特許 6139497 内燃機関の制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6139497

(24)【登録日】2017年5月12日

(45)【発行日】2017年5月31日

(54)【発明の名称】内燃機関の制御装置

(51)【国際特許分類】

   F02D 19/12 20060101AFI20170522BHJP

   F02D 45/00 20060101ALI20170522BHJP

   F02B 23/06 20060101ALI20170522BHJP

   F02B 47/02 20060101ALI20170522BHJP

   F02F 3/10 20060101ALI20170522BHJP

   F02F 1/42 20060101ALI20170522BHJP

   F02M 25/025 20060101ALI20170522BHJP

   F02M 25/03 20060101ALI20170522BHJP

【ＦＩ】

   F02D19/12 A

   F02D45/00 310H

   F02D45/00 310N

   F02B23/06 H

   F02B47/02

   F02F3/10 B

   F02F1/42 F

   F02M25/025 K

   F02M25/03

【請求項の数】6

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2014-238965(P2014-238965)

(22)【出願日】2014年11月26日

(65)【公開番号】特開2016-98797(P2016-98797A)

(43)【公開日】2016年5月30日

【審査請求日】2016年3月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100106150

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 英樹

(74)【代理人】

【識別番号】100082175

【弁理士】

【氏名又は名称】高田 守

(74)【代理人】

【識別番号】100113011

【弁理士】

【氏名又は名称】大西 秀和

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 寿記

(72)【発明者】

【氏名】高田 倫行

(72)【発明者】

【氏名】脇坂 佳史

【審査官】 藤村 泰智

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−０６２９７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１３８６６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０８２１８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３５３５１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０２０２４５４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平０５−０１０１６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／０６８７６１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｄ １９／１２

Ｆ０２Ｄ ４５／００

Ｆ０２Ｂ ２３／０６

Ｆ０２Ｂ ４７／０２

Ｆ０２Ｍ ２５／０２ 〜 ２５／０３

Ｆ０２Ｆ １／４２

Ｆ０２Ｆ ３／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関のシリンダ内を上下運動するピストンと、
前記ピストンの頂面に形成された断熱膜と、
前記断熱膜に向けて水を供給する水供給手段と、
前記内燃機関の運転状態に応じて前記断熱膜における水の供給領域を変更するように前記水供給手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記ピストンは前記頂面に開口するキャビティを備え、
前記供給領域は、前記キャビティの開口部に沿って形成される環状領域を含み、
前記制御手段は、前記運転状態が高回転・高負荷状態にある場合、前記運転状態が低回転・低負荷状態にある場合に比べて、前記環状領域よりも内側と、当該環状領域よりも外側とに向かって前記供給領域が拡大するように前記水供給手段を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。

【請求項2】

前記水供給手段は、前記内燃機関のシリンダヘッドに設けられた水噴射弁を備え、
前記制御手段は、前記運転状態が所定の低回転・低負荷状態にある場合は水を噴射せず、前記運転状態が所定の中回転・中負荷状態にある場合は１８０°ＡＴＤＣ近傍において水を噴射し、前記運転状態が所定の高回転・高負荷状態にある場合は９０°ＡＴＤＣ近傍および１８０°ＡＴＤＣ近傍において水を噴射するように前記水噴射弁の噴射タイミングを制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

【請求項3】

前記内燃機関は、前記頂面の外周部を流れるスワールを生成するタンジェンシャルポートと、前記頂面の中央部に吸気を導入するヘリカルポートと、前記タンジェンシャルポートと前記ヘリカルポートを開閉するポート開閉手段と、を備え、
前記水供給手段は、前記タンジェンシャルポートに設けられた第１水噴射弁と、前記ヘリカルポートに設けられた第２水噴射弁と、を備え、
前記制御手段は、前記運転状態に基づいて、前記内燃機関の吸気行程において前記断熱膜に向けて噴射すべき水の総量と、前記第１水噴射弁と前記第２水噴射弁の分担割合と、を設定する設定手段と、設定した水の総量と設定した分担割合に基づくと共に前記ポート開閉手段の動作に対応させて、前記第１水噴射弁と前記第２水噴射弁の次回の噴射タイミングと噴射期間を制御する噴射制御手段と、を備え、
前記設定手段は、前記運転状態が高回転・高負荷状態にある場合、前記運転状態が低回転・低負荷状態にある場合に比べて、前記断熱膜に向けてより多くの水が噴射されるように前記総量を設定すると共に、前記第１水噴射弁の割合がより高くなるように前記分担割合を設定し、
前記噴射制御手段は、前記ポート開閉手段によって前記タンジェンシャルポートが開かれる間に前記第１水噴射弁から水が噴射され、尚且つ、前記ヘリカルポートが開かれる間に前記第２水噴射弁から水が噴射されるように、前記次回の噴射タイミングと噴射期間を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

【請求項4】

前記制御手段は、前記断熱膜の前記頂面からの剥離を検出する検出手段を更に備え、
前記設定手段は、前記剥離が検出された場合であって、前記運転状態が所定の低回転・低負荷状態にあるときは、前記第１水噴射弁の割合が更に高くなるように前記設定した分担割合を変更することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。

【請求項5】

前記制御手段は、前記断熱膜の前記頂面からの剥離を検出する検出手段を更に備え、
前記設定手段は、前記剥離が検出された場合であって、前記運転状態が所定の高回転・高負荷状態にあるときは、前記断熱膜に向けてより多くの水が噴射されるように前記設定した総量を変更すると共に、前記第１水噴射弁の割合を減じるように前記設定した分担割合を変更することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。

【請求項6】

前記内燃機関は、排気通路の一部を迂回する迂回通路と、前記迂回通路を開閉する通路開閉手段と、前記迂回通路を流れる排気を冷却する冷却手段と、前記冷却手段で生じた凝縮水を貯留する貯留手段と、を備え、
前記制御手段は、前記貯留手段内の凝縮水量が所定量以上の場合は前記水供給手段からの水供給を許可し、前記貯留手段内の凝縮水量が前記所定量未満の場合は前記水供給手段からの水供給を禁止し、尚且つ、前記迂回通路に排気を流すように前記通路開閉手段を制御することを特徴とする請求項１乃至５何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、内燃機関の制御装置に関し、より詳細には、燃料の他に水をシリンダ内に添加する内燃機関の制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、例えば特開平８−１５８９５２号公報には、シリンダに燃料を噴射する燃料噴射弁と、シリンダ内にスワールを生じさせる主吸気ポートと、主吸気ポートの途中で分岐してスワールの中心部に吸気を導入する副吸気ポートと、副吸気ポートに設けられてシリンダに水を噴射する水噴射弁とを備え、エンジンの運転状態に応じて水噴射弁から噴射する水量を変更するディーゼルエンジンの制御装置が開示されている。この制御装置によれば、ディーゼルエンジンの運転状態に応じて水噴射弁からの水量を変更するので、シリンダ内の燃焼温度の高温化を抑えて当該シリンダから排出されるＮＯｘの量を低減できる。また、この制御装置によれば、水噴射弁からの水を、副吸気ポートからの吸気と共にシリンダの中心部に導入できるので、シリンダライナ部分にこの水が付着するのを抑制できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平８−１５８９５２号公報

【特許文献2】特開２０１３−１０８４８２号公報

【特許文献3】特開平８−１４４８８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、シリンダ内を摺動するピストンの頂面に断熱膜を形成すると、燃料着火直後の冷却損失を低減させることができる。但し、ピストン頂面に断熱膜を形成する場合は、断熱膜を形成しない場合に比べてピストン頂面が高温になるので、吸気行程においてシリンダ内に吸入された吸気が断熱膜により温められて膨張し、充填効率が低下するといった問題がある。そのため、断熱膜を形成する場合は、燃料着火後、その次の燃料着火前までにこの断熱膜を冷却しておくことが望ましく、この断熱膜のうちの高温化領域を集中的に冷却しておくことがより望ましい。この点、上記制御装置が適用されるエンジンは断熱膜を形成することを前提としたものではなく、また、上記水噴射弁からの水はシリンダの中心部にのみ導入されている。よって、このような水噴射では、断熱膜の高温化領域を効率的に冷却できない可能性がある。

【0005】

この発明は、上述の課題を解決するためになされたものである。即ち、ピストンの頂面に断熱膜が形成される内燃機関において、この断熱膜の高温化領域を効率的に冷却することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

第１の発明は、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関のシリンダ内を上下運動するピストンと、
前記ピストンの頂面に形成された断熱膜と、
前記断熱膜に向けて水を供給する水供給手段と、
前記内燃機関の運転状態に応じて前記断熱膜における水の供給領域を変更するように前記水供給手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記ピストンは前記頂面に開口するキャビティを備え、
前記供給領域は、前記キャビティの開口部に沿って形成される環状領域を含み、
前記制御手段は、前記運転状態が高回転・高負荷状態にある場合、前記運転状態が低回転・低負荷状態にある場合に比べて、前記環状領域よりも内側と、当該環状領域よりも外側とに向かって前記供給領域が拡大するように前記水供給手段を制御することを特徴とする。

【0008】

第２の発明は、第１の発明において、
前記水供給手段は、前記内燃機関のシリンダヘッドに設けられた水噴射弁を備え、
前記制御手段は、前記運転状態が所定の低回転・低負荷状態にある場合は水を噴射せず、前記運転状態が所定の中回転・中負荷状態にある場合は１８０°ＡＴＤＣ近傍において水を噴射し、前記運転状態が所定の高回転・高負荷状態にある場合は９０°ＡＴＤＣ近傍および１８０°ＡＴＤＣ近傍において水を噴射するように前記水噴射弁の噴射タイミングを制御することを特徴とする。

【0009】

第３の発明は、第１の発明において、
前記内燃機関は、前記頂面の外周部を流れるスワールを生成するタンジェンシャルポートと、前記頂面の中央部に吸気を導入するヘリカルポートと、前記タンジェンシャルポートと前記ヘリカルポートを開閉するポート開閉手段と、を備え、
前記水供給手段は、前記タンジェンシャルポートに設けられた第１水噴射弁と、前記ヘリカルポートに設けられた第２水噴射弁と、を備え、
前記制御手段は、前記運転状態に基づいて、前記内燃機関の吸気行程において前記断熱膜に向けて噴射すべき水の総量と、前記第１水噴射弁と前記第２水噴射弁の分担割合と、を設定する設定手段と、設定した水の総量と設定した分担割合に基づくと共に前記ポート開閉手段の動作に対応させて、前記第１水噴射弁と前記第２水噴射弁の次回の噴射タイミングと噴射期間を制御する噴射制御手段と、を備え、
前記設定手段は、前記運転状態が高回転・高負荷状態にある場合、前記運転状態が低回転・低負荷状態にある場合に比べて、前記タンジェンシャルポートと前記ヘリカルポートが開かれている間、前記断熱膜に向けてより多くの水が噴射されるように前記総量を設定すると共に、前記第１水噴射弁の割合がより高くなるように前記分担割合を設定することを特徴とする。

【0010】

第４の発明は、第３の発明において、
前記制御手段は、前記断熱膜の前記頂面からの剥離を検出する検出手段を更に備え、
前記設定手段は、前記剥離が検出された場合であって、前記運転状態が所定の低回転・低負荷状態にあるときは、前記第１水噴射弁の割合が更に高くなるように前記設定した分担割合を変更することを特徴とする。

【0011】

第５の発明は、第３の発明において、
前記制御手段は、前記断熱膜の前記頂面からの剥離を検出する検出手段を更に備え、
前記設定手段は、前記剥離が検出された場合であって、前記運転状態が所定の高回転・高負荷状態にあるときは、前記断熱膜に向けてより多くの水が噴射されるように前記設定した総量を変更すると共に、前記第１水噴射弁の割合を減じるように前記設定した分担割合を変更することを特徴とする。

【0012】

第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れか１つにおいて、
前記内燃機関は、排気通路の一部を迂回する迂回通路と、前記迂回通路を開閉する通路開閉手段と、前記迂回通路を流れる排気を冷却する冷却手段と、前記冷却手段で生じた凝縮水を貯留する貯留手段と、を備え、
前記制御手段は、前記貯留手段内の凝縮水量が所定量以上の場合は前記水供給手段からの水供給を許可し、前記貯留手段内の凝縮水量が前記所定量未満の場合は前記水供給手段からの水供給を禁止し、尚且つ、前記迂回通路に排気を流すように前記通路開閉手段を制御することを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、内燃機関の運転状態に応じて断熱膜における水の供給領域を変更するように水供給手段を制御するので、断熱膜の高温化領域を効率的に冷却することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。

【図2】図１のエンジン１０のシリンダの縦断面模式図である。

【図3】エンジンを中回転・中負荷運転させたときのピストンの表面温度の推移を示した図である。

【図4】断熱膜がない場合のピストンの表面における熱流束の推移（実線）と、断熱膜がある場合の断熱膜とピストン母材の界面における熱流束の推移（破線）とを示した図である。

【図5】エンジン１０の運転領域の区分を説明するための図である。

【図6】図５の領域Ｉでの燃焼イメージを示した図である。

【図7】図５の領域Ｉでの燃焼イメージを示した図である。

【図8】エンジン１０の運転領域が図５の領域Ｉにある場合において、断熱膜がない場合のピストンの表面における熱流束の推移（実線）と、断熱膜がある場合の断熱膜とピストン母材の界面における熱流束の推移（破線）とを示した図である。

【図9】図５の領域ＩＩでの燃焼イメージを示した図である。

【図10】図５の領域ＩＩでの燃焼イメージを示した図である。

【図11】ＡＴＤＣ１８０°近傍での水噴射イメージを示した図である。

【図12】ＡＴＤＣ１８０°近傍での水噴射イメージを示した図である。

【図13】ＡＴＤＣ１８０°近傍での水噴射イメージを示した図である。

【図14】エンジン１０の運転領域が図５の領域ＩＩにある場合において、断熱膜がない場合のピストンの表面における熱流束の推移（実線）と、断熱膜がある場合の断熱膜とピストン母材の界面における熱流束の推移（破線）とを示した図である。

【図15】図５の領域ＩＩＩでの燃焼イメージを示した図である。

【図16】図５の領域ＩＩＩでの燃焼イメージを示した図である。

【図17】ＡＴＤＣ９０°近傍での水噴射イメージを示した図である。

【図18】ＡＴＤＣ９０°近傍での水噴射イメージを示した図である。

【図19】ＡＴＤＣ９０°近傍での水噴射イメージを示した図である。

【図20】エンジン１０の運転領域が図５の領域ＩＩＩにある場合において、断熱膜がない場合のピストンの表面における熱流束の推移（実線）と、断熱膜がある場合の断熱膜とピストン母材の界面における熱流束の推移（破線）とを示した図である。

【図21】実施の形態１において、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。

【図22】実施の形態２において、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。

【図23】実施の形態３のエンジン周辺の構成を説明するための模式図である。

【図24】シリンダ８６流入直後におけるスワール流ｓ１と吸気流ｓ２の傾向を示す図である。

【図25】水噴射弁９２，９４から噴射する水の分担割合を示した図である。

【図26】水噴射弁９２および水噴射弁９４からの噴射量を示した図である。

【図27】ピストン９６の頂面付近での噴霧の分布を示す図である。

【図28】ピストン９６の頂面付近での噴霧の分布を示す図である。

【図29】ピストン９６の表面における瞬時熱流束の推移を示した図である。

【図30】水噴射弁９２，９４から噴射する水の分担割合（変更後）を示した図である。

【図31】水噴射弁９２および水噴射弁９４からの噴射量（変更後）を示した図である。

【図32】ピストン９６の頂面付近での噴霧の分布を示す図である。

【図33】ピストン９６の頂面付近での噴霧の分布を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

【0016】

実施の形態１．
先ず、図１乃至図２１を参照しながら、本発明の実施の形態１について説明する。

【0017】

［システム構成の説明］
図１は、実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、内燃機関としてのディーゼルエンジン１０（以下、単に「エンジン１０」と称す。）を備えている。図１においては直列４気筒エンジンとして示すが、エンジン１０の気筒配置および気筒数はこれに限定されない。また、図１に示すシステムは、エンジン１０に空気を供給する吸気系と、エンジン１０から排気を排出する排気系と、エンジン１０の運転を制御する制御系とを備えている。

【0018】

エンジン１０の吸気系は、吸気マニホールド１２と、吸気マニホールド１２に接続された吸気管１４とを備えている。大気中から吸気管１４に取り込まれた吸気（新気）は、吸気マニホールド１２を介してエンジン１０の各シリンダに分配される。吸気管１４には、過給機１６のコンプレッサ１６ａが設けられている。

【0019】

エンジン１０の排気系は、排気マニホールド１８と、排気マニホールド１８に接続された排気管２０とを備えている。エンジン１０の各シリンダからの排気は、排気マニホールド１８を介して排気管２０へ排出される。排気マニホールド１８の下流には、過給機１６のタービン１６ｂが設けられている。タービン１６ｂの下流には、ＤＰＦ２２と触媒２４が設けられている。ＤＰＦ２２は、排気中に含まれる微粒子成分を捕集するフィルタである。触媒２４は、排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を酸化して、水（Ｈ_２Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ_２）に変換する機能を有している。

【0020】

排気管２０の途中には、排気管２０の一部を迂回する迂回管２６が設けられている。迂回管２６には、迂回管２６を流れる排気を冷却する排気クーラー２８が設けられている。排気クーラー２８の下流において、排気管２０は迂回管２６と接続している。この接続部には、バルブ３０が設けられている。バルブ３０よりも下流において、排気管２０はＥＧＲ管３２に接続している。この接続部には、バルブ３４が設けられている。バルブ３０，３４の操作により、排気クーラー２８を通過した排気が、排気管２０の一部とＥＧＲ管３２を介して吸気マニホールド１２に導入される。

【0021】

排気クーラー２８はタンク３６に接続されている。タンク３６は排気クーラー２８の下方に設けられ、排気クーラー２８で排気を冷却した際に生じる凝縮水を一時的に貯留する機能を有している。タンク３６は流路３８を介して水噴射弁４０に接続されている。水噴射弁４０はエンジン１０の各シリンダに設けられており、ノズル（図示しない）から放射状に水を噴射（または供給）するように構成されている。流路３８の途中には、タンク３６内の水を水噴射弁４０に送るポンプ４２が設けられている。タンク３６には、タンク３６の液面高さを検出するための水位センサ４４が取り付けられている。

【0022】

エンジン１０の排気系と吸気系は、ＥＧＲ管３２だけでなくＥＧＲ管４６を介して接続されている。ＥＧＲ管４６には、バルブ４８が設けられている。バルブ４８の操作により、排気マニホールド１８内の排気が吸気マニホールド１２に導入される。ＥＧＲ管３２、バルブ３０，３４はいわゆる低圧ＥＧＲ装置を構成しており、ＥＧＲ管４６とバルブ４８は所謂高圧ＥＧＲ装置を構成している。

【0023】

エンジン１０の制御系は、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０は、少なくとも入出力インタフェースとメモリとＣＰＵとを備えている。入出力インタフェースは、各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、アクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられる。ＥＣＵ５０が信号を取り込むセンサには、水位センサ４４の他、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ５２、エンジン１０の回転速度を検出するためのクランク角センサ５４が含まれる。ＥＣＵ５０が操作信号を出すアクチュエータには、バルブ３０，３４，４８、水噴射弁４０、ポンプ４２の他、燃料噴射弁５６が含まれる。燃料噴射弁５６は、水噴射弁４０同様、エンジン１０の各シリンダに設けられており、ノズルから放射状に燃料を噴射するように構成されている。メモリには、各種制御プログラム、各種マップ等が記憶されている。ＣＰＵは、制御プログラム等をメモリから読み出して実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて操作信号を生成する。

【0024】

図２は、図１のエンジン１０のシリンダの縦断面模式図である。図２に示すように、エンジン１０のシリンダ６０は、シリンダブロック６２と、シリンダブロック６２の上方に取り付けられたシリンダヘッド６４とにより形成される。シリンダヘッド６４には、水噴射弁４０と燃料噴射弁５６が取り付けられている。シリンダ６０内にはピストン６６が設けられており、シリンダ６０内を上下方向に運動する。ピストン６６の頂面の中心部には、略円筒状の窪みからなるキャビティ６８が形成されている。

【0025】

キャビティ６８の表面を含むピストン６６の頂面には、膜厚約数μｍ〜３００μｍの断熱膜７０が形成されている。断熱膜７０は、アルマイト皮膜から構成されている。アルマイト皮膜は、ピストン６６の母材（アルミニウム合金）の陽極酸化処理により得られるものであり、陽極酸化処理の過程で形成された無数の細孔を有している。このような多孔質構造を有することで、アルマイト皮膜は、ピストン母材に比べて熱伝導率が低く、尚且つ、単位体積当たりの熱容量が低い断熱膜として機能する。

【0026】

なお、アルマイト皮膜の表面に、その細孔を塞ぐ封孔皮膜が形成されていてもよい。また、アルマイト皮膜の代わりに、ピストン母材よりも熱伝導率の低いジルコニア、イットリア、アルミナ、シリカ、チタニアなどのセラミック溶射膜（応力緩和のための金属結合層溶射膜を含む）を設けてもよい。アルマイト皮膜の代わりに、ピストン母材よりも熱伝導率が低く、尚且つ、単位体積当たりの熱容量が低い膜（例えば中空構造のセラミック粒子を、セラミックス接着剤をバインダとして焼き固めた中空ビーズ膜）を設けてもよい。

【0027】

また、ピストン６６の頂面に対向するシリンダヘッド６４の底面に、断熱膜７０と同様のアルマイト皮膜、上述したセラミック溶射膜または中空ビーズ膜を、断熱膜７０と同様の膜厚で設けてもよい。同様に、シリンダ６０の内壁面（シリンダライナの表面）に、断熱膜７０と同様のアルマイト皮膜、上述したセラミック溶射膜または中空ビーズ膜を設けてもよい。

【0028】

［実施の形態１の特徴］
ピストン６６の頂面に断熱膜７０を設けることで、シリンダ６０内の断熱性を向上できる。そのため、断熱膜７０を設けない場合に比べてエンジン１０の燃費を向上できるという効果がある。断熱膜７０を設けた場合にエンジン１０の燃費が向上する理由を、図３を用いて詳しく説明する。なお、図３をはじめとする各図において、「膜付」は断熱膜７０を形成した場合の断熱膜７０の表面温度の推移を意味し、「膜なし」は断熱膜７０を形成していない場合のピストン６６の表面温度の推移を意味している。図３に示すように「膜なし」では、サイクル中のピストン６６の表面温度が略一定である。一方で「膜付」は断熱膜７０の表面温度がクランク角０°近傍で大きく上昇し、その後低下する。このように、「膜付」では、燃焼時に表面温度が上昇して燃焼ガスとの温度差が「膜なし」に比べて小さくなることによって、燃焼ガスからピストンへの熱損失を低減することができ、エンジン１０の燃費が向上する。

【0029】

ここで、燃焼時における断熱膜７０の表面温度は、燃焼によるガス温度の上昇に伴いクランク角０°近傍で上昇し、その程度は、断熱膜７０の熱伝導率と単位体積当たりの熱容量が共に小さな値をとるほど大きくなる。また、この温度上昇の程度は、エンジン１０の負荷が低い場合よりも、高い場合のほうが大きくなるという特徴がある。

【0030】

図４は瞬時熱流束の変化を示している。「膜なし」はピストン６６の表面の瞬時熱流束を示しており、クランク角０°近傍で一時的に上昇して下降する。これに対し、「膜付」は断熱膜７０とピストン６６の界面、すなわち、膜からピストン壁への瞬時熱流束の変化を示している。「膜付」での断熱膜表面には、「膜なし」と同様に、クランク角０°近傍で一時的に急峻な熱流束が入る。しかし、断熱膜７０の熱流束がピストン６６の母材に比べて小さいために、断熱膜７０内部での熱の伝導が遅れ、断熱膜７０とピストン６６の界面では図４に示すように瞬時熱流束のピーク時期が遅れて、かつ、そのピーク値も小さくなる。このことは、断熱膜７０が燃焼ガスからの熱を一旦、自分自身に蓄え、その後、次の燃焼サイクルまでに徐々にピストン母材へと熱を逃していることを意味している。従って、一旦断熱膜に蓄えられた熱を全てピストン母材側へと逃がすのではなく、例えば断熱膜表面の温度を冷やすことによってピストン母材側へ逃げる熱の一部を燃焼ガス側に戻すことができれば、燃費低減効果をより高めることができる。断熱膜７０が一旦蓄える熱量は、エンジン１０の負荷が高くなるほど増えるので、高負荷条件ではより多くの熱を燃焼ガス側に戻せる可能性がある。

【0031】

また、図３に示したように、断熱膜７０の表面温度がクランク角０°以降に下がり切らないので、次回以降の吸気行程においてシリンダ内に流入した吸気が断熱膜７０から受熱して膨張し、この結果、充填効率が低下するという問題も生じる。圧縮行程においても吸気が断熱膜７０から受熱してシリンダ内の圧力が上昇し、この結果、圧縮行程での負の仕事が増大して燃費が悪化するという問題も生じる。圧縮端温度の上昇により燃焼温度が上昇し、この結果、ＮＯｘ排出量が増加するという問題も生じる。

【0032】

上述の問題に鑑み、本実施の形態では、エンジン１０の運転状態を考慮して断熱膜７０を冷却すべく、当該運転状態に基づいてタンク３６内の水を水噴射弁４０から噴射する制御を行う。この噴射制御の内容について、図５乃至図２０を参照しながら説明する。

【0033】

図５は、エンジン１０の運転領域の区分を説明するための図である。図５に示すように、本実施の形態では、エンジン１０の運転領域を３つの領域（領域Ｉ：低回転・低負荷領域、領域ＩＩ：中回転・中負荷領域、領域ＩＩＩ：高回転・高負荷領域）に分割している。そして、これらの領域に応じて、水噴射弁４０からの水の噴射態様（具体的には、噴射タイミング）を変更している。なお、図５に示した運転領域については、マップとしてＥＣＵ５０のメモリに記憶されているものとする。

【0034】

図６乃至図７は、図５の領域Ｉでの燃焼イメージを示した図である。図６がＴＤＣ近傍のシリンダ６０の縦断面模式図に相当し、図７が図６のシリンダ６０をシリンダヘッド６４側から見た図に相当している。図６乃至図７に示すように、領域Ｉではキャビティ６８
の開口部（以下、「キャビティリップ」と称す。）６８ａの周辺、つまり、図７に示すキャビティリップ６８ａに沿って一定幅で形成される環状領域Ａ_ＣＬにおいて火炎が生じる。但し、この火炎が伝播する範囲は環状領域Ａ_ＣＬのうちの一部である。このため、断熱膜７０の表面温度の上昇が抑えられ、シリンダ６０内のガス温度の上昇も抑えられる。

【0035】

図８は、エンジン１０の運転領域が図５の領域Ｉにある場合において、断熱膜がない場合のピストンの表面における熱流束の推移（実線）と、断熱膜がある場合の断熱膜とピストン母材の界面における熱流束の推移（破線）とを示した図である。図８に示すように、クランク角９０°以降の瞬時熱流束が「膜付」の場合でも「膜なし」の場合と同様の推移を示す。つまり、断熱膜７０を形成した場合であっても、クランク角９０°以降の瞬時熱流束がそれ程高くならない。従って、エンジン１０の運転領域が領域Ｉにある場合、断熱膜７０の冷却を行う必要性は低いと認められるため、水噴射弁４０から水を噴射しない。

【0036】

図９乃至図１０は、図５の領域ＩＩでの燃焼イメージを示した図である。図９がＴＤＣ近傍のシリンダ６０の縦断面模式図に相当し、図１０が図９のシリンダ６０をシリンダヘッド６４側から見た図に相当している。図９乃至図１０に示すように、領域ＩＩではキャビティリップ６８ａの周辺において生じた火炎が、環状領域Ａ_ＣＬの広範囲に伝播する。そのため、環状領域Ａ_ＣＬの断熱膜７０の表面温度が上昇する。そこで、この環状領域Ａ_ＣＬの断熱膜７０を集中的に冷却すべく、ＡＴＤＣ１８０°近傍で水噴射弁４０から水を噴射する。なお、「近傍」としているのは、そのクランク角において必ず水の噴射を開始するのではなく、噴射開始タイミングを多少変動させても（±５°程度）よいことを意味している。

【0037】

図１１乃至図１３は、ＡＴＤＣ１８０°近傍での水噴射イメージを示した図である。図１１がＡＴＤＣ１８０°近傍のシリンダ６０の縦断面模式図に相当し、図１２乃至図１３が図１１のシリンダ６０をシリンダヘッド６４側から見た図に相当している。図１１乃至図１３に示すように、ＡＴＤＣ１８０°近傍で水噴射弁４０から水を噴射すると、放射状に噴射された水（噴霧）により、環状領域Ａ_ＣＬの断熱膜７０と、環状領域Ａ_ＣＬの内側および外側に位置する断熱膜７０の一部とが冷却される。

【0038】

図１４は、エンジン１０の運転領域が図５の領域ＩＩにある場合において、断熱膜がない場合のピストンの表面における熱流束の推移（実線）と、断熱膜がある場合の断熱膜とピストン母材の界面における熱流束の推移（破線）とを示した図である。図１４の上方に示す図は、図４と同一である。この図の斜線領域に示すように、「膜付」の場合は燃料着火後から次回の燃料着火前までの間に、多くの熱が断熱膜７０側からピストン母材側に逃げてしまう。一方、図１４の下方に示す図は、クランク角１８０°近傍で水を噴射した場合の瞬時熱流束の推移を示している。この図の斜線領域に示すように、水を噴射することで、それ以降の瞬時熱流束を低下させて、「膜なし」の場合と同様に推移させることができる。

【0039】

図１５乃至図１６は、図５の領域ＩＩＩでの燃焼イメージを示した図である。図１５がＴＤＣ近傍のシリンダ６０の縦断面模式図に相当し、図１６が図１０のシリンダ６０をシリンダヘッド６４側から見た図に相当している。図１５乃至図１６に示すように、領域ＩＩＩではキャビティリップ６８ａの周辺において生じた火炎が環状領域Ａ_ＣＬのみならず、ピストン６６の頂面の全域に伝播する。このため、断熱膜７０の表面全体の温度が上昇するので、ピストン６６の頂面全体を冷却すべく、ＡＴＤＣ９０°近傍と１８０°近傍で水噴射弁４０から水を噴射する。

【0040】

図１７乃至図１９は、ＡＴＤＣ９０°近傍での水噴射イメージを示した図である。図１７がＡＴＤＣ９０°近傍のシリンダ６０の縦断面模式図に相当し、図１８乃至図１９が図１７のシリンダ６０をシリンダヘッド６４側から見た図に相当している。図１７乃至図１９に示すように、ＡＴＤＣ９０°近傍で水噴射弁４０から水を噴射すると、放射状に噴射された水により環状領域Ａ_ＣＬよりも内側のキャビティ６８の表面が冷却される。ＡＴＤＣ１８０°近傍での水噴射イメージは、図１１乃至図１３で説明した通りである。即ち、ＡＴＤＣ１８０°近傍で水噴射弁４０から水を噴射すれば、環状領域Ａ_ＣＬの断熱膜７０と、環状領域Ａ_ＣＬの内側および外側に位置する断熱膜７０の一部とが冷却される。つまり、ＡＴＤＣ９０°近傍と１８０°近傍で水噴射弁４０から水を噴射すれば、断熱膜７０の略全域が冷却される。

【0041】

図２０は、エンジン１０の運転領域が図５の領域ＩＩＩにある場合において、断熱膜がない場合のピストンの表面における熱流束の推移（実線）と、断熱膜がある場合の断熱膜とピストン母材の界面における熱流束の推移（破線）とを示した図である。図２０の上方に示す図は、水噴射弁４０から水を噴射しない場合の瞬時熱流束の推移を示した図である。この図の斜線領域に示すように、「膜付」の場合は燃料着火後から次回の燃料着火前までの間に、非常に多くの熱が断熱膜７０側からピストン母材側に逃げてしまう。一方、図１４の下方に示す図は、クランク角９０°近傍と１８０°近傍で水を噴射した場合の瞬時熱流束の推移を示している。この図の斜線領域に示すように、水を２回噴射することで、２回目の噴射以降の瞬時熱流束を低下させて、「膜なし」の場合と同様に推移させることができる。

【0042】

このように、本実施の形態では、図５に示した３つの運転領域に対応させて水噴射弁４０からの水の噴射タイミングを変更するので、断熱膜７０のうちの高温化領域を効率的に冷却できる。従って、上述した不具合の発生を未然に防止できる。

【0043】

［具体的処理］
図２１は、実施の形態１において、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図２１に示す制御ルーチンは、エンジン１０の始動直後から所定の制御周期ごとに繰り返し実行されるものとする。

【0044】

図２１に示すルーチンにおいて、先ず、ＥＣＵ５０は、エンジン１０が温間状態にあるか、冷間状態にあるかを判定する（ステップＳ１０）。具体的に、ＥＣＵ５０は、エンジン１０の出口水温と出口油温をセンサ等から取得し、両者が共に６０℃よりも高い場合に、エンジン１０が温間状態にあると判定する。エンジン１０が温間状態にあると判断した場合、ＥＣＵ５０はステップＳ１２に進む。一方、エンジン１０が冷間状態にあると判定された場合、ＥＣＵ５０はステップＳ１４に進む。

【0045】

ステップＳ１２において、ＥＣＵ５０はエンジン１０の運転領域を特定する。具体的に、ＥＣＵ５０は、アクセル開度に基づいてエンジン１０の負荷を求めると共に、エンジン回転速度を求め、メモリから読み込んだ運転領域マップにこれらを適用してエンジン１０の運転領域を特定する。なお、アクセル開度はアクセル開度センサ５２から検出され、エンジン回転速度はクランク角センサ５４から検出される。また、運転領域マップは図５に示したマップであり、ＥＣＵ５０のメモリに記憶されているものである。

【0046】

ステップＳ１２において、エンジン１０の運転領域が図５の領域Ｉにあると特定された場合、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４において、ＥＣＵ５０は、水噴射しないように水噴射弁４０を制御する。エンジン１０が冷間状態にある場合や、エンジン１０の運転領域が図５の領域Ｉにある場合は、水噴射による断熱膜７０の冷却を行う必要性が低いと判断できるためである。

【0047】

ステップＳ１２において、エンジン１０の運転領域が図５の領域ＩＩにあると特定された場合、ＥＣＵ５０は、ＡＴＤＣ１８０°近傍で水を噴射するようにポンプ４２を駆動する共に、水噴射弁４０の噴射タイミングを制御する（ステップＳ１６）。これにより、キャビティリップ６８ａの表面に形成された断熱膜７０を冷却する。

【0048】

ステップＳ１２において、エンジン１０の運転領域が図５の領域ＩＩＩにあると特定された場合、ＥＣＵ５０は、ＡＴＤＣ９０°近傍と１８０°近傍で水を噴射するようにポンプ４２を駆動すると共に、水噴射弁４０の噴射タイミングを制御する（ステップＳ１８）。これにより、断熱膜７０の略全域を冷却する。

【0049】

以上、図２１に示した制御ルーチンによれば、断熱膜７０のうちの高温化領域を効率的に冷却できる。従って、上述した不具合の発生を未然に防止できる。

【0050】

なお、上記実施の形態１においては、流路３８、水噴射弁４０およびポンプ４２が上記第１の発明における「水供給手段」に、ＥＣＵ５０が同発明における「制御手段」に、それぞれ相当している。

【0051】

ところで、上記実施の形態１においては、迂回管２６に設けた排気クーラー２８で生じる凝縮水をタンク３６に一時的に貯留しておき、断熱膜７０に噴射した。しかし、ＥＧＲ管３２やＥＧＲ管４６に別途ＥＧＲクーラーとタンクを設けて、これらのタンクの水を断熱膜７０に噴射してもよい。このような水供給源によれば、凝縮水を活用できるという利点がある。但し、本発明では、エンジン１０に別途設けた補充式のタンクの水を断熱膜７０に噴射することも可能である。

【0052】

また、上記実施の形態１においては、エンジン１０の運転領域が図５の領域Ｉにある場合に水噴射しないように水噴射弁４０を制御した。しかし本発明は、図５の領域Ｉでの水噴射自体を禁止するものではない。例えば、クランク角１８０°近傍で、エンジン１０の運転領域が図５の領域ＩＩにある場合よりも少量の水を噴射するように水噴射弁４０を制御してもよい。

【0053】

実施の形態２．
次に、図２２を参照しながら、本発明の実施の形態２について説明する。
なお、本実施の形態は、図１に示したシステムを前提としているため、システム構成の説明については省略する。

【0054】

［実施の形態２の特徴］
タンク３６内の凝縮水量（以下、「タンク３６内の水量」と称す。）が極端に減少した場合には、図２１の制御ルーチンを実行したとしても水噴射弁４０から水が噴射されないという問題が残る。そこで、本実施の形態では、タンク３６内の水量が所定量以上の場合に図２１の制御ルーチンの実行を許可し、タンク３６内の水量が所定量未満の場合は迂回管２６に排気を導入する制御を実行する。

【0055】

迂回管２６への排気の導入は、バルブ３０の操作により行われる。バルブ３０の操作は、バルブ３４の操作とは独立して行われる。従って、排気クーラー２８を通過させた排気をＥＧＲ管３２経由で吸気マニホールド１２に導入する場合だけでなく、排気クーラー２８を通過させた排気を排気管２０経由でそのまま外部に放出する場合においても、迂回管２６へ排気を導入して凝縮水を生成できる。このように、本実施の形態によれば、吸気マニホールド１２に排気を導入する必要が無い場合においても、排気クーラー２８に排気を導入して凝縮水をタンク３６に貯めることができる。

【0056】

［具体的処理］
図２２は、実施の形態２において、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図２２に示す制御ルーチンは、エンジン１０の始動直後から所定の制御周期ごとに繰り返し実行されるものとする。

【0057】

図２２に示すルーチンにおいて、先ず、ＥＣＵ５０は、タンク３６内の水量を計測する（ステップＳ２０）。具体的に、ＥＣＵ５０は、水位センサ４４の検出値からタンク３６内の水量を求める。

【0058】

続いて、ＥＣＵ５０は、タンク３６内の水量が不足しているか否かを判定する（ステップＳ２２）。具体的に、ＥＣＵ５０は、ステップＳ２０で求めたタンク３６内の水量を所定量と比較し、当該水量が所定量未満の場合にタンク３６内の水量が不足していると判定する。また、ＥＣＵ５０は、当該水量が所定量以上の場合にはタンク３６内の水量が足りていると判定する。

【0059】

ステップＳ２２において、タンク３６内の水量が不足していると判定された場合、ＥＣＵ５０は、図２１の制御ルーチンの実行を禁止すると共に、タンク３６内の水量を増量すべく、バルブ３０を操作して迂回管２６へ排気を導入させる（ステップＳ２４）。一方、タンク３６内の水量が足りていると判定された場合、ＥＣＵ５０は、図２１の制御ルーチンの実行を許可する（ステップＳ２６）。

【0060】

以上、図２２に示した制御ルーチンによれば、タンク３６内に水が確保されている場合に図２１の制御ルーチンの実行を許可できる。従って、断熱膜７０のうちの高温化領域をタンク３６内の水で確実に冷却できる。また、タンク３６内の水が不足した場合には図２１の制御ルーチンの実行を禁止しつつ、タンク３６内に水を補充できる。

【0061】

なお、上記実施の形態２においては、排気管２０が上記第６の発明における「排気通路」に、迂回管２６が同発明における「迂回通路」に、バルブ３０が同発明における「通路開閉手段」に、排気クーラー２８が同発明における「冷却手段」に、タンク３６が同発明における「貯留手段」に、それぞれ相当している。

【0062】

実施の形態３．
次に、図２３乃至図２９を参照しながら、本発明の実施の形態３について説明する。
なお、本実施の形態では、上記実施の形態１や２のエンジン１０とは異なる構成のディーゼルエンジンを前提とする。但し、図１に示したシステムと同様のシステムを前提としているため、システム構成の説明については省略する。

【0063】

図２３は、実施の形態３のエンジン周辺の構成を説明するための模式図である。図２３に示すように、ディーゼルエンジン８０（以下、単に「エンジン８０」と称す。）は２つの吸気ポート８２，８４を備えている。吸気ポート８２は、シリンダ８６内にスワールを生成するためのタンジェンシャルポートとして機能する。吸気ポート８４は、シリンダ８６内に流入する吸気の流量を確保するためのヘリカルポートとして機能する。吸気ポート８２，８４は共に、シリンダヘッド（図示省略）内に形成されている。吸気ポート８２，８４には、各ポートを開閉する吸気弁８８，９０と、各ポートに水を噴射する水噴射弁９２，９４が設けられている。

【0064】

上記実施の形態１のエンジン構成との比較において、水噴射弁９２，９４を吸気ポート８２，８４に設ける構成は単純であり、既存構成からの変更規模を小さくできるという利点がある。

【0065】

シリンダ８６内にはピストン９６が設けられており、シリンダ８６内を上下方向に摺動する。ピストン９６の頂面の中心部には、略円筒状の窪みからなるキャビティ９８が形成されている。ピストン９６の頂面には、断熱膜７０同様の断熱膜（図示省略）が形成されている。

【0066】

図２３は吸気ポート８２，８４が開かれている場合を示している。図２３に示すように、吸気ポート８２からはスワール流ｓ１が、吸気ポート８４からは吸気流ｓ２が、シリンダ８６内に流入している。図２４は、図２３のシリンダ８６の水平断面図であり、シリンダ８６流入直後におけるスワール流ｓ１と吸気流ｓ２の傾向を示している。図２４に示すように、スワール流ｓ１はシリンダ８６の外周部に沿って大きく旋回し、吸気流ｓ２はスワール流ｓ１の中心部において小さく旋回する。

【0067】

［実施の形態３の特徴］
本実施の形態では、図２４で説明した各流れの傾向を利用し、エンジン８０の運転領域に基づいて、タンク３６内の水を水噴射弁９２，９４から噴射する制御を行う。この噴射制御の内容について、図２５乃至図２８を参照しながら説明する。

【0068】

図２５は、水噴射弁９２，９４から噴射する水の分担割合を示した図である。なお、図２５においては、水噴射弁９２（タンジェンシャルポート）の分担割合（水噴射弁９２からの噴射量／水噴射弁９２および水噴射弁９４からの噴射量）を示している。図２５に示すように、エンジン８０の運転領域が低回転・低負荷領域にある場合は水噴射弁９２の分担割合を小さくし、当該運転領域が高回転・高負荷領域になるほど水噴射弁９２の分担割合を大きくする。なお、図２５に示した分担割合については、マップとしてＥＣＵ５０のメモリに記憶されているものとする。

【0069】

図２６は、水噴射弁９２および水噴射弁９４から噴射する水の総量（以下、「総噴射量」ともいう。）を示した図である。図２６に示すように、エンジン８０の運転領域が低回転・低負荷領域にある場合は総噴射量を少なくし、当該運転領域が高回転・高負荷領域になるほど総噴射量を多くする。なお、図２６に示した総噴射量については、マップとしてＥＣＵ５０のメモリに記憶されているものとする。

【0070】

図２７乃至図２８は、ピストン９６の頂面付近での噴霧の分布を示す図である。図２７は、エンジン８０の運転領域が低回転・低負荷領域にあるときの噴霧の分布に相当する。図２５乃至図２６で説明したように、低回転・低負荷領域では水噴射弁９２の分担割合が小さく、尚且つ、総噴射量が少ない。そのため、図２７に示すように、キャビティ９８の表面が水噴射弁９４から噴霧によって緩やかに冷却されると共に、キャビティ９８よりも外側のピストン９６の表面が水噴射弁９２からの噴霧によって緩やかに冷却される。また、キャビティ９８の開口部（以下、「キャビティリップ」と称す。）９８ａの周辺、つまり、図７等で説明した環状領域Ａ_ＣＬの断熱膜が水噴射弁９２，９４からの噴霧によって緩やかに冷却される。なお、図中に示す「噴霧火炎」は、エンジン８０の燃料噴射弁から噴射された燃料を表している。

【0071】

図２８は、エンジン８０の運転領域が高回転・高負荷領域にあるときの噴霧の分布に相当する。図２５乃至図２６で説明したように、高回転・高負荷領域では水噴射弁９２の分担割合が大きく、尚且つ、総噴射量が多い。そのため、図２８に示すように、キャビティ９８の外側から内側に向かう水噴射弁９２からの噴霧によって、キャビティリップ９８ａの周辺、つまり、図７等で説明した環状領域Ａ_ＣＬを含むピストン９６の頂面の外周部が冷却されると共に、水噴射弁９４からの噴霧によって環状領域Ａ_ＣＬよりも内側のキャビティ９８の表面が冷却される。よって、ピストン９６の頂面に形成された断熱膜の略全域が冷却される。

【0072】

なお、水噴射弁９２，９４からの水噴射はＥＣＵ５０により制御され、エンジン８０の運転領域を特定した燃焼サイクルの次の燃焼サイクルにおいて吸気ポート８２，８４が開かれたときに行われる。また、水噴射弁９２，９４から噴射する水量はＥＣＵ５０により設定されるものであり、各噴射弁の噴射期間によって調節される。つまり、本実施の形態の噴射制御では、エンジン８０の運転領域を特定したサイクルの次のサイクルの吸気行程において、水噴射弁９２，９４からの水の噴射態様（具体的には、噴射タイミングと噴射期間）がＥＣＵ５０によって変更される。

【0073】

図２９は、ピストン９６の表面における瞬時熱流束の推移を示した図である。図４で説明したように、「膜付」の場合は燃料着火後から次回の燃料着火前までの間に、多くの熱が断熱膜側からピストン母材側に逃げてしまう。この点、本実施の形態によれば、エンジン８０の吸気行程でピストン９６の表面に向けて水が噴射される。そのため、燃料着火前に断熱膜の温度を下げることができる。従って、図２９に矢印で示すように断熱膜側からピストン母材側に逃げるのを抑制できるので、冷却損失の低減を図ることができる。また、圧縮端温度の上昇を抑えてＮＯｘ排出量の増加を抑制できる。

【0074】

以上、本実施の形態によれば、エンジン８０の運転領域に基づいて総噴射量と水噴射弁９２の分担割合を設定し、水噴射弁９２，９４の噴射タイミングと噴射期間を変更するので、ピストン９６の頂面に形成された断熱膜のうちの高温化領域を効率的に冷却できる。従って、冷却損失の低減を図ることができる。また、圧縮端温度の上昇を抑えてＮＯｘ排出量の増加を抑制できる。

【0075】

なお、上記実施の形態３においては、吸気ポート８２が上記第３の発明における「タンジェンシャルポート」に、吸気ポート８４が同発明における「ヘリカルポート」に、吸気弁８８，９０が同発明における「ポート開閉手段」に、水噴射弁９２が同発明における「第１水噴射弁」に、水噴射弁９４が同発明における「第２水噴射弁」に、ＥＣＵ５０が同発明における「設定手段」および「噴射制御手段」に相当する。

【0076】

実施の形態４．
次に、図３０乃至図３３を参照しながら、本発明の実施の形態４について説明する。
なお、本実施の形態では、図１に示したシステムと同様のシステムを前提とし、図２３に示したエンジン８０を前提とする。従って、システム構成やエンジン構成の説明については省略する。

【0077】

［実施の形態４の特徴］
ピストン９６の頂面に形成された断熱膜は、経年劣化により剥がれる可能性がある。特に、キャビティリップ９８ａの表面に形成された断熱膜は、エンジン８０の燃料噴射弁から高圧噴射された燃料が衝突するので、経年劣化により剥がれる可能性が特に高い。キャビティリップ９８ａの断熱膜が剥がれた場合には、瞬時熱流束が変化してしまいエンジン８０の運転状態に応じた各種問題が生じてしまう。

【0078】

エンジン８０の運転領域が低回転・低負荷領域にある場合、断熱膜が剥がれた場合の瞬時熱流束は「膜なし」の場合と同様に推移し、瞬時熱流束が「膜なし」の場合よりも小さく推移する。そのため、実施の形態３と同一の噴射態様とすると、吸気行程中に断熱膜が冷やされ過ぎてしまい、燃料の着火性そのものが悪化する可能性がある。

【0079】

エンジン８０の運転領域が高回転・高負荷領域にある場合、断熱膜が剥がれた場合の瞬時熱流束は「膜なし」の場合と同様に推移し、燃料着火直後に瞬時熱流束が「膜付」の場合よりも大きくなってしまう。そのため、実施の形態３と同一の噴射態様とすると、燃焼行程中の冷却損失が増大して燃費が悪化してしまう。つまり、断熱膜を設けていない場合と同様の問題が生じてしまう。

【0080】

そこで、本実施の形態の噴射制御では、経年劣化による瞬時熱流束の変化を調整すべく、水噴射弁９２，９４から噴射する水の分担割合や、総噴射量を変更する。図３０は、変更後の分担割合を示した図である。図３０と図２５を比較すると分かるように、変更後は、低回転・低負荷領域において水噴射弁９２の分担割合が増やされている。また、変更後は、高回転・高負荷領域において水噴射弁９２の分担割合が減らされている。図３１は、変更後の総噴射量を示した図である。図３１と図２６を比較すると分かるように、変更後は、高回転・高負荷領域において総噴射量が増量（＋α）されている。

【0081】

図３２乃至図３３は、ピストン９６の頂面付近での噴霧の分布を示す図である。図３２は、エンジン８０の運転領域が低回転・低負荷領域にあるときの噴霧の分布に相当する。図３０で説明したように、変更後は水噴射弁９２の分担割合が増やされる。つまり、水噴射弁９４の分担割合が減らされる。そのため、低回転・低負荷運転時にキャビティ９８の表面が過剰に冷やされるのが抑えられ、燃料の着火性の悪化が抑制される。

【0082】

図３３は、エンジン８０の運転領域が高回転・高負荷領域にあるときの噴霧の分布に相当する。図３０乃至図３１で説明したように、変更後は水噴射弁９２の分担割合が減らされ、尚且つ、総噴射量が増量される。そのため、高回転・高負荷運転時にキャビティ９８の表面が過剰に熱くなるのが抑えられ、冷却損失の増大が抑制される。

【0083】

なお、断熱膜の剥離については、シリンダ８６に別途設けた筒内圧センサの出力波形に基づいてＥＣＵ５０が検出する。但し、排気温度や吸気圧力等の各種物理量に基づいて検出することもできる。また、エンジン８０の運転領域を特定したサイクルの次のサイクルの吸気行程において、水噴射弁９２，９４からの水の噴射態様（具体的には、噴射タイミングと噴射期間）がＥＣＵ５０によって変更されることについては、上記実施の形態３と同様である。

【0084】

以上、本実施の形態によれば、断熱膜の剥離時に水噴射弁９２，９４から噴射する水の分担割合や総噴射量を変更するので、上述した各種問題の発生を未然に防止できる。

【0085】

なお、上記実施の形態４においては、ＥＣＵ５０が上記第４乃至第５の発明における「検出手段」に相当する。

【符号の説明】

【0086】

１０，８０ ディーゼルエンジン
２０ 排気管
２６ 迂回管
２８ 排気クーラー
３０，３４，４８ バルブ
３２，４６ ＥＧＲ管
３６ タンク
３８ 流路
４０，９２，９４ 水噴射弁
４２ ポンプ
４４ 水位センサ
５０ ＥＣＵ
５２ アクセル開度センサ
５４ クランク角センサ
５６ 燃料噴射弁
６０，８６ シリンダ
６２ シリンダブロック
６４ シリンダヘッド
６６，９６ ピストン
６８，９８ キャビティ
６８ａ，９８ａ キャビティリップ
７０ 断熱膜
８２，８４ 吸気ポート
８８，９０ 吸気弁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】