特許 6593425 ガソリンエンジン

(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】6593425

(24)【登録日】2019年10月4日

(45)【発行日】2019年10月23日

(54)【発明の名称】ガソリンエンジン

(51)【国際特許分類】

   F02B 23/08 20060101AFI20191010BHJP

   F02D 19/12 20060101ALI20191010BHJP

   F02M 25/03 20060101ALI20191010BHJP

   F02P 13/00 20060101ALI20191010BHJP

【ＦＩ】

   F02B23/08 J

   F02D19/12 A

   F02M25/03

   F02P13/00 303Z

【請求項の数】2

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2017-237620(P2017-237620)

(22)【出願日】2017年12月12日

(65)【公開番号】特開2019-105194(P2019-105194A)

(43)【公開日】2019年6月27日

【審査請求日】2018年3月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003137

【氏名又は名称】マツダ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100067828

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 悦司

(74)【代理人】

【識別番号】100115381

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 昌崇

(74)【代理人】

【識別番号】100127797

【弁理士】

【氏名又は名称】平田 晴洋

(72)【発明者】

【氏名】太田 統之

(72)【発明者】

【氏名】乃生 芳尚

【審査官】 村山 禎恒

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１７−１４５８１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−１１５７２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−１９４０６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１６４９５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｂ １／００−２３／１０

Ｆ０２Ｄ １９／１２

Ｆ０２Ｍ ２５／０３

Ｆ０２Ｐ １３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

気筒及びピストンで区画され、少なくともガソリンを含む燃料を燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室内に放電電極部が配置された点火プラグと、
前記燃焼室内において、前記放電電極部を指向して１００℃以上の水温の水を噴射する水噴射装置と、
前記水噴射装置からの水噴射のタイミングを制御する水噴射制御部と、
前記燃焼室の天井面に取り付けられ、前記燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、
を備え、
前記ピストンが下死点にあるときの前記燃焼室の容積と、前記ピストンが上死点にあるときの前記燃焼室の容積との比である幾何学的圧縮比が１３以上であるガソリンエンジンにおいて、
前記ピストンの冠面には、前記燃焼室の径方向における中央領域に凹設されたキャビティが備えられ、
前記インジェクタは、複数の燃料噴射口を有するヘッド部が前記径方向の中心において前記燃焼室内に突出し、且つ、前記キャビティに向けて燃料を噴射するように、前記天井面に取り付けられ、
前記点火プラグは、気筒軸方向視において、前記放電電極部が前記ヘッド部と前記水噴射装置との間に位置するように配置され、
前記水噴射制御部は、前記インジェクタによる燃料噴射の後であって、前記放電電極部で放電が発生する放電期間、若しくは、前記放電期間の直前の期間に、前記水噴射を実行させる、ガソリンエンジン。

【請求項2】

請求項１に記載のガソリンエンジンにおいて、
前記水噴射制御部は、空燃比が理論空燃比よりもリーンとなる運転条件のときに、前記水噴射を実行させる、ガソリンエンジン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガソリンを含む燃料を空気と混合しつつ燃焼させる燃焼室と、該燃焼室内の混合気に着火する点火プラグとを備えたガソリンエンジンに関する。

【背景技術】

【0002】

一般にガソリンエンジンでは、点火プラグの放電電極部が燃焼室内に配置され、前記放電電極部において火花放電を発生させることで、燃焼室内の混合気が着火する。近年、ピストンが下死点にあるときの前記燃焼室の容積と、前記ピストンが上死点にあるときの前記燃焼室の容積との比である幾何学的圧縮比を、例えば１３以上の高圧縮比に設定してなるガソリンエンジンであって、火花点火によらず、圧縮によって予混合された混合気を自着火させる予混合圧縮自着火燃焼方式のガソリンエンジンが知られている。このような高圧縮比エンジンにおいて、特許文献１には、点火プラグによる着火アシストにより先ずは燃焼室内に火炎伝播燃焼を発生させ、その燃焼による燃焼室内の高温化によって自着火燃焼を発生させる技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２−２４１５９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

点火プラグの放電電極部において火花放電を確実に発生させることが、燃焼室内における安定的な燃焼のために肝要である。筒内圧力が高くなる場合、例えば上記予混合圧縮自着火方式のガソリンエンジンのような高圧縮比エンジンでは、前記放電電極部において放電が良好に発生しないことがある。これは、混合気の高圧縮によって空気密度が高まり、放電電極間のギャップの絶縁抵抗が上昇することによる。

【0005】

この場合、安定的な放電を確保するため、点火プラグへ供給する電圧（要求電圧）を高くする必要がある。しかし、要求電圧を高くするとエネルギー消費量が多くなり、また、高電圧を印加された放電電極部が放電によって損耗するという問題が生じる。

【0006】

本発明の目的は、点火プラグで混合気に着火するガソリンエンジンにおいて、点火プラグの放電電極部において火花放電を確実に発生させることにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一局面に係るガソリンエンジンは、気筒及びピストンで区画され、少なくともガソリンを含む燃料を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室内に放電電極部が配置された点火プラグと、前記燃焼室内において、前記放電電極部を指向して１００℃以上の水温の水を噴射する水噴射装置と、前記水噴射装置からの水噴射のタイミングを制御する水噴射制御部と、前記燃焼室の天井面に取り付けられ、前記燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、を備え、前記ピストンが下死点にあるときの前記燃焼室の容積と、前記ピストンが上死点にあるときの前記燃焼室の容積との比である幾何学的圧縮比が１３以上であるガソリンエンジンにおいて、前記ピストンの冠面には、前記燃焼室の径方向における中央領域に凹設されたキャビティが備えられ、前記インジェクタは、複数の燃料噴射口を有するヘッド部が前記径方向の中心において前記燃焼室内に突出し、且つ、前記キャビティに向けて燃料を噴射するように、前記天井面に取り付けられ、前記点火プラグは、気筒軸方向視において、前記放電電極部が前記ヘッド部と前記水噴射装置との間に位置するように配置され、前記水噴射制御部は、前記インジェクタによる燃料噴射の後であって、前記放電電極部で放電が発生する放電期間、若しくは、前記放電期間の直前の期間に、前記水噴射を実行させることを特徴とする。

【0008】

このガソリンエンジンによれば、放電電極部での放電期間又はその直前の期間に、水噴射装置から当該放電電極部に水が噴射される。このため、当該期間において、前記放電電極部の周辺は水分が多い状態（湿度が高い状態）となる。従って、例えば筒内圧力が高い等の要因で放電電極部において火花放電が発生し難い環境下にあっても、当該放電電極部の電極間に水分が介在することで、前記電極間に放電が発生し易い状態を形成することができる。すなわち、前記電極間における水の電気分解によって水素イオン、水酸イオンが生成され（水素、酸素が生成され）、これらが電極間の放電性能を高めるようになる。このため、放電電極部において火花放電を確実に発生させることができる。

【0009】

上記の構成は、ピストンが下死点にあるときの前記燃焼室の容積と、前記ピストンが上死点にあるときの前記燃焼室の容積との比である幾何学的圧縮比が１３以上であるガソリンエンジンに好適に適用することができる。

【0010】

幾何学的圧縮比が１３以上となる高圧縮比のエンジンにおいては、点火プラグが混合気に着火するタイミング（圧縮上死点付近）では、混合気が高度に圧縮された状態となる。このため、燃焼室における空気密度が高くなり、これに伴い電極間ギャップの絶縁抵抗も高くなり、放電性能が低下する。しかし、上記の放電電極部を指向した水噴射により、前記放電性能の低下を抑止することができる。

【0011】

上記のガソリンエンジンにおいて、前記水噴射制御部は、空燃比が理論空燃比よりもリーンとなる運転条件のときに、前記水噴射を実行させることが望ましい。

【0012】

例えば、リーン燃焼を行わせる場合や吸気を過給する場合等には、燃焼室内の空気量が相対的に多くなる。この場合、電極間ギャップの絶縁抵抗が増加することになる。このガソリンエンジンによれば、このような運転条件のときに前記水噴射が実行されるので、放電電極部における放電性能の低下を抑止することができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、点火プラグで混合気に着火するガソリンエンジンにおいて、点火プラグの放電電極部において火花放電を確実に発生させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、本発明に係るガソリンエンジンが適用されるエンジンシステムの構成の概略図である。

【図2】図２は、エンジン本体の気筒軸方向に沿った概略断面図である。

【図3】図３は、前記ガソリンエンジンの制御構成を示すブロック図である。

【図4】図４は、点火プラグの放電電極部への水噴射の様子を示す断面図である。

【図5】図５（Ａ）は、前記放電電極部の構成を概略的に示す図、図５（Ｂ）は前記放電電極部が噴霧水で覆われている様子を示す図である。

【図6】図６（Ａ）及び（Ｂ）は、前記放電電極部への水噴射の様子を示す平面図である。

【図7】図７は、水噴射と点火タイミングとの関係を示すタイムチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

［エンジンの全体構成］
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係るガソリンエンジンを詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るガソリンエンジンが適用されるエンジンシステムの概略構成図である。本実施形態のエンジンシステムは、４ストロークのエンジン本体１と、エンジン本体１に燃焼用の空気を導入するための吸気通路２０と、エンジン本体１で生成された排気を排出するための排気通路３０と、排気通路３０を通過する排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路２０に還流するＥＧＲ装置４０と、排気通路３０を通過する排気から水を回収してエンジン本体１に水を供給する水供給装置ＷＡとを備える。

【0016】

図２は、エンジン本体１の気筒軸方向Ａに沿った概略断面図である。エンジン本体１は、４つの気筒２が図１の紙面と直交する方向に直列に配置された直列４気筒エンジンである。図２では、４つの気筒２のうちの１つのみを示している。前記エンジンシステムは車両に搭載され、エンジン本体１は車両の駆動源として利用される。本実施形態では、エンジン本体１は、ガソリンを含む燃料の供給を受けて駆動される予混合圧縮着火式エンジンである。なお、燃料は、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。

【0017】

エンジン本体１は、シリンダブロック３、シリンダヘッド４及びピストン５を備える。シリンダブロック３は、上述の４つの気筒を形成するシリンダライナを有する。シリンダヘッド４は、シリンダブロック３の上面に取り付けられ、気筒２の上部開口を塞いでいる。ピストン５は、各気筒２に往復摺動可能に収容されており、コネクティングロッド８を介してクランク軸７と連結されている。ピストン５の往復運動に応じて、クランク軸７はその中心軸回りに回転する。

【0018】

ピストン５の上方には燃焼室６が形成されている。シリンダヘッド４には、燃焼室６と連通する吸気ポート９及び排気ポート１０が形成されている。シリンダヘッド４の底面は燃焼室天井面６Ｕであり、この燃焼室天井面６Ｕは、上向きに僅かに凸の傾斜面を有するペントルーフ型の形状を有している。燃焼室天井面６Ｕには、吸気ポート９の下流端である吸気側開口と、排気ポート１０の上流端である排気側開口とが形成されている。シリンダヘッド４には、前記吸気側開口を開閉する吸気バルブ１１と、前記排気側開口を開閉する排気バルブ１２とが組み付けられている。

【0019】

吸気バルブ１１及び排気バルブ１２は、いわゆるポペットバルブである。吸気バルブ１１は、吸気ポート９の開口を開閉する傘状の弁体と、この弁体から垂直に延びるステムとを含む。同様に、排気バルブ１２は、排気ポート１０の開口を開閉する傘状の弁体と、この弁体から垂直に延びるステムとを含む。吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の前記弁体の各々は、燃焼室６に臨むバルブ面を有する。なお、エンジン本体１は、ダブルオーバーヘッドカムシャフト式（ＤＯＨＣ）エンジンであり、前記吸気側開口及び排気側開口は、各気筒２につき２つずつ設けられるとともに、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２も２つずつ設けられている。

【0020】

燃焼室６の底面は、ピストン５の冠面５０によって区画されている。冠面５０には、キャビティ５Ｃが凹設されている。キャビティ５Ｃは、上面視で略円形の形状を有し、燃焼室６の径方向Ｂにおいて冠面５０の中央領域に、下方に凹没するように形成されている。キャビティ５Ｃの径方向Ｂの外側には、スキッシュ生成面５１が備えられている。スキッシュ生成面５１は、ペントルーフ型の燃焼室天井面６Ｕと平行な平面からなり、両者間の間隙は径方向Ｂにおいて略一定である。なお、冠面５０の表面は、断熱層５Ｈによってコーティングされている。

【0021】

本実施形態において、燃焼室６を区画する燃焼室壁面は、気筒２の内壁面、ピストン５の冠面５０、冠面５０と対向する燃焼室天井面６Ｕ、及び、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の各バルブ面からなる。また、本実施形態のエンジン本体１の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン５が下死点にあるときの燃焼室６の容積とピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積との比は、１３以上３５以下（例えば２０程度）の高圧縮比に設定されている。

【0022】

シリンダヘッド４には、燃焼室６内の混合気に強制点火するための点火プラグ１３が、各気筒２につき１つずつ装着されている。点火プラグ１３は、火花を放電して混合気に点火エネルギーを付与する電極を備えた放電電極部１３Ａを有する。この放電電極部１３Ａが燃焼室６内に突出して配置される態様で、点火プラグ１３はシリンダヘッド４に取り付けられている。本実施形態において放電電極部１３Ａは、燃焼室６において吸気ポート９が配置される側を吸気側、排気ポート１０が配置される側を排気側とするとき、前記吸気側に偏在して配置されている。

【0023】

シリンダヘッド４（燃焼室天井面６Ｕ）には、燃焼室６内に燃料を噴射するインジェクタ１４が、各気筒２につき１つずつ取り付けられている。インジェクタ１４には図略の燃料供給管が接続されている。インジェクタ１４は、前記燃料供給管を通して供給された燃料を燃焼室６に噴射する。インジェクタ１４の下端には、複数の燃料噴射口を有するヘッド部１４Ａが備えられている。本実施形態ではインジェクタ１４は、気筒軸方向Ａに沿い、ヘッド部１４Ａが径方向Ｂの中心において燃焼室６内に突出するように、シリンダヘッド４に組み付けられている。ヘッド部１４Ａは、燃焼室６の径方向Ｂの中心領域、つまりピストン５のキャビティ５Ｃに向けて燃料を噴射する。

【0024】

シリンダヘッド４には、吸気バルブ１１、排気バルブ１２を各々駆動する吸気側動弁機構１５、排気側動弁機構１６が配設されている（図１）。これら動弁機構１５、１６によりクランク軸７の回転に連動して、各吸気バルブ１１及び排気バルブ１２が駆動される。これら吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の駆動により、吸気バルブ１１の弁体が吸気ポート９の開口を開閉し、排気バルブ１２の弁体が排気ポート１０の開口を開閉する。

【0025】

さらに、シリンダヘッド４には、燃焼室６内に水を噴射する水噴射装置１７が設けられている。水噴射装置１７は、燃焼室６の側周壁から当該燃焼室６の径方向Ｂの中心を臨むように、シリンダヘッド４に取り付けられている。より詳しくは、水噴射装置１７は、水の噴射口が形成された先端部１７Ａが燃焼室６の側周壁近傍に露出し、かつ、前記噴射口が点火プラグ１３の放電電極部１３Ａを指向するように、シリンダヘッド４に取り付けられている。すなわち、水噴射装置１７は、放電電極部１３Ａを指向して水を噴射する。水噴射装置１７としては、例えば、汎用のインジェクタ１４と同様の構造を有する装置、例えばソレノイド式、ピエゾ式のインジェクタと同等の機能を有する噴射装置を適用することができる。

【0026】

吸気通路２０には、吸気流の上流側から順に、吸気を清浄化するエアクリーナ２１と、吸気通路２０を開閉するためのスロットルバルブ２２とが設けられている。本実施形態では、エンジンの運転中、スロットルバルブ２２は基本的に全開もしくはこれに近い開度に維持される。エンジンの停止時等の限られた運転条件のときにのみ、スロットルバルブ２２が閉弁されて吸気通路２０を遮断する。

【0027】

排気通路３０には、排気を浄化するための浄化装置３１が設けられている。浄化装置３１は、例えば、三元触媒を内蔵している。

【0028】

水供給装置ＷＡは、コンデンサ３２、水供給配管３３、水タンク３４及び水ポンプ３５を含む。コンデンサ３２は、浄化装置３１よりも下流側において排気通路３０に取り付けられ、排気通路３０を通過する排気中の水（水蒸気）を凝縮して水を回収する。水供給配管３３は、コンデンサ３２と水噴射装置１７とを接続する配管である。コンデンサ３２で回収された凝縮水は、水供給配管３３を介して水噴射装置１７に供給される。水タンク３４及び水ポンプ３５は、水供給配管３３に配置されている。水タンク３４は、コンデンサ３２で生成された凝縮水を貯留する。水ポンプ３５は、水タンク３４内の水を水噴射装置１７に向けて圧送する。

【0029】

ＥＧＲ装置４０は、吸気通路２０のうちスロットルバルブ２２よりも下流側の部分と、排気通路３０のうち浄化装置３１よりも上流側の部分とを連通するＥＧＲ通路４１を有する。さらにＥＧＲ装置４０は、ＥＧＲ通路４１を開閉するＥＧＲバルブ４２と、ＥＧＲ通路４１を通過するＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４３とを備える。ＥＧＲ通路４１を通して還流されるＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラ４３にて冷却された後に吸気通路２０に向かう。

【0030】

［制御構成］
図３は、前記エンジンシステムの制御構成を示すブロック図である。本実施形態のエンジンシステムは、ＰＣＭ（パワートレイン・コントロール・モジュール）１００によって統括的に制御される。ＰＣＭ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサである。

【0031】

前記エンジンシステムが搭載される車両には各種センサが設けられており、ＰＣＭ１００はこれらセンサと電気的に接続されている。例えば、シリンダブロック３には、エンジン回転数を検出するクランク角センサＳＮ１が設けられている。また、吸気通路２０を通って各気筒２に吸入される空気量を検出するエアフローセンサＳＮ２が設けられている。さらに、車両には、運転者により操作される図外のアクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサＳＮ３が設けられている。

【0032】

ＰＣＭ１００は、これらセンサＳＮ１〜ＳＮ３及び他のセンサからの入力信号に基づいて種々の演算を実行して、上述の点火プラグ１３、インジェクタ１４、水噴射装置１７、スロットルバルブ２２、ＥＧＲバルブ４２及び水ポンプ３５を含むエンジンの各部を制御する。

【0033】

ＰＣＭ１００は、機能的に着火制御部１０１及び水噴射制御部１０２を備えている。着火制御部１０１は、点火プラグ１３の着火タイミング、すなわち放電電極部１３Ａが混合気に強制着火するタイミングを制御する。着火タイミングは、エンジン本体１において採用される燃焼方式に応じて適宜設定される。

【0034】

前記燃焼方式として、例えば、ガソリンを含む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を行うものであって、点火プラグ１３で混合気の着火をアシストする燃焼方式を例示することができる。この燃焼方式は、燃焼室６内の混合気に強制着火を行い火炎伝播による燃焼（ＳＩ燃焼）を行わせ、このＳＩ燃焼により発生する熱によって燃焼室６内の未燃混合気を自着火により燃焼（ＣＩ燃焼）させる複合燃焼方式（ＳＩ＋ＣＩ燃焼）である。この場合、着火制御部１０１は、圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも前のタイミングで燃焼室６内の混合気に強制着火するよう、点火プラグ１３による着火アシストのタイミングを制御する。

【0035】

水噴射制御部１０２は、水噴射装置１７からの水噴射のタイミングを制御する。具体的には水噴射制御部１０２は、水供給配管３３を通して水タンク３４の水を、所定の水圧が保持された状態で水噴射装置１７に供給できるよう、水ポンプ３５を駆動させる。また、水噴射制御部１０２は、予め定められた噴射量及び噴射タイミングで水が噴射されるよう、水噴射装置１７が備える弁機構を制御する。

【0036】

本実施形態では水噴射制御部１０２は、点火プラグ１３の放電電極部１３Ａで火花放電が発生する放電期間、若しくは、前記放電期間の直前の期間に、水噴射装置１７に水噴射を実行させる。以下、このような水噴射について詳述する。

【0037】

［水噴射の詳細］
図４は、点火プラグ１３の放電電極部１３Ａへの水噴射の様子を示す断面図である。水噴射装置１７の先端部１７Ａに形成されている水の噴射口は、放電電極部１３Ａを指向している。前記噴射口から噴射される噴霧水Ｗｍは、当該噴射口と放電電極部１３Ａとを結ぶ直線軸を中心とするコーン状となる。このコーンのテーパ角（噴霧角）は、先端部１７Ａと放電電極部１３Ａとの間の距離に応じて、放電電極部１３Ａの近傍周囲を噴霧水Ｗｍで覆うことができる角度に設定される。水噴射制御部１０２は、上記のような噴霧角を達成できるよう、水噴射装置１７の噴射圧を設定する。

【0038】

図５（Ａ）は、点火プラグ１３の放電電極部１３Ａの構成を概略的に示す図である。放電電極部１３Ａは、中心電極１３１と、Ｌ字型に折曲された角棒からなる接地電極１３２とを含む。中心電極１３１は、図略の点火回路から高電圧（要求電圧）が印加されるプラス極であり、電気絶縁体である碍子１３３によって保持されている。接地電極１７２は、中心電極１３１及び碍子１３３を収容する金属製のハウジング１３４から延出している。接地電極１７２はマイナス極であって、碍子１３３によって中心電極１３１と絶縁されている。Ｌ字型に突出する接地電極１７２の先端部は、放電空間となる電極間ギャップＧを隔てて中心電極１７１と対向している。要求電圧が中心電極１３１に与えられると、電極間ギャップＧに火花放電が発生する。

【0039】

この放電電極部１３Ａの電極間ギャップＧにおいて火花放電を確実に発生させることが、燃焼室６内における安定的な燃焼のために重要であるが、燃焼室６内の環境条件によっては前記火花放電が良好に発生しない場合がある。例えば、着火前に筒内圧力が高くなり、結果として燃焼室６内における空気密度が高まり、電極間ギャップＧの絶縁抵抗が上昇することに起因にして、中心電極１３１と接地電極１７２との間に火花放電が発生しない場合が生じる。

【0040】

本実施形態のエンジン本体１は、既述の通り、幾何学的圧縮比が１３以上となるような高圧縮比エンジンである。従って、燃焼室６内の混合気に着火される直前の圧縮行程後期には、混合気は高レベルに圧縮され、燃焼室６内の空気密度は非常に高くなる。このため、電極間ギャップＧの絶縁抵抗がより高くなり、より火花放電が発生しにくい環境条件となる。安定的な放電を確保するには、中心電極１３１に与える要求電圧を高くすれば良い。しかし、要求電圧を高くすると前記点火回路の負担がかかり、エネルギー消費量も多くなる。また、高電圧を印加された中心電極１３１及び接地電極１７２の、火花放電による損耗が激しくなるという問題も生じる。

【0041】

この問題に鑑み、本実施形態では、放電電極部１３Ａで火花放電を発生させる放電期間又はその直前の期間に、水噴射装置１７から放電電極部１３Ａへスポット的に水を噴射させる。図５（Ｂ）は、放電電極部１３Ａへの水噴射が実行された後の状態を示す図である。水噴射動作が実行されると、放電電極部１３Ａ及びその近傍の領域が噴霧水Ｗｍで覆われ、当該領域が水分の多い状態となる。これにより、電極間ギャップＧは水分リッチな状態となり、火花放電が発生し易い環境を形成することができる。すなわち、高電圧が印加された中心電極１３１−接地電極１７２間の空間（電極間ギャップＧ）に生じる水の電気分解によって水素イオン、水酸イオンが生成され（水素、酸素が生成され）、これらが電極間ギャップＧの放電性能を高めるようになる。このため、混合気が高圧縮された環境下でも、要求電圧を高くすることなく、放電電極部１３Ａにおいて火花放電を確実に発生させることができる。

【0042】

図６（Ａ）及び（Ｂ）は、放電電極部１３Ａへの水噴射の様子を示す上面視の平面図である。これらの図では、放電電極部１３Ａ及びインジェクタ１４のヘッド部１４Ａの位置が、丸印で簡易的に示されている。図６（Ａ）は、水噴射装置１７の先端部１７Ａから噴霧水Ｗｍが、放電電極部１３Ａを指向してコーン状に噴射されている状態を示している。前記放電期間又はその直前の期間は、ピストン５がＴＤＣ付近の位置にあり、筒内圧力が相当高い状態にある。このため、噴霧水Ｗｍを的確に放電電極部１３Ａへ至らせるためには、前記筒内圧力に打ち勝つ噴射圧で水噴射を実行する必要がある。例えば、筒内圧力が１３ＭＰａ程度であるならば、水噴射装置１７の噴射圧は１５ＭＰａ程度に設定することが望ましい。

【0043】

図６（Ｂ）は、水噴射装置１７からの水噴射を終えた直後の状態を示している。先端部１７Ａから噴射された噴霧水Ｗｍは、放電電極部１３Ａ及びその近傍の領域において雲状となり、放電電極部１３Ａを取り囲むようになる。この状態に対応する側面図が図５（Ｂ）である。このように、燃焼室６内において放電電極部１３Ａの周辺領域だけが、噴霧水Ｗｍの存在によって局所的に水分が多い状態とされる。

【0044】

水噴射装置１７から噴射させる水の水温は、高温であることが望ましい。水温が低い水を放電電極部１３Ａに噴き当てた場合、セラミック材料からなる碍子１３３が急冷されることによって当該碍子１３３にクラックが入る懸念がある。また、低温水であると、燃焼室６内において気化に時間を要し、電極間ギャップＧに十分に霧化した水を介在させられない懸念もある。前記クラック及び気化の問題を解消する観点からは、水噴射装置１７から噴射させる水の水温は１００℃程度以上、特に１２０℃以上とすることが好ましい。

【0045】

上記の水噴射は、エンジン本体１の運転時に常時実行させても良いが、燃焼室６内の空気量が相対的に多くなる運転条件のときだけに、前記水噴射を実行させるようにしても良い。例えば、理論空燃比よりも燃料が薄いリーン燃焼を行わせる場合には、燃焼室６内の空気量が相対的に多い状態となる。また、吸気の過給動作が実行される場合、圧縮された空気が燃焼室６へ送り込まれるので、やはり燃焼室６内の空気量が相対的に多い状態となる。これらの場合、圧縮時における空気密度の上昇により、電極間ギャップＧの絶縁抵抗がとりわけ増加することになるので、水噴射を実行させる利点が大きい。すなわち、放電電極部１３Ａにおける放電性能の低下を効果的に抑止することができる。

【0046】

図７は、エンジン本体１における燃料噴射、水噴射、強制着火のタイミング及び熱発生率ｄＱとの関係の一例を示すタイムチャートである。図７では、インジェクタ１４からの燃料噴射Ｆが、圧縮行程の中期に行われる例を示している。燃料噴射タイミングや噴射率（インジェクタ１４のリフト量）は、エンジン回転数やエンジン負荷等に応じて変更しても良い。例えば、圧縮行程において複数回に分けて燃料噴射を行わせる、或いは吸気行程に一部の燃料噴射を行わせるようにしても良い。

【0047】

着火制御部１０１は、圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも前のタイミングで燃焼室６内の混合気に強制着火するよう、点火プラグ１３を制御する。図７では、ＴＤＣよりも僅かに進角側のタイミングにおいて、強制着火（着火アシスト）が実行されている例を示している。水噴射制御部１０２は、点火プラグ１３による点火タイミングの直前の期間に、水噴射装置１７に水噴射Ｗを実行させている。これにより、電極間ギャップＧにおいて火花放電が生じる直前に、放電電極部１３Ａ及びその周辺を既に湿度が高い状態としておくことができる。

【0048】

なお、図７に示す水噴射Ｗのタイミングは一例であり、種々の噴射態様を取ることができる。例えば、電極間ギャップＧにおいて火花放電が起きることが予定されている放電期間に、水噴射Ｗを実行させても良い。或いは、点火タイミングを挟む前後期間、点火タイミングとその直前の所定タイミングに跨る期間を、水噴射Ｗの実行期間としても良い。

【0049】

［作用効果］
以上説明した本実施形態に係るガソリンエンジンによれば、放電電極部１３Ａでの放電期間又はその直前の期間に、水噴射装置１７から当該放電電極部１３Ａに水が噴射される。このため、当該期間において、放電電極部１３Ａの周辺は水分が多い状態となる。従って、例えば燃焼室６の筒内圧力が高い等の要因で放電電極部１３Ａにおいて火花放電が発生し難い環境下にあっても、当該放電電極部１３Ａの電極間ギャップＧに水分が介在することで、電極間ギャップＧにおいて火花放電が発生し易い状態を形成することができる。従って、放電電極部１３Ａにおいて火花放電を安定的に発生させることができる。

【0050】

また、本実施形態は、幾何学的圧縮比が１３以上であるガソリンエンジンに好適に適用することができる。幾何学的圧縮比が１３以上となる高圧縮比のエンジンにおいては、点火プラグ１３が混合気に着火するタイミング（ＴＤＣ付近）では、混合気が高度に圧縮された状態となる。このため、燃焼室６における空気密度が高くなり、これに伴い電極間ギャップＧの絶縁抵抗も高くなり、放電性能が低下する。しかし、放電電極部１３Ａを指向した水噴射により、前記放電性能の低下を効果的に抑止することができる。

【0051】

［変形例］
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば次のような変形実施形態を採ることができる。

【0052】

（１）上記実施形態では、点火プラグ１３として、中心電極１３１と接地電極１３２との間に火花放電を発生させるタイプの点火プラグを例示した。点火プラグ１３は、各種の放電を行う放電電極を備えるものであれば良い。例えば、プラズマ放電を行う放電電極を備えたプラズマジェットプラグを、点火プラグ１３として用いても良い。

【0053】

（２）上記実施形態では、水噴射装置１７が、燃焼室６の側周壁から当該燃焼室６の径方向Ｂの中心を臨むように、シリンダヘッド４に取り付けられている例を示した。放電電極部１３Ａを指向して水噴射が行える限りにおいて、水噴射装置１７の配置には制限はない。例えば、水噴射装置１７（先端部１７Ａ）を燃焼室天井面６Ｕの適所に取り付けるようにしても良い。

【0054】

（３）上記実施形態では、水供給装置ＷＡとして、コンデンサ３２によって排気から回収した水を水噴射装置１７に供給する例を示した。これに代えて、ユーザーが補填可能なタンクから水を水噴射装置１７に供給する水供給装置としても良い。

【符号の説明】

【0055】

１ エンジン本体
２ 気筒
５ ピストン
６ 燃焼室
１３ 点火プラグ
１３Ａ 放電電極部
１４ インジェクタ
１７ 水噴射装置
１０２ 水噴射制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】