(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石油系燃料、水素、天然ガス、アルコールなどの気体若しくは液体燃料を作動空間の中で着火燃焼させる往復動内燃機関において、
前記内燃機関の気筒内に超臨界水噴射弁によって超臨界水を、上死点前９０°乃至上死点後３０°の範囲内で噴射し、気筒内に燃料噴射弁によって、前記内燃機関の最大出力時における空気過剰率が１〜２．５および燃焼最高温度が１６００〜２０００℃となるように燃料を噴射し、前記超臨界水が排気過給機の排気タービン後流に設けた排気／Ｈ２Ｏ熱交換器により製造され前記超臨界水の温度と圧力の制御を、排気過給機の排気タービンに導入される前のタービン上流側の排気を前記熱交換器にバイパスするバイパス量の調整または前記排気タービンの膨張比の調整と、前記熱交換器への供給水圧力の調整とによって行うことを特徴とする往復動内燃機関の運転方法。
【請求項２】
前記超臨界水の噴射開始時期が、燃料噴射時期と同一かそれより以前の圧縮工程中であることを特徴とする請求項１記載の往復動内燃機関の運転方法。
【請求項３】
石油系燃料、水素、天然ガス、アルコールなどの気体若しくは液体燃料を作動空間の中で着火燃焼させる往復動内燃機関において、
排気ガスとの熱交換により超臨界水を生成する手段と、
該超臨界水を上死点前９０°乃至上死点後３０°の範囲内で気筒内に噴射する超臨界水噴射弁と、
該噴射弁により気筒内に存在する超臨界水と空気の混合雰囲気において、最大出力時の空気過剰率が１〜２．５，及び燃焼最高温度が１６００〜２０００℃となるように燃料噴射量を制御する手段と、該燃料を気筒内に噴射する燃料噴射弁とを備え、前記超臨界水生成手段が、排気過給機の排気タービン後流に設けた排気／Ｈ２Ｏ熱交換器であり、排気過給機の排気タービンに導入される前のタービン上流側の排気を前記熱交換器にバイパスするバイパス量または前記排気タービンの膨張比を調整し、さらに前記熱交換器に供給されるＨ２Ｏの供給圧を調整する制御手段を設け、これら制御手段により前記超臨界水を製造することを特徴とする往復動内燃機関システム。
【請求項４】
前記超臨界水の噴射開始時期が、燃料噴射時期と同一かそれより以前の圧縮工程中であることを特徴とする請求項３記載の往復動内燃機関システム。
【請求項５】
石油系燃料、水素、天然ガス、アルコールなどの気体若しくは液体燃料を作動空間の中で着火燃焼させる往復動内燃機関において、
排気ガスとの熱交換により圧力が１８ＭＰａ以上で、温度が２５０℃以上で臨界点を越える５００℃以下の亜臨界水若しくは超臨界水(以下亜・超臨界水という)を生成する手段と、
該亜・超臨界水を上死点前９０°乃至上死点後３０°の範囲内で気筒内に噴射する亜・超臨界水噴射弁と、
該噴射弁により気筒内に存在する亜・超臨界水と空気の混合雰囲気において、最大出力時の空気過剰率が１〜２．５，及び燃焼最高温度が１６００〜２０００℃となるように燃料噴射量を制御する手段と、該燃料を気筒内に噴射する燃料噴射弁とを備え、前記亜・超臨界水生成手段が、排気過給機の排気タービン後流に設けた排気／Ｈ２Ｏ熱交換器であり、前記排気過給機の排気／Ｈ２Ｏ熱交換器と独立した第２の前記亜・超臨界水生成手段を設け、運転当初に第２の前記亜・超臨界水生成手段で生成した超臨界水を前記内燃機関に噴射することを特徴とする往復動内燃機関システム。
【請求項６】
石油系燃料、水素、天然ガス、アルコールなどの気体若しくは液体燃料を作動空間の中で着火燃焼させる往復動内燃機関において、
排気ガスとの熱交換により圧力が１８ＭＰａ以上で、温度が２５０℃以上で臨界点を越える５００℃以下の亜臨界水若しくは超臨界水（以下亜・超臨界水という）を生成する手段と、
該亜・超臨界水を上死点前９０°乃至上死点後３０°の範囲内で気筒内に噴射する亜・超臨界水噴射弁と、
該噴射弁により気筒内に存在する亜・超臨界水と空気の混合雰囲気において、最大出力時の空気過剰率が１〜２．５，及び燃焼最高温度が１６００〜２０００℃となるように燃料噴射量を制御する手段と、該燃料を気筒内に噴射する燃料噴射弁とを備え、前記亜・超臨界水生成手段で生成された亜・超臨界水の一部を前記往復動内燃機関の排気側に戻入することを特徴とする往復動内燃機関システム。
【請求項７】
石油系燃料、水素、天然ガス、アルコールなどの気体若しくは液体燃料を作動空間の中で着火燃焼させる往復動内燃機関において、
排気ガスとの熱交換により圧力が１８ＭＰａ以上で、温度が２５０℃以上で臨界点を越える５００℃以下の亜臨界水若しくは超臨界水（以下亜・超臨界水という）を生成する手段と、
該亜・超臨界水を上死点前９０°乃至上死点後３０°の範囲内で気筒内に噴射する亜・超臨界水噴射弁と、
該噴射弁により気筒内に存在する亜・超臨界水と空気の混合雰囲気において、最大出力時の空気過剰率が１〜２．５，及び燃焼最高温度が１６００〜２０００℃となるように燃料噴射量を制御する手段と、該燃料を気筒内に噴射する燃料噴射弁とを備え、前記亜・超臨界水生成手段上流側の前記往復動内燃機関の排気管に燃料を供給して該排気管内で追炊きを行うことを特徴とする往復動内燃機関システム。
【請求項８】
前記亜・超臨界水生成手段上流側の前記往復動内燃機関の排気管に燃料を供給するとともに、該排気管に排気過給機からの圧縮空気の一部を供給して該排気管内で追炊きを行うことを特徴とする請求項７記載の往復動内燃機関システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、亜臨界または超臨界水を往復動内燃機関の気筒内に噴射して、燃焼最高温度を従来並みに抑えながら燃料噴射量を増大して出力増大、効率向上、排気エミッションの低減を図る内燃機関の運転方法及びそのシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
中大型の往復動内燃機関は、その高い経済性の故に船舶推進用の他、一般産業用及び事業用として広く市場に受入れられているが、ユーザの経済性・環境調和性に対する要求は益々厳しく、出力当り低コスト、燃料消費、有害排出物のさらなる低減が要望されている。往復動内燃機関の高出力化（コンパクトで高出力）によるコストダウンは、ＬＣＡ（Ｌｉｆｅ  Ｃｙｃｌｅ  Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ）的観点から、社会的要請となっている。
【０００３】
従来、内燃機関の効率改善と出力増大の一方法として、内燃機関と蒸気タービンを組合せ、該蒸気タービンにボトミングサイクルを行わせる、所謂シリーズ・コンバインド・システムがあり、内燃機関としてガスタービンを用いたものが多く実用に供されている。かかるシステムでは、内燃機関の排気ガスが有する熱の一部を有効利用するので、熱効率は改善されるが、内燃機関とは別に蒸気タービンを備える必要があるのでコンパクトとは言えず、出力当りの重量、スペース、コストの低減とは必ずしも結びつかないのが実情であった。
【０００４】
往復動内燃機関を用いた場合の前記シリーズ・コンバインド・システムは、一例として図１１に示すように、排気過給機付往復動内燃機関１０１の排気過給機１０３の排気タービン１０４からの排気は熱交換器１０６に導かれる。一方前記排気過給機１０３のコンプレッサ１０５により圧縮された空気がエアクーラ１０７を介して機関１０１の気筒内に送給される。前記熱交換器１０６にはポンプＰにより水が送給され、該水は熱交換器１０６で前記タービン１０４からの排気により加熱されて過熱蒸気にされ蒸気タービン１１５に送られる。過熱蒸気は蒸気タービン１１５で膨張して発電機１１６を駆動し、蒸気タービン１１５を出た低温の湿り蒸気はコンデンサ１１７で冷却、凝縮されて液相の水になり、前記ポンプＰにより再び熱交換器１０６に送られる。
【０００５】
ガスタービンの燃焼器に排ガスボイラで発生した蒸気を注入して出力増大と熱効率向上を図る、いわゆるチェンサイクルが米国特許３９７８６６１や特公昭５４−３４８６５に、パラレルコンパウンド・二作動流体ヒートエンジンとして開示されているが、これはガスタービンの排気との熱交換により生成した蒸気をガスタービンの燃焼器に注入し、注入された蒸気が燃焼器内で燃焼ガスと混合して過熱蒸気となり、燃焼ガスと過熱蒸気の混合流体を作動ガスとしてガスタービン或はエキスパンダに送って出力と熱効率の増大を図るものであり、作動流体の熱エネルギーは主として過熱蒸気によって担われ、燃焼ガスの熱エネルギーは過熱蒸気の熱エネルギーよりも小さい。すなわち、燃料のエネルギーは主として過熱蒸気を作るために消費されるものであり、前記燃焼器は燃焼ガスが蒸気に直接に接触して過熱蒸気を製造するボイラーとも言える。
【０００６】
また、ＷＯ９９／３７９０４にはコンパウンド・ディーゼル−ランキン・サイクル往復動機関として開示されているが、これは往復動内燃機関や燃焼用供給空気の冷却水と排気ガスとの熱交換で生成した好ましくは温度が５８０℃よりも低く、圧力が１８ＭＰａよりも低いスチームを気筒内に噴射された燃料が着火する前に該噴射燃料に干渉しないように気筒内に注入するものである。
【０００７】
また、特開平６−１３７２１８号にはディーゼルエンジンの燃料中に苛性カリ水溶液を添加混合して、さらに水の臨界点を越える高温高圧に加圧加熱して、燃料中の硫黄分とカリを結合して、シリンダー内に噴射燃焼せしめる技術が開示されている。これは水の超臨界を利用するが、燃料中の硫黄分とカリを結合させて重油中の硫黄の分離に利用するもので、ＮＯｘやＣＯの低減を図るものではない。また、燃料中に水溶液を混合すると自己着火が阻害されたり出力の低下がもたらされる恐れがある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特に中・大型のディーゼル機関は脱硝コストの低減のため徹底的なＮＯｘの低減が、またＣＯ２低減のため大幅な熱効率の増大が強く要望されている。本発明は、往復動内燃機関の気筒内に亜臨界または超臨界水を噴射して出力増大、効率改善、エミッション低減を同時に図るもので、往復動内燃機関の主要コンポーネントの改造を伴うことなく、また、前記シリーズ・コンバインド・システムのように蒸気タービン等を追加することなく、出力と熱効率を増大し、併せて排出ＮＯｘを大幅に低減することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１は、上記目的を達成するための運転方法で、石油系燃料、水素、天然ガス、アルコールなどの気体若しくは液体燃料を作動空間の中で着火燃焼させる往復動内燃機関において、前記内燃機関の気筒内に超臨界水噴射弁によって超臨界水を、上死点前９０°乃至上死点後３０°の範囲内で噴射し、気筒内に燃料噴射弁によって、前記内燃機関の最大出力時における空気過剰率が１〜２．５および燃焼最高温度が１６００〜２０００℃となるように燃料を噴射し、前記超臨界水が排気過給機の排気タービン後流に設けた排気／Ｈ２Ｏ熱交換器により製造され前記超臨界水の温度と圧力の制御を、排気過給機の排気タービンに導入される前のタービン上流側の排気を前記熱交換器にバイパスするバイパス量の調整または前記排気タービンの膨張比の調整と、前記熱交換器への供給水圧力の調整とによって行うことを特徴とする。
【００１０】
往復動内燃機関の吸気管あるいは気筒内に水あるいは水蒸気を注入して燃焼温度を下げ、特にＮＯｘを低減することは従来公知である。水（Ｈ２Ｏ）の臨界点は温度３７４．１℃、圧力２２．１ＭＰａであるが、臨界状態の水は液相と気相の区別がなくなり、密度が液密度と略同等でありながら分子が気相状態のように運動する。そして流体物性は臨界点近傍で大きく変化する。本発明は亜臨界水や超臨界水の物性を積極的に利用するものである。すなわち、亜臨界水や超臨界水の誘電率が有機溶媒程度並みに低くなることにより炭化水素系燃料との相互溶解性が向上し、また拡散係数の増大により水と燃料の均一相形成が容易となって局所的な高温燃焼部が少なくなり、ＮＯｘの生成を抑えることができる。また、空気などの気体とも均一相を形成するので、空気中の酸素との均一相形成も容易となり、燃料の酸化が効率よく行われ、ＣＯや排気色（黒煙）の低減にも有効である。またイオン積が大きくなり、酸触媒・アルカリ触媒効果として作用するために、ＮＯｘやＣＯの低減がさらに促進される。
【００１１】
超臨界水とは圧力と温度が臨界点を越えたＨ２Ｏであるが、亜臨界水については明確な定義はない。本発明における亜臨界水とは、圧力が１８ＭＰａ以上で温度が２５０℃以上５００℃以下のＨ２Ｏとし、超臨界水とは、圧力が臨界圧力を越え、温度が臨界温度を越え５００℃以下のＨ２Ｏとする。このような亜臨界または超臨界水（亜・超臨界水）の噴射時期は、上死点前９０°から上死点後３０°の範囲内に設定されるのがよい。
【００１２】
気筒内の圧力、温度はピストンの位置、すなわちクランク角度によって変化し、一方、亜・超臨界水の噴射にはある期間を要する。したがって、気筒内に噴射される亜・超臨界水はその噴射終了時期における気筒内圧力よりも高い圧力で気筒内に噴射される。
【００１３】
前記亜・超臨界水が燃料噴射前の気筒内圧力が比較的低い空気中に噴射される場合は、該亜・超臨界水は気筒内で気筒内圧力および温度付近の蒸気となり、亜・超臨界水としての作用はなくなり、単に作動流体の量および比熱を増加させる作用をするが、気筒内圧力が高い燃料噴射時期付近あるいは燃焼中に噴射される場合は、前記亜・超臨界水は気筒内の空気中を貫通し、燃料噴霧に衝突、混合して燃焼を活発化し、あるいは燃焼火炎の温度を低下させながらも燃焼を活発化する作用をする。
【００１４】
従って前記亜・超臨界水の噴射開始時期は、燃料噴射時期と同一か、それより以前の圧縮工程中（例えば上死点前９０°乃至上死点後３０°の範囲）であるのがよい。
【００１５】
湿り蒸気を噴射する場合、噴射された湿り蒸気中の液相の水は潜熱が大きいため火炎を冷却して消炎するので燃焼が阻害されるが、臨界点近傍の亜臨界水は液相の水が少なく潜熱は非常に小さいので、消炎効果により燃焼が阻害されにくい。したがって燃料噴射時期近くで亜臨界水を噴射する場合は、その温度は臨界温度近傍とするのがよい。また前記亜・超臨界水は気筒内の燃焼が進むにしたがって高温となり、前述したように燃料や空気との均一な混合や酸化反応を活性化するので、燃焼を促進し、ＮＯｘ、ＣＯ、黒煙の発生を抑制する。
【００１６】
現在の中大型の排気過給、給気冷却機関では通常給気圧は０．４ＭＰａ、給気温度は約５０℃であり、燃焼最高温度は１６００℃〜２０００℃となる。この燃焼最高温度を２０００℃以内に抑えるために、最大出力時の空気過剰率は２．５前後と大きくされている。本発明による気筒内への亜・超臨界水の噴射により、気筒内における燃焼が活発化され、また気筒内の作動流体の質量が増大し、比熱も増大するので、燃焼熱の吸収容量が増大する。したがって空気過剰率が２．５以下になるように燃料噴射量を増大しても気筒内最高温度を略２０００℃以下に抑制することができる。そして前記燃料噴射量の増大により出力の増大が可能となる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、石油系燃料、水素、天然ガス、アルコールなどの気体若しくは液体燃料を作動空間の中で着火燃焼させる往復動内燃機関において、排気ガスとの熱交換により超臨界水を生成する手段と、該超臨界水を上死点前９０°乃至上死点後３０°の範囲内で気筒内に噴射する超臨界水噴射弁と、該噴射弁により気筒内に存在する超臨界水と空気の混合雰囲気において、最大出力時の空気過剰率が１〜２．５，及び燃焼最高温度が１６００〜２０００℃となるように燃料噴射量を制御する手段と、該燃料を気筒内に噴射する燃料噴射弁とを備え、前記超臨界水生成手段が、排気過給機の排気タービン後流に設けた排気／Ｈ２Ｏ熱交換器であり、排気過給機の排気タービンに導入される前のタービン上流側の排気を前記熱交換器にバイパスするバイパス量または前記排気タービンの膨張比を調整し、さらに前記熱交換器に供給されるＨ２Ｏの供給圧を調整する制御手段を設け、これら制御手段により前記超臨界水を製造することを特徴とする往復動内燃機関システムを提案する。
【００１８】
また、請求項５に記載の発明は、石油系燃料、水素、天然ガス、アルコールなどの気体若しくは液体燃料を作動空間の中で着火燃焼させる往復動内燃機関において、排気ガスとの熱交換により圧力が１８ＭＰａ以上で、温度が２５０℃以上で臨界点を越える５００℃以下の亜臨界水若しくは超臨界水(以下亜・超臨界水という)を生成する手段と、該亜・超臨界水を上死点前９０°乃至上死点後３０°の範囲内で気筒内に噴射する亜・超臨界水噴射弁と、該噴射弁により気筒内に存在する亜・超臨界水と空気の混合雰囲気において、最大出力時の空気過剰率が１〜２．５，及び燃焼最高温度が１６００〜２０００℃となるように燃料噴射量を制御する手段と、該燃料を気筒内に噴射する燃料噴射弁とを備え、前記亜・超臨界水生成手段が、排気過給機の排気タービン後流に設けた排気／Ｈ２Ｏ熱交換器であり、前記排気過給機の排気／Ｈ２Ｏ熱交換器と独立した第２の前記亜・超臨界水生成手段を設け、運転当初に第２の前記亜・超臨界水生成手段で生成した超臨界水を前記内燃機関に噴射することを特徴とし、かかる発明によれば、排ガス温度が低い運転当初に第２の前記亜・超臨界水生成手段で亜・超臨界水を生成し噴射することができる。
また、請求項６に記載の発明は、石油系燃料、水素、天然ガス、アルコールなどの気体若しくは液体燃料を作動空間の中で着火燃焼させる往復動内燃機関において、排気ガスとの熱交換により圧力が１８ＭＰａ以上で、温度が２５０℃以上で臨界点を越える５００℃以下の亜臨界水若しくは超臨界水（以下亜・超臨界水という）を生成する手段と、該亜・超臨界水を上死点前９０°乃至上死点後３０°の範囲内で気筒内に噴射する亜・超臨界水噴射弁と、該噴射弁により気筒内に存在する亜・超臨界水と空気の混合雰囲気において、最大出力時の空気過剰率が１〜２．５，及び燃焼最高温度が１６００〜２０００℃となるように燃料噴射量を制御する手段と、該燃料を気筒内に噴射する燃料噴射弁とを備え、前記亜・超臨界水生成手段で生成された亜・超臨界水の一部を前記往復動内燃機関の排気側に戻入することを特徴とし、かかる発明によれば前記亜・超臨界水生成手段で生成された超臨界水の量が過大な場合はその一部を前記往復動内燃機関の排気側に戻入し必要な量のみを気筒内に噴射することができる。
【００１９】
また、請求項７記載の発明は、石油系燃料、水素、天然ガス、アルコールなどの気体若しくは液体燃料を作動空間の中で着火燃焼させる往復動内燃機関において、排気ガスとの熱交換により圧力が１８ＭＰａ以上で、温度が２５０℃以上で臨界点を越える５００℃以下の亜臨界水若しくは超臨界水（以下亜・超臨界水という）を生成する手段と、該亜・超臨界水を上死点前９０°乃至上死点後３０°の範囲内で気筒内に噴射する亜・超臨界水噴射弁と、該噴射弁により気筒内に存在する亜・超臨界水と空気の混合雰囲気において、最大出力時の空気過剰率が１〜２．５，及び燃焼最高温度が１６００〜２０００℃となるように燃料噴射量を制御する手段と、該燃料を気筒内に噴射する燃料噴射弁とを備え、前記亜・超臨界水生成手段上流側の前記往復動内燃機関の排気管に燃料を供給して該排気管内で追炊きを行うことを特徴とし、かかる発明によれば排気管内で追炊きを行って排気エネルギを増大させ、増大した排気エネルギで過給機タービンの出力を増大させ、あるいは別途設けた独立タービンで吸収して発電機等の外部機械の駆動に利用できる。より好ましくは前記亜・超臨界水生成手段上流側の前記往復動内燃機関の排気管に燃料を供給するとともに、該排気管に排気過給機からの圧縮空気の一部を供給して該排気管内で追炊きを行うのがよい。
【００２０】
図１２は本発明の往復動内燃機関の運転システム（フィードバック・コンパウンド・システム）と従来の排ガスによる回収エネルギを蒸気あるいは熱水として利用する従来のシステムにおける熱量の移動を比較したものである。図１３（Ａ）の従来システムでは、機関に供給された燃料の熱量を１とすると、軸出力α、冷却水に持ち去られる熱量や放射による冷損・放射損δ、排気により持ち去られる熱量βであり、この排気熱βの内γ・βが熱交換器で水（Ｈ２Ｏ）との熱交換により回収エネルギとして蒸気あるいは熱水の形で利用され、β・（１−γ）が排気ガスとして大気中に放出される。
【００２１】
図１２（Ｂ）の本発明では、熱交換器に供給された水（Ｈ２Ｏ）は排気熱β∞との熱交換によりγ・β∞の熱量を持つ亜臨界または超臨界水にされて機関の気筒に噴射されるが、その際、機関への燃料供給熱量は図１３（Ａ）の従来システムの場合よりもκ・γ・β∞だけ増大されて機関への供給熱量は１＋κ・γ・β∞とされる。この燃料供給熱量の増大は燃焼最高温度が従来システムのそれと同じになるように行われる。すなわち、気筒内に亜・超臨界水を噴射したことにより気筒内作動流体の質量が増大し、また前記亜・超臨界水の比熱は空気あるいは燃焼ガスの比熱よりも大きいため、従来の燃料供給熱量のままでは燃焼最高温度が低下するが、これを従来の燃焼最高温度(例えば１６００〜２０００℃)になるように燃料供給熱量を増大するものである。
【００２２】
その結果、軸出力はα∞、冷損・放射損も若干増大してδ∞となり、大気中に放出される熱量はβ∞・（１−γ）となる。したがって、同じ最高燃焼温度で、軸出力はα∞／α倍になり、機関の熱効率はα∞／α・（１＋κ・γ・β∞）倍となる。
【００２３】
図１３は、気筒内に噴射される前記亜・超臨界水の質量Ｇｗと従来システムでの噴射燃料質量Ｇｆとの比Ｇｗ／Ｇｆに対する上記熱効率増大比および出力増大比の計算結果を示す。図１３に示されるように、本システムによると、最高燃焼温度を従来システムと同じにする条件で、軸出力および機関熱効率が前記亜・超臨界水の噴射量の増大とともに燃料を増大する。亜・超臨界水の噴射により気筒内作動流体の質量が増大するので、最高燃焼圧力も増大し、最高燃焼圧力の増大をどこまで許容するかによって、亜・超臨界水噴射量の上限が決まる。前記内燃機関の気筒内に燃料を増加させて噴射するとともに、該増加させた燃料での最大出力時の空気過剰率が１〜２．５になるように、亜・超臨界水を上死点前９０°乃至上死点後３０°の範囲内で気筒内に噴射するのがよい。
なお、本発明の運転システムは、図１２（Ｂ）に示されるように、排気／Ｈ２Ｏ熱交換器によって排気熱量β∞から回収されたγ・β∞の熱量が燃料追加によってκ倍されてκ・γ・β∞の熱量として気筒にフィードバックされ、ガス・蒸気複合サイクル（Ｃｏｍｐｏｕｎｄ  ｇａｓ−ｓｔｅａｍ  ｃｙｃｌｅ）が行われる。
【００２４】
往復動内燃機関の高い筒内圧力及び高い燃焼温度により、注入された亜・超臨界水は、定圧比熱が高い（空気と燃焼した燃料の混合物である燃焼ガスの２倍以上）ことにより燃料の燃焼熱を効果的に奪い、つまり同じ熱量を奪った場合の温度上昇は空気や燃焼ガスのそれよりも半分以下であり、燃焼温度を従来レベルに保ちながら燃料噴射量を増大することができる、即ち多くの燃料を燃焼させることができる。
【００２５】
しかも、高温高圧の水蒸気は前記燃焼ガスと共に気筒内で膨張してピストンを押し下げる仕事をするので、出力は増大する。即ち前記水蒸気は空気−燃料が行う往復動サイクルに荷担して往復動サイクルを行うことになるので、前記水蒸気は前記シリーズ・コンバインド・サイクルに比し高効率のサイクルを行うことになる。蒸気タービンで通常実現されるランキンサイクルは、温度は約６００℃以下、圧力は数ＭＰａ〜高々数十ＭＰａであるのに対し、往復動内燃機関の気筒内に噴射された前記亜・超臨界水は温度１６００℃以上、圧力は上記最新の高出力機関では最高圧力２０〜２５ＭＰａのサイクルを行うので、この空気−燃料−蒸気の複合作動流体が往復動内燃機関オリジナルの効率の高いサイクルを行うことになり、また作動流体量の大幅な増大により出力も大幅に増大する。
【００２６】
燃焼温度が高いほど内燃機関の熱効率は高くなるのであるが、構成部材の熱負荷の点から限度があり、また、ＮＯｘ生成量を抑える点からも燃焼温度はできるだけ低くする必要がある。燃焼ガス中には燃焼生成物である水が高温高圧水蒸気の状態で含まれているが、その量は理論混合比の燃焼の場合で燃焼ガスの８％程度である。最近の高出力機関は最大出力時の空気過剰率が２．５前後となるのが普通であり、前記水蒸気の割合は３．２％前後となる。亜・超臨界水を噴射して燃焼ガス、即ち作動流体中の高温高圧水蒸気の量を大幅に増やすことにより作動流体の比熱が大きくなり、筒内における最高温度を同じに保ちながらより多くの燃料を燃焼することができ、同じ容積、重量の機関でより大きな出力を得ることができる。
【００２７】
圧縮着火式内燃機関の出力は年々向上され、例えばシリンダ径３００〜４５０ｍｍ前後、回転数４００〜５００ｒｐｍ前後の中型ディーゼル機関では平均有効圧力を高めて出力を増大するために筒内最高圧力は２０ＭＰａにも達し、さらに２５ＭＰａに達する機関の開発も俎上に乗っている。筒内最高燃焼圧力が高くなれば、通常は筒内最高燃焼温度も高くなり、ＮＯｘも増加する。筒内最高圧力の増大に対する対応は構造解析等の技術を駆使して機械強度の増大が図られているが、最高温度が高くなることによる熱負荷の増大に対する対応はより難しい問題を含んでいる。本発明の亜・超臨界水を気筒内に注入する方法により、筒内最高温度を従来と同じ１６００〜２０００℃に保ちながら燃料噴射量を増大して、出力当り重量、容積、及びコストが小さい往復動内燃機関のシステムを得ることができる。
【００２８】
前記亜・超臨界水は、圧縮行程の途中あるいは上死点後に気筒内に噴射されるので、該亜・超臨界水を気筒内で圧縮する仕事量は吸気管に噴射する場合に比べて小さくなる（前記亜・超臨界水が圧縮行程で噴射された場合、その分気筒内圧力が増大してその分は圧縮抵抗が増加するが、給気管に噴射する場合よりは圧縮抵抗の増大分は小さい）。また、過熱水蒸気の比熱は空気や燃焼ガスよりも大きく、したがって比熱比は小さい。比熱比が小さい程同じ質量の流体が膨張時する際のピストン仕事は大きく、効率も高い。したがって、膨張時に比熱比が小さい過熱水蒸気が作動流体に加わるのは膨張仕事を増大し、熱効率を増大する効果もある。ここで過熱水蒸気とは、飽和蒸気よりも温度が高い蒸気のことを言う。
【００２９】
従来の内燃機関排気の保有する熱量で生成できる水蒸気は、低エネルギーレベル（ユーティリティ蒸気レベル）で噴射燃料質量の２．５〜３倍程度であるが、本フィードバック・コンパウンド・システムによれば、熱交換器１０６に供給される排気の質量は亜・超臨界水の噴射により増大されており、比熱も大きいので、前記熱交換器では同じ温度降下での放出熱量が大きく、亜・超臨界水を生成することが可能となる。本システムは、特に作動流体量を増大した過給機付往復動内燃機関において効果的に実施されるものである。
【００３０】
さらに、独立のタービンを設けて、該タービンに気筒から出た排気の一部をバイパスして該タービンに連結された発電機等を駆動し、該タービンの排気を前記熱交換器にみちびいてもよい。本システムでは気筒からの排気のエネルギが大きいので、該エネルギが機関に空気を供給する排気過給機の駆動に要するよりも大きい場合に、前記独立のタービンで吸収してもよい。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される寸法、材質、形状、その相対位置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００３２】
図１は本発明の実施形態に係わる往復動内燃機関、特に４サイクル天然ガス往復動機関の構成を示し、該ガスエンジン１は、シリンダライナ１１およびシリンダヘッド１２を備えたシリンダ１０と、ピストンリング１３が介装されたピストン１４と、シリンダ１０内で往復運動するピストン１４の往復動力を負荷に伝達する連接棒１５等からなり、前記シリンダヘッドの中央部に燃料噴射弁１６、およびその左右両側にはシリンダ１０内に空気を導入するための吸気弁１７と、シリンダ１０から排気ガスを排出する排気弁１８とを備え、図３のバルブタイミングダイヤグラムに示すように、エンジンの基本動作である吸入、圧縮、燃焼、排気をクランク軸の２回転で完了するものである。
【００３３】
すなわち、図３に示すように、ピストンの上死点前５〜４０°で吸気弁１７が開き、下死点後２０〜８０°で吸気弁が閉じ、上昇するピストンによる吸入された空気の圧縮が始まる。そして圧縮行程の終わり近く（上死点前１０°〜２０°前後）に燃料噴射弁１６から燃料を噴射すると、燃料は断熱圧縮により高温になった空気に接触して自己着火して燃焼が始まり、温度と圧力は急激に上昇し、上死点を過ぎて下降行程（燃焼行程）に入ったピストンは押し下げられる。そしてピストンが下死点に達する少し前（下死点前２０°〜８０°）で排気弁が開かれ、燃焼ガスは自己の圧力でシリンダ外に吹き出し、続いてピストンの上昇によって押し出される。かかる構成の４サイクルエンジンは公知である。
【００３４】
前記燃料噴射弁１６と、吸気弁１７と排気弁１８の開閉タイミングはクランク軸で駆動される不図示のタイミングギアおよびカムを介して行われる。そして吸気弁１７と排気弁１８の外側の燃焼室２０トップ隅側には亜・超臨界水噴射弁２１が設けられている。該亜・超臨界水噴射弁２１の開閉は、吸・排気弁と同様クランク軸で駆動されるタイミングギアとカムを介して行ってもよく、又シリンダ内の圧力と温度およびクランク軸の回転角を検知して噴射時期を制御するコントローラ２２（図２）よりの信号によって行ってもよい。
【００３５】
図２は前記エンジン１に亜・超臨界水噴射機構を組み込んだ実施例で、本実施例では給水２をポンプ３により１８ＭＰａ以上に加圧後ヒータ３０を組込んだ熱交換器９により２５０℃以上５００℃以下に加熱する。
前記加圧圧力をむやみに高くすることは加圧のための動力増大を招くので、加圧圧力は３５ＭＰａ以下とするのが好ましい。
熱交換器９はヒータ３０として機能する独立した高温の蒸気とともにエンジンの排気ガス４を利用して加熱することにより、熱エネルギの有効利用が図れる。本実施例では、亜・超臨界水を製造するのにエンジン排気とは別に高温蒸気を用いているが、噴射する亜・超臨界水の量をある程度に増やすと、機関から排出される排気のエネルギが増大し、該排気ガスのみで前記亜・超臨界水を製造することができる。
【００３６】
又、前記コントローラ２２は、前記内燃機関の気筒内にガス燃料を増加させて噴射するとともに、該増加させた燃料の空気過剰率が１〜２．５になるように、亜・超臨界水を、上死点前９０°乃至上死点後３０°の範囲内で気筒内に噴射するように制御するものであり、さらに該コントローラ２２は前記亜・超臨界水の噴射開始時期を、燃料噴射時期と同一かそれより以前の圧縮工程に設定する。
【００３７】
図４は、本発明の往復動内燃機関の運転システム（フィードバック・コンパウンド・システム）の第１実施例の概略構成を示す図である。図４において、往復動内燃機関１０１の排気集合管１０２から出た排気ガスは過給機１０３のタービン１０４に導入され、該タービン１０４を出た排気は熱交換器１０６に導かれる。該熱交換器１０６にはポンプＰにより臨界圧近傍の圧力にされた水が供給され、該水は前記タービン１０４の排気との熱交換により亜臨界または超臨界水にされて前記往復動内燃機関１０１の気筒内に噴射される。前記タービン１０４に連結されたコンプレッサ１０５により圧力を高められた空気はエアクーラ１０７を通って冷却され機関１０１の気筒内に導入される。１１０は機関１０１に連結された発電機やプロペラ等、機関１０１によって駆動されるべき発電機やプロペラ等の外部機械である。前記熱交換器１０６で水と熱交換後の排ガスは大気中に放出される。この排ガスには前記ポンプＰによって供給された水が該排ガスと同じ温度、圧力の蒸気となって含まれている。
コントローラ２２は図２と同様な動作とともに、前記亜・超臨界水の温度と圧力を前記範囲に制御するために、排気過給機１０３の排気タービン１０４のタービンノズル(不図示)の出口面積を調整して膨張比を調整し、さらに前記熱交換器１０６に供給される水の圧力を調整制御する。
【００３８】
ここで、本発明のフィードバック・コンパウンド・サイクルの作動について説明する。図１４は、ディーゼルサイクルのｐ−ｖ線図を示し、図１５は本発明のフィードバック・コンパウンド・システムのサイクルを説明するＴ−ｓ線図である。両図とも説明の便のため、理想化されたサイクル線図で描いてある。図１４において、作動流体は気筒内でＡからＢに断熱圧縮され圧力が上昇し、気筒内に注入された燃料の燃焼熱Ｑ１を受熱してＣに等圧膨張し、Ｃから断熱膨張してＤまで圧力が下がり、ＤからＡまで気筒内の作動流体が等容で気筒から排出されて作動流体が有している熱量Ｑ２が気筒外に排出され、Ａでは新しい作動流体に入れ替わる。面積Ｂ１ＢＣＤＡＡ１Ｂ１が作動流体がピストンを押し下げてなした仕事、面積Ｂ１ＢＡＡ１Ｂ１がピストンが作動流体を圧縮するのに要した仕事、前記両仕事の差である面積ＡＢＣＤＡが出力として得られた仕事である。４サイクルの場合は作動流体を入れ替えるための排出、吸入行程があるが省略してある。
【００３９】
図１５には図１４のサイクルがＴ−ｓ線図上に描いてあり、両図のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄはそれぞれに対応する。図１５では、面積ＥＡＢＣＤＦＥが受熱量Ｑ１、面積ＥＡＤＦＥが排出熱量Ｑ２であり、面積ＡＢＣＤが熱量単位で表わした出力である。なお、図１５では、便宜上、作動流体のうち、気筒内に注入した亜・超臨界水による分は同図の右側に分けて描いてあり、ＡＢＣＤは注入された亜・超臨界水を含む複合作動流体から該亜・超臨界水を除いた作動流体すなわちガス流体に対応するものである。勿論、実際には気筒内に亜・超臨界水が注入された後はＴ−ｓ線図上で実際の複合作動流体の特性に従って変化するのであるが、前記亜・超臨界水が筒内におけるサイクルに与る効果を説明するためにこれを分けて描いたもので、あくまでも便宜上のことである。
【００４０】
図１５の右下部には水の飽和液線と乾き飽和蒸気線が記入してあるが、この部分に対する比エントロピ軸はＡＢＣＤのサイクルに対する比エントロピ軸とは関係なく任意の位置に任意の尺度で描いたものである。Ｋは臨界点で３７４．１℃、２２．１ＭＰａである。図１１の往復動内燃機関を用いた場合のシリーズ・コンバインド・システムについて説明すると、気筒排気の熱量Ｑ２の一部で過給機を駆動した後の排気エネルギーを利用してＲ１の飽和水をＲ２、Ｒ３を経てＲ４の過熱蒸気にし、該過熱蒸気は蒸気タービンで膨張してＲ５に温度降下して湿り蒸気となり、コンデンサで凝縮されてＲ１状態に戻るランキン・サイクルが行われる。その際蒸気タービンで得られる仕事熱量は面積Ｒ１Ｒ２Ｒ３Ｒ４Ｒ５Ｒ１である。Ｒ４点の温度は、気筒排気との熱交換で得られた温度、或は排気過給機付きの場合は気筒排気のエネルギーで過給機タービンを駆動した後の排気との熱交換で得られる温度であるから、気筒排気の温度或は過給機タービンの排気温度よりも低く、したがって気筒排気の温度Ｄよりも低い。排気タービンの排気温度を上げるために追炊きされることも行われているが、蒸気タービンの入口蒸気温度は現状では最高でも６２０℃が限度である。
【００４１】
本発明によるフィードバック・コンパウンド・システムの場合は、気筒排気、或は排気過給機付きの場合は過給機タービンの排気で例えば臨界水を生成して気筒内に注入すれば、該臨界水は筒内の作動流体と混合して筒内作動流体に加わってある温度、圧力となり、以後気筒内の燃焼ガスと一体となってＣと同温のＨを経てＤと同温のＪに至り、該Ｊ点で気筒外に排出されて排気管、過給機付きの場合は過給機のタービン、熱交換器、セパレータを経て大気に排出される。該臨界水が受ける熱量は面積Ｎ１Ｒ１ＭＫＨＪＮＮ１で、放出する熱量はＮ１Ｒ１ＭＬＪＮＮ１であるから、筒内に注入された臨界水が気筒内でなす仕事熱量は面積ＭＫＨＪＬＭである。
【００４２】
これらの面積は単位質量当りの熱量であり、夫々の作動流体、即ち注入された臨界水を除いた燃焼ガスの質量及び注入された臨界水の質量をそれぞれの面積に掛けたものが夫々の作動流体の受熱量、放熱量、仕事量である（比エントロピｓの尺度も両サイクルで任意に設定されているので、両者を前記図上の面積でそのまま比較することはできないのであるが）。  気筒から排出される作動流体が保有する熱量は面積ＥＡＤＦＥと面積Ｎ１Ｒ１ＭＬＪＮＮ１との和であり、これが或は排気過給機付きの場合はこのうちの１部が排気タービンにより消費された残りが、熱交換器に供給される。この増大された気筒排気の熱エネルギーの排気タービンと熱交換器への配分は用途等により設計仕様で決定される。あるいは前記排気タービンの出口排気ガス温度を可変させる可変手段により調整することができる。
【００４３】
シリーズ・コンバインド・システムの場合はＲ４点の圧力は筒内圧に比べてはるかに低く、温度は前述のように過給機タービンの排気温度よりも低く、排気が熱交換器に入る前に追焚きしたとしても、蒸気タービンの入口蒸気温度をディーゼル機関の筒内温度のように高温とすることはタービンブレードの耐熱性上不可能であり、したがって、図１５に見られるように、蒸気タービンのランキン・サイクルから得られる動力は、往復動内燃機関に注入した亜・超臨界水がディーゼルサイクルに参加することにより行われる蒸気サイクルより得られる動力よりは大幅に小さいことが分る。また、この蒸気は比熱比が燃焼ガスよりも小さいので、同じ筒内での膨張の比仕事（単位重量当りの仕事）は燃焼ガスのそれよりも大きく、サイクルの熱効率も大きいという効果もある。
【００４４】
図５は、本発明のフィードバック・コンパウンド・システムの第２実施例の概略構成を示す図である。図４との相違点は図４においては排気集合管１０２から出て排気タービン１０４に導入される気筒排気の一部を熱交換器１０６にバイパス管１２０でバイパスする点である。該バイパス管１２０の排気バイパスの量をコントローラ２２で制御することによって、熱交換器１０６で生成される亜・超臨界水の温度を制御することができる。バイパス量によって排気過給機の駆動動力が影響を受けるが、該排気過給機をタービンの膨張比を可変とすることによって制御できる。
従って図５におけるコントローラ２２は図２と同様な動作とともに、前記亜・超臨界水の温度と圧力を前記範囲に制御するために、排気過給機の排気タービンに導入される前のタービン上流側の排気の一部をバイパス管１２０によりバイパスさせて前記熱交換器に供給させるとともに、前記バイパス管の１２０のバイパス弁１２０ａによりバイパス量を調整するように開閉制御するとともに熱交換器１０６に供給される水の圧力を調整、制御する。
【００４５】
図６は、本発明のフィードバック・コンパウンド・システムの第３実施例の概略構成を示す図である。図４との相違点は図４においては排気集合管１０２から出て排気タービン１０４に導入される気筒排気の一部を発電機１１１が連結された独立のタービン１０４ａに導入してその回転数制御によりバイパス管の１２２のバイパス量を調整するように構成されている点である。
本システムではエネルギの大きい気筒排気が得られ、該エネルギは排気過給機のコンプレッサーの駆動に要するよりも大きい場合がある。そのような場合、気筒排気の一部を発電機１１１等に連結した前記独立のタービン１０４ａに導入して余分のエネルギを吸収し、該独立タービン１０４ａの排気は排気過給機の排気タービンの排気とともに亜・超臨界水を生成する熱交換器１０６に導入される。
【００４６】
図７は、本発明のフィードバック・コンパウンド・システムの第４実施例の概略構成を示す図である。図４との相違点は図４においては気筒内に噴射される熱交換器１０６で生成された亜・超臨界水の一部を排気タービン１０４にバイパスする点である。本システムでは燃焼最高温度を従来と同じにすることを基本とし、しかも燃焼最高圧力は機関に応じてある限度に抑えるので、亜・超臨界水噴射量には適正量がある。すなわち、亜・超臨界水噴射量が多い程燃焼温度は低下するので、これを従来なみの温度とするに要する追加燃料が増大し、最高圧力が増大する。最高圧力をある限度に抑えるには亜・超臨界水噴射量にも限度があるわけである。本システムではエネルギの大きい気筒排気が得られ、該エネルギによって熱交換器１０６において気筒内噴射に要する量以上の亜・超臨界水が生成されることがある。そのような場合、前記亜・超臨界水の一部を戻入管１２１を介して前記排気タービン１０４に導き、必要な量のみを気筒内に噴射する。この場合排気タービン１０４の出力は前記亜・超臨界水の一部の導入により増大するのを調整する必要がある場合は、該排気タービン１０４の膨張比を可変とすることにより調整することができる。
従って図７におけるコントローラ２２は図４と同様な動作とともに、前記亜・超臨界水の温度と圧力を前記範囲に制御するために、戻入管１２１の弁１２１ａを開閉制御し、前記排気タービン１０４回転数の調整制御を行う。
【００４７】
図８は、本発明のフィードバック・コンパウンド・システムの第５実施例の概略構成を示す図である。これは、図６に対して熱交換器１０６で生成された亜・超臨界水の一部を戻入管１２３を介して排気集合管１０２に導入して排気タービン１０４にバイパスする点が異なるものである。前記亜・超臨界水の一部を排気集合管に導く理由は図７における説明と同じであり、説明は省略する。
従って図８におけるコントローラ２２は図６と同様な動作とともに、前記亜・超臨界水の温度と圧力を前記範囲に制御するために、戻入管１２３の弁１２３ａを開閉制御し、前記排気タービン１０４回転数の調整制御を行う。
【００４８】
図９は、本発明のフィードバック・コンパウンド・システムの第６実施例の概略構成を示す図である。本実施例は、図７の実施例に対して、排気過給機１０３の排気タービン１０４に発電機１１１´を連結し、排気集合管１０２に燃料を供給するとともにコンプレッサ１０５からバイパス管１２６を介して往復動機関に供給される空気の一部を供給する点が異なるものである。排気集合管１０２に集合された気筒排気は気筒内で燃焼に与らなかった空気を多量に含んでいるので、燃料を供給し追炊きして前記排気過給機１０３の排気タービン１０４に導入することによって該排気タービン１０４の出力を増大し、該排気タービン１０４は前記コンプレッサとともに前記発電機１１１´を駆動する。この場合、前記排気タービン１０４を出る排気は前記追炊きによりエネルギが増大しており、熱交換器１０６で生成される亜・超臨界水の量も増大するので、その一部は前記排気集合管に導入して気筒内には適正量が噴射されるようにする。
従って図９におけるコントローラ２２は図７と同様な動作とともに、前記亜・超臨界水の温度と圧力を前記範囲に制御するために、戻入管１２３の弁１２３ａを開閉制御と圧縮機１０５よりの戻入管１２６の弁１２６ａを開閉制御し、前記排気タービン１０４回転数の調整制御を行う。
【００４９】
図１０は、本発明のフィードバック・コンパウンド・システムの第７実施例の概略構成を示す図である。本実施例は、図９の実施例において排気過給機１０３の排気タービン１０４に発電機１１１´が連結されているのに対して、発電機１１１が排気集合管１０２から分岐された排気で作動される独立のタービン１０４ａに連結されていることである。独立タービンとすることにより、タービン設計の自由度が増し、むしろコスト低減につなげることができる。
【００５０】
なお、本発明に採用される往復動内燃機関は、ガス機関のみならずディーゼル機関、ガソリン機関等に適用できるが、特に中・大型のディーゼル機関およびガス機関に効果的に適用するのがよい。
【００５１】
つぎに、燃料噴射量が同じ場合の気筒内に噴射される亜臨界・超臨界圧力のＨ２Ｏの温度や噴射時期の影響が亜・超臨界水を噴射しない場合との比率で図１６乃至２１に示されている。これらは図２に示す実施例により、シリンダ径１７０ｍｍ、ストローク１８０ｍｍ、回転数１５００ｒｐｍのディーゼル機関で軽油燃料で行った試験結果である。図１６は噴射される亜臨界・超臨界圧力のＨ２Ｏの温度と出力の関係、図１７は温度と排ガス中のＮＯｘ濃度の関係、図１８は温度と排気色の関係、図１９は温度と排ガス中のＣＯ濃度の関係、図２０は噴射時期と出力の関係、図２１は噴射時期と排ガス中のＮＯｘ濃度の関係を示している。これらの図中点線は亜・超臨界水を噴射しない場合を示している。
【００５２】
図１６の亜・超臨界水の噴射温度と出力の関係では、温度２５０℃以上で出力の改善がみられ、超臨界域では５％以上の出力増大が認められる。図１７の温度と排ガス中のＮＯｘの関係では、試験範囲内ではいずれもＮＯｘが改善されている。４００℃前後の高温噴射では超臨界水による均一相形成の効果が、２５０℃前後の低温の噴射ではそれによる局所高温部の冷却効果によりＮＯｘの改善が現れたたものとみられる。しかし、図１６と併せてみた場合、出力、ＮＯｘ両方の改善には２５０℃以上が好ましい。
【００５３】
図１８の温度と排気色との関係では、これも２５０℃〜３００℃以上で改善がみられる。図１９の温度と排ガス中のＣＯ濃度との関係では、これも２５０℃以上で改善がみられ、特に超臨界領域では従来の２０％以下に低減しており、燃焼効率が大幅に改善していることが理解できる。以上は亜・超臨界水の噴射温度と出力、エミッションとの関係を示したが、前試験範囲で改善がみられたのはＮＯｘのみである。その他の改善には２５０℃以上の温度を有する亜・超臨界水であることが必要である。
【００５４】
図２０の亜・超臨界水噴射時期と出力の関係では、圧縮工程中である上死点前６０°〜３０°にて最大の出力増大が得られている。図２１の噴射時期とＮＯｘとの関係では、亜・超臨界水噴射時期が早いほど改善が大きい。
【００５５】
したがって、亜・超臨界水噴射弁の噴射時期は、出力を重視する場合は上死点前９０°〜１０°、特に燃料噴射時期直前の圧縮行程後期である上死点前６０°〜３０°が好ましく、ＮＯｘを重視する場合は亜・超臨界水の噴射時期は上死点前できるだけ早いのがよい。
【００５６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記述されるような効果を奏する。
【００５７】
内燃機関の気筒内に超臨界水噴射弁によって超臨界水を、上死点前９０°乃至上死点後３０°の範囲内で噴射し、気筒内に燃料噴射弁によって、前記内燃機関の最大出力時における空気過剰率が１〜２．５および燃焼最高温度が１６００〜２０００℃となるように燃料を噴射し、前記超臨界水が排気過給機の排気タービン後流に設けた排気／Ｈ２Ｏ熱交換器により製造され前記超臨界水の温度と圧力の制御を、排気過給機の排気タービンに導入される前のタービン上流側の排気を前記熱交換器にバイパスするバイパス量の調整または前記排気タービンの膨張比の調整と、前記熱交換器への供給水圧力の調整とによって行うことで、燃焼最高温度を従来レベル（１６００〜２０００℃）に保ちながら空気過剰率が１〜２．５と燃料噴射量を増大することができ、出力と熱効率の増大を図ることができる。又筒内での超臨界水の活発な反応性により、ＮＯｘ、煤煙等の低減を図ることができる。
【００５８】
往復動機関の気筒内への前記超臨界水噴射により質量が増大し比熱も高くなった排気との熱交換器を介しての熱交換により超臨界水を生成し、これを気筒内に噴射するフィードバック・コンパウンド・システムを構成することにより、従来のシリーズ・コンバインド・システムのように蒸気タービンを備えることなく軽量、コンパクト、高出力のコンパウンド・システムを構成することができる。
また、排気過給機の排気／Ｈ２Ｏ熱交換器と独立した第２の前記亜・超臨界水生成手段を設け、運転当初に第２の前記亜・超臨界水生成手段で生成した亜・超臨界水を前記内燃機関に噴射することにより、排ガス温度が低い運転当初に第２の前記亜・超臨界水生成手段で亜・超臨界水を生成し噴射することができる。
また、前記亜・超臨界水生成手段で生成された亜・超臨界水の一部を前記往復動内燃機関の排気側に戻入することにより、前記亜・超臨界水生成手段で生成された超臨界水の量が過大な場合はその一部を前記往復動内燃機関の排気側に戻入し必要な量のみを気筒内に噴射することができる。
また、前記亜・超臨界水生成手段上流側の前記往復動内燃機関の排気管に燃料を供給して該排気管内で追炊きを行うことにより、排気エネルギを増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例に係わる往復動内燃機関の基本構造を示す図である。
【図２】  図１のディーゼルエンジンの亜・超臨界水噴射装置を含むシステム概略図である。
【図３】  ４サイクル機関のバルブタイミングダイヤグラムである。
【図４】  本発明のフィードバック・コンパウンド・システムの第1実施例の概略構成を示す図である。
【図５】  本発明のフィードバック・コンパウンド・システムの第２実施例の概略構成を示す図である。
【図６】  本発明のフィードバック・コンパウンド・システムの第３実施例の概略構成を示す図である。
【図７】  本発明のフィードバック・コンパウンド・システムの第４実施例の概略構成を示す図である。
【図８】  本発明フィードバック・コンパウンド・システムの第５実施例の概略構成を示す図である。
【図９】  本発明のフィードバック・コンパウンド・システムの第６実施例の概略構成を示す図である。
【図１０】  本発明のフィードバック・コンパウンド・システムの第７実施例の概略構成を示す図である。
【図１１】  従来のシリーズ・コンバインド・システムの概略構成を示す図である。
【図１２】  本発明のフィードバック・コンパウンド・システムと従来のシステムにおける熱量の移動を説明する図である。
【図１３】  亜・超臨界水噴射量Ｇｗと燃料噴射量Ｇｆとの比に対する軸出力増大比および機関熱効率増大比を示す図である。
【図１４】  ディーゼルサイクルのｐ−ｖ線図である。
【図１５】  ディーゼルサイクルと気筒内に噴射された亜・超臨界水が気筒内で行うサイクルを説明するＴ−ｓ線図である。
【図１６】  亜臨界・超臨界圧力のＨ２Ｏ噴射による出力向上（熱効率改善）を示すグラフである。
【図１７】  亜臨界・超臨界圧力のＨ２Ｏ噴射による排ガス中のＮＯｘの低減を示すグラフである。
【図１８】  亜臨界・超臨界圧力のＨ２Ｏ噴射による排ガス中の排気色を示すグラフである。
【図１９】  亜臨界・超臨界圧力のＨ２Ｏ噴射による排ガス中のＣＯの低減を示すグラフである。
【図２０】  亜臨界・超臨界圧力のＨ２Ｏ噴射による出力向上（熱効率改善）を示すグラフである。
【図２１】  亜臨界・超臨界圧力のＨ２Ｏ噴射による排ガス中のＮＯｘの低減を示すグラフである。
【符合の説明】
１        エンジン
２        給水
３        ポンプ
４        排気ガス
９        熱交換器
１０      シリンダ
１１      シリンダライナ
１２      シリンダヘッド
１３      ピストンリング
１４      ピストン
１５      連接棒
１６      燃料噴射弁
１７      吸気弁
１８      排気弁
２０      燃焼室
２１      亜・超臨界水噴射弁
２２      コントローラ
３０      ヒータ
１０１    往復動内燃機関
１０２    排気集合管
１０３    過給機
１０４    排気タービン
１０４ａ  独立排気タービン
１０５    コンプレッサ
１０６    熱交換器
１０７    エアクーラ
１１０  外部機械
１１１  発電機等
１２１  戻入管
１２２  バイパス管
１２３  戻入管
【図１】
0003902018.tif 000002
【図２】
0003902018.tif 000003
【図３】
0003902018.tif 000004
【図４】
0003902018.tif 000005
【図５】
0003902018.tif 000006
【図６】
0003902018.tif 000007
【図７】
0003902018.tif 000008
【図８】
0003902018.tif 000009
【図９】
0003902018.tif 000010
【図１０】
0003902018.tif 000011
【図１１】
0003902018.tif 000012
【図１２】
0003902018.tif 000013
【図１３】
0003902018.tif 000014
【図１４】
0003902018.tif 000015
【図１５】
0003902018.tif 000016
【図１６】
0003902018.tif 000017
【図１７】
0003902018.tif 000018
【図１８】
0003902018.tif 000019
【図１９】
0003902018.tif 000020
【図２０】
0003902018.tif 000021
【図２１】
0003902018.tif 000022