変更されるようになっている。水噴射装置２２としては、例えば、従来のエンジンに用いられる、燃料を燃焼室６内に噴射するための装置を適用することができ、その詳細な構造の説明は省略する。なお、水噴射装置２２は、例えば、２０ＭＰａ程度で燃焼室６内に超臨界水を噴射する。
上記のように、水噴射装置２２は、先端が気筒２の中心軸付近に位置してキャビティ１０のほぼ中心部を臨むように配置されている。これに伴い、水噴射装置２２の先端からは、ピストン冠面５ａに向かって超臨界水が噴射される。
燃料噴射装置２１は、図外の燃料ポンプにより圧送された燃料を燃焼室６内に噴射する。本実施形態では外開き弁式の燃料噴射装置２１が用いられている。燃料噴射装置２１の概略断面図である図５を用いて燃料噴射装置２１の構造を簡単に説明する。図５に示すように、燃料噴射装置２１は、先端にノズル口２１ｂが形成された燃料管２１ｃと、燃料管２１ｃの内側に配設されてノズル口２１ｂを開閉する外開き弁２１ａとを有する。外開き弁２１ａは、印加された電圧に応じて変形するピエゾ素子２１ｄに接続されており、このピエゾ素子２１ｄの変形に伴ってノズル口２１ｂから先端側に突き出してノズル口２１ｂを開弁する位置と、ノズル口２１ｂを閉弁する位置との間で変位する。
（３）制御系統
（３−１）システム構成
図６は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示すように、当実施形態のエンジンシステムは、ＰＣＭ（パワートレイン・コントロール・モジュール、制御手段）１００によって統括的に制御される。ＰＣＭ１００は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサである。
ＰＣＭ１００は、エンジンの運転状態を検出するための各種センサと電気的に接続されている。
例えば、シリンダブロック３には、クランク軸の回転角度および回転速度すなわちエンジン回転数を検出するクランク角センサＳＮ１が設けられている。また、吸気通路３０のうちエアクリーナ３１とスロットルバルブ３２との間の部分には、エアクリーナ３１を通過して各気筒２に吸入される空気量（新気量）を検出するエアフローセンサＳＮ２が設けられている。また、車両には、運転者により操作される図外のアクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサＳＮ３が設けられている。
ＰＣＭ１００は、上記各種センサからの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、ＰＣＭ１００は、燃料噴射装置２１、水噴射装置２２、スロットルバルブ３２、排気シャッターバルブ４４、ＥＧＲバルブ５２、水噴射用ポンプ６３等と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいてこれらの機器にそれぞれ駆動用の制御信号を出力する。
図７は、横軸がエンジン回転数、縦軸がエンジン負荷の制御マップを示している。本実施形態では、制御領域として、エンジン負荷が予め設定された基準負荷Ｔｑ１以下の低負荷領域Ａ１と、エンジン負荷が基準負荷Ｔｑ１よりも高い高負荷領域（水噴射領域）Ａ２とが設定されている。以下に、各領域Ａ１、Ａ２の制御内容について説明する。
（３−２）低負荷領域
低負荷領域Ａ１では、要求されるエンジントルクが小さいため有効圧縮比を小さくすることができる。そこで、低負荷領域Ａ１では、ポンピングロスを小さく抑えてエネルギー効率を高めるべく有効圧縮比が小さい値とされる。例えば、有効圧縮比は１５よりも小さい値に抑えられる。具体的には、吸気開閉時期変更機構１８ａによって、吸気弁１８が吸気下死点よりも遅角側であって比較的遅い時期に閉弁され、これによって有効圧縮比が小さくされる。
低負荷領域Ａ１では、混合気の発熱量が小さく燃焼温度が比較的低いため、燃焼により生成されるＮＯｘ（いわゆるＲａｗ ＮＯｘ）が少なく抑えられる。そのため、この領域Ａ１では、三元触媒４１によりＮＯｘを浄化させる必要がなく、空燃比を三元触媒によるＮＯｘ浄化が可能な理論空燃比にする必要がない。そこで、低負荷領域Ａ１では、燃費性能を高めるべく混合気の空燃比がリーンすなわち空気過剰率λ＞１とされる。
低負荷領域Ａ１では、ＥＧＲガスが気筒２内に還流される。すなわち、低負荷領域Ａ１では、ＥＧＲバルブ５２が開弁されて、排気通路４０内の排ガスの一部がＥＧＲガスとして吸気通路３０に還流される。また、エンジン負荷が非常に低く、排気通路４０内の圧力すなわちＥＧＲ通路５１の上流側の圧力が低い運転領域では、排気シャッターバルブ４４が閉じ側に制御されてＥＧＲガスの還流が促進される。
本実施形態では、低負荷領域Ａ１において、燃料量に対する燃焼室６内の全ガス重量の割合であるＧ／Ｆが３５以上となるようにＥＧＲガスが還流される。また、エンジン負荷が高いほどＥＧＲ率（気筒２内の全ガス重量のうちＥＧＲガスの重量が占める割合）が大きくされる。
低負荷領域Ａ１では、水噴射装置２２による燃焼室６内への超臨界水の噴射は停止される。そして、これに伴い水噴射用ポンプ６３の駆動が停止される。
低負荷領域Ａ１では、圧縮行程後半（圧縮上死点前９０°ＣＡ〜圧縮上死点まで）に、燃料噴射装置２１によって燃焼室６内にすべての燃料が噴射される。例えば、圧縮上死点前３０°ＣＡ付近に全燃料が燃焼室６内に噴射される。
（３−３）高負荷領域
高負荷領域Ａ２では、エンジントルクを確保するために有効圧縮比が低負荷領域Ａ１での有効圧縮比よりも大きくされる。本実施形態では、高負荷領域Ａ２において、有効圧縮比が１５以上とされる。具体的には、吸気開閉時期変更機構１８ａによって、吸気弁１８の閉弁時期が低負荷領域Ａ１における閉弁時期よりも進角側とされ、これによって有効圧縮比が低負荷領域Ａ１よりも高くされる。
高負荷領域Ａ２では、三元触媒によるＮＯｘ浄化が可能となるように、空燃比が理論空燃比とされる。すなわち、空気過剰率λが１とされる。また、高負荷領域Ａ２では、ＥＧＲバルブ５２が閉弁されてＥＧＲガスの還流が停止され、Ｇ／Ｆが３５より小さい値とされる。
ここで、高負荷領域Ａ２では、エンジン負荷が高く燃焼室６内に噴射される燃料および発熱量が多いために燃焼室６内の温度が高くなる。特に、本実施形態では有効圧縮比が高いことに伴い燃焼室６内の温度はさらに高くなる。そのため、燃料と空気とが十分に混合していない状態すなわち燃焼室６内において混合気が均質でない状態（混合気の空燃比が不均一である状態）で燃焼が開始すると、スモークが悪化してしまう。また、高負荷領域Ａ２では、燃焼室６内の温度が高いことから、圧縮上死点よりも前に燃焼が開始すると筒内圧（燃焼室６内の圧力）の絶対値および筒内圧の上昇率が非常に高くなり燃焼騒音が大きくなりやすい。
そこで、高負荷領域Ａ２では、燃焼室６内の混合気がより均質化された状態で燃焼が開始するように、また、圧縮上死点よりも遅角側すなわちピストン５が下降して筒内圧が低下しているときに燃焼が開始するように、図８に示すような燃料噴射が行われる。図８は、高負荷領域Ａ２における、熱発生率、燃料噴射率、水噴射率の一例を示したものである。
図８に示すように、高負荷領域Ａ２では、圧縮行程前半（吸気下死点〜圧縮上死点前９０°ＣＡまで）に比較的多量の燃料を噴射する第１噴射Ｑ１が実施され、圧縮行程後半に残りの燃料の一部を噴射する第２噴射Ｑ２が実施され、さらにその後圧縮上死点よりもわずかに進角側の時期に残りの燃料を噴射する第３噴射Ｑ３が実施される。
第１噴射Ｑ１は、混合気を均質化させるための噴射である。すなわち、第１噴射Ｑ１によって圧縮行程前半に多量の燃料が噴射されることで、圧縮上死点付近すなわち燃焼開始前の燃焼室６内の混合気は均質化される。第１噴射Ｑ１は、例えば圧縮上死点前１５０°ＣＡ付近で開始される。
第３噴射Ｑ３は、混合気をより遅角側で自着火させるための噴射であり、第３噴射Ｑ３が圧縮行程後半に実施されることで、第１噴射Ｑ１によって生成された均質な混合気が圧縮上死点後に自着火する。第３噴射Ｑ３は、例えば圧縮上死点前１５°ＣＡ付近で開始される。
第２噴射Ｑ２は、燃焼安定性を高めるための噴射である。すなわち、第３噴射Ｑ３によって圧縮上死点付近の比較的遅角側の時期で残りの燃料をすべて噴射した場合には、燃焼が開始するまでにピストン５の下降に伴って燃焼室６内の温度が燃焼可能な温度以下に低下して失火するおそれがある。そこで、本実施形態では、第３噴射Ｑ３の前に第２噴射Ｑ２を実施して、燃焼室６内の温度が圧縮上死点後においても燃焼可能な温度以上に維持されるようにする。第２噴射Ｑ２は、例えば圧縮上死点前３０°ＣＡ付近で実施される。
また、高負荷領域Ａ２では、燃焼室６の壁面に超臨界水の層５０（図９参照）が形成されるように、水噴射装置２２によって燃焼室６内に超臨界水が噴射される。すなわち、高負荷領域Ａ２では、上記のように燃焼室６内の温度が高くなるため冷却損失が大きくなる。そこで、本実施形態では、高負荷領域Ａ２において、上記燃焼室６の壁面に超臨界水の層５０を形成してこれを断熱層５０として機能させる。詳細には、燃焼室６の壁面にコーティングされた断熱材７の表面に断熱層５０を形成する。
具体的には、図８に示すように、圧縮行程後半から膨張行程前半（圧縮上死点〜圧縮上死点後９０°ＣＡ）の間であって第３噴射Ｑ３終了後かつ燃焼室６内で混合気が着火する前に、水噴射Ｗ１が実施される。本実施形態では、図８に示すように、圧縮上死点前に水噴射Ｗ１が実施される。
上記のように、水噴射装置２２から噴射された超臨界水はピストン冠面５ａに向かって噴射される。そのため、図９に示すように、高負荷領域Ａ２では、水噴射Ｗ１が実施されることでピストン冠面５ａの表面に超臨界水が付着して超臨界水による断熱層５０が形成される。特に、本実施形態では、水噴射Ｗ１が圧縮上死点前であってピストン５の上昇中に実施されていることで、超臨界水をピストン冠面５ａにより確実に付着させることができる。なお、図９における網掛け部分は、水噴射Ｗ１の噴射の様子を模式的に示したものである。
ここで、断熱層５０を形成するための物質として超臨界水（または亜臨界水）ではなく通常の液体の水を用いることが考えられる。しかしながら、通常の液体の水は、高温の燃焼室６内に噴射されたときに水蒸気すなわち気体の水となる。そして、上記のように、水蒸気は密度が小さい。そのため、通常の液体の水を噴射して水蒸気によって断熱層を形成しても、断熱層に含まれる水の重量（分子数）は少なく断熱効果は小さい。また、上記のように、通常の液体の水では水蒸気への変化時に潜熱を必要とする。そのため、通常の液体の水を噴射した場合には、水の蒸発に伴って混合気の温度が低下してしまい熱効率が悪化する。
そこで、本実施形態では、上記のように、密度が高く、潜熱を必要としない超臨界水を燃焼室６内に噴射するとともに、着火前において水が超臨界水の状態で存在するように、圧縮行程後半から膨張行程前半の高温高圧の燃焼室６内に超臨界水を噴射する。そして、上記のように、燃焼室６内の混合気が均質な状態で混合気の着火前に燃焼室６の壁面に断熱層５０を形成する。
なお、本明細書において、着火時期すなわち混合気が着火する時期とは、図８に示すように、熱発生率が急激に上昇する時期をいう。すなわち、図８に示すように、燃料と空気の混合気は、温度圧力が所定値になると、まず、冷却損失等を上回るわずかな発熱を伴う低温酸化反応（冷炎反応）であって熱発生率が緩やかに上昇するあるいは緩やかに上昇した後一旦低下するような反応を起こし、その後、高い発熱量および熱炎を伴う反応（熱炎反応）を起こす。そして、ここではこの熱炎反応が開始された時期を着火時期という。なお、熱炎反応は混合気の温度が１５００Ｋ程度以上となると生じることが知られている。そのため、混合気の温度が１５００Ｋ以上となる時期を着火時期としてもよい。
（４）作用等
以上のように、本実施形態では、高負荷領域Ａ２にて、燃料の一部を圧縮行程前半に噴射して着火前において燃焼室６内において混合気を均質化させながら、燃焼室６内に超臨界水を噴射して燃焼室６の壁面に超臨界水による断熱層５０を形成していることで、スモークの発生を抑制しながら冷却損失を小さく抑えて燃費性能を高めることができる。特に、高負荷領域かつ有効圧縮比が１５以上とされた領域Ａ２であって燃焼温度が高くなりスモークが発生しやすく冷却損失が大きくなりやすい領域でこの制御を実施しており、効果的にスモークの悪化を抑制することができるとともに冷却損失を効果的に小さく抑えることができる。
（５）第１実施形態の変形例
上記実施形態では、均質化のための第１噴射Ｑ１を圧縮行程前半に行った場合について説明したが、第１噴射Ｑ１を吸気行程に行ってもよい。この場合においても、混合気の着火までに燃料と空気とを混合させて着火前の混合気を均質にすることができる。
また、燃料の噴射パターンとしては、燃料の少なくとも一部が吸気行程から圧縮行程前半の間に燃焼室６内に噴射されるよう設定されていればよく、例えば、第１噴射Ｑ１のみを実施するようにしてもよい。
（６）第２実施形態
上記第１実施形態では、エンジン本体１が直噴エンジンであって燃料が直接燃焼室６内に噴射される場合について説明したが、エンジン本体１としてポート噴射式のエンジンが用いられてもよい。すなわち、図１０は、本発明の第２実施形態に係るエンジン本体の概略断面図であり、この図１０に示すように、燃料供給装置１２１を吸気ポート１６に接続される吸気通路３０と吸気ポート１６との接続部分付近に取り付けて、吸気通路３０を介して吸気ポート１６に燃料を供給する、あるいは、吸気ポート１６に直接燃料を供給するように構成して、吸気ポート１６から燃焼室６内に空気とともに燃料を流入させてもよい。
この場合においても、着火前の混合気は均質となる。そのため、上記第１実施形態と同様に、超臨界水または亜臨界水によって断熱層５０を形成することで、スモークの悪化を抑制しながら冷却損失を小さく抑えて燃費性能を高めることができる。
なお、この第２実施形態において、燃料の燃焼室６内への供給に係る構造、制御以外の構成は、第１実施形態と同様にすればよい。
（７）他の変形例
上記実施形態では、高負荷領域Ａ２でのみ、着火前における燃焼室６内の混合気を均質としながら燃焼室６の壁面に超臨界水（または亜臨界水）による断熱層を形成した場合について説明したが、低負荷領域Ａ１でこの制御を実施してもよい。また、超臨界水による断熱層５０を形成する運転領域（上記実施形態における高負荷領域Ａ２）の有効圧縮比は１５未満であってもよい。
ただし、エンジン負荷が高い、あるいは、有効圧縮比が高い場合は、燃焼温度が高くなるため、特にスモークが悪化しやすく、また、冷却損失が大きくなりやすい。そのため、エンジン負荷が高いまたは有効圧縮比１５以上の領域でのみ超臨界水による断熱層を形成しても、高い効果を得ることができる。
また、上記実施形態のように、排熱回収装置６０を設け、排ガスの熱エネルギーを利用して超臨界水を生成する場合では、エンジン負荷が低い低負荷領域や有効圧縮比が低い領域では、燃焼温度が低く排ガスの温度が低いために超臨界水を必要量生成できないおそれがある。また、不足したエネルギーを別途設けたヒータ等で補うようにした場合には、エネルギー効率が悪化してしまう。そのため、この場合には、特にエンジン負荷が高いあるいは有効圧縮比が高く排ガスの温度が高い運転領域でのみ超臨界水の噴射を実施するのが好ましい。
また、排熱回収装置６０を省略して、上記のように別途設けたヒータ等を用いて超臨界水を生成してもよい。ただし、上記のように排熱回収装置６０を用いればエネルギー効率を高くしつつ着火遅れを適正量確保することができる。
また、断熱材７は省略可能である。ただし、断熱材７を設ければ、より効果的に冷却損失を小さく抑えることができる。また、断熱材７を設ければ排ガスの温度が高まるため、排熱回収装置６０を用いた際に超臨界水または亜臨界水を容易に生成することができる。また、エンジン負荷が低い領域や有効圧縮比がより低い領域でも、エネルギー効率を悪化させることなく超臨界水等の噴射が可能となり、この領域においても冷却損失を小さく抑えることができる。
また、上記実施形態では、水噴射を圧縮上死点前に実施した場合について説明したが、水噴射を圧縮上死点後（ただし、圧縮行程前半）に行ってもよい。
また、上記実施形態では、燃焼室６内に水として超臨界水が噴射される場合について説明したが、上述したように、亜臨界水であって超臨界水に近い性状を有する水を超臨界水の代わりに気筒２内に噴射してもよい。この場合であっても、密度が通常の水よりも高く潜熱が非常に小さいことから着火遅れ時間を長くすることができる。
また、燃焼形態は自着火燃焼に限らず、点火プラグによって混合気が点火されることで燃焼が開始する形態であってもよい。また、燃料として、ガソリンを含まない燃料が用いられてもよい。
１ エンジン本体
２ 気筒
５ ピストン
５ａ ピストン冠面
７ 断熱材
２１ 燃料噴射装置
２２ 水噴射装置
５０ 断熱層
６０ 排熱回収装置
１００ ＰＣＭ（制御手段）
１２１ 燃料供給装置

Claims (4)

  1. ピストンが往復動可能に嵌装された気筒と当該気筒内に空気を導入するための吸気ポートを開閉する吸気弁とを有するエンジンの制御装置において、
    上記気筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置と、
    上記気筒内に超臨界水または亜臨界水を噴射する水噴射装置と、
    上記吸気弁の開閉時期を変更可能な吸気開閉時期変更機構と、
    上記燃料噴射装置、上記水噴射装置、および上記吸気開閉時期変更機構を含むエンジンの各部を制御する制御手段とを備え、
    上記水噴射装置は、上記ピストンの冠面に向かって上記超臨界水または亜臨界水を噴射可能な位置に取り付けられており、
    上記制御手段は、エンジン負荷が予め定められた基準負荷よりも高い高負荷領域において、エンジン負荷が基準負荷以下の低負荷領域のときと比べてエンジンの有効圧縮比が高くなるように上記吸気開閉時期変更機構を制御するとともに、吸気行程から圧縮行程前半にかけての期間中に少なくとも一部の燃料を上記燃料噴射装置から上記気筒内に噴射させ、さらに、当該噴射された燃料と空気との混合気が気筒内で着火する前に上記超臨界水または亜臨界水が上記ピストンの冠面に付着して断熱層が形成されるように、圧縮行程後半から膨張行程前半の間であって上記燃料噴射装置による燃料噴射が終了してから上記混合気が着火するまでの間に、上記超臨界水または亜臨界水を上記ピストンの冠面に向かって上記水噴射装置から噴射させることを特徴とするエンジンの制御装置。
  2. ピストンが往復動可能に嵌装される気筒と当該気筒内に空気を導入するための吸気ポートを開閉する吸気弁とを有するエンジンの制御装置において、
    上記吸気ポート内に燃料を供給する燃料供給装置と、
    上記気筒内に超臨界水または亜臨界水を噴射する水噴射装置と、
    上記吸気弁の開閉時期を変更可能な吸気開閉時期変更機構と、
    上記燃料供給装置、上記水噴射装置、および上記吸気開閉時期変更機構を含むエンジンの各部を制御する制御手段とを備え、
    上記水噴射装置は、上記ピストンの冠面に向かって上記超臨界水または亜臨界水を噴射可能な位置に取り付けられており、
    上記制御手段は、エンジン負荷が予め定められた基準負荷よりも高い高負荷領域において、エンジン負荷が基準負荷以下の低負荷領域のときと比べてエンジンの有効圧縮比が高くなるように上記吸気開閉時期変更機構を制御するとともに、上記燃料供給装置によって上記吸気ポートを介して上記気筒内に導入された燃料と空気との混合気が着火する前に上記超臨界水または亜臨界水が上記ピストンの冠面に付着して断熱層が形成されるように、圧縮行程後半から膨張行程前半の間でかつ上記混合気が着火する前に、上記超臨界水または亜臨界水を上記ピストンの冠面に向かって上記水噴射装置から噴射させることを特徴とするエンジンの制御装置。
  3. 請求項１または２に記載のエンジンの制御装置において、
    上記制御手段は、上記高負荷領域における気筒内の混合気の空気過剰率が１になり、かつ上記低負荷領域における気筒内の混合気の空気過剰率が１より大きくなるように、上記燃料噴射装置または上記燃料供給装置からの燃料の供給量を制御することを特徴とするエンジンの制御装置。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載のエンジンの制御装置において、
    上記エンジンの幾何学的圧縮比は、１８以上３５以下に設定されており、
    上記高負荷領域における上記エンジンの有効圧縮比は、１５以上に設定されていることを特徴とするエンジンの制御装置。
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