(57)【要約】【課題】  大気温度が高い場合であっても循環されるガス中に含まれる水蒸気の量を少なくすることができる凝縮部を備えることにより、作動ガスの比熱比が著しく低下せず、高い熱効率にて運転することができる作動ガス循環型エンジンを提供すること。【解決手段】  エンジン１０は、燃焼室２１に、酸素と、燃料としての水素と、作動ガスとしてのアルゴンからなるガスと、を供給する。上流側凝縮部７０は、燃焼室からの排ガスを大気と熱交換することにより、排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して一次凝縮水となし、一次凝縮水を分離したガスを一次凝縮水分離後ガスとして排出する。一次凝縮水は貯水タンク１００に貯留される。下流側凝縮部８０は、貯水タンク１００に貯留された凝縮水の気化潜熱を利用して、一次凝縮水分離後ガスに含まれる水蒸気を更に凝縮して二次凝縮水となし、一次凝縮水分離後ガスから二次凝縮水を分離したガスを排出する。【選択図】  図１
2008064018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素と、燃焼により水蒸気を生成する燃料と、比熱比が水蒸気よりも高い作動ガスと、を燃焼室に供給し、同燃焼室において同燃料を燃焼させて同作動ガスを膨張させることにより動力を取り出すエンジンであって、前記燃焼室から排出された燃焼後のガスに含まれる作動ガスを循環通路を通して同燃焼室に再び供給する作動ガス循環型エンジンにおいて、
前記循環通路に挿入されるとともに同循環通路を通流するガスである循環ガスを大気と熱交換させることにより同循環ガスに含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水となし同循環ガスから同熱交換により凝縮水となった水蒸気を分離する第一凝縮部と、
前記循環通路に挿入されるとともに前記第一凝縮部において凝縮された凝縮水の気化潜熱を利用して前記循環ガスを冷却することにより同循環ガスに含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水となし同循環ガスから同気化潜熱を利用することにより凝縮水となった水蒸気を分離する第二凝縮部と、
を備えた作動ガス循環型エンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の作動ガス循環型エンジンにおいて、
前記第一凝縮部は、前記循環ガスであって前記燃焼室から排出され且つ水蒸気の凝縮がなされる前のガスである凝縮前排ガスを導入するとともに同導入した凝縮前排ガスから前記大気との熱交換により凝縮水となった水蒸気を分離したガスを一次凝縮水分離後ガスとして排出する上流側凝縮部であり、
前記第二凝縮部は、前記一次凝縮水分離後ガスを導入するとともに同導入した一次凝縮水分離後ガスから前記気化潜熱を利用することにより凝縮水となった水蒸気を分離したガスを二次凝縮水分離後ガスとして排出する下流側凝縮部である、
作動ガス循環型エンジン。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記第一凝縮部において凝縮された凝縮水を貯留する貯水タンクを備え、
前記第二凝縮部は、前記貯水タンクに貯留された凝縮水を使用することにより前記気化潜熱を利用した冷却を行うように構成された作動ガス循環型エンジン。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記第二凝縮部は、同第二凝縮部によって凝縮された凝縮水の気化潜熱も利用して前記冷却を行うように構成された作動ガス循環型エンジン。
【請求項５】
請求項４に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記第一凝縮部によって凝縮された凝縮水と前記第二凝縮部によって凝縮された凝縮水とを貯留する貯水タンクを備え、
前記第二凝縮部は、前記貯水タンクに貯留された凝縮水を使用することにより前記気化潜熱を利用した冷却を行うように構成された作動ガス循環型エンジン。
【請求項６】
請求項４に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記第一凝縮部によって凝縮された凝縮水を貯留する第一貯水タンクと、
前記第二凝縮部によって凝縮された凝縮水を貯留する第二貯水タンクと、
を備え、
前記第二凝縮部は、前記第一貯水タンクに貯留された凝縮水及び前記第二貯水タンクに貯留された凝縮水を使用することにより前記気化潜熱を利用した冷却を行うように構成された作動ガス循環型エンジン。
【請求項７】
請求項１又は請求項２に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
少なくとも前記第一凝縮部を通過した後の前記循環ガスの温度を取得するガス温度取得手段を備え、
前記第二凝縮部は、前記取得された循環ガスの温度に基づいて同第二凝縮部にて気化潜熱が利用される前記凝縮水の使用量を調整するように構成された作動ガス循環型エンジン。
【請求項８】
請求項７に記載の作動ガス循環型エンジンにおいて、
前記ガス温度取得手段は、前記第一凝縮部を通過した後であって前記第二凝縮部にて冷却されていない前記循環ガスの温度を取得するように構成された作動ガス循環型エンジン。
【請求項９】
請求項８に記載の作動ガス循環型エンジンにおいて、
前記第二凝縮部は、前記取得された循環ガスの温度が所定温度より低い場合、前記凝縮水を使用しないように構成された作動ガス循環型エンジン。
【請求項１０】
請求項１又は請求項２に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記循環ガスに含まれる水蒸気の量を取得する水蒸気量取得手段を備え、
前記第二凝縮部は、前記取得された水蒸気の量に基づいて同第二凝縮部にて気化潜熱が利用される前記凝縮水の使用量を調整するように構成された作動ガス循環型エンジン。
【請求項１１】
請求項１０に記載の作動ガス循環型エンジンにおいて、
前記水蒸気量取得手段は、前記第一凝縮部を通過した後であって前記第二凝縮部にて冷却されていない前記循環ガスに含まれる水蒸気の量を取得するように構成された作動ガス循環型エンジン。
【請求項１２】
請求項１１に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記第二凝縮部は、前記取得された水蒸気の量が所定量より少ない場合、前記凝縮水を使用しないように構成された作動ガス循環型エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素と、燃焼により水蒸気を生成する燃料と、比熱比が水蒸気よりも高い作動ガスと、を燃焼室に供給し、同燃焼室において同燃料を燃焼させて同作動ガスを膨張させることにより動力を取り出すとともに、同燃焼室から排出された燃焼後のガス（排ガス）に含まれる前記作動ガスを同燃焼室に再び供給する作動ガス循環型エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃焼室に水素と酸素と作動ガスとしてのアルゴンガスとを供給して同水素を燃焼させるとともに、同燃焼室から排出された排ガス中の作動ガスを同燃焼室に循環通路を通して循環させる作動ガス循環型水素エンジンが提案されている。アルゴンガスは空気よりも比熱比が大きいので、アルゴンガスを作動ガスとして用いる上記水素エンジンは、高い熱効率にて運転され得る。
【０００３】
ところで、水素が燃焼して酸素と結合すると水蒸気が発生する。水蒸気は３原子からなる分子（３原子分子）であるから、一つの原子からなる分子（単原子分子）であるアルゴンよりも比熱比が小さい。従って、燃焼室から排出された排ガス中の作動ガスを燃焼室に循環通路を通して循環させる場合、その循環されるガス（以下、「循環ガス」とも称呼する。）に含まれる水蒸気を除去することが望ましい。そこで、従来の水素エンジンは、循環通路中に凝縮器を備え、その凝縮器によって循環ガスに含まれる水蒸気を液化・凝縮して分離（除去）し、循環ガスからその凝縮水となった水蒸気を分離した後のガスを燃焼室に再び供給するようになっている（例えば、特許文献１を参照。）。
【特許文献１】特開平１１−９３６８１号公報
【発明の開示】
【０００４】
しかしながら、従来の水素エンジンに使用される凝縮器は、水冷式であれ空冷式であれ、燃焼室から排出された排ガスを結果的に大気と熱交換させることにより水蒸気を液化・凝縮して分離しているので、排ガスの温度は最も低くても大気温度にまでしか低下しない。また、飽和水蒸気量はガスの温度が高いほど多くなる。そのため、大気温度が高い場合、排ガスから水蒸気を十分に除去できず、その結果、作動ガスの比熱比が低下して機関の熱効率が低下するという問題が発生する。
【０００５】
上記課題に対処するために為された本発明による作動ガス循環型エンジンは、
酸素と、燃焼（即ち、酸素と結合すること）により水蒸気を生成する燃料と、比熱比が水蒸気よりも高い作動ガスと、を燃焼室に供給し、同燃焼室において同燃料を燃焼させて同作動ガスを膨張させることにより動力を取り出すエンジンであって、前記燃焼室から排出された燃焼後のガスに含まれる作動ガスを循環通路を通して同燃焼室に再び供給する形式のエンジンである。
【０００６】
更に、この作動ガス循環型エンジンは、
前記循環通路に挿入されるとともに同循環通路を通流するガスである循環ガスを大気と熱交換させることにより同循環ガスに含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水となし同循環ガスから同熱交換により凝縮水となった水蒸気を分離する第一凝縮部と、
前記循環通路に挿入されるとともに前記第一凝縮部において凝縮された凝縮水の気化潜熱を利用して前記循環ガスを冷却することにより同循環ガスに含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水となし同循環ガスから同気化潜熱を利用することにより凝縮水となった水蒸気を分離する第二凝縮部と、
を備えている。
【０００７】
第一凝縮部及び第二凝縮部は、互いに独立していてもよく、一部を共用していてもよい。即ち、凝縮を行う部分が、循環ガスを大気と熱交換させることにより水蒸気を凝縮・分離しているとき、その凝縮を行う部分は第一凝縮部となり得る。更に、その凝縮を行う部分が、第一凝縮部によって得た凝縮水の気化潜熱を利用することにより同循環ガスに含まれる水蒸気を凝縮・分離しているとき、その凝縮を行う部分は第二凝縮部となり得る。
【０００８】
更に、第二凝縮部は、前記循環ガスであって第一凝縮部にて水蒸気が分離されたガスから水蒸気を更に分離してもよく、前記循環ガスであって第一凝縮部にて水蒸気が分離される前のガス（例えば、燃焼室から排出されて第二凝縮部に直接導入される排ガス）から水蒸気を分離してもよい。
【０００９】
これによれば、第一凝縮部において、循環通路を通流するガス（循環ガス）が大気と熱交換させられることにより、その循環ガスに含まれる水蒸気が凝縮されて凝縮水となり、その循環ガスから分離される。一方、第二凝縮部においては、第一凝縮部によって凝縮された凝縮水の気化潜熱（凝縮水を気化させることに伴って奪われる熱）が利用され、循環ガスが冷却される。
【００１０】
これにより、大気との熱交換に基いて水蒸気を凝縮させる第一凝縮部によっては凝縮され得ない水蒸気が、気化潜熱に基く循環ガスの冷却を行う第二凝縮部において凝縮され、その循環ガスから分離される。この結果、大気との熱交換によって除去することができる量よりも多量の水蒸気が循環ガスから除去されるので、燃焼室において作動ガスとして機能するガスの比熱比が多量の水蒸気の存在により低下してしまうことを回避することができる。その結果、機関の熱効率が著しく低下することを防止することができる。
【００１１】
更に、この発明によれば、第二凝縮部において気化潜熱が利用される水は第一凝縮部によって得られた凝縮水である。従って、第二凝縮部において気化潜熱が利用される水を人間が補給する必要を無くすことができ、或いは、その水を人間が補給しなければならない頻度を低減することができる。
【００１２】
一方、
前記第一凝縮部は、前記循環ガスであって前記燃焼室から排出され且つ水蒸気の凝縮がなされる前のガスである凝縮前排ガスを導入するとともに同導入した凝縮前排ガスから前記大気との熱交換により凝縮水となった水蒸気を分離したガスを一次凝縮水分離後ガスとして排出する上流側凝縮部であり、
前記第二凝縮部は、前記一次凝縮水分離後ガスを導入するとともに同導入した一次凝縮水分離後ガスから前記気化潜熱を利用することにより凝縮水となった水蒸気を分離したガスを二次凝縮水分離後ガスとして排出する下流側凝縮部である、
ことが好適である。
【００１３】
これによれば、上流側凝縮部において、燃焼室から排出された高温の凝縮前排ガスが大気と熱交換させられ、凝縮前排ガスに含まれる水蒸気が凝縮水となる。そして、その凝縮前排ガスからその凝縮水となった水蒸気が分離されたガスが一次凝縮水分離後ガスとして上流側凝縮部から排出される。
【００１４】
更に、その一次凝縮水分離後ガスは下流側凝縮部に導入され、上流側凝縮部によって分離された凝縮水の気化潜熱により冷却される。これにより、一次凝縮水分離後ガスに含まれる水蒸気が更に凝縮して凝縮水となり、一次凝縮水分離後ガスからその凝縮水となった水蒸気が更に分離されたガスが二次凝縮水分離後ガスとして排出される。
【００１５】
この結果、上流側凝縮部において大気との熱交換によって除去することができなかった水蒸気が下流側凝縮部において更に除去されるので、循環通路を通して燃焼室に供給される循環ガスに含まれる水蒸気の量を減少させることができる。従って、作動ガスの比熱比が著しく低下しないので、機関の熱効率が大きく低下することを回避することができる。更に、燃焼室から排出された高温の凝縮前排ガスが先ず上流側凝縮部において大気と熱交換されるから、燃焼室から排出された高温の凝縮前排ガスが大気と熱交換されることなく下流側凝縮部に直接導入される場合より、下流側凝縮部において循環ガスの冷却のために消費される凝縮水の量を著しく低減することができる。従って、下流側凝縮部において気化潜熱が利用される水が不足する事態が発生する可能性を低下させることができる。
【００１６】
また、前記作動ガス循環型エンジンは、
前記第一凝縮部において凝縮された凝縮水を貯留する貯水タンクを備え、
前記第二凝縮部は、前記貯水タンクに貯留された凝縮水を使用することにより前記気化潜熱を利用した冷却を行うように構成されていることが好適である。
【００１７】
これによれば、第一凝縮部を通過した循環ガスに含まれる水蒸気の量が少なく、従って、第二凝縮部において凝縮水を使用する（即ち、凝縮水の気化潜熱を利用した冷却を行う）必要がないとき、第一凝縮部から得られる凝縮水を貯水タンク内に蓄積しておくことができる。そして、第一凝縮部を通過した循環ガスに含まれる水蒸気の量が過大となって第二凝縮部において凝縮水を使用する必要が生じたとき、第二凝縮部は貯水タンク内に貯留しておいた凝縮水を使用することができる。この結果、第一凝縮部から得られる凝縮水を無駄なく使用することが可能となる。
【００１８】
一方、本発明による作動ガス循環型エンジンにおいて、
前記第二凝縮部は、同第二凝縮部によって凝縮された凝縮水の気化潜熱も利用して前記冷却を行うように構成されていることが好適である。
【００１９】
これによれば、第二凝縮部から得られる凝縮水を第一凝縮部から得られる凝縮水とともに第二凝縮部において使用することができるので、第二凝縮部において気化潜熱が利用される凝縮水が不足する事態をより回避することが可能となる。
【００２０】
また、第二凝縮部がその第二凝縮部から得られる凝縮水をも利用するように構成された作動ガス循環型エンジンは、
前記第一凝縮部によって凝縮された凝縮水と前記第二凝縮部によって凝縮された凝縮水とを貯留する貯水タンクを備え、
前記第二凝縮部は、前記貯水タンクに貯留された凝縮水を使用することにより前記気化潜熱を利用した冷却を行うように構成されていることが望ましい。
【００２１】
これによれば、第一凝縮部から得られる凝縮水（第一凝縮水）と第二凝縮部から得られる凝縮水（第二凝縮水）とが貯水タンクに貯留させられる。そして、第二凝縮部は、気化潜熱に基く冷却のために、貯水タンクに貯留されている凝縮水（第一凝縮水及び第二凝縮水）を使用することができる。この結果、第一凝縮部及び第二凝縮部の両者から得られる凝縮水を無駄なく使用することが可能となる。
【００２２】
一方、貯水タンクは、一次凝縮水を貯留する第一貯水タンクと、二次凝縮水を貯留する第二貯水タンクと、の両者から構成することもできる。
即ち、上記作動ガス循環型エンジンは、
前記第一凝縮部によって凝縮された凝縮水を貯留する第一貯水タンクと、
前記第二凝縮部によって凝縮された凝縮水を貯留する第二貯水タンクと、
を備え、
前記第二凝縮部は、前記第一貯水タンクに貯留された凝縮水及び前記第二貯水タンクに貯留された凝縮水を使用することにより前記気化潜熱を利用した冷却を行うように構成されていてもよい。
【００２３】
これによれば、第一凝縮水が第一貯水タンクに貯留させられ、第二凝縮水が第二貯水タンクに貯留させられる。そして、第二凝縮部は、気化潜熱に基く冷却のために、第一貯水タンク及び第二貯水タンクにそれぞれ貯留されている凝縮水（第一凝縮水及び第二凝縮水）を使用することができる。この結果、第一凝縮部及び第二凝縮部の両者から得られる凝縮水を無駄なく使用することが可能となる。
【００２４】
一方、上述した何れかの作動ガス循環型エンジンは、
少なくとも第一凝縮部を通過した後の循環ガスの温度を取得するガス温度取得手段を備え、
前記第二凝縮部は、前記取得された循環ガスの温度に基づいて同第二凝縮部にて気化潜熱が利用される前記凝縮水の使用量を調整するように構成されることが好適である。
「少なくとも第一凝縮部を通過した後の循環ガスの温度」は、第一凝縮部を通過した後であって第二凝縮部にて冷却されていない循環ガスの温度であってもよく、第一凝縮部及び第二凝縮部の両者を通過した後の循環ガスの温度であってもよい。
【００２５】
一般に、前記凝縮前排ガス（燃焼室から排出され且つ水蒸気の凝縮がなされる前の排ガス）は高温であって多量の水蒸気を含んでいる。一方、第一凝縮部を通過した循環ガスの温度は大気温度に近い温度となっている。従って、第一凝縮部を通過した循環ガスの温度は、露点に達している。換言すると、第一凝縮部を通過した循環ガスには飽和水蒸気量の水蒸気が含まれている。飽和水蒸気量は循環ガスの温度に応じて定まる。従って、第一凝縮部を通過した後の循環ガスの温度が高くなるほど、その循環ガスに含まれる水蒸気の量も多くなる。
【００２６】
そこで、上記構成においては、少なくとも第一凝縮部を通過した後のガスの温度を取得し、その取得されたガス温度に基づいて第二凝縮部において使用される凝縮水の量を調整する。
【００２７】
これにより、循環通路を通して燃焼室に供給される循環ガスに含まれる水蒸気の量を所望の量より少なくするのに応じた量の凝縮水を第二凝縮部において使用することができる。従って、既に得られている凝縮水を無駄に使用することを回避することができる。また、この構成によれば、安価で比較的精度の高い温度センサをガス温度取得手段として使用することもできる。
【００２８】
更に、前記ガス温度取得手段は、前記第一凝縮部を通過した後であって前記第二凝縮部にて冷却されていない循環ガスの温度を取得するように構成されていることが好ましい。
【００２９】
第一凝縮部を通過した後であって第二凝縮部にて冷却されていない循環ガスの温度が高い場合、第二凝縮部によって水蒸気の分離を行わない限り、最終的に燃焼室に供給される循環ガスに含まれる水蒸気の量も多くなる。従って、上記構成のように、第一凝縮部を通過した後であって第二凝縮部にて冷却されていない循環ガスの温度を取得し、その取得した循環ガスの温度に基づいて第二凝縮部において使用する凝縮水の量を調整すれば、第二凝縮部において使用する凝縮水を無駄に消費することをより一層確実に回避することができる。
【００３０】
この場合、前記第二凝縮部は、前記取得された循環ガスの温度が所定温度より低い場合、前記凝縮水を使用しないように構成されることが好適である。
【００３１】
これによれば、第二凝縮部において使用する凝縮水を無駄に消費することをより確実に回避することができる。
【００３２】
また、本発明による作動ガス循環型エンジンは、
前記循環ガスに含まれる水蒸気の量を取得する水蒸気量取得手段を備え、
前記第二凝縮部は、前記取得された水蒸気の量に基づいて同第二凝縮部にて気化潜熱が利用される前記凝縮水の使用量を調整するように構成されていることが好適である。
【００３３】
循環ガスには、燃焼室から排出された排ガスであって第一凝縮部及び第二凝縮部の何れにおいても冷却がなされていない循環ガス（凝縮前排ガス）、第一凝縮部を通過した後であって第二凝縮部にて冷却されていない循環ガス（第一凝縮部冷却後ガス）、及び、少なくとも第二凝縮部を通過した後の循環ガス（第二凝縮部冷却後ガス）、の何れかが含まれる。
【００３４】
例えば、凝縮前排ガスに含まれる水蒸気量と大気温度とを知ることにより第一凝縮部冷却後ガスに含まれる水蒸気量を推定することができる。従って、凝縮前排ガスに含まれる水蒸気量に基けば第二凝縮部にて気化潜熱が利用される前記凝縮水の使用量を適切に調整することができる。
【００３５】
また、第一凝縮部冷却後ガスに含まれる水蒸気の量を知ることができれば、最終的に燃焼室に供給される循環ガスに含まれる水蒸気の量が過多にならないように第二凝縮部にて気化潜熱が利用される前記凝縮水の使用量を適切に調整することができる。
【００３６】
更に、第二凝縮部冷却後ガスに含まれる水蒸気の量を知ることができれば、最終的に燃焼室に供給される循環ガスに含まれる水蒸気の量を推定することができる。従って、第二凝縮部冷却後ガスに含まれる水蒸気の量に基けば、最終的に燃焼室に供給される循環ガスに含まれる水蒸気の量が過多にならないように第二凝縮部にて気化潜熱が利用される前記凝縮水の使用量を適切に調整することができる。
【００３７】
従って、上記構成によれば、循環ガスに含まれる水蒸気の量を所望の量より少なくするのに応じた量の凝縮水を第二凝縮部において使用することができるので、既に得られている凝縮水を無駄に使用することを回避することができる。
【００３８】
更に、
前記水蒸気量取得手段は、前記第一凝縮部を通過した後であって前記第二凝縮部にて冷却されていない前記循環ガスに含まれる水蒸気の量を取得するように構成されていることが望ましい。
【００３９】
第一凝縮部を通過した後であって第二凝縮部にて冷却されていない循環ガス（第一凝縮部冷却後ガス）に含まれる水蒸気の量が多い場合、第二凝縮部によって水蒸気の分離を行わない限り、最終的に燃焼室に供給される循環ガスに含まれる水蒸気の量も多くなる。従って、上記構成のように、第一凝縮部を通過した後であって第二凝縮部にて冷却されていない循環ガスに含まれる水蒸気の量を取得し、その取得した水蒸気の量に基づいて第二凝縮部において使用する凝縮水の量を調整すれば、第二凝縮部において使用する凝縮水を無駄に消費することをより一層確実に回避することができる。
【００４０】
また、前記第二凝縮部は、前記取得された水蒸気の量が所定量より少ない場合、前記凝縮水を使用しないように構成されていることが好ましい。
【００４１】
これによれば、第二凝縮部において使用する凝縮水を無駄に消費することをより確実に回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、本発明による作動ガス循環型エンジンの各実施形態について図面を参照しながら説明する。各実施形態に係る作動ガス循環型エンジンは、燃焼室に酸素ガスと単原子分子からなる作動ガスであるアルゴンガスとを供給するとともに、これらのガスを圧縮させることにより高圧となったガス中に燃料としての水素ガスを噴射することにより水素を拡散燃焼させる４サイクル・シリンダ往復動型エンジンである。更に、各実施形態に係る作動ガス循環型エンジンは、燃焼室から排出された排ガス中の作動ガスを燃焼室に循環通路（循環経路）を通して循環（再供給）させる作動ガス循環型多気筒水素エンジンである。
【００４３】
但し、本発明は、酸素と、燃焼により水蒸気を生成する燃料と、比熱比が水蒸気よりも高い作動ガスと、を燃焼室に供給し、同燃焼室において同燃料を燃焼させて同作動ガスを膨張させることにより動力を取り出すとともに、同燃焼室から排出された燃焼後のガスに含まれる前記作動ガスを循環通路を通して同燃焼室に再び供給する作動ガス循環型エンジンに適用され得る。即ち、燃料は水素に限定されることはなく、燃焼室での燃焼により水蒸気を生成する燃料であればよい。作動ガスは、アルゴンガスに限定されず、水蒸気よりも比熱比の高いガスであればよく、例えば、Ｈｅ等のアルゴン以外の単原子ガス（不活性ガス）、及び、窒素ガス等の２原子分子からなるガス等であっても構わない。
【００４４】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係るエンジンを含むシステムの概略図である。このシステムは、作動ガス循環型の水素エンジン１０、水素供給部４０、酸素供給部５０、作動ガス循環通路部６０、第一凝縮部７０、第二凝縮部８０、電気制御装置９０及び貯水タンク１００を備えている。なお、図１は、エンジン１０の特定気筒の断面と、同特定気筒に接続された吸気ポート及び排気ポートの断面と、を示しているが、他の気筒も同様な構成を備えている。なお、作動ガス循環通路部６０は、単に「循環通路６０」とも称呼される。また、第一凝縮部７０は上流側凝縮部７０とも称呼され、第二凝縮部８０は下流側凝縮部８０とも称呼される。更に、排気ポート３２から吸気ポート３１へと作動ガス循環通路部６０を通って循環されるガスを「循環ガス」とも称呼する。
【００４５】
エンジン１０は、シリンダヘッド部が形成するシリンダヘッド１１と、シリンダブロック部が形成するシリンダ１２と、シリンダ１２内において往復運動するピストン１３と、クランク軸１４と、ピストン１３とクランク軸１４とを連結しピストン１３の往復運動をクランク軸１４の回転運動に変換するためのコネクティングロッド１５と、シリンダブロックに連接されたオイルパン１６とを備えるピストン往復動型エンジンである。ピストン１３の側面にはピストンリング１３ａが配設されている。
【００４６】
シリンダヘッド１１、シリンダ１２及びオイルパン１６から形成される空間は、ピストン１３により、ピストン１３の頂面側の燃焼室２１と、クランク軸１４を収容するクランクケース２２と、に区画されている。
【００４７】
シリンダヘッド１１には、燃焼室２１に連通した吸気ポート３１と、燃焼室２１に連通した排気ポート３２と、が形成されている。
【００４８】
吸気ポート３１には吸気ポート３１を開閉するための吸気弁３３が配設されている。シリンダヘッド１１には、図示しないインテークカムシャフト等からなる吸気弁駆動機構が配設されている。吸気弁駆動機構は吸気弁３３を開閉駆動し、これにより吸気ポート３１を開閉するようになっている。
【００４９】
排気ポート３２には排気ポート３２を開閉するための排気弁３４が配設されている。シリンダヘッド１１には、図示しないエグゾーストカムシャフト等からなる排気弁駆動機構が配設されている。排気弁駆動機構は排気弁３４を開閉駆動し、これにより排気ポート３２を開閉するようになっている。
【００５０】
更に、シリンダヘッド１１には、水素（水素ガス）を燃焼室２１内（筒内）に直接噴射する水素噴射弁３５が配設されている。水素噴射弁３５は、駆動信号（噴射指示信号）に応答して水素ガスを噴射するようになっている。
【００５１】
水素供給部４０は、水素タンク（水素ガスタンク、水素ボンベ）４１、水素ガス通路４２、水素ガス圧レギュレータ４３、水素ガス流量計４４及びサージタンク４５を備えている。
【００５２】
水素タンク４１は燃料としての水素ガスを高圧状態にて貯蔵するガス燃料貯蔵タンクである。水素ガス通路４２は、水素タンク４１と水素噴射弁３５とを連通する通路（管）である。水素ガス通路４２には、水素タンク４１から水素噴射弁３５に向かう順に水素ガス圧レギュレータ４３、水素ガス流量計４４及びサージタンク４５が介装されている。
【００５３】
水素ガス圧レギュレータ４３は、周知のプレッシャレギュレータである。水素ガス圧レギュレータ４３は、水素タンク４１内の水素ガスの圧力を減少させ、水素ガス圧レギュレータ４３よりも下流（サージタンク４５側）における水素ガス通路４２内の圧力を設定圧力に調整するようになっている。
【００５４】
水素ガス流量計４４は、水素ガス通路４２を流れる水素ガスの量（水素ガス流量）を計測し、同水素ガス流量を表す信号FH2を発生するようになっている。サージタンク４５は、水素ガス噴射時に水素ガス通路４２内に発生する脈動を低減するようになっている。
【００５５】
酸素供給部５０は、酸素タンク（酸素ガスタンク、酸素ボンベ）５１、酸素ガス通路５２、酸素ガス圧レギュレータ５３、酸素ガス流量計５４及び酸素ガスミキサ５５を備えている。
【００５６】
酸素タンク５１は酸素ガスを所定の圧力にて貯蔵するタンクである。酸素ガス通路５２は、酸素タンク５１と酸素ガスミキサ５５とを連通する通路（管）である。酸素ガス通路５２には、酸素タンク５１から酸素ガスミキサ５５に向かう順に酸素ガス圧レギュレータ５３及び酸素ガス流量計５４が介装されている。
【００５７】
酸素ガス圧レギュレータ５３は、周知の調整圧可変型プレッシャレギュレータである。即ち、酸素ガス圧レギュレータ５３は、酸素ガス圧レギュレータ５３よりも下流（酸素ガスミキサ５５側）における酸素ガス通路５２内の圧力を指示信号に応じた目標調整圧力RO2tgtに調整できるようになっている。換言すると、酸素ガス圧レギュレータ５３は、指示信号に応答して酸素ガス通路５２を流れる酸素ガス量を制御することができるようになっている。
【００５８】
酸素ガス流量計５４は、酸素ガス通路５２を流れる酸素ガスの量（酸素ガス流量）を計測し、同酸素ガス流量FO2を表す信号を発生するようになっている。酸素ガスミキサ５５は、後述する作動ガス循環通路部６０の第４通路６４と第５通路６５との間に配設されている。酸素ガスミキサ５５は、酸素ガス通路５２を介して供給された酸素と、第４通路６４を介して入口部に供給される循環ガス（主として作動ガスであるアルゴンガス）とを混合し、その混合したガスを出口部から第５通路６５に排出するようになっている。
【００５９】
作動ガス循環通路部６０は、第１〜第５通路（第１〜第５経路、第１〜第５流路形成管）６１〜６５、アルゴンガス流量計６６及びブローバイガスリターン通路６７を備えている。
【００６０】
第１通路６１は、排気ポート３２と上流側凝縮部７０の入口部とを接続している。第２通路６２は上流側凝縮部７０の出口部と下流側凝縮部８０の入口部とを接続している。第３通路６３は、下流側凝縮部８０の出口部とアルゴンガス流量計６６の入口部とを接続している。第４通路６４は、アルゴンガス流量計６６の出口部と酸素ガスミキサ５５の入口部とを接続している。第５通路６５は、酸素ガスミキサ５５の出口部と吸気ポート３１とを接続している。ブローバイガスリターン通路６７は、クランクケース２２と第４通路６４とを接続している。
【００６１】
アルゴンガス流量計６６は、第３通路６３を流れるアルゴンガスの量（アルゴンガス流量）を計測し、同アルゴンガス流量FArを表す信号を発生するようになっている。
ブローバイガスリターン通路６７は、クランクケース２２内に漏洩したブローバイガスを第４通路６４に戻すようになっている。
【００６２】
上流側凝縮部７０は、上流側水蒸気分離部７１と冷却水供給部７２とを備えている。
【００６３】
上流側水蒸気分離部７１は、燃焼室２１から排出された燃焼後のガス（排ガス）であって水蒸気の凝縮がなされていない循環ガス（以下、「凝縮前排ガス」ともいう。）を排気ポート３２、第１通路６１及び上流側凝縮部７０の入口部を経由して導入するようになっている。上流側水蒸気分離部７１は、上流側凝縮部７０の入口部から導入した凝縮前排ガスを冷却水供給部７２から供給される冷却水により冷却することにより、その循環ガスに含まれる水蒸気を凝縮（液化）するようになっている。
【００６４】
これにより、上流側水蒸気分離部７１（従って、上流側凝縮部７０）は、凝縮前排ガスに含まれる水蒸気を非凝縮ガスと分離して凝縮水（一次凝縮水）となし、凝縮前排ガスから凝縮水となった水蒸気を分離した循環ガスを、その出口部から外部（第２通路６２）に排出するようになっている。上流側水蒸気分離部７１（従って、上流側凝縮部７０）において分離された一次凝縮水は、上流側水蒸気分離部７１から排出され、貯水タンク１００に貯留されるようになっている。
【００６５】
冷却水供給部７２は、冷却水循環通路７２ａと冷却水循環用ポンプ７２ｂと冷却部７２ｃとを備えている。冷却水循環通路７２ａは、上流側水蒸気分離部７１の冷却水出口部と冷却水入口部とを連通する通路である。冷却水循環用ポンプ７２ｂ及び冷却部７２ｃは、冷却水循環通路７２ａに介装されている。冷却水循環用ポンプ７２ｂは、冷却水循環通路７２ａ内の冷却水を一方向に循環させるようになっている。冷却部７２ｃは、上流側水蒸気分離部７１から排出された温度の高い冷却水を大気と熱交換させることにより冷却するようになっている。冷却部７２ｃにおいて冷却された冷却水は冷却水循環用ポンプ７２ｂを通して上流側水蒸気分離部７１に供給される。
【００６６】
以上により、上流側凝縮部７０は、循環通路に挿入されるとともに同循環通路を通流するガスである循環ガスを大気と熱交換させることにより同循環ガスに含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水となし同循環ガスから同熱交換により凝縮水となった水蒸気を分離する第一凝縮部７０を構成している。換言すると、上流側凝縮部７０は、循環通路を通流する循環ガスであって燃焼室２１から排出され且つ水蒸気の凝縮がなされる前のガスである凝縮前排ガスを導入するとともに、その導入した凝縮前排ガスを冷却水を介して大気と熱交換させることにより凝縮前排ガスに含まれる水蒸気を凝縮水となし、その凝縮水となった水蒸気を分離したガスを一次凝縮水分離後ガスとして第２通路６２に排出するようになっている。
【００６７】
下流側凝縮部８０は、凝縮水噴射用ポンプ８１と凝縮水噴射部８２と下流側水蒸気分離部８３とを備えている。
【００６８】
凝縮水噴射用ポンプ８１は、駆動信号に応答して貯水タンク１００に貯水されている凝縮水を汲み上げ且つ加圧して凝縮水噴射部８２に供給するようになっている。
凝縮水噴射部８２は、凝縮水噴射用ポンプ８１によって供給された凝縮水を微細な液滴として下流側水蒸気分離部８３の外壁に向けて噴射するようになっている。凝縮水噴射用ポンプ８１の作動が停止された場合、凝縮水噴射部８２は凝縮水の噴射を停止するようになっている。
【００６９】
下流側水蒸気分離部８３は、上流側凝縮部７０の出口部から排出された循環ガス（一次凝縮水分離後ガス）を第２通路６２及び下流側凝縮部８０の入口部を経由して導入するようになっている。下流側水蒸気分離部８３は、下流側凝縮部８０の入口部を経由して導入した循環ガスを内部を経由して出口部から第３通路６３に排出するようになっている。下流側水蒸気分離部８３の外壁には、凝縮水噴射部８２から噴射された凝縮水が付着し且つ気化する。従って、下流側水蒸気分離部８３の外壁は凝縮水の気化潜熱により大気温度よりも低い温度にまで冷却される。これにより、下流側水蒸気分離部８３を通過する循環ガスは大気温度よりも低い温度にまで冷却されるので、その循環ガスに残存している水蒸気が凝縮する。その凝縮された凝縮水（二次凝縮水）は、貯水タンク１００に貯留されるようになっている。
【００７０】
即ち、下流側水蒸気分離部８３（従って、下流側凝縮部８０）は、循環通路に挿入されるとともに上流側凝縮部７０において凝縮された凝縮水の気化潜熱を利用して上流側凝縮部７０から排出された循環ガス（一次凝縮水分離後ガス）を冷却することにより、その循環ガスに含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水となし、その循環ガスからその気化潜熱を利用することにより凝縮水となった水蒸気を分離した循環ガスを二次凝縮水分離後ガスとして外部（第３通路６３）に排出する第二凝縮部８０を構成している。
【００７１】
電気制御装置９０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリ及びインターフェースを含む周知のマイクロコンピュータを主体とする電子装置である。電気制御装置９０には、水素ガス流量計４４、酸素ガス流量計５４、アルゴンガス流量計６６、アクセルペダル操作量センサ９１、エンジン回転速度センサ９２、ガス温度センサ９３、酸素濃度センサ９４及び水素濃度センサ９５が接続されている。電気制御装置９０は、これらから各測定信号（検出信号）を入力するようになっている。
【００７２】
アクセルペダル操作量センサ９１は、アクセルペダルＡＰの操作量を検出し、同アクセルペダルＡＰの操作量を表す信号Accpを出力するようになっている。エンジン回転速度センサ９２は、クランク軸１４の回転速度に基づいてエンジン回転速度を表す信号ＮＥとクランク角度を表す信号とを発生するようになっている。
【００７３】
ガス温度センサ９３は、第２通路６２に配設されている。ガス温度センサ９３は、配設部位（第２通路６２）を流れる一次凝縮水分離後ガスの温度を検出し、そのガス温度を表す信号Texを発生するようになっている。酸素濃度センサ９４及び水素濃度センサ９５は、第３通路６３に配設されている。酸素濃度センサ９４は、配設部位（第３通路６３）を流れる循環ガスの酸素濃度を検出し、酸素濃度を表す信号Voxを発生するようになっている。水素濃度センサ９５は、配設部位（第３通路６３）を流れる循環ガスの水素濃度を検出し、水素濃度を表す信号VH2を発生するようになっている。
【００７４】
更に、電気制御装置９０は、各気筒の水素噴射弁３５、酸素ガス圧レギュレータ５３及び凝縮水噴射用ポンプ８１と接続されていて、これらに指示信号又は駆動信号を送出するようになっている。
【００７５】
次に、上記のように構成された作動ガス循環型エンジン１０を含むシステムの作動について図２乃至図４を参照しながら説明する。
【００７６】
電気制御装置９０のＣＰＵは、エンジン１０のクランク角度が所定のクランク角度（例えば、各気筒の圧縮上死点前９度）に一致する毎に図２にフローチャートにより示した噴射制御ルーチンを実行するようになっている。従って、エンジン１０のクランク角度が前記所定のクランク角度に一致すると、ＣＰＵはこのルーチンの処理をステップ２００から開始してステップ２０５に進み、要求水素量ＳＨ２を現時点にて検出されているアクセルペダル操作量Accp（負荷）及び現時点にて検出されているエンジン回転速度ＮＥと関数ｆ１とに基づいて求める。関数ｆ１は、アクセルペダル操作量Accp及びエンジン回転速度ＮＥにより定まる運転要求トルクに応じた要求水素量ＳＨ２を求めるための予め定められた関数（例えば、ルックアップテーブル）である。
【００７７】
次いで、ＣＰＵはステップ２１０に進み、上記要求水素量ＳＨ２及び現時点で検出されているエンジン回転速度ＮＥと、予め定められた関数ｆ２（例えば、ルックアップテーブル）と、に基づいて要求水素量ＳＨ２を水素噴射弁３５の開弁時間である水素噴射時間ＴＡＵに変換する。そして、ＣＰＵはステップ２１５に進んで水素噴射時間ＴＡＵの時間だけ圧縮上死点前９度のクランク角度となっている気筒の水素噴射弁３５を開弁する駆動信号を水素噴射弁３５に送出し、ステップ２９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。これにより、要求されたトルクを発生するのに必要な量の水素が燃焼室２１内に供給され、拡散燃焼によって燃焼させられる。
【００７８】
なお、ＣＰＵは、現時点にて検出されているアクセルペダル操作量Accp（負荷）及び現時点にて検出されているエンジン回転速度ＮＥ等に基づいて、水素ガス噴射タイミング（ガス燃料噴射タイミング）を決定し、その水素ガス噴射タイミングにて水素ガスを噴射させてもよい。いずれにしても、水素ガス噴射タイミングは、圧縮上死点近傍のタイミングであって、拡散燃焼が安定的に行われるタイミングに設定される。
【００７９】
更に、ＣＰＵは、所定時間の経過毎に図３にフローチャートにより示したレギュレータ制御ルーチンを実行するようになっている。従って、ＣＰＵは、所定のタイミングになるとこのルーチンの処理をステップ３００から開始してステップ３０５に進み、現時点における要求水素量ＳＨ２の単位時間あたりの平均値ＳＨ２aveを算出する。この算出は、前述した図２のステップ２０５により求められる各気筒に対する要求水素量ＳＨ２の総てを単位時間に渡って積算することにより行われる。次いで、ＣＰＵはステップ３１０に進んで上記のようにして求められた平均値ＳＨ２aveと予め定められた関数ｆ３（例えば、ルックアップテーブル）とに基づいて目標酸素ガス流量FO2tgtを求める。
【００８０】
前述したように、エンジン１０は水素を燃料として燃焼させる。従って、水素の燃焼により水のみを生成するためには、水素２モルに対して酸素１モルを供給する必要がある。このため、関数ｆ３は、平均値ＳＨ２aveにより表される水素のモル数の半分のモル数の酸素（実際には、同半分のモル数の酸素量に相当に大きい余裕量を加えた量の酸素）が燃焼室２１に供給されるように、目標酸素ガス流量FO2tgtを決定するようになっている。
【００８１】
次いで、ＣＰＵはステップ３１５に進み、現時点にて検出されている酸素ガス流量FO2が上記目標酸素ガス流量FO2tgt以上であるか否かを判定する。そして、ＣＰＵは、現時点にて検出されている酸素ガス流量FO2が上記目標酸素ガス流量FO2tgt以上であると判定したとき、ステップ３２０に進んで酸素ガス圧レギュレータ５３の目標調整圧力RO2tgtを正の一定値ａだけ減少させる。これにより、酸素ガスミキサ５５に供給される酸素ガス量が減少する。
【００８２】
一方、ＣＰＵは、ステップ３１５にて現時点にて検出されている酸素ガス流量FO2が上記目標酸素ガス流量FO2tgtより小さいと判定したとき、ステップ３２５に進んで酸素ガス圧レギュレータ５３の目標調整圧力RO2tgtを正の一定値ｂだけ増大させる。これにより、酸素ガスミキサ５５に供給される酸素ガス量が増大する。以上により、必要十分な量の酸素が酸素ガスミキサ５５を介して燃焼室２１に供給される。次いで、ＣＰＵはステップ３９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。以上により、適量の水素ガス及び酸素ガスが燃焼室２１に供給される。
【００８３】
更に、ＣＰＵは、所定時間の経過毎に図４にフローチャートにより示した凝縮水噴射用ポンプ制御ルーチンを実行するようになっている。従って、ＣＰＵは、所定のタイミングになるとこのルーチンの処理をステップ４００から開始してステップ４０５に進み、現時点におけるガス温度（上流側凝縮部７０を通過した後のガスの温度であって、下流側凝縮部８０に流入する前の循環ガスの温度、即ち、一次凝縮水分離後ガスの温度）Texを取得する。次いで、ＣＰＵはステップ４１０に進み、取得したガス温度Texが所定値Texthより大きいか否かを判定する。
【００８４】
ところで、図５の曲線Ｃは、ガスの温度に対する飽和水蒸気圧を示している。いま、ガスの温度が６０℃であるときに約２０ｋＰａの水蒸気が同ガス中に含まれていると仮定する。このとき、ガスの温度に対するエンジンの理論熱効率ηｔｈは曲線Ｌ１〜Ｌ４により、ガスの温度に対するガスの比熱比κは曲線Ｍ１〜Ｍ４により、ガスの温度に対する汽水分離率は曲線Ｎ１〜Ｎ４により示される。ここで、曲線Ｌ１、Ｍ１及びＮ１は、各ガス温度に対して水蒸気を完全に凝縮・分離した場合（飽和凝縮時）の曲線であり、曲線Ｌ２、Ｍ２及びＮ２は、ガス温度に対して水蒸気を飽和凝縮状態の９０％分だけ凝縮・分離した場合の曲線である。また、曲線Ｌ３、Ｍ３及びＮ３は、ガス温度に対して水蒸気を飽和凝縮状態の５０％分だけ凝縮・分離した場合の曲線であり、曲線Ｌ４、Ｍ４及びＮ４は、ガス温度に対して水蒸気を飽和凝縮状態の２０％分だけ凝縮・分離した場合の曲線である。
【００８５】
この図５から、ガス温度を低くして汽水分離率を高めるほど、ガスの比熱比κは上昇し、その結果、エンジンの理論熱効率ηｔｈも上昇することが理解される。なお、エンジンの理論熱効率ηｔｈはエンジンの圧縮比をεとするとき、以下の（１）式により求めることができる。
ηｔｈ＝１−（１／εκ−１）      …（１）
【００８６】
このように、燃焼室２１に供給されるガスに含まれる水蒸気の量が少ないほど、エンジン１０を高い熱効率をもって（効率よく）運転させることができる。
【００８７】
いま、ステップ４０５にて取得したガス温度Texが所定値Texthより大きいと仮定する。この場合、一次凝縮水分離後ガスには多量の水蒸気が残存している。従って、下流側凝縮部８０によって更に水蒸気を凝縮させて一次凝縮分離後ガスから分離しなければ、循環ガスに含まれる水蒸気量が多くなり、作動ガスの比熱比が大きくなるので、エンジン１０の熱効率が低下する。そこで、ＣＰＵはステップ４１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ４１５に進み、凝縮水噴射用ポンプ８１を作動させる駆動信号を凝縮水噴射用ポンプ８１に供給する。その後、ＣＰＵはステップ４９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【００８８】
この結果、貯水タンク１００に貯水されている凝縮水が凝縮水噴射部８２より下流側水蒸気分離部８３の外壁に向けて噴射され、その外壁にて気化する。このとき、気化した凝縮水は気化潜熱を奪うので、下流側水蒸気分離部８３の外壁は大気温度よりも低い温度にまで冷却される。従って、下流側水蒸気分離部８３を通過する循環ガス（一次凝縮分離後ガス）は大気温度よりも低い温度にまで冷却されるので、その循環ガスに残存している水蒸気が凝縮液化する。その結果、下流側凝縮部８０（下流側水蒸気分離部８３）から排出され循環通路を通して燃焼室２１に供給される循環ガスに含まれる水蒸気の量が低下するから、エンジンの熱効率が高い値に維持される。このとき、下流側水蒸気分離部８３にて凝縮された凝縮水は貯水タンク１００に貯留される。
【００８９】
一方、取得したガス温度Texが所定値Texth以下である場合、一次凝縮水分離後ガスに含まれる水蒸気の量は比較的少ない。従って、下流側凝縮部８０において凝縮水の気化潜熱を利用した循環ガスの冷却を行わなくても（即ち、一次凝縮水分離後ガスに含まれる水蒸気を更に凝縮して分離しなくても）、エンジン１０は比較的高い熱効率にて運転され得る。そこで、ＣＰＵはステップ４１０にて「Ｎｏ」と判定してステップ４２０に進み、凝縮水噴射用ポンプ８１の作動を停止させ、その後、ステップ４９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。これにより、貯水タンク１００に貯留される凝縮水を無駄に使用することを回避することができる。なお、貯水タンク１００には、凝縮水噴射用ポンプ８１が作動させられているか否か（下流側凝縮部８０において気化潜熱に基づく水蒸気の分離が行われているか否か）に関わらず、上流側凝縮部７０において得られた凝縮水が供給されている。
【００９０】
以上、説明したように、本発明の第１実施形態に係るエンジン１０は、上流側凝縮部７０から得られた凝縮水の気化潜熱を下流側凝縮部８０において利用することにより、循環ガス（実際には、一次凝縮水分離後ガス）に含まれる水蒸気を更に分離し、その分離後のガス（二次凝縮水分離後ガス）を燃焼室２１に再供給する。従って、燃焼室２１に再供給されるガスに含まれる水蒸気の量を低減することができるので、作動ガスとして機能するガスの比熱比が増大しない。その結果、エンジン１０は、高い熱効率にて運転され続けることができる。
【００９１】
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係るエンジンは、図６に示したように、上記第１実施形態の上流側凝縮部７０及び下流側凝縮部８０に代えてそれらを第２通路６２を経由することなく連結した一つの凝縮部１１０を備える点、第１実施形態における貯水タンク１００に代えて第１貯水タンク１０１と第２貯水タンク１０２とを備える点、及び、第１ポンプ８１に加えて第２ポンプ８４を備える点において、第１実施形態のエンジンと相違している。従って、以下、係る相違点を中心として説明する。
【００９２】
この凝縮部１１０は、上流側凝縮部７０の出口部を下流側凝縮部８０の入口部に直接接続した凝縮部である。ガス温度センサ９３は、上流側凝縮部７０と下流側凝縮部８０との接続部に配設されている。
【００９３】
第一貯水タンク１０１は、上流側凝縮部７０（従って、上流側水蒸気分離部７１）から排出された一次凝縮水を貯留するようになっている。第二貯水タンク１０２は、下流側凝縮部８０（従って、下流側水蒸気分離部８３）から排出された二次凝縮水を貯留するようになっている。第１ポンプ８１は、駆動信号に応答して第一貯水タンク１０１に貯水されている凝縮水を汲み上げ且つ加圧して凝縮水噴射部８２に供給するようになっている。第２ポンプ８４は、駆動信号に応答して第二貯水タンク１０２に貯水されている凝縮水を汲み上げ且つ加圧して凝縮水噴射部８２に供給するようになっている。凝縮水噴射部８２は、第１ポンプ８１又は第２ポンプ８４の少なくとも一方から供給された凝縮水を微細な液滴として下流側水蒸気分離部８３の外壁に向けて噴射するようになっている。
【００９４】
第２実施形態に係るエンジンは、第１実施形態と同様に作動する。但し、そのＣＰＵが図４のステップ４１５を実行する場合、第１ポンプ８１及び第２ポンプ８４を同時に作動させるとともに、ステップ４２０を実行する場合、第１ポンプ８１及び第２ポンプ８４の作動を同時に停止する。
【００９５】
従って、この構成によっても、一次凝縮水及び二次凝縮水を有効に使用することができる。また、第１実施形態のように、第２通路６２によって上流側凝縮部７０の出口部と下流側凝縮部８０の入口部とを接続する必要がないので、エンジン全体のコストを低減することができる。
【００９６】
以上、説明したように、本発明による各実施形態に係る作動ガス循環エンジンは、大気温度が高い場合であっても、循環ガスを大気と熱交換することにより得られている凝縮水の気化潜熱を利用することにより燃焼室２１に再供給される循環ガスに含まれる水蒸気の量を低減することができる。従って、作動ガスに比熱比の高い水蒸気が多く含まれなくすることができるので、作動ガスの比熱比が増大しない。その結果、これらのエンジンは、高い熱効率にて運転され続けることができる。
【００９７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記各実施形態に係るエンジンは水素を拡散燃焼させていたが、自着火燃焼運転又は燃焼室２１に配設された点火プラグからの火花による火炎伝播燃焼運転を行うエンジンにも本発明を適用することができる。
【００９８】
また、第１及び第２実施形態において、上流側凝縮部（第一凝縮部）７０は水冷式であったが、例えば図７に示したように、空冷式であってもよい。即ち、図７に示した第一変形例においては、上流側凝縮部１２０が冷却水供給部７２に代わる電動ファン１２２を備えていて、電動ファン１２２による送風によって上流側水蒸気分離部７１に代わる上流側凝縮水分離部１２１を冷却することにより、上流側凝縮部１２０の入口部から導入した循環ガスを冷却し、以って、その循環ガスに含まれる水蒸気を凝縮するようになっている。この場合、上流側凝縮部１２０と下流側凝縮部８０との間に仕切板１２３を設けることが望ましい。
【００９９】
また、第二変形例の部分構成図である図８に示したように、上記上流側凝縮部（第一凝縮部）と上記下流側凝縮部（第二凝縮部）とがそれぞれ有する水蒸気分離部を共用させてもよい。即ち、図８に示した凝縮部１４０は、水蒸気分離部１４１、電動ファン１４２、凝縮水噴射用ポンプ１４３及び凝縮水噴射部１４４を備えている。
【０１００】
電動ファン１４２は水蒸気分離部１４１に大気を送るようになっている。水蒸気分離部１４１は、第１通路６１を通して水蒸気分離部１４１に導入された凝縮前排ガス（循環ガス）を、電動ファン１４２から送られてくる大気と熱交換させることにより、その導入した凝縮前排ガスに含まれる水蒸気を凝縮水となし、その凝縮水となった水蒸気を凝縮前排ガスから分離したガスを第３通路６３に排出するようになっている。従って、水蒸気分離部１４１及び電動ファン１４２は、上述した大気との熱交換により水蒸気を分離する第一凝縮部を構成する。また、水蒸気分離部１４１にて凝縮された凝縮水は貯水タンク１００に供給されるようになっている。
【０１０１】
凝縮水噴射用ポンプ１４３は、駆動信号に応答して貯水タンク１００に貯水されている凝縮水を汲み上げ且つ加圧して凝縮水噴射部１４４に供給するようになっている。凝縮水噴射部１４４は、凝縮水噴射用ポンプ１４３によって供給された凝縮水を微細な液滴として水蒸気分離部１４１の外壁に向けて噴射するようになっている。水蒸気分離部１４１の外壁に向けて噴射された凝縮水は気化する。
【０１０２】
これにより、水蒸気分離部１４１は、第１通路６１を通して水蒸気分離部１４１に導入された凝縮前排ガス（循環ガス）を、水蒸気分離部１４１の外壁に向けて噴射された凝縮水の気化潜熱を利用することにより冷却し、それにより、その導入した凝縮前排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水となす。そして、水蒸気分離部１４１は、凝縮前排ガスからその凝縮水となった水蒸気を分離した循環ガスを第３通路６３に排出するようになっている。従って、水蒸気分離部１４１、凝縮水噴射用ポンプ１４３及び凝縮水噴射部１４４は、上述した気化潜熱を利用することにより水蒸気を分離する第二凝縮部を構成する。
【０１０３】
なお、この場合、ガス温度センサ９３は、第３通路６３に配設され得る。このガス温度センサ９３は、凝縮水噴射用ポンプ１４３の作動が停止されているとき、水蒸気分離部１４１及び電動ファン１４２が実質的に構成する第一凝縮部から排出された循環ガスの温度Texを検出する。そして、ＣＰＵはそのように取得された循環ガスの温度Texに基いて、凝縮水噴射用ポンプ１４３を制御する。即ち、取得したガス温度Texが所定値Texthより高い場合、凝縮水噴射用ポンプ１４３を作動させ、取得したガス温度Texが所定値Texth以下である場合、凝縮水噴射用ポンプ１４３の作動を停止する。
【０１０４】
また、第１実施形態において、下流側凝縮部８０から排出される凝縮水を貯水タンク１００に貯水しなくてもよい。同様に、第２実施形態において、第二貯水タンク１０２及び第２ポンプ８４を省略してもよい。
【０１０５】
更に、上記各実施形態においては、凝縮水噴射用ポンプ８１（又は第１ポンプ８１及び第２ポンプ８４）は、作動させられるか及び作動停止させられるかの何れかの状態となるように制御されていた。このような制御に代え、温度センサ９３（又は、後述する他の温度センサ或いは後述する水蒸気量センサ）により取得されたガス温度（又は水蒸気量）に応じて凝縮水噴射用ポンプ８１（又は、第１ポンプ８１及び第２ポンプ８４）の吐出量を連続的に変化させ、下流側凝縮部８０において気化潜熱が利用される凝縮水の使用量を取得されたガス温度又は水蒸気量に応じて調整してもよい。この場合、取得されたガス温度が高いほど或いは取得した水蒸気量が多いほど、下流側凝縮部８０において気化潜熱が利用される凝縮水の使用量を増大することが好ましい。
【０１０６】
加えて、第１実施形態において、温度センサ９３に代えて、又は、温度センサ９３に加えて、第３通路６３に温度センサを配設し、その温度センサにより検出された循環ガスの温度に基いて凝縮水噴射用ポンプ８１（或いは、第１ポンプ８１及び第２ポンプ８４）の制御を行ってもよい。
【０１０７】
この場合、第３通路６３に配設された温度センサは、下流側凝縮部８０において気化潜熱による水蒸気の凝縮が行われていないとき（凝縮水噴射用ポンプ８１が作動されていないとき）、実質的に上流側凝縮部（第一凝縮部）７０を通過した循環ガスの温度を取得する。従って、この温度センサが取得した循環ガスの温度に基けば、第１実施形態と同様な凝縮水噴射用ポンプ８１の制御を行うことができる。
【０１０８】
また、第３通路６３に配設された温度センサは、下流側凝縮部８０において気化潜熱による水蒸気の凝縮が行われているとき（凝縮水噴射用ポンプ８１が作動されているとき）、第一凝縮部７０及び第二凝縮部８０の両方において冷却されて水蒸気が分離された循環ガスの温度を取得する。従って、この温度センサが取得した循環ガスの温度に基けば、燃焼室２１に供給される水蒸気の量を知ることができるので、燃焼室２１に供給される水蒸気の量が適量以下となるように凝縮水噴射用ポンプ８１の吐出量の制御を行うことができる。即ち、燃焼室２１に供給される循環ガスに含まれる水蒸気の量を所望の量より少なくするのに応じた量の凝縮水を第二凝縮部８０にて使用するように構成することができる。
【０１０９】
更に、第１実施形態に係るエンジン１０は、ガス温度センサ９３に代え、循環ガスに含まれる水蒸気の量を取得する水蒸気量取得手段（例えば、水蒸気センサ）を備えてもよい。この場合、ＣＰＵは、前記取得された水蒸気の量に基づいて第二凝縮部８０にて気化潜熱が利用される凝縮水の使用量を調整するように凝縮水噴射用ポンプ８１の作動を制御してもよい。
【０１１０】
例えば、凝縮前排ガスに含まれる水蒸気量と大気温度とを知ることにより第一凝縮部冷却後ガスに含まれる水蒸気量を推定することができる。従って、凝縮前排ガスに含まれる水蒸気量を取得するための水蒸気センサを第１通路６１に配設しておき、ＣＰＵは、その水蒸気センサによって取得された水蒸気量と、別途設けられた大気温度センサによって取得される大気温度と、に基いて、第一凝縮部冷却後ガスに含まれる水蒸気の量を推定する。そして、ＣＰＵは、推定された水蒸気量に基いて、第二凝縮部８０にて気化潜熱が利用される凝縮水の使用量を適切に調整するように構成され得る。
【０１１１】
また、第一凝縮部冷却後ガスに含まれる水蒸気量を取得するための水蒸気センサを第２通路６２に配設しておき、ＣＰＵは、その水蒸気センサにより取得された水蒸気の量に基づいて、第二凝縮部８０にて気化潜熱が利用される凝縮水の使用量を調整するように凝縮水噴射用ポンプ８１の作動を制御してもよい。
【０１１２】
更に、第二凝縮部冷却後ガスに含まれる水蒸気の量を取得するための水蒸気センサを第３通路６３に配設しておき、ＣＰＵは、その水蒸気センサにより取得された第二凝縮部冷却後ガスに含まれる水蒸気量（即ち、最終的に燃焼室２１に供給される循環ガスに含まれる水蒸気の量）に基いて、第二凝縮部８０にて気化潜熱が利用される凝縮水の使用量を調整するように凝縮水噴射用ポンプ８１の作動を制御してもよい。
【０１１３】
更に、第１実施形態においては、循環ガスの流れの上流側に第一凝縮部（上流側凝縮部）７０が配設され、下流側に第二凝縮部（下流側凝縮部）８０が配設されていた。即ち、
第一凝縮部７０及び第二凝縮部８０は、循環ガスの流れに対して直列に設けられていた。これに対し、例えば、図９及び図１０に示したように、第一凝縮部及び第二凝縮部が循環ガスの流れに対して並列に設けられてもよい。
【０１１４】
より具体的に述べると、図９に示した第三変形例に係る作動ガス循環型エンジンは、第一凝縮部１５１と第二凝縮部１５２とを備えている。
【０１１５】
第一凝縮部１５１は、上述した水蒸気分離部１４１及び上述した電動ファン１４２を備えている。水蒸気分離部１４１は第１通路６１と第３通路６３との間に挿入されている。第一凝縮部１５１は、第１通路６１を通して水蒸気分離部１４１に導入された凝縮前排ガス（循環ガス）を、電動ファン１４２から送られてくる大気と熱交換させることにより、その導入した凝縮前排ガスに含まれる水蒸気を凝縮水となし、その凝縮水となった水蒸気を凝縮前排ガスから分離したガスを第３通路６３に排出するようになっている。第一凝縮部１５１にて凝縮された凝縮水は貯水タンク１００に供給されるようになっている。
【０１１６】
第二凝縮部１５２は第１通路６１と第３通路６３との間に挿入されている。即ち、第一凝縮部１５１と第二凝縮部１５２は、前述したように、循環通路を流れる循環ガスの流れに関して並列に配置されている。第二凝縮部１５２は、上述した水蒸気分離部１４１、上述した凝縮水噴射用ポンプ１４３及び上述した凝縮水噴射部１４４を備えている。これらにより、第二凝縮部１５２は、貯水タンク１００に貯留された凝縮水の気化潜熱を利用することにより第１通路６１を通して第二凝縮部１５２の水蒸気分離部１４１に導入された凝縮前排ガス（循環ガス）から水蒸気を分離するようになっている。第二凝縮部１５２にて凝縮された凝縮水も貯水タンク１００に供給されるようになっている。
【０１１７】
更に、この第三変形例は、流路切換え部１５３を備えている。流路切換え部１５３は、第１通路６１と第二凝縮部１５２の入口部との間に挿入されている。流路切換え部１５３は、電気制御装置からの駆動信号に応答して第１通路６１と第二凝縮部１５２とを接続する状態と遮断する状態との何れかの状態を達成するようになっている。
【０１１８】
そして、ＣＰＵは、第一凝縮部１５１の出口部のガスの温度Texをガス温度センサ９３から取得し、その取得したガス温度Texが所定値Texthより高い場合、凝縮水噴射用ポンプ１４３を作動させるとともに、流路切換え部１５３によって第１通路６１と第二凝縮部１５２とを接続する。これにより、第一凝縮部１５１及び第二凝縮部１５２の両者によって循環ガスからの水蒸気の分離がなされる。
【０１１９】
この結果、第一凝縮部１５１のみにより循環ガスから水蒸気を分離している場合より多い量の水蒸気を循環ガスから分離することができるので、作動ガスとして機能するガスの比熱比が増大しない。従って、この変形例に係るエンジンも高い熱効率にて運転され続けることができる。なお、ＣＰＵは、ガス温度Texが所定値Texth以下である場合、凝縮水噴射用ポンプ１４３の作動を停止させるとともに、流路切換え部１５３によって第１通路６１と第二凝縮部１５２との接続を遮断する。これにより、第一凝縮部１５１のみによる水蒸気の分離が実施されるので、貯水タンク１００に貯留されている凝縮水を無駄に消費することを回避することができる。
【０１２０】
更に、図１０に示した本発明の第四変形例に係る作動ガス循環型エンジンは、第三変形例の流路切換え部１５３を流路切換え部１５４に置換した点のみにおいて、第三変形例に係るエンジンと相違している。この流路切換え部１５４は、電気制御装置からの駆動信号に応答して第一凝縮部１５１及び第二凝縮部１５２の何れか一方を第１通路６１に選択的に接続するようになっている。
【０１２１】
そして、ＣＰＵは、第一凝縮部１５１の出口部のガスの温度Texをガス温度センサ９３から取得し、その取得したガス温度Texが所定値Texth以下である場合、凝縮水噴射用ポンプ１４３の作動を停止させるとともに、流路切換え部１５４によって第１通路６１と第一凝縮部１５１とを接続し、第１通路６１と第二凝縮部１５２との接続を遮断する。これにより、第一凝縮部１５１のみによる循環ガスからの水蒸気の分離が行われる。
【０１２２】
一方、ＣＰＵは、取得したガス温度Texが所定値Texthより高い場合、凝縮水噴射用ポンプ１４３を作動させるとともに、流路切換え部１５４によって第１通路６１と第一凝縮部１５１との接続を遮断し、第１通路６１と第二凝縮部１５２とを接続する。これにより、第二凝縮部１５２のみによる循環ガスからの水蒸気の分離が行われる。
【０１２３】
これにより、取得したガス温度Texが所定値Texthより高い場合、第一凝縮部１５１により循環ガスから水蒸気を分離している場合より多い量の水蒸気を循環ガスから分離することができるので、作動ガスとして機能するガスの比熱比が増大しない。その結果、この変形例に係るエンジン１０も、高い熱効率にて運転され続けることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る作動ガス循環型エンジンを含むシステムの概略図である。
【図２】図１に示した電気制御装置のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。
【図３】図１に示した電気制御装置のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。
【図４】図１に示した電気制御装置のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。
【図５】ガス温度に対するエンジン理論熱効率、ガスの比熱比、汽水分離率及び飽和水蒸気圧の変化の様子を示したグラフである。
【図６】本発明の第２実施形態に係る作動ガス循環型エンジンの部分概略図である。
【図７】本発明の第一変形例に係る作動ガス循環型エンジンの部分概略図である。
【図８】本発明の第二変形例に係る作動ガス循環型エンジンの部分概略図である。
【図９】本発明の第三変形例に係る作動ガス循環型エンジンの部分概略図である。
【図１０】本発明の第四変形例に係る作動ガス循環型エンジンの部分概略図である。
【符号の説明】
【０１２５】
１０…作動ガス循環型エンジン（水素エンジン）、１１…シリンダヘッド、１２…シリンダ、１３…ピストン、２１…燃焼室、３１…吸気ポート、３２…排気ポート、３３…吸気弁、３４…排気弁、３５…水素噴射弁、４０…水素供給部、４１…水素タンク、５０…酸素供給部、５１…酸素タンク、５５…酸素ガスミキサ、６０…作動ガス循環通路部、６１〜６５…第１通路〜第５通路、７０…上流側凝縮部（第一凝縮部）、７１…上流側凝縮水分離部、７２…冷却水供給部、７２ａ…冷却水循環通路、７２ｂ…冷却水循環用ポンプ、７２ｃ…冷却部、８０…下流側凝縮部（第二凝縮部）、８１…凝縮水噴射用ポンプ（第１ポンプ）、８２…凝縮水噴射部、８３…下流側凝縮水分離部、８４…第２ポンプ、９０…電気制御装置、９３…ガス温度センサ、１００…貯水タンク。
【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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