WO2022168471A1 - 往復動内燃機関 - Google Patents

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reciprocating internal
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和久 稲垣
浩 宮川
孝之 冬頭
謹 河合
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株式会社豊田自動織機
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    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for

Definitions

  • the present invention relates to a reciprocating internal combustion engine, and more particularly to a reciprocating internal combustion engine that injects fuel and water into a combustion chamber defined by a cylinder and a piston.
  • Patent Document 1 describes a technology for injecting water radially from the central portion of the combustion chamber toward the outer peripheral portion so that water vapor exists on the trajectory of the fuel jet in a diesel engine. It is shown.
  • a reciprocating internal combustion engine has a fuel injection nozzle arranged at the top center of a cylinder and injecting fuel into a combustion chamber defined by the cylinder and the piston, and a water injection nozzle for injecting water into the combustion chamber.
  • the water supply device injects water from the water injection nozzle, and before the fuel injection nozzle performs the main injection, flat columnar water containing water droplets and water vapor is formed in the central part of the combustion chamber. Laminate the containment region.
  • the jet of fuel injected from the center of the top of the cylinder can efficiently take in the water.
  • a reciprocating internal combustion engine may be provided in which the diameter of the water-containing region in the shape of a flat column is 0.3 times or more and 0.6 times or less the diameter of the cylinder.
  • the shape of the water spray formed by spraying water from the water injection nozzle can be fan-shaped, and the water injection nozzle is arranged offset from the center of the cylinder, and It can be a reciprocating internal combustion engine that injects water.
  • the central angle of the sector of the water spray formed by the water injection nozzle is 50° ⁇ (0.5Dbore/Xoff), where Dbore is the cylinder diameter and Xoff is the offset amount of the water injection nozzle from the center of the cylinder.
  • a reciprocating internal combustion engine can be obtained which is 75° ⁇ (0.5Dbore/Xoff) or less.
  • the water injection nozzle is positioned at a position offset from the center of the cylinder so that the jet along the center line of the fan-shaped water spray formed by the water injection nozzle has a velocity component that opposes the swirl formed so as to swirl in the combustion chamber. It can be a reciprocating internal combustion engine with directed injection.
  • the water supply device can be a reciprocating internal combustion engine that injects water from the water injection nozzle in two batches.
  • the reciprocating internal combustion engine may have a compression ratio of 18 or more and 21 or less, more preferably 20 or more and 21 or less.
  • the reciprocating internal combustion engine may have a high latent heat liquid supply device for supplying liquid having a higher latent heat of vaporization than fuel instead of the water supply device.
  • the fuel jet flow injected from the center of the top of the cylinder can efficiently take in water, and the effect of water injection can be enjoyed more.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the main configuration of an internal combustion engine of this embodiment; It is a figure which shows the aspect of water injection. It is a figure which shows the specification used for numerical calculation.
  • FIG. 4 is a diagram showing a water-containing region within a combustion chamber; FIG. 4 is a diagram showing an example of water distribution in a combustion chamber; FIG. 4 is a diagram showing the amount of nitrogen oxides generated for each distribution of water; FIG. 4 is a diagram showing the indicated thermal efficiency for each distribution of water;
  • FIG. 10 is a diagram showing how a jet of fuel entrains water;
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the diameter of a water-containing region and the amount of nitrogen oxides generated;
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the main configuration of an internal combustion engine of this embodiment; It is a figure which shows the aspect of water injection. It is a figure which shows the specification used for numerical calculation.
  • FIG. 4 is a diagram showing a water-containing region within a combustion chamber
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the central angle of water spray and the amount of nitrogen oxides generated.
  • FIG. 4 is a diagram showing how water is sprayed when the water injection nozzle is arranged on the cylinder wall; It is a figure which shows the position of a water injection nozzle, and the relationship of spraying of water.
  • FIG. 4 is a diagram showing the amount of nitrogen oxides generated for each water spray deflection angle;
  • FIG. 4 is a diagram showing the distribution of water in the combustion chamber for each water spray deflection angle; It is a figure which shows the injection timing of water.
  • FIG. 4 is a diagram showing the amount of nitrogen oxides generated for each number of times water is injected;
  • FIG. 4 is a diagram showing the concentration distribution of water in the combustion chamber for each number of water injections;
  • FIG. 4 is a diagram showing a comparison of the relationship between compression ratio and indicated thermal efficiency with and without water injection;
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the compression ratio and the amount of nitrogen oxides generated in comparison with and without water injection.
  • FIG. 4 is a diagram showing a comparison of the relationship between compression ratio and soot with and without water injection;
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the main configuration of a reciprocating internal combustion engine 10, particularly a diesel engine, according to this embodiment.
  • a reciprocating internal combustion engine 10 includes a cylindrical cylinder 12 and a piston 14 that reciprocates within the cylinder 12 along the axial direction of the cylinder 12 .
  • a fuel injection nozzle 18 is arranged in the center of the top surface 12 a of the cylinder 12 .
  • the reciprocating internal combustion engine 10 also includes a water supply device 22 that supplies water in the form of water droplets into the combustion chamber 16 .
  • the water supply device 22 includes a water injection nozzle 20 arranged at a position remote from the top center of the cylinder 12 .
  • a recess 21 having a diameter Dre that defines the combustion chamber 16 is formed in the top surface of the piston 14 .
  • the center line of the cylinder 12 is the z-axis, the axis orthogonal to the z-axis and passing through the position where the water injection nozzle 20 is arranged is the x-axis, and the axis orthogonal to the x-axis and the z-axis is the y-axis.
  • the x-axis, y-axis and z-axis intersect at the center O of the top surface 12a.
  • an intake valve and an exhaust valve are arranged on the top surface 12a of the cylinder 12, but are omitted in FIG. 1 for simplification.
  • a connecting rod for connecting with a crankshaft (not shown) is connected to the piston 14, but this is also omitted.
  • the fuel injection nozzle 18 radially injects fuel from the center O toward the periphery, for example, in eight directions.
  • the water injection nozzle 20 is offset from the center O in the direction of the x-axis by Xoff. This Xoff is referred to as an arrangement offset amount.
  • FIG. 2 is a diagram showing the jetting mode of the water jet nozzle 20 of the water supply device 22.
  • FIG. (a) is a view of the water supply device 22 along the z-axis direction
  • (b) is a view along the y-axis direction
  • (c) is a bird's-eye view.
  • the water jet nozzle 20 has a plurality of nozzle holes arranged on the same plane. A thin conical jet stream is formed from each nozzle hole, and a flat fan-shaped water spray 24 is formed as a whole. Let the central angle of this sector be the water spray central angle ⁇ sc.
  • the water injection nozzle 20 injects water toward the center O.
  • the angle between the center line 24a of the water spray 24 and the x-axis in the xy plane is defined as the water spray deflection angle ⁇ xy (see FIG. 1).
  • the counterclockwise direction of the water spray deflection angle ⁇ xy is positive.
  • the water spray 24 is jetted downward from the xy plane, and the angle formed by the plane defined by the sector of the water spray 24 and the z-axis is defined as the water spray downward angle ⁇ xz (see FIG. 1).
  • the water spray 24 has a symmetrical shape with respect to a plane that includes the fan-shaped centerline 24a and is parallel to the z-axis.
  • FIG. 3 shows the basic specifications of the reciprocating internal combustion engine 10 used for numerical calculation. In the following numerical calculations for comparing the effects of each item, the values shown in FIG. 3 are used for the items not to be compared.
  • the water rate is the mass ratio of the water injection amount to the fuel injection amount.
  • the water injection timing indicates the water injection start timing, and water is injected between 21° and 13° before top dead center. Also, the water injection period represents the period during which water is injected at 20 MPa. Further, the water injection amount (water injection rate) per unit time within the water injection period is constant.
  • FIG. 4 is a diagram showing the water-containing region 26 containing water supplied by the water supply device 22.
  • the dotted area is the water-containing area 26 .
  • the water-containing region 26 is a region containing water droplets of the water spray 24 injected from the water injection nozzle 20 and water vapor evaporated from the water droplets.
  • water includes droplet-like liquid water and water vapor.
  • Water injected toward the center O from the water injection nozzle 20 offset from the center O of the cylinder 12 is distributed in a flat columnar region in the central portion of the combustion chamber 16 on the xy plane. This area is the water-containing area 26 .
  • the reciprocating internal combustion engine 10 stratifies a water containing region 26 in the central portion of the combustion chamber 16 . That is, a region with a high water concentration is formed in the central portion of the cylinder 12 and a region with a low water concentration is formed in the surrounding area in layers.
  • the diameter (bore) of the cylinder 12 is indicated by Dbore, and the diameter of the water-containing region 26 by Dwa.
  • FIG. 5 shows an example of water distribution in the combustion chamber 16
  • FIG. 6 is a diagram showing the amount of nitrogen oxides (NOx) generated for each water distribution shown in FIG. (a) of FIG. 5 shows a case where water is distributed in the central portion of the combustion chamber 16 to form a flat columnar water-containing region 26 .
  • the distribution shown in (a) is referred to as central stratification distribution.
  • (b) shows a case in which water is homogeneously distributed throughout the combustion chamber 16, and water is distributed in the dotted area.
  • the distribution shown in (b) is referred to as an all-area homogeneous distribution.
  • FIG. (c) shows the case where water is distributed in the vicinity of the periphery of the combustion chamber 16, and the water is distributed in the halftone dot area 30.
  • FIG. The distribution shown in (c) is referred to as outer stratification distribution.
  • the water content is 60% in all of (a) to (c) of FIG.
  • FIG. 6 shows the amount of nitrogen oxides generated in the case of the water distribution shown in (a) to (c) of FIG. That is, it is shown as a relative quantity to the case without water injection. It is shown that the case of (a), which is distributed in the central portion, is the most effective. The amount of nitrogen oxide generated for each water distribution in FIG. 6 was calculated under the condition that the amount of soot generated was equal.
  • FIG. 7 shows the indicated thermal efficiency when no water is supplied and when the water distributions of (a) to (c) above are used. It is shown that the case (a) in which water is distributed in the central portion has a high thermal efficiency. The indicated thermal efficiency for each water distribution in FIG. 7 was calculated under the condition that the amount of nitrogen oxide generated is equal.
  • FIG. 8 is a diagram showing the distribution of water injected into the combustion chamber 16 after fuel injection, which was obtained by numerical calculation. ) shows the case of outer stratified distribution. Areas with darker colors indicate areas with high water concentration.
  • the fuel jet 28 from the fuel injection nozzle 18 takes in surrounding water when passing through the water-containing region 26 in the central part of the combustion chamber 16, and many fuel jets 28 Contains water. It can be seen that less water is taken into the fuel jet 28 in the case of the homogeneous distribution in the whole area (b) than in the case of the centrally stratified distribution.
  • the outer stratified distribution of (c) water is blown away by the fuel jet 28, and it can be seen that almost no water is taken into the fuel jet 28.
  • the fuel jet 28 takes in water droplets and gas containing water vapor from the water-containing region 26 .
  • the water-containing region 26 is cooled by evaporation of the injected water droplets, and the fuel jet 28 takes in this cooled gas and evaporates the taken-in water droplets, thereby igniting the fuel jet 28.
  • Flame temperature is reduced. Therefore, the generation of nitrogen oxides is suppressed, and the amount of nitrogen oxides generated is reduced. Further, the ignition position moves downstream of the fuel jet 28 due to the temperature of the fuel jet 28 decreasing.
  • downstream of the fuel jet 28 has a lower temperature and a leaner fuel because more ambient gas is taken in than upstream. Therefore, combustion in the high-temperature rich region is reduced, and soot generation is suppressed. Furthermore, the temperature of the spray flame is lowered, the temperature of the flame in contact with the wall surface of the combustion chamber is lowered, the temperature difference between the wall surface and the flame is reduced, and the heat loss is reduced. Therefore, thermal efficiency is improved.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the diameter of the water-containing region 26 and the amount of nitrogen oxides generated.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the water spray central angle ⁇ sc and the amount of nitrogen oxides generated.
  • FIG. 10 shows the relationship between the water spray central angle ⁇ sc0 and the amount of nitrogen oxides generated when the arrangement offset amount Xoff is 0.5 Dbore and the water spray deflection angle ⁇ xy is 0. .
  • the horizontal axis indicates the water spray central angle .theta.sc0, and the vertical axis indicates the amount of nitrogen oxides generated. It can be seen that the effect of reducing nitrogen oxides is greater when the water spray central angle ⁇ sc0 is 50° or more and 75° or less.
  • FIG. 10 shows the results when the water injection nozzle 20 is provided on the wall surface of the cylinder 12, that is, when the arrangement offset amount Xoff is set to a cylinder radius of 0.5 Dbore. From this result, it is possible to estimate preferable values of each ⁇ sc of the water spray center when the water spray nozzle 20 is brought closer to the center O of the cylinder 12 .
  • FIG. 12(a) shows a case where the water injection nozzle 20 is provided on the wall surface of the cylinder 12 as in FIG.
  • the water spray 24 with the central angle ⁇ sc0 is sprayed toward a circular area 30 whose center is concentric with the cylinder center O, indicated by the dashed line in the drawing.
  • This area 30 is a circle with a center at the cylinder center O and a radius R0, tangential to both edges of the fan-shaped water spray.
  • FIG. 12(b) shows a state where the water injection nozzle 20 is closer to the center O than the wall surface of the cylinder 12 (Xoff ⁇ 0.5Dbore).
  • FIG. 13 shows the amount of nitrogen oxides when the water injection deflection angle ⁇ xy is 15°, 0°, and ⁇ 5° when the counterclockwise swirl 32 is generated in the combustion chamber 16 as shown in FIG. It is a figure which shows the generation amount.
  • the amount of nitrogen oxides generated is expressed as a relative amount to when no water is supplied into the combustion chamber 16 .
  • FIG. 14 shows the distribution of water in the combustion chamber 16 when the water injection deflection angle ⁇ xy is 15°, 0°, and -5°. The water jetted from the water jet nozzle 20 is distributed in the shaded area.
  • FIG. 15 is a diagram showing the timing of water injection, where (a) shows the injection timing for one injection and (b) shows the injection timing for two injections.
  • the solid line indicates the injection of water and the dashed line indicates the main injection of fuel.
  • the injection is started at 21° before the top dead center and the injection period is 8°.
  • injection is started at 23° and 10° before top dead center, and each injection period is 4°.
  • FIG. 16 shows the amount of nitrogen oxides generated when the number of injections is different.
  • (a) shows the case of one injection and (b) the case of two injections. ing.
  • the amount of nitrogen oxides generated is shown as a relative value with respect to the case where there is no water injection. As shown in the figure, the amount of nitrogen oxides generated is smaller when the injection is divided into two times.
  • FIG. 17 shows the concentration distribution of water, in which (a) shows the case of one-time injection and (b) shows the case of two-time injection corresponding to the injection timing shown in FIG. Areas with a darker color are areas with a higher concentration of water. The reason why the double injection produces less nitrogen oxides is that the concentration distribution of water is made uniform, and the amount of water taken in by each jet of radially injected fuel is not biased.
  • FIGS. 19 and 20 are diagrams comparing the indicated thermal efficiency, the amount of nitrogen oxides generated, and the amount of soot generated when the compression ratio is changed, depending on whether water is supplied to the combustion chamber 16 or not. .
  • the compression ratio was changed by changing the diameter Dre of the recess 21 .
  • the smaller the diameter Dre the higher the compression ratio.
  • the compression ratio was changed in steps from 15.1 to 21.1 when water was not supplied, and was changed in steps from 15.1 to 22.1 when water was supplied.
  • FIGS. 19 and 20 it can be seen that the amount of nitrogen oxides and soot generated is suppressed by supplying water over the entire range of compression ratios.
  • the thermal efficiency is improved at a compression ratio of 18 or higher, and further, a higher thermal efficiency is exhibited at a compression ratio of 20-21.
  • the liquid supplied into the combustion chamber 16 may be a liquid having a higher latent heat of vaporization than the fuel instead of water.
  • the fuel is light oil
  • methanol water or ethanol water can be used instead of water.
  • the diesel engine it can also be applied to a gasoline engine that injects fuel directly into the cylinder and injects water to supply water to the combustion chamber.

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Abstract

往復動内燃機関（１０）は、シリンダ（１２）の頂部中央に配置され、燃焼室（１６）内に燃料を放射状に噴射する燃料噴射ノズル（１８）と、燃焼室（１６）内に水を噴射する水噴射ノズル（２０）を有する水供給装置（２２）とを有する。水供給装置（２２）は、水噴射ノズル（２０）から水を噴射して、燃料噴射ノズル（１８）が主噴射を行う前に、燃焼室（１６）の中央部に、水滴および水蒸気を含む扁平円柱形状の水含有領域（２６）を成層形成する。燃料の噴流が水含有領域（２６）を通過する際、蒸発熱で冷やされた周囲の気体および水を取り込むことで燃焼温度が低下する。燃焼室内に供給した水の分布によって、窒素酸化物の発生を抑制し、熱効率を向上させることができる。

Description

往復動内燃機関
　本発明は、往復動内燃機関に関し、特にシリンダとピストンにより規定される燃焼室内に燃料および水を噴射する往復動内燃機関に関する。
　シリンダとピストンにより規定される燃焼室内に燃料を噴射する往復動内燃機関において、燃焼室内に水を噴射する技術が知られている。特開２０１４－７７３９１号公報（特許文献１）には、ディーゼルエンジンにおいて、燃料噴流の軌道上に水蒸気が存在するように、燃焼室の中央部から外周部に向けて放射状に水を噴射する技術が示されている。
特開２０１４－７７３９１号公報
　燃焼室内に噴射された水滴およびこの水滴が蒸発した水蒸気を含む水含有領域について、燃焼室内の配置に改良の余地がある。
　本発明に係る往復動内燃機関は、シリンダの頂部中央に配置され、シリンダとピストンにより画定される燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、燃焼室内に水を噴射する水噴射ノズルを有する水供給装置とを有し、水供給装置は、水噴射ノズルから水を噴射して、燃料噴射ノズルが主噴射を行う前に、燃焼室の中央部に、水滴および水蒸気を含む扁平円柱形状の水含有領域を成層形成する。
　燃焼室の中央に水含有領域を成層形成することで、シリンダの頂部中央から噴射される燃料の噴流が効率良く水を取り込むことができる。
　また、扁平円柱形状の水含有領域の直径が、シリンダの直径の０．３倍以上、０．６倍以下である往復動内燃機関とすることができる。
　さらにまた、水噴射ノズルが水を噴射して形成する水噴霧の形状が扇形であるようにすることができ、水噴射ノズルが、シリンダの中心からオフセットして配置され、シリンダの中心に向けて水を噴射する往復動内燃機関とすることができる。
　さらにまた、水噴射ノズルが形成する水噴霧の扇形の中心角が、シリンダ直径をＤbore、水噴射ノズルのシリンダの中心からのオフセット量をＸoffとしたとき、５０°×（０．５Ｄbore／Ｘoff）以上、７５°×（０．５Ｄbore／Ｘoff）以下である往復動内燃機関とすることができる。
　さらにまた、水噴射ノズルが形成する水噴霧の扇形の中心線に沿う噴流が、燃焼室内を旋回するように形成されるスワールに対向する速度成分を有するように、シリンダの中心からずれた位置に向けて噴射される往復動内燃機関とすることができる。
　さらにまた、水供給装置は、２回に分けて水噴射ノズルから水を噴射する往復動内燃機関とすることができる。
　さらにまた、圧縮比が１８以上、２１以下、より好ましくは２０以上、２１以下である往復動内燃機関とすることができる。
　さらにまた、前記往復動内燃機関は、水供給装置に代えて、燃料より蒸発潜熱の高い液体を供給する高潜熱液供給装置を有するようにできる。
　燃焼室の中央に水含有領域を配置することで、シリンダの頂部中央から噴射される燃料の噴流が効率良く水を取り込むことができ、水噴射による効果をより享受できるようになる。
本実施形態の内燃機関の要部構成を模式的に示す図である。 水噴射の態様を示す図である。 数値計算に用いた諸元を示す図である。 燃焼室内の水含有領域を示す図である。 燃焼室内の水の分布の例を示す図である。 水の分布ごとの窒素酸化物の発生量を示す図である。 水の分布ごとの図示熱効率を示す図である。 燃料の噴流が水を取り込む様子を示す図である。 水含有領域の直径と窒素酸化物の発生量の関係を示す図である。 水噴霧中心角と窒素酸化物の発生量の関係を示す図である。 水噴射ノズルをシリンダ壁に配置したときの水の噴霧の態様を示す図である。 水噴射ノズルの位置と水の噴霧の関係を示す図である。 水噴霧偏向角ごとの窒素酸化物の発生量を示す図である。 水噴霧偏向角ごとの、燃焼室内の水の分布を示す図である。 水の噴射時期を示す図である。 水の噴射回数ごとの窒素酸化物の発生量を示す図である。 水の噴射回数ごとの、燃焼室内の水の濃度分布を示す図である。 圧縮比と図示熱効率の関係を水噴射の有無で比較して示す図である。 圧縮比と窒素酸化物の発生量の関係を水噴射の有無で比較して示す図である。 圧縮比とスートの関係を水噴射の有無で比較して示す図である。
　以下、本発明に係る実施の形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態の往復動内燃機関１０、特にディーゼル機関の要部構成を模式的に示す図である。往復動内燃機関１０は、円筒形状のシリンダ１２と、シリンダ１２内を、シリンダ１２の軸線方向に沿って往復動するピストン１４を含む。シリンダ１２とピストン１４で画定される空間、特にピストン１４が上死点付近にあるときのこの空間は、燃焼室１６と呼ばれている。シリンダ１２の頂面１２ａの中心に燃料噴射ノズル１８が配置される。また、往復動内燃機関１０は、燃焼室１６内に水滴として水を供給する水供給装置２２を備える。水供給装置２２は、シリンダ１２の頂部中央から離れた位置に配置された水噴射ノズル２０を含む。ピストン１４の頂面には、燃焼室１６を規定する直径Ｄreの凹部２１が形成されている。シリンダ１２の中心線をｚ軸とし、ｚ軸に直交し、水噴射ノズル２０の配置された位置を通る軸をｘ軸、ｘ軸およびｚ軸と直交する軸をｙ軸とする。ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸は、頂面１２ａの中心Ｏで交差する。
　往復動内燃機関１０において、シリンダ１２の頂面１２ａには、吸気バルブおよび排気バルブが配置されるが、図１においては簡略化のために省略されている。また、ピストン１４には、クランクシャフト（不図示）と接続するためのコネクティングロッドが接続されているが、これも省略されている。
　燃料噴射ノズル１８は、中心Ｏから周囲に向けて放射状に、例えば８方向に燃料を噴射する。水噴射ノズル２０は、中心Ｏからｘ軸の方向にＸoffだけオフセットしている。このＸoffを配置オフセット量と記す。
　図２は、水供給装置２２の水噴射ノズル２０の噴射の態様を示す図である。（ａ）は水供給装置２２をｚ軸方向に沿って見た図、（ｂ）はｙ軸方向に沿って見た図、（ｃ）は俯瞰して見た図である。水噴射ノズル２０は、同一平面内に配置された複数のノズルホールを有する。個々のノズルホールからは細い円錐状の噴流が形成され、全体としては、扁平な扇形の水噴霧２４が形成される。この扇形の中心角を水噴霧中心角θscとする。水噴射ノズル２０は、中心Ｏに向けて水を噴射する。ｘｙ平面における、水噴霧２４の中心線２４ａとｘ軸のなす角を水噴霧偏向角θxyとする（図１参照）。水噴霧偏向角θxyは、シリンダ１２を上方から見たとき、反時計回りの向きを正の向きとする。さらに、水噴霧２４は、ｘｙ平面より下向きに噴射され、水噴霧２４の扇形が規定する平面と、ｚ軸のなす角を水噴霧下向き角θxzとする（図１参照）。水噴霧２４は、その扇形の中心線２４ａを含み、かつｚ軸に平行な平面に対して対称な形状を有する。
　図３は、数値計算に用いた往復動内燃機関１０の基本諸元である。以下において、各諸元の効果を比較する数値計算において、比較対象外の諸元については、図３に示す値を用いている。水率は、燃料噴射量に対する水噴射量の質量比である。水噴射時期は、水噴射開始時期を示しており、上死点前２１°から１３°までの間で水が噴射される。また、水噴射期間は、２０ＭＰａで水が噴射されている期間を表す。また、水噴射期間内での単位時間当たりの水噴射量（水噴射率）は一定である。
　図４は、水供給装置２２により供給された水を含む水含有領域２６を示す図である。図４において、網点を付した領域が水含有領域２６である。水含有領域２６は、水噴射ノズル２０から噴射された水噴霧２４の水滴およびこの水滴が蒸発した水蒸気を含む領域である。以下の説明において、特段の断りがない限り、「水」は、水滴状の液体の水および水蒸気を含む。シリンダ１２の中心Ｏからオフセットされた水噴射ノズル２０から中心Ｏに向けて噴射された水は、ｘｙ平面において燃焼室１６の中央部に扁平な円柱形状の領域に分布する。この領域が、水含有領域２６である。この往復動内燃機関１０は、水含有領域２６を燃焼室１６の中央部に成層形成する。つまり、シリンダ１２の中央部に水の濃度が高い領域が、その周囲に水の濃度が低い領域が、層状に形成される。シリンダ１２の直径（ボア）がＤbore、水含有領域２６の直径がＤwaで示されている。
　図５は、燃焼室１６内の水の分布の例を示し、図６は、図５に示す各水分布の窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量を示す図である。図５の（ａ）は、水が、燃焼室１６の中央部に分布し、扁平円柱形状の水含有領域２６を形成する場合を示している。（ａ）に示す分布を中央成層分布と記す。水含有領域２６の直径Ｄwaは、ボアＤboreの二分の１である（Ｄwa＝０．５×Ｄbore）。（ｂ）は、燃焼室１６全体に水が均質に分布した場合を示し、網点を付した領域に水が分布している。（ｂ）に示す分布を全域均質分布と記す。（ｃ）は、燃焼室１６の周縁近傍に水が分布した場合を示し、網点を付した領域３０に水が分布している。（ｃ）に示す分布を外周成層分布と記す。水率は、図５の（ａ）～（ｃ）の全てで６０％である。
　図６は、図５の（ａ）～（ｃ）の水分布の場合の窒素酸化物の発生量を示しており、窒素酸化物の発生量は、燃焼室１６内に水を供給しない場合、つまり水噴射なしの場合に対する相対量として示されている。中央部に分布する（ａ）の場合が最も効果が高いことが示されている。なお、図６の各水分布の窒素酸化物の発生量は、スートの発生量が等しくなる条件の下に算出されたものである。また、図７には、水を供給しない場合と、上記（ａ）～（ｃ）の水分布の場合の図示熱効率が示されている。水が中央部に分布する（ａ）の場合が熱効率が高くなることが示されている。なお、図７の各水分布の図示熱効率は、窒素酸化物の発生量が等しくなる条件の下に算出されたものである。
　図８は、数値計算によって求められた、燃焼室１６内に噴射された水の燃料噴射後の分布を示す図であり、（ａ）が中央成層分布、（ｂ）が全域均質分布、（ｃ）が外周成層分布の場合を示している。色の濃い部分が水の濃度が高い部分を示している。（ａ）の中央成層分布の場合、燃料噴射ノズル１８からの燃料噴流２８が、燃焼室１６の中央部の水含有領域２６を通過する際に周囲の水を取り込み、燃料噴流２８中に多くの水が含まれている。（ｂ）の全域均質分布の場合、燃料噴流２８内に取り込まれる水は、中央成層分布の場合に比べて少ないことが分かる。（ｃ）の外周成層分布の場合、燃料噴流２８によって水が吹き飛ばされてしまい、水が燃料噴流２８中にほとんど取り込まれていないことが分かる。
　図８の（ａ）に示されるように、水含有領域２６が燃焼室１６の中央部に分布する場合、燃料噴流２８が水含有領域２６から水滴および水蒸気を含む気体を取り込む。水含有領域２６は、噴射された水滴が蒸発して冷却されており、この冷却された気体を燃料噴流２８が取り込むことにより、また、取り込んだ水滴が蒸発することにより、燃料噴流２８に着火した火炎の温度が低下する。このため、窒素酸化物の発生が抑制され、窒素酸化物の発生量が低下する。また、燃料噴流２８の温度が低下することで、着火位置が燃料噴流２８の下流に移動する。一方、燃料噴流２８の下流は、上流に比べ周囲の気体がより多く取り込まれるため、温度が低く、また燃料がリーンとなる。このため、高温のリッチ領域での燃焼が低減し、スート（すす）の生成が抑制される。さらに、噴霧火炎の温度が低下することで、燃焼室壁面と接触する火炎の温度が低下して壁面と火炎の温度差が縮まり、熱損失が少なくなる。このため、熱効率が向上する。
　図９は、水含有領域２６の直径と窒素酸化物の発生量の関係を示す図である。横軸は、シリンダ１２の直径Ｄboreに対する水含有領域２６の直径Ｄwaを示し、縦軸は、窒素酸化物の発生量を示し、特に燃焼室１６内に水を供給しない場合（水噴射なし）に対する相対値として示されている。全域均質分布（Ｄwa／Ｄbore＝１）の場合に比較して、中央成層分布の場合においては窒素酸化物の発生量が低減していることが分かる。特に、水含有領域２６の直径Ｄwaが、シリンダ直径の０．３倍以上、０．６倍以下の場合に、窒素酸化物の発生量を大きく低減できる。
　図１０は、水噴霧中心角θscと窒素酸化物の発生量の関係を示す図である。図１０は、図１１に示すように、配置オフセット量Ｘoffを０．５Ｄboreとし、水噴霧偏向角θxyを０としたときの水噴霧中心角θsc0と窒素酸化物の発生量の関係を示している。横軸は、水噴霧中心角θsc0、縦軸は、窒素酸化物の発生量を示し、特に燃焼室１６に水を供給しない場合に対する相対値として示されている。水噴霧中心角θsc0が５０°以上、７５°以下のときに窒素酸化物の低減効果がより大きいことが認められる。
　前述のように、図１０は、水噴射ノズル２０をシリンダ１２の壁面に設けた場合、つまり配置オフセット量Ｘoffをシリンダ半径０．５Ｄboreとした場合の結果である。この結果から、水噴射ノズル２０をシリンダ１２の中心Ｏに近づけた場合における水噴霧中心各θscの好ましい値について推定できる。
　図１２の（ａ）は、図１１と同様に水噴射ノズル２０をシリンダ１２の壁面に設けた場合を示している。この場合、中心角θsc0の水噴霧２４は、図中破線で示す、中心がシリンダ中心Ｏと同心の円形の領域３０に向けて噴射される。この領域３０は、扇形の水噴霧の両縁が接線となる、中心がシリンダ中心Ｏ、半径がＲ0の円である。図１２の（ｂ）は、水噴射ノズル２０をシリンダ１２の壁面より中心Ｏに近づけた状態（Ｘoff＜０．５Ｄbore）を示している。（ａ）に示す場合と同様の水分布を得るためには、前述の領域３０の全体に向けて水を噴霧すればよいと考えられ、そのための水噴霧２４の中心角θscは、　θsc＝（０．５Ｄbore／Ｘoff）×θsc0・・・（１）
　（ただし、θ＝sinθと近似）
　となる。図１０に示されるように、水噴射ノズル２０をシリンダ１２の壁面に設けた場合、水噴霧中心各θsc0が５０～７５°の範囲で窒素酸化物の抑制効果が認められ、これと同じ効果を得るためには、領域３０に水が供給されるように噴射を行えばよい。このためには、式（１）から水噴霧中心各scの範囲を、５０°×（０．５Ｄbore／Ｘoff）以上、７５°×（０．５Ｄbore／Ｘoff）以下とすればよい。
　図１３は、燃焼室１６内に図１に示すように反時計回りのスワール３２が発生する場合において、水噴射偏向角θxyを１５°、０°、－５°としたときの窒素酸化物の発生量を示す図である。窒素酸化物の発生量は、水を燃焼室１６内に供給しない場合に対する相対量として表わされている。図１４は、水噴射偏向角θxyを１５°、０°、－５°としたときの燃焼室１６内の水の分布を示す図である。網掛けした領域に水噴射ノズル２０から噴射された水が分布している。水噴射偏向角θxyが０°のときは、水噴霧の中心線２４ａに沿う噴流は周回するスワール３２と直交し、１５°のときは、中心線２４ａに沿う噴流がスワール３２と対向する成分を有する。
　図１３から水噴射偏向角θxyが１５°のとき、窒素酸化物がより低減されることが分かる。これは、図１４に示されるように、水噴射偏向角θxyが１５°のときの水が偏在せず、より中心Ｏ寄りに分布しており、放射状に噴射される燃料のそれぞれの噴流が取り込む水の量の偏りが減少して、それぞれの噴流の温度が低下するためと考えられる。
　図１５は、水噴射の時期を示す図であり、（ａ）は噴射が１回の場合、（ｂ）が噴射が２回の場合の噴射時期を示している。実線が水の噴射を示し、破線は燃料の主噴射を示している。水噴射は、１回の場合は、上死点前２１°で噴射を開始し、噴射期間を８°である。２回の場合は、上死点前２３°と１０°で噴射を開始し、それぞれの噴射期間は４°である。図１６は、噴射回数が異なる場合の窒素酸化物の発生量を示しており、図１５に示す噴射タイミングに対応して（ａ）は１回噴射、（ｂ）は２回噴射の場合を示している。また、窒素酸化物の発生量は、水噴射がない場合に対する相対値として示されている。図示されるように、２回に分けて噴射した場合の方が窒素酸化物の発生量が少ない。図１７には、水の濃度分布が示されており、図１５に示す噴射タイミングに対応して（ａ）は１回噴射、（ｂ）は２回噴射の場合を示している。色の濃い部分が水の濃度が高い部分である。２回噴射の方が窒素酸化物の発生が少ないのは、水の濃度分布が均一化されており、放射状に噴射される燃料のそれぞれの噴流が取り込む水の量が偏らなくなるためと考えられる。
　図１８～図２０は、圧縮比を変更したときの図示熱効率、窒素酸化物の発生量、スート（すす）の発生量を、燃焼室１６内への水の供給の有無で比較した図である。圧縮比は、凹部２１の直径Ｄreを変更して変化させた。直径Ｄreが小さい方が圧縮比が高くなる。圧縮比は、水を供給しない場合、１５．１から２１．１まで１刻みに変化させ、水を供給した場合、１５．１から２２．１まで１刻みに変化させた。図１９および図２０に示すように、圧縮比の全範囲において、水を供給することによって、窒素酸化物およびスートの発生量が抑制されることが分かる。また、図１８に示すように、圧縮比１８以上で熱効率が向上し、さらに、圧縮比２０～２１の範囲でより高い熱効率を示すことが分かる。
　燃焼室１６内に供給する液体は、水に代えて燃料より蒸発潜熱の高い液体とすることができる。例えば、燃料が軽油の場合、水に代えてメタノール水やエタノール水を用いることができる。また、ディーゼルエンジン以外にも、燃料をシリンダ内に直接噴射し、水を噴射して燃焼室に水を供給するガソリンエンジンにも適用することができる。
　１０　往復動内燃機関、１２　シリンダ、１４　ピストン、１６　燃焼室、１８　燃料噴射ノズル、２０　水噴射ノズル、２１　凹部、２２　水供給装置、２４　水噴霧、２６　水含有領域、２８　燃料噴流、３０　領域、３２　スワール、Ｘoff　配置オフセット量、θsc　水噴霧中心角、θxy　水噴霧偏向角、θxz　水噴霧下向き角。

Claims (9)

  1. 　シリンダの頂部中央に配置され、前記シリンダとピストンにより画定される燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、
    　前記燃焼室内に水を噴射する水噴射ノズルを有する水供給装置と、を有し、
    　前記水供給装置は、水噴射ノズルから水を噴射して、前記燃料噴射ノズルが主噴射を行う前に、燃焼室の中央部に、水滴および水蒸気を含む扁平円柱形状の水含有領域を成層形成する、往復動内燃機関。
  2. 　請求項１に記載の往復動内燃機関において、前記水含有領域の直径が、前記シリンダの直径の０．３倍以上、０．６倍以下である、往復動内燃機関。
  3. 　請求項１または２に記載の往復動内燃機関において、前記水噴射ノズルが水を噴射して形成する噴霧の形状が扇形であり、前記水噴射ノズルが、前記シリンダの中心からオフセットして配置され、前記シリンダの中心に向けて水を噴射する、往復動内燃機関。
  4. 　請求項３に記載の往復動内燃機関において、前記水噴射ノズルが形成する噴霧の扇形の中心角が、シリンダ直径をＤbore、前記水噴射ノズルの前記シリンダの中心からのオフセット量をＸoffとしたとき、５０°×（０．５Ｄbore／Ｘoff）以上、７５°×（０．５Ｄbore／Ｘoff）以下である、往復動内燃機関。
  5. 　請求項３に記載の往復動内燃機関において、前記噴霧の扇形の中心線に沿う噴流が、前記燃焼室内を旋回するように形成されるスワールに対向する速度成分を有するように、前記シリンダの中心からずれた位置に向けて噴射される、往復動内燃機関。
  6. 　請求項１から５のいずれか１項に記載の往復動内燃機関において、前記水供給装置は、２回に分けて水噴射ノズルから水を噴射する、往復動内燃機関。
  7. 　請求項１から６のいずれか１項に記載の往復動内燃機関において、圧縮比が１８以上、２１以下である、往復動内燃機関。
  8. 　請求項７に記載の往復動内燃機関において、圧縮比が２０以上、２１以下である、往復動内燃機関。
  9. 　請求項１から８のいずれか１項に記載の往復動内燃機関において、前記水供給装置に代えて、燃料より蒸発潜熱の高い液体を供給する高潜熱液供給装置を有する、往復動内燃機関。
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