JP2013044245A - 燃焼システムの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の低負荷運転時においても、失火回避を図りつつ水噴射によるＮＯｘ低減効果が得られるようにする。
【解決手段】燃焼室へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、燃焼室へ水（非燃焼流体）を噴射する水噴射弁（非燃焼流体噴射弁）と、を備えた燃焼システムに適用され、内燃機関が設定負荷以上の中高負荷運転の時には、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧に水を衝突させるように、水噴射弁の作動を制御する中高負荷時制御手段Ｓ５０と、内燃機関が低負荷運転の時には、燃料より先に水の噴射を開始して、燃料の噴射開始までには水の噴射を終了させるように水噴射弁の作動を制御する低負荷時制御手段Ｓ６０と、を備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室へ燃料および非燃焼流体（例えば水）を噴射する、燃焼システムの制御装置に関する。

特許文献１には、内燃機関の燃焼室へ、燃料とは別に水（非燃焼流体）を噴射させる技術が提案されている。これによれば、噴射した水の気化潜熱により燃焼温度を低下させることができ、ひいては燃焼時に発生するＮＯｘの量を低減させることができる。

特開平９−１４４６０６号公報

しかし、内燃機関の低負荷運転時には燃料の噴射量が少ないため、噴射した燃料噴霧に水がかかると、失火するおそれが生じる。そのため、上記特許文献１に記載の制御では、中高負荷運転時には水噴射を実施してＮＯｘ低減を図るものの、低負荷運転時には、水噴射を禁止して失火の回避を図っている。よって、低負荷運転時には水噴射によるＮＯｘ低減効果が得られない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、内燃機関の低負荷運転時においても、失火回避を図りつつ水噴射によるＮＯｘ低減効果が得られるようにした、燃焼システムの制御装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。

請求項１記載の発明では、内燃機関の燃焼室へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室へ非燃焼流体を噴射する非燃焼流体噴射弁と、を備えた燃焼システムに適用されることを前提とする。そして、前記内燃機関が設定負荷以上の中高負荷運転時には、前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧に前記非燃焼流体を衝突させるように、前記非燃焼流体噴射弁の作動を制御する中高負荷時制御手段と、前記内燃機関が前記設定負荷未満の低負荷運転時には、燃料より先に前記非燃焼流体の噴射を開始して、燃料の噴射開始までには前記非燃焼流体の噴射を終了させるように前記非燃焼流体噴射弁の作動を制御する低負荷時制御手段と、を備えることを特徴とする。

これによれば、低負荷運転時には、燃料より先に非燃焼流体の噴射を開始して、燃料の噴射開始までには非燃焼流体の噴射を終了させるので、噴射した燃料噴霧に非燃焼流体が噴き付けられることを回避できる。よって、低負荷運転時においても、失火回避を図りつつ、非燃焼流体の噴射によるＮＯｘ低減効果が得られるようにできる。

一方、中高負荷運転時には非燃焼流体を燃料噴霧に衝突させるので、非燃焼流体の気化潜熱により燃焼温度を低下させるのみならず、以下の如く熱損失低下の効果も発揮される。すなわち、非燃焼流体を燃料噴霧に衝突させることにより、燃料噴霧の貫徹力が低下するので、燃料噴霧がシリンダ壁面やピストンヘッドに到達することを抑制できる。よって、シリンダ壁面等から燃焼熱が奪われていく量（熱損失）を低減できる。

要するに、上記発明によれば、失火の心配がない中高負荷運転時には、非燃焼流体を燃料噴霧に衝突させることにより、非燃焼流体の気化潜熱による燃焼温度低下（ＮＯｘ低減）の効果に加え、熱損失低下の効果を発揮させる。一方、失火が心配される低負荷運転時には、燃料の噴射開始までに非燃焼流体の噴射を終了させることにより、失火を回避しつつ燃焼温度低下（ＮＯｘ低減）の効果を発揮させることが可能となる。

請求項２記載の発明では、前記低負荷時制御手段は、前記非燃焼流体噴射弁から噴射された非燃焼流体が、燃料の噴射開始までには全て気化することとなるように、前記非燃焼流体噴射弁の作動を制御することを特徴とする。

これによれば、噴射された非燃焼流体の液状噴霧であって噴射直後に燃焼室内を浮遊している液状噴霧が、噴射した燃料噴霧に触れることを回避できる。よって、低負荷運転時における失火回避の確実性を向上できる。

請求項３記載の発明では、前記非燃焼流体の噴射量を、前記内燃機関の運転状態に応じて設定することを特徴とする。

ここで、内燃機関を一定時間運転させた時のＮＯｘ発生トータル量が、目標値未満となるように管理するのが一般的である。そして、燃焼温度の低下が困難な高負荷運転時にはＮＯｘ発生をある程度許容して、その許容した分、低負荷運転時には非燃焼流体の噴射によるＮＯｘ低減量を増大させて、ＮＯｘ発生トータル量が目標値未満となるように管理することが望ましい。換言すれば、内燃機関の運転状態（例えば負荷や回転速度）に応じてＮＯｘ発生量の目標値を設定することが望ましい（図５（ａ１）（ａ２）中の実線参照）。

この点を鑑みた上記発明では、非燃焼流体の噴射量を内燃機関の運転状態に応じて設定するので、ＮＯｘ発生量の目標値に対する実際のＮＯｘ発生量を、非燃焼流体の噴射量により管理できるようになる。

請求項４記載の発明では、前記燃焼室から排出された排ガスの一部を吸気側へ還流させるＥＧＲ配管と、当該ＥＧＲ配管の開度を調節するＥＧＲバルブとを前記燃焼システムは備えており、前記非燃焼流体の噴射量によりＮＯｘ排出量を制御している時には、前記ＥＧＲバルブを所定の開度に固定することを特徴とする。

ところで、低負荷運転時には非燃焼流体の噴射を禁止する上記特許文献１記載の制御では、非燃焼流体を噴射できない低負荷運転時には、ＥＧＲバルブの開度を調節することによりＮＯｘ発生量を管理していた。しかし、吸気バルブの開度が大きいと、ＥＧＲバルブの開度に応じたＥＧＲ量を吸気通路へ流入できなくなるため、ＥＧＲバルブの開度を変化させることに伴い吸気バルブの開度も変化させる必要が生じる。また、ＥＧＲ量を変化させると過給圧も変化する。そして、吸気量や過給圧が変化すると、ＮＯｘ発生量が変化するので、ＮＯｘ量を管理する各種制御（燃料噴射量、燃料噴射時期、過給圧、ＥＧＲ量等の制御）が複雑となる。

そして、非燃焼流体の噴射量を内燃機関の運転状態に応じて設定すれば、非燃焼流体の噴射量によりＮＯｘ発生量を管理できるようになることは先述した通りであり、ＥＧＲバルブを所定の開度に固定することが可能となる。この点を鑑みた上記発明では、非燃焼流体の噴射量によりＮＯｘ排出量を制御している時にはＥＧＲバルブを所定の開度に固定するので、吸気量や過給圧が変化することを抑制でき、ＮＯｘ発生量の変化が抑制される。よって、ＮＯｘ量を管理する各種制御（燃料噴射量、燃料噴射時期、過給圧、ＥＧＲ量等の制御）が複雑となることを回避できる。

請求項５記載の発明では、前記中高負荷時制御手段は、前記燃料噴霧の燃焼が終了するまでには前記非燃焼流体の噴射を終了させるように、前記非燃焼流体噴射弁の作動を制御することを特徴とする。

ここで、上記発明に反し、中高負荷運転時において燃焼終了以降にも非燃焼流体を噴射させると、その噴射にかかる非燃焼流体は燃焼温度の低下（ＮＯｘ低減）には寄与せず、しかも、筒内圧力を低下させてピストンの仕事量の低下を招いてしまう。この点を鑑みた上記発明では、中高負荷運転時において、燃焼終了までには非燃焼流体の噴射を終了させるので、ＮＯｘ低減に寄与しない不要な非燃焼流体の噴射を回避でき、ピストン仕事量の低下を回避できる。

本発明の第１実施形態にかかる燃焼システム、及びそのシステムが適用される内燃機関の概略を示す図。 （ａ）（ｂ）は、燃料噴射前に水噴射を終了させる低負荷時における燃料噴霧の形状および分布を示す図、（ｃ）（ｄ）は、燃料と水を同時に噴射させる中高負荷時における燃料噴霧と水噴霧を示す図。 第１実施形態において、燃料噴射制御および水噴射制御の処理手順を示すフローチャート。 両噴射弁への噴射指令信号の出力の一例であり、（ａ）（ｂ）は中高負荷時、（ｃ）（ｄ）は低負荷時の場合における前記出力のタイミングチャート。 第１実施形態による効果を説明するための試験結果。 本発明の第２実施形態にかかる燃焼システムを示す図。 本発明の第３実施形態にかかる燃焼システムを示す図。

以下、本発明にかかる「燃焼システムの制御装置」を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。

（第１実施形態）
図１（ｂ）は、本実施形態にかかる燃焼システム及びそのシステムが適用される内燃機関の概略を示す図であり、圧縮自着火式の内燃機関１０（ディーゼルエンジン）に適用されることを想定している。なお、図中の符号１３は吸気弁を示し、符号１４は排気弁を示す。

内燃機関１０のシリンダヘッド１１には燃料噴射弁２０が取り付けられており、内燃機関１０のシリンダブロック１２には水噴射弁３０（非燃焼流体噴射弁）が取り付けられている。図１（ａ）は、図１（ｂ）を上方から見た場合における、両噴射弁２０，３０の位置関係を示す図である。

燃料噴射弁２０は、シリンダヘッド１１の上方から軸方向（図１の上下方向）に挿入配置されており、燃焼室１０ａの中央に１本配置されている。そして、図示しない燃料タンクに貯蔵されている液体の燃料（例えば軽油）が、燃料ポンプ２１によりコモンレール２２へ圧送され、コモンレール２２に蓄圧された高圧燃料が燃料噴射弁２０へ供給される。なお、本実施形態では多気筒の内燃機関１０を想定しており、各気筒に備えられた燃料噴射弁２０へコモンレール２２から高圧燃料が分配される。

また、燃料噴射弁２０は、噴孔２０ａを形成するボデーと、ボデー内部に収容されて噴孔２０ａを開閉する弁体２０ｂと、弁体２０ｂを開閉作動させる電動アクチュエータ２０ｃと、を有して構成されている。電子制御装置（ＥＣＵ４０）から電動アクチュエータ２０ｃへ通電オンの指令信号が出力されると、弁体２０ｂが開弁作動して燃料が噴孔２０ａから燃焼室１０ａへ直接噴射される。一方、ＥＣＵ４０から通電オフの指令信号が出力されると、弁体２０ｂが閉弁作動して燃料噴射が停止される。

水噴射弁３０は、シリンダブロック１２の側方から径方向（図１の左右方向）に挿入配置されており、２本の水噴射弁３０が対向するように配置されている。そして、図示しない水タンクに貯蔵されている水（非燃焼流体）が、水ポンプ３１によりデリバリパイプ３２へ圧送され、デリバリパイプ３２に蓄圧された高圧水が水噴射弁３０へ供給される。各気筒の水噴射弁３０へデリバリパイプ３２から高圧水が分配される。

なお、水噴射弁３０へ供給する水は加熱手段（図示せず）により加熱しておくことが望ましい。加熱手段の具体例としては、内燃機関１０の排気と熱交換する熱交換器や電気ヒータ等が挙げられる。

また、水噴射弁３０は、噴孔３０ａを形成するボデーと、ボデー内部に収容されて噴孔３０ａを開閉する弁体３０ｂと、弁体３０ｂを開閉作動させる電動アクチュエータ３０ｃと、を有して構成されている。ＥＣＵ４０から電動アクチュエータ３０ｃへ通電オンの指令信号が出力されると、弁体３０ｂが開弁作動して水が噴孔３０ａから燃焼室１０ａへ直接噴射される。一方、ＥＣＵ４０から通電オフの指令信号が出力されると、弁体３０ｂが閉弁作動して水噴射が停止される。

詳細については後述するが、内燃機関１０が設定負荷以上の中高負荷運転時には、水噴射弁３０からの噴射と燃料噴射弁２０からの噴射を同時に実施する。一方、設定負荷未満の低負荷運転時には、燃料より先に水噴射を開始して、燃料噴射開始までには水噴射を終了させる。

図２（ａ）（ｂ）は、燃料噴射を開始する前に水噴射を終了させる低負荷運転時において、燃料噴射弁２０の噴孔２０ａから噴射された燃料噴霧Ｊａｆ，Ｊｂｆの形状および分布を示す。なお、図中の符号Ｇｗは、水噴射弁３０から噴射された後に燃焼室１０ａ内で気化した水（蒸発水）を示す。また、図２（ａ）を上方から見た図２（ｂ）に示すように、噴孔２０ａは複数（図２の例では６個）形成されており、複数の燃料噴霧Ｊａｆ，Ｊｂｆはそれぞれ円錐形状であり、等間隔に配置される。

図２（ｃ）（ｄ）は、燃料噴射と水噴射を同時に実施する中高負荷運転時において、水噴射弁３０の噴孔３０ａから噴射された水噴霧Ｊａｗ，Ｊｂｗおよび燃料噴霧Ｊａｆ，Ｊｂｆの形状と分布を示す。水噴霧は、燃料噴霧をシリンダ壁面１０ｂから遠ざけるように燃料噴霧に衝突する。

より詳細には、燃料噴霧のシリンダ壁面１０ｂ方向への速度を減衰させるように衝突する。具体的には、符号Ｊａｆに示す燃料噴霧は水噴霧Ｊａｗと正面衝突する。換言すれば、燃料噴霧Ｊａｆの中心軸線Ｃａｆと水噴霧Ｊａｗの中心軸線Ｃａｆとが一致するように両噴射弁２０，３０は配置されている。また、符号Ｊｂｆに示す燃料噴霧はその側方から水噴霧Ｊｂｗが衝突する。換言すれば、燃料噴霧Ｊｂｆの中心軸線Ｃｂｆと水噴霧Ｊｂｗの中心軸線Ｃｂｆとが燃焼室１０ａ内で交差するように両噴射弁２０，３０は配置されている。なお、図２および図３中の網点を付した部分は、燃料噴霧と水噴霧が衝突する位置を示す。

ＥＣＵ４０は、ＣＰＵやメモリ等から構成されるマイクロコンピュータ、信号入出力回路等を有して構成されており、上述の如く両噴射弁２０，３０の作動を制御する。具体的には、弁体２０ｂ，３０ｂを開弁作動させて噴射を開始させる時期（噴射開始時期ｔｓ）、及び開弁時間（噴射期間Ｔｑ）を制御する。なお、弁体２０ｂ，３０ｂの開弁時間を制御することで、１回の開弁で噴射される量（噴射量Ｑ）を制御する。これらの制御内容については、図３および図４を用いて後に詳述する。

さらにＥＣＵ４０は、燃料ポンプ２１および水ポンプ３１の吐出量を制御することで、コモンレール２２内の圧力（燃料の供給圧）およびデリバリパイプ３２内の圧力（水の供給圧）を制御する。具体的には、これらのポンプ２１，３１に、内燃機関１０の出力軸により駆動するプランジャポンプを採用した場合、かつ、プランジャに吸入する燃料または水の量を調量弁により制御する場合において、調量弁の作動をＥＣＵ４０が制御することで、ポンプ２１，３１の吐出量を制御して、燃料供給圧Ｐｆおよび水供給圧Ｐｗを制御（供給圧制御）する。

ＥＣＵ４０には、内燃機関１０の出力軸の回転速度ＮＥや、アクセルペダル踏込量等の機関要求負荷等の信号が入力される。ＥＣＵ４０は、これらの検出信号に基づき、燃料噴射弁２０等の作動を制御して内燃機関１０の運転状態を制御する。

図３は、ＥＣＵ４０が有するマイクロコンピュータによる燃料噴射制御および水噴射制御の処理手順を示すフローチャートであり、当該処理は、所定周期（例えば先述のＣＰＵが行う演算周期又は所定のクランク角度毎）で繰り返し実行される。なお、この処理を実行している時のＥＣＵ４０は「燃焼システムの制御装置」に相当する。

先ず、図３に示すステップＳ１０において、内燃機関１０の要求負荷および機関回転速度ＮＥを取得する。続くステップＳ２０では、ステップＳ１０で取得した要求負荷及びＮＥに基づき燃料噴射量Ｑｆ、および燃料供給圧Ｐｆの目標値を算出する。

例えば、要求負荷及びＮＥに対する最適な燃料噴射量Ｑｆおよび噴射開始時期ｔｓｆを予め試験により取得しておき、要求負荷及びＮＥと最適量との関係をマップ等に記憶させておく。そして、当該マップを参照してＱｆ，ｔｓｆを算出すればよい。なお、高負荷、高ＮＥであるほど燃料噴射量Ｑｆを増大させることが望ましい。

ここで、弁体２０ｂの開弁期間（噴射期間Ｔｑｆ）と噴射量Ｑｆとは相関性が高い。そのため、噴射量Ｑｆに相当する噴射期間Ｔｑｆが噴射開始時期ｔｓｆから経過した時期を、噴射終了時期ｔｅｆとする。燃料供給圧Ｐｆについても噴射量Ｑｆの算出と同様にして、マップを参照して算出すればよく、高負荷、高ＮＥであるほど燃料供給圧Ｐｆを高くすることが望ましい。そして、このように算出した燃料供給圧Ｐｆの目標値に基づき、燃料ポンプ２１の吐出量をＥＣＵ４０が制御する。

続くステップＳ３０では、水の噴射量Ｑｗおよび水供給圧Ｐｗの目標値を算出する。例えば、ステップＳ１０で取得した要求負荷及びＮＥに基づき水噴射量Ｑｗおよび水供給圧Ｐｗを算出する。詳細には、要求負荷及びＮＥに対する最適なＱｗ，Ｐｗを予め試験により取得しておき、要求負荷及びＮＥとＱｗ，Ｐｗの最適量との関係をマップ等に記憶させておく。そして、当該マップを参照してＱｗ，Ｐｗを算出すればよい。なお、高負荷、高ＮＥであるほどＱｗ，Ｐｗを増大させることが望ましい。

或いは、ステップＳ２０で算出した燃料噴射量Ｑｆに基づき水噴射量Ｑｗおよび水供給圧Ｐｗを算出する。例えば、燃料噴射量Ｑｆの値が大きいほどＱｗ，Ｐｗを大きい値に設定することが望ましい。

続くステップＳ４０では、ステップＳ２０で算出した噴射量Ｑｆが所定値Ｑｔｈ以上であるか否かを判定する。Ｑｆ≧Ｑｔｈと判定されれば（Ｓ４０：ＹＥＳ）、内燃機関１０が設定負荷以上の中高負荷運転であるとみなし、次のステップＳ５０にて水の噴射開始時期ｔｓｗおよび噴射終了時期ｔｅｗを算出する。

ステップＳ５０（中高負荷時制御手段）では、図２（ｃ）に示すように、燃料噴霧Ｊａｆ，Ｊｂｆに水噴霧Ｊａｗ，Ｊｂｗを衝突させるように、水噴射開始時期ｔｓｗを算出する。なお、ステップＳ３０で算出した水噴射量Ｑｗ、水供給圧Ｐｗおよび水噴射開始時期ｔｓｗから、水噴射終了時期ｔｅｗが特定される。但し、このように特定される水噴射終了時期ｔｅｗが、燃料噴霧の燃焼が終了する時期よりも後にならないように制限する。望ましくは、水噴射終了時期ｔｅｗが燃料噴射終了時期ｔｅｆよりも後にならないように制限する。

ここで、上記制限を実施しない場合、燃焼終了以降に噴射された水は、燃焼温度の低下（ＮＯｘ低減）には寄与せず、しかも、筒内圧力を低下させてピストン１５の仕事量の低下を招く。これに対し上記制限を実施して燃焼終了以降の水噴射を禁止すれば、ＮＯｘ低減に寄与しない不要な水噴射を回避でき、ピストン仕事量の低下を回避できる。

ｔｓｗおよびｔｅｗを算出する具体例を説明すると、先ず、水噴射開始時期ｔｓｗを燃料噴射開始時期ｔｓｆと同じ時期に設定し、当該設定したｔｓｗ、水噴射量Ｑｗおよび水供給圧Ｐｗに基づき水噴射終了時期ｔｅｗを算出する。そして、当該算出したｔｅｗが燃料噴射終了時期ｔｅｆ以降になっていれば、ｔｅｗとｔｅｆが同じ時期になるように、ｔｓｗの時期を早めるように補正する。或いは、ｔｅｗとｔｅｆが同じ時期になるようにＰｗを上昇させるように補正する。

図４（ｃ）（ｄ）は、ステップＳ５０での処理を実施した場合における、両噴射弁２０，３０への噴射指令信号の出力の一例を示すタイミングチャートであり、図４の例では、水噴射開始時期ｔｓｗを燃料噴射開始時期ｔｓｆと同時期に設定するとともに、水噴射終了時期ｔｅｗを燃料噴射終了時期ｔｅｆと同時期に設定している。これにより、燃料噴霧Ｊａｆ，Ｊｂｆに水噴霧Ｊａｗ，Ｊｂｗが衝突し、かつ、燃焼終了以降の水噴射が禁止されることとなる。

図３の説明に戻り、ステップＳ４０にてＱｆ＜Ｑｔｈと判定されれば（Ｓ４０：ＮＯ）、内燃機関１０が設定負荷未満の低負荷運転であるとみなし、次のステップＳ６０にて水の噴射開始時期ｔｓｗおよび噴射終了時期ｔｅｗを算出する。

ステップＳ６０（低負荷時制御手段）では、図２（ａ）に示すように、燃料噴霧Ｊａｆ，Ｊｂｆに水噴霧Ｊａｗ，Ｊｂｗが衝突することを回避すべく、燃料噴射を開始する前に水噴射を終了させるよう、水噴射開始時期ｔｓｗおよび水噴射終了時期ｔｅｗを算出する。詳細には、燃料噴射を開始するまでには、噴射した水が全て気化した状態となるように、ｔｓｗ，ｔｅｗを算出する。

図４（ａ）（ｂ）は、両噴射弁２０，３０への噴射指令信号の出力の一例を示すタイミングチャートであり、以下、図４を参照しつつｔｓｆおよびｔｅｆを算出する具体例を説明する。先ず、水噴射終了時期ｔｅｗを、燃料噴射開始時期ｔｓｆよりも所定期間（気化猶予期間Ｔｇ）だけ前の時点に設定する。なお、気化猶予期間Ｔｇは筒内温度（例えば機関冷却水温度や排気温度に相当）に基づき算出する。そして、当該設定したｔｅｗ、水噴射量Ｑｗおよび水供給圧Ｐｗに基づき水噴射開始時期ｔｓｗを算出する。

そして、図３のステップＳ７０では、ステップＳ２０で算出した燃料噴射条件Ｑｆ，ｔｓｆ，ｔｅｆ、およびステップＳ３０，Ｓ５０またはＳ６０で算出した水噴射条件Ｑｗ，ｔｓｗ，ｔｅｗとなるよう、燃料噴射弁２０および水噴射弁３０の作動を制御する。なお、２つの水噴射弁３０の作動は各々同じになるように制御する。

以上により、本実施形態によれば、低負荷運転時であっても、燃料噴射開始までには水噴射を終了させるようにして水噴射を実施するので、燃料噴霧に水が噴き付けられないように失火回避を図りつつ、水噴射によるＮＯｘ低減効果が得られるようにできる。

そして、このように全ての運転領域において水噴射によるＮＯｘ低減を図ることができるので、水噴射量ＱｗによりＮＯｘ排出量を管理でき、ＥＧＲ量を制御することでＮＯｘ排出量を管理することを廃止できる。つまり、内燃機関１０の運転状態に応じて、ＥＧＲ低減量が目標値となるように水噴射量Ｑｗを設定すれば、ＥＧＲ配管４１に備えられているＥＧＲバルブ４２を、所定の開度（例えば３０％開度）に固定して用いることができる。

なお、ＥＧＲ量によりＮＯｘ排出量を管理しようとすると、ＥＧＲバルブ４２の開度に応じて吸気量を変化させたり過給圧の変化が生じたりするので、ＮＯｘ排出量を管理する各種制御（燃料噴射量、燃料噴射時期、過給圧、ＥＧＲ量等の制御）が複雑となる。これに対し、ＥＧＲバルブ４２の開度を固定して、水噴射量ＱｗによりＮＯｘ排出量を管理する本実施形態によれば、当該管理を容易に実現できる。

図５は、上記効果を説明する試験結果であり、（ａ１）〜（ｅ１）は、本実施形態に反して低負荷運転時に水噴射を禁止して（（ｄ１）参照）、失火回避を図った場合の結果である。一方、（ａ２）〜（ｅ２）は、ステップＳ６０で設定した水噴射条件にしたがって低負荷運転時に水噴射を実施した場合の結果である（（ｄ２）参照）。なお、（ｅ１）（ｅ２）中の実線は、エンジン負荷に応じた燃料噴射開始時期ｔｓｆを示し、点線は水噴射開始時期ｔｓｗを示す。低負荷時にも両時期ｔｓｆ，ｔｓｗを同じに設定する（ｅ１）の場合には、燃焼が不安定になるため低負荷時における水噴射を実施できない。一方、低負荷時には水噴射開始時期ｔｓｗを進角させる（ｅ２）の場合には、燃焼不安定を回避しつつ水噴射が実施可能となる。

（ａ１）（ａ２）は、エンジン負荷とＮＯｘ濃度（ＮＯｘ排出量）との関係を示す。そして、図中の点線はＥＧＲ量がゼロであり、かつ水噴射を実施しない場合におけるＮＯｘ量を示し、図中の実線はＮＯｘ排出量の目標値を示す。したがって、ＥＧＲによるＮＯｘ低減量、および水噴射によるＮＯｘ低減量により、点線に示すＮＯｘ量を実線に示す目標値まで低減することが要求される。図中の斜線部分はＥＧＲによるＮＯｘ低減量に相当し、図中の網点部分は水噴射によるＮＯｘ低減量に相当する。

（ａ１）の例では、低負荷時に水噴射を禁止するので、その分ＥＧＲ量を増大させている（（ｃ１）参照）。なお、ＥＧＲバルブ４２の開度を大きくするほど、吸気バルブ開度を小さくして（（ｂ１）参照）、所望するＥＧＲ量が確実に還流するように図っている。これに対し、低負荷時にも水噴射が可能な（ａ２）の例では、ＥＧＲバルブ４２の開度を固定することができる（（ｃ２）参照）。その結果、ＥＧＲバルブ４２の開度変化に合わせて吸気バルブ開度を変化させることも不要となる（（ｂ２）参照）。

このように、低負荷時に水噴射を禁止する従来の制御（ａ１）〜（ｅ１）では、低負荷時においてはＮＯｘ排出量が目標値となるようにＥＧＲバルブ４２の開度を制御する必要がある。これに対し、低負荷時にも水噴射が可能な本実施形態の制御（ａ２）〜（ｅ２）では、低負荷時においてもＥＧＲバルブ４２の開度を固定することができ、ＮＯｘ排出量が目標値となるように水噴射量Ｑｗを制御する。

さらに、本実施形態によれば、以下の効果も発揮される。

・中高負荷時において、水噴霧Ｊａｗ，Ｊｂｗを燃料噴霧Ｊａｆ，Ｊｂｆに衝突させるように噴射させるので、燃料噴霧の貫徹力が低減され、燃料噴霧がシリンダ壁面１０ｂに到達しにくくなる。そのため、シリンダ壁面１０ｂから離れた位置で燃焼するようにでき、ひいては、シリンダ壁面１０ｂから燃焼熱が奪われる量を低減して燃焼の熱損失を低減できる。また、燃料噴霧に水を衝突させるので、燃料噴霧が燃焼室１０ａ内で拡散することを促進できる。よって、燃焼室１０ａ内で局所リッチになることを抑制でき、理想的な燃焼状態に近づけることができる。

・水噴射弁３０を備えていない従来の燃焼システムにおいては、ピストン１５の頂面を凹形状に形成するのが一般的であり、これにより、燃料噴霧が凹面に沿って流れて渦（タンブル流）を生じさせ、燃焼室１０ａ内で局所リッチになることの抑制を図っている。これに対し、燃料噴霧に水を衝突させる本実施形態では、先述したように水の衝突により燃料噴霧を燃焼室１０ａ内に拡散させるので、ピストン頂面を凹形状に形成することは不要である。この点を鑑みた本実施形態では、ピストン頂面１６を凸形状に形成し、凹形状にすることを廃止している。

・水噴射弁３０をシリンダブロック１２に配置する本実施形態では、ピストン頂面１６が水噴射弁３０に緩衝しないようにすべく、ピストン１５の上死点位置が制限されてしまい、圧縮比を十分に高くできなくなることが懸念される。この点を鑑みた本実施形態では、ピストン頂面１６を凸形状に形成するので、凹形状に形成した場合に比べて、ピストン上死点位置が制限されることによる圧縮比の低減を抑制できる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、燃料噴射弁２０をシリンダヘッド１１の中央に配置して燃焼室１０ａの上方から燃料を噴射させている。これに対し本実施形態では、図６に示すように、燃料噴射弁２０をシリンダブロック１２に配置して燃焼室１０ａの側方（径方向）から燃料を噴射させている。

図６（ｃ）（ｄ）は、燃料噴射を開始する前に水噴射を終了させる低負荷運転時において、燃料噴射弁２０の噴孔２０ａから噴射された燃料噴霧Ｊａｆ，Ｊｂｆの形状および分布を示す。なお、図中の符号Ｇｗは、水噴射弁３０から噴射された後に燃焼室１０ａ内で気化した水（蒸発水）を示す。なお、（ａ）（ｃ）（ｅ）は（ｂ）（ｄ）（ｆ）を上方から見た図である。噴孔２０ａは複数（図６の例では３個）形成されており、複数の燃料噴霧Ｊａｆ，Ｊｂｆはそれぞれ円錐形状であり、同一平面上に並んで位置する。

図６（ｅ）（ｆ）は、燃料噴射と水噴射を同時に実施する中高負荷運転時において、水噴射弁３０の噴孔３０ａから噴射された水噴霧Ｊａｗ，Ｊｂｗおよび燃料噴霧Ｊａｆ，Ｊｂｆの形状と分布を示す。水噴霧は、燃料噴霧をシリンダ壁面１０ｂから遠ざけるように燃料噴霧に衝突する。

符号Ｊａｆに示す燃料噴霧は水噴霧Ｊａｗと正面衝突する。換言すれば、燃料噴霧Ｊａｆの中心軸線と水噴霧Ｊａｗの中心軸線とが一致するように両噴射弁２０，３０は配置されている。また、符号Ｊｂｆに示す燃料噴霧はその側方から水噴霧Ｊｂｗが衝突する。換言すれば、燃料噴霧Ｊｂｆの中心軸線と水噴霧Ｊｂｗの中心軸線とが燃焼室１０ａ内で交差するように両噴射弁２０，３０は配置されている。なお、図６（ｅ）（ｆ）中の網点を付した部分は、燃料噴霧と水噴霧が衝突する位置を示す。

以上により、本実施形態によっても、低負荷運転時には燃料噴霧Ｊａｆ，Ｊｂｆに水が衝突しないように水噴射を実施するので、低負荷運転時であっても失火回避を図りつつ水噴射によるＮＯｘ低減効果が得られる、といった上記第１実施形態と同様の効果が得られるようになる。

（第３実施形態）
上記第１，第２実施形態では、燃料を噴射する燃料噴射弁２０と水を噴射する水噴射弁３０とを別々に備えているが、図７に示す本実施形態では、燃料を噴射する噴孔と水を噴射する噴孔を１つの噴射弁５０に設けており（図７（ａ）参照）、噴射弁の本数削減を図っている。

但しこの場合には、中高負荷運転時において燃料噴霧Ｊａｆと水噴霧Ｊａｗが衝突可能となるように、燃料用の噴孔および水用の噴孔の配置を設定しておく必要が有る。また、両噴孔の開閉をそれぞれ独立して制御できるように構成する必要が有る。

ちなみに、図７（ｂ）は、燃料噴射を開始する前に水噴射を終了させる低負荷運転時において、噴射弁５０の燃料用噴孔から噴射された燃料噴霧Ｊａｆ，Ｊｂｆの形状および分布を示す。なお、図中の符号Ｇｗは、水用噴孔から噴射された後に燃焼室１０ａ内で気化した水（蒸発水）を示す。

図７（ｃ）は、燃料噴射と水噴射を同時に実施する中高負荷運転時において、噴射弁５０から噴射された水噴霧Ｊａｗ，Ｊｂｗおよび燃料噴霧Ｊａｆ，Ｊｂｆの形状と分布を示す。水噴霧は、燃料噴霧をシリンダ壁面１０ｂから遠ざけるように燃料噴霧に衝突する。

以上により、本実施形態によっても、低負荷運転時には燃料噴霧Ｊａｆ，Ｊｂｆに水が衝突しないように水噴射を実施するので、低負荷運転時であっても失火回避を図りつつ水噴射によるＮＯｘ低減効果が得られる、といった上記第１実施形態と同様の効果が得られるようになる。

（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、以下のように変更して実施してもよい。また、各実施形態の特徴的構成をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。

・上記第１実施形態では、ＥＧＲバルブ４２の開度を固定しているが、内燃機関１０の運転状態に応じて可変設定してもよい。換言すれば、ＮＯｘ排出量の目標値に応じてＮＯｘ低減量を変化させるにあたり、当該低減量を水噴射量Ｑｗのみで制御することに替え、ＥＧＲバルブ４２の開度および水噴射量Ｑｗの両者で、ＮＯｘ低減量を制御するようにしてもよい。

・上記第１実施形態では、燃料噴射開始時期ｔｓｆよりも気化猶予期間Ｔｇだけ前の時点が水噴射終了時期ｔｅｗとなるよう、水噴射開始時期ｔｓｗを設定しているが、ｔｅｆよりもＴｇだけ前の時点が水噴射終了時期ｔｅｗとなるよう、水噴射開始時期ｔｓｗとともに水供給圧Ｐｗを変化させるようにしてもよい。

・上記第１実施形態では、内燃機関１０が設定負荷未満（Ｑｆ＜Ｑｔｈ）の低負荷運転時において水噴射後に燃料噴射を実施する低負荷モードと、設定負荷以上の中高負荷運転時において水と燃料量を同時に噴射する中高負荷モードとを切り替えている。これに対し、所定値Ｑｔｈよりもさらに低い値に設定された値未満となる極低負荷運転時（例えばアイドル運転時）には、失火を確実に回避させるべく、水噴射を禁止する極低負荷モードを実施してもよい。つまり、低負荷モード、中高負荷モードおよび極低負荷モードの３つを切り替えるようにしてもよい。

・上記第１実施形態では、低負荷モードにおいて、燃料噴射開始時期ｔｓｆよりも気化猶予期間Ｔｇだけ前の時点で水噴射が終了するように水噴射を制御しているが、気化猶予期間Ｔｇを廃止して、燃料噴射開始時期ｔｓｆ以前の時点で水噴射が終了するように制御してもよい。

・上記各実施形態では、中高負荷モードにおいて、水噴射終了時期ｔｅｗを燃料噴射終了時期ｔｅｆと一致させているが、これら両終了時期ｔｅｗ，ｔｅｆをずらしてもよい。但し、ｔｅｗをｔｅｆよりも過剰に遅らせることで燃料噴霧に衝突しない水が噴射されてしまうことは、回避させることが望ましい。また、ｔｅｗをｔｅｆよりも過剰に早くすることで水噴霧に衝突しない燃料が噴射されてしまうことは、回避させることが望ましい。

・上記各実施形態では、非燃焼液体として「水」を採用しているが、本発明にかかる非燃焼液体は水に限られるものではなく、例えば、ＣＯ２等の炭酸成分を含む水（炭酸水）、臨界点以上となるように高温高圧に管理された超臨界水、空気を含んだ水等を採用してもよい。

・上記各実施形態では、圧縮自着火式の内燃機関に本発明を適用させているが、点火式の内燃機関であって、燃焼室へ直接燃料を噴射する直噴式の内燃機関に本発明を適用させてもよい。また、圧縮自着火式の内燃機関において、燃焼室につながる予燃焼室に燃料を噴射する構造の内燃機関に本発明を適用させてもよい。但しこの場合には、予燃焼室ではなく、ピストン１２頂面により形成される主燃焼室に水噴射させることが望ましい。

１０…内燃機関、１０ａ…燃焼室、２０…燃料噴射弁、３０…水噴射弁（非燃焼流体噴射弁）、４１…ＥＧＲ配管、４２…ＥＧＲバルブ、５０…燃料噴射弁，非燃焼流体噴射弁、Ｇｗ…蒸発水、Ｊａｆ，Ｊｂｆ…燃料噴霧、Ｊａｗ，Ｊｂｗ…水噴霧、Ｓ５０…中高負荷時制御手段、Ｓ６０…低負荷時制御手段。

Claims (5)

1. 内燃機関の燃焼室へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室へ非燃焼流体を噴射する非燃焼流体噴射弁と、を備えた燃焼システムに適用され、
   前記内燃機関が設定負荷以上の中高負荷運転時には、前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧に前記非燃焼流体を衝突させるように、前記非燃焼流体噴射弁の作動を制御する中高負荷時制御手段と、
   前記内燃機関が前記設定負荷未満の低負荷運転時には、燃料より先に前記非燃焼流体の噴射を開始して、燃料の噴射開始までには前記非燃焼流体の噴射を終了させるように前記非燃焼流体噴射弁の作動を制御する低負荷時制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃焼システムの制御装置。
2. 前記低負荷時制御手段は、前記非燃焼流体噴射弁から噴射された非燃焼流体が、燃料の噴射開始までには全て気化することとなるように、前記非燃焼流体噴射弁の作動を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃焼システムの制御装置。
3. 前記非燃焼流体の噴射量を、前記内燃機関の運転状態に応じて設定することを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼システムの制御装置。
4. 前記燃焼室から排出された排ガスの一部を吸気側へ還流させるＥＧＲ配管と、当該ＥＧＲ配管の開度を調節するＥＧＲバルブとを前記燃焼システムは備えており、
   前記非燃焼流体の噴射量によりＮＯｘ排出量を制御している時には、前記ＥＧＲバルブを所定の開度に固定することを特徴とする請求項３に記載の燃焼システムの制御装置。
5. 前記中高負荷時制御手段は、前記燃料噴霧の燃焼が終了するまでには前記非燃焼流体の噴射を終了させるように、前記非燃焼流体噴射弁の作動を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃焼システムの制御装置。

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