(57)【要約】【課題】ランキンサイクル閉ループおよび水注入周回路をエンジン上に簡素にかつ安価に配置する技術を提供する。【解決手段】  本発明は、燃焼室（１８）を含む少なくとも１つの気筒（１６）と、吸気手段（２０）と、燃焼ガス排気手段（２２）とを有する、特に自動車両用の内燃機関に関する。本発明によれば、この内燃機関は、ランキンサイクル閉ループ（１２）と、エンジン吸気装置に水を注入する周回路（１４）と、で共用される熱交換器（２８）を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室（１８）を含む少なくとも１つの気筒（１６）と、吸気手段（２０）と、燃焼ガス排気手段（２２）とを有する、自動車両用の内燃機関において、
ランキンサイクル閉ループ（１２）と、エンジン吸気装置に水を注入する周回路（１４）と、で共用される熱交換器（２８）を備えたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記共用される熱交換器（２８）は、排気手段（２２）上に配置されている、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記排気手段は、排気マニフォルド（２３）と排気配管（２４）とを有し、前記共用される熱交換器（２８）は前記排気配管（２４）上に配置されている、請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記共用される熱交換器（２８）は、前記ランキンサイクル閉ループの作動流体を蒸発させる蒸発器と、前記水注入周回路での排気ガスに含まれる水蒸気を水に変える凝縮器とを兼ねるデュアルモード熱交換器である、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記共用される熱交換器（２８）は、前記ランキンサイクル閉ループの前記作動流体のための入口（４４）および出口（４６）と、排気ガスのための入口（４８）および出口（５０）とを有する、請求項１から４のいずれか一項に内燃機関。
【請求項６】
前記熱交換器（２８）の前記作動流体の入口（４４）は、前記ランキンサイクル閉ループが有する圧縮循環ポンプ（３０）に接続されている、請求項５に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランキンサイクルと、エンジン吸気装置に水を噴射するための周回路とが組み合わされた内燃機関に関する。
【０００２】
本発明は特に、自動車両用のガソリン式の内燃機関に関するが、ディーゼル機関のような他のエンジンの種類を除外することはない。
【背景技術】
【０００３】
公知のように、ランキンサイクルは、外部熱源からの熱が作動流体を含む閉ループに伝達される熱力学的サイクルである。
【０００４】
この種のサイクルは一般に、液体状態で使用される作動流体が等エントロピー的に圧縮される段階と、それに続いて、この圧縮された液体の流体が熱源に接触して加熱され蒸発する段階とから成る。
【０００５】
次いで、この蒸気は、別の段階において膨張機内で等エントロピー的に膨張し、次に最後の段階において、この膨張した蒸気が、冷源に接触して冷却され凝縮する。
【０００６】
これらの様々な段階を実施するために、閉ループは、流体を液体状態で循環させ圧縮する圧縮ポンプと、高温の流体が通過してその圧縮流体を少なくとも部分的に蒸発させる蒸発器と、蒸気のエネルギーを機械的エネルギーまたは電気エネルギーのような別のエネルギーに変換することによって蒸気を膨張させる膨張機と、蒸気に含まれる熱が冷源（一般的には凝縮器を流通する外気）に与えられてこの蒸気を液体状態の流体に変える凝縮器とを有する。
【０００７】
蒸発器内を流れる流体を加熱し蒸発させるために、特に特許文献１に記載されているように蒸発器をエンジン排気配管上に配置することによって、内燃機関の排気ガスによって運ばれる熱エネルギーを熱源として使用してすることが公知である。
【０００８】
このレイアウトでは、排気部の所で失われるエネルギーの大部分を回収し、エンジン、その付属品または車両付属品によって機械的または電気的な形態で再使用し得るエネルギーに転換することによって、このエンジンのエネルギー効率を向上させることができる。
【０００９】
エンジンの吸気装置に水を注入してエンジンの燃焼室内の燃料混合物の燃焼温度を低下させ、それによって、エンジンの燃費を向上させ、酸化窒素（ＮＯｘ）などの汚染物質の排出を制限するのを可能にすることも公知である。
【００１０】
エンジンノックの限界とエンリッチメントゾーン（濃縮ゾーン）を改善することによってエンジン効率を高めることも可能である。
【００１１】
こうした水を注入するための１つの解決手段は、水を貯蔵するタンクと、液体または蒸気状態の水をエンジンの吸気マニフォルド内に送る（間接噴射エンジン）かまたはこのエンジンの気筒の燃焼室内に送る（直接噴射）ポンプと１つまたは２つ以上の噴射装置を用いてこの水を供給する装置と、から成る。
【００１２】
この構成の欠点は、大きい体積を占有し、自動車両ではめったに利用されない、容量の大きい（数１０リットル）タンクが必要であることである。さらに、車両のユーザは、吸気装置への水の注入が無くなることによるエンジンの誤動作を防止するためにこのタンクを完全に空になる前に満たさなければならない。
【００１３】
本出願人は、リッチネス１で動作するガソリン式エンジンでは、排気ガスに基本的に蒸気状態の多量の水、すなわち約７質量％の水が含まれており、約２０ｋＷの冷却電力を使用してこの水の約８０％を凝縮することが可能であることを見出した。
【００１４】
したがって、この排気ガス中に存在する水蒸気の大部分を凝縮するのを可能にする熱交換器が、特許文献２に詳しく記載されているように排気ガス循環経路、たとえば排気配管上に設けられている。
【００１５】
前記凝縮された水は、配水システムを通して、水をエンジン吸気装置に注入するシステムに送られる前に、貯蔵容器に回収される。
【００１６】
エンジンからの排気ガスを制限しつつエネルギー効率およびエンジン効率を向上させることは、依然としてエンジン製造業者および自動車製造業者の課題である。
【００１７】
したがって、エンジン製造業者および自動車製造業者は、ランキンサイクル閉ループと、内燃機関の吸気装置に水を注入するための周回路と、を含む内燃機関を提供していた。
【００１８】
しかし、このようなレイアウトでは、ランキンサイクル閉ループの作動流体を加熱し蒸発させる蒸発器および、ガスに含まれる水蒸気を水に変える凝縮器を、エンジン排気部の所、特に排気配管上に設置することは、実現が困難である。
【００１９】
すなわち、排気配管は、汚染除去触媒、粒子捕獲用の粒子フィルタ、ラムダセンサ、膨張ボックスなどのような排ガス処理用の多数の装置をすでに有している。
【００２０】
そのため、蒸発器および凝縮器の設置に利用できる空間は非常に限定されている。当該蒸発器と凝縮器を設置できるようにするには、蒸発器と凝縮器のうちの少なくとも一方のサイズを制限する必要がある。そうすると、蒸発器や凝縮器の性能が低下するだけでなく、それによって、ランキンサイクル閉ループと水注入周回路のうちの少なくとも一方の働きも落ちてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】フランス特許第２８８４５５５号明細書
【特許文献２】ＰＣＴ国際公開第０１／９２７１０号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明の目的は、ランキンサイクル閉ループおよび水注入周回路をエンジン上に簡素にかつ安価に配置することによって上記の欠点を解消することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記目的を達成するために本発明は、燃焼室を含む少なくとも１つの気筒と、吸気手段と、燃焼ガス排気手段とを有する、特に自動車両用の内燃機関において、ランキンサイクル閉ループと、エンジン吸気装置に水を注入するための周回路と、で共用される熱交換器を備えたことを特徴とする内燃機関に関する。
【００２４】
共用される熱交換器は、排気手段上に配置されてもよい。
【００２５】
排気手段が、排気マニフォルド（２３）と排気配管（２４）とを有する場合、共用される熱交換器はその排気配管上に配置されてもよい。
【００２６】
共用される熱交換器は、ランキンサイクル閉ループの作動流体を蒸発させる蒸発器モードと、水注入周回路での排気ガスに含まれる水蒸気を水に変える凝縮器モードと、を備えたデュアルモード交換器であってもよい。
【００２７】
共用される熱交換器は、ランキンサイクル閉ループの作動流体のための入口および出口と、排気ガスのための入口および出口と、を有してもよい。
【００２８】
本発明の他の特徴および利点は、ランキンサイクル閉ループおよび水注入周回路を有する内燃機関を示す単一の図を参照する、非制限的な例による以下の説明を読むことによって明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の内燃機関の特徴的な構成を例示的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図１において、内燃機関１０は、ランキンサイクル閉ループ１２、およびエンジン吸気装置に水を注入するための周回路１４と組み合わされている。
【００３１】
内燃機関は、燃料混合物の燃焼が生じる燃焼室１８を含む少なくとも１つの気筒１６と、ここでは吸気マニフォルド２１の形をした吸気手段２０と、燃料混合物が燃焼することによって生じる燃焼ガスを大気に排出するのを可能にする燃焼ガス排気手段２２と、を有している。
【００３２】
図１を見ると分かるように、その排気手段２２は、一例として、排気マニフォルド２３からの排気ガスが循環する排気配管２４に連結された排気マニフォルド２３を有しており、ここでは、燃料混合物が燃焼することによって生じる燃焼ガスを大気に排出するように構成された排気管２６の部分のみが図示されている。
【００３３】
この排気配管２４は、有利な事として、排気マニフォルド２３のできるだけ近くに熱交換器２８を備えており、デュアルモード熱交換器２８の目的については以下の説明において詳しく説明する。
【００３４】
ランキンサイクル閉ループ１２は、矢印Ｃによって示されるように時計回りに循環する、水などの作動流体を圧縮し循環させる容積移送式真空ポンプ３０と、デュアルモード熱交換器２８と、受取り膨張機３２と、冷却交換器３４とを有している。
【００３５】
前記ループの様々な要素は、液体または蒸気の状態の作動流体が矢印Ｃによって示される方向に循環するように、連続的にポンプ３０をデュアルモード熱交換器２８に連結し（配管３６）、デュアルモード熱交換器２８を膨張機３２に連結し（配管３８）、膨張機３２を冷却交換器３４に連結し（配管４０）、冷却交換器３４をポンプ３０に連結する（配管４２）ことを可能にする流体循環配管３６、３８、４０、４２によって互いに連結されている。
【００３６】
ポンプ３０は、ポンプ入口とポンプ出口との間で依然として液体状態の水が高圧にさらされることによって水を圧縮するのを可能にする。
【００３７】
このポンプ３０は有利な事として、電気モータ（不図示）のような任意の公知の手段によって回転駆動される。
【００３８】
圧縮された水は、配管３６を通ってデュアルモード熱交換器２８の入口４４に送られ、高温圧縮蒸気の状態で出口４６を通ってデュアルモード熱交換器２８から出る。
【００３９】
したがって、デュアルモード熱交換器２８は、ランキンサイクル閉ループ１２の作動流体が液体相から蒸気相に相変化する動作モード（蒸発器モード）を備える。
【００４０】
この変化を実現するために、デュアルモード熱交換器２８は、排気配管２４内を循環する排気ガスからの熱を使用する。
【００４１】
この熱交換器２８は、一例として、水入口４４と水蒸気出口４６との間を循環する流れと、高温排気ガス入口４８と排気ガス出口５０を使った別の流れと、を有し、排気ガスが、排気ガス出口５０から排気配管２６の残りの部分を通って大気に排出される、直交流式熱交換器であってもよい。
【００４２】
このとき、デュアルモード熱交換器２８の出口４６からの水蒸気は、配管３８を通って膨張機３２に送られる。
【００４３】
この膨張機３２は、一例として、ロータ（不図示）が水蒸気によって回転駆動される膨張タービンである。このロータは有利なことに、たとえば、車輪を駆動する車両の動力伝達システムのように、回収された機械的エネルギーを使用するのを可能にするか、またはたとえば発電機５２のような、回収された機械的エネルギーを別のエネルギーに転換するのを可能にする任意の公知の装置に連結されている。
【００４４】
低圧に膨張させられ膨張機３２から出た蒸気は、配管４０を通って冷却交換器３４に送られる。この冷却交換器３４（または凝縮器）は、タービンからの膨張させられた低圧蒸気をこの凝縮器を通過した後に液体状態の水に転換するのを可能にする。
【００４５】
この凝縮器は、一例として、膨張させられた蒸気を冷却し凝縮しつつ凝縮器の入口面と出口面との間の凝縮器内を流れる冷却流体５４が通過する冷却チューブとフィンの組立体から成る。
【００４６】
この冷却流体５４は、ここでは周囲温度の外気であるが、水のような任意の他の冷却流体を使用して蒸気を凝縮してもよい。
【００４７】
凝縮器（３４）から出た液体状態の水は次に、配管４２を通してポンプ３０に送られる。
【００４８】
水注入周回路１４は、水回収容器５６と、水循環圧縮ポンプ５８と、回収水バッファタンク６０と、回収された水をエンジン吸気装置に注入する装置６２と、を有している。
【００４９】
この装置６２は、一例として、図１に示すように、回収された水を吸気マニフォルド２１に注入するか、または図１に一点鎖線で示されているように複数の燃焼室１８に直接注入する多数の噴射装置６６に接続された分配取付水路６４の形をしている。
【００５０】
連結配管６８、７０、７２が、水回収容器５６とポンプ５８との間、ポンプ５８とバッファタンク６０との間、およびバッファタンク６０と水注入装置６２との間にそれぞれ設けられている。
【００５１】
容器５６は、このエンジン吸気装置への水注入を実現するために、デュアルモード熱交換器２８から得られる凝縮された水を回収する。
【００５２】
すなわち、前記排気ガスと、ランキンサイクル閉ループ１２の作動流体との間の熱交換時に、このガスが冷却され、当該ガスに含まれる水蒸気が液滴として凝縮する。このような液滴は、十分に大きな質量に達すると、重力によって容器５６内に落下する。
【００５３】
したがって、デュアルモード熱交換器２８は、排気ガスに含まれる水蒸気を水に凝縮することによる転換を含む別の動作モード（凝縮器モード）を備える。
【００５４】
このため、上記２つの周回路によって共用されるデュアルモード熱交換器２８は、ランキンサイクル閉ループ１２での蒸発モードに従って動作するとともに、水注入周回路１４での凝縮モードに従って動作する。
【００５５】
この容器５６に収容した凝縮された水は、バッファタンク６０（約０．２リットル〜２リットル）に到達する前に、ポンプ５８の作用を受けて配管６８、７０内を循環し、バッファタンク６０から水注入装置６２に送られ、エンジン吸気装置に注入される。
【００５６】
このため、バッファタンク６０には、外部からの手動の介入を必要とせずに、絶えず注入周回路１４用の水が供給される。
【００５７】
有利な事として、含まれていた不純物の大部分が除去された水をバッファタンク６０に貯蔵するのを可能にする水浄化装置（不図示）を配管６８または配管７０上に設けてもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１０  内燃機関
１２  ランキンサイクル閉ループ
１４  周回路
１６  気筒
１８  燃焼室
２０  吸気手段
２１  吸気マニフォルド
２２  燃焼ガス排気手段
２３  排気マニフォルド
２４  排気配管
２６  排気管
３０  容積移送式真空ポンプ
３２  受取り膨張機
３４  冷却交換器
３６、３８、４０、４２  流体循環配管
４４  水入口
４６  水蒸気出口
４８  排気ガス入口
５０  排気ガス出口
５４  冷却流体
５６  水回収容器
５８  水循環圧縮ポンプ
６０  バッファタンク
６２  水注入装置
６４  分配取付水路（a distribution ramp）
６６  噴射装置
６８、７０、７２  連結配管
【図１】
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