(57)【要約】  オットー・サイクル機関を含む高効率の燃焼機関であって、高められた圧力で、蒸気で希釈された燃料を充填して使用する。空気を圧縮し、水を該圧縮空気中へと機関の廃熱を利用した分圧効果によって気化させる。次いで、得られた空気−蒸気の混合物を機関内で、好ましくは火炎の前面伝播を維持するため水素を含む燃料とともに燃焼させる。蒸気を多く含んだ高圧の機関排気を利用して膨張機を駆動し、追加の機械的出力を得る。排気は、機関燃焼用の水素を得るための燃料の改質にも利用できる。本機関は、機関からの低級廃熱を有効な機械的出力へと変換するため、分圧効果を有効に利用している。本機関は、高効率（例えば、５０％超）が可能であり、排出物も最小である。
2005511964.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼機関動力システムであって、
燃料を、蒸気と空気の加圧混合物と一緒に燃焼させて、有効な出力および廃熱を生成し、かつ、蒸気を含んだ排気流を発生させる燃焼室と、
該燃焼室に流体連結され、空気を加圧して加圧空気流を生成する圧縮機と、
該加圧空気流に流体連通する水供給手段であって、該水供給手段からの水の少なくとも一部が、本動力システムからの廃熱によって加熱されて前記加圧空気流中に気化し、空気および蒸気からなる加圧混合物を生成させる水供給手段と、
前記燃焼室に流体連結され、前記蒸気を含んだ排気流によって駆動されて、前記空気を圧縮するために要する出力を超える余剰の出力を生み出す膨張機とを備え、
該膨張機から前記余剰の出力が取り出されるシステム。
【請求項２】
請求項１において、前記取り出した出力が、発電機を駆動するために使用されているシステム。
【請求項３】
請求項１において、前記取り出した出力が、前記機関からのシステム出力に歯車連動されているシステム。
【請求項４】
請求項１において、前記膨張機がタービンを有する。
【請求項５】
請求項１において、前記水を加熱する前記廃熱が、前記排気流からの廃熱を含むシステム。
【請求項６】
請求項５において、前記排気流からの廃熱が、該排気流が膨張機を駆動した後に水を加熱しているシステム。
【請求項７】
請求項５において、さらに、前記排気流との熱交換で加熱され、水を前記加圧空気流中に気化させる分圧ボイラを備えるシステム。
【請求項８】
請求項１において、前記水供給手段の水が、機関の冷却システムによって加熱されているシステム。
【請求項９】
請求項８において、さらに、水を前記加圧空気流中に気化させる分圧ボイラを備え、該水が機関の前記冷却システムによって加熱されているシステム。
【請求項１０】
請求項１において、前記加圧空気中に気化される水を供給する複数の水供給手段を備え、少なくとも１つの水供給手段からの水が、前記排気流からの廃熱によって加熱されてりるシステム。
【請求項１１】
請求項１において、前記加圧空気中に気化される水を供給する複数の水供給手段を備え、少なくとも１つの水供給手段からの水が、機関の冷却システムによって加熱されているシステム。
【請求項１２】
請求項１１において、少なくとも１つの水供給手段からの水が、前記排気流からの廃熱によって加熱されているシステム。
【請求項１３】
請求項１において、燃料が、第１の燃料成分および第２の燃料成分を含む燃料混合物を含み、第１の燃料成分が、蒸気存在下での第２の燃料成分の燃焼を促進するシステム。
【請求項１４】
請求項１３において、前記第１の燃料成分が水素を含むシステム。
【請求項１５】
請求項１４において、前記水素が、機関の排気からの熱および蒸気の少なくとも１つを使用した燃料の改質によって生成されているシステム。
【請求項１６】
請求項１３において、前記第１の燃料成分が、改質反応の産物を含み、前記第２の燃料成分が、部分的に改質された燃料および改質されていない燃料の少なくとも１つを含むシステム。
【請求項１７】
請求項１６において、さらに、燃料を改質するための燃料改質器を備え、該燃料改質器が、機関の排気との熱交換によって加熱されているシステム。
【請求項１８】
請求項１７において、燃料改質反応のための蒸気が、少なくとも部分的に、蒸気を含んでいる機関の排気の一部を前記燃料改質器に導入させることによって供給されているシステム。
【請求項１９】
請求項１７において、燃料改質反応のための蒸気が、少なくとも部分的に、供給された水を機関の排気によって加熱して蒸気を生成するボイラによって供給されているシステム。
【請求項２０】
請求項１において、さらに、機関の排気をシステムから排出する前に、該排気から水を回収するための凝縮装置を備えるシステム。
【請求項２１】
請求項２０において、さらに、機関の排気に選択的に背圧を加えて水の回収を容易化する装置を備えるシステム。
【請求項２２】
請求項１において、前記機関がオットー・サイクル機関であるシステム。
【請求項２３】
請求項１において、前記機関がディーゼル機関であるシステム。
【請求項２４】
請求項１において、本動力システムの生み出す廃熱のエネルギの少なくとも約２５％が、水の加圧空気中への気化に消費されているシステム。
【請求項２５】
請求項１において、本動力システムの生み出す廃熱のエネルギの少なくとも約５０％が、水の加圧空気中への気化に消費されているシステム。
【請求項２６】
請求項１において、前記膨張機を駆動するために使用される蒸気を含んだ排気が、少なくとも約２０重量％の蒸気を有するシステム。
【請求項２７】
請求項１において、前記膨張機を駆動するために使用される蒸気を含んだ排気が、少なくとも約３３重量％の蒸気を有するシステム。
【請求項２８】
請求項１において、前記膨張機からの出力が前記圧縮機を駆動しているシステム。
【請求項２９】
請求項１において、前記圧縮機が、空気を約２〜６気圧の圧力まで加圧しているシステム。
【請求項３０】
請求項２９において、圧力が約４気圧であるシステム。
【請求項３１】
燃焼機関動力システムであって、
燃料を、蒸気と空気の加圧混合物と一緒に燃焼させて、有効な出力および廃熱を生成し、かつ、蒸気を含んだ排気流を発生させる燃焼室と、
該燃焼室に流体連結され、空気を加圧して加圧空気流を生成する圧縮機と、
該加圧空気流に流体連通する水供給手段であって、該水供給手段からの水の少なくとも一部が、本動力システムからの廃熱によって加熱されて前記加圧空気流中に気化し、空気および蒸気からなる加圧混合物を生成させる水供給手段と、
前記燃焼室に流体連結され、前記蒸気を含んだ排気流によって駆動されて、前記空気を圧縮するために要する出力を超える余剰の出力を生み出す膨張機と、
機関の排気を本システムから排出する前に、該排気から水を回収する凝縮装置と、
を備えたシステム。
【請求項３２】
燃焼機関動力システムであって、
燃料を、蒸気と空気の加圧混合物と一緒に燃焼させて、有効な出力および廃熱を生成し、かつ、蒸気を含んだ排気流を発生させる燃焼室と、
該燃焼室に流体連結され、空気を加圧して加圧空気流を生成する圧縮機と、
該加圧空気流に流体連通する水供給手段であって、該水供給手段からの水の少なくとも一部が、本動力システムからの廃熱によって加熱されて前記加圧空気流中に気化し、空気および蒸気からなる加圧混合物を生成させ、本動力システムによって生み出された廃熱のエネルギの少なくとも約２５％が、該水の加圧空気中への気化に消費される水供給手段と、
前記燃焼室に流体連結され、前記蒸気を含んだ排気流によって駆動されて出力を生み出す膨張機と、
を備えたシステム。
【請求項３３】
請求項３２において、本動力システムの生み出す廃熱のエネルギの少なくとも約５０％が、水の加圧空気中への気化に消費されていシステム。
【請求項３４】
燃焼機関動力システムであって、
燃料を、蒸気と空気の加圧混合物と一緒に燃焼させて、有効な出力および廃熱を生成し、かつ、蒸気を含んだ排気流を発生させる燃焼室と、
該燃焼室に流体連結され、空気を加圧して加圧空気流を生成する圧縮機と、
該加圧空気流に流体連通する水供給手段であって、該水供給手段からの水の少なくとも一部が、本動力システムからの廃熱によって加熱されて前記加圧空気流中に気化し、空気および蒸気からなる加圧混合物を生成させる水供給手段と、
前記燃焼室に流体連結され、少なくとも約２０重量％の蒸気を含んだ排気流によって駆動されて出力を生み出す膨張機と、
を備えたシステム。
【請求項３５】
請求項３４において、前記蒸気を含んだ排気が、少なくとも約３３重量％の蒸気を含むシステム。
【請求項３６】
燃焼機関動力システムであって、
燃料混合物を、蒸気と空気の加圧混合物と一緒に燃焼させて有効な出力および廃熱を生成し、かつ、蒸気を含んだ排気流を発生させる燃焼室であって、該燃料混合物が少なくとも２つの燃料成分を含み、第１の燃料成分が蒸気の存在下で第２の燃料成分の燃焼を促進させる燃焼室と、
該燃焼室に流体連結され、空気を加圧して加圧空気流を生成する圧縮機と、
該加圧空気流に流体連通する水供給手段であって、該水供給手段からの水の少なくとも一部が、本動力システムからの廃熱によって加熱されて前記加圧空気流中に気化し、空気および蒸気からなる加圧混合物を生成させる水供給手段と、
前記燃焼室に流体連結され、前記蒸気を含んだ排気流によって駆動されて出力を生み出す膨張機と、
を備えたシステム。
【請求項３７】
燃焼機関動力システムの運転方法であって、
空気を加圧して加圧空気流を供給し、
本動力システムの廃熱を利用して前記加圧空気流中に水を気化させて、加圧蒸気−空気混合物を生成し、
燃焼室中で燃料を前記加圧蒸気−空気混合物と一緒に燃焼させて、有効な出力および廃熱を生成し、該燃焼によって蒸気を含んだ排気流を生成し、
前記蒸気を含んだ排気流を膨張機を通して膨張させて、前記加圧空気流を供給するために要する力を超える余剰の出力を生み出し、
前記余剰の出力を膨張機から取り出す、
方法。
【請求項３８】
請求項３７において、前記余剰の出力の取り出しが、その出力を発電機の駆動に使用することを含む方法。
【請求項３９】
請求項３７において、前記余剰の出力の取り出しが、膨張機出力を前記機関からのシステム出力に歯車連動させることを含む方法。
【請求項４０】
請求項３７において、前記加圧空気流中に気化する水の少なくとも一部が、機関の冷却システムからの廃熱によって加熱される方法。
【請求項４１】
請求項３７において、前記廃熱が、前記排気流からの廃熱を含む方法。
【請求項４２】
請求項４１において、前記廃熱が、排気が膨張機で膨張した後に排気流から伝達される方法。
【請求項４３】
請求項３７において、水を加圧空気流中に気化させるステップが、圧縮機と前記燃焼室の間の流体の流れの経路に沿った複数の位置で行なわれる方法。
【請求項４４】
請求項３７において、前記燃料が、第１の燃料成分および第２の燃料成分を含む燃料混合物からなり、第１の燃料成分が、蒸気存在下での第２の燃料成分の燃焼を促進する方法。
【請求項４５】
請求項４４において、前記第１の燃料成分が水素を含む方法。
【請求項４６】
請求項４５において、さらに、
機関の排気からの熱および蒸気の少なくとも１つを使用して燃料を少なくとも部分的に改質することで水素を生成する方法。
【請求項４７】
請求項４４において、さらに、
燃料を少なくとも部分的に改質して、第１の燃料成分が改質反応の産物を含み、第２の燃料成分が部分的に改質された燃料および改質されていない燃料の少なくとも１つを含む前記燃料混合物を供給すること、
を含む方法。
【請求項４８】
請求項４７において、さらに、
機関の排気から燃料改質反応に熱を伝達すること、
を含む方法。
【請求項４９】
請求項４７において、さらに、
蒸気を含んでいる機関の排気の一部を分岐させて、燃料改質反応のための蒸気を供給すること、
を含む方法。
【請求項５０】
請求項３７において、さらに、
機関の排気をシステムから排出する前に、該排気から凝縮した蒸気を回収すること、
を含む方法。
【請求項５１】
請求項５０において、さらに、
該排気に選択的に背圧を加えることで機関の排気からの凝縮蒸気の回収を容易化すること、
を含む方法。
【請求項５２】
請求項３７において、本動力システムの生み出す廃熱のエネルギの少なくとも約２５％が、水の加圧空気中への気化に消費される方法。
【請求項５３】
請求項３７において、本動力システムの生み出す廃熱のエネルギの少なくとも約５０％が、水の加圧空気中への気化に消費される方法。
【請求項５４】
請求項３７において、前記膨張機を膨張させるために使用される蒸気を含んだ排気が、少なくとも約２０重量％の蒸気を含む方法。
【請求項５５】
請求項３７において、前記膨張機を膨張させるために使用される蒸気を含んだ排気が、少なくとも約３３重量％の蒸気を有する方法。
【請求項５６】
請求項３７において、前記膨張機の出力が、前記空気の加圧に使用される方法。
【請求項５７】
請求項３７において、前記空気が約２〜６気圧の圧力まで加圧される方法。
【請求項５８】
請求項５７において、前記空気の圧力が約４気圧である方法。
【請求項５９】
燃焼機関動力システムの運転方法であって、
空気を加圧して加圧空気流を供給し、
本動力システムの廃熱を利用して前記加圧空気流中に水を気化させることで加圧蒸気−空気混合物を生成し、
燃焼室中で燃料を前記加圧蒸気−空気混合物と一緒に燃焼させて、有効な出力および廃熱を生成し、かつ、該燃焼によって蒸気を含んだ排気流を生成し、
該蒸気を含んだ排気流を膨張機を通して膨張させることで追加の出力を生み出し、
本システムから機関の排気を排出する前に、該排気から凝縮した蒸気を回収する、
方法。
【請求項６０】
燃焼機関動力システムの運転方法であって、
空気を加圧して、加圧空気流を供給し、
本動力システムによって生み出された廃熱のエネルギの少なくとも約２５％を、前記加圧空気中への水の気化に消費して、前記加圧空気流中に水を気化させることで、加圧蒸気−空気混合物を生成し、
燃焼室中で燃料を前記加圧蒸気−空気混合物と一緒に燃焼させて、有効な出力および廃熱を生成し、かつ、該燃焼によって蒸気を含んだ排気流を生成し、
該蒸気を含んだ排気流を膨張機を通して膨張させることで追加の出力を生み出す、
方法。
【請求項６１】
燃焼機関動力システムの運転方法であって、
空気を加圧して加圧空気流を供給し、
本動力システムの廃熱を利用して前記加圧空気流中に水を気化させることで加圧蒸気−空気混合物を生成し、
燃焼室中で燃料を前記加圧蒸気−空気混合物と一緒に燃焼させて、有効な出力および廃熱を生成し、かつ、該燃焼によって少なくとも２０重量％の蒸気を含んだ排気流を生成し、
該蒸気を含んだ排気流を膨張機を通して膨張させることで追加の出力を生み出す、
方法。
【請求項６２】
燃焼機関動力システムの運転方法であって、
空気を加圧して加圧空気流を供給し、
本動力システムの廃熱を利用して前記加圧空気流中に水を気化させることで、加圧蒸気−空気混合物を生成し、
該加圧蒸気−空気混合物と、少なくとも２つの燃料成分を含み第１の燃料成分が蒸気の存在下で第２の燃料成分の燃焼を促進する燃料混合物とを、燃焼室に供給し、
該燃焼室中で該燃料混合物を前記加圧蒸気−空気混合物と一緒に燃焼させて有効な出力および廃熱を生成し、かつ、該燃焼によって蒸気を含んだ排気流を生成し、
該蒸気を含んだ排気流を膨張機を通して膨張させることで追加の出力を生み出す、
方法。
【請求項６３】
請求項６２において、前記第１の燃料成分が水素を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２００１年１２月５日出願の米国仮特許出願第６０／３３８、６３７号に基づく利益を主張し、この米国特許仮出願における教示は、ここでの言及によって本明細書に組み入れられたものとする。
【背景技術】
【０００２】
エネルギ、とくに機械的エネルギを生み出すべく燃料を燃焼させることは、現代社会の基盤である。したがって、そのような燃焼の効率を向上させ、あるいは燃焼によって生じる排出物を少なくすることが、重要である。種々の形式の原動機すなわち機関が、現在使用されている。なかでも、最も普及しているものは、内燃機関およびタービンである。
【０００３】
内燃機関、とくに火花点火の「オットー・サイクル」機関は、とりわけ幅広く用いられているが、効率をさらに改善する余地がある。往復動ピストンによるオットー・サイクル機関は、本質的にきわめて高効率である。例えば、圧縮比１０：１、上死点（ＴＤＣ）体積一定、熱損失なし、比熱比（Ｋ）一定の条件で運転するオットー・サイクル機関は、理論上６０％のサイクル効率を有する。しかしながら、現実の機関は通常、これら空気サイクル値の約半分で動作する（すなわち、効率が約３１〜３２％になる）。これは、燃料の燃焼によって空気の温度が上昇し、燃焼化学によって解離および比熱の増加を通じてピーク温度が制限されるなど、さまざまな理由による。さらに、熱損失、不完全な燃焼、および排気時間の制限により、効率は理論的な燃料−空気サイクル値の約８５％まで低下する。最後に、機関の摩擦や補機損失などにより、自然吸気の機関では、実際の出力がさらに１５％程度低下する。
【０００４】
このような機関を、効率を高めＮＯｘ（窒素酸化物）の排出を減らすべくより薄い混合気で運転する、すなわち燃料に対する酸素の化学量論比(stoichiometric ratio 、理論空燃比に相当する) をより高くして運転すると、より高効率であることが知られている。しかしながら、通常のオットー・サイクル機関においては、希薄燃焼では火炎伝播速度の維持（したがって、ミスファイアの防止）が難しいため、この手法による効果は限定的である。この問題は、機関を「過給」する、すなわち大気圧よりもかなり高い吸気口圧力で運転することによってある程度克服できるが、その際には着火の時期が速くなり過ぎる「過早着火」の問題を回避しなければならないため、可能な最大圧縮比が制限され、したがって効率が低くなってしまう。
【０００５】
加えて、圧縮および希薄度の向上はいずれも、ピーク温度においてＮＯｘの発生を増加させがちであり、これを排気ガス系統などの付加的な装置によって取り除かなければならない。さらに、排気ガス触媒は、過剰な酸素によって非効率的になりがちであり、あるいは完全に無力化されてしまう。
【発明の開示】
【０００６】
ここに開示する方法を使用することで、エネルギ生成システム、とくに機関（エンジン）、さらにはオットー・サイクル機関の効率向上が可能であることが見出された。現在の方法を改善して本発明の改良型プロセスを実現することは、比較的直接的かつ容易に実行でき、組み合わせて用いることで大きな相乗効果が生み出される。
【０００７】
一実施形態において、燃焼機関動力システムは、燃料を蒸気および空気からなる加圧混合物と一緒に燃焼させて有効な出力、廃熱、および蒸気を含んだ排気流を生成する燃焼室と、空気を圧縮して加圧空気流を生成する圧縮機と、本動力システムからの廃熱によって加熱されて前記加圧空気流中に気化し空気および蒸気からなる加圧混合物を生成させる水を収容した水供給手段と、前記蒸気を含んだ排気流によって駆動されて前記空気を圧縮するために必要な力を超える余剰の出力を生み出す膨張機とを備え、該膨張機から前記余剰の出力が取り出されている。
【０００８】
本発明の一態様において、本発明の動力生成システムは基本的に、ランキンまたは蒸気サイクルによる追加の出力を、通常のターボ圧縮機のボトミング再生サイクルに加え合わせる。蒸気サイクルは、機関の廃熱を利用しつつ、同時に機関の作動流体（例えば、空気）を希釈する。このサイクルの組み合わせ（「結合サイクル」）によって、サイクル効率が向上し、蒸気希釈によって過早着火が抑制され、機関の比出力が増加する。或る実施形態において、本発明の動力システムは、蒸気によって希釈された燃料−空気混合物の火炎伝播を助けるために水素を使用する。この水素は、例えば、蒸気を多く含んで熱量が大きい機関の排気を利用して、燃料を改質することにより得られる。
【０００９】
本発明の一態様によれば、本発明のオットー・サイクル動力システムは、高められた圧力で、蒸気で希釈された燃料−空気の充填によって運転する。機関の作動流体（例えば、空気）が、圧縮機によって高い圧力へと圧縮される。好ましい圧力は、約２〜６気圧の範囲にあり、例えば２〜３、３〜４、４〜５、および５〜６気圧などが、この範囲内に含まれる。ここに説明する一実施形態においては、４気圧の加圧空気流（１気圧は１バールであり、１バールは概ね０．１メガパスカル（ＭＰａ）である）を使用する。
【００１０】
次いで、該動力システムから（例えば、機関の排気から、あるいは機関の冷却系統から）の廃熱を利用して、水を前記加圧空気中へと気化させることにより、空気および蒸気を含む加圧混合物を生成する。これは、加圧空気流の存在下での水の分圧沸騰（機関の廃熱により加熱）により、本システムの１箇所または数箇所において、効率よく行なうことができる。
【００１１】
続いて、加圧蒸気−空気混合物が、適量の燃料とともに機関の燃焼室に導入され、該燃焼室で通常の方法（すなわち、２サイクル、あるいは最大効率のために好ましくは４サイクル）で燃焼が行なわれる。燃焼室への導入蒸気中の水（すなわち、蒸気）濃度は、実施可能なかぎり高いほうがよい。４気圧のシステムにおいては、メタン（あるいは、同等のガソリン）１モルにつき水８モルが可能である。
【００１２】
蒸気希釈の燃料−空気混合物を使用する利点の１つは、サイクル温度のピークを下げることができる点にあり、サイクル効率を高めるとともに、ＮＯｘ排出を減らすことができるという効果がある。希釈による運転の他の重要な利点は、蒸気の追加によって、過早着火を大幅に抑制できる点にある。これにより、機関を高圧（例えば、４気圧）で運転することが可能になる。この機関吸気のターボ過給は、燃焼速度について助けとなるだけでなく、サイクルの混成によって出力／効率を向上させるための手段をもたらすことにもなり、機関出力および機械効率を、化学量論的に正確な標準の自然吸気機関よりも大きく向上させることができる。
【００１３】
蒸気希釈を加えることによって機関での燃料混合物の燃焼能力が阻害される場合、希釈燃料−空気混合物への着火を行なうための任意の公知の手段を利用することができる。一実施形態においては、燃焼室へと注入される一次燃料に対して、蒸気希釈の混合物における火炎の前面伝播の維持を助けるため、水素などの二次燃料が追加される。さらに、機関のターボ過給の結果としてもたらされる高温および高圧の排気を、一次燃料を部分改質して補助燃料（例えば、水素）の供給をもたらすための熱および／または蒸気の供給源として利用できる。排気がかなりの量の蒸気を含んでいるため、排気そのものによって改質反応に必要な蒸気を供給することができる。代案として、あるいはこれに加えて、例えば専用のボイラなど、システム内のどこかからの蒸気を利用することもできる。
【００１４】
１つあるいは複数の燃焼室（または、シリンダ）における燃焼が、システムの一次出力を生み出し、通常は、機械仕事に直接利用され、あるいは発電に間接的に利用される。さらに、機関の燃焼が廃熱を生み出し、廃熱の幾分かは高温の機関排気中に含まれ、廃熱の幾分かは機関を循環する冷却液を経由して機関から持ち去られる。機関冷却系統からの熱および低温の排気からの熱など、この廃熱の多くは、有益なやり方で捕集することが難しいとされる低級な熱である。したがって、従来の機関では、この低温排熱は機関から捨てられることが通常である。
【００１５】
しかしながら本発明では、廃熱のエネルギを使用して、加圧された機関酸化剤（例えば、空気）中に水を気化させることにより、かなりの膨張ポテンシャルを有する加圧蒸気−空気流を生成することで、この低温排熱の少なくとも一部が有効に捕集される。この膨張ポテンシャルは、後述のとおり、追加の機械的エネルギを生み出すために利用でき、結果として機関の効率が改善される。一般に、加圧空気に収容できる可能な限り多くの温水を、潜熱を回収するため気化すべきである。蒸気として回収される潜熱の割合は、システムの形式および詳細によって決まる。少なくとも約５０％の割合が望ましく、また一般的に達成可能である。典型的なオットー・サイクル機関においては、たいていの場合、約５０％〜７５％の範囲の回収が実現可能である。例えば約２５％を下回るなど、５０％よりもかなり低い回収も効率の観点からは有用であるが、本発明のシステムの構築に必要となる追加のコストを賄うには不充分である。
【００１６】
燃焼の後、燃焼室からの排気流は、高温（例えば、２１００°Ｒ（ランキン度２１００）、すなわち約１２００°Ｋ）にあり、依然高められたシステムの圧力（例えば、４気圧）にある。この排気は蒸気を含み、出力を生み出すべく膨張機（例えば、タービンであるが、タービンには限られない）を駆動するために有効に利用できるかなりの膨張ポテンシャルを有している。膨張機からの出力の取り出しは、例えば発電機を駆動するために利用でき、あるいは、膨張機出力を機関からの一次出力に連動させて利用することができる。膨張機を、前記空気導入用圧縮機に組み合わせ、これを直接駆動するために利用することもできる。
【００１７】
通常のターボ圧縮（ブレイトン）サイクル機関と対照的に、本発明は、蒸気を多く含んだ機関排気の膨張によって、かなりの余分な出力を生み出すことができる。蒸気によって、膨張機を通過する質量流量が、例えば空気単独の「質量流量比」(specific mass flow)（すなわち、比熱で調整した質量流量）の２倍に増加する。要するに、本発明は、通常のターボ圧縮機のボトミング再生サイクルに、ランキンまたは蒸気サイクルの出力を追加する。したがって、単に空気の圧縮に費やされた出力を取り戻すだけでなく、本発明の「結合」ブレイトン／ランキン・サイクルによって、かなりの追加の出力を生み出すことができる。例えば４気圧のシステムにおいて、膨張機は、圧縮機の駆動に必要な力の３倍を超える出力を生み出すことができ、場合によっては４倍を超える出力を生み出すことができる。この余剰の出力は、システム全体の効率という点で特筆できるものであり、全体としてシステムの正味出力の３３％の増加に相当する。
【００１８】
さらに、このタービンの余剰の出力は、温水の加圧空気中への気化（すなわち、「分圧効果」）による低温「廃」熱の回収によるものである、わずかなコストまたはコストなしで得ることができる。得られたエネルギは、本質的に、水を気化させるために消費された潜熱である。潜熱はかなりの量である。例えば、６０℃の水を気化させるために１グラム当たり２３２６ジュールを要するのに対し、気化した水（蒸気）１グラムをさらに８００℃加熱するためには、１４６５ジュールしか要しない。水の気化の前に空気を加圧するという手順が、空気を圧縮するためにかなりのエネルギが消費されるのに対し、温水を同じ圧力まで圧縮するために必要なエネルギはきわめて小さいことから、効率向上を最大にするために重要である。
【００１９】
システムの排気中の典型的な蒸気の濃度範囲は、約３０〜６０重量％の範囲、好ましくは約３０〜５０重量％の範囲、さらに好ましくは約３３〜４５重量％の範囲である（例えば、約７２０ポンド（３２８kg）の空気に約５２０ポンド（２３７kg）の蒸気、すなわち約４０％）。この範囲の下端は、通常約２０〜２５％であり、加圧燃料−空気混合物中の蒸気の存在によって信頼性の高い点火のために水素（または、同様の手段）の存在が必要になり始める一般的範囲であるとともに、「結合」サイクル機関の余分な複雑さを効率の向上によって補償できる下限である。容易に得られるのであれば、５０％を超える蒸気濃度が望ましい。７５重量％やそれ以上など、きわめて高い比率の蒸気においては、燃料−蒸気−空気混合物の燃焼がより困難になる可能性があり、これによる出力低下が、取り込むべき蒸気の最大割合を規定する制限要因となるが、正確な上限はシステム設計の詳細によって決まる。
【００２０】
膨張の後、次いで、膨張を終え温度が下がった排気を、水の気化または予熱のための熱を供給するために利用することができる。排気は、充分に温度が下がった後、その中の水を凝縮させるべく凝縮ラジエタを通過する。次いで、回収された水が、蒸気生成のための水を供給すべく再利用される。オプションとして、凝縮ラジエタを機関の冷却に使用するラジエタと組み合わせ、機関冷却用流体を同様に水の気化または予熱に使用した後に凝縮ラジエタを通すようにしてもよい。機関の化学量論比（理論空燃比）での運転によって、凝縮排気の露点が最大になる。変化する周囲温度および気候条件の中で充分な水準の水回収を維持するため、（例えば、流れを規制する可変式のバルブによって）必要な背圧を排気に選択的に加えることにより、排気の露点を調節することができる。
【００２１】
本発明の一実施形態によれば、高温の機関排気からの熱を、ガソリンやその他の燃料を好ましくは蒸気の存在下で部分的に改質し、水素および燃焼可能な炭素含有材料からなる化合物を生成するために使用できる。改質反応に必要な熱は、最も高温の排気ガス（すなわち、排気が燃焼室を離れた直後）との熱交換によってもたらされるのが好ましい。改質工程に蒸気が必要である場合、蒸気源からの蒸気を注入してもよく、あるいは、蒸気を多く含んだ排気それ自身の一部を、蒸気源として使用してもよい。場合によっては、この段階でさらに酸素を注入してもよい。蒸気を多く含んだ排気それ自身を改質に利用する場合、必要な排気の割合は詳細な設計によって変わり、排気の蒸気含有量に依存して決まるが、約３５％〜約５％の範囲であろう。４気圧の過給においては、約１０％が最適である。
【００２２】
一実施形態においては、燃料改質反応のための蒸気を、排気流のより低温の部分（例えば、膨張機の下流）で排気からの熱を利用して水を沸騰させることによって作ることができる。排気流が膨張機で膨張し温度が下がった後であっても、希釈されていないいくらかの蒸気を大気圧で沸騰させるために充分な熱が残っている。次いでこの蒸気を、改質されるべき燃料とともに、高温の（すなわち、膨張前の）排気で加熱されている改質領域へと供給して、吸熱燃料改質反応を支援することができる。
【００２３】
全燃料を改質器を通過させることによって、排気から生み出された水素含有改質燃料を、燃焼室へと供給することができるが、その際、全燃料が完全に改質されている必要はない。あるいは、改質燃料を、通常は部分的に改質されている燃料および／または改質されていない燃料からなる一次燃料源を補うものとして使用することもできる。燃料混合物における水素の存在は、前述の希薄かつ希釈された燃焼を支持するための充分な火炎速度を可能にする。水素燃料を供給することは、他の形式の燃焼にとっては重要でないかもしれない。種々の形式の自熱改質（ＡＴＲ）および部分酸化（ＰＯｘ）を含む蒸気改質による燃料の改質（水素および他の産物を生成する燃料と水との反応）が、好ましい。燃料を単純に加熱すること（「クラッキング」）による水素の形成は公知であり、カーボン・デポジット生成の傾向を抑制できるのであれば、本発明においても使用できる。原理的には、純粋水素または他の気体と混合した水素を貯蔵して用いることもできるが、実際の適用を考えると多くの場合あまり現実的ではない。
【００２４】
ここで説明したシステムおよび手法は、高効率および低排出物を特徴とする燃焼機関を提供するために利用することができる。例えば、本発明の原理を使用し、標準的な既製品のオットー・サイクル機関で、公称５２％の効率で向上した比出力で運転でき、同時に排出物も微量である。
【００２５】
本発明の前記したもの、および他の目的、特徴および利点は、添付の図面に図示した本発明の好ましい実施形態についての以下のさらに詳細な説明によって、明らかになるであろう。添付の図面においては、異なる図面であっても、同じ参照符号は同じ部品を示している。図面は、必ずしも比例尺ではなく、本発明の原理を示すため強調がなされている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１の概略図を参照すると、本発明の機関において、蒸気の発生、水素の発生、理論空燃比での空気の燃焼、および露点を高めての水の再利用が、どのように協働して相乗作用をもたらすのかが、よりよく理解できるであろう。この例のターボチャージャ付き機関は、排気による改質、および機関の廃熱温度溜め（温度シンク）からの分圧効果による蒸気の発生を利用する。この廃熱の潜在エネルギが、機関の加圧空気に移されて出力の発生に利用される。以下に示す例は、本発明によって可能となる効率改善の一例を示すため、特定の入力量および変数の値（温度や圧力など）を含んでいる。しかしながら、本発明の技術的範囲がこれらの特定の例に限られるわけではない。
【００２７】
図１に示すとおり、オットー・サイクル機関は、その燃焼室に流体連結された、好ましくは２段式の圧縮機である圧縮機２００を備えている。状態１（すなわちＳ1）において、大気から毎時７７４ポンド（３５３kg；１ポンドは０．４５６kg、１時間は３６００秒）の空気流２０４が取り入れられ、圧縮機２００で４気圧まで圧縮される。圧縮機の効率を７５％、動力消費を１８ｋＷとし、空気の温度は約４１０°Ｆ（約２１０℃）まで上昇する。
【００２８】
導入空気２０４から出発し、該空気中での気化のための水が、ここに示した例では３つの別々の工程で添加される（他の実施形態では、水添加の工程をより多数あるいは少数とすることができる）。まず、最初の水供給手段２０２での水投入は、圧縮の前、最中、または後の或る時点に行なわれるが、圧縮の後が好ましく、圧縮機の出口２０６において、Ｔ＝２５０°Ｆ（１２０℃）の状態２（Ｓ2）の加圧流体流が得られ、そのうちの２５ポンド（１１．４kg）の水が蒸気へと気化する。Ｓ2において、空気の水による飽和度はｗS＝０．０３２３であり、露点はＴS＝１４１°Ｆであり、蒸気の分圧はＰS＝２．９ｐｓａ（１ｐｓ＝約７ｋＰａ）である。
【００２９】
圧縮機２００を出た後、Ｓ2の湿潤空気は、第１の分圧ボイラ２１０へと入り、タービンの排気２３８と反対方向に流れて熱交換を行なう。分圧ボイラ２１０に入る手前または入り口において、符号２０８で示す水供給手段で第２の水添加が行なわれる。機関排気からの熱伝達によって、約２４０ポンドの追加の水が４気圧にある７７４ポンド（３５３kg）の空気（および、２５ポンド（１１．４kg）の水）中へと気化または沸騰し、空気の露点を約ＴS＝１３９°Ｆ（５９．４℃）からＴS＝２３０°Ｆ（１１０℃）まで、飽和度ｗSを０．３４まで上昇させ、参照番号２１２（状態Ｓ3）で示すボイラ出口において、元々の７７４ポンド（３５３kg）の圧縮空気中に存在する蒸気は総計２６５ポンド（１２１kg）になる。高度に湿気を含んだ排気は、熱交換が行なわれて、分圧ボイラ入り口の約９５２°Ｆ（５１１℃）から約２５０°〜３００°Ｆ（約１２０〜１５０℃）の温度に低下し、通常、少量の水が凝縮する（状態Ｓ9 、参照番号２４０の位置）。
【００３０】
ここに示した例では、第３の蒸気の追加が、状態Ｓ3（符号２１２）と後述する状態Ｓ4（符号２１９）の間で、機関冷却系統からの熱伝達を伴って行なわれる。ここに図示した特定の実施の形態では、分圧条件下において、機関の水冷系統からの熱の直接接触伝達によっておこなわれる。機関冷却水２１８は、一次冷却液であってもよく、一次冷却液系統（例えば、不凍液を含んだ一次系統など）によって暖められる二次系統であってもよいが、例えば噴霧によって水供給手段である第２の分圧ボイラ２１４へと注入され、第１のボイラ２１０（Ｓ3）から入った空気／蒸気の混合物２１２と平衡する。噴霧は、多孔性材料からなる柱の上方を通過させる（蒸留の際のように）、薄膜蒸発などによるなど、蒸気と液体とを混合する他の手法によって置き換え、または補完してもよい。このような温度および圧力のもとで動作でき、好ましくは物理的にコンパクトである、公知の手法および装置のいずれも使用することができる。
【００３１】
符号２１９（Ｓ4）の部位、つまり第２の分圧ボイラ２１４の出口における蒸気は、さらに、機関冷却液が２８０°Ｆ（１４０℃）から約２６０°Ｆ（１３０℃）まで冷却されるときの気化によって生じた１５６ポンド（７１．１ｋｇ）の追加の蒸気を得ている。この空気／蒸気が、約４２１ポンド（１９２ｋｇ）の蒸気を含んで、約ＴS＝２４４°Ｆ（１１８℃）で機関の吸気口２２０に入る。気化しなかった冷却液は、経路２１６を通って機関に戻される。機関冷却水（一次、または二次）の量は、冷却系統に水を加えることによって一定に保たれるが、この工程は図をわかりやすくするため示されていない。
【００３２】
排気の熱伝達に加え、この特定の熱質量伝達プロセスが、高効率をもたらす本発明の一特徴であることに注意が必要である。ここでは、閉鎖ランキン蒸気サイクルにおいて、タービン内でわずか１気圧の圧力低下を生み出す能力しかない熱源（排気）を、空気中で水を沸騰させるメカニズム、すなわち「分圧」の効用により、３気圧の圧力低下を生じさせる出力にまで向上させるべく利用している。気化した水を、凝縮ラジエタを用いて最終的に機関の排気から回収する必要が生じる。しかしながら、この必要性は、サイクル出力および効率の向上によって、後に部分的に補償される。
【００３３】
状態Ｓ4において、空気／蒸気の混合物２１９は、４気圧に加圧された７７４ポンド（３５３ｋｇ）の元からの空気に、さらに４２１ポンド（１９２ｋｇ）を超える蒸気を含み、飽和度ｗS＝０．５４６、温度ＴS＝２４４°Ｆ（１１８℃）となっている。この空気／蒸気の混合物は、機関の廃熱のかなりの部分を取り込んでいる。この時点で、この蒸気／空気の混合物２１９に、好ましくは基本的に化学量論比（理論空燃比に相当）で燃料が組み合わされる。また、この燃料は、下記のとおり部分的に改質されている。
【００３４】
機関入口の状態Ｓ5において、機関は、蒸気による５４．６％の質量希釈、比熱補正をすると約１００％の熱希釈、すなわち理論空燃比の空気充填の２００％で機関を運転するのと等しい圧力で、化学的に正確な燃料−空気が吸気口に充填される。燃料の熱量を１．１２倍（後述の吸熱改質反応の効果による）すると、等価のＦ／ＦC＝０．５６（ここでＦ／ＦCは燃料対空気の比Ｆを化学的に正確な燃料対空気の比ＦCで除算したものに等しく、ＦCは自然吸気機関では１であるが、ここでは蒸気による希釈により０．５である）が得られる。このような条件下での運転は、良好な火炎の前面伝播をもたらすよう燃料充填の一部として水素を含んでいなければ、難しい。多量の蒸気を含むことによる他の効果には、約４７％の燃料−空気サイクル効率、蒸気によって補正された圧縮比Ｒ＝８相当、およびようやく検出できるほどの微量のＮＯｘ排出が含まれる。
【００３５】
燃焼室中のサイクル温度Ｔ3の最大値は、約４３００°Ｒ（２１００℃）である。排気および排出前の爆発行程の終わりにおいて、燃焼温度は約２４００°Ｒ（約１０６０℃）であると計算される。排気圧力が４気圧へと高められているため排出が制限され、実際の燃焼温度は、通常の場合より計算値に近くなる。排気マニホールド温度は２１００°Ｒ（約９００℃）程度である。機関は、基本的に化学量論比の酸素充填のすべてを消費して、１０１ポンド（４６．１ｋｇ）の蒸気をさらに生成する。状態Ｓ6において機関の燃焼室からの排気２２２は、Ｐ＝４気圧、Ｔ＝２１００°Ｒ（約９００℃）であり、７１７ポンド（３２７ｋｇ）のＣＯ2およびＮ2（酸素はほとんど含まれていない）、５２２ポンド（２３８ｋｇ）の蒸気、および０．７２８の飽和度ｗSを有するガスである。
【００３６】
メタンあるいは同等の供給物１モルにつき、排気は１ＣＯ2、７．５２Ｎ2、および１０Ｈ2Ｏのモル成分を持つ。これは、希釈なしの通常の理論空燃比燃焼によって生成される蒸気の５倍である。この排気は、熱質量および蒸気を含んでおり、タービン出力のために利用するのに適しており、オプションで蒸気改質に利用するのにも適している。
【００３７】
好ましい態様において、機関出口の状態Ｓ6（符号２２２）と排気マニホールド内の状態Ｓ7（符号２３０）の間で、この排気の約１０％が部位２２８で分岐され、地点２２６から入ってくる燃料（計算を簡単にするため、ここではＣＨ4であるとして取り扱う）と混ぜられる。この混合物が、燃料改質器である「排気改質器」２２４に導入され、残りの排気流からの熱伝達によって加熱される。排気改質器における排気と燃料の反応は、好ましくは、改質触媒によって促進される。
【００３８】
図２に示した他の実施の形態では、燃料の部分改質に必要な蒸気が、供給源２６２から水の供給を受ける全圧ボイラ２６０によって供給されるが、その他の部分については同じ符号が付されている。タービン２３４で膨張した排気２３８からの熱によりで蒸気が作られ、経路２６４を通って運ばれて燃料改質器２２４の入り口または入り口近傍で、燃料２２６へと混入される。
【００３９】
改質反応においてメタンの５０％の分解が必要であるとすると、全体の反応は、モル比で表すと、次のようになる。
１ＣＨ4＋０．１ＣＯ2＋０．７５２Ｎ2＋１Ｈ2Ｏ→
０．５ＣＨ4＋０．１ＣＯ2＋０．５ＣＯ＋１．５Ｈ2＋０．５Ｈ2Ｏ＋０．７５２Ｎ2
Ｑch4＝３４４，０００ＢＴＵ／ポンド、Ｑref＝３８５，０００ＢＴＵ
【００４０】
燃料改質の後、排気温度は約２６１°Ｆ（１２７℃）低下して、状態Ｓ7、地点２３０で１３８０°Ｆ（７４９℃）になるが、燃料の熱量は、メタンおよび水の、水素および一酸化炭素への吸熱変換（および吸収された熱）によって、約１２％向上する。
【００４１】
機関（エンジン）に戻ると、今やこの例について効率を計算することが可能である。しかしながら、その前に、もう１つのパラメータについて検討しなければならない。機関は、自然吸気で（すなわち、過給なしで）あるとき、通常、８５％の機械的効率で運転する。本実施の形態の機関は、希釈充填によって動作し、単位量の空気あたりの出力が約５０％低下する。その補償として吸気圧力を４気圧に上げることができ、吸気マニホールド温度に関する補正を加えると、出力は約３．７倍に増加する。さらに、１２％の熱量が改質によって加えられる。したがって、機関の摩擦および補機類による損失が本質的に同じであると、公称出力は約２倍になる。したがって、通常は定格５０ｋＷとされている機関が、１１４ｋＷを生み出すことができ、蒸気による抑制効果によってシリンダ内（燃焼室内）での過早着火もない。
【００４２】
標準の燃料−空気サイクル曲線から、熱量の補正、８５％のサイクル性能効率、および９０％の機械効率を考慮すると、４７％×１．１２×０．８５×０．９＝４０．２％の効率となり、これに対して分圧沸騰サイクルの特徴を備えない場合の効率は３６％である。この効率の向上は、大部分、加圧下での希釈燃焼、改質による排気の熱の再利用、および廃熱の蒸気としての取り入れの組み合わせに拠っているものと考えられる（この例では、機関の効率が、排気の膨張前でさえも４０％に増加していることに注意すべきである）。
【００４３】
改質器２２４を出た符号２３０の部位における状態Ｓ7の排気を、オプションではあるが、おそらく依然として必要であろう炭化水素排出物防止のため、約１３００°Ｆ（約７００℃）および４気圧で、浄化触媒２３２を通過させるようにすると好ましい。ＮＯｘ低減が望まれる場合、排気が三元触媒に必要とされる化学的に正確な組成を備えている（すなわち、酸素がほとんどない）ので、自動車用として広く用いられている公知の前記三元触媒を、ここに用いるて、さらにＮＯｘを低減することができる。これは、排気流に酸素を多く含むため安価な触媒を使用することができないディーゼル、ガスタービン、およびいくつかの燃料電池バーナと対照的である。
【００４４】
改質器２２４下流の（符号２３０における）状態Ｓ7と、分圧ボイラ２１０の上流の（符号２３８における）状態Ｓ8との間で、ここではタービンである膨張機２３４が、排気ガスおよび蒸気を、約４気圧から約１気圧に約８５％の効率で膨張させる。温度の低下は約４５４°Ｆ（２３４℃）であり、参照符号２３８における残存排気の温度は約９５２°Ｆ（５１１℃）になる。この例では、タービンが約５９ｋＷの出力を生み出す（タービンの出力は、温度低下に排気ガス成分それぞれについての（質量流量×比熱）の和を乗算したものに等しく、すなわち、４５４ΔT×｛（１２３×０．４）CO2＋（５９４×０．２４）N2＋（５２２×０．５）H2O｝／０．３４１２（換算係数）＝５９ｋＷである）。この５９ｋＷの出力は、空気の圧縮に必要な約１８ｋＷを補って余りある。オプションではあるが、タービンを空気圧縮機２００を駆動するために使用し、余剰の出力を、出力取出手段の一例である発電機２３６から取り出してもよい。発電機２３６を、モータ／発電機として、本システムを起動させるときはバッテリからの電力を利用したモータとして使用することも可能である。あるいは、わずかに効率は低下するが、圧縮機／モータとタービン／発電機のそれぞれを別個のユニットとする（図示せず）こともできる。
【００４５】
発電機に加えて、あるいは発電機の代わりとして、タービンのトルクを例えば歯車機構によって機関出力軸のトルクに直接加えるような、タービンの出力を直接機関の出力に加える出力取出手段を設けてももよい。
【００４６】
地点２３８における状態Ｓ8では、排気の温度は約Ｔ＝９５２°Ｆ（約５００℃）であり、ガス流の水の飽和度ｗSは５２２／７１７＝０．７２８であり、したがって露点は１８２°Ｆ（８３℃）であり、圧力は１気圧である。この気体が、第１の分圧ボイラ２１０に入り、水が混合された吸気空気の流れに対する熱伝達が行なわれる。前述とおり、分圧効果は、沸騰すなわち気化が、ＴS＝１４０°Ｆ（６０℃）の導入空気入口で始まり、ＴS＝２２８°Ｆ（１０９℃）で終わることを意味している。適切な熱交換面積を有する場合、導入空気中の蒸気生成量を約２４０ポンド（１０９ｋｇ）であるとした前述の説明は、
排気ガスがかなり温度低下することを考慮すると、控えめである。実際、排気ガスの凝縮は、排気出口温度１６５°Ｆ（７４℃）でさえも生じうる。したがって、排気の水の半分が凝縮したとすると、理論上前述の仮定の２倍の沸騰熱流束を、導入された空気／水の混合物に加えることになる。したがって、前述の計算は、蒸気として回収できる熱量に関し、明らかに控えめである。
【００４７】
最後に、分圧ボイラ２１０を出た状態Ｓ9において、排気は、流体（水）の再利用を行なうため、ファン２４６を備える凝縮ラジエタ２４４に入る。本システムは、化学的に正確な理論空燃比で稼動しているため、符号２４８での最終排気状態Ｓ10における排出温度は１３２°Ｆ（５６℃）程度になり、かつ水の均衡をもたらす、すなわち、符号２０２、２０８および２１４で示す水供給手段から圧縮空気に添加するための水を供給する、再使用水捕集器２４２に、充分な水を溜めることができる（再使用水の系統は、ここでは図示されていないが、ポンプを少なくとも１台備え、さらに水浄化装置を備えてもよい）。実現可能であれば、より低い排気出口温度が好ましい。排気がＴS＝１６５°Ｆ（７４℃）またはそれ以上でラジエタに入るので、熱交換は「湿」、すなわち排気と接するラジエタの管が水で覆われて、高効率かつ非腐蝕性になり、ラジエタの耐久上好ましい。
【００４８】
ここに示した例による分圧ハイブリッド・オットー・サイクル機関の最終結果は、次のようになる。
出力＝機関１１４ｋＷ＋タービン５９ｋＷ−圧縮機１８ｋＷ＝１５５ｋＷ
効率＝４０％（機関）×１５５／１１４＝５４％
ラジエタ負荷＝１３３．６０ｋＷ、機関の大きさ＝５０ｋＷ（標準）
【００４９】
前記システムに、本発明の技術的範囲を離れることなく種々の変更が可能であることは、理解できるであろう。例えば、前記実施の形態においては、機関冷却水を、別の分圧ボイラで加圧空気−蒸気流へと気化させる。しかしながら、他の実施の形態では、機関冷却液を機関の本体そのものにおいて飽和で沸騰させ、２相の蒸気／水混合物を、すでに湿である空気へと導入するようにできる。このやり方によれば、さらなる気化を得ることができ、より多くの蒸気をシリンダ（燃焼室）に入れることができる。
【００５０】
また、排気の露点を、効率的な水回収を可能にすべく充分高くすることが重要である。周囲の温度が低く、例えば２５℃以下である場合、６０℃の排気流からの水の凝縮は、容易に実現できる。しかしながら、周囲の温度が４０℃のような高温に達した場合、水の回収はより困難になる。この問題の通常の解決策は、予想される最悪の周囲温度にあわせてラジエタの寸法を決めることであるが、これは、とくに移動式のシステムにおいて不恰好かつ高価につく。本発明のシステムは加圧されているため、他の手法を使用することが可能である。周囲温度が高いとき、例えば可変式の流量抑制バルブ２７０により、凝縮ラジエタ２４４の排気出口２４８に適宜背圧を与えることができる。背圧によって排気流の露点が上昇し（気圧が高くなると、空気中の水の飽和容積濃度が低下するため）、排気中の水をより容易に回収できるようになる。例えば、システムが４気圧で運転しているとき、０．５気圧の背圧によって露点を１０〜２０℃上昇させることができ、より高い周囲温度でもラジエタの寸法を大きくすることなく効率的な回収が可能となる。背圧をかけると、膨張機を通じての圧力低下が小さくなるため、システムの効率が低下するという欠点もある。しかしながら、背圧は、周囲の条件に応じて充分な水を回収するために必要な最小の値に調整でき、例えば自動車において、本システムを種々の温度および気象条件の下で、そのような条件下で可能な最大の効率を維持しつつ稼動させることができる。
【００５１】
本発明による「結合サイクル」機関は、前記の機関排気のための凝縮ラジエタに加え、機関冷却系統のための通常の閉回路ラジエタつきでも、なしでも稼動することができる。通常のラジエタは、例えば充分な量の機関廃熱が水を加圧空気中に気化させることで回収できる場合、不要であるかもしれない。
【００５２】
前記動作では、改良の母体としてオットー・サイクル機関を使用した。しかしながら、効率向上はより小さくなるが、熱エネルギの回収は、他の形式の原動機にも適用可能である。例えば、原理上、同様の構成をディーゼル機関に使用することができる。ディーゼルは、燃焼温度の点ですでにより効率的であり、すでにある程度過給されていることが多く、さらに蒸気を多く含んだガスの充填によって圧縮が悪影響を受けるため、効率の向上はより小さくなると思われる。しかしながら、加圧空気中に蒸気を作り出すべく熱を利用し、この熱エネルギを膨張機で機械的エネルギに変換することによる排気からの熱エネルギの回収、およびオプションであるが、機関冷却水からの熱エネルギの回収による効率の向上は、依然有効である。
【００５３】
さらに本発明は、ハイブリッド（ガソリン／電池）自動車エンジンや、或る種の家庭用熱電併給（コジェネレーション）システムなど、運転速度が一定である適用例に用いたとき、とくに好都合である。そのような場合、タービンは、機関の運転速度にあわせて最適化できる。
【００５４】
以上、本発明を、本発明の好ましい実施の形態に関し詳しく図示および説明したが、添付の特許請求の範囲によって包含される本発明の技術的範囲を外れることなく、形態や詳細において種々の変更が可能であることが、当業者であれば理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施の形態によるオットー・サイクル機関システムの概略図である。
【図２】蒸気ボイラを有するオットー・サイクル機関システムの第２の実施の形態の概略図である。
【符号の説明】
【００５６】
２００  圧縮機
２０２，２０８，２１４  水供給手段
２２４  燃料改質器
２３６  出力取出手段
【図１】
2005511964.tif 000003
【図２】
2005511964.tif 000004
【国際調査報告】
2005511964.tif 000005
2005511964.tif 000006
2005511964.tif 000007