(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部で燃料が燃焼する少なくとも１つのシリンダ（１）と、前記シリンダ内で往復運動するピストン（３）と、シリンダ冷却系統と、前記シリンダから排気ガスを導くために前記シリンダに組付けられた排気系統と、蒸気を発生する装置から前記シリンダへ蒸気を導入する蒸気噴射バルブ（１０）とを含む圧縮点火（ディーゼル）−ランキン・サイクル往復エンジンの運転方法であって、
蒸気を発生する前記装置内で蒸気を発生させるために前記冷却系統および排気ガスから熱を回収する段階と、
前記蒸気と前記燃料とを別々に前記シリンダ内へ導く段階とを含み、
前記ピストン（３）が上死点付近に位置するときに前記蒸気噴射バルブ（１０）を介して蒸気を前記シリンダに導入して、点火の行われたときだけに蒸気と燃料とをシリンダ内で相互作用させ、それにより蒸気を燃焼する燃料と混合させるようにする方法。
【請求項２】
シリンダ周面位置でシリンダ壁に対して接線方向に蒸気が噴射される請求項１に記載された方法。
【請求項３】
蒸気は燃料と共通の噴射器を通して噴射されるが、噴射角度の異なる別々のジェットとして噴射される請求項１に記載された方法。
【請求項４】
蒸気が燃料とは異なる高さ且つ異なる位置で噴射される請求項１に記載された方法。
【請求項５】
点火前における蒸気と燃料の混合を防止するために燃料が分割された室に噴射される請求項１に記載された方法。
【請求項６】
噴射される燃料の量に対する水蒸気の量の比が１：１〜３：１の範囲である請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載された方法。
【請求項７】
僅かな量の蒸気、好ましくは噴射される燃料の量の１０％未満の蒸気が噴射され、燃料を微粒化させるために使用される請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載された方法。
【請求項８】
少なくとも１つのシリンダ（１）と、
前記シリンダ内で往復運動するピストン（３）と、
前記シリンダ内へ燃料を導く噴射装置と、
シリンダ冷却系統と、
前記シリンダに組付けられた排気系統と、
前記冷却系統および排気系統から熱を回収するためにそれら系統に組み付けられた手段と、
回収された前記熱を利用して蒸気を発生する装置から、前記燃料とは別個に、蒸気を前記シリンダ内へ導くための蒸気噴射バルブ（１０）と、
を具備しており、
前記蒸気噴射バルブ（１０）は、前記ピストン（３）が上死点付近に位置するときに前記蒸気噴射バルブ（１０）を介して蒸気を前記シリンダに導入して、点火の行われたときだけに蒸気と燃料とをシリンダ内で相互作用させ、それにより蒸気を燃焼する燃料と混合させるように作動するようになっている、複合圧縮点火（ディーゼル）−ランキン・サイクル往復エンジン。
【請求項９】
燃料流量に対して比例した流量の蒸気を発生させる手段が備えられている請求項８に記載されたエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、圧縮点火（ディーゼル）−ランキン・サイクル往復エンジン、即ちランキン・サイクルを利用した圧縮点火ディーゼル往復エンジン、特に圧縮点火（ディーゼル）サイクルおよび蒸気（ランキン）サイクルが同時に同一シリンダを使用して実現されるピストン往復エンジンに関する。
【０００２】
（発明の背景）
定圧圧縮点火（ディーゼル）エンジンの液体燃料はシリンダ内部で圧縮された空気中に噴射される。燃焼の大部分は、高温酸素濃厚領域および高温燃料濃厚領域を分ける拡散炎の科学量論的面において生じる。高温酸素濃厚領域の存在は多量の窒素酸化物（ＮＯx）の発生をもたらし、高温燃料濃厚領域の存在は煤煙（粒状物質）の発生をもたらす。したがってディーゼルエンジンは大きな汚染源として考えられている。このエンジンの付加的な特徴は、排気ガスが高温で、空気およびシリンダ壁を冷却することが必要であり、この冷却はかなりの熱損失を生じて、エンジンの熱効率を低下させるということである。ランキン・サイクル（蒸気）エンジンでは、水は加熱されて蒸発され、この発生した蒸気が機械的エネルギーの発生に使用される。複合ディーゼル−ランキン・サイクルはディーゼル（トップ）エンジンの廃熱を利用するためにしばしば使用されるが、ランキン・サイクルは典型的には別の（ボトム）エンジンにて実現されている。このような解決法は例えば米国特許第５１３３２９８号に記載されている。これは比較的高価で潜在的に難しい解決法であることが明白である。
【０００３】
多くの特許のうち、例えば米国特許第４３７７９３４号、同第４４０６１２７号、同第４７０６４６８号、および同第４９０１５３１号に記載の各種形式のボトム蒸気サイクルが提案されており、これにおいて内燃エンジンの少なくとも１つのシリンダが蒸気力の回収装置として使用されている。これは実際のところ古典的な複合サイクル・エンジンの改良である。他の特許、すなわち米国特許第４４３３５４８号には、同一シリンダを燃焼膨張行程および蒸気膨張行程に交互に使用することが記載されている。さらに他の特許、すなわち米国特許第４４０９９３２号には、石油自動車エンジンでの膨張行程時に、すなわち燃焼の後に蒸気を噴射することが提案されている。これらのすべての解決法におけるマイナスの特徴は、燃焼系統の排出物が内燃（トップ）エンジンの場合と同じということである。多くの特許、例えば米国特許第３７６１０１９号、同第４０１４２９９号、同第４０２７６３０号、同第４０５９０７８号、同第４３９１２２９号、同第４４０９９３１号、同第４８４４０２８号は、出力、ノック現象またはＮＯｘを制御するために、エンジンの吸気マニホルド内に蒸気を噴射することを記載している。しかしながら、これらの解決法は必然的に高い効率を与えない。いくつかの特許、すなわち米国特許第３９４８２３５号および同第４９１３０９８号は、蒸気を使用したエンジンを蒸気被駆動コンプレッサまたはコンプレッサおよびエジェクターによって過給することを提案している。この解決法の効率上昇は、それが蒸気を蒸発させてエンジン内に噴射できる特別な空間ヘッドを記載している米国特許第４３０１６５５号および同第４４０２１８２号に記載の解決法に関するならば、比較的僅かである。何故なら、それらの解決法では膨張行程においてシリンダ・ヘッドの冷却熱だけが使用されるからである。燃料と水とを予備混合し、その混合液を蒸発させ、蒸発した均質蒸気−燃料混合気を改良燃料として使用することが米国特許第４９０９１９２号に記載されている。しかしながら、このシステムの全潜在能力を実現するために、蒸気燃料比は１：３の範囲でなければならず、蒸気温度は５００℃以上でなければならない。予備混合モードでの多量の蒸気は厳しい点火問題を生じることになるのに対し、水の存在する状態で所定温度まで燃料を予熱することは、燃料／蒸気系統において実質的な燃料の分解およびケーキの形成を生じることになる。したがって、この解決法は特に過重燃料処理に対して可能であるとは考えられない。
【０００４】
本発明の目的は、エンジンの点火行程を乱すことなく、また燃料分解を生じることなく、非常に簡単な方法で複合ディーゼル−ランキン・サイクルの潜在的な最大出力発生能力を達成し、同時に蒸気噴射の潜在的な全排出物減少能力を達成することである。
【０００５】
（発明の概要）
前述した目標は、廃熱、すなわち内燃（ディーゼル）エンジンの排気ガスならびにシリンダ・ヘッドの冷却を含む空気およびシリンダの冷却熱をできるだけ使用して蒸気を発生し、その後この蒸気を上死点付近で内燃（ディーゼル）エンジンのシリンダ内に戻すように噴射し、この蒸気が点火に支障を与えることなく燃焼行程を積極的に変化させることにより達成される。このように同一シリンダおよび往復機構を同時に使用して、複合ディーゼル−ランキン・サイクルによる最大潜在能力が達成される。これはそのシステムを簡単化し、費用をかなり減少させる。さらに、完全に展開された燃焼で得られるシリンダ内最高温度は低下され、これは基本的にＮＯx排出物を減少させ、アフターバーニング時の燃焼ガスと残留空気との混合が改善され、これは煤排出物を減少させる。エンジン負荷の範囲にわたって本発明の目標を達成するために、蒸気発生装置に噴射される水流量は平均燃料流量に比例し、適当なエンジン出力および蒸気噴射質量の均衡を保持しなければならない。他の実施例では、高圧燃料噴射系統を使用しないで迅速な燃料微粒化を行うために、少量の蒸気、典型的には燃料質量の１０％未満の蒸気が使用される。
【０００６】
本発明は複合ディーゼル−ランキン・サイクル・エンジンの長期にわたる問題に対する簡単でさらに有効な解決法を提供する。本発明の前述または他の問題点および利点は、好ましい実施例の添付図面に関連された以下の詳細な説明から明白となろう。
【０００７】
（好ましい実施例の説明）
説明を簡単化するために、図面は望まれるいずれかの数のシリンダを有するエンジンにおける１つのシリンダを示している。図１に示されるように、エンジンはシリンダ１を含み、このシリンダ内には出力を取出すクランクシャフトに対して通常のように連結ロッド２で連結されてピストン３が示されている。ピストンはピストン・リング４でシールされ、シリンダはシリンダー・ヘッド５により閉じられている。シリンダー・ヘッド５には吸気バルブ６、排気バルブ７、燃料噴射装置８および蒸気入口９が配置されている。蒸気入口は蒸気噴射バルブ１０で制御され、蒸気噴射バルブは燃焼時および燃焼後の上死点付近の選択された時期に蒸気を受入れる。蒸気は概略的に示されたボイラー１２で発生され、ボイラー内には蒸気チューブ１１および蒸気集合器１３が配置されている。ボイラーは、シリンダ壁およびシリンダー・ヘッドの冷却ならびに空気および排気ガスの冷却に使用した高温水からの熱を使用する。水は、燃料圧送流量に比例した流量で、ポンプ１５により水パイプ１４通してボイラーへ圧送される。蒸気圧力は水の供給流量および噴射時間で制御される。小さな制御容積１６が蒸気入口バルブすなわち蒸気噴射バルブの前に備えられており、この制御容積には流量制限器１７を経て蒸気が進入する。蒸気バルブ１０を開くと、制御容積１６内の圧力は低下し、これは圧力センサー１８で測定される。この圧力低下の監視はバルブの作動に関する必要情報を与える。特に蒸気噴射バルブの作動不調や焼付き、およびシリンダへの蒸気漏洩はこの方法で検出できる。
【０００８】
最も簡単な方法で、本発明は２種液体／ガス−燃料運転用に設計されたディーゼル・エンジンの使用を実現できる。このような解決法では、液体燃料（Ｆ）は標準的な噴射系統を経て別個に噴射されるのに対して、蒸気（Ｓ）はガス燃料用の噴射器を経て噴射される。これは図２に示されており、別個の燃料（Ｆ）および蒸気（Ｓ）のジェットが示されている。図３に示された他の解決法では、蒸気（Ｓ）は燃料（Ｆ）ジェットより下方の、燃焼室底部において噴射される。いずれの場合も、噴射タイミングは点火が完了するまでは蒸気噴射が燃料噴射に干渉しないように設定される。図４に示される他の系統において、蒸気（Ｓ）の噴射はシリンダ周面にてシリンダ壁に対して接線方向に実行される。この噴射は蒸気に急速な渦流層を形成する。この慣性力（半径方向の加速）は蒸気を周面位置に保持し、点火が起きるまでは蒸気−空気の混合を阻止する。その後、点火により生じた圧力パルスによって蒸気層に強力な動揺（不安定化）が生じるため、蒸気層は安定状態を失い、急激にガスと混合される。このとき燃焼行程は既に十分に展開されているので、この混合は燃焼に対して有害でなく、同時にＮＯxおよび煤の排出制御の助けとなる。本発明を実現するさらに他の方法は、ディーゼルエンジンの燃焼室を２部分、すなわち一方は点火および第１段階の燃焼用の部分で蒸気を受入れず、また他方は蒸気が噴射され、第１段階からの部分反応した燃料のアフターバーニングが蒸気−空気混合気中で行われる２部分に分割することで達成される。これは図５に示されており、同図には図１の燃料噴射装置８に代えて予備室のみ示されている。この最後に記載した２つの場合においては、蒸気によって点火が乱されないように、燃料噴射より十分に長い時間の前に蒸気を噴射することができる。
【０００９】
さらに他の系統は少量の蒸気、典型的には噴射空気の１０％未満の蒸気を使用して、燃料を微粒化する。この系統は、燃料の微粒化に圧縮空気を使用する初期ディーゼル・エンジンに使用された系統に類似のものとすることができる。初期ディーゼルエンジンの開発から、空気噴射系統は非常によく作動するが、必要とされる非常な高圧まで空気を圧縮することは複雑でエネルギー消費の大きい段階を要することが知られており、本明細書ではこの段階は１次エネルギー源としてエンジン廃熱を使用して蒸気を発生する蒸気噴射に置き換えられている。
【００１０】
本発明は或る実施例を参照して説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、添付の請求項の範囲内でさまざまに変化できるものと理解すべきである。
【００１１】
燃料量に対する水蒸気量の比はシリンダ１：１〜ピストン３：１が好ましく、蒸気温度は５８０゜Ｃ以下、蒸気圧力は１８０バール以下である。蒸気の量およびパラメータに応じて、上述した蒸気の使用は係数１．３２までディーゼル・エンジンの軸熱効率の上昇を与え、係数４までＮＯx排出物を減少し、また煤排出物を実質的に減少させる。このエンジンは、重燃料および残燃料が燃焼され、また補助蒸気発生系統のために要求される空間条件が重要でない高出力の設置式および船舶用の応用例に対して特に有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ディーゼル・エンジンおよび本発明の特徴を具現するエンジンのシリンダの概略的な、構成部材がその複合エンジンの燃料噴射および蒸気噴射段階を示すように配列されている断片図である。
【図２】  共通の噴射系統が使用された場合の蒸気（Ｓ）および燃料（Ｆ）のジェットの断片図である。
【図３】  燃料（Ｆ）噴霧と異なる高さの蒸気（Ｓ）噴射の断片図である。
【図４】  シリンダ周面における該壁に接線方向の蒸気（Ｓ）噴射の断片図である。
【図５】  図１の燃料噴射系統８に代えて燃料（Ｆ）の初期燃焼用の予備室の断片図である。
【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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