JP6376190B2

JP6376190B2 - エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP6376190B2
Application number: JP2016172755A
Authority: JP
Inventors: 和晃楢原; 昌彦藤本; 芳尚乃生
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2016-09-05
Filing date: 2016-09-05
Publication date: 2018-08-22
Anticipated expiration: 2036-09-05
Also published as: US20180066599A1; US10508613B2; DE102017119411A1; JP2018040260A

Description

本発明は、ガソリンを含有する燃料を改質した後に燃焼させるエンジンに関する。

上記のように改質後の燃料を燃焼させるエンジンとして、下記特許文献１のものが知られている。この特許文献１のエンジンは、気筒と、気筒に接続された吸気通路および排気通路と、吸気通路の下流端（吸気ポート）に燃料を噴射するインジェクタと、排気通路の途中に設けられた改質室と、改質室に設けられた改質触媒と、改質室とその上流側の排気通路とを接続する排気ガス導入通路と、改質室と吸気通路とを接続する改質ガス導管と、排気ガス導入通路に取り付けられた水噴射ノズルおよび燃料供給装置とを備えている。水噴射ノズルから噴射された水と燃料供給装置から供給された燃料とは、改質室（改質触媒）を通過する過程で吸熱しつつ反応し、水素および一酸化炭素に変換される（水蒸気改質反応）。水素および一酸化炭素を含む改質後の燃料、つまり改質ガスは、改質ガス導入管を通じて吸気通路に導入され、インジェクタから噴射された燃料と混合された後に気筒の内部（燃焼室）に導入される。

ここで、水素および一酸化炭素を含む改質ガスは、改質前の燃料に比べてリーン限界が高く、しかも発熱量が高い。したがって、このような改質ガスを含む燃料を気筒に導入して燃焼させることにより、エンジンの燃費性能が改善する等の効果が期待できる。

特開２０１０−２５０３１号公報

しかしながら、上記特許文献１のエンジンでは、排気通路の途中に設けられた改質室にて燃料が改質されるとともに、改質後の燃料つまり改質ガスが改質ガス導管を通じて気筒に導入されるので、改質ガスの全部を気筒に導入できない可能性がある。例えば、改質ガスの一部が気筒への導入経路ではない別の経路（改質室よりも下流側の排気通路）に流出したり、改質されなかった燃料が排気通路や改質室の内壁等に付着してそのまま残留する可能性がある。このような事態が生じると、改質ガスの一部しか燃焼に利用されなくなるので、燃料を改質したことによる効果が減殺されて、十分な燃費改善効果が得られなくなると考えられる。

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、改質した燃料を無駄なく利用することでエンジンの燃費性能をより向上させることが可能なエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するためのものとして、本発明は、ピストンが往復動可能に収容された気筒と、ガソリンを含有する燃料を気筒内に噴射する燃料噴射弁と、気筒内に水を噴射する水噴射弁と、気筒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、気筒から既燃ガスを排出するための排気ポートを開閉する排気弁とを備えたエンジンを制御する装置であって、排気上死点を挟んで前記吸気弁および排気弁の双方が閉弁するネガティブオーバラップ期間が設けられるように前記吸気弁および排気弁を開閉制御するバルブ制御部と、前記ネガティブオーバラップ期間中に前記燃料噴射弁から燃料を噴射させる燃料噴射制御部と、前記ネガティブオーバラップ期間中に前記水噴射弁から水を噴射させる水噴射制御部とを備え、前記燃料噴射弁からの燃料の噴射タイミングおよび前記水噴射弁からの水の噴射タイミングは、噴射された燃料および水の少なくとも一部が水素および一酸化炭素に変化する水蒸気改質反応が前記ネガティブオーバラップ期間中に起きるようなタイミングであって、前記気筒内の温度が燃料の低温酸化反応が起きる温度域に含まれるかこれを超える温度にあるときに前記燃料および水が存在するようなタイミングに設定される、ことを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、排気上死点を挟んで吸・排気弁の双方が閉弁するネガティブオーバラップ期間が形成されることにより、気筒の内部に既燃ガスを残留させる内部ＥＧＲが実現されるとともに、残留した既燃ガス（内部ＥＧＲガス）がネガティブオーバラップ期間中のピストンの上昇により圧縮されて、気筒の内部が高温・高圧化される。そして、このように高温・高圧化された気筒に燃料および水が噴射されることにより、噴射された燃料の一部が周囲から熱を吸収しつつ水と反応して、水素および一酸化炭素に変換される（水蒸気改質反応）。ここで、水素および一酸化炭素は、改質前の燃料（ガソリン）に比べてエンタルピーが高い。このようなエンタルピーの高い改質後の燃料が膨張行程で燃焼させられると、当該燃焼に伴ってより多くの熱が発生するので、燃料を改質しなかった場合に比べてピストンを押し下げる仕事（膨張仕事）が増大する。このことは、気筒から排出されるはずの熱（排熱）の一部を仕事として取り出すこと、つまり排熱回収が実現されたことを意味する。すなわち、燃料として投入されたエネルギーのうち仕事に変換される割合である図示効率を当該排熱回収によって向上させることができる。しかも、燃料の改質が気筒の内部で行われるので、例えば気筒の外部で燃料を改質して改質後の燃料を気筒に導入する場合と異なり、改質後の燃料を基本的に全て気筒内で燃焼させることができ、その燃焼エネルギーを利用してより効率よく仕事を取り出すことができる。さらに、改質反応の進行に伴って熱が吸収されるので、ネガティブオーバラップ期間中の筒内温度を抑制することができ、エンジンの冷却損失を低減することができる。このように、本発明では、排熱回収による図示効率の向上と冷却損失の低減とを両立できるので、エンジンの燃費性能を効果的に向上させることができる。

好ましくは、前記燃料噴射制御部は、前記水噴射弁から水が噴射されるのと同時かそれより遅れて前記燃料噴射弁から燃料を噴射させる（請求項２）。

この構成によれば、燃料の改質反応が始まる前に十分な量の水を気筒に供給できるので、改質反応を促進することができる。

前記構成において、より好ましくは、前記水噴射制御部は、前記気筒内の温度（筒内温度）が、燃料の低温酸化反応が起きる温度域に含まれるかこれを超える温度まで上昇した時点で、前記水噴射弁から水を噴射させる（請求項３）。

このように、燃料の低温酸化反応が起きる温度域（低温酸化反応領域）以上に筒内温度が上昇するのを待ってから水を噴射するようにした場合には、例えばネガティブオーバラップ期間の初期に水を噴射した場合と異なり、筒内温度の上昇が水噴射によって阻害される程度を小さくでき、筒内温度を効率よく上昇させることができる。すなわち、ネガティブオーバラップ期間の初期においては、気筒が密閉された状態でピストンが比較的速いスピードで上昇するので、このピストンの上昇（圧縮）に伴い筒内温度が急速に上昇する。しかしながら、仮にこのような温度上昇し易い時期に水噴射が行われたとすると、噴射された水の吸収潜熱によって温度上昇が阻害されて、筒内温度が十分に高い値まで上昇しないおそれがある。これに対し、前記構成では、低温酸化反応領域以上という十分に高い温度にまで上昇した時点で水が噴射されるので、ネガティブオーバラップ期間の初期に効率よく筒内温度を上昇させることができ、燃料を改質するのに必要な高温・高圧の筒内環境を高い確率で実現することができる。

好ましくは、前記バルブ制御部は、排気上死点から前記吸気弁の開時期までのクランク角範囲の方が、前記排気弁の閉時期から排気上死点までのクランク角範囲よりも大きくなるように、前記吸気弁および排気弁を開閉駆動する（請求項４）。

このように、ネガティブオーバラップ期間の前半部（排気弁の閉時期から排気上死点までのクランク角範囲）よりも、ネガティブオーバラップ期間の後半部（排気上死点から吸気弁の開時期までのクランク角範囲）を長くした場合には、燃料を含む気筒内のガスが吸気弁の開弁に伴い吸気ポートに逆流するのを効果的に防止することができる。すなわち、本発明では、ネガティブオーバラップ期間中に燃料および水が噴射される（つまり気筒内のガス量が増やされる）ので、仮にネガティブオーバラップ期間の前半部と後半部とを同じ長さに設定した場合には、ネガティブオーバラップ期間の開始時（排気弁の閉時期）よりも、ネガティブオーバラップ期間の終了時（吸気弁の開時期）の方が筒内圧力が高くなる。このことは、吸気弁の開弁直後に気筒内のガスが吸気ポートに逆流する現象を生じさせるので、気筒内に存在する燃料の量が減少することにつながる。これに対し、ネガティブオーバラップ期間の前半部よりも後半部を長くした前記構成によれば、前記のような吸気ポートへの逆流現象を防止できるので、所期の量の燃料を気筒内に確保することができ、十分な出力トルクを発生させることができる。

好ましくは、前記水噴射弁は、１００℃以上の水を５ＭＰａ以上の圧力で噴射するもの（請求項５）。

このように、比較的高温・高圧の水を水噴射弁から噴射するようにした場合には、ネガティブオーバラップ期間中に高圧化する気筒の内部に支障なく水を噴射できるとともに、当該水噴射に伴って筒内温度が低下する程度を小さくすることができ、燃料の改質反応が温度低下により阻害されるのを防止することができる。

前記気筒の幾何学的圧縮比は、１６以上３０以下に設定されることが好ましい（請求項６）。

この構成によれば、ネガティブオーバラップ期間をそれほど長くしなくても、排気弁の閉時期から排気上死点までの間のピストンのストローク量（圧縮量）を確保でき、ネガティブオーバラップ期間中の筒内温度を十分に高くすることができる。これにより、気筒に導入される吸気量が大幅に減少するのを回避しつつ、ネガティブオーバラップ期間中の高温の気筒内で燃料を確実に改質することができる。

前記構成において、より好ましくは、圧縮行程後期または膨張行程初期に火花を放電して気筒内の燃料に点火する火花点火を実行可能な点火プラグがエンジンに備えられ、前記バルブ制御部は、前記火花点火による強制着火により気筒内に火炎核が形成された後に当該火炎核の周囲の燃料が自着火するＳＡＣＩ燃焼が実現可能な有効圧縮比が達成されるように、前記吸気弁の閉時期を設定することが好ましい（請求項７）。

この構成によれば、水素および一酸化炭素を含む改質後の燃料の特性を利用して、熱効率に優れかつ制御性の高い燃焼を実現することができる。すなわち、改質後の燃料に含まれる水素は、改質前の燃料（ガソリン）に比べて火炎伝播速度が速いという特性を有するので、このような水素を含む改質後の燃料に対し火花点火を行うことにより、迅速かつ確実に火炎核を形成することができる。火炎核が形成されると、これに伴う気筒内の高温・高圧化によって火炎核の周囲の燃料が同時多発的に自着火する。これにより、短時間で燃焼が進行し、排気損失の少ない熱効率に優れた燃焼を実現することができる。しかも、燃料の自着火のタイミングを火花点火によりコントロールできるので、運転条件ごとに所望の燃焼パターンを得ることが容易になり、燃焼制御性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、改質した燃料を無駄なく利用することができ、エンジンの燃費性能をより向上させることができる。

本発明の一実施形態にかかるエンジンの全体構成を示す図である。エンジン本体の断面図である。吸気弁および排気弁のリフト特性の設定例を示す図である。エンジンの制御系統を示すブロック図である。エンジンの運転状態に応じた制御の相違を示すマップ図である。エンジンの低・中負荷域（第１運転領域）で実行される制御の内容を説明するためのタイムチャートである。燃料の改質によりエンタルピー（発熱量）が増大することを説明するためのグラフである。燃料の改質率に応じて自着火のタイミングが変化することを説明するためのグラフである。

（１）エンジンの全体構成
図１および図２は、本発明の制御装置が適用されたエンジンの好ましい実施形態を示す図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された４サイクルのガソリンエンジンであり、列状に並ぶ４つの気筒２を含む直列多気筒型のエンジン本体１と、エンジン本体１に導入される吸気が流通する吸気通路２０と、エンジン本体１から排出される排気ガスが流通する排気通路３０と、排気通路３０を流通する排気ガスから取り出した水をエンジン本体１の各気筒２に供給する水供給システム５０とを備えている。

エンジン本体１は、図２に示すように、気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、気筒２を上から塞ぐようにシリンダブロック３の上面に取り付けられたシリンダヘッド４と、各気筒２にそれぞれ往復動可能に収容されたピストン５とを有している。

ピストン５の上方には燃焼室Ｃが画成されており、この燃焼室Ｃには、燃料として、後述する燃料噴射弁１１から噴射されるガソリンが供給される。そして、供給された燃料（ガソリン）が燃焼室Ｃで燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン５が上下方向に往復運動するようになっている。

ピストン５の下方には、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸１５が配設されている。クランク軸１５は、ピストン５とコネクティングロッド１４を介して連結され、ピストン５の往復運動に応じて中心軸回りに回転する。シリンダブロック３には、クランク軸１５の回転角度（クランク角）を検出するクランク角センサＳＮ１が設けられている。なお、クランク角センサＳＮ１は、クランク軸１５の回転速度つまりエンジン本体１の出力回転速度を検出するためのセンサを兼ねている。

ピストン５の冠面（上面）には、その中央部をシリンダヘッド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。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Ｃの大部分を占める容積を有するように形成されている。

シリンダヘッド４には、図外の燃料ポンプから供給された燃料（ガソリン）を燃焼室Ｃに噴射する燃料噴射弁１１が、各気筒２につき１つずつ（合計４つ）設けられている。各燃料噴射弁１１は、燃焼室Ｃに吸気側の側方から燃料を噴射するように設けられており、気筒２の中心軸を挟んで後述する水噴射弁５７と対向するように配置されている。

また、シリンダヘッド４には、燃焼室Ｃに火花を放電する点火プラグ１２が、各気筒２につき１つずつ（合計４つ）設けられている。各点火プラグ１２は、気筒２の中心軸の近傍において燃焼室Ｃに露出する電極を有しており、当該電極で発生する火花を着火エネルギーとして供給することにより、燃料噴射弁１１から噴射された燃料を強制的に着火させる。

点火プラグ１２の電極から火花が放電されると、当該電極付近に火炎核が形成されて、火炎核からその外側へと徐々に燃焼領域が広がっていく（火炎伝播）。ただし、当実施形態では、燃焼室Ｃに噴射された燃料の全てが火炎伝播により燃焼するわけではなく、少なくとも一部の燃料は自着火により燃焼する。このように、当実施形態では、火花点火（強制着火）により火炎核が形成されるのをきっかけにその周囲の燃料を自着火させる、いわゆるＳＡＣＩ燃焼（Spark Asisted Compression Ignition Combustion）が、エンジンの全ての運転領域において実行されるようになっている。

上記のようなＳＡＣＩ燃焼を可能にするためには、火花点火の直前における気筒２の内部温度（以下、筒内温度という）が、ピストン５による圧縮に伴って十分に高温になっている必要がある。このため、当実施形態では、各気筒２の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン５が上死点にあるときの燃焼室Ｃの容積とピストン５が下死点にあるときの燃焼室Ｃの容積との比が、１６以上３０以下に設定されている。

図２に示すように、シリンダヘッド４には、気筒２ごとに、吸気通路２０から供給される空気を燃焼室Ｃに導入するための吸気ポート６と、燃焼室Ｃで生成された既燃ガス（排気ガス）を排気通路３０に導出するための排気ポート７と、吸気ポート６の燃焼室Ｃ側の開口を開閉する吸気弁８と、排気ポート７の燃焼室Ｃ側の開口を開閉する排気弁９とがそれぞれ設けられている。

吸気弁８および排気弁９は、図外の弁駆動装置により、クランク軸１５の回転に連動して開閉駆動される。

吸気弁８用の弁駆動装置には、吸気弁８のリフト特性を２段階に変更する切替機構１８（図４）が内蔵されている。詳細は省略するが、切替機構１８は、プロフィールの異なる２種類のカムと、これら２種類のカムのいずれかにより吸気弁８が押圧されるようにカムをシフトさせるシフト駆動部とを有している。そして、吸気弁８を押圧するカムがシフト駆動部により切り替えられることにより、吸気弁８のリフト特性は、図３において実線の波形ＩＮ１で示す第１特性と、破線の波形ＩＮ２で示す第２特性との間で切り替えられる。第２特性ＩＮ２は第１特性ＩＮ１に比べてリフト量が大きくかつ開弁期間が長くされている。第２特性ＩＮ２が選択されると、吸気弁８は、開弁期間が吸気行程の全期間と重なるように、つまり排気上死点（ＴＤＣ）よりも早く開きかつ吸気下死点（右側のＢＤＣ）よりも遅く閉じるように駆動される。これに対し、第１特性ＩＮ１が選択されると、吸気弁８は、排気上死点よりも遅く（吸気行程の途中で）開きかつ吸気下死点よりも遅く閉じるように駆動される。言い換えると、吸気弁８の第１特性ＩＮ１は、第２特性ＩＮ２に対し、閉時期をほぼ固定したまま開時期を遅角側にずらした（これに伴ってリフト量のピークを遅角側にずらした）ような特性に設定されている。

同様に、排気弁９用の弁駆動装置には、排気弁９の開閉特性を２段階に変更する切替機構１９（図４）が内蔵されている。切替機構１９は、吸気弁用の切替機構１８と同様の構造を有しており、排気弁９を押圧するカムを２種類のカムの間で切り替えることにより、排気弁９のリフト特性を、図３において実線の波形ＥＸ１で示す第１特性と、破線の波形ＥＸ２で示す第２特性との間で切り替える。第２特性ＥＸ２は第１特性ＥＸ１に比べてリフト量が大きくかつ開弁期間が長くされている。第２特性ＥＸ２が選択されると、排気弁９は、開弁期間が排気行程の全期間と重なるように、つまり膨張下死点（左側のＢＤＣ）よりも早く開きかつ排気上死点（ＴＤＣ）よりも遅く閉じるように駆動される。これに対し、第１特性ＥＸ１が選択されると、排気弁９は、膨張下死点よりも早く開きかつ排気上死点よりも早く（排気行程の途中で）閉じるように駆動される。言い換えると、排気弁９の第１特性ＥＸ１は、第２特性ＥＸ２に対し、開時期をほぼ固定したまま閉時期を進角側にずらした（これに伴ってリフト量のピークを進角側にずらした）ような特性に設定されている。

なお、本明細書において、吸気弁８／排気弁９の開時期および閉時期は、それぞれ、バルブリフトカーブの最初と最後の部分に設けられるランプ部（バルブリフト量の変化が緩やかな緩衝区間）を除いた区間をバルブの開弁期間として定義した場合における開時期および閉時期であって、リフト量が完全にゼロになる時期を指すものではない。当実施形態では、バルブのリフト量が０ｍｍから０．４ｍｍに増大した時点が開時期であり、その後にリフト量が０．４ｍｍまで低下した時点が閉時期である。

吸気弁８のリフト特性および排気弁９のリフト特性がともに第１特性ＥＸ１，ＥＸ２とされると、排気行程の途中から吸気行程の途中までの所定期間にわたって、吸気弁８および排気弁９の双方が閉じたままになる。言い換えると、排気上死点を挟んで吸・排気弁８，９の双方が閉じるネガティブオーバラップ期間Ｘが形成される。このようなネガティブオーバラップ期間Ｘが形成されると、直前の膨張行程での燃焼により生成された既燃ガスの一部が気筒２から排出されずに残留することになる。つまり、既燃ガスの一部を気筒２に残留させて気筒２の高温化を図る内部ＥＧＲが実現される。

ネガティブオーバラップ期間Ｘのうち、排気弁９の閉時期から排気上死点までのクランク角範囲を前半部Ｘ１とし、排気上死点から吸気弁８の開時期までのクランク角範囲を後半部Ｘ２とすると、当実施形態では、前半部Ｘ１よりも後半部Ｘ２の方が長くなるように、吸・排気弁８，９のリフト特性（第１特性ＥＸ１，ＥＸ２）が設定されている。

図１に示すように、吸気通路２０は、単管状の共通吸気管２２と、共通吸気管２２の下流端から枝分かれするように形成された吸気マニホールド２１とを有している。吸気マニホールド２１の各枝管は、各気筒２と吸気ポート６を介して連通するようにエンジン本体１（シリンダヘッド４）に接続されており、共通吸気管２２の下流端部は、吸気マニホールド２１の枝管の集合部（各枝管の上流端どうしが集合した部分）に接続されている。なお、本明細書において、吸気通路２０における上流（または下流）とは、吸気通路２０を流通する吸気の流れ方向の上流（または下流）のことをいう。

共通吸気管２２には、吸気中に含まれる異物を除去するエアクリーナ２５と、共通吸気管２２を流通する吸気の流量を調整する開閉可能なスロットル弁２７とが、上流側からこの順に設けられている。さらに、共通吸気管２２におけるスロットル弁２７よりも下流側には、共通吸気管２２を流通する吸気の流量を検出するエアフローセンサＳＮ２と、吸気の温度を検出する吸気温センサＳＮ３とが設けられている。

排気通路３０は、単管状の共通排気管３２と、共通排気管３２の上流端から枝分かれするように形成された排気マニホールド３１とを有している。排気マニホールド３１の各枝管は、各気筒２と排気ポート７を介して連通するようにエンジン本体１（シリンダヘッド４）に接続されており、共通排気管３２の上流端部は、排気マニホールド３１の枝管の集合部（各枝管の下流端どうしが集合した部分）に接続されている。なお、本明細書において、排気通路３０における上流（または下流）とは、排気通路３０を流通する排気ガスの流れ方向の上流（または下流）のことをいう。

共通排気管３２には、触媒装置３５、熱交換器５４、およびコンデンサ５１が、上流側からこの順に設けられている。

触媒装置３５は、排気ガス中に含まれる有害成分を浄化するためのものであり、例えば、三元触媒、酸化触媒、およびＮＯｘ触媒のいずれかもしくはその組合せからなる触媒を内蔵している。なお、このような触媒に加えて、排気ガス中のＰＭを捕集するためのフィルターが含まれていてもよい。

コンデンサ５１は、排気ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させるものであり、熱交換器５４は、コンデンサ５１で生成された凝縮水を加熱するものである。これらコンデンサ５１および熱交換器５４は、水供給システム５０の一部を構成する要素である（詳細は後述する）。

（２）水供給システムの具体的構成
図１に示すように、水供給システム５０は、上述したコンデンサ５１および熱交換器５４と、コンデンサ５１で生成された凝縮水を貯留する水タンク５２と、水タンク５２に貯留された凝縮水を熱交換器５４に向けて圧送する送水ポンプ５３と、送水ポンプ５３で加圧されかつ熱交換器５４で加熱された高温・高圧の水を保温しつつ蓄圧状態で貯留する蓄圧レール５６と、蓄圧レール５６に貯留された水を気筒２に噴射するために各気筒２につき１つずつ（合計４つ）設けられた水噴射弁５７と、コンデンサ５１と水タンク５２とを接続する第１水配管６１と、水タンク５２と熱交換器５４とを接続する第２水配管６２と、熱交換器５４と蓄圧レール５６とを接続する第３水配管６３と、蓄圧レール５６と各水噴射弁５７とを接続する複数の（４つの）分配管６４とを有している。

コンデンサ５１は、共通排気管３２を流通する排気ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させるための熱交換器であり、所定の冷媒（例えばエンジンの冷却水）との熱交換により排気ガスを冷却することで、当該排気ガス中の水蒸気を凝縮させる。コンデンサ５１で生成された凝縮水は、第１水配管６１を通じて下流側に流出し、水タンク５２内に貯留される。

送水ポンプ５３は、第２水配管６２の途中部に設けられており、水タンク５２内に貯留された凝縮水を加圧しつつ熱交換器５４に向けて送り出す。

熱交換器５４は、送水ポンプ５３から供給された水を、コンデンサ５１に流入する前の排気ガスとの熱交換により加熱するように設けられている。詳細な図示は省略するが、熱交換器５４は、共通排気管３２のうち触媒装置３５とコンデンサ５１との間に位置する部分に挿入された小径かつ長尺形状の細管５４ａと、この細管５４ａが挿入される部分の共通排気管３２を覆うように設けられた保温ケース５４ｂとを有している。

熱交換器５４で加熱された水は、第３水配管６３を通じて下流側に送り出され、蓄圧レール５６に貯留される。蓄圧レール５６には、内部の水の圧力を検出する水圧センサＳＮ４が設けられている。

蓄圧レール５６に貯留された水は、上記のような熱交換器５４による加熱と送水ポンプ５３による加圧とを経て、その温度および圧力が２００℃以上／１０ＭＰａ以上にまで高められている。圧力が１０ＭＰａ以上と高いため、２００℃以上に加熱されても水は沸騰せず、液体の状態を維持している。そして、このような状態で蓄圧レール５６に貯留された水は、必要時に水噴射弁５７を通じて気筒２に噴射される。すなわち、当実施形態において水噴射弁５７から気筒２に噴射される水は、２００℃以上の温度と１０ＭＰａ以上の圧力とを有した高温・高圧の液体水である。

（３）エンジンの制御系統
図４は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるＰＣＭ１００は、エンジンを統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。

ＰＣＭ１００には各種センサによる検出信号が入力される。例えば、ＰＣＭ１００は、上述したクランク角センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ２、吸気温センサＳＮ３、および水圧センサＳＮ４と電気的に接続されており、これらのセンサによって検出された情報（つまりクランク角、吸気流量、吸気温度、水圧等）が電気信号としてＰＣＭ１００に逐次入力されるようになっている。

また、車両には、当該車両を運転するドライバーにより操作されるアクセルペダル（図示省略）の開度を検出するアクセルセンサＳＮ５が設けられており、このアクセルセンサＳＮ５による検出信号もＰＣＭ１００に入力される。

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、燃料噴射弁１１、吸・排気弁８，９用の切替機構１８，１９、スロットル弁２７、送水ポンプ５３、および水噴射弁５７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制御用の信号を出力する。

上記のような制御に関する機能要素として、ＰＣＭ１００は、燃料噴射制御部１０１、水噴射制御部１０２、バルブ制御部１０３、および点火制御部１０４とを含んでいる。

燃料噴射制御部１０１は、エアフローセンサＳＮ２およびアクセルセンサＳＮ５の各検出値（吸気流量およびアクセル開度）から特定されるエンジン負荷と、クランク角センサＳＮ１により検出されるエンジン回転速度とに基づいて、燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量および噴射タイミングを決定し、その決定に従って燃料噴射弁１１を制御する。

水噴射制御部１０２は、水圧センサＳＮ４により検出される蓄圧レール５６の内部圧力（蓄圧レール５６内に貯留されている水の圧力）に基づいて、当該圧力が所要圧力（１０ＭＰａ）以上に保持されるように送水ポンプ５３を駆動する。また、水噴射制御部１０２は、上記エンジン負荷および回転速度と、吸気温センサＳＮ３により検出される吸気温度とに基づいて水噴射弁５７からの水の噴射量および噴射タイミングを決定し、その決定に従って水噴射弁５７を制御する。

バルブ制御部１０３は、吸気弁８および排気弁９のリフト特性がそれぞれ第１特性ＩＮ１，ＥＸ１になる状態と、各弁８，９のリフト特性がそれぞれ第２特性ＩＮ２，ＥＸ２になる状態とのいずれを選択すべきかを上記エンジン負荷および回転速度等に基づいて決定し、その決定に従って切替機構１８，１９を制御する。

点火制御部１０４は、上記エンジン負荷および回転速度等に基づいて点火プラグ１２からの火花を放電するタイミング（点火タイミング）を決定し、その決定に従って点火プラグ１２を制御する。

（４）運転条件に応じた制御
次に、ＰＣＭ１００による燃料噴射弁１１、切替機構１８，１９、および水噴射弁５７の制御について詳しく説明する。

図５は、エンジンの運転条件（負荷／回転速度）に応じた制御の相違を説明するためのマップ図である。先にも述べたとおり、当実施形態では、エンジンの全ての運転領域において、点火プラグ１２により燃料と空気との混合気に点火してその点火点の周囲の混合気を自着火させるＳＡＣＩ燃焼が実行される。ただし、当実施形態では、エンジンの高負荷域に相当する第２運転領域Ａ２と、エンジンの低負荷域および中負荷域に相当する第１運転領域Ａ１とで、異なる態様のＳＡＣＩ燃焼が実行されるようになっている。具体的に、低・中負荷の第１運転領域Ａ１では、燃料を改質させた後に自着火させるＳＡＣＩ燃焼が実行され、高負荷の第２運転領域Ａ２では、改質処理を経ずに燃料を自着火させるＳＡＣＩ燃焼が実行される。このため、第１運転領域Ａ１と第２運転領域Ａ２とでは、水噴射弁５７からの水噴射の有無、吸・排気弁８，９のバルブ特性、および燃料噴射弁１１からの燃料噴射タイミングがそれぞれ異なるものとされる。

（ｉ）第１運転領域での制御
図６は、第１運転領域Ａ１（低・中負荷域）で実行される制御の内容を説明するためのタイムチャートである。本図に示すように、第１運転領域Ａ１では、吸気弁８および排気弁９のリフト特性がそれぞれ第１特性ＩＮ１，ＥＸ１になるように切替機構１８，１９が制御され、排気上死点（左側のＴＤＣ）の前後にわたってネガティブオーバラップ期間Ｘが形成される。また、このネガティブオーバラップ期間Ｘ中に水噴射弁５７から水が噴射され、かつ燃料噴射弁１１から燃料が噴射される。さらに、圧縮上死点（右側のＴＤＣ）の近傍において点火プラグ１２から火花が放電される。

具体的に、水噴射弁５７からの水噴射は、ネガティブオーバラップ期間Ｘの前半部Ｘ１（排気弁９の閉時期から排気上死点までの間）であって燃料の低温酸化反応が起きる温度域以上にまで筒内温度が上昇した時点で実行される。すなわち、ネガティブオーバラップ期間Ｘの前半では、吸気弁８および排気弁９の双方が閉じた状態でピストン５が上昇するので、これに伴って気筒２内に存在するガス（主に既燃ガス）が圧縮される。これにより、筒内温度は、少なくとも排気上死点に到達する前の時点において、燃料の低温酸化反応が起きる温度域にまで上昇するか、もしくはこれを超える温度にまで上昇する。なお、低温酸化反応とは、燃料が激しく酸化する反応（火炎の発生を伴う反応）である高温酸化反応よりも前の段階で生じる緩慢な酸化反応のことであり、約５００℃以上６５０℃以下の温度域で起きる反応である。以下では、このような低温酸化反応が起きる温度域（約５００〜６５０℃）のことを低温酸化反応領域という。水噴射制御部１０２は、例えばクランク角センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ２、アクセルセンサＳＮ５、および吸気温センサＳＮ３により特定される各時点でのエンジン負荷／回転速度および吸気温度等に基づいて、低温酸化反応領域に含まれるかこれを超える所定温度（例えば５００〜７５０℃のいずれか）にまで筒内温度が上昇するクランク角を演算により特定し、特定したクランク角が到来した時点で水噴射弁５７から所定量の水を噴射させる。

燃料噴射弁１１からの燃料噴射は、水噴射弁５７からの水噴射よりも幾分遅れたタイミングで実行される。具体的に、燃料噴射制御部１０１は、水噴射弁５７からの水噴射よりも遅くかつ排気上死点よりも早くなるように予め定められたタイミングで燃料噴射弁１１から燃料を噴射させる。また、このときに噴射する燃料の量は、エンジン負荷／回転速度に基づいて決定され、例えば同一の回転速度下においてエンジン負荷が高いほど噴射量が多くなるように決定される。

上記のようにして気筒２に噴射された燃料および水は、その一部がネガティブオーバラップ期間中の高温環境下で反応して、水素および一酸化炭素へと変化する。この反応は、水を用いて燃料（ガソリン）を改質するいわゆる水蒸気改質反応と呼ばれるもので、下式（１）により表すことができる。なお、ここではガソリン中の代表的な成分であるイソオクタン（Ｃ₈Ｈ₁₈）の改質反応を示す。

Ｃ₈Ｈ₁₈＋８Ｈ₂Ｏ → ８ＣＯ＋１７Ｈ₂ ＋１１ＭＪ／ｋｇ・・・（１）
ここに、右辺の「＋１１ＭＪ／ｋｇ」は、１ｋｇの反応が進むごとに１１ＭＪの熱が吸収されること、つまりこの反応が吸熱反応であることを表している。

上述した水蒸気改質反応は、ネガティブオーバラップ期間Ｘ中における筒内温度の最大値が高いほど進行し易く、また、燃料の噴射後において筒内温度が低温酸化反応領域を超えている時間が長いほど進行し易い。このため、噴射された燃料（ガソリン）のうち水素（Ｈ₂）および一酸化炭素（ＣＯ）に変化する割合を燃料改質率とすると、この燃料改質率は、燃料の噴射タイミングを変更することにより調整することが可能である。例えば、ネガティブオーバラップ期間Ｘ中の筒内温度の最大値が同一の条件下では、燃料噴射タイミングが早いほど燃料改質率が高くなり、燃料噴射タイミングが遅いほど燃料改質率が低くなる。言い換えると、エンジン負荷の相違等により筒内温度の最大値が異なるような場合でも、燃料噴射タイミングを調整すれば燃料改質率を同程度の値にすることができる。具体的には、筒内圧力の最大値が高い場合には低い場合に比べて燃料噴射タイミングを遅くすることにより、燃料改質率を同程度の値にすることができる。

ここで、当実施形態では、上述した燃料改質率が概ね４０％以上６０％以下になるように燃料噴射タイミングが調整される。これは、ＳＡＣＩ燃焼に適した燃料の特性を得るのに適当だからである（詳しくは後述する）。燃料改質率が４０〜６０％とされることにより、改質後の燃料は、水素（Ｈ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）、ガソリン（Ｃ₈Ｈ₁₈）、が混じった混合物となる。

上記のようにしてネガティブオーバラップ期間Ｘ中に改質された燃料（ガソリン、水素、および一酸化炭素の混合物）は、その後の吸気弁８の開弁に伴い気筒２に導入される空気と混合される。そして、圧縮行程が到来して吸気弁８が閉弁されると、その閉弁時点から気筒２内のガス（改質後の燃料、空気、および既燃ガスの混合体）が実質的に圧縮され始め、圧縮上死点（右側のＴＤＣ）の近傍において、燃料が自着火し得る寸前の状態まで気筒２の内部が高温・高圧化される。言い換えると、当実施形態では、各気筒２の有効圧縮比、つまりピストン５が上死点にあるときの燃焼室Ｃの容積と吸気弁８が閉じた時点での燃焼室Ｃの容積との比が、燃料が自着火寸前の状態になるまで（火花点火をすれば容易に自着火するような状態になるまで）気筒２を高温・高圧化できるような値に設定されている。

気筒２の内部が上記のように高温・高圧化した時点で、点火プラグ１２による火花点火が実行される。すなわち、点火制御部１０４は、燃料が自着火寸前の状態になるタイミングとして運転条件（エンジン負荷／回転速度）ごとに予め定められたクランク角が到来した時点で、点火プラグ１２に通電して当該点火プラグ１２の電極から火花を放電させる。

図６には、圧縮上死点とほぼ同時に火花点火が実行されるケースが例示されている。この火花点火による強制着火により、点火プラグ１２の電極付近に火炎核が形成され、当該火炎核の形成により気筒２の内部がさらに高温・高圧化する。すると、火花点火の時点で自着火寸前の状態であった燃料は、上記火炎核の形成をきっかけに火炎核の周囲で同時多発的に自着火する。すなわち、火花点火（火炎核の形成）をきっかけに燃料が自着火、燃焼するＳＡＣＩ燃焼が実現される。

ここで、図６の例では、点火タイミングが圧縮上死点とほぼ一致するタイミングに設定されているが、エンジンの運転条件（負荷／回転速度）によっては、圧縮上死点から進角側にずれたタイミングに設定されることもあり得るし、圧縮上死点から遅角側にずれたタイミングに設定されることもあり得る。ただし、いずれの場合でも、点火タイミングは、圧縮行程後期および膨張行程初期のいずれかには含まれるように設定される。なお、ここでいう圧縮行程後期とは、圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）６０°ＣＡから圧縮上死点までの範囲のことであり、膨張行程初期とは、圧縮上死点から圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）６０°ＣＡまでの範囲のことである。すなわち、当実施形態では、点火タイミングが圧縮行程後期または膨張行程初期（ＢＴＤＣ６０°ＣＡ〜ＡＴＤＣ６０°ＣＡ）に含まれるように点火プラグ１２が制御される。

（ii）第２運転領域での制御
第１運転領域Ａ１よりも負荷の高い第２運転領域Ａ２では、燃料の改質処理を伴わない通常のＳＡＣＩ燃焼が実行される。具体的に、この第２運転領域Ａ２では、吸気弁８および排気弁９のリフト特性がそれぞれ第２特性ＩＮ２，ＥＸ２（図３参照）になるように切替機構１８，１９が制御される。これは、ネガティブオーバラップ期間Ｘの形成を解消して高負荷に見合った多くの空気（新気）を気筒２に導入するためである。そして、例えば吸気弁８の閉弁から圧縮上死点までの間（つまり圧縮行程中）に燃料噴射弁１１から燃料が噴射されるとともに、その燃料噴射の後で点火プラグ１２による火花点火が実行される。すると、この火花点火による強制着火により火炎核が形成され、当該火炎核の周囲の燃料が自着火することにより、ＳＡＣＩ燃焼が実現される。なお、第２運転領域Ａ２では水蒸気改質反応による燃料の改質処理をする必要がないので、水噴射弁５７による水噴射は当然に停止される。

（５）作用効果
以上説明したとおり、当実施形態のエンジンでは、低・中負荷の第１運転領域Ａ１での運転時に、排気上死点を挟んで吸・排気弁８，９の双方が閉弁するネガティブオーバラップ期間Ｘが形成されるように吸・排気弁８，９が制御されるとともに、このネガティブオーバラップ期間Ｘ中に燃料噴射弁１１および水噴射弁５７からそれぞれ燃料および水が噴射されて、噴射された燃料の一部が気筒２内で水と反応して水素および一酸化炭素に変換される（水蒸気改質反応）。このような構成によれば、改質後の燃料を無駄なく利用することができ、エンジンの燃費性能を効果的に向上させることができる。

すなわち、上記実施形態では、排気上死点を挟んで吸・排気弁８，９の双方が閉弁するネガティブオーバラップ期間Ｘが形成されることにより、気筒２の内部に既燃ガスを残留させる内部ＥＧＲが実現されるとともに、残留した既燃ガス（内部ＥＧＲガス）がネガティブオーバラップ期間Ｘ中のピストン５の上昇により圧縮されて、気筒２の内部が高温・高圧化される。そして、このように高温・高圧化された気筒２に燃料および水が噴射されることにより、噴射された燃料の一部が周囲から熱を吸収しつつ水と反応して、水素および一酸化炭素に変換される（水蒸気改質反応）。ここで、水素および一酸化炭素は、改質前の燃料（ガソリン）に比べてエンタルピーが高い。例えば、図７に示すように、ガソリン中の代表的な成分であるイソオクタン（Ｃ₈Ｈ₁₈）が全て水素および一酸化炭素（Ｈ₂＋ＣＯ）に変換されたと仮定すると、改質後の燃料は、改質前のイソオクタンに比べて２４％高いエンタルピーを有する。このような改質後の燃料が膨張行程で燃焼させられると、当該燃焼に伴ってより多くの熱が発生するので、燃料を改質しなかった場合に比べてピストン５を押し下げる仕事（膨張仕事）が増大する。このことは、気筒２から排出されるはずの熱（排熱）の一部を仕事として取り出すこと、つまり排熱回収が実現されたことを意味する。すなわち、燃料として投入されたエネルギーのうち仕事に変換される割合である図示効率を当該排熱回収によって向上させることができる。しかも、燃料の改質が気筒２の内部で行われるので、例えば気筒２の外部で燃料を改質して改質後の燃料を気筒２に導入する場合と異なり、改質後の燃料を基本的に全て気筒２内で燃焼させることができ、その燃焼エネルギーを利用してより効率よく仕事を取り出すことができる。さらに、改質反応の進行に伴って熱が吸収されるので、ネガティブオーバラップ期間Ｘ中の筒内温度を抑制することができ、エンジンの冷却損失を低減することができる。このように、上記実施形態では、排熱回収による図示効率の向上と冷却損失の低減とを両立できるので、エンジンの燃費性能を効果的に向上させることができる。

また、上記実施形態では、水噴射弁５７からの水噴射よりも幾分遅れたタイミングで燃料噴射弁１１から燃料が噴射されるので、燃料の改質反応が始まる前に十分な量の水を気筒２に供給することができ、改質反応を促進することができる。

さらに、上記実施形態では、ネガティブオーバラップ期間Ｘの開始後、筒内温度が低温酸化反応領域（燃料の低温酸化反応が起きる温度域）に含まれるかこれを超える温度まで上昇した時点で、水噴射弁５７から水が噴射されるので、例えばネガティブオーバラップ期間Ｘの初期に水を噴射した場合と異なり、筒内温度の上昇が水噴射によって阻害される程度を小さくでき、筒内温度を効率よく上昇させることができる。すなわち、ネガティブオーバラップ期間Ｘの初期においては、気筒２が密閉された状態でピストン５が比較的速いスピードで上昇するので、このピストン５の上昇（圧縮）に伴い筒内温度が急速に上昇する。しかしながら、仮にこのような温度上昇し易い時期に水噴射が行われたとすると、噴射された水の吸収潜熱によって温度上昇が阻害されて、筒内温度が十分に高い値まで上昇しないおそれがある。これに対し、上記実施形態では、低温酸化反応領域以上という十分に高い温度にまで上昇した時点で水が噴射されるので、ネガティブオーバラップ期間Ｘの初期に効率よく筒内温度を上昇させることができ、燃料を改質するのに必要な高温・高圧の筒内環境を高い確率で実現することができる。

また、上記実施形態では、ネガティブオーバラップ期間Ｘの前半部Ｘ１（排気弁９の閉時期から排気上死点までのクランク角範囲）よりも、ネガティブオーバラップ期間Ｘの後半部Ｘ２（排気上死点から吸気弁８の開時期までのクランク角範囲）の方が長くされるので、燃料を含む気筒２内のガスが吸気弁８の開弁に伴い吸気ポート６に逆流するのを効果的に防止することができる。すなわち、上記実施形態では、ネガティブオーバラップ期間Ｘ中に燃料および水が噴射される（つまり気筒２内のガス量が増やされる）ので、仮にネガティブオーバラップ期間Ｘの前半部Ｘ１と後半部Ｘ２とを同じ長さに設定した場合には、ネガティブオーバラップ期間Ｘの開始時（排気弁９の閉時期）よりも、ネガティブオーバラップ期間Ｘの終了時（吸気弁８の開時期）の方が筒内圧力が高くなる。このことは、吸気弁８の開弁直後に気筒２内のガスが吸気ポート６に逆流する現象を生じさせるので、気筒２内に存在する燃料の量が減少することにつながる。これに対し、ネガティブオーバラップ期間Ｘの前半部Ｘ１よりも後半部Ｘ２を長くした上記実施形態によれば、上記のような吸気ポート６への逆流現象を防止できるので、所期の量の燃料を気筒２内に確保することができ、十分な出力トルクを発生させることができる。

また、上記実施形態では、水噴射弁５７から１０ＭＰａ以上の高い圧力で水が噴射されるので、ネガティブオーバラップ期間Ｘ中に高圧化する気筒２の内部に水噴射弁５７から支障なく水を噴射することができる。さらに、水噴射弁５７から噴射される水が２００℃以上の高温水とされるので、水噴射に伴って筒内温度が低下する程度を小さくすることができ、燃料の改質反応が温度低下により阻害されるのを防止することができる。

また、上記実施形態では、各気筒２の幾何学的圧縮比が１６以上３０以下に設定されているため、ネガティブオーバラップ期間Ｘをそれほど長くしなくても、排気弁９の閉時期から排気上死点までの間のピストンのストローク量（圧縮量）を確保でき、ネガティブオーバラップ期間Ｘ中の筒内温度を十分に高くすることができる。これにより、気筒２に導入される吸気量が大幅に減少するのを回避しつつ、ネガティブオーバラップ期間Ｘ中の高温の気筒２内で燃料を確実に改質することができる。

また、上記実施形態では、燃料を改質するための制御（ネガティブオーバラップ期間Ｘ中の水噴射および燃料噴射）が行われる第１運転領域Ａ１において、火花点火による強制着火により気筒内に火炎核を形成して当該火炎核の周囲の燃料を自着火させるＳＡＣＩ燃焼が実行されるので、水素および一酸化炭素を含む改質後の燃料の特性を利用して、熱効率に優れかつ制御性の高い燃焼を実現することができる。すなわち、改質後の燃料に含まれる水素は、改質前の燃料（ガソリン）に比べて火炎伝播速度が速いという特性を有するので、このような水素を含む改質後の燃料に対し火花点火を行うことにより、迅速かつ確実に火炎核を形成することができる。火炎核が形成されると、これに伴う気筒２内の高温・高圧化によって火炎核の周囲の燃料が同時多発的に自着火する。これにより、短時間で燃焼が進行し、排気損失の少ない熱効率に優れた燃焼を実現することができる。しかも、燃料の自着火のタイミングを火花点火によりコントロールできるので、運転条件ごとに所望の燃焼パターンを得ることが容易になり、燃焼制御性を高めることができる。

特に、上記実施形態では、噴射された燃料（ガソリン）のうち水素および一酸化炭素に変換される割合である燃料改質率が４０％以上６０％以下に設定されるので、意に反して火花点火よりも前に燃料が自着火するような事態を防止することができ、燃焼制御性をより高めることができる。

図８は、仮に火花点火によるアシストなしに（圧縮のみによって）燃料を自着火させた場合の着火時期が燃料改質率との関係でどのように変化するかを示したグラフである。このグラフによれば、改質率が約７０％未満の範囲では、燃料を改質した方が着火時期が遅くなる、つまり自着火し難い性質に変化することが分かる。より詳しくは、着火時期は、改質率を０％から徐々に大きくするにつれて遅くなり、約２０％に達したところで最も遅い着火時期が得られる。その後は、改質率が増えるほど着火時期の遅れ幅が徐々に小さくなり、改質率が約７０％に達したところで、改質前の燃料（つまり改質率＝０％の燃料）と同じ着火時期になる。そして、改質率が７０％よりも大きくなると、改質前の燃料よりもかえって着火時期が早くなる。

改質率と着火時期との関係が上記のような関係にある燃料を用いた上記実施形態において、その改質率を４０〜６０％に設定した場合には、改質後の燃料が、改質前よりも自着火し難い性質に変化することになる。これにより、エンジンの有効圧縮比を比較的高く設定しながら、火花点火よりも前に燃料が自着火するような事態を回避することができ、自着火のタイミングを火花点火により調整可能な制御性の高い燃焼を実現することができる。また、燃料の半分前後がエンタルピーの高い水素および一酸化炭素に変換されるので、排熱回収の効率を高めて燃費性能を効果的に向上させることができる。

（６）変形例
上記実施形態では、２００℃以上の温度を有する高温の水を１０ＭＰａ以上の圧力で水噴射弁５７から噴射するようにしたが、水噴射弁から噴射される水は、少なくとも温間時のエンジン冷却水よりも高い温度を有していればよく、また、水の噴射圧力は、ネガティブオーバラップ期間中の気筒（圧縮により高圧化された気筒）内に水を噴射し得る圧力であればよい。これらの観点から、水噴射弁から噴射される水の温度は１００℃以上であればよく、また、水の噴射圧力は５ＭＰａ以上であればよい。

また、上記実施形態では、ネガティブオーバラップ期間Ｘ中に低温酸化反応領域以上の高い温度（例えば５００〜７５０℃）まで筒内温度が上昇した時点で水噴射弁５７から水を噴射するようにしたが、水噴射のタイミングはこれに限られず、筒内温度が低温酸化反応領域に達する前に（つまり５００℃未満の時点で）水噴射を実行してもよい。また、上記実施形態では、水噴射弁５７からの水噴射よりも遅れたタイミングで燃料噴射弁１１から燃料を噴射するようにしたが、燃料噴射のタイミングはこれに限られず、水噴射と同時に燃料を噴射してもよいし、あるいは水噴射よりも前に燃料を噴射してもよい。いずれにせよ、水噴射および燃料噴射を実行するタイミングは、ネガティブオーバラップ期間中に水／燃料の双方が噴射され、かつ噴射された燃料（ガソリン）の少なくとも一部が水素および一酸化炭素に変化する改質反応が起きる限りにおいて、それぞれ適宜のタイミングに変更することが可能である。

また、上記実施形態では、火花点火による強制着火により気筒内に火炎核を形成して当該火炎核の周囲の燃料を自着火させるＳＡＣＩ燃焼が全ての運転領域で実行されるガソリンエンジンに本発明を適用した例について説明したが、本発明が適用可能なエンジンはこのようなエンジンに限られない。例えば、火花点火によるアシストなしに燃料を自着火させるＨＣＣＩ燃焼が実行されるガソリンエンジンや、火花点火後の火炎伝播のみによって燃料を燃焼させるＳＩ燃焼が実行されるガソリンエンジン、さらには、ＳＡＣＩ燃焼、ＨＣＣＩ燃焼、およびＳＩ燃焼のうち２つ以上の燃焼が運転条件によって切り替えられるガソリンエンジンにも本発明を適用可能である。

また、上記実施形態では、燃料としてガソリンが使用されるエンジンに本発明を適用した例について説明したが、本発明が適用可能なエンジンは、ガソリンを主成分とする燃料が使用されるエンジンであればよく、例えばガソリン以外の副成分としてエタノールが含有された燃料を使用するエンジンであってもよい。

２気筒
５ピストン
６吸気ポート
７排気ポート
８吸気弁
９排気弁
１１燃料噴射弁
１２点火プラグ
５７水噴射弁
１０１燃料噴射制御部
１０２水噴射制御部
１０３バルブ制御部
Ｘネガティブオーバラップ期間

Claims

ピストンが往復動可能に収容された気筒と、ガソリンを含有する燃料を気筒内に噴射する燃料噴射弁と、気筒内に水を噴射する水噴射弁と、気筒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、気筒から既燃ガスを排出するための排気ポートを開閉する排気弁とを備えたエンジンを制御する装置であって、
排気上死点を挟んで前記吸気弁および排気弁の双方が閉弁するネガティブオーバラップ期間が設けられるように前記吸気弁および排気弁を開閉制御するバルブ制御部と、
前記ネガティブオーバラップ期間中に前記燃料噴射弁から燃料を噴射させる燃料噴射制御部と、
前記ネガティブオーバラップ期間中に前記水噴射弁から水を噴射させる水噴射制御部とを備え、
前記燃料噴射弁からの燃料の噴射タイミングおよび前記水噴射弁からの水の噴射タイミングは、噴射された燃料および水の少なくとも一部が水素および一酸化炭素に変化する水蒸気改質反応が前記ネガティブオーバラップ期間中に起きるようなタイミングであって、前記気筒内の温度が燃料の低温酸化反応が起きる温度域に含まれるかこれを超える温度にあるときに前記燃料および水が存在するようなタイミングに設定される、ことを特徴とするエンジンの制御装置。
請求項１に記載のエンジンの制御装置において、
前記燃料噴射制御部は、前記水噴射弁から水が噴射されるのと同時かそれより遅れて前記燃料噴射弁から燃料を噴射させる、ことを特徴とするエンジンの制御装置。
請求項２に記載のエンジンの制御装置において、
前記水噴射制御部は、前記気筒内の温度が、燃料の低温酸化反応が起きる温度域に含まれるかこれを超える温度まで上昇した時点で、前記水噴射弁から水を噴射させる、ことを特徴とするエンジンの制御装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンの制御装置において、
前記バルブ制御部は、排気上死点から前記吸気弁の開時期までのクランク角範囲の方が、前記排気弁の閉時期から排気上死点までのクランク角範囲よりも大きくなるように、前記吸気弁および排気弁を開閉駆動する、ことを特徴とするエンジンの制御装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジンの制御装置において、
前記水噴射弁は、１００℃以上の水を５ＭＰａ以上の圧力で噴射するものである、ことを特徴とするエンジンの制御装置。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のエンジンの制御装置において、
前記気筒の幾何学的圧縮比が１６以上３０以下に設定されている、ことを特徴とするエンジンの制御装置。
請求項６に記載のエンジンの制御装置において、
前記エンジンは、圧縮行程後期または膨張行程初期に火花を放電して気筒内の燃料に点火する火花点火を実行可能な点火プラグを備え、
前記バルブ制御部は、前記火花点火による強制着火により気筒内に火炎核が形成された後に当該火炎核の周囲の燃料が自着火するＳＡＣＩ燃焼が実現可能な有効圧縮比が達成されるように、前記吸気弁の閉時期を設定する、ことを特徴とするエンジンの制御装置。