(57)【要約】【課題】ターボ過給機を備えた往復動型内燃エンジンのターボラグを効率良く抑制する。【解決手段】ターボ過給機（９）を備えた往復動型内燃エンジン（１）において、開弁した排気バルブ（７）の裏側に対向して燃焼室（４０）内から水噴射する水噴射ノズル（８）と、加速要求時に前記水噴射ノズルを作動させる制御手段（１０）と、を備えた。好適な態様では、気筒毎に複数の排気バルブ（７）を備え、前記水噴射ノズル（８）は、前記各排気バルブの裏側に対向する複数のノズル孔と、前記複数のノズル孔を開閉する１つの弁体とを有する。また、他の好適な態様では、複数の気筒（３）と、前記各気筒の排気バルブの開閉時期を制御する可変動弁機構（５０）を備え、前記制御手段は、加速要求時に排気行程および膨張行程の気筒の排気バルブ（７）を開弁し、前記各気筒の水噴射ノズル（８）を作動させる機能を含む。【選択図】図１
2019135386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ過給機を備えた往復動型内燃エンジンにおいて、
開弁した排気バルブの裏側に対向して燃焼室内から水噴射する水噴射ノズルと、
加速要求時に前記水噴射ノズルを作動させる制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃エンジン。
【請求項２】
気筒内に複数の排気バルブを備え、前記水噴射ノズルは、前記各排気バルブの裏側に対向する複数のノズル孔と、前記複数のノズル孔を開閉する１つの弁体とを有することを特徴とする請求項１記載の内燃エンジン。
【請求項３】
複数の気筒と、前記各気筒の排気バルブの開閉時期を制御する可変動弁機構を備え、
前記制御手段は、加速要求時に吸気行程以外の気筒の排気バルブを開弁し、前記各気筒の水噴射ノズルを作動させる機能を含むことを特徴とする請求項１または２記載の内燃エンジン。
【請求項４】
前記制御手段は、前記水噴射中に排気温度が所定値未満に低下した場合、該気筒の水噴射ノズルを停止する機能を含むことを特徴とする請求項３記載の内燃エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃エンジン、特にターボ過給機を備えた往復動型内燃エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ過給機を備えた往復動型内燃エンジンは、エネルギーの利用効率に優れるが、低回転からの急加速や減速後の再加速時に、充分な過給圧が得られるまでに遅れ（ターボラグ）が生じる。特許文献１には、燃焼室または排気通路中に水を噴射して蒸発させることによりタービン流量を増加させ、ターボラグを抑制することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−８２２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、燃焼室内への水噴射は、気化が不充分な場合には水分がシリンダに付着しオイルを希釈させる虞があり、また、気化のために燃焼遅角を使用すると、排気ガスが悪化する問題がある。さらに、排気ポートでの水噴射は、排気ポート毎に水噴射ノズルが必要になり、構造が複雑化する問題がある。
【０００５】
本発明は、従来技術の上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ターボ過給機を備えた往復動型内燃エンジンのターボラグを効率良く抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、
ターボ過給機を備えた往復動型内燃エンジンにおいて、
開弁した排気バルブの裏側に対向して燃焼室内から水噴射する水噴射ノズルと、
加速要求時に前記水噴射ノズルを作動させる制御手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、上記のように、加速要求時に開弁した排気バルブの裏側に対向して燃焼室内から水噴射することで、排気ポートより高温の排気バルブによって水の気化が促進され、ターボラグを効果的に低減できる。また、シリンダへの水分の付着とそれに伴うオイル希釈を防止でき、燃焼遅角を使用しないので排気ガスが悪化することもない。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明実施形態に係る内燃エンジンを示す概略構成図（ａ）、およびそのＢ−Ｂ断面図（ｂ）である。
【図２】本発明実施形態に係る内燃エンジンの制御を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１（ａ）の概略構成図に示すように、本発明実施形態に係る内燃エンジン１は、シリンダ３内に往復摺動可能に収容されたピストン４を備える往復動型内燃エンジンであり、ピストン４はコネクティングロッド２４を介してクラックシャフト２に連結され、ピストン４の往復直線運動がクランクシャフト２の回転運動に変換される。
【００１０】
シリンダ３の上部には、ピストン４との間に燃焼室４０を画成するシリンダヘッド３０が設けられ、その中央部に燃焼室４０に臨ませて点火プラグ３１が設けられている。シリンダヘッド３０には、燃焼室４０に連通する吸気ポート６０と排気ポート７０が画成されており、吸気ポート６０を開閉するための吸気バルブ６と、排気ポート７０を開閉するための排気バルブ７が昇降可能に支持されている。
【００１１】
本実施形態の内燃エンジン１は、図１（ｂ）に示すように、各気筒に２つの吸気バルブ６（吸気ポート６０）と２つの排気バルブ７（排気ポート７０）を備えた４バルブ構成であるが、これ以外であってもよい。吸気バルブ６および排気バルブ７は、図１（ａ）に排気側のみ概略的に示すように、カム５により基本的な開閉動作が与えられ、可変バルブ機構５０（ＶＶＴ）により開閉時期が個別に制御される。
【００１２】
可変バルブ機構５０としては、油圧アクチュエータまたは電磁アクチュエータを介在させ、カム５の位相と異なる位置で排気バルブ７を開閉可能としたものや、カム５の代わりに油圧アクチュエータまたは電磁アクチュエータで排気バルブ７の開閉を行うものを用いることができ、後述のように、所定の気筒において通常の排気行程以前の膨張行程で排気バルブ７を早期開弁する機能を具備する形式のものを用いることができる。
【００１３】
燃料インジェクタ６１は吸気ポート６０に設けられているが、燃焼室４０内に直接燃料噴射する直噴インジェクタを用いることもできる。排気ポート７０には排気温度センサ７１が設けられ、その下流側の排気経路にはターボ過給機９（排気タービン）が設けられている。ターボ過給機９は、エンジンから排出される排気ガスのエネルギーにより回転される排気タービンにより、吸気経路のコンプレッサを駆動して過給を行う。
【００１４】
内燃エンジン１は、その運転状態を最適化するためのエンジン制御装置１０（ＥＣＵ）を備えている。エンジン制御装置１０は、その運転状態を反映する各状態値を検出するセンサからの入力信号に基づいてエンジン制御を実施するためのコンピュータであり、演算処理を行うＣＰＵ、制御プログラムや設定データなどを格納するＲＯＭ、制御プログラムや設定データを読出し、動的データや演算処理結果を記憶するＲＡＭ、および、入出力ポートなどを備える。
【００１５】
エンジン制御装置１０は、クランク角センサ２１およびカム角センサ５１からの入力信号に基づいてピストン位置およびエンジン回転数を検出し、吸入空気量センサ、吸気温度センサ、水温センサ、空燃比センサ、アクセル開度センサ（負荷要求）などの検出値に基づいて、燃料噴射量や点火時期、バルブ開閉時期を決定し、燃料インジェクタ６１、点火プラグ３１、可変バルブ機構５０などに制御信号を出力することにより、内燃エンジン１の運転状態を最適化する。
【００１６】
以上のような基本構成を有する内燃エンジン１は、ターボラグを抑制するために、図１（ａ）に示すように、開弁した排気バルブ７の裏側（ステム側、排気ポート７０側）に対向して水噴射を行うための水噴射ノズル８（水インジェクタ）が、燃焼室４０内に設けられている。
【００１７】
水噴射ノズル８は、ソレノイドまたはピエゾにより開閉するニードル弁を内蔵しており、エンジン制御装置１０からの制御信号によりニードル弁が開閉されることにより、水タンク８０から水ポンプ８１で加圧されて供給される水が噴射される。排気バルブ７の開弁状態では、排気バルブ７の裏側に噴射された所定量の水が、排気バルブ７の余熱で気化し、排気ガスとともにターボ過給機９（排気タービン）に送給され、タービン流量を増加させることで、ターボ過給機９の駆動が促進される。
【００１８】
水噴射ノズル８からの水噴射は、加速要求時のエンジン回転数や、排気温度センサ７１に検知される排気ガス温度、燃料噴射量、点火時期に基づいて、加速要求直前の筒内状態をモデリングすることにより、排気バルブ７の温度と最大気化潜熱を推定し、排気バルブ７に到達した際に完全に蒸発可能な量の水を噴射する。噴射量は、連続噴射ないしは間欠噴射の時間（デューティー比）や回数により制御される。
【００１９】
本実施形態における水噴射ノズル８は、各気筒の燃焼室４０側面最上部のシリンダヘッド３０に配設され、図１（ｂ）に示すように、２つの排気バルブ７（排気ポート７０）に対向して穿設された２つのノズル孔を備え、１つのニードル弁の作動により、２つの排気ポート７０の両方に同時に水蒸気を送給できる構成となっている。
【００２０】
なお、水タンク８０および水ポンプ８１は、内燃エンジンン１の各気筒に共通に設けられ、水ポンプ８１と各気筒の水噴射ノズル８の間に共通の蓄圧部が設けられる。水ポンプ８１は常時駆動する必要は無く、内燃エンジン１の運転状態から、ターボ過給機９への水噴射アシストが必要になる状況、例えば、低回転時や減速時などに、蓄圧部に所定の水圧が得られるように限定的に駆動される。
【００２１】
次に、上記実施形態に基づく内燃エンジン１の制御について、４気筒エンジンの場合を例に、図２のタイムチャートを参照しながら説明する。
【００２２】
図２に示すように、アクセルオフ（燃料カットオフ）からのアクセルオンで、アクセルペダル開度（再加速信号）が所定の閾値を上回った場合、各気筒の行程に応じて以下のような制御が発動される。
【００２３】
（１）排気行程
排気行程にある１番気筒では、排気バルブ７が開弁されているので、直ちに当該気筒の水噴射ノズル８により水噴射が実施される。水噴射は、排気バルブ７の閉弁前で所定以上のバルブリフトにある間は継続され、吸気行程の開始以前に停止される。
【００２４】
（２）吸気行程
吸気行程にある２番気筒では、アクセルオンによって燃料が噴射され、通常の燃焼〜膨張行程に移行できるので、水噴射せず、そのまま吸気行程が継続される。
【００２５】
（３）膨張行程
膨張行程にある３番気筒では、排気バルブ７を開弁し、当該気筒の水噴射ノズル８により水噴射が実施される。水噴射は、ピストン４が上昇に転じる排気行程でも継続され、排気バルブ７の閉弁前で所定以上のバルブリフトにある間は実施され、吸気行程の開始前に停止される。
【００２６】
（４）圧縮行程
圧縮行程にある４番気筒でも、排気バルブ７を開弁し、当該気筒の水噴射ノズル８により水噴射が実施される。水噴射は、その後の膨張行程〜排気行程でも継続され、上記同様に吸気行程の開始前に停止される。
【００２７】
制御期間中も排気ガス温度の検知、排気バルブ７の温度の推定は継続されており、排気バルブの推定温度が閾値（下限値）になった場合には、当該気筒の水噴射は停止され、排気バルブ温度が閾値以上に維持されるようにする。
【００２８】
図２では、４番気筒において圧縮行程で開始された水噴射が排気行程の途中で停止される場合が示されているが、エンジン温度が高い場合など、排気バルブ温度が閾値以上に維持されれば吸気行程の直前まで水噴射が継続される。また、排気バルブ温度が閾値まで低下する以前に、膨張行程（未燃焼）で水噴射量を絞り込むかまたは水噴射を停止し、排気行程で水噴射が継続されるようにしても良い。
【００２９】
なお、上記制御では、燃料カットオフから再加速する場合について述べたが、加速要求前の低回転運転状態で燃料カットオフされず（微量ではあっても）燃料が噴射されている場合、加速要求時に圧縮行程にある気筒（４番気筒）では、上記制御を適用せず、直ちに燃焼サイクルに移行するようにしても良い。
【００３０】
また、上述した１サイクルの制御が終了した後の通常の燃焼サイクルにおいて、排気行程にある気筒で水噴射を実施してターボ過給機９の駆動が促進されるようにしても良い。なお、排気バルブ７を排気行程以外で開弁できる可変バルブ機構を備えない内燃エンジンに本発明を適用する場合も、加速要求後に排気行程となった気筒に順次水噴射を実施することで、ターボラグ抑制に寄与できる。
【００３１】
以上述べたような各気筒における行程毎の制御は、加速要求時のピストン位置やエンジン回転数、排気ガス温度などに応じて最適化された複数の制御ルーチンが予めエンジン制御装置１０に格納されており、加速要求時にはその状況に最適な制御ルーチンが直ちに選択され、実行されるようにすることが好ましい。
【００３２】
なお、上記実施形態では、排気バルブ温度を各気筒毎に推定する場合を示したが、排気管合流部より下流に配置された排気ガス温度センサにより、全気筒の排気バルブ温度を推定することもでき、その場合、最も長い水噴射が実施される気筒（図２の４番気筒）の排気バルブ温度を基準に噴射量が設定される。
【００３３】
また、上記実施形態では、水噴射ノズル８が排気ポート７側に配設される場合を示したが、水噴射ノズル８は他の位置、例えば、開弁した排気バルブ７の裏側に対向して吸気ポート６０側の燃焼室側部に配設することもできる。
【００３４】
また、上記実施形態では、本発明を４気筒エンジンに実施する場合について述べたが、本発明はそれ以外の任意の気筒数の内燃エンジンにも実施可能である。
【００３５】
以上、本発明の実施形態について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいてさらに各種の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１  内燃エンジン
２  クランクシャフト
３  シリンダ
４  ピストン
５  カム
６  吸気バルブ
７  排気バルブ
８  水噴射ノズル
９  ターボ過給機
１０  エンジン制御装置（ＥＣＵ）
２１  クランク角センサ
２４  コンロッド
３０  シリンダヘッド
３１  点火プラグ
４０  燃焼室
５０  可変バルブ機構（ＶＶＴ）
５１  カム角センサ
６０  吸気ポート
６１  燃料インジェクタ
７０  排気ポート
７１  排気温度センサ
８０  水タンク
８１  水ポンプ
【図１】
2019135386.tif 000003
【図２】
2019135386.tif 000004