エンジンのノッキング抑制方法及び同ノッキング抑制装置
【課題】排気ガス中の未燃成分の増加や燃費の悪化を招くことがなく、また、エンジン性能を高めつつ燃焼室内に噴射される水の消費量を抑えながら、効率良く残留排気ガスの量の低減と温度の低下とを図ることで、ノッキング限界を大きく向上できるエンジンのノッキング抑制方法及び同ノッキング抑制装置を提供する。
【解決手段】燃焼室内に水を噴射する水噴射弁が設けられたエンジンのノッキング抑制方法であって、前記水噴射弁は、ノッキングが発生したときに水噴射を行うとともに、該水噴射は、前記エンジンの排気弁開弁中の後期で且つ吸気弁開弁前の所定期間に行うことを特徴とする。
【解決手段】燃焼室内に水を噴射する水噴射弁が設けられたエンジンのノッキング抑制方法であって、前記水噴射弁は、ノッキングが発生したときに水噴射を行うとともに、該水噴射は、前記エンジンの排気弁開弁中の後期で且つ吸気弁開弁前の所定期間に行うことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの燃焼室内に水噴射弁から水を噴射することによりノッキングを抑制するエンジンのノッキング抑制方法及び同ノッキング抑制装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃費向上のため高圧縮比にしたエンジンでは、ノッキング発生のために主に低速全開時のエンジントルクが低下する傾向にある。また、過給エンジンにおいても同様にノッキングの発生が問題となっている。
【０００３】
ノッキングの発生は、点火前の混合気の温度に依存するため、高温になるに従いノッキングが発生しやすくなる。混合気の温度が高くなる主な要因としては、排気行程で排出しきれなかった残留排気ガスが高熱量を持つこと及び残留排気ガスの温度が高いことが挙げられる。この残留排気ガスの量の低減と温度の低下とにより、ノッキング限界を大きく向上させることが可能となる。
【０００４】
このような従来のエンジンのノッキング抑制方法及び同ノッキング抑制装置として、燃料筒内噴射及び吸気管への水噴射が挙げられる。また、水噴射用インジェクタによって燃焼後に燃焼室内に残留する高温のガスを掃気する技術（例えば、特許文献１参照。）、水噴射ノズルによって燃焼室内に水を噴射し燃焼温度を下げる技術（例えば、特許文献２参照。）が知られている。
【０００５】
特許文献１の図１によれば、水の燃焼室５４内への噴射方向が第１及び第２の排気弁７３，７４近傍になるように内燃機関５０Ａに水噴射用インジェクタ１Ａを備える。
特許文献１の明細書段落番号［００２４］には、「排気行程後半で第１及び第２の吸気弁６１，６２が開いた際には、ピストン５３の上昇により縮小された燃焼室５４内に吸気が流入し、燃焼室５４内の高温ガスの排気が促進される。この際に水噴射用インジェクタ１Ａが水を噴射した場合、さらに噴霧Ｆ１で燃焼室５４内の高温ガスを第１、第２の排気弁７３，７４側へ押し出すようにして掃気することが可能である」ことが記載されている。
【０００６】
また、特許文献１の明細書段落番号［００３４］には、「噴射タイミングに関しては、排気行程後半で第１及び第２の吸気弁７１，７２と第１及び第２の噴射弁７３，７４とがオーバーラップして開弁する期間中が、最も掃気効果が高いために好ましいタイミングである」ことが記載されている。
【０００７】
特許文献２の図６、図１２によれば、独立燃焼室式内燃機関に、独立燃焼室１内に水を噴射する水噴射ノズル６１が設けられている。明細書中には、水噴射ノズル６１の水噴射のタイミング、噴射時間等は記載されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１６２６６５号公報
【特許文献２】特開２００６−２２８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
燃料筒内噴射では、燃焼室内の十分な冷却を得るために燃料の噴射量を増やすと、理論空燃比よりも混合気が濃くなり、排気ガス中のＨＣ成分の増加と燃費の悪化を招く。
また、吸気管内水噴射では、吸気管内で水分が蒸発すると、混合気中の酸素濃度が薄くなり、エンジントルクの低下を招く。更に、気化潜熱による冷却効果のみとなるため、筒内水噴射に比べて冷却効果が悪く、必要となる水量が多くなる。
【００１０】
特許文献１の技術では、排気行程の後半で吸気弁７１，７２が開くと、その開くタイミングによっては噴射された水の蒸発時の膨張によって燃焼室５４内に吸気された混合気が第１及び第２の吸気ポート６１，６２へ逆流することがあり、これによって体積効率が悪化し、エンジン出力が低下するおそれがある。
また、特許文献２の技術では、水噴射ノズル６１の水噴射のタイミング、噴射時間によっては、残留排気ガスを効率よく掃気したり、残留排気ガスの温度を効率よく下げることは難しい。
【００１１】
本発明の目的は、排気ガス中の未燃成分の増加や燃費の悪化を招くことがなく、また、エンジン性能を高めつつ燃焼室内に噴射される水の消費量を抑えながら、効率良く残留排気ガスの量の低減と温度の低下とを図ることで、ノッキング限界を大きく向上できるエンジンのノッキング抑制方法及び同ノッキング抑制装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、かかる目的を達成するため、燃焼室内に水を噴射する水噴射弁が設けられたエンジンのノッキング抑制方法であって、前記水噴射弁は、ノッキングが発生したときに水噴射を行うとともに、該水噴射は、前記エンジンの排気弁開弁中の後期で且つ吸気弁開弁前の所定期間に行うことを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、水の気化潜熱で燃焼室内の残留排気ガスを冷却し、更に水が気化する際の水蒸気の膨張で燃焼室内から残留排気ガスを素早く掃気し、燃焼室内の温度を下げてノッキングを抑制する。
【００１４】
排気弁が開いている期間中で、水の噴射タイミングが早すぎると、例えば、排気ガスの排出量が多い時期に水噴射することになり、冷却や掃気のために水の噴射量を多くしなければならないから、水の消費量が多くなる。この結果、水の補給から次の補給までの間隔が短くなる。
水の噴射タイミングが遅すぎると、例えば、吸気弁が開いた後に水噴射することになり、水蒸気の膨張時に燃焼室内のガスが排出しきれなくなって吸気された混合気が逆流することがある。この結果、体積効率が下がってエンジン出力が低下する。
【００１５】
以上より、水噴射をエンジンの排気弁開弁中の後期に且つ吸気弁開弁前までに所定期間行うことで、噴射される水の消費量を抑え、且つエンジン出力を向上させることが可能になる。更に、燃料による燃焼室内の冷却ではないため排気ガス中の未燃成分の増加や燃費の悪化がない上、水を燃焼室内に直接噴射させることで燃焼室内の冷却と水蒸気の膨張による掃気が効率良く行える。
【００１６】
さらに、本発明によれば、前記水噴射は、ノッキングが発生したときに行われるので、水の消費量を少なくでき、水の補給間隔をより長くすることが可能になる。
【００１７】
また、本発明において好ましくは、前記水噴射弁の噴射量は、エンジン回転数及びエンジン負荷の増加に応じて増加させるとよい。
このように、エンジン回転数及びエンジン負荷の増加に応じて水噴射量を増加させるので、エンジンの高回転時や高負荷時に、水の噴射量を増加して排ガス温度を低減し、排気系を冷却することが可能になる。この結果、燃料による排気系の冷却が不要になって、燃料消費量を低減することができる。
【００１８】
またさらに、本発明において好ましくは、前記水噴射弁の噴射開始時期は、エンジン回転数及びエンジン負荷の増加に応じて早めるとよい。
このように、エンジン回転数及びエンジン負荷の増加に応じて水噴射の噴射開始時期を早めることで、結果的に水噴射総量を増やすことができ、すなわち、噴射期間を長く設定できるようになるため、高回転時や高負荷時に排気系を水噴射により冷却することが可能になる。これによって、燃料による排気系の冷却が不要になって、燃料消費量を低減することができる。
【００１９】
また本発明は、燃焼室内に水を噴射する水噴射弁が設けられたエンジンのノッキング抑制装置において、前記水噴射弁は、前記燃焼室の吸気弁側に取り付けられるとともに、前記燃焼室内の排気弁側に向けて水を噴射するように設けられ、該水噴射弁による水噴射の噴射開始時期および噴射量を制御する制御装置を備え、該制御装置は、前記エンジンの排気弁開弁中の後期で且つ吸気弁開弁前の所定期間に噴射するように制御することを特徴とする。
【００２０】
本発明によれば、制御装置によって水噴射弁での水噴射をエンジンの排気弁開弁中の後期で且つ吸気弁開弁前の所定期間に噴射するように制御することにより、噴射される水の消費量を抑え、且つエンジン出力を向上させることが可能になる。
更に、燃料による燃焼室内の冷却ではないため排気ガス中の未燃成分の増加や燃費の悪化がない上、水を燃焼室内に直接噴射させることで燃焼室内の冷却と水蒸気の膨張による掃気が効率良く行える。
また、水噴射弁は、燃焼室の吸気弁側に燃焼室内の排気弁側に向けて水を噴射するように設けられるため、水噴射によって燃焼室内の残留排気ガスを吸気弁側から排気弁側へスムーズに移動させ、燃焼室から排出することが可能である。
【発明の効果】
【００２１】
以上記載のごとく本発明によれば、水噴射は、エンジンの排気弁開弁中の後期で且つ吸気弁開弁前の所定期間に行われるので、エンジン出力を高めつつ水の消費量を抑えながら且つ排気ガス中の未燃成分の増加や燃費の悪化を招くことなく、水の気化潜熱で燃焼室内の残留排気ガスを冷却し、更に水が気化する際の水蒸気の膨張で燃焼室内から残留排気ガスを素早く掃気して、効率良く燃焼室内の温度を下げることができ、ノッキングを抑制することができる。
【００２２】
また、ノッキングが検出されているときにのみ水噴射が行われるので、水の消費量を更に少なくすることができ、水の補給間隔を長くすることができるため、メンテナンス性を向上させることができる。
【００２３】
更に、水の噴射量を、エンジン回転数及びエンジン負荷の増加に応じて増加させるので、エンジンの高回転時や高負荷時に、水の噴射量を増加させて排気系を冷却することができ、燃料による排気系の冷却が不要になって、燃料消費量を低減することができる。
【００２４】
また更に、水噴射弁の噴射開始時期は、エンジン回転数及びエンジン負荷の増加に応じて早めることによって、結果的に水の噴射量を増やすことができるようになり、すなわち、噴射期間を長く設定できるようになるため、高回転時や高負荷時に燃料による排気系の冷却が不要になって、燃料消費量を低減することができる。
【００２５】
また本発明によれば、水噴射弁は、エンジンの排気弁開弁中の後期で、且つ吸気弁開弁前の所定期間において水を噴射するように制御装置により制御されるので、エンジン出力を高めつつ水の消費量を抑えながら且つ排気ガス中の未燃成分の増加や燃費の悪化を招くことなく、水の気化潜熱で燃焼室内の残留排気ガスを冷却し、更に水が気化する際の水蒸気の膨張で燃焼室内から残留排気ガスを素早く掃気して、効率良く燃焼室内の温度を下げることができ、ノッキングを抑制することができる。
【００２６】
更に、水噴射弁を燃焼室の吸気弁側に取り付けて燃焼室内の排気弁側に向けて水を噴射するように設けたので、水噴射によって燃焼室内の残留排気ガスを吸気弁側から排気弁側へスムーズに移動させ、燃焼室から排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態を示す説明図である。
【図２】第１実施形態の吸気弁、排気弁、水噴射弁の関係を示す平面図である。
【図３】吸排気弁の弁リフト量とクランク角との関係、及び水噴射の所定期間ΔＴ、噴射開始時期ｔ０を示すグラフである。
【図４】第１実施形態の水噴射形態を示す説明図である。
【図５】図４の水噴射形態の平面図である。
【図６】第２実施形態の水噴射形態を示す説明図である。
【図７】ノッキング抑制制御に用いるマップであり、図７（ａ）はエンジンの負荷および回転数に応じた水噴射量（所定期間ΔＴ）のマップ、図７（ｂ）はエンジンの負荷および回転数に応じた噴射開始時期ｔ０のマップである。
【図８】ノッキング抑制方法を示すフローチャートである。
【図９】第３実施形態の水噴射形態を示す説明図である。
【図１０】図９の第３実施形態による水噴射の作用を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００２９】
（第１実施形態）
図１に示すように、エンジン１０は、図示せぬクランクケースに回転自在に支持されたクランクシャフト１１と、このクランクシャフト１１のクラけンクピンに一端が回転自在に連結されたコネクティングロッド１２と、このコネクティングロッド１２の他端にピストンピン１３を介して揺動自在に連結されるとともにシリンダブロック１５に設けられたシリンダ１６に移動自在に挿入されたピストン１７と、シリンダブロック１５に取付けられたシリンダヘッド１８と、このシリンダヘッド１８に設けられた吸気弁２１、排気弁２２、カムシャフト(不図示)等からなる動弁機構２５と、シリンダブロック１５、ピストン１７及びシリンダヘッド１８で囲まれて形成された燃焼室２６と、この燃焼室２６に空気を供給する吸気装置(不図示)と、燃焼室２６に燃料を供給するために吸気装置に設けられた燃料供給装置(不図示)と、燃焼室２６から排出された排気ガスを外部へ排出する排気装置(不図示)と、燃焼室２６に先端の点火部が臨むようにシリンダヘッド１８に取付けられた点火プラグ３１と、ノッキングを検出するためにシリンダブロック１５に取付けられたノックセンサ３２と、燃焼室２６内にノッキング抑制用の水を噴射する水噴射装置３５とを備えるガソリンエンジンである。なお、図中の符号１７ａは燃焼室２６に臨むピストン１７の頂面、３７はシリンダヘッド１８に形成された吸気ポート、３８はシリンダヘッド１８に形成された排気ポートである。
【００３０】
シリンダブロック１５はクランクケースの上部に取付けられている。
燃料供給装置は、例えば、シリンダヘッド１８又はシリンダヘッド１８に取付けられた吸気マニホールド（不図示）に設けられる燃料噴射弁を備える。
燃焼室２６の形状は、例えばペントルーフ形であり、上部中央部に点火プラグ３１が配置されている。
【００３１】
水噴射装置３５は、吸気弁２１側のシリンダヘッド１８に、燃焼室２６に臨むように取付けられた水噴射弁４１と、この水噴射弁４１に供給される水を貯める水タンク４２と、この水タンク４２内の水を水噴射弁４１に圧送する水ポンプ４３と、水噴射弁４１に設けられた弁本体を開閉させて水噴射のタイミング及び噴射量を制御するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４４とからなる。
【００３２】
水噴射弁４１は、ソレノイド弁であり、コイルに通電することで弁本体が開弁し、水が噴霧される。
水タンク４２には、例えば、水が少なくなって最低貯留量に達すると運転者に補給を促すインジケータ又はブザーが付設されている。
水ポンプ４３は、エンジン始動と同時に作動して水噴射弁４１に水を圧送し、一定の水圧を作用させる。この状態で水噴射弁４１の弁本体が開弁すれば、水噴射弁４１から水が霧状に噴射される。
水噴射弁４１に、より一定の水圧を作用させるために水ポンプ４３と水噴射弁４１との間にプレッシャレギュレータを設けてもよい。
【００３３】
ＥＣＵ４４は、エンジン負荷信号、エンジン回転数信号及びノックセンサ３２の出力信号を取り込むことで、ノックセンサ３２でノッキングが検出された場合に限り、水噴射弁４１に通電を行い、エンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて水噴射弁４１での水噴射タイミング及び水噴射量を制御する。
【００３４】
図２の平面図に示すように、燃焼室２６には、吸気弁２１（「ＩＮ」と記載されている部分）及び排気弁２２（「ＥＸ」と記載されている部分）がそれぞれ２弁ずつ配置され、中央部に点火プラグ３１が配置され、一対の吸気弁２１，２１及び一対の排気弁２２，２２の間を通る直線Ａ上で且つ吸気弁２１，２１側のシリンダヘッド１８に、排気弁２２，２２側に向けて水噴射するように水噴射弁４１が設けられている。
【００３５】
図３に示すように、４サイクルエンジンおいて、排気弁は、膨張行程から排気行程に移行する下死点（ＢＤＣ）より前に開弁（ＥＯ：Ｅｘｈａｕｓｔ ｖａｌｖｅ Ｏｐｅｎ）し、排気行程から吸気行程に移行する排気上死点（ＴＤＣ）より後に閉弁（ＥＣ：Ｅｘｈａｕｓｔ ｖａｌｖｅ Ｃｌｏｓｅ）する。
【００３６】
また、吸気弁は、排気上死点（ＴＤＣ）より前に開弁（ＩＯ：Ｉｎｔａｋｅ ｖａｌｖｅ Ｏｐｅｎ）し、吸気行程から圧縮行程に移行する下死点（ＢＤＣ）より後に閉弁（ＩＣ：Ｉｎｔａｋｅ ｖａｌｖｅ Ｃｌｏｓｅ）する。
このように、排気弁と吸気弁とは、排気上死点近傍で共に開弁するバルブオーバーラップ状態となる。
【００３７】
水噴射弁４１での水噴射は、吸気弁２１の開弁（ＩＯ）よりクランク角ｔ０前に開始する。このｔ０を噴射開始時期という。そして噴射は、排気行程後期であって排気弁が開いている間で、且つ吸気弁２１が開く前の所定期間ΔＴの間に行われる。この所定期間ΔＴの終了時期は、図３においては、吸気弁２１が開き始めるのと同時の場合を示しているが、吸気弁２１が開き始める前に終了してもよい。
【００３８】
水噴射の噴射開始時期ｔ０を早くすると、それだけ燃焼室内の容積が大きくなり、排気ガスの量が多いため、残留排気ガスを掃気するための水噴射量も多く必要になるので、水の消費量が多くなる。この結果、水タンクへの水補給量が多くなるため、水タンクを満タンに補給しても、次の補給までの間隔は短くなる。
【００３９】
従って、水噴射の所定期間ΔＴにおける水噴射の開始時期を排気弁の弁リフト量が最大となる時期より遅くし、さらに排気行程後期にすることで、燃焼室内の容積が小さくなり、排気ガスの量が少なくなるため、残留排気ガスを掃気するための水噴射量が少なくなり、水の消費量が少なくて済む。この結果、水タンクへの水の補給間隔が長くなり、メンテナンス性を向上させることができる。
【００４０】
また、所定期間ΔＴの終了時期が吸気弁の開弁後になる、即ち吸気弁開弁後に水噴射が行われると、燃焼室内に噴射された水の蒸発により水蒸気が膨張することで、燃焼室内に存在するガスを排出できなくなり、吸気ポートから燃焼室内内へ吸気された混合気が再び吸気ポートへ押し戻される（逆流する）ことがある。
【００４１】
以上より、水噴射は、排気行程後期の排気弁が開いている間で且つ吸気弁が開く前に行うのが良い。これにより、水の消費量を抑えることができるとともに、混合気の逆流も発生しないから燃焼室内へ流入する混合気の体積効率を向上させることができる上に、容量が小さくなった燃焼室内への水噴射によって気化潜熱を効率良く利用して残留排気ガスの温度をより低い温度まで低下させることができ、更に、容量の小さくなった燃焼室内での水蒸気の膨張によって燃焼室内の残留排気ガスをより効率良く掃気することができる。
【００４２】
以上に述べたエンジン１０のノッキング抑制方法を次に説明する。
図４において、排気行程では、燃焼室２６の排気ガスは燃焼室２６内の正圧によって排気ポート３８側へ排出されるが、燃焼室２６の末端部の狭い空間では排気ガスは排出されにくく、残留排気ガス５０として残る。この残留排気ガス５０は高温であるため、次のタイミングで燃焼室２６内に吸入された混合気を加熱し、異常燃焼、即ちノッキングを助長することになる。従って、上記の残留排気ガス５０の冷却、掃気がノッキング抑制に繋がる。
【００４３】
図４に示すように、排気行程後期で排気弁２２が開弁状態にあり、吸気弁２１が閉弁状態にあるときに、水噴射弁４１から燃焼室２６内に水を噴射すると、水噴射弁４１から噴射された水の噴霧は、矢印Ｂ，Ｂで示すように、ほぼピストン１７の頂面１７ａに沿って排気弁２２側に流れるとともに燃焼室２６内の温度で蒸発して膨張する。
【００４４】
この結果、燃焼室２６内及び燃焼室２６の壁面は、燃焼室２６の末端部に溜まっている残留排気ガス５０を含めて水の気化潜熱で冷却され、更に、残留排気ガス５０は、水蒸気の膨張によって、矢印Ｃ，Ｃで示すように、燃焼室２６から排気ポート３８へ掃気され、排気装置から外部へ排出される。
【００４５】
図５は水噴射弁４１からの水噴射の噴射状態を平面的に示している。
即ち、水噴射は、水噴射弁４１の噴射口４１ａから一対の排気弁２２，２２と重なるように扇状に広がるように行われる。
【００４６】
燃焼室２６の末端部に溜まっている残留排気ガス５０は、水噴射の勢い及び水の膨張によって矢印Ｄ，Ｄで示すように排気弁２２側へ移動し、排気ポートへ排出される。
上記水噴射の形態により、温度の高い排気弁２２，２２及びその周辺の冷却と、排気弁２２，２２側の燃焼室末端部に溜まりやすい残留排気ガス５０の掃気とを効果的に行うことができる。
【００４７】
図７（ａ）はエンジンの負荷および回転数に応じた水噴射弁の水噴射量（所定期間ΔＴの長さ）のマップ、図７（ｂ）はエンジンの負荷および回転数に応じた水噴射弁の射開始時期ｔ０のマップを示しており、水噴射によるノッキング抑制をＥＣＵ４４（図１参照）で制御する場合に用いられる。
【００４８】
図７（ａ）において、エンジン回転数が上昇するにつれて、水噴射量は多くなり（所定期間ΔＴを長くすること）、また、エンジン負荷が大きくなるにつれても、水噴射量は多くなる。
従来、エンジン負荷やエンジン回転数が増加するにつれて燃焼室温度が次第に高くなるため、これに応じて燃料供給量を増やすことで冷却していたが、本実施形態では、この燃料による冷却を、エンジン負荷、エンジン回転数に応じて水噴射量を増やすことによって水による冷却に変更した。
この結果、冷却のために使用されていた燃料が不要になり、燃料消費量を低減することができる。
【００４９】
図７（ｂ）においても、エンジン負荷およびエンジン回転数の増加に応じて、射開始時期ｔ０を早めることで、所定期間ΔＴを長く設定することが可能になり、結果的に水噴射量総量を増やすことができ、水による燃焼室温度低減を図ることができ、図７（ａ）の場合と同様に燃料消費量を低減することができる。
【００５０】
なお、射開始時期ｔ０を早めることなく、実質的に水噴射量を吸気弁２１が開弁する前に増加できるようにすれば、例えば、水噴射の噴射圧力を圧力制御機構を介して増圧制御することによって、前述した噴射開始時期ｔ０を早くすると、それだけ燃焼室内の容積が大きくなり、排気ガスの量が多いため、残留排気ガスを掃気するための水噴射量も多く必要になる点を解消でき、高回転または高負荷運転において、水の消費量を節約しつつ、周囲の冷却と残留排気ガスの掃気をより一層効率良く行うことができる。
【００５１】
図８に示すＥＣＵ４４（図１参照）によるノッキング抑制制御のフローチャートと図４とに基づいて再度水噴射の制御を説明する。なお、以下説明中のＳ１，Ｓ２，・・・はフローチャートのステップ番号を表している。
【００５２】
ステップＳ１では、ノックセンサ３２の出力を検出する。
ステップＳ２では、ノックセンサ３２の出力に基づいてエンジン１０でノッキングが発生しているかどうか判断する。
ノックセンサ３２からノック信号が検出されず、ノッキングが発生していない（ＮＯ）場合は、再度ステップＳ１に進む。
ノックセンサ３２からノック信号が検出され、ノッキングが発生している（ＹＥＳ）場合は、ステップＳ３に進む。
【００５３】
ステップＳ３では、ＥＣＵ４４は、記憶手段（不図示）から図７（ａ），（ｂ）で示した水噴射量（所定期間ΔＴ）、噴射開始時期ｔ０のマップデータを読込み、これらのデータに基づいて、ステップＳ４で水噴射弁４１へ噴射信号を送り、水噴射弁４１から水噴射を行わせる。
ここで、水噴射してもノッキングが収まらない場合には、ＥＣＵ４４は、点火プラグ３１に出力する点火時期を遅らせ、ノッキングを抑制する。
【００５４】
また、例えば、エンジン１０に、エンジン回転数・負荷に応じて吸排気弁のバルブタイミングを変化させて効率の良い吸排気を行う可変バルブ機構を設けた場合には、この可変バルブ機構に同期させて、ＥＣＵ４４は、本実施形態の水噴射条件（水噴射を、排気弁２２の開弁中の後期に且つ吸気弁２１の開弁前までに所定期間ΔＴ行う）を保ちながら水噴射タイミングを変更する制御を行う。
すなわち、可変バルブ機構による吸排気弁のバルブタイミングの変化に同期して、吸気弁２１の開弁前の噴射開始時期ｔ０または所定期間ΔＴを保持するようにして水噴射を行う。
【００５５】
（第２実施形態）
水噴射形態の第２実施形態について図６を参照して説明する。
図６に示すように、水噴射弁４１の水噴射形態は、一対の吸気弁２１，２１及び一対の排気弁２２，２２の間を進む直線状であってもよい。これにより、燃焼室２６の排気弁２２，２２側の末端部に溜まっている残留排気ガス５０に向けて勢いの強い噴霧を当てることにより、矢印で示すように、残留排気ガス５０を拡散させて残留排気ガス５０の掃気をより効果的に行うことができる。
その他は、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００５６】
（第３実施形態）
水噴射形態の第３実施形態について図９、１０を参照して説明する。
図９に示すように、水噴射弁４１を、直線Ａから離れた位置で燃焼室２６の末端部を通るとともに直線Ａに平行な直線Ｆ上のシリンダヘッド１８に、燃焼室２６の末端部に向くように配置してもよい。なお、符号１８ｃは水噴射弁４１の噴射口４１ａから燃焼室２６に通じるようにシリンダヘッド１８に開けた連通穴、１８ｄは水噴射弁４１を取付けるためにシリンダヘッド１８に開けた取付穴である。
【００５７】
図１０では図９に示した実施形態の作用を示している。
即ち、水噴射弁４１から水を、矢印Ｇ，Ｇのように噴射すると、霧状の水は、矢印Ｈのように、燃焼室２６の排気弁２２側の末端部に沿って流れるため、末端部に集まった残留排気ガス５０を、矢印Ｊ，Ｊで示すように排気弁２２から排気ポート側へ掃気しやすくなる。また、図１０に示すように噴霧の水は、矢印Ｈのようにピストン１７周縁部を旋回するように流れるため、ピストン１７の頂面の周縁部とシリンダヘッド１８との間の隙間に溜り易い残留排気ガス５０の掃気作用が効果的に得られる。
【００５８】
なお、第１実施形態〜第３実施形態では、図１に示したように、エンジン１０として、シリンダヘッドの吸気ポートや吸気マニホールド等の吸気装置に燃料供給装置を備えたものとしたが、これに限らず、燃焼室内に直接に燃料を噴射する筒内直噴式エンジン（ディーゼルエンジンを含む）としてもよい。
また、図１に示したように、水ポンプ４３はＥＣＵ４４によって制御されていないが、これに限らず、ＥＣＵ４４によって水ポンプ４３の作動を制御してもよい。すなわち、水噴射の圧力制御を行うようにしてもよい。
【００５９】
さらに、図３に示したように、水噴射弁での水噴射を、排気行程後期の排気弁が開いている間で且つ吸気弁が開く前に行うようにしたが、この吸気弁の開弁（ＩＯ）は排気上死点（ＴＤＣ）より前であっても、後であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、エンジンのノッキング抑制方法および抑制装置に用いて好適である。
【符号の説明】
【００６１】
１０ エンジン
２１ 吸気弁
２２ 排気弁
２６ 燃焼室
３２ ノックセンサ
４１ 水噴射弁
５０ 残留排気ガス
ｔ０ 噴射開始時期
ΔＴ 所定期間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの燃焼室内に水噴射弁から水を噴射することによりノッキングを抑制するエンジンのノッキング抑制方法及び同ノッキング抑制装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃費向上のため高圧縮比にしたエンジンでは、ノッキング発生のために主に低速全開時のエンジントルクが低下する傾向にある。また、過給エンジンにおいても同様にノッキングの発生が問題となっている。
【０００３】
ノッキングの発生は、点火前の混合気の温度に依存するため、高温になるに従いノッキングが発生しやすくなる。混合気の温度が高くなる主な要因としては、排気行程で排出しきれなかった残留排気ガスが高熱量を持つこと及び残留排気ガスの温度が高いことが挙げられる。この残留排気ガスの量の低減と温度の低下とにより、ノッキング限界を大きく向上させることが可能となる。
【０００４】
このような従来のエンジンのノッキング抑制方法及び同ノッキング抑制装置として、燃料筒内噴射及び吸気管への水噴射が挙げられる。また、水噴射用インジェクタによって燃焼後に燃焼室内に残留する高温のガスを掃気する技術（例えば、特許文献１参照。）、水噴射ノズルによって燃焼室内に水を噴射し燃焼温度を下げる技術（例えば、特許文献２参照。）が知られている。
【０００５】
特許文献１の図１によれば、水の燃焼室５４内への噴射方向が第１及び第２の排気弁７３，７４近傍になるように内燃機関５０Ａに水噴射用インジェクタ１Ａを備える。
特許文献１の明細書段落番号［００２４］には、「排気行程後半で第１及び第２の吸気弁６１，６２が開いた際には、ピストン５３の上昇により縮小された燃焼室５４内に吸気が流入し、燃焼室５４内の高温ガスの排気が促進される。この際に水噴射用インジェクタ１Ａが水を噴射した場合、さらに噴霧Ｆ１で燃焼室５４内の高温ガスを第１、第２の排気弁７３，７４側へ押し出すようにして掃気することが可能である」ことが記載されている。
【０００６】
また、特許文献１の明細書段落番号［００３４］には、「噴射タイミングに関しては、排気行程後半で第１及び第２の吸気弁７１，７２と第１及び第２の噴射弁７３，７４とがオーバーラップして開弁する期間中が、最も掃気効果が高いために好ましいタイミングである」ことが記載されている。
【０００７】
特許文献２の図６、図１２によれば、独立燃焼室式内燃機関に、独立燃焼室１内に水を噴射する水噴射ノズル６１が設けられている。明細書中には、水噴射ノズル６１の水噴射のタイミング、噴射時間等は記載されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１６２６６５号公報
【特許文献２】特開２００６−２２８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
燃料筒内噴射では、燃焼室内の十分な冷却を得るために燃料の噴射量を増やすと、理論空燃比よりも混合気が濃くなり、排気ガス中のＨＣ成分の増加と燃費の悪化を招く。
また、吸気管内水噴射では、吸気管内で水分が蒸発すると、混合気中の酸素濃度が薄くなり、エンジントルクの低下を招く。更に、気化潜熱による冷却効果のみとなるため、筒内水噴射に比べて冷却効果が悪く、必要となる水量が多くなる。
【００１０】
特許文献１の技術では、排気行程の後半で吸気弁７１，７２が開くと、その開くタイミングによっては噴射された水の蒸発時の膨張によって燃焼室５４内に吸気された混合気が第１及び第２の吸気ポート６１，６２へ逆流することがあり、これによって体積効率が悪化し、エンジン出力が低下するおそれがある。
また、特許文献２の技術では、水噴射ノズル６１の水噴射のタイミング、噴射時間によっては、残留排気ガスを効率よく掃気したり、残留排気ガスの温度を効率よく下げることは難しい。
【００１１】
本発明の目的は、排気ガス中の未燃成分の増加や燃費の悪化を招くことがなく、また、エンジン性能を高めつつ燃焼室内に噴射される水の消費量を抑えながら、効率良く残留排気ガスの量の低減と温度の低下とを図ることで、ノッキング限界を大きく向上できるエンジンのノッキング抑制方法及び同ノッキング抑制装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、かかる目的を達成するため、燃焼室内に水を噴射する水噴射弁が設けられたエンジンのノッキング抑制方法であって、前記水噴射弁は、ノッキングが発生したときに水噴射を行うとともに、該水噴射は、前記エンジンの排気弁開弁中の後期で且つ吸気弁開弁前の所定期間に行うことを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、水の気化潜熱で燃焼室内の残留排気ガスを冷却し、更に水が気化する際の水蒸気の膨張で燃焼室内から残留排気ガスを素早く掃気し、燃焼室内の温度を下げてノッキングを抑制する。
【００１４】
排気弁が開いている期間中で、水の噴射タイミングが早すぎると、例えば、排気ガスの排出量が多い時期に水噴射することになり、冷却や掃気のために水の噴射量を多くしなければならないから、水の消費量が多くなる。この結果、水の補給から次の補給までの間隔が短くなる。
水の噴射タイミングが遅すぎると、例えば、吸気弁が開いた後に水噴射することになり、水蒸気の膨張時に燃焼室内のガスが排出しきれなくなって吸気された混合気が逆流することがある。この結果、体積効率が下がってエンジン出力が低下する。
【００１５】
以上より、水噴射をエンジンの排気弁開弁中の後期に且つ吸気弁開弁前までに所定期間行うことで、噴射される水の消費量を抑え、且つエンジン出力を向上させることが可能になる。更に、燃料による燃焼室内の冷却ではないため排気ガス中の未燃成分の増加や燃費の悪化がない上、水を燃焼室内に直接噴射させることで燃焼室内の冷却と水蒸気の膨張による掃気が効率良く行える。
【００１６】
さらに、本発明によれば、前記水噴射は、ノッキングが発生したときに行われるので、水の消費量を少なくでき、水の補給間隔をより長くすることが可能になる。
【００１７】
また、本発明において好ましくは、前記水噴射弁の噴射量は、エンジン回転数及びエンジン負荷の増加に応じて増加させるとよい。
このように、エンジン回転数及びエンジン負荷の増加に応じて水噴射量を増加させるので、エンジンの高回転時や高負荷時に、水の噴射量を増加して排ガス温度を低減し、排気系を冷却することが可能になる。この結果、燃料による排気系の冷却が不要になって、燃料消費量を低減することができる。
【００１８】
またさらに、本発明において好ましくは、前記水噴射弁の噴射開始時期は、エンジン回転数及びエンジン負荷の増加に応じて早めるとよい。
このように、エンジン回転数及びエンジン負荷の増加に応じて水噴射の噴射開始時期を早めることで、結果的に水噴射総量を増やすことができ、すなわち、噴射期間を長く設定できるようになるため、高回転時や高負荷時に排気系を水噴射により冷却することが可能になる。これによって、燃料による排気系の冷却が不要になって、燃料消費量を低減することができる。
【００１９】
また本発明は、燃焼室内に水を噴射する水噴射弁が設けられたエンジンのノッキング抑制装置において、前記水噴射弁は、前記燃焼室の吸気弁側に取り付けられるとともに、前記燃焼室内の排気弁側に向けて水を噴射するように設けられ、該水噴射弁による水噴射の噴射開始時期および噴射量を制御する制御装置を備え、該制御装置は、前記エンジンの排気弁開弁中の後期で且つ吸気弁開弁前の所定期間に噴射するように制御することを特徴とする。
【００２０】
本発明によれば、制御装置によって水噴射弁での水噴射をエンジンの排気弁開弁中の後期で且つ吸気弁開弁前の所定期間に噴射するように制御することにより、噴射される水の消費量を抑え、且つエンジン出力を向上させることが可能になる。
更に、燃料による燃焼室内の冷却ではないため排気ガス中の未燃成分の増加や燃費の悪化がない上、水を燃焼室内に直接噴射させることで燃焼室内の冷却と水蒸気の膨張による掃気が効率良く行える。
また、水噴射弁は、燃焼室の吸気弁側に燃焼室内の排気弁側に向けて水を噴射するように設けられるため、水噴射によって燃焼室内の残留排気ガスを吸気弁側から排気弁側へスムーズに移動させ、燃焼室から排出することが可能である。
【発明の効果】
【００２１】
以上記載のごとく本発明によれば、水噴射は、エンジンの排気弁開弁中の後期で且つ吸気弁開弁前の所定期間に行われるので、エンジン出力を高めつつ水の消費量を抑えながら且つ排気ガス中の未燃成分の増加や燃費の悪化を招くことなく、水の気化潜熱で燃焼室内の残留排気ガスを冷却し、更に水が気化する際の水蒸気の膨張で燃焼室内から残留排気ガスを素早く掃気して、効率良く燃焼室内の温度を下げることができ、ノッキングを抑制することができる。
【００２２】
また、ノッキングが検出されているときにのみ水噴射が行われるので、水の消費量を更に少なくすることができ、水の補給間隔を長くすることができるため、メンテナンス性を向上させることができる。
【００２３】
更に、水の噴射量を、エンジン回転数及びエンジン負荷の増加に応じて増加させるので、エンジンの高回転時や高負荷時に、水の噴射量を増加させて排気系を冷却することができ、燃料による排気系の冷却が不要になって、燃料消費量を低減することができる。
【００２４】
また更に、水噴射弁の噴射開始時期は、エンジン回転数及びエンジン負荷の増加に応じて早めることによって、結果的に水の噴射量を増やすことができるようになり、すなわち、噴射期間を長く設定できるようになるため、高回転時や高負荷時に燃料による排気系の冷却が不要になって、燃料消費量を低減することができる。
【００２５】
また本発明によれば、水噴射弁は、エンジンの排気弁開弁中の後期で、且つ吸気弁開弁前の所定期間において水を噴射するように制御装置により制御されるので、エンジン出力を高めつつ水の消費量を抑えながら且つ排気ガス中の未燃成分の増加や燃費の悪化を招くことなく、水の気化潜熱で燃焼室内の残留排気ガスを冷却し、更に水が気化する際の水蒸気の膨張で燃焼室内から残留排気ガスを素早く掃気して、効率良く燃焼室内の温度を下げることができ、ノッキングを抑制することができる。
【００２６】
更に、水噴射弁を燃焼室の吸気弁側に取り付けて燃焼室内の排気弁側に向けて水を噴射するように設けたので、水噴射によって燃焼室内の残留排気ガスを吸気弁側から排気弁側へスムーズに移動させ、燃焼室から排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態を示す説明図である。
【図２】第１実施形態の吸気弁、排気弁、水噴射弁の関係を示す平面図である。
【図３】吸排気弁の弁リフト量とクランク角との関係、及び水噴射の所定期間ΔＴ、噴射開始時期ｔ０を示すグラフである。
【図４】第１実施形態の水噴射形態を示す説明図である。
【図５】図４の水噴射形態の平面図である。
【図６】第２実施形態の水噴射形態を示す説明図である。
【図７】ノッキング抑制制御に用いるマップであり、図７（ａ）はエンジンの負荷および回転数に応じた水噴射量（所定期間ΔＴ）のマップ、図７（ｂ）はエンジンの負荷および回転数に応じた噴射開始時期ｔ０のマップである。
【図８】ノッキング抑制方法を示すフローチャートである。
【図９】第３実施形態の水噴射形態を示す説明図である。
【図１０】図９の第３実施形態による水噴射の作用を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００２９】
（第１実施形態）
図１に示すように、エンジン１０は、図示せぬクランクケースに回転自在に支持されたクランクシャフト１１と、このクランクシャフト１１のクラけンクピンに一端が回転自在に連結されたコネクティングロッド１２と、このコネクティングロッド１２の他端にピストンピン１３を介して揺動自在に連結されるとともにシリンダブロック１５に設けられたシリンダ１６に移動自在に挿入されたピストン１７と、シリンダブロック１５に取付けられたシリンダヘッド１８と、このシリンダヘッド１８に設けられた吸気弁２１、排気弁２２、カムシャフト(不図示)等からなる動弁機構２５と、シリンダブロック１５、ピストン１７及びシリンダヘッド１８で囲まれて形成された燃焼室２６と、この燃焼室２６に空気を供給する吸気装置(不図示)と、燃焼室２６に燃料を供給するために吸気装置に設けられた燃料供給装置(不図示)と、燃焼室２６から排出された排気ガスを外部へ排出する排気装置(不図示)と、燃焼室２６に先端の点火部が臨むようにシリンダヘッド１８に取付けられた点火プラグ３１と、ノッキングを検出するためにシリンダブロック１５に取付けられたノックセンサ３２と、燃焼室２６内にノッキング抑制用の水を噴射する水噴射装置３５とを備えるガソリンエンジンである。なお、図中の符号１７ａは燃焼室２６に臨むピストン１７の頂面、３７はシリンダヘッド１８に形成された吸気ポート、３８はシリンダヘッド１８に形成された排気ポートである。
【００３０】
シリンダブロック１５はクランクケースの上部に取付けられている。
燃料供給装置は、例えば、シリンダヘッド１８又はシリンダヘッド１８に取付けられた吸気マニホールド（不図示）に設けられる燃料噴射弁を備える。
燃焼室２６の形状は、例えばペントルーフ形であり、上部中央部に点火プラグ３１が配置されている。
【００３１】
水噴射装置３５は、吸気弁２１側のシリンダヘッド１８に、燃焼室２６に臨むように取付けられた水噴射弁４１と、この水噴射弁４１に供給される水を貯める水タンク４２と、この水タンク４２内の水を水噴射弁４１に圧送する水ポンプ４３と、水噴射弁４１に設けられた弁本体を開閉させて水噴射のタイミング及び噴射量を制御するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４４とからなる。
【００３２】
水噴射弁４１は、ソレノイド弁であり、コイルに通電することで弁本体が開弁し、水が噴霧される。
水タンク４２には、例えば、水が少なくなって最低貯留量に達すると運転者に補給を促すインジケータ又はブザーが付設されている。
水ポンプ４３は、エンジン始動と同時に作動して水噴射弁４１に水を圧送し、一定の水圧を作用させる。この状態で水噴射弁４１の弁本体が開弁すれば、水噴射弁４１から水が霧状に噴射される。
水噴射弁４１に、より一定の水圧を作用させるために水ポンプ４３と水噴射弁４１との間にプレッシャレギュレータを設けてもよい。
【００３３】
ＥＣＵ４４は、エンジン負荷信号、エンジン回転数信号及びノックセンサ３２の出力信号を取り込むことで、ノックセンサ３２でノッキングが検出された場合に限り、水噴射弁４１に通電を行い、エンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて水噴射弁４１での水噴射タイミング及び水噴射量を制御する。
【００３４】
図２の平面図に示すように、燃焼室２６には、吸気弁２１（「ＩＮ」と記載されている部分）及び排気弁２２（「ＥＸ」と記載されている部分）がそれぞれ２弁ずつ配置され、中央部に点火プラグ３１が配置され、一対の吸気弁２１，２１及び一対の排気弁２２，２２の間を通る直線Ａ上で且つ吸気弁２１，２１側のシリンダヘッド１８に、排気弁２２，２２側に向けて水噴射するように水噴射弁４１が設けられている。
【００３５】
図３に示すように、４サイクルエンジンおいて、排気弁は、膨張行程から排気行程に移行する下死点（ＢＤＣ）より前に開弁（ＥＯ：Ｅｘｈａｕｓｔ ｖａｌｖｅ Ｏｐｅｎ）し、排気行程から吸気行程に移行する排気上死点（ＴＤＣ）より後に閉弁（ＥＣ：Ｅｘｈａｕｓｔ ｖａｌｖｅ Ｃｌｏｓｅ）する。
【００３６】
また、吸気弁は、排気上死点（ＴＤＣ）より前に開弁（ＩＯ：Ｉｎｔａｋｅ ｖａｌｖｅ Ｏｐｅｎ）し、吸気行程から圧縮行程に移行する下死点（ＢＤＣ）より後に閉弁（ＩＣ：Ｉｎｔａｋｅ ｖａｌｖｅ Ｃｌｏｓｅ）する。
このように、排気弁と吸気弁とは、排気上死点近傍で共に開弁するバルブオーバーラップ状態となる。
【００３７】
水噴射弁４１での水噴射は、吸気弁２１の開弁（ＩＯ）よりクランク角ｔ０前に開始する。このｔ０を噴射開始時期という。そして噴射は、排気行程後期であって排気弁が開いている間で、且つ吸気弁２１が開く前の所定期間ΔＴの間に行われる。この所定期間ΔＴの終了時期は、図３においては、吸気弁２１が開き始めるのと同時の場合を示しているが、吸気弁２１が開き始める前に終了してもよい。
【００３８】
水噴射の噴射開始時期ｔ０を早くすると、それだけ燃焼室内の容積が大きくなり、排気ガスの量が多いため、残留排気ガスを掃気するための水噴射量も多く必要になるので、水の消費量が多くなる。この結果、水タンクへの水補給量が多くなるため、水タンクを満タンに補給しても、次の補給までの間隔は短くなる。
【００３９】
従って、水噴射の所定期間ΔＴにおける水噴射の開始時期を排気弁の弁リフト量が最大となる時期より遅くし、さらに排気行程後期にすることで、燃焼室内の容積が小さくなり、排気ガスの量が少なくなるため、残留排気ガスを掃気するための水噴射量が少なくなり、水の消費量が少なくて済む。この結果、水タンクへの水の補給間隔が長くなり、メンテナンス性を向上させることができる。
【００４０】
また、所定期間ΔＴの終了時期が吸気弁の開弁後になる、即ち吸気弁開弁後に水噴射が行われると、燃焼室内に噴射された水の蒸発により水蒸気が膨張することで、燃焼室内に存在するガスを排出できなくなり、吸気ポートから燃焼室内内へ吸気された混合気が再び吸気ポートへ押し戻される（逆流する）ことがある。
【００４１】
以上より、水噴射は、排気行程後期の排気弁が開いている間で且つ吸気弁が開く前に行うのが良い。これにより、水の消費量を抑えることができるとともに、混合気の逆流も発生しないから燃焼室内へ流入する混合気の体積効率を向上させることができる上に、容量が小さくなった燃焼室内への水噴射によって気化潜熱を効率良く利用して残留排気ガスの温度をより低い温度まで低下させることができ、更に、容量の小さくなった燃焼室内での水蒸気の膨張によって燃焼室内の残留排気ガスをより効率良く掃気することができる。
【００４２】
以上に述べたエンジン１０のノッキング抑制方法を次に説明する。
図４において、排気行程では、燃焼室２６の排気ガスは燃焼室２６内の正圧によって排気ポート３８側へ排出されるが、燃焼室２６の末端部の狭い空間では排気ガスは排出されにくく、残留排気ガス５０として残る。この残留排気ガス５０は高温であるため、次のタイミングで燃焼室２６内に吸入された混合気を加熱し、異常燃焼、即ちノッキングを助長することになる。従って、上記の残留排気ガス５０の冷却、掃気がノッキング抑制に繋がる。
【００４３】
図４に示すように、排気行程後期で排気弁２２が開弁状態にあり、吸気弁２１が閉弁状態にあるときに、水噴射弁４１から燃焼室２６内に水を噴射すると、水噴射弁４１から噴射された水の噴霧は、矢印Ｂ，Ｂで示すように、ほぼピストン１７の頂面１７ａに沿って排気弁２２側に流れるとともに燃焼室２６内の温度で蒸発して膨張する。
【００４４】
この結果、燃焼室２６内及び燃焼室２６の壁面は、燃焼室２６の末端部に溜まっている残留排気ガス５０を含めて水の気化潜熱で冷却され、更に、残留排気ガス５０は、水蒸気の膨張によって、矢印Ｃ，Ｃで示すように、燃焼室２６から排気ポート３８へ掃気され、排気装置から外部へ排出される。
【００４５】
図５は水噴射弁４１からの水噴射の噴射状態を平面的に示している。
即ち、水噴射は、水噴射弁４１の噴射口４１ａから一対の排気弁２２，２２と重なるように扇状に広がるように行われる。
【００４６】
燃焼室２６の末端部に溜まっている残留排気ガス５０は、水噴射の勢い及び水の膨張によって矢印Ｄ，Ｄで示すように排気弁２２側へ移動し、排気ポートへ排出される。
上記水噴射の形態により、温度の高い排気弁２２，２２及びその周辺の冷却と、排気弁２２，２２側の燃焼室末端部に溜まりやすい残留排気ガス５０の掃気とを効果的に行うことができる。
【００４７】
図７（ａ）はエンジンの負荷および回転数に応じた水噴射弁の水噴射量（所定期間ΔＴの長さ）のマップ、図７（ｂ）はエンジンの負荷および回転数に応じた水噴射弁の射開始時期ｔ０のマップを示しており、水噴射によるノッキング抑制をＥＣＵ４４（図１参照）で制御する場合に用いられる。
【００４８】
図７（ａ）において、エンジン回転数が上昇するにつれて、水噴射量は多くなり（所定期間ΔＴを長くすること）、また、エンジン負荷が大きくなるにつれても、水噴射量は多くなる。
従来、エンジン負荷やエンジン回転数が増加するにつれて燃焼室温度が次第に高くなるため、これに応じて燃料供給量を増やすことで冷却していたが、本実施形態では、この燃料による冷却を、エンジン負荷、エンジン回転数に応じて水噴射量を増やすことによって水による冷却に変更した。
この結果、冷却のために使用されていた燃料が不要になり、燃料消費量を低減することができる。
【００４９】
図７（ｂ）においても、エンジン負荷およびエンジン回転数の増加に応じて、射開始時期ｔ０を早めることで、所定期間ΔＴを長く設定することが可能になり、結果的に水噴射量総量を増やすことができ、水による燃焼室温度低減を図ることができ、図７（ａ）の場合と同様に燃料消費量を低減することができる。
【００５０】
なお、射開始時期ｔ０を早めることなく、実質的に水噴射量を吸気弁２１が開弁する前に増加できるようにすれば、例えば、水噴射の噴射圧力を圧力制御機構を介して増圧制御することによって、前述した噴射開始時期ｔ０を早くすると、それだけ燃焼室内の容積が大きくなり、排気ガスの量が多いため、残留排気ガスを掃気するための水噴射量も多く必要になる点を解消でき、高回転または高負荷運転において、水の消費量を節約しつつ、周囲の冷却と残留排気ガスの掃気をより一層効率良く行うことができる。
【００５１】
図８に示すＥＣＵ４４（図１参照）によるノッキング抑制制御のフローチャートと図４とに基づいて再度水噴射の制御を説明する。なお、以下説明中のＳ１，Ｓ２，・・・はフローチャートのステップ番号を表している。
【００５２】
ステップＳ１では、ノックセンサ３２の出力を検出する。
ステップＳ２では、ノックセンサ３２の出力に基づいてエンジン１０でノッキングが発生しているかどうか判断する。
ノックセンサ３２からノック信号が検出されず、ノッキングが発生していない（ＮＯ）場合は、再度ステップＳ１に進む。
ノックセンサ３２からノック信号が検出され、ノッキングが発生している（ＹＥＳ）場合は、ステップＳ３に進む。
【００５３】
ステップＳ３では、ＥＣＵ４４は、記憶手段（不図示）から図７（ａ），（ｂ）で示した水噴射量（所定期間ΔＴ）、噴射開始時期ｔ０のマップデータを読込み、これらのデータに基づいて、ステップＳ４で水噴射弁４１へ噴射信号を送り、水噴射弁４１から水噴射を行わせる。
ここで、水噴射してもノッキングが収まらない場合には、ＥＣＵ４４は、点火プラグ３１に出力する点火時期を遅らせ、ノッキングを抑制する。
【００５４】
また、例えば、エンジン１０に、エンジン回転数・負荷に応じて吸排気弁のバルブタイミングを変化させて効率の良い吸排気を行う可変バルブ機構を設けた場合には、この可変バルブ機構に同期させて、ＥＣＵ４４は、本実施形態の水噴射条件（水噴射を、排気弁２２の開弁中の後期に且つ吸気弁２１の開弁前までに所定期間ΔＴ行う）を保ちながら水噴射タイミングを変更する制御を行う。
すなわち、可変バルブ機構による吸排気弁のバルブタイミングの変化に同期して、吸気弁２１の開弁前の噴射開始時期ｔ０または所定期間ΔＴを保持するようにして水噴射を行う。
【００５５】
（第２実施形態）
水噴射形態の第２実施形態について図６を参照して説明する。
図６に示すように、水噴射弁４１の水噴射形態は、一対の吸気弁２１，２１及び一対の排気弁２２，２２の間を進む直線状であってもよい。これにより、燃焼室２６の排気弁２２，２２側の末端部に溜まっている残留排気ガス５０に向けて勢いの強い噴霧を当てることにより、矢印で示すように、残留排気ガス５０を拡散させて残留排気ガス５０の掃気をより効果的に行うことができる。
その他は、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００５６】
（第３実施形態）
水噴射形態の第３実施形態について図９、１０を参照して説明する。
図９に示すように、水噴射弁４１を、直線Ａから離れた位置で燃焼室２６の末端部を通るとともに直線Ａに平行な直線Ｆ上のシリンダヘッド１８に、燃焼室２６の末端部に向くように配置してもよい。なお、符号１８ｃは水噴射弁４１の噴射口４１ａから燃焼室２６に通じるようにシリンダヘッド１８に開けた連通穴、１８ｄは水噴射弁４１を取付けるためにシリンダヘッド１８に開けた取付穴である。
【００５７】
図１０では図９に示した実施形態の作用を示している。
即ち、水噴射弁４１から水を、矢印Ｇ，Ｇのように噴射すると、霧状の水は、矢印Ｈのように、燃焼室２６の排気弁２２側の末端部に沿って流れるため、末端部に集まった残留排気ガス５０を、矢印Ｊ，Ｊで示すように排気弁２２から排気ポート側へ掃気しやすくなる。また、図１０に示すように噴霧の水は、矢印Ｈのようにピストン１７周縁部を旋回するように流れるため、ピストン１７の頂面の周縁部とシリンダヘッド１８との間の隙間に溜り易い残留排気ガス５０の掃気作用が効果的に得られる。
【００５８】
なお、第１実施形態〜第３実施形態では、図１に示したように、エンジン１０として、シリンダヘッドの吸気ポートや吸気マニホールド等の吸気装置に燃料供給装置を備えたものとしたが、これに限らず、燃焼室内に直接に燃料を噴射する筒内直噴式エンジン（ディーゼルエンジンを含む）としてもよい。
また、図１に示したように、水ポンプ４３はＥＣＵ４４によって制御されていないが、これに限らず、ＥＣＵ４４によって水ポンプ４３の作動を制御してもよい。すなわち、水噴射の圧力制御を行うようにしてもよい。
【００５９】
さらに、図３に示したように、水噴射弁での水噴射を、排気行程後期の排気弁が開いている間で且つ吸気弁が開く前に行うようにしたが、この吸気弁の開弁（ＩＯ）は排気上死点（ＴＤＣ）より前であっても、後であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、エンジンのノッキング抑制方法および抑制装置に用いて好適である。
【符号の説明】
【００６１】
１０ エンジン
２１ 吸気弁
２２ 排気弁
２６ 燃焼室
３２ ノックセンサ
４１ 水噴射弁
５０ 残留排気ガス
ｔ０ 噴射開始時期
ΔＴ 所定期間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に水を噴射する水噴射弁が設けられたエンジンのノッキング抑制方法であって、
前記水噴射弁は、ノッキングが発生したときに水噴射を行うとともに、該水噴射は、前記エンジンの排気弁開弁中の後期で且つ吸気弁開弁前の所定期間に行うことを特徴とするエンジンのノッキング抑制方法。
【請求項２】
前記水噴射弁の噴射量は、エンジン回転数及びエンジン負荷の増加に応じて増加されることを特徴とする請求項１記載のエンジンのノッキング抑制方法。
【請求項３】
前記水噴射弁の噴射開始時期は、エンジン回転数及びエンジン負荷の増加に応じて早めることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンのノッキング抑制方法。
【請求項４】
燃焼室内に水を噴射する水噴射弁が設けられたエンジンのノッキング抑制装置において、
前記水噴射弁は、前記燃焼室の吸気弁側に取り付けられるとともに、前記燃焼室内の排気弁側に向けて水を噴射するように設けられ、該水噴射弁による水噴射の噴射開始時期および噴射量を制御する制御装置を備え、
該制御装置は、前記エンジンの排気弁開弁中の後期で且つ吸気弁開弁前の所定期間に噴射するように制御することを特徴とするエンジンのノッキング抑制装置。
【請求項１】
燃焼室内に水を噴射する水噴射弁が設けられたエンジンのノッキング抑制方法であって、
前記水噴射弁は、ノッキングが発生したときに水噴射を行うとともに、該水噴射は、前記エンジンの排気弁開弁中の後期で且つ吸気弁開弁前の所定期間に行うことを特徴とするエンジンのノッキング抑制方法。
【請求項２】
前記水噴射弁の噴射量は、エンジン回転数及びエンジン負荷の増加に応じて増加されることを特徴とする請求項１記載のエンジンのノッキング抑制方法。
【請求項３】
前記水噴射弁の噴射開始時期は、エンジン回転数及びエンジン負荷の増加に応じて早めることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンのノッキング抑制方法。
【請求項４】
燃焼室内に水を噴射する水噴射弁が設けられたエンジンのノッキング抑制装置において、
前記水噴射弁は、前記燃焼室の吸気弁側に取り付けられるとともに、前記燃焼室内の排気弁側に向けて水を噴射するように設けられ、該水噴射弁による水噴射の噴射開始時期および噴射量を制御する制御装置を備え、
該制御装置は、前記エンジンの排気弁開弁中の後期で且つ吸気弁開弁前の所定期間に噴射するように制御することを特徴とするエンジンのノッキング抑制装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−２４０９４（Ｐ２０１３−２４０９４Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５８２８３（Ｐ２０１１−１５８２８３）
【出願日】平成２３年７月１９日（２０１１．７．１９）
【出願人】（０００００６２８６）三菱自動車工業株式会社 (2,892)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１９日（２０１１．７．１９）
【出願人】（０００００６２８６）三菱自動車工業株式会社 (2,892)
【Ｆターム（参考）】
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