(57)【要約】  水噴射装置は、火花点火又は圧縮点火タイプの内燃機関の各燃焼室に取り付けるためのプラグ末端を有し、多量の水又は他の不燃性流体が、燃焼室内に噴射される。各燃焼室の温度及び燃焼圧、並びに大気の温度、圧力及び湿度が監視され、燃焼室内に噴射される水量を制御されるために使用され、エンジンが、標準的なＩＳＯ定格大気条件で生じる内燃条件と同等な内燃条件で作動し、大気条件に関係なくＩＳＯ定格出力を伝送する。ノズルが、所定の空間的噴霧パターンで、燃焼室内に水又は他の不燃性流体を噴射するための複数の開口を含む水噴射装置のプラグ末端に取り付けられている。火花点火エンジン用に、高エネルギー前室が、水噴射装置と一体化され、水が圧縮サイクル中に噴射された場合点火を促進する。ディーゼルエンジン用に、水噴射ノズルが、気筒内部のディーゼル噴射装置の空間的噴霧パターンを補完する空間的噴霧パターンを備えてもよい。エンジン内に噴射される少なくとも少量の流体を予熱するための外気熱交換器を用いると共に、燃焼を制御し圧縮工程中の効率を向上するための低温での流体の第一噴射と、非ＩＳＯ条件の高定格出力を維持するために膨張行程中の実質的により高い温度での流体の第二噴射とを組み合わせることで、エンジン効率がさらに向上され得る。
2011526342.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水又は他の不燃性流体が圧縮／膨張サイクル間でエンジンの気筒内に噴射される内燃機関の出力及び効率を向上させるための方法であって、以下の工程：
現在の大気条件における任意の変化を監視する工程と、
前記現在の大気条件下でのＩＳＯ条件で、エンジンが定格出力を生成することができるのに必要な噴射流体量を決定する工程と、
燃料源の水含有量における任意の変化に応じて前記噴射流体量を補正する工程と、
前記エンジン内に噴射される前記流体の少なくとも幾らかを予熱するために排気熱交換器を使用する工程と、
前記圧縮工程中の燃焼を制御するための前記流体の第一噴射を、前記膨張工程中のより高い温度での前記流体の第二噴射で補完する工程と、
を備える方法。
【請求項２】
以下の一つ又はそれ以上のさらなる工程：
より希薄なエンジン混合物を点火可能な高エネルギー点火システムを組み込むハイドロメータを提供する工程と、
前記エンジンの排気から水を除去するために第二の凝縮熱交換器を用いる工程と、
絶対（ＩＳＯ）内部圧を獲得する工程と、
ある特定の燃焼室形状用に設計されたピロハイドロメータから出力された火炎パターンを、異なるエンジン燃焼室形状に適合するように変更する工程と、
ある特定のエンジン設計用に設計されたハイドロメータから出力された噴霧パターンを、異なるエンジン設計に適合するように変更する工程と、
エンジン油から水を除去するために油／水分離機を提供する工程と、
をさらに備える請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記エンジンが、特定の形状を有する燃焼室と、前記形状用にカスタマイズされた特定の火炎パターンを出力するピロハイドロメータとを有するオットーサイクルエンジンである請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記エンジンが、特定の形状を有する燃焼室と、前記形状用にカスタマイズされた水及び燃料の補完的な噴霧パターンを出力するディーゼルハイドロメータとを有するディーゼルサイクルエンジンである請求項１に記載の方法。
【請求項５】
燃焼室内に延出するノズル配置を有する噴射装置を備え、調整量の水又は他の不燃性流体が前記燃焼室内に噴射される内燃機関であって、
前記燃焼室に前記噴射装置を取り付けるためのプラグ末端手段と、所定の空間的噴霧パターンで前記燃焼室内に前記不燃性流体を向けるための噴流手段とを備える内燃機関。
【請求項６】
前記燃焼室内に所定の火炎パターンを提供するための前記噴射装置を一体化した点火前室をさらに備える請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記噴流手段の対応する噴霧パターンを補完する所定の噴霧パターンを用いて、前記燃焼室内にディーゼル燃料を噴射するための二組の噴出路をさらに備える請求項５に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記不燃性流体が前記燃焼室内に噴射される前に、前記不燃性流体を加圧し予熱することを提供するための供給手段をさらに備える請求項５に記載の内燃機関。
【請求項９】
圧縮工程内の第一時間間隔の間に噴射される、第一温度を有する第一量の前記流体、及び膨張工程内の次の第二時間間隔の間に噴射される、第二温度を有する第二量の前記流体を生じさせるために、前記噴射装置及び前記供給手段に作動連結される制御システムをさらに備える請求項８に記載の内燃機関。
【請求項１０】
前記第二温度は、少なくとも華氏６５０度（摂氏３４３度）であり、前記第一温度は、前記第二温度より実質的に低い請求項９に記載の内燃機関。
【請求項１１】
前記第一時間間隔は燃焼前であり、前記第二時間間隔は、四倍の膨張後である請求項１０に記載の内燃機関。
【請求項１２】
複数の気筒を備え、各気筒が各燃焼室内に延出する各ノズル配置を有する噴射装置を備え、調整量の水又は他の不燃性流体が前記燃焼室内に噴射される内燃機関であって、
各燃焼室の温度及び燃焼圧力を測定するための手段と、
大気の温度、圧力及び湿度を測定するための手段と、
前記燃焼室内に噴射される水量を制御するために、測定された前記大気の温度、圧力及び湿度を用いる制御装置と、
を備える内燃機関。
【請求項１３】
前記エンジン室燃焼圧を測定するための前記手段は、絶対ＩＳＯエンジン圧を測定することが可能である請求項１２に記載の内燃機関。
【請求項１４】
前記燃料の水含有量を測定するための手段をさらに備え、前記制御装置は、前記水量を算出する際に前記水含有量を考慮する請求項１２に記載の内燃機関。
【請求項１５】
前記エンジンが、大気条件に関係なく、ＩＳＯ条件でその定格出力を生成することができるように、前記水噴射装置によって添加された水量を調節するための手段をさらに備える請求項１２に記載の内燃機関。
【請求項１６】
エンジン油から水を除去するための油／水分離機をさらに備える請求項１２に記載の内燃機関。
【請求項１７】
前記エンジン内に噴射される前記水を予熱するための排気熱交換器をさらに備える請求項１２に記載の内燃機関。
【請求項１８】
複数の燃焼室を備え、大量の水又は他の不燃性流体が前記燃焼室内に噴射される、火花点火又は圧縮点火タイプの内燃機関を作動するための方法であって、
各エンジン室の温度及び燃焼圧を測定する工程と、
大気の温度、圧力及び湿度を測定するための手段と、
前記燃焼室内に噴射された前記水を制御するために、測定された前記大気の温度、圧力及び湿度を用いる工程と、
を備える方法。
【請求項１９】
エンジン室燃焼圧を測定する工程は、絶対ＩＳＯエンジン圧を測定する工程を含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記エンジンに使用される前記燃料の水含有量を測定する工程と、大気条件に起因する空気密度における変化及び前記燃料中の水含有量に基づいて、噴射された水量の量を制御する工程と、をさらに備える請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（優先権主張）
本願は、２００８年６月２８日出願の米国仮出願第６１／１３３，１７６号の利益及び優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、内燃機関の構造及び作動モードに関し、より具体的には、水等の不燃性流体の燃焼室内への噴射に関する。
【背景技術】
【０００３】
水又は他の不燃性流体の内燃機関の気筒内への噴射によって得られた動力の増加及び燃費の増加が、長い間知られてきた。水は、圧縮サイクル中に添加されると、エンジンＮＯｘ（窒素酸化物）を低減させることが示されるようになった。
【０００４】
大気の温度、圧力及び湿度における変化を説明するための動力を明記する際に、「ＩＳＯ（国際標準化機構）条件」が使用され、それぞれ、華氏５９度(摂氏１５度)、海面での大気圧（１４．５４３７８ＰＳｉ（ポンド平方インチ）、すなわち１．０１３２５バール）、及び６０％の相対湿度である。ディーゼル又はオットーサイクルに駆動力を提供するために気筒内で作動する主要な質量は、大気によって提供され、エンジンに付加された燃料によって熱せられる。空気密度が大気の温度、圧力及び湿度の関数であるため、気筒内部の質量及びそれによって得られるエンジンの駆動力は、標準化ＩＳＯ条件から逸脱する特定の大気条件下で減少され得る。
【０００５】
Ｖａｎ  Ｄａｌの特許文献１は、水又は他の不燃性物質のオットーサイクル内燃機関内への噴射、噴射される不燃性物質の量、導入される燃料の質量、エンジンの圧縮率、燃料品質、及び事前に選択した燃焼のピーク温度等の要素によって支配される噴射される噴射時間について記載している。
【０００６】
Ｎａｋａｙａｍａの特許文献２は、ＮＯｘ（窒素酸化物）排出を低減するための、圧縮点火（すなわち、ディーゼルサイクル）内燃機関内への水の噴射について記載している。また、Ｚｕｒ  Ｌｏｙｅらの特許文献３は、圧縮点火内燃機関内への水の噴射について記載している。
【０００７】
Ｓｉｎｇｈの特許文献４、特許文献５及び特許文献６は、特に、燃焼中又は燃焼後に、エンジンの各気筒内への水の噴射の使用が、気筒内で開始されるコンピュータ制御の内燃機関について記載している。内燃機関の各気筒は、気筒内の圧力及び温度を測定するための圧力センサおよび温度センサを備えている。これらのセンサは、センサから受信された信号によって決定される気筒の「エネルギー含有量」に基づいて、気筒内に噴射される水の割合及び持続時間を制御するためのコンピュータに接続されている。
【０００８】
Ｈｏｂｂｓの特許文献７は、水の加圧源が使用される内燃機関内への水の導入について記載している。コンピュータ及び多様なエンジンセンサが、エンジンの気筒への水の導入を制御するために使用されている。Ｂｉｎｉｏｎの特許文献８及び特許文献９は、内燃機関用の気筒内水噴射システムについて記載している。水は、高圧、低温で噴射される。Ｍｉｌｌｅｒの特許文献１０は、エンジン温度に応じて、エンジンの気筒内に水を噴射する内燃機関用の水噴射システムについて記載している。特許文献１１、Ｃｏｎｎｏｒの特許文献１２、及びＬｅｅの特許文献１３は、全て、水の噴射が一つ又はそれ以上の検知されたエンジン／気筒パラメータに応じて、コンピュータによって制御される内燃機関用の水噴射を開示している。
【０００９】
上述の特許文献１０、特許文献１、特許文献７、特許文献１２、特許文献８、特許文献９、特許文献４、特許文献５、特許文献１３及び特許文献６、並びに、特許文献３及び特許文献１１は、参照することにより本明細書中に援用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第４，５８９，３７７号
【特許文献２】米国特許第６，１１２，７０５号
【特許文献３】米国特許公開第２００２／００２６９２６号
【特許文献４】米国特許第６，３１１，６５１号
【特許文献５】米国特許第６，５７１，７４９号
【特許文献６】米国特許第７，０２１，２７２号
【特許文献７】米国特許第５，１２５，３６６号
【特許文献８】米国特許第５，７１８，１９４号
【特許文献９】米国特許第５，９３７，７９９号
【特許文献１０】米国特許第４，４４８，１５３号
【特許文献１１】米国特許公開第２００６／００３７５６３号
【特許文献１２】米国特許第５，１４８，７７６号
【特許文献１３】米国特許第６，８９２，６８０号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
内燃機関の気筒内への水(又は他の不燃性流体)の噴射による利点及び燃費の増加が、長い間知られてきたが、以下の特徴の幾つか又は全ては、本発明の多様な実施形態を、別々に及び組み合わせて、具体的に特徴付けていると考えられている：
（ａ）外気密度（圧力及び温度）及び／又は燃料と空気の混合物中の水含有量（湿度）における任意の変化に応じて噴射される水（又は他の不燃性流体）噴射量における補正
（ｂ）現在の大気条件とは無関係に、エンジンがＩＳＯ条件下での定格出力を生成可能とするために、水噴射制御システム内の気筒に付加された水量を調節する能力
（ｃ）より希薄なエンジン混合物を点火することが可能な高エネルギー点火システム
（ｄ）絶対（ＩＳＯ）エンジン圧を出力可能な気筒内圧測定システム
（ｅ）異なるエンジン形状に適合可能に改変された火炎パターンを有することが可能な前室設計
（ｆ）オットーサイクルエンジン用の異なるエンジン形状及び前室点火装置の火炎形状、或いは、圧縮点火エンジンのディーゼル噴射装置の噴霧パターンに適合可能に改変された噴霧パターンを有することが可能な水噴射装置設計
（ｇ）エンジン油から水を除去するための油／水分離機
（ｈ）エンジン内に噴射される水を予熱して気筒内噴射用に使用される水の粘度を減少させるか、或いは、処理効率を促進するために使用される排気熱交換器
（ｉ）エンジンの排気から水を除去するための第二の凝縮熱交換器
（ｊ）凝縮熱交換器及び排気から付加エネルギーを抽出するための有機ランキン可変位相タービン及びコンデンサ
（ｋ）圧縮工程中の燃焼を制御する前の水の第一噴射の、膨張工程中のより高い温度での水の第二噴射での補完
【００１２】
本発明の幾つかの実施形態は、標準的なＩＳＯ定格大気条件で生じ、大気条件に関係なくそのＩＳＯ定格出力を伝送することが可能な内燃機関条件を真似る内燃機関条件（例えば、燃焼室内部の圧力及び温度）で、エンジンを作動可能とする内燃機関作動システムを提供する。火花点火又は圧縮点火タイプの内燃機関の燃焼室に取り付けるプラグ末端を有する水噴射装置が提供されることが好ましく、大量の水又は他の不燃性流体が燃焼室内に噴射され、ノズルが、所定の空間的噴霧パターンで燃焼室に水又は他の不燃性流体を提供するための複数の開口を含む水噴射装置のプラグ末端に結合されている。これらの実施形態において、各エンジン室の温度及び燃焼圧、並びに、大気の温度、圧力及び湿度が、監視され、燃焼室内に噴射される水を制御するために使用されることが好ましい。これにより、標準的なＩＳＯ条件以外の条件下で全定格出力で作動する際の圧縮及び膨張サイクルの間に気筒内に噴射される水からの質量付加によって、空気の大気特性に起因する気筒内部のより低い作動流体質量を補填するのみならず、全定格出力より低い出力で作動する際の全体的なエンジン効率を改善することができる。具体的には、非ＩＳＯ条件下における最大定格出力は、水が加圧され、予熱されて、膨張工程中で気化する上死点後に気筒内に噴射される時に達成され得る。
【００１３】
他の実施形態の幾つかの特徴に従って、大気条件が入手可能な馬力を低減する（エンジン出力を下げる）等のために空気密度を減少させた時の定格条件まで、エンジン出力を増加させるために、水噴射が使用されてもよい。これにより、圧縮及び膨張サイクル中に気筒内に噴射される水からの質量付加によって、空気の大気特性に起因する気筒内部のより低い作動流体質量を補填することができる。これは、付加質量及びそれによって増加された燃焼室内部の圧力の結果であると考えられる。各エンジン気筒の圧力は、現在の大気条件に対してゲージ圧を得るために、各サイクル中で監視されることが好ましく、現在の大気条件とＩＳＯ定格条件との間の温度、圧力及び湿度における差異が、測定されたゲージ圧を、標準的なＩＳＯ定格条件下での対応するＩＳＯ絶対内圧に変換するために使用される。この測定されたＩＳＯ絶対内圧を、同様のＩＳＯ定格条件下における最大定格出力で作動する際に実際に生成される既知の絶対内圧と比較することによって、水噴射は、大気条件とは無関係に、エンジンをその定格出力に戻すように制御されることが可能である。
【００１４】
燃焼室内への水噴射は、水噴射装置コンポーネントと一体化されることが好ましい気筒圧測定用のセンサを用いて、外気の温度、圧力及び湿度、燃料内の水及び圧縮サイクルで噴射される水、並びに、圧力及び温度等の燃焼室内部のエンジン作動パラメータを測定することによって制御されることが好ましい。このことは、オットーサイクル（火花点火）エンジン及びディーゼルサイクル（圧縮点火）エンジン、並びに、これらのサイクルエンジンの改良品（例えば、ミラーの分割室エンジン、及び圧縮混合点火エンジン）に当てはまる。その結果得られる新しい制御の水噴射燃焼サイクルは、エンジン効率（噴射された水の温度、タイミング及び噴霧パターンによって影響される改良度）の改善のみならず、燃焼室内への時間制御の空間的パターンによる水（又は他の適切な不燃性流体）の直接付加による、全ての大気条件下におけるＩＳＯ条件で測定された最大定格出力の生成を許容する。
【００１５】
本発明の幾つかの実施形態のその他の特徴は、固有の気筒及びピストン形状を有する各エンジン用に設計された固有の噴霧パターンを用いた全ての気筒室内への水等の不燃性流体の導入であり、気筒内に噴射された水の空間的パターン、及び気筒内部の燃料点火源の空間的パターンを制御することが好ましい。
【００１６】
噴射装置、点火装置、及び／又は圧力センサは、各気筒用の単一のハイドロメータ装置に組み込まれ、燃焼室内に侵入するプラグ末端にノズル配置を有することが好ましく、点火プラグ及び／又はディーゼル噴射装置用の標準的なネジ仕様を用いて、或いは、他の実施形態における従来のディーゼル噴射装置保持クランプを用いて、所定位置に固定されるように設計されることが好ましい。このことによって、旧式及び新式の装置が、本明細書中に記載された多様な水噴射技術の多くの利点を利用するために、当該分野において都合良くアップグレードされることができる。火花点火エンジン用に、高エネルギー前室点火装置が、水噴射装置と一体化され、燃焼室内部の圧縮された燃料空気混合物の点火、及び圧縮／膨張サイクル間の適切な時間（又は時期）での水の噴射を、独立して制御する「ピロハイドロメータ」点火装置‐噴射装置を形成することが好ましい。ディーゼルエンジン及び他の圧縮点火エンジン用に、水及び燃料は、二組のノズル噴流、ディーゼル噴流の空間的噴霧パターンを補完する空間的噴霧パターンを有する水噴流を備えた「ディーゼルハイドロメータ」噴射装置によって、燃焼室内に別々に噴射されることが好ましい。
【００１７】
幾つかの他の好ましい実施形態のさらなる他の重要な特徴に従って、（圧縮中の水噴射に伴って生じるような）より希薄な燃焼室混合物が点火されることを許容するより高いエネルギー点火源が存在するように、予燃室が、水噴射装置設計に組み込まれてもよい。また、予燃室は、燃焼室内に入るより高速の噴流を用いたより良好な予燃の目的で、及び大量の水噴射に伴って生じ得る極端に希薄な燃料混合物を、より少ない全エンジン排気に提供する目的で、水素ガス等の特定の燃料添加用に使用されることができる。不燃性流体は、エンジン排気又は気筒壁の潤滑性に特徴的な、ＮＯｘ（窒素酸化物）、一酸化炭素を修飾するための過酸化物、尿素、他の添加物、又は潤滑油の添加によって修飾されることができる。また、これらの添加物は、測定された大気パラメータ及び外部排気測定の関数となり得る。
【００１８】
ディーゼルエンジン用に、液化天然ガス(ＬＮＧ)又は圧縮天然ガス（ＣＮＧ）が、ディーゼルハイドロメータに添加された燃料入力（ＣＮＧ又はＬＮＧ）によって、通常のディーゼル燃料の大部分（好ましくは、約６０％〜９８％）を置換されることが好ましく、ディーゼルハイドロメータは、ＬＮＧ又はＣＮＧ代替燃料用の噴射ノズル内に付加的な噴射排気口を含むことが好ましい。同様に、（好ましくは、ハイドロメータを通る付加的な通路によって）主要な燃焼室に入った後だけ点火される低揮発性燃料（例えば、水素又は酸素水素混合気（ロードガス又はブラウンガス））を噴射することによって、ＮＯｘ（窒素酸化物）は、エンジン排気内で低減されることができる。このことは、大量の水噴射に伴って生じ得る極端に希薄な燃料混合物を点火するための高速火炎能力に起因すると考えられる。これらの高速火炎燃料の燃焼室内への添加は、上死点により近い点火に集中し、圧縮ポンプ損失を低減すると共に、エンジン効率をさらに改善すると考えられている。
【００１９】
エンジン制御装置は、適切なセンサ入力を備え、エンジン内部作動パラメータ、外気の温度、圧力及び湿度、水噴射温度、燃料中の水含有量及び他の燃料パラメータの全てを監視するために使用されることが好ましい。これらの入力パラメータは、水噴射のタイミング、及び各エンジンサイクルに伴って各気筒内に噴射される水の量及び温度、並びに、各気筒用の点火システムのタイミングを制御するための制御装置によって使用される。特に、燃焼室内部の最適な水噴射噴霧パターンと組み合わせた場合、これによって、全定格出力又はそれ未満の出力で作動する際のエンジン効率が向上される。複数のパラメータが、異なる気筒内の異なるセンサから制御装置内へ入力されるため、水噴射／点火タイミング制御装置は、また、個々のセンサが適切に作動しているかどうか評価することが好ましい。
【００２０】
噴射水は、その温度を上げるための排熱を利用することによって、噴射前に改変された粘度を有することができる。熱交換器バイパスシステムは、全範囲の水温を許容する。粘度におけるこの変化は、噴射のために必要な水圧送負荷を低減することができると共に、燃焼室内部の噴霧パターンに影響を及ぼすことができる。また、サイクル効率は、水が気筒内に噴射される前に該水を予熱するために、エンジン排気から他の廃熱を回収することによって改善されることができる。
【００２１】
ターボ過給のオットーサイクルエンジン用に、水噴射は、（ａ）ターボ過給後の噴霧によって、（ｂ）各気筒給気前の噴霧によって、又は（ｃ）給気又は圧縮工程中の燃焼室内への直接噴射、或いは上記の任意の組み合わせによって、適用されることができる。水噴射は、（内部冷却器を使用する代わりに）ターボ過給の圧縮熱を除去することによって、エンジン効率をさらに増加させるために、及びエンジンノック（エンジンの過早点火又は膨張）を制御するために、使用されることができる。オットーサイクルの効率は、圧力比を増加させると共に、エンジンノックを誘発する温度を低下させるための水噴射を用いてエンジン空気を冷却してエンジンノックを避けることによって、改善されることができる。エンジンノックが点火前の気筒温度上昇に起因して生じないことを確保するために、エンジンノックセンサが追加されることが好ましい。
【００２２】
水／油分離機が、エンジン油から水を除去するために、水噴射システム内に含まれることが好ましい。エンジン作動中、エンジンの燃焼ガスは、ピストンリング及びピストンリングクリアランスにおけるギャップによってエンジン油と混合して、水がエンジン油と混合される可能性をもたらす。
【００２３】
幾つかの好ましい実施形態の他の重要な特徴に従って、エンジン排気が、エネルギーを産生すると共に、凝縮熱交換器及び／又はタービン発電機を設置することによって噴射された水の大部分を回収するためにさらに使用されることができる。熱交換器は、弱酸性の排気ガスからの攻撃に抵抗するために、耐酸性金属又はテフロン加工の金属から製造されることができる。可変位相タービン又はＲ２４５ｆａ（１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン）を用いた三重サイクルを用いる有機ランキンタービン、及びコンデンサが、凝縮熱交換器からエネルギーを抽出し、噴射装置再利用用の水を凝縮するために使用されることができる。大気が、熱交換器内部の有機タービンの作動流体用の適切な温度条件を提供するために、エンジン排気ガス中に混合されることができる。
【００２４】
本発明は、輸送及び発電を含む、広範囲の技術的応用における有用性を見出しており、一般的に、従来実現可能であったものを越える出力及び効率の増加をもたらす。機関車及び船舶で使用するために、排気ガスに応答するタービン発電機が、付加的な出力を提供してもよく、必要な噴射水は、機関車によって輸送されることができるか、又は、逆浸透によって船舶で生成されることができる。埋立地ガス（ＬＦＧ）及び高い水含有量を有する他のバイオ燃料に対して、燃料中の水は、ろ過されるべき汚染物質ではなく、燃焼室内に直接噴射される水と同様の質量増加機能を果たし、容易に測定されて、水噴射制御装置への入力として提供される。
【００２５】
本発明のより完全な理解のために、以下の幾つかの代表的な現在好ましい実施形態の詳細な説明及び添付図面に、参照符号が付されている。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る水噴射を組み込んだ１６気筒エンジンの概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る火花点火エンジン用の火花点火式点火装置−噴射装置（「ピロハイドロメータ」）装置の概略図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る火花点火エンジン用のディーゼル点火式（マイクロパイロット）ピロハイドロメータ装置の概略図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る水素又はブラウンガス用の噴射装置も含む火花点火エンジン用のピロハイドロメータの概略図である。
【図５】点火装置−噴射装置ノズルを含む図２のピロハイドロメータのプラグ末端の拡大図である。
【図６】図２の点火装置−噴射装置ノズル用の噴流孔の第一配置を示す。
【図７】図２の点火装置−噴射装置ノズル用の噴流孔の別の配置を示す。
【図８】液化天然ガス（ＬＮＧ）を用いて使用するために改良された、図１に示す１６気筒エンジンの概略図である。
【図９】圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を用いて使用するために改良された、図８に示す１６気筒エンジンの概略図である。
【図１０】水噴射を用いたディーゼル噴射装置（「ディーゼルハイドロメータ」）である。
【図１１】ＣＮＧ又はＬＮＧ噴射を用いたディーゼルハイドロメータである。
【図１２】異なる実施形態を評価するための熱力学モデルを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
読み易さを考慮して、以下の記載は、概して、不燃性流体としての水の使用に言及するが、他の不燃性流体が使用可能であることが理解されよう。したがって、水が、付加質量として燃焼室内に噴射されるための不燃性流体として当然の選択であるが、アルゴン、窒素、二酸化炭素、及びアンモニア、並びに、過酸化水素水の組み合わせ等の不活性ガスを含む、他の適切な流体が使用可能である。
【００２８】
図１を参照して、１６気筒エンジン１０が、本実施形態において提供されている。空気センサ１２は、外気の温度、圧力、及び相対湿度を提供する。この大気データ及び流入エンジン空気の流通質量流から、エンジンに流入する空気密度及び任意の所定のエンジン設計形状内部の空気質量を測定することができる。
【００２９】
（添加物あり又はなしの）必要な処理が行われた水を、高圧制御ポンプ１４に供給する。該高圧制御ポンプ１４は、エンジン１０の各気筒１６に高圧水を提供する。水は、まず水の温度を上昇させる排気熱交換器１８を通過する。ノックを防ぐためのエンジン圧縮サイクル、並びに、付加的な出力を提供すると共にサイクル効率を向上させるエンジン膨張サイクルにおいて、水を使用する。初期圧縮サイクル間で、水を、（ａ）気筒内に直接噴射するか、（ｂ）ターボ過給機の圧縮排気中に噴射するか、（ｃ）給気弁内に噴射するか、或いは、上記の任意の組み合わせで噴射する。
【００３０】
各気筒１６には、ノックセンサ２０、温度センサ２２、及び圧力センサ２４(図２参照)が装備されている。圧力センサ２４は、ゲージ圧ではなくＩＳＯ条件に基づいて圧力を読み取るように調整されている。補正されたＩＳＯデータは、空気センサ１２からの圧力、温度及び湿度入力（及び／又は流入空気流における質量流量センサから得られる同等のデータ）を用いることによって算出され、また、燃料中に含まれる任意の水又は水添加物に起因する付加的質量を考慮する。
【００３１】
図２，３及び４をさらに参照して、火花点火エンジン用に、各気筒１６は、エンジンの従来の点火プラグネジパターン内に取付可能な点火装置−噴射装置制御装置に取り付けられている。点火装置−噴射装置制御装置は、各気筒１６内部の点火パターン及びタイミング、水噴霧パターン及び各気筒１６内部でのタイミングを制御し、燃焼圧センサ２４によって、各サイクル内の圧力を観測するピロハイドロメータの形態であることが好ましい。水は、高圧給水から送水管２５に供給される。各ピロハイドロメータ２６は、製造者のＩＳＯの定格条件を超えないことを確認するための圧力センサ２４を含む。燃焼圧センサ２４は、電線２８を介して主制御装置３０に接続されている。圧力センサ出力は、相対ゲージ圧ではなく絶対ＩＳＯ圧力として伝達される（又は、主制御装置３０によって変換される）。水量及びタイミングは、測定されたパラメータとＩＳＯ条件とを関連付けることによって、大気条件に関係なく、エンジンのＩＳＯ定格と適合するように、水制御ソレノイド３２を介して主制御装置３０によって制御されている。
【００３２】
油精製システム４２は、油システム内に混入された水を除去するように設計されている。油は、エンジン潤滑用のクランク室に戻される。
【００３３】
図２に示すように、火花点火エンジン用に、ピロハイドロメータ２６設計は、予燃室３４から燃焼ガス通路３８を介して燃焼室に、燃焼ガスの高エネルギー火炎３６を向ける（図５参照）予燃室３４中に挿入された点火プラグ２７を含む。燃焼室（図示せず）内への高エネルギー火炎３６の導入は、他の方法では不可能なほど希薄な（したがって、より高い燃費の）混合物の燃焼を許容する。予燃室３４は、各ピストン及びヘッド形状と適合するようにカスタマイズ可能で、且つ、点火装置の噴流パターンと適合可能な水噴霧パターンを提供するために、予燃室３４内に延出する通路３８及び送水管２５と密封流体連結する水噴出路４０を備えるねじ込み噴射ノズル３５内のプラグ末端で終了する。例えば、図５において最も良く見られるように、水噴出路４０を画定するねじ込み噴射ノズル３５内の各穴は、水を旋回させるために円周方向に斜角で掘削された斜面とすることが可能であり、それによって流入燃焼ガスとのより良好な混合を促進することができる。所定のエンジン形態に対する適切な噴射角は、各ノズルが異なる一連の傾斜ドリル穴を有する異なる試験ノズルを順次取り付けると共に、最高の性能を提供するノズルドリル穴を選択することによって、実験的に、周到に決定されることができる。
【００３４】
図３に示すように、ディーゼル燃料を使用するマイクロパイロット点火エンジン用のピロハイドロメータ２６ａ設計は、図２に示すピロハイドロメータ設計２６と同様であるが、ディーゼル噴射装置３９が、予燃室３４中に挿入されている。ピロハイドロメータ設計２６ａのプラグ末端３５は、エンジンの点火装置のネジパターン（又は他の適切なコネクタ）で取り付けられている。
【００３５】
図４を参照して、ピロハイドロメータ２６は、図２のピロハイドロメータ設計２６と同様な火花点火エンジン用に提供されているが、また、水素又はブラウンガス（二原子及び単原子の水素及び酸素の安定的な化学量論的「混合物」）用の噴射装置４１を含む。ブラウンガスは、通路３８を通って予燃室３４に入るガス燃料に添加されるか、又は該ガス燃料の代替となり得る。ブラウンガスが例示されるピロハイドロメータ２６ｂ中に供給されると、燃焼室に入る火炎３６のエネルギーは、極めて高エネルギーを有するはずであり、それによって、より低い熱混合物を燃焼させることができる。
【００３６】
図６及び図７を参照して、二つの異なるピロハイドロメータノズル設計３５ａ及び３５ｂは、異なる二組の水噴霧試験パターンを産生することができる各内部結合領域３７ａ，３７ｂを有する。図６に示すパターン３５ａにおいて、固定されたより小さな水噴出路４０ａを有し、より大きなガス燃料通路３８ａが、領域３７ａ内で多様な点及び配向で掘削されることができる一方、他方のパターン３５ｂにおいて、燃料通路３８ｂは、固定され、水噴出路４０ｂは、領域３７ａ内で掘削されることができる。
【００３７】
図８を参照して、図１に示す１６気筒エンジン１０と同様な１６気筒エンジン１０ａが、ＬＮＧ供給４３からＬＮＧポンプ４４及びドライブ４６、ＬＮＧ燃料経路４８を通ってエンジンの各気筒に伝送される液化天然ガスを用いて使用するために改良されてきた。
【００３８】
図９を参照して、図８の１６気筒エンジン１０ｂが、ＬＮＧ供給４３からＬＮＧポンプ４４及びドライブ４６、気化器４７を介して、ＣＮＧ燃料経路５０を通って、エンジンの各気筒に伝送される圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を用いて使用するためにさらに改良されてきた。他の実施形態（例示せず）において、ＣＮＧは現地外で生成され、貯蔵されて、加圧タンクで輸送されることができ、その場合、ＣＮＧは、制御弁から気化器４７に直接伝送されることができよう。
【００３９】
図１０は、ディーゼルエンジン用のディーゼルハイドロメータを例示している。その目的は、ディーゼルエンジンにおけるディーゼル噴射装置の代用をすることであり、ディーゼル給気口５２及び給水口５４を含む。図１０における噴射装置は、従来のディーゼル噴霧コーン５３においてエンジンにディーゼル燃料を提供することに加え、ディーゼル噴霧コーン５３を取り囲む同心噴霧パターン５６で水を導入し、噴射された水が噴射されたディーゼル燃料を取り囲む。水量は、エンジン性能をＩＳＯ条件にすると共に、使用されるディーゼル燃料量に置き換わるように、制御装置によって制御されている。
【００４０】
図１１におけるディーゼルハイドロメータは、図１０におけるディーゼルハイドロメータと同様であるが、より重いディーゼル燃料の幾らか又は全てに対する代替燃料としての第三吸気口５８からＣＮＧ又はＬＮＧの何れかをさらに使用することができる。ディーゼル噴霧コーン５３及び同心噴霧パターン５６に加えて、ディーゼルハイドロメータは、燃焼室内に代替燃料を導入するために、対応するＣＮＧ又はＬＮＧ噴出路のリングによって形成された外側同心噴霧コーン６０を提供する。したがって、図１０が二つの噴霧パターンを有するのに対して、図１１は、三つの噴霧パターンを有する。どちらの場合においても、噴出路は、図６及び７に示すピロハイドロメータノズル設計と同様に、具体的な燃焼室形状に対して最適な噴霧パターンセットを形成するために移動されることができる。
【００４１】
表１乃至４は、本発明の幾つかの実施形態に従って改良及び作動された代表的な往復動機関（この場合においては、ＣＡＴ  Ｇ３５１６Ｃ）のコンピュータ制御による熱力学モデルから得られた数値結果を示し、標準ＩＳＯ  ３０４６／１条件での最大出力、及び非ＩＳＯ条件で下げた出力レベルでそのデータシート効率評価を較正した後、９６．７％の生成効率を想定し、一定のターボ過給機、圧縮機及び膨張機性能を想定した。また、ＩＳＯ条件で必要なターボ過給圧力比を計算するために、気筒形状及び圧縮率と一緒に、燃焼吸気流量を使用した（圧縮機マップの欠如に起因して、ターボ過給圧力比が、当該モデルにおいて一定に維持された）。高度（０〜１２０００フィート（０〜３６５８メートル））、温度（華氏５０〜１３０度（摂氏１０〜５４度）、及び湿度（０％〜１００％）を用いて構築モデルを作成した。オフデザイン性能を決定し、一覧にした。データシートを用いて、（ターボ過給機、圧縮機、及び膨張機の性能に対する）熱力学モデルを較正した。
【００４２】
上死点でのモデルに水噴射を付加し、得られた算出火炎温度を、水噴射を全く伴わない（このことは、燃料流量を変更することによって達成された）ＩＳＯ参照モデルの温度に照合することによって、表１のデータを作成した。水量が、達成され得る出力増加を決定し、出力及び火炎温度がＩＳＯ条件まで達するまで、本工程を繰り返した。具体的には、完全定格出力を維持するために必要な噴射水量は、より高い高度(より低い圧力)で増加し、華氏約１００度（摂氏約３８度）で顕著なピークを経験することが、表１から理解できよう。表１は、６０％の相対湿度を想定し、他の外気湿度に対して同様の手順を繰り返すことができるため、所定の外気温度及び圧力に対して必要な噴射水流量を、実際の湿度を考慮すると共に、燃料中に既に存在する任意の水を考慮するように調整することができる。
【００４３】
より多くの変数を用いた熱力学モデルのより詳細な例（表２参照）を、本発明の他の実施形態の利点を含めるように改良した（表３参照）。具体的には、出力を増加させるのみならず、効率を高めるために、圧縮／減圧サイクル間において、異なる二つの時間において異なる二つの温度で、可変量の水を噴射した。燃料添加前に相対的に低い温度（華氏１００度（摂氏３８度）で少量の水を噴射することによって、燃焼室内部の温度が低下するため、自己発火することなく、１１．３〜１４まで圧縮率を増加させることができた。圧縮率の増加による出力及び効率の増加に加えて、水噴射は損失を二倍低減させるのに有効である。ピーク温度を低下させることによって、解離を減少させ、燃焼効率を向上させて、ジャケット水及び熱放射による損失も低下する。そのような効率改善のための最適噴射位置は、工程中に水噴射を伴わない圧縮前であることが見出された。このことは、後冷却後の一般的な吸気口噴霧で達成可能である。
【００４４】
当該モデルに対する他の変更を用いたさらなる算出によって、噴射水が出力を増加させる最適時間は、（表１に対して想定されたように）上死点ではないことが示唆された。なぜなら、上死点では燃焼ガスと混合されると水が気化され、それによって、そうでなければ生じたであろう膨張を抑えると共に、圧縮室内部の圧力及び温度の急落及びその結果生じる膨張性能の低下が起こることが明らかであるからである。しかしながら、水噴射を向上させる出力が後に生じる場合、一旦ガスが四倍に膨張する場合、エンジン内の熱損失減少及び水の膨張に起因する効率及び出力に対する改良が、任意の急冷効果を上回ることが好ましい。さらに、膨張行程中に後に生じる噴射用の加圧水が、エンジン排気を用いて、実質的により高い温度まで（好ましくは、華氏約６５０度（摂氏３４３度）まで）まず予熱され、次に、高温水がピストンヘッド及びピストン壁上に噴出されて、金属表面を冷却すると共に、気化すれば、表３（ＩＳＯ条件）及び表４（大気圧低下及び温度上昇）に反映されるように、全体的な効率のさらなる向上が見られる。
【００４５】
本発明は、好ましい実施形態に関連して記載されているが、当業者であれば容易に理解されるように、本発明の理念及び範囲から逸脱することなく、変更及び改良が利用されてもよいことが理解されよう。したがって、そのような変更は、添付の特許請求の範囲内で行われてもよい。
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年3月1日(2011.3.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＳＯ条件で既知の定格出力を有し、水又は他の不燃性流体が、圧縮工程及び膨張行程を含む圧縮／膨張サイクル間でエンジンの気筒内に噴射される内燃機関の出力及び効率を向上させるための方法であって、以下の工程：
現在の大気条件における任意の変化を監視する工程と、
前記現在の大気条件下でのＩＳＯ条件で、エンジンが定格出力を生成することができるのに必要な噴射不燃性流体量を決定する工程と、
燃料源の水含有量における任意の変化に応じて前記噴射不燃性流体量を補正する工程と、
前記エンジン内に噴射される前記不燃性流体の少なくとも幾らかを予熱するために排気熱交換器を使用する工程と、
前記圧縮工程中の燃焼を制御するための前記不燃性流体の第一噴射を、前記膨張行程中のより高い温度での前記予熱された不燃性流体の第二噴射で補完する工程と、
を備える方法。
【請求項２】
以下の一つ又はそれ以上のさらなる工程：
より希薄なエンジン混合物を点火可能な高エネルギー点火システムを組み込むハイドロメータを提供する工程と、
前記エンジンの排気から水を除去するために第二の凝縮熱交換器を用いて、絶対（ＩＳＯ）内部圧を獲得する工程と、
ある特定の燃焼室形状用に設計されたピロハイドロメータから出力された火炎パターンを、異なるエンジン燃焼室形状に適合するように変更する工程と、
ある特定のエンジン設計用に設計されたハイドロメータから出力された噴霧パターンを、異なるエンジン設計に適合するように変更する工程と、
エンジン油から水を除去するために油／水分離機を提供する工程と、
をさらに備える請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記エンジンが、特定の形状を有する燃焼室と、前記形状用にカスタマイズされた特定の火炎パターンを出力するピロハイドロメータとを有するオットーサイクルエンジンである請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記エンジンが、特定の形状を有する燃焼室と、前記形状用にカスタマイズされた水及び燃料の補完的な噴霧パターンを出力するディーゼルハイドロメータとを有するディーゼルサイクルエンジンである請求項１に記載の方法。
【請求項５】
燃焼室内に延出するノズル配置を有する噴射装置を備え、少なくとも少量の前記水又は他の不燃性流体が、前記燃焼室内に噴射される請求項１に記載の方法に従って作動される内燃機関であって、
前記噴射装置は、前記燃焼室に前記噴射装置を取り付けるためのプラグ末端手段と、所定の空間的噴霧パターンで前記燃焼室内に前記不燃性流体を向けるための噴流手段とを備える内燃機関。
【請求項６】
前記燃焼室内に所定の火炎パターンを提供するための前記噴射装置を一体化した点火前室をさらに備える請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記噴流手段の対応する噴霧パターンを補完する所定の噴霧パターンを用いて、前記燃焼室内にディーゼル燃料を噴射するための二組の噴出路をさらに備える請求項５に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記不燃性流体が前記燃焼室内に噴射される前に、前記不燃性流体の加圧及び予熱を提供するための供給手段をさらに備える請求項５に記載の内燃機関。
【請求項９】
圧縮工程内の第一時間間隔の間に噴射される、第一温度を有する第一量の前記不燃性流体、及び膨張工程内の次の第二時間間隔の間に噴射される、第二温度を有する第二量の前記不燃性流体を生じさせるために、前記噴射装置及び前記供給手段に作動連結される制御システムをさらに備える請求項８に記載の内燃機関。
【請求項１０】
前記第二温度は、少なくとも華氏６５０度（摂氏３４３度）であり、前記第一温度は、前記第二温度より実質的に低い請求項９に記載の内燃機関。
【請求項１１】
前記第一時間間隔は燃焼前であり、前記第二時間間隔は、少なくとも四倍の時間の膨張の開始後である請求項１０に記載の内燃機関。
【請求項１２】
複数の気筒を備え、各気筒が各燃焼室内に延出する各ノズル配置を有する水噴射装置を備え、調整量の水が前記燃焼室内に噴射される内燃機関であって、
各燃焼室の温度及び燃焼圧力を測定するための手段と、
大気の温度、圧力及び湿度を測定するための手段と、
前記燃焼室内に噴射される水量を制御するために、決定された前記大気の温度、圧力及び湿度を用いる制御装置と、
を備える内燃機関。
【請求項１３】
前記エンジン室燃焼圧を測定するための前記手段は、絶対ＩＳＯエンジン圧を測定することが可能である請求項１２に記載の内燃機関。
【請求項１４】
前記燃料の水含有量を測定するための手段をさらに備え、前記制御装置は、前記水量を算出する際に前記水含有量を考慮する請求項１２に記載の内燃機関。
【請求項１５】
前記エンジンが、大気条件に関係なく、ＩＳＯ条件でその定格出力を生成することができるように、前記水噴射装置によって添加された水量を調節するための手段をさらに備える請求項１２に記載の内燃機関。
【請求項１６】
エンジン油から水を除去するための油／水分離機をさらに備える請求項１２に記載の内燃機関。
【請求項１７】
前記エンジン内に噴射される前記水の少なくとも少量を予熱するための排気熱交換器をさらに備える請求項１２に記載の内燃機関。
【請求項１８】
複数の燃焼室を備え、大量の水又は他の不燃性流体が前記燃焼室内に噴射される、火花点火又は圧縮点火タイプの内燃機関を作動するための方法であって、
各エンジン室の温度及び燃焼圧を測定する工程と、
大気の温度、圧力及び湿度を測定するための手段と、
前記燃焼室内に噴射された前記水を制御するために、測定された前記大気の温度、圧力及び湿度を用いる工程と、
を備える方法。
【請求項１９】
エンジン室燃焼圧を測定する工程は、絶対ＩＳＯエンジン圧を測定する工程を含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記エンジンに使用される前記燃料の水含有量を測定する工程と、ＩＳＯ条件に対する大気条件における偏差に起因する空気密度における変化及び前記燃料中の水含有量に基づいて、噴射された水量の量を制御する工程と、をさらに備える請求項１８に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2011526342.tif 000018
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2011526342.tif 000019
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2011526342.tif 000020
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2011526342.tif 000021
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2011526342.tif 000022
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2011526342.tif 000023
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2011526342.tif 000024
【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
2011526342.tif 000025
【手続補正１０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
2011526342.tif 000026
【手続補正１１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
2011526342.tif 000027
【手続補正１２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１１】
2011526342.tif 000028
【手続補正１３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１２】
2011526342.tif 000029
【国際調査報告】
2011526342.tif 000030
2011526342.tif 000031