JP6409593B2

JP6409593B2 - 内燃機関の水噴射システム

Info

Publication number: JP6409593B2
Application number: JP2015013701A
Authority: JP
Inventors: 丹野　史朗; 史朗丹野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-01-27
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2018-10-24
Anticipated expiration: 2035-01-27
Also published as: JP2016138503A

Description

本発明は、内燃機関の気筒内に水を噴射する内燃機関の水噴射システムに関する。

従来、内燃機関の気筒内に水を噴射する技術が開発されている。気筒内に噴射された水が気化すると、燃焼室内における圧力としてピストンに作用する作動ガスのモル数が増加する。

また、特許文献１には、気筒内に水を噴射する水噴射システムと可変圧縮比機構とを組み合わせた技術が開示されている。この特許文献１に開示の技術では、ピストンのストローク特性を上下死点での加速度が略同一になるように設定するかまたは上死点側での加速度が下死点側での加速度より小さくなるように設定する。そして、圧縮行程におけるピストン上死点前で気筒内への水噴射を開始する。

特開２００８−１７５０７８号公報

内燃機関の気筒内に水を噴射する場合に、ピストンの頂面に形成されたキャビティに向けて水を噴射することで、該キャビティの壁面に水の膜（以下、「水膜」と称する場合もある。）を形成することができる。この水膜が気化するときには、仮に該水膜が形成されていなければ冷却損失となる分の熱量が用いられることになる。したがって、キャビティの壁面に水膜を形成させることで、作動ガスのモル数の増加に加え冷却損失の低減を図ることができる。その結果、燃費を向上させることができる。ただし、気筒内に噴射された水がピストンのキャビティの壁面に到達する前に気化してしまうと、気化潜熱により燃焼ガスの熱量が奪われることで、該燃焼ガス（作動ガス）の体積が減少するために、却って燃費が悪化する虞がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであって、気筒内に水を噴射する内燃機関において、燃費の向上を図ることを目的とする。

本発明に係る内燃機関の水噴射システムは、内燃機関の気筒内において、ピストンの頂面に形成されたキャビティに向かって水を噴射する水噴射弁と、前記水噴射弁から水を噴射する場合に、内燃機関の機関負荷が所定負荷以下のときは圧縮行程中に該水噴射を実行し、内燃機関の機関負荷が該所定負荷より高いときは吸気行程中に該水噴射を実行する水噴射制御部と、を備える。

本発明によれば、気筒内に水を噴射する内燃機関において、燃費の向上を図ることができる。

本発明の実施例に係る内燃機関の概略構成を示す図である。本発明の実施例に係る燃料噴射弁の概略構成を示す図である。本発明の実施例に係る内燃機関において燃料噴射弁から水を噴射した時の様子を示す図である。本発明の実施例に係る水噴射の実行時期と燃料噴射の実行時期とを示すタイムチャートである。本発明の実施例に係る燃料噴射弁による水噴射の実行時期を設定するためのフローを示すフローチャートである。図５に示すフローのＳ１０１において第１所定負荷Ｑｅ１および第２所定負荷Ｑｅ２を算出するために用いられるマップである。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施例１＞
［概略構成］
図１は、本実施例に係る内燃機関及びその吸排気系の概略構成を示す図である。内燃機関１は４つの気筒２を有する車両駆動用の４サイクルディーゼルエンジンである。ただし、本発明に係る内燃機関はディーゼルエンジンに限られるものではなく、例えば、気筒内に燃料を直接噴射する直噴ガソリンエンジンであってもよい。内燃機関１の気筒２内にはピストン３が摺動自在に設けられている。気筒２には燃料噴射弁１０が設けられている。この燃料噴射弁１０は、気筒２内に燃料を噴射する。さらに、この燃料噴射弁１０は、気筒２内に水を噴射する機能も有する。本実施例においては、燃料噴射弁１０が、本発明に係る水噴射弁に相当する。燃料噴射弁１０の詳細については後述する。

気筒２には吸気ポート４と排気ポート５とが接続されている。吸気ポート４および排気ポート５の燃焼室への開口部は、それぞれ吸気弁６および排気弁７によって開閉される。吸気ポート４および排気ポート５は、それぞれ吸気通路８および排気通路９に接続されている。吸気通路８には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１１および吸入空気量を制御するスロットル弁１２が設けられている。

内燃機関１には電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０が併設されている。該ＥＣＵ２０には、エアフローメータ１１、クランクポジションセンサ１６及びアクセル開度センサ１７が電気的に接続されている。各センサの出力信号がＥＣＵ２０に入力される。ＥＣＵ２０は、クランクポジションセンサ１６の出力信号に基づいて内燃機関１の機関回転数を算出し、アクセル開度センサ１７の出力信号に基づいて内燃機関１の機関負荷を検出する。また、ＥＣＵ２０には、燃料噴射弁１０及びスロットル弁１２が電気的に接続されている。ＥＣＵ２０によってこれらが制御される。

図２は、燃料噴射弁１０の概略構成図である。燃料噴射弁１０のノズルボディ１０１の先端部には噴孔１０２が形成されている。この噴孔１０２から気筒２内の燃焼室に燃料が噴射される。ノズルボディ１０１の内部には、噴孔１０２を開閉するニードル弁１０３が軸方向に往復運動可能に設けられている。ニードル弁１０３は、メインピストン１０３ａおよびサブピストン１０３ｂを有する。サブピストン１０３ｂは、ニードル弁１０３の先端部側に位置し、ノズルボディ１０１内に形成されたニードル室１２０に挿通されている。ニードル室１２０には噴孔１０２が接続されており、サブピストン１０３ｂによって該噴孔１０２が開閉される。メインピストン１０３ａは、ノズルボディ１０１内に形成された中間室１０４を通ってサブピストン１０３ｂに接続されている。中間室１０４には、ニードル弁１０３を閉弁方向に付勢するスプリング１０５が配置されている。

また、ノズルボディ１０１の内部には、サブピストン１３ｂの外周面とノズルボディ１０１の内面とによりノズル室１０７が形成されている。このノズル室１０７にニードル室１２０が接続されている。また、ノズルボディ１０１の内部には、メインピストン１３ａのサブピストン１３ｂ側とは反対側の端面とノズルボディ１０１の内面により圧力制御室１０６が形成されている。

圧力制御室１０６には、コモンレール２１から第１高圧燃料通路１０８を通して燃料（高圧燃料）が供給される。第１高圧燃料通路１０８には、圧力制御室１０６への燃料の流入量を調整するための入口側オリフィス１２１が形成されている。また、圧力制御室１０６には、燃料が流出する燃料流出通路１１２が接続されている。燃料流出通路１１２には、圧力制御室１０６からの燃料の流出量を調整するための出口側オリフィス１２２が形成されている。燃料流出通路１１２へ流出した燃料は、燃料リターン通路１１０を通して燃料タンク２２に戻される。燃料流出通路１１２は制御弁１１３によって開通または遮断される。制御弁１１３は、ＥＣＵ２０によって制御される。制御弁１１３によって燃料流出通路１１２が開通され際には、圧力制御室１０６への燃料の流入量よりも該圧力制御室１０６からの燃料の流出量の方が多くなるように、入口側オリフィス１２１および出口側オリフィス１２２が形成されている。そのため、制御弁１１３によって燃料流出通路１１２が開通されると、圧力制御室１０６内の圧力が低下する。その結果、ニードル弁１０３が開弁する。

また、燃料リターン通路１１０には第１低圧燃料通路１１４が接続されている。そして、圧力制御室１０６から流出した燃料（低圧燃料）が、第１低圧燃料通路１１４を通して中間室１０４に供給される。中間室１０４には、さらに第２低圧燃料通路１１５が接続されている。また、第１高圧燃料通路１０８の入口側オリフィス１２１よりも上流側には第２高圧燃料通路１０９が接続されている。また、ノズル室１０７には燃料供給通路１１６が接続されている。そして、第２低圧燃料通路１１５と第２高圧燃料通路１０９とが燃料供給通路１１６に接続されており、これらの通路１１５，１０９，１１６の接続部には三方弁１１７が設けられている。三方弁１１７はＥＣＵ２０によって制御される。三方弁１１７によって、第２低圧燃料通路１１５側が遮断された場合、第２高圧燃料通路１０９と燃料供給通路１１６とが連通することになる。この場合、燃料供給通路１１６を通してノズル室１０７およびニードル室１２０に高圧燃料が供給される。一方、三方弁１１７によって第２高圧燃料通路１０９側が遮断された場合、第２低圧燃料通路１１５と燃料供給通路１１６とが連通することになる。この場合、燃料供給通路１１６を通してノズル室１０７およびニードル室１２０に低圧燃料が供給される。

また、ニードル室１２０の先端部（すなわち、噴孔１０２の近傍部分）には水供給通路１１８が接続されている。そして、ニードル室１２０には、水タンク２３から水供給通路１１８を通して水が供給され得る。なお、水供給通路１１８には、水の逆流を抑制する逆止弁１１９が設けられている。ニードル弁１０３が閉弁状態のときに、三方弁１１７によって第２低圧燃料通路１１５側が遮断されており、ニードル室１２０に高圧燃料が充填されている場合は、該ニードル室１２０内の圧力が高いため、水供給通路１１８から該ニードル室１２０に水は供給されない。一方、ニードル弁１０３が閉弁状態のときに、三方弁１１７によって第２高圧燃料通路１０９側が遮断されており、ニードル室１２０に低圧燃料が充填されている場合は、該ニードル室１２０内の圧力が低いため、水供給通路１１８から該ニードル室１２０に水が供給され、ニードル室１２０の先端部に水が充填される。そして、三方弁１１７によって第２低圧燃料通路１１５側が遮断されニードル室１２０に高圧燃料が充填された状態のときに、ニードル弁１０３が開弁されると、噴孔１０２からは燃料のみが噴射される。一方、三方弁１１７によって第２高圧燃料通路１０９側が遮断されニードル室１２０の先端部に水が充填された状態のときに、三方弁１１７によって第２高圧燃料通路１０９側が開通される（すなわち、第２低圧燃料通路１１５側が遮断され
る）とともにニードル弁１０３が開弁されると、噴孔１０２からは、先ず、ニードル室１２０の先端部に充填されていた水が噴射され、続いて燃料が噴射される。また、このときに、ニードル弁１０３の開弁期間を短くすることで、噴孔１０２から水のみを噴射するようにすることもできる。

［水噴射制御］
本実施例においては、内燃機関１の運転状態が所定の領域にあるときに、燃料噴射弁１０によって気筒２内に水を噴射する。図３は、内燃機関１において燃料噴射弁１０から水を噴射した時の様子を示す図である。図３において破線の矢印は水の噴射方向を表している。図３に示すように、本実施例においては、ピストン３が上死点近傍に位置しているときに、該ピストン３の頂面に形成されたキャビティ３１に向けて燃料噴射弁１０から水が噴射される。

ピストン３のキャビティ３１に向けて水を噴射することで、該キャビティ３１の壁面に水膜を形成することができる。気筒２内において、この水膜が気化すると、燃焼室内における圧力としてピストン３に作用する作動ガスのモル数が増加する。そのため、燃料噴射量を増加させることなく、ピストン３を押し下げるために作用する力を増加させることができる。また、水膜が気化するときには、仮に該水膜が形成されていなければ冷却損失となる分の熱量が用いられることになる。したがって、キャビティ３１の壁面に水膜を形成させることで、作動ガスのモル数の増加に加え冷却損失の低減を図ることができる。その結果、燃費を向上させることができる。

ここで、内燃機関１の機関負荷が高くなると、圧縮行程における上死点近傍の時期においては、気筒２内が高温且つ高圧の状態となる。このような状態の下で燃料噴射弁１０から気筒２内に水が噴射されると、噴射された水がピストン３のキャビティ３１の壁面に到達する前に気化してしまう可能性が高くなる。そして、気筒２内に噴射された水がピストン３のキャビティ３１の壁面に到達する前に気化してしまうと、気化潜熱により燃焼ガスの熱量が奪われることで、該燃焼ガス（作動ガス）の体積が減少するために、却って燃費が悪化する虞がある。

そこで、本実施例においては、気筒２内に水を噴射する場合、内燃機関１の機関負荷に応じて水噴射の実行時期を変更する。図４は、本実施例に係る水噴射の実行時期と燃料噴射の実行時期とを示すタイムチャートである。図４（ａ）は低負荷領域での水噴射の実行時期と燃料噴射の実行時期とを示しており、図４（ｂ）は高負荷領域での水噴射の実行時期と燃料噴射の実行時期とを示している。なお、図４において、ＴＤＣは上死点を表しており、ＢＤＣは下死点を表している。図４（ａ），（ｂ）それぞれに示すように、燃料噴射は機関負荷によらず圧縮行程における上死点近傍の時期に開始される。ただし、このような時期以外の時期に副燃料噴射が実行されてもよい。

内燃機関１の機関負荷が低負荷領域に属する場合は、図４（ａ）に示すように、水噴射が、圧縮行程における上死点近傍の時期であって燃料噴射の実行開始時期の直前の時期である第１水噴射時期ｔｗ１に実行される。つまり、この場合は、上述したように、圧縮行程における上死点近傍の時期に燃料噴射弁１０においてニードル弁１０３が開弁された時に、噴孔１０２から、先ず、ニードル室１２０の先端部に充填されていた水が噴射され、続いて燃料が噴射されるように、燃料噴射弁１０が制御される。一方で、内燃機関１の機関負荷が高負荷領域に属する場合は、図４（ｂ）に示すように、水噴射が、吸気行程における上死点近傍の時期である第２水噴射時期ｔｗ２に実行される。つまり、この場合は、第２水噴射時期ｔｗ２においては、噴孔１０２から、ニードル室１２０の先端部に充填されていた水のみが噴射され、さらに、圧縮行程における上死点近傍の時期においては、噴孔１０２から燃料のみが噴射されるように、燃料噴射弁１０が制御される。なお、水噴射
を第１水噴射時期ｔｗ１に実行する場合でも、第２水噴射時期ｔｗ２に実行する場合でも、ピストン３のキャビティ３１に向かって燃料噴射弁１０から水が噴射される。つまり、第１水噴射時期ｔｗ１と第２水噴射時期ｔｗ２とは、気筒２内におけるピストン３の位置が略同一となる時期に設定されている。

ここで、吸気行程中においては、圧縮行程中に比べて気筒２内の温度および圧力が低くなっている。したがって、内燃機関１の機関負荷が高負荷領域に属する場合であっても、吸気行程中に水噴射を実行することで、噴射された水がピストン３のキャビティ３１の壁面に到達する前に気化してしまうことを抑制することができる。つまり、キャビティ３１の壁面に水膜を形成することが可能となる。そのため、水の気化に起因する燃費向上の効果を発揮することが可能となる。

なお、吸気行程中に水噴射を実行すると、キャビティ３１の壁面に水膜を形成することができたとしても、該水膜を形成する水の一部が吸気行程中に気化することになる。この場合、吸気行程中における気筒２内の圧力が上昇することになるため、吸気ポート４から気筒２内への吸気の流入が阻害される可能性もある。しかしながら、内燃機関１の機関負荷が高負荷領域に属する場合においては、吸気行程中の水の気化に起因する燃費低下割合よりも、キャビティ３１の壁面に水膜を形成することに起因する燃費向上割合の方が大きい。そのため、総合的には、内燃機関１の機関負荷が高負荷領域に属する場合は、上述したとおり、吸気行程中に水噴射を実行することで燃費向上の効果を得ることができる。

その一方で、水の気化に起因する燃費向上の効果を最大限発揮させるためには、ピストン３のキャビティ３１の壁面における水膜が燃料の燃焼時期（すなわち、圧縮行程上死点近傍の時期）まで維持されているのが好ましい。このような観点からすると、水噴射時期と燃料噴射時期との間隔は小さい方が良い。そのため、燃料噴射弁１０から噴射された水がピストン３のキャビティ３１の壁面に到達する前に気化してしまう可能性が低い低負荷領域においては、上述したとおり、圧縮行程における上死点近傍の第１水噴射時期ｔｗ１に水噴射を実行する。これにより、燃費向上の効果を最大限発揮させることができる。つまり、本実施例においては、内燃機関１の機関負荷に応じて水噴射の実行時期をより好適な時期に変更することで、燃費を可及的に向上させることができる。

［水噴射時期設定フロー］
図５は、本実施例に係る燃料噴射弁による水噴射の実行時期を設定するためのフローを示すフローチャートである。本フローは、ＥＣＵ１０に予め記憶されており、所定の間隔で繰り返し実行される。

本フローでは、先ずＳ１０１において、内燃機関１の機関回転速度に基づいて第１所定負荷Ｑｅ１および第２所定負荷Ｑｅ２が算出される。ここで、第１所定負荷Ｑｅ１とは、燃料噴射弁１０による気筒２内への水噴射を実行するか否かを決定するための閾値となる機関負荷である。また、第２所定負荷Ｑｅ２とは、燃料噴射弁１０による気筒２内への水噴射を圧縮行程中に実行するか吸気行程中に実行するかを決定するための閾値となる機関負荷である。

図６は、Ｓ１０１において第１所定負荷Ｑｅ１および第２所定負荷Ｑｅ２を算出するために用いられるマップである。図６において、横軸は内燃機関１の機関回転速度を表しており、縦軸は内燃機関１の機関負荷を表している。図６において、領域Ｒ０は、燃料噴射弁１０による気筒２内への水噴射を行わない領域（以下、「水噴射停止領域」と称する。）を表している。また、図６において、領域Ｒ１は、燃料噴射弁１０による気筒２内への水噴射を行う領域における低負荷側の領域（以下、単に「低負荷領域」と称する。）を表している。この低負荷領域Ｒ１が、燃料噴射弁１０による気筒２内への水噴射を圧縮行程
中に実行する領域である。また、図６において、領域Ｒ２は、燃料噴射弁１０による気筒２内への水噴射を行う領域における高負荷側の領域（以下、単に「高負荷領域」と称する。）を表している。この高負荷領域Ｒ２が、燃料噴射弁１０による気筒２内への水噴射を吸気行程中に実行する領域である。そして、このマップにおいては、水噴射停止領域Ｒ０と低負荷領域Ｒ１との境界を示す線Ｌ１が、第１所定負荷Ｑｅ１と機関回転速度との相関を示している。また、低負荷領域Ｒ１と高負荷領域Ｒ２との境界を示す線Ｌ２が、第２所定負荷Ｑｅ２と機関回転速度との相関を示している。図６に示すように、第１所定負荷Ｑｅ１および第２所定負荷Ｑｅ２のいずれも、機関回転速度が高いほど大きい値となっている。Ｓ１０１では、このようなマップを用いて、内燃機関１の機関回転速度に応じた第１所定負荷Ｑｅ１および第２所定負荷Ｑｅ２が算出される。

次に、Ｓ１０２において、内燃機関１の機関負荷Ｑｅが、Ｓ１０１で算出された第１所定負荷Ｑｅ１より大きいか否かが判別される。Ｓ１０１で否定判定された場合、つまり、機関負荷Ｑｅが図６における水噴射停止領域Ｒ０に属していると判定された場合、本フローの実行は停止される。この場合、燃料噴射弁１０は燃料噴射のみを実行するように制御される。一方、Ｓ１０２において否定判定された場合、次にＳ１０３の処理が実行される。

Ｓ１０３においては、内燃機関１の機関負荷Ｑｅが、Ｓ１０１で算出された第２所定負荷Ｑｅ２より大きいか否かが判別される。Ｓ１０３で否定判定された場合、つまり、機関負荷Ｑｅが図６における低負荷領域Ｒ１に属していると判定された場合、次にＳ１０５において、燃料噴射弁１０による水噴射の実行時期が第１水噴射時期ｔｗ１に設定される。この場合、第１水噴射時期ｔｗ１に燃料噴射弁１０においてニードル弁１０３が開弁された時に、噴孔１０２から、先ず、ニードル室１２０の先端部に充填されていた水が噴射され、続いて燃料が噴射されるように、燃料噴射弁１０が制御される。一方、Ｓ１０３で肯定判定された場合、つまり、機関負荷Ｑｅが図６における高負荷領域Ｒ２に属していると判定された場合、次にＳ１０４において、燃料噴射弁１０による水噴射の実行時期が第２水噴射時期ｔｗ２に設定される。この場合、第２水噴射時期ｔｗ２に燃料噴射弁１０においてニードル弁１０３が開弁された時に、噴孔１０２から、ニードル室１２０の先端部に充填されていた水のみが噴射され、さらに、圧縮行程における上死点近傍の時期に燃料噴射弁１０においてニードル弁１０３が開弁された時に、噴孔１０２から燃料のみが噴射されるように、燃料噴射弁１０が制御される。

なお、本実施例においては、第１所定負荷Ｑｅ１および第２所定負荷Ｑｅ２を内燃機関１の機関回転速度に応じて変動する値としたが、これらの値は機関回転速度によらず一定値であってもよい。

また、本実施例においては、気筒２内への水噴射を、燃料噴射弁１０を用いて行う構成とした。しかしながら、本発明においては、燃料噴射弁とは別に、気筒内への水噴射を実行するための水噴射弁を備えた構成を採用してもよい。

１・・・内燃機関
２・・・気筒
３・・・ピストン
３１・・キャビティ
４・・・吸気ポート
５・・・排気ポート
１０・・燃料噴射弁
１０１・・ノズルボディ
１０２・・噴孔
１０３・・ニードル弁
１１８・・水供給通路
１６・・クランクポジションセンサ
１７・・アクセル開度センサ
２０・・ＥＣＵ
２２・・水タンク

Claims

内燃機関の気筒内において、ピストンの頂面に形成されたキャビティに向かって水を噴射する水噴射弁と、
前記水噴射弁から水を噴射する場合に、内燃機関の機関負荷が所定負荷以下のときは圧縮行程中に該水噴射を実行し、内燃機関の機関負荷が該所定負荷より高いときは吸気行程中に該水噴射を実行する水噴射制御部と、を備える内燃機関の水噴射システム。