JP6421802B2

JP6421802B2 - エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP6421802B2
Application number: JP2016170521A
Authority: JP
Inventors: 昌彦藤本; 和晃楢原; 芳尚乃生; 荒木　啓二; 啓二荒木
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2016-09-01
Filing date: 2016-09-01
Publication date: 2018-11-14
Anticipated expiration: 2036-09-01
Also published as: JP2018035763A

Description

本発明は、燃料を空気と混合しつつ自着火させる予混合圧縮着火燃焼が可能なエンジンに関する。

上記のようなエンジンとして、下記特許文献１のものが知られている。この特許文献１のエンジンでは、予め定められた予混燃焼領域での運転時に、排気通路に排出された排気の一部をＥＧＲガスとして気筒内に導入しながら、圧縮上死点よりも早いタイミングで気筒内に燃料を噴射する制御が実行される。このように、不活性ガスであるＥＧＲガスが存在する気筒内に燃料を噴射することにより、噴射した燃料を所定の着火遅れの後に自着火させることができ、これによってＮＯｘや煤の発生量が少ない適正な燃焼が実現されるとされている。

特開２００９−２０９８０９号公報

ここで、エンジンの負荷が高くなると、負荷に見合った高出力を確保するために気筒内に多量の空気（新気）を導入する必要がある。このため、エンジンの高負荷域では、十分な量のＥＧＲガスを気筒内に導入することができず、自着火の過早化や燃焼の急峻化を招くことが懸念される。これに対し、例えば大型の過給機をエンジンに適用すれば、空気およびＥＧＲガスの双方を十分に気筒内に導入できると考えられるが、そのようにすると、燃焼中に気筒の内部圧力（筒内圧力）が過度に上昇してしまい、大きな騒音が発生したりエンジンの信頼性に悪影響が及ぶ可能性がある。

そこで、上記のような問題を解決し得る方法として、気筒内に直接水を噴射することが提案される。この方法であれば、空気量の不足を招くことなく所要量の水を気筒内に供給できるので、十分な出力トルクを確保しながら、筒内圧力が過上昇しない程度に燃焼をコントロールできる可能性がある。ただし、燃焼中の適切な時期に水が存在するように噴射期間を設定しなければ、例えば燃焼開始直後の筒内圧力の急上昇により大きな燃焼騒音が発生したり、燃焼の進行中に筒内圧力の最大値が過大になってエンジンの信頼性に悪影響が及ぶ可能性がある。

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、エンジンの出力トルクを確保しつつ筒内圧力の上昇を抑制す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、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、気筒内に超臨界水または亜臨界水を噴射する水噴射弁とを備え、前記燃料噴射弁から噴射された燃料を空気と混合しつつ自着火させる予混合圧縮着火燃焼が可能なエンジンを制御する装置であって、圧縮行程後期または膨張行程初期に燃料が自着火するようなタイミングで前記燃料噴射弁から気筒内に燃料を噴射させる燃料噴射制御部と、前記気筒の内部圧力を検出する筒内圧センサと、前記筒内圧センサからの入力情報に基づいて燃料が自着火したことを判定する着火判定手段と、前記燃料が自着火した燃焼開始時点から当該燃焼中に気筒の内部圧力が最大値に達する時点までの一連の期間にわたって前記水噴射弁から超臨界水または亜臨界水を継続的に噴射させる水噴射制御部とを備え、前記水噴射制御部は、前記着火判定手段が燃料の自着火を判定した時点で前記超臨界水または亜臨界水の噴射を開始するとともに、前記筒内圧センサからの入力情報に基づいて前記気筒の内部圧力が最大値に達したことを特定し、最大値に達した時点で前記超臨界水または亜臨界水の噴射を停止する、ことを特徴とするものである（請求項１）。

なお、本発明において、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をいい、膨張行程初期とは、圧縮上死点から圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）６０°ＣＡまでの範囲のことをいう。

本発明によれば、水噴射弁からの超臨界水または亜臨界水の噴射（以下、単に水噴射ともいう）が燃料の自着火とほぼ同時に開始されるので、自着火の直後における燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）の進行が、燃料成分と反応しない不活性物質である水の存在によって抑制される。これにより、自着火の直後に筒内圧力が急激に上昇するのを回避でき、筒内圧力の急上昇（圧力上昇率の増大）に伴う燃焼騒音の増大を抑制することができる。

また、前記水噴射は、燃焼中に筒内圧力が最大値に達する時点まで少なくとも継続されるので、その継続噴射された水の作用により、筒内圧力の最大値が過度に大きくなる（例えば設計上の許容値を超える）ような事態を回避することができる。これにより、ピストンやシリンダヘッド等の部品に過大な圧力が加わって当該部品が損傷するといった事態が回避され、エンジンの信頼性を良好に確保することができる。

さらに、水噴射弁から気筒に噴射される水が超臨界水または亜臨界水とされるので、密度の低い気体の水（水蒸気）を噴射する場合に比べて、多くの水を短時間で気筒に供給することができ、筒内圧力を適切に抑制し得る十分な量の水を効率よく気筒に供給することができる。また、液体の水を噴射する場合に比べて、水の潜熱吸収に伴う気筒の温度低下を大幅に小さくすることができ、当該温度低下に起因したエンジンの出力トルクの低下を効果的に抑制することができる。しかも、気筒に噴射された超臨界水／亜臨界水は、気筒内で急速に膨張することにより、ピストンを押し下げる仕事をする。したがって、このような性質の超臨界水／亜臨界水を気筒に継続的に噴射する本発明によれば、筒内圧力の上昇を効率よく抑制しつつエンジンの出力トルクを十分に確保することができる。

特に、本発明では、筒内圧センサからの入力情報に基づき燃料の自着火が判定されるとともに、この自着火の判定時点で前記水噴射が開始されるので、燃料の自着火に合わせて遅滞なく水噴射を開始することができ、自着火直後の筒内圧力の急上昇およびそれに伴う燃焼騒音の増大を効果的に抑制することができる。また、自着火よりも前には水噴射が行われないので、水噴射による水の消費量を抑制することができる。

さらに、前記水噴射は、筒内圧センサの入力情報に基づき気筒の内部圧力が最大値に達したことが特定された時点で終了されるので、筒内圧力が下降に転じるまで確実に水噴射を継続させることができ、エンジンの信頼性に影響が及ぶほど筒内圧力が上昇するのを効果的に抑制することができる。

好ましくは、前記気筒の有効圧縮比が１３以上２７以下に設定される。この場合、前記気筒の内部圧力が前記最大値に達するタイミングは、前記燃料噴射弁から１サイクル中に噴射される燃料の質量の４０〜９５％が燃焼した時点に相当する（請求項２）。

１３以上２７以下という高めの有効圧縮比は、燃料が自着火し易い高温・高圧の環境をつくり出す上で有利であり、また、熱効率を高める上でも有利である。しかしながら、有効圧縮比がこれほど高いと、筒内圧力の最大値が過度に大きくなってエンジンの信頼性に悪影響が及ぶことが懸念される。そのため、筒内圧力が最大値に達するまで水噴射を継続する必要があるが、本願発明者の検討によれば、有効圧縮比が１３以上２７以下の場合において、筒内圧力が最大値に達するタイミングは、１サイクル中に噴射される燃料の質量の４０〜９５％が燃焼した時点に相当する。したがって、４０〜９５％の燃料が燃焼した時点まで水噴射を継続する前記構成によれば、当該水噴射によって筒内圧力の最大値が過大になるのを有効に回避でき、エンジンの信頼性を良好に確保することができる。

好ましくは、前記エンジンは、前記気筒から排出された排気に含まれる水蒸気を凝縮させて凝縮水を生成するコンデンサと、前記コンデンサに流入する前の排気との熱交換により前記凝縮水を昇温させる熱交換器とを備えており、前記水噴射弁は、前記熱交換器による昇温処理を経て生成された超臨界水を前記気筒に噴射する（請求項３）。

この構成によれば、排気から回収した熱を利用して効率よく（特別な熱源を追加することなく）超臨界水を生成できるとともに、そのようにして生成された超臨界水を気筒に噴射して膨張させることにより、排気から回収した熱を効率よく仕事に変換することができる。これにより、エンジンの出力トルクを十分に確保しつつ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。

前記燃料噴射弁は、ガソリンを主成分とする燃料を噴射するものであることが好ましい（請求項４）。

すなわち、本発明は、ガソリンを主成分とする燃料を予混合圧縮着火燃焼させるＨＣＣＩ方式のガソリンエンジンに好適に適用することができる。

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、エンジンの出力トルクを確保しつつ筒内圧力の上昇を効果的に抑制できるという利点がある。

本発明の一実施形態にかかる排熱回収機能付き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。エンタルピーおよび圧力の変化に伴う水の状態変化を示す図であり、超臨界水の性質について説明するための図である。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。エンジンの高負荷運転時に燃料噴射および水噴射を実行する際の制御の具体的手順を示すフローチャートである。燃料噴射および水噴射に伴う気筒の状態変化を示すタイムチャートである。亜臨界水について説明するための図３相当図である。

（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が流通する排気通路３０と、排気通路３０を流通する排気の一部を吸気通路２０に還流するＥＧＲ装置４０と、排気通路３０を流通する排気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、後述する燃料噴射弁１１から噴射されるガソリンを主成分とする燃料が供給される。そして、供給された燃料が燃焼室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（エンジン回転速度）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、後述する水噴射弁５７と気筒２の中心軸を挟んで隣接するように設けられている。なお、図１に示すように、燃料噴射弁１１の上方には、上記燃料ポンプから供給された燃料を蓄圧状態で貯留する燃料レール１６が設けられている。この燃料レール１６に貯留された燃料は、燃料噴射弁１１と同数の（４つの）分配管１７を通じて各燃料噴射弁１１に供給される。

燃料噴射弁１１は、気筒２の中心軸の近傍において燃焼室Ｃに露出する先端部を有し、当該先端部からピストン５のキャビティ１０に向けて燃料を噴射するように設けられている。具体的に、燃料噴射弁１１は、１サイクル中に噴射すべき量の燃料の少なくとも一部を圧縮上死点よりも前に燃焼室Ｃに噴射する。噴射された燃料は、燃焼室Ｃに導入された空気（吸気）と混合された後に、例えば圧縮上死点の近傍で自着火する。

すなわち、当実施形態のエンジンでは、燃料としてガソリンを用いた場合に一般的に採用される火花点火燃焼（混合気を火花点火により強制着火させる燃焼）ではなく、燃料と空気との混合気をピストン５による圧縮に伴い自着火させるＨＣＣＩ燃焼（予混合圧縮着火燃焼）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。このため、当実施形態のエンジンには混合気に点火するための点火プラグが設けられていない。ただし、これに代わる態様として、エンジンが冷間始動された直後のような自着火が困難な状況下においてＨＣＣＩ燃焼に代えて火花点火燃焼を実行することが考えられ、また、エンジンの暖機後にＨＣＣＩ燃焼を補助するためにいわゆるスパークアシストを実行することが考えられる。したがって、このような制御を行うために点火プラグを設けてもよい。

上記のようなＨＣＣＩ燃焼を可能にするために、当実施形態のエンジンでは、火花点火燃焼が採用される一般的なガソリンエンジンと比べて、各気筒２の圧縮比が高めに設定されている。具体的に、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、１８以上３５以下、より好ましくは１８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で生成された排気を排気通路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、図外の弁駆動機構により、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用の弁駆動機構には、吸気弁８の少なくとも閉時期を変更可能な吸気弁可変機構１８（図４）が内蔵されている。吸気弁可変機構１８は、エンジンの運転条件に応じて吸気弁８の閉時期を変更し、この変更に伴って、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の容積との比が変更される。なお、吸気弁可変機構１８は、吸気弁８の開時期を固定したまま閉時期のみを変更する（これに伴ってリフト量を変更する）タイプの可変機構であってもよいし、吸気弁８の開時期および閉時期を同時に変更する位相式の可変機構であってもよい。

燃焼室Ｃの内壁を構成する各部、つまりシリンダブロック３の内壁面と、ピストン５の冠面と、シリンダヘッド４の下面と、吸気弁８および排気弁９の各バルブヘッドの下面とには、それぞれ断熱層１３が設けられている。なお、シリンダブロック３の内壁面に設けられた断熱層１３は、ピストン５が上死点にある状態でピストンリング５ａよりも上側（シリンダヘッド４側）に位置する部分に限定されており、ピストンリング５ａが断熱層１３上を摺動しないようになっている。

断熱層１３は、シリンダブロック３、シリンダヘッド４、ピストン５、および吸・排気弁８，９のいずれよりも熱伝導率および容積比熱が低い材質により構成されている。これは、燃焼室Ｃで生成された燃焼ガスの熱が燃焼室Ｃの外部に放出されるのを抑制し、エンジンの冷却損失を低減するためである。すなわち、断熱層１３の熱伝導率が低いことにより、燃焼ガスの熱が断熱層１３を通じてシリンダブロック３やシリンダヘッド４等に伝達されることが抑制される。また、断熱層１３の容積比熱が低いことにより、断熱層１３と燃焼ガスとの温度差が小さく抑えられ、この温度差に起因した熱の移動が抑制される。例えば、シリンダブロック３やシリンダヘッド４といったエンジン本体１の主要部品は、容積比熱が大きい上に、冷却水により冷却されるので、たとえ気筒２の内部が燃焼により一時的に高温化しても、上記主要部品の温度は比較的低い温度に維持される。このため、仮に断熱層１３が存在しなかった場合には、低温の上記主要部品の内壁面に高温の燃焼ガスが直接触れることとなり、両者の温度差に起因した大きな熱移動が生じる。これに対し、容積比熱が低い断熱層１３を設けた場合には、断熱層１３の温度が燃焼ガスの温度に連動して応答性よく変化するので、上記のような熱移動を抑制して冷却損失を低減することができる。

断熱層１３は、例えばＺｒＯ_２等のセラミック材料をプラズマ溶射によりコーティングすることで形成することができる。この場合、断熱層１３の内部には多数の気孔を含ませることができる。このような多孔性の断熱層は、熱伝導率および容積比熱を小さくする上で有利である。

図２に示すように、シリンダヘッド４には、気筒２の内部圧力（以下、筒内圧力ともいう）を検出する筒内圧センサＳＮ２が、各気筒２につき１つずつ（合計４つ）設けられている。各筒内圧センサＳＮ２は、圧力の大小に応じて起電力が変化する検出素子を先端部に有しており、当該検出素子が燃焼室Ｃに露出するような状態でシリンダヘッド４に取り付けられている。

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ＳＮ３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、コンデンサ５１、および排気シャッタ弁３６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、排気中に含まれるＰＭを捕集するためのフィルターが含まれていてもよい。

排気シャッタ弁３６は、共通排気管３２におけるコンデンサ５１よりも下流側の位置に開閉可能に設けられている。この排気シャッタ弁３６は、通常は全開もしくはその近傍の開度に保持されているが、例えば、ＥＧＲ装置４０による排気の還流操作（つまり排気通路３０を流通する排気の一部を吸気通路２０に還流させる操作；以下、ＥＧＲという）を行う必要がある場合に、このＥＧＲを促進するために必要に応じて閉弁側に駆動される。すなわち、排気シャッタ弁３６が閉弁側に駆動されてその開度が低減されると、排気通路３０内の排気の圧力が高まり、吸気通路２０内の吸気の圧力との差が大きくなる。これにより、排気通路３０から吸気通路２０への排気の流れが促進されて、十分なＥＧＲ量が確保される。

コンデンサ５１は、排気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昇温させるものである。これら熱交換器５４およびコンデンサ５１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）。

ＥＧＲ装置４０は、共通排気管３２と共通吸気管２２とを連通するＥＧＲ通路４１と、ＥＧＲ通路４１に設けられたＥＧＲ弁４２およびＥＧＲクーラ４３とを有している。

ＥＧＲ通路４１は、共通排気管３２における触媒装置３５よりも上流側の部分と、共通吸気管２２におけるスロットル弁２７よりも下流側の部分とを接続している。ＥＧＲ弁４２は、ＥＧＲ通路４１を通じて共通排気管３２から共通吸気管２２に還流される排気（ＥＧＲガス）の流量を調整するための開閉弁である。ＥＧＲクーラ４３は、ＥＧＲ通路４１を流通するＥＧＲガスを所定の冷媒（例えばエンジンの冷却水）との熱交換により冷却する熱交換器である。

（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を冷却することで、当該排気中に含まれる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。送水ポンプ５３から圧送される水は、例えば２４ＭＰａ程度の圧力と８０℃程度の温度とを有している。

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との熱交換により加熱するものである。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二重管構造の保温ケースと、保温ケースの周囲空間部（外管と内管との間）に充填された蓄熱材とを有している。このように蓄熱材付きの保温ケースが熱交換器５４に使用されるのは、熱交換器５４による水の加熱効果を、エンジンの運転条件に応じた排気の温度変化にかかわらず一定のレベル以上確保するためである。

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内に貯留される。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。

熱交換器５４は、水を超臨界状態になるまで加熱できるような十分な加熱能力を有している。すなわち、熱交換器５４に流入する直前において２４ＭＰａ程度の圧力と８０℃程度の温度を有していた水は、熱交換器５４を通過するのに伴い大幅に昇温されて、超臨界状態の水（超臨界水）となる。超臨界水とは、６４７Ｋ（３７４℃）以上の温度と２２ＭＰａ以上の圧力とを有することにより、液体の性質と気体の性質とを併せ持った（液体、気体、固体の三相のいずれにもあてはまらない）特殊な状態にある水のことである。熱交換器５４で生成された超臨界水は、蓄圧レール５６において蓄圧および保温されつつ貯留され、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、当実施形態では、水噴射弁５７から気筒２に噴射される水として超臨界水が使用される。

さらに、当実施形態で使用される超臨界水は、上述したような過程を経て（送水ポンプ５３および熱交換器５４を経て）生成されることにより、２５０ｋｇ／ｍ^３以上という比較的高い密度を有している。すなわち、当実施形態において水噴射弁５７から噴射される超臨界水は、６４７Ｋ以上の温度と、２２ＭＰａ以上の圧力と、２５０ｋｇ／ｍ^３以上の密度とを有する、高温、高圧、高密度の水である。

超臨界水の性質を図３を用いて説明する。図３は、エンタルピーおよび圧力の変化に伴う水の状態変化を示す図であり、横軸をエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）、縦軸を圧力（ＭＰａ）としている。この図３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、それぞれ温度が同一の等温線であって、ＬＴに続く数字が温度（Ｋ）を表している。例えば、ＬＴ３５０は３５０Ｋの等温線であり、ＬＴ１０００は１０００Ｋの等温度線である。破線で示したラインＬＤ０．０１，ＬＤ０．１，‥‥ＬＤ１０００は、それぞれ密度が同一の等密度線であって、ＬＤに続く数字が密度（ｋｇ／ｍ^３）を表している。例えば、ＬＤ０．０１は密度が０．０１ｋｇ／ｍ^３の等密度線であり、ＬＤ１０００は密度が１０００ｋｇ／ｍ^３の等密度線である。

また、図３上の点Ｘは水の臨界点であり、この臨界点Ｘの温度は６４７Ｋ（より正確には６４７．３Ｋ）、圧力は２２ＭＰａ（より正確には２２．１２ＭＰａ）である。超臨界水とは、この臨界点Ｘよりも温度および圧力が高い領域Ｚ１に含まれる水、つまり温度が６４７Ｋ以上でかつ圧力が２２ＭＰａ以上の水である。

さらに、図３では、超臨界水の領域Ｚ１から密度２５０ｋｇ／ｍ^３未満の領域（ラインＬＤ２５０よりも右側の領域）を除いた領域をＺ１ａとしている。この領域Ｚ１ａに含まれる水は、当実施形態で用いられる超臨界水（温度６４７Ｋ以上、圧力２２ＭＰａ以上、密度２５０ｋｇ／ｍ^３以上の水）を表している。

図３から理解されるように、当実施形態で用いられる超臨界水（領域Ｚ１ａに含まれる水）は、領域Ｚ３に含まれる気体の水（水蒸気）よりも密度が高い。このような超臨界水を気筒２に噴射することは、気体の水を噴射する場合に比べて、多くの水を短時間で気筒２に供給できることを意味する。また、図３において矢印Ｗ１で示すように、超臨界水は、気体の水に変化するのにほとんどエンタルピー（潜熱）を必要としない。これに対し、領域Ｚ２に含まれる液体の水は、矢印Ｗ２で示すように、気体に変化するために大きなエンタルピー（潜熱）を必要とする。このことは、超臨界水を気筒２に噴射した方が、液体の水を噴射するよりも、水の潜熱吸収に伴う気筒２の温度低下を大幅に小さくできることを意味する。

（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、筒内圧センサＳＮ２、エアフローセンサ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、筒内圧力、吸気流量、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、吸気弁可変機構１８、スロットル弁２７、排気シャッタ弁３６、ＥＧＲ弁４２、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。

上記の制御に関する機能要素として、ＰＣＭ１００は、燃料噴射制御部１０１と、水噴射制御部１０２と、ＥＧＲ制御部１０３と、バルブ制御部１０４とを含んでいる。

燃料噴射制御部１０１は、アクセルセンサＳＮ５の検出値（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、エアフローセンサＳＮ３により検出される吸気流量とに基づいて、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、当該圧力が超臨界水としての必要圧力（２２ＭＰａ）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、筒内圧センサＳＮ２により検出される気筒２の内部圧力（筒内圧力）に基づいて超臨界水を噴射すべき期間を決定し、その期間にわたって水噴射弁５７から超臨界水を噴射させる。

ＥＧＲ制御部１０３は、気筒２に導入される全ガス量に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率の目標値を上記エンジン負荷等に基づいて決定し、その目標値に一致するＥＧＲ率が得られるようにＥＧＲ弁４２および排気シャッタ弁３６を制御する。

バルブ制御部１０４は、吸気弁可変機構１８を駆動して吸気弁８の開閉特性（少なくとも閉時期）を可変的に設定することにより、エンジンの運転条件（エンジン負荷および回転速度）に応じて有効圧縮比を増減させる。すなわち、バルブ制御部１０４は、運転条件に応じた適切な有効圧縮比が得られるように予め定められた吸気弁８の目標開閉特性を記憶しており、当該目標開閉特性に従って吸気弁８が駆動されるように吸気弁可変機構１８を制御する。なお、各気筒２の幾何学的圧縮比が１８以上３５以下（好ましくは１８以上３０以下）に設定される当実施形態のエンジンにおいて、バルブ制御部１０４は、有効圧縮比を１３以上２７以下の範囲で可変的に設定する。特に、幾何学的圧縮比が１８以上３０以下に設定される場合、バルブ制御部１０４は、有効圧縮比を１３以上２３以下の範囲で可変的に設定する。

（４）運転条件に応じた制御
次に、ＰＣＭ１００による燃料噴射弁１１、水噴射弁５７、ＥＧＲ弁４２、および排気シャッタ弁３６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、燃料と空気との混合気をピストンによる圧縮に伴い自着火させるＨＣＣＩ燃焼が実行される。ただし、当実施形態におけるＨＣＣＩ燃焼の種類は、水噴射弁５７からの超臨界水の噴射を伴うＨＣＣＩ燃焼と、水噴射弁５７からの超臨界水の噴射を伴わないＨＣＣＩ燃焼とに大別される。すなわち、図５に示すように、エンジンの運転領域を第１運転領域Ａ１とこれよりも負荷の低い第２運転領域Ａ２とに分けたとき、高負荷側の第１運転領域Ａ１では、水噴射弁５７から超臨界水を噴射しつつＨＣＣＩ燃焼を実行する制御が選択され、低負荷側の第２運転領域Ａ２では、超臨界水の噴射を停止した状態でＨＣＣＩ燃焼を実行する制御が選択される。各運転領域Ａ１，Ａ２での制御の概要は以下のとおりである。

（ａ）第１運転領域での制御
水噴射を伴うＨＣＣＩ燃焼の実行領域である第１運転領域Ａ１では、高負荷側ほど燃料の噴射量が増大するように燃料噴射弁１１が制御される。また、燃料の噴射タイミングは、エンジンの運転条件（負荷／回転速度）に応じた適正なタイミング（例えば圧縮上死点の近傍）で燃料が自着火するように、その目標とする着火タイミングよりもいくらか早めた適宜のタイミングに設定される。

水噴射弁５７は、燃料が自着火した時点（つまり燃焼の開始時点）から当該燃焼中に筒内圧力が最大値に達する時点までの期間にわたって超臨界水を継続的に噴射するように制御される。すなわち、水噴射弁５７からの超臨界水の噴射は、燃料の自着火（燃焼の開始）とほぼ一致するタイミングで開始され、かつ、その燃焼の途中において筒内圧力が最大値に達するのとほぼ同時に終了される。

スロットル弁２７は特に開閉制御されず、原則として全開相当の開度に維持される。

ＥＧＲ弁４２および排気シャッタ弁３６の開度は、スロットル弁２７が全開相当とされた状態で空気過剰率λが１もしくはその近傍になるように制御される。すなわち、スロットル弁２７を全開にした場合に気筒２に導入されるガスが、λ≒１相当の空気（新気）とＥＧＲガスとによって占められるように、言い換えると、スロットル全開時の全ガス量からλ≒１相当の空気量を差し引いた分のＥＧＲガス量が確保されるように、ＥＧＲ弁４２および排気シャッタ弁３６の開度が制御される。なお、空気過剰率λとは、気筒２に導入される実際の空気量を、理論空燃比（空気量／燃料量＝１４．７）を実現するのに必要な空気量で割った値のことである。

ここで、燃料の噴射量はエンジン負荷が高いほど増やされるので、これに伴って、λ≒１相当の空気量も負荷が高いほど増大する。このため、気筒２内の全ガス量に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率は、高負荷側ほど小さくする必要がある。特に、第１運転領域Ａ１の中でも最も負荷の高い部分（エンジンの全負荷ラインおよびその近傍）では、負荷に見合った多量の空気を確保するためにＥＧＲ率（ＥＧＲ量）がゼロに設定されている（つまりＥＧＲ自体が停止される）。ＥＧＲ弁４２および排気シャッタ弁３６の開度は、このような傾向で変化するＥＧＲ率（ＥＧＲ量）が実現されるように制御される。

（ｂ）第２運転領域での制御
水噴射を伴わないＨＣＣＩ燃焼の実行領域である第２運転領域Ａ２では、水噴射弁５７が閉弁状態に維持されて、超臨界水の噴射が停止される。燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量は、高負荷側ほど多くなるように制御されるが、その噴射量は第１運転領域Ａ１のときよりも総じて少なくされる。スロットル弁２７は全開相当の開度に維持され、また、この状態でλ≒１相当の空気量が確保されるように、ＥＧＲ弁４２および排気シャッタ弁３６が制御される。なお、第２運転領域Ａ２では第１運転領域Ａ１よりも燃料噴射量が少ないため、これに適合するλ≒１相当の空気量（つまり第２運転領域Ａ２よりも少ない空気量）を気筒２に導入するために、第２運転領域Ａ２でのＥＧＲ率（ＥＧＲ量）は第１運転領域Ａ１よりも高い値に設定される。

（５）第１運転領域での具体的な制御例
次に、水噴射を伴うＨＣＣＩ燃焼が実行される第１運転領域Ａ１での具体的な制御例（主に燃料噴射弁１１および水噴射弁５７の制御）について、図６および図７を参照しつつ説明する。図６は、第１運転領域Ａ１において実行される燃料噴射弁１１および水噴射弁５７の制御の具体的手順を示すフローチャートであり、図７は、第１運転領域Ａ１での燃料噴射および水噴射に伴う気筒２の状態変化を示すタイムチャートである。具体的に、図７における（ａ）のチャートはクランク角に対する筒内圧力（Ｐａ）の変化を、（ｂ）のチャートはクランク角に対する筒内圧力の上昇率（Ｐａ／ｄｅｇ）の変化を、（ｃ）のチャートはクランク角に対する熱発生率（Ｊ／ｄｅｇ）の変化を、（ｄ）のチャートは燃料噴射パルスおよび水噴射パルスをそれぞれ示している。なお、図７において、横軸のクランク角は圧縮上死点を０°とした場合のクランク角（ｄｅｇ．ＡＴＤＣ）を表している。

図６のフローチャートに示す制御がスタートすると、燃料噴射制御部１０１は、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する（ステップＳ１）。具体的に、燃料噴射制御部１０１は、アクセルセンサＳＮ５、クランク角センサＳＮ１、およびエアフローセンサＳＮ３の各検出値からエンジン負荷、エンジン回転速度、吸気流量を取得し、取得した各値に基づいて、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する（ステップＳ１）。

既に説明したとおり、燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量は、エンジン負荷が高いほど多くなるように決定される。また、燃料の噴射タイミングは、噴射された燃料が予め定められた目標着火タイミングで自着火するように、予測される着火遅れ時間を考慮した適宜のタイミングに決定される。ここで、燃料の目標着火タイミングは、典型的には圧縮上死点の近傍に設定される。この目標着火タイミングに対し、燃料の噴射量、吸気流量、およびエンジン回転速度等に基づいて着火遅れ時間（噴射から着火までの時間）が予測演算され、演算された着火遅れ時間の分だけ目標着火タイミングよりも早めたタイミングが、燃料の噴射タイミングとして決定される。なお、目標着火タイミングは圧縮上死点の近傍に限られず、エンジンの運転条件によっては圧縮上死点に対しある程度進角または遅角され得る。ただし、いずれの場合でも、目標着火タイミングは、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。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、当実施形態において、燃料噴射弁１１からの燃料の噴射タイミングは、圧縮行程後期または膨張行程初期（ＢＴＤＣ６０°ＣＡ〜ＡＴＤＣ６０°ＣＡ）に燃料が自着火するようなタイミングに決定される。

次いで、燃料噴射制御部１０１は、燃料噴射弁１１から燃料を噴射させる（ステップＳ２）。すなわち、燃料噴射制御部１０１は、上記ステップＳ１で決定された噴射量に一致する量の燃料が燃料噴射弁１１から噴射され、かつその噴射タイミングが上記ステップＳ１で決定された噴射タイミングに一致するように、燃料噴射弁１１の開弁動作を制御する。なお、図７（チャート（ｄ））には、ＢＴＤＣ２０°ＣＡの前後に亘って燃料噴射弁１１から燃料が噴射される例が示されている。

次いで、水噴射制御部１０２は、燃焼による熱発生があったか否かを判定する（ステップＳ３）。すなわち、上記ステップＳ２で噴射された燃料は、気筒２の内部において空気と混合されつつ所定の着火遅れ時間の後に自着火し、これにより燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）が開始される。すると、当該燃焼に伴う熱発生により筒内圧力が急激に上昇し始める。水噴射制御部１０２は、筒内圧センサＳＮ２の検出値に基づいてこの筒内圧力の急上昇を検知し、検知した時点で熱発生があった（つまり燃料が自着火した）と判定する。なお、このようにして特定される燃料の自着火（ＨＣＣＩ燃焼の開始）のタイミングは、燃料噴射弁１１から１サイクル中に噴射される燃料の質量の５〜１５％が燃焼を完了したタイミングに相当する。また、筒内圧センサＳＮ２の検出値に基づき燃料の自着火を判定する水噴射制御部１０２（ＰＣＭ１００）は、請求項にいう「着火判定手段」に相当する。

上記ステップＳ３でＹＥＳと判定されて熱発生があったこと（燃料が自着火したこと）が確認された場合、水噴射制御部１０２は、水噴射弁５７を開弁させて当該水噴射弁５７から超臨界水を噴射させる制御を開始する（ステップＳ４）。なお、図７の例では、燃料が圧縮上死点（０°ＣＡ）の近傍で自着火しており、これに伴って筒内圧力、圧力上昇率、熱発生率がそれぞれ急上昇を開始している。この場合、超臨界水の噴射は、自着火とほぼ同じタイミングである圧縮上死点の近傍で開始されることになる。

次いで、水噴射制御部１０２は、筒内圧力が最大値に達したか否かを判定する（ステップＳ５）。すなわち、水噴射制御部１０２は、水噴射の開始後に筒内圧センサＳＮ２により検出される筒内圧力の変化を調べ、当該筒内圧力が上昇傾向から低下傾向に転じたことを特定する。そして、低下傾向に転じたことが特定された時点で筒内圧力が最大値（図７のチャート（ａ）に示すＰｍａｘ）に達したと判定する。なお、筒内圧力が最大値Ｐｍａｘに達するタイミングは、エンジンの有効圧縮比により異なるが、当実施形態のように有効圧縮比が１３〜２７のいずれかに設定されるケースでは、１サイクル中に噴射される燃料質量の４０〜９５％が燃焼を完了した時点に相当する。また、有効圧縮比が１３〜２３のいずかに設定される場合、上記タイミング（筒内圧力が最大値Ｐｍａｘに達するタイミング）は、燃料質量の５０〜９５％が燃焼を完了した時点に相当する。

上記ステップＳ５でＹＥＳと判定されて筒内圧力が最大値に達したことが確認された場合、水噴射制御部１０２は、水噴射弁５７を閉弁させて超臨界水の噴射を停止する（ステップＳ６）。なお、図７の例では、ＡＴＤＣ２０°ＣＡの少し手前で筒内圧力が最大値Ｐｍａｘに達しており（チャート（ａ）参照）、この時点で超臨界水の噴射が停止されている。

（６）作用効果
以上説明したとおり、当実施形態のエンジンは、気筒２に燃料を噴射する燃料噴射弁１１と、気筒２に超臨界水を噴射する水噴射弁５７とを備えている。エンジンが高負荷側の第１運転領域Ａ１で運転されているとき、水噴射弁５７は、燃料噴射弁１１から噴射された燃料が自着火した時点（つまり燃焼の開始時点）から、当該燃焼中に筒内圧力が最大値Ｐｍａｘに達する時点までの一連の期間にわたって、超臨界水を継続的に噴射する。このような構成によれば、エンジンの出力トルクを確保しつつ筒内圧力の上昇を効果的に抑制できるという利点がある。

すなわち、上記実施形態では、水噴射弁５７からの超臨界水の噴射（以下、単に水噴射ともいう）が燃料の自着火とほぼ同時に開始されるので、自着火の直後における燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）の進行が、燃料成分と反応しない不活性物質である水の存在によって抑制される。これにより、自着火の直後に筒内圧力が急激に上昇するのを回避でき、筒内圧力の急上昇（圧力上昇率の増大）に伴う燃焼騒音の増大を抑制することができる。例えば、図７のチャート（ｂ）（ｃ）に破線の波形で示すように、仮に水噴射をしなかった場合には、自着火の直後に燃焼が急速に進行して短時間に多量の熱が発生し、これに伴って筒内圧力が急上昇すると考えられる。このことは、燃焼騒音に相関する圧力上昇率の増大、つまり燃焼騒音の増大につながり、エンジンの商品性低下を招くことになる。これに対し、自着火とほぼ同時に水噴射を開始する上記実施形態によれば、噴射された水によって筒内圧力の上昇（圧力上昇率）が抑制されるので、燃焼騒音の増大を抑制することができ、エンジンの商品性を向上させることができる。

また、上記水噴射は、燃焼中に筒内圧力が最大値Ｐｍａｘに達する時点まで継続されるので、その継続噴射された水の作用により、筒内圧力の最大値Ｐｍａｘが過度に大きくなる（例えば設計上の許容値を超える）ような事態を回避することができる。例えば、図７のチャート（ｄ）に一点鎖線のブロックで示すように、仮に筒内圧力が最大値Ｐｍａｘに達するよりも前に水噴射を終了した場合には、同図のチャート（ａ）（ｃ）に一点鎖線の波形で示すように、水噴射の停止直後から燃焼の進行が急峻化し、その結果として筒内圧力が許容値を超えるまで上昇してしまう可能性がある。これに対し、筒内圧力が最大値Ｐｍａｘに達するまで水噴射を継続する上記実施形態によれば、筒内圧力の最大値Ｐｍａｘを許容値を超えない程度の適正なレベルに抑えることができる。これにより、ピストン５やシリンダヘッド４等の部品に過大な圧力が加わって当該部品が損傷するといった事態が回避され、エンジン（エンジン本体１）の信頼性を良好に確保することができる。

さらに、水噴射弁５７から気筒２に噴射される水が超臨界水とされるので、密度の低い気体の水（水蒸気）を噴射する場合に比べて、多くの水を短時間で気筒２に供給することができ、筒内圧力を適切に抑制し得る十分な量の水を効率よく気筒２に供給することができる。また、液体の水を噴射する場合に比べて、水の潜熱吸収に伴う気筒２の温度低下を大幅に小さくすることができ、当該温度低下に起因したエンジンの出力トルクの低下を効果的に抑制することができる。しかも、気筒２に噴射された超臨界水は、気筒２内で急速に膨張することにより、ピストン５を押し下げる仕事をする。したがって、このような性質の超臨界水を気筒２に継続的に噴射する上記実施形態によれば、筒内圧力の上昇を効率よく抑制しつつエンジンの出力トルクを十分に確保することができる。

また、上記実施形態では、燃料噴射弁１１から噴射された燃料の自着火が筒内圧センサＳＮ２の検出値に基づき特定された時点、つまり、筒内圧センサＳＮ２により検出される筒内圧力が燃料噴射後に急激に上昇し始めたことが確認された時点で、上記水噴射が開始されるので、燃料の自着火に合わせて遅滞なく水噴射を開始することができ、自着火直後の筒内圧力の急上昇およびそれに伴う燃焼騒音の増大を効果的に抑制することができる。また、自着火よりも前には水噴射が行われないので、水噴射による水の消費量を抑制することができる。

また、上記実施形態では、燃焼中の筒内圧力が最大値Ｐｍａｘに達したことが筒内圧センサＳＮ２の検出値に基づき特定された時点で上記水噴射が停止されるので、筒内圧力が下降に転じるまで確実に水噴射を継続させることができ、エンジンの信頼性に影響が及ぶほど筒内圧力が上昇するのを効果的に抑制することができる。

また、上記実施形態では、気筒２から排出された排気に含まれる水蒸気を凝縮させて凝縮水を生成するコンデンサ５１と、コンデンサ５１に流入する前の排気との熱交換により凝縮水を昇温させる熱交換器５４とがエンジンに備えられ、当該熱交換器５４による昇温処理を経て生成された超臨界水が水噴射弁５７から噴射されるので、排気から回収した熱を利用して効率よく（特別な熱源を追加することなく）超臨界水を生成できるとともに、そのようにして生成された超臨界水を気筒２に噴射して膨張させることにより、排気から回収した熱を効率よく仕事に変換することができる。これにより、エンジンの出力トルクを十分に確保しつつ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。

（７）変形例
上記実施形態では、エンジン本体１の各気筒２にその内部圧力を検出する筒内圧センサＳＮ２を設け、この筒内圧センサＳＮ２の検出値、つまり筒内圧力の実測値に基づいて、水噴射弁５７からの水噴射のタイミングを決定したが、本発明において筒内圧センサは必須ではなく、省略することもできる。

筒内圧センサを省略した場合、例えば水噴射を開始するタイミングは、運転条件ごとに予め定められた目標着火タイミングに合わせて決定することができる。また、水噴射を停止するタイミングは、例えば運転中の各時点での有効圧縮比、吸気流量、吸気温度、吸気圧力、および燃料噴射量等から演算される筒内圧力の予測値に基づいて決定することができる。なお、上記実施形態では、吸気圧力および吸気温度を検出するセンサの存在について特に言及しなかったが、このようなセンサは車両用のエンジンにおいて広く採用されている。したがって、上記のような筒内圧力の予測演算は、特別なセンサの追加なしに行うことが可能である。

また、上記実施形態では、気筒２内で燃料が自着火した時点（つまり燃焼の開始時点）で水噴射を開始し、当該燃焼中に筒内圧力が最大値Ｐｍａｘに達した時点で水噴射を停止したが、水噴射を継続する期間は、燃料が自着火した時点から筒内圧力が最大値Ｐｍａｘに達する時点までの間を含んだ一連の期間であればよい。このため、水噴射は、燃料の自着火よりも前に開始されてもよいし、筒内圧力が最大値Ｐｍａｘに達してからいくらか遅れた時点で停止されてもよい。

例えば、筒内圧力が最大値Ｐｍａｘに達した後も水噴射を継続する場合、その水噴射を停止するタイミングは、予め定められた量の超臨界水を噴射し終わったタイミングとすることができる。ここで、本願発明者の研究によれば、上記実施形態のように排気の熱回収により生成した超臨界水を気筒２に噴射する場合、燃費性能の向上と出力トルクの確保とを両立するのに適当な超臨界水の噴射量は、燃料の噴射量（１サイクル中に噴射される燃料の質量）の３〜６倍であることが分かっている。そこで、燃料噴射量の３〜６倍の超臨界水の噴射が完了した時点で水噴射を停止するようにしてもよい。

また、燃料の自着火よりも前に水噴射を開始する場合、その噴射開始のタイミングは、自着火より５〜１５°ＣＡ程度進角側のタイミングまで早めることができる。

また、上記実施形態では、水噴射弁５７から気筒２内に噴射される水として、６４７Ｋ以上の温度と２２ＭＰａ以上の圧力と２５０ｋｇ／ｍ^３以上の密度とを有する比較的高密度の超臨界水（図５の領域Ｚ１ａに含まれる水）を用いたが、これに代えて、超臨界水に近い性質を有する亜臨界水を用いてもよい。例えば、図８に示す領域Ｚ１０に含まれる水、つまり６００Ｋ以上６４７Ｋ未満の温度と２５０ｋｇ／ｍ^３以上の密度とを有する水を亜臨界水として用いることができる。この亜臨界水の性質も、密度が水蒸気よりも高くかつ潜熱が非常に小さいという意味で超臨界水に類似している。このような亜臨界水を気筒に噴射した場合でも、エンジンの出力トルクを確保しつつ筒内圧力の上昇を抑制することができる。

また、超臨界水または亜臨界水を水噴射弁から噴射する場合において、その噴射圧力は種々変更し得るが、噴射効率および実用面を考慮すると、噴射圧力は２０ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下に設定することが好ましい。

また、上記実施形態では、スロットル弁２７の開度を全開相当に維持しつつＥＧＲ量を負荷に応じて増減させることにより、エンジンの全ての運転領域で空気過剰率λを１もしくはその近傍に設定したが、例えば、比較的負荷の低い第２運転領域Ａ２では、気筒２に導入される全ガス量のうち空気（新気）が占める割合を十分に増やす（言い換えるとＥＧＲ量を減らす）ことにより、空気過剰率λが１よりも大きくなるリーンな空燃比下でエンジンを運転するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、ガソリンと空気との混合気を圧縮して自着火させるＨＣＣＩ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、一部の運転領域でＨＣＣＩ燃焼が実行されかつ残りの運転領域で火花点火燃焼が実行されるガソリンエンジンや、ガソリン以外の燃料をＨＣＣＩ燃焼させるエンジンにも本発明を適用可能である。

２気筒
５ピストン
１１燃料噴射弁
５１コンデンサ
５４熱交換器
５７水噴射弁
１０１燃料噴射制御部
１０２水噴射制御部
ＳＮ２筒内圧センサ

Claims

ピストンが往復動可能に収容された気筒と、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、気筒内に超臨界水または亜臨界水を噴射する水噴射弁とを備え、前記燃料噴射弁から噴射された燃料を空気と混合しつつ自着火させる予混合圧縮着火燃焼が可能なエンジンを制御する装置であって、
圧縮行程後期または膨張行程初期に燃料が自着火するようなタイミングで前記燃料噴射弁から気筒内に燃料を噴射させる燃料噴射制御部と、
前記気筒の内部圧力を検出する筒内圧センサと、
前記筒内圧センサからの入力情報に基づいて燃料が自着火したことを判定する着火判定手段と、
前記燃料が自着火した燃焼開始時点から当該燃焼中に気筒の内部圧力が最大値に達する時点までの一連の期間にわたって前記水噴射弁から超臨界水または亜臨界水を継続的に噴射させる水噴射制御部とを備え、
前記水噴射制御部は、前記着火判定手段が燃料の自着火を判定した時点で前記超臨界水または亜臨界水の噴射を開始するとともに、前記筒内圧センサからの入力情報に基づいて前記気筒の内部圧力が最大値に達したことを特定し、最大値に達した時点で前記超臨界水または亜臨界水の噴射を停止する、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、
前記気筒の有効圧縮比が１３以上２７以下に設定され、
前記気筒の内部圧力が前記最大値に達するタイミングは、前記燃料噴射弁から１サイクル中に噴射される燃料の質量の４０〜９５％が燃焼した時点に相当する、ことを特徴とするエンジンの制御装置。
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、
前記エンジンは、前記気筒から排出された排気に含まれる水蒸気を凝縮させて凝縮水を生成するコンデンサと、前記コンデンサに流入する前の排気との熱交換により前記凝縮水を昇温させる熱交換器とを備えており、
前記水噴射弁は、前記熱交換器による昇温処理を経て生成された超臨界水を前記気筒に噴射する、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、
前記燃料噴射弁は、ガソリンを主成分とする燃料を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。