JP7268512B2 - engine combustion chamber structure - Google Patents

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Description

ここに開示する技術は、エンジンの燃焼室構造に関する。 The technology disclosed herein relates to an engine combustion chamber structure.

特許文献1には、一部の混合気を圧縮着火により燃焼させる圧縮着火式エンジンが記載されている。このエンジンは、点火装置が混合気に点火をする。火炎伝播燃焼が開始し、その火炎伝播燃焼により発生した熱によって、未燃混合気が自着火燃焼する。 Patent Literature 1 describes a compression ignition engine that burns part of the air-fuel mixture by compression ignition. In this engine, an ignition device ignites the air-fuel mixture. Flame propagation combustion starts, and the heat generated by the flame propagation combustion self-ignites the unburned air-fuel mixture.

前記のエンジンは、燃焼室内に水を噴射する水噴射装置を備えている。水噴射装置が燃焼室内に水を噴射すると燃焼室内が冷却される。このエンジンは、異常燃焼の発生を抑制することができる。 The engine is equipped with a water injection device for injecting water into the combustion chamber. When the water injection device injects water into the combustion chamber, the inside of the combustion chamber is cooled. This engine can suppress the occurrence of abnormal combustion.

特許第6477849号公報Japanese Patent No. 6477849

前述した異常燃焼の抑制を目的とする他に、本願発明者らは、燃焼室内に水(及び水蒸気)を噴射することによる作動ガス量の増加によって、エンジンのピストン仕事を増大させ、トルクの向上を図る点に着目した。エンジンの熱効率を高く維持するためには、高温の水を燃焼室内に噴射することによって、燃焼熱を利用せずに水を気化させる方が有利である。 In addition to the purpose of suppressing abnormal combustion as described above, the inventors of the present application have increased the amount of working gas by injecting water (and steam) into the combustion chamber, thereby increasing the piston work of the engine and improving the torque. We focused on the point of In order to keep the thermal efficiency of the engine high, it is advantageous to inject high-temperature water into the combustion chamber so that the water is vaporized without using combustion heat.

そこで、本願発明者らは、水の温度を上げる昇温部をエンジンに取り付けた。この昇温部は、水が流れる多数の通路を有する本体部と、加熱装置が取り付けられる取付部と、を有しかつ、各通路を流れる水に、加熱装置の熱を伝えることによって水の温度を上げる。 Therefore, the inventors of the present application attached a temperature raising unit to the engine to raise the temperature of the water. The temperature raising unit has a main body portion having a number of passages through which water flows, and a mounting portion to which a heating device is attached. Raise

ところが、本願発明者らの検討によると、昇温部が昇温した水を燃焼室内に噴射しても、エンジンのトルク向上効果が予想よりも低かった。 However, according to the study by the inventors of the present application, even if the temperature-raising portion injects the water whose temperature has been raised into the combustion chamber, the effect of improving the torque of the engine is lower than expected.

ここに開示する技術は、昇温部が昇温した水を燃焼室内に噴射することにより、エンジンのトルクを向上させる。 The technology disclosed herein improves the torque of the engine by injecting the water heated by the temperature raising unit into the combustion chamber.

前記の課題に関して本願発明者らが検討を行った結果、昇温部は、一部の通路を流れる水を十分に加熱することができないことがわかった。低温の水を燃焼室に噴射すると、燃焼熱の一部が低温の水に消費されてしまう。その結果、エンジンのトルク向上効果が予想よりも低下したのである。ここに開示する技術は、本願発明者らの新たな知見に基づいて完成したものである。 As a result of investigations by the inventors of the present application on the above-described problem, it was found that the temperature raising unit could not sufficiently heat the water flowing through some of the passages. When cold water is injected into the combustion chamber, part of the combustion heat is consumed by the cold water. As a result, the torque improvement effect of the engine was lower than expected. The technology disclosed herein has been completed based on the new findings of the inventors of the present application.

具体的にここに開示する技術は、エンジンの燃焼室構造に係る。このエンジンの燃焼室構造は、
エンジンに設けられたシリンダと、前記シリンダ内を往復動するピストンとによって形成される燃焼室と、
前記燃焼室の天井部に配置された点火装置と、
前記燃焼室内に臨む噴孔を通じて、前記燃焼室内に水を噴射する水噴射装置と、を備え、
前記水噴射装置は、前記燃焼室が圧縮行程にあるときに水を噴射し、
前記水噴射装置は、加熱装置の熱によって水の温度を上げる昇温部を有し、
前記昇温部は、前記水が流れる複数の通路を有し、前記複数の通路は、前記昇温部において、前記加熱装置が取り付けられる取付側に形成され、
前記昇温部における反取付側には、前記通路が形成されない非形成部が設けられている。
Specifically, the technology disclosed herein relates to the combustion chamber structure of an engine. The combustion chamber structure of this engine is
a combustion chamber formed by a cylinder provided in the engine and a piston that reciprocates within the cylinder;
an ignition device disposed on the ceiling of the combustion chamber;
a water injection device for injecting water into the combustion chamber through an injection hole facing the combustion chamber;
The water injection device injects water when the combustion chamber is in a compression stroke,
The water injection device has a temperature raising unit that raises the temperature of the water by the heat of the heating device,
The temperature raising unit has a plurality of passages through which the water flows, and the plurality of passages are formed in the temperature raising unit on an attachment side to which the heating device is attached,
A non-forming portion in which the passage is not formed is provided on the non-mounting side of the temperature raising portion.

昇温部におれる取付側は、加熱装置からの距離が短い。昇温部は、取付側に形成された通路を流れる水に、十分に熱を与えることができる。当該通路を流れる水は高温になる。 The mounting side in the temperature raising section has a short distance from the heating device. The temperature raising part can sufficiently heat water flowing through the passage formed on the attachment side. The water flowing through the passage becomes hot.

昇温部における反取付側は、加熱装置からの距離が長い。反取付側に通路を形成しても、昇温部は、通路を流れる水に十分に熱を与えることができない場合がある。前記の構成では、反取付側に非形成部が設けられている。非形成部には、通路がない。昇温部は、十分に熱を与えることができる箇所に通路を有している。低温の水が燃焼室内に噴射されることが抑制される。 The distance from the heating device is long on the non-mounting side of the temperature raising section. Even if the passage is formed on the side opposite to the installation side, the temperature raising portion may not be able to sufficiently heat the water flowing through the passage. In the above configuration, the non-formation portion is provided on the side opposite to the mounting side. The non-formed portion has no passageway. The temperature raising part has a passage in a place where heat can be applied sufficiently. Injection of low-temperature water into the combustion chamber is suppressed.

前記の燃焼室構造では、十分に加熱された水のみが燃焼室内に噴射される。尚、この明細書において、「水」は、気体である水蒸気を含む。燃焼室内に水蒸気を噴射すれば、水が燃焼熱を消費することがない、又は、消費することが抑制されるため、燃焼室内に水蒸気を噴射することは、エンジンの熱効率の向上に有利になる。燃焼室内に高温の水を噴射すると、エンジンの熱効率が低下せず、エンジンのトルクが向上する。 In the combustion chamber construction described above, only sufficiently heated water is injected into the combustion chamber. In this specification, "water" includes water vapor, which is a gas. If water vapor is injected into the combustion chamber, the combustion heat is not consumed by water, or is suppressed, so injecting water vapor into the combustion chamber is advantageous for improving the thermal efficiency of the engine. . Injecting hot water into the combustion chamber increases the torque of the engine without reducing the thermal efficiency of the engine.

前記加熱装置は、前記エンジンの排気ガスの熱を前記昇温部へ送るヒートパイプを有し、
前記水噴射装置は、水噴射弁を有し、
前記昇温部は、前記水噴射弁と前記燃焼室との間に介在し、各通路は、前記水噴射弁から前記燃焼室へ向かう方向に延び、
前記ヒートパイプは、前記昇温部の、前記通路に直交する方向の側部に取り付けられている、としてもよい。
The heating device has a heat pipe that sends heat of the exhaust gas of the engine to the temperature raising unit,
The water injection device has a water injection valve,
The temperature raising unit is interposed between the water injection valve and the combustion chamber, each passage extends in a direction from the water injection valve toward the combustion chamber,
The heat pipe may be attached to a side portion of the temperature raising section in a direction orthogonal to the passage.

こうすることで、ヒートパイプがエンジンの排熱を回収し、昇温部は、その熱によって、水噴射弁が噴射した水を、燃焼室内に供給される前に加熱することができる。エンジンの熱効率が向上する。 By doing so, the heat pipe recovers the exhaust heat of the engine, and the heat is used by the temperature raising section to heat the water injected by the water injection valve before it is supplied into the combustion chamber. Improves engine thermal efficiency.

前記昇温部は、前記通路が形成された本体部と、前記ヒートパイプが取り付けられる取付部と、前記本体部と前記取付部と接続する伝熱部とを有し、
前記伝熱部は、前記通路の長さの半分以上の幅を有している、としてもよい。
The temperature raising unit has a main body portion in which the passage is formed, a mounting portion to which the heat pipe is mounted, and a heat transfer portion connecting the main body portion and the mounting portion,
The heat transfer section may have a width equal to or greater than half the length of the passage.

こうすることで、伝熱部の熱抵抗が下がるから、昇温部は、ヒートパイプの熱によって、通路を流れる水を効率よく加熱することができる。 This reduces the thermal resistance of the heat transfer section, so that the temperature raising section can efficiently heat the water flowing through the passage with the heat of the heat pipe.

前期エンジンの燃焼室構造は、前記水噴射装置に水を供給する水供給装置を備え、
前記水供給装置は、
前記エンジンの排気ガス中の水を凝縮する凝縮器と、
前記凝縮器が凝縮した水を溜める水タンクと、
前記水タンクの水を加圧して前記水噴射装置へ供給する水ポンプと、を有している、としてもよい。
The combustion chamber structure of the previous engine includes a water supply device for supplying water to the water injection device,
The water supply device is
a condenser for condensing water in the exhaust gas of the engine;
a water tank for storing water condensed by the condenser;
and a water pump for pressurizing the water in the water tank and supplying it to the water injection device.

こうすることで、乗員は、燃焼室内に噴射する水を水タンクに給水しなくてもよい。また、水ポンプが水を加圧するため、圧縮行程中の高圧の燃焼室内に水を噴射することができる。噴射した水の少なくとも一部は、減圧沸騰により気化する。水の気化に必要な熱量を少なくすることができる。 By doing so, the passenger does not have to fill the water tank with water to be injected into the combustion chamber. Also, since the water pump pressurizes the water, it can be injected into the high pressure combustion chamber during the compression stroke. At least part of the injected water is vaporized by boiling under reduced pressure. The amount of heat required for vaporizing water can be reduced.

前記エンジンの燃焼室構造は、前記燃焼室の天井部に配置された点火装置を備え、
前記ピストンは、その上面から凹んだキャビティを有し、
前記水噴射装置は、少なくとも一部の噴孔の軸の延長線が前記キャビティと交差しているタイミングで、水を前記キャビティに向かって噴射し、
前記点火装置は、前記シリンダの軸に直交する方向に対して、前記キャビティから外れた位置に設置されている、としてもよい。
The combustion chamber structure of the engine comprises an ignition device arranged in the ceiling of the combustion chamber,
said piston having a cavity recessed from its top surface,
The water injection device injects water toward the cavity at a timing when an extension line of an axis of at least a part of the nozzle holes intersects the cavity,
The ignition device may be located outside the cavity relative to the direction perpendicular to the axis of the cylinder.

本願発明者らは、エンジンの燃焼室に、トルクの向上を目的として水を噴射すると、燃焼安定性が低下してしまうことに気づいた。これは、エンジンのトルクを向上させようとすると、燃焼室内に大量の水を噴射しなければならないためである。つまり、燃焼室内に噴射する水の量が増えると、点火装置の付近の水の濃度が高くなってしまい、点火装置が混合気に点火し難くなる。 The inventors of the present application have found that when water is injected into the combustion chamber of an engine for the purpose of improving torque, the combustion stability deteriorates. This is because a large amount of water must be injected into the combustion chamber in order to increase the torque of the engine. That is, when the amount of water injected into the combustion chamber increases, the concentration of water near the ignition device increases, making it difficult for the ignition device to ignite the air-fuel mixture.

これに対し前記の構成は、燃焼室内に水を噴射しても、点火装置は混合気に安定して点火をすることができる。 On the other hand, with the above-described structure, even if water is injected into the combustion chamber, the ignition device can stably ignite the air-fuel mixture.

つまり、水噴射装置が、キャビティに向かって水を噴射することにより、水がキャビティ内の領域に収まる、又は、ほぼ収まる。燃焼室内において、水が拡散することを抑制することができる。 That is, the water injection device injects water toward the cavity so that the water is confined or nearly confined to the area within the cavity. Diffusion of water in the combustion chamber can be suppressed.

点火装置は、キャビティから外れた位置に設置されている。燃焼室内に噴射した水の拡散が抑制されるため、点火装置の付近の水の濃度は低く保たれる。その結果、点火装置は、混合気に、安定して点火をすることが可能になる。エンジンの燃焼安定性が高まる。 The igniter is located outside the cavity. Since diffusion of injected water into the combustion chamber is suppressed, the concentration of water in the vicinity of the ignition device is kept low. As a result, the ignition device can stably ignite the air-fuel mixture. The combustion stability of the engine is enhanced.

尚、本明細書において「キャビティ内の領域」は、ピストンの上面から凹んだキャビティの中の領域と、当該キャビティの開口を燃焼室の天井部へシリンダの軸の方向に投影した投影面から、キャビティの開口までの領域と、を合わせた領域を意味する。本明細書において「キャビティ外の領域」は、前記の「キャビティ内の領域」以外の領域を意味する。 In this specification, the term "area within the cavity" refers to the area inside the cavity that is recessed from the upper surface of the piston, and the projected plane of the opening of the cavity projected onto the ceiling of the combustion chamber in the axial direction of the cylinder. It means the combined area of the area up to the opening of the cavity. As used herein, the term “outside cavity region” means a region other than the aforementioned “inside cavity region”.

前記キャビティは、前記水噴射装置が噴射した前記水が当たる底部と、前記底部に沿って広がる水を前記水噴射装置の方へ巻き上げる巻上部とを有している、としてもよい。 The cavity may have a bottom against which the water injected by the water injection device hits, and a hoisting portion that rolls up the water spreading along the bottom toward the water injection device.

本願発明者らの検討によると、巻上部を有するキャビティに向かって水を噴射することにより、キャビティ外の領域への水の広がりが抑制されることがわかった。水がキャビティ内の領域に収まる、又は、ほぼ収まるから、点火装置の付近は、水の濃度が低く保たれる。燃焼室内に水を噴射しても、点火装置は混合気に点火することが可能になる。 According to studies by the inventors of the present application, it has been found that spraying water toward a cavity having a roll-up portion suppresses the spread of water to a region outside the cavity. The vicinity of the igniter is kept low in concentration of water because the water will fit, or nearly fit, into the area within the cavity. Injecting water into the combustion chamber also allows the igniter to ignite the mixture.

前記水噴射装置は、前記圧縮行程の前期から中期までの間に水を噴射する、としてもよい。 The water injection device may inject water from the early stage to the middle stage of the compression stroke.

前述したように、燃焼室内に噴射する水の温度を高くすれば、燃焼熱を用いずに水を気化させることができ、エンジンの熱効率の向上に有利になる。圧縮行程の前期から中期までの期間は、燃焼室内の圧力が相対的に低い。燃焼室内の圧力が低いと水の沸点温度が下がるため、水の温度が低くても、気化した水を燃焼室内に噴射することができる。つまり、圧縮行程の前期から中期までの期間に水を噴射することによって、水の加熱に必要な熱量を節約することができる。この構成は、当該エンジンを搭載した自動車の燃費性能の向上に有利である。 As described above, if the temperature of the water injected into the combustion chamber is increased, the water can be vaporized without using combustion heat, which is advantageous for improving the thermal efficiency of the engine. The pressure in the combustion chamber is relatively low during the period from the early period to the middle period of the compression stroke. When the pressure in the combustion chamber is low, the boiling point temperature of water is lowered, so even if the temperature of the water is low, the vaporized water can be injected into the combustion chamber. In other words, by injecting water during the period from the early stage to the middle stage of the compression stroke, the amount of heat required for heating water can be saved. This configuration is advantageous for improving the fuel efficiency of an automobile equipped with the engine.

尚、圧縮行程の「前期」及び「中期」はそれぞれ、圧縮行程の期間を、「前期」「中期」及び「後期」に三等分した場合の、「前期」及び「中期」としてもよい。 The "early period" and "middle period" of the compression stroke may be the "early period" and the "middle period" when the period of the compression stroke is equally divided into the "early period", the "middle period" and the "late period".

前記水噴射装置が噴射する水の量は、前記エンジンの負荷が低い場合は、高い場合よりも少なく、
前記水噴射装置は、水の噴射量が少ない場合は、多い場合よりも噴射の開始タイミングを遅らせる、としてもよい。
The amount of water injected by the water injection device is less when the load of the engine is low than when the load is high,
The water injection device may delay the start timing of injection when the amount of water injected is small compared to when the amount of water injected is large.

圧縮行程の早い時点で燃焼室内に水を噴射すると、ピストンの圧縮抵抗が増大する。水を噴射するタイミングは遅い方が、エンジンの熱効率の向上に有利である。水の噴射量が少なくて水の噴射期間が短い場合に、水噴射装置は、噴射の開始タイミングを遅らせる。ピストンの圧縮抵抗が低下するから、エンジンの熱効率の向上に有利になる。 Injecting water into the combustion chamber early in the compression stroke increases the compression resistance of the piston. A later water injection timing is advantageous for improving the thermal efficiency of the engine. When the water injection amount is small and the water injection period is short, the water injection device delays the injection start timing. Since the compression resistance of the piston is lowered, it is advantageous for improving the thermal efficiency of the engine.

また、水の噴射量が増えると、水噴射装置が水を噴射する期間が長くなる。水の噴射量が多いと、水噴射装置は、水噴射の開始タイミングを早める。水噴射装置は、圧縮行程の中期までに水噴射を終了することができる。その結果、前述したように、水の加熱に必要な熱量を節約することができる。 In addition, when the injection amount of water increases, the period during which the water injection device injects water becomes longer. When the water injection amount is large, the water injection device advances the start timing of water injection. The water injection device can finish water injection by the middle of the compression stroke. As a result, as described above, the amount of heat required for heating water can be saved.

前記エンジンの燃焼室構造は、燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、
前記燃料噴射弁は、前記燃焼室に連通する吸気ポートに配置されている、としてもよい。
The combustion chamber structure of the engine includes a fuel injection valve that injects fuel,
The fuel injection valve may be arranged in an intake port that communicates with the combustion chamber.

こうすることで、燃焼室内に均質な混合気を形成することができる。燃焼室内に水を噴射しても、点火装置は混合気に安定して点火をすることができる。 By doing so, a homogeneous air-fuel mixture can be formed in the combustion chamber. Even if water is injected into the combustion chamber, the ignition device can stably ignite the air-fuel mixture.

前記エンジンは、混合気の少なくとも一部が圧縮着火により燃焼する圧縮着火ガソリンエンジンである、としてもよい。 The engine may be a compression ignition gasoline engine in which at least part of the air-fuel mixture is combusted by compression ignition.

燃焼室内に水が存在しても、混合気は、圧縮着火により安定して燃焼することができる。 Even if water exists in the combustion chamber, the air-fuel mixture can be stably burned by compression ignition.

以上説明したように、前記のエンジンの燃焼室構造は、昇温部を使って加熱した水を燃焼室内に噴射することにより、エンジンのトルクを向上させることができる。 As described above, the combustion chamber structure of the engine can improve the torque of the engine by injecting heated water into the combustion chamber using the temperature raising section.

図1は、ここに開示する燃焼室構造が適用されたエンジンを例示する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an engine to which the combustion chamber structure disclosed herein is applied. 図2は、燃焼室の平面図である。FIG. 2 is a plan view of the combustion chamber. 図3は、燃焼室を拡大して示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing an enlarged combustion chamber. 図4は、水供給装置と水噴射弁との構成例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of the water supply device and the water injection valve. 図5は、図3のV-V断面図である。5 is a cross-sectional view taken along line VV of FIG. 3. FIG. 図6は、図3のVI-VI端面図である。6 is a VI-VI end view of FIG. 3. FIG. 図7の上図は、噴孔の密度が低い場合の水の噴流を例示する図であり、下図は、噴孔の密度が高い場合の水の噴流を例示する図である。The upper diagram of FIG. 7 is a diagram illustrating a jet of water when the density of nozzle holes is low, and the lower diagram is a diagram of a jet of water when the density of nozzle holes is high. 図8は、燃焼室内の水の濃度分布の変化を例示する図である。FIG. 8 is a diagram illustrating changes in water concentration distribution in the combustion chamber. 図9は、燃焼室内に水を噴射した場合と噴射しない場合の、筒内圧力の変化(上図)及び筒内温度の変化(下図)を例示する図である。FIG. 9 is a diagram illustrating changes in in-cylinder pressure (upper diagram) and changes in in-cylinder temperature (lower diagram) when water is injected into the combustion chamber and when water is not injected into the combustion chamber. 図10は、エンジンの制御装置の構成を例示するブロック図である。FIG. 10 is a block diagram illustrating the configuration of an engine control device. 図11は、水の噴射量に関する制御マップを例示する図である。FIG. 11 is a diagram exemplifying a control map regarding the injection amount of water. 図12は、エンジンが高負荷の場合(上図)と、中負荷の場合(中図)及び低負荷の場合(下図)のそれぞれにおいて、燃料の噴射時期、水の噴射時期及び点火時期を例示する図である。FIG. 12 shows examples of fuel injection timing, water injection timing, and ignition timing when the engine is under high load (upper diagram), medium load (middle diagram), and low engine load (lower diagram). It is a figure to do.

以下、エンジンの燃焼室構造の実施形態について、図面を参照しながら説明する。ここで説明する燃焼室構造は例示である。 Hereinafter, embodiments of the combustion chamber structure of the engine will be described with reference to the drawings. The combustion chamber structure described here is exemplary.

図1は、ここに開示する燃焼室構造が適用されたエンジン1を例示している。エンジン1は、燃焼室11が吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を繰り返すことにより運転する4ストロークのレシプロエンジンである。エンジン1は、四輪の自動車に搭載されている。エンジン1が運転することによって、自動車は走行する。エンジン1の燃料は、この構成例においてはガソリンである。燃料は、少なくともガソリンを含む液体燃料であればよい。燃料は、例えばバイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。 FIG. 1 illustrates an engine 1 to which the combustion chamber structure disclosed herein is applied. The engine 1 is a four-stroke reciprocating engine that operates by repeating an intake stroke, a compression stroke, an expansion stroke, and an exhaust stroke in a combustion chamber 11 . The engine 1 is installed in a four-wheeled vehicle. The automobile runs as the engine 1 operates. The fuel of the engine 1 is gasoline in this configuration example. The fuel may be liquid fuel containing at least gasoline. The fuel may be gasoline, including, for example, bioethanol.

エンジン1は、シリンダブロック12と、シリンダブロック12の上に載置されるシリンダヘッド13とを備えている。シリンダブロック12の内部に複数のシリンダ14が形成されている。エンジン1は、多気筒エンジンである。図1及び図3では、一つのシリンダ14のみを示す。 The engine 1 has a cylinder block 12 and a cylinder head 13 mounted on the cylinder block 12 . A plurality of cylinders 14 are formed inside the cylinder block 12 . The engine 1 is a multi-cylinder engine. 1 and 3 only one cylinder 14 is shown.

各シリンダ14には、ピストン3が内挿されている。ピストン3は、シリンダ14の内部を往復動する。ピストン3は、図示は省略するが、コネクティングロッドを介してクランクシャフトに連結されている。 A piston 3 is inserted in each cylinder 14 . The piston 3 reciprocates inside the cylinder 14 . Although not shown, the piston 3 is connected to the crankshaft via a connecting rod.

ピストン3は、シリンダ14及びシリンダヘッド13と共に燃焼室11を形成する。尚、「燃焼室」は広義で用いる。つまり、「燃焼室」は、ピストン3の位置に関わらず、ピストン3、シリンダ14及びシリンダヘッド13によって形成される空間を意味する。 Piston 3 forms combustion chamber 11 with cylinder 14 and cylinder head 13 . The term "combustion chamber" is used in a broad sense. In other words, the "combustion chamber" means the space formed by the piston 3, the cylinder 14 and the cylinder head 13 regardless of the position of the piston 3.

シリンダヘッド13には、シリンダ14毎に、吸気ポート15が形成されている。吸気ポート15は、燃焼室11に連通している。吸気ポート15には、吸気弁21が配設されている。吸気弁21は、吸気ポート15を開閉する。吸気弁21は、カム23の回転によって開閉する。尚、吸気弁21を開閉する動弁装置は、図例では直動式である。吸気弁21の動弁装置の構成は、特定の形式に限定されない。 An intake port 15 is formed in the cylinder head 13 for each cylinder 14 . The intake port 15 communicates with the combustion chamber 11 . An intake valve 21 is arranged in the intake port 15 . The intake valve 21 opens and closes the intake port 15 . The intake valve 21 is opened and closed by the rotation of the cam 23 . Incidentally, the valve gear for opening and closing the intake valve 21 is of a direct-acting type in the illustrated example. The configuration of the valve train of the intake valve 21 is not limited to a specific type.

シリンダヘッド13にはまた、シリンダ14毎に、排気ポート16が形成されている。排気ポート16も、燃焼室11に連通している。排気ポート16には、排気弁22が配設されている。排気弁22は、排気ポート16を開閉する。排気弁22は、カム24の回転によって開閉する。尚、排気弁22を開閉する動弁装置は、図例では直動式である。排気弁22の動弁装置の構成は、特定の形式に限定されない。 The cylinder head 13 is also formed with an exhaust port 16 for each cylinder 14 . The exhaust port 16 also communicates with the combustion chamber 11 . An exhaust valve 22 is arranged in the exhaust port 16 . The exhaust valve 22 opens and closes the exhaust port 16 . The exhaust valve 22 is opened and closed by rotation of the cam 24 . The valve gear that opens and closes the exhaust valve 22 is a direct-acting type in the illustrated example. The configuration of the valve train of the exhaust valve 22 is not limited to a specific type.

エンジン1の一側部(図1における左側部)には吸気管61が接続されている。吸気管61は、吸気ポート15に連通している。燃焼室11に導入するガスは、吸気管61の中を流れる。図示は省略するが、吸気管61にはスロットル弁66(図10参照)が配設されている。尚、以下の説明において、エンジン1において吸気管61が接続された側を、「吸気側」と呼ぶ場合がある。 An intake pipe 61 is connected to one side of the engine 1 (the left side in FIG. 1). The intake pipe 61 communicates with the intake port 15 . Gas introduced into the combustion chamber 11 flows through the intake pipe 61 . Although not shown, the intake pipe 61 is provided with a throttle valve 66 (see FIG. 10). In the following description, the side of the engine 1 to which the intake pipe 61 is connected may be referred to as the "intake side".

エンジン1の他側部(図1における右側部)には排気管62が接続されている。排気管62は、排気ポート16に連通している。燃焼室11から排出された排気ガスは、排気管62の中を流れる。排気管62には、触媒コンバーター63が配設されている。触媒コンバーター63は、例えば三元触媒を有している。触媒コンバーター63は、排気ガスを清浄化する。尚、以下の説明において、エンジン1において排気管62が接続された側を、「排気側」と呼ぶ場合がある。 An exhaust pipe 62 is connected to the other side of the engine 1 (the right side in FIG. 1). The exhaust pipe 62 communicates with the exhaust port 16 . Exhaust gas discharged from the combustion chamber 11 flows through the exhaust pipe 62 . A catalytic converter 63 is arranged in the exhaust pipe 62 . The catalytic converter 63 has, for example, a three-way catalyst. Catalytic converter 63 cleans the exhaust gas. In the following description, the side of the engine 1 to which the exhaust pipe 62 is connected may be referred to as the "exhaust side."

シリンダヘッド13には、シリンダ14毎に、インジェクタ64が取り付けられている。インジェクタ64は、吸気ポート15に配設されている。インジェクタ64は、吸気ポート15内へ燃料を噴射する。詳細な図示は省略するが、インジェクタ64は、例えば複数の噴口を有する多噴口型の燃料噴射弁である。尚、図1に示すインジェクタ64の取り付け位置は、一例である。インジェクタ64は、吸気ポート15に配設する代わりに、燃焼室11に配設してもよい。インジェクタ64は、燃料を燃焼室11内に直接噴射してもよい。 An injector 64 is attached to the cylinder head 13 for each cylinder 14 . The injector 64 is arranged in the intake port 15 . Injector 64 injects fuel into intake port 15 . Although detailed illustration is omitted, the injector 64 is, for example, a multi-orifice fuel injection valve having a plurality of orifices. It should be noted that the mounting position of the injector 64 shown in FIG. 1 is an example. The injector 64 may be arranged in the combustion chamber 11 instead of being arranged in the intake port 15 . Injector 64 may directly inject fuel into combustion chamber 11 .

シリンダヘッド13には、図3に示すように、点火プラグ65が取り付けられている。点火プラグ65は、シリンダ14毎に取り付けられている。点火プラグ65は、燃焼室11の天井部111に取り付けられている。点火プラグ65は、詳細な図示は省略するが、燃焼室11内に臨む電極を有している。電極間の火花放電によって、点火プラグ65は、燃焼室11の中の混合気に強制的に点火をする。点火プラグ65は、プラズマ放電を行ってもよい。点火プラグ65は、点火装置の一例である。点火プラグ65は、図2に一点鎖線で示すように、エンジン1の吸気側と排気側との中間位置に配置されている。点火プラグ65はまた、図3にも示すように、シリンダ14の中心軸Xよりも、エンジン1のフロント側に配置されている。点火プラグ65は、シリンダ14の中心軸Xに近い位置に位置している。点火プラグ65は、一例として、シリンダ14の軸に沿うように真っ直ぐに配設されている。 A spark plug 65 is attached to the cylinder head 13 as shown in FIG. A spark plug 65 is attached to each cylinder 14 . The ignition plug 65 is attached to the ceiling portion 111 of the combustion chamber 11 . Although not shown in detail, the spark plug 65 has an electrode facing the combustion chamber 11 . Spark discharge between the electrodes causes the spark plug 65 to forcibly ignite the air-fuel mixture in the combustion chamber 11 . The spark plug 65 may perform plasma discharge. The ignition plug 65 is an example of an ignition device. The spark plug 65 is arranged at an intermediate position between the intake side and the exhaust side of the engine 1, as indicated by the dashed line in FIG. The spark plug 65 is also arranged on the front side of the engine 1 with respect to the central axis X of the cylinder 14, as also shown in FIG. The spark plug 65 is positioned near the central axis X of the cylinder 14 . As an example, the spark plug 65 is arranged straight along the axis of the cylinder 14 .

点火プラグ65が混合気に強制的に点火をすると、混合気が火炎伝播によるSI(Spark Ignition)燃焼を開始する。そのSI燃焼の発熱によって燃焼室11内の温度が高くなること、及び/又は、火炎伝播により燃焼室11の中の圧力が高くなること、によって、未燃混合気が自己着火によるCI(Compression Ignition)燃焼をする。このエンジン1は、混合気の少なくとも一部が圧縮着火により燃焼する圧縮着火ガソリンエンジンである。 When the ignition plug 65 forcibly ignites the air-fuel mixture, the air-fuel mixture starts SI (Spark Ignition) combustion due to flame propagation. The temperature in the combustion chamber 11 increases due to the heat generated by the SI combustion and/or the pressure in the combustion chamber 11 increases due to flame propagation. ) to burn. This engine 1 is a compression ignition gasoline engine in which at least part of the air-fuel mixture is combusted by compression ignition.

(燃焼室内に水を噴射する構成)
このエンジン1は、水噴射装置4と、水供給装置5とを備えている。水噴射装置4は、燃焼室11内に水を噴射する。水供給装置5は、水噴射装置4に水を供給する。このエンジン1は、燃焼室11内に水を噴射することによって作動ガスを増加させ、エンジン1のピストン仕事の増加を図る。また、このエンジン1は、燃焼室11内に水を噴射することにより燃焼室11内を冷却して、異常燃焼の発生を抑制する。
(Configuration for injecting water into the combustion chamber)
This engine 1 includes a water injection device 4 and a water supply device 5 . The water injection device 4 injects water into the combustion chamber 11 . The water supply device 5 supplies water to the water injection device 4 . This engine 1 increases the working gas by injecting water into the combustion chamber 11, thereby increasing the piston work of the engine 1. FIG. Further, the engine 1 cools the interior of the combustion chamber 11 by injecting water into the combustion chamber 11 to suppress the occurrence of abnormal combustion.

エンジン1のトルク向上を図るためには、燃焼室11内に大量の水を噴射しなければならない。ところが、本願発明者らの検討によると、燃焼室11内に大量の水を噴射すると、燃焼安定性が低下することがわかった。これは、燃焼室11内に噴射する水の量が増えると、点火プラグ65の付近の水の濃度が高くなってしまい、点火プラグ65が混合気に点火し難くなるためである。 A large amount of water must be injected into the combustion chamber 11 in order to improve the torque of the engine 1 . However, according to the study by the inventors of the present application, it was found that injection of a large amount of water into the combustion chamber 11 deteriorates the combustion stability. This is because when the amount of water injected into the combustion chamber 11 increases, the concentration of water near the spark plug 65 increases, making it difficult for the spark plug 65 to ignite the air-fuel mixture.

そこで、水噴射装置4は、大量の水を燃焼室11内に噴射しても、点火プラグ65が混合気に安定して点火をすることができるよう、構成されている。 Therefore, the water injection device 4 is configured so that the spark plug 65 can stably ignite the air-fuel mixture even if a large amount of water is injected into the combustion chamber 11 .

水噴射装置4は、図3に示すように、シリンダヘッド13に取り付けられている。水噴射装置4は、シリンダ14毎に取り付けられている。水噴射装置4は、燃焼室11の天井部111に取り付けられている。水噴射装置4は、図2に一点鎖線で示すように、エンジン1の吸気側と排気側との中間位置に配置されている。水噴射装置4はまた、シリンダ14の中心軸Xよりも、エンジン1のリヤ側に配置されている。水噴射装置4は、燃焼室11の中心から離れた位置に位置している。水噴射装置4は、点火プラグ65から離れている。水噴射装置4は、シリンダ14の軸に対して傾いている。より詳細に、水噴射装置4は、上方から下方に向かって、シリンダ14の中心軸Xに近づく方向に傾いている。尚、水噴射装置4は、シリンダ14の軸に沿うように真っ直ぐに、シリンダヘッド13に取り付けてもよい。水噴射装置4の構成の詳細は、後述する。 The water injection device 4 is attached to the cylinder head 13 as shown in FIG. A water injection device 4 is attached to each cylinder 14 . The water injection device 4 is attached to the ceiling portion 111 of the combustion chamber 11 . The water injection device 4 is arranged at an intermediate position between the intake side and the exhaust side of the engine 1, as indicated by the dashed line in FIG. The water injection device 4 is also arranged on the rear side of the engine 1 with respect to the central axis X of the cylinder 14 . The water injection device 4 is positioned away from the center of the combustion chamber 11 . The water injection device 4 is separated from the spark plug 65 . The water injection device 4 is tilted with respect to the axis of the cylinder 14 . More specifically, the water injection device 4 is tilted in a direction approaching the central axis X of the cylinder 14 from top to bottom. The water injection device 4 may be attached straight to the cylinder head 13 along the axis of the cylinder 14 . The details of the configuration of the water injection device 4 will be described later.

水供給装置5は、水噴射装置4に接続されている。水供給装置5は、排気ガス中の水を凝縮し、その凝縮水を水噴射装置4に供給する。水供給装置5は、図1及び図4に示すように、凝縮器51と、水タンク52と、水ポンプ53と、熱交換器54と、を有している。水供給装置5は、水を加熱する加熱装置を含んでいる。 The water supply device 5 is connected to the water injection device 4 . The water supply device 5 condenses water in the exhaust gas and supplies the condensed water to the water injection device 4 . The water supply device 5 has a condenser 51, a water tank 52, a water pump 53, and a heat exchanger 54, as shown in FIGS. The water supply device 5 includes a heating device for heating water.

凝縮器51は、排気管62から取り出した排気ガス中の水を凝縮する。凝縮器51は、取出管55に接続されている。取出管55は、排気管62と凝縮器51とをつないでいる。水タンク52は、凝縮器51が凝縮した水を溜める。水タンク52は、第1供給管56を通じて水噴射装置4に接続されている。水ポンプ53及び熱交換器54は、第1供給管56の途中に介設している。水ポンプ53は、水タンク52内の水を吸い込んで、熱交換器54へ吐き出す。 The condenser 51 condenses water in the exhaust gas extracted from the exhaust pipe 62 . Condenser 51 is connected to extraction pipe 55 . The extraction pipe 55 connects the exhaust pipe 62 and the condenser 51 . The water tank 52 stores water condensed by the condenser 51 . The water tank 52 is connected to the water injection device 4 through a first supply pipe 56 . The water pump 53 and heat exchanger 54 are interposed in the middle of the first supply pipe 56 . The water pump 53 sucks water in the water tank 52 and discharges it to the heat exchanger 54 .

熱交換器54は、排気管62に取り付けられている。熱交換器54は、排気ガスと水との間で熱交換を行う。水は、エンジン1の排熱によって加熱される。水ポンプ53が加圧しかつ、熱交換器54が加熱した高温高圧の水が、水噴射装置4に送られる。 The heat exchanger 54 is attached to the exhaust pipe 62 . The heat exchanger 54 exchanges heat between the exhaust gas and water. The water is heated by exhaust heat from the engine 1 . The high-temperature, high-pressure water pressurized by the water pump 53 and heated by the heat exchanger 54 is sent to the water injection device 4 .

水噴射装置4は、図3に例示するように、水噴射弁41と、昇温部42と、ノズル部43と、ヒートパイプ44を有している。尚、図3は、水噴射弁41の先端部のみを図示している。水噴射装置4も、水を加熱する加熱装置を含んでいる。 The water injection device 4 has a water injection valve 41, a temperature raising section 42, a nozzle section 43, and a heat pipe 44, as illustrated in FIG. 3 shows only the tip portion of the water injection valve 41. As shown in FIG. The water injection device 4 also includes a heating device for heating the water.

水噴射弁41は、図4に示すように、後述するECU(Engine Control Unit)10の信号を受けて、燃焼室11内に水を噴射する。水噴射弁41は、高温室411と、低温室412とを有している。高温室411と低温室412との間は仕切られている。高温室411には、前述した第1供給管56が接続されている。高温室411には、水ポンプ53が加圧しかつ、熱交換器54が加熱した高温高圧の水が供給される。低温室412には、第2供給管57が接続されている。第2供給管57は、水ポンプ53と熱交換器54との間において第1供給管56から分岐している。第2供給管57は、熱交換器54をバイパスしている。低温室412には、水ポンプ53が加圧しかつ、熱交換器54をバイパスした低温高圧の水が供給される。低温高圧の水は、後述するように、針弁413を開閉させるための制御流体である。 The water injection valve 41 receives a signal from an ECU (Engine Control Unit) 10, which will be described later, and injects water into the combustion chamber 11, as shown in FIG. The water injection valve 41 has a high temperature chamber 411 and a low temperature chamber 412 . A partition is provided between the high temperature room 411 and the low temperature room 412 . The above-described first supply pipe 56 is connected to the high temperature room 411 . The high-temperature room 411 is supplied with high-temperature, high-pressure water pressurized by the water pump 53 and heated by the heat exchanger 54 . A second supply pipe 57 is connected to the low temperature room 412 . A second supply pipe 57 branches off from the first supply pipe 56 between the water pump 53 and the heat exchanger 54 . The second supply pipe 57 bypasses the heat exchanger 54 . The low-temperature room 412 is supplied with low-temperature, high-pressure water pressurized by the water pump 53 and bypassing the heat exchanger 54 . Low-temperature, high-pressure water is a control fluid for opening and closing the needle valve 413, as will be described later.

針弁413は、高温室411に設けられた噴射口414を塞いでいる。針弁413の先端は、噴射口414を開閉する。針弁413の基端は、低温室412内の水の圧力を受けている。針弁413は、背圧を受けることによって、噴射口414を閉じている。低温室412には、制御弁415が設けられている。制御弁415は、例えばソレノイド弁である。制御弁415は、ECU10の制御信号を受けて開閉する。制御弁415が開くと、低温室412内の水が大気に放出される。低温室412内の圧力が下がって、針弁413は、噴射口414を開けるように持ち上がる(図4の白抜きの矢印参照)。針弁413が噴射口414を開けると、高温室411内の高温高圧の水が、噴射口414から噴射される。噴射口414から噴射された水の一部は、減圧沸騰により気化する。 A needle valve 413 closes an injection port 414 provided in the high temperature chamber 411 . The tip of needle valve 413 opens and closes injection port 414 . The proximal end of needle valve 413 receives the pressure of the water in low temperature chamber 412 . The needle valve 413 closes the injection port 414 by receiving back pressure. A control valve 415 is provided in the low temperature room 412 . Control valve 415 is, for example, a solenoid valve. The control valve 415 opens and closes upon receiving a control signal from the ECU 10 . When the control valve 415 is opened, the water in the cold room 412 is released to the atmosphere. The pressure inside the low-temperature chamber 412 is lowered, and the needle valve 413 is lifted so as to open the injection port 414 (see the white arrow in FIG. 4). When needle valve 413 opens injection port 414 , high-temperature, high-pressure water in high-temperature chamber 411 is injected from injection port 414 . Part of the water injected from the injection port 414 is vaporized by boiling under reduced pressure.

ソレノイド弁は、耐熱温度が比較的低い。前述したように、低温室412に供給する制御流体を加熱しないことで、制御弁415の信頼性が向上する。また、大気に放出する制御流体を加熱しないことにより、エンジン1の熱エネルギの損失を低くすることができる。 Solenoid valves have relatively low heat resistance. As previously mentioned, not heating the control fluid supplied to the cold chamber 412 improves the reliability of the control valve 415 . Also, by not heating the control fluid that is released to the atmosphere, the heat energy loss of the engine 1 can be reduced.

水噴射装置4の昇温部42は、図3に例示するように、水噴射弁41と燃焼室11との間に介在している。昇温部42は、水噴射弁41が噴射した水の温度を、燃焼室11へ供給する前に上げる。前述した減圧沸騰と、昇温部42の昇温とによって、水噴射装置4は、気化した水のみを燃焼室11へ供給することができる。燃焼室11へ気化した水を供給することにより、混合気の燃焼時に発生する燃焼熱を消費せずに、水を気化膨張させることができる。この構成は、エンジン1の熱効率の向上に有利になる。 The temperature raising part 42 of the water injection device 4 is interposed between the water injection valve 41 and the combustion chamber 11 as illustrated in FIG. The temperature raising unit 42 raises the temperature of the water injected by the water injection valve 41 before supplying it to the combustion chamber 11 . The water injection device 4 can supply only vaporized water to the combustion chamber 11 due to the above-described boiling under reduced pressure and the temperature increase of the temperature raising unit 42 . By supplying the vaporized water to the combustion chamber 11, the water can be vaporized and expanded without consuming the combustion heat generated when the air-fuel mixture is burned. This configuration is advantageous for improving the thermal efficiency of the engine 1 .

昇温部42は、取付部421と、本体部422と、伝熱部423と、を有している。本体部422は、水噴射弁41の先端に取り付けられる。伝熱部423は、本体部422の側部に連続する。取付部421は、伝熱部423を挟んで、本体部422に接続される。 The temperature raising portion 42 has an attachment portion 421 , a body portion 422 and a heat transfer portion 423 . The body portion 422 is attached to the tip of the water injection valve 41 . The heat transfer portion 423 continues to the side portion of the main body portion 422 . The attachment portion 421 is connected to the main body portion 422 with the heat transfer portion 423 interposed therebetween.

取付部421には、ヒートパイプ44の先端部が取り付けられる。ヒートパイプ44の基端部は、図示は省略するが、排気管62に取り付けられている。ヒートパイプ44は、排気ガスの熱を昇温部42へ送る。 A tip portion of the heat pipe 44 is attached to the attachment portion 421 . Although not shown, the base end of the heat pipe 44 is attached to the exhaust pipe 62 . The heat pipe 44 sends the heat of the exhaust gas to the temperature raising section 42 .

本体部422は、略円柱状のブロックである。本体部422は、ヒートパイプ44の熱を蓄熱する。図5に例示するように、本体部422の中央部には、多数の通路45が形成されている。水は各通路45内を流れる。本体部422は、通路45内を流れる水を加熱する。図3に示すように、各通路45は、本体部422の上端面及び下端面のそれぞれに開口している。各通路45は、本体部422の上端面から下端面へと、本体部422の軸方向に真っ直ぐに伸びている。前述したように、水噴射装置4はシリンダ14の軸に対して傾いているため、各通路45も、シリンダ14の軸に対して傾いている。 The body portion 422 is a substantially cylindrical block. The body portion 422 stores the heat of the heat pipe 44 . As illustrated in FIG. 5, a large number of passages 45 are formed in the central portion of the body portion 422 . Water flows in each passage 45 . Body portion 422 heats the water flowing through passage 45 . As shown in FIG. 3 , each passage 45 opens to the upper end surface and the lower end surface of the body portion 422 respectively. Each passage 45 extends straight in the axial direction of the body portion 422 from the upper end surface to the lower end surface of the body portion 422 . Since the water injection device 4 is tilted with respect to the axis of the cylinder 14 as described above, each passage 45 is also tilted with respect to the axis of the cylinder 14 .

複数の通路45は等間隔に並んでいる。ここで、複数の通路45は、本体部422の中心に対して対称に配置されていない。本体部422は、通路45が形成されない非形成部46を有している。非形成部46は、本体部422を、伝熱部423を介してヒートパイプ44が取り付けられる側(取付側)と、その反対側(反取付側)とに二等分したときの反取付側の一部に設けられている。非形成部46は、図5の構成例では、略扇形である。通路45は、本体部422における取付側と、反取付側の一部と、に設けられている。 The plurality of passages 45 are arranged at regular intervals. Here, the plurality of passages 45 are not arranged symmetrically with respect to the center of the body portion 422 . The body portion 422 has a non-forming portion 46 in which the passage 45 is not formed. The non-formation portion 46 is the non-mounting side when the body portion 422 is divided into a side (mounting side) to which the heat pipe 44 is mounted via the heat transfer portion 423 (mounting side) and the opposite side (counter-mounting side). provided in part of the The non-formed portion 46 is substantially fan-shaped in the configuration example of FIG. The passage 45 is provided on the attachment side of the main body portion 422 and on a part of the opposite side of the attachment side.

非形成部46は、ヒートパイプ44から離れている。非形成部46には、ヒートパイプ44の熱が伝わりにくい。仮に非形成部46に通路45を形成しても、本体部422は、そこを流れる水に十分な熱を与えることができず、水が気化しない恐れがある。気化していない水が燃焼室11内に噴射されると、水が燃焼熱を奪ってしまう。この場合、エンジン1の熱効率が低下する。 The non-forming portion 46 is separated from the heat pipe 44 . The heat of the heat pipe 44 is less likely to be transmitted to the non-forming portion 46 . Even if the passage 45 is formed in the non-forming portion 46, the body portion 422 cannot provide sufficient heat to the water flowing therethrough, and the water may not evaporate. When non-vaporized water is injected into the combustion chamber 11, the water takes away combustion heat. In this case, the thermal efficiency of the engine 1 is lowered.

これに対し、本体部422に、通路45を形成しない非形成部46を設けると、本体部422は、通路45を通過する水に熱を十分に与えることができ、水を全て、気化させることが可能になる。気化していない水が燃焼室11内に噴射されることが抑制される。エンジン1の熱効率の低下が抑制されると共に、エンジン1のトルクが向上する。 On the other hand, if the body portion 422 is provided with the non-forming portion 46 that does not form the passage 45, the body portion 422 can sufficiently apply heat to the water passing through the passage 45, and vaporize all the water. becomes possible. Injection of non-vaporized water into the combustion chamber 11 is suppressed. A decrease in the thermal efficiency of the engine 1 is suppressed, and the torque of the engine 1 is improved.

伝熱部423は、本体部422と取付部421とを接続している。伝熱部423は、本体部422と取付部421とを最短でつなぐように形成されている。伝熱部423の長さLは短い。また、伝熱部423は、本体部422の通路45が延びる方向に、所定の幅Wを有している。幅Wは、通路45の長さの半分以上である。伝熱部423の長さLが短くかつ、幅Wが広いことによって、伝熱部423の熱抵抗は低い。伝熱部423は、ヒートパイプ44の熱を、本体部422に効率良く伝えることができる。 The heat transfer portion 423 connects the body portion 422 and the attachment portion 421 . The heat transfer portion 423 is formed to connect the main body portion 422 and the mounting portion 421 at the shortest distance. The length L of the heat transfer portion 423 is short. Moreover, the heat transfer portion 423 has a predetermined width W in the direction in which the passage 45 of the body portion 422 extends. Width W is greater than or equal to half the length of passageway 45 . Since the length L of the heat transfer portion 423 is short and the width W thereof is wide, the thermal resistance of the heat transfer portion 423 is low. The heat transfer portion 423 can efficiently transfer the heat of the heat pipe 44 to the main body portion 422 .

尚、水噴射弁41は、接続部47を介して昇温部42の本体部422に接続されている。接続部47には、その下端(つまり、図3における下端)から凹んだ凹部471が形成されている。水噴射弁41の先端は、凹部471につながっている。また、本体部422の上端面は、凹部471内に位置している。本体部422の上端面には、前述したように、通路45が開口している。凹部471は、水噴射弁41から噴射された水を、複数の噴孔432に分配する分配部として機能する。 The water injection valve 41 is connected to the body portion 422 of the temperature raising portion 42 via the connection portion 47 . A recess 471 recessed from the lower end (that is, the lower end in FIG. 3) is formed in the connecting portion 47 . A tip of the water injection valve 41 is connected to the recess 471 . Also, the upper end surface of the main body portion 422 is positioned within the recess 471 . The passage 45 is opened in the upper end surface of the body portion 422 as described above. The concave portion 471 functions as a distribution portion that distributes the water injected from the water injection valve 41 to the plurality of injection holes 432 .

水噴射装置4のノズル部43は、昇温部42の本体部422の下端に取り付けられている。ノズル部43は、その上端から凹んだ凹部431と、複数の噴孔432とを有している。各噴孔432は、凹部431につながっていると共に、ノズル部43の下端面に開口している。本体部422の通路45から出た水は全て、一旦、凹部431内に入り、複数の噴孔432に分配される。 The nozzle portion 43 of the water injection device 4 is attached to the lower end of the body portion 422 of the temperature raising portion 42 . The nozzle portion 43 has a concave portion 431 recessed from its upper end and a plurality of injection holes 432 . Each injection hole 432 is connected to the concave portion 431 and opens to the lower end surface of the nozzle portion 43 . All of the water coming out of the passage 45 of the body portion 422 once enters the recess 431 and is distributed to the plurality of injection holes 432 .

ノズル部43の下端面は、水噴射装置4の噴射面433に相当する。噴射面433には、前述したように、複数の噴孔432が開口している。噴射面433は、燃焼室11の天井部111において、燃焼室11内に臨んでいる。図2に示すように、噴射面433のほぼ全体が、シリンダ14の軸に直交する方向に対して、後述するキャビティ31と同じ位置に位置している。言い替えると、噴射面433は、後述するキャビティ内の領域33に含まれている。 A lower end surface of the nozzle portion 43 corresponds to the injection surface 433 of the water injection device 4 . A plurality of injection holes 432 are opened in the injection surface 433 as described above. The injection surface 433 faces the inside of the combustion chamber 11 at the ceiling portion 111 of the combustion chamber 11 . As shown in FIG. 2, substantially the entire injection surface 433 is located at the same position as the cavity 31 described later with respect to the direction perpendicular to the axis of the cylinder 14 . In other words, the injection surface 433 is included in the region 33 inside the cavity, which will be described later.

図6に例示するように、この構成例では、ノズル部43は、12個の噴孔432を有している。噴孔432の数は、適宜の数にすることができる。複数の噴孔432は、互いに平行である。複数の噴孔432は、ノズル部43の中心に対して対称に配置されている。複数の噴孔432は、略等間隔で配置されている。ここで、隣り合う噴孔432の中心間距離Pは、5mm以下である。一例として、各噴孔432の直径φは、φ=1.5mmで、噴孔の中心間距離Pは、P=2.5mmである。 As illustrated in FIG. 6 , in this configuration example, the nozzle portion 43 has 12 injection holes 432 . The number of injection holes 432 can be any number. The multiple nozzle holes 432 are parallel to each other. The plurality of injection holes 432 are arranged symmetrically with respect to the center of the nozzle portion 43 . The plurality of injection holes 432 are arranged at approximately equal intervals. Here, the center-to-center distance P between adjacent injection holes 432 is 5 mm or less. As an example, the diameter φ of each nozzle hole 432 is φ=1.5 mm and the center-to-center distance P of the nozzle holes is P=2.5 mm.

尚、水噴射装置4は、ノズル部43を省略し、本体部422の下端面を、燃焼室11の天井部111に臨んで配設してもよい。 The water injection device 4 may be arranged such that the nozzle portion 43 is omitted and the lower end surface of the main body portion 422 faces the ceiling portion 111 of the combustion chamber 11 .

ピストン3の上面には、キャビティ31が形成されている。キャビティ31は、図2及び図3に例示するように、平面視で円形状である。キャビティ31の円の中心は、シリンダ14の吸気側と排気側とを間の中央線(図2の一点鎖線参照)上に位置している。キャビティ31は、シリンダ14の中心軸Xよりもエンジン1のリヤ側に位置している。キャビティ31は、水噴射装置4に対して、シリンダ14の軸方向に対向している。 A cavity 31 is formed in the upper surface of the piston 3 . The cavity 31 has a circular shape in plan view, as illustrated in FIGS. The center of the circle of the cavity 31 is positioned on the center line between the intake side and the exhaust side of the cylinder 14 (see one-dot chain line in FIG. 2). The cavity 31 is located on the rear side of the engine 1 with respect to the center axis X of the cylinder 14 . The cavity 31 faces the water injection device 4 in the axial direction of the cylinder 14 .

図例において、キャビティ31の円の直径は、ピストン3の直径の1/2以下である。尚、キャビティ31の大きさは、適宜の大きさに設定することができる。しかしながら後述のように、キャビティ31は、燃焼室11に噴射された水をキャビティ内の領域33に収めることで、水の拡散を抑制する機能を有している。キャビティ31は大きすぎない方が好ましい。 In the illustrated example, the diameter of the circle of the cavity 31 is less than half the diameter of the piston 3 . Incidentally, the size of the cavity 31 can be set to an appropriate size. However, as will be described later, the cavity 31 has a function of suppressing the diffusion of water by containing the water injected into the combustion chamber 11 within the region 33 within the cavity. It is preferable that the cavity 31 is not too large.

図例のキャビティ31は、底部311と、側壁312とによって構成されている。キャビティ31は、比較的浅い。底部311は、平面視で円形状であり、シリンダ14の軸に直交する方向に広がる平らな面によって構成されている。側壁312は、底部311の周縁に連続する。底部311と側壁312とは、直交している。底部311が円形状であるため、側壁312は、円周状である。 The illustrated cavity 31 is composed of a bottom portion 311 and side walls 312 . Cavity 31 is relatively shallow. The bottom portion 311 has a circular shape in a plan view, and is composed of a flat surface extending in a direction orthogonal to the axis of the cylinder 14 . Side wall 312 continues to the periphery of bottom 311 . Bottom 311 and sidewall 312 are orthogonal. Side wall 312 is circumferential because bottom 311 is circular.

ピストン3の上面及びキャビティ31の表面には遮熱層32が設けられている。遮熱層32は、ピストン3よりも熱伝導率が低い。尚、ピストン3は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金製である。遮熱層32は、ピストン3の内部への熱の伝達を抑制する。遮熱層32を設けるとエンジン1の冷却損失を低減することができる。遮熱層32はまた、ピストン3よりも容積比熱が小さい。遮熱層32の熱容量は小さい。遮熱層32の熱容量が小さいと、遮熱層32の温度は、燃焼室11内の温度の変動に追従して変化する。燃焼室11内で混合気が燃焼する際に、燃焼温度と遮熱層32との温度差が小さくなるから、熱がピストン3へ伝わることをさらに抑制することができる。 A heat shield layer 32 is provided on the upper surface of the piston 3 and the surface of the cavity 31 . The heat shield layer 32 has a lower thermal conductivity than the piston 3 . In addition, the piston 3 is made of, for example, aluminum or an aluminum alloy. The heat shield layer 32 suppresses heat transfer to the inside of the piston 3 . The cooling loss of the engine 1 can be reduced by providing the heat shield layer 32 . The heat shield layer 32 also has a smaller volumetric specific heat than the piston 3 . The heat capacity of the heat shield layer 32 is small. If the heat capacity of the heat shielding layer 32 is small, the temperature of the heat shielding layer 32 changes to follow the fluctuation of the temperature inside the combustion chamber 11 . When the air-fuel mixture burns in the combustion chamber 11, the temperature difference between the combustion temperature and the heat shield layer 32 becomes smaller, so that the heat transfer to the piston 3 can be further suppressed.

遮熱層32は、遮熱材料を、ピストン3の上面及びキャビティ31の表面に塗布し、加熱処理によって遮熱材料を硬化させることにより形成してもよい。遮熱材料は、例えばガラスバルーン等の中空粒子と、例えばシリコーン樹脂等のバインダとを含有する。前述したように、キャビティ31は、底部311と側壁312とからなる単純な形状であるため、ピストン3の上面及びキャビティ31の表面に遮熱材料を塗布しやすい。遮熱層32の形成は、比較的容易である。 The heat shield layer 32 may be formed by applying a heat shield material to the upper surface of the piston 3 and the surface of the cavity 31 and curing the heat shield material by heat treatment. The heat shield material contains hollow particles such as glass balloons and a binder such as silicone resin. As described above, since the cavity 31 has a simple shape consisting of the bottom portion 311 and the side wall 312 , it is easy to apply the heat shielding material to the upper surface of the piston 3 and the surface of the cavity 31 . Formation of the heat shield layer 32 is relatively easy.

詳細は後述するが、水噴射装置4は、燃焼室11が圧縮行程にあるときに、燃焼室11内に水を噴射する。水噴射装置4に供給される水は、水ポンプ53によって加圧されているため、高圧の燃焼室11内に噴射することができる。図3に一点鎖線で示すように、水噴射装置4は、キャビティ31を指向して水を噴射する。水噴射装置4が噴射した水の少なくとも一部は、キャビティ31内に到達する。 Although the details will be described later, the water injection device 4 injects water into the combustion chamber 11 when the combustion chamber 11 is in the compression stroke. Since the water supplied to the water injection device 4 is pressurized by the water pump 53 , it can be injected into the high-pressure combustion chamber 11 . As indicated by the dashed line in FIG. 3, the water injection device 4 directs the cavity 31 and injects water. At least part of the water injected by the water injection device 4 reaches the inside of the cavity 31 .

(燃焼室内に噴射した水の拡散を抑制するための構成)
前述したように、燃焼室11内に大量の水を噴射すると、燃焼室11内に水が拡散することに伴い点火プラグ65の付近の水の濃度が高くなって、点火プラグ65が安定して混合気に点火をすることができなくなる。
(Structure for Suppressing Diffusion of Water Injected into Combustion Chamber)
As described above, when a large amount of water is injected into the combustion chamber 11, the concentration of water near the spark plug 65 increases as the water diffuses into the combustion chamber 11, and the spark plug 65 stabilizes. It becomes impossible to ignite the air-fuel mixture.

この課題に対して、本願発明者らが検討した結果、燃焼室11内に噴射した水の拡散を抑制する水噴射装置4の水の噴射形態、キャビティ31の形状、及び、それらの組み合わせを見出して、ここに開示する技術を完成するに至った。 As a result of investigations by the inventors of the present invention, the water injection form of the water injection device 4 that suppresses the diffusion of the water injected into the combustion chamber 11, the shape of the cavity 31, and combinations thereof were found. As a result, the technique disclosed herein has been completed.

前述したように、水噴射装置4のノズル部43は複数の噴孔432を有している。複数の噴孔432は、図3に示すように、互いに平行である。本願発明者らの検討によると、複数の噴孔432の軸が互いに平行又は略平行であれば、水噴射装置4が噴射した水の噴流は、その噴射方向に対し直交する方向に広がり難くなる。複数の噴孔432から燃焼室11内へ噴射した水がそれぞれ、同じ又はほぼ同じ方向へ進むため、当該方向に進む水の噴流の運動量が増大する。運動量が増大すると、水噴射装置4が噴射した水の噴流の周囲の流体を、その噴流へ巻き込む力が強くなるためと考えられる。図例の水噴射装置4は、12個全ての噴孔432の軸が互いに平行又は略平行である。全ての噴孔432の軸が互いに平行又は略平行であると、水の運動量がさらに増大するから、噴流の周囲の流体の巻き込み力がより強くなる。こうして、水噴射装置4は、燃焼室11内に噴射した水の拡散を抑制することができる。 As described above, the nozzle portion 43 of the water injection device 4 has a plurality of injection holes 432 . The multiple nozzle holes 432 are parallel to each other as shown in FIG. According to studies by the inventors of the present application, if the axes of the plurality of nozzle holes 432 are parallel or substantially parallel to each other, the water jet flow injected by the water injection device 4 is less likely to spread in a direction perpendicular to the injection direction. . Since the water injected into the combustion chamber 11 from the plurality of nozzle holes 432 travels in the same or substantially the same direction, the momentum of the water jets traveling in the direction increases. This is probably because, as the momentum increases, the force that draws the fluid around the jet of water injected by the water injection device 4 into the jet becomes stronger. In the illustrated water injection device 4, the axes of all twelve nozzle holes 432 are parallel or substantially parallel to each other. When the axes of all the orifices 432 are parallel or nearly parallel to each other, the momentum of the water is further increased, resulting in a stronger entrainment force of the fluid around the jet. Thus, the water injection device 4 can suppress diffusion of the water injected into the combustion chamber 11 .

本願発明者らの検討によると、噴孔432同士の軸間の角度差が5度以内であれば、水噴射装置4が噴射した水の噴流は、その噴射方向に対し直交する方向に広がり難くなり、水の拡散を抑制することができる。尚、水噴射装置4は、全ての噴孔432の軸が互いに平行又は略平行でなくてもよい。 According to studies by the inventors of the present application, if the angular difference between the axes of the injection holes 432 is within 5 degrees, the water jet flow injected by the water injection device 4 is less likely to spread in the direction perpendicular to the injection direction. and can suppress the diffusion of water. Incidentally, in the water injection device 4, the axes of all the injection holes 432 may not be parallel or substantially parallel to each other.

また、図6に示すように、複数の噴孔432の中心間距離Pは比較的短い。中心間距離Pが短いと、水噴射装置4が噴射する水の密度が高まる。水の密度が高いと、運動量の増加により、噴流の周囲の流体の巻き込み力がより強くなる。本願発明者らの検討によると、噴孔432の中心間距離Pが5mm以下であれば、噴流の周囲の流体の巻き込み力が十分に強くなって、水の拡散をより効果的に抑制することができることがわかった。 Also, as shown in FIG. 6, the center-to-center distance P of the plurality of nozzle holes 432 is relatively short. When the center-to-center distance P is short, the density of water injected by the water injection device 4 increases. If the water is denser, the increased momentum will result in a stronger entrainment force of the fluid around the jet. According to studies by the inventors of the present application, if the center-to-center distance P of the injection holes 432 is 5 mm or less, the entrainment force of the fluid around the jet becomes sufficiently strong, and the diffusion of water can be suppressed more effectively. It turns out that it can be done.

キャビティ31は、図3に示すように、平らな底部311と、底部311に直交する側壁312とを有している。水噴射装置4は、キャビティ31内を指向して、水を噴射する。水噴射装置4が噴射した水は、キャビティ31の底部311へ到達する。水は、底部311に沿ってシリンダ14の軸に直交する方向へ広がり、側壁312に到達する。側壁312は、底部311に直交しているため、水を水噴射装置4の方へと巻き上げる。キャビティ31が比較的浅いため、側壁312は、水を効果的に巻き上げることができる。キャビティ31の側壁312は、水がキャビティ31外の領域へと広がることを抑制する。側壁312は、巻上部の一例である。 Cavity 31 has a flat bottom 311 and sidewalls 312 orthogonal to bottom 311, as shown in FIG. The water injection device 4 directs the inside of the cavity 31 and injects water. The water injected by the water injection device 4 reaches the bottom 311 of the cavity 31 . Water spreads along the bottom 311 in a direction perpendicular to the axis of the cylinder 14 and reaches the side wall 312 . The side walls 312 are perpendicular to the bottom 311 and thus roll up the water towards the water injection device 4 . Since the cavity 31 is relatively shallow, the sidewalls 312 can effectively roll up water. The side wall 312 of the cavity 31 prevents water from spreading to areas outside the cavity 31 . Side wall 312 is an example of a winding portion.

キャビティ31は、巻上部を有していることにより、水噴射装置4が噴射した水を、キャビティ内の領域33に収めることができる。尚、「キャビティ内の領域」は、図3に示すように、ピストン3の上面から凹んだキャビティ31の中の領域と、当該キャビティ31の開口を燃焼室11の天井部111へシリンダ14の軸方向に投影した投影面から、キャビティ31の開口までの領域と、を合わせた領域33を意味する。また、キャビティ31外の領域は、キャビティ内の領域33以外の領域である。 Since the cavity 31 has the roll-up portion, the water injected by the water injection device 4 can be contained in the region 33 in the cavity. As shown in FIG. 3, the "area within the cavity" includes the area inside the cavity 31 recessed from the upper surface of the piston 3 and the opening of the cavity 31 extending to the ceiling 111 of the combustion chamber 11. It means an area 33 obtained by combining the area from the projection plane projected in the direction to the opening of the cavity 31 . Further, the area outside the cavity 31 is an area other than the area 33 inside the cavity.

そして、前述した水噴射装置4が噴射した水の噴流の巻き込み力と、キャビティ31の側壁312による水の巻き上げとが組み合わさると、側壁312が巻き上げた水が、水の噴流の巻き込み力により、噴流の方へ引き寄せられる。巻き上がった水がキャビティ31外の領域へと広がることが抑制される。その結果、燃焼室11内の水の拡散が、より効果的に、抑制される。 When the entrainment force of the jet of water injected by the water injection device 4 described above and the entrainment force of the water jet by the side wall 312 of the cavity 31 are combined, the water entrained by the side wall 312 is Pulled towards the jet. Spreading of the swirling water to the area outside the cavity 31 is suppressed. As a result, diffusion of water in the combustion chamber 11 is more effectively suppressed.

点火プラグ65は、キャビティ31に対して、シリンダ14の軸に直交する方向に位置がずれている。燃焼室11内に大量の水を噴射しても、前述した水の拡散の抑制によって、点火プラグ65の付近は水の濃度が低く保たれる。点火プラグ65は、混合気に安定して点火をすることが可能になる。 The spark plug 65 is offset in the direction perpendicular to the axis of the cylinder 14 with respect to the cavity 31 . Even if a large amount of water is injected into the combustion chamber 11, the concentration of water in the vicinity of the spark plug 65 is kept low due to the above-described suppression of water diffusion. The spark plug 65 enables stable ignition of the air-fuel mixture.

ここで、図7は、水噴射装置4の噴孔432の密度が低い比較例71と、噴孔432の密度が高い実施例72とを比較する図である。比較例71及び実施例72はそれぞれ、水噴射装置4がキャビティ31内を指向して水を噴射している例である。尚、図7の例は、図3の構成例とは異なり、水噴射装置4は、シリンダ14の軸に沿うように水を噴射し、水は、キャビティ31の底部311に直交する向きで衝突する。比較例71及び実施例72それぞれにおいて、水噴射装置4の複数の噴孔432は互いに平行である。 Here, FIG. 7 is a diagram comparing Comparative Example 71 in which the density of the injection holes 432 of the water injection device 4 is low and Example 72 in which the density of the injection holes 432 is high. Comparative Example 71 and Example 72 are examples in which the water injection device 4 directs the inside of the cavity 31 and injects water. 7 differs from the configuration example of FIG. 3 in that the water injection device 4 injects water along the axis of the cylinder 14, and the water collides with the bottom 311 of the cavity 31 in a direction perpendicular to the direction. do. In each of Comparative Example 71 and Example 72, the multiple injection holes 432 of the water injection device 4 are parallel to each other.

比較例71は、噴孔432の中心間距離Pが5mmを超える。噴孔432の密度が低いと、水噴射装置4が噴射した水の噴流の運動量が小さくなる。前述した巻き込み力は、相対的に弱くなる。その結果、キャビティ31の側壁312が巻き上げた水は、噴流の方へ引き寄せられない。図7の上図に矢印で示すように、比較例71では、キャビティ31の側壁312が巻き上げた水が、キャビティ外の領域へと広がる。 In Comparative Example 71, the center-to-center distance P of the injection holes 432 exceeds 5 mm. When the density of the injection holes 432 is low, the momentum of the jet of water injected by the water injection device 4 becomes small. The entanglement force described above becomes relatively weak. As a result, water picked up by the sidewalls 312 of the cavity 31 is not drawn towards the jet. As indicated by the arrows in the upper diagram of FIG. 7, in Comparative Example 71, the water swirled up by the side wall 312 of the cavity 31 spreads to the area outside the cavity.

これに対し、実施例72は、噴孔432の中心間距離Pが5mm以下である。実施例72は、噴孔432の密度が高い。噴孔432の密度が高いと、前述のように、水噴射装置4が噴射した水の噴流の運動量が大きいため、前述した巻き込み力が強い。その結果、キャビティ31の側壁312が巻き上げた水は、噴流の方へ引き寄せられる。図7の下図に矢印で示すように、実施例72では、キャビティ31の側壁312が巻き上げた水が、キャビティ内の領域33に収まるようになる。 In contrast, in Example 72, the center-to-center distance P of the injection holes 432 is 5 mm or less. Example 72 has a high density of injection holes 432 . When the density of the injection holes 432 is high, the momentum of the jet of water injected by the water injection device 4 is large, as described above, and the entrainment force described above is strong. As a result, water picked up by the side walls 312 of the cavity 31 is drawn towards the jet. As indicated by arrows in the lower diagram of FIG. 7, in Example 72, the water swirled up by the side wall 312 of the cavity 31 is contained in the region 33 within the cavity.

こうして、水噴射装置4が、複数の噴孔432を互いに平行又は略平行にしかつ、噴孔432の密度を高めると共に、キャビティ31の側壁312が、水を巻き上げることにより、燃焼室11内で水が拡散することを抑制することができる。 Thus, the water injection device 4 makes the plurality of injection holes 432 parallel or substantially parallel to each other and increases the density of the injection holes 432 , and the side wall 312 of the cavity 31 stirs up the water, thereby can be suppressed from diffusing.

ここで、図3に一点鎖線で示すように、水噴射装置4の噴孔432の少なくとも一部は、水を噴射するタイミングで、キャビティ31の側壁312を指向している。キャビティ31の底部311の中央部に到達した水は、底部311に沿って広がる間に減速する。側壁312に到達した時点で水の流速が低いと、水は巻き上がり難くなる。 Here, as indicated by the dashed line in FIG. 3, at least a portion of the injection hole 432 of the water injection device 4 points toward the side wall 312 of the cavity 31 at the timing of injecting water. Water reaching the center of the bottom 311 of the cavity 31 decelerates while spreading along the bottom 311 . If the flow velocity of the water is low when it reaches the side wall 312, it becomes difficult for the water to roll up.

噴孔432の少なくとも一部が側壁312を指向していると、水噴射装置4が噴射した水の少なくとも一部は、側壁312の近くに到達する。巻上部312は、水の流速が低下しない間に水を巻き上げることができる。水を噴射するタイミングで、噴孔432の少なくとも一部が側壁312を指向していると、キャビティ外の領域へ水が拡散することを、効果的に抑制することができる。 When at least part of the injection hole 432 is directed toward the side wall 312 , at least part of the water injected by the water injection device 4 reaches the vicinity of the side wall 312 . The roll-up part 312 can roll up the water while the flow velocity of the water does not decrease. If at least a part of the nozzle hole 432 is directed toward the side wall 312 at the timing of jetting water, it is possible to effectively suppress the water from diffusing to the area outside the cavity.

尚、図3に示す構成例のように噴孔432の軸の方向が、シリンダ14の軸に対して傾いている場合、噴孔432の軸の延長線とキャビティ31とが交差する位置は、ピストン3の位置に応じて変わる。つまり、水噴射装置4が水を噴射するタイミングが変わると、水噴射装置4が噴射した水が到達する位置が変わる。水噴射装置4は、少なくとも一部の噴孔432の軸の延長線がキャビティ31と交差するタイミングで、水をキャビティ31に向かって噴射してもよい。 When the direction of the axis of the injection hole 432 is inclined with respect to the axis of the cylinder 14 as in the configuration example shown in FIG. It changes according to the position of the piston 3. That is, when the timing at which the water injection device 4 injects water changes, the position where the water injected by the water injection device 4 reaches changes. The water injection device 4 may inject water toward the cavity 31 at the timing when the extension of the axis of at least some of the nozzle holes 432 intersects the cavity 31 .

そして、水噴射装置4が圧縮行程中に水を噴射することによっても、水の拡散を抑制することができる。圧縮行程時は、燃焼室11内の圧力が相対的に高くかつ、燃焼室11内の気体の流動が、吸気行程時よりも弱い。圧縮行程中に燃焼室11内に水を噴射すると、燃焼室11内の気体の流動による水の拡散が抑制される。 Water diffusion can also be suppressed by the water injection device 4 injecting water during the compression stroke. During the compression stroke, the pressure inside the combustion chamber 11 is relatively high and the flow of gas inside the combustion chamber 11 is weaker than during the intake stroke. Injecting water into the combustion chamber 11 during the compression stroke suppresses diffusion of water due to gas flow in the combustion chamber 11 .

図8は、実施例の燃焼室構造における、水の濃度分布のシミュレーション結果を例示している。図8は、クランク角の進行に伴う水の濃度分布の変化を示している。図8のP81は、水噴射装置4が圧縮行程中に水の噴射を完了した直後である60°bTDC(before Top Dead Center)での水の濃度分布を示し、P82は、45°bTDCでの水の濃度分布を示し、P83は、10°bTDCでの水の濃度分布を示し、P84は、TDCでの水の濃度分布を示している。図8は、水の濃度が濃い領域と、水の濃度が薄い領域と、水の濃度がそれらの中間の領域と、に分けている。 FIG. 8 illustrates simulation results of water concentration distribution in the combustion chamber structure of the example. FIG. 8 shows changes in water concentration distribution as the crank angle progresses. P81 in FIG. 8 shows the water concentration distribution at 60° bTDC (before Top Dead Center), which is immediately after the water injection device 4 completes water injection during the compression stroke, and P82 shows the concentration distribution at 45° bTDC. The concentration distribution of water is shown, P83 shows the concentration distribution of water at 10° bTDC, and P84 shows the concentration distribution of water at TDC. FIG. 8 is divided into a high water density area, a low water density area, and an intermediate water density area.

P81に示すように、水の噴射が完了した直後は、キャビティ31を含む、エンジン1のリヤ側の領域の水の濃度が高くかつ、点火プラグ65を含む、エンジン1のフロント側の領域の水の濃度は低い。圧縮行程が進むに従い(P82及びP83)、水が拡散するため、水の濃度が高い領域は小さくなるが、エンジン1のフロント側の領域は水の濃度が低いままである。水が燃焼室11内で広く拡散することが抑制されている。そして、P84に示すように、点火プラグ65が点火を行うタイミング前後のTDCにおいても、点火プラグ65の付近は、水の濃度が低く保たれている。点火プラグ65は、安定的に混合気に点火をすることができる。 As indicated by P81, immediately after the water injection is completed, the concentration of water in the region on the rear side of the engine 1, including the cavity 31, is high, and the water concentration in the region on the front side of the engine 1, including the spark plug 65, is high. concentration is low. As the compression stroke progresses (P82 and P83), the water diffuses, so the area with high water concentration becomes smaller, but the area on the front side of the engine 1 remains low in water concentration. Wide diffusion of water in the combustion chamber 11 is suppressed. Then, as shown in P84, the concentration of water in the vicinity of the spark plug 65 is kept low even at TDC before and after the timing at which the spark plug 65 ignites. The spark plug 65 can stably ignite the air-fuel mixture.

図9の符号91は、燃焼室11内に水を噴射した場合の筒内圧力の変化(実線)と、燃焼室11内に水を噴射しない場合の筒内圧力(破線)の変化とを比較している。図9の符号92は、燃焼室11内に水を噴射した場合の筒内温度の変化(実線)と、燃焼室11内に水を噴射しない場合の筒内温度の変化(破線)とを比較している。図9の横軸は、クランク角である。燃焼室11内に水を噴射することにより、前述の通り、作動ガス量の増加によって、筒内圧力が高くなる。燃焼室11内に水を噴射することにより、エンジン1のトルクの向上が図られる。また、燃焼室11内に水を噴射することにより、燃焼室11内の温度が低下する。燃焼室11内に水を噴射することにより、異常燃焼の発生を抑制することができる。 Reference numeral 91 in FIG. 9 compares the change in cylinder pressure (solid line) when water is injected into the combustion chamber 11 and the change in cylinder pressure (broken line) when water is not injected into the combustion chamber 11. are doing. Reference numeral 92 in FIG. 9 compares the change in cylinder temperature when water is injected into the combustion chamber 11 (solid line) and the change in cylinder temperature when water is not injected into the combustion chamber 11 (broken line). are doing. The horizontal axis of FIG. 9 is the crank angle. By injecting water into the combustion chamber 11, the in-cylinder pressure increases due to an increase in the amount of working gas, as described above. By injecting water into the combustion chamber 11, the torque of the engine 1 is improved. Further, by injecting water into the combustion chamber 11, the temperature in the combustion chamber 11 is lowered. By injecting water into the combustion chamber 11, the occurrence of abnormal combustion can be suppressed.

前記の構成の水噴射装置4及び水供給装置5は、エンジン1の排熱を利用して水を加熱し、気化した水を燃焼室11に噴射している。エンジン1の排気損失を低減することができるから、エンジン1の熱効率が向上する。また、燃焼室11内に供給する水は、排気ガスから抽出した水であるため、前記の構成の水噴射装置4及び水供給装置5は、乗員が噴射用の水を、水タンクに給水する必要がないという利点もある。 The water injection device 4 and the water supply device 5 configured as described above heat water using the exhaust heat of the engine 1 and inject the vaporized water into the combustion chamber 11 . Since the exhaust loss of the engine 1 can be reduced, the thermal efficiency of the engine 1 is improved. Further, since the water supplied into the combustion chamber 11 is water extracted from the exhaust gas, the water injection device 4 and the water supply device 5 configured as described above allow the occupant to supply water for injection to the water tank. It also has the advantage that it is not necessary.

(エンジンの制御装置の構成)
図10は、エンジン1の制御装置の構成を例示している。エンジン1の制御装置は、ECU10を備えている。ECU10は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラーであって、プログラムを実行する中央演算処理装置(Central Processing Unit:CPU)101と、例えばRAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)により構成されてプログラム及びデータを格納するメモリ102と、電気信号の入出力をする入出力バス103と、を備えている。
(Configuration of engine control device)
FIG. 10 exemplifies the configuration of the control device for the engine 1. As shown in FIG. A control device for the engine 1 includes an ECU 10 . The ECU 10 is a well-known microcomputer-based controller, and includes a central processing unit (CPU) 101 that executes programs, and a RAM (random access memory) or ROM (read only memory), for example. It has a memory 102 for storing programs and data, and an input/output bus 103 for inputting/outputting electrical signals.

ECU10には、各種のセンサSW1~SW3が接続されている。センサSW1~SW3は、信号をECU10に出力する。センサには、少なくとも以下のセンサが含まれる。 Various sensors SW1 to SW3 are connected to the ECU 10 . The sensors SW1 to SW3 output signals to the ECU 10. FIG. The sensors include at least the following sensors.

エアフローセンサSW1は、吸気管61に配置されかつ、吸気管61を流れる空気の流量を計測する。クランク角センサSW2は、エンジン1に取り付けられかつ、クランクシャフトの回転角を計測する。アクセル開度センサSW3は、アクセルペダル機構(図示省略)に取り付けられかつ、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を計測する。 The airflow sensor SW1 is arranged in the intake pipe 61 and measures the flow rate of air flowing through the intake pipe 61 . A crank angle sensor SW2 is attached to the engine 1 and measures the rotation angle of the crankshaft. The accelerator opening sensor SW3 is attached to an accelerator pedal mechanism (not shown) and measures the accelerator opening corresponding to the amount of operation of the accelerator pedal.

ECU10は、これらのセンサSW1~SW3の信号に基づいて、エンジン1の運転状態を判断すると共に、予め定められている制御ロジックに従って、各デバイスの制御量を演算する。制御ロジックは、メモリ102に記憶されている。制御ロジックは、メモリ102に記憶している運転マップを用いて、目標量及び/又は制御量を演算することを含む。 The ECU 10 determines the operating state of the engine 1 based on the signals from these sensors SW1 to SW3, and calculates control amounts for each device according to predetermined control logic. The control logic is stored in memory 102 . The control logic includes using the operational map stored in memory 102 to compute target and/or control variables.

ECU10は、演算をした制御量に係る電気信号を、インジェクタ64、点火プラグ65、スロットル弁66、及び、水噴射装置4に出力する。 The ECU 10 outputs an electric signal related to the calculated control amount to the injector 64 , the spark plug 65 , the throttle valve 66 and the water injection device 4 .

図11は、水の噴射量に係る制御マップ110を例示している。制御マップ110は、例えばメモリ102に記憶されている。水の噴射量は、エンジン1の回転数と、エンジン1の負荷との関係から定まる。ECU10は、センサSW1~SW3の信号に基づいてエンジン1の回転数及び負荷を把握しかつ、把握した回転数及び負荷と、制御マップ110とから、水の噴射量を決定する。 FIG. 11 illustrates a control map 110 relating to the injection amount of water. Control map 110 is stored, for example, in memory 102 . The injection amount of water is determined by the relationship between the rotation speed of the engine 1 and the load on the engine 1 . The ECU 10 grasps the rotation speed and load of the engine 1 based on the signals from the sensors SW1 to SW3, and determines the injection amount of water from the grasped rotation speed and load and the control map 110. FIG.

より詳細に、図11に例示する制御マップ110は、エンジン1の負荷に対して、第1領域1101、第2領域1102及び第3領域1103の三つの領域に分かれている。第2領域1102は、第1領域1101よりも負荷が高い領域である。第3領域1103は、第1領域1101及び第2領域1102よりも負荷が高い領域である。第1領域1101は、おおよそ低負荷領域に対応し、第2領域1102は、おおよそ中負荷領域に対応し、第3領域1103は、おおよそ高負荷領域に対応する。ここで、低負荷領域、中負荷領域及び高負荷領域はそれぞれ、エンジン1の全運転領域を、負荷の高低について三等分したときの、低負荷領域、中負荷領域及び高負荷領域としてもよい。 More specifically, the control map 110 illustrated in FIG. 11 is divided into three areas, a first area 1101, a second area 1102 and a third area 1103, with respect to the load of the engine 1. FIG. The second area 1102 is an area with a higher load than the first area 1101 . A third area 1103 is an area with a higher load than the first area 1101 and the second area 1102 . The first area 1101 roughly corresponds to the low load area, the second area 1102 roughly corresponds to the medium load area, and the third area 1103 roughly corresponds to the high load area. Here, the low load range, medium load range, and high load range may be the low load range, the medium load range, and the high load range, respectively, when the entire operating range of the engine 1 is divided into three equal parts with respect to the level of the load. .

第1領域1101は、前述したように、低負荷領域に対応する。第1領域1101は、エンジン1の回転数に対しては、最低回転から最高回転まで広がっている。第1領域1101において、水の噴射量は少ない。これは、エンジン1の負荷が低いと排気エネルギが低いためである。つまり、エンジン1の負荷が低いと排熱を利用して大量の水を十分に加熱することができない。 The first area 1101 corresponds to the low load area, as described above. The first region 1101 extends from the lowest rotation speed to the highest rotation speed of the engine 1 . In the first region 1101, the injection amount of water is small. This is because the exhaust energy is low when the load of the engine 1 is low. That is, when the load of the engine 1 is low, it is not possible to sufficiently heat a large amount of water using exhaust heat.

第2領域1102は、中負荷領域に対応する。第2領域1102は、エンジン1の回転数に対しては、最低回転から最高回転まで広がっている。第2領域1102において、水の噴射量は、第1領域1101の噴射量よりも多い。エンジン1の負荷が高くなると排気エネルギが高くなるため、エンジン1の排熱を利用して加熱することができる水の量が増える。 A second region 1102 corresponds to a medium load region. A second region 1102 extends from the lowest rotation speed to the highest rotation speed of the engine 1 . In the second region 1102 , the injection amount of water is larger than that in the first region 1101 . As the load of the engine 1 increases, the exhaust energy increases, so the amount of water that can be heated using the exhaust heat of the engine 1 increases.

第3領域1103は、高負荷領域に対応する。第3領域1103は、エンジン1の回転数に対しては、最低回転から最高回転まで広がっている。第3領域1103において、水の噴射量は、第1領域1101の噴射量及び第2領域1102の噴射量よりも多い。高負荷領域は、異常燃焼が発生しやすい。第3領域1103において、水の噴射量を増やすことにより、エンジン1のトルク向上と共に、異常燃焼の発生を抑制することができる。 A third area 1103 corresponds to the high load area. A third region 1103 extends from the lowest rotation speed to the highest rotation speed of the engine 1 . In the third region 1103 , the injection amount of water is larger than the injection amount in the first region 1101 and the injection amount in the second region 1102 . Abnormal combustion is likely to occur in the high load region. By increasing the injection amount of water in the third region 1103, the torque of the engine 1 can be improved and the occurrence of abnormal combustion can be suppressed.

ここで、第2領域1102と第3領域1103との境界は、図11において傾いている。つまり、エンジン1の回転数が高いと、第2領域1102が、高負荷の方へ広がる。エンジン1の回転数が低いと、第3領域が低負荷の方へ広がる。これは、回転数が高くなると、燃焼室11内へ水を噴射する時間間隔が短くなるため、水を十分に加熱するだけの時間を確保することが難しくなるためである。エンジン1の回転数が高い場合は、水の噴射量が少ない第2領域1102を拡大することによって、十分に加熱した水を燃焼室11内に噴射することができ、エンジン1のトルクを向上させることができる。エンジン1の回転数が低い場合は、水の噴射量が多い第3領域を拡大することによって、燃焼室11内に噴射する水の量を増やすことができ、エンジン1のトルクを、さらに向上させることができる。当該エンジン1を搭載した自動車の燃費性能の向上に有利になる。 Here, the boundary between the second area 1102 and the third area 1103 is tilted in FIG. That is, when the rotation speed of the engine 1 is high, the second region 1102 spreads toward high load. When the rotation speed of the engine 1 is low, the third region spreads toward low loads. This is because as the rotation speed increases, the time interval for injecting water into the combustion chamber 11 becomes shorter, making it difficult to ensure sufficient time to heat the water. When the rotation speed of the engine 1 is high, by enlarging the second region 1102 where the injection amount of water is small, sufficiently heated water can be injected into the combustion chamber 11, and the torque of the engine 1 can be improved. be able to. When the rotation speed of the engine 1 is low, the amount of water injected into the combustion chamber 11 can be increased by enlarging the third region where the injection amount of water is large, and the torque of the engine 1 can be further improved. be able to. This is advantageous for improving the fuel efficiency of an automobile equipped with the engine 1 .

図12は、ECU10の制御による、燃料噴射、水噴射及び点火の時期を例示している。図12の横軸は、クランク角である。図12の両端矢印は、噴射の期間を示している。 FIG. 12 illustrates timings of fuel injection, water injection, and ignition controlled by the ECU 10 . The horizontal axis of FIG. 12 is the crank angle. The double-headed arrow in FIG. 12 indicates the duration of injection.

このエンジン1のインジェクタ64は、吸気ポート15に配設されている。インジェクタ64は、吸気行程中に燃料を吸気ポート15に噴射する。燃料が吸気と共に燃焼室11内に導入される。燃焼室11内に均質な混合気が形成される。均質な混合気は、点火プラグ65による安定的な点火と、安定的な圧縮着火とに有利である。エンジン1の負荷が高いと、燃料の噴射量は増える。図12の例では、インジェクタ64は、高負荷時P121に、吸気行程の開始から終了までのほぼ全期間に亘って、燃料を噴射する。 The injector 64 of this engine 1 is arranged in the intake port 15 . The injector 64 injects fuel into the intake port 15 during the intake stroke. Fuel is introduced into the combustion chamber 11 along with the intake air. A homogeneous mixture is formed in the combustion chamber 11 . A homogeneous air-fuel mixture is advantageous for stable ignition by the spark plug 65 and stable compression ignition. When the load of the engine 1 is high, the injection amount of fuel increases. In the example of FIG. 12, the injector 64 injects fuel during high load P121 over substantially the entire period from the start to the end of the intake stroke.

吸気行程が終了し、続く圧縮行程において、水噴射装置4は水を燃焼室11内に噴射する。エンジン1の負荷が高い場合、水の噴射量が多い(図11参照)。水噴射装置4が水を噴射する期間は長い。水噴射装置4は、圧縮行程の前期から中期の期間に、燃焼室11内に水を噴射する。圧縮行程の前期から中期は、燃焼室11内の圧力が低い。燃焼室11内に噴射する水の温度が低くても水が気化する。圧縮行程の後期は燃焼室11内の圧力が高いため、燃焼室11内に噴射する水の温度が高くないと水が気化しない。圧縮行程の前期から中期の期間に水を噴射することは、エンジン1の排熱を利用して水を気化させることを可能にする。エンジン1の熱効率の向上に有利になる。 After the intake stroke ends, the water injection device 4 injects water into the combustion chamber 11 in the subsequent compression stroke. When the load of the engine 1 is high, the injection amount of water is large (see FIG. 11). The period during which the water injection device 4 injects water is long. The water injection device 4 injects water into the combustion chamber 11 during the early to middle period of the compression stroke. The pressure in the combustion chamber 11 is low during the early to middle stages of the compression stroke. Even if the temperature of the water injected into the combustion chamber 11 is low, the water is vaporized. Since the pressure in the combustion chamber 11 is high in the latter half of the compression stroke, the water will not evaporate unless the temperature of the water injected into the combustion chamber 11 is high. Injecting water during the early to middle period of the compression stroke makes it possible to use the exhaust heat of the engine 1 to vaporize the water. This is advantageous for improving the thermal efficiency of the engine 1 .

尚、圧縮行程の前期、中期、及び、後期はそれぞれ、圧縮行程の期間を、「前期」「中期」及び「後期」に三等分した場合の、「前期」「中期」及び「後期」としてもよい。以下に記載する吸気行程の前期、中期、及び、後期も同様である。 In addition, the first half, middle half, and second half of the compression stroke are respectively defined as "first half", "middle half" and "late half" when the period of the compression stroke is divided equally into "first half", "middle half" and "late half". good too. The same applies to the early, middle, and late stages of the intake stroke described below.

エンジン1の負荷が高い場合、点火プラグ65は、点火時期を遅角する。点火プラグ65は、圧縮上死点後に点火を行う。これにより、異常燃焼の発生を抑制することができる点火プラグ65は、図12に破線の矢印で例示する期間内で、混合気に点火してもよい。 When the load of the engine 1 is high, the spark plug 65 retards the ignition timing. The ignition plug 65 ignites after compression top dead center. As a result, the spark plug 65, which can suppress the occurrence of abnormal combustion, may ignite the air-fuel mixture within the period illustrated by the dashed arrow in FIG.

エンジン1が中負荷の場合(P122)、燃料の噴射量は、高負荷時よりも減る。インジェクタ64の燃料の噴射期間は、相対的に短い。インジェクタ64は、吸気行程の中期を含む期間に、燃料を噴射する。吸気行程の中期はピストン3の下降速度が速い。吸気行程の中期に燃料を噴射すると、噴射した燃料が拡散して、混合気が均質又は略均質になる。尚、エンジン1が中負荷の場合の燃料の噴射時期は、適宜の時期に設定してもよい。 When the engine 1 is under medium load (P122), the fuel injection amount is smaller than during high load. The fuel injection period of the injector 64 is relatively short. The injector 64 injects fuel during a period including the middle of the intake stroke. The descending speed of the piston 3 is fast in the middle of the intake stroke. When fuel is injected in the middle of the intake stroke, the injected fuel diffuses and the mixture becomes homogeneous or nearly homogeneous. Note that the fuel injection timing when the engine 1 has a medium load may be set at an appropriate timing.

吸気行程が終了し、続く圧縮行程において、水噴射装置4は水を燃焼室11内に噴射する。エンジン1が中負荷の場合、水の噴射量は、高負荷時よりも減る(図11参照)。水噴射装置4が水を噴射する期間は相対的に短い。水噴射装置4は、水の噴射開始時期を遅らせる。圧縮行程の早い時期に燃焼室11内に水を噴射すると、作動ガスの増加により圧縮抵抗が増大してしまう。水の噴射開始時期を遅らせることによって、圧縮抵抗の増大を避けることができる。エンジン1の熱効率が向上する。水噴射装置4はまた、高負荷時と同様に、圧縮行程の中期までに噴射を完了する。これにより、水の加熱に必要な熱量を節約することができる。 After the intake stroke ends, the water injection device 4 injects water into the combustion chamber 11 in the subsequent compression stroke. When the engine 1 is under medium load, the injection amount of water is smaller than during high load (see FIG. 11). The period during which the water injection device 4 injects water is relatively short. The water injection device 4 delays the injection start timing of water. If water is injected into the combustion chamber 11 at an early stage of the compression stroke, the compression resistance will increase due to the increase in working gas. By delaying the water injection start timing, an increase in compression resistance can be avoided. The thermal efficiency of the engine 1 is improved. The water injection device 4 also completes injection by the middle of the compression stroke, as at high load. This saves the amount of heat required to heat the water.

エンジン1が中負荷の場合、点火プラグ65は、点火時期を、高負荷時よりも進角する。これにより、異常燃焼の発生が抑制されると共に、点火時期の最適化によってエンジン1のトルクの向上が図られる。点火プラグ65は、圧縮上死点後の、図12に破線の矢印で例示する期間内で、混合気に点火してもよい。 When the engine 1 is under medium load, the spark plug 65 advances the ignition timing more than during high load. As a result, the occurrence of abnormal combustion is suppressed, and the torque of the engine 1 is improved by optimizing the ignition timing. The spark plug 65 may ignite the air-fuel mixture within the period illustrated by the dashed arrow in FIG. 12 after compression top dead center.

エンジン1が低負荷の場合(P123)、燃料の噴射量は、中負荷時よりも減る。インジェクタ64の燃料の噴射期間は、相対的に短い。インジェクタ64は、吸気行程の中期を含む期間に、燃料を噴射する。これにより、混合気が均質又は略均質になる。尚、エンジン1が低負荷の場合の燃料の噴射時期は、適宜の時期に設定してもよい。 When the engine 1 has a low load (P123), the fuel injection amount is smaller than that at medium load. The fuel injection period of the injector 64 is relatively short. The injector 64 injects fuel during a period including the middle of the intake stroke. This makes the air-fuel mixture homogeneous or nearly homogeneous. The fuel injection timing when the load of the engine 1 is low may be set to an appropriate timing.

吸気行程が終了し、続く圧縮行程において、水噴射装置4は水を燃焼室11内に噴射する。エンジン1が低負荷の場合、水の噴射量は、中負荷時よりも減る(図11参照)。水噴射装置4が水を噴射する期間は相対的に短い。水噴射装置4は、水の噴射開始時期をさらに遅らせる。これにより、圧縮抵抗の増大を避けることができる。水噴射装置4はまた、高負荷及び中負荷時と同様に、圧縮行程の中期までに噴射を完了する。これにより、水の加熱に必要な熱量を節約することができる。 After the intake stroke ends, the water injection device 4 injects water into the combustion chamber 11 in the subsequent compression stroke. When the engine 1 has a low load, the injection amount of water is smaller than when the engine 1 has a medium load (see FIG. 11). The period during which the water injection device 4 injects water is relatively short. The water injection device 4 further delays the water injection start timing. Thereby, an increase in compression resistance can be avoided. The water injector 4 also completes injection by the middle of the compression stroke, as at high and medium loads. This saves the amount of heat required to heat the water.

エンジン1が低負荷の場合、点火プラグ65は、点火時期を、中負荷時よりも進角する。図12に例示するように、点火プラグ65は、圧縮上死点前に、混合気に点火をしてもよい。点火時期の最適化により、エンジン1のトルク向上を図ることができる。 When the engine 1 is under low load, the spark plug 65 advances the ignition timing more than during medium load. As illustrated in FIG. 12, spark plug 65 may ignite the air-fuel mixture before top dead center of compression. By optimizing the ignition timing, the torque of the engine 1 can be improved.

尚、ここに開示するエンジンの燃焼室構造は、前述した構成のエンジン1に適用することに限定されない。ここに開示するエンジンの燃焼室構造は、様々な構成のエンジンに適用することが可能である。 The engine combustion chamber structure disclosed herein is not limited to application to the engine 1 having the configuration described above. The engine combustion chamber structure disclosed herein can be applied to engines of various configurations.

1 エンジン
11 燃焼室
111 天井部
14 シリンダ
15 吸気ポート
3 ピストン
31 キャビティ
311 底部
312 側壁(巻上部)
32 遮熱層
4 水噴射装置
41 水噴射弁
42 昇温部
421 取付部
422 本体部
423 伝熱部
432 噴孔
433 噴射面
44 ヒートパイプ(加熱装置)
45 通路
46 非形成部
5 水供給装置
51 凝縮器
52 水タンク
53 水ポンプ
54 熱交換器(加熱装置)
62 排気管
64 インジェクタ(燃料噴射弁)
65 点火プラグ(点火装置)
1 engine 11 combustion chamber 111 ceiling portion 14 cylinder 15 intake port 3 piston 31 cavity 311 bottom portion 312 side wall (winding portion)
32 heat shield layer 4 water injection device 41 water injection valve 42 temperature raising portion 421 mounting portion 422 body portion 423 heat transfer portion 432 injection hole 433 injection surface 44 heat pipe (heating device)
45 passage 46 non-formed portion 5 water supply device 51 condenser 52 water tank 53 water pump 54 heat exchanger (heating device)
62 exhaust pipe 64 injector (fuel injection valve)
65 spark plug (igniter)

Claims (10)

エンジンに設けられたシリンダと、前記シリンダ内を往復動するピストンとによって形成される燃焼室と、
前記燃焼室の天井部に配置された点火装置と、
前記燃焼室内に臨む噴孔を通じて、前記燃焼室内に水を噴射する水噴射装置と、を備え、
前記水噴射装置は、前記燃焼室が圧縮行程にあるときに水を噴射し、
前記水噴射装置は、加熱装置の熱によって水の温度を上げる昇温部を有し、
前記昇温部は、前記水が流れる複数の通路を有し、前記複数の通路は、前記昇温部において、前記加熱装置が取り付けられる取付側に形成され、
前記昇温部における反取付側には、前記通路が形成されない非形成部が設けられているエンジンの燃焼室構造。
a combustion chamber formed by a cylinder provided in the engine and a piston that reciprocates within the cylinder;
an ignition device disposed on the ceiling of the combustion chamber;
a water injection device for injecting water into the combustion chamber through an injection hole facing the combustion chamber;
The water injection device injects water when the combustion chamber is in a compression stroke,
The water injection device has a temperature raising unit that raises the temperature of the water by the heat of the heating device,
The temperature raising unit has a plurality of passages through which the water flows, and the plurality of passages are formed in the temperature raising unit on an attachment side to which the heating device is attached,
A combustion chamber structure for an engine, wherein a non-forming portion in which the passage is not formed is provided on the non-mounting side of the temperature raising portion.
請求項1に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記加熱装置は、前記エンジンの排気ガスの熱を前記昇温部へ送るヒートパイプを有し、
前記水噴射装置は、水噴射弁を有し、
前記昇温部は、前記水噴射弁と前記燃焼室との間に介在し、各通路は、前記水噴射弁から前記燃焼室へ向かう方向に延び、
前記ヒートパイプは、前記昇温部の、前記通路に直交する方向の側部に取り付けられているエンジンの燃焼室構造。
In the engine combustion chamber structure according to claim 1,
The heating device has a heat pipe that sends heat of the exhaust gas of the engine to the temperature raising unit,
The water injection device has a water injection valve,
The temperature raising unit is interposed between the water injection valve and the combustion chamber, each passage extends in a direction from the water injection valve toward the combustion chamber,
The combustion chamber structure of the engine, wherein the heat pipe is attached to a side portion of the temperature raising portion in a direction orthogonal to the passage.
請求項2に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記昇温部は、前記通路が形成された本体部と、前記ヒートパイプが取り付けられる取付部と、前記本体部と前記取付部と接続する伝熱部とを有し、
前記伝熱部は、前記通路の長さの半分以上の幅を有しているエンジンの燃焼室構造。
In the engine combustion chamber structure according to claim 2,
The temperature raising unit has a main body portion in which the passage is formed, a mounting portion to which the heat pipe is mounted, and a heat transfer portion connecting the main body portion and the mounting portion,
The combustion chamber structure of an engine, wherein the heat transfer section has a width equal to or more than half the length of the passage.
請求項1~3のいずれか1項に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記水噴射装置に水を供給する水供給装置を備え、
前記水供給装置は、
前記エンジンの排気ガス中の水を凝縮する凝縮器と、
前記凝縮器が凝縮した水を溜める水タンクと、
前記水タンクの水を加圧して前記水噴射装置へ供給する水ポンプと、を有しているエンジンの燃焼室構造。
In the engine combustion chamber structure according to any one of claims 1 to 3,
A water supply device for supplying water to the water injection device,
The water supply device is
a condenser for condensing water in the exhaust gas of the engine;
a water tank for storing water condensed by the condenser;
and a water pump for pressurizing water in the water tank and supplying it to the water injection device.
請求項1~4のいずれか1項に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記燃焼室の天井部に配置された点火装置を備え、
前記ピストンは、その上面から凹んだキャビティを有し、
前記水噴射装置は、少なくとも一部の噴孔の軸の延長線が前記キャビティと交差しているタイミングで、水を前記キャビティに向かって噴射し、
前記点火装置は、前記シリンダの軸に直交する方向に対して、前記キャビティから外れた位置に設置されているエンジンの燃焼室構造。
In the engine combustion chamber structure according to any one of claims 1 to 4,
An ignition device arranged on the ceiling of the combustion chamber,
said piston having a cavity recessed from its top surface,
The water injection device injects water toward the cavity at a timing when an extension line of an axis of at least a part of the nozzle holes intersects the cavity,
The combustion chamber structure of the engine, wherein the ignition device is installed at a position deviated from the cavity with respect to a direction orthogonal to the axis of the cylinder.
請求項5に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記キャビティは、前記水噴射装置が噴射した前記水が当たる底部と、前記底部に沿って広がる水を前記水噴射装置の方へ巻き上げる巻上部とを有しているエンジンの燃焼室構造。
In the engine combustion chamber structure according to claim 5,
The combustion chamber structure of an engine, wherein the cavity has a bottom portion on which the water injected by the water injection device hits, and a roll-up portion that rolls up the water spreading along the bottom portion toward the water injection device.
請求項1~6いずれか1項に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記水噴射装置は、前記圧縮行程の前期から中期までの間に水を噴射するエンジンの燃焼室構造。
In the engine combustion chamber structure according to any one of claims 1 to 6,
The engine combustion chamber structure, wherein the water injection device injects water from the early stage to the middle stage of the compression stroke.
請求項7に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記水噴射装置が噴射する水の量は、前記エンジンの負荷が低い場合は、高い場合よりも少なく、
前記水噴射装置は、水の噴射量が少ない場合は、多い場合よりも噴射の開始タイミングを遅らせるエンジンの燃焼室構造。
In the engine combustion chamber structure according to claim 7,
The amount of water injected by the water injection device is less when the load of the engine is low than when the load is high,
A combustion chamber structure of an engine, wherein the water injection device delays the start timing of injection when the injection amount of water is small compared to when the injection amount is large.
請求項1~8のいずれか1項に記載のエンジンの燃焼室構造において、
燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、
前記燃料噴射弁は、前記燃焼室に連通する吸気ポートに配置されているエンジンの燃焼室構造。
In the engine combustion chamber structure according to any one of claims 1 to 8,
Equipped with a fuel injection valve that injects fuel,
The combustion chamber structure of an engine, wherein the fuel injection valve is disposed in an intake port that communicates with the combustion chamber.
請求項1~9のいずれか1項に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記エンジンは、混合気の少なくとも一部が圧縮着火により燃焼する圧縮着火ガソリンエンジンであるエンジンの燃焼室構造。
In the engine combustion chamber structure according to any one of claims 1 to 9,
A combustion chamber structure of an engine, wherein the engine is a compression ignition gasoline engine in which at least part of an air-fuel mixture is combusted by compression ignition.
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