(57)【要約】【課題】水の噴射により燃焼室内におけるノッキングの発生を抑制するとともに、燃焼室内の全体に均質な混合気を形成する。【解決手段】エンジン１の燃焼室２に接続される吸気ポート３及び排気ポート４と、燃料を噴射する燃料噴射弁１０と、燃焼室２内に供給された燃料を燃焼させるための点火用火花を発生する点火装置７と、燃焼室２内に供給される吸気に水を噴射する水噴射装置１１とを備え、水噴射装置１１は、エンジン１の１燃焼サイクル中における燃料噴射弁１０による燃料の噴射開始時よりも前に水の噴射開始時が設定され、燃料の噴射終了時と同時に又は燃料の噴射終了時よりも後に水の噴射終了時が設定されるエンジンの制御装置とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの燃焼室に接続される吸気ポート及び排気ポートと、
燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記燃焼室内に供給された燃料を燃焼させるための点火用火花を発生する点火装置と、
前記燃焼室内に供給される吸気に水を噴射する水噴射装置と、
を備え、
前記水噴射装置は、前記エンジンの１燃焼サイクル中における前記燃料噴射弁による前記燃料の噴射開始時よりも前に前記水の噴射開始時が設定され、前記燃料の噴射終了時と同時に又は前記燃料の噴射終了時よりも後に前記水の噴射終了時が設定される
エンジンの制御装置。
【請求項２】
前記水噴射装置は、前記エンジンの１燃焼サイクル中における前記水の噴射開始時から前記水の噴射終了時までの水噴射期間の途中に、前記水の噴射量を低減又は前記水の噴射を停止する水噴射調整期間が設定される
請求項１に記載のエンジンの制御装置。
【請求項３】
前記水噴射調整期間は、前記燃料の噴射開始時から前記燃料の噴射終了時までの燃料噴射期間の全部又は一部に設定される
請求項２に記載のエンジンの制御装置。
【請求項４】
前記水噴射調整期間は、前記燃料の噴射開始時から前記燃料の噴射終了時までの燃料噴射期間よりも前に設定される
請求項２又は３に記載のエンジンの制御装置。
【請求項５】
前記燃料噴射弁により噴射される前記燃料の噴射エリアと前記水噴射装置により噴射される前記水の噴射エリアとは前記吸気ポート内で交差している
請求項１〜４の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。
【請求項６】
前記燃料の噴射エリアと前記水の噴射エリアとの交差地点よりも上流側の前記吸気ポート内で、前記燃料噴射弁による燃料噴射中心線は前記水噴射装置による水噴射中心線よりも下方に位置している
請求項５に記載のエンジンの制御装置。
【請求項７】
前記水噴射装置は前記吸気ポート内の上面側に、前記燃料噴射弁は前記吸気ポート内の下面側に配置される
請求項５又は６に記載のエンジンの制御装置。
【請求項８】
前記水噴射装置及び前記燃料噴射弁は前記吸気ポート内の下面側に配置される
請求項５又は６に記載のエンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃焼室内での良好な燃焼を可能とする吸気通路構造を備えたエンジンの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの燃焼室内には、シリンダヘッドに設けられる吸気通路（以下、吸気ポートと称する。）を通じて吸気が供給される。また、吸気ポート内には燃料噴射弁が備えられ、燃料噴射弁から噴射された燃料が吸入した空気とともに燃焼室内で拡散し、その拡散した燃料がピストンで圧縮された後、燃焼室内に臨んで設けられた点火プラグによって点火されて燃焼する。
【０００３】
ところで、燃焼室内に送り込まれた燃料と空気との混合気が、点火プラグによって点火されて生じた火炎が伝播するよりも前に着火してしまう異常燃焼、いわゆるノッキングの現象を生じることがある。ノッキングを抑制する手段としては、点火時期や圧縮比、過給機を備える場合は過給圧、混合気の空燃比、燃料のアンチノック性等の種々の要素を、運転状態に応じた適切な状態に設定することが挙げられる。
【０００４】
また、例えば、特許文献１，２には、ノッキングの発生を抑制するために、エンジンの低中速高負荷時において、水やアンチノック剤を含んだ水溶液（以下、単に水と称する）を吸気ポート内に噴射する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開昭５６−５０７６９号公報
【特許文献２】特開昭６０−２３０５５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の技術では、ノッキングが発生しやすい運転領域において、水を吸気ポート内に噴射することにより燃焼室内の温度を低下させ、ノッキングの発生を抑制している。しかし、水を吸気系に大量に噴射することは、エンジン各部への錆の発生や、燃焼性の悪化、潤滑系への水の混入等を誘発するので好ましくない。
【０００７】
この点、特許文献２では、吸気バルブの開弁期間の前半部で、且つ、燃焼噴射よりも先に水の噴射を終えるように制御し、吸気行程における比較的早い時期に、水等をピストン近傍のノッキング発生部（燃焼室内の下層部におけるエンドガスゾーン）に偏在させることで、ノッキング発生部での空燃比をリーンとして着火しにくくし、最小限の水の供給で効率よくノッキングを抑制するとされている。
【０００８】
しかし、この特許文献２における水の噴射は、ピストン近傍のノッキング発生部におけるリーン化によるノッキング抑制効果に留まり、燃焼室内における燃料の均質化を高めることを目的とするものではない。このため、燃焼室内の全体に均質な混合気を形成して燃焼性を高めたい場合には、特許文献２の技術をそのまま適用することはできない。
【０００９】
そこで、この発明の課題は、水の噴射によりノッキングの発生を抑制するとともに、燃焼室内の全体に均質な混合気を形成することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、この発明は、エンジンの燃焼室に接続される吸気ポート及び排気ポートと、燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室内に供給された燃料を燃焼させるための点火用火花を発生する点火装置と、前記燃焼室内に供給される吸気に水を噴射する水噴射装置とを備え、前記水噴射装置は、前記エンジンの１燃焼サイクル中における前記燃料噴射弁による前記燃料の噴射開始時よりも前に前記水の噴射開始時が設定され、前記燃料の噴射終了時と同時に又は前記燃料の噴射終了時よりも後に前記水の噴射終了時が設定されるエンジンの制御装置を採用した。
【００１１】
ここで、前記水噴射装置は、前記エンジンの１燃焼サイクル中における前記水の噴射開始時から前記水の噴射終了時までの水噴射期間の途中に、前記水の噴射量を低減又は前記水の噴射を停止する水噴射調整期間が設定される構成を採用することができる。
【００１２】
さらに、前記水噴射調整期間は、前記燃料の噴射開始時から前記燃料の噴射終了時までの燃料噴射期間の全部又は一部に設定される構成を採用することができる。
【００１３】
これらの各態様において、前記水噴射調整期間は、前記燃料の噴射開始時から前記燃料の噴射終了時までの燃料噴射期間よりも前に設定される構成を採用することができる。
【００１４】
これらの各態様において、前記燃料噴射弁により噴射される前記燃料の噴射エリアと前記水噴射装置により噴射される前記水の噴射エリアとは前記吸気ポート内で交差している構成を採用することができる。
【００１５】
このとき、前記燃料の噴射エリアと前記水の噴射エリアとの交差地点よりも上流側の前記吸気ポート内で、前記燃料噴射弁による燃料噴射中心線は前記水噴射装置による水噴射中心線よりも下方に位置している構成を採用することができる。
【００１６】
前記水噴射装置は前記吸気ポート内の上面側に、前記燃料噴射弁は前記吸気ポート内の下面側に配置される構成を採用することができる。あるいは、前記水噴射装置及び前記燃料噴射弁は前記吸気ポート内の下面側に配置される構成を採用することができる。
【発明の効果】
【００１７】
この発明は、水の噴射により燃焼室内におけるノッキングの発生を抑制するとともに、燃焼室内の全体に均質な混合気を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の実施形態を示す要部縦断面図である。
【図２】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、この発明の作用を示す要部縦断面図である。
【図３】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、この発明の作用を示す要部縦断面図である。
【図４】他の実施形態を示す要部縦断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｇ）は、燃料の噴射時期と水の噴射時期の制御例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
この発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。図１は、この実施形態のエンジン１の燃焼室２とシリンダヘッド付近を示す縦断面図である。
【００２０】
エンジン１のシリンダ内にはピストン８が収容されている。シリンダの上面、内周面、及び、ピストン８の上面等により燃焼室２が形成されている。燃焼室２の上部のシリンダヘッドには、エンジン１の燃焼室２に接続されその燃焼室２内に吸気を送り込む吸気ポート３、及び、燃焼室２に接続されその燃焼室２からの排気を送り出す排気ポート４を備えている。
【００２１】
また、吸気ポート３内には、燃焼室２や吸気ポート３内へ燃料を噴射する燃料噴射弁（インジェクタ）１０を備えている。また、燃焼室２の頂部には、その燃焼室２内に供給された燃料を燃焼させるための点火用火花を発生する点火装置７を備えている。
【００２２】
吸気ポート３の燃焼室２への開口である吸気弁孔は、吸気バルブ５によって開閉される。また、同様に、排気ポート４の燃焼室２への開口である排気弁孔も、排気バルブ６によって開閉される。
【００２３】
これらの図面では、この発明に直接関係する吸気側の部材や手段を中心に示し、他の部材等については図示省略している。また、図面では、一つのシリンダのみを示しているが、エンジン１は単気筒であってもよいし、複数のシリンダを備えた多気筒であってもよい。
【００２４】
吸気ポート３の断面形状は、通路の上面３ａ側と下面３ｂ側とを結ぶ上下方向への最大径が、それに直交する幅方向への最大径よりも小さく設定された、いわゆる横長のオーバル形状となっている。このようなオーバル形状は、吸気ポート３の上流寄りに配置されるインテークマニホールド内の吸気通路から、吸気バルブ５のバルブステム５ｂがシリンダヘッド１に支持される箇所であるバルブ支持部付近までの区間において継続している。
【００２５】
吸気ポート３内に配置される燃料噴射弁１０は、吸気ポート３の下面３ｂ側から吸気ポート３内の空間に向かって噴射口が臨むように配置される。その噴射口の弁が開放されることにより、燃料は、図中に矢印で示す吸気流れ方向に沿って下流側へ向かって噴射される。
【００２６】
吸気ポート３内には、燃焼室２内に供給される吸気に水を噴射する水噴射装置１１が配置されている。水噴射装置１１は、吸気ポート３の上面３ａ側から吸気ポート３内の空間に向かって供給口が臨むように配置される。その供給口から、水は、吸気流れ方向に沿って下流側へ向かって噴射される。
【００２７】
この実施形態では、水噴射装置１１の供給口から噴射される流体として、水を採用している。水噴射装置１１から噴射される流体としては、水以外にも、例えば、燃料の燃焼性を抑えるアンチノック剤を含んだ水溶液等を採用することも可能である。これらの水噴射装置１１から噴射される流体を、以下、単に水と称する。水は、エンジン１の周囲や、このエンジン１を搭載する車両のいずれかの箇所に設けられたタンクに充填され、そのタンクからポンプ等によって供給口へ送り出される。供給口の弁が開放されることにより、その供給口から噴射された水は、霧状になって吸気ポート３から燃焼室２内へ向かい、燃焼室２内ではそのほとんどが順次気化した状態（水蒸気）となっていく。
【００２８】
このエンジン１を搭載する車両は、電子制御ユニット２０を備えている。電子制御ユニット２０は、吸排気バルブ５，６の開閉制御や、燃料噴射弁１０による燃料噴射の制御、点火時期の制御等を含む、エンジン１や補機類全般の制御を行うほか、車両に搭載された機器類の制御も行う。また、電子制御ユニット２０は、水噴射装置１１による水噴射の制御も行う。
【００２９】
水噴射装置１１は、エンジン１の１燃焼サイクル中における燃料噴射弁１０による燃料の噴射開始時よりも前に、水の噴射開始時が設定される。また、水噴射装置１１は、燃料の噴射終了時と同時に、又は、燃料の噴射終了時よりも後に、水の噴射終了時が設定される。水の噴射開始時と水の噴射終了時の間を水噴射期間とするが、この水噴射期間の途中に、水の噴射量を低減したり、あるいは、水の噴射を一時停止する水噴射調整期間を設定する場合もある。
【００３０】
このように、燃料の噴射開始時よりも前に水の噴射が開始され、且つ、その水の噴射は、燃料の噴射終了時まで継続するか、又は、燃料の噴射終了時の後も継続するので、燃焼室２内において燃料の周囲を水が包囲する状態となる。これは、燃料の噴射よりも先に水の噴射が開始されて、その後燃料の噴射が開始されることで、噴射された燃料の下面側に水が位置することとなり、燃料の噴射終了時まで、又は、それ以後も水の噴射が行われることにより、燃料の上面側に水が位置することとなるからである。
【００３１】
このため、燃料を包囲する水が気化して水蒸気になる際における水分子の外方への拡散に伴って、その拡散の運動エネルギによって、内方に位置する燃料も外方へ拡散していく。これにより、燃焼室２内の全体に均質な混合気を形成することができるので、燃焼室２内の全体に均質に拡散した燃料は、ピストン８で圧縮された後に点火されて良好に燃焼することができる。このため、点火進角を行う余地が増大し、その点火進角により、出力の向上、燃費の改善が期待できる。
【００３２】
また、燃焼室２内において燃料の周囲を水が包囲する状態となることから、燃料の排気ポート４側への吹き抜けを防止することもできる。さらに、水の噴射により燃焼室２内の温度を低下させることができるので、ノッキングが発生しやすい運転領域においては、ノッキングの発生を抑制することも可能である。
【００３３】
このとき、燃焼室２内で燃料の周囲を水が包囲しやすくするためには、燃料噴射弁１０により噴射される燃料の噴射エリア（噴射領域）と、水噴射装置１１により噴射される水の噴射エリア（噴射領域）とは吸気ポート内で交差していることが望ましい。このように、燃料の噴射エリアと水の噴射エリアとが交差していれば、噴射された燃料が同時に噴射されている水に衝突することで、燃料の排気ポート４側への吹き抜け防止の効果を、さらに高めることができる。特に、燃料噴射弁１０による燃料噴射中心線と、水噴射装置１１による水噴射中心線とは、吸気ポート３内で交差していることが望ましい。
【００３４】
さらに、燃焼室２内で燃料の周囲を水が包囲しやすくするためには、燃料の噴射エリアと水の噴射エリアとの交差地点よりも上流側の吸気ポート３内で、燃料噴射弁１０による燃料噴射中心線は水噴射装置１１による水噴射中心線よりも下方に位置していることが望ましい。
【００３５】
水噴射装置１１による水の噴射は、吸気バルブ５の開弁期間中に水が吸気バルブ５に到達するよう行われることが望ましい。燃料噴射弁１０による燃料の噴射も吸気バルブ５の開弁期間中に燃料が吸気バルブ５に到達するよう行われることが望ましい。また、水噴射装置１１による水の噴射方向は、吸気バルブ５が完全に開いた開弁状態における吸気バルブ５の傘裏５ａを避けた位置を指向することが望ましい。特に、水の噴射方向は、吸気バルブ５が完全に開いた開弁状態における吸気バルブ５の傘裏５ａよりも排気ポート４側を指向することが望ましい。水の噴射方向が吸気バルブ５の傘裏５ａを避けた位置を指向する状態とは、水の噴射中心線が、吸気バルブ５の傘裏に直接向かっている状態ではないこと、あるいは、水の噴射中心線が、吸気ポート３の内壁等に当たって跳ね返った結果、間接的に吸気バルブ５の傘裏５ａに向かっている状態ではないこと等が挙げられる。
【００３６】
また、水の噴射方向は、バルブステム５ｂを避けて設定されることが望ましい。さらに、例えば、水噴射装置１１の供給口を複数配置し、各供給口からの水の噴射中心線が、バルブステム５ｂを避けるとともに、そのバルブステム５ｂを挟んで両側をそれぞれ指向するように設定してもよい。
【００３７】
さらに、燃焼室２内で燃料の周囲を水が包囲しやすくするためには、燃料の噴射エリアと水の噴射エリアとが吸気ポート内で交差する場合において、あるいは、燃料噴射弁１０による燃料噴射中心線と水噴射装置１１による水噴射中心線とが吸気ポート３内で交差する場合において、図１に示すように、水噴射装置１１は吸気ポート３内の上面側に、燃料噴射弁１０は吸気ポート３内の下面側に配置される構成とできるほか、例えば、図４の変形例に示すように、水噴射装置１１及び燃料噴射弁１０をともに吸気ポート３内の下面３ｂ側に配置される構成とすることもできる。さらには、水噴射装置１１及び燃料噴射弁１０をともに吸気ポート３内の上面３ａ側に配置される構成とすることもできる。
【００３８】
図１の水噴射装置１１及び燃料噴射弁１０の配置を例に、この発明の作用を、図２、図３の順に説明する。この図２及び図３の例では、燃料と水の噴射パターンとして、エンジン１の１燃焼サイクル中において、燃料の噴射開始時よりも前に水の噴射開始時が設定され、燃料の噴射終了時よりも後に水の噴射終了時が設定されている場合を想定している。また、水の噴射開始時から水の噴射終了時までの水噴射期間中に、継続して一定の量の水の噴射を行うものとしている。
【００３９】
図２（ａ）に示すように、排気行程又は吸気行程において吸気バルブ５が開弁した後に水が吸気バルブ５に到達するタイミングで、水噴射装置１１が水の噴射を開始する（図中の符号Ａ参照）。その水の噴射開始時の後、水の噴射を継続するとともに、図２（ｂ）に示すように、燃料の噴射が開始される（図中の符号Ｂ参照）。その後、図２（ｃ）に示すように、燃料の噴射を終了するが、その燃料の噴射終了時の後も水の噴射は継続される（図中の符号Ａ参照）。そして、吸気バルブ５が閉弁するとともに水の噴射が終了する。ここで、水の噴射終了時は、吸気バルブ５の閉弁と同時か、あるいは、その閉弁の直前に設定することが望ましい。
【００４０】
燃焼室２内では、吸気行程から圧縮行程にかけて、図３（ａ）に示すように、符号Ｄで示す燃料の周囲を、符号Ｃで示すように水が包囲する状態となる。このため、図３（ｂ）に示すように、水が気化する際における水分子の矢印Ｅ方向への運動エネルギによって、内方に位置する燃料も、矢印Ｅ方向に沿って燃焼室２全体へ拡散していく。これにより、図３（ｃ）に示すように、燃焼室２内の全体に均質な混合気Ｆを形成することができる。燃焼室２全体に均質に拡散した燃料は、ピストン８で圧縮された後に点火されて良好に燃焼することができる。
【００４１】
燃料と水の噴射パターンの変形例を図５（ａ）〜図５（ｇ）に示す。
【００４２】
図５（ａ）に示す例では、水噴射装置１１は、エンジン１の１燃焼サイクル中において、燃料噴射弁１０による燃料の噴射開始時よりも前に水の噴射開始時が設定され、燃料の噴射終了時よりも後に水の噴射終了時が設定されている場合を想定している。また、水噴射装置１１は、水の噴射開始時から水の噴射終了時までの水噴射期間の途中に、水の噴射量を低減又は水の噴射を停止する水噴射調整期間が設定されている。ここでは、水噴射調整期間は、水の噴射を完全に停止するように設定されている。さらに、燃料の噴射開始時から燃料の噴射終了時までの燃料噴射期間の全部を水噴射調整期間に設定して、且つ、燃料噴射期間と水噴射調整期間とを完全に一致させている。
【００４３】
図５（ｂ）に示す例では、燃料噴射期間の一部を水噴射調整期間に設定している。具体的には、燃料噴射期間後半の所定の時期から燃料の噴射終了時までを、水の噴射と燃料の噴射の両方を行う重複期間としている。このように、水噴射調整期間を設定する場合においても、水の噴射と燃料の噴射を同時に行う重複期間を設定してもよい。この重複期間は、燃料噴射期間の途中の所定の時期から燃料の噴射終了時までとしてもよいし、図５（ｃ）に示す例のように、燃料の噴射開始時から燃料噴射期間の途中の所定の時期までとしてもよい。
【００４４】
図５（ｄ）に示す例では、水噴射調整期間の途中に、水の噴射と燃料の噴射の両方を行わない無噴射期間を設定している。この無噴射期間は、燃料の噴射開始時よりも前、すなわち、燃料噴射期間の前としてもよいし、燃料の噴射開始時の後、すなわち、燃料噴射期間の後としてもよい。
【００４５】
図５（ｅ）に示す例では、燃料の噴射と水の噴射を同時に行う重複期間を、水噴射調整期間の終了時から水の噴射終了時までに設定している。すなわち、燃料の噴射終了時と水の噴射終了時が一致している。燃料の噴射終了時と水の噴射終了時とを一致させた場合であっても、上記図３（ａ）に示すように、燃料の周囲を水が包囲する状態を形成できる。このような効果は、図５（ｆ）に示す例のように、水噴射調整期間として、水の噴射を完全に停止する制御を行うのではなく、水の噴射量を低減する制御を行う場合や、あるいは、水噴射調整期間を全く設定しない場合についても同様である。
【００４６】
図５（ｇ）に示す例では、図５（ａ）の例における水の噴射を停止する水噴射調整期間に代えて、水の噴射量を低減する水噴射調整期間を設定したものである。このように、燃料噴射期間の一部又は全部に、あるいは、その燃料噴射期間の前後に水噴射調整期間を設定する場合、その水噴射調整期間は、水の噴射を完全に停止する制御であってもよいし、水の噴射量（単位時間当たりの噴射量）を、それ以外の期間の水の噴射量（同上）よりも低減する制御であってもよい。
【００４７】
上記のような水噴射装置１１による水の噴射は、ノッキングが生じやすい中高負荷の運転領域で行うことが特に有効であるが、それ以外の運転領域を含む全ての運転領域においても、燃焼効率の向上、ノッキングの抑制、燃費の向上といった種々の効果を発揮することができる。ここで、ノッキングが生じやすい中高負荷の運転領域では、供給される水の量を相対的に多く設定し、それ以外の運転領域では、供給される水の量を相対的に少なく設定してもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１  エンジン
２  燃焼室
３  吸気ポート
３ａ  上面
３ｂ  下面
４  排気ポート
５  吸気バルブ
５ａ  傘裏
５ｂ  バルブステム
６  排気バルブ
７  点火装置
８  ピストン
１０  燃料噴射弁
１１  水噴射装置
２０  電子制御ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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