7549455 内燃機関

(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】

(24)【登録日】2024-09-03

(45)【発行日】2024-09-11

(54)【発明の名称】内燃機関

(51)【国際特許分類】

   F02B 17/00 20060101AFI20240904BHJP

   F02B 23/10 20060101ALI20240904BHJP

   F02B 23/08 20060101ALI20240904BHJP

   F02B 31/06 20060101ALI20240904BHJP

   F02B 31/08 20060101ALI20240904BHJP

   F02M 25/025 20060101ALI20240904BHJP

   F02D 19/12 20060101ALI20240904BHJP

【ＦＩ】

F02B17/00 L

F02B23/10 G

F02B17/00 D

F02B17/00 F

F02B17/00 101

F02B23/08 Q

F02B23/10 N

F02B23/10 310B

F02B31/06 500B

F02B31/08 500A

F02M25/025

F02D19/12 A

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020042790

(22)【出願日】2020-03-12

(65)【公開番号】P2021143629

(43)【公開日】2021-09-24

【審査請求日】2023-02-03

(73)【特許権者】

【識別番号】000005348

【氏名又は名称】株式会社ＳＵＢＡＲＵ

(74)【代理人】

【識別番号】110004185

【氏名又は名称】インフォート弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】110002907

【氏名又は名称】弁理士法人イトーシン国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】三橋 大輝

【審査官】家喜 健太

(56)【参考文献】

【文献】特開平０９－２８００５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２４１６５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－１５９０７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－００２１１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２４８９４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１８４９０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１０５２２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０５９４８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０２５７７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２０３２７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１６１７３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】独国特許出願公開第１０２０１７２０４０５５（ＤＥ，Ａ１）

【文献】特開２００８－１６９７６８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｂ １／００－ ２３／１０

Ｆ０２Ｂ ３１／０６－ ３１／０８

Ｆ０２Ｂ ４７／００－ ４７／０６

Ｆ０２Ｍ ２５／００－ ２５／１４

Ｆ０２Ｍ ３９／００－ ７１／０４

Ｆ０２Ｄ １３／００－ ２８／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリンダ内部にタンブル流を生成させるタンブル流生成手段と、
前記シリンダ内部の中央領域に向けて燃料を噴霧する燃料噴射用インジェクタと、
シリンダヘッドにおいて、前記燃料噴射用インジェクタを挟んで両サイド領域のそれぞれに設けられ、前記シリンダ内部の前記両サイド領域のそれぞれに向けて、吸気ポートから前記シリンダ内部に流入する空気の流通方向と同一の方向に水を噴霧する複数の水噴射用インジェクタと、
を具備し、
前記タンブル流生成手段は、ピストン冠面の略中央領域に形成される中央凹溝と、前記中央凹溝を挟んで当該ピストン冠面の両側縁部にそれぞれ形成され当該ピストン冠面の外周縁に向けて傾きを有する複数の周縁側傾斜面と、前記中央凹溝の末端に形成され前記中央凹溝の底部から前記中央凹溝の延長方向に延びかつ前記ピストン冠面の上方に向けて形成される末端傾斜面と、前記中央凹溝の内側面の両サイドに形成され前記中央凹溝の底部から前記中央凹溝の延長方向に直交する方向に延びかつ前記ピストン冠面の上方に向けて形成される凹状傾斜面と、を有し、
前記燃料噴射用インジェクタから噴霧された燃料と前記吸気ポートから吸入された空気との混合気は、前記シリンダ内部の中央領域において、前記タンブル流生成手段により生成されたタンブル流によって循環し、
前記水噴射用インジェクタから噴霧された霧状の水は、前記シリンダ内部の両サイド領域のそれぞれにおいて、前記タンブル流生成手段により生成されたタンブル流によって循環し、
前記混合気と前記霧状の水とは、相互に層状化した状態が保持されていることを特徴とする内燃機関。

【請求項2】

前記タンブル流生成手段は、さらに、
前記吸気ポートの内部に形成され、前記吸気ポート内の吸気流路を縦方向に分割する隔壁からなることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、シリンダ内部へ水噴射を行う水噴射装置を備えた内燃機関に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、ガソリンを燃料とする内燃機関（いわゆるガソリンエンジン）を適用した自動車に対する燃費規制は、増々強化されている。

【0003】

従来の自動車用ガソリンエンジンにおいて、燃費向上を実現する技術としては、例えば希薄燃焼（リーンバーン）技術がある。しかしながら、希薄燃焼技術を採用したガソリンエンジンでは、窒素酸化物（ＮＯｘ）を多く含む排気ガスが発生する傾向が強いことから、三元触媒による排気ガスの浄化が困難であるという問題点がある。

【0004】

そこで、近年における自動車用ガソリンエンジンにおいては、排気ガス（特に窒素酸化物（ＮＯｘ））の発生の低減を図ると同時に、燃費向上を企図するための技術手段として、シリンダ内部を冷却するための水噴射を行う技術が、例えば特開２０１８－１７３０００号公報，特開２００１－１５２８５９号公報等によって種々提案されており、また一般に実用化されている。

【0005】

上記特開２０１８－１７３０００号公報等によって開示されている内燃機関は、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の排気ガスの発生を抑止するために、燃料と水とをシリンダ内部に向けてそれぞれ別個に噴射するための複数の噴射装置を備えて構成されている。

【0006】

この場合において、当該内燃機関では、運転状態が高負荷の時には、燃料噴射と水噴射とを所定の重複したタイミングで実施することによって、燃焼室の中央部分に燃料と水と空気とを混合状態で偏在させて、効率的な燃焼を得るようにしている。

【0007】

一方、同内燃機関において、運転状態が低負荷の時には、燃料噴射を所定のタイミングで実施すると共に水噴射を停止させることによって、燃焼室の中央部分に燃料と空気の混合気のみを偏在させて効率的な燃焼を得るように構成している。

【0008】

また、上記特開２００１－１５２８５９号公報等によって開示されている内燃機関は、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）と未燃炭素量を抑制するために、燃料と空気と水とを予め混合させて、その混合気を燃焼室内へと噴射するように構成している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】特開２０１８－１７３０００号公報

【文献】特開２００１－１５２８５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

ところが、上記特開２０１８－１７３０００号公報，上記特開２００１－１５２８５９号公報等によって開示されている内燃機関では、噴射された燃料と水とは燃焼室内で混合した状態となるように構成されている。

【0011】

一般に、ガソリンなどの燃料の気化熱に比べて、水の気化熱の方が高いことは周知である。このことを考慮すると、ガソリンエンジンなどの内燃機関において、水噴射を行って、シリンダ内部を効率的に冷却するのと同時に、理論空燃比近傍での燃焼を実現するためには、シリンダ内部に噴射された燃料と水とが混合することなく、相互に層状化した状態が保たれることが望ましい。

【0012】

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、シリンダ内部へ水噴射を行う水噴射装置を備えた内燃機関において、運転状況に応じて水噴射を行ってシリンダ内部を効率的に冷却することができると同時に、希薄燃焼状態になることを避け、水噴射によるシリンダ内部の作動流体を増やして、理論空燃比近傍での燃焼を実現することのできる内燃機関を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記目的を達成するために、本発明の一態様の内燃機関は、シリンダ内部にタンブル流を生成させるタンブル流生成手段と、前記シリンダ内部の中央領域に向けて燃料を噴霧する燃料噴射用インジェクタと、シリンダヘッドにおいて、前記燃料噴射用インジェクタを挟んで両サイド領域のそれぞれに設けられ、前記シリンダ内部の両サイド領域のそれぞれに向けて、吸気ポートから前記シリンダ内部に流入する空気の流通方向と同一の方向に水を噴霧する複数の水噴射用インジェクタと、を具備し、前記タンブル流生成手段は、ピストン冠面の略中央領域に形成される中央凹溝と、前記中央凹溝を挟んで当該ピストン冠面の両側縁部にそれぞれ形成され当該ピストン冠面の外周縁に向けて傾きを有する複数の周縁側傾斜面と、前記中央凹溝の末端に形成され前記中央凹溝の底部から前記中央凹溝の延長方向に延びかつ前記ピストン冠面の上方に向けて形成される末端傾斜面と、前記中央凹溝の内側面の両サイドに形成され前記中央凹溝の底部から前記中央凹溝の延長方向に直交する方向に延びかつ前記ピストン冠面の上方に向けて形成される凹状傾斜面と、を有し、前記燃料噴射用インジェクタから噴霧された燃料と前記吸気ポートから吸入された空気との混合気は、前記シリンダ内部の中央領域において、前記タンブル流生成手段により生成されたタンブル流によって循環し、前記水噴射用インジェクタから噴霧された霧状の水は、前記シリンダ内部の前記両サイド領域のそれぞれにおいて、前記タンブル流生成手段により生成されたタンブル流によって循環し、前記混合気と前記霧状の水とは、相互に層状化した状態が保持されている。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、シリンダ内部へ水噴射を行う水噴射装置を備えた内燃機関において、運転状況に応じて水噴射を行ってシリンダ内部を効率的に冷却することができると同時に、希薄燃焼状態になることを避け、水噴射によるシリンダ内部の作動流体を増やして、理論空燃比近傍での燃焼を実現することのできる内燃機関を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施形態の内燃機関の概略構成を示す要部断面図

【図2】図１の内燃機関に適用されるピストン冠面の概略形状を示す平面図

【図3】図２の［３］－［３］線に沿う概略断面図

【図4】図２の［４］－［４］線に沿う概略断面図

【図5】図１の内燃機関において、燃焼室近傍の構成を概念的に示す図

【図6】図１の内燃機関を備えた自動車において適用される水回収システムの概略構成を概念的に示すブロック構成図

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図示の実施の形態によって本発明を説明する。以下の説明に用いる各図面は模式的に示すものであり、各構成要素を図面上で認識できる程度の大きさで示すために、各部材の寸法関係や縮尺等を構成要素毎に異ならせて示している場合がある。したがって、本発明は、各図面に記載された各構成要素の数量や各構成要素の形状や各構成要素の大きさの比率や各構成要素の相対的な位置関係等に関して、図示の形態のみに限定されるものではない。

【0017】

図１は、本発明の一実施形態の内燃機関の概略構成を示す要部断面図である。図２～図４は、図１の内燃機関に適用されるピストンの概略形状を示す図である。このうち、図２は、ピストン冠面の概略形状を示す平面図である。図３は、図２の［３］－［３］線に沿う概略断面図である。図４は、図２の［４］－［４］線に沿う概略断面図である。図５は、図１の内燃機関において、燃焼室近傍の構成を概念的に示す図である。ここで、図５は、当該内燃機関のシリンダ上方からピストン冠面に対向して見たときの内部構造を平面的に示している。

【0018】

本発明の一実施形態は、例えばガソリンを燃料とする内燃機関、即ちガソリンエンジンであって、例えば自動車等に適用される内燃機関の一例を示している。

【0019】

図１に示すように、本実施形態における内燃機関としてのエンジン１は、シリンダブロック５と、当該シリンダブロック５と一体に形成されたクランクケース６と、シリンダブロック５に連結されたシリンダヘッド７等を備えて構成されている。

【0020】

シリンダブロック５には、気筒を構成するシリンダ１０が内部に配設されている。このシリンダ１０には、ピストン１１が摺動自在に配設されている。そして、シリンダヘッド７と、シリンダ１０と、ピストン１１とによって囲まれた空間が気筒の燃焼室１２として形成されている。

【0021】

なお、図１においては、図面の煩雑化を避けるために、１気筒分のみを図示しているが、本実施形態が適用されるエンジン１は、例えば水平対向４気筒エンジン等のような形態の多気筒エンジンであってもよい。

【0022】

また、エンジン１には、クランクケース６によってクランク室１３が形成されている。このクランク室１３の内部には、クランクシャフト１４が、図１の符号Ｃで示す回転軸を中心に回転自在に支持されている。このクランクシャフト１４には、コネクティングロッド１５を介してピストン１１が連結されている。

【0023】

シリンダヘッド７には、吸気ポート２０及び排気ポート２１が形成されている。これら、吸気ポート２０及び排気ポート２１は、シリンダヘッド７の外部空間と燃焼室１２とを連通させるための貫通孔である。なお、図１には図示されないが、吸気ポート２０及び排気ポート２１は、それぞれ複数設けられている（図５参照）。

【0024】

また、シリンダヘッド７には、吸気バルブ２５及び排気バルブ２６と、吸気用カムシャフト２７及び排気用カムシャフト２８等からなる弁開閉機構が設けられている。

【0025】

吸気バルブ２５及び排気バルブ２６は、吸気ポート２０及び排気ポート２１の燃焼室１２への開口部分を所定のタイミングで開閉するための開閉弁である。ここで、吸気バルブ２５の末端には吸気用カムシャフト２７に固定された吸気カム２７ａが当接している。そして、吸気バルブ２５は、吸気用カムシャフト２７の回転に伴って、吸気ポート２０を燃焼室１２に対して開閉する。なお、図１に示す状態は、吸気カム２７ａの作用によって、吸気ポート２０が燃焼室１２に対して開状態とされている状態を示している。

【0026】

この状態にあるとき、吸気ポート２０からは、シリンダ１０（燃焼室１２）の内部へと空気が流入する。この流入空気は、シリンダ１０（燃焼室１２）の内部に、図１の矢印符号Ｔａで示すようなタンブル流を発生させる。

【0027】

ここで、吸気ポート２０からの流入空気によって、シリンダ１０（燃焼室１２）の内部にタンブル流を生成させるためのタンブル流生成手段としては、例えば、ピストン冠面の略中央部分に形成した凹部や、吸気ポート２０の内部に設けられるタンブルジェネレーションバルブ（ＴＧＶ；Tumble Generation Valve）６１等がある。これらの形態のタンブル流生成手段は周知の技術である。

【0028】

また、詳細は後述するが（図１，図５等参照）、本実施形態のエンジン１においては、吸気ポート２０の形状や、その内部構成、及びピストン１１の冠面形状などを工夫することによって、上記タンブル流生成手段によって、シリンダ１０（燃焼室１２）の内部に生成されたタンブル流を、同シリンダ１０の内部において、複数のタンブル流を層状に生成させるための構成を有している。

【0029】

例えば、本実施形態のエンジン１においては、図５に示すように、各吸気ポート２０の内部に、空気の流通方向に沿って形成され、空気流通路を縦方向に２分割するための隔壁２０ａが設けられている。この場合において、当該隔壁２０ａは、各吸気ポート２０の内部を、空気の流通方向に対して２つの領域に分割している。即ち、当該隔壁２０ａは、吸気ポート２０の内部の空気流通路を左右２分割している。そして、これにより、吸気ポート２０の燃焼室１２に臨む開口も、隔壁２０ａによって左右に２分割されている。

【0030】

このような構成によって、隔壁２０ａは、吸気ポート２０からシリンダ１０（燃焼室１２）の内部へと流入する空気の流れを２方向に分割する役目をしている。これにより、吸気ポート２０の燃焼室１２に臨む開口のうち、図５の符号２０ｆで示す領域（左ハッチングで示す領域）を通る空気は、シリンダ１０（燃焼室１２）の内部の略中央領域近傍に向けて主に流入する。また、吸気ポート２０の燃焼室１２に臨む開口のうち、図５の符号２０ｗで示す領域（右ハッチングで示す領域）を通る空気は、シリンダ１０（燃焼室１２）の内部の略中央領域近傍を挟んで両サイド領域近傍に向けて主に流入する。

【0031】

一方、図１に戻って、排気バルブ２６の末端には排気用カムシャフト２８に固定された排気カム２８ａが当接されている。そして、排気バルブ２６は、排気用カムシャフト２８の回転に伴って、排気ポート２１を燃焼室１２に対して開閉する。

【0032】

また、シリンダヘッド７には、燃料噴射用インジェクタ３０と、点火プラグ３１と、水噴射用インジェクタ３２等が設けられている。これら燃料噴射用インジェクタ３０，点火プラグ３１，水噴射用インジェクタ３２は、それぞれの先端部分が燃焼室１２内に配置されるように、それぞれがシリンダヘッド７の所定の位置に固定されている。

【0033】

なお、燃料噴射用インジェクタ３０には、不図示の燃料タンクから延出される燃料供給用管路３０ａが接続されている。また、水噴射用インジェクタ３２には、水タンク３３から延出される水供給用管路３３ａが接続されている。また、図１には図示されていないが、本実施形態のエンジン１においては、水噴射用インジェクタ３２は複数設けられている。具体的には、本実施形態においては、２つの水噴射用インジェクタ３２を設けた例を示している（図５参照）。

【0034】

これら燃料噴射用インジェクタ３０，点火プラグ３１，水噴射用インジェクタ３２は、不図示のエンジン制御ユニット（ＥＣＵ；Electronic Control Unit）によって所定の制御がなされる。

【0035】

例えば、エンジン制御ユニットは、燃料噴射用インジェクタ３０を駆動して、所定のタイミングでシリンダ１０（燃焼室１２）の内部に向けて燃料を噴霧する制御を行う。ここで、燃料を噴霧するとは、燃料に圧力を加えて霧状にして噴射することを言う。この制御によって、シリンダ１０（燃焼室１２）の内部における所定の領域には、吸気ポート２０から流入した空気と、燃料噴射用インジェクタ３０から噴霧された燃料との混合気が偏在される。ここで、当該混合気の偏在される所定の領域は、シリンダ１０（燃焼室１２）の略中央領域近傍である（詳細後述；図５参照）。

【0036】

なお、混合気を偏在させる所定の領域として、シリンダ１０（燃焼室１２）の略中央領域近傍となるように構成しているのは、点火プラグ３１が、シリンダ１０の内側上面において略中央部分近傍に配置されているためである。つまり、シリンダ１０（燃焼室１２）の内部において、点火プラグ３１の近傍に、燃料を含む混合気を偏在させるように構成することは、当該混合気の着火性を向上させる意図を有している。

【0037】

また、エンジン制御ユニットは、点火プラグ３１を所定のタイミングで点火させる制御を行う。この制御によって、シリンダ１０（燃焼室１２）の内部に充填された燃料と空気との混合気を燃焼させる。

【0038】

そして、エンジン制御ユニットは、水噴射用インジェクタ３２を駆動して、所定のタイミングで水（例えば蒸留水若しくは水道水など）をシリンダ１０（燃焼室１２）の内部に向けて噴霧する制御を行う。ここで、水を噴霧するとは、水に圧力を加えて霧状にして噴射することを言う。この制御によって、シリンダ１０（燃焼室１２）の内部における所定の領域には、水噴射用インジェクタ３２から噴霧された水が偏在される。ここで、霧状の水が偏在される所定の領域は、シリンダ１０（燃焼室１２）の略中央領域近傍を挟んで両サイド領域近傍である（詳細後述；図５参照）。

【0039】

吸気ポート２０には、インテークマニホールド３５を介して吸気管３６が接続されている。これら吸気ポート２０，インテークマニホールド３５，吸気管３６等によって吸気通路３７が構成されている。なお、図１においては、吸気通路３７を通る空気の流れを矢印符号［ＩＮ］で示している。

【0040】

インテークマニホールド３５の終端側（吸気管３６が接続される側）には、インテークマニホールド合流部３５ａが設けられている。このインテークマニホールド合流部３５ａは、当該エンジン１が、多気筒エンジン形態である場合に、各気筒の各吸気ポート２０にそれぞれ連設されている各インテークマニホールド３５のそれぞれの終端が合流する部分を示している。そして、このインテークマニホールド合流部３５ａには、吸気管３６が接続されている。

【0041】

一方、排気ポート２１には、エキゾーストマニホールド３８を介して排気管３９が接続されている。これら排気ポート２１，エキゾーストマニホールド３８，排気管３９等によって排気通路４０が構成されている。なお、図１においては、排気通路４０を通って外部に排出される空気の流れを矢印符号［ＥＸ］で示している。

【0042】

エキゾーストマニホールド３８の終端側（排気管３９が接続される側）には、エキゾーストマニホールド合流部３８ａが設けられている。このエキゾーストマニホールド合流部３８ａは、当該エンジン１が、多気筒エンジン形態である場合に、各気筒の各排気ポート２１にそれぞれ連設されている各エキゾーストマニホールド３８のそれぞれの終端が合流する部分を示している。そして、このエキゾーストマニホールド合流部３８ａには、排気管３９が接続されている。

【0043】

吸気通路３７の上流側において、吸気管３６の中途には、外部から吸入された空気に混入する塵埃や異物等を除去するためのエアクリーナ４５が設けられている。

【0044】

また、吸気通路３７の中途において、例えば、吸気管３６とインテークマニホールド３５との接続部近傍の内部には、スロットル弁４６が設けられている。このスロットル弁４６は、吸気通路３７を通って燃焼室１２へと送出される空気量を調節するための開閉弁である。スロットル弁４６は、例えばエンジン制御ユニットによって不図示のアクチュエータが駆動制御されることにより開閉動作される電子制御式の開閉弁からなる。

【0045】

さらに、吸気通路３７の下流側には、吸気ポート２０の内部を空気の流通方向に沿って上下２つに区画する隔壁６０が設けられている。この隔壁６０の上流側にはタンブルジェネレーションバルブ（ＴＧＶ）６１が設けられている。これら隔壁６０及びＴＧＶ６１等はタンブル流生成手段の一部を構成している。

【0046】

ＴＧＶ６１は、不図示のアクチュエータによって開閉動作される電子制御式バルブである。ＴＧＶ６１は、アクチュエータが不図示のエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）によって駆動制御されることにより、隔壁６０によって区画された流路の一方（図１の上側流路）を開閉する。

【0047】

具体的には、エンジン負荷（アクセル開度）が小さく吸気流量が少ない場合、ＥＣＵはＴＧＶ６１の開度を絞り、吸気のほとんどを隔壁６０によって区画された他方の流路（図１の下側流路）に流通させる。これにより、燃焼室１２には流速を高めた空気が流入され、燃焼室１２内において強いタンブル流が生成される。

【0048】

一方、排気通路４０には、エキゾーストマニホールド合流部３８ａよりも下流側に、触媒４１が設けられている。この触媒は、例えば三元触媒であって、燃焼室１２から排出された排気ガス中の炭化水素（ＨＣ），一酸化炭素（ＣＯ），窒素酸化物（ＮＯｘ）等を浄化する構成ユニットである。

【0049】

本実施形態の内燃機関としてのエンジン１は、以上のように構成されている。なお、本実施形態のエンジン１は、上述した各構成部材，構成ユニットなど以外にも多数の構成部材，構成ユニットを有して構成されているものである。しかしながら、それらの構成部材，構成ユニットなどについては、本発明に直接関連しない部分であるので、それらの図示及び詳細な説明は省略する。

【0050】

また、本実施形態のエンジン１に適用される得る水噴射装置としては、上述した水噴射用インジェクタ３２，水タンク３３，水供給用管路３３ａ等によって構成される構成ユニットを指す。この場合において、水噴射装置は、図示していないその他の構成要素、例えば水タンク３３に貯留された水（例えば蒸留水若しくは水道水など）を水供給用管路３３ａを通して水噴射用インジェクタ３２へと適宜必要量だけ吐出するための水吐出用ポンプなどのほか、水噴射用インジェクタ３２を駆動制御するためのエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）の機能をも含むものとして説明している。

【0051】

次に、本実施形態のエンジン１に適用されるピストン１１に関し、その冠面形状について、図２～図４を用いて、以下に説明する。

【0052】

本実施形態のエンジン１に適用されるピストン１１の冠面形状は、図２～図４に示すように、略中央部分に形成されており、断面が略凹状からなる中央凹溝１１ａと、この中央凹溝１１ａを挟んで、当該ピストン冠面の両側縁部近傍にそれぞれ形成されており、断面が略凹状からなり、かつ当該ピストン冠面の外周縁に向けて傾きを有する複数（２つ）の周縁側傾斜面１１ｄを有して形成されている。なお、このうち中央凹溝１１ａは、ピストン冠面の略中央部分に形成した凹部である。即ち、本実施形態のエンジン１のピストン１１における中央凹溝１１ａは、従来構成のエンジンにおけるタンブル流生成手段の一部に略相当するものでもある。

【0053】

さらに詳述すると、本実施形態においては、ピストン冠面の中央凹溝１１ａは、当該ピストン１１の冠面において、吸気ポート２０から流入される空気の流通方向と略同方向に沿って延びる溝によって形成されている。そして、この中央凹溝１１ａの末端には、当該中央凹溝１１ａの底部から同中央凹溝１１ａの延長方向に延び、かつピストン冠面の上方に向けた略凹状の末端傾斜面１１ｂが形成されている。さらに、中央凹溝１１ａの内側面の両サイドには、当該中央凹溝１１ａの底部から当該中央凹溝１１ａの延長方向に直交する方向（周縁側傾斜面１１ｄに対向する方向）に延び、かつピストン冠面の上方に向けた略凹状の傾斜面１１ｃが形成されている。

【0054】

このような冠面形状を備えて形成されたピストン１１が適用される本実施形態のエンジン１においては、吸気ポート２０からシリンダ１０（燃焼室１２）の内部へと流入する空気（図１，図５の符号［ＩＮ］参照）は、まず、吸気ポート２０の各隔壁２０ａによってそれぞれ左右２分割される。

【0055】

このとき、２つの吸気ポート２０の燃焼室１２に臨む２つの開口のうち、図５の符号２０ｆで示す領域（左ハッチングで示す２つの領域）を通る空気は、上述したように、シリンダ１０（燃焼室１２）の内部の略中央領域近傍、即ちピストン冠面の中央凹溝１１ａに向けて主に流入する。ここで、中央凹溝１１ａは、上述したように、末端傾斜面１１ｂ及び傾斜面１１ｃを有して形成されている。このことから、燃焼室１２には、図５の矢印符号Ｔａ１に示すようなタンブル流が形成される。このタンブル流Ｔａ１は、上述したピストン冠面形状（中央凹溝１１ａ，末端傾斜面１１ｂ）によって、シリンダ１０（燃焼室１２）の内部の略中央領域近傍で主に循環する。

【0056】

そして、燃料噴射用インジェクタ３０から所定のタイミングでシリンダ１０（燃焼室１２）の内部の略中央領域近傍に向けて燃料が噴霧されると（図５の矢印符号Ｆ参照）、燃焼室１２の略中央領域近傍には、燃料と空気との混合気が、タンブル流Ｔａ１によって偏在し循環する。

【0057】

そのために、本実施形態のエンジン１においては、燃料噴射用インジェクタ３０は、例えば、シリンダヘッド７上において、２つの吸気ポート２０に挟まれる部分であって、ピストン冠面の略中央領域近傍に対向する部分に配設されている。この場合において、燃料噴射用インジェクタ３０の燃料の噴射方向は、各吸気ポート２０の各領域２０ｆからシリンダ１０（燃焼室１２）の内部にそれぞれ流入する空気の流通方向と、略同一方向となるように、当該燃料噴射用インジェクタ３０の配置が設定されている。

【0058】

一方、２つの吸気ポート２０の燃焼室１２に臨む２つの開口のうち、図５の符号２０ｗで示す領域（右ハッチングで示す２つの領域）を通る空気は、上述したように、シリンダ１０（燃焼室１２）の内部の略中央領域近傍を挟んで両サイド領域近傍に向けて、即ちピストン冠面の各周縁側傾斜面１１ｄに向けて主に流入する。ここで、各周縁側傾斜面１１ｄは、上述したように、外側に向けた傾斜面からなる。このことから、燃焼室１２には、図５の矢印符号Ｔａ２に示すようなタンブル流が、上記タンブル流Ｔａ１とは別の２つの領域に独立して形成される。この２つのタンブル流Ｔａ２は、上述したピストン冠面形状（各周縁側傾斜面１１ｄ）によって、シリンダ１０（燃焼室１２）の内部の略中央領域近傍を挟んで両サイド領域近傍のそれぞれにおいて主に循環する。

【0059】

そして、水噴射用インジェクタ３２から所定のタイミングでシリンダ１０（燃焼室１２）の内部の略中央領域近傍に向けて水が噴霧されると（図５の矢印符号Ｗ参照）、シリンダ１０（燃焼室１２）の略中央領域近傍を挟んで両サイド領域近傍のそれぞれには、霧状の水が、タンブル流Ｔａ２によって偏在し循環する。

【0060】

そのために、本実施形態のエンジン１においては、水噴射用インジェクタ３２は、シリンダヘッド７上において、上記燃料噴射用インジェクタ３０を挟んで両サイド領域にそれぞれ設けられている。そして、各水噴射用インジェクタ３２の水噴射方向は、各吸気ポート２０の各領域２０ｗからシリンダ１０（燃焼室１２）の内部にそれぞれ流入する空気の流通方向と、略同一方向となるように、各水噴射用インジェクタ３２の配置が設定されている。

【0061】

上述したように、本実施形態のエンジン１においては、吸気ポート２０には、流路を縦方向に分割する隔壁２０ａを設けると共に、ピストン１１の冠面形状を工夫することによって、シリンダ１０（燃焼室１２）の内部の所望の領域に３つの独立したタンブル流（Ｔａ１，Ｔａ２）が層状に、より明確な形態で発生させるように構成されている。

【0062】

そして、このような構成により、本実施形態のエンジン１のシリンダ１０（燃焼室１２）の内部においては、タンブル流Ｔａ１と２つのタンブル流Ｔａ２とは、それぞれ互いに干渉することなく、相互に層状化した状態が保たれるようになっている。したがって、タンブル流Ｔａ１によってシリンダ１０（燃焼室１２）の内部の略中央領域近傍に偏在する燃料と空気との混合気と、２つのタンブル流Ｔａ２によってシリンダ１０（燃焼室１２）の内部の略中央領域近傍を挟んで両サイド領域近傍にそれぞれ偏在する霧状の水とは、互いに混じり合うことがない。

【0063】

また、本実施形態のエンジン１においては、霧状の燃料及び空気の混合気と、霧状の水との混合を避けるためのさらなる工夫として、例えば、燃料と水との噴射タイミングを同時に行うようにしている。このときの燃料及び水の噴射タイミングは、例えば吸気行程の終末期頃のタイミングである。

【0064】

以上説明したように上記一実施形態によれば、シリンダ１０の内部にタンブル流を生成させるタンブル流生成手段（中央凹溝１１ａや隔壁６０及びＴＧＶ６１等）を設け、シリンダ１０の内部の略中央領域近傍に向けて燃料を噴霧する燃料噴射用インジェクタ３０と、燃料噴射用インジェクタ３０を挟んで両サイド領域のそれぞれに設けられ、シリンダ１０の内部の両サイド領域近傍のそれぞれに向けて水を噴霧する複数（２つ）の水噴射用インジェクタ３２とを具備して構成されている。そして、このとき、混合気と霧状の水とは、相互に層状化した状態が保持されている。

【0065】

これにより、燃料噴射用インジェクタ３０から噴霧された燃料と吸気ポート２０から吸入された空気との混合気は、シリンダ１０の内部の略中央領域近傍においてタンブル流生成手段（１１ａ，６０，６１等）により生成されたタンブル流によって循環する。また、水噴射用インジェクタ３２から噴霧された霧状の水は、シリンダ１０の内部の両サイド領域近傍のそれぞれにおいてタンブル流生成手段（１１ａ，６０，６１等）により生成されたタンブル流によって循環する。このとき、混合気と霧状の水とは相互に層状化した状態が保持されている。

【0066】

また、タンブル流生成手段としてのピストン冠面の形状の工夫は、ピストン１１の略中央領域に中央凹溝１１ａを形成し、この中央凹溝１１ａを挟んでピストン１１の冠面の両側縁部近傍のそれぞれに、ピストン冠面の外周縁に向けて傾きを有する複数（２つ）の周縁側傾斜面１１ｄを形成している。

【0067】

さらに、２つの吸気ポート２０のそれぞれに、各吸気流路を縦方向に２分割する隔壁２０ａを設けている。これにより、２つの吸気ポート２０からシリンダ１０の内部に流入する空気は、略中央領域近傍と、略中央領域近傍を挟んで両サイド領域近傍のそれぞれとの、３つの領域近傍に向けて流入する。

【0068】

このような構成により、シリンダ１０の内部において、複数（３つ）の独立したタンブル流を層状に生成させることができる。そして、これら複数（３つ）の独立したタンブル流に各対応する領域、即ちシリンダ１０の略中央領域近傍には燃料を噴霧することにより燃料と空気との混合気を偏在させて循環させることができる。一方、シリンダ１０の略中央領域近傍を挟んで両サイド領域近傍のそれぞれには水を噴霧することにより霧状の水を偏在させて循環させることができる。

【0069】

この場合において、複数（３つ）のタンブル流は、独立して層状に生成されているので、燃料と水とを層状に循環させることができ、両者が混合することを抑止できる。また、シリンダ１０の略中央領域近傍に燃料と空気との混合気を偏在させて循環させているので、当該混合気の着火性をより向上させることができる。

【0070】

一般に、水の気化潜熱は、燃料（ガソリン）の気化潜熱に比べて、７～８倍であることは周知である。本実施形態のエンジン１においては、シリンダ１０の内部への燃料噴射を行うと共に、シリンダ１０の内部の所定の部位に対して水噴射を行っている。この場合において、シリンダ１０の内部に噴霧した燃料は略中央部領域に、水はその両サイド領域に偏在させ、燃料と水とを混合させないように構成している。

【0071】

このことから、本実施形態の構成によれば、燃料及び水の気化潜熱の作用によって、シリンダ１０の内部の作動流体を、より効果的に冷却することができる。したがって、これにより、本実施形態のエンジン１においては、ノッキング（異常燃焼）の発生を抑止することができ、点火タイミングを進角化することができる。このことは、より効率的にエンジン１を動作させることができることになり、よって、エンジン１のさらなる高出力化に寄与することができる。

【0072】

さらに、シリンダ１０の内部への水噴射によって、シリンダ１０（燃焼室１２）の内部の空気を効率的に冷却することで、空気の膨張を抑えることができる。このことは、吸気効率を向上させることができると共に、より高圧縮化を実現できる。

【0073】

またさらに、シリンダ１０の内部に噴霧された水が蒸発するとき、その蒸気の体積は大幅に膨張することになる。この水の蒸発時の体積膨張力は、ピストン１１を押し下げる力に寄与することができる。したがって、本実施形態のエンジン１においては、燃料（ガソリン）が燃焼するときの燃焼エネルギーによってピストン１１が押し下げられる際には、当該燃焼エネルギーに加えて、水の蒸発時の体積膨張エネルギーが、ピストン１１を押し下げる力として加わるので、エンジン１の高出力化に寄与することができる。

【0074】

また、本実施形態のエンジン１においては、空気とは異なる作動流体として、霧状の水をシリンダ１０の内部に噴霧するようにしている。この場合、作動流体としての霧状の水の分だけ、空気の流入を阻止できるので、シリンダ１０（燃焼室１２）の内部の燃料の希薄化を抑止することができ、理論空燃比近傍での燃焼を実現することができる。これと同時に、シリンダ１０（燃焼室１２）の内部への流入空気を抑えていることから、空気中の窒素と結合する酸素が少なくなり、よって、窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減化に寄与することができる。

【0075】

さらに、本実施形態のエンジン１においては、シリンダ１０の内部への燃料の直接噴霧を行う際に、同時に水噴射を行うようにしたので、例えば高負荷運転時等の熱負荷軽減のためのシリンダ１０の内部冷却を目的とする過濃空燃比での燃料の噴霧は必要が無くなる。したがって、本実施形態の構成によれば、高負荷運転時であっても理論空燃比近傍での燃焼を常に実現することができると共に、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑制することができ、さらに同時に、燃料消費を抑えることができることから、燃料消費率の向上に寄与することができる。

【0076】

上記一実施形態においては、燃料噴射用インジェクタからの燃料は、シリンダ内部へと直接噴射する形態（いわゆる筒内噴射式）の構成例を示しているが、この形態に限られることはない。燃料噴射用インジェクタからの燃料を、例えば吸気ポート内に噴射して、燃料と空気の混合気を吸気ポートから燃焼室内に流入させる形態（いわゆるポート噴射式）であってもよい。

【0077】

同様に、上記一実施形態においては、水噴射用インジェクタからの水は、シリンダ内部へと直接噴射する形態（いわゆる筒内噴射式）の構成例を示しているが、この形態に限られることはない。水噴射用インジェクタからの水を、例えば吸気ポート内に噴霧して、霧状の水を吸気ポートから燃焼室内に流入させる形態（いわゆるポート噴射式）であってもよい。このように吸気ポートへの水噴射を行う構成を採用すれば、吸入空気温度を下げることができる。このことから、吸入空気の体積を増加させることができるというメリットもある。

【0078】

そして、これらの形態を組み合わせた構成、例えば燃料噴射を吸気ポート内で行い、水噴射をシリンダ内部へ直接噴射するといった形態など、さまざまな形態で構成することは容易にできる。

【0079】

なお、内燃機関において水噴射装置を適用する場合、燃料とは別に、水噴射に用いるための水を別途供給する必要が生じる。そのために、上述の一実施形態においては、水噴射用インジェクタ３２へ供給する水として、水タンク３３に貯留された水（例えば蒸留水若しくは水道水など）を用いて行うように構成した。この構成の場合、エンジン１を適用した自動車の運用を行うに際しては、所定の走行毎に、水タンク３３に対する水の補給を行う必要が発生する。

【0080】

そこで、上述の一実施形態の構成例とは別に、水噴射装置に供給するための水を、排気ガスから回収するための水回収システムというものが考えられる。この水回収システムを適用することにより、自動車の使用者による水タンク３３への水の補給作業頻度の削減、若しくは省略することができるという利点がある。なお、当該水回収システムは、上記一実施形態の構成に付加する形態としてもよい。つまり、水タンク３３に対しては、自動車の使用者が適宜任意のタイミングで水の補給作業を行うこともできるし、自動車を通常運用していれば、水タンク３３への水の補給が、ある程度自動的に行われることにもなる。

【0081】

図６は、本発明の一実施形態の変形例を示す図であって、上記一実施形態の内燃機関を備えた自動車において適用される水回収システムの概略構成を概念的に示すブロック構成図である。

【0082】

本変形例の水回収システム５０は、エンジン１の排気管３９から排出される排気ガス中に含まれる水分を回収し、回収した水を水噴射装置において利用することができるように構成される構成ユニットである。なお、本変形例の水回収システム５０は、水噴射装置を備えた内燃機関であるエンジン１を備えた自動車１００において適用される例を示している。

【0083】

図６に示すように、当該水回収システム５０は、排気分岐管４２と、回収水タンク４３と、回収水配管４４と、水浄化フィルタ４７等によって主に構成されている。なお、水回収システム５０には、水噴射装置に含まれる水タンク３３も含まれるものである。

【0084】

排気分岐管４２は、排気管３９中の排気ガスの流れの一部を分岐させ合流させる管状部材である。

【0085】

即ち、排気管３９の内部を流れる排気ガス（図６の符号［ＥＸ］参照）は、触媒４１を通った後、一部が排気分岐管４２へと分岐するように構成されている。このとき、図６において、排気分岐管４２へと分岐する排気ガスの流れを符号［ＥＸ２］で示している。また、同図６において、排気管３９をそのまま進む排気ガスの流れは符号［ＥＸ１］で示している。そして、排気分岐管４２は、分岐後の排気ガス（符号［ＥＸ２］）が、再度、排気管３９へと合流するように構成されている。

【0086】

この場合において排気分岐管４２の略中間部位には、回収水タンク４３が設けられている。この回収水タンク４３は、排気分岐管４２へと分岐した排気ガス中の水分を回収し貯留するための容器である。この回収水タンク４３には、回収水配管４４が接続されている。

【0087】

ここで、排気分岐管４２は、排気管３９との分岐部分から下方に向けた傾斜を有して形成され、下方に向けた排気分岐管４２の先端に回収水タンク４３が設置されている。さらに、回収水タンク４３には、排気管３９との合流部分へ向けて傾斜を有して形成される排気分岐管４２の基端が接続されている。

【0088】

このような構成により、排気管３９を流れる排気ガス（図６の［ＥＸ］参照）は、一部が排気分岐管４２へと分岐して流れ（図６の［ＥＸ２］参照）、当該排気分岐管４２の内部で冷却される。これにより、排気ガス中に含まれる水分が凝縮し液化する。こうして液化された水分は、排気分岐管４２の内部の傾斜を伝って回収水タンク４３へと流れ込み、当該回収水タンク４３に貯留される。つまり、排気分岐管４２に傾斜が設けられていることによって、排気分岐管４２内部で液化された水分は、回収水タンク４３へと集まり易くなっている。

【0089】

なお、排気分岐管４２及び回収水タンク４３は、排気管３９上に設けられている触媒４１よりも下流側に配設される。これの構成により、本水回収システム５０においては、液化した水の回収を、よりクリーンな排気ガスを対象として行うようにしている。

【0090】

回収水配管４４は、回収水タンク４３と水タンク３３との間を接続する配水管である。水浄化フィルタ４７は、回収水配管４４の中途部分に設けられ、当該水回収システム５０にて排気ガス中より回収された水を浄化するためのフィルタ手段を有して構成される構成ユニットである。水浄化フィルタ４７は、水に含まれる塵埃や異物等を除去し浄化するための一般的な手段が適用される。

【0091】

このような構成により、回収水タンク４３に貯留された水は、回収水配管４４を通って水浄化フィルタ４７に至り、当該水浄化フィルタ４７において浄化される。水浄化フィルタ４７において浄化された水は、その後、さらに、回収水配管４４を通って水タンク３３へと送られて、当該水タンク３３に貯留される。

【0092】

以上説明したように、上記変形例による水回収システム５０を上記一実施形態の内燃機関であるエンジン１に適用することにより、自動車１００において水分の供給を内部完結させることができる。したがって、自動車の使用者は、水タンク３３への水の補給を行う手間を省略することができると共に、水噴射装置の存在に留意することなく当該自動車を使用することができる。

【0093】

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や応用を実施することができることは勿論である。さらに、上記実施形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせによって、種々の発明が抽出され得る。例えば、上記一実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題が解決でき、発明の効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。この発明は、添付のクレームによって限定される以外にはそれの特定の実施態様によって制約されない。

【符号の説明】

【0094】

１…エンジン
５…シリンダブロック
６…クランクケース
７…シリンダヘッド
１０…シリンダ
１１…ピストン
１１ａ…中央凹溝
１１ｂ…末端傾斜面
１１ｃ…傾斜面
１１ｄ…周縁側傾斜面
１２…燃焼室
１３…クランク室
１４…クランクシャフト
１５…コネクティングロッド
２０…吸気ポート
２０ａ…隔壁
２１…排気ポート
２５…吸気バルブ
２６…排気バルブ
２７…吸気用カムシャフト
２７ａ…吸気カム
２８…排気用カムシャフト
２８ａ…排気カム
３０…燃料噴射用インジェクタ
３０ａ…燃料供給用管路
３１…点火プラグ
３２…水噴射用インジェクタ
３３…水タンク
３３ａ…水供給用管路
３５…インテークマニホールド
３５ａ…インテークマニホールド合流部
３６…吸気管
３７…吸気通路
３８…エキゾーストマニホールド
３８ａ…エキゾーストマニホールド合流部
３９…排気管
４０…排気通路
４１…触媒
４２…排気分岐管
４３…回収水タンク
４４…回収水配管
４５…エアクリーナ
４６…スロットル弁
４７…水浄化フィルタ
５０…水回収システム
６０…隔壁
１００…自動車

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】