(57)【要約】【課題】簡単な構成で腐食の発生や燃費の低下を抑制しつつ、窒素酸化物の生成量を大きく低減することのできる往復動型内燃機関を提供する。【解決手段】ディーゼルエンジン１１は、燃焼室１５と、その燃焼室１５内に燃料を噴射する燃料噴射ノズル２３と、燃焼室１５に空気を供給する吸気通路１７とを備える。燃焼室１５内に水蒸気を水蒸気噴射ノズル２４から供給し、水蒸気を燃焼室１５内で超臨界状態に移行させた後、燃料を空気と水との超臨界混合流体と共に燃焼させて、その燃焼ガスをディーゼルエンジン１１の作動流体とする。【選択図】図１
2008115721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にピストンを往復動可能に収容することにより容積可変の燃焼室が区画形成されたシリンダと、該シリンダの前記燃焼室内に燃料流体を噴射する燃料噴射装置と、前記燃焼室内に空気を供給する空気供給路と、前記燃焼室内に水蒸気を供給する水蒸気供給装置とを備え、
前記燃焼室内において、前記水蒸気を超臨界状態に移行させた後、燃料流体を空気と水との超臨界混合流体と共に燃焼させ、その燃焼ガスが作動流体となることにより動力を得ることを特徴とする往復動型内燃機関。
【請求項２】
前記燃料噴射装置は、前記燃料流体を前記燃焼室内において生成された空気と水との超臨界混合流体中に噴射することを特徴とする請求項１に記載の往復動型内燃機関。
【請求項３】
前記空気と水との超臨界混合流体は、前記燃焼室内において、前記空気と前記水蒸気との混合流体が圧縮されることにより生成されることを特徴とする請求項１または２に記載の往復動型内燃機関。
【請求項４】
前記水蒸気が１０ＭＰａ以下の水蒸気であることを特徴とする請求項１〜３のうち何れか一項に記載の往復動型内燃機関。
【請求項５】
前記燃焼室内において、前記燃料流体を前記空気と水との超臨界混合流体と共に圧縮して点火することを特徴とする請求項１〜４のうち何れか一項に記載の往復動型内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室内において燃料流体と空気との混合流体を燃焼させることにより所定の動力を得る往復動型内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の往復動型内燃機関として、例えば軽油や重油を燃料とし、シリンダ内で空気と混合して燃焼させることによって動力を得るディーゼルエンジンが知られている。このディーゼルエンジンは、燃焼効率がよいというメリットがある一方で、燃焼温度が高いためや、高い酸素濃度の燃焼排ガスによる３元触媒など脱窒素酸化物除去がうまく機能しないためにより、窒素酸化物の排出量が多くなるという問題を有している。そのため、近年における省エネルギー指向及び排ガス規制強化の流れの中で、燃費がよく窒素酸化物生成量の低減されたディーゼルエンジンの要求がますます高まっている。
【０００３】
ここで、エンジン中に水を供給して、水の比熱や蒸発潜熱の大きさから燃焼温度を低下させることにより、窒素酸化物の生成量が低減されることは広く知られており、例えばシリンダ内への水の噴射、燃料と水とを混合してエマルジョン化したエマルジョン燃料の使用、吸気加湿等の技術が数多く提案されている。
【０００４】
また、シリンダ内に超臨界水または亜臨界水を導入して、窒素酸化物の生成を抑制しつつ、燃費の維持向上を図る技術も提案されている。例えば、シリンダの外部において燃料と超臨界水または亜臨界水とを混合し、その混合流体をシリンダ内に噴射する技術が特許文献１に開示されている。さらに、例えば、上死点前９０°〜上死点後３０°の範囲内で、シリンダ内に超臨界水を噴射する往復動内燃機関の運転方法が特許文献２に開示されている。
【特許文献１】特表２００２−５０８４３５号公報
【特許文献２】特開２００３−１４８２５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、シリンダ内に水を多量に噴射すると、水が気化する際に蒸発潜熱が奪われるため、エネルギーが消費され、燃費が大きく低下する。また、燃料噴射ノズルやピストン等の腐食も進行しやすくなり、特に硫黄分を多く含む低質油燃料を用いる場合、低質油燃料と混合された水中には金属攻撃種である硫酸イオンが生成され、腐食が著しく進行する。また、失火防止の観点から、シリンダ内に導入する水分量を大きくすることは難しく、窒素酸化物の大幅な低減も困難である。
【０００６】
一方、エマルジョン燃料を用いた場合には、窒素酸化物の生成と黒鉛の発生とを同時に低減しつつ、燃費の低下も抑制することができる。しかしながら、失火防止の観点から、エマルジョン燃料における水分量を増やしてシリンダへの水の導入量を大きくすることは難しく、窒素酸化物の生成量を大きく削減することが困難である。
【０００７】
ところで、超臨界水や亜臨界水を用いる技術では、超臨界水及び亜臨界水が種々の金属材料に対して非常に高い腐食性を有しているという問題を有している。ここで、前記従来構成の往復動型内燃機関では、予めシリンダの外部で超臨界水または亜臨界水を生成し、その超臨界水または亜臨界水を燃料と混合してまたは単独でシリンダ内に噴射するようになっている。このため、超臨界水や亜臨界水の生成装置、燃料との混合装置、超臨界水や亜臨界水または混合液をシリンダ内へ導く配管路等が必要となり、内燃機関の全体構成が複雑化すると共に、これらは常に腐食性の高い超臨界水や亜臨界水に接することになるため、製品寿命が短くなり、メンテナンスに非常な手間とコストがかかるというという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成で腐食の発生や燃費の低下を抑制しつつ、窒素酸化物の生成量を大きく低減することのできる往復動型内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、内部にピストンを往復動可能に収容することにより容積可変の燃焼室が区画形成されたシリンダと、該シリンダの前記燃焼室内に燃料流体を噴射する燃料噴射装置と、前記燃焼室内に空気を供給する空気供給路と、前記燃焼室内に水蒸気を供給する水蒸気供給装置とを備え、前記燃焼室内において、前記水蒸気を超臨界状態に移行させた後、燃料流体を空気と水との超臨界混合流体と共に燃焼させ、その燃焼ガスが作動流体となることにより動力を得ることを要旨とする。
【００１０】
この往復動型内燃機関では、水蒸気をシリンダの燃焼室内に導入して、燃焼室内で超臨界水を生成させる構造であるため、超臨界水を貯留・輸送等するための大がかりな周辺装置を不要にできると共に、シリンダに対する配管等が超臨界水に接することもない。また、燃焼室内の水は、水蒸気という気体状態から加熱及び加圧されるため、超臨界水の生成過程で高腐食領域を通過することがない。このため、内燃機関の構成を簡単なものにできると共に、構成部材及び周辺部材の腐食を抑制することができる。また、燃焼室内での燃料の燃焼に際しては、空気と水との超臨界混合流体を介在させることにより、燃料の燃焼効率を高めて高燃費を維持しつつ窒素酸化物の生成量を大きく低減することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の往復動型内燃機関において、前記燃料噴射装置は、前記燃料流体を前記燃焼室内において生成された空気と水との超臨界混合流体中に噴射することを要旨とする。
【００１２】
この往復動型内燃機関では、超臨界水が仲立ちとなって燃料と空気との均一な混合が促進され、請求項１に記載の発明の作用が一層効果的に発揮される。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の往復動型内燃機関において、前記空気と水との超臨界混合流体は、前記燃焼室内において、前記空気と前記水蒸気との混合流体が圧縮されることにより生成されることを要旨とする。
【００１３】
この往復動型内燃機関では、圧縮行程での断熱圧縮により水蒸気の温度及び圧力が急上昇するため、水蒸気を燃料の燃焼時までに超臨界状態に移行させることができる。このため、超臨界水の生成に際して、余分な熱エネルギーの投入や、高圧の水ポンプ及び耐高圧性の熱交換器を必要とせず、空気と水との超臨界混合流体を経済的に生成することができる。
【００１４】
また、燃焼室内の圧力及び温度は、燃料の燃焼後直ちに断熱膨張により低下していくため、超臨界水は燃焼の近傍において極短時間生成されるに過ぎない。しかも、燃焼室の壁面は冷却されているため、燃料の燃焼時においても燃焼室の壁面と燃焼ガスとの間には極狭い領域で温度境界が形成され、燃焼室の壁面は、超臨界水にほとんど接していない状態とすることができる。このため、燃焼室の壁面における腐食の進行をさらに抑制することができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のうち何れか一項に記載の往復動型内燃機関において、前記水蒸気が１０ＭＰａ以下の水蒸気であることを要旨とする。
この往復動型内燃機関では、燃焼室内に供給する水蒸気は、１０ＭＰａ以下の低圧蒸気で十分であり、特段の高圧ポンプを設ける必要がなく、内燃機関の構成の複雑化を抑制することができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のうち何れか一項に記載の往復動型内燃機関において、前記燃焼室内において、前記燃料流体を前記空気と水との超臨界混合流体と共に圧縮して点火することを要旨とする。
【００１７】
ここで、燃料と空気との混合流体を圧縮点火するディーゼルエンジンは、窒素酸化物の生成量が多く、排ガスが黒煙となりやすい。これに対して、この往復動型内燃機関では、空気を均一に混和された状態の燃料が低温で効率よく燃焼されるため、流体内部で燃料が蒸し焼きされにくくなり、窒素酸化物の排出が大きく低減されるとともに黒煙の発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、往復動型内燃機関において、構成の複雑化と腐食の発生と燃費の低下とを抑制しつつ、窒素酸化物の生成量を大きく低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を往復動型内燃機関の一種であるディーゼルエンジン及びその運転方法に具体化した実施形態を図に従って説明する。
（第１実施形態）
図１に示すように、この第１実施形態の運転方法が適用される往復動型内燃機関としてのディーゼルエンジン１１は、鋳鉄等の金属材料で形成されたシリンダ１２とシリンダヘッド１３とを有している。シリンダ１２内には、ピストン１４が往復動可能に収容されることにより容積可変の燃焼室１５が区画形成されている。そして、ピストン１４の往復動は、クランク機構１６を介して回転運動として外部の機械に伝達される。
【００２０】
シリンダヘッド１３には、燃焼室１５内に空気を供給する空気供給路としての吸気通路１７と、燃焼室１５内の燃焼ガスを排出するための排気通路１８とが形成されている。吸気通路１７には、その吸気ポート１９を開閉する吸気弁２０が設けられている。排気通路１８には、その排気ポート２１を開閉する排気弁２２が設けられている。
【００２１】
シリンダヘッド１３には、吸気ポート１９と排気ポート２１との間に、軽油、重油等の燃料流体を燃焼室１５内に噴射する燃料噴射装置としての燃料噴射ノズル２３と、燃焼室１５内に水蒸気を噴射して供給する水蒸気供給装置としての水蒸気噴射ノズル２４とが燃焼室１５内に覗くように設けられている。燃料噴射ノズル２３には、図示しない燃料タンク内に貯留された燃料が供給されるようになっている。
【００２２】
吸気通路１７と排気通路１８とは、過給器２５に接続されている。これにより、排気通路１８を流通する排ガスにより過給器２５の排気側タービン２６が回転されると、過給器２５の吸気側タービン２７が連動して回転され、吸気が圧縮されて燃焼室１５内に過給される。過給器２５と吸気ポート１９との間の吸気通路１７には、過給器２５を通過する際に加熱された吸気を冷却するためのインタクーラ２８が接続されている。
【００２３】
水蒸気噴射ノズル２４には水蒸気を供給する水蒸気供給路２９が接続されている。この水蒸気供給路２９には、水を貯留する水タンク３０と、送水ポンプ３１と、排ガスの熱を利用して、水蒸気を発生させる排気ボイラ３２と、燃焼室１５内への水蒸気の供給を制御する水蒸気供給制御装置３３とが設けられている。排気ボイラ３２は、水蒸気供給路２９と排気通路１８の過給器２５の下流側との間にわたって設けられており、排ガスの熱を利用して送水ポンプ３１により送られてくる水を沸騰させて水蒸気に気化させる熱交換器となっている。水蒸気供給制御装置３３は、水蒸気噴射ノズル２４による燃焼室１５内への水蒸気の噴射量及び噴射時期を制御している。
【００２４】
次に、このディーゼルエンジン１１の運転動作について説明する。
ディーゼルエンジン１１が起動されると、ピストン１４の下降にともなって吸気弁２０が吸気ポート１９を開放する。すると、燃焼室１５内に、過給器２５を介して圧縮され且つインタクーラ２８で冷却された空気が吸入される（吸入工程）。ピストン１４が下死点位置で折り返され、やがて吸気弁２０が吸気ポート１９を閉止すると、燃焼室１５内が密閉空間となって、吸入された空気が圧縮される（圧縮行程）。
【００２５】
ここで、水蒸気供給制御装置３３は、吸入行程から圧縮行程の初期まで（例えばピストン１４が上死点位置と下死点位置との中間点に至るまで）の間に、排気ボイラ３２で気化された所定量の水蒸気が、水蒸気噴射ノズル２４から燃焼室１５内に噴射されるように水蒸気噴射ノズル２４を制御する。この燃焼室１５内に噴射される水蒸気は、その圧力が１０ＭＰａ以下、好ましくは２ＭＰａ以下、さらに好ましくは１．３〜１．７ＭＰａの低圧蒸気である。この程度の圧力であれば、特段の高圧ポンプを設けることなく、送水ポンプ３１の送水圧で加圧することができる。
【００２６】
水蒸気は、圧縮行程において、その圧縮行程の終了直前には臨界点２２．１ＭＰａ、３７４℃を超えるまでに空気と共に断熱圧縮されるとともに空気と混合され、空気と超臨界水との超臨界混合流体となる。
【００２７】
この状態で、燃料が図示しないディーゼルエンジン１１の制御部の指令の下で燃料噴射ノズル２３から燃焼室１５内に噴射される。噴射された燃料は、圧縮点火されるまでの間に空気と水との超臨界混合流体と均一に混合され、燃料と空気と水との均一な超臨界状態の混合流体が生成される。そして、ピストン１４が上死点に達すると、燃料を含む超臨界状態の混合流体が圧縮点火され、燃料の燃焼に伴って燃焼ガスの急激な体積拡大によりピストン１４が下死点側に向かって押し下げられる（膨張行程）。この膨張行程において、燃焼ガスは、断熱膨張によりその温度及び圧力が急降下されることになる。これにより、燃焼室１５中の超臨界水は、超臨界条件を満たなくなり水蒸気に戻される。このように、超臨界水は、圧縮点火の寸前から膨張行程の極初期の間に生成されるに過ぎない。
【００２８】
ピストン１４が下死点に到達し、ピストン１４が上昇に転じると、排気弁２２が排気ポート２１を開放し、排ガスがピストン１４により押し退けられ、排気ポート２１から排気通路１８へと排出される（排気行程）。ディーゼルエンジン１１は、これら一連の吸気、圧縮、膨張、排気の各行程を繰り返し、その間のピストン１４の往復動をクランク機構１６を介して図示しないクランクシャフトの回転運動に変換して、そのクランクシャフトに接続される外部の機械、例えば車輪、スクリュー、プロペラ等を回転させるための動力を得る。
【００２９】
燃焼室１５から排出された排ガスは、過給器２５の排気側タービン２６に導かれ、排気側タービン２６を回転させる。過給器２５を出た排ガスは排気ボイラ３２に供給され、排ガスの熱により水蒸気供給路２９内の水が気化される。そして、排気ボイラ３２で冷却された排ガスは、大気放出等により排気される。
【００３０】
次に、このディーゼルエンジン１１の運転方法による窒素酸化物の発生量の低減等、種々の効果について説明する。
図２（ａ）は、燃焼室１５に水蒸気を噴射し、点火時の燃焼室１５の圧力が超臨界状態に達しない条件下で燃料を燃焼させたときの燃料消費量（燃費）と窒素酸化物の発生量との関係を示した図である。ここで、水蒸気は、２００℃、１ＭＰａ、エンジン回転角で上死点前１６０°の圧縮行程初期に、燃焼室１５内に噴射されている。また、図中の各曲線は、それぞれ燃料の噴射時期がエンジン回転角で上死点前２２．５°、２０°、１７．５°、１５°における水蒸気噴射なし及び水蒸気の対燃料噴射量１倍〜４倍の条件でのデータである。この図２（ａ）に示すように、水蒸気噴射量が増すに従って、曲線はグラフの下方へとシフトし、窒素酸化物の発生量が大きく低減されていることが分かる。その一方で、水蒸気噴射量が増すに従って、曲線はグラフの右方へとシフトし、燃料消費量が増大、つまり燃費が悪化していることがわかる。また、燃料の噴射時期については、上死点に近い時期に噴射するほど、窒素酸化物の発生量が少ないが、燃費は悪化することがわかる。
【００３１】
これに対して、図２（ｂ）は、図２（ａ）と同条件で燃焼室１５に水蒸気を噴射し、点火時の燃焼室１５の圧力を超臨界状態に達するように高めた条件下で燃料を燃焼させたときの燃料消費量（燃費）と窒素酸化物の発生量との関係を示した図である。図２（ｂ）に示すように、水蒸気噴射量が増すに従って、図２（ａ）の場合と同様に、曲線はグラフの下方へとシフトし、窒素酸化物の発生量が大きく低減されていることが分かる。しかも、水蒸気噴射量を増していっても、曲線はグラフの右方へほとんどシフトせず、燃料消費量はほとんど変化なし、つまり高燃費が維持されていることがわかる。このように、燃料の燃焼時において超臨界水を介在させることによって、窒素酸化物の発生を大きく抑制しつつ、燃費の悪化を防ぐことができる。また、燃料の噴射時期と窒素酸化物の発生量及び燃費の関係は、図２（ａ）の場合と同様であった。
【００３２】
ここで、超臨界水の特徴について説明する。図３に示すように、水は温度と圧力との関係により、気体（水蒸気）、液体（水）、固体（氷）と様々な状態で存在する。その状態は、水の分子間に働く引力（凝集力）と各分子の熱運動力（拡散力）との大きさの関係により決まる。凝集力が拡散力よりも大きい条件下（低温・高圧）では、固体（氷）または液体（水）となる。逆に、凝集力が拡散力よりも小さい条件下（高温・低圧）では、気体（水蒸気）となる。
【００３３】
これに対して、超臨界状態は、温度の関数で無限の力である拡散力が、有限の力である凝集力の最大値を上回る臨界点を温度、圧力ともに超えた液体とも気体とも区別のつかない高温・高圧の状態のことである。水の場合、臨界点は温度３７４℃、圧力が２２．１ＭＰａである。超臨界状態にある超臨界水は、気体に近い大きな運動エネルギーを有し、かつ液体に匹敵する大きな密度をもった高い活性を有する流体となっている。
【００３４】
さらに、燃焼等の化学反応場の重要なパラメータである誘電率やイオン積を、温度及び圧力によって制御することができる。ここで、超臨界水の誘電率は非極性の有機物に近くなり、超臨界水は非極性の有機物質である炭化水素燃料とも気体ともよく混ざり合う。このため、炭化水素燃料と空気とが、超臨界水を媒体として均一に混和する。また、水分子は、超臨界状態において、気相ラジカル反応の衝突因子や反応物として働き、炭化水素燃料の燃焼を促進する効果を有している。これらの超臨界水による均一混和効果と燃焼促進効果との相乗効果により、燃焼効率が大幅に向上されるため、水蒸気添加量が増加するにつれて窒素酸化物の生成量を低減しつつも燃料消費量を改善することができる。
【００３５】
通常、ディーゼル燃焼（圧縮点火）では、気相中に噴霧された液体燃料がまず相変化（気化）して燃焼に供される。これに対して、超臨界水を媒体とした燃焼では、液体燃料が相変化することなく燃焼に供されるため、均一燃焼しやすく燃焼室１５内に局所的な高温場が生成しにくく、窒素酸化物の生成が抑制されるとともに、燃料液滴内部が蒸し焼き状態となりにくくススの生成が抑制される。このため、超臨界水を用いることにより、排気色も改善され、黒煙の発生が抑制される。
【００３６】
図４は、燃焼室１５に水蒸気を噴射し、点火時の燃焼室１５の圧力を超臨界状態に達するように高めた条件下で燃料を燃焼させたときの燃料に対する水の添加量比と窒素酸化物の発生量との関係を示した図である。この図４に破線で示すように、水蒸気を上死点前１４５°で水蒸気を噴射した場合、前記図２（ａ），（ｂ）の場合と同様に、水の添加量比が大きくなるに従って、窒素酸化物の生成量が低減されていることがわかる。
【００３７】
一方、図４中の実線は、水の添加量比をほぼ一定として、水蒸気の噴射時期を上死点前１１５°、１３０°、１４５°、１６０°と変化させた場合における窒素酸化物の生成量の変化を示している。この実線が示すように、水蒸気の噴射時期が下死点に近いほど、窒素酸化物の生成量が低減されることがわかる。
【００３８】
また、従来技術のように燃焼室１５の外部で超臨界水を生成させるような場合には、液体の水を高圧ポンプで昇圧して密度を高めた後、加熱して超臨界状態に移行させる経路Ｂをたどる方法が一般的である。この経路Ｂでは、高腐食領域の通過が避けられず、超臨界水生成過程の高圧水加熱部や超臨界水の接する部材が腐食されやすいという問題があった。
【００３９】
これに対して、この実施形態のディーゼルエンジン１１の運転方法によれば、図３に経路Ａで示すように、水は、気体の水蒸気として燃焼室１５内に噴射され、燃焼室１５内での断熱圧縮により温度が高められるとともに圧力が高められて、超臨界水となる。また、燃焼後も、超臨界水は、断熱膨張により冷却及び降圧され気体の水蒸気に戻される。このため、超臨界水の生成及び消失過程のいずれにおいても高腐食領域を通過することがなく、燃焼室１５、シリンダヘッド１３、燃料噴射ノズル２３、水蒸気噴射ノズル２４、吸気弁２０、排気弁２２等の超臨界水の接する可能性のある部材の腐食が抑制される。
【００４０】
しかも、この方法では、超臨界水は、ピストン１４が上死点位置付近で瞬間的に生成されるに過ぎない。また、シリンダ１２の冷却により燃焼室１５及びシリンダヘッド１３の内壁面は低温に保たれており、それら内壁面との間の温度境界の存在により、それら内壁面に超臨界水が接触することはほとんどない。このように、このディーゼルエンジン１１の運転方法では、超臨界水による腐食が抑制され、高価な耐圧耐食性材料を用いることなく、窒素酸化物の生成量の低減、黒煙発生の抑制、燃費低下の抑制を同時に実現することが可能となる。
【００４１】
従って、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）このディーゼルエンジン１１では、低温低圧の水蒸気を大量に燃焼室１５内に導入して、燃焼室１５内で超臨界水を生成させるため、ディーゼルエンジン１１のシリンダ１２に対する配管等の部材が超臨界水に接することもない。また、燃焼室１５の水は、気体状態の水蒸気から加熱及び加圧されるため、超臨界水の生成過程で高腐食領域を通過することがない。このため、ディーゼルエンジン１１の構成部材の腐食を抑制することができる。そして、燃焼室１５内での燃料の燃焼に際しては、空気と水との超臨界混合流体を介在させることで、燃焼温度の過上昇が抑制されるとともに燃料と空気とが均一に混和され、燃料の燃焼効率を高めて高燃費を維持しつつ窒素酸化物の生成量を大きく低減することができる。
【００４２】
（２）このディーゼルエンジン１１では、液体燃料を、空気と水との超臨界混合流体中に噴射するようになっている。このため、超臨界水が仲立ちとなって燃料と空気との均一な混合が促進され、前記（１）の効果が一層効率よく発揮される。
【００４３】
（３）このディーゼルエンジン１１では、空気と超臨界水との混合流体を、空気と水蒸気との混合流体を燃焼室１５内で圧縮することにより生成させている。
このため、超臨界水の生成に際して、余分な熱エネルギーの投入や、高圧の水ポンプ及び耐高圧性の熱交換器を必要とせず、空気と超臨界水と混合流体を、構成の複雑化を招くことなく極めて経済的に生成させることができる。
【００４４】
また、燃焼室１５内の圧力及び温度は、燃料の燃焼後直ちに断熱膨張により低下していくため、超臨界水は燃焼の近傍において極短時間生成されるに過ぎない。しかも、燃焼室１５の壁面は冷却されているため、燃料の燃焼時においても燃焼室１５の壁面と燃焼ガスとの間には極狭い領域で温度境界が形成され、燃焼室１５の壁面は、超臨界水にほとんど接していない状態とすることができる。このため、燃焼室１５の壁面における腐食の進行をさらに抑制することができる。
【００４５】
（４）このディーゼルエンジン１１では、燃焼室１５内に噴射される水蒸気の圧力が１０ＭＰａ以下（例えば、１．３〜１．７ＭＰａ）となっている。このため、燃焼室１５内に供給される水蒸気は、特段の高圧ポンプを設けることなく、送水ポンプ３１における通常の送水圧で加圧することができ、ディーゼルエンジン１１の構成の複雑化を抑制することができる。
【００４６】
（５）燃料と空気との混合流体を圧縮点火するディーゼルエンジンは、窒素酸化物の生成量が多く、排ガスが黒煙となりやすい。これに対して、このディーゼルエンジン１１では、液体燃料が相変化を生じることなく、空気と均一に混和された状態で過剰に高温となることなく効率よく燃焼される。このため、燃料が液滴内部で蒸し焼きされにくくなり、窒素酸化物の排出が大きく低減されるとともに黒煙の発生を抑制することができる。このように、この内燃機関の運転方法は、ディーゼルエンジンの運転方法として特に好適である。
【００４７】
（６）このディーゼルエンジン１１では、吸気弁２０の閉止後に水蒸気噴射ノズル２４から水蒸気を燃焼室１５内に噴射することもできる。このようにした場合、吸入行程における吸入空気量を減らすことなく、空気吸入圧力以上の密度の高い水蒸気を燃焼室１５内に供給することができる。
【００４８】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態のディーゼルエンジン１１及びその運転方法について、前記第１実施形態と異なる部分を中心に図５に基づいて説明する。この第２実施形態のディーゼルエンジン１１では、燃焼室１５内への水の導入方法が第１実施形態とは異なっている。
【００４９】
図５に示すように、このディーゼルエンジン１１では、シリンダヘッド１３に水蒸気噴射ノズル２４に代えて、水蒸気供給装置の一部を構成する水噴射ノズル４１が過給器２５の下流の水蒸気供給装置の一部を構成する吸気通路１７に臨むように設けられている。そして、インタクーラ２８及び排気ボイラ３２が省略されている。
【００５０】
このディーゼルエンジン１１では、水タンク３０内の水が、吸気行程において、過給器２５から燃焼室１５へと吸入される空気中に、水蒸気供給制御装置３３の制御に基づき水噴射ノズル４１を介して液体状態で噴霧される。ここで、吸気通路１７内に噴霧された水は、過給器２５において圧縮された空気（過給気）の熱によって気化されることにより水蒸気となって、吸入空気とともに燃焼室１５内に同時に供給される。そして、燃焼室１５内において、空気と水蒸気との混合流体が圧縮され、超臨界状態となった後、燃料噴射ノズル２３より液体燃料が燃焼室１５内に噴射され、圧縮点火される。
【００５１】
従って、本実施形態によれば、第１実施形態の（１）〜（３）及び（５）の効果に加えて以下に示す効果を得ることができる。
（７）このディーゼルエンジン１１では、水が過給器２５の下流の吸気通路１７を通過する吸入空気に噴霧されて気化することにより、燃焼室１５内に空気と水蒸気とが同時に供給されるようになっている。このため、空気と水蒸気との接触時間を長くすることができ、空気と水蒸気との混合を促進することができ、窒素酸化物の生成量をさらに低減することができる。
【００５２】
（８）また、水が気化される際に、水の蒸発潜熱により吸入空気が冷却されるため、過給気を冷却するインタクーラを省略することができる。このため、ディーゼルエンジン１１の構成を簡素化することができる。
【００５３】
（９）しかも、水を液体状態のまま吸入空気に噴霧すればよく、予め水蒸気にしておく必要がない。このため、排気ボイラ３２を省略することができ、ディーゼルエンジン１１の構成を簡素化することができる。
【００５４】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態のディーゼルエンジン１１及びその運転方法について、前記第１実施形態と異なる部分を中心に図６に基づいて説明する。図６に示すように、この第３実施形態のディーゼルエンジン１１では、排気通路１８において、過給器２５と並列にバイパス通路５１が形成され、過給器２５の上流側に流路切り替えバルブ５２が設けられている。そして、必要に応じて過給器２５の排気側タービン２６に導入される前の高温の排ガスの一部または全部が直接排気ボイラ３２に導入されるようになっている。
【００５５】
従って、本実施形態によれば、前記（１）〜（６）の効果に加えて以下に示す効果を得ることができる。
（１０）このディーゼルエンジン１１では、例えばディーゼルエンジン１１の始動時や低負荷運転時等の排ガス温度が低い状態で、高温の排ガスの一部または全部を過給器２５での仕事に供することなく、排気ボイラ３２に導入して水蒸気供給路２９における水蒸気生成に必要な熱量を確保することができる。
【００５６】
（第４実施形態）
次に、第４実施形態のディーゼルエンジン１１及びその運転方法について、前記第１実施形態と異なる部分を中心に図７に基づいて説明する。
【００５７】
図７に示すように、このディーゼルエンジン１１では、水蒸気噴射ノズル２４が、燃焼室１５に臨むように１本設けられ、さらにシリンダヘッド１３の吸気通路１７に臨むようにもう１本設けられている。このディーゼルエンジン１１では、水蒸気を燃焼室１５内に直接噴射するだけでなく、吸入空気にも水蒸気を噴射することができるようになっている。
【００５８】
従って、本実施形態によれば、前記（１）〜（５）及び（７）の効果に加えて以下に示す効果を得ることができる。
（１１）このディーゼルエンジン１１では、水蒸気の供給に関して、燃焼室１５内への直接噴射と吸入空気への噴射とを併用して、燃焼室１５内に供給する水蒸気量を増大させることができる。このため、燃焼室１５内での燃焼温度を一層低下させることができて、窒素酸化物の生成量をさらに低減することができる。
【００５９】
なお、上記実施形態は以下のような別の実施形態（別例）に変更してもよい。
・前記各実施形態では、本発明の往復動型内燃機関を、ディーゼルエンジン１１及びその運転方法に具体化したが、例えばガソリンエンジン、ガスエンジン等、他の往復動型内燃機関に具体化してもよい。
【００６０】
・前記各実施形態では、燃料を軽油、重油を例示したが、例えば灯油、ガソリン等の他の鉱物油、メタン、プロパン、種々のアルコール類、シクロヘキサン、ベンゼン、ジメチルエーテル等の直鎖、分岐、脂環族、芳香族炭化水素化合物、植物油由来燃料等を燃料としてもよい。
【００６１】
・前記第４実施形態において、吸気通路１７に水蒸気でなく液体状態の水を水噴射ノズルから噴霧するようにしてもよい。
・前記各実施形態において、排ガスの排熱を利用することなく発生された水蒸気を燃焼室１５内に供給するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】第１実施形態の運転方法を適用するディーゼルエンジンを示す概略構成図。
【図２】シリンダに水蒸気を噴射し、（ａ）は超臨界状態に達しない条件下で、（ｂ）は超臨界条件下で、燃焼させたときの燃料消費量と窒素酸化物の発生量との関係を示すグラフ。
【図３】水の状態を温度及び圧力の関数として示す図。
【図４】水添加量比及び水蒸気噴射時期の影響を示すグラフ。
【図５】第２実施形態の運転方法を適用するディーゼルエンジンを示す概略構成図。
【図６】第３実施形態の運転方法を適用するディーゼルエンジンを示す概略構成図。
【図７】第４実施形態の運転方法を適用するディーゼルエンジンを示す概略構成図。
【符号の説明】
【００６３】
１１…往復動型内燃機関としてのディーゼル機関、１２…シリンダ、１４…ピストン、１５…燃焼室、１７…空気供給路及び水蒸気供給装置の一部を構成する吸気通路、２３…燃料噴射装置としての燃料噴射ノズル、２４…水蒸気供給装置としての水蒸気噴射ノズル、４１…水蒸気供給装置の一部を構成する水噴射ノズル。
【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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