(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒を有するエンジン本体と、吸気通路と、排気通路とを備え、上記気筒内で混合気を自着火させる予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
上記気筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置と、
圧縮行程後半から膨張行程前半の間に上記気筒内に超臨界水または亜臨界水を噴射する水噴射装置と、
上記排気通路と上記吸気通路とを連通して上記気筒から排出された排ガスの一部をＥＧＲガスとして上記吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、
上記ＥＧＲ通路を介して上記吸気通路に還流するＥＧＲガス量を調整するＥＧＲガス量調整手段と、
上記水噴射装置と上記ＥＧＲガス量調整手段とを含むエンジンの各部を制御する制御手段と、
上記超臨界水または亜臨界水を生成する水加工装置とを備え、
当該水加工装置は、
上記エンジン本体から排出された排ガスに含まれる水蒸気を凝縮する凝縮器と、
当該凝縮器で凝縮された水に上記排ガスの熱エネルギーを供給して当該水を昇温昇圧する昇温昇圧器とを有し、
上記制御手段は、
エンジン負荷が予め設定された切替負荷未満である場合には、上記気筒内に上記ＥＧＲガスが導入されるとともに上記超臨界水または亜臨界水の噴射量が上記ＥＧＲガスの上記気筒内への導入量よりも少なくなるように上記ＥＧＲガス量調整手段および上記水噴射装置を制御する一方、
エンジン負荷が上記切替負荷以上である場合には、上記気筒内に上記超臨界水または亜臨界水が噴射されるとともに上記ＥＧＲガスの上記気筒内への導入量が上記超臨界水または亜臨界水の噴射量よりも少なくなるように上記ＥＧＲガス量調整手段および上記水噴射装置を制御することを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
上記エンジン本体の幾何学的圧縮比は、１８以上３５以下に設定されており、
エンジン負荷が上記切替負荷以上のときにおける上記エンジン本体の有効圧縮比は、１５以上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の制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
エンジン負荷が上記切替負荷以上であるとき、上記制御手段は、上記切替負荷以上の領域のうち少なくともエンジン負荷が高い側の領域では、上記気筒内の空気過剰率を１以下にするとともに、上記切替負荷以上の領域における少なくとも高負荷側の一部では、上記ＥＧＲガスの上記気筒への導入を停止させることを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
上記燃料噴射装置は、ガソリンを含有する燃料を上記気筒内に供給することを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気筒を有するエンジン本体を備え、少なくとも一部の運転領域において上記気筒内で混合気を自着火させる予混合圧縮着火式エンジンの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンにおいて、燃費性能を高めること等を目的として、燃料と空気とを予め混合しておきこの混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮燃焼を行うことが検討されている。
【０００３】
しかしながら、エンジン負荷が高い場合等では、燃料と空気とが十分に混合する前に燃料と空気の混合気が着火してしまい、スモークが悪化するという問題、また、気筒内の圧力が高くなり燃焼騒音が悪化する等の問題がある。
【０００４】
これに対して、例えば、特許文献１に開示されているように、吸気通路に排ガスの一部であるＥＧＲガスを還流させるＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）を実施して気筒内に燃料と空気以外の不活性ガスを導入し、これによって混合気の着火遅れ時間を増大させて混合気と燃料との混合を促進させることが検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２０９８０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＥＧＲガスの導入によって得られる着火遅れ時間の増大効果には限界があり、エンジン負荷が高い運転領域では、ＥＧＲガスの導入によって着火遅れ時間を適正量確保することが困難になる。具体的には、エンジン負荷が高い運転領域では燃焼に必要な空気量が多くなるため、この空気量を確保しつつＥＧＲガスを多量に還流するためには過給を行わねばならず気筒内の圧力が上昇するが、着火遅れ時間は気筒内の圧力が高いほど短くなる。そのため、この運転領域では、ＥＧＲガスを多量に還流しても、着火遅れ時間を十分に長くすることができないおそれがある。
【０００７】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、より確実に着火遅れ時間を長くすることのできる予混合圧縮着火式エンジンの制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、気筒を有するエンジン本体と、吸気通路と、排気通路とを備え、上記気筒内で混合気を自着火させる予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、上記気筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置と、圧縮行程後半から膨張行程前半の間に上記気筒内に超臨界水または亜臨界水を噴射する水噴射装置と、上記排気通路と上記吸気通路とを連通して上記気筒から排出された排ガスの一部をＥＧＲガスとして上記吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、上記ＥＧＲ通路を介して上記吸気通路に還流するＥＧＲガス量を調整するＥＧＲガス量調整手段と、上記水噴射装置と上記ＥＧＲガス量調整手段とを含むエンジンの各部を制御する制御手段と、上記超臨界水または亜臨界水を生成する水加工装置とを備え、当該水加工装置は、上記エンジン本体から排出された排ガスに含まれる水蒸気を凝縮する凝縮器と、当該凝縮器で凝縮された水に上記排ガスの熱エネルギーを供給して当該水を昇温昇圧する昇温昇圧器とを有し、上記制御手段は、エンジン負荷が予め設定された切替負荷未満である場合には、上記気筒内に上記ＥＧＲガスが導入されるとともに上記超臨界水または亜臨界水の噴射量が上記ＥＧＲガスの上記気筒内への導入量よりも少なくなるように上記ＥＧＲガス量調整手段および上記水噴射装置を制御する一方、エンジン負荷が上記切替負荷以上である場合には、上記気筒内に上記超臨界水または亜臨界水が噴射されるとともに上記ＥＧＲガスの上記気筒内への導入量が上記超臨界水または亜臨界水の噴射量よりも少なくなるように上記ＥＧＲガス量調整手段および上記水噴射装置を制御することを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置を提供する。
【０００９】
本発明によれば、エンジン負荷が切替負荷未満の場合と以上の場合とのいずれにおいても、十分な着火遅れ時間を確保することができ、スモークの増大を抑制できるとともに筒内圧の急上昇ひいては燃焼騒音の増大を抑制することができより適正な予混合圧縮自着火燃焼を実現することができる。
【００１０】
具体的には、エンジン負荷が低い場合では、主としてＥＧＲガスの導入により着火遅れ時間を長くすることができる。一方、エンジン負荷が高くスモークや燃焼騒音の増大がより問題になりやすい場合では、燃料でも空気でもない物質（以下、不活性物質という場合がある）として多量の水が気筒内に直接供給されるとともに、気筒に導入されるＥＧＲガスの量が少なく抑えられる。そのため、多量の不活性物質を気筒内に導入して着火遅れ時間をより長く確保しつつ、不活性物質の全量をＥＧＲガスで構成する場合に比べて過給を行うことなく気筒内に十分な量の空気を導入することができエンジン出力を確保することができる。
【００１１】
しかも、本発明では、上記水として超臨界水または亜臨界水が用いられるとともに、この超臨界水等が圧縮行程後半から膨張行程前半の高温高圧の気筒内に噴射されて、混合気の着火前に気筒内に水が超臨界水または亜臨界水の状態で存在するように構成されている。そのため、エネルギーロスを抑制しつつ着火遅れをより確実に長くすることができる。
【００１２】
具体的には、超臨界水または亜臨界水は通常の気体の水（水蒸気）よりも密度が高い。そのため、超臨界水または亜臨界水を気筒内に噴射することにより、気体の水を噴射する場合に比べて多量の水を効率よく気筒内に導入することができる。これにより、気筒内の酸素濃度を十分に低下させることができ、着火遅れ時間をより確実に長くすることができる。また、液体の水は蒸発するために潜熱を必要とする一方、超臨界水または亜臨界水は潜熱を必要としないまたは潜熱が小さい。そのため、液体の水を気筒内に噴射した場合には、噴射した水が気筒内で蒸発するのに伴って気筒内の温度が大幅に低下して熱効率が悪化するおそれがある。これに対して、超臨界水または亜臨界水を気筒内に噴射した場合には、このような大幅な温度低下および熱効率の悪化を回避することができる。そのため、着火遅れ時間が十分に確保されるような多量の超臨界水または亜臨界水を気筒内に噴射しながら、熱効率を高く維持することができる。
さらに、本発明では、排ガスに含まれる水および排ガスの熱エネルギーを利用して超臨界水または亜臨界水を生成することができるため、別途これらを生成するための装置を設ける場合に比べてエネルギー効率を高めることができる。ただし、エンジン負荷が低い場合は排ガスの温度すなわち排ガスの熱エネルギーが低いため、超臨界水または亜臨界水を多量に生成できないおそれがある。これに対して、本発明では、上記のように、エンジン負荷が基準負荷未満の場合は気筒内に噴射される超臨界水または亜臨界水の量が少なく抑えられ、ＥＧＲガス量が多く導入されるようになっているため、エネルギー効率を高めつつ着火遅れ時間を確保することができる。
【００１３】
なお、本発明において、圧縮行程後半とは圧縮上死点前９０°ＣＡ（クランク角）から圧縮上死点までの期間をいい、膨張行程前半とは圧縮上死点から圧縮上死点後９０°ＣＡまでの期間をいう。
【００１４】
本発明において、上記エンジン本体の幾何学的圧縮比は、１８以上３５以下に設定されており、エンジン負荷が上記切替負荷以上のときにおける上記エンジン本体の有効圧縮比は、１５以上に設定されているのが好ましい（請求項２）。
【００１５】
このようにすれば、エンジン負荷が切替負荷以上の高い場合において、上記のように適正な予混合圧縮自着火燃焼を実現しつつ、高い有効圧縮比によって高いエンジントルクを確保することができる。
【００１６】
また、上記構成において、エンジン負荷が上記切替負荷以上であるとき、上記制御手段は、上記切替負荷以上の領域のうち少なくともエンジン負荷が高い側の領域では、上記気筒内の空気過剰率を１以下にするとともに、上記切替負荷以上の領域における少なくとも高負荷側の一部では、上記ＥＧＲガスの上記気筒への導入を停止させるのが好ましい（請求項３）。
【００１７】
このようにすれば、空気過剰率が１以下であって着火遅れ時間が短くなりやすい場合において、より確実に着火遅れ時間を長くすることができる。
【００２０】
また、上記のように、本発明ではより確実に適正な予混合圧縮自着火燃焼を実現することができる。そのため、本発明が、予混合圧縮自着火燃焼が比較的困難なガソリンエンジンに適用されれば効果的である。すなわち、上記燃料噴射装置としては、ガソリンを含有する燃料を上記気筒内に供給するものが挙げられる（請求項４）。
【発明の効果】
【００２１】
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の制御装置によれば、より確実に適正な着火遅れ時間を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】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。
【図２】超臨界水を説明するための水の状態図である。
【図３】亜臨界水を説明するための水の状態図である。
【図４】エンジン本体の一部を拡大して示す概略断面図である。
【図５】燃料噴射装置の概略断面図である。
【図６】エンジンの制御系統を示すブロック図である。
【図７】エンジンの制御領域を示した図である。
【図８】エンジン負荷とＥＧＲ率および噴射水率との関係を示した図である。
【図９】着火遅れを説明するための図である。
【図１０】高負荷領域の制御内容を説明するための図である。
【図１１】（ａ）ＥＧＲ率と混合気の温度との関係を示した図である。（ｂ）噴射水率と混合気の温度との関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（１）エンジンシステムの全体構成
図１は、本発明の一実施形態にかかる予混合圧縮着火式エンジンの制御装置が適用された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３０と、エンジン本体１で生成された排ガスを排出するための排気通路４０とを備える。エンジン本体１は、例えば、４つの気筒２を有する４気筒エンジンである。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。本実施形態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。
【００２４】
吸気通路３０には、上流側から順に、エアクリーナ３１と、スロットルバルブ３２とが設けられており、エアクリーナ３１およびスロットルバルブ３２を通過した後の空気がエンジン本体１に導入される。
【００２５】
スロットルバルブ３２は、吸気通路３０を開閉するものである。ただし、本実施形態では、エンジンの運転中、スロットルバルブ３２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３０を遮断する。
【００２６】
排気通路４０には、上流側から順に、排ガスを浄化するための三元触媒４１、熱交換器（昇温昇圧器）４２、コンデンサー（凝縮器）４３、排気シャッターバルブ４４が設けられている。熱交換器４２およびコンデンサー４３は、後述する排熱回収装置（水加工装置）６０の一部を構成するものである。
【００２７】
排気シャッターバルブ４４は、ＥＧＲガスの吸気通路３０への還流を促進するためのものである。
【００２８】
すなわち、本実施形態のエンジンシステムでは、吸気通路３０のうちスロットルバルブ３２よりも下流側の部分と、排気通路４０のうち三元触媒４１よりも上流側の部分とを連通するＥＧＲ通路５１が設けられており、排ガスの一部がＥＧＲガスとして吸気通路３０に還流されるようになっている。そして、排気シャッターバルブ４４は、排気通路４０を開閉可能なバルブであり、ＥＧＲを実施する場合であって排気通路４０の圧力が低い場合に閉弁側に操作されることでＥＧＲ通路５１の上流側の部分の圧力を高めてＥＧＲガスの還流を促進する。
【００２９】
ＥＧＲ通路５１には、これを開閉するＥＧＲバルブ（ＥＧＲガス量調整手段）５２が設けられており、ＥＧＲバルブ５２の開弁量によって吸気通路３０に還流されるＥＧＲガスの量が調整される。また、本実施形態では、ＥＧＲ通路５１に、これを通過するＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ５３が設けられており、ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ５３にて冷却された後吸気通路３０に還流される。
【００３０】
排熱回収装置６０は、排ガスの熱エネルギーを利用して超臨界水を生成するためのものである。すなわち、本実施形態のエンジンシステムでは、後述するように水噴射装置２２から各気筒２内に超臨界水を噴射するように構成されているとともに、排ガスを利用してこの超臨界水を生成するように構成されている。
【００３１】
排熱回収装置６０は、熱交換器４２およびコンデンサー４３に加えて、水噴射装置２２とコンデンサー４３とを接続する排気凝結水通路６１と、水タンク６２と、水噴射用ポンプ６３とを備えている。
【００３２】
コンデンサー４３は、排気通路４０を通過する排ガス中の水（水蒸気）を凝縮するためのものである。水タンク６２は、内側に凝縮水を貯留するものである。コンデンサー４３で生成された凝縮水は、排気凝結水通路６１を介して水タンク６２に導入され水タンク６２内で貯留される。
【００３３】
水噴射用ポンプ６３は、水タンク６２内の凝縮水を熱交換器４２を介して水噴射装置２２に圧送するためのものである。水タンク６２内の凝縮水は、水噴射用ポンプ６３による圧送時に昇温昇圧される。例えば、凝縮水は、水噴射用ポンプ６３によって、３５０Ｋ程度に昇温され２５０ｂａｒ程度に昇圧される。
【００３４】
熱交換器４２は、水噴射用ポンプ６３から圧送された凝縮水と、排気通路４０を通過する排ガスとの間で熱交換を行わせるためのものである。熱交換器４２は、間接式熱交換器であり、凝縮水は熱交換器４２の通過時に排ガスから熱エネルギーを受ける。熱交換器４２を通過することで、凝縮水は、水噴射用ポンプ６３により加圧された状態からさらに昇温昇圧され、超臨界水となる。
【００３５】
超臨界水とは、水の臨界点よりも温度および圧力が高い水であって、気体のように分子が激しく運動しながら液体に近い高い密度を有する。つまり、超臨界水は気体または液体の水に相変化するのに潜熱を必要としない水である。詳細は後述するが、本実施形態では、このような性状の水を気筒２内に噴射することで、着火遅れ時間を長く確保して適正な予混合圧縮自着火燃焼を実現する。
【００３６】
図２を用いて具体的に説明する。図２は、横軸をエンタルピーとし、縦軸を圧力としたときの水の状態図を示したものである。この図２において、領域Ｚ２は液体の領域、領域Ｚ３は気体の領域、領域Ｚ４は液体と気体が共存する領域である。実線で示したラインＬＴ３５０、ＬＴ４００・・・ＬＴ１０００は、それぞれ同じ温度となる点をつないだ等温度線であって、それぞれ数字が温度（Ｋ）を示している。例えば、ＬＴ３５０は３５０Ｋの等温度線であり、ＬＴ１０００は１０００Ｋの等温度線である。そして、点Ｘ１が臨界点、領域Ｚ１が臨界点Ｘ１よりも温度および圧力が高い領域であり、超臨界水はこの領域Ｚ１に含まれる水である。具体的には、水の臨界点が、温度：６４７．３Ｋ，圧力：２２．１２ＭＰａの点であるのに対して、超臨界水は温度圧力がこれら以上すなわち温度が６４７．３Ｋ以上かつ圧力が２２．１２ＭＰａ以上の水である。
【００３７】
図２において、破線で示したラインＬＲ０．０１、ＬＲ０．１・・・、ＬＲ５００は、それぞれ同じ密度となる点をつないだ等密度線であって、それぞれ数字が密度（ｋｇ／ｍ３）を示している。例えば、ＬＲ０．０１は密度が０．０１ｋｇ／ｍ３の等密度線であり、ＬＲ１０００は密度が５００ｋｇ／ｍ３の等密度線である。この等密度線ＬＲと領域Ｚ１，Ｚ３との比較から明らかなように、領域Ｚ１に含まれる水すなわち超臨界水の密度は５０ｋｇ／ｍ３から５００ｋｇ／ｍ３程度と液体の水に近い値であって気体の密度よりも非常に高い値となっている。
【００３８】
なお、エンジンシステムにて生成して気筒２内に噴射する超臨界水としては、密度が２５０ｋｇ／ｍ３以上の超臨界水を用いるのが好ましい。
【００３９】
また、図２において矢印Ｙ１で示すように、通常の液体の水は気体に変化するために大きなエンタルピーを必要とする。すなわち、通常の液体の水は気体に変化するのに比較的大きな潜熱を必要とする。これに対して、矢印Ｙ２で示すように、超臨界水では、通常の気体の水に変化するのにほとんどエンタルピーすなわち潜熱を必要としない。
【００４０】
ここで、図２から明らかなように、領域Ｚ１に近い領域に含まれる水は、密度も高く気体に変化するための潜熱も小さく、超臨界水に近い性状を有する。従って、本実施形態では、上記のように排熱回収装置６０によって超臨界水を生成して超臨界水を気筒２内に噴射するが、超臨界水に代えて領域Ｚ１に近い領域に含まれる水である亜臨界水を生成および気筒２内に噴射してもよい。例えば、図３に示す領域Ｚ１０であって、温度が６００Ｋ以上、密度が２５０ｋｇ／ｍ３以上の領域Ｚ１０に含まれる亜臨界水を生成および噴射してもよい。
【００４１】
（２）エンジン本体の構成
エンジン本体１の構成について次に説明する。
【００４２】
図４は、エンジン本体１の一部を拡大して示した断面図である。図４に示すように、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とを有している。
【００４３】
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、燃焼室６の天井面（シリンダヘッド４の下面）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。
【００４４】
本実施形態では、燃焼室６内の燃焼ガスの熱が燃焼室６の外部に放出されるのを抑制して冷却損失を低減するべく、燃焼室６の壁面（内側面）に、燃焼室６の内側面よりも熱伝導率が低い断熱層７が設けられている。具体的には、燃焼室６の内側面を構成する、気筒２の壁面と、ピストン５の冠面５ａと、シリンダヘッド４の下面と、吸気弁１８および排気弁１９の各バルブヘッドの面とに、それぞれ断熱層７が設けられている。なお、本実施形態では、図４に示すように、気筒２の壁面に設けられた断熱層７は、ピストン５が上死点に位置した状態でピストンリング５ｂよりも上側（シリンダヘッド４側）となる部分に限定されており、ピストンリング５ｂが断熱層７上を摺動しないようになっている。
【００４５】
断熱層７としては、上記のように熱伝導率が低い材料で形成されればよく具体的な材料は限定されない。ただし、断熱層７として、燃焼室６の内側面よりも容積比熱が小さい材料を用いるのが好ましい。すなわち、エンジン本体１が冷却水により冷却される場合、燃焼室６内のガス温度は燃焼サイクルの進行によって変動する一方、燃焼室６の内側面の温度は略一定に維持される。そのため、この温度差に伴って冷却損失が大きくなる。そこで、断熱層７を容積比熱の小さい材料で形成すれば、断熱層７の温度が燃焼室６内のガスの温度の変動に追従して変化するため、冷却損失を小さく抑えることができる。
【００４６】
例えば、断熱層７は、燃焼室６の内側面上にＺｒＯ２等のセラミック材料がプラズマ溶射によりコーティングされることで形成されている。なお、このセラミック材料の中に多数の気孔が含まれるようにし、これにより断熱層７の熱伝導率および容積比熱をさらに小さくしてもよい。
【００４７】
ピストン５の冠面５ａ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１０が形成されている。このキャビティ１０は、ピストン５が上死点まで上昇したときの燃焼室６の大部分を占める容積を有するように形成されている。
【００４８】
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６が上死点にあるときの燃焼室６容積との比は、１８以上３５以下（例えば２０程度）に設定されている。
【００４９】
シリンダヘッド４には、吸気通路３０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１６と、気筒２内で生成された排ガスを排気通路４０に導出するための排気ポート１７と、吸気ポート１６の気筒２側の開口を開閉する吸気弁１８と、排気ポート１７の気筒２側の開口を開閉する排気弁１９とが設けられている。なお、図４に示す例では、吸気ポート１６の内側面にも断熱層１８１が形成されている。
【００５０】
吸気弁１８は、吸気弁開閉機構によって開閉される。吸気弁開閉機構には、吸気弁１８の開閉時期を変更可能な吸気開閉時期変更機構１８ａ（図６参照）が設けられており、運転条件等に応じて吸気弁１８の開閉時期が変更されるようになっている。
【００５１】
また、シリンダヘッド４には、気筒２内に燃料を噴射する燃料噴射装置２１と、気筒２内に臨界水を噴射する水噴射装置２２とが取り付けられている。図４に示すように、燃料噴射装置２１と水噴射装置２２とは、それぞれ先端が気筒２の中心軸付近に位置してキャビティ１０のほぼ中心部を臨むように、シリンダヘッド４に隣接して配置されている。
【００５２】
水噴射装置２２は、上記のように、水噴射用ポンプ６３から圧送された超臨界水を気筒２内に噴射する。水噴射装置２２は、その先端に噴射口を有し、噴射口の開口期間が変更されることで噴射水量が変更されるようになっている。水噴射装置２２としては、例えば、従来のエンジンに用いられる、燃料を気筒２内に噴射するための装置を適用することができ、その詳細な構造の説明は省略する。なお、水噴射装置２２は、例えば、２０ＭＰａ程度で気筒２内に超臨界水を噴射する。
【００５３】
燃料噴射装置２１は、図外の燃料ポンプにより圧送された燃料を気筒２内に噴射する。本実施形態では外開き弁式の燃料噴射装置２１が用いられている。燃料噴射装置２１の概略断面図である図５を用いて燃料噴射装置２１の構造を簡単に説明する。図５に示すように、燃料噴射装置２１は、先端にノズル口２１ｂが形成された燃料管２１ｃと、燃料管２１ｃの内側に配設されてノズル口２１ｂを開閉する外開き弁２１ａとを有する。外開き弁２１ａは、印加された電圧に応じて変形するピエゾ素子２１ｄに接続されており、このピエゾ素子２１ｄの変形に伴ってノズル口２１ｂから先端側に突き出してノズル口２１ｂを開弁する位置と、ノズル口２１ｂを閉弁する位置との間で変位する。
【００５４】
ここで、本実施形態では、全運転領域において燃料と空気との混合気を予め混合させて、この混合気を圧縮上死点（ＴＤＣ）付近で自着火させる予混合圧縮自着火燃焼が実施されるよう構成されている。これに伴い、図４に示した例では、エンジン本体１に気筒２内のガスに点火するための点火プラグが設けられていないが、冷間始動時等において混合気の適正な燃焼のために点火が必要な場合等には、適宜エンジン本体１に点火プラグを設けてもよい。
【００５５】
（３）制御系統
（３−１）システム構成
図６は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示すように、当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）１００によって統括的に制御される。ＰＣＭ１００（制御手段）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。
【００５６】
ＰＣＭ１００は、エンジンの運転状態を検出するための各種センサと電気的に接続されている。
【００５７】
例えば、シリンダブロック３には、クランク軸の回転角度および回転速度すなわち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３０のうちエアクリーナ３１とスロットルバルブ３２との間の部分には、エアクリーナ３１を通過して各気筒２に吸入される空気量（新気量）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。
【００５８】
ＰＣＭ１００は、上記各種センサからの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつ、エンジンの各部を制御する。すなわち、ＰＣＭ１００は、燃料噴射装置２１、水噴射装置２２、スロットルバルブ３２、排気シャッターバルブ４４、ＥＧＲバルブ５２、水噴射用ポンプ６３等の各部と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいて、これらの機器にそれぞれ駆動用の制御信号を出力する。
【００５９】
図７は、横軸がエンジン回転数、縦軸がエンジン負荷の制御マップを示している。本実施形態では、上述のように全運転領域において予混合圧縮着火燃焼が実施されるが、各運転条件において適正な予混合圧縮自着火燃焼が実現されるように、制御領域として、エンジン負荷が予め設定された基準負荷Ｔｑ１以下の低負荷領域Ａ１と、エンジン負荷が基準負荷Ｔｑ１よりも高い高負荷領域（臨界水噴射領域）Ａ２とが設定されている。以下に、各領域Ａ１、Ａ２の制御内容について説明する。
【００６０】
（３−２）低負荷領域
低負荷領域Ａ１では、要求されるエンジントルクが小さいため有効圧縮比を小さくすることができる。そこで、低負荷領域Ａ１では、ポンピングロスを小さく抑えてエネルギー効率を高めるべく有効圧縮比が小さい値とされる。例えば、有効圧縮比は１５よりも小さい値に抑えられる。具体的には、吸気開閉時期変更機構１８ａによって、吸気弁１８が吸気下死点よりも遅角側であって比較的遅い時期に閉弁され、これによって有効圧縮比が小さくされる。
【００６１】
低負荷領域Ａ１では、混合気の発熱量が小さく燃焼温度が比較的低いため、燃焼により生成されるＮＯｘ（いわゆるＲａｗ  ＮＯｘ）が少なく抑えられる。そのため、この領域Ａ１では、三元触媒４１によりＮＯｘを浄化させる必要がなく、空燃比を三元触媒によるＮＯｘ浄化が可能な理論空燃比にする必要がない。そこで、低負荷領域Ａ１では、燃費性能を高めるべく混合気の空燃比がリーンすなわち空気過剰率λ＞１とされる。
【００６２】
また、低負荷領域Ａ１では、圧縮行程後半（圧縮上死点前９０°ＣＡ〜圧縮上死点まで）に、燃料噴射装置２１によって気筒２内にすべての燃料が一括して噴射される。例えば、圧縮上死点前３０°ＣＡ付近に全燃料が気筒２内に噴射される。
【００６３】
ここで、燃料が気筒２内に噴射されてから着火するまでの時間である着火遅れ時間が短いと、噴射された燃料と空気とが十分に混合していない状態で燃焼が開始する。そのため、この場合には、気筒２内の圧力すなわち筒内圧が急増して燃焼騒音が悪化するという問題、また、スモークが悪化するという問題が生じる。
【００６４】
そこで、低負荷領域Ａ１では、燃着火遅れ時間が適正に確保されて、燃料と空気とが十分に混合した後に燃焼が開始するように、燃料および空気以外の物質すなわち不活性物質であるＥＧＲガスを気筒２内に還流する。すなわち、不活性物質であるＥＧＲガスを気筒２内に導入すれば、気筒２内の全ガス量に対する燃料および空気の割合が小さくされるとともに気筒２内のガス温度の上昇が小さく抑えられる。そのため、燃料と空気の反応速度を小さく抑えて着火遅れを長くすることができる。
【００６５】
具体的には、低負荷領域Ａ１では、ＥＧＲバルブ５２が開弁されて、排気通路４０内の排ガスの一部がＥＧＲガスとして吸気通路３０に還流される。また、エンジン負荷が非常に低く排気通路４０内の圧力すなわちＥＧＲ通路５１の上流側の圧力が低い運転領域では、排気シャッターバルブ４４が閉じ側に制御されてＥＧＲガスの還流が促進される。
【００６６】
本実施形態では、低負荷領域Ａ１において、燃料量に対する気筒２内の全ガス重量の割合であるＧ／Ｆが３５以上となるようにＥＧＲガスが還流される。
【００６７】
また、エンジン負荷が高く噴射される燃料量が多いほど着火遅れ時間が短くなりやすいことから、各エンジン負荷において着火遅れ時間が適正に確保されるように、エンジン負荷が高いほどＥＧＲ率（気筒２内の全物質の重量のうちＥＧＲガスの重量が占める割合）が大きくされる。図８の実線は、所定のエンジン回転数におけるエンジン負荷に対するＥＧＲ率を示したものである。この図８の実線に示すように、本実施形態では、低負荷領域Ａ１ではエンジン負荷に比例してＥＧＲガスの重量が高められる。
【００６８】
図８において、破線は、気筒２内の全物質の重量のうち水噴射装置２２から気筒２内に噴射された超臨界水の重量が占める割合である噴射水率を示したものである。この図８の破線に示されるように、低負荷領域Ａ１では、水噴射装置２２による気筒２内への超臨界水の噴射は停止される。そして、これに伴い水噴射用ポンプ６３の駆動が停止される。
【００６９】
このように、低負荷領域Ａ１では、気筒２内に導入される超臨界水の噴射量は０とされ、気筒２内に導入されるＥＧＲガス量よりも小さくされる。
【００７０】
ここで、上記のように、着火遅れ時間は、燃料が噴射されてから混合気が着火する時期までの時間であるが、本明細書において、着火時期とは、混合気の冷炎反応が終了して熱炎反応が開始する時期をいう。図９を用いて具体的に説明する。
【００７１】
図９は、予混合圧縮自着火燃焼を生じさせた際の噴射パルスと熱発生率との一例を模式的に示した図である。図９に示すように、予混合圧縮自着火燃焼では、時刻ｔ１で燃料を噴射した後（噴射Ｑの後）、温度圧力が所定値になる時刻ｔ２において混合気が酸化反応を開始し、これに伴い熱発生率は緩やかに上昇する、あるいは、緩やかに上昇した後一旦低下する。そして、その後、時刻ｔ３にて熱発生率は急激に上昇する。
【００７２】
本明細書では、上記時刻ｔ２から時刻ｔ３までに生じている反応であって冷却損失等を上回るわずかな発熱を伴う低温酸化反応を冷炎反応といい、この冷炎反応後の主たる燃焼を熱炎反応という。そして、この熱炎反応が開始した時期（図９における時刻ｔ３であって熱発生率が急激に立ち上がる時期）を着火時期といい、燃料が噴射された時期（図９における時刻ｔ１）から上記のように規定された着火時期（図９における時刻ｔ３）までの期間を着火遅れ時間という。なお、図９は横軸をクランク角で示しているが、着火遅れ時間はクランク角ではなく時間で表されるパラメータである。また、熱炎反応は、混合気の温度が１５００Ｋ程度以上となると生じることが知られている。そのため、混合気の温度が１５００Ｋ以上となる時期を着火時期とし、この時期までの時間を着火遅れ時間としてもよい。
【００７３】
（３−３）高負荷領域
高負荷領域Ａ２では、エンジントルクを確保するために有効圧縮比が低負荷領域Ａ１での有効圧縮比よりも大きくされる。本実施形態では、高負荷領域Ａ２において、有効圧縮比が１５以上とされる。具体的には、吸気開閉時期変更機構１８ａによって、吸気弁１８の閉弁時期が低負荷領域Ａ１における閉弁時期よりも進角側とされ、これによって有効圧縮比が低負荷領域Ａ１よりも高くされる。
【００７４】
高負荷領域Ａ２では、三元触媒によるＮＯｘ浄化が可能となるように、空燃比が理論空燃比とされる。すなわち、空気過剰率λが１とされる。
【００７５】
高負荷領域Ａ２では、エンジン負荷が高く気筒２内に噴射される燃料が多いため、一度にこの多量の燃料を気筒２内に噴射したのでは燃料と空気とが十分に混合しない状態で燃焼が開始するおそれがある。そこで、高負荷領域Ａ２では、図１０に示すように、複数回に分けて気筒２内に燃料を噴射する。図１０は、高負荷領域Ａ２における噴射パターンの一例を示したものである。この図１０に示すように、高負荷領域Ａ２では、高負荷領域Ａ２では、圧縮行程前半（吸気下死点〜圧縮上死点前９０°ＣＡまで）に比較的多量の燃料を噴射する第１噴射Ｑ１が実施され、圧縮行程後半に残りの燃料の一部を噴射する第２噴射Ｑ２が実施され、さらにその後圧縮上死点よりもわずかに進角側の時期に残りの燃料を噴射する第３噴射Ｑ３が実施される。
【００７６】
第１噴射Ｑ１は、混合気を均質化させるための噴射である。すなわち、第１噴射Ｑ１によって圧縮行程前半に多量の燃料が噴射されることで、圧縮上死点付近すなわち燃焼開始前の燃焼室６内の混合気は均質化される。第１噴射Ｑ１は、例えば圧縮上死点前１５０°ＣＡ付近で開始される。
【００７７】
第３噴射Ｑ３は、混合気をより遅角側で自着火させるための噴射であり、第３噴射Ｑ３が圧縮行程後半に実施されることで、第１噴射Ｑ１によって生成された均質な混合気が圧縮上死点後に自着火する。第３噴射Ｑ３は、例えば圧縮上死点前１５°ＣＡ付近で開始される。
【００７８】
すなわち、高負荷領域Ａ２では、発熱量が多いことに伴い気筒２内の温度が高くなることから、圧縮上死点よりも前に燃焼が開始すると筒内圧（気筒２内の圧力）の絶対値および筒内圧の上昇率が非常に高くなり燃焼騒音が大きくなりやすい。そこで、本実施形態では、圧縮上死点付近で第３噴射Ｑ３を実施して、ピストンが下降している途中すなわち筒内圧が低下している途中で燃焼が開始し、これにより、筒内圧の絶対値および筒内圧の上昇率を小さく抑える。
【００７９】
第２噴射Ｑ２は、燃焼安定性を高めるための噴射である。すなわち、第３噴射Ｑ３によって圧縮上死点付近の比較的遅角側の時期で残りの燃料をすべて噴射した場合には、燃焼が開始するまでにピストン５の下降に伴って燃焼室６内の温度が燃焼可能な温度以下に低下して失火するおそれがある。そこで、本実施形態では、第３噴射Ｑ３の前に第２噴射Ｑ２を実施して、燃焼室６内の温度が圧縮上死点後においても燃焼可能な温度以上に維持されるようにする。第２噴射Ｑ２は、例えば圧縮上死点前３０°ＣＡ付近で実施される。
【００８０】
ここで、上記のように、着火遅れ時間が短いと燃料と空気との混合が不十分となり燃焼騒音やスモークが悪化するおそれがあるため、着火遅れ時間を長くする必要がある。また、特に高負荷領域Ａ２では、上記のように燃焼騒音の悪化を回避するために圧縮上死点後であってより遅角側で燃焼を開始させることが望ましく、この点からも着火遅れを長くするのが望ましい。
【００８１】
これに対して、本実施形態では、高負荷領域Ａ２において、着火遅れ時間を長くするために、水噴射装置２２によって気筒２内に超臨界水が噴射される。すなわち、着火時期までに不活性物質である水が気筒２内に供給されれば、気筒２内の酸素濃度が低下するので燃料と空気の反応速度を小さく抑えて着火遅れ時間を長くすることができる。なお、ここでいう着火遅れ時間は、混合気が熱炎反応を起こす前の最後に実施される燃料噴射すなわち上記噴射パターンにおける第３噴射Ｑ３から熱炎反応が開始するまでの時間である。
【００８２】
具体的には、水噴射装置２２から圧縮行程前半から膨張行程後半（圧縮上死点〜圧縮上死点後９０°ＣＡまで）の間に気筒２内に超臨界水が噴射される。また、水噴射装置２２は、第３噴射Ｑ３が終了してから混合気が着火する前に超臨界水の噴射を開始するとともに、冷炎反応期間と水噴射の実施期間とが重複するように超臨界水を噴射する。
【００８３】
本実施形態では、図１０に示すように、第３噴射Ｑ３の終了時期ｔ１１から圧縮上死点までの間の所定期間に気筒２内に超臨界水を噴射する第１水噴射Ｗ１が実施される（第３噴射Ｑ３の終了時期ｔ１１後に開始されて圧縮上死点前に終了される）とともに、圧縮上死点後であって着火時期ｔ１３までの間の時刻ｔ２２に第２水噴射Ｗ２が開始される。また、第１水噴射Ｗ１の開始時期ｔ２１が、冷炎反応の開始時期付近とされる。
【００８４】
なお、本実施形態では、第１水噴射Ｗ１の噴射量は運転条件によらずほぼ一定とされる一方、第２水噴射Ｗ２であって圧縮上死点後に行われる水噴射の噴射量はエンジン負荷の増大に伴って増大される。詳細には、第２水噴射Ｗ２は、噴射開始時期は運転条件によらずほぼ一定の時期に維持される一方、その噴射期間がエンジン負荷の増大に伴って増大するように設定されている。これに伴い、図８の破線に示すように、高負荷領域Ａ２では、噴射水率はエンジン負荷の増大に伴って増大される。
【００８５】
一方、高負荷領域Ａ２では、ＥＧＲ率が小さく抑えられる。本実施形態では、図８に示すように、高負荷領域Ａ２のうちエンジン負荷が低い領域でのみＥＧＲガスの還流が行われ、これよりもエンジン負荷の高い領域ではＥＧＲガスの還流が停止される。また、高負荷領域Ａ２のうちＥＧＲガスの還流を実施する領域では、エンジン負荷が高いほどＥＧＲ率が低減される。具体的には、高負荷領域Ａ２では、低負荷領域Ａ１におけるＥＧＲ率の最大値からエンジン負荷が高くなるほどＥＧＲ率が低減される。すなわち、ＥＧＲ率は、エンジン負荷の低い側から基準負荷Ｔｑ１に近づくほど増大され、基準負荷Ｔｑ１を超えるとエンジン負荷の増大に伴って低減される。
【００８６】
そして、本実施形態では、エンジン負荷が低い場合であって、高負荷領域Ａ２のうち切替負荷Ｔｑ２（＞基準負荷Ｔｑ１）よりもエンジン負荷の低い領域と、低負荷領域Ａ１とでは、噴射水率がＥＧＲ率よりも小さくされ、エンジン負荷が切替負荷Ｔｑ２以上の場合は、ＥＧＲ率が噴射水率よりも小さくされる。すなわち、エンジン負荷が切替負荷Ｔｑ２未満の場合は、気筒２内に噴射される超臨界水量が気筒２内に導入されるＥＧＲガスの量よりも少なくされ、エンジン負荷が切替負荷Ｔｑ２以上の場合は、気筒２内に導入されるＥＧＲガスの量が気筒２内に噴射される超臨界水量よりも少なくされる。
【００８７】
高負荷領域Ａ２において、このようにＥＧＲガスの還流を停止あるいはＥＧＲ率を低減して超臨界水の噴射を実施する理由を次に説明する。
【００８８】
高負荷領域Ａ２では、エンジン負荷が高く噴射される燃料量が多いため着火遅れ時間が短くなりやすい。そのため、ＥＧＲガスの還流により着火遅れ時間を適正量確保しようとすると、多量のＥＧＲガスが必要となる。しかしながら、高負荷領域Ａ２では、エンジン負荷が高いことに伴い燃焼に必要な空気量すなわち気筒２内に導入すべき空気量が多くなる。そのため、高負荷領域Ａ２では、気筒２内に適正な量のＥＧＲガスを導入するのが困難になる。
【００８９】
ここで、過給を行えばＥＧＲガスの導入量を増大させることができる。しかしながら、過給を行うと気筒２内の圧力が高くなる。そして、気筒２内の圧力および温度が高くなると着火遅れ時間が短くなってしまう。
【００９０】
このように、高負荷領域Ａ２では、多量のＥＧＲガスの導入が困難である、また、多量のＥＧＲガスを導入しても過給を伴うことで気筒２内の圧力が高くなってしまい、着火遅れを十分に長くできない。
【００９１】
これに対して、上記のように、気筒２内に超臨界水を噴射する構成では、過給を行うことなく、すなわち、気筒２内の圧力を高めることなく、気筒２内に多量の不活性物質を導入することができ、着火遅れ時間を長くすることができる。
【００９２】
そこで、高負荷領域Ａ２では、ＥＧＲガスの還流を停止あるいはＥＧＲ率を低減して超臨界水の噴射を実施する。
【００９３】
そこで、高負荷領域Ａ２では、ＥＧＲガスの還流を停止あるいはＥＧＲ率を低減して超臨界水の噴射を実施する。そして、高負荷領域Ａ２のうちより高負荷側の領域（エンジン負荷が切替負荷Ｔｑ２以上の領域）では、ＥＧＲ率よりも噴射水率を大きくする。
【００９４】
図１１（ａ）に、水噴射を行わない場合であってＥＧＲ率を変化させたときの混合気の温度変化を示す。また、図１１（ｂ）に、ＥＧＲガスの還流を行わない場合であって超臨界水の噴射量を変化させたときの混合気の温度変化を示す。図１１（ａ）において、ＬＥ１、ＬＥ２、ＬＥ３はそれぞれ順にＥＧＲ率が約２０％、４０％、６０％であって過給圧がそれぞれ約１．０４ｂａｒ、１．３８ｂａｒ、２．０７ｂａｒ（絶対圧）のときの混合気温度である。図１１（ｂ）において、ＬＷ１、ＬＷ２、ＬＷ３はそれぞれ順に燃料量に対する超臨界水の噴射量の割合が約１倍、３倍、４倍のときの混合気温度である。なお、この超臨界水の噴射時は、過給は行われていない。
【００９５】
これら図に示されるように、ＥＧＲ率あるいは水の噴射量の割合を増大させるといずれの場合でも着火時期（混合気の温度が着火温度（１５００Ｋ）以上となる時期）が遅角側となり着火遅れ時間は増大する。しかしながら、図１１（ａ）と図１１（ｂ）との比較から明らかなように、着火遅れ時間の最大値は超臨界水噴射時の方が長くなる。例えば、ＥＧＲ実施時の場合では、ＥＧＲ率を６０％まで高めても（ＬＥ３）、水噴射量を燃料の３倍程度としたとき（ＬＷ２）と同程度の着火遅れしか得られない。これに対して、超臨界水噴射の場合では、水噴射量をさらに増大させて着火遅れを長くすることができる。
【００９６】
ここで、気筒２内に噴射する不活性物質として超臨界水ではなく通常の気体の水を噴射することが考えられる。しかしながら、上記のように通常の気体の水は密度が小さいため多量の水を効率よく気筒２内に導入することは困難である。
【００９７】
また、通常の液体の水を噴射することが考えられる。しかしながら、通常の液体の水は、高温の気筒２内に噴射されたときに水蒸気すなわち気体の水となる。そして、上記のように、通常の液体の水では水蒸気への変化時に潜熱を必要とする。そのため、通常の液体の水を噴射した場合には、水の蒸発に伴って混合気の温度が大幅に低下してしまい熱効率が悪化する。
【００９８】
そこで、本実施形態では、上記のように、潜熱を必要とせずかつ密度の高い超臨界水を不活性物質として気筒２内に噴射するとともに、混合気の着火前に水が超臨界水の状態で存在するように、圧縮行程後半から膨張行程前半（圧縮上死点〜圧縮上死点後９０°ＣＡまで）の高温高圧の気筒内に超臨界水を噴射する。
【００９９】
また、水噴射の噴射開始時期として、燃料の噴射が終了するよりも前に気筒２内に超臨界水を噴射することが考えられる。しかしながら、本発明者らは、鋭意研究の結果、水噴射の噴射タイミングを燃料噴射（第３噴射Ｑ３）よりも後にした方が、これよりも前にする場合に比べて着火遅れ時間を長くできることを突き止めた。
【０１００】
また、本発明者らは、燃料噴射の終了後であっても、冷炎反応前に超臨界水を噴射する場合よりも、冷炎反応中に超臨界水を噴射すればより着火遅れを長くできること、さらに、特に、冷炎反応の初期の段階で水が噴射されれば、酸化反応をより一層緩慢にすることができることを突き止めた。
【０１０１】
そこで、本実施形態では、上記のように、第１水噴射Ｗ１を圧縮上死点前であって冷炎反応中の特に初期の段階で実施する。また、第２水噴射Ｗ２を、第１水噴射Ｗ１と同様に冷炎反応中に開始させる。そして、各水噴射Ｗ１、Ｗ２の噴射期間と冷炎反応期間とを重複させる。
【０１０２】
ここで、圧縮上死点後に実施する第２水噴射Ｗ２は、上記のように着火遅れ時間を長くするという目的に加えて、エンジンの仕事量を増大させることを目的として実施する。すなわち、圧縮上死点後に気筒２内に水を噴射すれば、気筒２内のガス量（超臨界水を含む物質の量）を増大させて、膨張仕事を増大させることができる。そこで、本実施形態では、上記のように、第２水噴射Ｗ２を冷炎反応中かつ圧縮上死点後に開始させる。そして、第２水噴射Ｗ２の噴射量をエンジン負荷が高くなるほど増大させる。
【０１０３】
（４）作用等
以上のように、本実施形態では、高負荷領域Ａ２において、燃料の噴射が終了してから着火時期までの間で、かつ、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に、気筒２内への超臨界水の噴射が開始されることで、熱効率の悪化を抑制しながら着火遅れ時間を長くすることができる。そして、燃料と空気とが十分に混合した後に混合気の燃焼を開始させることができ、スモークの悪化や、筒内圧の急上昇ひいては燃焼騒音の増大を抑制してより適正な予混合圧縮自着火燃焼を実現することができる。また、高負荷領域Ａ２において、より遅角側で燃焼を開始させることができ、これによっても燃焼騒音の悪化を抑制することができる。
【０１０４】
特に、高負荷領域Ａ２のうちより高負荷側の領域（エンジン負荷が切替負荷Ｔｑ２以上の領域）では、ＥＧＲ率よりも噴射水率の方が大きくされており、着火遅れ時間をより確実に長くすることができる。
【０１０５】
また、本実施形態では、排熱回収装置６０を設けて、排ガス中の水および排ガスの熱エネルギーを利用して超臨界水を生成している。そのため、エネルギー効率を高めることができる。
【０１０６】
ここで、エンジン負荷が低い場合には排ガスの温度が低いために超臨界水を必要量生成できないおそれがある。また、不足したエネルギーを別途設けたヒータ等で補うようにした場合には、エネルギー効率が悪化してしまう。これに対して、本実施形態では、高負荷領域Ａ２であって排ガスの温度が高い運転領域でのみ超臨界水の噴射を実施しているので、エネルギー効率を高めることができる。
【０１０７】
（５）変形例
上記実施形態では、気筒２内に水として超臨界水が噴射される場合について説明したが、上述したように、亜臨界水であって超臨界水に近い性状を有する水を超臨界水の代わりに気筒２内に噴射してもよい。この場合であっても、密度が通常の水よりも高く潜熱が非常に小さいことから着火遅れ時間を長くすることができる。
【０１０８】
また、上記実施形態では、高負荷領域Ａ２でのみ超臨界水を気筒２内に噴射する場合について説明したが、超臨界水の噴射を実施する領域はこれに限らない。例えば、全運転領域で、超臨界水の噴射を実施してもよい。ただし、この場合であっても、第１領域Ａ１０において超臨界水の噴射量はＥＧＲガス量よりも小さくする。
【０１０９】
また、上記実施形態では、エンジン負荷が切替負荷Ｔｑ２以上においてＥＧＲガスの還流を停止させた場合について説明したが、エンジン負荷が切替負荷Ｔｑ２以上の場合にＥＧＲガスの還流を実施してもよい。ただし、この場合であっても、エンジン負荷が切替負荷Ｔｑ２以上の場合はＥＧＲ率を噴射水率よりも小さくする。
【０１１０】
また、切替負荷Ｔｑ２と基準負荷とを同じ負荷としてもよい。
【０１１１】
また、排熱回収装置６０を省略して、上記のように別途設けたヒータ等を用いて超臨界水を生成してもよい。ただし、上記のように排熱回収装置６０を用いればエネルギー効率を高くしつつ着火遅れを適正量確保することができる。
【０１１２】
また、高負荷領域Ａ２における有効圧縮比の具体的値は上記に限らない。ただし、上記実施形態では、高負荷領域Ａ２において着火遅れ時間をより確実に適正量確保することができる。そのため、上記のように高負荷領域Ａ２において有効圧縮比を１５以上と高い値にすれば、着火遅れ時間を確保しつつエンジントルクを高めることができる。
【０１１３】
また、燃料の噴射パターン、水噴射の噴射パターンは上記に限らない。例えば、第２水噴射Ｗ２を省略してもよい。ただし、上記のように、圧縮上死点後に第２水噴射Ｗ２を実施すれば、エンジントルクを高めることができる。
【０１１４】
また、断熱層７は省略可能である。ただし、断熱層７を設ければ、冷却損失を抑制することができ燃費性能を高めることができる。また、上記実施形態のように排熱回収装置６０を設ける場合には、断熱層７によって排ガスの温度を高めることができるため、超臨界水をより確実に生成することができる。
【符号の説明】
【０１１５】
１  エンジン本体
２  気筒
２１  水噴射装置
２２  燃料噴射装置
４２  熱交換器（昇温昇圧器）
４３  コンデンサー（凝縮器）
５１  ＥＧＲ通路
５２  ＥＧＲバルブ（ＥＧＲガス量調整手段）
６０  排熱回収装置（水加工装置）
１００  ＰＣＭ（制御手段）
Ｔｑ２  切替負荷
【図１】
0006350427.tif 000002
【図２】
0006350427.tif 000003
【図３】
0006350427.tif 000004
【図４】
0006350427.tif 000005
【図５】
0006350427.tif 000006
【図６】
0006350427.tif 000007
【図７】
0006350427.tif 000008
【図８】
0006350427.tif 000009
【図９】
0006350427.tif 000010
【図１０】
0006350427.tif 000011
【図１１】
0006350427.tif 000012