(57)【要約】【課題】水素タンク内の水素の圧力が所定値以下にまで低下した場合であっても継続的に運転が可能な作動ガス循環型水素エンジンを提供すること。【解決手段】このエンジン１０は燃焼室２１に酸素と水素とアルゴンガスとを供給する。作動ガス循環通路部６０は燃焼室からの排ガスを再び燃焼室に供給する。凝縮部７０は、排ガスを大気と熱交換させることにより、排ガスに含まれる水蒸気を凝縮し、排ガスから水蒸気を分離する。水素タンク４１内に十分な水素が残存していて水素タンク内の水素の圧力が高いとき、水素は圧縮上死点近傍の噴射タイミングにて水素噴射弁３５から噴射され、拡散燃焼させられる。水素タンク内の水素が減少して水素タンク内の水素の圧力が低くなると、水素は吸気行程内の所定の噴射タイミングにて水素噴射弁から噴射され、その後、点火プラグ３６から発生する火花によって火花点火燃焼させられる。【選択図】  図１
2009068392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素と、燃料としての水素と、作動ガスとしての単原子分子ガスと、を燃焼室に供給し、同燃焼室において同水素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水素エンジンであって、
前記水素をガス状態にて貯える水素タンクと、
前記水素タンクから供給される水素を同供給された水素の圧力を利用して前記燃焼室内に直接噴射する噴射手段と、
前記噴射手段に供給される水素の圧力に応じた水素ガス圧を取得する水素ガス圧取得手段と、
前記燃焼室内に点火用の火花を発生する点火手段と、
前記水素タンクから供給される水素を前記燃焼室内において拡散燃焼させるように前記酸素と前記作動ガスとが同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第１噴射時期にて同水素を同燃焼室内に前記噴射手段から噴射する高圧噴射が可能であるか否か、を前記取得された水素ガス圧と切換判定値との比較に基いて判定し、同高圧噴射が可能であると判定した場合には同高圧噴射を実行して同噴射された水素を拡散燃焼させ、同高圧噴射が可能でないと判定した場合には同燃焼室内の圧力が同第１噴射時期における圧力よりも低い圧力である第２噴射時期にて同水素を同燃焼室内に同噴射手段から噴射するとともに前記点火手段から所定の点火時期にて火花を発生させることにより同噴射された水素を火花点火燃焼させる燃焼モード制御手段と、
を備えた作動ガス循環型水素エンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の作動ガス循環型水素エンジンであって、
前記噴射手段は、前記水素タンク内の水素の圧力である水素タンク内ガス圧を利用して前記水素を前記燃焼室内に直接噴射するように構成され、
前記水素ガス圧取得手段は、前記水素タンク内ガス圧を取得するように構成された作動ガス循環型水素エンジン。
【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水素エンジンであって、
前記燃焼室内のガスの圧力である筒内圧を取得する筒内圧取得手段を備え、
前記燃焼モード制御手段は、前記切換判定値として前記取得された筒内圧に基づく値を採用した作動ガス循環型水素エンジン。
【請求項４】
請求項３に記載の作動ガス循環型水素エンジンであって、
前記筒内圧取得手段は、前記第１噴射時期における前記筒内圧を取得するように構成され、
前記燃焼モード制御手段は、前記取得された水素ガス圧が前記取得された筒内圧に所定の余裕値を加えた圧力より高いとき前記第１噴射時期にて前記水素を噴射して同噴射された水素を拡散燃焼させ、同取得された水素ガス圧が同取得された筒内圧に同所定の余裕値を加えた圧力より低いとき前記第２噴射時期にて前記水素を噴射して同噴射された水素を火花点火燃焼させるように構成された作動ガス循環型水素エンジン。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の作動ガス循環型水素エンジンにおいて、
前記第１噴射時期は圧縮行程内の時期であり、前記第２噴射時期は吸気行程内の時期である作動ガス循環型水素エンジン。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の作動ガス循環型水素エンジンであって、
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に含まれる水蒸気を同循環ガスから分離して除去する水蒸気分離手段と、
前記水素が前記火花点火燃焼させられているときは同水素が前記拡散燃焼させられているときよりも前記水蒸気分離手段による水蒸気の分離率を低下させるように同水蒸気分離手段を制御する分離率制御手段と、
を備えた作動ガス循環型水素エンジン。
【請求項７】
請求項６に記載の作動ガス循環型水素エンジンにおいて、
前記水蒸気分離手段は、前記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凝縮器である作動ガス循環型水素エンジン。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の作動ガス循環型水素エンジンであって、
圧縮上死点における前記燃焼室の容積に対する同燃焼室の吸気ポートを吸気弁によって閉じる吸気弁閉弁時期における同燃焼室の容積の比である実圧縮比を変更する実圧縮比変更手段と、
前記水素が前記火花点火燃焼させられているときは同水素が前記拡散燃焼させられているときよりも前記実圧縮比を低下させるように前記実圧縮比変更手段を制御する実圧縮比制御手段と、
を備えた作動ガス循環型水素エンジン。
【請求項９】
請求項８に記載の作動ガス循環型水素エンジンであって、
前記実圧縮比変更手段は、前記吸気弁閉弁時期を変更することにより前記実圧縮比を変更するように構成された作動ガス循環型水素エンジン。
【請求項１０】
請求項８に記載の作動ガス循環型水素エンジンであって、
前記実圧縮比変更手段は、前記水素エンジンの機械圧縮比を変更することにより前記実圧縮比を変更するように構成された作動ガス循環型水素エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素と、燃料としての水素と、作動ガスとしての単原子分子ガスと、を燃焼室に供給し、同燃焼室において同水素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水素エンジンに関する。
【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。アルゴンガスは一つの原子からなる分子（単原子分子）である。単原子分子からなるガス（単原子分子ガス、不活性ガス）は、空気よりも比熱比が大きい。従って、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、非常に高い熱効率にて運転され得る（例えば、特許文献１を参照。）。更に、上記水素エンジンは、その作動ガスに窒素が含まれていないので、ＮＯｘを排出する虞がない。
【特許文献１】特開平１１−９３６８１号公報
【発明の開示】
【０００３】
上述したように、アルゴンガス等の単原子分子ガスを作動ガスとする水素エンジンは、非常に熱効率が高い。換言すると、アルゴンガスの比熱比は非常に大きいので、燃焼室内の温度は空気を作動ガスとする場合に比べて非常に高くなる。このため、通常の火花点火燃焼（火炎伝播による燃焼）により水素を燃焼させるとノッキング等の異常燃焼が発生する虞がある。従って、点火時期を比較的遅角側の点火時期に設定せざるを得ない。この結果、熱効率が低下する。そこで、このような作動ガス循環型水素エンジンにおいて、圧縮上死点近傍にて水素を噴射することにより同噴射された水素を拡散燃焼させることが考えられる。
【０００４】
一方、燃料としての水素（水素ガス）は、高圧のガス状態にて水素タンク（水素ボンベ）内に貯えられる。従って、水素タンク内の水素が消費されて減少すると水素タンク内の水素の圧力が低下する。他方、水素を拡散燃焼させるために同水素を燃焼室内に噴射する時点における同燃焼室内の圧力は非常に高くなっている。この結果、水素を水素タンク内の圧力を利用して燃焼室内に噴射するエンジンの場合、水素タンク内の水素が消費されて減少すると（即ち、水素タンク内の水素の圧力が低下すると）、水素を拡散燃焼に好適な噴射タイミングにて燃焼室内に噴射することができない。このため、水素が水素タンク内に残存しているにもかかわらず、水素を水素タンクに補給しなければエンジンの運転を継続することができないという問題が生じる。また、水素の噴射を行うための圧力（噴射手段の噴射圧、燃料噴射圧）を何らかの手段（例えば、加圧ポンプ等）により発生させている場合であっても、その圧力（即ち、噴射手段に供給されている水素の圧力）が何らかの理由により低下すると、水素を拡散燃焼に好適な噴射タイミングにて燃焼室内に噴射することができないので、上記と同様な問題が生じる。
【０００５】
本発明による作動ガス循環型水素エンジンは、上記課題に対処するために為されたものである。
この作動ガス循環型水素エンジンは、
酸素と、燃料としての水素と、作動ガスとしての単原子分子ガスと、を燃焼室に供給し、同燃焼室において同水素を燃焼させて（即ち、酸素と水素とを結合させて）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り、且つ、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水素エンジンは、水素タンクと、噴射手段と、水素ガス圧取得手段と、点火手段と、燃焼モード制御手段と、を備えている。
【０００７】
水素タンクは水素をガス状態にて貯えるタンクである。
噴射手段（燃料噴射手段、水素ガス噴射手段）は「水素タンクから供給される水素」を「同供給された水素の圧力」を利用して前記燃焼室内に直接噴射するようになっている。即ち、噴射手段は、所謂「筒内噴射手段」である。このような噴射手段は、例えば、指示信号に応答して燃焼室に露呈した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ときに同噴射手段に供給されている水素の圧力により同燃焼室内に水素を噴射する水素噴射弁であってよい。
【０００８】
水素ガス圧取得手段は、前記噴射手段に供給される水素の圧力に応じた水素ガス圧を取得するようになっている。「噴射手段に供給される水素の圧力に応じた水素ガス圧」は、噴射手段が水素を噴射する際の噴射圧（燃料圧）であってもよく、噴射手段に供給される水素の圧力（噴射圧）の値（最大の値）を決定付ける水素ガスの圧力であってもよい。即ち、例えば、噴射手段に供給される水素の圧力が、水素タンクと噴射手段との間に介装された圧力レギュレータ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る場合、水素タンク内の水素の圧力である水素タンク内ガス圧が「噴射手段に供給される水素の圧力の値（最大の値）を決定付ける水素ガスの圧力の一つ」となるから、その水素タンク内ガス圧が「噴射手段に供給される水素の圧力に応じた水素ガス圧」となる。
【０００９】
点火手段（火花点火手段）は燃焼室内に点火用の火花を発生するようになっている。点火手段は、一般には、点火プラグ、イグニッションコイル及びイグナイタを含む。
【００１０】
燃焼モード制御手段は、水素タンクから供給される水素を燃焼室内において拡散燃焼させるように「少なくとも前記酸素と前記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」の所定の第１噴射時期にて水素を燃焼室内に前記噴射手段から噴射すること、即ち、「高圧噴射」が可能であるか否か判定するようになっている。燃料モード制御手段は、この判定を、前記取得された水素ガス圧と所定の切換判定値との比較に基いて行う。切換判定値は後述するように実際の筒内圧に基いて定められても良く、予め定められた値（例えば、一定値、又は、エンジンの負荷及び回転速度等によって定まる「第１噴射時期における筒内圧」をエンジンの負荷及び回転速度等と関連付けて予め測定し且つテーブルとして記憶しておき、実際のエンジンの負荷及び回転速度等とその記憶したテーブルとに基づいて定められた所定値）であってもよい。
【００１１】
更に、燃焼モード制御手段は、
（１）前記高圧噴射が可能であると判定した場合、同高圧噴射を実行して同噴射された水素を拡散燃焼させ、
（２）前記高圧噴射が可能でないと判定した場合、「燃焼室内の圧力（筒内圧）が前記第１噴射時期における圧力よりも低い圧力である第２噴射時期」にて水素を燃焼室内に噴射手段から噴射するとともに、前記点火手段から所定の点火時期にて火花を発生させる。これにより、燃焼室内に噴射された水素は前記点火手段から発生した火花によって点火され燃焼（火花点火燃焼）させられる。
【００１２】
これによれば、例えば、噴射手段に連通する水素タンク内の水素の圧力（水素タンク内ガス圧）が十分に高い場合のように、噴射手段に供給される水素の圧力が十分に高いとき、即ち、「拡散燃焼を起こさせるための第１噴射時期」にて水素を燃焼室内に噴射させる「高圧噴射」が可能であるとき、水素は第１噴射時期にて燃焼室内に直接噴射され、拡散燃焼させられる。この結果、ノッキング等の異常燃焼を発生することなく、エンジンは高い効率にて運転される。
【００１３】
一方、例えば、水素タンク内の水素が消費されて少なくなったことに起因して噴射手段に連通する水素タンク内の水素の圧力が低下した場合のように、噴射手段に供給される水素の圧力が「高圧噴射」を行うことができない圧力となったとき、水素は筒内圧が第１噴射時期における筒内圧よりも低い筒内圧となる第２噴射時期にて噴射され、その水素は火花点火燃焼させられる。この結果、水素を高圧噴射することができなくなった場合であっても、エンジンを継続して運転することができる。
【００１４】
この場合、
前記噴射手段は、前記水素タンク内の水素の圧力である水素タンク内ガス圧を利用して前記水素を前記燃焼室内に直接噴射するように構成され、
前記水素ガス圧取得手段は、前記水素タンク内ガス圧を取得するように構成されることが好適である。
【００１５】
これによれば、水素タンク内に水素が十分に残存しており、水素タンク内の水素の圧力が「拡散燃焼を起こさせるための第１噴射時期」にて水素を燃焼室内に噴射（高圧噴射）させることができる圧力以上であるとき、水素は第１噴射時期にて燃焼室内に直接噴射され、拡散燃焼する。従って、この作動ガス循環型水素エンジンは、水素タンク内に水素が十分に残存しているとき、ノッキング等の異常燃焼を発生することなく、水素を拡散燃焼させることにより高い効率にて運転される。
【００１６】
一方、水素タンク内の水素が消費されて減少し、水素タンク内の水素の圧力が「拡散燃焼を起こさせるための第１噴射時期」にて水素を燃焼室内に噴射（高圧噴射）させることができる圧力より低くなったとき、水素は第１噴射時期における筒内圧よりも低い筒内圧になる第２噴射時期にて噴射され、その水素は火花点火燃焼させられる。この結果、水素タンク内の水素の圧力が低くなった場合においてもエンジンを継続して運転することができる。従って、水素を水素タンクに補給しなければならない機会を低減することもできる。
【００１７】
更に、本発明による作動ガス循環型水素エンジンは、前記燃焼室内のガスの圧力である筒内圧を取得する筒内圧取得手段を備え、前記燃焼モード制御手段は「前記切換判定値」として「前記取得された筒内圧に基づく値」を採用してなることが好適である。この場合、筒内圧取得手段は、例えば、燃焼室内の圧力を直接検出する筒内圧センサを用いて筒内圧を検出してもよく、作動ガス循環型水素エンジンの運転パラメータに基いて筒内圧を推定してもよい。
【００１８】
これによれば、高圧噴射が可能であるか否かを判定するための「切換判定値」が筒内圧に基づいて定められるので、高圧噴射が可能であるか否かの判定が、より精度良く行われ得る。
【００１９】
また、前記筒内圧取得手段は、前記第１噴射時期における筒内圧を取得するように構成され、
前記燃焼モード制御手段は、前記取得された水素ガス圧が前記取得された筒内圧に所定の余裕値を加えた圧力より高いとき前記第１噴射時期にて前記水素を噴射して同噴射された水素を拡散燃焼させ、同取得された水素ガス圧が同取得された筒内圧に同所定の余裕値を加えた圧力より低いとき前記第２噴射時期にて前記水素を噴射して同噴射された水素を火花点火燃焼させるように構成されることが好適である。
【００２０】
拡散燃焼を行う場合、水素は第１噴射時期にて噴射される。従って、上記のように、第１噴射時期における筒内圧を取得し、「前記取得された水素ガス圧」が「同取得された第１噴射時期における筒内圧に余裕値を加えた値」よりも高いとき、水素を第１噴射時期にて噴射するように構成すれば、水素を確実に噴射でき且つ拡散燃焼させることができる。換言すると、「前記取得された水素ガス圧」が低下することによって高圧噴射による拡散燃焼運転が不能となる時期よりも前の時期にて、拡散燃焼運転から火花点火燃焼運転へと運転モードを切り換ええることができる。従って、このエンジンの運転継続可能時間をより確実に長くすることができる。
【００２１】
特に、噴射手段が水素タンクと直接又は水素圧レギュレータを通じて接続されている場合であって、前記筒内圧取得手段が水素タンク内の水素の圧力（水素タンク内ガス圧）を取得するように構成されている場合には、水素タンク内ガス圧が「前記取得された筒内圧に所定の余裕値を加えた圧力」より高い場合、即ち、水素タンク内ガス圧が前記拡散燃焼のための高圧噴射を可能とするのに十分に高い圧力である場合、水素が第１噴射時期にて噴射されて拡散燃焼される。従って、水素を第１噴射時期にて確実に噴射できる場合にのみ拡散燃焼による運転が行われるので、エンジンを安定して運転することができる。換言すると、水素タンク内ガス圧が低下することによって拡散燃焼による運転が不能となる時期よりも十分に前の時期にて、エンジンの運転モードを拡散燃焼による運転モードから火花点火燃焼による運転モードへと切り換えることができる。従って、このエンジンの運転継続可能時間をより確実に長くすることができる。
【００２２】
また、前記第１噴射時期は圧縮行程内の時期であり、前記第２噴射時期は吸気行程内の時期であることが好適である。
【００２３】
吸気行程においては燃焼室内の圧力は非常に小さいので、第２噴射時期を吸気行程内の時期に設定することにより、例えば、水素タンク内の水素ガス圧が極めて低下した場合等の「水素タンクから噴射手段に供給される水素の圧力」が切換判定値より大幅に小さくなった場合においても、水素を燃焼室に確実に噴射することができる。その結果、このエンジンの運転継続可能時間をより確実に長くすることができる。
【００２４】
上記何れかの作動ガス循環型水素エンジンは、
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に含まれる水蒸気を同循環ガスから分離して除去する水蒸気分離手段と、
前記水素が前記火花点火燃焼させられているときは同水素が前記拡散燃焼させられているときよりも前記水蒸気分離手段による水蒸気の分離率（除去率、除去量）を低下させるように同水蒸気分離手段を制御する分離率制御手段と、
を備えることが好適である。
【００２５】
前記水蒸気分離手段は、例えば、前記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凝縮器である。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。
【００２６】
この作動ガス循環型水素エンジンは、作動ガスとして「比熱比が大きい単原子分子ガス」を使用している。従って、火花点火燃焼を行った場合に燃焼室内の温度及び／又は圧力が非常に高くなりノッキングやプレイグニッション等の異常燃焼が生じる虞がある。
【００２７】
そこで、上記構成のように、前記水素が前記火花点火燃焼させられているときは同水素が前記拡散燃焼させられているときよりも前記水蒸気分離手段による水蒸気の分離率（除去量）を低下させる。水蒸気（Ｈ２Ｏ）は三原子分子ガスであるから、単原子分子ガスよりも比熱比が小さい。従って、水蒸気の分離率を低下させると、燃焼室に循環される「水蒸気及び単原子分子ガスからなるガス（実質的に作動ガスとして機能するガス）」の全体の比熱比が低下する。これにより、火花点火燃焼を行っているときに燃焼室内の温度及び／又は圧力が過大となることを回避することができる。その結果、火花点火燃焼運転時におけるノッキングやプレイグニッション等の異常燃焼の発生を回避することができる。また、異常燃焼を回避するために点火時期を過度に遅角側に移行する必要がなくなるので、エンジンを火花点火燃焼によってより効率良く運転することも可能となる。
【００２８】
更に、上記本発明による作動ガス循環型水素エンジンの一態様は、
「圧縮上死点における燃焼室の容積」に対する「燃焼室の吸気ポートを吸気弁によって閉じる吸気弁閉弁時期における同燃焼室の容積」の比である「実圧縮比」を変更する実圧縮比変更手段と、
前記水素が前記火花点火燃焼させられているときは同水素が前記拡散燃焼させられているときよりも前記実圧縮比を低下させるように前記実圧縮比変更手段を制御する実圧縮比制御手段と、
を備えることが好適である。
【００２９】
前記実圧縮比変更手段は、前記吸気弁閉弁時期を変更することにより前記実圧縮比を変更する「吸気弁閉弁時期変更手段」でもよい。
【００３０】
また、前記実圧縮比変更手段は、前記水素エンジンの機械圧縮比を変更することにより前記実圧縮比を変更する「可変圧縮比機構」であってもよい。
【００３１】
これらによれば、水素が火花点火燃焼させられているときのエンジンの実圧縮比は、水素が拡散燃焼させられているときのエンジンの実圧縮比よりも低下させられる。従って、火花点火燃焼を行っているときに燃焼室内の温度及び／又は圧力が過大となることを回避することができる。その結果、火花点火燃焼運転時におけるノッキングやプレイグニッション等の異常燃焼の発生を回避することができる。また、異常燃焼を回避するために点火時期を過度に遅角側に移行する必要がなくなるので、エンジンを火花点火燃焼によってより効率良く運転することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明による作動ガス循環型水素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水素エンジンは、４サイクル・多気筒エンジンである。また、各エンジンは、燃焼室に「酸素（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（水素ガス）」を噴射（高圧噴射）することにより水素を拡散燃焼させることができるエンジンである。
【００３３】
更に、この作動ガス循環型水素エンジンは、燃焼室内にて酸素、水素及び単原子分子ガスからなる混合気を形成し、その混合気を点火プラグからの火花によって燃焼（火花点火燃焼）させることができるエンジンでもある。加えて、各実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンは、燃焼室から排出された排ガス中の作動ガスを同燃焼室に循環通路（循環経路）を通して循環（再供給）させるクローズドタイプのエンジンである。即ち、このエンジンは、水素と酸素との結合により生成される水蒸気を除く排ガスを大気中に排出しないエンジンである。なお、作動ガス（水蒸気及び余剰の酸素を除く主たる作動ガス）は、アルゴンガスに限定されず、例えば、Ｈｅ等のアルゴン以外の単原子分子ガス（不活性ガス）であっても構わない。
【００３４】
＜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、凝縮部（水蒸気分離部、水蒸気分離手段）７０及び電気制御装置８０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。また、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。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は「循環ガス」とも称呼される。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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、吸気弁駆動装置３３ａが配設されている。吸気弁駆動装置３３ａは、電磁機構を備えている。吸気弁駆動装置３３ａは、指示信号に応じて電磁機構を作動させ、それにより、吸気弁３３を任意のタイミングにて駆動することにより吸気ポート３１を開閉するようになっている。換言すると、吸気弁駆動装置３３ａは、吸気弁３３の開弁時期ＩＯ及び閉弁時期ＩＣを変更できるようになっている。なお、吸気弁駆動装置３３ａは、図示しないインテークカムシャフトと図示しないインテークカムとの相対回転角度（位相角度）を油圧により調整・制御する構成を備え、吸気弁３３の開弁時期ＩＯ及び閉弁時期ＩＣを変更することができる周知の「可変動弁装置」であってもよい。
【００３９】
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、エグゾーストカムシャフト等からなる排気弁駆動機構３４ａが配設されている。排気弁駆動機構３４ａは排気弁３４を駆動することにより排気ポート３２を開閉するようになっている。
【００４０】
シリンダヘッド１１には、水素噴射弁３５と、点火プラグ３６と、が配設されている。
水素噴射弁３５は、燃焼室に露呈した噴射口（噴孔）、弁体及び電磁式弁体駆動装置等を備えた周知の電磁開閉式ガス噴射弁である。水素噴射弁３５は指示信号に応答して電磁式弁体駆動装置によって弁体を駆動することにより噴射口を開閉する。水素噴射弁３５は、噴射口が弁体により開かれたとき、水素噴射弁３５に供給されている水素の圧力により水素を燃焼室２１内（筒内）に直接噴射する。
点火プラグ３６は、駆動信号（点火指示信号）に応答して、混合気を点火するための火花を燃焼室２１内に発生するようになっている。
【００４１】
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。
【００４２】
水素タンク４１は燃料としての水素（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。水素タンク４１内の水素の圧力（水素タンク内ガス圧）の最大値は、例えば７０ＭＰａ程度である。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。
【００４３】
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が水素ガス圧レギュレータ４３の設定圧力ＰＨ２ｔｈよりも高いとき、「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ＰＨ２ｔｈにまで減圧・調整するようになっている。一方、水素タンク４１内の水素ガスの圧力が設定圧力ＰＨ２ｔｈよりも低いとき、水素ガス圧レギュレータ４３は、「水素ガス圧レギュレータ４３よりも下流における水素ガス通路４２内の圧力」を水素タンク４１内の水素ガスの圧力と等しくする。なお、設定圧力ＰＨ２ｔｈは例えば１０ＭＰａ程度である。
【００４４】
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。
【００４５】
以上の構成により、水素噴射弁３５は、駆動信号（噴射指示信号）に応答して開弁したとき、水素ガス通路４２を通して水素噴射弁３５に供給される水素の圧力（従って、最終的には水素タンク４１内の水素の圧力）を利用して、水素タンク４１から供給される水素を燃焼室２１内に噴射するようになっている。
【００４６】
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及び酸素噴射弁５５を備えている。
【００４７】
酸素タンク５１は酸素（酸素ガス）を高圧状態にて貯蔵するガス貯蔵タンクである。酸素ガス通路５２は、酸素タンク５１と酸素噴射弁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から酸素噴射弁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。
【００４８】
酸素ガス圧レギュレータ５３は、周知のプレッシャレギュレータである。酸素ガス圧レギュレータ５３は、酸素タンク５１内の酸素ガスの圧力が酸素ガス圧レギュレータ５３の設定圧力ＰＯ２ｔｈよりも高いとき、「酸素ガス圧レギュレータ５３よりも下流（酸素噴射弁５５側）における酸素ガス通路５２内の圧力」を設定圧力ＰＯ２ｔｈにまで減圧・調整するようになっている。一方、酸素タンク５１内の酸素ガスの圧力が設定圧力ＰＯ２ｔｈよりも低いとき、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よりも下流における酸素ガス通路５２内の圧力」を酸素タンク５１内の酸素ガス圧と等しくする。なお、設定圧力ＰＯ２ｔｈは例えば０．３ＭＰａ程度である。
【００４９】
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。
【００５０】
酸素噴射弁５５は、後述する作動ガス循環通路部６０の第２通路６２に臨むように配設されている。酸素噴射弁５５は、駆動信号（噴射指示信号）に応答して開弁するようになっている。以上の構成により、酸素噴射弁５５は、酸素ガス圧レギュレータ５３よりも下流の酸素ガス通路５２内の圧力（従って、最終的には酸素タンク５１内の酸素ガスの圧力）を利用して酸素タンク５１から供給される酸素（酸素ガス）を第２通路６２内に噴射するように構成されている。
【００５１】
作動ガス循環通路部６０は、第１通路（第１経路、第１流路形成管）６１と、第２通路（第２経路、第２流路形成管）６２と、からなっている。
【００５２】
第１通路６１は、排気ポート３２と凝縮部７０の入口部（凝縮器７１の入口部７１ａ）とを連通（接続）している。
第２通路６２は凝縮部７０の出口部（凝縮器７１の出口部７１ｂ）と吸気ポート３１とを連通（接続）している。
【００５３】
凝縮部７０は、凝縮器（水冷式凝縮器）７１と冷却水供給部７２とを備えている。
【００５４】
凝縮器７１は、燃焼室２１から排出された燃焼後のガス（燃焼ガス、既燃ガス、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及び入口部７１ａを経由して導入するようになっている。凝縮器７１は、その入口部７１ａ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、その凝縮前排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。
【００５５】
これにより、凝縮器７１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７１ｂから第２通路６２に排出するようになっている。凝縮器７１において分離された凝縮水は、凝縮器７１から排出口７１ｃを通して外部（作動ガス循環通路部６０及びエンジン１０の外部、即ち、系外）に排出される。
【００５６】
冷却水供給部７２は、冷却水循環通路７２ａ、冷却水循環用ポンプ７２ｂ、冷却水冷却部（ラジエータ）７２ｃ、冷却水流量調整弁７２ｄ、筐体７２ｅ、ファンが取り付けられたファンモータ７２ｆ、可動式遮蔽板７２ｇ、及び、遮蔽板移動用モータ７２ｈ、を備えている。
【００５７】
冷却水循環通路７２ａは凝縮器７１の冷却水出口部と冷却水入口部とを凝縮器７１の外部にて連通する通路である。冷却水循環用ポンプ７２ｂ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。冷却水循環通路７２ａは冷却水冷却部７２ｃ内を通過している。冷却水流量調整弁７２ｄは、冷却水循環通路７２ａに介装されている。冷却水流量調整弁７２ｄは、指示信号に応答して冷却水循環通路７２ａの流路断面積を変更し、それにより冷却水循環通路７２ａを流れる冷却水の流量を制御し得るようになっている。
【００５８】
筐体７２ｅはファンモータ７２ｆを収容し且つ支持している。筐体７２ｅの前面及び背面には通風穴が形成されている。ファンモータ７２ｆは駆動信号に応答して回転し、取り付けられているファンを回転することにより、筐体７２ｅの前面の通風穴を通して冷却水冷却部７２ｃに送風するようになっている。可動式遮蔽板７２ｇは板体であって、筐体７２ｅの背面の一部を覆うように配置されている。可動式遮蔽板７２ｇは筐体７２ｅの背面に沿って移動できるようになっている。遮蔽板移動用モータ７２ｈは駆動信号に応答して可動式遮蔽板７２ｇを筐体７２ｅの背面に沿って移動するようになっている。可動式遮蔽板７２ｇが移動させられると筐体７２ｅの背面の通風穴の面積が変更され、その結果、ファンモータ７２ｆの回転速度が一定であっても、ファンモータ７２ｆによる冷却水冷却部７２ｃへの送風量が変更されるようになっている。
【００５９】
以上の構成を有する凝縮部７０は、循環通路（循環通路部６０）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凝縮手段（水蒸気分離手段）を構成している。換言すると、凝縮部７０は、循環通路６０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。
【００６０】
更に、凝縮部７０は、
（１）冷却水流量調整弁７２ｄによって冷却水循環通路７２ａを流れる冷却水の流量を変更すること、
（２）ファンモータ７２ｆの回転速度を変更すること、及び
（３）遮蔽板移動用モータ７２ｈによって可動式遮蔽板７２ｇの位置を変更すること、
の少なくとも一つを実行することによって、冷却水の温度を制御し、それにより凝縮器７１による水蒸気の分離率（凝縮率、凝縮効率）を変更し得るようになっている。
【００６１】
より具体的には、冷却水流量調整弁７２ｄによって冷却水循環通路７２ａを流れる冷却水の流量を減少することにより、その冷却水が「凝縮器７１内に流入した排ガス」から奪う単位時間あたりの熱量は低下する。その結果、凝縮器７１による水蒸気の分離率（凝縮率）は低下する。ファンモータ７２ｆの回転速度が低下すると、又は、可動式遮蔽板７２ｇの位置により筐体７２ｅの背面の通風穴面積が減少すると、冷却水循環通路７２ａを流れる冷却水が冷却され難くなる。即ち、冷却水冷却部７２ｃにおける冷却水と大気との熱交換量が低下し、冷却水温度は上昇する。その結果、その冷却水が「凝縮器７１内に流入した排ガス」から奪う単位時間あたりの熱量は低下するから、凝縮器７１による水蒸気の分離率（凝縮率）は低下する。
【００６２】
電気制御装置８０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８０には、水素ガス流量計４４、酸素ガス流量計５４、アクセルペダル操作量センサ８１、エンジン回転速度センサ８２、酸素濃度センサ８３、水素濃度センサ８４、筒内圧センサ８５、及び、水素ガス圧センサ８６が接続されている。電気制御装置８０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。
【００６３】
アクセルペダル操作量センサ８１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８２は、クランク軸１４の回転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。なお、特定気筒のピストン位置が圧縮上死点になったときに一つのパルスを発生する気筒判別センサと、エンジン回転速度センサ８２と、を使用してクランク角度を検出してもよい。
【００６４】
酸素濃度センサ８３及び水素濃度センサ８４は、第２通路６２に配設されている。酸素濃度センサ８３は、配設部位（第２通路６２）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８４は、配設部位（第２通路６２）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。
【００６５】
筒内圧センサ８５は、複数の気筒のうちの何れか一つの燃焼室２１に対して設けられている。筒内圧センサ８５は、その燃焼室２１内のガスの圧力（筒内圧）を検出し、筒内圧を表す信号Ｐｃを発生するようになっている。
【００６６】
水素ガス圧センサ８６は、水素タンク４１内の水素ガスの圧力（水素タンク内ガス圧）を検出し、その水素タンク内ガス圧を表す信号ＰＨ２（以下、「水素タンク内ガス圧力ＰＨ２」と称呼する。）を発生するようになっている。本例において、水素噴射弁３５に供給される水素の圧力は、水素タンク４１と水素噴射弁３５との間に介装された水素圧力レギュレータ４３により一定の設定圧力ＰＨ２ｔｈ以上にならないように規制されている。一方、水素タンク４１内の水素ガスの圧力が設定圧力ＰＨ２ｔｈよりも低いとき、水素ガス圧レギュレータ４３よりも下流における水素ガス通路４２内の圧力は水素タンク４１内の水素の圧力と一致する。従って、水素タンク内圧力ＰＨ２は、「水素噴射弁３５に供給される水素の圧力（噴射圧）の値（最大の値）を決定付ける水素ガスの圧力」となる。従って、水素タンク内ガス圧力ＰＨ２は、「水素噴射弁３５（噴射手段）に供給される水素の圧力に応じた水素ガス圧」と言うことができる。
【００６７】
更に、電気制御装置８０は、各気筒の水素噴射弁３５、各気筒の点火プラグ３６、酸素噴射弁５５、冷却水流量調整弁７２ｄ、ファンモータ７２ｆ、及び、遮蔽板移動用モータ７２ｈ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。
【００６８】
次に、上記のように構成された作動ガス循環型水素エンジン１０を含むシステムの作動について説明する。
【００６９】
電気制御装置８０のＣＰＵは、所定時間Δｔの経過毎に図２にフローチャートにより示した燃焼モード決定ルーチン（運転モード決定ルーチン）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て、このルーチンの処理をステップ２００から開始し、ステップ２０５に進んでタイマーＴの値が所定値Ｔｔｈ以上であるか否かを判定する。いま、タイマーＴの値が０であるとすると、ＣＰＵはステップ２０５にて「Ｎｏ」と判定してステップ２９５に直接進み、本ルーチンを一旦終了する。
【００７０】
一方、ＣＰＵは所定時間Δｔよりも十分短い別の所定時間Δｓの経過毎に図３に示した時間割込ルーチン（タイマー値更新・センサ値取得ルーチン）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ステップ３００から処理を開始し、ステップ３０５に進んでタイマーＴの値を「１」だけ増大する。
【００７１】
次いで、ＣＰＵはステップ３１０に進み、タイマーＴの値が所定値Ｔａ（後述するＴｔｈより小さい値）と一致しているか否かを判定する。このとき、タイマーＴの値が所定値Ｔａと一致していると、ＣＰＵはステップ３１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ３１５に進み、水素ガス圧センサ８６が発生している信号に基いて水素タンク内ガス圧ＰＨ２を取得し、その後、ステップ３２０に進む。これに対し、タイマーＴの値が所定値Ｔａと一致していなければ、ＣＰＵはステップ３１０にて「Ｎｏ」と判定してステップ３２０に直接進む。
【００７２】
次に、ＣＰＵはステップ３２０にて「筒内圧センサ８５が設けられている気筒の現時点のクランク角」が、その気筒の圧縮上死点前９°クランク角（ＢＴＤＣ  ９°）であるか否かを判定する。このとき、筒内圧センサ８５が設けられている気筒の現時点のクランク角がＢＴＤＣ  ９°であれば、ＣＰＵはステップ３２０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ３２５に進み、筒内圧センサ８５が発生している信号に基いて筒内圧Ｐｃを取得する。その後、ＣＰＵはステップ３９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。
【００７３】
これに対し、ＣＰＵがステップ３２０に進んだとき、筒内圧センサ８５が設けられている気筒の現時点のクランク角がＢＴＤＣ  ９°でなければ、ＣＰＵはステップ３２０にて「Ｎｏ」と判定してステップ３９５に直接進み、本ルーチンを一旦終了する。
【００７４】
以上、説明したように、ＣＰＵは図３に示したルーチンを実行することにより、
（１）タイマーＴの値を所定時間Δｓの経過毎に「１」だけ増大し、
（２）タイマーＴの値が所定値Ｔａと一致したとき、水素タンク内ガス圧ＰＨ２を取得し、
（３）筒内圧センサ８５が設けられている気筒のクランク角が圧縮上死点前９°クランク角であるとき、その気筒の筒内圧Ｐｃを取得する。
【００７５】
タイマーＴの値は、後述するように、タイマーＴの値が所定値Ｔｔｈに到達する毎に「０」に設定される（図２のステップ２３０を参照。）。従って、ＣＰＵは一定時間毎に水素タンク内ガス圧ＰＨ２を取得していることになる。
【００７６】
また、本例においては、水素ガスを拡散燃焼させる場合、水素ガスは水素噴射弁３５から「圧縮上死点前１０°クランク角（ＢＴＤＣ  １０°）、即ち、圧縮上死点近傍のクランク角」のタイミングにて噴射される。この拡散燃焼を行うための噴射時期を便宜上「第１噴射時期」と称呼する。この称呼方法に基けば、圧縮上死点前９°クランク角は第１噴射時期の直前（第１噴射時期と実質的に等しい時期）である。従って、ＣＰＵはステップ３２０にて「第１噴射時期（第１噴射時期と実質的に等しい時期）」における筒内圧Ｐｃを取得していることになる。なお、第１噴射時期における噴射を「高圧噴射」とも称呼する。
【００７７】
ＣＰＵは図２のステップ２９５の処理を行ってから所定時間Δｔが経過すると、図２の燃焼モード決定ルーチンを再び実行する。この時点では、タイマーＴの値は「１」であるから、所定値Ｔｔｈよりも小さい。従って、ＣＰＵはステップ２０５にて「Ｎｏ」と判定して直ちにステップ２９５に進む。このような処理は、タイマーＴの値が図３のステップ３０５にて繰り返し増大されることにより所定値Ｔｔｈに到達するまで繰り返される。
【００７８】
そして、タイマーＴの値が所定値Ｔｔｈに到達したときにＣＰＵが図２のステップ２０５に至ると、ＣＰＵは同ステップ２０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ２１０に進み、図３のステップ３１５にて取得されている「水素タンク内ガス圧ＰＨ２」を読み込む。次いで、ＣＰＵはステップ２１５に進み、図３のステップ３２５にて取得されている「筒内圧センサ８５が設けられている気筒のクランク角が圧縮上死点前９°クランク角であるときの、その気筒の筒内圧Ｐｃ」を読み込む。
【００７９】
次に、ＣＰＵはステップ２２０に進み、上記読み込んだ水素タンク内ガス圧ＰＨ２が「上記読み込んだ筒内圧Ｐｃに所定値（余裕値、マージン）α（α＞０）を加えた値」より大きいか否かを判定する。以下、「上記読み込んだ筒内圧Ｐｃに所定値αを加えた値」を「切換判定値（Ｐｃ＋α）」とも称呼する。なお、「切換判定値（Ｐｃ＋α）」は「水素ガス圧レギュレータ４３の設定圧力ＰＨ２ｔｈ」以下の値に設定されている。
【００８０】
現時点においては、水素タンク４１内には十分な量の水素（水素ガス）が残存していて、それ故、水素タンク内ガス圧ＰＨ２は切換判定値（Ｐｃ＋α）よりも大きいと仮定する。この仮定に基けば、ＣＰＵはステップ２２０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ２２５に進み、拡散燃焼実行フラグＸＤＩＮの値を「１」に設定する。そして、ＣＰＵはステップ２３０にてタイマーＴの値を「０」にリセットし、ステップ２９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【００８１】
ところで、ＣＰＵは図４に示した燃焼制御実行ルーチンを、各気筒のクランク角が所定のクランク角（例えば、排気上死点後５°クランク角）に一致する毎に繰り返し実行している。従って、ＣＰＵは複数の気筒の何れかのクランク角がその所定のクランク角に一致したとき図４のステップ４００から処理を開始し、ステップ４０５にて拡散燃焼実行フラグＸＤＩＮの値が「１」であるか否かを判定する。
【００８２】
このとき、前述の「水素タンク内ガス圧ＰＨ２は切換判定値（Ｐｃ＋α）よりも大きい」との仮定に従うと、拡散燃焼実行フラグＸＤＩＮの値は「１」に設定されている（ステップ２２５を参照。）。従って、ＣＰＵはステップ４０５にて「Ｙｅｓ」と判定し、以下に述べるステップ４１０乃至ステップ４２０の処理を順に行い、ステップ４９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【００８３】
ステップ４１０：ＣＰＵは、要求水素量ＲＨ２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ｆと、に基づいて求める。関数ｆは、水素を拡散燃焼させるという前提下にて、「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」を発生させるのに必要な「要求水素量ＲＨ２」を求める関数である。関数ｆは、予め実験により定められ、例えば、ルックアップテーブル等の形成にてＲＯＭ内に格納されている。従って、関数ｆにより定められる要求水素量ＲＨ２の水素が拡散燃焼されると、エンジン１０は運転要求トルクと略等しいトルクを発生する。なお、エンジン１０が所謂ハイブリッド車両に搭載されている場合、ハイブリッド車両がエンジン１０に対して要求する運転要求トルクに基いて要求水素量ＲＨ２が求められる。
【００８４】
ステップ４１５：ＣＰＵは、要求水素量ＲＨ２と水素噴射弁３５の開弁時間ＴＡＵとの関係を定めたステップ４１５のブロック内に記載したテーブル（以下「拡散燃焼用開弁時間マップ」とも称呼する）と、前記ステップ４１０にて求めた要求水素量ＲＨ２と、に基いて、実際の水素噴射弁３５の開弁時間ＴＡＵを求める。なお、拡散燃焼用開弁時間マップによれば、要求水素量ＲＨ２が大きいほど開弁時間ＴＡＵが長くなるように求められる。なお、この拡散燃焼用開弁時間マップは、水素ガス圧レギュレータ４３の設定圧力ＰＨ２ｔｈの下で水素ガスが音速にて噴射されるとの前提に基いて予め定められている。
【００８５】
但し、水素タンク内ガス圧ＰＨ２が「水素ガス圧レギュレータ４３の設定圧力ＰＨ２ｔｈ」より小さく、且つ、「切換判定値（Ｐｃ＋α）」より大きい圧力となった場合、要求水素量ＲＨ２と、水素タンク内ガス圧ＰＨ２と、開弁時間ＴＡＵと、の関係を定めるテーブルを「拡散燃焼用開弁時間マップ」として使用してもよい。この場合、ＣＰＵは、実際の水素タンク内ガス圧ＰＨ２と、ステップ４１０にて求めた要求水素量ＲＨ２と、をその「拡散燃焼用開弁時間マップ」に適用することにより、開弁時間ＴＡＵを求める。
【００８６】
ステップ４２０：ＣＰＵは、水素ガス噴射時期（燃料噴射時期）θinjを上述した第１噴射時期（本例においては、各気筒の圧縮上死点前１０°クランク角）に設定する。
【００８７】
更に、ＣＰＵは図５にフローチャートにより示した酸素噴射ルーチンを所定の単位時間の経過毎に繰り返し実行している。従って、所定のタイミングになるとＣＰＵは図５のステップ５００から処理を開始し、以下に述べるステップ５０５乃至ステップ５１５の処理を順に行い、ステップ５９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【００８８】
ステップ５０５：ＣＰＵは、単位時間当たりの供給水素量ＱＨ２を「現時点の要求水素量ＲＨ２」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ｈと、に基づいて求める。
【００８９】
ステップ５１０：ＣＰＵは、単位時間あたりの要求酸素量ＲＯ２を「前記ステップ５０５にて求めた単位時間当たりの供給水素量ＱＨ２」と関数ｉとに基づいて求める。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（水素ガス分子）２モルに対して酸素（酸素ガス分子）１モルを供給する必要がある。このため、関数ｉは、単位時間当たりの供給水素量ＱＨ２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、単位時間あたりの要求酸素量ＲＯ２を算出するように予め定められている。
【００９０】
ステップ５１５：ＣＰＵは、単位時間あたりの要求酸素量ＲＯ２と酸素噴射弁５５の開弁時間ＴＡＵＯ２との関係を定めたステップ５１５のブロック内に記載したテーブル（以下「酸素噴射用開弁時間マップ」とも称呼する）と、前記ステップ５１０にて求めた単位時間あたりの要求酸素量ＲＯ２と、に基いて、実際の酸素噴射弁５５の開弁時間ＴＡＵＯ２を求める。なお、酸素噴射用開弁時間マップによれば、単位時間あたりの要求酸素量ＲＯ２が大きいほど開弁時間ＴＡＵＯ２が長くなるように求められる。この酸素噴射用開弁時間マップは、酸素ガス圧レギュレータ５３の設定圧力ＰＯ２ｔｈの下で酸素ガスが噴射されるとの前提に基いて予め定められている。そして、ＣＰＵは酸素噴射弁５５を求めた開弁時間ＴＡＵＯ２だけ開弁させ、酸素を第２通路６２に噴射（供給）する。
【００９１】
以上のように制御がなされる結果、何れかの気筒のクランク角が「第１噴射時期（現時点においては、各気筒の圧縮上死点前１０°クランク角）」に設定された噴射時期θinjに一致すると、そのクランク角がθinjに一致した気筒（以下、「水素ガス噴射気筒」と称呼する。）に設けられている水素噴射弁３５が開弁時間ＴＡＵだけ開弁せしめられる。この結果、要求水素量ＲＨ２の水素ガスが、水素ガス噴射気筒の水素噴射弁３５から噴射される。この時点における水素ガス噴射気筒の燃焼室２１内には「圧縮により高温且つ高圧となっているガス（酸素噴射弁５５から噴射された適量の酸素と、アルゴンガスと、等からなるガスであって圧縮されたガス）」が存在している。従って、噴射される水素ガスは燃焼室２１内において拡散しながら燃焼する（拡散燃焼）する。
【００９２】
以上のような拡散燃焼運転が行われることにより、水素タンク４１内の水素（水素ガス）が消費され、その残量は次第に低下する。その結果、水素タンク内ガス圧ＰＨ２は切換判定値（Ｐｃ＋α）以下となる。この場合、ＣＰＵは図２のステップ２２０に進んだとき、同ステップ２２０にて「Ｎｏ」と判定してステップ２３５に進み、拡散燃焼実行フラグＸＤＩＮの値を「０」に設定する。そして、ＣＰＵはステップ２３０にてタイマーＴの値を「０」にリセットし、ステップ２９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【００９３】
この結果、ＣＰＵが図４のステップ４０５に進んだとき、ＣＰＵは同ステップ４０５にて「Ｎｏ」と判定し、以下に述べるステップ４２５乃至ステップ４４５の処理を順に行い、ステップ４９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【００９４】
ステップ４２５：ＣＰＵは、要求水素量ＲＨ２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ｇと、に基づいて求める。関数ｇは、水素を火花点火燃焼させるという前提下にて、「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」を発生させるのに必要な「要求水素量ＲＨ２」を求めるため関数である。関数ｇは、予め実験により定められ、例えば、ルックアップテーブル等の形成にてＲＯＭ内に格納されている。従って、関数ｇにより定められる要求水素量ＲＨ２の水素が火花点火によって燃焼されると、エンジン１０は運転要求トルクと略等しいトルクを発生する。なお、この場合においても、エンジン１０が所謂ハイブリッド車両に搭載されていれば、ハイブリッド車両がエンジン１０に対して要求する運転要求トルクに基いて要求水素量ＲＨ２が求められる。
【００９５】
ステップ４３０：ＣＰＵは、図３のステップ３１５にて取得されている「水素タンク内ガス圧ＰＨ２」を読み込む。
【００９６】
ステップ４３５：ＣＰＵは、要求水素量ＲＨ２と、水素タンク内ガス圧ＰＨ２と、水素噴射弁３５の開弁時間ＴＡＵと、の関係を定めたステップ４３５のブロック内に記載したテーブル（以下「火花点火燃焼用開弁時間マップ」とも称呼する）に、前記ステップ４２５にて求められた要求水素量ＲＨ２と、前記ステップ４３０にて読み込んだ現時点の水素タンク内ガス圧ＰＨ２と、を適用することにより「実際の水素噴射弁３５の開弁時間ＴＡＵ」を求める。この火花点火燃焼用開弁時間マップによれば、要求水素量ＲＨ２が大きいほど開弁時間ＴＡＵは長くなるように求められる。更に、この火花点火燃焼用開弁時間マップによれば、ある要求水素量ＲＨ２に対する開弁時間ＴＡＵは、水素タンク内ガス圧ＰＨ２が小さくなるほど長くなるように求められる。
【００９７】
ステップ４４０：ＣＰＵは、水素ガス噴射時期（燃料噴射時期）θinjを火花点火燃焼用の噴射時期（本例においては、各気筒の圧縮上死点前３５０°クランク角＝吸気（排気）上死点後１０°クランク角）に設定する。以下、この火花点火燃焼用の噴射時期を便宜上「第２噴射時期」とも称呼する。第２噴射時期は吸気行程中の所定の時期である。即ち、第２噴射時期は、燃焼室２１内の圧力が「圧縮行程中の第１噴射時期における燃焼室２１内の圧力」よりも十分に「低い圧力」となる時期である。
【００９８】
ステップ４４５：ＣＰＵは、点火時期ＳＡを火花点火燃焼用点火時期（本例においては、圧縮上死点後１０°クランク角）に設定する。
【００９９】
以上の処理により、何れかの気筒のクランク角が第２噴射時期であるθinjに一致すると、そのクランク角がθinjに一致した気筒（水素ガス噴射気筒）に設けられている水素噴射弁３５が開弁時間ＴＡＵだけ開弁せしめられる。この結果、要求水素量ＲＨ２の水素ガスが、水素ガス噴射気筒の水素噴射弁３５から噴射される。そして、噴射された水素ガスは、燃焼室２１内において酸素及びアルゴンガスとともに混合されながら圧縮される。その圧縮された混合ガスは、火花点火燃焼用点火時期にて点火プラグ３６から発生する点火用火花によって点火させられて燃焼する（火炎伝播によって燃焼する。）。
【０１００】
以上、説明したように、第１実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジン１０は、水素タンク４１内の水素（水素ガス）が十分に残存しているとき、即ち、水素タンク内ガス圧ＰＨ２が切換判定値（Ｐｃ＋α）よりも大きく、その結果、水素噴射弁３５に水素タンク４１から供給される水素の圧力が切換判定値（Ｐｃ＋α）よりも大きいとき、第１噴射時期にて水素ガスを燃焼室２１内に噴射し、その水素が拡散燃焼されることによって運転される。換言すると、水素タンク内ガス圧ＰＨ２（従って、水素噴射弁３５に水素タンク４１から供給される水素の圧力）が「拡散燃焼を行うための高圧噴射を安定して行うことができる程度」に高いとき、水素ガスが第１噴射時期にて噴射され且つ拡散燃焼させられる。
【０１０１】
一方、拡散燃焼運転が行われることによって水素タンク４１内の水素が消費され、その結果、水素タンク内ガス圧ＰＨ２（従って、水素噴射弁３５に水素タンク４１から供給される水素の圧力）が切換判定値（Ｐｃ＋α）以下となると、水素エンジン１０は、第２噴射時期にて水素ガスを燃焼室２１内に噴射し、その水素ガスを火花点火燃焼させることによって運転される。吸気行程内の第２噴射時期における燃焼室２１内の圧力は、圧縮行程内の第１噴射時期における燃焼室２１内の圧力に比べ、非常に低い。この結果、水素タンク内ガス圧ＰＨ２が低くなった場合（従って、水素噴射弁３５に水素タンク４１から供給される水素の圧力が低くなった場合）においても、水素を燃焼室２１内に安定して供給（噴射）し且つ燃焼させることができるので、エンジン１０を継続して運転することができる。従って、このエンジンの運転継続可能時間をより確実に長くすることができる。
【０１０２】
更に、水素タンク内ガス圧ＰＨ２が「実質的に第１噴射時期にて取得された筒内圧Ｐｃに所定の余裕値αを加えた圧力である切換判定値（Ｐｃ＋α）」より高い場合、即ち、水素タンク内ガス圧ＰＨ２が「拡散燃焼のための高圧噴射」を可能とするのに十分に高い圧力である場合、水素が第１噴射時期にて噴射されて拡散燃焼される。従って、水素を第１噴射時期にて確実に噴射できる場合にのみ拡散燃焼による運転が行われるので、エンジン１０を安定して運転することができる。換言すると、水素タンク内ガス圧ＰＨ２が低下することによって拡散燃焼による運転が不能となる時期よりも十分に前の時期にて、エンジンの運転モードを拡散燃焼運転モードから火花点火燃焼モードへと切り替えることができる。従って、このエンジンの運転継続可能時間をより確実に長くすることができる。
【０１０３】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンについて説明する。このエンジンは、水素タンク内ガス圧ＰＨ２が低下したために「水素を第２噴射時期にて噴射し且つその水素を火花点火燃焼させている場合」には、「水素を第１噴射時期にて噴射し且つその水素を拡散燃焼させている場合」に比較して、凝縮部７０による水蒸気の分離率（除去率、除去量、凝縮率、凝縮効率）を低下させるように凝縮部７０を制御する点のみにおいて、第１実施形態に係る作動ガス循環型の水素エンジン１０と相違している。従って、以下、この相違点を中心に説明する。
【０１０４】
第２実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンの電気制御装置８０のＣＰＵは、図２乃至図５に示したルーチンに加えて、図６にフローチャートにより示した水素分離率制御ルーチンを所定時間の経過毎に実行するようになっている。
【０１０５】
従って、所定のタイミングにてＣＰＵは図６のステップ６００から処理を開始し、ステップ６０５に進んで拡散燃焼実行フラグＸＤＩＮの値が「０」であるか否かを判定する。
【０１０６】
いま、水素タンク４１内には十分な量の水素（水素ガス）が残存していて、それ故、水素タンク内ガス圧ＰＨ２は切換判定値（Ｐｃ＋α）よりも大きいと仮定する。この仮定に基けば、ＣＰＵは図２のステップ２２５にて拡散燃焼実行フラグＸＤＩＮの値を「１」に設定している。
【０１０７】
従って、ＣＰＵはステップ６０５にて「Ｎｏ」と判定してステップ６１０に進み、目標水素分離率（水蒸気除去効率）ηを最大値Ｍａｘ（第１分離率）に設定する。そして、ＣＰＵはステップ６１５に進み、以下の（Ａ１）〜（Ａ３）を実行する。
【０１０８】
（Ａ１）ＣＰＵは、冷却水循環通路７２ａを流れる冷却水の目標流量（目標冷却水流量）が目標水素分離率η（この場合、第１分離率である最大値Ｍａｘ）に応じた流量と一致するように、冷却水流量調整弁７２ｄの目標開度ＷＦを目標水素分離率ηと関数ｆ１とに基いて決定する。関数ｆ１によれば、目標水素分離率ηが大きいほど目標開度ＷＦが大きくなるように設定される。そして、ＣＰＵは冷却水流量調整弁７２ｄの実際の開度が目標開度ＷＦと一致するように、冷却水流量調整弁７２ｄに指示信号を送出する。この結果、冷却水循環通路７２ａを流れる冷却水の流量が冷却水の目標流量と一致する。
【０１０９】
（Ａ２）ＣＰＵは、ファンモータ７２ｆの回転速度の目標値（目標ファン回転速度）ＮＦが目標水素分離率ηに応じた値になるように、目標ファン回転速度ＮＦを目標水素分離率ηと関数ｆ２とに基いて決定する。関数ｆ２によれば、目標水素分離率ηが大きいほど目標ファン回転速度ＮＦが大きくなるように設定される。そして、ＣＰＵはファンモータ７２ｆの実際の回転速度が目標ファン回転速度ＮＦと一致するように、ファンモータ７２ｆに指示信号を送出する。この結果、ファンモータ７２ｆの実際の回転速度が目標ファン回転速度ＮＦと一致する。
【０１１０】
（Ａ３）ＣＰＵは、可動式遮蔽板７２ｇの目標位置（目標遮蔽板位置）ＩＰが目標水素分離率ηに応じた値になるように、目標遮蔽板位置ＩＰを目標水素分離率ηと関数ｆ３とに基いて決定する。関数ｆ３によれば、目標水素分離率ηが大きいほど、可動式遮蔽板７２ｇが筐体７２ｅの背面の通風穴面積を大きくする位置に移動するように、目標遮蔽板位置ＩＰが設定される。そして、ＣＰＵは可動式遮蔽板７２ｇの位置が目標遮蔽板位置ＩＰと一致するように、遮蔽板移動用モータ７２ｈに指示信号を送出する。この結果、可動式遮蔽板７２ｇの位置が目標遮蔽板位置ＩＰと一致する。
【０１１１】
現時点において、目標水素分離率ηは前記ステップ６１０にて最大値Ｍａｘに設定されている。従って、冷却水流量調整弁７２ｄの目標開度ＷＦは最大開度に定められ、目標ファン回転速度ＮＦは最大回転速度に定められ、可動式遮蔽板７２ｇの目標遮蔽板位置ＩＰは、可動式遮蔽板７２ｇが筐体７２ｅの背面の通風穴面積を最大にする位置となるように定められる。
【０１１２】
この結果、凝縮器７１には最大流量の冷却水が通過するとともに、その冷却水は冷却水冷却部７２ｃにおいて最大効率にて冷却（放熱）される。従って、凝縮器７１は、最大の水蒸気分離率にて「凝縮前排ガス」中に含まれている水蒸気を凝縮（液化）し分離する。これにより、燃焼室２１に供給される循環ガス中の水蒸気濃度が低下するので、循環ガスの比熱比は大きな値に維持される。従って、エンジン１０は高効率にて拡散燃焼運転される。その後、ＣＰＵはステップ６９５に進んで、本ルーチンを一旦終了する。
【０１１３】
これに対し、水素タンク４１内の水素（水素ガス）が消費され、水素タンク内ガス圧ＰＨ２が切換判定値（Ｐｃ＋α）以下となると、拡散燃焼実行フラグＸＤＩＮの値は図２のステップ２３５にて「０」に設定される。
【０１１４】
従って、ＣＰＵが図６のステップ６０５に進んだとき、ＣＰＵは同ステップ６０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ６２０に進み、目標水素分離率ηを最大値Ｍａｘ（第１分離率）よりも所定値βだけ小さい第２分離率（第１分離率よりも小さい第２分離率）に設定する。そして、ＣＰＵはステップ６１５に進み、上述した（Ａ１）〜（Ａ３）を実行する。その後、ＣＰＵはステップ６９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【０１１５】
現時点において、目標水素分離率ηは前記ステップ６２０にて最大値Ｍａｘ（第１分離率）よりも小さい第２分離率に設定されている。従って、冷却水流量調整弁７２ｄの目標開度ＷＦは最大開度よりも小さい開度に定められ、目標ファン回転速度ＮＦは最大回転速度よりも低い回転速度に定められ、可動式遮蔽板７２ｇの目標遮蔽板位置ＩＰは、可動式遮蔽板７２ｇが筐体７２ｅの背面の通風穴面積を最大面積よりも小さい面積にする位置となるように定められる。
【０１１６】
これにより、凝縮器７１には最大流量よりも少量の冷却水が通過する。また、その冷却水は冷却水冷却部７２ｃにおいて最大効率よりも低い効率にて冷却（放熱）される。従って、凝縮器７１は、第１分離率よりも低い第２分離率にて「凝縮前排ガス」中に含まれている水蒸気を凝縮（液化）し分離する。この結果、燃焼室２１に供給される循環ガス中の水蒸気濃度が増大するので、燃焼室２１に供給される循環ガスの比熱比（平均比熱比）は低下する。
【０１１７】
以上、説明したように、第２実施形態に係る水素エンジンは、凝縮器７１による水蒸気の分離率を制御する分離率制御手段（図６のルーチンを参照。）を備えている。この分離率制御手段によれば、水素が火花点火燃焼させられているときは水素が拡散燃焼させられているときよりも凝縮部７０による水蒸気の分離率が低下させられる。水蒸気（Ｈ２Ｏ）は三原子分子ガスであるから、単原子分子ガスのアルゴンガスよりも比熱比が小さい。従って、水蒸気の分離率が低下させられることにより、水蒸気及びアルゴンガスを含む循環ガス（燃焼室２１に供給されるガス）の全体の比熱比が低下する。これにより、火花点火燃焼を行っているときに燃焼室２１内のガスの温度及び／又はガスの圧力が過大となることを回避することができる。その結果、火花点火燃焼運転時におけるノッキングやプレイグニッション等の異常燃焼の発生を回避することができる。また、異常燃焼を回避するために点火時期を過度に遅角側に移行する必要がなくなるので、作動ガス循環型水素エンジンを火花点火燃焼によってより効率良く運転することも可能となる。
【０１１８】
なお、図６のステップ６１５においては、上述した（Ａ１）〜（Ａ３）の何れか一つ以上が実行されてもよい。即ち、拡散燃焼実行フラグＸＤＩＮの値が「１」であるときに上述した（Ａ１）の動作のみがなされてよく、その場合、拡散燃焼実行フラグＸＤＩＮの値が「０」であるときも上述した（Ａ１）の動作のみがなされるように構成されてもよい。同様に、拡散燃焼実行フラグＸＤＩＮの値が「１」であるときに上述した（Ａ２）の動作のみがなされてもよく、その場合、拡散燃焼実行フラグＸＤＩＮの値が「０」であるときも上述した（Ａ２）の動作のみがなされるように構成されてもよい。更に、拡散燃焼実行フラグＸＤＩＮの値が「１」であるときに上述した（Ａ３）の動作のみがなされてもよく、その場合、拡散燃焼実行フラグＸＤＩＮの値が「０」であるときも上述した（Ａ３）の動作のみがなされるように構成されてもよい。
【０１１９】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンについて説明する。このエンジンは、水素タンク内ガス圧ＰＨ２が低下したために「水素を第２噴射時期にて噴射し且つその水素を火花点火燃焼させている場合」には、「水素を第１噴射時期にて噴射し且つその水素を拡散燃焼させている場合」に比較して、エンジンの実圧縮比を減少させるように吸気弁の閉弁時期ＩＣを変更する点のみにおいて、第１実施形態に係る作動ガス循環型の水素エンジン１０と相違している。従って、以下、この相違点を中心に説明する。なお、実圧縮比は、本明細書において、「圧縮上死点における燃焼室２１の容積Ｖmin」に対する「圧縮行程において吸気弁３３を閉弁させたときの燃焼室２１の容積Ｖinc」の比（Ｖinc／Ｖmin）と定義される。
【０１２０】
第３実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンの電気制御装置８０のＣＰＵは、図２乃至図５に示したルーチンに加えて、図７にフローチャートにより示した吸気弁閉弁時期変更ルーチンを所定時間の経過毎に実行するようになっている。なお、ＣＰＵは、図６に示した水素分離率制御ルーチンを追加的に実行してもよい。
【０１２１】
所定のタイミングにてＣＰＵは図７のステップ７００から処理を開始し、ステップ７０５に進んで拡散燃焼実行フラグＸＤＩＮの値が「０」であるか否かを判定する。
【０１２２】
いま、水素タンク４１内には十分な量の水素（水素ガス）が残存していて、それ故、水素タンク内ガス圧ＰＨ２は切換判定値（Ｐｃ＋α）よりも大きいと仮定する。この仮定に基けば、ＣＰＵは図２のステップ２２５にて拡散燃焼実行フラグＸＤＩＮの値を「１」に設定している。
【０１２３】
従って、ＣＰＵはステップ７０５にて「Ｎｏ」と判定してステップ７１０に進み、吸気弁の開弁時期ＩＯが吸気（排気）上死点前γ１°（例えば１０°）クランク角となるように吸気弁開弁時期ＩＯを設定する。同時に、ＣＰＵは吸気弁閉弁時期ＩＣが吸気下死点後θ１°（例えば１０°）クランク角（吸気弁閉弁タイミングＩＣ１）となるように吸気弁閉弁時期ＩＣを設定する。そして、ＣＰＵはステップ７９５に進み本ルーチンを一旦終了する。
【０１２４】
この結果、ある気筒のクランク角が吸気上死点前γ１°クランク角となったとき、その気筒の吸気弁３３が吸気弁駆動装置３３ａによって開弁せしめられる。更に、ある気筒クランク角が吸気下死点後θ１°クランク角となったとき、その気筒の吸気弁３３が吸気弁駆動装置３３ａによって閉弁せしめられる。
【０１２５】
従って、主として酸素とアルゴンガスからなる燃焼室２１内に存在するガスの実質的な圧縮が吸気弁閉弁時期ＩＣ１（吸気下死点後θ１°クランク角）から開始される。この結果、実圧縮比は高圧縮比（通常圧縮比）Ｒ１となる。従って、第１噴射時期において燃焼室２１内のガスは高圧・高温となるので、拡散燃焼が安定して実行される。
【０１２６】
これに対し、水素タンク４１内の水素（水素ガス）が消費され、水素タンク内ガス圧ＰＨ２が切換判定値（Ｐｃ＋α）以下となると、拡散燃焼実行フラグＸＤＩＮの値は図２のステップ２３５にて「０」に設定される。
【０１２７】
この場合、ＣＰＵが図７のステップ７０５に進んだとき、ＣＰＵは同ステップ７０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ７１５に進み、吸気弁の開弁時期ＩＯが吸気（排気）上死点前γ１°クランク角となるように吸気弁開弁時期ＩＯを設定する。即ち、吸気弁開弁時期ＩＯは拡散燃焼実行フラグＸＤＩＮの値が「１」であるときから変化しない。また、ＣＰＵはステップ７１５にて、吸気弁閉弁時期ＩＣが吸気下死点後θ２°（例えば６０°）クランク角（吸気弁閉弁タイミングＩＣ２）となるように吸気弁閉弁時期ＩＣを設定する。この角度θ２は前記角度θ１より大きい。換言すると、吸気弁閉弁タイミングＩＣ２は吸気弁閉弁タイミングＩＣ１より遅角側（圧縮上死点側）に設定されている。そして、ＣＰＵはステップ７９５に進み本ルーチンを一旦終了する。
【０１２８】
この結果、ある気筒のクランク角が吸気上死点前γ１°クランク角となったとき、その気筒の吸気弁３３が吸気弁駆動装置３３ａによって開弁せしめられる。更に、ある気筒のクランク角が吸気下死点後θ２°クランク角となったとき、その気筒の吸気弁３３が吸気弁駆動装置３３ａによって閉弁せしめられる。
【０１２９】
従って、主として酸素と水素とアルゴンガスとからなる燃焼室２１内に存在するガスの実質的な圧縮が吸気弁閉弁時期ＩＣ２（吸気下死点後θ２°クランク角）から開始される。この結果、実圧縮比は前記高圧縮比Ｒ１より低い低圧縮比Ｒ２となる。従って、圧縮上死点近傍において燃焼室２１内のガスは過度に高圧・高温とならないので、火花点火燃焼を行ってもノッキングやプレイグニッション等の異常燃焼の発生を回避することができる。その結果、異常燃焼を回避するために点火時期を過度に遅角側に移行する必要がなくなるので、エンジンを火花点火燃焼によってより効率良く運転することも可能となる。
【０１３０】
なお、拡散燃焼実行フラグＸＤＩＮの値が「０」に設定されることにより火花点火燃焼による運転が行われているとき、吸気弁閉弁時期ＩＣを「吸気下死点後θ２°クランク角（吸気弁閉弁タイミングＩＣ２）」に設定する代わりに「吸気下死点前θ２°クランク角（吸気弁閉弁タイミングＩＣ３）」に設定してもよい（図７のステップ７１５を参照。）。これによっても、実圧縮比は高圧縮比Ｒ１より低い低圧縮比Ｒ２となる。
【０１３１】
以上から明らかなように、図７に示したルーチンは、水素が火花点火燃焼させられているときは同水素が拡散燃焼させられているときよりもエンジンの圧縮比（実圧縮比）を低下させるように圧縮比変更手段（吸気弁閉弁時期変更手段）を制御する「圧縮比制御手段」の機能を実現している。
【０１３２】
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンについて説明する。このエンジンは、水素タンク内ガス圧ＰＨ２が低下したために「水素を第２噴射時期にて噴射し且つその水素を火花点火燃焼させている場合」には、「水素を第１噴射時期にて噴射し且つその水素を拡散燃焼させている場合」に比較して、エンジンの実圧縮比を減少させるようにエンジンの機械圧縮比を低下させる点のみにおいて、第１実施形態に係る作動ガス循環型の水素エンジン１０と相違している。従って、以下、この相違点を中心に説明する。
【０１３３】
第４実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンは、周知の圧縮比変更機構（機械圧縮比変更機構、可変圧縮比機構）を備えている。このような圧縮比変更機構の一例は、「シリンダブロック及びシリンダブロックに固定されたシリンダヘッド」を「クランクケース」に対して「シリンダの軸線方向に沿って移動させる」ようになっている（例えば特開２００６−２８３７３０号公報、特開２００６−２８３７３０号公報及び特開２００５−１１３７３８号公報等を参照。）。但し、このエンジンが備える圧縮比変更機構はこのような機構に限定されることはなく、例えば、特開２００６−２５７８７６号公報、特開２００１−１４０６６６号公報、特開平８−２８４７０２号公報、特開２００３−６５０９０号公報、及び、国際公開パンフレットＷＯ９２／０９７９９等に開示されている機構であってもよい。
【０１３４】
更に、第４実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンの電気制御装置８０のＣＰＵは、図２乃至図５に示したルーチンに加えて、図８にフローチャートにより示した機械圧縮比変更ルーチンを所定時間の経過毎に実行するようになっている。なお、ＣＰＵは、図６に示した水素分離率制御ルーチン及び／又は図７に示した吸気弁閉弁時期変更ルーチンを追加的に実行してもよい。
【０１３５】
所定のタイミングにてＣＰＵは図８のステップ８００から処理を開始し、ステップ８０５に進んで拡散燃焼実行フラグＸＤＩＮの値が「０」であるか否かを判定する。
【０１３６】
いま、水素タンク４１内には十分な量の水素（水素ガス）が残存していて、それ故、水素タンク内ガス圧ＰＨ２は切換判定値（Ｐｃ＋α）よりも大きいと仮定する。この仮定に基けば、ＣＰＵは図２のステップ２２５にて拡散燃焼実行フラグＸＤＩＮの値を「１」に設定している。
【０１３７】
従って、ＣＰＵはステップ８０５にて「Ｎｏ」と判定してステップ８１０に進み、機械圧縮比を通常の圧縮比（最大圧縮比）に設定する。そして、ＣＰＵはステップ８９５に進み本ルーチンを一旦終了する。この結果、吸気弁閉弁時期が変化しなくても、実圧縮比が高圧縮比（通常圧縮比）Ｒ１となる。従って、第１噴射時期において燃焼室２１内のガスは高圧・高温となるので、拡散燃焼が安定して実行される。
【０１３８】
これに対し、水素タンク４１内の水素（水素ガス）が消費され、水素タンク内ガス圧ＰＨ２が切換判定値（Ｐｃ＋α）以下となると、拡散燃焼実行フラグＸＤＩＮの値は図２のステップ２３５にて「０」に設定される。
【０１３９】
従って、ＣＰＵが図８のステップ８０５に進んだとき、ＣＰＵは同ステップ８０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ８１５に進み、機械圧縮比を通常の圧縮比よりも低い低圧縮比に設定する。そして、ＣＰＵはステップ８９５に進み本ルーチンを一旦終了する。この結果、圧縮上死点近傍において燃焼室２１内のガスは過度に高圧・高温とならないので、火花点火燃焼を行ってもノッキングやプレイグニッション等の異常燃焼の発生を回避することができる。また、異常燃焼を回避するために点火時期を過度に遅角側に移行する必要がなくなるので、エンジンを火花点火燃焼によってより効率良く運転することも可能となる。
【０１４０】
なお、以上から明らかなように、図８に示したルーチンは、水素が火花点火燃焼させられているときは同水素が拡散燃焼させられているときよりもエンジンの圧縮比を低下させるように圧縮比変更手段（機械圧縮比変更機構）を制御する圧縮比制御手段の機能を実現している。
【０１４１】
以上、説明したように本発明による作動ガス循環型水素エンジンの各実施形態によれば、水素タンク４１内の水素ガスの圧力（従って、水素噴射弁３５に水素タンク４１から供給される水素の圧力）が低下して拡散燃焼による運転が継続できない状況となっても、火花点火燃焼による運転を継続することができる。従って、これらのエンジンの運転時間を長くすることができ、水素を水素タンク４１に補給しなければならない頻度を低減することができる。
【０１４２】
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の凝縮部７０は水冷式であったが、この凝縮部７０は図９に示したような空冷式の凝縮部９０に置換することができる。
【０１４３】
この空冷式凝縮部９０は、凝縮器９１と送風部９２とを備えている。
凝縮器９１は燃焼室２１から排出された燃焼後の凝縮前排ガスを、第１通路６１及び入口部９１ａを経由して導入するようになっている。凝縮器９１は、その入口部９１ａから導入した凝縮前排ガスを空冷する（大気と直接的に熱交換させる）ことにより、その凝縮前排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。凝縮器９１は、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９１ｂから第２通路６２に排出するようになっている。凝縮器９１において分離された凝縮水は、凝縮器９１から排出口９１ｃを通して外部に排出される。
【０１４４】
送風部９２は、筐体９２ａ、ファンが取り付けられたファンモータ９２ｂ、可動式遮蔽板９２ｃ及び遮蔽板移動用モータ９２ｄを備えている。
筐体９２ａはファンモータ９２ｂを収容し且つ支持している。筐体９２ａの前面及び背面には通風穴が形成されている。ファンモータ９２ｂは駆動信号に応答して回転し、取り付けられているファンを回転することにより、筐体９２ａの前面の通風穴を通して凝縮器９１に送風するようになっている。可動式遮蔽板９２ｃは板体であって、筐体９２ａの背面の一部を覆うように配置されている。可動式遮蔽板９２ｃは筐体９２ａの背面に沿って移動できるようになっている。遮蔽板移動用モータ９２ｄは駆動信号に応答して可動式遮蔽板９２ｃを筐体９２ａの背面に沿って移動するようになっている。可動式遮蔽板９２ｃが移動させられると筐体９２ａの背面の通風穴の面積が変更され、その結果、ファンモータ９２ｂの回転速度が一定であっても、ファンモータ９２ｂによる凝縮器９１への送風量が変更されるようになっている。
【０１４５】
以上の構成を有する凝縮部９０は、循環通路（循環通路部）６０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凝縮手段（水蒸気分離手段）を構成している。換言すると、凝縮部９０は、循環通路６０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大気と直接的に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。
【０１４６】
更に、凝縮部９０は、
（１）ファンモータ９２ｂの回転速度を変更すること、及び
（２）遮蔽板移動用モータ９２ｄによって可動式遮蔽板９２ｃの位置を変更すること、
のうちの少なくとも一つを実行することによって、凝縮器９１による水蒸気の分離率（凝縮率、凝縮効率）を変更し得るようになっている。
【０１４７】
即ち、凝縮部９０においては、ファンモータ９２ｂの回転速度を低下させることにより水蒸気分離率を低下させることができ、可動式遮蔽板９２ｃを移動せしめて筐体９２ａの背面の通風穴面積を減少させることにより、水蒸気分離率を低下させることができる。
【０１４８】
また、上記各実施形態において、酸素は酸素噴射弁５５により供給されていたが、酸素噴射弁５５に代えて第２通路６２に酸素ガスミキサを介装させておき、酸素ガス圧レギュレータ５３によって酸素ガス通路５２を通過する酸素の流量を制御することにより、必要量の酸素を「酸素ガスミキサ」を介して第２通路６２及び燃焼室２１に供給してもよい。
【０１４９】
更に、上記各実施形態において、筒内圧Ｐｃは筒内圧センサ８５からの信号に基いて取得されていたが、筒内圧Ｐｃは作動ガス循環型水素エンジンの運転状態を表すパラメータ（例えば、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）に基づいて推定されてもよい。
【０１５０】
また、水素ガス通路４２に、加圧ポンプ及び逆止弁等からなる「水素ガス通路４２内の水素の圧力を上昇する噴射圧力上昇手段」を備えさせ、その上昇された圧力の水素ガスを水素噴射弁３５に供給するように構成することもできる。この場合、水素ガス圧センサ８６に代え、別の水素ガス圧センサを「噴射圧力上昇手段と水素噴射弁３５との間の通路」に設けてもよい。そして、その水素ガス圧センサにより「水素噴射弁３５に供給される水素の圧力（噴射圧）」を検出し、検出された圧力と上記切換判定値とを比較することにより高圧噴射が可能か否かを判定するように構成されてもよい。これによれば、加圧ポンプ等によって加圧された噴射圧が切換判定値より大きいとき高圧噴射が可能であると判定され、水素は第１噴射時期にて高圧噴射されて拡散燃焼させられる。また、加圧ポンプ等によって加圧された噴射圧が切換判定値より小さいとき、水素は第２噴射時期にて噴射されて火花点火燃焼させられる。
【０１５１】
更に、上記各実施形態における切換判定値（Ｐｃ＋α）は、水素ガス圧レギュレータ４３の設定圧力ＰＨ２ｔｈと等しくてもよい。また、上記運転モードを切り換えるための「切換判定値」は、一定値であってもよい。更に、切換判定値は、エンジンの負荷（Accp)及び回転速度NE等によって定まる「第１噴射時期における筒内圧」をエンジンの負荷及び回転速度等と関連付けて予め測定し且つテーブルとして記憶しておき、実際のエンジンの負荷及び回転速度等とその記憶したテーブルとに基づいて定められた所定値であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１５２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンの概略図である。
【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】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６】本発明の第２実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンを制御する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７】本発明の第３実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンを制御する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８】本発明の第４実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンを制御する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９】本発明の変形例に係る作動ガス循環型水素エンジンの凝縮部の概略図である。
【符号の説明】
【０１５３】
１０…作動ガス循環型水素エンジン、１１…シリンダヘッド、１２…シリンダ、１３…ピストン、１４…クランク軸、２１…燃焼室、３１…吸気ポート、３２…排気ポート、３３…吸気弁、３３ａ…吸気弁駆動装置、３４…排気弁、３４ａ…排気弁駆動機構、３５…水素噴射弁、３６…点火プラグ、４０…水素供給部、４１…水素タンク、４２…水素ガス通路、４３…水素ガス圧レギュレータ、４４…水素ガス流量計、４５…サージタンク、５０…酸素供給部、５１…酸素タンク、５２…酸素ガス通路、５３…酸素ガス圧レギュレータ、５５…酸素噴射弁、６０…作動ガス循環通路部、６１…第１通路、６２…第２通路、７０…凝縮部、７１…凝縮器、７１ａ…入口部、７１ｂ…出口部、７１ｃ…排出口、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…冷却水冷却部、７２ｄ…冷却水流量調整弁、７２ｅ…筐体、７２ｆ…ファンモータ、７２ｇ…可動式遮蔽板、７２ｈ…遮蔽板移動用モータ、８０…電気制御装置、８１…アクセルペダル操作量センサ、８２…エンジン回転速度センサ、８５…筒内圧センサ、８６…水素ガス圧センサ、９０…空冷式凝縮部、９１…凝縮器、９１ａ…入口部、９１ｂ…出口部、９１ｃ…排出口、９２…送風部、９２ａ…筐体、９２ｂ…ファンモータ、９２ｃ…可動式遮蔽板、９２ｄ…遮蔽板移動用モータ。
【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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