(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予混合圧縮着火式エンジン(以下、単にエンジンともいう)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10が画成されている。燃焼室10には、後述する燃料噴射弁11から噴射される燃料(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10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)および回転速度(エンジン回転速度)を検出するクランク角センサSN1が設けられている。
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5aが形成されている。キャビティ5aは、ピストン5が上死点まで上昇したときの燃焼室10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るガソリンを主成分とする燃料を各気筒2の燃焼室10に噴射する燃料噴射弁11が、気筒2ごとに1つずつ(合計4つ)設けられている。各燃料噴射弁11は、気筒2の中心軸に対しやや傾いた姿勢で、後述する水噴射弁57と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10に露出する先端部を有し、当該先端部に設けられた複数の噴孔(図示省略)を通じて放射状に燃料を噴射することが可能である。燃料噴射弁11の先端部は、ピストン5が圧縮上死点にあるときに当該ピストン5のキャビティ5aを臨むような位置に配置されている。燃料噴射弁11からは吸気行程または圧縮行程中に燃料が噴射され、噴射された燃料は、燃焼室10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では基本的に点火プラグは不要であるが、例えば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したり、あるいは暖機後であってもHCCI燃焼の促進のためにいわゆるスパークアシストを実行することがあり、そのような目的の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10の容積とピストン5が下死点にあるときの燃焼室10の容積との比が、16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10に導入するための吸気ポート6と、燃焼室10で生成された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10側の開口を開閉する吸気弁8と、排気ポート7の燃焼室10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。
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の燃焼室10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が設けられている。
なお、当実施形態のエンジンでは全ての運転領域でHCCI燃焼が実行されるため、スロットル弁27は、減速運転時やエンジン停止時等を除いて、基本的に全開相当の開度に維持される。
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の燃焼室10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。
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に還流される排気ガス(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に貯留された水を各気筒2の燃焼室10に供給するために気筒2ごとに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。なお、図1では送水ポンプとして単一のポンプ53を図示しているが、送水ポンプは、水タンク52に貯留された水を比較的低圧で送り出すフィードポンプと、フィードポンプから送り出された水を加圧して所望の圧力まで高める高圧ポンプとを組み合わせた複数段のポンプであってもよい。
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SN3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/圧力が100℃以上/2MPa以上にまで高められている。圧力が2MPa以上と高いため、100℃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を通じて各気筒2の燃焼室10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、100℃以上の温度と2MPa以上の圧力とを有した高温・高圧の液体水である。
水噴射弁57は、その軸心が気筒2の中心軸とほぼ一致する姿勢でシリンダヘッド4に取り付けられている。水噴射弁57は、ピストン5のキャビティ5aを真上から臨むように燃焼室10の天井面中央付近において燃焼室10に露出する先端部を有し、当該先端部に設けられた複数の噴孔(図示省略)を通じて放射状に水を噴射することが可能である。
(3)エンジンの制御系統
図3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、および水圧センサSN3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SN4が設けられており、このアクセルセンサSN4による検出信号もPCM100に入力される。
PCM100は、上記各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、スロットル弁27、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。
上記制御に関する機能的要素として、PCM100は、燃料噴射制御部101と、水噴射制御部102と、EGR制御部103とを含んでいる。
燃料噴射制御部101は、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、アクセルセンサSN4の検出値(アクセル開度)から特定されるエンジン負荷(要求トルク)と、エアフローセンサSN2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SN3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(2MPa)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等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。
EGR制御部103は、燃焼室10内の全ガス量に占めるEGRガスの割合であるEGR率の目標値(目標EGR率)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、その目標EGR率に対応した量のEGRガスが気筒2に導入されるようにEGR弁42を制御する。なお、目標EGR率としては、適正なHCCI燃焼が達成されるようなEGR率がエンジンの運転条件ごとに予め定められている。例えば、エンジンの負荷が高い(燃料噴射量が多い)運転条件では目標EGR率が小さくされる。
(4)運転条件に応じた制御
次に、PCM100(燃料噴射制御部101および水噴射制御部102)による燃料噴射弁11および水噴射弁57の制御について詳しく説明する。
図4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。本図に示すように、エンジンの運転領域は、燃料噴射弁11および水噴射弁57の制御の相違により4つの運転領域A1〜A4に大別される。それぞれ第1運転領域A1、第2運転領域A2、第3運転領域A3、第4運転領域A4とすると、第1運転領域A1は、回転速度が所定値Rx未満でかつ負荷が所定値Lx以上となる低速・高負荷の運転領域であり、第2運転領域A2は、回転速度が所定値Rx未満でかつ負荷が所定値Lx未満となる低速・低負荷の運転領域であり、第3運転領域A3は、回転速度が所定値Rx以上でかつ負荷が所定値Lx以上となる高速・高負荷の運転領域であり、第4運転領域A4は、回転速度が所定値Rx以上でかつ負荷が所定値Lx未満となる高速・低負荷の運転領域である。なお、負荷の閾値である所定値Lxは、図4では回転速度にかかわらず一定のように図示されているが、回転速度に応じて変化する値であってもよい。同様に、回転速度の閾値である所定値Rxは、図4では負荷にかかわらず一定のように図示されているが、負荷に応じて変化する値であってもよい。
図4に示される各運転領域A1〜A4のうち、少なくとも第1、第2、第3運転領域A1,A2,A3では、燃料噴射制御部101および水噴射制御部102の制御により、燃料噴射弁11からの燃料噴射と水噴射弁57からの水噴射との双方が実行される。これら第1、第2、第3運転領域A1,A2,A3における燃料噴射弁11および水噴射弁57の動作を、次の(a)(b)(c)において順に説明する。
ここで、下記(a)〜(c)の説明では、燃料噴射または水噴射のタイミングを特定する用語として、吸気行程または圧縮行程の「前期」、「中期」‥‥などの用語を用いることがあるが、これは、次のことを前提としている。すなわち、本明細書では、吸気行程や圧縮行程等の任意の行程を3等分した場合の各期間を前から順に「前期」「中期」「後期」と定義する。このため、例えば圧縮行程の(i)前期、(ii)中期、(iii)後期とは、それぞれ、(i)圧縮上死点前(BTDC)180〜120°CA、(ii)BTDC120〜60°CA、(iii)BTDC60〜0°CAの各範囲のことを指す。同様に、本明細書では、吸気行程や圧縮行程等の任意の行程を2等分した場合の各期間を前から順に「前半」「後半」と定義する。このため、例えば圧縮行程の(iv)前半、(v)後半とは、それぞれ、(iv)BTDC180〜90°CA、(v)BTDC90〜0°CAの各範囲のことを指す。
(a)第1運転領域での制御
低速・高負荷の第1運転領域A1では、図5に示すように、燃料噴射弁11からの燃料噴射If1が、吸気行程の中期から後期までの期間内に実行されるとともに、水噴射弁57からの水噴射Iw1が、圧縮行程の前期から中期までの期間内に実行される。
燃料噴射If1が上記のようなタイミング(吸気行程の中期〜後期)で実行されることにより、着火前の燃料の分布が十分に均一化される。すなわち、吸気行程の中期から後期にかけた期間内に燃料噴射弁11から燃料が噴射されると、噴射された燃料は、吸気流動等により撹拌されながら気化・霧化し、圧縮上死点(図5のTDC)までの間に燃焼室10内で均一に分散する。
燃料噴射If1による燃料の噴射量は、負荷の高い第1運転領域A1の条件に見合った比較的大きい値に設定される。燃料噴射If1の噴射パルス幅(燃料噴射弁11の開弁期間)は、決められた噴射量に応じて増減され、噴射量が多いほどパルス幅が長くされる。このことは水噴射Iw1でも同様である。
水噴射Iw1のタイミング(圧縮行程の前期〜中期)は、水噴射弁57から噴射された水を燃焼室10の外周部に偏在させることを意図して定められている。すなわち、圧縮行程の前期から中期までの期間内に水噴射弁57から水が噴射されると、その噴射水は、図8の下段図に示すように(図5にもこれに対応する図を模式的に示す)、ピストン5の冠面におけるキャビティ5aよりも外側の領域(以下、冠面の外周部という)か、または気筒2の周壁に向けて放射状に飛翔する。飛翔した水は、ピストン5の冠面の外周部または気筒2の周壁に付着した後に蒸発するなどし、その結果、図8の中段図に示すように、ピストン5が圧縮上死点付近まで上昇した時点で、燃焼室10の外周部に相対的に濃度の濃い水(主に水蒸気)が存在する状態、つまり燃焼室10の外周部に存在する水の濃度が燃焼室10の中央部に比べて十分に濃くなる状態が得られる。そして、このように燃焼室10の外周部に偏在する水の冷却効果により、燃焼室10の外周部の壁面温度およびガス温度が低下する結果、燃料が自着火する直前(圧縮上死点付近)の燃焼室10の温度分布として、図8の上段のグラフに示すような分布が得られる。なお、この上段のグラフにおいて、実線の波形は水噴射を実施した場合の温度分布を、破線の波形は水噴射を実施しなかった場合の温度分布をそれぞれ示している。両者の比較から、水噴射Iw1の効果により燃焼室10の外周部の温度(壁面温度およびガス温度)が集中的に低下し、当該外周部の温度と中央部の温度との差が拡大していることが理解される。
上記噴射水による燃焼室10の外周部に対する冷却効果としては、燃料の噴射量が多く燃焼室10が高温になり易い高負荷側ほど高いレベルが要求される。このため、水噴射Iw1による水の噴射量は、総じて、第1運転領域A1の中でも負荷が高いほど大きい値に設定される。
(b)第2運転領域での制御
低速・低負荷の第2運転領域A2では、図6に示すように、燃料噴射弁11からの燃料噴射If2が圧縮行程の後半に実行されるとともに、水噴射弁57からの水噴射Iw2が圧縮上死点の直後に実行される。
第2運転領域A2は第1運転領域A1よりも負荷が低いため、燃料噴射If2による燃料の噴射量は、第1運転領域A1での燃料噴射If1(図5)よりも小さい値に設定される。このように第2運転領域A2では燃料の噴射量が少ないため、燃料噴射弁11から噴射される燃料のペネトレーション(貫徹力)は比較的弱いものとなる。
燃料噴射If2のタイミング(圧縮行程の後半)は、燃料噴射弁11から噴射された燃料をピストン5のキャビティ5a内に収めることを意図して定められている。すなわち、圧縮行程の後半に燃料噴射弁11から燃料が噴射されると、その噴射燃料は、図9の下段図に示すように(図6にもこれに対応する図を模式的に示す)、ピストン5のキャビティ5aの内部に向けて放射状に飛翔する。キャビティ5a内に飛翔した燃料は、噴射量が少なく燃料のペネトレーションが弱いことと相俟って、その多くがキャビティ5aの内部に留まることになる。これにより、キャビティ5aの内部に存在する燃料の濃度がキャビティ5aの外部に比べて十分に濃くなる状態が得られ、キャビティ5aの内部に局所的にリッチな混合気が形成される。このリッチな混合気は、ピストン5が圧縮上死点付近に至った時点で難なく自着火に至り、HCCI燃焼が開始される。
水噴射Iw2のタイミング(圧縮上死点の直後)は、上記のように圧縮上死点付近で開始される燃焼(HCCI燃焼)の期間に水噴射を重ねることを意図して定められている。より詳しくは、水噴射Iw2のタイミングは、燃焼が開始する時点以後に水噴射が開始され、かつ燃焼が終了する時点以前に水噴射が終了するようなタイミングに設定されている。このようなタイミングで水噴射弁57から噴射された水は、図9の上段図に示すように、キャビティ5aの内部に向けて放射状に飛翔する。この時点において、燃焼室10の中央部(主にキャビティ5aの内部空間)では既に燃焼が起きているため、水噴射Iw2による噴射水はこの燃焼領域中に供給されることになる。
(c)第3運転領域での制御
高速・高負荷の第3運転領域A3では、図7に示すように、燃料噴射弁11からの燃料噴射If3が、吸気行程の中期から後期までの期間内に実行されるとともに、水噴射弁57からの水噴射Iw3が、圧縮行程の後期に実行される。
第3運転領域A3は第1運転領域A1と同じ負荷域にあるため、燃料噴射If3による燃料の噴射量は、第1運転領域A1での燃料噴射If1(図5)とほぼ同等になる。ただし、第3運転領域A3では第1運転領域A1よりも回転速度が高い(言い換えると単位時間あたりのクランク角の変化量が大きい)ため、同一量の燃料を噴射するのに要するクランク角は第1運転領域A1のときよりも長くなる。第3運転領域A3での燃料噴射If3のパルス幅が第1運転領域A1での燃料噴射If1のパルス幅よりも長いのはそのためである。
水噴射Iw3のタイミング(圧縮行程の後期)は、水噴射弁57から噴射された水を燃焼室10のキャビティ5a内に収めることを意図して定められている。すなわち、圧縮行程の後期に水噴射弁57から水が噴射されると、その噴射水は、図10の下段図に示すように(図7にもこれに対応する模式図を示す)、ピストン5のキャビティ5aの内部に向けて放射状に飛翔する。飛翔した水は、キャビティ5aの壁面に付着した後に蒸発するなどし、その結果、図10の中段図に示すように、ピストン5が圧縮上死点付近まで上昇した時点で、燃焼室10の中央部に相対的に濃度の濃い水(主に水蒸気)が存在する状態、つまり燃焼室10の中央部に存在する水の濃度が燃焼室10の外周部に比べて十分に濃くなる状態が得られる。そして、このように燃焼室10の中央部に偏在する水の冷却効果により、燃焼室10の中央部(キャビティ5a)の壁面温度およびガス温度が低下する結果、燃料が自着火する直前(圧縮上死点付近)の燃焼室10の温度分布として、図10の上段のグラフに示すような分布が得られる。燃焼室10の中央部は外周部よりも高温になり易いので、この上段のグラフのように燃焼室10の中央部の温度が低下することにより、当該中央部と外周部との温度差が縮小する。
上記噴射水による燃焼室10の中央部に対する冷却効果としては、燃料の噴射量が多く燃焼室10が高温になり易い高負荷側ほど高いレベルが要求される。このため、水噴射Iw3による水の噴射量は、総じて、第3運転領域A3の中でも負荷が高いほど大きい値に設定される。
(5)作用効果
以上説明したとおり、当実施形態では、低速・高負荷の第1運転領域A1でエンジンが運転されているときに、燃料噴射弁11から吸気行程中に燃料が噴射され(燃料噴射If1)、その後、燃焼室10の外周部に水を偏在させることが可能な圧縮行程の前期ないし中期に水噴射弁57から水が噴射される(水噴射Iw1)。一方、低速・低負荷の第2運転領域A2でエンジンが運転されているときは、燃料噴射弁11から圧縮行程の後半に燃料が噴射され(燃料噴射If2)、その後、噴射された燃料の自着火よりも僅かに遅れた圧縮上死点の直後に水噴射弁57から水が噴射される(水噴射Iw2)。このような構成によれば、スート(煤)の発生量および燃焼騒音がともに抑制された適正なHCCI燃焼を幅広い負荷域で実現できるという利点がある。
すなわち、上記実施形態では、高負荷側の第1運転領域A1において、燃焼室10の外周部に水を偏在させる水噴射Iw1が燃焼の開始(自着火)前に実行されるので、燃焼の開始前に燃焼室10の外周部が水によって冷却されることにより、高温になり易い燃焼室10の中央部に比して外周部の温度が十分に低下し、燃焼室10の中央部と外周部との温度差が拡大する。これにより、燃焼室10の中央部と外周部とで燃料の着火時期に有意な差が生じるようになる(外周部での着火時期が中央部での着火時期よりも遅れる)ので、燃焼の進行が緩やかになり、燃焼室10の圧力上昇率(dp/dθ)の最大値が過大になるのを防止することができる。このように、燃焼室10の温度差を拡大して燃焼を緩慢化することにより、燃料の噴射量(つまり熱発生量)が多く燃焼が急峻になり易い高負荷条件下であっても、燃焼騒音を適正なレベルに抑えることができる。
また、低負荷側の第2運転領域A2では、圧縮行程の後半という比較的遅い時期に燃料噴射If2が実行されるので、噴射量が少なく燃料のペネトレーションが弱いこととの相乗効果により、燃料が自着火する前の時点で、燃焼室10の一部(特にキャビティ5aの内部)にのみ燃料が偏存する状態が得られる。このような状態で燃料が自着火すると、燃焼領域(火炎が拡がる領域)が比較的狭い範囲に限定されるので、火炎が燃焼室10の壁面に接触する面積を小さくでき、冷却損失を効果的に低減することができる。ただし、燃料が偏在する領域(キャビティ5a内)では過剰にリッチな混合気が形成される可能性があり、それに伴いスートの発生量が増大することが懸念される。これに対し、上記実施形態では、圧縮上死点の直後に開始される水噴射Iw2によって、燃焼が継続中の高温の燃焼室10に水が供給されて気化し、その気化後の水蒸気が燃焼反応に寄与するOHラジカルを増大させる作用をもたらすので、当該OHラジカルによる強力な酸化作用により、炭素(C)の酸化が促進される(CO2等に変換される)結果、スートの発生量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、燃焼室10の天井面の中央付近に設けられた水噴射弁57からピストン5に向けて放射状に水が噴射されるので、第1運転領域A1での運転時に、水噴射Iw1によって圧縮行程の前期から中期までの期間内に水が噴射されることにより、噴射された水をピストン5の冠面の外周部(キャビティ5aよりも外側の冠面)または気筒2の周壁に指向させることができ、この噴射水によって燃焼室10の外周部に水が偏在する状態を適正につくり出すことができる。
また、上記実施形態では、第2運転領域A2での運転時に、自着火による燃焼の継続期間中に水噴射Iw2が開始および終了される(つまり水噴射Iw2の期間が燃焼期間中に完全に含まれるように設定されている)ので、燃焼が継続している最中の燃焼室10に適正に水を供給することができ、その水(気化後の水蒸気)がもたらすOHラジカルの増大作用によりスートの発生量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、上述した制御が行われる第1運転領域A1および第2運転領域A2が、いずれもエンジン回転速度が所定値Rx未満の低速側の速度域に設定されているので、燃焼騒音およびスートの問題が顕在化し易い低速域においてこれらの問題に適切に対処することができる。すなわち、単位時間あたりのクランク角変化量が小さい低速域では、圧縮上死点近くの高温・高圧環境下で燃焼が起きる期間が時間の上で長くなるので、高速域に比べて燃焼騒音が大きくなり易く、またスートの発生量も増大し易い。これに対し、上記実施形態では、回転速度が所定値Rx未満の速度域において、燃焼の緩慢化または炭素の酸化促進につながる上述した2種類の水噴射(第1運転領域A1での水噴射Iw1または第2運転領域A2での水噴射Iw2)が負荷に応じてそれぞれ実行されるので、これらの水噴射Iw1,Iw2によって燃焼騒音およびスートの発生量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、排気ガスとの熱交換により加熱された高温水(100℃以上の水)が水噴射弁57から噴射されるので、噴射された水により燃焼室10が過度に冷却されて出力トルクが低下するのを防止することができる。特に、低速・低負荷の第2運転領域A2では、噴射水の高温化によって、OHラジカルの増大にかかる所要時間(水噴射Iw2により噴射された水が気化してOHラジカルを増大させるまでに要する時間)が短縮されるので、スートの抑制効果をより高めることができる。しかも、排気ガスの熱を利用して水を加熱するので、加熱のために無駄なエネルギーが消費されることがなく、エネルギー効率を良好に維持することができる。
また、上記実施形態では、高速・高負荷の第3運転領域A3での運転時に、燃料噴射弁11から吸気行程中に燃料が噴射され(燃料噴射If3)、その後、燃焼室10の中央部に水を偏在させることが可能な圧縮行程の後期に水噴射弁57から水が噴射される(水噴射Iw3)ので、燃焼室10の外周部に比べて高温になり易い燃焼室10の中央部が集中的に冷却されて、燃焼室10の中央部と外周部との温度差が縮小する。これにより、燃焼室の中央部/外周部で着火時期に大きな差が生じなくなり、短時間の間に多くの燃料が燃焼する比較的急峻な燃焼が起きるようになる。しかしながら、第1運転領域A1よりも回転速度が高い第3運転領域A3では、単位時間あたりのクランク角変化量が大きいので、燃焼が急峻化されても圧力上昇率(dp/dθ)の最大値はそれほど大きくならない。このため、回転速度が高い第3運転領域A3で上記のように燃焼室10の温度の均一化を図ったとしても、燃焼騒音は特に問題にならず、むしろ、短時間で多くの燃料が燃焼する結果、排気損失の少ない(熱効率の高い)燃焼が実現されると考えられる。また、燃焼室10の中央部は、第3運転領域A3のような高回転かつ高負荷の条件下で特に高温になり易い部分であるが、当該第3運転領域A3において燃焼室10の中央部を噴射水により直接的に冷却する上記実施形態によれば、燃焼室10の中央部の温度が過度に上昇することが確実に回避されるので、冷却損失を低減してエンジンの熱効率を向上させることができる。
(6)変形例
(a)第1の変形例
上記実施形態では、水噴射弁57から燃焼室10に噴射される水として、100℃以上の温度と2MPa以上の圧力とを有する比較的高温・高圧の水を用いたが、噴射水の温度・圧力等は、上述した各運転領域A1,A2,A3において求められる水噴射の寄与効果のいずれを重視するか等に応じて適宜変更可能である。
例えば、いわゆる超臨界または亜臨界と呼ばれる状態にまで温度・圧力が高められた水(つまり超臨界水または亜臨界水)を燃焼室10に噴射することも可能である。ここで、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のことであり、亜臨界水とは、超臨界水に近い性質を有する水のことである。図11は、エンタルピー(横軸)および圧力(縦軸)の変化に伴う水の状態変化を示しており、この図11を用いて超臨界水および亜臨界水を説明すると、超臨界水とは、水の臨界点Xよりも温度および圧力の高い領域Z1に含まれる水として定義することができ、亜臨界水とは、領域Z1に隣接する領域Z1aに含まれる水として定義することができる。
より詳しく説明すると、図11において、LTは等温線、LDは等密度線であり、LTに続く数値が温度(K)を、LDに続く数値が密度(kg/m3)をそれぞれ表している。また、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を表している。超臨界水に対応する領域Z1は、これら領域Z2,Z3,Z4のいずれにも属さない非常に高温・高圧の領域である。このような領域Z1では、水は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、つまり超臨界状態となる。なお、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)であるから、領域Z1に属する超臨界水とは、647K(374℃)以上の温度と22MPa以上の圧力とを有する水のことである。また、領域Z1aに属する亜臨界水とは、600K以上647K未満の温度と250kg/m3以上の密度とを有する水のことである。
このような超臨界水/亜臨界水を燃焼室10に噴射した場合には、噴射後の急速な水の膨張仕事を利用して、燃費改善効果が得られると考えられる。すなわち、図11において矢印W1で示すように、超臨界水/亜臨界水は、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/亜臨界水を噴射した方が、液体の水を噴射するよりも、水の潜熱吸収に伴う燃焼室10の温度低下を十分に小さくできることを意味する。しかも、燃焼室10に噴射された超臨界水/亜臨界水は、燃焼室10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/亜臨界水を燃焼室10に噴射した場合には、その噴射に伴う仕事の増分だけ、燃料の噴射量を減らして燃費を改善できる可能性がある。
特に、第2運転領域A2では、圧縮上死点の後に水が噴射されるので、この噴射水として超臨界水/亜臨界水を用いれば、十分な燃費改善効果が得られると考えられる。すなわち、第2運転領域A2において超臨界水/亜臨界水を圧縮行程の後に噴射した場合には、噴射された超臨界水/亜臨界水が膨張行程中に急速に膨張することでピストン5が押し下げられるので、当該押し下げ仕事(それによる出力トルクの増分)の分だけ燃料の噴射量を減らすことができる。しかも、排気ガスの熱を利用して超臨界水/亜臨界水を生成した場合には、排気ガスの熱を出力に変換するいわゆる排熱回収が達成されるので、十分な燃費改善効果を得ることが可能になる。
ただし、超臨界水/亜臨界水を例えば高負荷側の第1運転領域A1でも使用した場合、この第1運転領域A1で期待されている水噴射による冷却効果(つまり燃焼室10の外周部を冷却して燃焼を緩慢化する効果)は減少すると考えられる。しかしながら、超臨界水/亜臨界水といえども、圧縮上死点付近の燃焼室10の温度よりは低いので、それなりの冷却効果は期待できる。加えて、水は不活性ガスであるから、この不活性ガスとしての水の偏在がもたらす作用により、超臨界水/亜臨界水を噴射した場合でも同様の緩慢化効果が得られると考えられる。すなわち、超臨界水/亜臨界水を噴射した場合には、ごく短時間で十分量の水を燃焼室10の外周部に供給できるので、当該外周部における不活性ガスの濃度が十分に高まる結果、主にその濃度差がもたらす作用により、(冷却効果は減少するものの)燃焼の緩慢化を図ることが可能になる。
(b)その他の変形例
上記実施形態では、水噴射弁57として、先端部に複数の噴孔が形成された多噴孔型の噴射弁を用いたが、本発明において使用可能な水噴射弁はこれに限られず、いわゆる外開きタイプの噴射弁を水噴射弁として使用することも可能である。外開きタイプの噴射弁は、例えば、筒状のバルブボディと、このバルブボディ内に進退可能に挿入されたニードル弁とを備えている。ニードル弁の先端部は、その外周面がバルブボディの先端部の内周面に対し密着可能な状態で収容されている。このような外開きタイプの噴射弁では、その開弁時にニードル弁が突出方向に駆動されることにより、ニードル弁の先端部とバルブボディの内周面との間に連続したリング状のスリットからなるノズル口が形成され、このノズル口を通じて水がコーン状に噴射される(このようなコーン状の水噴射も放射状に水を噴射する一態様である)。なお、外開きタイプの噴射弁を使用可能なのは、燃料噴射弁11でも同様である。
また、上記実施形態では、低速・高負荷の第1運転領域A1において、燃焼室10の外周部に水が偏在する状態を燃料の自着火の直前につくり出すために、燃焼室10の天井面の中央付近に配置された水噴射弁57から圧縮行程の前期ないし中期に放射状に水を噴射させるようにしたが(水噴射Iw1)、この第1運転領域A1での水噴射Iw1のタイミングは、燃料が自着火する直前の燃焼室10の外周部に水が偏在する状態をつくり出せるタイミングであればよく、その限りにおいて適宜の変更が可能である。例えば、水噴射弁57の取付位置が変われば、燃焼室10の外周部に水を偏在させるのに適したタイミングも変わり得るので、水噴射Iw1のタイミングは水噴射弁57の取付位置等に応じて適宜調整すればよい。ただし、いずれの場合でも、第1運転領域A1での水噴射Iw1は、燃料噴射弁11による燃料噴射If1が終了してから燃料が自着火するまでの間には開始する必要がある。
また、上記実施形態では、低速・高負荷の第1運転領域A1において、吸気行程の中期ないし後期に燃料噴射弁11から燃料を噴射させるようにしたが(燃料噴射If1)、この第1運転領域A1での燃料噴射If1のタイミングは、圧縮上死点までの間に燃料が燃焼室10内で比較的均一に分散するようなタイミングであればよく、その限りにおいて適宜の変更が可能である。例えば、圧縮行程の前半に燃料噴射If1を実行するようにしてもよい。ただし、第1運転領域A1での燃料噴射If1のタイミングは、少なくとも第2運転領域A2での燃料噴射If2のタイミングよりは早くされる。このことは、高速・高負荷の第3運転領域A3での燃料噴射If3でも同様である。
また、上記実施形態では、低速・低負荷の第2運転領域A2において、圧縮上死点の直後に水噴射Iw2を開始してその後終了することにより、当該水噴射Iw2の期間が燃焼期間中に完全に含まれるような態様で水を噴射したが、この第2運転領域A2での水噴射Iw2のタイミングは、燃焼室10に噴射された水(気化後の水蒸気)によるOHラジカルの増大作用が燃焼期間中に及ぶようなタイミングであればよく、その限りにおいて適宜の変更が可能である。ただし、当該目的のためには、第2運転領域A2での水噴射Iw2は、燃料噴射If2が終了してから燃焼が終了するまでの間には開始する必要がある。なお、水噴射Iw2の終了タイミングは燃焼期間が過ぎてからでもよいが、燃焼が終了した後に噴射された水はスートの抑制には寄与しないので、燃焼が終了したらできるだけ速やかに水噴射Iw2も終了させるのが望ましい。
また、上記実施形態では、高速・高負荷の第3運転領域A3において、燃焼室10の中央部(キャビティ5aの内部)に水が偏在する状態を燃料の自着火の直前につくり出すために、水噴射弁57から圧縮行程の後期に放射状に水を噴射させるようにしたが(水噴射Iw3)、この第3運転領域A3での水噴射Iw3のタイミングは、自着火の直前に燃焼室10の中央部に水を偏在させることが可能なタイミングであればよく、その限りにおいて適宜の変更が可能である。例えば、予定される自着火のタイミング等によっては、水噴射Iw3の期間の一部または全部が膨張行程の初期に含まれるようなタイミングで水を噴射してもよい。
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、ガソリン以外の副成分(アルコール等)が含有された燃料をHCCI燃焼させるエンジンにも本発明を適用可能である。