(57)【要約】【課題】作動ガス循環型エンジンにおいて、筒内圧が所定値以上に上昇する運転状態にあっても筒内圧を所定値未満に制御する。【解決手段】燃焼室に連通した吸気ポートと同燃焼室に連通した排気ポートとを同燃焼室の外部において接続する循環通路部、前記循環通路部に介装されるとともに入口部及び出口部を有する水蒸気凝縮手段、並びに前記燃焼室内のガスの圧力を検出又は推定する筒内圧検出手段を備える作動ガス循環型エンジンにおいて、前記燃焼室に供給される既燃ガスに含まれる水蒸気の量を調整することにより作動ガスの比熱比を調整し、前記筒内圧検出手段によって検出されるガスの圧力が予め定められた所定値を超えないように制御する。【選択図】図５
2012167582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に連通した吸気ポートと同燃焼室に連通した排気ポートとを同燃焼室の外部において接続する循環通路部、
前記循環通路部に介装されるとともに入口部及び出口部を有する水蒸気凝縮手段、並びに
前記燃焼室内のガスの圧力を検出又は推定する筒内圧検出手段、
を備え、
前記循環通路部は、前記燃焼室に燃料と酸素と作動ガスとを供給して同燃焼室において同燃料を燃焼させるとともに、同燃焼室から前記排気ポートを通して排出される既燃ガスを同循環通路部及び前記吸気ポートを通して同燃焼室に供給し、且つ
前記水蒸気凝縮手段は、前記循環通路部から同水蒸気凝縮手段の入口部を通して流入する既燃ガスに含まれる水蒸気を凝縮させることにより同入口部を通して流入する既燃ガスから同水蒸気が除去された既燃ガスを同水蒸気凝縮手段の出口部から同循環通路部へと排出する、
作動ガス循環型エンジンであって、
前記燃焼室に供給される既燃ガスに含まれる水蒸気の量を調整して、前記筒内圧検出手段によって検出されるガスの圧力が予め定められた所定値を超えないように制御する水蒸気量調整手段、
を更に備えることを特徴とする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であって、前記作動ガスがアルゴンであることを特徴とす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の何れか１項に記載の作動ガス循環型エンジンであって、前記燃料が水素であることを特徴とする作動ガス循環型エンジン。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記水蒸気量調整手段が、前記吸気ポートを開閉する吸気弁及び前記排気ポートを開閉する排気弁の少なくとも一方の開閉のタイミングを変更する可変バルブタイミング機構を含んでなり、
前記可変バルブタイミング機構により吸気弁及び排気弁の両方が開いているバルブタイミングのオーバーラップを調整して、排気ポートに一旦排気された既燃ガスが燃焼室内に逆流する量を調整することにより、前記燃焼室内の圧力が前記予め定められた所定値を超えないように制御することを特徴とする作動ガス循環型エンジン。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記水蒸気量調整手段が、前記循環通路部とは別個に配設され、前記吸気ポートと前記排気ポートとを前記燃焼室の外部において接続する外部ＥＧＲ通路部を含んでなり、
前記外部ＥＧＲ通路部によって排気ポートから吸気ポートへ供給される既燃ガスの量を調整することにより、前記燃焼室内の圧力が前記予め定められた所定値を超えないように制御することを特徴とする作動ガス循環型エンジン。
【請求項６】
請求項５に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記外部ＥＧＲ通路部が、前記循環通路部における前記水蒸気凝縮手段よりもエンジンの排気ポートに近い箇所において同循環通路部から分岐するように配設されていることを特徴とする作動ガス循環型エンジン。
【請求項７】
請求項１に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記水蒸気量調整手段が、前記水蒸気凝縮手段が水蒸気を凝縮する能力を調整する水蒸気凝縮能力調整機構を含んでなり、
前記水蒸気凝縮能力調整機構により、前記水蒸気凝縮手段が既燃ガスから分離・除去する水蒸気の量を調整して、燃焼室に供給される作動ガスに含まれる水蒸気の量を調整することにより、前記燃焼室内の圧力が前記予め定められた所定値を超えないように制御することを特徴とする作動ガス循環型エンジン。
【請求項８】
請求項１に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記水蒸気量調整手段が、前記水蒸気凝縮手段によって既燃ガスから分離・除去された水蒸気に由来する凝縮水の少なくとも一部を、同水蒸気凝縮手段よりも下流に位置する前記循環通路部又は前記吸気ポートにおいて既燃ガスに再供給する凝縮水再供給機構を含んでなり、
前記凝縮水再供給機構によって燃焼室に供給される作動ガスに含まれる水蒸気の量を調整することにより、前記燃焼室内の圧力が前記予め定められた所定値を超えないように制御することを特徴とする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、燃焼室に、燃料と、酸素と、作動ガスと、を供給して同燃料を燃焼させるとともに、同燃焼室から排出された既燃ガス中の作動ガスを同燃焼室に循環（再供給）する作動ガス循環型エンジンに関する。
【０００２】
より具体的には、本発明は、従来技術に係る作動ガス循環型エンジンにおいて筒内圧が過度に上昇する運転状態（例えば、高負荷時）にあっても、筒内圧を予め定められた所定値を超えないように制御することができる作動ガス循環型エンジンに関する。
【背景技術】
【０００３】
従来から、燃焼室に燃料と酸素と作動ガスとを供給して同燃料を燃焼させるとともに、同燃焼室から排出された既燃ガス中の作動ガスを同燃焼室に循環経路（循環通路部）を通して循環させる作動ガス循環型エンジンが提案されている。かかるエンジンにおいて、作動ガスの比熱比及びエンジンの圧縮比が大きい程、エンジンの理論熱効率が高くなることが知られており（図１参照）、比熱比が大きい作動ガスとしては、例えば、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスが望ましいことも知られている。かかる比熱比が大きいガスを作動ガスとして用いるエンジンは、比較的小さい比熱比を有するガス（例えば、空気、窒素等）を作動ガスとして用いるエンジンと比較して、より高い熱効率で運転され得る。
【０００４】
上記のような作動ガス循環型エンジンの既燃ガス中には、燃料（例えば、水素、天然ガス等）の燃焼によって生ずる生成物（以降、「燃焼生成物」とも称する。例えば、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ２）等）と作動ガス（例えば、アルゴン、ヘリウム等）とが含まれる。これらの中で、特に水蒸気は３原子分子のガスであり、アルゴン、ヘリウム等の単原子の不活性ガスのみならず、空気や窒素と比較しても、比熱比がより小さい（図２参照）。従って、このように低い比熱比を有する水蒸気を含む既燃ガスを、そのまま燃焼室に再供給すると、作動ガス全体としての比熱比が低下し、結果としてエンジンの熱効率が低下してしまう。
【０００５】
そこで、従来の作動ガス循環型水素エンジンは、作動ガスの比熱比が低下しないように、既燃ガスから水蒸気（Ｈ２Ｏ）を凝縮器によって分離・除去し、水蒸気（Ｈ２Ｏ）が除去されたガスを燃焼室に再供給するように構成されている（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照）。
【０００６】
しかしながら、例えば、アルゴン等の、大きい比熱比を有するガスを作動ガスとして採用した場合、上死点（ＴＤＣ）付近での燃焼室内の圧力（筒内圧）が過度に上昇することが懸念される（図３参照）。このように筒内圧が過度に上昇すると、筒内温度も上昇し、燃焼室の壁面への冷却損失の増大を招くこととなり、エンジンの熱効率が却って低下してしまう虞がある。また、このように筒内圧が過度に上昇するため、高負荷時等において筒内圧がエンジンの強度限界を超えないように圧縮比を低く設計する等の対策が必要となり、エンジンの熱効率を十分に高める際の妨げとなる虞がある。
【０００７】
一方、上記のような懸念への対策として、より高い筒内圧に耐え得るようにエンジンの機械的強度を増強すると、エンジンの機械損失（摩擦損失や慣性重量）の増加に伴う正味熱効率の低下や、エンジン本体の重量増に伴う燃費の悪化を招く虞がある。
【０００８】
そこで、例えば、燃焼室に再供給される作動ガス（循環ガス）の一部を貯蔵タンク等に一時的に貯蔵するための手段を作動ガスの循環通路等に設けて、上死点（ＴＤＣ）付近での燃焼室内の圧力（筒内圧）の上昇を低減しようとする試みもなされている。しかしながら、このような構成を採用すると、かかるエンジンを含むシステム全体が大型化・複雑化し、製造コストの増大やシステム全体の重量増に伴う燃費の悪化を招く虞がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−８２４７号公報
【特許文献２】特開２００８−６４０１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述のように、作動ガス循環型エンジンにおいては、燃焼室に再供給される作動ガス（循環ガス）に含まれる水蒸気を可能な限り取り除いて、作動ガスの比熱比が低下しないようにする必要がある。しかしながら、例えば、アルゴン等の、大きい比熱比を有するガスを作動ガスとして採用した場合、上死点（ＴＤＣ）付近での燃焼室内の圧力（筒内圧）が過度に上昇することが懸念される。このため、高負荷時等に筒内圧がエンジンの強度限界を超えないようにエンジンの圧縮比を低く設計したり、より高い筒内圧に耐え得るようにエンジンの機械的強度を増強したり、又は燃焼室に再供給される循環ガスの一部を貯蔵タンク等に一時的に退避させて上死点（ＴＤＣ）付近での燃焼室内の圧力（筒内圧）の上昇を低減したりする対策が考えられている。しかしながら、これらの対策には、エンジンの熱効率の低下、エンジン本体の重量増に伴う燃費の悪化、又はエンジンを含むシステム全体の製造コストの増大や重量増に伴う燃費の悪化というデメリットが存在する。
【００１１】
従って、作動ガス循環型エンジンにおいては、大きい比熱比を有するガスを作動ガスとして採用した場合であっても、上記のようなデメリットを伴うこと無く、上死点（ＴＤＣ）付近での燃焼室内の圧力（筒内圧）が過度に上昇することを防止する方策を見出す必要がある。即ち、本発明は、かかる課題に対処するために為されたものであり、その目的は、作動ガス循環型エンジンの筒内圧が所定値以上に上昇する運転状態にあっても筒内圧を所定値未満に制御することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の上記目的は、
燃焼室に連通した吸気ポートと同燃焼室に連通した排気ポートとを同燃焼室の外部において接続する循環通路部、
前記循環通路部に介装されるとともに入口部及び出口部を有する水蒸気凝縮手段、並びに
前記燃焼室内のガスの圧力を検出又は推定する筒内圧検出手段、
を備え、
前記循環通路部は、前記燃焼室に燃料と酸素と作動ガスとを供給して同燃焼室において同燃料を燃焼させるとともに、同燃焼室から前記排気ポートを通して排出される既燃ガスを同循環通路部及び前記吸気ポートを通して同燃焼室に供給し、且つ
前記水蒸気凝縮手段は、前記循環通路部から同水蒸気凝縮手段の入口部を通して流入する既燃ガスに含まれる水蒸気を凝縮させることにより同入口部を通して流入する既燃ガスから同水蒸気が除去された既燃ガスを同水蒸気凝縮手段の出口部から同循環通路部へと排出する、
作動ガス循環型エンジンであって、
前記燃焼室に供給される既燃ガスに含まれる水蒸気の量を調整して、前記筒内圧検出手段によって検出されるガスの圧力が予め定められた所定値を超えないように制御する水蒸気量調整手段、
を更に備えることを特徴とする作動ガス循環型エンジンによって達成される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、水蒸気量調整手段が、燃焼室に供給される既燃ガスに含まれる水蒸気の量を調整して、燃焼室内の圧力が予め定められた所定値を超えないように制御する。これにより、例えば、作動ガス循環型エンジンにおいて大きい比熱比を有するガスを作動ガスとして採用した場合に、作動ガス循環型エンジンの筒内圧が所定値以上に上昇する運転状態（例えば、高負荷時）にあっても、前述のようなデメリットを伴うこと無く、上死点（ＴＤＣ）付近での筒内圧が過度に上昇することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】種々の比熱比を有する作動ガスを使用するエンジンにおける圧縮比に対する理論熱効率の関係を表すグラフである。
【図２】種々のガスの比熱比を比較するグラフである。
【図３】比熱比に対する圧縮後の上死点圧力の関係を表すグラフである。
【図４】温度に対する飽和水蒸気量の関係を表すグラフである。
【図５】本発明の１つの実施態様に係る作動ガス循環型エンジンを含むシステムの構成を表す概略図である。
【図６】本発明のもう１つの実施態様に係る作動ガス循環型エンジンを含むシステムの構成を表す概略図である。
【図７】図６に示す実施態様に係る作動ガス循環型エンジンを含むシステムにおける筒内圧の制御を表すフローチャートである。
【図８】本発明のもう１つの実施態様に係る作動ガス循環型エンジンを含むシステムの構成を表す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
前述のように、本発明は、例えば、作動ガス循環型エンジンにおいて大きい比熱比を有するガスを作動ガスとして採用した場合に、作動ガス循環型エンジンの筒内圧が所定値以上に上昇する運転状態（例えば、高負荷時）にあっても、前述のようなデメリットを伴うこと無く、上死点（ＴＤＣ）付近での筒内圧が過度に上昇することを防止することを目的とする。
【００１６】
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究の結果、例えば、作動ガス循環型エンジンにおいて大きい比熱比を有するガスを作動ガスとして採用した場合に、作動ガス循環型エンジンの筒内圧が所定値以上に上昇する運転状態（例えば、高負荷時）にあっても、上死点（ＴＤＣ）付近での筒内圧が過度に上昇することを防止することができる有効な方策として、作動ガス循環型エンジンにおいて、燃焼室に供給される既燃ガスに含まれる水蒸気の量を調整して、燃焼室内の圧力が予め定められた所定値を超えないように制御することを想到するに至ったものである。
【００１７】
即ち、本発明の第１態様は、
燃焼室に連通した吸気ポートと同燃焼室に連通した排気ポートとを同燃焼室の外部において接続する循環通路部、
前記循環通路部に介装されるとともに入口部及び出口部を有する水蒸気凝縮手段、並びに
前記燃焼室内のガスの圧力を検出又は推定する筒内圧検出手段、
を備え、
前記循環通路部は、前記燃焼室に燃料と酸素と作動ガスとを供給して同燃焼室において同燃料を燃焼させるとともに、同燃焼室から前記排気ポートを通して排出される既燃ガスを同循環通路部及び前記吸気ポートを通して同燃焼室に供給し、且つ
前記水蒸気凝縮手段は、前記循環通路部から同水蒸気凝縮手段の入口部を通して流入する既燃ガスに含まれる水蒸気を凝縮させることにより同入口部を通して流入する既燃ガスから同水蒸気が除去された既燃ガスを同水蒸気凝縮手段の出口部から同循環通路部へと排出する、
作動ガス循環型エンジンであって、
前記燃焼室に供給される既燃ガスに含まれる水蒸気の量を調整して、前記筒内圧検出手段によって検出されるガスの圧力が予め定められた所定値を超えないように制御する水蒸気量調整手段、
を更に備えることを特徴とする作動ガス循環型エンジンである。
【００１８】
上記作動ガス循環型エンジンは、燃焼室に燃料と酸素と作動ガスとを供給して燃料を燃焼させるとともに、燃焼室から排出された既燃ガスを燃焼室に循環経路（循環通路部）を通して循環させる（再供給する）エンジンである。また、当該エンジンにおいては、循環通路部に介装される水蒸気凝縮手段に流入する既燃ガス（循環ガス）に含まれる水蒸気が水蒸気凝縮手段によって分離・除去される。この水蒸気が除去された既燃ガスは、水蒸気凝縮手段の出口部から循環通路部へと排出され、燃焼室に再供給（循環）される。
【００１９】
上記水蒸気凝縮手段は、既燃ガスに含まれる水蒸気を分離・除去することが可能である限り、如何なる構成のものであってもよい。例えば、上記水蒸気凝縮手段は、循環通路部から流入する既燃ガス（循環ガス）を大気と熱交換させることにより同既燃ガスに含まれる水蒸気を凝縮させて凝縮水となし、同既燃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凝縮器であってもよい。この凝縮器は冷却水を冷媒として利用した水冷式凝縮器であってもよく、空冷式凝縮器であってもよい。
【００２０】
上記筒内圧検出手段は、燃焼室内のガスの圧力（筒内圧）を検出することができる限り、如何なる構成のものであってもよく、特定の方式に限定されるものではない。例えば、上記筒内圧検出手段としては、当該技術分野において広く使用されている種々のタイプの圧力センサ（例えば、静電容量方式圧力センサ、半導体式圧力センサ等）を利用することができる。また、筒内圧検出手段は、上記のように燃焼室内のガスの圧力（筒内圧）を直接的に検出するのではなく、例えば、エンジンの運転状態や燃料の供給量、アクセルの開度、エンジンの回転数等から筒内圧を推定するように構成されたものであってもよい。かかる筒内圧検出手段は、燃焼室の圧力（筒内圧）を検出し、筒内圧を表す信号を発生するように構成される。
【００２１】
また、上記のように、筒内圧検出手段は筒内圧に対応する信号を発生するので、例えば、筒内圧検出手段を電子制御装置に接続して、同電子制御装置による種々の制御に利用することができる。因みに、電子制御装置とは、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリ等の記憶装置、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を指す。但し、筒内圧検出手段及び電子制御装置に関する上記説明はあくまでも例示であって、筒内圧検出手段及び電子制御装置の構成は上記説明に限定されるものではない。
【００２２】
上記燃料としては、例えば、ガソリン、軽油、天然ガス、プロパン、水素等の、種々の燃料を用いることができる。但し、前述のように、本発明は、燃焼室に供給される既燃ガスに含まれる水蒸気の量を調整して燃焼室内の圧力が予め定められた所定値を超えないように制御することにより、上死点（ＴＤＣ）付近での筒内圧が過度に上昇することを防止しようとするものである。従って、上記燃料としては、燃焼生成物として、水蒸気（Ｈ２Ｏ）を生ずるものが想定される。
【００２３】
上記燃料は、上記エンジンの運転状態における燃料の相（例えば、液相、気相等）に応じた構成を有する燃料貯蔵部（例えば、タンク、ボンベ等）に貯蔵することができる。また、上記燃料は、同燃料貯蔵部から、例えば、同エンジンの燃焼室内に直接噴射（所謂「筒内噴射」）しても、又は同エンジンの吸気ポート内に噴射する等して作動ガスと予め混合してもよい。
【００２４】
かかる燃料噴射を行う噴射手段は、例えば、前述した電子制御装置からの指示信号に応答して噴射口を弁体により開閉し、同噴射口が同弁体により開かれた際に同噴射手段に供給されている燃料の圧力により燃料を噴射する噴射弁であってよい。更に、燃料の噴射に用いられる圧力は、例えば、燃料が気相にある場合の燃料貯蔵部としての燃料タンク内の燃料ガスの圧力に基づくものであってもよく、例えば、燃料の圧力を高めるための圧縮機（例えば、コンプレッサ、ポンプ等）によって高められた燃料の圧力に基づくものであってもよい。更にまた、燃料の噴射に用いられる圧力は、燃料貯蔵部と噴射手段との間に介装された燃料噴射圧調整手段（例えば、圧力レギュレータ等）により一定の設定圧以上にならないように規制されていてもよい。
【００２５】
また、上記燃料を燃焼させるのに用いられる酸素は、例えば、ボンベ等の酸素貯蔵部に貯蔵することができ、同酸素貯蔵部から、例えば、同エンジンの燃焼室内に直接噴射しても、又は同エンジンの燃焼室内に供給される前に、作動ガスと予め混合してもよい。
【００２６】
更に、上記燃料の燃焼モードは、用いられる燃料の性状やエンジンの仕様等に応じて適宜選択することができる。より具体的には、例えば、少なくとも酸素と作動ガスとを含むガスが燃焼室内にて圧縮されている高圧縮状態にある期間内の所定の時期に燃料を燃焼室内に直接噴射（所謂「高圧噴射」）して燃料を拡散燃焼させてもよい。また、前述のように作動ガスと予め混合された燃料を、燃焼室内に設けられた点火手段から発生した火花によって点火して火花点火燃焼させてもよい。
【００２７】
ところで、上記作動ガスとしては、例えば、空気や窒素等の、種々のガスを用いることができるが、エンジンの熱効率を高めるという観点からは、例えば、アルゴン、ヘリウム等の比熱比が大きい不活性ガスを用いることが望ましい。かかる比熱比が大きいガスを作動ガスとして用いる場合、比較的小さい比熱比を有するガス（例えば、空気、窒素等）を作動ガスとして用いる場合と比較して、より高い熱効率でエンジンを運転することができる。
【００２８】
しかしながら、前述のように、例えば、大きい比熱比を有するガス（例えば、アルゴン等）を作動ガスとして採用した場合に、作動ガス循環型エンジンの筒内圧が所定値以上に上昇する運転状態（例えば、高負荷時等）において、上死点（ＴＤＣ）付近での筒内圧が過度に上昇することが懸念される。従来技術においては、かかる懸念への対策として、高負荷時等に筒内圧がエンジンの強度限界を超えないようにエンジンの圧縮比を低く設計したり、より高い筒内圧に耐え得るようにエンジンの機械的強度を増強したり、又は燃焼室に再供給される循環ガスの一部を貯蔵タンク等に一時的に退避させて上死点（ＴＤＣ）付近での燃焼室内の圧力（筒内圧）の上昇を低減したりすることが提案されている。しかしながら、これらの対策には、エンジンの熱効率の低下、エンジン本体の重量増に伴う燃費の悪化、又はエンジンを含むシステム全体の製造コストの増大や重量増に伴う燃費の悪化というデメリットが存在する。
【００２９】
一方、本発明においては、水蒸気量調整手段によって、燃焼室に供給される既燃ガスに含まれる水蒸気の量が調整され、同燃焼室内の圧力（筒内圧）が予め定められた所定値を超えないように制御される。これにより、例えば、大きい比熱比を有するガス（例えば、アルゴン等）を作動ガスとして採用した場合に、作動ガス循環型エンジンの筒内圧が所定値以上に上昇する運転状態（例えば、高負荷時等）にあっても、上記のようなデメリットを伴うこと無く、上死点（ＴＤＣ）付近での筒内圧が過度に上昇することが防止される。
【００３０】
尚、上記「予め定められた所定値」とは、エンジンの設計仕様等に基づいて、エンジンの運転効率やエンジンの構成部材の機械的強度等を考慮して、適宜設定することができる値である。また、同所定値は、水蒸気量調整手段による燃焼室内の圧力（筒内圧）との比較の際に、水蒸気量調整手段によって参照されるデータとして、例えば、前述した電子制御装置が備える記憶装置等に格納してもよい。
【００３１】
ところで、前述のように、上記作動ガスとしては、例えば、空気や窒素等の、種々のガスを用いることができるが、エンジンの熱効率を高め、且つ、例えば、窒素酸化物のような、環境保護の観点から排出を抑制することが求められている汚染物質を削減するためには、例えば、単原子の不活性ガスを用いることが望ましい。かかる単原子の不活性ガスとしては、希ガス類に属するヘリウム、ネオン、アルゴン等を挙げることができるが、内燃機関の作動ガスとしては、これらの中ではアルゴンが広く用いられている。
【００３２】
従って、本発明の第２態様は、本発明の前記第１態様に係る作動ガス循環型エンジンであって、前記作動ガスがアルゴンであることを特徴とする作動ガス循環型エンジンである。
【００３３】
前述のように、本発明は燃焼室に供給される既燃ガスに含まれる水蒸気の量を調整することにより同燃焼室内の圧力（筒内圧）が予め定められた所定値を超えないように制御しようとするものである。従って、高い比熱比を有し且つ不活性なアルゴンを作動ガスとして使用する本発明の第２態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、本発明の利点を十分に発揮して、同エンジンを高い熱効率にて運転することができ、且つ、例えば、窒素酸化物のような、環境汚染物質の排出を抑制することができる。
【００３４】
また、上記燃料としては、前述のように、例えば、ガソリン、軽油、天然ガス、プロパン、水素等の、種々の燃料を用いることができる。しかしながら、ガソリンを始めとする石油燃料を用いる場合は、燃焼生成物として二酸化炭素（ＣＯ２）も発生するため、二酸化炭素をも循環ガスから分離・除去する必要が生ずる。更に、本発明は、燃焼生成物として水（水蒸気）を生ずる燃料を用いる作動ガス循環型エンジンにおいて、燃焼室に供給される既燃ガスに含まれる水蒸気の量を調整することにより同燃焼室内の圧力（筒内圧）が予め定められた所定値を超えないように制御しようとするものである。従って、上記燃料としては、燃焼生成物として水蒸気（Ｈ２Ｏ）のみを生ずる水素を使用することが特に望ましい。
【００３５】
従って、本発明の第３態様は、本発明の前記第１態様又は前記第２態様の何れかに係る作動ガス循環型エンジンであって、前記燃料が水素であることを特徴とする作動ガス循環型エンジンである。
【００３６】
上記のように、本発明の第３態様に係る作動ガス循環型エンジンは、燃焼生成物として水（Ｈ２Ｏ）のみを生ずる水素を燃料として使用する。従って、本発明の第３態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、石油燃料を使用する作動ガス循環型エンジンにおける燃焼生成物として含まれる二酸化炭素を分離・除去するための手段を設ける必要が無い。更に、本発明の第３態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、燃焼室に供給される既燃ガスに含まれる水蒸気の量を調整することにより同燃焼室内の圧力（筒内圧）が予め定められた所定値を超えないように制御しようとする本発明の利点をより有効に発揮することができる。
【００３７】
ところで、本発明に係る作動ガス循環型エンジンは、前述のように、水蒸気量調整手段によって、燃焼室に供給される既燃ガスに含まれる水蒸気の量を調整することにより、同燃焼室内の圧力（筒内圧）が予め定められた所定値を超えないように制御しようとするものである。かかる水蒸気量調整手段は特定の構成に限定されず、燃焼室に供給される既燃ガスに含まれる水蒸気の量を調整することができる限り、種々の構成のものとすることができる。
【００３８】
例えば、上記水蒸気量調整手段として、同エンジンの吸気ポートを開閉する吸気弁及び排気ポートを開閉する排気弁の少なくとも一方の開閉のタイミングを変更する可変バルブタイミング機構を利用することができる。具体的には、可変バルブタイミング機構によって吸気弁及び排気弁の両方が開いているバルブタイミングのオーバーラップを生じさせることにより、排気ポートに一旦排気された既燃ガスの少なくとも一部を燃焼室内に逆流させる、所謂「内部ＥＧＲ」を実現することにより、燃焼室に供給される既燃ガスに含まれる水蒸気の量を増やすことができる。逆に、上記オーバーラップを小さく設定することにより、燃焼室に供給される既燃ガスに含まれる水蒸気の量を減らすこともできる。
【００３９】
従って、本発明の第４態様は、本発明の前記第１態様乃至前記第３態様の何れかに係る作動ガス循環型エンジンであって、
前記水蒸気量調整手段が、前記吸気ポートを開閉する吸気弁及び前記排気ポートを開閉する排気弁の少なくとも一方の開閉のタイミングを変更する可変バルブタイミング機構を含んでなり、
前記可変バルブタイミング機構により吸気弁及び排気弁の両方が開いているバルブタイミングのオーバーラップを調整して、排気ポートに一旦排気された既燃ガスが燃焼室内に逆流する量を調整することにより、前記燃焼室内の圧力が前記予め定められた所定値を超えないように制御することを特徴とする作動ガス循環型エンジンである。
【００４０】
上記可変バルブタイミング機構は、当該技術分野において使用されている何れの機構のものであってもよい。上記可変バルブタイミング機構は、例えば、油圧を駆動源として、エンジンの回転とバルブを駆動するカムシャフトの回転との位相を変更する油圧式のものであってもよい。また、アクチュエータとして電動モータを用いた電動式のものであってもよい。
【００４１】
本発明の第４態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、前述のように、上記可変バルブタイミング機構によって吸気弁及び排気弁の両方が開いているバルブタイミングのオーバーラップを生じさせることにより、排気ポートに一旦排気された既燃ガスの少なくとも一部を燃焼室内に逆流させる、所謂「内部ＥＧＲ」を実現することができる。このオーバーラップの大きさを可変バルブタイミング機構によって調整することにより、内部ＥＧＲによって燃焼室に供給される既燃ガスの量を調整することができる。この既燃ガスには燃料の燃焼時に生成された水蒸気が比較的大量に含まれているため、結果として、燃焼室に供給される作動ガスに含まれる水蒸気の量を可変バルブタイミング機構によって調整することができる。即ち、上記可変バルブタイミング機構は、燃焼室に供給される作動ガスに含まれる水蒸気の量を調整して同燃焼室内の圧力が予め定められた所定値を超えないように制御する水蒸気量調整手段として機能する。
【００４２】
また、上記水蒸気量調整手段として、前記循環通路部とは別個に配設された、燃焼室に連通した吸気ポートと同燃焼室に連通した排気ポートとを同燃焼室の外部において接続する所謂「外部ＥＧＲ」機構を利用することもできる。具体的には、燃焼室に連通した吸気ポートと同燃焼室に連通した排気ポートとを同燃焼室の外部において接続して、既燃ガスを排気ポートから吸気ポートへ供給する（循環させる）通路を、前記循環通路部とは別個に配設し、例えば、同通路に介装された可変絞り弁等により同通路を流れる既燃ガスの量を調整することによって、燃焼室に供給される既燃ガスに含まれる水蒸気の量を調整することができる。
【００４３】
即ち、本発明の第５態様は、本発明の前記第１態様乃至前記第３態様の何れかに係る作動ガス循環型エンジンであって、
前記水蒸気量調整手段が、前記循環通路部とは別個に配設され、前記吸気ポートと前記排気ポートとを前記燃焼室の外部において接続する外部ＥＧＲ通路部を含んでなり、
前記外部ＥＧＲ通路部によって排気ポートから吸気ポートへ供給される既燃ガスの量を調整することにより、前記燃焼室内の圧力が前記予め定められた所定値を超えないように制御することを特徴とする作動ガス循環型エンジンである。
【００４４】
前述のように、上記外部ＥＧＲ通路部には、例えば、同通路部に介装された可変絞り弁等を設けて、同通路部を流れる既燃ガスの量を調整することができるように構成することができる。但し、上記外部ＥＧＲ通路部を流れる既燃ガスの量を調整する手段としては、上記可変絞り弁に限定されるものではなく、ガスの流量を調整するのに使用される種々の機構を用いることができる。
【００４５】
本発明の第５態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、前述のように、比較的大量の水蒸気を含む既燃ガスを上記外部ＥＧＲ通路部を介して排気ポートから吸気ポートに供給する（循環させる）ことができる。この既燃ガスの流量を適宜調整することにより、燃焼室に供給される作動ガスに含まれる水蒸気の量を調整することができる。即ち、上記外部ＥＧＲ通路部は、燃焼室に供給される作動ガスに含まれる水蒸気の量を調整して同燃焼室内の圧力が予め定められた所定値を超えないように制御する水蒸気量調整手段として機能する。
【００４６】
尚、前述のように、上記外部ＥＧＲ通路部は、比較的大量の水蒸気を含む既燃ガスを上記外部ＥＧＲ通路部を介して排気ポートから吸気ポートに供給する（循環させる）ことによって、燃焼室に供給される作動ガスに含まれる水蒸気の量を調整して同燃焼室内の圧力が予め定められた所定値を超えないように制御する水蒸気量調整手段として機能することが要求される。従って、上記外部ＥＧＲ通路部は、前記循環通路部において、既燃ガスに含まれる水蒸気を凝縮させることによって既燃ガスから水蒸気を分離・除去する前記水蒸気凝縮手段よりも上流（即ち、エンジンの排気ポートにより近い側）の箇所に配設することが望ましい。
【００４７】
従って、本発明の第６態様は、本発明の前記第５態様に係る作動ガス循環型エンジンであって、
前記外部ＥＧＲ通路部が、前記循環通路部における前記水蒸気凝縮手段よりもエンジンの排気ポートに近い箇所において同循環通路部から分岐するように配設されていることを特徴とする作動ガス循環型エンジンである。
【００４８】
上記外部ＥＧＲ通路部は、前述のように、前記循環通路部とは別個に配設され、前記吸気ポートと前記排気ポートとを前記燃焼室の外部において接続して、既燃ガスを排気ポートから吸気ポートへ供給する（循環させる）通路である。本発明の第６態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、外部ＥＧＲ通路部が、循環通路部における水蒸気凝縮手段よりもエンジンの排気ポートに近い箇所において循環通路部から分岐するように配設されている。従って、水蒸気凝縮手段によって水蒸気が分離・除去される前の既燃ガスを排気ポートから吸気ポートへ供給することができる。これにより、比較的大量の水蒸気を含む既燃ガスを燃焼室に供給する（循環させる）ことができるので、燃焼室に供給される作動ガスに含まれる水蒸気の量を調整して同燃焼室内の圧力が予め定められた所定値を超えないように作動ガスの比熱比を制御することがより容易となる。
【００４９】
ところで、これまでに説明してきた前記第４態様乃至前記第６態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、水蒸気量調整手段として、可変バルブタイミング機構や外部ＥＧＲ通路部を採用している。しかしながら、これらの実施態様に係る作動ガス循環型エンジンのように水蒸気量調整手段として別個の構成要素を設けること無く、燃焼室に供給される作動ガスに含まれる水蒸気の量を調整することも可能である。例えば、本発明に係る作動ガス循環型エンジンが備える水蒸気凝縮手段において、（例えば、水蒸気凝縮手段が凝縮器である場合、その冷媒を冷却する能力を調整して）水蒸気凝縮手段が水蒸気を凝縮する能力を調整することによって、燃焼室に供給される作動ガスに含まれる水蒸気の量を調整することも可能である。
【００５０】
即ち、本発明の第７態様は、本発明の前記第１態様に係る作動ガス循環型エンジンであって、
前記水蒸気量調整手段が、前記水蒸気凝縮手段が水蒸気を凝縮する能力を調整する水蒸気凝縮能力調整機構を含んでなり、
前記水蒸気凝縮能力調整機構により、前記水蒸気凝縮手段が既燃ガスから分離・除去する水蒸気の量を調整して、燃焼室に供給される作動ガスに含まれる水蒸気の量を調整することにより、前記燃焼室内の圧力が前記予め定められた所定値を超えないように制御することを特徴とする作動ガス循環型エンジンである。
【００５１】
既燃ガスに含まれる水蒸気を凝縮させることにより既燃ガスから水蒸気を分離・除去しようとする場合、既燃ガスの温度に対応した飽和水蒸気量に相当する量の水蒸気が既燃ガス中に残ってしまう。この飽和水蒸気量は、図４に示すように、ガスの温度が高いほど増大する。従って、水蒸気凝縮手段が水蒸気を凝縮する能力を高めたり低めたりするには、水蒸気凝縮手段の近傍における既燃ガスの温度を下げたり上げたりすればよい。
【００５２】
上記水蒸気凝縮能力調整機構は、例えば、凝縮器の冷媒（例えば、冷却水等）を冷却する能力を調整したり、冷媒の流量を調整したりする機構であってもよい。この場合、凝縮器の冷媒を冷却する能力を低下させたり冷媒の流量を絞ったりすると、冷媒による既燃ガスの冷却効率が低下し、結果として凝縮器を通過する既燃ガスの温度も上昇する。その結果、既燃ガスにおける飽和水蒸気量が増大するので、結果として、凝縮器を通過した後の既燃ガスに含まれる水蒸気の量が増加する。但し、上記水蒸気凝縮能力調整機構は、水蒸気凝縮手段が水蒸気を凝縮する能力を調整することができる限り、如何なる構成のものであってもよく、特定の構成に限定されるものではない。
【００５３】
上記のように、水蒸気凝縮能力調整機構により、水蒸気凝縮手段が既燃ガスから分離・除去する水蒸気の量が調整されるので、結果として、水蒸気凝縮手段から吸気ポートを介して燃焼室に供給される既燃ガス（作動ガス）に含まれる水蒸気の量が調整される。従って、例えば、燃焼室内の圧力（筒内圧）が予め定められた所定を超える場合には、水蒸気凝縮能力調整機構により、水蒸気凝縮手段が既燃ガスから分離・除去する水蒸気の量が低減される。その結果、水蒸気凝縮手段から吸気ポートを介して燃焼室に供給される既燃ガス（作動ガス）に含まれる水蒸気の量が増加するので、作動ガス全体としての比熱比が低下し、筒内圧が所定値以下に維持される。
【００５４】
ところで、本発明の前記第１態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいて、燃焼室に供給される作動ガスに含まれる水蒸気の量を調整する方策として、別の手法を採用することもできる。具体的には、本発明に係る作動ガス循環型エンジンにおいて、水蒸気凝縮手段によって既燃ガスから分離・除去された水蒸気に由来する凝縮水を、（例えば、水蒸気凝縮手段が備える凝縮水貯蔵タンクに連通した凝縮水噴射手段等によって噴射して）水蒸気凝縮手段よりも下流にある循環通路部や吸気ポートに供給することによって、燃焼室に供給される作動ガスに含まれる水蒸気の量を調整することも可能である。
【００５５】
即ち、本発明の第８態様は、本発明の前記第１態様に係る作動ガス循環型エンジンであって、
前記水蒸気量調整手段が、前記水蒸気凝縮手段によって既燃ガスから分離・除去された水蒸気に由来する凝縮水の少なくとも一部を、同水蒸気凝縮手段よりも下流に位置する前記循環通路部又は前記吸気ポートにおいて既燃ガスに再供給する凝縮水再供給機構を含んでなり、
前記凝縮水再供給機構によって燃焼室に供給される作動ガスに含まれる水蒸気の量を調整することにより、前記燃焼室内の圧力が前記予め定められた所定値を超えないように制御することを特徴とする作動ガス循環型エンジンである。
【００５６】
前述のように、上記凝縮水再供給機構は、前記水蒸気凝縮手段によって既燃ガスから分離・除去された水蒸気に由来する凝縮水の少なくとも一部を、同水蒸気凝縮手段よりも下流に位置する前記循環通路部又は前記吸気ポートにおいて既燃ガスに再供給する機構である。より具体的には、上記凝縮水再供給機構は、例えば、水蒸気凝縮手段が既燃ガスから分離・除去した水蒸気を凝縮水として貯蔵する凝縮水貯蔵タンクと、同タンクに連通し、同タンクに貯蔵された凝縮水を噴射する凝縮水噴射手段を備える。但し、上記凝縮水再供給機構は、前記水蒸気凝縮手段によって既燃ガスから分離・除去された水蒸気に由来する凝縮水の少なくとも一部を、同水蒸気凝縮手段よりも下流に位置する前記循環通路部又は前記吸気ポートにおいて既燃ガスに再供給することができる限り、如何なる構成のものであってもよく、特定の構成に限定されるものではない。
【００５７】
上記のように、凝縮水再供給機構により、水蒸気凝縮手段によって既燃ガスから分離・除去された水蒸気に由来する凝縮水の少なくとも一部が、同水蒸気凝縮手段よりも下流に位置する循環通路部又は吸気ポートにおいて既燃ガスに再供給される。この凝縮水の供給量を調整することにより、水蒸気凝縮手段から吸気ポートを介して燃焼室に供給される既燃ガス（作動ガス）に含まれる水蒸気の量を調整することができる。従って、例えば、燃焼室内の圧力（筒内圧）が予め定められた所定を超える場合には、凝縮水再供給機構により既燃ガスに再供給される凝縮水の量が増加される。その結果、水蒸気凝縮手段から吸気ポートを介して燃焼室に供給される既燃ガス（作動ガス）に含まれる水蒸気の量が増加するので、作動ガス全体としての比熱比が低下し、筒内圧が所定値以下に維持される。
【００５８】
尚、水蒸気量調整手段を構成する、上述した各種機構の制御は、例えば、前述した筒内圧検出手段から送出される測定信号（検出信号）から導かれる筒内圧と前述の所定との比較結果に基づいて、前述した電子制御装置から送出される指示信号（制御信号）によって行うことができる。
【００５９】
以上のように、本発明によれば、水蒸気量調整手段が、燃焼室に供給される既燃ガスに含まれる水蒸気の量を調整して、燃焼室内の圧力が予め定められた所定値を超えないように制御するので、例えば、作動ガス循環型エンジンにおいて大きい比熱比を有するガスを作動ガスとして採用した場合に、作動ガス循環型エンジンの筒内圧が所定値以上に上昇する運転状態（例えば、高負荷時）にあっても、前述のようなデメリットを伴うこと無く、上死点（ＴＤＣ）付近での筒内圧が過度に上昇することを防止することができる。
【００６０】
以下、本発明の種々の実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにつき、添付図面を参照しつつ説明する。但し、以下に述べる説明はあくまで例示を目的とするものであり、本発明の範囲が以下の説明に限定されるものと解釈されるべきではない。
【実施例１】
【００６１】
図５は、本発明の１つの実施態様に係る作動ガス循環型エンジンを含むシステムの構成を表す概略図である。当該システムは、作動ガス循環型エンジンの本体部１０、燃料供給部２０、酸素供給部３０、循環通路部（作動ガス循環通路部）４０、及び水蒸気凝縮手段５０を備えている。このエンジンは、燃焼室に酸素及び作動ガス（例えば、アルゴンガス）を供給し、このガスを圧縮することにより高温高圧となったガス中に燃料（例えば、水素ガス）を噴射することにより燃料を拡散燃焼させる形式のエンジンである。なお、図５は、エンジン本体部１０の特定気筒の断面のみを示しているが、複数の気筒を含むエンジンの場合は、他の気筒も同様な構成を備えている。
【００６２】
エンジン本体部１０は、特定の構成に限定されるものではなく、例えば、シリンダヘッドと、シリンダブロックが形成するシリンダと、シリンダ内において往復運動するピストンと、クランク軸と、ピストンとクランク軸とを連結しピストンの往復運動をクランク軸の回転運動に変換するためのコネクティングロッドと、シリンダブロックに連接されたオイルパンとを備えるピストン往復動型エンジンであってもよい（何れも図示せず）。
【００６３】
この場合、ピストンの側面にはピストンリングが配設され、シリンダヘッド、シリンダ及びオイルパンから形成される空間は、ピストンにより、ピストンの頂面側の燃焼室と、クランク軸を収容するクランクケースと、に区画されている（何れも図示せず）。
【００６４】
シリンダヘッドには、燃焼室に連通した吸気ポートと、燃焼室に連通した排気ポートと、が形成されている（何れも図示せず）。吸気ポートには吸気ポートを開閉する吸気弁が配設され、排気ポートには排気ポートを開閉する排気弁が配設されている（何れも図示せず）。更に、シリンダヘッドには、燃料（例えば、水素ガス）を燃焼室内に直接噴射する燃料噴射弁が配設されている（図示せず）。
【００６５】
燃料供給部２０は、燃料タンク（例えば、水素ガスタンク）、燃料ガス通路、燃料ガス圧レギュレータ、燃料ガス流量計及びサージタンク等を備えることができる（何れも図示せず）。また、酸素供給部３０は、酸素タンク（酸素ガスタンク）、酸素ガス通路、酸素ガス圧レギュレータ、酸素ガス流量計及び酸素ガスミキサを備えることができる（何れも図示せず）。
【００６６】
尚、エンジン本体部１０、燃料供給部２０、及び酸素供給部３０の具体的な構成並びに動作については、例えば、作動ガス循環型水素エンジン等に関して当該技術分野において周知であるので、本明細書における詳細な説明は割愛する。
【００６７】
循環通路部４０は、第１及び第２通路部（第１及び第２流路形成管）４１及び４２を備え、第１通路部４１と第２通路部４２との間に、入口部と出口部とを有する水蒸気凝縮手段５０が介装されている。循環通路部４０は、排気ポートと吸気ポートとを燃焼室の外部にて接続する「既燃ガス（循環ガス）の循環経路」を構成している。
【００６８】
第１通路部４１は、排気ポートと水蒸気凝縮手段５０の入口部とを接続している。第２通路部４２は、水蒸気凝縮手段５０の出口部とと吸気ポートとを接続しており、その途中に、酸素ガスミキサ等（図示せず）を介して酸素供給部３０が合流している。
【００６９】
水蒸気凝縮手段５０は、上述したように既燃ガス（循環ガス）の入口部と出口部とを備える。更に、水蒸気凝縮手段５０は、冷却水導入口、冷却水排出口、及び凝縮水排出口６０を備え、冷却水導入口と冷却水排出口とを接続する冷却水循環部には、冷却水の冷却に用いられる放熱器（ラジエタ）７０が介装されている。
【００７０】
水蒸気凝縮手段５０は、入口部から導入されて出口部から排出される既燃ガス（循環ガス）に含まれる水蒸気を、冷却水導入口から導入されるとともに凝縮器の内部を通過した後に冷却水排出口から排出される冷却水によって冷却し、凝縮させる。凝縮された水は凝縮水排出口６０から外部に排出される。水蒸気が除去（分離）されたガスは、水蒸気凝縮手段５０の出口部から循環通路部４０に排出される。
【００７１】
即ち、水蒸気凝縮手段５０は、「入口部及び出口部を有する水蒸気凝縮手段５０であって、循環通路部４０から同入口部を通して流入するガスに含まれる水蒸気を凝縮させることにより同入口部を通して流入するガスから同水蒸気を除去したガスを同出口部から循環通路部４０へと排出する」機能を備えている。尚、本実施態様においては、水蒸気凝縮手段５０は冷却水を使用する水冷式凝縮器を用いているが、水蒸気凝縮手段５０は、水以外の冷媒を使用するものであってもよく、空気（空気の送風）により内部を通過するガスの水蒸気を凝縮する空冷式凝縮部を備えるものであってもよい。
【００７２】
また、作動ガスとしては、前述のように、空気や窒素等の、種々のガスを用いることができるが、例えば、アルゴン、ネオン、ヘリウム等の、比熱比が大きい不活性ガスを用いることが望ましい。かかる比熱比が大きいガスを作動ガスとして用いる場合、比較的小さい比熱比を有するガス（例えば、空気、窒素等）を作動ガスとして用いる場合と比較して、より高い熱効率でエンジンを運転することができる。上記に加えて、例えば、窒素酸化物のような汚染物質の排出を削減して環境保護に貢献しようとする観点からも、不活性ガスを用いることが望ましい。これらの不活性ガスの中では、アルゴンが内燃機関の作動ガスとして広く用いられている。
【００７３】
更に、燃料としては、前述のように、ガソリン、軽油、天然ガス、プロパン、水素等の種々の燃料を用いることができる。但し、本発明は、燃焼生成物として水（水蒸気）を生ずる燃料を用いる作動ガス循環型エンジンにおいて、循環ガスに含まれる水蒸気を効率良く分離・除去しようとするものである。従って、上記燃料としては、燃焼生成物として、水蒸気（Ｈ２Ｏ）を生ずるものが想定される。中でも、二酸化炭素（ＣＯ２）を排出せず、地球温暖化の防止に貢献しようとする観点からは、水素を燃料として用いることが望ましい。
【００７４】
尚、本実施態様においては、前述のように、燃焼室に酸素及び作動ガスを供給し、このガスを圧縮することにより高温高圧となったガス中に燃料を噴射することにより燃料を拡散燃焼させる形式のエンジンが例示されている。しかしながら、本発明に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、上記のように、種々の作動ガス及び燃料を用いることができる。従って、使用される作動ガスと燃料との組み合わせや、エンジンの設計仕様（例えば、圧縮比等）に応じて、燃焼室内における燃料の燃焼モードも適宜選択することができる。即ち、使用される作動ガスと燃料との組み合わせや、エンジンの設計仕様（例えば、圧縮比等）によっては、作動ガスと予め混合された燃料を燃焼室内に設けられた点火手段から発生した火花によって点火して火花点火燃焼させる形式のエンジンに、本発明を適用することもできる。
【００７５】
水蒸気凝縮手段５０は、上述したように、第１通路部４１と第２通路部４２との間に配設されている。即ち、水蒸気凝縮手段５０の入口部は第１通路部４１を介してエンジン本体部１０の排気ポートに接続されている。水蒸気凝縮手段５０の出口部は第２通路部４２を介してエンジン本体部１０の吸気ポートに接続されている。これにより、水蒸気凝縮手段５０は、入口部から流入する既燃ガス（循環ガス）に含まれる水蒸気を非凝縮ガスと分離して水となし、その水を外部に排出するとともに、同非凝縮ガスをその出口部から第２通路部４２に供給するようになっている。
【００７６】
本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、筒内圧検出手段（図示せず）がエンジン本体部１０の燃焼室内のガスの圧力（筒内圧）を検出し、水蒸気量調整手段（図示せず）が、上記第２通路部４２に供給される既燃ガスに含まれる水蒸気の量を調整して、筒内圧検出手段（図示せず）によって検出される筒内圧が予め定められた所定値を超えないように制御する。このようにして、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、例えば、作動ガス循環型エンジンにおいて大きい比熱比を有するガス（例えば、アルゴン）を作動ガスとして採用した場合に、作動ガス循環型エンジンの筒内圧が所定値以上に上昇する運転状態（例えば、高負荷時）にあっても、筒内圧の過度の上昇に伴うエンジンの熱効率の低下、エンジン強度の増強に伴うエンジン本体の重量増による燃費の悪化、又はエンジンを含むシステム全体の製造コストの増大や重量増に伴う燃費の悪化等のデメリットを伴うこと無く、上死点（ＴＤＣ）付近での筒内圧が過度に上昇することを防止することができる。
【実施例２】
【００７７】
次に、本発明のもう１つの実施態様に係る作動ガス循環型エンジンについて、図６を参照しながら詳しく説明する。前述のように、図６は、本発明のもう１つの実施態様に係る作動ガス循環型エンジンを含むシステムの構成を表す概略図である。図６に示すシステムにおいては、図５に示すシステムに対して、外部ＥＧＲ通路部８１及びバルブ８２が追加されている。
【００７８】
即ち、本実施態様においては、水蒸気凝縮手段５０の上流側（エンジン本体部１０の排気ポートに近い側）の循環通路部４０（即ち、第１通路部（第１流路形成管）４１）において外部ＥＧＲ通路部８１が分岐している。外部ＥＧＲ通路部８１の他端は、バルブ８２を介して、水蒸気凝縮手段５０の下流側の循環通路部４０（即ち、第２通路部（第２流路形成管）４２）のエンジン本体部１０近傍において合流している。
【００７９】
前述のように、外部ＥＧＲ通路部８１は、循環通路部４０とは別個に配設され、吸気ポートと排気ポートとをエンジン本体部１０の燃焼室の外部において接続して、既燃ガスを排気ポートから吸気ポートへ供給する（循環させる）通路である。本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、外部ＥＧＲ通路部８１が、循環通路部４０における水蒸気凝縮手段よりもエンジンの排気ポートに近い（上流側の）箇所において循環通路部４０から分岐するように配設されている。従って、水蒸気凝縮手段５０によって水蒸気が分離・除去される前の既燃ガスを排気ポートから吸気ポートへ供給することができる。これにより、比較的大量の水蒸気を含む既燃ガスをエンジン本体部１０の燃焼室に供給する（循環させる）ことができるので、エンジン本体部１０の燃焼室に供給される作動ガスに含まれる水蒸気の量を調整して、同燃焼室内の圧力（筒内圧）が予め定められた所定値を超えないように作動ガスの比熱比を制御することがより容易となる。尚、本実施態様においては、外部ＥＧＲ通路部８１を流れる既燃ガスの量を調整する手段として、バルブ８２（例えば、可変絞り弁、三方弁等）が用いられている。
【００８０】
そこで、本実施態様における筒内圧制御の実行手順につき、図７を参照しつつ、以下に詳しく説明する。前述のように、図７は、図６に示す実施態様に係る作動ガス循環型エンジンを含むシステムにおける筒内圧の制御を表すフローチャートである。このフローチャートに示される一連の処理は、例えば、所定のクランク角毎の割り込み処理として、電子制御装置（図示せず）に実行させることができる。
【００８１】
図７に示すように、本実施態様においては、先ずステップＳ６０１において、エンジン本体部１０の燃焼室内のガスの圧力（筒内圧）Ｐが、筒内圧検出手段（図示せず）によって取得される。次に、取得された筒内圧Ｐが所定値Ｐ０を超えるか否かが判定される（ステップＳ６０２）。取得された筒内圧Ｐが所定値Ｐ０を超える（即ち、Ｐ＞Ｐ０）場合は（ステップＳ６０２：Ｙｅｓ）、バルブ８２を開いて外部ＥＧＲ通路部８１を流れる既燃ガスの量を増やすことにより、エンジン本体部１０の燃焼室に供給される作動ガスに含まれる水蒸気の量が増加される。その結果、作動ガスの比熱比が低減され、筒内圧Ｐが所定値Ｐ０を超えないように制御される。
【００８２】
一方、取得された筒内圧Ｐが所定値Ｐ０を超えない（即ち、Ｐ≦Ｐ０）場合は（ステップＳ６０２：Ｎｏ）、取得された筒内圧Ｐが所定値Ｐ０よりも低いか否かが判定される（ステップＳ６０３）。取得された筒内圧Ｐが所定値Ｐ０よりも低い（即ち、Ｐ＜Ｐ０）場合は（ステップＳ６０３：Ｙｅｓ）、バルブ８２を絞って外部ＥＧＲ通路部８１を流れる既燃ガスの量を減らすことにより、エンジン本体部１０の燃焼室に供給される作動ガスに含まれる水蒸気の量が低減される。その結果、筒内圧Ｐが所定値Ｐ０を超えない範囲内で作動ガスの比熱比が高いレベルに維持されるので、エンジンの熱効率も高いレベルに維持される。
【００８３】
一方、取得された筒内圧Ｐが所定値Ｐ０よりも高くない場合は（ステップＳ６０３：Ｎｏ）、取得された筒内圧Ｐが所定値Ｐ０に等しい（即ち、Ｐ＝Ｐ０）ことを意味するので、筒内圧Ｐを変更する必要は無いため、バルブ８２の絞り具合を調整すること無く、本処理が一旦終了される。
【００８４】
本実施態様においては、上記のように、循環通路部４０における水蒸気凝縮手段５０の上流側（エンジン本体部１０に近い側）をバイパスするように外部ＥＧＲ通路部８１が配設され、バルブ８２によって、外部ＥＧＲ通路部８１を通過する既燃ガスの流量が調整される。これにより、エンジン本体部１０の燃焼室に供給される作動ガスに含まれる水蒸気の量を効率良く調整することができる。従って、上死点（ＴＤＣ）付近での燃焼室内の圧力（筒内圧）が過度に上昇することを抑制することができるので、ＴＤＣ付近で過度に上昇する筒内圧を見越して、より高い筒内圧に耐え得るようにエンジンの機械的強度を増強したり、逆に、ＴＤＣ付近での筒内圧が過度に上昇しないように、エンジンの圧縮率を低く設定したりする必要が無くなる。
【００８５】
尚、上記実施例においては、エンジン本体部１０の燃焼室に供給される作動ガスに含まれる水蒸気の量を調整する手段として外部ＥＧＲ通路部８１が用いられているが、前述のように、水蒸気量調整手段として、同エンジンの吸気ポートを開閉する吸気弁及び排気ポートを開閉する排気弁の少なくとも一方の開閉のタイミングを変更する可変バルブタイミング機構を利用することもできる。可変バルブタイミング機構は、当該技術分野において使用されている何れの機構のものであってもよく、前述のように、例えば、油圧を駆動源とする油圧式のものであっても、アクチュエータとして電動モータを用いた電動式のものであってもよい。
【実施例３】
【００８６】
更に、本発明のもう１つの実施態様に係る作動ガス循環型エンジンについて、図８を参照しながら詳しく説明する。前述のように、図８は、本発明のもう１つの実施態様に係る作動ガス循環型エンジンを含むシステムの構成を表す概略図である。より具体的には、図８に示すシステムにおいては、図５に示すシステムに対して、凝縮水貯蔵部６１、凝縮水通路部９１、ポンプ９２、及び凝縮水噴射弁９３が追加されている。より具体的には、水蒸気凝縮手段５０によって既燃ガスから分離・除去された水蒸気を凝縮水として貯蔵する凝縮水貯蔵部６１が水蒸気凝縮手段５０の下部に設けられており、この凝縮水貯蔵部６１から第２通路部（第２流路形成管）４２）のエンジン本体部１０近傍に凝縮水噴射弁９３を介して連通する凝縮水通路部９１が配設されている。尚、凝縮水は、凝縮水通路部９１に介装されたポンプ９２によって加圧されて、凝縮水通路部９１の内部を流れ、凝縮水噴射弁９３により、エンジン本体部１０の吸気ポートに流入する作動ガス中に噴射される。
【００８７】
即ち、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、凝縮水貯蔵部６１、凝縮水通路部９１、ポンプ９２、及び凝縮水噴射弁９３から構成される凝縮水再供給機構が水蒸気量調整手段として機能し、これにより、燃焼室に供給される作動ガスに含まれる水蒸気の量を調整して、エンジン本体部１０の燃焼室内の圧力が予め定められた所定値を超えないように制御する。
【００８８】
ポンプ９２は、凝縮水を加圧することができる限り、特定の構成に限定されるものではなく、液体用ポンプとして使用されている種々のタイプのものを使用することができる。凝縮水噴射弁９３もまた、例えば、噴射口を弁体により開閉し、同噴射口が同弁体により開かれた際に凝縮水噴射弁９３に供給されている凝縮水の圧力により凝縮水を噴射する噴射弁とすることができる。尚、ポンプ９２及び凝縮水噴射弁９３の制御は、例えば、電子制御装置（図示せず）から送出される指示信号（制御信号）によって行うことができる。
【００８９】
本実施態様における筒内圧調整の実行手順は、図７に示すフローチャートと同様に行うことができる。具体的には、図７に示すフローチャートにおいて、ステップＳ６０４及びステップＳ６０５が、それぞれ「バルブ８２を開く」及び「バルブ８２を絞る」という処理に該当するが、これらを、それぞれ「ポンプ９２ＯＮ」及び「ポンプ９２ＯＦＦ」という処理に置き換えることで、凝縮水再供給機構が水蒸気量調整手段として機能する本実施態様における筒内圧制御の実行手順を表すフローチャートを得ることができる。
【００９０】
以上のように、本発明によれば、作動ガス循環型エンジンにおいて、大きい比熱比を有するガスを作動ガスとして採用した場合であっても、エンジンの熱効率の低下、エンジン本体の重量増に伴う燃費の悪化、又はエンジンを含むシステム全体の製造コストの増大や重量増に伴う燃費の悪化というデメリットを伴うこと無く、上死点（ＴＤＣ）付近での燃焼室内の圧力（筒内圧）が過度に上昇することを防止することができる。
【００９１】
以上、本発明を説明することを目的として、特定の構成及び実行手順の組み合わせを有する幾つかの実施例について説明してきたが、本発明の範囲は、これらの例示的な実施態様に限定されるものではなく、特許請求の範囲及び明細書に記載された事項の範囲内で、適宜修正を加えることができる。
【符号の説明】
【００９２】
１０…エンジンの本体部、２０…燃料供給部、３０…酸素供給部、４０…循環通路部、４１…第１通路部（第１流路形成管）、４２…第２通路部（第２流路形成管）、５０…水蒸気凝縮手段、６０…凝縮水排出口、凝縮水貯蔵部６１、７０…放熱器（ラジエタ）、外部ＥＧＲ通路部８１、バルブ８２、凝縮水通路部９１、ポンプ９２、及び凝縮水噴射弁９３。
【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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