特開 2022-118724 往復動内燃機関

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022118724

(43)【公開日】2022-08-15

(54)【発明の名称】往復動内燃機関

(51)【国際特許分類】

   F02D 19/12 20060101AFI20220805BHJP

   F02M 25/022 20060101ALI20220805BHJP

   F02M 25/03 20060101ALI20220805BHJP

   F02M 61/14 20060101ALI20220805BHJP

   F02M 61/18 20060101ALI20220805BHJP

   F02B 23/06 20060101ALI20220805BHJP

   F02B 23/10 20060101ALI20220805BHJP

【ＦＩ】

F02D19/12 A

F02M25/022 T

F02M25/03

F02M61/14 310U

F02M61/18 360J

F02B23/06 M

F02B23/10 310E

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022014317

(22)【出願日】2022-02-01

(31)【優先権主張番号】P 2021014815

(32)【優先日】2021-02-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】稲垣 和久

(72)【発明者】

【氏名】近藤 照明

(72)【発明者】

【氏名】宮川 浩

(72)【発明者】

【氏名】冬頭 孝之

(72)【発明者】

【氏名】河合 謹

【テーマコード（参考）】

3G023

3G066

3G092

【Ｆターム（参考）】

3G023AA01

3G023AA05

3G023AB05

3G023AC05

3G023AD02

3G023AD14

3G066AA07

3G066AB02

3G066AB08

3G066BA23

3G066CC48

3G092AA02

3G092AB03

3G092AB17

3G092BB01

3G092DE03

3G092FA15

3G092HB01Z

3G092HC03Z

(57)【要約】

【課題】燃焼室内に供給した水の分布によって、窒素酸化物の発生を抑制し、熱効率を向上させる。
【解決手段】往復動内燃機関１０は、シリンダ１２の頂部中央に配置され、燃焼室１６内に燃料を放射状に噴射する燃料噴射ノズル１８と、燃焼室１６内に水を噴射する水噴射ノズル２０を有する水供給装置２２とを有する。水供給装置２２は、水噴射ノズル２０から水を噴射して、燃料噴射ノズル１８が主噴射を行う前に、燃焼室１６の中央部に、水滴および水蒸気を含む扁平円柱形状の水含有領域２６を成層形成する。燃料の噴流が水含有領域２６を通過する際、蒸発熱で冷やされた周囲の気体および水を取り込むことで燃焼温度が低下する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリンダの頂部中央に配置され、前記シリンダとピストンにより画定される燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、
前記燃焼室内に水を噴射する水噴射ノズルを有する水供給装置と、
を有し、
前記水供給装置は、前記水噴射ノズルから水を噴射して、前記燃料噴射ノズルが主噴射を行う前に、燃焼室の中央部に、水滴および水蒸気を含む扁平円柱形状の水含有領域を成層形成する、
往復動内燃機関。

【請求項2】

請求項１に記載の往復動内燃機関において、前記水含有領域の直径が、前記シリンダの直径の０．３倍以上、０．６倍以下である、往復動内燃機関。

【請求項3】

請求項１または２に記載の往復動内燃機関において、前記水噴射ノズルが水を噴射して形成する噴霧の形状が扇形であり、前記水噴射ノズルが、前記シリンダの中心からオフセットして配置され、前記シリンダの中心に向けて水を噴射する、往復動内燃機関。

【請求項4】

請求項３に記載の往復動内燃機関において、前記水噴射ノズルが形成する噴霧の扇形の中心角が、シリンダ直径をＤbore、前記水噴射ノズルの前記シリンダの中心からのオフセット量をＸoffとしたとき、５０°×（０．５Ｄbore／Ｘoff）以上、７５°×（０．５Ｄbore／Ｘoff）以下である、往復動内燃機関。

【請求項5】

請求項３に記載の往復動内燃機関において、前記噴霧の扇形の中心線に沿う噴流が、前記燃焼室内を旋回するように形成されるスワールに対向する速度成分を有するように、前記シリンダの中心からずれた位置に向けて噴射される、往復動内燃機関。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか１項に記載の往復動内燃機関において、前記水供給装置は、２回に分けて前記水噴射ノズルから水を噴射する、往復動内燃機関。

【請求項7】

請求項１から４のいずれか１項に記載の往復動内燃機関において、前記水供給装置は、前記水噴射ノズルから、主水噴射と、前記主水噴射の後、前記主水噴射から間隔を空けて前記主水噴射より噴射量が少ない追加水噴射とを行う、往復動内燃機関。

【請求項8】

請求項７に記載の往復動内燃機関において、前記水供給装置は、燃料の前記主噴射の開始直前に前記追加水噴射を終了する、往復動内燃機関。

【請求項9】

請求項７または８に記載の往復動内燃機関において、前記追加水噴射による噴射量が、水噴射の全量に対して２５パーセントである、往復動内燃機関。

【請求項10】

請求項１から９のいずれか１項に記載の往復動内燃機関において、圧縮比が１８以上、２１以下である、往復動内燃機関。

【請求項11】

請求項１０に記載の往復動内燃機関において、圧縮比が２０以上、２１以下である、往復動内燃機関。

【請求項12】

請求項１から１１のいずれか１項に記載の往復動内燃機関において、前記水供給装置に代えて、燃料より蒸発潜熱の高い液体を供給する高潜熱液供給装置を有する往復動内燃機関。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、往復動内燃機関に関し、特にシリンダとピストンにより規定される燃焼室内に燃料および水を噴射する往復動内燃機関に関する。

【背景技術】

【0002】

シリンダとピストンにより規定される燃焼室内に燃料を噴射する往復動内燃機関において、燃焼室内に水を噴射する技術が知られている。下記特許文献１には、ディーゼルエンジンにおいて、燃料噴流の軌道上に水蒸気が存在するように、燃焼室の中央部から外周部に向けて放射状に水を噴射する技術が示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４－７７３９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

燃焼室内に噴射された水滴およびこの水滴が蒸発した水蒸気を含む水含有領域について、燃焼室内の配置に改良の余地がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明に係る往復動内燃機関は、シリンダの頂部中央に配置され、シリンダとピストンにより画定される燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、燃焼室内に水を噴射する水噴射ノズルを有する水供給装置とを有し、水供給装置は、水噴射ノズルから水を噴射して、燃料噴射ノズルが主噴射を行う前に、燃焼室の中央部に、水滴および水蒸気を含む扁平円柱形状の水含有領域を成層形成する。

【0006】

燃焼室の中央に水含有領域を成層形成することで、シリンダの頂部中央から噴射される燃料の噴流が効率良く水を取り込むことができる。

【0007】

また、扁平円柱形状の水含有領域の直径が、シリンダの直径の０．３倍以上、０．６倍以下である往復動内燃機関とすることができる。

【0008】

さらにまた、水噴射ノズルが水を噴射して形成する水噴霧の形状が扇形であるようにすることができ、水噴射ノズルが、シリンダの中心からオフセットして配置され、シリンダの中心に向けて水を噴射する往復動内燃機関とすることができる。

【0009】

さらにまた、水噴射ノズルが形成する水噴霧の扇形の中心角が、シリンダ直径をＤbore、水噴射ノズルのシリンダの中心からのオフセット量をＸoffとしたとき、５０°×（０．５Ｄbore／Ｘoff）以上、７５°×（０．５Ｄbore／Ｘoff）以下である往復動内燃機関とすることができる。

【0010】

さらにまた、水噴射ノズルが形成する水噴霧の扇形の中心線に沿う噴流が、燃焼室内を旋回するように形成されるスワールに対向する速度成分を有するように、シリンダの中心からずれた位置に向けて噴射される往復動内燃機関とすることができる。

【0011】

さらにまた、水供給装置が２回に分けて水噴射ノズルから水を噴射する往復動内燃機関とすることができる。

【0012】

さらにまた、水供給装置が、水噴射ノズルから、主水噴射と、主水噴射の後、主水噴射から間隔を空けて主水噴射より噴射量が少ない追加水噴射とを行う往復動内燃機関とすることができる。

【0013】

さらに、主噴射と追加水噴射とを行う水供給装置が追加水噴射を燃料の主噴射の開始直前に終了する往復動内燃機関とすることができる。

【0014】

さらに、主噴射と追加水噴射とを行う水供給装置が追加水噴射によって水噴射の全量に対して２５パーセントの水を噴射する往復動内燃機関とすることができる。

【0015】

さらにまた、圧縮比が１８以上、２１以下、より好ましくは２０以上、２１以下である往復動内燃機関とすることができる。

【0016】

さらにまた、前記往復動内燃機関は、水供給装置に代えて、燃料より蒸発潜熱の高い液体を供給する高潜熱液供給装置を有するようにできる。

【発明の効果】

【0017】

燃焼室の中央に水含有領域を配置することで、シリンダの頂部中央から噴射される燃料の噴流が効率良く水を取り込むことができ、水噴射による効果をより享受できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本実施形態の内燃機関の要部構成を模式的に示す図である。

【図2】水噴射の態様を示す図である。

【図3】数値計算に用いた諸元の一例を示す図である。

【図4】燃焼室内の水含有領域を示す図である。

【図5】燃焼室内の水の分布の例を示す図である。

【図6】水の分布ごとの窒素酸化物の発生量を示す図である。

【図7】水の分布ごとの図示熱効率を示す図である。

【図8】燃料の噴流が水を取り込む様子を示す図である。

【図9】水含有領域の直径と窒素酸化物の発生量の関係を示す図である。

【図10】水噴霧中心角と窒素酸化物の発生量の関係を示す図である。

【図11】水噴射ノズルをシリンダ壁に配置したときの水の噴霧の態様を示す図である。

【図12】水噴射ノズルの位置と水の噴霧の関係を示す図である。

【図13】水噴霧偏向角ごとの窒素酸化物の発生量を示す図である。

【図14】水噴霧偏向角ごとの、燃焼室内の水の分布を示す図である。

【図15】水の噴射時期を示す図である。

【図16】水の噴射回数ごとの窒素酸化物の発生量を示す図である。

【図17】水の噴射回数ごとの、燃焼室内の水の濃度分布を示す図である。

【図18】圧縮比と図示熱効率の関係を水噴射の有無で比較して示す図である。

【図19】圧縮比と窒素酸化物の発生量の関係を水噴射の有無で比較して示す図である。

【図20】圧縮比とスートの関係を水噴射の有無で比較して示す図である。

【図21】単独の水噴射による水含有領域を模式的に示す図である。

【図22】分割された水噴射による水含有領域を模式的に示す図である。

【図23】数値計算に用いた諸元の他の例を示す図である。

【図24】水噴射時期の条件を示す図である。

【図25】水噴射時期の条件を示す図である。

【図26】水噴射時期の条件ごとの窒素酸化物の低減率を示す図である。

【図27】単独の水噴射と分割された水噴射の燃焼室内の水分布を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明に係る実施の形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態の往復動内燃機関１０、特にディーゼル機関の要部構成を模式的に示す図である。往復動内燃機関１０は、円筒形状のシリンダ１２と、シリンダ１２内を、シリンダ１２の軸線方向に沿って往復動するピストン１４を含む。シリンダ１２とピストン１４で画定される空間、特にピストン１４が上死点付近にあるときのこの空間は、燃焼室１６と呼ばれている。シリンダ１２の頂面１２ａの中心に燃料噴射ノズル１８が配置される。また、往復動内燃機関１０は、燃焼室１６内に水滴として水を供給する水供給装置２２を備える。水供給装置２２は、シリンダ１２の頂部中央から離れた位置に配置された水噴射ノズル２０を含む。ピストン１４の頂面には、燃焼室１６を規定する直径Ｄreの凹部２１が形成されている。シリンダ１２の中心線をｚ軸とし、ｚ軸に直交し、水噴射ノズル２０の配置された位置を通る軸をｘ軸、ｘ軸およびｚ軸と直交する軸をｙ軸とする。ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸は、頂面１２ａの中心Ｏで交差する。

【0020】

往復動内燃機関１０において、シリンダ１２の頂面１２ａには、吸気バルブおよび排気バルブが配置されるが、図１においては簡略化のために省略されている。また、ピストン１４には、クランクシャフト（不図示）と接続するためのコネクティングロッドが接続されているが、これも省略されている。

【0021】

燃料噴射ノズル１８は、中心Ｏから周囲に向けて放射状に、例えば８方向に燃料を噴射する。水噴射ノズル２０は、中心Ｏからｘ軸の方向にＸoffだけオフセットしている。このＸoffを配置オフセット量と記す。

【0022】

図２は、水供給装置２２の水噴射ノズル２０の噴射の態様を示す図である。（ａ）は水供給装置２２をｚ軸方向に沿って見た図、（ｂ）はｙ軸方向に沿って見た図、（ｃ）は俯瞰して見た図である。水噴射ノズル２０は、同一平面内に配置された複数のノズルホールを有する。個々のノズルホールからは細い円錐状の噴流が形成され、全体としては、扁平な扇形の水噴霧２４が形成される。この扇形の中心角を水噴霧中心角θscとする。水噴射ノズル２０は、中心Ｏに向けて水を噴射する。ｘｙ平面における、水噴霧２４の中心線２４ａとｘ軸のなす角を水噴霧偏向角θxyとする（図１参照）。水噴霧偏向角θxyは、シリンダ１２を上方から見たとき、反時計回りの向きを正の向きとする。さらに、水噴霧２４は、ｘｙ平面より下向きに噴射され、水噴霧２４の扇形が規定する平面と、ｚ軸のなす角を水噴霧下向き角θxzとする（図１参照）。水噴霧２４は、その扇形の中心線２４ａを含み、かつｚ軸に平行な平面に対して対称な形状を有する。

【0023】

図３は、数値計算に用いた往復動内燃機関１０の基本諸元である。以下において、各諸元の効果を比較する数値計算において、比較対象外の諸元については、図３に示す値を用いている。水率は、燃料噴射量に対する水噴射量の質量比である。水噴射時期は、水噴射開始時期を示しており、上死点前２１°から１３°までの間で水が噴射される。また、水噴射期間は、２０ＭＰａで水が噴射されている期間を表す。また、水噴射期間内での単位時間当たりの水噴射量（水噴射率）は一定である。（なお、図２１～図２７に関連して説明する、水噴射に関して主噴射と追加噴射に分けた場合の数値計算には、図３の基本諸元とは一部異なる諸元を用いている。）

【0024】

図４は、水供給装置２２により供給された水を含む水含有領域２６を示す図である。図４において、網点を付した領域が水含有領域２６である。水含有領域２６は、水噴射ノズル２０から噴射された水噴霧２４の水滴およびこの水滴が蒸発した水蒸気を含む領域である。以下の説明において、特段の断りがない限り、「水」は、水滴状の液体の水および水蒸気を含む。シリンダ１２の中心Ｏからオフセットされた水噴射ノズル２０から中心Ｏに向けて噴射された水は、ｘｙ平面において燃焼室１６の中央部に扁平な円柱形状の領域に分布する。この領域が、水含有領域２６である。この往復動内燃機関１０は、水含有領域２６を燃焼室１６の中央部に成層形成する。つまり、シリンダ１２の中央部に水の濃度が高い領域が、その周囲に水の濃度が低い領域が、層状に形成される。シリンダ１２の直径（ボア）がＤbore、水含有領域２６の直径がＤwaで示されている。

【0025】

図５は、燃焼室１６内の水の分布の例を示し、図６は、図５に示す各水分布の窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量を示す図である。図５の（ａ）は、水が、燃焼室１６の中央部に分布し、扁平円柱形状の水含有領域２６を形成する場合を示している。（ａ）に示す分布を中央成層分布と記す。水含有領域２６の直径Ｄwaは、ボアＤboreの二分の１である（Ｄwa＝０．５×Ｄbore）。（ｂ）は、燃焼室１６全体に水が均質に分布した場合を示し、網点を付した領域に水が分布している。（ｂ）に示す分布を全域均質分布と記す。（ｃ）は、燃焼室１６の周縁近傍に水が分布した場合を示し、網点を付した領域２９に水が分布している。（ｃ）に示す分布を外周成層分布と記す。水率は、図５の（ａ）～（ｃ）の全てで６０％である。

【0026】

図６は、図５の（ａ）～（ｃ）の水分布の場合の窒素酸化物の発生量を示しており、窒素酸化物の発生量は、燃焼室１６内に水を供給しない場合、つまり水噴射なしの場合に対する相対量として示されている。中央部に分布する（ａ）の場合が最も効果が高いことが示されている。なお、図６の各水分布の窒素酸化物の発生量は、スートの発生量が等しくなる条件の下に算出されたものである。また、図７には、水を供給しない場合と、上記（ａ）～（ｃ）の水分布の場合の図示熱効率が示されている。水が中央部に分布する（ａ）の場合が熱効率が高くなることが示されている。なお、図７の各水分布の図示熱効率は、窒素酸化物の発生量が等しくなる条件の下に算出されたものである。

【0027】

図８は、数値計算によって求められた、燃焼室１６内に噴射された水の燃料噴射後の分布を示す図であり、（ａ）が中央成層分布、（ｂ）が全域均質分布、（ｃ）が外周成層分布の場合を示している。色の濃い部分が水の濃度が高い部分を示している。（ａ）の中央成層分布の場合、燃料噴射ノズル１８からの燃料噴流２８が、燃焼室１６の中央部の水含有領域２６を通過する際に周囲の水を取り込み、燃料噴流２８中に多くの水が含まれている。（ｂ）の全域均質分布の場合、燃料噴流２８内に取り込まれる水は、中央成層分布の場合に比べて少ないことが分かる。（ｃ）の外周成層分布の場合、燃料噴流２８によって水が吹き飛ばされてしまい、水が燃料噴流２８中にほとんど取り込まれていないことが分かる。

【0028】

図８の（ａ）に示されるように、水含有領域２６が燃焼室１６の中央部に分布する場合、燃料噴流２８が水含有領域２６から水滴および水蒸気を含む気体を取り込む。水含有領域２６は、噴射された水滴が蒸発して冷却されており、この冷却された気体を燃料噴流２８が取り込むことにより、また、取り込んだ水滴が蒸発することにより、燃料噴流２８に着火した火炎の温度が低下する。このため、窒素酸化物の発生が抑制され、窒素酸化物の発生量が低下する。また、燃料噴流２８の温度が低下することで、着火位置が燃料噴流２８の下流に移動する。一方、燃料噴流２８の下流は、上流に比べ周囲の気体がより多く取り込まれるため、温度が低く、また燃料がリーンとなる。このため、高温のリッチ領域での燃焼が低減し、スート（すす）の生成が抑制される。さらに、噴霧火炎の温度が低下することで、燃焼室壁面と接触する火炎の温度が低下して壁面と火炎の温度差が縮まり、熱損失が少なくなる。このため、熱効率が向上する。

【0029】

図９は、水含有領域２６の直径と窒素酸化物の発生量の関係を示す図である。横軸は、シリンダ１２の直径Ｄboreに対する水含有領域２６の直径Ｄwaを示し、縦軸は、窒素酸化物の発生量を示し、特に燃焼室１６内に水を供給しない場合（水噴射なし）に対する相対値として示されている。全域均質分布（Ｄwa／Ｄbore＝１）の場合に比較して、中央成層分布の場合においては窒素酸化物の発生量が低減していることが分かる。特に、水含有領域２６の直径Ｄwaが、シリンダ直径の０．３倍以上、０．６倍以下の場合に、窒素酸化物の発生量を大きく低減できる。

【0030】

図１０は、水噴霧中心角θscと窒素酸化物の発生量の関係を示す図である。図１０は、図１１に示すように、配置オフセット量Ｘoffを０．５Ｄboreとし、水噴霧偏向角θxyを０としたときの水噴霧中心角θsc0と窒素酸化物の発生量の関係を示している。横軸は、水噴霧中心角θsc0、縦軸は、窒素酸化物の発生量を示し、特に燃焼室１６に水を供給しない場合に対する相対値として示されている。水噴霧中心角θsc0が５０°以上、７５°以下のときに窒素酸化物の低減効果がより大きいことが認められる。

【0031】

前述のように、図１０は、水噴射ノズル２０をシリンダ１２の壁面に設けた場合、つまり配置オフセット量Ｘoffをシリンダ半径０．５Ｄboreとした場合の結果である。この結果から、水噴射ノズル２０をシリンダ１２の中心Ｏに近づけた場合における水噴霧中心角θscの好ましい値について推定できる。

【0032】

図１２の（ａ）は、図１１と同様に水噴射ノズル２０をシリンダ１２の壁面に設けた場合を示している。この場合、中心角θsc0の水噴霧２４は、図中破線で示す、中心がシリンダ中心Ｏと同心の円形の領域３０に向けて噴射される。この領域３０は、扇形の水噴霧の両縁が接線となる、中心がシリンダ中心Ｏ、半径がＲ0の円である。図１２の（ｂ）は、水噴射ノズル２０をシリンダ１２の壁面より中心Ｏに近づけた状態（Ｘoff＜０．５Ｄbore）を示している。（ａ）に示す場合と同様の水分布を得るためには、前述の領域３０の全体に向けて水を噴霧すればよいと考えられ、そのための水噴霧２４の中心角θscは、
θsc＝（０．５Ｄbore／Ｘoff）×θsc0 ・・・（１）
ただし、θ＝sinθと近似
となる。図１０に示されるように、水噴射ノズル２０をシリンダ１２の壁面に設けた場合、水噴霧中心角θsc0が５０～７５°の範囲で窒素酸化物の抑制効果が認められ、これと同じ効果を得るためには、領域３０に水が供給されるように噴射を行えばよい。このためには、式（１）から水噴霧中心角θscの範囲を、５０°×（０．５Ｄbore／Ｘoff）以上、７５°×（０．５Ｄbore／Ｘoff）以下とすればよい。

【0033】

図１３は、燃焼室１６内に図１に示すように反時計回りのスワール３２が発生する場合において、水噴射偏向角θxyを１５°、０°、－５°としたときの窒素酸化物の発生量を示す図である。窒素酸化物の発生量は、水を燃焼室１６内に供給しない場合に対する相対量として表わされている。図１４は、水噴射偏向角θxyを１５°、０°、－５°としたときの燃焼室１６内の水の分布を示す図である。網掛けした領域に水噴射ノズル２０から噴射された水が分布している。水噴射偏向角θxyが０°のときは、水噴霧の中心線２４ａに沿う噴流は周回するスワール３２と直交し、１５°のときは、中心線２４ａに沿う噴流がスワール３２と対向する成分を有する。

【0034】

図１３から水噴射偏向角θxyが１５°のとき、窒素酸化物がより低減されることが分かる。これは、図１４に示されるように、水噴射偏向角θxyが１５°のとき、水が偏在せず、より中心Ｏ寄りに分布しており、放射状に噴射される燃料のそれぞれの噴流が取り込む水の量の偏りが減少して、それぞれの噴流の温度が低下するためと考えられる。

【0035】

図１５は、水噴射の時期を示す図であり、（ａ）は噴射が１回の場合、（ｂ）が噴射が２回の場合の噴射時期を示している。実線が水の噴射を示し、破線は燃料の主噴射を示している。水噴射は、１回の場合は、上死点前２１°で噴射を開始し、噴射期間が８°である。２回の場合は、上死点前２３°と１０°で噴射を開始し、それぞれの噴射期間は４°であり、１回目と２回目の噴射量は同量である。図１６は、噴射回数が異なる場合の窒素酸化物の発生量を示しており、図１５に示す噴射時期に対応して（ａ）は１回噴射、（ｂ）は２回噴射の場合を示している。また、窒素酸化物の発生量は、水噴射がない場合に対する相対値として示されている。図示されるように、２回に分けて噴射した場合の方が窒素酸化物の発生量が少ない。図１７には、数値計算による水の濃度分布の一例が示されており、図１５に示す噴射時期に対応して（ａ）は１回噴射、（ｂ）は２回噴射の場合を示している。色の濃い部分が水の濃度が高い部分である。２回噴射の方が窒素酸化物の発生が少ないのは、燃焼室１６の中心軸に対して水がより対称分布になり、放射状に噴射される燃料のそれぞれの噴流が取り込む水の量が偏らなくなるためと考えられる。

【0036】

図１８～図２０は、圧縮比を変更したときの図示熱効率、窒素酸化物の発生量、スート（すす）の発生量を、燃焼室１６内への水の供給の有無で比較した図である。圧縮比は、凹部２１の直径Ｄreを変更して変化させた。直径Ｄreが小さい方が圧縮比が高くなる。圧縮比は、水を供給しない場合、１５．１から２１．１まで１刻みに変化させ、水を供給した場合、１５．１から２２．１まで１刻みに変化させた。図１９および図２０に示すように、圧縮比の全範囲において、水を供給することによって、窒素酸化物およびスートの発生量が抑制されることが分かる。また、図１８に示すように、圧縮比１８以上で熱効率が向上し、さらに、圧縮比２１～２２の範囲でより高い熱効率を示すことが分かる。

【0037】

燃焼室１６内に供給する液体は、水に代えて、燃料より蒸発潜熱の高い液体とすることができる。例えば、燃料が軽油の場合、水に代えてメタノール水やエタノール水を用いることができる。また、ディーゼルエンジン以外にも、燃料をシリンダ内に直接噴射し、水を噴射して燃焼室に水を供給するガソリンエンジンにも適用することができる。

【0038】

水噴射ノズル２０からの１回の水噴射を行った場合、燃焼室１６の中心軸に関して軸対称な水分布を得られない場合がある。以下において、水噴射を分けて行い、水分布の偏りを抑制する手法について説明する。

【0039】

図２１は、１回の水噴射（以下、単独水噴射と記す。）によって形成された水含有領域２６Ａを模式的に示す図である。単独水噴射の場合、噴射された水は、運動量が大きく、シリンダ中心Ｏを通り越し、水分布の重心は、シリンダ中心Ｏに関して水噴射ノズル２０と反対側に移動する傾向がある。また、水噴霧の前縁は、周囲の気体からの抵抗を受けて速度が減衰しやすい。一方、水噴霧の後続部分は、先行部分の後を追うため周囲の気体からの抵抗が小さくなり速度がさほど減衰しない。このため、後続部分が先行部分に追いつき、水含有領域２６Ａは、概略的に、図２１に示すように、中心角が１８０°超の扇形または馬蹄形となる。

【0040】

図２２は、主な水噴射を行った後、間隔を空けて追加的に水噴射をした場合に形成される水含有領域２６Ｂを模式的に示す図である。以下、主な水噴射を主水噴射、追加的な水噴射を追加水噴射、主水噴射と追加水噴射に分けて行う水噴射を分割水噴射と記す。図２２において、（ａ）は、主水噴射により形成された水含有領域２６Ｃを示し、（ｂ）は、追加水噴射を行った後の水含有領域２６Ｂを示す。主水噴射による水含有領域２６Ｃは、単独水噴射の場合と同様、中心角が１８０°超の扇形であり、この扇形の欠けた部分を追加水噴射による水で補うようにして水含有領域２６Ｂが形成される。

【0041】

図２３は、以下に説明する分割水噴射を行った場合の数値計算に用いた往復動内燃機関１０の基本諸元である。水率（燃料噴射量に対する水噴射量の質量比）は５０パーセントである。図２４および図２５は、水噴射の時期を示す図である。燃料の主噴射の時期は各条件で共通であり、破線で示すように上死点前４°から上死点後６°である。水噴射の時期は実線で示されている。条件１は、上死点前３９～２７°において水噴射率２１．０ｇ／ｓで水噴射４０を行う条件であり、分割水噴射に対する比較対象である。条件２～６は、主水噴射４２と追加水噴射４４に分けた分割水噴射の条件を示す。条件２～６において、主水噴射４２および追加水噴射４４の水噴射率は１５．８ｇ／ｓである。主水噴射４２の時期は条件１と同じ上死点前３９～２７°である。追加水噴射４４の時期は各条件で異なり、条件２が上死点前１８～１４°、条件３が上死点前１４～１０°、条件４が上死点前１０～６°、条件５が上死点前６～２°、条件６が上死点前２°から上死点後２°である。条件１～６において、噴射される水の総量は同一であり、条件２～６における追加水噴射４４によって噴射される水の量は、水の総量に対して２５パーセントである。条件７は、主水噴射と追加水噴射において同量の水を噴射するものであり、条件２～６と同様、噴射率は１５．８ｇ／ｓである。主水噴射４２と追加水噴射４４の時期は、それぞれ上死点前３９～３１°、上死点前１４～６°である。条件７は、追加水噴射４４の終了の時期が条件４と同じである。

【0042】

図２６は、水噴射をしない場合に対して、図２４，２５に示した条件１～７における排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減率を示す図である。低減率が大きいほど排気ガス中の窒素酸化物が少なくなる。図２６から追加水噴射が燃料の主噴射に近いほど、窒素酸化物が低減し（条件２～４）、追加水噴射と燃料の主噴射が重なると、低減率が悪化することが分かる（条件５～６）。水噴射を分けると、噴射１回あたりの水の運動量が小さくなり、主水噴射４２により噴射された水が燃焼室１６の中心Ｏにある燃料噴射ノズル１８を過度に通り過ぎることが抑えられ、燃焼室１６の中央に水含有領域２６を形成しやすくなる。主水噴射４２と同様、追加水噴射４４により噴射された水も運動量が小さくなり、燃焼室１６の中央部に存在しやすくなる。また、追加水噴射４４の時期を上死点に近づけると、上死点付近では燃焼室１６内の気体の密度が大きいため、噴射された水がより大きな抵抗を受けて減速し、主水噴射４２により形成された先行する水含有領域２６Ｃに追いついてその中に進入してしまうことが抑制される。これにより、水含有領域２６Ｃの欠けた部分を、追加水噴射４４による水が埋めるようにして、燃焼室１６の中央部に略軸対称の水含有領域２６Ｂを形成することができる。

【0043】

条件５，６のように、追加水噴射４４の一部または全てが燃料の主噴射と重なると、燃料の噴霧によって水の噴霧が押し戻され、先行する水含有領域Ｃの欠けた部分を補うことができない。このため、燃焼室１６の中央部に軸対称の水含有領域２６Ｂを形成することができなくなる。よって、追加水噴射４４は、上死点近くで開始され、燃料の主噴射が開始される直前に終了されることが望ましいことが分かる。

【0044】

条件４と条件７を比較すると、水の噴射量は、主水噴射４２に比して追加水噴射４４を少なくすることが望ましいことが分かる。追加水噴射の割合が多くなると、燃焼が開始する上死点付近までの水の滞在時間が相対的に小さくなる。その結果、全体として、水の蒸発量が減り、燃焼室１６内の気体の温度の低下代が小さくなるためＮＯｘ低減効果が小さくなると考えられる。

【0045】

図２７は、数値計算による水分布を示す図であり、（ａ）が単独水噴射により形成された水分布３４、（ｂ）が分割水噴射により形成された水分布３６の一例を示す図である。図中の網掛けされた領域は噴射された水が蒸発した水蒸気を含む領域であり、細線で囲まれた領域は水滴が多く存在する領域である。分割水噴射において、主水噴射により形成された水分布３６ａと、追加水噴射により形成された水分布３６ｂにより全体として、燃焼室１６の中央部に軸対称の水分布３６が形成されている。

【0046】

以上のように、水噴射を主水噴射と、主水噴射から間隔を空けて、主水噴射より噴射量が少ない追加水噴射を行うことで、燃焼室の中央部に扁平円柱形状の水含有領域を成層形成を実現でき、窒素酸化物の排出を抑制できる。また、追加水噴射は、燃料の主噴射の直前に行うようにすることが好適である。

【符号の説明】

【0047】

１０ 往復動内燃機関、１２ シリンダ、１４ ピストン、１６ 燃焼室、１８ 燃料噴射ノズル、２０ 水噴射ノズル、２１ 凹部、２２ 水供給装置、２４ 水噴霧、２６，２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ 水含有領域、２８ 燃料噴流、３０ 領域、３２ スワール、３４ 単独噴射による水分布、３６ 分割噴射による水分布、４０ 単独水噴射の時期、４２ 主水噴射の時期、４４ 追加水噴射の時期、Ｘoff 配置オフセット量、θsc 水噴霧中心角、θxy 水噴霧偏向角、θxz 水噴霧下向き角。

【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】