(57)【要約】【課題】熱エネルギー利用効率が高く且つ水噴霧に伴う機関損傷のおそれの低減された水噴霧式内燃機関を提供する。【解決手段】制御装置９は、冷却媒体の温度が設定温度値以上であることを示す冷却媒体用温度センサ８の検知信号を受け、且つ燃焼室内の最高圧が設定圧力値以上であることを示す圧力センサ７の検知信号を受けている時にのみ、水供給ポンプ動作制御信号により水供給ポンプ６２による水噴霧を許容する。それ以外の時には、水供給ポンプ動作制御信号により水供給ポンプ６２による水噴霧を禁止する。制御装置９は、水供給ポンプ動作制御信号により水供給ポンプ６２による水噴霧を停止させた時には、その後の一定時間にわたって水噴霧なしで内燃機関を動作させるように内燃機関主制御装置ＭＣＵへと信号を出力する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料混合気に水噴霧を行うことで生成される水分含有燃料混合気を燃焼させる水噴霧式内燃機関であって、
燃焼室内の最高圧を検知する圧力センサと、前記燃焼室を冷却する冷却媒体の温度を検知する温度センサと、前記水噴霧のための水供給ポンプと、前記冷却媒体を放熱のために循環させる冷却媒体循環ポンプと、前記水供給ポンプの動作を制御するための水供給ポンプ動作制御信号を出力する制御装置と、が備えられており、
前記制御装置は、前記冷却媒体の温度が設定温度値以上であることを示す前記温度センサの検知信号を受け、且つ前記燃焼室内の最高圧が設定圧力値以上であることを示す前記圧力センサの検知信号を受けている時にのみ、前記水供給ポンプ動作制御信号により前記水供給ポンプによる前記水噴霧を許容し、それ以外の時には前記水供給ポンプ動作制御信号により前記水供給ポンプによる前記水噴霧を禁止するように構成されている、
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記制御装置は、前記圧力センサの検知信号に基づき、前記燃焼室内の最高圧が前記設定圧力値を下回らないように、前記水供給ポンプ動作制御信号により前記水噴霧の水量を調節するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記制御装置は、更に、前記冷却媒体循環ポンプの動作を制御するための冷却媒体循環ポンプ動作制御信号を出力し、前記温度センサの検知信号に基づき、前記冷却媒体の温度が前記設定温度値を下回らないように、前記循環ポンプ動作制御信号により前記冷却媒体の循環量を調節するように構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記制御装置は、前記水供給ポンプ動作制御信号により前記水供給ポンプによる前記水噴霧を停止させた時には、その後の一定時間にわたって水噴霧なしで内燃機関を動作させるように当該内燃機関の主制御装置へと信号を出力するように構成されていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記水供給パイプは、前記排気管内の排気との熱交換が可能なように配置されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記水供給パイプには、前記水供給ポンプと前記燃料混合気に水噴霧を行う水噴霧口との間に配置された超音波噴霧器が付設されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の技術分野に属するものであり、とくに、燃料混合気中に水噴霧を行う水噴霧式の内燃機関における水噴霧制御技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関においては、過度の温度上昇を避けるために、冷却媒体たとえば冷却水による冷却が行われる。この冷却媒体はラジエータにおいて強制冷却されて循環使用され、廃熱エネルギーは大気中へと放出される。
【０００３】
近年、エネルギー資源の有効利用が叫ばれており、各種の発熱部での廃熱から再生エネルギーを得て、これを利用する試みが広く行われている。内燃機関においても、大気中へと放出される上記廃熱エネルギーの量を低減するために、たとえば特許文献１及び特許文献２に記載されているように、燃焼室内に水を噴射することで、該水を燃焼室内で急激に加熱膨張させ、これにより生起される蒸気機関のような作用を追加的に利用して出力を増大させることが提案されている。これにより、燃料消費量に対する機関出力効率を向上させ、たとえば内燃機関を備えた自動車における燃費を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６０−１８４９２３号公報
【特許文献２】特開平３−１１５７３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
而して、内燃機関の燃料混合気への水噴霧は、内燃機関を構成する部材の保護の観点からいえば、好ましいことではない。すなわち、水分は内燃機関構成部材に作用して錆を発生させることがある。錆が発生すると、内燃機関が性能低下を来したり使用不能になったりするという機関損傷の問題がある。
【０００６】
このような機関損傷の問題に関して、上記特許文献１及び特許文献２に記載されている内燃機関では、特別の対処はなされていない。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、以上のような技術的課題に鑑みて、熱エネルギー利用効率が高く且つ水噴霧に伴う機関損傷のおそれの低減された水噴霧式内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
燃料混合気に水噴霧を行うことで生成される水分含有燃料混合気を燃焼させる水噴霧式内燃機関であって、
燃焼室内の最高圧を検知する圧力センサと、前記燃焼室を冷却する冷却媒体の温度を検知する温度センサと、前記水噴霧のための水供給ポンプと、前記冷却媒体を放熱のために循環させる冷却媒体循環ポンプと、前記水供給ポンプの動作を制御するための水供給ポンプ動作制御信号を出力する制御装置と、が備えられており、
前記制御装置は、前記冷却媒体の温度が設定温度値以上であることを示す前記温度センサの検知信号を受け、且つ前記燃焼室内の最高圧が設定圧力値以上であることを示す前記圧力センサの検知信号を受けている時にのみ、前記水供給ポンプ動作制御信号により前記水供給ポンプによる前記水噴霧を許容し、それ以外の時には前記水供給ポンプ動作制御信号により前記水供給ポンプによる前記水噴霧を禁止するように構成されている、
ことを特徴とする内燃機関、
が提供される。
【０００９】
本発明の一態様においては、前記制御装置は、前記圧力センサの検知信号に基づき、前記燃焼室内の最高圧が前記設定圧力値を下回らないように、前記水供給ポンプ動作制御信号により前記水噴霧の水量を調節するように構成されている。本発明の一態様においては、前記制御装置は、更に、前記冷却媒体循環ポンプの動作を制御するための冷却媒体循環ポンプ動作制御信号を出力し、前記温度センサの検知信号に基づき、前記冷却媒体の温度が前記設定温度値を下回らないように、前記循環ポンプ動作制御信号により前記冷却媒体の循環量を調節するように構成されている。本発明の一態様においては、前記制御装置は、前記水供給ポンプ動作制御信号により前記水供給ポンプによる前記水噴霧を停止させた時には、その後の一定時間にわたって水噴霧なしで内燃機関を動作させるように当該内燃機関の主制御装置へと信号を出力するように構成されている。
【００１０】
本発明の一態様においては、前記水供給パイプは、前記排気管内の排気との熱交換が可能なように配置されている。本発明の一態様においては、前記水供給パイプには、前記水供給ポンプと前記燃料混合気に水噴霧を行う水噴霧口との間に配置された超音波噴霧器が付設されている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、熱エネルギー利用効率が高く且つ水噴霧に伴う機関損傷のおそれの低減された水噴霧式内燃機関が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による水噴霧式内燃機関の一実施形態を示す模式的構成図である。
【図２】図１の実施形態の水噴霧式内燃機関のブロック図である。
【図３】本発明による水噴霧式内燃機関の他の実施形態を示す模式的構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１４】
図１は本発明による水噴霧式内燃機関の一実施形態を示す模式的構成図であり、図２はそのブロック図である。
【００１５】
本実施形態の水噴霧式内燃機関は、ディーゼルエンジンであり、容量可変の燃焼室１を備えている。燃焼室１は、シリンダ１１の内面、及びシリンダ１１の内部で図１の上下方向に往復移動可能なピストン１２により形成される。
【００１６】
また、本実施形態の水噴霧式内燃機関は、吸気弁２Ａを介して燃焼室１と連通可能に構成されている吸気管２と、排気弁３Ａを介して燃焼室１と連通可能に構成されている排気管３とを備えている。吸気弁２Ａ及び排気弁３Ａは、それぞれロッカーアーム２Ｂ，３Ｂの動作により、適時、開閉せしめられる。
【００１７】
また、本実施形態の水噴霧式内燃機関は、出力回転軸４を備えている。出力回転軸４は、燃焼室１内での燃料の燃焼に基づく圧力増加により燃焼室１の容量が変化することに伴い、シリンダ１１内でピストン１２が上下方向に移動することに基づき、公知のクランク機構を介して生ぜしめられる回転力により、回転駆動される。
【００１８】
また、本実施形態の水噴霧式内燃機関は、燃焼室１を冷却する冷媒（たとえば冷却水）を循環させるための冷却手段５を備えている。冷却手段５は、燃焼室１の周囲に位置する冷却媒体ジャケット５１と、該冷却媒体ジャケット５１を介して冷却媒体を放熱のために循環させる冷却媒体循環ポンプ５２と含んでなる。冷却媒体循環ポンプ５２を動作させることで、冷却媒体の循環流量を調整することが可能である。
【００１９】
本実施形態の水噴霧式内燃機関には、吸気管２の内部に水を噴霧するための水噴霧手段６が備えられている。該水噴霧手段６は、水供給パイプ６１と、該水供給パイプに設けられた水供給ポンプ６２と、水供給パイプの先端に設けられ吸気管内に位置する水噴霧口６３とを含んでなる。水供給ポンプ６２を動作させることで、水噴霧口６３から噴霧される冷却媒体の量を調整することが可能である。このようにして、吸気管２内の燃料混合気に水噴霧を行うことで水分含有燃料混合気が生成される。
【００２０】
水供給パイプ６１は、排気管３内の高温の排気との熱交換が可能なように配置されている。具体的には、たとえば、図１に示されるように、水供給パイプ６１を排気管３の内部を経由して引き回すようにすることができる。これにより、排気管３の内部を経由した後の水供給パイプ６１内の水は加熱により蒸発して水噴霧口６３から噴霧される。
【００２１】
本実施形態の水噴霧式内燃機関には、燃焼室１内の最高圧を検知する圧力センサ７と、冷却媒体ジャケット５１内の冷却媒体の温度を検知する温度センサ８と、水供給ポンプ６２の動作を制御するための水供給ポンプ動作制御信号及び冷却媒体循環ポンプ５２の動作を制御するための冷却媒体循環ポンプ動作制御信号を出力する制御装置９と、が備えられている。圧力センサ７により検知される燃焼室１内の最高圧は、爆発行程で得られ、内燃機関の最大出力に対応しており、内燃機関の動作の繰り返し進行とともに変動する。この最高圧を示す検知信号が制御装置９へと入力される。温度センサ８により検知される冷却媒体ジャケット５１内の冷却媒体の温度は、燃焼室１の温度に対応しており、内燃機関の動作の繰り返し進行とともに変動する。この温度を示す検知信号が制御装置９へと入力される。
【００２２】
尚、内燃機関の基本的動作は、従来の内燃機関のものと同様である。内燃機関のタイプは、とくにディーゼルエンジンに限定されず、たとえば、ガソリンエンジンであってもよいし、レシプロエンジンに限らず、ロータリーエンジン等であってもよい。
【００２３】
図２に示されるように、制御装置９は、内燃機関主制御装置ＭＣＵと接続されており、その制御下にある。すなわち、内燃機関は水噴霧なしの通常の動作に加えて、制御装置９を作用させることで水噴霧を行うことができる。
【００２４】
制御装置９による水噴霧制御は、次のようにして行うことができる。
【００２５】
水噴霧は、噴霧された水が内燃機関動作と共に上記の機能を発揮して排気管を経て実質上完全に大気中に排出されるように、内燃機関の作動状態が十分に安定している状況下で行うことが必要である。このため、本発明では、温度センサ８により燃焼室１の温度（冷却媒体の温度に対応）を検知し、圧力センサ７により燃焼室１内の最高圧を検知する。
【００２６】
そして、制御装置９は、冷却媒体の温度が設定温度値Ｔ以上であることを示す温度センサ８の検知信号を受け、且つ燃焼室１内の最高圧が設定圧力値Ｐ以上であることを示す圧力センサ７の検知信号を受けている時にのみ、水供給ポンプ動作制御信号により水供給ポンプ６２による水噴霧を許容する（すなわち水供給ポンプ６２を作動させて水噴霧を実行させる）。それ以外の時には、制御装置９は、水供給ポンプ動作制御信号により水供給ポンプ６２による水噴霧を禁止する。設定温度値Ｔ及び設定圧力値Ｐは、内燃機関の性能などに応じて、適宜設定される。特に、機関損傷防止の観点から、設定温度値Ｔは、従来の水噴霧なしの一般的な内燃機関に比べて十分に高く設定するのが好ましい。
【００２７】
すなわち、本実施形態では、冷却媒体の温度が設定温度値Ｔ未満の場合、または燃焼室１内の最高圧が前記設定圧力値Ｐ未満の場合には、制御装置９で生成される水供給ポンプ動作制御信号は、ＯＦＦ（水供給ポンプ６２の動作を停止状態に維持する信号）である。冷却媒体の温度が設定温度値Ｔ以上の場合、及び燃焼室１内の最高圧が設定圧力値Ｐ以上の場合には、制御装置９で生成される水供給ポンプ動作制御信号は、ＯＮ（水供給ポンプ６２の動作を実行状態に維持する信号）となる。
【００２８】
また、制御装置９は、圧力センサ７の検知信号に基づき、燃焼室１内の最高圧が前記設定圧力値Ｐを下回らないように、水供給ポンプ動作制御信号により水噴霧の水量を調節する。これは、たとえば、圧力センサ７の検知信号に基づき、必要に応じて他の一般的な内燃機関特性値を示す信号（温度センサ８の検知信号を含んでもよい）をも参酌して、燃焼室１内の最高圧が設定圧力値Ｐより高い圧力値範囲Ｐ１〜Ｐ２内に維持されるようにフィードバック制御またはフィードフォワード制御することで、実行することができる。
【００２９】
すなわち、水供給ポンプ動作制御信号ＯＮには、１回当たりに噴霧される水の量に関する情報部分を含むことができる。この噴霧水量は、燃焼室１内の最高圧を示す圧力センサ７の検知信号に応じて決定することができ、最高圧が高いほど噴霧水量が多くなるようにし、最高圧が低いほど噴霧水量が少なくなるようにすることができる。
【００３０】
また、制御装置９は、更に、温度センサ８の検知信号に基づき、冷却媒体の温度が前記設定温度値Ｔを下回らないように、冷却媒体循環ポンプ動作制御信号により冷却媒体の循環量を調節する。これは、たとえば、温度センサ８の検知信号に基づき、必要に応じて他の一般的な内燃機関特性値を示す信号（圧力センサ７の検知信号を含んでもよい）をも参酌して、冷却媒体の温度が設定温度値Ｔより高い温度値範囲Ｔ１〜Ｔ２内に維持されるようにフィードバック制御またはフィードフォワード制御することで、実行することができる。
【００３１】
更に、制御装置９は、水供給ポンプ動作制御信号により水供給ポンプ６２による水噴霧を停止させた時（たとえば、上記水供給ポンプ６２による水噴霧が禁止された場合、または、内燃機関主制御装置ＭＣＵからの指令に基づき内燃機関を停止させようとする場合）には、その後の一定時間にわたって水噴霧なしで内燃機関を動作させるように内燃機関主制御装置ＭＣＵへと信号を出力する。
【００３２】
以上のような水噴霧は、吸入行程の最終段階で行われ、噴霧した水を含む燃料混合気のほぼ全体が燃焼室１内へと吸入されるような時期及び継続時間とする。この時期及び継続時間は、内燃機関の性能などに応じて、適宜設定される。これにより、燃焼室１内の水は、爆発行程の初期において、燃料燃焼に基づくエネルギーを吸収して蒸発により急激に体積膨張し、燃料燃焼によるピストン１２に対する押圧力に引き続いて、ピストン１２に対する付加的な押圧力を発生する。これにより、ピストン１２に押圧力が作用する時間（トルク発生時間）が拡大し、機関の効率が高められ、熱エネルギーの利用効率が高められる。また、噴霧された水が内燃機関動作と共に所期の機能を発揮して排気管３を経て実質上完全に大気中に排出されるので、水噴霧に伴う内燃機関構成部材の錆発生などの機関損傷のおそれは十分に低減される。
【００３３】
尚、燃料の化学的性質によっては、内燃機関を構成する部材の保護の観点から、噴霧する水として、適宜の化学的特性を持ったものを使用することができる。たとえば、燃料が硫黄含有量の多いものである場合には、アルカリ性の水を噴霧することで、中和させた後に燃焼室１に吸入させるようにすることができる。これにより、内燃機関構成部材の硫酸腐食を防止することができる。
【００３４】
図３は本発明による水噴霧式内燃機関の更に別の実施形態を示す模式的構成図である。本図において、図１におけると同様の機能を有する部材または部分には同一の符号が付されている。
【００３５】
本実施形態の水噴霧式内燃機関は、ガソリンエンジンであり、吸気管２の内部に水を噴霧するための水噴霧手段６の構成及び点火手段の構成以外は、図１及び図２に関し説明した実施形態のものと実質上同一である。図３の実施形態では、水噴霧手段６の水供給パイプ６１には、水供給ポンプ６２と水噴霧口６３との間に配置された超音波噴霧器６４が付設されている。超音波噴霧器６４を付設することで、水供給ポンプ６２として水供給圧力の低いものを用いることが可能になる。また、水供給パイプ６１を排気管内へと引き回す必要がない。また、本実施形態では、点火手段として点火プラグ１０を使用している。
【００３６】
本実施形態でも、図１の実施形態のものと同様な機能を有し、同様な作用効果が得られる。
【００３７】
以上の実施形態では、水噴霧手段６により吸気管２の内部に水を噴霧するようにしているが、本発明においては、燃焼室１の内部に水を噴霧するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１  燃焼室
１１  シリンダ
１２  ピストン
２  吸気管
２Ａ  吸気弁
２Ｂ  ロッカーアーム
３  排気管
３Ａ  排気弁
３Ｂ  ロッカーアーム
４  出力回転軸
５  冷却手段
５１  冷却媒体ジャケット
５２  冷却媒体循環ポンプ
６  水噴霧手段
６１  水供給パイプ
６２  水供給ポンプ
６３  水噴霧口
６４  超音波噴霧器
７  圧力センサ
８  温度センサ
９  制御装置
１０  点火プラグ
ＭＣＵ  内燃機関主制御装置
【図１】
2011226333.tif 000003
【図２】
2011226333.tif 000004
【図３】
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