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JP2018172999A - Control device for premixed compression ignition engine - Google Patents

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JP2018172999A JP2017070350A JP2017070350A JP2018172999A JP 2018172999 A JP2018172999 A JP 2018172999A JP 2017070350 A JP2017070350 A JP 2017070350A JP 2017070350 A JP2017070350 A JP 2017070350A JP 2018172999 A JP2018172999 A JP 2018172999A
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雄司 原田
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慎一 藤巻
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義行 古賀
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  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Abstract

【課題】予混合圧縮着火式エンジンにおいて、スート(煤)の発生量および燃焼騒音がともに抑制された適正なHCCI燃焼を幅広い負荷域で実現する。【解決手段】負荷が所定値以上の第1運転領域でエンジンが運転されているときは、燃料噴射弁11による燃料噴射が終了した後、燃料が自着火する前の燃焼室10の外周部に水を偏在させることが可能なタイミングで、水噴射弁57から水を噴射させる。第1運転領域よりも負荷が低い第2運転領域でエンジンが運転されているときは、圧縮行程の後半に燃料が噴射されるとともに、当該燃料噴射が終了してから自着火による燃焼が終了するまでの期間内に水が噴射されるように、燃料噴射弁11および水噴射弁57を制御する。【選択図】図2PROBLEM TO BE SOLVED: To realize proper HCCI combustion in a wide load range in which both a soot (soot) generation amount and combustion noise are suppressed in a premixed compression ignition type engine. SOLUTION: When the engine is operated in a first operating region where the load is equal to or higher than a predetermined value, after the fuel injection by the fuel injection valve 11 is completed, the fuel is injected into the outer peripheral portion of the combustion chamber 10 before the fuel self-ignites. Water is jetted from the water jet valve 57 at a timing at which water can be unevenly distributed. When the engine is operating in the second operating region where the load is lower than in the first operating region, fuel is injected in the latter half of the compression stroke, and combustion by self-ignition ends after the fuel injection ends. The fuel injection valve 11 and the water injection valve 57 are controlled so that water is injected within the period up to. [Selection diagram] Figure 2

Description

本発明は、燃料を空気と混合しつつ自着火させる予混合圧縮着火燃焼(HCCI燃焼)が可能なエンジンに関する。   The present invention relates to an engine capable of premixed compression ignition combustion (HCCI combustion) in which fuel is self-ignited while being mixed with air.

上記のような予混合圧縮着火式エンジンの一例として、下記特許文献1のものが知られている。この特許文献1のエンジンでは、予め定められた予混燃焼領域での運転時に、排気通路に排出された排気ガスの一部をEGRガスとして燃焼室に導入しながら、圧縮上死点よりも早いタイミング(例えば圧縮上死点前60〜70°CA)で燃焼室に燃料を噴射する制御が行われる。このように、不活性ガスであるEGRガスが存在する燃焼室に燃料を噴射することにより、噴射した燃料を所定の着火遅れの後に自着火させることができ、これによってスート(煤)やNOxの発生量が少ない適正な燃焼を実現できるとされている。   As an example of the premixed compression ignition type engine as described above, one disclosed in Patent Document 1 below is known. In the engine of this Patent Document 1, during operation in a predetermined premixed combustion region, a part of the exhaust gas discharged into the exhaust passage is introduced into the combustion chamber as EGR gas and is earlier than the compression top dead center. Control is performed to inject fuel into the combustion chamber at timing (for example, 60 to 70 ° CA before compression top dead center). In this way, by injecting fuel into the combustion chamber in which EGR gas, which is an inert gas, is present, the injected fuel can be self-ignited after a predetermined ignition delay, and soot (NO) and NOx It is said that proper combustion with a small amount of generation can be realized.

ここで、エンジンの負荷が高くなると、負荷に見合った高出力を確保するために燃焼室に多量の空気(新気)を導入する必要がある。このため、エンジンの高負荷域では、十分な量のEGRガスを燃焼室に導入することができず、自着火の過早化や燃焼の急峻化を招くことが懸念される。これに対し、例えば大型の過給機をエンジンに適用すれば、空気およびEGRガスの双方を十分に燃焼室に導入できると考えられるが、この方法では、燃焼に伴って燃焼室の圧力が急激に上昇してしまい、大きな騒音が発生するという問題や、過給圧力の上昇に伴い冷却損失が増大するという問題がある。このため、過給のみに頼ることなく、空気(新気)の導入と燃焼の緩慢化とを両立することが求められていた。   Here, when the engine load increases, it is necessary to introduce a large amount of air (fresh air) into the combustion chamber in order to ensure a high output corresponding to the load. For this reason, in the high load region of the engine, a sufficient amount of EGR gas cannot be introduced into the combustion chamber, and there is a concern that self-ignition may be accelerated or combustion may be abrupt. On the other hand, for example, if a large turbocharger is applied to the engine, it is considered that both air and EGR gas can be sufficiently introduced into the combustion chamber. However, in this method, the pressure in the combustion chamber suddenly increases with combustion. There is a problem that a large noise is generated and a cooling loss increases with an increase in supercharging pressure. For this reason, it has been required to achieve both introduction of air (fresh air) and slowing of combustion without relying only on supercharging.

上記の要求に応えるための方法として、燃焼室に直接水を噴射することが提案される。この方法であれば、空気量の不足を招くことなく所要量の水を気筒内に供給できるので、十分な出力トルクを確保しながら、燃焼騒音が過大にならない程度に燃焼をコントロールできる可能性がある。   As a method for meeting the above requirements, it is proposed to inject water directly into the combustion chamber. With this method, the required amount of water can be supplied into the cylinder without causing a shortage of air, so there is a possibility that combustion can be controlled to an extent that combustion noise is not excessive while ensuring sufficient output torque. is there.

上記のような燃焼室への水噴射を採用したエンジンとして、下記特許文献2のものが知られている。この特許文献2のエンジンは、例えば燃焼室の吸気側の側方位置に水噴射弁を備えており、この水噴射弁から燃焼室に向けて斜め下方に水が噴射されるようになっている。そして、エンジンの低負荷運転時には、ピストンの冠面におけるキャビティの底面に水が付着するようなタイミングで水噴射弁から水が噴射されるとともに、エンジンの高負荷運転時には、キャビティより上方の燃焼室中央に水が供給されるようなタイミングで水噴射弁から水が噴射される。   As an engine that employs water injection into the combustion chamber as described above, one disclosed in Patent Document 2 is known. The engine disclosed in Patent Document 2 includes a water injection valve at a side position on the intake side of a combustion chamber, for example, and water is injected obliquely downward from the water injection valve toward the combustion chamber. . During low load operation of the engine, water is injected from the water injection valve at a timing such that water adheres to the bottom surface of the cavity in the crown surface of the piston, and during high load operation of the engine, the combustion chamber above the cavity Water is injected from the water injection valve at a timing such that water is supplied to the center.

特開2009−209809号公報JP 2009-209809 A 特開2008−175078号公報JP 2008-175078 A

ただし、上記特許文献2の技術は、点火プラグを用いて混合気を強制着火させる火花点火式エンジンを対象にしたものであり、予混合圧縮着火式エンジンは対象とされていない。予混合圧縮着火式エンジンに同様の水噴射を適用することも考えられるが、仮にそうした場合には、次のような問題が生じると考えられる。   However, the technique disclosed in Patent Document 2 is directed to a spark ignition engine that uses a spark plug to forcibly ignite an air-fuel mixture, and does not target a premixed compression ignition engine. Although it is conceivable to apply the same water injection to a premixed compression ignition type engine, in such a case, the following problems are considered to occur.

すなわち、上記特許文献2のように、エンジンの高負荷運転時に燃焼室中央部に向けて水を噴射した場合、燃焼室の外周部よりも高温になり易い中央部が噴射水により冷却される結果、燃焼室の温度分布が均一化されて、混合気の多くが同等のタイミングで自着火する可能性がある。この場合、多くの燃料が短期間の間に燃焼することになるので、やはり急激な圧力上昇が起きて燃焼騒音が増大することが懸念される。   That is, as in Patent Document 2, when water is injected toward the center of the combustion chamber during high-load operation of the engine, the center that is likely to be hotter than the outer periphery of the combustion chamber is cooled by the injection water. There is a possibility that the temperature distribution in the combustion chamber is made uniform and most of the air-fuel mixture self-ignites at the same timing. In this case, since a large amount of fuel burns in a short period of time, there is a concern that a sudden pressure increase will occur and combustion noise will increase.

また、上記特許文献2では、エンジンの低負荷運転時の水噴射により冷却損失が低減するとされているが、水噴射だけでは十分な効果が得られない可能性がある。   Moreover, in the said patent document 2, although it is supposed that a cooling loss will be reduced by the water injection at the time of an engine low load driving | running, sufficient effect may not be acquired only by water injection.

具体的に、上記特許文献2では、エンジンの低負荷運転時に噴射された水がピストンのキャビティ底面に付着して水膜が形成される結果、燃焼熱のピストンへの伝達(伝熱)が抑制され、冷却損失が低減するとされている。しかしながら、上記特許文献2では、燃焼室の全体で混合気が燃焼する(つまりキャビティの外側でも燃焼が起きる)ので、上記のようにキャビティの底面に水膜を形成したところで、ピストンへの伝熱を抑制する効果はあくまで限定的なものに留まる。もちろん、キャビティの内部に燃料を集中させて燃焼領域を小範囲に限定すれば、上述した伝熱の抑制効果は高まると考えられるが、むやみに燃焼領域を限定すると、局所的に非常に燃料リッチな混合気が形成されてしまい、スートの発生量が増大するという問題がある。   Specifically, in Patent Document 2, water injected during low-load operation of the engine adheres to the bottom surface of the cavity of the piston to form a water film, thereby suppressing combustion heat transfer (heat transfer) to the piston. The cooling loss is supposed to be reduced. However, in Patent Document 2, since the air-fuel mixture burns in the entire combustion chamber (that is, combustion occurs outside the cavity), when the water film is formed on the bottom surface of the cavity as described above, heat transfer to the piston is performed. The effect of suppressing is only limited. Of course, if the fuel is concentrated inside the cavity and the combustion region is limited to a small range, it is thought that the effect of suppressing the above-described heat transfer is enhanced. However, if the combustion region is limited unnecessarily, it is extremely fuel-rich locally. There is a problem that a large air-fuel mixture is formed and the amount of soot is increased.

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、スートの発生量および燃焼騒音がともに抑制された適正なHCCI燃焼を幅広い負荷域で実現可能な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。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a control device for a compression ignition engine capable of realizing proper HCCI combustion in which both the amount of generated soot and combustion noise are suppressed in a wide load range. The purpose is to provide.

前記課題を解決するためのものとして、本発明は、気筒に往復動可能に収容されたピストンと、気筒の壁面とピストンとにより画成された燃焼室にガソリンを含有する燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃焼室に水を噴射する水噴射弁とを備え、前記燃料噴射弁から噴射された燃料を空気と混合しつつ自着火により燃焼させる予混合圧縮着火燃焼が可能なエンジンを制御する装置であって、前記燃料噴射弁からの燃料の噴射量および噴射タイミングを制御する燃料噴射制御部と、前記水噴射弁からの水の噴射量および噴射タイミングを制御する水噴射制御部とを備え、負荷が所定値以上の第1運転領域でエンジンが運転されているとき、前記水噴射制御部は、燃料が自着火する直前の燃焼室の外周部に水が偏在させられるように、前記燃料噴射弁による燃料噴射が終了した後の所定のタイミングで前記水噴射弁から水を噴射させ、前記第1運転領域よりも負荷が低い第2運転領域でエンジンが運転されているとき、前記燃料噴射制御部および水噴射制御部は、圧縮行程の後半に燃料が噴射されるとともに、当該燃料噴射が終了してから前記自着火による燃焼が終了するまでの期間内に水が噴射されるように、前記燃料噴射弁および水噴射弁を制御する、ことを特徴とするものである(請求項1)。   In order to solve the above problems, the present invention relates to a fuel injection for injecting a fuel containing gasoline into a combustion chamber defined by a piston accommodated in a cylinder so as to be reciprocable, and a wall surface of the cylinder and the piston. An apparatus for controlling an engine capable of premixed compression ignition combustion, comprising a valve and a water injection valve for injecting water into a combustion chamber, wherein the fuel injected from the fuel injection valve is mixed with air and burned by self-ignition The fuel injection control unit for controlling the fuel injection amount and the injection timing from the fuel injection valve, and the water injection control unit for controlling the water injection amount and the injection timing from the water injection valve, When the engine is operated in the first operation region where the load is equal to or greater than a predetermined value, the water injection control unit causes the fuel injection so that water is unevenly distributed on the outer peripheral portion of the combustion chamber immediately before the fuel self-ignites. valve When the engine is operated in the second operation region where the load is lower than that in the first operation region, water is injected from the water injection valve at a predetermined timing after the fuel injection by the fuel injection is completed, and the fuel injection control unit And the water injection controller controls the fuel so that fuel is injected in the latter half of the compression stroke and water is injected within a period from the end of the fuel injection to the end of combustion by the self-ignition. The injection valve and the water injection valve are controlled (claim 1).

本発明によれば、高負荷側の第1運転領域において、燃焼室の外周部に水を偏在させる水噴射が燃焼の開始(自着火)前に実行されるので、燃焼の開始前に燃焼室の外周部が水によって冷却されることにより、高温になり易い燃焼室の中央部に比して外周部の温度が十分に低下し、燃焼室の中央部と外周部との温度差が拡大する。これにより、燃焼室の中央部と外周部とで燃料の着火時期に有意な差が生じるようになる(外周部での着火時期が中央部での着火時期よりも遅れる)ので、燃焼の進行が緩やかになり、燃焼室の圧力上昇率(dp/dθ)の最大値が過大になるのを防止することができる。このように、燃焼室の温度差を拡大して燃焼を緩慢化することにより、燃料の噴射量(つまり熱発生量)が多く燃焼が急峻になり易い高負荷条件下であっても、燃焼騒音を適正なレベルに抑えることができる。   According to the present invention, in the first operating region on the high load side, water injection that causes water to be unevenly distributed on the outer peripheral portion of the combustion chamber is performed before the start of combustion (self-ignition). When the outer periphery of the chamber is cooled by water, the temperature of the outer periphery is sufficiently lowered as compared with the center of the combustion chamber, which is likely to become high temperature, and the temperature difference between the center and the outer periphery of the combustion chamber is expanded. . As a result, a significant difference occurs in the fuel ignition timing between the central portion and the outer peripheral portion of the combustion chamber (the ignition timing at the outer peripheral portion is later than the ignition timing at the central portion), so that the progress of combustion proceeds. It becomes gentle, and it is possible to prevent the maximum value of the rate of increase in pressure (dp / dθ) in the combustion chamber from becoming excessive. In this way, by increasing the temperature difference in the combustion chamber and slowing down the combustion, even under high load conditions where the amount of fuel injection (ie, heat generation amount) is large and combustion tends to be sharp, combustion noise Can be suppressed to an appropriate level.

また、低負荷側の第2運転領域では、圧縮行程の後半という比較的遅い時期に燃料噴射が実行されるので、噴射量が少なく燃料のペネトレーションが弱いこととの相乗効果により、燃料が自着火する前の時点で、燃焼室の一部にのみ燃料が偏在する状態が得られる。このような状態で燃料が自着火すると、燃焼領域(火炎が拡がる領域)が比較的狭い範囲に限定されるので、火炎が燃焼室の壁面に接触する面積を小さくでき、冷却損失を効果的に低減することができる。ただし、燃料が偏在する領域では過剰にリッチな混合気が形成される可能性があり、それに伴いスートの発生量が増大することが懸念される。これに対し、本発明では、圧縮上死点の直後に開始される水噴射によって、燃焼が継続中の高温の燃焼室に水が供給されて気化し、その気化後の水蒸気が燃焼反応に寄与するOHラジカルを増大させる作用をもたらすので、当該OHラジカルによる強力な酸化作用により、炭素(C)の酸化が促進される(CO等に変換される)結果、スートの発生量を効果的に抑制することができる。 In the second operating region on the low load side, fuel injection is performed at a relatively late time in the second half of the compression stroke. Therefore, the fuel is self-ignited due to a synergistic effect with the small injection amount and weak fuel penetration. At a time before the fuel is obtained, the fuel is unevenly distributed only in a part of the combustion chamber. When the fuel self-ignites in such a state, the combustion region (region where the flame spreads) is limited to a relatively narrow range, so the area where the flame contacts the wall surface of the combustion chamber can be reduced, and the cooling loss is effectively reduced. Can be reduced. However, there is a possibility that an excessively rich air-fuel mixture may be formed in a region where the fuel is unevenly distributed, and there is a concern that the amount of soot generated increases accordingly. On the other hand, in the present invention, water is supplied to a high-temperature combustion chamber where combustion is continued and vaporized by water injection started immediately after compression top dead center, and the vaporized water contributes to the combustion reaction. As a result, the oxidization of carbon (C) is promoted (converted into CO 2 or the like) by the strong oxidation action by the OH radical, so that the generation amount of soot is effectively reduced. Can be suppressed.

好ましくは、前記水噴射弁は、前記燃焼室の天井面の中央付近から前記ピストンに向けて放射状に水を噴射するように設けられ、前記第1運転領域での運転時、前記水噴射制御部は、圧縮行程の前期から中期までの期間内に前記水噴射弁から水を噴射させる(請求項2)。   Preferably, the water injection valve is provided so as to inject water radially from the vicinity of the center of the ceiling surface of the combustion chamber toward the piston, and when operating in the first operation region, the water injection control unit Injects water from the water injection valve during the period from the first period to the middle period of the compression stroke (claim 2).

このように、圧縮行程の前期ないし中期に燃焼室の天井面の中央付近から放射状に水を噴射させるようにした場合には、噴射した水をピストンの冠面の外周部または気筒の周壁に指向させることができ、この噴射水によって燃焼室の外周部に水が偏在する状態を適正につくり出すことができる。   Thus, when water is injected radially from the vicinity of the center of the ceiling surface of the combustion chamber in the first to middle stages of the compression stroke, the injected water is directed to the outer peripheral portion of the crown surface of the piston or the peripheral wall of the cylinder. A state where water is unevenly distributed in the outer peripheral portion of the combustion chamber can be appropriately created by the jet water.

好ましくは、前記第2運転領域での運転時、前記水噴射制御部は、前記自着火による燃焼の継続期間中に水噴射が開始されるように前記水噴射弁を制御する(請求項3)。   Preferably, during operation in the second operation region, the water injection control unit controls the water injection valve so that water injection is started during a duration of combustion by the self-ignition (Claim 3). .

この構成によれば、燃焼が継続している最中の燃焼室に適正に水を供給することができ、その水(気化後の水蒸気)がもたらすOHラジカルの増大作用によりスートの発生量を効果的に抑制することができる。   According to this configuration, water can be appropriately supplied to the combustion chamber in which combustion is continuing, and the amount of soot generated is effectively increased by the action of increasing OH radicals brought about by the water (water vapor after vaporization). Can be suppressed.

好ましくは、前記第1運転領域および第2運転領域は、いずれもエンジンの回転速度が所定値未満となる低速側の速度域に設定される(請求項4)。   Preferably, each of the first operation region and the second operation region is set to a low speed region where the engine speed is less than a predetermined value.

この構成によれば、燃焼騒音およびスートの問題が顕在化し易い低速域においてこれらの問題に適切に対処することができる。すなわち、単位時間あたりのクランク角変化量が小さい低速域では、圧縮上死点近くの高温・高圧環境下で燃焼が起きる期間が時間の上で長くなるので、高速域に比べて燃焼騒音が大きくなり易く、またスートの発生量も増大し易い。これに対し、前記構成では、回転速度が所定値未満の速度域において、燃焼の緩慢化または炭素の酸化促進につながる上述した2種類の水噴射が負荷に応じてそれぞれ実行されるので、これらの水噴射によって燃焼騒音およびスートの発生量を効果的に抑制することができる。   According to this configuration, it is possible to appropriately cope with these problems in a low speed region where combustion noise and soot problems are likely to become apparent. That is, in the low speed range where the amount of change in the crank angle per unit time is small, the combustion occurs in a high temperature and high pressure environment near the compression top dead center, and the combustion noise is larger than that in the high speed range. The amount of soot is likely to increase. On the other hand, in the above-described configuration, the above-described two types of water injection that lead to slowing of combustion or promotion of carbon oxidation are executed according to the load in a speed range where the rotational speed is less than a predetermined value. The amount of combustion noise and soot generation can be effectively suppressed by water injection.

好ましくは、前記水噴射弁は、前記燃焼室から排出された排気ガスとの熱交換により加熱された水を噴射するものである(請求項5)。   Preferably, the water injection valve injects water heated by heat exchange with the exhaust gas discharged from the combustion chamber.

この構成によれば、噴射された水により燃焼室が過度に冷却されて出力トルクが低下するのを防止することができる。特に、負荷が低い第2運転領域では、噴射水の高温化によって、OHラジカルの増大にかかる所要時間(噴射された水が気化してOHラジカルを増大させるまでに要する時間)が短縮されるので、スートの抑制効果をより高めることができる。しかも、排気ガスの熱を利用して水を加熱するので、加熱のために無駄なエネルギーが消費されることがなく、エネルギー効率を良好に維持することができる。   According to this configuration, it is possible to prevent the output torque from being lowered due to excessive cooling of the combustion chamber by the injected water. In particular, in the second operating region where the load is low, the time required for increasing the OH radicals (the time required for the injected water to vaporize and increase the OH radicals) is shortened by increasing the temperature of the jet water. In addition, the effect of suppressing soot can be further enhanced. In addition, since the water is heated using the heat of the exhaust gas, useless energy is not consumed for heating, and energy efficiency can be maintained satisfactorily.

以上説明したように、本発明の圧縮着火式エンジンの制御装置によれば、スートの発生量および燃焼騒音がともに抑制された適正なHCCI燃焼を幅広い負荷域で実現することができる。   As described above, according to the compression ignition engine control apparatus of the present invention, appropriate HCCI combustion in which both the generation amount of soot and combustion noise are suppressed can be realized in a wide load range.

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全体構成を示す図である。It is a figure showing the whole premixed compression ignition type engine composition concerning one embodiment of the present invention. エンジン本体の断面図である。It is sectional drawing of an engine main body. エンジンの制御系統を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the control system of an engine. エンジンの運転条件に応じた制御の相違を示すマップ図である。It is a map figure which shows the difference in control according to the driving | running condition of an engine. 低速・高負荷域(第1運転領域)での燃料噴射および水噴射の態様を説明するためのタイムチャートである。It is a time chart for demonstrating the aspect of the fuel injection and water injection in a low speed and high load area | region (1st operation area | region). 低速・低負荷域(第2運転領域)での燃料噴射および水噴射の態様を説明するためのタイムチャートである。It is a time chart for demonstrating the aspect of the fuel injection and water injection in a low speed and low load area | region (2nd driving | operation area | region). 高速・高負荷域(第3運転領域)での燃料噴射および水噴射の態様を説明するためのタイムチャートである。It is a time chart for demonstrating the aspect of fuel injection and water injection in a high-speed and high load area | region (3rd operation area | region). 上記第1運転領域での水噴射による作用を説明するための動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing for demonstrating the effect | action by water injection in the said 1st driving | operation area | region. 上記第2運転領域での水噴射による作用を説明するための動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing for demonstrating the effect | action by the water injection in the said 2nd driving | operation area | region. 上記第3運転領域での水噴射による作用を説明するための動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing for demonstrating the effect | action by the water injection in the said 3rd driving | operation area | region. 超臨界水および亜臨界水の性質について説明するための水の状態変化図である。It is a state change figure of water for explaining the nature of supercritical water and subcritical water.

(1)エンジンの全体構成
図1および図2は、本発明の制御装置が適用された予混合圧縮着火式エンジン(以下、単にエンジンともいう)の好ましい実施形態を示す図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された4サイクルのガソリンエンジンであり、列状に並ぶ4つの気筒2を含む直列多気筒型のエンジン本体1と、エンジン本体1に導入される吸気が流通する吸気通路20と、エンジン本体1から排出される排気ガスが流通する排気通路30と、排気通路30を流通する排気ガスの一部を吸気通路20に還流するEGR装置40と、排気通路30を流通する排気ガスから取り出した水をエンジン本体1の各気筒2に供給する水供給システム50とを備えている。
(1) Overall Configuration of Engine FIGS. 1 and 2 are views showing a preferred embodiment of a premixed compression ignition engine (hereinafter also simply referred to as an engine) to which the control device of the present invention is applied. The engine shown in the figure is a four-cycle gasoline engine mounted on a vehicle as a driving power source, and includes an in-line multi-cylinder engine main body 1 including four cylinders 2 arranged in a row, and an engine main body 1. An intake passage 20 through which intake air introduced into the engine flows, an exhaust passage 30 through which exhaust gas discharged from the engine body 1 flows, and an EGR device that recirculates part of the exhaust gas flowing through the exhaust passage 30 to the intake passage 20 40, and a water supply system 50 that supplies water extracted from the exhaust gas flowing through the exhaust passage 30 to each cylinder 2 of the engine body 1.

エンジン本体1は、図2に示すように、気筒2が内部に形成されたシリンダブロック3と、気筒2を上から塞ぐようにシリンダブロック3の上面に取り付けられたシリンダヘッド4と、各気筒2にそれぞれ往復動可能に収容されたピストン5とを有している。   As shown in FIG. 2, the engine body 1 includes a cylinder block 3 in which the cylinder 2 is formed, a cylinder head 4 attached to the upper surface of the cylinder block 3 so as to close the cylinder 2 from above, and each cylinder 2. And a piston 5 accommodated in a reciprocating manner.

ピストン5の上方には燃焼室10が画成されている。燃焼室10には、後述する燃料噴射弁11から噴射される燃料(ガソリンを主成分とする燃料)が供給される。そして、供給された燃料が燃焼室10で燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン5が上下方向に往復運動するようになっている。   A combustion chamber 10 is defined above the piston 5. The combustion chamber 10 is supplied with fuel (a fuel mainly composed of gasoline) injected from a fuel injection valve 11 described later. The supplied fuel burns in the combustion chamber 10, and the piston 5 pushed down by the expansion force due to the combustion reciprocates in the vertical direction.

ピストン5の下方には、エンジン本体1の出力軸であるクランク軸15が配設されている。クランク軸15は、ピストン5とコネクティングロッド14を介して連結され、ピストン5の往復運動に応じて中心軸回りに回転する。シリンダブロック3には、クランク軸15の回転角度(クランク角)および回転速度(エンジン回転速度)を検出するクランク角センサSN1が設けられている。   Below the piston 5, a crankshaft 15 that is an output shaft of the engine body 1 is disposed. The crankshaft 15 is connected to the piston 5 via the connecting rod 14 and rotates around the central axis according to the reciprocating motion of the piston 5. The cylinder block 3 is provided with a crank angle sensor SN1 that detects a rotation angle (crank angle) and a rotation speed (engine rotation speed) of the crankshaft 15.

ピストン5の冠面(上面)には、その中央部をシリンダヘッド4とは反対側(下方)に凹ませたキャビティ5aが形成されている。キャビティ5aは、ピストン5が上死点まで上昇したときの燃焼室10の大部分を占める容積を有するように形成されている。   A cavity 5 a is formed in the crown surface (upper surface) of the piston 5, with its central portion recessed on the opposite side (downward) from the cylinder head 4. The cavity 5a is formed to have a volume that occupies most of the combustion chamber 10 when the piston 5 rises to the top dead center.

シリンダヘッド4には、図外の燃料ポンプから供給されるガソリンを主成分とする燃料を各気筒2の燃焼室10に噴射する燃料噴射弁11が、気筒2ごとに1つずつ(合計4つ)設けられている。各燃料噴射弁11は、気筒2の中心軸に対しやや傾いた姿勢で、後述する水噴射弁57と隣接するように設けられている。なお、図1に示すように、燃料噴射弁11の上方には、上記燃料ポンプから供給された燃料を蓄圧状態で貯留する燃料レール16が設けられている。この燃料レール16に貯留された燃料は、燃料噴射弁11と同数の(4つの)分配管17を通じて各燃料噴射弁11に供給される。   The cylinder head 4 has one fuel injection valve 11 for injecting fuel mainly composed of gasoline supplied from a fuel pump (not shown) into the combustion chamber 10 of each cylinder 2 for each cylinder 2 (four in total). ) Is provided. Each fuel injection valve 11 is provided so as to be adjacent to a water injection valve 57 to be described later in a slightly inclined posture with respect to the central axis of the cylinder 2. As shown in FIG. 1, a fuel rail 16 is provided above the fuel injection valve 11 to store the fuel supplied from the fuel pump in a pressure accumulation state. The fuel stored in the fuel rail 16 is supplied to each fuel injection valve 11 through the same number (four) of distribution pipes 17 as the fuel injection valves 11.

燃料噴射弁11は、気筒2の中心軸の近傍において燃焼室10に露出する先端部を有し、当該先端部に設けられた複数の噴孔(図示省略)を通じて放射状に燃料を噴射することが可能である。燃料噴射弁11の先端部は、ピストン5が圧縮上死点にあるときに当該ピストン5のキャビティ5aを臨むような位置に配置されている。燃料噴射弁11からは吸気行程または圧縮行程中に燃料が噴射され、噴射された燃料は、燃焼室10に導入された空気(吸気)と混合された後に、例えば圧縮上死点の近傍で自着火する。   The fuel injection valve 11 has a tip portion exposed to the combustion chamber 10 in the vicinity of the central axis of the cylinder 2 and can inject fuel radially through a plurality of injection holes (not shown) provided in the tip portion. Is possible. The tip of the fuel injection valve 11 is disposed at a position facing the cavity 5a of the piston 5 when the piston 5 is at the compression top dead center. Fuel is injected from the fuel injection valve 11 during the intake stroke or the compression stroke, and the injected fuel is mixed with air (intake air) introduced into the combustion chamber 10 and then, for example, in the vicinity of the compression top dead center. Ignite.

すなわち、当実施形態のエンジンでは、燃料としてガソリンを用いた場合に一般的に採用される火花点火燃焼(混合気を火花点火により強制着火させる燃焼)ではなく、燃料と空気との混合気をピストン5による圧縮に伴い自着火させるHCCI燃焼(予混合圧縮着火燃焼)がエンジンの全ての運転領域において実行されるようになっている。このため、当実施形態のエンジンでは基本的に点火プラグは不要であるが、例えばエンジンが冷間始動された直後のような自着火が困難な状況下においてHCCI燃焼に代えて火花点火燃焼を実行したり、あるいは暖機後であってもHCCI燃焼の促進のためにいわゆるスパークアシストを実行することがあり、そのような目的のために点火プラグを設けてもよい。   That is, in the engine of the present embodiment, instead of spark ignition combustion (combustion in which an air-fuel mixture is forcibly ignited by spark ignition) generally employed when gasoline is used as a fuel, an air-fuel mixture of fuel and air is used as a piston. HCCI combustion (premixed compression ignition combustion) that is self-ignited in accordance with compression by 5 is performed in all operating regions of the engine. For this reason, the spark plug is basically unnecessary in the engine of the present embodiment, but spark ignition combustion is executed instead of HCCI combustion in a situation where self-ignition is difficult, for example, immediately after the engine is cold started. Even after warm-up, so-called spark assist may be executed to promote HCCI combustion, and a spark plug may be provided for such a purpose.

上記のようなHCCI燃焼を可能にするために、当実施形態のエンジンでは、火花点火燃焼が採用される一般的なガソリンエンジンと比べて、各気筒2の圧縮比が高めに設定されている。具体的に、当実施形態では、各気筒2の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン5が上死点にあるときの燃焼室10の容積とピストン5が下死点にあるときの燃焼室10の容積との比が、16以上35以下、より好ましくは18以上30以下に設定されている。   In order to enable the HCCI combustion as described above, the compression ratio of each cylinder 2 is set higher in the engine of the present embodiment than in a general gasoline engine that employs spark ignition combustion. Specifically, in this embodiment, the geometric compression ratio of each cylinder 2, that is, the volume of the combustion chamber 10 when the piston 5 is at the top dead center and the combustion chamber 10 when the piston 5 is at the bottom dead center. The volume ratio is set to 16 to 35, more preferably 18 to 30.

図2に示すように、シリンダヘッド4には、気筒2ごとに、吸気通路20から供給される空気を燃焼室10に導入するための吸気ポート6と、燃焼室10で生成された排気ガスを排気通路30に導出するための排気ポート7と、吸気ポート6の燃焼室10側の開口を開閉する吸気弁8と、排気ポート7の燃焼室10側の開口を開閉する排気弁9とがそれぞれ設けられている。   As shown in FIG. 2, the cylinder head 4 receives, for each cylinder 2, the intake port 6 for introducing the air supplied from the intake passage 20 into the combustion chamber 10 and the exhaust gas generated in the combustion chamber 10. An exhaust port 7 for leading to the exhaust passage 30, an intake valve 8 that opens and closes the opening of the intake port 6 on the combustion chamber 10 side, and an exhaust valve 9 that opens and closes the opening of the exhaust port 7 on the combustion chamber 10 side, respectively. Is provided.

図1に示すように、吸気通路20は、単管状の共通吸気管22と、共通吸気管22の下流端から枝分かれするように形成された吸気マニホールド21とを有している。吸気マニホールド21の各枝管は、各気筒2の燃焼室10と吸気ポート6を介して連通するようにエンジン本体1(シリンダヘッド4)に接続されており、共通吸気管22の下流端部は、吸気マニホールド21の枝管の集合部(各枝管の上流端どうしが集合した部分)に接続されている。なお、本明細書において、吸気通路20における上流(または下流)とは、吸気通路20を流通する吸気の流れ方向の上流(または下流)のことをいう。   As shown in FIG. 1, the intake passage 20 includes a single tubular common intake pipe 22 and an intake manifold 21 formed to branch from the downstream end of the common intake pipe 22. Each branch pipe of the intake manifold 21 is connected to the engine body 1 (cylinder head 4) so as to communicate with the combustion chamber 10 of each cylinder 2 via the intake port 6, and the downstream end portion of the common intake pipe 22 is The manifolds of the branch pipes of the intake manifold 21 (the parts where the upstream ends of the branch pipes gather) are connected. In the present specification, the upstream (or downstream) in the intake passage 20 refers to the upstream (or downstream) in the flow direction of the intake air flowing through the intake passage 20.

共通吸気管22には、吸気中に含まれる異物を除去するエアクリーナ25と、共通吸気管22を流通する吸気の流量を調整する開閉可能なスロットル弁27とが、上流側からこの順に設けられている。さらに、共通吸気管22におけるスロットル弁27よりも下流側には、共通吸気管22を流通する吸気の流量を検出するエアフローセンサSN2が設けられている。   The common intake pipe 22 is provided with an air cleaner 25 for removing foreign substances contained in the intake air and an openable / closable throttle valve 27 for adjusting the flow rate of the intake air flowing through the common intake pipe 22 in this order from the upstream side. Yes. Furthermore, an air flow sensor SN2 that detects the flow rate of the intake air flowing through the common intake pipe 22 is provided on the downstream side of the throttle valve 27 in the common intake pipe 22.

なお、当実施形態のエンジンでは全ての運転領域でHCCI燃焼が実行されるため、スロットル弁27は、減速運転時やエンジン停止時等を除いて、基本的に全開相当の開度に維持される。   In the engine of this embodiment, since HCCI combustion is performed in all operating regions, the throttle valve 27 is basically maintained at an opening corresponding to full opening except during deceleration operation or when the engine is stopped. .

排気通路30は、単管状の共通排気管32と、共通排気管32の上流端から枝分かれするように形成された排気マニホールド31とを有している。排気マニホールド31の各枝管は、各気筒2の燃焼室10と排気ポート7を介して連通するようにエンジン本体1(シリンダヘッド4)に接続されており、共通排気管32の上流端部は、排気マニホールド31の枝管の集合部(各枝管の下流端どうしが集合した部分)に接続されている。なお、本明細書において、排気通路30における上流(または下流)とは、排気通路30を流通する排気ガスの流れ方向の上流(または下流)のことをいう。   The exhaust passage 30 includes a single tubular common exhaust pipe 32 and an exhaust manifold 31 formed so as to branch from the upstream end of the common exhaust pipe 32. Each branch pipe of the exhaust manifold 31 is connected to the engine body 1 (cylinder head 4) so as to communicate with the combustion chamber 10 of each cylinder 2 via the exhaust port 7, and an upstream end portion of the common exhaust pipe 32 is The exhaust manifold 31 is connected to the branch pipe assembly (the part where the downstream ends of the branch pipes gather together). In the present specification, upstream (or downstream) in the exhaust passage 30 means upstream (or downstream) in the flow direction of the exhaust gas flowing through the exhaust passage 30.

共通排気管32には、触媒装置35、熱交換器54、およびコンデンサ51が、上流側からこの順に設けられている。   In the common exhaust pipe 32, a catalyst device 35, a heat exchanger 54, and a condenser 51 are provided in this order from the upstream side.

触媒装置35は、排気ガス中に含まれる有害成分を浄化するためのものであり、例えば、三元触媒、酸化触媒、およびNOx触媒のいずれかもしくはその組合せからなる触媒を内蔵している。なお、このような触媒に加えて、排気ガス中に含まれるPMを捕集するためのフィルターが含まれていてもよい。   The catalyst device 35 is for purifying harmful components contained in the exhaust gas. For example, the catalyst device 35 has a built-in catalyst composed of any one or a combination of a three-way catalyst, an oxidation catalyst, and an NOx catalyst. In addition to such a catalyst, a filter for collecting PM contained in the exhaust gas may be included.

コンデンサ51は、排気ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させるものであり、熱交換器54は、コンデンサ51で生成された凝縮水を昇温させるものである。これら熱交換器54およびコンデンサ51は、水供給システム50の一部を構成する要素である(詳細は後述する)。   The condenser 51 condenses water vapor contained in the exhaust gas, and the heat exchanger 54 raises the temperature of the condensed water generated by the condenser 51. The heat exchanger 54 and the condenser 51 are elements that constitute a part of the water supply system 50 (details will be described later).

EGR装置40は、共通排気管32と共通吸気管22とを連通するEGR通路41と、EGR通路41に設けられたEGR弁42およびEGRクーラ43とを有している。   The EGR device 40 includes an EGR passage 41 that allows the common exhaust pipe 32 and the common intake pipe 22 to communicate with each other, and an EGR valve 42 and an EGR cooler 43 that are provided in the EGR passage 41.

EGR通路41は、共通排気管32における触媒装置35よりも上流側の部分と、共通吸気管22におけるスロットル弁27よりも下流側の部分とを接続している。EGR弁42は、EGR通路41を通じて共通排気管32から共通吸気管22に還流される排気ガス(EGRガス)の流量を調整するための開閉弁である。EGRクーラ43は、EGR通路41を流通するEGRガスを所定の冷媒(例えばエンジンの冷却水)との熱交換により冷却する熱交換器である。   The EGR passage 41 connects a part of the common exhaust pipe 32 upstream of the catalyst device 35 and a part of the common intake pipe 22 downstream of the throttle valve 27. The EGR valve 42 is an open / close valve for adjusting the flow rate of exhaust gas (EGR gas) recirculated from the common exhaust pipe 32 to the common intake pipe 22 through the EGR passage 41. The EGR cooler 43 is a heat exchanger that cools the EGR gas flowing through the EGR passage 41 by heat exchange with a predetermined refrigerant (for example, engine coolant).

(2)水供給システムの具体的構成
図1に示すように、水供給システム50は、上述したコンデンサ51および熱交換器54と、コンデンサ51で生成された凝縮水を貯留する水タンク52と、水タンク52に貯留された凝縮水を熱交換器54に向けて圧送する送水ポンプ53と、送水ポンプ53で加圧されかつ熱交換器54で加熱された高温・高圧の水を保温しつつ蓄圧状態で貯留する蓄圧レール56と、蓄圧レール56に貯留された水を各気筒2の燃焼室10に供給するために気筒2ごとに1つずつ(合計4つ)設けられた水噴射弁57と、コンデンサ51と水タンク52とを接続する第1水配管61と、水タンク52と熱交換器54とを接続する第2水配管62と、熱交換器54と蓄圧レール56とを接続する第3水配管63と、蓄圧レール56と各水噴射弁57とを接続する複数の(4つの)分配管64とを有している。
(2) Specific Configuration of Water Supply System As shown in FIG. 1, the water supply system 50 includes a condenser 51 and a heat exchanger 54 described above, a water tank 52 that stores the condensed water generated by the condenser 51, and A water supply pump 53 that pumps the condensed water stored in the water tank 52 toward the heat exchanger 54, and a high pressure and high pressure water that is pressurized by the water pump 53 and heated by the heat exchanger 54 while accumulating pressure. A pressure accumulation rail 56 that is stored in a state, and a water injection valve 57 that is provided one for each cylinder 2 (four in total) to supply water stored in the pressure accumulation rail 56 to the combustion chamber 10 of each cylinder 2. The first water pipe 61 connecting the condenser 51 and the water tank 52, the second water pipe 62 connecting the water tank 52 and the heat exchanger 54, and the first water pipe connecting the heat exchanger 54 and the pressure accumulation rail 56. 3 water piping 63 and pressure accumulation A plurality of (four) distribution pipes 64 connecting the rail 56 and each water injection valve 57 are provided.

コンデンサ51は、共通排気管32を流通する排気ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させるための熱交換器であり、所定の冷媒(例えばエンジンの冷却水)との熱交換により排気ガスを冷却することで、当該排気ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させる。コンデンサ51で生成された凝縮水は、第1水配管61を通じて下流側に流出し、水タンク52内に貯留される。   The condenser 51 is a heat exchanger for condensing water vapor contained in the exhaust gas flowing through the common exhaust pipe 32, and cools the exhaust gas by heat exchange with a predetermined refrigerant (for example, engine cooling water). Thus, the water vapor contained in the exhaust gas is condensed. The condensed water generated by the condenser 51 flows out downstream through the first water pipe 61 and is stored in the water tank 52.

送水ポンプ53は、第2水配管62の途中部に設けられており、水タンク52内に貯留された凝縮水を加圧しつつ熱交換器54に向けて送り出す。なお、図1では送水ポンプとして単一のポンプ53を図示しているが、送水ポンプは、水タンク52に貯留された水を比較的低圧で送り出すフィードポンプと、フィードポンプから送り出された水を加圧して所望の圧力まで高める高圧ポンプとを組み合わせた複数段のポンプであってもよい。   The water feed pump 53 is provided in the middle of the second water pipe 62 and feeds the condensed water stored in the water tank 52 toward the heat exchanger 54 while pressurizing the condensed water. In FIG. 1, a single pump 53 is illustrated as a water pump. However, the water pump is configured to feed water stored in the water tank 52 at a relatively low pressure, and water fed from the feed pump. A multi-stage pump combined with a high-pressure pump that pressurizes and raises the pressure to a desired pressure may be used.

熱交換器54は、送水ポンプ53から供給された水を、コンデンサ51に流入する前の排気ガスとの熱交換により加熱するように設けられている。詳細な図示は省略するが、熱交換器54は、共通排気管32のうち触媒装置35とコンデンサ51との間に位置する部分に挿入された小径かつ長尺形状の細管54aと、この細管54aが挿入される部分の共通排気管32を覆うように設けられた保温ケース54bとを有している。   The heat exchanger 54 is provided so as to heat the water supplied from the water pump 53 by heat exchange with the exhaust gas before flowing into the condenser 51. Although not shown in detail, the heat exchanger 54 includes a small-diameter and long-shaped thin tube 54a inserted into a portion of the common exhaust pipe 32 positioned between the catalyst device 35 and the condenser 51, and the thin tube 54a. And a heat retaining case 54b provided so as to cover the common exhaust pipe 32 in the portion where the is inserted.

熱交換器54で加熱された水は、第3水配管63を通じて下流側に送り出され、蓄圧レール56に貯留される。蓄圧レール56には、内部の水の圧力を検出する水圧センサSN3が設けられている。   The water heated by the heat exchanger 54 is sent to the downstream side through the third water pipe 63 and stored in the pressure accumulation rail 56. The pressure accumulation rail 56 is provided with a water pressure sensor SN3 that detects the pressure of the internal water.

蓄圧レール56に貯留された水は、上記のような熱交換器54による加熱と送水ポンプ53による加圧とを経て、その温度/圧力が100℃以上/2MPa以上にまで高められている。圧力が2MPa以上と高いため、100℃以上に加熱されても水は沸騰せず、液体の状態を維持している。そして、このような状態で蓄圧レール56に貯留された水は、必要時に水噴射弁57を通じて各気筒2の燃焼室10に噴射される。すなわち、当実施形態において水噴射弁57から気筒2に噴射される水は、100℃以上の温度と2MPa以上の圧力とを有した高温・高圧の液体水である。   The water stored in the pressure accumulation rail 56 is heated to 100 ° C./2 MPa or more through the heating by the heat exchanger 54 and the pressurization by the water supply pump 53 as described above. Since the pressure is as high as 2 MPa or higher, water does not boil even when heated to 100 ° C. or higher, and maintains a liquid state. Then, the water stored in the pressure accumulation rail 56 in such a state is injected into the combustion chamber 10 of each cylinder 2 through the water injection valve 57 when necessary. That is, in this embodiment, water injected from the water injection valve 57 to the cylinder 2 is high-temperature / high-pressure liquid water having a temperature of 100 ° C. or higher and a pressure of 2 MPa or higher.

水噴射弁57は、その軸心が気筒2の中心軸とほぼ一致する姿勢でシリンダヘッド4に取り付けられている。水噴射弁57は、ピストン5のキャビティ5aを真上から臨むように燃焼室10の天井面中央付近において燃焼室10に露出する先端部を有し、当該先端部に設けられた複数の噴孔(図示省略)を通じて放射状に水を噴射することが可能である。   The water injection valve 57 is attached to the cylinder head 4 in such a posture that its axial center substantially coincides with the central axis of the cylinder 2. The water injection valve 57 has a tip portion exposed to the combustion chamber 10 in the vicinity of the center of the ceiling surface of the combustion chamber 10 so as to face the cavity 5a of the piston 5 from directly above, and a plurality of nozzle holes provided in the tip portion. It is possible to spray water radially through (not shown).

(3)エンジンの制御系統
図3は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるPCM100は、エンジンを統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のCPU、ROM、RAM等から構成されている。
(3) Engine Control System FIG. 3 is a block diagram showing the engine control system. The PCM 100 shown in this figure is a microprocessor for overall control of the engine, and includes a known CPU, ROM, RAM, and the like.

PCM100には各種センサによる検出信号が入力される。例えば、PCM100は、上述したクランク角センサSN1、エアフローセンサSN2、および水圧センサSN3と電気的に接続されており、これらのセンサによって検出された情報(つまりクランク角、筒内圧力、吸気流量、水圧等)が電気信号としてPCM100に逐次入力されるようになっている。   Detection signals from various sensors are input to the PCM 100. For example, the PCM 100 is electrically connected to the above-described crank angle sensor SN1, air flow sensor SN2, and water pressure sensor SN3, and information detected by these sensors (that is, crank angle, in-cylinder pressure, intake air flow rate, water pressure). Etc.) are sequentially input to the PCM 100 as electrical signals.

また、車両には、当該車両を運転するドライバーにより操作されるアクセルペダル(図示省略)の開度を検出するアクセルセンサSN4が設けられており、このアクセルセンサSN4による検出信号もPCM100に入力される。   Further, the vehicle is provided with an accelerator sensor SN4 that detects an opening degree of an accelerator pedal (not shown) operated by a driver driving the vehicle, and a detection signal from the accelerator sensor SN4 is also input to the PCM 100. .

PCM100は、上記各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、燃料噴射弁11、スロットル弁27、EGR弁42、送水ポンプ53、および水噴射弁57等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制御用の信号を出力する。   The PCM 100 controls each part of the engine while executing various determinations and calculations based on input signals from the sensors. That is, the PCM 100 is electrically connected to the fuel injection valve 11, the throttle valve 27, the EGR valve 42, the water supply pump 53, the water injection valve 57, and the like. Outputs a control signal.

上記制御に関する機能的要素として、PCM100は、燃料噴射制御部101と、水噴射制御部102と、EGR制御部103とを含んでいる。   As functional elements related to the control, the PCM 100 includes a fuel injection control unit 101, a water injection control unit 102, and an EGR control unit 103.

燃料噴射制御部101は、クランク角センサSN1により検出されるエンジン回転速度と、アクセルセンサSN4の検出値(アクセル開度)から特定されるエンジン負荷(要求トルク)と、エアフローセンサSN2により検出される吸気流量とに基づいて、燃料噴射弁11からの燃料の噴射量および噴射タイミングを決定し、その決定に従って燃料噴射弁11を制御する。   The fuel injection control unit 101 is detected by the engine rotational speed detected by the crank angle sensor SN1, the engine load (requested torque) specified from the detected value (accelerator opening) of the accelerator sensor SN4, and the airflow sensor SN2. The fuel injection amount and injection timing from the fuel injection valve 11 are determined based on the intake flow rate, and the fuel injection valve 11 is controlled according to the determination.

水噴射制御部102は、水圧センサSN3により検出される蓄圧レール56の内部圧力(蓄圧レール56内に貯留されている水の圧力)に基づいて、当該圧力が所要圧力(2MPa)以上に保持されるように送水ポンプ53を駆動する。また、水噴射制御部102は、上記エンジン負荷および回転速度等に基づいて水噴射弁57からの水の噴射量および噴射タイミングを決定し、その決定に従って水噴射弁57を制御する。   Based on the internal pressure of the pressure accumulation rail 56 (the pressure of water stored in the pressure accumulation rail 56) detected by the water pressure sensor SN3, the water injection control unit 102 holds the pressure at a required pressure (2 MPa) or more. Then, the water supply pump 53 is driven. Further, the water injection control unit 102 determines the water injection amount and the injection timing from the water injection valve 57 based on the engine load and the rotation speed, and controls the water injection valve 57 according to the determination.

EGR制御部103は、燃焼室10内の全ガス量に占めるEGRガスの割合であるEGR率の目標値(目標EGR率)を上記エンジン負荷および回転速度等に基づいて決定し、その目標EGR率に対応した量のEGRガスが気筒2に導入されるようにEGR弁42を制御する。なお、目標EGR率としては、適正なHCCI燃焼が達成されるようなEGR率がエンジンの運転条件ごとに予め定められている。例えば、エンジンの負荷が高い(燃料噴射量が多い)運転条件では目標EGR率が小さくされる。   The EGR control unit 103 determines a target value (target EGR rate) of the EGR rate that is the ratio of EGR gas in the total gas amount in the combustion chamber 10 based on the engine load, the rotational speed, and the like, and the target EGR rate. The EGR valve 42 is controlled so that an amount of EGR gas corresponding to the above is introduced into the cylinder 2. As the target EGR rate, an EGR rate that achieves proper HCCI combustion is determined in advance for each engine operating condition. For example, the target EGR rate is reduced under operating conditions where the engine load is high (the fuel injection amount is large).

(4)運転条件に応じた制御
次に、PCM100(燃料噴射制御部101および水噴射制御部102)による燃料噴射弁11および水噴射弁57の制御について詳しく説明する。
(4) Control according to operation conditions Next, the control of the fuel injection valve 11 and the water injection valve 57 by the PCM 100 (the fuel injection control unit 101 and the water injection control unit 102) will be described in detail.

図4は、エンジンの運転条件(負荷/回転速度)に応じた制御の相違を説明するためのマップ図である。本図に示すように、エンジンの運転領域は、燃料噴射弁11および水噴射弁57の制御の相違により4つの運転領域A1〜A4に大別される。それぞれ第1運転領域A1、第2運転領域A2、第3運転領域A3、第4運転領域A4とすると、第1運転領域A1は、回転速度が所定値Rx未満でかつ負荷が所定値Lx以上となる低速・高負荷の運転領域であり、第2運転領域A2は、回転速度が所定値Rx未満でかつ負荷が所定値Lx未満となる低速・低負荷の運転領域であり、第3運転領域A3は、回転速度が所定値Rx以上でかつ負荷が所定値Lx以上となる高速・高負荷の運転領域であり、第4運転領域A4は、回転速度が所定値Rx以上でかつ負荷が所定値Lx未満となる高速・低負荷の運転領域である。なお、負荷の閾値である所定値Lxは、図4では回転速度にかかわらず一定のように図示されているが、回転速度に応じて変化する値であってもよい。同様に、回転速度の閾値である所定値Rxは、図4では負荷にかかわらず一定のように図示されているが、負荷に応じて変化する値であってもよい。   FIG. 4 is a map for explaining the difference in control according to the engine operating conditions (load / rotational speed). As shown in the figure, the engine operating region is roughly divided into four operating regions A1 to A4 depending on the control of the fuel injection valve 11 and the water injection valve 57. Assuming that the first operation region A1, the second operation region A2, the third operation region A3, and the fourth operation region A4, respectively, the first operation region A1 has a rotational speed that is less than a predetermined value Rx and a load that is greater than or equal to a predetermined value Lx. The second operation region A2 is a low-speed / low-load operation region in which the rotational speed is less than the predetermined value Rx and the load is less than the predetermined value Lx, and the third operation region A3. Is a high-speed / high-load operation region where the rotational speed is equal to or greater than the predetermined value Rx and the load is equal to or greater than the predetermined value Lx. The fourth operational region A4 is a rotational speed equal to or greater than the predetermined value Rx and the load is equal to the predetermined value Lx. This is a high-speed, low-load operating range that is less than The predetermined value Lx, which is the load threshold value, is shown as being constant regardless of the rotational speed in FIG. 4, but may be a value that changes according to the rotational speed. Similarly, the predetermined value Rx that is the threshold value of the rotation speed is illustrated as being constant regardless of the load in FIG. 4, but may be a value that changes according to the load.

図4に示される各運転領域A1〜A4のうち、少なくとも第1、第2、第3運転領域A1,A2,A3では、燃料噴射制御部101および水噴射制御部102の制御により、燃料噴射弁11からの燃料噴射と水噴射弁57からの水噴射との双方が実行される。これら第1、第2、第3運転領域A1,A2,A3における燃料噴射弁11および水噴射弁57の動作を、次の(a)(b)(c)において順に説明する。   Among the operation regions A1 to A4 shown in FIG. 4, at least in the first, second, and third operation regions A1, A2, and A3, the fuel injection valve is controlled by the fuel injection control unit 101 and the water injection control unit 102. 11 and the water injection from the water injection valve 57 are both executed. Operations of the fuel injection valve 11 and the water injection valve 57 in the first, second, and third operation regions A1, A2, and A3 will be described in order in the following (a), (b), and (c).

ここで、下記(a)〜(c)の説明では、燃料噴射または水噴射のタイミングを特定する用語として、吸気行程または圧縮行程の「前期」、「中期」‥‥などの用語を用いることがあるが、これは、次のことを前提としている。すなわち、本明細書では、吸気行程や圧縮行程等の任意の行程を3等分した場合の各期間を前から順に「前期」「中期」「後期」と定義する。このため、例えば圧縮行程の(i)前期、(ii)中期、(iii)後期とは、それぞれ、(i)圧縮上死点前(BTDC)180〜120°CA、(ii)BTDC120〜60°CA、(iii)BTDC60〜0°CAの各範囲のことを指す。同様に、本明細書では、吸気行程や圧縮行程等の任意の行程を2等分した場合の各期間を前から順に「前半」「後半」と定義する。このため、例えば圧縮行程の(iv)前半、(v)後半とは、それぞれ、(iv)BTDC180〜90°CA、(v)BTDC90〜0°CAの各範囲のことを指す。   Here, in the following explanations (a) to (c), terms such as “early period”, “middle period”,... Of the intake stroke or compression stroke are used as terms for specifying the timing of fuel injection or water injection. This is based on the following assumptions. That is, in this specification, each period when an arbitrary stroke such as an intake stroke or a compression stroke is divided into three equal parts is defined as “first period”, “middle period”, and “late period” in order from the front. For this reason, for example, (i) the first half, (ii) the middle, and (iii) the second half of the compression stroke are (i) before compression top dead center (BTDC) 180 to 120 ° CA, and (ii) BTDC 120 to 60 °, respectively. CA, (iii) refers to each range of BTDC 60 to 0 ° CA. Similarly, in this specification, each period when an arbitrary stroke such as an intake stroke or a compression stroke is divided into two equal parts is defined as “first half” and “second half” in order from the front. For this reason, for example, (iv) first half and (v) second half of the compression stroke indicate ranges of (iv) BTDC 180 to 90 ° CA and (v) BTDC 90 to 0 ° CA, respectively.

(a)第1運転領域での制御
低速・高負荷の第1運転領域A1では、図5に示すように、燃料噴射弁11からの燃料噴射If1が、吸気行程の中期から後期までの期間内に実行されるとともに、水噴射弁57からの水噴射Iw1が、圧縮行程の前期から中期までの期間内に実行される。
(A) Control in the first operation region In the first operation region A1 of low speed and high load, as shown in FIG. 5, the fuel injection If1 from the fuel injection valve 11 is within the period from the middle stage to the latter stage of the intake stroke. And the water injection Iw1 from the water injection valve 57 is executed within the period from the first period to the middle period of the compression stroke.

燃料噴射If1が上記のようなタイミング(吸気行程の中期〜後期)で実行されることにより、着火前の燃料の分布が十分に均一化される。すなわち、吸気行程の中期から後期にかけた期間内に燃料噴射弁11から燃料が噴射されると、噴射された燃料は、吸気流動等により撹拌されながら気化・霧化し、圧縮上死点(図5のTDC)までの間に燃焼室10内で均一に分散する。   By performing the fuel injection If1 at the timing as described above (the middle stage to the latter stage of the intake stroke), the fuel distribution before ignition is sufficiently uniformized. That is, when fuel is injected from the fuel injection valve 11 during a period from the middle stage to the latter stage of the intake stroke, the injected fuel is vaporized and atomized while being agitated by intake air flow or the like, and compression top dead center (FIG. 5). Until the TDC) is uniformly dispersed in the combustion chamber 10.

燃料噴射If1による燃料の噴射量は、負荷の高い第1運転領域A1の条件に見合った比較的大きい値に設定される。燃料噴射If1の噴射パルス幅(燃料噴射弁11の開弁期間)は、決められた噴射量に応じて増減され、噴射量が多いほどパルス幅が長くされる。このことは水噴射Iw1でも同様である。   The amount of fuel injected by the fuel injection If1 is set to a relatively large value that meets the conditions of the first operating region A1 where the load is high. The injection pulse width of the fuel injection If1 (the valve opening period of the fuel injection valve 11) is increased or decreased according to the determined injection amount, and the pulse width is increased as the injection amount increases. The same applies to the water injection Iw1.

水噴射Iw1のタイミング(圧縮行程の前期〜中期)は、水噴射弁57から噴射された水を燃焼室10の外周部に偏在させることを意図して定められている。すなわち、圧縮行程の前期から中期までの期間内に水噴射弁57から水が噴射されると、その噴射水は、図8の下段図に示すように(図5にもこれに対応する図を模式的に示す)、ピストン5の冠面におけるキャビティ5aよりも外側の領域(以下、冠面の外周部という)か、または気筒2の周壁に向けて放射状に飛翔する。飛翔した水は、ピストン5の冠面の外周部または気筒2の周壁に付着した後に蒸発するなどし、その結果、図8の中段図に示すように、ピストン5が圧縮上死点付近まで上昇した時点で、燃焼室10の外周部に相対的に濃度の濃い水(主に水蒸気)が存在する状態、つまり燃焼室10の外周部に存在する水の濃度が燃焼室10の中央部に比べて十分に濃くなる状態が得られる。そして、このように燃焼室10の外周部に偏在する水の冷却効果により、燃焼室10の外周部の壁面温度およびガス温度が低下する結果、燃料が自着火する直前(圧縮上死点付近)の燃焼室10の温度分布として、図8の上段のグラフに示すような分布が得られる。なお、この上段のグラフにおいて、実線の波形は水噴射を実施した場合の温度分布を、破線の波形は水噴射を実施しなかった場合の温度分布をそれぞれ示している。両者の比較から、水噴射Iw1の効果により燃焼室10の外周部の温度(壁面温度およびガス温度)が集中的に低下し、当該外周部の温度と中央部の温度との差が拡大していることが理解される。   The timing of the water injection Iw1 (from the first to the middle of the compression stroke) is determined with the intention that the water injected from the water injection valve 57 is unevenly distributed in the outer peripheral portion of the combustion chamber 10. That is, when water is injected from the water injection valve 57 within the period from the first period to the middle period of the compression stroke, the injected water is as shown in the lower diagram of FIG. 8 (FIG. 5 also shows the corresponding figure). (Schematically shown), which flies radially toward a region outside the cavity 5a on the crown surface of the piston 5 (hereinafter referred to as the outer peripheral portion of the crown surface) or toward the peripheral wall of the cylinder 2. The flying water evaporates after adhering to the outer peripheral part of the crown surface of the piston 5 or the peripheral wall of the cylinder 2, and as a result, as shown in the middle diagram of FIG. At this point, a relatively concentrated water (mainly water vapor) is present at the outer periphery of the combustion chamber 10, that is, the concentration of water present at the outer periphery of the combustion chamber 10 is higher than that at the center of the combustion chamber 10. And a sufficiently dark state is obtained. And as a result of the wall surface temperature and gas temperature of the outer peripheral part of the combustion chamber 10 decreasing due to the cooling effect of the water unevenly distributed on the outer peripheral part of the combustion chamber 10 in this way, the fuel immediately before self-ignition (near the compression top dead center) As the temperature distribution in the combustion chamber 10, a distribution as shown in the upper graph of FIG. 8 is obtained. In the upper graph, the solid line waveform indicates the temperature distribution when the water injection is performed, and the broken line waveform indicates the temperature distribution when the water injection is not performed. From the comparison between the two, the temperature (wall surface temperature and gas temperature) of the outer peripheral portion of the combustion chamber 10 intensively decreases due to the effect of the water injection Iw1, and the difference between the temperature of the outer peripheral portion and the temperature of the central portion increases. It is understood that

上記噴射水による燃焼室10の外周部に対する冷却効果としては、燃料の噴射量が多く燃焼室10が高温になり易い高負荷側ほど高いレベルが要求される。このため、水噴射Iw1による水の噴射量は、総じて、第1運転領域A1の中でも負荷が高いほど大きい値に設定される。   As a cooling effect on the outer peripheral portion of the combustion chamber 10 by the injection water, a higher level is required as the amount of fuel injection is large and the combustion chamber 10 is likely to become high temperature. For this reason, the amount of water injection by the water injection Iw1 is generally set to a larger value as the load is higher in the first operation region A1.

(b)第2運転領域での制御
低速・低負荷の第2運転領域A2では、図6に示すように、燃料噴射弁11からの燃料噴射If2が圧縮行程の後半に実行されるとともに、水噴射弁57からの水噴射Iw2が圧縮上死点の直後に実行される。
(B) Control in the second operation region In the second operation region A2 of low speed and low load, as shown in FIG. 6, fuel injection If2 from the fuel injection valve 11 is executed in the latter half of the compression stroke, Water injection Iw2 from the injection valve 57 is executed immediately after the compression top dead center.

第2運転領域A2は第1運転領域A1よりも負荷が低いため、燃料噴射If2による燃料の噴射量は、第1運転領域A1での燃料噴射If1(図5)よりも小さい値に設定される。このように第2運転領域A2では燃料の噴射量が少ないため、燃料噴射弁11から噴射される燃料のペネトレーション(貫徹力)は比較的弱いものとなる。   Since the load in the second operation region A2 is lower than that in the first operation region A1, the fuel injection amount by the fuel injection If2 is set to a value smaller than the fuel injection If1 (FIG. 5) in the first operation region A1. . As described above, since the fuel injection amount is small in the second operation region A2, the penetration (penetration force) of the fuel injected from the fuel injection valve 11 is relatively weak.

燃料噴射If2のタイミング(圧縮行程の後半)は、燃料噴射弁11から噴射された燃料をピストン5のキャビティ5a内に収めることを意図して定められている。すなわち、圧縮行程の後半に燃料噴射弁11から燃料が噴射されると、その噴射燃料は、図9の下段図に示すように(図6にもこれに対応する図を模式的に示す)、ピストン5のキャビティ5aの内部に向けて放射状に飛翔する。キャビティ5a内に飛翔した燃料は、噴射量が少なく燃料のペネトレーションが弱いことと相俟って、その多くがキャビティ5aの内部に留まることになる。これにより、キャビティ5aの内部に存在する燃料の濃度がキャビティ5aの外部に比べて十分に濃くなる状態が得られ、キャビティ5aの内部に局所的にリッチな混合気が形成される。このリッチな混合気は、ピストン5が圧縮上死点付近に至った時点で難なく自着火に至り、HCCI燃焼が開始される。   The timing of the fuel injection If2 (the second half of the compression stroke) is determined with the intention of containing the fuel injected from the fuel injection valve 11 in the cavity 5a of the piston 5. That is, when fuel is injected from the fuel injection valve 11 in the latter half of the compression stroke, the injected fuel is as shown in the lower diagram of FIG. 9 (FIG. 6 schematically shows the corresponding figure). It flies radially toward the inside of the cavity 5a of the piston 5. Most of the fuel that has flown into the cavity 5a stays inside the cavity 5a in combination with the small injection amount and weak fuel penetration. As a result, a state in which the concentration of the fuel existing inside the cavity 5a is sufficiently thicker than that outside the cavity 5a is obtained, and a locally rich air-fuel mixture is formed inside the cavity 5a. This rich air-fuel mixture reaches self-ignition without difficulty when the piston 5 reaches near the compression top dead center, and HCCI combustion is started.

水噴射Iw2のタイミング(圧縮上死点の直後)は、上記のように圧縮上死点付近で開始される燃焼(HCCI燃焼)の期間に水噴射を重ねることを意図して定められている。より詳しくは、水噴射Iw2のタイミングは、燃焼が開始する時点以後に水噴射が開始され、かつ燃焼が終了する時点以前に水噴射が終了するようなタイミングに設定されている。このようなタイミングで水噴射弁57から噴射された水は、図9の上段図に示すように、キャビティ5aの内部に向けて放射状に飛翔する。この時点において、燃焼室10の中央部(主にキャビティ5aの内部空間)では既に燃焼が起きているため、水噴射Iw2による噴射水はこの燃焼領域中に供給されることになる。   The timing of the water injection Iw2 (immediately after the compression top dead center) is determined with the intention of overlapping the water injection during the period of combustion (HCCI combustion) started near the compression top dead center as described above. More specifically, the timing of water injection Iw2 is set to a timing at which water injection starts after the time when combustion starts and water injection ends before the time when combustion ends. The water injected from the water injection valve 57 at such a timing flies radially toward the inside of the cavity 5a as shown in the upper diagram of FIG. At this time, since combustion has already occurred in the central portion of the combustion chamber 10 (mainly the internal space of the cavity 5a), the water injected by the water injection Iw2 is supplied into this combustion region.

(c)第3運転領域での制御
高速・高負荷の第3運転領域A3では、図7に示すように、燃料噴射弁11からの燃料噴射If3が、吸気行程の中期から後期までの期間内に実行されるとともに、水噴射弁57からの水噴射Iw3が、圧縮行程の後期に実行される。
(C) Control in the third operation region In the third operation region A3 of high speed and high load, as shown in FIG. 7, the fuel injection If3 from the fuel injection valve 11 is within the period from the middle stage to the latter stage of the intake stroke. The water injection Iw3 from the water injection valve 57 is executed at the latter stage of the compression stroke.

第3運転領域A3は第1運転領域A1と同じ負荷域にあるため、燃料噴射If3による燃料の噴射量は、第1運転領域A1での燃料噴射If1(図5)とほぼ同等になる。ただし、第3運転領域A3では第1運転領域A1よりも回転速度が高い(言い換えると単位時間あたりのクランク角の変化量が大きい)ため、同一量の燃料を噴射するのに要するクランク角は第1運転領域A1のときよりも長くなる。第3運転領域A3での燃料噴射If3のパルス幅が第1運転領域A1での燃料噴射If1のパルス幅よりも長いのはそのためである。   Since the third operation region A3 is in the same load region as the first operation region A1, the fuel injection amount by the fuel injection If3 is substantially equal to the fuel injection If1 (FIG. 5) in the first operation region A1. However, since the rotation speed is higher in the third operation region A3 than in the first operation region A1 (in other words, the amount of change in the crank angle per unit time is large), the crank angle required to inject the same amount of fuel is the first. It becomes longer than in the case of one operation region A1. This is why the pulse width of the fuel injection If3 in the third operation region A3 is longer than the pulse width of the fuel injection If1 in the first operation region A1.

水噴射Iw3のタイミング(圧縮行程の後期)は、水噴射弁57から噴射された水を燃焼室10のキャビティ5a内に収めることを意図して定められている。すなわち、圧縮行程の後期に水噴射弁57から水が噴射されると、その噴射水は、図10の下段図に示すように(図7にもこれに対応する模式図を示す)、ピストン5のキャビティ5aの内部に向けて放射状に飛翔する。飛翔した水は、キャビティ5aの壁面に付着した後に蒸発するなどし、その結果、図10の中段図に示すように、ピストン5が圧縮上死点付近まで上昇した時点で、燃焼室10の中央部に相対的に濃度の濃い水(主に水蒸気)が存在する状態、つまり燃焼室10の中央部に存在する水の濃度が燃焼室10の外周部に比べて十分に濃くなる状態が得られる。そして、このように燃焼室10の中央部に偏在する水の冷却効果により、燃焼室10の中央部(キャビティ5a)の壁面温度およびガス温度が低下する結果、燃料が自着火する直前(圧縮上死点付近)の燃焼室10の温度分布として、図10の上段のグラフに示すような分布が得られる。燃焼室10の中央部は外周部よりも高温になり易いので、この上段のグラフのように燃焼室10の中央部の温度が低下することにより、当該中央部と外周部との温度差が縮小する。   The timing of the water injection Iw3 (the latter stage of the compression stroke) is determined with the intention of containing the water injected from the water injection valve 57 in the cavity 5a of the combustion chamber 10. That is, when water is injected from the water injection valve 57 in the latter stage of the compression stroke, the injection water is as shown in the lower diagram of FIG. 10 (FIG. 7 also shows a schematic diagram corresponding thereto). It flies radially toward the inside of the cavity 5a. The flying water evaporates after adhering to the wall surface of the cavity 5a. As a result, as shown in the middle diagram of FIG. 10, the center of the combustion chamber 10 is reached when the piston 5 rises to near the compression top dead center. A state in which relatively high concentration water (mainly water vapor) is present in the part, that is, a state in which the concentration of water existing in the central part of the combustion chamber 10 is sufficiently thicker than the outer peripheral part of the combustion chamber 10 is obtained. . As a result of the cooling effect of the water unevenly distributed in the central portion of the combustion chamber 10 as described above, the wall surface temperature and gas temperature of the central portion (cavity 5a) of the combustion chamber 10 decrease, and as a result, the fuel immediately before self-ignition (on compression) As the temperature distribution of the combustion chamber 10 in the vicinity of the dead point), a distribution as shown in the upper graph of FIG. 10 is obtained. Since the central portion of the combustion chamber 10 is likely to be hotter than the outer peripheral portion, the temperature difference between the central portion and the outer peripheral portion is reduced by decreasing the temperature of the central portion of the combustion chamber 10 as shown in the upper graph. To do.

上記噴射水による燃焼室10の中央部に対する冷却効果としては、燃料の噴射量が多く燃焼室10が高温になり易い高負荷側ほど高いレベルが要求される。このため、水噴射Iw3による水の噴射量は、総じて、第3運転領域A3の中でも負荷が高いほど大きい値に設定される。   As a cooling effect for the central portion of the combustion chamber 10 by the injection water, a higher level is required as the amount of fuel injection is large and the combustion chamber 10 is likely to be at a high temperature. For this reason, the amount of water injected by the water injection Iw3 is generally set to a larger value as the load is higher in the third operation region A3.

(5)作用効果
以上説明したとおり、当実施形態では、低速・高負荷の第1運転領域A1でエンジンが運転されているときに、燃料噴射弁11から吸気行程中に燃料が噴射され(燃料噴射If1)、その後、燃焼室10の外周部に水を偏在させることが可能な圧縮行程の前期ないし中期に水噴射弁57から水が噴射される(水噴射Iw1)。一方、低速・低負荷の第2運転領域A2でエンジンが運転されているときは、燃料噴射弁11から圧縮行程の後半に燃料が噴射され(燃料噴射If2)、その後、噴射された燃料の自着火よりも僅かに遅れた圧縮上死点の直後に水噴射弁57から水が噴射される(水噴射Iw2)。このような構成によれば、スート(煤)の発生量および燃焼騒音がともに抑制された適正なHCCI燃焼を幅広い負荷域で実現できるという利点がある。
(5) Operational Effects As described above, in this embodiment, when the engine is operated in the first operation region A1 of low speed and high load, fuel is injected from the fuel injection valve 11 during the intake stroke (fuel Thereafter, water is injected from the water injection valve 57 during the first to middle periods of the compression stroke in which water can be unevenly distributed in the outer peripheral portion of the combustion chamber 10 (water injection Iw1). On the other hand, when the engine is operating in the second operating region A2 of low speed and low load, fuel is injected from the fuel injection valve 11 in the latter half of the compression stroke (fuel injection If2), and then the injected fuel is self-generated. Water is injected from the water injection valve 57 immediately after the compression top dead center slightly delayed from ignition (water injection Iw2). According to such a configuration, there is an advantage that appropriate HCCI combustion in which both the generation amount of soot (soot) and combustion noise are suppressed can be realized in a wide load range.

すなわち、上記実施形態では、高負荷側の第1運転領域A1において、燃焼室10の外周部に水を偏在させる水噴射Iw1が燃焼の開始(自着火)前に実行されるので、燃焼の開始前に燃焼室10の外周部が水によって冷却されることにより、高温になり易い燃焼室10の中央部に比して外周部の温度が十分に低下し、燃焼室10の中央部と外周部との温度差が拡大する。これにより、燃焼室10の中央部と外周部とで燃料の着火時期に有意な差が生じるようになる(外周部での着火時期が中央部での着火時期よりも遅れる)ので、燃焼の進行が緩やかになり、燃焼室10の圧力上昇率(dp/dθ)の最大値が過大になるのを防止することができる。このように、燃焼室10の温度差を拡大して燃焼を緩慢化することにより、燃料の噴射量(つまり熱発生量)が多く燃焼が急峻になり易い高負荷条件下であっても、燃焼騒音を適正なレベルに抑えることができる。   That is, in the above embodiment, in the first operating region A1 on the high load side, the water injection Iw1 that causes water to be unevenly distributed on the outer peripheral portion of the combustion chamber 10 is executed before the start of combustion (self-ignition), so the start of combustion Since the outer peripheral part of the combustion chamber 10 is cooled by water before, the temperature of the outer peripheral part is sufficiently lowered as compared with the central part of the combustion chamber 10 which tends to become high temperature. The temperature difference between and increases. As a result, a significant difference occurs in the fuel ignition timing between the central portion and the outer peripheral portion of the combustion chamber 10 (the ignition timing at the outer peripheral portion is later than the ignition timing at the central portion). It becomes possible to prevent the pressure rise rate (dp / dθ) in the combustion chamber 10 from becoming excessively large. In this way, by increasing the temperature difference of the combustion chamber 10 and slowing down the combustion, even under high load conditions where the amount of fuel injection (that is, the amount of heat generation) is large and the combustion tends to become steep, combustion occurs. Noise can be suppressed to an appropriate level.

また、低負荷側の第2運転領域A2では、圧縮行程の後半という比較的遅い時期に燃料噴射If2が実行されるので、噴射量が少なく燃料のペネトレーションが弱いこととの相乗効果により、燃料が自着火する前の時点で、燃焼室10の一部(特にキャビティ5aの内部)にのみ燃料が偏存する状態が得られる。このような状態で燃料が自着火すると、燃焼領域(火炎が拡がる領域)が比較的狭い範囲に限定されるので、火炎が燃焼室10の壁面に接触する面積を小さくでき、冷却損失を効果的に低減することができる。ただし、燃料が偏在する領域(キャビティ5a内)では過剰にリッチな混合気が形成される可能性があり、それに伴いスートの発生量が増大することが懸念される。これに対し、上記実施形態では、圧縮上死点の直後に開始される水噴射Iw2によって、燃焼が継続中の高温の燃焼室10に水が供給されて気化し、その気化後の水蒸気が燃焼反応に寄与するOHラジカルを増大させる作用をもたらすので、当該OHラジカルによる強力な酸化作用により、炭素(C)の酸化が促進される(CO等に変換される)結果、スートの発生量を効果的に抑制することができる。 Further, in the second operating region A2 on the low load side, the fuel injection If2 is executed at a relatively late time such as the latter half of the compression stroke, so that the fuel is generated due to a synergistic effect with a small injection amount and weak fuel penetration. At a point before self-ignition, a state where the fuel is unevenly distributed is obtained only in a part of the combustion chamber 10 (particularly, inside the cavity 5a). When the fuel self-ignites in such a state, the combustion region (region where the flame spreads) is limited to a relatively narrow range, so the area where the flame contacts the wall surface of the combustion chamber 10 can be reduced, and cooling loss is effectively reduced. Can be reduced. However, there is a possibility that an excessively rich air-fuel mixture may be formed in the region where the fuel is unevenly distributed (in the cavity 5a), and there is a concern that the amount of soot generated increases accordingly. On the other hand, in the above-described embodiment, water is supplied to the high-temperature combustion chamber 10 where the combustion is continuing and is vaporized by the water injection Iw2 that is started immediately after the compression top dead center, and the vaporized water is combusted. Since the effect of increasing OH radicals contributing to the reaction is brought about, the strong oxidation action by the OH radicals promotes the oxidation of carbon (C) (converted to CO 2 or the like). As a result, the amount of soot generated is reduced. It can be effectively suppressed.

また、上記実施形態では、燃焼室10の天井面の中央付近に設けられた水噴射弁57からピストン5に向けて放射状に水が噴射されるので、第1運転領域A1での運転時に、水噴射Iw1によって圧縮行程の前期から中期までの期間内に水が噴射されることにより、噴射された水をピストン5の冠面の外周部(キャビティ5aよりも外側の冠面)または気筒2の周壁に指向させることができ、この噴射水によって燃焼室10の外周部に水が偏在する状態を適正につくり出すことができる。   Moreover, in the said embodiment, since water is radially injected toward the piston 5 from the water injection valve 57 provided in the center vicinity of the ceiling surface of the combustion chamber 10, at the time of the driving | operation in 1st operation area | region A1, water is injected. By injecting water during the period from the first period to the middle period of the compression stroke by the injection Iw1, the injected water is injected into the outer peripheral portion of the crown surface of the piston 5 (the outer surface of the cavity 5a) or the peripheral wall of the cylinder 2. A state in which water is unevenly distributed on the outer peripheral portion of the combustion chamber 10 can be appropriately created by the jet water.

また、上記実施形態では、第2運転領域A2での運転時に、自着火による燃焼の継続期間中に水噴射Iw2が開始および終了される(つまり水噴射Iw2の期間が燃焼期間中に完全に含まれるように設定されている)ので、燃焼が継続している最中の燃焼室10に適正に水を供給することができ、その水(気化後の水蒸気)がもたらすOHラジカルの増大作用によりスートの発生量を効果的に抑制することができる。   Further, in the above-described embodiment, during the operation in the second operation region A2, the water injection Iw2 is started and ended during the combustion continuation period due to self-ignition (that is, the period of the water injection Iw2 is completely included in the combustion period). Therefore, water can be properly supplied to the combustion chamber 10 in which combustion is continuing, and soot is increased by the action of increasing OH radicals brought about by the water (water vapor after vaporization). Can be effectively suppressed.

また、上記実施形態では、上述した制御が行われる第1運転領域A1および第2運転領域A2が、いずれもエンジン回転速度が所定値Rx未満の低速側の速度域に設定されているので、燃焼騒音およびスートの問題が顕在化し易い低速域においてこれらの問題に適切に対処することができる。すなわち、単位時間あたりのクランク角変化量が小さい低速域では、圧縮上死点近くの高温・高圧環境下で燃焼が起きる期間が時間の上で長くなるので、高速域に比べて燃焼騒音が大きくなり易く、またスートの発生量も増大し易い。これに対し、上記実施形態では、回転速度が所定値Rx未満の速度域において、燃焼の緩慢化または炭素の酸化促進につながる上述した2種類の水噴射(第1運転領域A1での水噴射Iw1または第2運転領域A2での水噴射Iw2)が負荷に応じてそれぞれ実行されるので、これらの水噴射Iw1,Iw2によって燃焼騒音およびスートの発生量を効果的に抑制することができる。   Further, in the above embodiment, the first operation region A1 and the second operation region A2 in which the above-described control is performed are both set in the low speed region where the engine speed is less than the predetermined value Rx. These problems can be appropriately dealt with at low speeds where noise and soot problems are likely to manifest. That is, in the low speed range where the amount of change in the crank angle per unit time is small, the combustion occurs in a high temperature and high pressure environment near the compression top dead center, and the combustion noise is larger than that in the high speed range. The amount of soot is likely to increase. On the other hand, in the above embodiment, in the speed range where the rotational speed is less than the predetermined value Rx, the above-described two types of water injection (water injection Iw1 in the first operation region A1) leading to slowing of combustion or promotion of carbon oxidation. Alternatively, since the water injection Iw2) in the second operation region A2 is executed according to the load, the combustion noise and the soot generation amount can be effectively suppressed by these water injections Iw1 and Iw2.

また、上記実施形態では、排気ガスとの熱交換により加熱された高温水(100℃以上の水)が水噴射弁57から噴射されるので、噴射された水により燃焼室10が過度に冷却されて出力トルクが低下するのを防止することができる。特に、低速・低負荷の第2運転領域A2では、噴射水の高温化によって、OHラジカルの増大にかかる所要時間(水噴射Iw2により噴射された水が気化してOHラジカルを増大させるまでに要する時間)が短縮されるので、スートの抑制効果をより高めることができる。しかも、排気ガスの熱を利用して水を加熱するので、加熱のために無駄なエネルギーが消費されることがなく、エネルギー効率を良好に維持することができる。   Moreover, in the said embodiment, since the high temperature water (100 degreeC or more water) heated by heat exchange with exhaust gas is injected from the water injection valve 57, the combustion chamber 10 is cooled too much by the injected water. As a result, the output torque can be prevented from decreasing. In particular, in the second operation region A2 of low speed and low load, the time required for increasing the OH radicals due to the high temperature of the jet water (required until the water jetted by the water jet Iw2 vaporizes and increases the OH radicals). (Time) is shortened, so that the effect of suppressing soot can be further enhanced. In addition, since the water is heated using the heat of the exhaust gas, useless energy is not consumed for heating, and energy efficiency can be maintained satisfactorily.

また、上記実施形態では、高速・高負荷の第3運転領域A3での運転時に、燃料噴射弁11から吸気行程中に燃料が噴射され(燃料噴射If3)、その後、燃焼室10の中央部に水を偏在させることが可能な圧縮行程の後期に水噴射弁57から水が噴射される(水噴射Iw3)ので、燃焼室10の外周部に比べて高温になり易い燃焼室10の中央部が集中的に冷却されて、燃焼室10の中央部と外周部との温度差が縮小する。これにより、燃焼室の中央部/外周部で着火時期に大きな差が生じなくなり、短時間の間に多くの燃料が燃焼する比較的急峻な燃焼が起きるようになる。しかしながら、第1運転領域A1よりも回転速度が高い第3運転領域A3では、単位時間あたりのクランク角変化量が大きいので、燃焼が急峻化されても圧力上昇率(dp/dθ)の最大値はそれほど大きくならない。このため、回転速度が高い第3運転領域A3で上記のように燃焼室10の温度の均一化を図ったとしても、燃焼騒音は特に問題にならず、むしろ、短時間で多くの燃料が燃焼する結果、排気損失の少ない(熱効率の高い)燃焼が実現されると考えられる。また、燃焼室10の中央部は、第3運転領域A3のような高回転かつ高負荷の条件下で特に高温になり易い部分であるが、当該第3運転領域A3において燃焼室10の中央部を噴射水により直接的に冷却する上記実施形態によれば、燃焼室10の中央部の温度が過度に上昇することが確実に回避されるので、冷却損失を低減してエンジンの熱効率を向上させることができる。   Further, in the above embodiment, during operation in the high-speed / high-load third operation region A3, fuel is injected from the fuel injection valve 11 during the intake stroke (fuel injection If3), and thereafter, in the central portion of the combustion chamber 10 Since water is injected from the water injection valve 57 at a later stage of the compression stroke in which water can be unevenly distributed (water injection Iw3), the central portion of the combustion chamber 10 that is likely to be hotter than the outer peripheral portion of the combustion chamber 10 The temperature difference between the central portion and the outer peripheral portion of the combustion chamber 10 is reduced by being intensively cooled. As a result, there is no significant difference in the ignition timing at the center / outer periphery of the combustion chamber, and relatively steep combustion occurs in which a large amount of fuel burns in a short time. However, in the third operation region A3 where the rotational speed is higher than that in the first operation region A1, the amount of change in the crank angle per unit time is large, so the maximum value of the rate of pressure increase (dp / dθ) even if the combustion is sharpened. Is not so big. For this reason, even if the temperature of the combustion chamber 10 is made uniform in the third operation region A3 where the rotational speed is high as described above, the combustion noise is not particularly a problem, but rather a lot of fuel is burned in a short time. As a result, it is considered that combustion with low exhaust loss (high thermal efficiency) is realized. Moreover, although the center part of the combustion chamber 10 is a part which becomes easy to become especially high temperature on the conditions of high rotation and high load like 3rd operation area | region A3, the center part of the combustion chamber 10 in the said 3rd operation area | region A3. According to the above embodiment, in which the temperature of the combustion chamber 10 is directly cooled by the jet water, it is reliably avoided that the temperature of the central portion of the combustion chamber 10 is excessively increased, so that the cooling loss is reduced and the thermal efficiency of the engine is improved. be able to.

(6)変形例
(a)第1の変形例
上記実施形態では、水噴射弁57から燃焼室10に噴射される水として、100℃以上の温度と2MPa以上の圧力とを有する比較的高温・高圧の水を用いたが、噴射水の温度・圧力等は、上述した各運転領域A1,A2,A3において求められる水噴射の寄与効果のいずれを重視するか等に応じて適宜変更可能である。
(6) Modification (a) First Modification In the above embodiment, the water injected from the water injection valve 57 into the combustion chamber 10 is a relatively high temperature having a temperature of 100 ° C. or higher and a pressure of 2 MPa or higher. Although high-pressure water was used, the temperature, pressure, and the like of the jet water can be changed as appropriate depending on which of the water jet contribution effects required in each of the operation regions A1, A2, A3 described above is important. .

例えば、いわゆる超臨界または亜臨界と呼ばれる状態にまで温度・圧力が高められた水(つまり超臨界水または亜臨界水)を燃焼室10に噴射することも可能である。ここで、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のことであり、亜臨界水とは、超臨界水に近い性質を有する水のことである。図11は、エンタルピー(横軸)および圧力(縦軸)の変化に伴う水の状態変化を示しており、この図11を用いて超臨界水および亜臨界水を説明すると、超臨界水とは、水の臨界点Xよりも温度および圧力の高い領域Z1に含まれる水として定義することができ、亜臨界水とは、領域Z1に隣接する領域Z1aに含まれる水として定義することができる。   For example, water whose temperature and pressure have been increased to a so-called supercritical or subcritical state (that is, supercritical water or subcritical water) can be injected into the combustion chamber 10. Here, supercritical water is water having a temperature and pressure higher than the critical point of water, and subcritical water is water having properties close to supercritical water. FIG. 11 shows changes in the state of water accompanying changes in enthalpy (horizontal axis) and pressure (vertical axis). Supercritical water and subcritical water will be described with reference to FIG. The water can be defined as water contained in the region Z1 having a temperature and pressure higher than the critical point X of water, and the subcritical water can be defined as water contained in the region Z1a adjacent to the region Z1.

より詳しく説明すると、図11において、LTは等温線、LDは等密度線であり、LTに続く数値が温度(K)を、LDに続く数値が密度(kg/m)をそれぞれ表している。また、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を表している。超臨界水に対応する領域Z1は、これら領域Z2,Z3,Z4のいずれにも属さない非常に高温・高圧の領域である。このような領域Z1では、水は液体の性質と気体の性質とを併せ持った(液体、気体、固体の三相のいずれにもあてはまらない)特殊な状態、つまり超臨界状態となる。なお、臨界点Xの温度は647K(より正確には647.3K)、圧力は22MPa(より正確には22.12MPa)であるから、領域Z1に属する超臨界水とは、647K(374℃)以上の温度と22MPa以上の圧力とを有する水のことである。また、領域Z1aに属する亜臨界水とは、600K以上647K未満の温度と250kg/m以上の密度とを有する水のことである。 More specifically, in FIG. 11, LT is an isotherm, LD is an isodensity line, a numerical value following LT represents temperature (K), and a numerical value following LD represents density (kg / m 3 ). . The region Z2 represents a liquid region, the region Z3 represents a gas region, and the region Z4 represents a region where the liquid and the gas coexist. The region Z1 corresponding to supercritical water is a very high temperature / high pressure region that does not belong to any of these regions Z2, Z3, and Z4. In such a region Z1, water is in a special state having both liquid and gas properties (not applicable to any of the three phases of liquid, gas, and solid), that is, a supercritical state. Note that the temperature of the critical point X is 647 K (more precisely 647.3 K) and the pressure is 22 MPa (more precisely 22.12 MPa). Therefore, the supercritical water belonging to the region Z1 is 647 K (374 ° C.). It is the water which has the above temperature and the pressure of 22 Mpa or more. Further, the subcritical water belonging to the region Z1a is water having a temperature of 600 K or more and less than 647 K and a density of 250 kg / m 3 or more.

このような超臨界水/亜臨界水を燃焼室10に噴射した場合には、噴射後の急速な水の膨張仕事を利用して、燃費改善効果が得られると考えられる。すなわち、図11において矢印W1で示すように、超臨界水/亜臨界水は、気体の水に変化するのにほとんどエンタルピー(潜熱)を必要としない。これに対し、領域Z2に含まれる液体の水は、矢印W2で示すように、気体に変化するために大きなエンタルピー(潜熱)を必要とする。このことは、超臨界水/亜臨界水を噴射した方が、液体の水を噴射するよりも、水の潜熱吸収に伴う燃焼室10の温度低下を十分に小さくできることを意味する。しかも、燃焼室10に噴射された超臨界水/亜臨界水は、燃焼室10内で急速に膨張することにより、ピストン5を押し下げる仕事をする。したがって、このような性質の超臨界水/亜臨界水を燃焼室10に噴射した場合には、その噴射に伴う仕事の増分だけ、燃料の噴射量を減らして燃費を改善できる可能性がある。   When such supercritical water / subcritical water is injected into the combustion chamber 10, it is considered that a fuel efficiency improvement effect can be obtained by utilizing the rapid expansion work of water after injection. That is, as indicated by an arrow W1 in FIG. 11, supercritical water / subcritical water requires little enthalpy (latent heat) to change to gaseous water. On the other hand, the liquid water contained in the region Z2 requires a large enthalpy (latent heat) in order to change into a gas as indicated by an arrow W2. This means that injecting supercritical water / subcritical water can sufficiently reduce the temperature drop of the combustion chamber 10 due to absorption of latent heat of water, rather than injecting liquid water. Moreover, the supercritical water / subcritical water injected into the combustion chamber 10 works to push down the piston 5 by rapidly expanding in the combustion chamber 10. Therefore, when supercritical water / subcritical water having such a property is injected into the combustion chamber 10, there is a possibility that the fuel consumption can be improved by reducing the fuel injection amount by the work increment accompanying the injection.

特に、第2運転領域A2では、圧縮上死点の後に水が噴射されるので、この噴射水として超臨界水/亜臨界水を用いれば、十分な燃費改善効果が得られると考えられる。すなわち、第2運転領域A2において超臨界水/亜臨界水を圧縮行程の後に噴射した場合には、噴射された超臨界水/亜臨界水が膨張行程中に急速に膨張することでピストン5が押し下げられるので、当該押し下げ仕事(それによる出力トルクの増分)の分だけ燃料の噴射量を減らすことができる。しかも、排気ガスの熱を利用して超臨界水/亜臨界水を生成した場合には、排気ガスの熱を出力に変換するいわゆる排熱回収が達成されるので、十分な燃費改善効果を得ることが可能になる。   In particular, in the second operation region A2, since water is injected after the compression top dead center, it is considered that a sufficient fuel efficiency improvement effect can be obtained if supercritical water / subcritical water is used as the injection water. That is, when the supercritical water / subcritical water is injected after the compression stroke in the second operation region A2, the injected supercritical water / subcritical water expands rapidly during the expansion stroke, so that the piston 5 Since the pressure is pushed down, the fuel injection amount can be reduced by the amount corresponding to the push-down work (accordingly, increase in output torque). In addition, when supercritical water / subcritical water is generated using the heat of the exhaust gas, so-called exhaust heat recovery that converts the heat of the exhaust gas into output is achieved, so that a sufficient fuel economy improvement effect is obtained. It becomes possible.

ただし、超臨界水/亜臨界水を例えば高負荷側の第1運転領域A1でも使用した場合、この第1運転領域A1で期待されている水噴射による冷却効果(つまり燃焼室10の外周部を冷却して燃焼を緩慢化する効果)は減少すると考えられる。しかしながら、超臨界水/亜臨界水といえども、圧縮上死点付近の燃焼室10の温度よりは低いので、それなりの冷却効果は期待できる。加えて、水は不活性ガスであるから、この不活性ガスとしての水の偏在がもたらす作用により、超臨界水/亜臨界水を噴射した場合でも同様の緩慢化効果が得られると考えられる。すなわち、超臨界水/亜臨界水を噴射した場合には、ごく短時間で十分量の水を燃焼室10の外周部に供給できるので、当該外周部における不活性ガスの濃度が十分に高まる結果、主にその濃度差がもたらす作用により、(冷却効果は減少するものの)燃焼の緩慢化を図ることが可能になる。   However, when supercritical water / subcritical water is used also in the first operation region A1 on the high load side, for example, the cooling effect by water injection expected in the first operation region A1 (that is, the outer peripheral portion of the combustion chamber 10 is The effect of cooling and slowing down combustion) is thought to decrease. However, even supercritical water / subcritical water is lower than the temperature of the combustion chamber 10 in the vicinity of the compression top dead center, so that a reasonable cooling effect can be expected. In addition, since water is an inert gas, it is considered that the same slowing effect can be obtained even when supercritical water / subcritical water is injected due to the effect of the uneven distribution of water as the inert gas. That is, when supercritical water / subcritical water is injected, a sufficient amount of water can be supplied to the outer peripheral portion of the combustion chamber 10 in a very short time, so that the concentration of the inert gas in the outer peripheral portion is sufficiently increased. The action caused mainly by the concentration difference makes it possible to slow down the combustion (although the cooling effect is reduced).

(b)その他の変形例
上記実施形態では、水噴射弁57として、先端部に複数の噴孔が形成された多噴孔型の噴射弁を用いたが、本発明において使用可能な水噴射弁はこれに限られず、いわゆる外開きタイプの噴射弁を水噴射弁として使用することも可能である。外開きタイプの噴射弁は、例えば、筒状のバルブボディと、このバルブボディ内に進退可能に挿入されたニードル弁とを備えている。ニードル弁の先端部は、その外周面がバルブボディの先端部の内周面に対し密着可能な状態で収容されている。このような外開きタイプの噴射弁では、その開弁時にニードル弁が突出方向に駆動されることにより、ニードル弁の先端部とバルブボディの内周面との間に連続したリング状のスリットからなるノズル口が形成され、このノズル口を通じて水がコーン状に噴射される(このようなコーン状の水噴射も放射状に水を噴射する一態様である)。なお、外開きタイプの噴射弁を使用可能なのは、燃料噴射弁11でも同様である。
(B) Other Modifications In the above embodiment, the water injection valve 57 is a multi-injection type injection valve having a plurality of injection holes formed at the tip, but the water injection valve that can be used in the present invention. However, the present invention is not limited to this, and a so-called outward-opening type injection valve can be used as the water injection valve. The outward opening type injection valve includes, for example, a cylindrical valve body and a needle valve inserted into the valve body so as to be able to advance and retract. The distal end portion of the needle valve is accommodated in a state where the outer peripheral surface thereof can be in close contact with the inner peripheral surface of the distal end portion of the valve body. In such an outside-opening type injection valve, the needle valve is driven in the protruding direction when the valve is opened, so that a continuous ring-shaped slit is formed between the tip of the needle valve and the inner peripheral surface of the valve body. A nozzle port is formed, and water is sprayed in a cone shape through this nozzle port (such a cone-shaped water spray is also a mode in which water is sprayed radially). The same applies to the fuel injection valve 11 in which an outwardly opening type injection valve can be used.

また、上記実施形態では、低速・高負荷の第1運転領域A1において、燃焼室10の外周部に水が偏在する状態を燃料の自着火の直前につくり出すために、燃焼室10の天井面の中央付近に配置された水噴射弁57から圧縮行程の前期ないし中期に放射状に水を噴射させるようにしたが(水噴射Iw1)、この第1運転領域A1での水噴射Iw1のタイミングは、燃料が自着火する直前の燃焼室10の外周部に水が偏在する状態をつくり出せるタイミングであればよく、その限りにおいて適宜の変更が可能である。例えば、水噴射弁57の取付位置が変われば、燃焼室10の外周部に水を偏在させるのに適したタイミングも変わり得るので、水噴射Iw1のタイミングは水噴射弁57の取付位置等に応じて適宜調整すればよい。ただし、いずれの場合でも、第1運転領域A1での水噴射Iw1は、燃料噴射弁11による燃料噴射If1が終了してから燃料が自着火するまでの間には開始する必要がある。   Further, in the above embodiment, in the first operating region A1 of low speed and high load, in order to create a state where water is unevenly distributed on the outer peripheral portion of the combustion chamber 10 immediately before the self-ignition of the fuel, Water is injected radially from the water injection valve 57 disposed near the center in the first to middle of the compression stroke (water injection Iw1). The timing of the water injection Iw1 in the first operation region A1 Any timing may be used as long as it can create a state in which water is unevenly distributed in the outer peripheral portion of the combustion chamber 10 immediately before self-ignition. For example, if the mounting position of the water injection valve 57 changes, the timing suitable for uneven distribution of water on the outer peripheral portion of the combustion chamber 10 can also change, so the timing of the water injection Iw1 depends on the mounting position of the water injection valve 57 and the like. May be adjusted accordingly. However, in any case, the water injection Iw1 in the first operation region A1 needs to be started after the fuel injection If1 by the fuel injection valve 11 is completed until the fuel self-ignites.

また、上記実施形態では、低速・高負荷の第1運転領域A1において、吸気行程の中期ないし後期に燃料噴射弁11から燃料を噴射させるようにしたが(燃料噴射If1)、この第1運転領域A1での燃料噴射If1のタイミングは、圧縮上死点までの間に燃料が燃焼室10内で比較的均一に分散するようなタイミングであればよく、その限りにおいて適宜の変更が可能である。例えば、圧縮行程の前半に燃料噴射If1を実行するようにしてもよい。ただし、第1運転領域A1での燃料噴射If1のタイミングは、少なくとも第2運転領域A2での燃料噴射If2のタイミングよりは早くされる。このことは、高速・高負荷の第3運転領域A3での燃料噴射If3でも同様である。   Further, in the above-described embodiment, the fuel is injected from the fuel injection valve 11 in the middle or later stage of the intake stroke in the low speed / high load first operation area A1 (fuel injection If1). The timing of the fuel injection If1 at A1 may be any timing as long as the fuel is relatively uniformly dispersed in the combustion chamber 10 until the compression top dead center, and can be appropriately changed as long as the timing is reached. For example, the fuel injection If1 may be executed in the first half of the compression stroke. However, the timing of the fuel injection If1 in the first operation region A1 is set to be earlier than the timing of the fuel injection If2 in the second operation region A2. The same applies to the fuel injection If3 in the third operation region A3 with high speed and high load.

また、上記実施形態では、低速・低負荷の第2運転領域A2において、圧縮上死点の直後に水噴射Iw2を開始してその後終了することにより、当該水噴射Iw2の期間が燃焼期間中に完全に含まれるような態様で水を噴射したが、この第2運転領域A2での水噴射Iw2のタイミングは、燃焼室10に噴射された水(気化後の水蒸気)によるOHラジカルの増大作用が燃焼期間中に及ぶようなタイミングであればよく、その限りにおいて適宜の変更が可能である。ただし、当該目的のためには、第2運転領域A2での水噴射Iw2は、燃料噴射If2が終了してから燃焼が終了するまでの間には開始する必要がある。なお、水噴射Iw2の終了タイミングは燃焼期間が過ぎてからでもよいが、燃焼が終了した後に噴射された水はスートの抑制には寄与しないので、燃焼が終了したらできるだけ速やかに水噴射Iw2も終了させるのが望ましい。   Further, in the above-described embodiment, in the second operating region A2 of low speed and low load, the water injection Iw2 is started immediately after the compression top dead center and then ended, so that the period of the water injection Iw2 is within the combustion period. Although water was injected in such a manner as to be completely included, the timing of the water injection Iw2 in the second operation region A2 is that the action of increasing OH radicals by the water injected into the combustion chamber 10 (water vapor after vaporization). Any timing that extends during the combustion period may be used, and appropriate changes can be made as long as the timing is reached. However, for this purpose, the water injection Iw2 in the second operation region A2 needs to be started between the end of the fuel injection If2 and the end of combustion. Water injection Iw2 may end at the end of the combustion period, but water injected after combustion does not contribute to the suppression of soot, so water injection Iw2 also ends as soon as combustion ends. It is desirable to let them.

また、上記実施形態では、高速・高負荷の第3運転領域A3において、燃焼室10の中央部(キャビティ5aの内部)に水が偏在する状態を燃料の自着火の直前につくり出すために、水噴射弁57から圧縮行程の後期に放射状に水を噴射させるようにしたが(水噴射Iw3)、この第3運転領域A3での水噴射Iw3のタイミングは、自着火の直前に燃焼室10の中央部に水を偏在させることが可能なタイミングであればよく、その限りにおいて適宜の変更が可能である。例えば、予定される自着火のタイミング等によっては、水噴射Iw3の期間の一部または全部が膨張行程の初期に含まれるようなタイミングで水を噴射してもよい。   Further, in the above-described embodiment, in the third operating region A3 of high speed and high load, in order to create a state in which water is unevenly distributed in the central portion of the combustion chamber 10 (inside the cavity 5a), immediately before the self-ignition of fuel, Although water is injected radially from the injection valve 57 in the latter half of the compression stroke (water injection Iw3), the timing of the water injection Iw3 in the third operation region A3 is the center of the combustion chamber 10 immediately before self-ignition. Any timing can be used as long as water can be unevenly distributed in the section, and appropriate changes can be made as long as the timing is reached. For example, depending on the scheduled timing of self-ignition, water may be injected at a timing such that a part or all of the period of the water injection Iw3 is included in the initial stage of the expansion stroke.

また、上記実施形態では、ガソリンと空気との混合気を圧縮して自着火させるHCCI燃焼が全ての運転領域で実行されるガソリンエンジンに本発明を適用した例について説明したが、本発明が適用可能なエンジンはこのようなエンジンに限られない。例えば、一部の運転領域でHCCI燃焼が実行されかつ残りの運転領域で火花点火燃焼が実行されるガソリンエンジンや、ガソリン以外の副成分(アルコール等)が含有された燃料をHCCI燃焼させるエンジンにも本発明を適用可能である。   Moreover, although the said embodiment demonstrated the example which applied this invention to the gasoline engine by which the HCCI combustion which compresses and self-ignites the mixture of gasoline and air is performed in all the operation areas, this invention is applied. Possible engines are not limited to such engines. For example, a gasoline engine in which HCCI combustion is performed in a part of the operation region and spark ignition combustion is performed in the remaining operation region, or an engine that causes HCCI combustion of fuel containing subcomponents (alcohol or the like) other than gasoline. The present invention is also applicable.

2 気筒
5 ピストン
10 燃焼室
11 燃料噴射弁
57 水噴射弁
101 燃料噴射制御部
102 水噴射制御部
A1 第1運転領域
A2 第2運転領域
Lx (負荷の)所定値
Rx (回転速度の)所定値
If1 (第1運転領域での)燃料噴射
If2 (第2運転領域での)燃料噴射
Iw1 (第1運転領域での)水噴射
Iw2 (第2運転領域での)水噴射
2 cylinder 5 piston 10 combustion chamber 11 fuel injection valve 57 water injection valve 101 fuel injection control unit 102 water injection control unit A1 first operation region A2 second operation region Lx (load) predetermined value Rx (rotational speed) predetermined value If1 Fuel injection (in the first operating region) If2 Fuel injection (in the second operating region) Iw1 Water injection (in the first operating region) Iw2 Water injection (in the second operating region)

Claims (5)

気筒に往復動可能に収容されたピストンと、気筒の壁面とピストンとにより画成された燃焼室にガソリンを含有する燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃焼室に水を噴射する水噴射弁とを備え、前記燃料噴射弁から噴射された燃料を空気と混合しつつ自着火により燃焼させる予混合圧縮着火燃焼が可能なエンジンを制御する装置であって、
前記燃料噴射弁からの燃料の噴射量および噴射タイミングを制御する燃料噴射制御部と、
前記水噴射弁からの水の噴射量および噴射タイミングを制御する水噴射制御部とを備え、
負荷が所定値以上の第1運転領域でエンジンが運転されているとき、前記水噴射制御部は、燃料が自着火する直前の燃焼室の外周部に水が偏在させられるように、前記燃料噴射弁による燃料噴射が終了した後の所定のタイミングで前記水噴射弁から水を噴射させ、
前記第1運転領域よりも負荷が低い第2運転領域でエンジンが運転されているとき、前記燃料噴射制御部および水噴射制御部は、圧縮行程の後半に燃料が噴射されるとともに、当該燃料噴射が終了してから前記自着火による燃焼が終了するまでの期間内に水が噴射されるように、前記燃料噴射弁および水噴射弁を制御する、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。
A piston reciprocally accommodated in the cylinder, a fuel injection valve that injects fuel containing gasoline into a combustion chamber defined by the cylinder wall and the piston, and a water injection valve that injects water into the combustion chamber A device for controlling an engine capable of premixed compression ignition combustion in which fuel injected from the fuel injection valve is mixed with air and combusted by self-ignition,
A fuel injection control unit for controlling the fuel injection amount and the injection timing from the fuel injection valve;
A water injection control unit that controls the injection amount and the injection timing of water from the water injection valve,
When the engine is operated in the first operation region where the load is equal to or greater than a predetermined value, the water injection control unit causes the fuel injection so that water is unevenly distributed on the outer peripheral portion of the combustion chamber immediately before the fuel self-ignites. Water is injected from the water injection valve at a predetermined timing after the fuel injection by the valve is completed,
When the engine is operated in the second operation region where the load is lower than that in the first operation region, the fuel injection control unit and the water injection control unit inject fuel in the latter half of the compression stroke, and The fuel injection valve and the water injection valve are controlled such that water is injected within a period from when the combustion is terminated by the self-ignition until the combustion ends by the self-ignition. Control device.
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、
前記水噴射弁は、前記燃焼室の天井面の中央付近から前記ピストンに向けて放射状に水を噴射するように設けられ、
前記第1運転領域での運転時、前記水噴射制御部は、圧縮行程の前期から中期までの期間内に前記水噴射弁から水を噴射させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
The control device for a premixed compression ignition engine according to claim 1,
The water injection valve is provided so as to inject water radially from the vicinity of the center of the ceiling surface of the combustion chamber toward the piston,
During the operation in the first operation region, the water injection control unit causes water to be injected from the water injection valve within a period from the first period to the middle period of a compression stroke. Control device.
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、
前記第2運転領域での運転時、前記水噴射制御部は、前記自着火による燃焼の継続期間中に水噴射が開始されるように前記水噴射弁を制御する、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。
In the control device of the premixed compression ignition type engine according to claim 1 or 2,
During the operation in the second operation region, the water injection control unit controls the water injection valve so that water injection is started during the duration of combustion by the self-ignition. Control device for compression ignition engine.
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の制御装置において、
前記第1運転領域および第2運転領域は、いずれもエンジンの回転速度が所定値未満となる低速側の速度域に設定されている、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。
In the control apparatus of the premixed compression ignition type engine according to any one of claims 1 to 3,
The control device for a premixed compression ignition type engine, wherein the first operation region and the second operation region are both set to a speed region on a low speed side where the rotational speed of the engine is less than a predetermined value.
請求項1〜4のいずれか1項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、
前記水噴射弁は、前記燃焼室から排出された排気ガスとの熱交換により加熱された水を噴射するものである、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。
In the control device of the premixed compression ignition engine according to any one of claims 1 to 4,
The control apparatus for a premixed compression ignition engine, wherein the water injection valve is for injecting water heated by heat exchange with the exhaust gas discharged from the combustion chamber.
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