JP2005315234A - 内燃機関及び内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼温度が高くなる運転条件において、エミッションの悪化及び性能低下を抑制すること。
【解決手段】この内燃機関１は、水噴射弁３を備えるレシプロ式の内燃機関である。そして、水噴射弁３から水を噴射することにより、燃焼室１ｂへ水を供給する。水噴射弁３から水を噴射する時期は、吸気弁８ｉが開く時期と、排気弁８ｅが閉じる時期とがオーバーラップする期間中である。前記オーバーラップ期間中に水噴射弁３から水を噴射することで、内燃機関１の燃焼室１ｂが冷却されるとともに、噴射された水は内燃機関１の排気系に抜けて排気を冷却する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃焼室内へ水を噴射する内燃機関に関し、さらに詳しくは、燃焼温度が高くなる運転条件において、エミッションの悪化及び性能低下を抑制できる内燃機関及び内燃機関の制御装置に関するものである。

内燃機関の一種であるディーゼルエンジンにおいては、吸気管内に水を噴射することにより燃焼温度を下げて、ＮＯｘを除去する技術が用いられている。このような水噴射技術を用いたものとしては、例えば特許文献１に、吸気管内へ補助燃料及び水を噴射し、圧縮行程の主噴射による燃焼を補助燃料により促進してススを低減するとともに、水噴射により燃焼温度を低下させ、ＮＯｘを低減する技術が開示されている。

特開平５−６５８５４号公報

ところで、内燃機関では、高回転、高負荷時においては燃焼温度が高くなるため排気温度が高くなる。また、ノッキングも発生しやすくなる。このため、このような排気温度が高くなりやすい運転条件においては、点火時期を遅角させたり、燃料を増量（空燃火がリッチ）させたりすることにより、排気系の保護やノッキング防止を図っている。

しかし、点火時期の遅角や燃料増量を実行すると、エミッションの悪化を招いたり、内燃機関の性能が本来よりも低下したりする。特許文献１に開示された技術では、スス及びＮＯｘは低減できるが、高回転、高負荷時のように燃焼温度が高くなる運転条件において、エミッション及び性能の悪化を抑制するには改善の余地がある。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高回転、高負荷時のように燃焼温度が高くなる運転条件において、エミッションの悪化及び性能低下を抑制できる内燃機関及び内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る内燃機関は、吸気弁と、排気弁とを備えるレシプロ式の内燃機関であって、前記吸気弁が開く時期と前記排気弁が閉じる時期とがオーバーラップする期間に水を噴射することにより、前記内燃機関の燃焼室へ水を供給する水噴射手段を備えることを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記内燃機関の排気温度が予め定めた排気温度の上限値以上の場合に、前記水噴射手段から水を噴射することを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記水噴射手段による水噴射中は、前記オーバーラップの期間を増加することを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記排気温度に基づき、前記水噴射手段による水の噴射量を変更することを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記排気温度に基づき、前記内燃機関に対する燃料噴射量を変更することを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関の制御装置は、吸気弁と、排気弁と、燃焼室へ水を供給する水噴射手段とを備えるレシプロ式の内燃機関を制御するものであり、前記内燃機関の排気温度を判定する排気温度判定部と、前記排気温度が定めた排気温度の上限値以上の場合、前記吸気弁が開く時期と前記排気弁が閉じる時期とがオーバーラップする期間に前記水噴射手段が水を噴射するように、前記水噴射手段の水噴射時期を決定する水噴射時期決定部と、を含んで構成されることを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関の制御装置は、前記内燃機関の制御装置において、さらに、前記水噴射手段による水噴射中は、前記オーバーラップの期間を増加させるように、前記吸気弁が開く時期又は前記排気弁が閉じる時期の少なくとも一方を決定する弁開閉時期決定部を備えることを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関の制御装置は、前記内燃機関の制御装置において、排気温度が上昇傾向に転ずると前記排気温度判定部が判定するまでは、前記水の噴射量を増量させる水噴射量決定部を備えることを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関の制御装置は、前記内燃機関の制御装置において、排気温度が上昇傾向にあると前記排気温度判定部が判定した場合には、前記水の噴射量の増量を停止する水噴射量決定部を備えることを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関の制御装置は、前記内燃機関の制御装置において、前記排気温度が予め定めた目標温度よりも低いと前記排気温度判定部が判定した場合には、前記内燃機関に対する燃料噴射量を減少させる燃料噴射量決定部を備えることを特徴とする。

以上説明したように、この発明に係る内燃機関及び内燃機関の制御装置では、燃焼温度が高くなる運転条件において、エミッションの悪化及び性能低下を抑制できる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。また、本発明は、過給装置を備える内燃機関に対して好適に適用でき、特に乗用車やバス、あるいはトラック等の車両に搭載される内燃機関に対して好ましい。

実施例１は、燃焼室へ水を供給する水噴射手段を備える内燃機関であって、排気弁が閉じる時期と吸気弁が開く時期とのオーバーラップ期間中に、前記水噴射手段から水を噴射することにより、燃焼室に水を供給する点に特徴がある。次に、実施例１に係る内燃機関について説明する。図１は、実施例１に係る内燃機関が備える一つの気筒に関する断面図である。まず、図１を用いて、実施例１に係る内燃機関の構成について説明する。

図１に示すように、実施例１に係る内燃機関１は、燃焼室１ｂ内へ水を到達させるための水噴射手段を備えており、気筒１ｓ内をピストン５が往復運動し、クランク軸６によってピストン５の往復運動が回転運動に変換される。この内燃機関１は、乗用車やトラックその他の車両に搭載され、前記車両の動力源となる。実施例１に係る内燃機関１は、１の気筒のみを示すが、本発明が適用できる内燃機関は単気筒、多気筒問わない。また、本発明は、燃焼室１ｂ内へ水を到達させるための水噴射手段を備えていればよい。かかる条件を満たせば、火花点火式、ディーゼル式いずれの内燃機関でも適用でき、また過給機を備えていてもよく、さらには、ロータリー式の内燃機関であってもよい。

以下の実施例で説明する内燃機関１は、レシプロ式の内燃機関であって、点火プラグ７によって燃焼室１ｂ内の混合気に点火する、いわゆる火花点火式の内燃機関である。内燃機関１は、吸気通路を構成する吸気ポート４内に燃料Ｆを噴射するポート噴射弁２を備える。そして、ポート噴射弁２によって、内燃機関１へ燃料Ｆを供給する。なお、本発明は、火花点火式であって、かつ燃焼室１ｂ内へ直接燃料を噴射する直噴噴射弁を備える、いわゆる直噴の内燃機関に対しても適用できる。

内燃機関１の吸気系は、吸気通路２１と、吸気通路２１の途中に設けられるエアクリーナ２２と、同じく吸気通路２１の途中に設けられる電子スロットル弁７０と、吸気通路２１と内燃機関１の吸気弁８ｉとの間に設けられる吸気ポート４とを含んで構成される。内燃機関１の排気系は、排気ポート９と、排気ポート９の下流に設けられる触媒２５と、排気ポート９と触媒２５、及び触媒２５と消音器２６とを結ぶ排気通路２４とを含んで構成される。ここで、「下流」とは、排気Ｅｘの流れ方向下流をいう。

内燃機関１は、吸気通路２１に設けられる電子スロットル弁７０により、吸入空気量が調整される。電子スロットル弁７０は、バタフライバルブ７１と、これを駆動するアクチュエータ７２と、バタフライバルブ７１の開度を検出する開度センサ７３とで構成される。エンジンＥＣＵ３０は、アクセル開度センサ４２からの出力を取得して、アクチュエータ７２に制御信号を送り、開度センサ７３からのバタフライバルブ開度のフィードバック信号に基づいて、バタフライバルブ７１を適切な開度に制御する。

内燃機関１のシリンダヘッド１ｈには、吸気弁８ｉと排気弁８ｅとが取り付けられており、それぞれ吸気カムシャフト６１ｉの吸気カム６２ｉ及び排気カムシャフト６１ｅの排気カム６２ｅとで駆動され、開閉する。吸気弁８ｉが開くことにより、空気Ａとポート噴射弁２から噴射された燃料Ｆとの混合気が燃焼室１ｂ内へ導入される。その後吸気弁８ｉが閉じて、ピストン５がＴＤＣ（Top Death Center：上死点）へ向かう過程で、燃焼室１ｂ内の混合気が圧縮される。

ピストン５がＴＤＣ（点火上死点）に到達する前後のタイミングで、内燃機関１のシリンダヘッド１ｈに取り付けられる点火プラグ７が放電し、燃焼室１ｂ内へ導入された混合気に点火し、火炎伝播により燃焼させる。混合気の燃焼圧力はピストン５に伝えられ、ピストン５を往復運動させる。ピストン５の往復運動はコネテクティングロッド６ｃを介してクランク軸６に伝えられ、ここで回転運動に変換される。クランク軸６は、ピストン５の往復運動を内燃機関１の出力として取り出す。

燃焼後の混合気は排気Ｅｘとなる。排気Ｅｘは、排気弁８ｅが開くことにより燃焼室から排気ポート９へ排出される。この排気Ｅｘは、内燃機関１の排気系を構成する排気通路２４を通って触媒２５へ導かれ、ここで浄化される。排気ポート９と触媒２５との間には、排気温度センサ４６が取り付けられており、排気Ｅｘの温度をモニタして、水噴射の制御に用いたり、触媒２５が許容温度内で用いられているか否かを判定したりする。触媒２５で浄化された排気Ｅｘは、排気通路２４を通って消音器２６へ導かれて騒音を低減されてから大気中へ放出される。

実施例１に係る内燃機関１のシリンダヘッド１ｈには、燃焼室１ｂへ水を供給するための水噴射手段である水噴射弁３が取り付けられている。この水噴射弁３から水を噴射することにより、実施例１に係る内燃機関１は、燃焼室１ｂ内へ直接水を供給することができる。直接燃焼室１ｂ内へ水を噴射することで、燃焼室１ｂ内の温度を速やかに低下させることができるので、高回転、高負荷時のように燃焼温度が高くなる運転条件において、内燃機関１の性能低下及びエミッション悪化の抑制に効果的である。なお、水噴射弁３は、内燃機関１の吸気ポート４に取り付けて、吸気ポート内へ水Ｗを噴射してもよい。この水噴射弁３により、燃焼室１ｂ内へ水Ｗを噴射する。なお、水噴射弁３から水Ｗを噴射する時期は、内燃機関１の運転条件に応じて決定する。

図２−１は、水噴射弁への水供給系を示す説明図である。図２−２は、水噴射弁の構造例を示す断面図である。水タンク５０に貯えられる水Ｗは、フィードポンプ５１により水供給配管５２へ送られる。水噴射弁３は、水供給配管５２に取り付けられており、水供給配管５２から水Ｗが供給される。この水Ｗは、水噴射弁３の内面３ｉとニードル弁３ｎとの間に形成される水通路３ｒ内に満たされる。水供給配管５２には、リリーフ弁５４が取り付けられており、余剰の水Ｗを水タンク５０へ戻して、水供給配管５２内の圧力を一定に保つ。ここで、水供給配管５２内の圧力は数百ｋＰａに維持される。

水噴射弁３へエンジンＥＣＵ３０から水噴射指令が与えられると、水噴射弁３に取り付けられているソレノイドコイル３ｃに通電される。そして、ソレノイドコイル３ｃに発生する電磁力によって、ばね３ｓにより弁座３ｂに負勢されているニードル弁３ｎが、水噴射孔３ｐとは反対方向（図２−２中矢印Ａ方向）に移動する。これにより、水噴射弁３内の水通路３ｒと水噴射孔３ｐとが連通し、水通路３ｒ内の水Ｗが水噴射孔３ｐから噴射される。

内燃機関１のクランク軸６には、クランク角センサ４１が取り付けられている。そして、クランク角センサ４１の出力をエンジンＥＣＵ（Engine Control Unit）３０が取得して、水噴射弁３が水Ｗを噴射する時期やポート噴射弁２が燃料Ｆを噴射する時期を制御するために使用する。また、クランク角センサ４１の信号に基づいて、内燃機関１の機関回転数を求めることもできる。さらにエンジンＥＣＵ３０は、クランク角センサ４１、アクセル開度センサ４２、エアフローセンサ４３、吸気温度センサ４４、水温センサ４５、排気温度センサ４６その他の各種センサ類からの出力を取得して、内燃機関１の運転を制御する。

図３−１、図３−２は、水噴射の時期を示す説明図である。実施例１に係る内燃機関１は、吸気弁８ｉの開弁時期ＩＶＯ（Intake Valve Open：図３−１中のθ₁）と、排気弁８ｅの閉弁時期ＥＶＣ（Exhaust Valve Close：図３−１中のθ₂）とがオーバーラップする期間（以下オーバーラップ期間：図３−１中のθｏ₁）に、水噴射弁３から水Ｗを噴射する。オーバーラップ期間は、図３−２中斜線で示した部分である。これにより、水噴射弁３から噴射した水Ｗにより燃焼室１ｂ内を冷却できるので、吸入空気量を増加させることができる。その結果、体積効率を向上させて、内燃機関１の性能を向上させることができる。また、内燃機関１を冷却できるので、冷却のための燃料増量を抑制して、燃料消費を抑制できる。

さらに、オーバーラップ期間中に水噴射弁３から噴射された水Ｗは、排気弁８ｅを通って内燃機関１の排気系へ吹き抜けるので、排気Ｅｘを冷却することができる。これにより、エミッションを改善することができる。特に、高回転、高負荷運転時のように、排気温度が高い運転領域において、水噴射により体積効率を改善できるとともに、排気を冷却できる。これにより、このような運転領域において、内燃機関１の性能低下及びエミッションの悪化を効果的に抑制できる。

実施例１に係る内燃機関１は、吸気弁８ｉ又は排気弁８ｅのうち、少なくとも一方の開閉時期を変更できることが好ましい。図４は、吸気弁、排気弁の開閉時期を変更する機構の一例を示す説明図である。なお、図４では、吸気側は遅角状態に、排気側は進角状態を表している。吸気弁８ｉ、排気弁８ｅの開閉時期は、図４に示す機構により変更することができる。この機構について簡単に説明する。吸気側ハウジング６４ｉは吸気側ドリブンギヤ６３ｉに固定されており、排気側ハウジング６４ｅは排気側ドリブンギヤ６３ｅに固定されている。また、吸気側ベーン部６５ｉは吸気カムシャフト６１ｉに固定されており、排気側ベーン部６５ｅは排気カムシャフト６１ｅに固定されている。

吸気側ハウジング６４ｉと吸気側ベーン部６５ｉとの間の空間、及び排気側ハウジング６４ｅと排気側ベーン部６５ｅとの間の空間には、吸気側進角室６６ｉ、吸気側遅角室６７ｉ、及び排気側進角室６６ｅ、排気側遅角室６７ｅが形成される。吸気側進角室６６ｉ、排気側進角室６６ｅ等にはカム作動油が供給され、進角室、遅角室に作用するカム作動油の油圧を制御することにより、吸気側ベーン部６５ｉあるいは排気側ベーン部６５ｅを回転させ、吸気カムシャフト６１ｉあるいは排気カムシャフト６１ｅの位相を連続的に変化させる。

上記機構を実施例１に係る内燃機関１が備える場合、水噴射弁３からオーバーラップ期間中に水噴射するときには、ＩＶＯ又はＥＶＣの時期を変更することにより、オーバーラップ期間を増加させることが好ましい。これは、水噴射により排気の温度が低下し、排気圧力が低下するので、オーバーラップ期間を増加させた方が、体積効率を向上できるからである。なお、オーバーラップ期間を増加させる際には、オーバーラップ期間を増加させる前と同じ負荷に対して、ＩＶＯ又はＥＶＣの時期を変更する。

オーバーラップ期間を増加させるにあたっては、吸気弁８ｉの開弁時期ＩＶＯをＴＤＣよりも進角側に移行させることにより、前記オーバーラップ期間を増加させることが好ましい（図３−１の点線参照）。これは、次の理由による。すなわち、オーバーラップ期間中に水噴射することにより、燃焼室１ｂ内の温度を低下させて、燃焼室１ｂ内の圧力を速やかに低下させることができる。その結果、より早く吸気弁８ｉを開くことによりオーバーラップ期間を長くして、より多くの空気を燃焼室１ｂ内へ導入し、内燃機関１の性能低下を効率的に抑制できるからである。

ここで、排気弁８ｅの閉弁時期ＥＶＣをＴＤＣよりも遅角側に移行させる、すなわち、図３−１の二点鎖線に示すように、ＥＶＣの時期を遅らせることにより、前記オーバーラップ期間を増加させてもよい。これにより、内燃機関１の排気系へ吹き抜ける水Ｗの量が多くなるので、排気Ｅｘをより冷却して、エミッションの悪化をより効果的に抑制できる。また、吸気弁８ｉのＩＶＯの時期を進角側に移行させるとともに、排気弁８ｅのＥＶＣの時期を遅角側に移行させることにより、前記オーバーラップ期間を増加させてもよい（図３−１のθｏ₂）。これにより、燃焼室１ｂ内へ導入する空気量を増加させるとともに、排気温度を低下させることができる。ここで、オーバーラップ期間の増加量は、クランク角ＣＡで１０度〜２０度程度である。

次に、実施例１に係る内燃機関の制御について説明する。図５は、実施例１に係る内燃機関の制御装置の構成を示す説明図である。実施例１に係る内燃機関の制御方法は、実施例１に係る内燃機関の制御装置１０によって実現できる。内燃機関の制御装置１０は、エンジンＥＣＵ３０に組み込まれて構成されている。なお、エンジンＥＣＵ３０とは別個に、この実施例１に係る内燃機関の制御装置１０を用意し、これをエンジンＥＣＵ３０に接続してもよい。そして、この実施例１に係る内燃機関の制御方法を実現するにあたっては、エンジンＥＣＵ３０が備える内燃機関１の制御機能を、前記内燃機関の制御装置１０が利用できるように構成してもよい。

内燃機関の制御装置１０は、排気温度判定部１１と、水噴射量決定部１２と、水噴射時期決定部１３と、弁開閉時期決定部１４と、水噴射制御部１５と、を含んで構成される。これらが、この実施例１に係る内燃機関の制御方法を実行する部分となる。排気温度判定部１１と、水噴射量決定部１２と、水噴射時期決定部１３と、弁開閉時期決定部１４と、水噴射制御部１５とは、内燃機関の制御装置１０の入出力ポート（Ｉ／Ｏ）１９を介して接続される。これにより、排気温度判定部１１と、水噴射量決定部１２と、水噴射時期決定部１３と、弁開閉時期決定部１４と、水噴射制御部１５とは、それぞれ双方向でデータをやり取りできるように構成される。なお、装置構成上の必要に応じて片方向でデータを送受信するように構成してもよい（以下同様）。

内燃機関の制御装置１０とエンジンＥＣＵ３０の処理部３０ｐと記憶部３０ｍとは、エンジンＥＣＵ３０に備えられる入出力ポート（Ｉ／Ｏ）１９を介して接続されており、これらの間で相互にデータをやり取りすることができる。これにより、内燃機関の制御装置１０はエンジンＥＣＵ３０が有する内燃機関１等の負荷や機関回転数その他の内燃機関の運転制御データを取得したり、内燃機関の制御装置１０の制御をエンジンＥＣＵ３０の内燃機関の運転制御ルーチンに割り込ませたりすることができる。

また、入出力ポート（Ｉ／Ｏ）１９には、クランク角センサ４１、アクセル開度センサ４２、排気温度センサ４６その他の、内燃機関１の運転状態に関する情報を取得する各種センサ類が接続されている。これにより、エンジンＥＣＵ３０や内燃機関の制御装置１０は、内燃機関１等の運転制御に必要な情報を取得することができる。また、入出力ポート（Ｉ／Ｏ）１９には、水噴射弁３や弁開閉時期制御機構６０その他の制御対象が接続されており、内燃機関の制御装置１０の水噴射時期決定部１３、水噴射制御部１５やエンジンＥＣＵ３０の処理部３０ｐからの制御信号によりこれらの動作を制御できるように構成されている。

記憶部３０ｍには、実施例１に係る内燃機関の制御方法の処理手順を含むコンピュータプログラムや、内燃機関１の運転制御に用いる燃料噴射量のデータマップ等が格納されている。ここで、記憶部３０ｍは、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。また、内燃機関の制御装置１０やエンジンＥＣＵ３０の処理部３０ｐは、メモリ及びＣＰＵにより構成することができる。

上記コンピュータプログラムは、水噴射時期決定部１３や水噴射制御部１５等へすでに記録されているコンピュータプログラムとの組み合わせによって、この実施例１に係る内燃機関の制御方法の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この内燃機関の制御装置１０は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、水噴射時期決定部１３や水噴射制御部１５等の機能を実現するものであってもよい。次に、この内燃機関の制御装置１０を用いて、実施例１に係る内燃機関の制御方法を実現する手順を説明する。なお、次の説明にあたっては、適宜図１〜図５を参照されたい。

図６は、実施例１に係る内燃機関の制御方法の手順を示すフローチャートである。実施例１に係る内燃機関の制御方法を実行するにあたり、内燃機関の制御装置１０が備える排気温度判定部１１は、排気温度センサ４６から現在の排気温度Ｔｅを取得する（ステップＳ１０１）。そして、取得した現在の排気温度Ｔｅと、予め定めた排気温度の上限値Ｔｅｌとを比較する（ステップＳ１０２）。その結果、Ｔｅ≧Ｔｅｌである場合には（ステップＳ１０２；Ｙｅｓ）、内燃機関１は高回転、高負荷で運転されており、エミッション、性能が悪化している状態であると判断できる。このため、オーバーラップ期間に水噴射弁３から燃焼室１ｂ内へ水を噴射して、燃焼室１ｂ及び排気の温度を低下させる。排気温度の上限値Ｔｅｌは、点火遅角や燃料増量により内燃機関１のエミッション、性能を低下させる程度の温度である。この上限値Ｔｅｌは、過給機の有無等、内燃機関１の仕様によっても異なるが、過給をしない火花点火式のガソリン機関では、９００℃程度である。

水噴射量決定部１２は、排気温度Ｔｅや内燃機関１の冷却水温度等に基づいて、水噴射量Ｑｗを決定する（ステップＳ１０３）。同時に、水噴射時期決定部１３は、内燃機関１の機関回転数や負荷その他の情報からオーバーラップ期間を算出し、オーバーラップ期間中に水噴射するように水噴射時期θｗを決定する（ステップＳ１０３）。水噴射量Ｑｗ及び水噴射時期θｗを決定したら、弁開閉時期決定部１４は、オーバーラップ期間の増加量を決定する（ステップＳ１０４）。オーバーラップ期間の増加量は、例えば、水噴射量Ｑｗに応じて変化させることができる。

水噴射制御部１５は、決定した水噴射量Ｑｗ及び水噴射時期θｗで、水噴射弁３から水Ｗを噴射させる（ステップＳ１０５）。Ｔｅ＜Ｔｅｌである場合には（ステップＳ１０２；Ｎｏ）、内燃機関の制御装置１０は、内燃機関１の排気温度Ｔｅを監視する。

以上、実施例１では、オーバーラップ期間中に、水噴射手段から水を噴射する。これにより、燃焼室内を冷却できるので、吸入空気量を増加させることができる。その結果、体積効率を向上させることができるので、高回転、高負荷時のように燃焼温度が高くなる運転条件において、内燃機関の性能低下を抑制させることができる。また、オーバーラップ期間中に噴射した水は、排気弁を通って内燃機関の排気系へ吹き抜けるので、排気を冷却することができる。これにより、エミッションを改善することができる。さらに、燃焼温度の低下、燃焼室の冷却により、点火時期の遅角及び燃料増量を抑制できるので、性能低下及びエミッションの悪化を抑制できる。なお、実施例１で開示した構成は、以下の実施例においても適宜適用できる。また、実施例１と同一の構成を備える以上、実施例１と同様の作用、効果を奏する。

実施例２は、実施例１と略同様の構成であるが、内燃機関の排気温度に応じて水噴射量を調整する点が異なる。他の構成は実施例１と同様なのでその説明を省略するとともに、同一の構成には同一の符号を付す。図７は、実施例２に係る内燃機関の制御方法の手順を示すフローチャートである。なお、実施例２に係る内燃機関の制御方法は、実施例１に係る内燃機関の制御装置１０により実現できる。

実施例２に係る内燃機関の制御方法を実行するにあたり、内燃機関の制御装置１０が備える排気温度判定部１１は、排気温度センサ４６から現在の排気温度Ｔｅを取得する（ステップＳ２０１）。そして、取得した現在の排気温度Ｔｅと、予め定めた排気温度の上限値Ｔｅｌとを比較する（ステップＳ２０２）。その結果、Ｔｅ＜Ｔｅｌである場合には（ステップＳ２０２；Ｎｏ）、内燃機関の制御装置１０は、内燃機関１の排気温度Ｔｅを監視する。Ｔｅ≧Ｔｅｌである場合には（ステップＳ２０２；Ｙｅｓ）、内燃機関１は高回転、高負荷で運転されており、エミッション、性能が悪化している状態であると判断できる。このため、オーバーラップ期間に水噴射弁３から燃焼室１ｂ内へ水を噴射して、燃焼室１ｂ及び排気の温度を低下させる。

水噴射量決定部１２は、排気温度Ｔｅや内燃機関１の冷却水温度等に基づいて、基本水噴射量Ｑｗｂを決定する（ステップＳ２０３）。同時に、水噴射時期決定部１３は、内燃機関１の機関回転数や負荷その他の情報からオーバーラップ期間を算出し、オーバーラップ期間中に水噴射するように水噴射時期θｗを決定する（ステップＳ２０３）。基本水噴射量Ｑｗｂ及び水噴射時期θｗを決定したら、弁開閉時期決定部１４は、オーバーラップ期間の増加量を決定する（ステップＳ２０４）。

水噴射制御部１５は、決定した水噴射量Ｑｗ及び水噴射時期θｗで、水噴射弁３から水Ｗを噴射させる（ステップＳ２０５）。次に、排気温度判定部１１は排気温度センサ４６から現在の排気温度Ｔｅｎを取得する（ステップＳ２０６）。そして、取得した現在の排気温度Ｔｅｎと、直前に取得した排気温度Ｔｅｎ−１とを比較する（ステップＳ２０７）。その結果、Ｔｅｎ≦Ｔｅｎ−１である場合（ステップＳ２０７；Ｎｏ）、排気温度は下降あるいは一定に維持される傾向にあり、内燃機関１の燃焼状態は良好であると判定できる。

この場合、まだ水噴射量を増量させて、内燃機関１の燃焼室１ｂ内における温度、及び排気温度を低下させて、内燃機関１の性能及びエミッションの悪化を抑制できる余地がある。このため、水噴射量決定部１２は水噴射増量値ΔＱｗ（≠０）を算出し、新たな水噴射量Ｑｗを、Ｑｗ＋ΔＱｗとする（ステップＳ２０８）。そして、水噴射制御部１５は、決定した水噴射量Ｑｗ（＝Ｑｗ＋ΔＱｗ）で水噴射弁３から水Ｗを噴射させる（ステップＳ２０９）。これにより、内燃機関１の燃焼室１ｂ内における温度、及び排気温度を低下させることができるので、高回転、高負荷時のように燃焼温度が高くなる運転条件において、内燃機関１の性能低下及びエミッション悪化を抑制できる。

次に、排気温度判定部１１は、排気温度センサ４６から現在の排気温度Ｔｅｎを取得する（ステップＳ２１０）。そして、取得した現在の排気温度Ｔｅｎと、予め定めた排気温度の上限値Ｔｅｌとを比較する（ステップＳ２１１）。その結果、Ｔｅｎ≧Ｔｅｌである場合には（ステップＳ２１１；Ｙｅｓ）、内燃機関１は高回転、高負荷で運転されており、エミッション、性能が悪化している状態であると判断できる。このため、上記ステップＳ２０７〜Ｓ２１１を繰り返す。Ｔｅｎ＜Ｔｅｌである場合には（ステップＳ２１１；Ｎｏ）、内燃機関の制御装置１０はＳＴＡＲＴに戻り、内燃機関１の排気温度Ｔｅを監視する。

Ｔｅｎ＞Ｔｅｎ−１である場合（ステップＳ２０７；Ｙｅｓ）、すなわち、内燃機関１の排気温度が上昇傾向にある場合は、水噴射量が多すぎるため内燃機関１の燃焼が悪化した結果、排気温度が上昇傾向にあると判定できる。したがって、これ以上水噴射量を増量すると、さらに燃焼状態が悪化して内燃機関の性能及びエミッションが悪化するおそれがある。このため、水噴射量決定部１２は水噴射増量値ΔＱｗ＝０として（ステップＳ２１２）、新たな水噴射量Ｑｗを、Ｑｗ＋ΔＱｗとする（ステップＳ２０８）。そして、水噴射制御部１５は、決定した水噴射量Ｑｗ（＝Ｑｗ＋ΔＱｗ）で水噴射弁３から水Ｗを噴射させる（ステップＳ２０９）。これにより、高回転、高負荷時のように燃焼温度が高くなる運転条件において、内燃機関１の性能低下及びエミッションがこれ以上悪化することを抑制できる。

次に、排気温度判定部１１は、排気温度センサ４６から現在の排気温度Ｔｅｎを取得する（ステップＳ２１０）。そして、取得した現在の排気温度Ｔｅｎと、予め定めた排気温度の上限値Ｔｅｌとを比較する（ステップＳ２１１）。その結果、Ｔｅｎ≧Ｔｅｌである場合には（ステップＳ２１１；Ｙｅｓ）、内燃機関１は高回転、高負荷で運転されており、エミッション、性能が悪化している状態であると判断できる。このため、上記ステップＳ２０７〜Ｓ２１１を繰り返す。Ｔｅｎ＜Ｔｅｌである場合には（ステップＳ２１１；Ｎｏ）、内燃機関の制御装置１０は、内燃機関１の排気温度Ｔｅを監視する。

以上、実施例２によれば、内燃機関の排気温度に応じて水噴射量を決定するので、燃焼悪化に陥らない範囲で水噴射量を増量して、高回転、高負荷時のように燃焼温度が高くなる運転条件において、内燃機関の性能低下及びエミッション悪化を抑制できる。また、燃焼温度の低下、燃焼室の冷却により、点火時期の遅角及び燃料増量を抑制できるので、性能低下及びエミッションの悪化を抑制できる。なお、実施例２で開示した構成は、以下の実施例においても適宜適用できる。また、実施例２と同一の構成を備える以上、実施例３と同様の作用、効果を奏する。

実施例３は、実施例１と略同様の構成であるが、内燃機関の排気温度に応じて燃料噴射量を調整することにより、空燃比Ａ／Ｆを補正する点が異なる。他の構成は実施例１と同様なのでその説明を省略するとともに、同一の構成には同一の符号を付す。図８は、実施例３に係る内燃機関の制御装置を示す説明図である。実施例３に係る内燃機関の制御装置１０ａは、実施例１に係る内燃機関の制御装置１０と略同様の構成であるが、燃料噴射量決定部１６を備える点が異なる。実施例３に係る内燃機関の制御方法は、前記内燃機関の制御装置１０ａにより実現できる。図９は、実施例３に係る内燃機関の制御方法の手順を示すフローチャートである。

実施例３に係る内燃機関の制御方法を実行するにあたり、内燃機関の制御装置１０ａが備える排気温度判定部１１は、排気温度センサ４６から現在の排気温度Ｔｅを取得する（ステップＳ３０１）。そして、取得した現在の排気温度Ｔｅと、予め定めた排気温度の上限値Ｔｅｌとを比較する（ステップＳ３０２）。その結果、Ｔｅ＜Ｔｅｌである場合には（ステップＳ３０２；Ｎｏ）、内燃機関の制御装置１０は、内燃機関１の排気温度Ｔｅを監視する。Ｔｅ≧Ｔｅｌである場合には（ステップＳ３０２；Ｙｅｓ）、内燃機関１は高回転、高負荷で運転されており、エミッション、性能が悪化している状態であると判断できる。このため、オーバーラップ期間に水噴射弁３から燃焼室１ｂ内へ水を噴射して、燃焼室１ｂ及び排気の温度を低下させる。

水噴射量決定部１２は、排気温度Ｔｅや内燃機関１の冷却水温度等に基づいて、基本水噴射量Ｑｗｂを決定する（ステップＳ３０３）。同時に、水噴射時期決定部１３は、内燃機関１の機関回転数や負荷その他の情報からオーバーラップ期間を算出し、オーバーラップ期間中に水噴射するように水噴射時期θｗを決定する（ステップＳ３０３）。基本水噴射量Ｑｗｂ及び水噴射時期θｗを決定したら、弁開閉時期決定部１４は、オーバーラップ期間の増加量を決定する（ステップＳ３０４）。

水噴射制御部１５は、決定した水噴射量Ｑｗ及び水噴射時期θｗで、水噴射弁３から水Ｗを噴射させる（ステップＳ３０５）。次に、排気温度判定部１１は排気温度センサ４６から現在の排気温度Ｔｅｎを取得する（ステップＳ３０６）。そして、取得した現在の排気温度Ｔｅｎと、目標排気温度Ｔｅｐとを比較する（ステップＳ３０７）。その結果、Ｔｅｎ≧Ｔｅｐである場合（ステップＳ３０７；Ｎｏ）、これ以上燃料を減量すると、内燃機関１の燃焼が悪化するおそれがあるので、燃料噴射量を減量せずに、内燃機関の制御装置１０ａは、内燃機関１の排気温度の監視を継続する。ここで、目標排気温度Ｔｅｐは、内燃機関１の仕様等によって変更されるが、排気温度の上限値Ｔｅｌより小さい値である。

Ｔｅｎ＜Ｔｅｐである場合（ステップＳ３０７；Ｙｅｓ）、内燃機関１は良好な冷却状態で運転されていると判断できる。このため、燃料噴射量Ｑｆを低減して空燃比Ａ／Ｆをリーン側で運転することができる。このため、燃料噴射量決定部１６は、燃料噴射量Ｑｆを減量し、エンジンＥＣＵ３０は、減量した燃料噴射量で内燃機関１を運転する（ステップＳ３０８）。そして、Ｔｅｎ≧Ｔｅｐになるまで水噴射を併用しながら燃料の減量を継続し（ステップＳ３０８）、Ｔｅｎ≧Ｔｅｐとなったら（ステップＳ３０７；Ｎｏ）、燃料噴射量を減量せずに、内燃機関の制御装置１０ａは、内燃機関１の排気温度の監視を継続する。

以上、実施例３によれば、排気温度に応じて燃料噴射量を調整するので、水噴射により排気温度が低下した場合には、燃料噴射量を低減することができる。これにより、高回転、高負荷時のように燃焼温度が高くなる運転条件において、内燃機関１の性能及びエミッションの悪化を抑制できるとともに、燃料消費も抑制できる。なお、実施例３と同一の構成を備える以上、実施例３と同様の作用、効果を奏する。

以上のように、本発明に係る内燃機関及び内燃機関の制御装置は、水噴射手段を備える内燃機関に有用であり、特に、エミッションの悪化及び性能低下を抑制することに適している。

実施例１に係る内燃機関が備える一つの気筒に関する断面図である。 水噴射弁への水供給系を示す説明図である。 水噴射弁の構造例を示す断面図である。 水噴射の時期を示す説明図である。 水噴射の時期を示す説明図である。 吸気弁、排気弁の開閉時期を変更する機構の一例を示す説明図である。 実施例１に係る内燃機関の制御装置の構成を示す説明図である。 実施例１に係る内燃機関の制御方法の手順を示すフローチャートである。 実施例２に係る内燃機関の制御方法の手順を示すフローチャートである。 実施例３に係る内燃機関の制御装置を示す説明図である。 実施例３に係る内燃機関の制御方法の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
１ｂ 燃焼室
１ｈ シリンダヘッド
１ｓ 気筒
２ ポート噴射弁
３ 水噴射弁
１０、１０ａ 内燃機関の制御装置
１１ 排気温度判定部
１２ 水噴射量決定部
１３ 水噴射時期決定部
１４ 弁開閉時期決定部
１５ 水噴射制御部
１６ 燃料噴射量決定部
３０ エンジンＥＣＵ
５０ 水タンク
６０ 弁開閉時期制御機構

Claims (10)

1. 吸気弁と、排気弁とを備えるレシプロ式の内燃機関であって、
   前記吸気弁が開く時期と前記排気弁が閉じる時期とがオーバーラップする期間に水を噴射することにより、前記内燃機関の燃焼室へ水を供給する水噴射手段を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 前記内燃機関の排気温度が予め定めた排気温度の上限値以上の場合に、前記水噴射手段から水を噴射することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記水噴射手段による水噴射中は、前記オーバーラップの期間を増加することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記排気温度に基づき、前記水噴射手段による水の噴射量を変更することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 前記排気温度に基づき、前記内燃機関に対する燃料噴射量を変更することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
6. 吸気弁と、排気弁と、燃焼室へ水を供給する水噴射手段とを備えるレシプロ式の内燃機関を制御するものであり、
   前記内燃機関の排気温度を判定する排気温度判定部と、
   前記排気温度が定めた排気温度の上限値以上の場合、前記吸気弁が開く時期と前記排気弁が閉じる時期とがオーバーラップする期間に前記水噴射手段が水を噴射するように、前記水噴射手段の水噴射時期を決定する水噴射時期決定部と、
   を含んで構成されることを特徴とする内燃機関の制御装置。
7. さらに、前記水噴射手段による水噴射中は、前記オーバーラップの期間を増加させるように、前記吸気弁が開く時期又は前記排気弁が閉じる時期の少なくとも一方を決定する弁開閉時期決定部を備えることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の制御装置。
8. 排気温度が上昇傾向に転ずると前記排気温度判定部が判定するまでは、前記水の噴射量を増量させる水噴射量決定部を備えることを特徴とする請求項６又は７に記載の内燃機関の制御装置。
9. 排気温度が上昇傾向にあると前記排気温度判定部が判定した場合には、前記水の噴射量の増量を停止する水噴射量決定部を備えることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の制御装置。
10. 前記排気温度が予め定めた目標温度よりも低いと前記排気温度判定部が判定した場合には、前記内燃機関に対する燃料噴射量を減少させる燃料噴射量決定部を備えることを特徴とする請求項６又は７に記載の内燃機関の制御装置。

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