JP6477848B1

JP6477848B1 - 予混合圧縮着火式エンジン

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Publication number: JP6477848B1
Application number: JP2017238500A
Authority: JP
Inventors: 晰遥葛; 雄司原田; 荒木　啓二; 啓二荒木
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2019-03-06
Anticipated expiration: 2037-12-13
Also published as: JP2019105223A

Abstract

【課題】高い熱効率を実現しつつ未燃燃料の排出を抑制できる予混合圧縮着火式エンジンを提供する。
【解決手段】燃焼室６内で燃料と空気の混合気を自着火させることが可能な予混合圧縮着火式エンジンにおいて、燃焼室６内に水を噴射する水噴射手段１４と、燃焼室６内に燃料を噴射する燃料供給手段１５とを設ける。燃料供給手段１４に、中負荷領域Ａ１において、燃焼室６内で混合気が自着火を開始するように、圧縮上死点よりも前に燃焼室６内に燃料を供給させる。また、水噴射手段１５に、中負荷領域Ａ１において、燃焼室６内で混合気が自着火を開始する時点で燃焼室６内の径方向の外周部Ｒ２に水が偏在するように、燃料供給手段１４によって燃焼室６に燃料が供給されてから混合気の自着火が開始するまでの間に燃焼室６内に水を噴射させる。
【選択図】図７

Description

本発明は、燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、前記燃焼室内で燃料と空気の混合気を自着火させることが可能な予混合圧縮着火式エンジンに関する。

従来、ガソリンを含む燃料が用いられるエンジンでは、点火プラグの火花点火により混合気を強制的に着火させ、その後火炎伝播により燃焼室内の混合気を燃焼させる燃焼形態が一般的であったが、近年、このような燃焼形態に代えて、ガソリンを含む燃料と空気との混合気をいわゆる予混合圧縮着火燃焼させる研究が進められている。

予混合圧縮着火燃焼は、ガソリンを含む燃料と空気とを予め混合させておき、この混合気を高温・高圧の環境下で自着火させる燃焼形態であり、火炎伝播燃焼に比べて、エンジン本体の高圧縮比化が可能であること等に伴って熱効率を高めることができると言われている。

例えば、特許文献１には、点火プラグによる火花点火によって混合気の自着火を誘発するようにしたエンジンが開示されている。

特開２０１２−２４１５９０号公報

予混合圧縮着火燃焼では、混合気を自着火可能な温度にまで高める必要がある。しかし、燃焼室の壁面付近では熱エネルギーが燃焼室外に放出されることで混合気の温度が低く抑えられる。そのため、燃焼室内の温度が比較的低い場合では、燃焼室の壁面付近の混合気が適切に自着火せず、燃焼室の外部に排出されるＣＯ等の未燃物質が多くなるおそれがある。

本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、高い熱効率を実現しつつ未燃燃料の排出を抑制できる予混合圧縮着火式エンジンを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、前記燃焼室内で燃料と空気の混合気を自着火させることが可能な予混合圧縮着火式エンジンであって、前記燃焼室内に水を噴射する水噴射手段と、前記燃焼室内に燃料を供給する燃料供給手段と、前記水噴射手段および前記燃料供給手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記燃料供給手段に、エンジン負荷が最小となる運転領域と最大となる運転領域を除く運転領域に設定された中負荷領域において、前記燃焼室内で混合気が自着火を開始するように、圧縮上死点よりも前に前記燃焼室内に燃料を供給させるとともに、前記水噴射手段に、前記中負荷領域において、前記燃焼室内で混合気が自着火を開始する時点で当該燃焼室内の径方向の外周部に水が偏在するように、前記燃焼室内に吸気を導入するための吸気ポートを開閉する吸気弁が閉弁した後の圧縮行程中、且つ、前記燃料供給手段によって前記燃焼室に燃料が噴射されてから前記混合気の自着火が開始するまでの間に前記燃焼室内に水を噴射させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンを提供する（請求項１）。

この構成によれば、中負荷領域において、ＣＯ等の未燃物質の排出を抑制できるとともに熱効率を高めることができる。

具体的には、中負荷領域において、燃焼室の径方向の外周部には未燃燃料が残りやすい。これは、エンジン負荷が比較的低いことに加えて燃焼室の壁面によって冷却されることで燃焼室の外周部の温度が低く抑えられるためである。これに対して、燃焼室の外周部に、混合気が自着火を開始する高温高圧の状態で水を偏在させれば、水が化学反応して燃焼を促進する助剤となる。より詳細には、高温高圧の状態にある燃焼室に水を供給すると、これが気化して水蒸気になりＯＨラジカルが増加する。このＯＨラジカルは強力な酸化作用を有している。そのため、混合気が自着火を開始する時点で燃焼室の外周部に水を偏在させれば、外周部の燃焼を促進してＣＯ等の未燃物質の排出を抑制できる。また、燃焼室の外周部の燃焼が促進されれば、燃焼期間を短くすることができる。従って、熱効率を高くすることができる。

しかも、この構成では、燃焼室内に燃料が供給された後に水が噴射されているため、燃料噴射によって燃焼室内に形成される流動が、水が外周部から中央部分側に移動するのを抑制することができ、より確実に燃焼室の外周部に水を偏在させることができる。

そして、この構成によれば、前記のように未燃物質の排出が抑制され且つ熱効率が高く維持されることから、これらを実現するために燃焼の開始時期を早くする必要がない。すなわち、この構成によれば燃焼の開始時期を遅くすることが可能となる。従って、燃焼初期に生じる筒内圧の急上昇ひいては燃焼騒音を小さく抑えつつ、未燃物質の排出を抑制し且つ熱効率を高くできる。

前記構成において、前記制御手段は、前記中負荷領域において、前記点火手段によって前記混合気に点火させるのが好ましい（請求項２）。

この構成によれば、中負荷領域において、水の潜熱作用によって混合気の温度が過度に低くなった場合でも混合気をより確実に自着火させることができる。

前記構成において、前記制御手段は、前記中負荷領域において、前記燃焼室の外周部における水の体積濃度が５％以上となるように水を噴射するのが好ましい（請求項３）。

このようにすれば、中負荷領域において、燃焼室の外周部により多くのＯＨラジカルを偏在させることができる。

前記構成において、前記エンジン本体の幾何学的圧縮比は１３以上２５以下に設定されており、前記中負荷領域において、前記エンジン本体の有効圧縮比は１１以上２３以下に設定されているのが好ましい（請求項４）。

この構成によれば、高い圧縮比によって熱効率をより確実に高くできる。

以上説明したように、本発明の予混合圧縮着火式エンジンによれば、高い熱効率を実現しつつ未燃燃料の排出を抑制することができる。

本発明の一実施形態にかかるエンジンシステムの構成を示した図である。エンジン本体の概略断面図である。燃焼室の概略断面図である。エンジンの制御系統を示すブロック図である。制御マップを示した図である。水からＯＨラジカルが生成される反応の反応速度と温度との関係を示したグラフである。中負荷領域における燃料および水の噴射パターンと熱発生率とを示した概略図である。高負荷領域における燃焼室内の様子を示した図であり、（１）〜（４）は互いに異なる時点での燃焼室内の様子を示している。クランク角に対する熱発生率の変化を示した概略図である。

（１）エンジン全体構成
図１は、本発明の予混合圧縮着火エンジンが適用されるエンジンシステムの構成を示す図である。本実施形態のエンジンシステムは、４ストロークのエンジン本体１と、エンジン本体１に燃焼用の空気を導入するための吸気通路２０と、エンジン本体１で生成された排気を排出するための排気通路３０とを備える。

エンジン本体１は、例えば、４つの気筒２が図１の紙面と直交する方向に直列に配置された直列４気筒エンジンである。このエンジンシステムは車両に搭載され、エンジン本体１は車両の駆動源として利用される。本実施形態では、エンジン本体１は、ガソリンを含む燃料の供給を受けて駆動される。なお、燃料は、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。

図２は、エンジン本体１の概略断面図である。

エンジン本体１は、気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上面に設けられたシリンダヘッド４と、気筒２に往復動（上下動）可能に嵌装されたピストン５とを有する。

ピストン５の上方には燃焼室６が形成されている。燃焼室６はいわゆるペントルーフ型であり、シリンダヘッド４の下面で構成される燃焼室６の天井面６ａ（以下、単に、燃焼室天井面６ａという）は吸気側および排気側の２つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。ピストン５の冠面５ａ（以下、単に、ピストン冠面５ａという）には、その中心部を含む領域をシリンダヘッド４とは反対側（下方）に凹ませたキャビティ１９が形成されている。なお、ここでは、ピストン５の位置や混合気の燃焼状態によらず気筒２の内側空間のうちピストン冠面５ａと燃焼室天井面６ａとの間の空間を、燃焼室６という。

本実施形態では、エンジン本体１の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン５が下死点にあるときの燃焼室６の容積とピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積との比は、幾何学的圧縮比は１３以上２５以下（例えば２０程度）に設定されている。ただし、吸気弁の閉弁時期が変更されることで、エンジン本体の有効圧縮比は変更される。本実施形態では、後述する中負荷領域Ａ１において、エンジン本体の有効圧縮比は１１以上２３以下（例えば１８程度）に設定されている。つまり、これが実現されるように吸気弁１８の閉弁時期が設定されている。

シリンダヘッド４には、吸気通路２０から供給される空気を気筒２（燃焼室６）内に導入するための吸気ポート９と、気筒２内で生成された排気を排気通路３０に導出するための排気ポート１０とが形成されている。これら吸気ポート９と排気ポート１０とは、気筒２毎にそれぞれ２つずつ形成されている。

シリンダヘッド４には、各吸気ポート９の気筒２側の開口をそれぞれ開閉する吸気弁１１と、各排気ポート１０の気筒２側の開口をそれぞれ開閉する排気弁１２とが設けられている。

シリンダヘッド４には、燃料を噴射するインジェクタ（燃料供給手段）１４が設けられている。インジェクタ１４は、噴射口が形成された先端部が燃焼室天井面６ａの中央付近に位置して燃焼室６の中央を臨むように取り付けられている。インジェクタ１４は、燃焼室天井面６ａの中央付近からピストン冠面５ａに向かって、気筒２の中心軸を中心としたコーン状（詳しくはホローコーン状）に燃料を噴射するように構成されている。コーンのテーパ角（噴霧角）は、例えば９０°〜１００°である。

本実施形態では、インジェクタ１４として、外開式のインジェクタが用いられている。なお、インジェクタ１４は、前記のように気筒２の中心軸を中心としたコーン状に燃料を噴射可能なものであればどのような構成のものであってもよく、外開式に限らず、ＶＣＯ（ＶａｌｖｅＣｏｖｅｒｅｄＯｒｉｆｉｃｅ）ノズルタイプのインジェクタや、先端部に複数の噴孔が設けられかつ所定の噴霧角で燃料を噴射するマルチホールタイプのインジェクタや、ホロ−コーン状に燃料を噴射するスワールインジェクタであってもよい。

シリンダヘッド４には、燃焼室６内の混合気を点火するための点火プラグ（点火装置）１３が設けられている。点火プラグ１３は、火花を放電して混合気を点火し混合気に点火エネルギーを付与する電極が形成された電極部１３ａを有する。点火プラグ１３は、電極部１３ａが燃焼室の天井面６ａの中央付近に位置して燃焼室６の中央を臨むように配置されている。

シリンダヘッド４には、燃焼室６の概略断面図である図３に示すように、さらに、燃焼室６内に、混合気の燃焼時に燃焼しない不活性物質である水を噴射する水インジェクタ（水噴射手段）１５が設けられている。水インジェクタ１５は、噴射口が形成された先端部が燃焼室天井面６ａの中央付近に位置して燃焼室６の中央を臨むように取り付けられている。水インジェクタ１５は、燃焼室天井面６ａの中央付近からからピストン冠面５ａに向かって、気筒２の中心軸を中心としたコーン状（詳しくはホローコーン状）に水を噴射するように構成されている。このコーンのテーパ角（噴霧角）は、例えば９０°〜１００°である。水インジェクタ１５としては、例えば、インジェクタ１４と同様の構造を有する装置を適用することができる。なお、インジェクタ１４と水インジェクタ１５とは、図２の紙面と直交する方向に近接して並んでいる。

図１に戻り、吸気通路２０には、上流側から順に、エアクリーナ２１と、吸気通路２０を開閉するためのスロットルバルブ２２とが設けられている。本実施形態では、エンジンの運転中、スロットルバルブ２２は基本的に全開もしくはこれに近い開度に維持されており、エンジンの停止時等の限られた運転条件のときにのみ閉弁されて吸気通路２０を遮断する。

排気通路３０には、上流側から順に、排気を浄化するための浄化装置３１、コンデンサー３２が設けられている。浄化装置３１は、例えば、三元触媒を内蔵している。

コンデンサー３２は、排気通路３０を通過する排気中の水（水蒸気）を凝縮するためのものである。コンデンサー３２と水インジェクタ１５とは水供給通路３５によって接続されており、コンデンサー３２で生成された凝縮水は、水供給通路３５を介して水インジェクタ１５に供給される。このように、本実施形態では、水インジェクタ１５は、排気から生成された水の供給を受けてこれを燃焼室６内に噴射する。より詳細には、水供給通路３５には、コンデンサー３２で生成された凝縮水を貯留する水タンク３３が設けられるとともに、水タンク３３内の水を圧送する水ポンプ３４が設けられており、この水ポンプ３４によって水タンク３３から水インジェクタ１５に凝縮水が供給される。例えば、水インジェクタ１５には、その噴射圧が２０ＭＰａとなるように水が圧送される。また、本実施形態では、水ポンプ３４は比較的低圧のポンプであり、水インジェクタ１５から噴射される水は、エンジン冷却水の温度と同程度の９０℃となっている。なお、これに代えて、高圧のポンプを用いて水の温度・圧力をさらに高くしてもよい。例えば、水インジェクタ１５から超臨界水が噴射されるように水を加圧してもよい。

排気通路３０には、排気通路３０を通過する排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路２０に還流するためのＥＧＲ装置４０が設けられている。ＥＧＲ装置４０は、吸気通路２０のうちスロットルバルブ２２よりも下流側の部分と排気通路３０のうち浄化装置３１よりも上流側の部分とを連通するＥＧＲ通路４１、および、ＥＧＲ通路４１を開閉するＥＧＲバルブ４２を有する。また、本実施形態では、ＥＧＲ通路４１に、これを通過するＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４３が設けられており、ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ４３にて冷却された後吸気通路２０に還流される。

（２）制御系統
（２−１）システム構成
図４は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。図４に示すように、本実施形態のエンジンシステムは、ＰＣＭ（パワートレイン・コントロール・モジュール、制御手段）１００によって統括的に制御される。ＰＣＭ１００は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサである。

車両には各種センサが設けられており、ＰＣＭ１００はこれらセンサと電気的に接続されている。例えば、シリンダブロック３には、エンジン回転数を検出するクランク角センサＳＮ１が設けられている。また、吸気通路２０を通って各気筒２に吸入される空気量を検出するエアフローセンサＳＮ２が設けられている。また、車両には、運転者により操作される図外のアクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサＳＮ３が設けられている。

ＰＣＭ１００は、これらセンサＳＮ１〜ＳＮ３等からの入力信号に基づいて種々の演算を実行して、点火プラグ１３、インジェクタ１４、水インジェクタ１５等のエンジンの各部を制御する。

（２−２）燃焼制御
本実施形態では、全運転領域において予混合圧縮着火燃焼（ＣＩ燃焼）が実施される。

具体的には、圧縮上死点よりも前にインジェクタ１４から燃焼室６内に燃料が噴射される。そして、この燃料と空気との混合気を圧縮することで昇温し、圧縮上死点付近で自着火させる。

ここで、火炎伝播燃焼に比べてＣＩ燃焼では熱効率（エンジントルク）を高めることができる。具体的には、ＣＩ燃焼では、燃焼室６内の複数の領域でそれぞれ燃焼を開始させることができる。従って、火炎伝播によって燃焼が進行する火炎伝播燃焼に比べて燃焼期間を短くでき、熱効率を高めることができる。

しかしながら、エンジン負荷が比較的低く燃焼室６内の温度が比較的低い場合は、燃焼室６の径方向の外周部であって燃焼室６の壁面付近の混合気が完全燃焼せずにＣＯやＨＣ等の未燃物質が多く生成されやすい。つまり、燃焼室６の壁面はエンジン冷却水等により冷却されている。そのため、燃焼室６の壁面に近い燃焼室６の外周部の温度は低く抑えられる。これより、燃焼室６内の温度が比較的低い場合において、燃焼室６の外周部では混合気の燃焼が不完全燃焼になりやすい。

これに対して、本願発明者らは、水から生成されるＯＨラジカルに着目し、ＯＨラジカルによってＣＯ等の排出を抑制するようにした。

具体的には、高温の燃焼室６内に水を噴射するとＯＨラジカルが生成される。ＯＨラジカルは強い酸化作用を有している。そのため、混合気が不完全燃焼しやすい状態でも、混合気中に水を供給すれば、水から生成されたＯＨラジカルとＣＯやＨＣとを反応させて（ＣＯやＨＣを酸化させて）、ＣＯ_２やＨ_２Ｏ等とすることができる。

ただし、燃焼室６の径方向の中央部は、燃焼室６の壁面から遠く温度が高い。そのため、燃焼室６の中央部に水を供給すると、生成されたＯＨラジカルの作用によって燃焼室６の中央部での燃焼が過剰に早くなり筒内圧が急上昇して燃焼騒音が生じるおそれがある。

そこで、本実施形態では、燃焼室６の外周部Ｒ２に水が偏在するように、燃焼室６内に水を供給する。

本実施形態では、図３に示すように、気筒２の中心軸に沿う方向から見ておよそキャビティ１９の開口縁１９ａよりも径方向外側の領域Ｒ２が燃焼室６の外周部として設定されている。つまり、燃焼室６の内部空間を、キャビティ１９の開口縁１９ａよりも径方向外側の領域を第２領域Ｒ２とし、第２領域Ｒ２よりも径方向内側の領域を第１領域Ｒ１として、この第２領域Ｒ２に水を偏在させる。

また、エンジン負荷が特に低い領域では燃焼室６内の全体の温度が低い。そのため、この領域で燃焼室６に水を供給すると、水の潜熱作用によって燃焼室６内の温度がさらに低下する結果、混合気の自着火自体が阻害されるおそれがある。

そこで、本実施形態では、エンジン負荷が最小となる運転領域と最大となる運転領域を除く運転領域に設定された中負荷領域にて、燃焼室６内に水を供給する。図５の制御マップに示すように、中負荷領域Ａ１は、エンジン負荷が予め設定された第２基準負荷Ｔｑ１以下且つ第１基準負荷Ｔｑ２（第１基準負荷Ｔｑ１よりも低い値に設定されている）以上の領域Ａ１であって、水の潜熱作用によって燃焼室６内の温度が過度に低下しない一方未燃のＣＯが生成しやすい領域Ａ１に設定されている。

また、中負荷領域Ａ１においても水の潜熱作用によって混合気の自着火が阻害されるおそれがある。そこで、本実施形態では、混合気の自着火を確実に生じさせるべく、中負荷領域Ａ１において、点火プラグによって混合気に点火を行い混合気の自着火を誘発させる。

また、図６に示すように、水の体積濃度を５％以上とすればＯＨラジカルをより確実に生成することができることが分かっている。そこで、本実施形態では、第２領域Ｒ２の水の濃度が５％以上（例えば１０％程度）となるように、燃焼室６に水を供給する。

図６は、燃焼室６内における、下記（１）で示される反応、つまり、水からＯＨラジカルが生成される反応の速度と温度との関係を示したグラフである。

図６における３つのラインＬ１〜Ｌ３は、燃焼室６内に水を供給したときのラインである。各ラインＬ１〜Ｌ３では、供給した水の量が異なっている。ラインＬ１は燃焼室６内において体積濃度が５％となる量の水を供給したときのライン、ラインＬ２は燃焼室６内において体積濃度が１０％となる量の水を供給したときのライン、ラインＬ３は体積濃度が２０％となる量の水を供給したときのラインである。一方、ラインＬ０は、水を供給しなかったときのラインである。

図６において、反応速度が０のラインよりも上側のエリアは、反応式（１）において右向きの反応が生じているエリアである。一方、０のラインよりも下側のエリアは、反応式（１）において左向きの反応が生じているエリアである。例えば、水の体積濃度が５％で温度がＴ１のときはラインＬ１上の点Ｘ１となり、このときには反応式（１）の右向きの反応（Ｈ_２＋ＯＨ→Ｈ_２Ｏ＋Ｈ）が生じている。一方、水の体積濃度が５％で温度がＴ２のときはラインＬ１上の点Ｘ２となり、このときには反応式（１）の左向きの反応（Ｈ_２Ｏ＋Ｈ→Ｈ_２＋ＯＨ）が生じている。１０００Ｋ程度を超えると温度が高くなるに従って反応式（１）の右向きの反応（Ｈ_２＋ＯＨ→Ｈ_２Ｏ＋Ｈ）の速度が大きくなっていく。しかし、温度がある程度高くなるとこの反応速度は低下し、さらに温度が高くなると、反応式（１）の左向きの反応（Ｈ_２Ｏ＋Ｈ→Ｈ_２＋ＯＨ）が生じはじめ、水からＯＨラジカルが生成される。

そして、図６に示されるように、水の体積濃度を５％以上とすればＯＨラジカルが確実に生成される。そこで、本実施形態では、前記のように、燃焼室６の外周部の水の濃度が５％以上となるように、燃焼室６の外周部に水を供給する。なお、水の体積濃度が高くなるほど、より広い温度範囲でＯＨラジカルの生成が可能になるとともにＯＨラジカルの生成速度は大きくなる。

次に、中負荷領域Ａ１での、水および燃料の噴射パターンについて説明する。

図７は、中負荷領域Ａ１における、燃料の噴射パターンと、水の噴射パターンと、熱発生率ｄＱとを概略的に示した図である。図８は、中負荷領域Ａ１における混合気の形成手順を説明するための図である。図８（１）〜（４）は、この順に時間が経過しており、図８の（１）〜（４）は、圧縮行程中の燃焼室６内の状態を示している。

図７および図８の（１）に示すように、まず、燃料噴射Ｆ１１が実施されて、インジェクタ１４により燃焼室６内に燃料が噴射される。

例えば、圧縮行程前半に、燃料噴射Ｆ１１が実施される。中負荷領域Ａ１では、１燃焼サイクルでこの１回の燃料噴射Ｆ１１のみが実施されるようになっており、要求されているエンジントルクに対応する量の燃料が、圧縮行程前半に燃焼室６内に噴射される。詳細には、本実施形態では中負荷領域Ａ１において燃焼室６内の空燃比が理論空燃比よりもリーン（大きく）なるように構成されており、まず、要求されているエンジントルクに対応する空気の量が燃焼室６に導入され、この空気の量に対して空燃比が理論空燃比よりもリーンとなるような量の燃料が噴射される。

なお、本明細書において圧縮行程等の○○行程の前半、後半は、この行程を２等分したときの前半、後半のことを指す。

燃料噴射Ｆ１１のしばらく後には、図８の（２）に示すように燃料は燃焼室６内全体に拡散する。

次に、図７および図８の（３）に示すように、水噴射Ｗ１１が実施される。

水噴射Ｗ１１は、図８の（３）に示すように、水インジェクタ１５から噴射された水が、燃焼室６の外周縁つまりピストン冠面５ａの外周縁よりもわずかに径方向内側の部分に向かって飛散するタイミングで実施される。本実施形態では、水噴射Ｗ１１は、圧縮行程の後半であって圧縮上死点のわずかに進角側の時期に実施される。

本実施形態では、前記のように、水噴射Ｗ１１において、第２領域Ｒ２内の水の体積濃度が５％以上となるような量の水が噴射される。つまり、第２領域Ｒ２の体積の５％に相当する量の水が噴射される。

水噴射Ｗ１１により噴射された水は第２領域Ｒ２内に拡散し、図８の（４）に示すように第２領域Ｒ２に水が偏在することになる。

ここで、水噴射Ｗ１１の前に燃料噴射Ｆ１１が行われている。従って、噴射された水が燃料噴霧によって燃焼室６全体に拡散されるのが防止される。つまり、前記のように第２領域Ｒ２付近に水を噴射しても、その後に燃料が噴射されると、この燃料噴射によって燃焼室６内に大きい流動が生じ第２領域Ｒ２内の水が燃焼室６全体に拡散するおそれがある。これに対して、水噴射Ｗ１１の前に燃料噴射Ｆ１１が行われていることで、この水の拡散を防止してより確実に水を第２領域Ｒ２に偏在させることができる。

その後、図７に示すように、圧縮上死点付近で点火プラグ１３により混合気に点火が行われ、圧縮上死点付近において混合気の自着火が開始する。

このようにして、本実施形態では、中負荷領域Ａ１において、混合気の燃焼時に第２領域Ｒ２に水が偏在され、第２領域Ｒ２においてＯＨラジカルが多量に存在する状態で混合気が燃焼する。

なお、エンジン負荷が第１基準負荷Ｔｑ１未満の領域では、前記のように、混合気の自着火が確実に生じるように水の噴射は停止する。

（３）作用等
以上のように、本実施形態では、中負荷領域Ａ１において、混合気が自着火する前に燃焼室６の外周部（第２領域Ｒ２）に水を偏在させることで、燃焼室６の外周部での混合気の燃焼時にこの外周部に多量のＯＨラジカルを存在させることができる。従って、燃焼室６の外周部において、ＯＨラジカルの酸化作用によって混合気の燃焼を促進することができ、ＣＯやＨＣ等の未燃物質の生成を抑制できる。また、燃焼室６の外周部において、燃焼室６の壁面に冷却されることで燃焼が不完全となりＣＯやＨＣ等の未燃物質が生成されたとしても、これらをＯＨラジカルによって酸化させてＣＯ_２やＨ_２Ｏにすることができる。

また、前記のように、燃焼室６の外周部において燃焼が促進されることで、燃焼室６内での燃焼期間を短くして熱効率を高くすることができる。

具体的には、混合気の自着火燃焼は、燃焼室６の壁面から遠く温度の高い径方向の中央部において開始し、その後、外周側に広がっていく。従って、燃焼室６の外周部の混合気は燃焼後期つまり圧縮上死点から遅角側で且つこの遅角量が大きいタイミングで生じる。そのため、燃焼室６の外周部での燃焼が緩慢となると燃焼期間が長くなり熱効率が悪化する。これに対して、本実施形態では、前記のように、燃焼室６の外周部６の燃焼が促進されるため燃焼期間を短く抑えることができる。

特に、本実施形態では、燃焼室６内に燃料が供給された後に水が噴射されているため、燃料噴射によって燃焼室６内に形成される流動が水を拡散してしまうのを抑制できる。従って、より確実に燃焼室６の外周部に水を偏在させることができる。

また、本実施形態では、未燃物質の排出を抑制するため、または／および、熱効率を高めるために燃焼の開始時期を早くする必要がなく燃焼騒音を小さくすることおよびＮＯｘの生成量を低く抑えることも可能になる。

図９を用いて具体的に説明する。図９は、中負荷領域Ａ１における、クランク角と熱発生率ｄＱとの関係を概略的に示したグラフである。図９の実線は、本実施形態の制御を実施したとき（燃焼室６の外周部に水噴射をおこなったとき）の熱発生率ｄＱ２である。図９の破線の熱発生率ｄＱ１および鎖線の熱発生率ｄＱ３は、それぞれ燃焼室６内に水を噴射しなかったときの熱発生率である。

鎖線に示すように、燃焼室６内に水を噴射しなかった場合で、かつ、燃焼の開始時期を比較的遅くした場合は、燃焼室６の外周部での燃焼が緩慢となって燃焼期間が長くなり熱効率が低下する。また、燃焼室６の外周部で混合気が燃焼するタイミングが遅くなって燃焼室６の外周部の温度が低くなるため、ＣＯ等の排出量が多くなる。

一方、破線に示すように燃焼の開始時期を早くすれば、燃焼期間を短くして熱効率を高めることができるとともに、燃焼室６の外周部での燃焼を圧縮上死点に近く温度の高い状態で行わせることができるためＣＯ等の排出を抑制できる。しかしながら、この場合は、燃焼の初期において熱発生率が急激に立ち上がる。つまり、燃焼室６内での燃焼が急激になる。そのため、燃焼室６内の圧力すなわち筒内圧が急上昇して燃焼騒音が高くなる。また、燃焼室６内の温度すなわち筒内温度が非常に高くなって、ＮＯｘの生成量が増大する。

これに対して、本実施形態では、前記のように燃焼室６の外周部での燃焼であって燃焼後期における燃焼が促進されることで、図９の実線で示すように、燃焼の開始時期を比較的遅くしても燃焼の終了時期を早くすることができる。従って、ＣＯ等の排出を抑制し且つ熱効率を高くしつつ、燃焼騒音およびＮＯｘ生成量の増大を抑制することが可能になる。

（４）変形例
前記実施形態では、第２領域Ｒ２内の水の体積濃度を５％以上とした場合について説明したが、この体積濃度の具体的な値はこれに限らない。

また、水噴射Ｗ１１や燃料噴射Ｆ１１の具体的な実施時期は前記に限らない。

また、前記実施形態では、１燃焼サイクル中に水噴射Ｗ１１を１回だけ実施する場合について説明したが、混合気の自着火が開始する前に実施する水噴射Ｗ１１に加えて混合気が自着火している状態で燃焼室６の外周部（第２領域Ｒ２）に水を噴射してもよい。

また、前記実施形態では、中負荷領域Ａ１において点火プラグによる点火を行った場合について説明したが、この点火は省略してもよい。ただし、前記のように、水の潜熱作用によって燃焼室６内の温度が過度に低下して混合気の自着火が阻害されるおそれがあるため、混合気の自着火を確実にするために点火を行うのが好ましい。

また、前記実施形態では、燃料がガソリンを含む場合について説明したが、燃料の具体的な種類はこれに限らず、ナフサ（ｎａｐｈｔｈａ）であってもよい。

また、エンジン本体の幾何学的圧縮比および中負荷領域Ａ１における有効圧縮比は前記に限らない。ただし、混合気の適切な自着火燃焼を実現して高い熱効率を得るために、幾何学的圧縮比および中負荷領域Ａ１における有効圧縮比は前記のように設定されるのが好ましい。

また、前記実施形態では、インジェクタ１４によって燃料を燃焼室６内に噴射する場合について説明したが、これに代えて、燃料を吸気ポート９に供給してもよい。

１エンジン本体
２気筒
６燃焼室
１３点火プラグ（点火手段）
１４インジェクタ（燃料供給手段）
１５水インジェクタ（水噴射手段）
１００ＰＣＭ（制御手段）
Ｒ２第２領域（燃焼室の外周部）

Claims

燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、前記燃焼室内で燃料と空気の混合気を自着火させることが可能な予混合圧縮着火式エンジンであって、
前記燃焼室内に水を噴射する水噴射手段と、
前記燃焼室内に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記水噴射手段および前記燃料供給手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記燃料供給手段に、エンジン負荷が最小となる運転領域と最大となる運転領域を除く運転領域に設定された中負荷領域において、前記燃焼室内で混合気が自着火を開始するように、圧縮上死点よりも前に前記燃焼室内に燃料を供給させるとともに、
前記水噴射手段に、前記中負荷領域において、前記燃焼室内で混合気が自着火を開始する時点で当該燃焼室内の径方向の外周部に水が偏在するように、前記燃焼室内に吸気を導入するための吸気ポートを開閉する吸気弁が閉弁した後の圧縮行程中、且つ、前記燃料供給手段によって前記燃焼室に燃料が噴射されてから前記混合気の自着火が開始するまでの間に前記燃焼室内に水を噴射させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記混合気に点火する点火手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記中負荷領域において、前記点火手段によって前記混合気に点火させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
請求項１または２に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記制御手段は、前記中負荷領域において、前記燃焼室の外周部における水の体積濃度が５％以上となるように水を噴射する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記エンジン本体の幾何学的圧縮比は１３以上２５以下に設定されており、
前記中負荷領域において、前記エンジン本体の有効圧縮比は１１以上２３以下に設定されている、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。