(57)【要約】  エンジンケーシング、クランクシャフト軸の周りで回転可能なクランクシャフト１６、エンジンケーシングの内部に配置されたシリンダ２、クランクシャフトから遠位の上死点位置とクランクシャフトの近位の下死点位置の間で往復動軸に沿って往復動するようにシリンダ内に配置され、かつ往復動ピストンがクランクシャフトに回転運動を付与するように、クランクシャフトに作動的に接続されたピストン１、エンジンケーシングとクランクシャフトと反対側のピストンのヘッド間でシリンダ内に画成された燃焼チャンバ１７、吸気弁３Ａ、排気弁３Ｂ、燃焼チャンバ内に燃料を直噴する燃料噴射装置４、ピストンの上死点の下側の位置で燃焼チャンバに水を直噴する水噴射装置６、及び点火プラグ５、を包含し、吸気弁は、吸気弁を介して圧縮された気体の酸化剤を燃焼チャンバに供給するよう構成された圧縮された気体の酸化剤供給部９と流体接続されている、点火で往復動する内燃２行程蒸気エンジン。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンケーシング、クランクシャフト軸の周りで回転可能なクランクシャフト（１６）、エンジンケーシングの内部に配置されたシリンダ（２）、クランクシャフトから遠位の上死点位置とクランクシャフトの近位の下死点位置の間で往復動軸に沿って往復動するようにシリンダ内に配置され、かつ往復動ピストンがクランクシャフトに回転運動を付与するように、クランクシャフトに作動的に接続されたピストン（１）、
エンジンケーシングとクランクシャフトと反対側のピストンのヘッド間で、シリンダ内に画成された燃焼チャンバ（１７）、
吸気弁（３Ａ）、排気弁（３Ｂ）、燃焼チャンバ内に燃料を直噴する燃料噴射装置（４）、ピストンの上死点位置の下側の位置で燃焼チャンバに水を直噴する水噴射装置（６）、及び点火プラグ（５）、を包含し、
吸気弁は、吸気弁を介して圧縮された気体の酸化剤を燃焼チャンバに供給するよう構成された圧縮された気体の酸化剤供給部（９）と流体接続されている、ことを特徴とする点火で往復動する内燃２行程蒸気エンジン。
【請求項２】
供給された圧縮された気体の酸化剤が圧縮された酸素又は圧縮された空気であり、好ましくは、少なくとも３から６ｂａｒの圧力で圧縮された空気である、請求項１に記載された内燃２行程蒸気エンジン。
【請求項３】
圧縮された気体の酸化剤供給部が、圧縮機と好ましくは一時的貯留部及び／又は熱交換器を包含する、請求項１又は２に記載された内燃２行程蒸気エンジン。
【請求項４】
ピストンのヘッドが、上死点の前９０°から２０°、好ましくは約３５°から２５°、より好ましくは３０°の往復動位置にあるとき、圧縮された酸化剤を供給するために吸気弁（３Ａ）を開くように構成され、かつ上死点の前１０°から２°、好ましくは約５°のところで吸気弁を閉じるように構成されたアクチュエータをさらに包含する、請求項１から３のいずれかに記載された内燃２行程蒸気エンジン。
【請求項５】
ピストンのヘッドが下死点から−２１°から＋１５°の間、好ましくは−１０°から＋５°まで、より好ましくは０°の往復動位置にあるとき、排気ガスを排出するため排気弁（３Ｂ）を開くように構成され、かつ上死点位置の前約２５°から５°、好ましくは２０°から１０°、より好ましくは約１５°のところで、排気弁を閉じるように構成されたアクチュエータをさらに包含する、請求項１から４のいずれかに記載された内燃２行程蒸気エンジン。
【請求項６】
燃料噴射装置は、上死点から−５°から＋５°の間、好ましくは０°のところで燃料を噴射するよう構成されており、かつ、点火プラグは、燃料噴射装置の閉鎖直後に点火を行うよう構成されている、請求項１から５のいずれかに記載された内燃２行程蒸気エンジン。
【請求項７】
水噴射装置は、上死点の後５°から４０°、好ましくは７．５°から３０°のところで、燃焼チャンバに水を噴射するよう構成されている、請求項１から６のいずれかに記載された内燃２行程蒸気エンジン。
【請求項８】
吸気弁（３Ａ）及び／又は排気弁（３Ｂ）は、ポペット弁、摺動弁又は回転ディスク弁である、請求項１から７のいずれかに記載された内燃２行程蒸気エンジン。
【請求項９】
燃料は通常の状態において液体または気体であり、燃料は好ましくは通常の状態で気体であり、かつ特に水素、メタン、エタン、プロパン、ブタン又は天然ガスから選択されたものである、請求項１から８のいずれかに記載された内燃２行程蒸気エンジン。
【請求項１０】
吸気弁の開閉、排気弁の開閉、燃料噴射のタイミングと量、水噴射のタイミングと量及び酸化剤の圧力から選択された１以上を制御するよう構成されている制御ユニットをさらに包含する、請求項１から９のいずれかに記載された内燃２行程蒸気エンジン。
【請求項１１】
水噴射装置（６）へ供給するための水供給部としての水タンク（７）及び排気ガスからの蒸気を水に凝縮するための、排気弁の下流の凝縮ユニット（１８）、及び凝縮した水を水タンクに供給する導管をさらに包含する請求項１から１０のいずれかに記載された内燃２行程蒸気エンジン。
【請求項１２】
燃焼チャンバに対面するピストンのヘッドは内方に湾曲した面を有している、請求項１から１１のいずれかに記載された内燃２行程蒸気エンジン。
【請求項１３】
上死点位置の下側の位置で燃焼チャンバの周囲に沿って分布された複数の水噴射装置（６）を包含し、上死点位置の下側の位置は、クランクシャフトが上死点位置に対して０°から３５°、好ましくは５°から２５°の回転角度のところにあるとき、好ましくはピストンのヘッドの頂部に対応した位置にある、請求項１から１２のいずれかに記載された内燃２行程蒸気エンジン。
【請求項１４】
往復動軸に対して異なる位置にある複数の水噴射装置を包含し、複数の水噴射装置の各々の水噴射が別個に制御可能である、請求項１から１３のいずれかに記載された内燃２行程蒸気エンジン。
【請求項１５】
水噴射装置は、上死点の方向において、往復動軸に対して９０°以上の角度、好ましくは９２．５°と１５０°の間、より好ましくは９５°と１３０°の間の角度で水を噴射するよう配置されている、請求項１から１４のいずれかに記載された内燃２行程蒸気エンジン。
【請求項１６】
エンジンケーシングは、シリンダヘッドとシリンダブロックを包含し、かつ、シリンダヘッドは、上死点からクランクシャフトの回転で約２５°のピストンヘッドの距離をカバーするよう構成されている、請求項１から１５のいずれかに記載された内燃２行程蒸気エンジン。
【請求項１７】
水噴射装置又は複数の水噴射装置がシリンダヘッドとシリンダブロック間に配置されている、請求項１６に記載された内燃２行程蒸気エンジン。
【請求項１８】
クランクシャフト（１６）の回転及び対応するピストン（１）の往復動のサイクル毎に、
（ａ）ピストンのヘッドが上死点の前９０°から２０°、好ましくは約３５°から２５°、より好ましくは３０°の往復動位置にあるとき、圧縮した酸化剤を供給するため吸気弁（３Ａ）を開き、上死点の前、１０°と２°の間、好ましくは約５°のところで吸気弁を閉じる工程、を包含する、請求項１から１７のいずれかに記載された、点火で往復動する内燃２行程蒸気エンジンの動作方法。
【請求項１９】
クランクシャフト（１６）の回転及び対応するピストン（１）の往復動のサイクル毎に、
（ｂ）ピストンのヘッドが下死点から−２１°から＋１５°の間、好ましくは−１０°から＋５°の間、より好ましくは０°の往復動位置にあるとき、排気ガスを排気するため排気弁（３Ｂ）を開き、かつ、上死点位置の前２５°から５°、好ましくは２０°から１０°、より好ましくは約１５°のところで、排気弁を閉じる工程、をさらに包含する、請求項１８に記載された方法。
【請求項２０】
クランクシャフト（１６）の回転及び対応するピストン（１）の往復動のサイクル毎に、
（ｃ）上死点から−５°から＋５°の間、好ましくは０°のところで燃料を噴射し、燃料噴射装置の閉鎖直後に点火プラグを点火する工程、をさらに包含する、請求項１８又は１９に記載された方法。
【請求項２１】
クランクシャフト（１６）の回転及び対応するピストン（１）の往復動のサイクル毎に、
（ｄ）上死点の後５°から４０°、好ましくは７．５°から３０°のところで燃焼チャンバ内に水を噴射する工程、をさらに包含する、請求項１８から２０のいずれかに記載された方法。
【請求項２２】
工程（ｃ）の後で燃焼チャンバ中に噴射される水の質量は、燃焼チャンバ内の燃焼ガスの質量の０．８から１．５、好ましくは０．９から１．２で表される、請求項２１に記載された方法。
【請求項２３】
工程（ａ）で供給される圧縮された酸化剤の圧力は、制御ユニットにより制御される、請求項１８から２２のいずれかに記載された方法。
【請求項２４】
好ましくはサイクル毎に；工程（ａ）における吸気弁（３Ａ）の開放は、上死点の前９０°から２０°、好ましくは３５°から２５°の範囲内の、より好ましくは３０°のところで制御ユニットにより調整され；及び／又は工程（ａ）における吸気弁（３Ａ）の閉鎖は、上死点の前１０°から２°の範囲内の、好ましくは５°のところで制御ユニットにより調整される、請求項１８から２３のいずれかに記載された方法。
【請求項２５】
好ましくはサイクル毎に；工程（ｂ）における排気弁（３Ｂ）の開放は、下死点から−２１°から＋１５°、好ましくは−１０°から＋５°の範囲内の、より好ましくは０°のところで制御ユニットにより調整され：及び／又は工程（ｂ）における排気弁（３Ｂ）の閉鎖は、上死点の前２５°から５°、好ましくは２０°から１０°の範囲内の、より好ましくは１５°のところで、制御ユニットにより調整される、請求項１８から２４のいずれかに記載された方法。
【請求項２６】
好ましくはサイクル毎に；工程（ｃ）における燃料の噴射は、上死点から−５°から＋５°の範囲内の、好ましくは０°のところで、制御ユニットにより調整される、請求項１８から２５のいずれかに記載された方法。
【請求項２７】
好ましくはサイクル毎に、工程（ｄ）における水の噴射は、上死点の後５°から４０°の範囲内の、好ましくは７、５°から３０°のところで、制御ユニットにより調整される、請求項１８から２６のいずれかに記載された方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃蒸気エンジン、とくに低ＲＰＭで高効率、低公害かつ高トルクを備えた内燃蒸気エンジンと共にそれを動作させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気エンジン及び内燃エンジンは、１５０年以上にわたり機械的な回転力を生み出すのに使われてきた。往復ピストンに基づく現在の蒸気エンジンは、ジェームスワットが、低パワーの往復エンジンと蒸気（steam）を大気より低い圧力にまで膨張可能にする凝縮器（又は復水器；condenser）を結合して、その効率を増大したことで可能になった。蒸気タービンの導入により、我々の重力（gravitational）システムにおけるより高い効率と水銀柱２インチまでの圧力膨張が可能になった。しかし、鉄道産業においては、２０世紀全般を通して、急傾斜を越えて大荷重を運ぶために低ＲＰＭで高トルクが必要な場合、常に往復動タイプの蒸気エンジン（機関）が使用されていた。蒸気エンジンは、動力を発生するのに、通常は石炭又は天然ガスを使用するが、任意のタイプの燃料を燃焼させることができる。それらは、蒸気を過熱状態にまで昇温するために外部ボイラーが必要であるとの制限がある。水への熱伝達には大きな温度差又は大きな熱伝達面のいずれかを必要とするので、過熱蒸気はボイラー内で燃焼する燃料の温度以下になることが多い。したがって、機械的動力と連結した両プロセス蒸気（both process steam）が必要な一部のシステム及び発電を除き、蒸気エンジンは広く使われていない。蒸気エンジンは従来の燃焼エンジンよりも高トルクを生成する。
【０００３】
現在の輸送のニーズ（transportation needs）は、主として内燃エンジンを動力とすることである。リチウム電池の開発により、電気自動車は、都市部での使用や２００マイル未満の距離に適合するものになったが、現在の輸送エンジンは、オットーサイクル、ディーゼルサイクル、ブレイトンサイクル及びジェット推進用の大気基準サイクル（Air Standard Cycle）を含んでいる。
【０００４】
地上配備輸送システム、小型ボート及びプロペラ推進の小航空機用に、種々の形態のオットーサイクルが用いられている。
【０００５】
風力及びソーラーユニットが実用的でない場所での発電システムは、ディーゼルまたはオットーサイクルの何れかの内燃ユニットとなろう。
【０００６】
肥料から出るメタンガスが利用可能、又はプロパンが入手し易い農場や酪農場では、オットーサイクルに基づくエンジンを使用することができる。
【０００７】
このような訳で、炭化水素燃料の使用を減らすことが環境の要請であるにも拘らず、オットーサイクルに基づくエンジンは、少なくとも今後２０年間は世界中で主要なものとなろう。したがって、効率を極大化しつつ空気汚染を極小化するエンジンの設計が重要である。
【０００８】
ディーゼルとオットーサイクルの両エンジンは一般に大気基準サイクル（air standard cycles）と呼ばれている。これは燃料用の主要な酸化剤（oxidizer）が大気から取り込む空気だからである（空気は無料で燃料コストのみと思われている）。しかしながら、空気中に含まれる窒素により、結局は処理しなければならないＮＯｘが生成される。
【０００９】
殆どのオットーサイクルエンジンは、４行程（four-stroke）エンジンである。それらは、燃料としてガソリン、プロパン又は天然ガス（メタン）を用い、酸化剤は空気である。ノック（非制御燃焼）を防止するため、それらは希薄状態（燃料を燃焼させるよりも多量の空気）で動作される。そのためＮＯｘが生成されかつ不完全燃焼（ＣＯ生成）が起こる。いずれも温室効果ガスである。現代の殆どの自動車は未燃炭化水素の発生を防止するために、燃料直噴装置を有している。
【００１０】
多くの小型エンジンはいわゆる２行程エンジンである。それらは、船外モータ、スクーター、模型飛行機、庭（yard）用品などで用いられている。それらは通常１０００ｃｍ３未満である。典型的には、それらはシリンダへ供給する空気を取り入れかつ圧縮するための別個のチャンバ（又は室；chamber）としてクランクケースを用いている。シリンダ中でピストンが下降するとき、クランクケース内の空気―燃料―オイル混合物を圧縮する。それが行程の終端に近づくと、シリンダへの弁を開き、排気弁がまだ開いている状態で、圧縮された空気―燃料―オイル混合物をシリンダ（燃焼チャンバ）中に移動させる。これによって一部の炭化水素を大気中に喪失させる。明らかに、２行程エンジンに対してＮＯｘの触媒的処理はこれまで提案されていない。２行程エンジンの一部の製造者は直噴燃料システムを使い始めている。これにより生の炭化水素が大気中に投棄されることがなくなるが、これまでに実用化のためにＮＯｘ問題を十分に低コストで解決することは出来ていない。
【００１１】
燃料としてＨ２を使用するための作業が数年にわたって行われてきた、またカリフォルニアのＮＡＳＡとＵＳＤＯＥによる試験から、４行程エンジンにおける直噴では、噴射装置のノズルポート（又は口；ports）数を変更することで、ＮＯｘの形成が減ることが分かっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上に鑑み、本発明の目的は、公知のエンジンよりも効率的でかつ公害が少ない改良された内燃エンジン、及びそのようなエンジンを動作させる方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この目的を達成するために、本発明は、第１の態様において、エンジンケーシング、クランクシャフト軸の周りで回転可能なクランクシャフト、エンジンケーシングの内部に配置されたシリンダ、クランクシャフトから遠位の上死点位置とクランクシャフトの近位の下死点位置の間で往復動軸に沿って往復動するようにシリンダ内に配置され、かつ往復動ピストンがクランクシャフトに回転運動を付与するように、クランクシャフトに作動的に接続されたピストン、エンジンケーシングとクランクシャフトと反対側のピストンのヘッド（又は頂部）間で、シリンダ内に画成された燃焼チャンバ、吸気弁、排気弁、燃焼チャンバ内に燃料を直噴する（よう配置された）燃料噴射装置、ピストン（のヘッド／頂部）の上死点位置の下側の位置で燃焼チャンバに水を直噴するよう（配置された）（燃料噴射装置から離れた）水噴射装置、及び点火プラグ、を包含し、吸気弁は、吸気弁を介して圧縮された気体の酸化剤を燃焼チャンバに供給するよう構成された圧縮された気体の酸化剤供給部（gaseous oxidizer supply）と流体接続されている、点火で往復動する内燃２行程蒸気エンジン（sparked reciprocating internal combustion two-stroke steam engine）を提案する。
【００１４】
別の態様において、本発明はまた、ここに開示する点火で往復動する２行程内燃エンジンの動作方法も提案する。
【００１５】
まず最初に、本発明のエンジンは２行程蒸気エンジンであり、このことは、クランクシャフトの回転サイクル毎に、同一シリンダ内で混合された燃料酸化剤を点火することで動力が発生することを意味する。これは、酸化剤（空気又は酸素）の圧縮動作を（エンジン部分ではない）補助圧縮装置に変更することによって可能になる。このことは、従来の２行程エンジンのように、酸化剤をシリンダ内部又はシリンダの下方で圧縮するのに代えて、酸化剤は既に圧縮された状態でシリンダに供給されることを意味する。そのため、燃料の点火前の圧縮は、シリンダ内で或いはシリンダの助けで行われるものではないが、酸化剤は十分に圧縮された状態で提供される。この２行程エンジンであるエンジンの主要な利点は、勿論、同等の動力の４行程と比較した場合であるが、エンジンは大幅に小型化できること；又は代替的には、同じサイズのエンジンでは、理論的には２倍の動力を提供することができることである。
【００１６】
第二に、本発明のエンジンは内燃エンジンではあるが、より重要なことは蒸気エンジンでもあり、そのような訳で、内燃蒸気エンジン又はＩＣＳＥと呼ぶものであるということである。実際、本発明のエンジンにおいては、燃焼によって発生した熱は、その直後に、専用の水噴射装置によって燃焼後にタイムリーに噴射された水を気化するのに利用され、それによってより高いガス圧力、したがって回転クランクシャフト向けのより大きな動力を生成する。過熱蒸気の温度が下がるに従って、シリンダ内の圧力は増加する。適量の水を噴射することで、燃料のみで燃焼させるよりも約５％の動力増が得られることが分かった。しかし、燃焼が生じた直後に水を噴射することで更なる利点がある：シリンダ内の熱で蒸発した水が燃焼チャンバ内の温度を下げ、それによって、とくに点火がサイクル毎に行われる従来の２行程エンジンと比較した場合、シリンダブロックとシリンダヘッドの熱歪は大幅に低減する。さらに、噴射水の気化による即冷により、エンジン全体の冷却を簡素化でき、これがエンジンの重量を軽減する。加えて、蒸気でなく水を噴射する方がより容易なプロセス（工程）となり、かつより信頼性の高い（かつより安価な）部品を用いることができかつ工数を少なくすることができる。
【００１７】
酸化剤が空気（したがって主に窒素）であるとしたときの本発明の第３の重要な利点は、燃焼直後に水を噴射することで、燃焼チャンバ内の温度を急激に下げることができ、これにより、環境的に有害なＮＯｘの形成のリスクを大幅に低減することである。このことは、結局（対応する国及び国際的な規則に適合させるために）、ＮＯｘを減らしてＮ２に戻すのに必要な複雑なシステムや添加物の必要性を低減する。
【００１８】
本発明の第４の利点は、ピークトルクが、点火後の小角度で燃焼が終了した直後に生じる従来のＩＣＥとは異なり、蒸気エンジンの最大トルクは、全ての噴射水が過熱蒸気に変わり、それによってレバーアームが著しく大きくなったところで発生するということである。
【００１９】
“上死点”及び“下死点”の表現は、往復動エンジンの分野で広く知られた表現であり、ピストンの両端位置、或いはより具体的には、シリンダ内部における、往復動軸に沿ったピストンの頂部（top）を意味する。上死点は、ピストンがクランクシャフトから遠い時の位置であり、これに対し、下死点は、クランクシャフトに近い位置である。往復動軸に沿った位置は、一般にクランクシャフトの回転に比例しかつそれを意味するいずれかの死点からの角度（°）で表される。上述の表現は“後”又は“前”の用語が付されることが多い。例えば、“上死点の前５°”（短縮して５°ｂｔｄｃ）は、ピストンの頂部が、往復動軸に沿って、上死点に対してクランクシャフトの−５°の回転角度に比例する位置にあることを意味する。“上死点から−５°から＋５°”の間の範囲についての表記は、“上死点の前５°から上死点の後５°”又は“５°ｂｔｄｃから５°ａｔｄｃ”と同じである。
【００２０】
さらに、本発明の好ましい特徴及び利点について、ＩＣＳＥ及びそれを動作させる方法に関連して以下で説明する。
【００２１】
以上で既に指摘したように、供給された圧縮された気体の酸化剤は、概して圧縮された酸素又は圧縮された空気である。通常、エンジンは、等エントロピー的に圧縮される行程の頂部に対する行程の底部での空気の体積比が、好ましくは少なくとも８：１、より好ましくは少なくとも１０：１、さらにより好ましくは少なくとも１２：１に圧縮された空気を用いる。
【００２２】
吸気弁（複数でもよい）及び排気弁（複数でもよい）は、任意の適切なタイプの弁であればよく、好ましくは、これらの弁は、カムシャフトなどにより、エンジン自体で駆動される（したがって、エンジンがアクチュエータである）か、又は空気式、油圧式又は電気式アクチュエータのような、別のアクチュエータによって駆動される、殆ど全ての４行程エンジンで使用される独立したポペット弁、摺動弁（sliding valves）又は回転ディスク弁（rotating disk valves)である。例えば、摺動又は回転ディスクとして設計された弁システムは、有利にも下死点での排気弁の開閉及び排気弁の閉鎖に先立つ吸気弁の開放の設定タイミングを考慮したものである。
【００２３】
本発明のＩＣＳＥは、さらに、ピストンのヘッドが上死点の前９０°から２０°、好ましくは３５°から２５°、より好ましくは約３０°の往復動位置にあるとき、圧縮された酸化剤を供給するために吸気弁を開くよう構成されており、また上死点の前１０°から２°、好ましくは約５°のところで吸気弁を閉じるように構成されているアクチュエータをさらに包含している。好ましくは、ＩＣＳＥはまた、排気ガスを排出するため、ピストン頂部が下死点から、−２１°から＋１５°の間、好ましくは−１０°から＋５°の、より好ましくは、０°のところの往復動位置で、排気弁を開くよう構成され、かつ上死点の前２５°から５°、好ましくは２０°から１０°、より好ましくは約１５°のところで、排気弁を閉じるように構成されたアクチュエータを包含している。
【００２４】
本発明のエンジンに供給するのに使用される燃料は、水素、炭化水素または酸素含有関連分子のような、通常の状態で液体又は気体である従来の任意の燃料であればよい。具体的には、好ましい実施形態では、本発明のエンジンは通常の状態で気体である燃料で作動される。とくに、好ましい燃料は水素、メタン、エタン、プロパン、ブタンまたは天然ガスから選択される。
【００２５】
とくに本発明の好ましい実施形態では、燃料噴射装置（複数でもよい）は上死点から−５°から＋５°の間、好ましくは０°のところで燃料を噴射するよう構成されており、かつ点火プラグは燃料噴射装置の閉鎖直後に点火を行うよう構成されている。
【００２６】
専用の水噴射装置（複数でもよい）は、有利にも、上死点の後５°から４０°、好ましくは７．５°から３０°のところで、燃焼チャンバに水を噴射するよう構成されている。
【００２７】
最も好ましい実施形態では、酸化剤としては空気また燃料としてはＨ２であるとした場合、燃焼チャンバ中に噴射される水の質量は、燃焼チャンバ内の燃焼ガスの質量の０．８から１．５、好ましくは０．９から１．２で表される（即ち、上記の工程（ｃ）の後）。これらの値は、酸化剤が空気であるとして算出されたものである。酸化剤がＯ２であれば、より大量の水が好ましく、とくに燃焼生成物の質量の４又は５倍になる（或いはさらにそれ以上）。本発明のＩＣＳＥは、さらに排気弁の下流の凝縮ユニットと共に、水噴射装置に対して供給を行う水供給部としての水タンクを包含している。この凝縮ユニット、例えば熱交換器は、排気ガスからの蒸気を水に凝縮し、それから導管を通して水タンクに供給するよう設けることができる。蒸気生成用に用いる水のそのような再利用は、通常運搬する水量を制限すべきであるＩＣＳＥの自動車への適用に対してとくに利益がある。さらに、水を再利用することで、水の補充回数も低減される。排出される蒸気をろ過するフィルタ手段を設けることもできる。水タンクは、好ましくは通常の充填キャップで水を充填すること、及び凝縮された排水により充填することの両方に対応するよう設計されている。
【００２８】
本発明のＩＣＳＥは、好ましくは、さらに、吸気弁の開閉、排気弁の開閉、燃料噴射のタイミング及び量、水噴射のタイミング及び量、酸化剤の圧力、点火タイミング、外部圧縮機、等のような、エンジン又は動作方法の１以上の特徴を制御するよう構成された制御ユニットを包含している。一般に、制御ユニットは、弁タイミング、空気質量（air mass）及び圧力噴射（pressure injection）、燃料噴射量及びタイミング、点火、水噴射量及びタイミング、エンジン負荷（engine duty）の最初と最後の水噴射仕様、等を同時に制御する目的の専用のソフトウエアで構成された、エンジンの機能と性能を適正に制御するための手段を提供する。
【００２９】
本発明のＩＣＳＥは、勿論従来のＩＣＥｓと同様に複数のシリンダから構成可能である。さらに、これらのシリンダは、各々、好ましくは燃焼チャンバの周囲に沿って分布された複数の水噴射装置を包含し得る。水噴射装置は、燃焼チャンバの内部にあるシリンダの任意の個所に位置し得る。燃料／酸化剤の混合物の点火によりピストンが下降するに従い、概して、ピストンヘッドが上死点の後約５°から３５°の間の個所に位置したとき、水の噴射が可能になる。水噴射装置は燃焼チャンバに接近させることができるので、クランクシャフトが上死点位置に対して、０（但し、０を除く）から３５°、好ましくは５から２５°の回転角度のところにあるとき、それらは好ましくは、上死点とピストンの頂部の位置間の領域に位置する。
【００３０】
代替的又は付加的には、本発明のＩＣＳＥは、往復動軸に沿うか或いは軸に対して傾斜するかのいずれかで積層状態で、往復動軸に対して異なる個所、即ち上死点から異なるレベルにある複数の水噴射装置を包含している。とくに好ましい実施形態において、複数の水噴射装置の各々の水噴射は、例えば、エンジンの回転速度に基づき別々に制御可能である。
【００３１】
一般的には、３５０−４００ｂａｒの圧力で作動する高圧ポンプを用いて、高圧の細かい霧の形体で水を噴射するため、好ましくは１以上の水噴射装置が配置される。水噴射装置は、好ましくはその噴霧特性及びシリンダヘッドの周りの位置により、燃焼後の炎の運動特性と一致する角度、例えば、上死点の方向における往復動軸に対して９０°より大きい角度、好ましくは９２．５と１５０°の間の角度、より好ましくは、９５と１３０°の間の角度を付した噴霧パターンと結合した細かい霧を発生させる、燃焼後に噴射される水の完全な噴霧を保証するように配置される。とくに本発明の好ましい変更例（variants）においては、この角度は制御ユニットにより制御及び調整可能である。
【００３２】
本発明のＩＣＳＥの一部の部分は従来のＩＣＥｓで知られる対応部分に極めて類似しているが、これらの部分の一部は、とくに一部の最も好ましい実施形態における非常に独特な特徴を有し得る。
【００３３】
例えば、燃焼チャンバに対面するピストンのヘッドは、好ましくは内方に湾曲した面を有しており、この面は、蒸気の膨張中に、ピストンに作用する最大圧力を得る目的で、過熱蒸気の特性の最良の利用を可能にする形成された過熱蒸気の効果を高めることになる。
【００３４】
ＩＣＳＥのケーシングは、一般にシリンダヘッドとシリンダブロックを包含する。ＩＣＳＥのヘッドは、好ましくは燃料／酸化剤の混合物の燃焼後に、続いてシリンダ中に直接噴射される一定量の水を予熱できるような仕方に設計されている。さらに、シリンダヘッドは有利にもピストンヘッドの上死点の約２５°の距離をカバーするよう構成されている。この場合、１以上の水噴射装置がシリンダヘッドとシリンダブロックの間に都合よく配置されている。
【００３５】
本発明のＩＣＳＥは、炎速度（flame speed）を上げるために、シリンダ当たり１以上の点火プラグ又は複数点火プラグ点火（multi-spark plug ignition）のための手段を包含し得る。
【００３６】
ここで説明する点火される（sparked）往復２行程内燃蒸気エンジン（ＩＣＳＥ）の動作方法は、燃料、圧縮された酸化剤及びその後に燃料の燃焼が基本的に完了したときに水を提供することで、ＩＣＳＥを運転することを包含する。とくに、その方法は、クランクシャフトの回転及び対応するピストンの往復動のサイクル毎に、
（ａ）ピストンのヘッドが上死点の前（before）９０°から２０°の間、好ましくは３５°から２５°の間、より好ましくは約３０°の往復動位置にあるとき、圧縮した酸化剤を供給するため吸気弁を開き、上死点の前、好ましくは１０°から２°のところ、より好ましくは約５°のところで吸気弁を閉じる工程、を包含する。
【００３７】
有利にも、吸気弁の開閉は、所定の範囲内の１つの値で；好ましくはサイクル毎に、制御ユニットによって調整可能である。
【００３８】
方法は、概してクランクシャフトの回転及び対応するピストンの往復動のサイクル毎に、
（ｂ）ピストンのヘッドが下死点から−２１°から＋１５°の間、好ましくは−１０°から＋５°まで、より好ましくは０°の往復動位置にあるとき、排気ガスを排気するため排気弁を開き、かつ、上死点位置の前（before）２５°から５°の間、好ましくは約２０°から１０°、より好ましくは１５°のところで、排気弁を閉じる工程、をさらに包含する。
【００３９】
有利にも、排気弁の開閉は、所定の範囲内における１つの値で；好ましくはサイクル毎に、制御ユニットにより調整可能である。
【００４０】
その方法は、ＩＣＳＥの動作中、クランクシャフトの回転及び対応するピストンの往復動のサイクル毎に、好ましくは、
（ｃ）上死点から−５°から＋５°の間、好ましくは０°のところで燃料を噴射し、燃料噴射装置の閉鎖直後に点火プラグを点火する工程、を包含する。
【００４１】
方法における水の噴射は、クランクシャフトの回転及び対応するピストンの往復動のサイクル毎に、
（ｄ）上死点の後５°から４０°、好ましくは７．５°から３０°のところで燃焼チャンバ内に水を噴射する、ことによってなし得る。
【００４２】
燃料又は水、又はその両方の噴射は制御ユニットにより、有利にも所定の範囲内において；好ましくはサイクル毎になし得る。
【００４３】
結論として、ＩＣＳＥは、ピストンを動かす仕事の重要部分を提供する仕事用液体として水を使用するので、蒸気エンジンと言うことができる。さらに、それは酸化剤が外部ソース（源）から提供される圧縮された空気又は圧縮された酸素のいずれかであることから、２行程内燃エンジンである。酸化剤はピストンが上死点の近傍にあるとき、シリンダに提供され、かつ吸気弁が閉じた時、燃料が直噴され、続いてスパーク点火がなされる。
【００４４】
点火は点火プラグ（複数）、その１以上はシリンダの直径及び適切な高圧自動車コイルに基づいた点火プラグを使用することで行われる。典型的には１つのプラグで充分である、しかしながら、ピストンが上死点から約２５度移動する前に、燃料のシリンダ中への噴射が完全燃焼に十分な炎速度にならなければ、２以上のプラグが望ましいか或いは必要となろう。このことは、水を付加したときに、燃焼が基本的に完了することを保証するためである。制御ユニットは、好ましくは点火と水の付加の両方を制御することとなろう。噴射する燃料の量は理論混合量に近い。燃焼が（ほぼ）完了する時点で、好ましくは、液体の水がブロックの頂部とヘッド間に嵌合したスペーサを通してシリンダ中に噴射される。
【００４５】
燃料が水素で酸化剤が気体の酸素であれば、エンジン中の媒体（media）は過熱水だけであり、排気が水を含むだけという意味で、真の内燃蒸気エンジンとなろう。
【００４６】
酸化剤が空気であれば、混合物としての過熱水蒸気と窒素ガスが仕事を行うであろう。熱力学的分析により、空気の重量と等しい水を付加することで、ＮＯｘを高レベルで生成することなく、等量の空気よりも５％より多い仕事を生み出すことが分かった。
【００４７】
このエンジンは、水が凝縮開始するまで或いは圧力が大気圧近くになるまで、混合物が膨張できるように設計可能である。
【００４８】
ピストンの上動でガスと水蒸気を、排気弁を通して押し上げる。
【００４９】
酸化剤として空気を使用している状態で、ピストンが上死点に達する前に吸気弁が開かれると、酸化剤は残留ガスと水蒸気を押し出すのを助けるであろう（空気でなく酸素を使用するのであれば、残留する可能性のある少量の水については、エンジンを止める前に排出する必要はないが、水が未使用のまま長時間在留することで腐食を起こす可能性を回避するため、エンジンを止める時点でそれを吹き飛ばさなければならない）。
【００５０】
燃料は、好ましくは直ちに噴射され、かつ噴射装置及び吸気弁が閉じると、エンジンは点火されてサイクルを繰り返す。
【００５１】
上述の方法は、単一のシリンダについて説明している。４シリンダエンジンについては、エンジンのバランスを保証するため、シリンダ１及び４は概して一緒に焚かれかつシリンダ２と３はしたがって一緒に焚かれる。
【００５２】
以上既に説明したように、空気又は水冷凝縮器を用いて、水を燃焼ガスから回収してそれを再利用することが可能である。典型的な燃料タンク用にエンジンの運転時間中水を運搬するよりも少重量の分離したシステムが実現可能であるならば、例えばそのシステムを付加することができる。このことは、酸化剤としてＯ２を使用するとき、最も可能性がある。酸化剤としての空気に対しては、凝縮できないＮ２により凝縮器は比較的大きくなる。実行可能な水蒸気とＮ２との分離手段としては、低い動力要件でかつ十分に小容積にできるならば、モレキュラーシーブ（分子ふるい；molecular sieve）を使用することである。
【００５３】
酸化剤としての空気に対しては、車両でエンジンを使用する場合、原則的にエンジンを少なくとも３，０００ｒｐｍまで運転するに必要な比率で空気を圧縮可能な圧縮機が必要であろう。空気は、２倍の馬力の４行程エンジンで必要か又はそれに近い空気の質量流で、供給圧力に等しいかそれよりも大きな圧力（rate）で供給しなければならない。典型的には、外気温で３５０から４００ｋＰａで十分であろう。つまり、４シリンダ２行程ＩＣＳＥは、２倍変位の８シリンダ４行程エンジンと同等である。
【００５４】
そのような圧縮機は適切なみぞ車（sheaves）によりベルト又はチェーンを介して駆動可能である。それはまた電気モータによっても駆動可能である。
【００５５】
空気供給システムは、概してエンジン室内に、４行程エンジンにおける質量流量の１倍から２倍に等しくなるように、その場の外気温で加圧された空気を供給する貯蔵タンクを必要とすることとなろう。
【００５６】
エンジンの弁システムに関しては従来のポペット弁が使用できるが、その開放は制限され過ぎる可能性がある。ＩＣＳＥでは、その代わりに排気及び吸気流の両方のためのポート（又は口；ports）を含む摺動又は回転ディスク弁が使用できる。弁プレートは弁の開閉に関する上述のオーバーラップ（overlap）を提供でき、かつそれによって制御を単純化できる。
【００５７】
これにより、エンジンの電気又はコンピュータ制御もより容易にでき、かつ弁を制御するカムの必要性をなくすことができる。
【００５８】
異なる燃料によるテストでは、例えば単にプレートを代えるか制御ユニット内の制御パラメータを変更することで、異なる弁タイミングを用いる必要がある。しかしながら、Ｈ２用の単純な設計は、既述のどの気体の燃料にも適合すると信じる。
【００５９】
ここで提供する特定値は、他に明確に述べない限り、適正な値と理解すべきである。それ故に、各特定値は、値の上１０％と下１０％の範囲の値を包含すると理解すべきである。“約”、“ほぼ”などの用語が先行する特定値は、値の上２０％と下２０％の範囲の値を包含すると理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
次に、本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照して説明する。
【図１】本発明によるＩＣＳＥの実施形態の断面図である。
【図２】好ましい水噴射パターンを上からみた図である。
【図３】９０°を上回る角度を示す好ましい水噴射パターンの側面図である。
【図４】図１のＩＣＳＥのシリンダ内の水噴射パターンの特に好ましい実施形態を示す図である。
【図５】ＡからＣは、オプションの空気タンク／バッファタンクを備えた本発明のＩＣＳＥの実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６１】
以下の記載は、本発明のＩＣＳＥの幾つかの実施形態及び変更例及び動作方法の説明である。以下の説明は、添付する特許請求の範囲を限定するものではなく、本発明の幾つかの目下の好ましい実施例を示すものである。
【００６２】
図１及び４でも示すように、内燃蒸気エンジン（ＩＣＳＥ）それ自身は、内燃エンジンにおいて知られたものと類似の複数の要素から構成されている。それは、好ましくは独特な設計に係るシリンダヘッドでできたエンジンケーシング、幾分標準的なシリンダブロック、及びクランクシャフト１６の回転動作に対するピストン１の往復動を変更するよう、クランクシャフト１６に取付けられた１以上のピストンを有する。
【００６３】
標準的なガソリンエンジンは４行程、即ち：１）ピストンの下動により真空を形成することで吸気弁を通してエンジンに空気を引き込む吸気工程、２）工程の底部の弁閉鎖時に、ピストンの上動行程中に空気を断熱圧縮する圧縮工程を有しているけれども、内燃蒸気エンジンは、上死点の前（btdc）に開き、遅くとも上死点（tdc）で閉じる１以上の吸気弁３Ａを通して、外部で圧縮された酸化剤（空気又は酸素）の吸気を用いる。本発明の説明で“圧縮された酸化剤”、“圧縮された空気”、“圧縮された酸素”は、酸化剤、空気又は酸素が少なくとも４から７ｂａｒまたそれ以上、又は好ましくは、少なくとも５、より好ましくは少なくとも６ｂａｒのＭＡＰ（マニフォールド絶対圧）に圧縮される。圧力を上げれば上げる程多量の酸化剤を供給できる。エンジン以外で圧縮された空気を導入することで、吸気温度は、圧縮空気をエンジン内の断熱圧縮で圧縮して得る場合と比較してより低くなる。これにより、低い吸気温度による燃料の自己点火の可能性が減る一方、取り込む空気の容積当たり質量はより大きくなる。このことは、結局より高い圧縮比の使用を可能にする。これらは、燃焼温度及び気化水量、及び概してエンジン効率と動力へ直接影響を与えることとなる。圧縮された酸化剤供給部９システムは、そのガス温度がエンジン自身の動作温度と相関しておらず、例えば圧縮機や冷却システムそれ自身を包含する圧縮された酸化剤供給部（compressed oxidizer supply）自体の温度と相関している点で独特である。以下でさらに説明するように、圧縮機は、好ましくは、例えば、気化した水とエンジンの燃焼温度の情報を提供するセンサを介してエンジンに電子的に結合されている。これらのパラメータは、好ましくは制御ユニット（ＩＣＳＥ制御ユニット、図示せず）により専用のプログラムの動作で算出され、それにより次に圧縮機に必要な空気質量だけではなく必要な空気圧をも発生させる。酸化剤（空気又はＯ２）ＭＡＰ圧力は、好ましくは、４と７ｂａｒ間であるべきである。既に示したように、好ましい圧縮機制御装置及び各要素は別の記述で以下説明する。
【００６４】
弁３Ａ及び３Ｂの設計により、好ましくは流入空気が排気ガス全体をシリンダから一掃する。ヘッドの開口は、好ましくは円形涙型シェルの凹部（circular tear shaped shell concavities）であり、流入空気を排気口（exhaust port）から離れるように動かして燃焼チャンバ１７の周囲に流すように向け、排気ガスを押し、好ましくは類似の涙型凹部（tear shaped concavity）を用いて、空気と排気ガスを出口（the exit port）外に向ける。
【００６５】
ＩＣＳＥではポペット弁３Ａ、３Ｂが使用できるが、このタイプの弁は、概してシリンダの頂部の下方に設けなければならない最小距離を制限する。他のタイプの弁はこの問題を解消するのに使用することができる。回転ディスクまたは摺動タイプの弁のいずれも有利に使用することができる。これらのタイプの弁は、ピストン１がシリンダの頂部にごく接近するのを可能にする。潜在的には、それらはソレノイドのようなアクチュエータを使用することで、ＩＣＳＥ制御ユニットで使用できる。代替的には、それらはバネに抗して、又はカムで直接作動されるバー型スライドの場合は、再度弁をその当初の閉じた位置に戻す対抗バネに抗して、ディスクを回転するように設計されたリンクにより、オーバーヘッドカムシャフトから外すこともできる。摺動弁又はディスクはシリンダの上面と均一になるように設計してもよい。そのように設計することで、ピストンに向かい合う面の横寸法をより狭く、またその頂部をより広くして、摺動（slide）の側部の周り又はディスクの周縁での漏れが最小限になるよう構成できる。
【００６６】
逆に、摺動部（the slide）はシリンダの頂部上方の小距離のところであってもよい。後者の場合、シリンダの頂部は、排出及び流入空気を方向付ける非常に浅い涙滴型凹部を有することができる。弁開放（複数）が時間的に重なっていると、流入空気は全ての排気燃焼ガスをチャンバ（部屋）から押し出す助けとなり得る。この状態となるよう、ＩＣＳＥは、（排気弁が開いている）下死点におけるガス圧（その圧力は周囲圧力又は水蒸気が初期凝縮に達した時点の圧力のいずれかである）で動作し得る。
【００６７】
内燃エンジンとＩＣＳＥの両方において、燃料は、酸化剤（空気又はＯ２）と燃料が１以上の点火プラグ５で点火される上死点において、ヘッド中に配置された噴射口（jets）４を通して噴射可能である（より古い内燃エンジンでは、液体燃料がエンジンに入ったときに、モータはプレイグニッションノッキングが起きやすい状態で、キャブレターが液体燃料を低圧の空気中に噴霧している。だからこそ、現在の内燃機間は無駄なく動く）。ＩＣＳＥは、好ましくは水素、メタン又はプロパンのような気体の燃料のみを使用し、それらは１以上、例えば４以上のジェットから噴射され、エンジンが化学量論的に動作している場合でも、ノッキングは起きない。
【００６８】
昇圧された蒸気を発生するために水に加える熱は、圧力から４００ｋＰａで飽和条件の液体の水のエントロピーを引いたエントロピーである。膨張によってなされる仕事は、その高圧でのエントロピーマイナス排出時のエントロピーである。蒸気膨張プロセスの効率は、付加された熱で割った仕事である。付加された熱は、エンジンのピストンを駆動するために蒸気に変換される水と混合した燃料／空気又は酸化剤の燃焼ガスから得られる。
【００６９】
特に好ましい実施形態において、ヘッド及び上死点における好ましくはわずかに凹状をなすピストン面の頂部によって形成される燃焼チャンバの形状は、その短軸（８）の回りの回転楕円形を形成する。これにより、酸化剤とより良好に混合させるために気体を半径方向外方に、同時により完全に混合するため上方に移動させる高速気体燃料ジェットが生じる。炎の先端は８ ｍ／ｓを超える速度で燃焼チャンバを通ってより迅速に移動し、かつピストン頂部の形状が死循環ゾーン（dead circulation zones）を招く虞があるときに問題となる未消費燃料は残らない。さらに、細かい分散された水の円錐形の噴流は気化の助けとなると予想される。
【００７０】
燃焼の終わりでかつ概してエンジンの速度によりピストンが少し下降した後、燃焼チャンバ１７内の圧力を上げている間に、高圧の液体の水をシリンダ２の燃焼チャンバ１７中に噴射し６、気化により燃焼ガスの温度を下降させ、それによってピストン１を押し下げる付加動力を提供する。
【００７１】
シリンダ中に入る水量は、好ましくは燃焼ガスの質量とほぼ等しいか、又はそれよりも多く、かつ水は過熱蒸気になる。燃焼ガス／蒸気混合物は下死点における低圧にまで断熱膨張し、それから、ピストンの上動により１以上の排気弁を通して押し出される。上死点の前の数度のところで、新鮮な酸化剤（空気又はＯ２）がエンジンに入り始め、残留した燃焼ガスを全て押し出す。
【００７２】
Ｈ２燃料で３０００ｒｐｍで運転するＩＣＳＥに対しては、水噴射時点は、炎前端が８ｍ／ｓで動くだけならば、概してクランクシャフトの回転のほぼ５°から４０°のところである。１０００ｒｐｍで運転するＩＣＳＥに対しては、水噴射が上死点通過後５°から１０°の間でスタートすることも可能である。燃料が水素でありかつ酸化剤が純粋な酸素であれば、燃焼ガスは全て水蒸気である。酸化剤が空気であれば、排気ガスは水蒸気と窒素である。炭化水素ガスまたは液が燃料であれば、排気ガス中にはＮ２及び水蒸気と共にＣＯ２が生じる。ＵＳＤＯＥ（合衆国エネルギー庁）が、４行程Ｈ２駆動ＩＣＥに少量の水を付加しただけで、ＮＯｘ生成が劇的に低減することを示しているので、排気ガス中のＮＯｘは殆ど又は全く存在しないものとすべきである。したがって、大量の水の付加を伴うＩＣＳＥはＮＯｘを全く又は殆ど生成しない筈である。
【００７３】
熱力学的計算は、ＩＣＳＥが同じ燃料対空気比を備えた標準的な内燃エンジンよりも動力を生成することを示している。２行程エンジンはエンジン１回転当たり１動力行程を生み、かつ４行程エンジンは２回転当たり１動力行程を生むので、標準の４行程ＩＣＥの半分のサイズのＩＣＳＥで少し大きい動力を生成し、かつ公害は減るであろう。したがって、内燃蒸気エンジンは環境により優しい。
【００７４】
さらに、ヘッドがエンジン回転のほぼ最初の２０から２５度をカバーするように設計されていれば、エンジンブロックは、潜在的にはより低廉なコストの材料で製造可能である。
【００７５】
新規なＩＣＳＥで生成される動力は、従来の内燃機関のそれよりもかなり大きい。これは、膨張工程の際の質量（mass）の付加と圧力の増大と共に、燃焼工程のすぐ後で起こる過熱水蒸気の形成によるものである。
【００７６】
計算から、（ピストンの下降により体積が大きく増大する前に）定容量工程の近くで水の温度が上昇する間に、燃焼ガスが冷えることが分かっている。水の加熱及び気化中は容積の変化は小さいが、いくらか小さな膨張が起こるであろう。この工程中の容積の変化量は、例えば霧の細かさ及びエンジンのｒｐｍに基づく。
【００７７】
結論として、さらに別の実施形態においては、その特質（properties）が細かい霧の気化ニーズにむしろ良好に対応する、新規な形態の水噴射装置６が用いられる。有利な噴射装置について以下さらに説明する。
【００７８】
酸化剤が純粋な酸素（Ｏ２）の代わりに空気であれば、膨張の終端で、燃焼したガスは窒素と共に細かい霧状蒸気の形態の水を包含することになる。
【００７９】
この結果から、排出の面でほほクリーンエンジンになる。
【００８０】
従来のＩＣＥｓにおいて、燃焼材（combustive）として空気を使用するＩＣＥにおける燃焼温度が通常のように十分に高ければ、形成される水の一部が分解され、かつ窒素の存在下において、ＮＯｘが形成される可能性がある。
【００８１】
ＮＯｘの形成はガスを幾分冷却する吸熱反応であり、所定の時点において、ガスはＯ２、Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｈ、ＯＨ、等を含んだ状態で平衡状態になる。
【００８２】
勿論、燃焼ガスは、これを起こすために十分に高温にならなければならず、過剰なＯ２、少なめな量の過剰空気の存在はＮＯｘをより形成し易くする。
【００８３】
ＮＯｘはＮＯとのＮＯ２混合物である。ギッブス関数（Gibbs function）と温度を用いて、燃焼生成物の平衡濃度を計算することができる。それは反復計算であり、かつその結果は、ガスが平衡状態に達するように隔離されていれば、空気中のＨ２燃焼でＮＯｘが若干形成されるであろうということである。
【００８４】
燃焼ガスに水を付加することで、それが水を気相まで加熱する間に冷却される。これにより温度が下降している間高圧が維持される。したがって、温度がもはや平衡成分でなくなるところまで低下する際に、ＮＯｘが形成される時間が生じる。ただし形成されるという程ではない。そのため、望ましくないＮＯｘの生成は従来のＩＣＥにおけるよりも絶対的に少ない。
【００８５】
熱力学的計算により、過剰空気が存在しないようにした空気とＨ２の理論混合比を用いて、最大のエネルギーを得ることができた。
【００８６】
完全燃焼時、高温のＨ２ＯとＮ２混合物が形成されたが、噴射水を付加することで急速に冷却され、ＮＯｘは殆ど形成されなかった。
【００８７】
本発明によるＩＣＳＥの別の実施形態において、エンジンは、エンジン１３に噴射すべき水を予熱する特定のヘッドを備え、その際、噴射すべき水は、エンジンヘッドとシリンダ冷却のための通常のエンジンに既に存在するものと類似の導管を通して流れる。ＩＣＳＥ導管における適切な水循環ペースを設けることで、水は加熱されかつ概して沸点に近い温度を得ることができる。これは、水を過熱蒸気状態にするために、燃焼によって直接生成されるエネルギーをあまり必要とせず、他方、廃熱エネルギーを用いるため、結局必要な燃焼材量を低減することになる。
【００８８】
２行程エンジンであるにも拘らず、ＩＣＳＥは、単純な（ほとんどの２行程エンジンに共通な性能制御の損失に繋がる）ポート（口）を使用するのに代えて、弁及び関連作動システムによる多少の重量増を犠牲にして、少なくとも１つの吸気弁３Ａと１つの排気弁３Ｂにした点に特徴がある。
【００８９】
ＩＣＳＥの重要な特徴はその水噴射システムである。以上で示したように、ヘッドと上死点におけるピストン頂部によって形成される燃焼チャンバの形状は、好ましくはその短軸の周りの回転楕円形を成している。ピストンの形状は、有利にも死循環ゾーン（dead circulation zones）が生じるのを防止するように形成されている。この特徴の利点を利用するために、水噴射ノズルは好ましくは燃焼チャンバの周縁１１の周りに適切に位置決めされており、かつ概して細かい霧・噴射パターンを有している。炎前端は、燃焼材の噴射方向に追従して垂直な下降軸に沿って移動する傾向があるので、水噴射装置は、有利にもヘッド頂部１２から引き出される垂線から計算される９０度を越える角度で噴射を行うことになろう。
【００９０】
水は、クランクシャフトが上死点から、例えば約５から４０度のようなある回転角度になった後に噴射される。このタイミングは、好ましくは、水が噴射される前の燃料の完全燃焼を保証する。概して、点火が上死点から０と５度の間で起きることが想定される。水噴射装置の数と分布は、ディーゼルエンジンで燃料を噴射するのに用いられているもののように、細かい霧を提供する能力に基づく。提示された計算は、３０００ｒｐｍで回転するＩＣＳＥに対して行われた。水量は、燃焼生成物全体の質量（燃料と空気の質量に等しい）と等しくなるよう選択された。水をもっと供給することはできるが、計算は、この量で燃料を単に空気又は酸素中で燃焼するよりも大きな動力を提供することを示している。
【００９１】
図２及び３で明らかなように、水噴射パターンは、水噴射装置６が概して燃焼チャンバ１７の周りで異なる位置、例えば円形に配置されるように、水噴射装置６を位置決めすることを要求する。噴射装置のノズルは、好ましくは図２のエンジンヘッドの頂部から見て、円錐噴射パターンを有する。この噴霧パターンは、概して噴射装置の前部からみて、公称噴射装置噴霧角度によって特徴付けられる直線パターンを規定する。この角度は、好ましくは、シリンダヘッドの頂部からみて、できるだけ広いエリアをカバーするように規定されており、かつ図３に示すように、その方向が下降する炎前端に追従するように、水を下方に噴射する必要性に応じて規定した上述の角度とは異なっている。
【００９２】
シリンダの吸気弁３Ａに供給される酸化剤（空気又はＯ２）は、圧縮する必要がある。殆どの場合ＩＣＳＥは純粋な酸素の代わりに空気で作動され、そのためＩＣＳＥは酸化剤として圧縮された空気で運転される。圧縮された気体の酸化剤供給部９のこの目標を達成する他の手段は存在するが、圧縮装置は、好ましくは空気質量（air mas）をシリンダに入る前に冷却できるようにするため、（圧縮された空気取り込みマニフォールド１０を介するなど）好ましくは離れたところに置くべきである。これはより高密度な空気を供給する効果を有し、その効果は、従来の圧縮エンジン又は圧縮シリンダとデテント（detent；戻り止め）シリンダが概して隣接している、いわゆるスカデリ（Scuderi）エンジンと比べても遜色がない。スカデリエンジンは、各々が燃焼エンジンの二つの仕事（行程）をこなす一対のシリンダを有している。圧縮シリンダは吸気と圧縮を行う。デテント又は動力シリンダは燃焼と排気を行う。圧縮された空気は圧縮シリンダから、跨ぎ通路（crossover passage）を介して動力シリンダに送られる。次に燃料が噴射されかつ動力シリンダ内で着火されて動力行程を生成する。
【００９３】
圧縮された空気は、ＩＣＳＥに直接供給するとき、及びその必要があるときに生成すればよい。代替的には、圧縮された空気の一時貯留部を設けることができる。圧縮された空気は、典型的には熱交換器から成るいわゆるインタークーラーを備えることで、貯留の前（又は後）に積極的に冷却し得る。そのような熱交換器内の圧縮された空気は、周囲の空気又はＩＣＳＥに噴射される水によって冷却される。
【００９４】
本発明の好ましい実施形態においては、酸化剤ブロワ又は貯留圧縮された酸化剤の出力容量を、燃焼材を化学量論的（stoichiometric fashion）に燃焼させるに必要な量に合わせる手段が設けられている。この目標を達成する手段として、シリンダヘッドの温度、排気ガスの温度及び分析の監視、などを含む種々の手段が存在している。本発明が、化学量論的な燃焼の要求に合わせて速度（speed）が変更可能な、電気的に駆動されるか又は自立駆動される圧縮機の何れをも利用できることが理解されよう。
【００９５】
膨張後、低圧の水蒸気をろ過して凝縮し、水タンク７に帰還させることができる。この事例での水の循環部は、概して、水タンク７、水を水チャンバ１３中で予熱するための低圧循環ポンプ１４及び水をＩＣＳＥ内部の水噴射装置６に導く高圧噴射ポンプ１５を包含する。
【００９６】
図５Ａは、本発明のＩＣＳＥ２０の実施形態を示し、他方、図５Ｂは圧縮された空気（酸化剤）を一時貯留するための空気タンク／バッファタンク３０の実施形態を示す。図５Ｃは、図５Ｂの空気タンク３０の断面図である。
【００９７】
ＩＣＳＥ２０は、頂部の弁カバー２２と底部のオイルパン２６、噴射水又は冷却剤（coolant）をシリンダブロックに供給するための接続部２４、フライホイール２７が取り付けられた回転可能なクランクシャフト２５を包含している。一部の実施形態においては、クランクシャフト２５は、圧縮された空気をバッファタンク３０に供給するための圧縮機（図示せず）、オルタネータ（図示せず）及び／又はファン（図示せず）に作動可能に接続できる。
【００９８】
吸気マニフォールド２３は、吸気弁を介して各シリンダの燃焼チャンバに接続する流体交互接続部内にあり、かつさらにバッファタンク３０に流体接続された吸気口２１を有している。一部の実施形態においては、バッファタンク３０は、バッファタンク容量（buffer tank volume）を、喉部（throat）３１を介して吸気マニフォールド２３に流体接続するため、フランジ３３及び固定ボルト（図示せず）によって吸気口２１上に直接取り付けることができる。吸気口３２を介して圧縮機で提供される圧縮された空気の一時貯留用バッファタンク３０は、さらに、吸気マニフォールド２３を介してシリンダの燃焼チャンバに供給する圧縮された空気の供給を制御する（絞る）ための蝶型弁３５のような弁を包含している。
【００９９】
バッファタンク３０はステンレススチールで作ることができ、かつ全てのシリンダを、２行程サイクル当たりで必要な空気量の少なくとも２倍で満たす圧縮された空気を保持するのに適した容量を有している。例えば、バッファタンク３０は、２リットルエンジン用に最大１０ｂａｒ以上に圧縮した約４リットルの空気を保持する容量を有している。
【符号の説明】
【０１００】
１  ピストン
２  シリンダ
３Ａ  吸気弁
３Ｂ  排気弁
４  燃料噴射装置
５  点火プラグ
６  水噴射装置
７  水タンク
８  湾曲したピストン頂部
９  圧縮された気体の酸化剤供給部（圧縮された空気供給部、圧縮された酸素供給部）
１０  圧縮された空気取り込みマニフォールド
１１  エンジン頂部からみた水噴射パターン
１２  エンジン側部からみた水噴射パターン
１３  水チャンバ
１４  低圧ポンプ
１５  高圧ポンプ
１６  クランクシャフト
１７  燃焼チャンバ
１８  水蒸気凝縮ユニット
２０  ＩＣＳＥの実施形態
２１  吸気口
２２  弁カバー
２３  吸気マニフォールド
２４  水又は冷媒噴射用接続部
２５  圧縮機及びオルタネータ及びファン用クランクシャフト
２６  オイルパン
２７  フライホイール
３０  バッファタンク
３１  マニフォールド接続喉部
３２  圧縮機からの吸気口
３３  マニフォールドに合わせたボルト孔付きフランジ
３４  バッファタンクの垂直断面
３５  蝶型弁
【図１】
2019534979.tif 000003
【図２】
2019534979.tif 000004
【図３】
2019534979.tif 000005
【図４】
2019534979.tif 000006
【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【国際調査報告】
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