(57)【要約】【課題】排出ガスの冷却性能を向上させること。【解決手段】燃焼後の生成物が凝縮する燃料及び当該燃料の燃焼に伴って動力を発生させる空気よりも比熱比の高い作動ガスが供給される燃焼室ＣＣと、この燃焼室ＣＣの吸気口と排気口とを繋ぐ循環経路２０と、を備え、その作動ガスが大気へと放出されることなく循環経路２０を介して再び燃焼室ＣＣに供給されるよう構成した作動ガス循環型エンジンにおいて、前記生成物と前記作動ガスを含む燃焼後の排出ガスの中から当該生成物を凝縮して取り除く２つの凝縮器６１，６２を循環経路２０上に配設すること。【選択図】        図１
2009281206.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼後の生成物が凝縮する燃料及び当該燃料の燃焼に伴って動力を発生させる空気よりも比熱比の高い作動ガスが供給される燃焼室と、該燃焼室の吸気口と排気口とを繋ぐ循環経路と、を備え、前記作動ガスが大気へと放出されることなく循環経路を介して再び前記燃焼室に供給されるよう構成した作動ガス循環型エンジンにおいて、
前記生成物と前記作動ガスを含む燃焼後の排出ガスの中から当該生成物を凝縮して取り除く凝縮器を前記循環経路上に少なくとも２つ配設したことを特徴とする作動ガス循環型エンジン。
【請求項２】
前記各凝縮器の内の１つは、その排出ガス導入口を前記燃焼室の排気口に近づけて配置したことを特徴とする請求項１記載の作動ガス循環型エンジン。
【請求項３】
前記排出ガス導入口を前記燃焼室の排気口に近づけて配置する凝縮器は、エンジン本体に隣接させて配設し又は当該エンジン本体と一体成型し又は排気集合管に配設したことを特徴とする請求項２記載の作動ガス循環型エンジン。
【請求項４】
前記排出ガス導入口を前記燃焼室の排気口に近づけて配置する凝縮器は、その冷却水としてエンジン本体冷却用の冷却水を利用することを特徴とした請求項２又は３に記載の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、燃焼室と当該燃焼室の吸気側及び排気側を繋ぐ循環経路とを備えたガス循環型エンジンに係り、特に、酸化剤，この酸化剤によって燃焼が促される被酸化燃料及び当該被酸化燃料の燃焼に伴って動力を発生させる作動ガスが供給される燃焼室と、この燃焼室の吸気側と排気側と繋ぐ循環経路と、を備え、その作動ガスが大気へと放出されることなく循環経路を介して再び燃焼室に供給されるよう構成した作動ガス循環型エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の作動ガス循環型エンジンとは、所謂閉サイクルエンジンと呼ばれるものであり、例えば下記の特許文献１に開示されたものが知られている。この特許文献１の作動ガス循環型エンジンにおいては、酸化剤として酸素が供給されると共に被酸化燃料として水素が供給され、熱効率を高めるべく作動ガスとしてアルゴンが循環させられている。この作動ガス循環型エンジンは、燃焼室内での水素の燃焼によってアルゴンを熱膨張させ、これによりピストンを押し下げて動力を発生させる。ここで、その燃焼室内では水素の燃焼に伴って水蒸気が発生するので、循環経路には、アルゴンと共にその水蒸気が排出される。これが為、この作動ガス循環型エンジンにおいては、その水蒸気を液化させて取り除く凝縮器を循環経路上に配設し、作動ガスたるアルゴンのみが循環して再び燃焼室に供給されるように構成している。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−９３６８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した凝縮器は、作動ガスたるアルゴンと水蒸気を含む排出ガスを冷却水で冷却し、その排出ガスから水蒸気を凝縮水として分離して取り除くのであるが、その水蒸気を液化・凝縮させる為に排出ガスを常温まで冷やす必要がある。ここで、その燃焼室から排出されたばかりの排出ガスは非常に高温であり、これを常温まで冷却させる為には、容量の大きな凝縮器と冷却水を冷やす大容量のラジエータが必要となる。しかしながら、大容量の凝縮器やラジエータは、車両の重量の増加を招き、また、搭載スペースの限られているエンジンコンパートメントへ搭載するには大きすぎる場合がある。従って、その凝縮器やラジエータの容量を大きくするにも限界があり、これが為、従来は、必要とされる冷却性能を十分に得ることができず、排出ガスの温度や雰囲気温度如何では排出ガス中の全ての水蒸気を取り除くことができない可能性がある。
【０００５】
また、この作動ガス循環型エンジンにおいては、所謂開サイクルエンジンのように燃焼室から排出された高温の排出ガスが大気へと放出されないので、凝縮器で排出ガスが十分に冷却しきれずに運転が繰り返されることによって循環経路が暖められ、その循環経路内を巡っている作動ガスの温度が上昇する。これが為、その循環経路においては、内圧が上昇して、様々な不都合を生じさせる可能性がある。例えば、その内圧の上昇は、循環経路の耐久性を低下させる虞がある。また、その内圧の上昇は、エンジン本体と循環経路を成す循環通路との繋ぎ目や循環通路と凝縮器との繋ぎ目からの作動ガスの漏洩を招く虞がある。また、循環経路における燃焼室から凝縮器までの間においては、特に作動ガスの温度が高く、内圧が高くなりやすいので、燃焼室の内圧の急上昇をも引き起こす虞がある。
【０００６】
このように、作動ガス循環型エンジンにおいては、排出ガスの冷却性能を十二分に確保することが重要である。
【０００７】
そこで、本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、排出ガスの冷却性能を向上させた作動ガス循環型エンジンを提供することを、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する為、請求項１記載の発明では、燃焼後の生成物が凝縮する燃料及び当該燃料の燃焼に伴って動力を発生させる空気よりも比熱比の高い作動ガスが供給される燃焼室と、この燃焼室の吸気口と排気口とを繋ぐ循環経路と、を備え、作動ガスが大気へと放出されることなく循環経路を介して再び燃焼室に供給されるよう構成した作動ガス循環型エンジンにおいて、前記生成物と前記作動ガスを含む燃焼後の排出ガスの中から当該生成物を凝縮して取り除く凝縮器を循環経路上に少なくとも２つ配設している。
【０００９】
この請求項１記載の作動ガス循環型エンジンは、凝縮器を少なくとも２つ以上に分けて配備しているので、エンジンコンパートメントへの搭載性を犠牲にすることなく、また、車両の重量の大幅な増加を行うことなく、高温の排出ガスの効率の良い冷却性能を確保することができる。
【００１０】
また、上記目的を達成する為、請求項２記載の発明では、請求項１記載の作動ガス循環型エンジンにおいて、各凝縮器の内の１つについてはその排出ガス導入口を燃焼室の排気口に近づけて配置している。
【００１１】
この請求項２記載の作動ガス循環型エンジンは、循環経路上の燃焼室から最初の凝縮器に至るまでの間における高温の排出ガスの存在を少なくできるので、その高温の排出ガスによる循環経路の温度上昇や圧力上昇をより適切に抑えることができる。
【００１２】
ここで、その排出ガス導入口を燃焼室の排気口に近づけて配置する凝縮器は、請求項３記載の発明の如く、エンジン本体に隣接させて配設し又は当該エンジン本体と一体成型し又は排気集合管に配設すればよい。これにより、凝縮器は、その排出ガス導入口を燃焼室の排気口に近づけることができる。
【００１３】
また、その排出ガス導入口を燃焼室の排気口に近づけて配置する凝縮器は、請求項４記載の発明の如く、その冷却水としてエンジン本体冷却用の冷却水を利用してもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る作動ガス循環型エンジンは、排出ガスの冷却性能の向上によって、排出ガスの中の全ての水蒸気Ｈ２Ｏを凝縮水Ｈ２Ｏへと変えて外部に排出し、比熱比の大きい作動ガスを燃焼室に送り込むことができるので、比熱比の小さい水蒸気Ｈ２Ｏが燃焼室に供給されたことによる熱効率の低下を防ぐことができる。更に、この作動ガス循環型エンジンにおいては、排出ガスの冷却性能の向上により循環経路の内圧の過度の上昇を抑えることができる。これが為、この作動ガス循環型エンジンは、その循環経路の耐久性を維持することができ、また、その循環経路における各繋ぎ目からの排出ガスの漏れの回避が可能となり、作動ガス不足による熱効率の低下を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明に係る作動ガス循環型エンジンの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例】
【００１６】
［実施例１］
本発明に係る作動ガス循環型エンジンの実施例１を図１に基づいて説明する。
【００１７】
この作動ガス循環型エンジンは、燃焼後の生成物が凝縮する燃料及び当該燃料の燃焼に伴って動力を発生させる空気よりも比熱比の高い作動ガスが供給される燃焼室と、この燃焼室の吸気口と排気口とを繋ぐ循環経路と、を備え、その作動ガスが大気へと放出されることなく循環経路を介して再び燃焼室に供給されるよう構成した所謂閉サイクルエンジンである。この作動ガス循環型エンジンは、燃焼室内で被酸化燃料を燃焼させ、これにより作動ガスを熱膨張させて動力を発生させる。ここで、その燃焼後の生成物が凝縮する燃料としては、酸化剤によって燃焼が促される被酸化燃料であって、後述するように例えば燃焼後の生成物として水蒸気が生成される水素等の燃料を使用する。ここでは、その酸化剤も燃焼室に供給される。
【００１８】
最初に、本実施例１において例示する作動ガス循環型エンジンの構成についての説明を図１に基づき行う。
【００１９】
この作動ガス循環型エンジンは、燃焼室ＣＣが形成されるエンジン本体１０と、その燃焼室ＣＣの吸気口と排気口とを繋ぐ循環経路２０と、その燃焼室ＣＣに酸化剤を供給する酸化剤供給装置３０と、その燃焼室ＣＣに被酸化燃料を供給する被酸化燃料供給装置４０と、を備えている。その燃焼室ＣＣと循環経路２０には作動ガスが充填されており、その作動ガスは、燃焼室ＣＣと循環経路２０との間で循環する。尚、図１においては１気筒のみを図示しているが、本発明は、これに限らず、多気筒のエンジン本体１０にも適用可能である。
【００２０】
先ず、エンジン本体１０について説明する。
【００２１】
このエンジン本体１０は、燃焼室ＣＣを形成するシリンダヘッド１１，シリンダブロック１２及びピストン１３を備えている。そのピストン１３は、コネクティングロッド１４を介してクランクシャフト（図示略）に連結し、シリンダヘッド１１の下面の凹部１１ａとシリンダブロック１２のシリンダボア１２ａとの空間内に往復運動し得るように配置する。尚、燃焼室ＣＣは、そのシリンダヘッド１１の凹部１１ａの壁面とシリンダボア１２ａの壁面とピストン１３の頂面１３ａとで囲まれた空間によって構成される。
【００２２】
そのシリンダヘッド１１には、循環経路２０の一部を成す吸気ポート１１ｂと排気ポート１１ｃが形成されている。その吸気ポート１１ｂと排気ポート１１ｃは、夫々に一端が燃焼室ＣＣ内に開口している。吸気ポート１１ｂの開口部分（換言するならば、燃焼室ＣＣの吸気口）には、その開口を開弁時に開く一方、閉弁時に閉じる吸気バルブ１５が配設されている。また、排気ポート１１ｃの開口部分（換言するならば、燃焼室ＣＣの排気口）には、その開口を開弁時に開く一方、閉弁時に閉じる排気バルブ１６が配設されている。
【００２３】
その吸気バルブ１５や排気バルブ１６としては、例えば、図示しないカムシャフトの回転と弾性部材（弦巻バネ）の弾発力に伴って開閉駆動されるものがある。この種の吸気バルブ１５や排気バルブ１６においては、そのカムシャフトとクランクシャフトの間にチェーンやスプロケット等からなる動力伝達機構を介在させることによってそのカムシャフトをクランクシャフトの回転に連動させ、予め設定された開閉時期に開閉駆動させる。また、このエンジン本体１０は、吸気バルブ１５と排気バルブ１６の開閉時期やリフト量を変更可能な所謂可変バルブタイミング＆リフト機構等の可変バルブ機構を具備してもよく、これにより、その吸気バルブ１５や排気バルブ１６の開閉時期やリフト量を運転条件に応じた好適なものへと変更できるようになる。更にまた、このエンジン本体１０においては、かかる可変バルブ機構と同様の作用効果を得るべく、電磁力を利用して吸気バルブ１５や排気バルブ１６を開閉駆動させる所謂電磁駆動弁を利用してもよい。
【００２４】
次に、循環経路２０について説明する。
【００２５】
この循環経路２０は、上述した吸気ポート１１ｂ及び排気ポート１１ｃと、その吸気ポート１１ｂの他端と排気ポート１１ｃの他端とを繋ぐ循環通路２１と、によって構成する。これにより、この循環経路２０内と燃焼室ＣＣ内とは、閉塞された空間を成す。
【００２６】
この作動ガス循環型エンジンにおいては、その閉塞された空間の中に作動ガスを充填して、その作動ガスを循環経路２０の吸気ポート１１ｂ側から燃焼室ＣＣ内へと、この燃焼室ＣＣから循環経路２０の排気ポート１１ｃ側へと、そして、この排気ポート１１ｃ側から循環通路２１を介して吸気ポート１１ｂ側へと循環させる。ここでは、吸気バルブ１５が開弁した際に、循環通路２１の作動ガスが吸気ポート１１ｂを介して燃焼室ＣＣに供給される。また、その燃焼室ＣＣ内の作動ガスは、排気バルブ１６が開弁した際に、排気ポート１１ｃを介して被酸化燃料の燃焼後ガスと共に排出ガスとして循環通路２１に排出される。つまり、その作動ガスは、この循環経路２０によって大気に放出されることなく燃焼室ＣＣとの間で循環する。
【００２７】
ここで、その作動ガスとしては、空気よりも比熱比の高いものであって、単原子ガス（具体的にはアルゴンやヘリウム等の希ガス）を使用する。本実施例１においては、アルゴンＡｒを用いるものとする。
【００２８】
本実施例１の循環通路２１は、具体的に、第１から第４の循環通路２１ａ〜２１ｄで構成されている。その第１循環通路２１ａは、吸気ポート１１ｂの他端と酸化剤供給装置３０における後述する酸化剤供給手段３２の排出口３２ａとを繋ぐものである。また、第２循環通路２１ｂは、排気ポート１１ｃの他端と後述する前段側の凝縮器６１の排出ガス導入口６１ａとを繋ぐものである。また、第３循環通路２１ｃは、その前段側の凝縮器６１の作動ガス排出口６１ｂと後段側の凝縮器６２の排出ガス導入口６２ａとを繋ぐものである。また、第４循環通路２１ｄは、その後段側の凝縮器６２の作動ガス排出口６２ｂと酸化剤供給手段３２の作動ガス導入口３２ｂとを繋ぐものである。
【００２９】
次に、酸化剤供給装置３０について説明する。
【００３０】
この酸化剤供給装置３０は、酸化剤が高圧の状態で貯留された酸化剤貯留タンク３１と、その酸化剤を循環通路２１に供給する酸化剤供給手段３２と、その酸化剤貯留タンク３１と酸化剤供給手段３２を繋ぐ酸化剤供給通路３３と、この酸化剤供給通路３３上に配備されたレギュレータ３４及び酸化剤流量計３５と、を備える。その酸化剤供給通路３３上には、上流側（酸化剤貯留タンク３１側）から順にレギュレータ３４及び酸化剤流量計３５が配設される。
【００３１】
ここで、本実施例１においては、酸化剤を単に循環通路２１へと供給するのではなく、その循環通路２１の作動ガスと混ぜ合わせて循環通路２１に送り込ませる。これが為、ここで用いる酸化剤供給手段３２としては、酸化剤供給通路３３から流入してきた酸化剤と循環通路２１から流入してきた作動ガスとを混合して、その酸化剤及び作動ガスを排出口３２ａから循環通路２１の下流側（吸気ポート１１ｂ側）に流す酸化剤混合手段を利用する。従って、酸化剤は、吸気バルブ１５の開弁に伴い吸気ポート１１ｂを介して作動ガスと共に燃焼室ＣＣに供給されることになる。
【００３２】
レギュレータ３４は、酸化剤供給通路３３における自身よりも下流側（酸化剤流量計３５側）の圧力を電子制御装置（ＥＣＵ）５０の指令に従った目標圧力に調整するものである。換言するならば、このレギュレータ３４は、酸化剤供給通路３３における酸化剤の流量を制御する為に使用される。また、酸化剤流量計３５は、酸化剤供給通路３３における酸化剤の流量を計測する手段であって、レギュレータ３４で調整された酸化剤の流量の計測を行う。この酸化剤流量計３５の計測信号は、電子制御装置５０に送信される。
【００３３】
本実施例１においては、その酸化剤として酸素Ｏ２が供給されるものとする。これが為、酸化剤貯留タンク３１には、酸素Ｏ２が例えば７０ＭＰａで貯留されている。
【００３４】
次に、被酸化燃料供給装置４０について説明する。
【００３５】
この被酸化燃料供給装置４０は、被酸化燃料が高圧の状態で貯留された被酸化燃料貯留タンク４１と、その被酸化燃料を噴射する被酸化燃料噴射手段４２と、その被酸化燃料貯留タンク４１と被酸化燃料噴射手段４２を繋ぐ被酸化燃料供給通路４３と、この被酸化燃料供給通路４３上に配備されたレギュレータ４４，被酸化燃料流量計４５及びサージタンク４６と、を備える。その被酸化燃料供給通路４３上には、上流側（被酸化燃料貯留タンク４１側）から順にレギュレータ４４，被酸化燃料流量計４５及びサージタンク４６が配設される。
【００３６】
ここで、本実施例１においては、被酸化燃料を燃焼室ＣＣ内に直接噴射させるべく、シリンダヘッド１１に被酸化燃料噴射手段４２を配設する。この被酸化燃料噴射手段４２は、電子制御装置５０によって制御される所謂燃料噴射弁である。例えば、その電子制御装置５０は、エンジン回転数等の運転状態に応じて被酸化燃料の噴射時期や噴射量を制御する。
【００３７】
レギュレータ４４は、被酸化燃料供給通路４３における自身よりも下流側（被酸化燃料流量計４５及びサージタンク４６側）の圧力を設定圧力に調整するものである。換言するならば、このレギュレータ４４は、被酸化燃料供給通路４３における被酸化燃料の流量を制御する為に使用される。また、被酸化燃料流量計４５は、被酸化燃料供給通路４３における被酸化燃料の流量を計測する手段であって、レギュレータ４４で調整された被酸化燃料の流量の計測を行う。この被酸化燃料流量計４５の計測信号は、電子制御装置５０に送信される。また、サージタンク４６は、被酸化燃料噴射手段４２による被酸化燃料の噴射時に被酸化燃料供給通路４３内に発生する脈動の低減を図るものである。
【００３８】
本実施例１においては、その被酸化燃料として水素Ｈ２が供給されるものとする。これが為、被酸化燃料貯留タンク４１には、水素Ｈ２が例えば７０ＭＰａで貯留されている。
【００３９】
本実施例１の作動ガス循環型エンジンは、燃焼室ＣＣ内に被酸化燃料たる水素Ｈ２と酸化剤たる酸素Ｏ２を供給し、その水素Ｈ２を拡散燃焼させるものとして例示する。従って、この作動ガス循環型エンジンにおいては、燃焼室ＣＣ内に形成された高温の圧縮ガス（酸素Ｏ２及びアルゴンＡｒ）の中に高圧の水素Ｈ２を噴射することによりその水素Ｈ２の一部が自己着火し、その水素Ｈ２と圧縮ガス（酸素Ｏ２）が拡散混合しながら燃焼する。その水素Ｈ２の燃焼によって、燃焼室ＣＣの中では、水素Ｈ２と酸素Ｏ２が結合して水蒸気Ｈ２Ｏが生成されると共に、比熱比の高いアルゴンＡｒが熱膨張を起こす。これが為、この作動ガス循環型エンジンは、水素Ｈ２の拡散燃焼とアルゴンＡｒの熱膨張によってピストン１３が押し下げられ、これにより動力を発生する。
【００４０】
その水素Ｈ２の燃焼とアルゴンＡｒの熱膨張が一通り終わった際（例えば、ピストン１３が下死点近くに位置している際）、燃焼室ＣＣ内からは、排気バルブ１６の開弁に伴って、水蒸気Ｈ２ＯとアルゴンＡｒが排気ポート１１ｃに排出される。ここで、排出されたアルゴンＡｒは、エンジン本体１０の熱効率を高める為に、循環経路２０を経て再び吸気側から燃焼室ＣＣに供給する必要がある。しかしながら、同時に排出された水蒸気Ｈ２Ｏは、３原子からなり、単原子からなるアルゴンＡｒよりも比熱比が小さいので、アルゴンＡｒと共に燃焼室ＣＣへ循環させると、エンジン本体１０の熱効率を低下させる要因となる。これが為、この作動ガス循環型エンジンは、排出ガスの中に含まれる水蒸気Ｈ２Ｏを取り除く手段を循環経路２０上に設ける。
【００４１】
その水蒸気Ｈ２Ｏを取り除く手段としては、作動ガスたるアルゴンＡｒと水蒸気Ｈ２Ｏを含む排出ガスを冷媒（ここでは冷却水とする）で冷却し、その排出ガスの中の水蒸気Ｈ２Ｏを液化・凝縮させることによってアルゴンＡｒと凝縮水Ｈ２Ｏとに分離して取り除く凝縮器を利用する。本実施例１においては、エンジンコンパートメントへの搭載性を確保しつつ高温の排出ガスの冷却性能を高める為に、その凝縮器を循環経路２０上に少なくとも２つ以上に分けて配設する。
【００４２】
具体的に、本実施例１においては、図１に示す如く、燃焼室ＣＣの排気口側の前段側の凝縮器６１と、この前段側の凝縮器６１よりも燃焼室ＣＣの排気口から離れている後段側の凝縮器６２と、を循環通路２１上に配設する。
【００４３】
ここでは、その夫々の凝縮器６１，６２を循環通路２１上の酸化剤供給手段３２よりも上流側に配設する。また、夫々の内の少なくとも前段側の凝縮器６１は、燃焼室ＣＣから排出された高温の排出ガスを早い段階で冷却できるように、その排出ガス導入口６１ａを燃焼室ＣＣの排気口に近づけて配置する。換言するならば、前段側の凝縮器６１は、エンジン本体１０に近づけて配置する。尚、図１においては、図示の便宜上、前段側の凝縮器６１がエンジン本体１０（燃焼室ＣＣの排気口）から離れている。
【００４４】
先ず、前段側の凝縮器６１は、その排出ガス導入口６１ａを第２循環通路２１ｂに接続し、且つ、その作動ガス排出口６１ｂを第３循環通路２１ｃに接続する。この凝縮器６１においては、排出ガス導入口６１ａから流入してきた高温の排出ガスが循環中の冷却水によって冷やされて、その排出ガスに含まれている水蒸気Ｈ２Ｏが液化・凝縮してアルゴンＡｒと凝縮水Ｈ２Ｏとに分離される。その冷却水は、ウォーターポンプ６３の駆動に従ってラジエータ６４との間で循環している。その際、この凝縮器６１においては、流入してきた排出ガスの温度が低ければ、その排気ガスの中の全ての水蒸気Ｈ２Ｏを凝縮水Ｈ２Ｏにすることができるが、高温の排出ガスが流入してきたならば、液化・凝縮されずに残った水蒸気Ｈ２Ｏも存在する。従って、この凝縮器６１からは、アルゴンＡｒ（又はアルゴンＡｒと水蒸気Ｈ２Ｏ）が作動ガス排出口６１ｂを介して第３循環通路２１ｃに排出される一方、凝縮水Ｈ２Ｏが凝縮水排出口６１ｃを介して凝縮水通路２２に排出される。その凝縮水Ｈ２Ｏは、電子制御装置５０が全閉状態にある開閉弁６５を開弁させることによって、作動ガス循環型エンジンの外部へと排水される。
【００４５】
次に、後段側の凝縮器６２について説明する。この後段側の凝縮器６２についても、前段側と同様に構成する。この後段側の凝縮器６２は、その排出ガス導入口６２ａを第３循環通路２１ｃに接続し、且つ、その作動ガス排出口６２ｂを第４循環通路２１ｄに接続する。この凝縮器６２においては、前段側の凝縮器６１によって冷やされた排出ガス｛アルゴンＡｒ（又はアルゴンＡｒと水蒸気Ｈ２Ｏ）｝が排出ガス導入口６２ａから流入する。これが為、この凝縮器６２においては、排出ガス中に水蒸気Ｈ２Ｏが残っていれば、その排出ガスが循環中の冷却水によって冷やされて、その排出ガスの中の水蒸気Ｈ２Ｏが液化・凝縮してアルゴンＡｒと凝縮水Ｈ２Ｏとに分離される。その冷却水は、ウォーターポンプ６６の駆動に従ってラジエータ６７との間で循環している。その際、排出ガスは後述する容量の設定により常温まで冷やされるので、その排気ガス中の残りの全ての水蒸気Ｈ２Ｏは、液化・凝縮して凝縮水Ｈ２Ｏとなる。一方、この凝縮器６２においては、排出ガス中に水蒸気Ｈ２Ｏが残っていなければ、アルゴンＡｒがそのまま又は冷却されて作動ガス排出口６２ｂに送られる。従って、この凝縮器６２からは、アルゴンＡｒが作動ガス排出口６２ｂを介して第４循環通路２１ｄに排出される一方、凝縮水Ｈ２Ｏが生成されたならば、これが凝縮水排出口６２ｃを介して凝縮水通路２３に排出される。その凝縮水Ｈ２Ｏは、電子制御装置５０が全閉状態にある開閉弁６８を開弁させることによって、作動ガス循環型エンジンの外部へと排水される。
【００４６】
ここで、その夫々の凝縮器６１，６２とラジエータ６４，６７については、エンジン運転中に想定し得る最も高温の排出ガスが燃焼室ＣＣから排出された際に、その排出ガス中の全ての水蒸気Ｈ２Ｏが液化・凝縮される温度（常温）にまで排出ガスを最終的に下げることのできる容量（換言すれば排出ガスの冷却性能）に設定する。つまり、その凝縮器６１，６２とラジエータ６４，６７は、排出ガスが後段側の凝縮器６２を通過し終えるまでの間に、その排出ガスの中の水蒸気Ｈ２Ｏの殆ど又は全てが取り除かれるように設定する。これにより、その排出ガスが燃焼室ＣＣに向けて循環した際には、比熱比の小さい水蒸気Ｈ２Ｏが燃焼室ＣＣに供給されず、比熱比の大きい作動ガスたるアルゴンＡｒが燃焼室ＣＣへと供給されるので、その作動ガスによる熱効率の高い運転を行うことができる。
【００４７】
かかる設定は、実験やシミュレーションの結果に基づいて行う。その際には、エンジンコンパートメントへの搭載性を考慮に入れた上で、前段側の凝縮器６１の方が後段側の凝縮器６２よりも容量が大きくなるように夫々の凝縮器６１，６２とラジエータ６４，６７の容量を設定することが好ましい。これにより、燃焼室ＣＣから排出された排出ガスは、その容量が大きめの前段側の凝縮器６１によって早い段階で大きく冷却される。これが為、ここでは、高温の排出ガスによる循環経路２０の大幅な温度上昇が抑えられ、その循環経路２０の内圧の過度の上昇を抑えることができる。従って、この作動ガス循環型エンジンは、循環経路２０の耐久性を保つことができ、また、循環経路２０におけるエンジン本体１０等との各繋ぎ目からの排出ガスの漏れを回避することもできる。
【００４８】
ここで、燃焼室ＣＣから排出された排出ガスの中には、水蒸気Ｈ２ＯやアルゴンＡｒだけでなく、水素Ｈ２又は酸素Ｏ２が含まれていることがある。例えば、酸素Ｏ２に対して水素Ｈ２の燃焼室ＣＣへの供給量の方が多いときには、未燃焼の水素Ｈ２が残り、そのまま循環経路２０へと排出される。また、水素Ｈ２に対して酸素Ｏ２の燃焼室ＣＣへの供給量の方が多いときには、酸素Ｏ２が残り、そのまま循環経路２０へと排出される。その排出ガス中の水素Ｈ２や酸素Ｏ２は、凝縮器６１，６２で分離されて、アルゴンＡｒと共に第４循環通路２１ｄに排出される。従って、その水素Ｈ２や酸素Ｏ２についても再び燃焼室ＣＣに供給される。
【００４９】
そこで、後の燃焼室ＣＣ内における水素Ｈ２又は酸素Ｏ２の過多を防ぐ為に、この作動ガス循環型エンジンにおいては、その排出ガス中の水素Ｈ２又は酸素Ｏ２の量を把握し、その水素Ｈ２又は酸素Ｏ２が燃焼室ＣＣに到達する時期を見計らって、被酸化燃料供給装置４０からの水素Ｈ２の噴射量又は酸化剤供給装置３０からの酸素Ｏ２の供給量を調節する。ここでは、排出ガス中の水素濃度を検出する水素濃度検出手段（水素濃度センサ７１）と、排出ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段（酸素濃度センサ７２）と、を循環通路２１の第４循環通路２１ｄに配設する。その水素濃度センサ７１と酸素濃度センサ７２は、各々検出信号を電子制御装置５０に送信する。従って、電子制御装置５０は、その各検出信号から排出ガス中の水素Ｈ２又は酸素Ｏ２の残存量を把握し、その水素Ｈ２又は酸素Ｏ２が燃焼室ＣＣに到達する時期を見計らって、被酸化燃料噴射手段４２の水素Ｈ２の噴射量又はレギュレータ３４の目標圧力（つまり酸素Ｏ２の供給量）を制御する。
【００５０】
以上示した如く、本実施例１の作動ガス循環型エンジンにおいては、凝縮器を少なくとも２つ以上に分けて配備しているので、エンジンコンパートメントへの搭載性を犠牲にすることなく（つまり、凝縮器やラジエータの大型化による大容量化を行うことなく）、また、車両の重量の大幅な増加を行うことなく、高温の排出ガスの効率の良い冷却性能を確保することができる。これが為、後段側の凝縮器６２を通過した排出ガスの中には水蒸気Ｈ２Ｏが少なく又は無くなっているので、この作動ガス循環型エンジンにおいては、比熱比の小さい水蒸気Ｈ２Ｏによる熱効率の低下を防ぐことができる。
【００５１】
更に、この作動ガス循環型エンジンにおいては、排出ガスの冷却性能の向上により循環経路２０の内圧の過度の上昇を抑えることができる。これが為、この作動ガス循環型エンジンは、その循環経路２０の耐久性を維持することができる。また、この作動ガス循環型エンジンにおいては、その循環経路２０における各繋ぎ目からの排出ガスの漏れを回避することもできるので、作動ガス不足による熱効率の低下を防ぐことができる。
【００５２】
［実施例２］
次に、本発明に係る作動ガス循環型エンジンの実施例２を図２及び図３に基づいて説明する。
【００５３】
本実施例２の作動ガス循環型エンジンは、前述した実施例１の作動ガス循環型エンジンにおいて、前段側の凝縮器６１を下記の凝縮器１６１に置き換えたものである。また、本実施例２においては、その凝縮器の変更に伴って実施例１の循環経路２０の構成を一部変更して下記の循環経路１２０に置き換えている。
【００５４】
前述した実施例１においては、前段側の凝縮器６１をエンジン本体１０（燃焼室ＣＣの排気口）に近づけて配置するように構成している。しかしながら、この実施例１においては、そのエンジン本体１０（燃焼室ＣＣの排気口）と前段側の凝縮器６１との間に第２循環通路２１ｂが介在しているので、その第２循環通路２１ｂの高温の排出ガスによって循環経路２０が暖められてしまい、その第２循環通路２１ｂにおけるエンジン本体１０等との繋ぎ目部分から排出ガス（作動ガス等）が漏れ出る可能性がある。つまり、この実施例１の作動ガス循環型エンジンは、排出ガスの冷却性能に関して改善の余地がある。
【００５５】
そこで、本実施例２においては、前段側の凝縮器６１や循環経路２０等を図２に示す前段側の凝縮器１６１や循環経路１２０等に置き換えて、更なる排出ガスの冷却性能の向上を図る。
【００５６】
本実施例２の前段側の凝縮器１６１は、可能な限り燃焼室ＣＣの排気口に近づけて配設する。
【００５７】
例えば、この図２の例示においては、排出ガス導入口１６１ａを排気ポート１１ｃの排気下流側の終端部分に配置して、前段側の凝縮器１６１をエンジン本体１０に取り付ける又はエンジン本体１０と一体成型する。この前段側の凝縮器１６１は、作動ガス排出口１６１ｂを第２循環通路１２１ｂに接続し、ここで排出後素早く冷却された排出ガス｛アルゴンＡｒ（又はアルゴンＡｒと水蒸気Ｈ２Ｏ）｝が第２循環通路１２１ｂを介して後段側の凝縮器６２に送り込まれるようにする。
【００５８】
尚、その後段側の凝縮器６２の作動ガス排出口６２ｂには、実施例１と同様に、第４循環通路２１ｄが接続されている。つまり、本実施例２の循環経路１２０は、実施例１の循環通路２１を図２の循環通路１２１に置き換えたものである。その循環通路１２１は、実施例１と同じ第１及び第４の循環通路２１ａ，２１ｄと、前段側の凝縮器１６１と後段側の凝縮器６２の間の第２循環通路１２１ｂと、によって構成されている。
【００５９】
この前段側の凝縮器１６１においては、排気ポート１１ｃを介して排出ガス導入口１６１ａから流入してきた高温の排出ガスが循環中の冷却水によって冷やされて、その排出ガスに含まれている水蒸気Ｈ２Ｏが液化・凝縮してアルゴンＡｒと凝縮水Ｈ２Ｏとに分離される。つまり、本実施例２の前段側の凝縮器１６１においては、実施例１の前段側の凝縮器６１と比べて、より早い段階で排出ガスの冷却を行うことができるので、高温の排出ガスによる循環経路１２０の温度上昇と内圧の上昇をより適切に抑えることができる。その冷却の際、この凝縮器１６１においては、流入してきた排出ガスの温度が低ければ、その排気ガスの中の殆ど又は全ての水蒸気Ｈ２Ｏを凝縮水Ｈ２Ｏにすることができるが、高温の排出ガスが流入してきたならば、液化・凝縮されずに水蒸気Ｈ２Ｏが残ることもある。従って、この凝縮器１６１からは、アルゴンＡｒのみ又はアルゴンＡｒと水蒸気Ｈ２Ｏが作動ガス排出口１６１ｂから排出される一方、凝縮水Ｈ２Ｏが凝縮水排出口１６１ｃを介して凝縮水通路１２２に排出される。その凝縮水Ｈ２Ｏは、電子制御装置５０が全閉状態にある開閉弁１６５を開弁させることによって、作動ガス循環型エンジンの外部へと排水される。
【００６０】
ここで、この前段側の凝縮器１６１については、実施例１と同様の配置からなるウォーターポンプ６３とラジエータ６４によって冷却水の循環と冷却を行ってもよいが、ここではその冷却水としてエンジン本体１０の冷却水を利用させるものとする。
【００６１】
かかる冷却水の循環経路を実現させるべく、ここでは、図２に示す如く、エンジン本体１０（具体的にはシリンダヘッド１１）の冷却水通路から冷却水を凝縮器１６１に導く第１冷却水通路８１と、凝縮器１６１から排出された冷却水をエンジン本体１０（具体的にはシリンダブロック１２）の冷却水通路に戻す第２冷却水通路８２と、この第２冷却水通路８２上に配置して当該第２冷却水通路８２の冷却水をエンジン本体１０（シリンダブロック１２）に向けて送り出すウォーターポンプ１６３と、を備える。この場合には、そのウォーターポンプ１６３を駆動させることによって、エンジン本体１０と前段側の凝縮器１６１との間の冷却水の循環が行われる。
【００６２】
また、ここでは、前段側の凝縮器１６１を通過して暖められた冷却水がそのままエンジン本体１０に戻ると、そのエンジン本体１０の冷却性能を低下させる虞があるので、その凝縮器１６１通過後の冷却水を冷却させるラジエータ１６４と、その凝縮器１６１通過後の冷却水の温度に応じて当該冷却水をそのまま又はラジエータ１６４を介してエンジン本体１０に戻すのかについて制御するサーモスタット１６９と、を用意する。
【００６３】
そのラジエータ１６４は、図２に示す２本の冷却水通路（第３及び第４の冷却水通路８３，８４）によって第２冷却水通路８２に接続されている。その第３冷却水通路８３は、第２冷却水通路８２の冷却水をラジエータ１６４へと導く通路であり、第４冷却水通路８４は、ラジエータ１６４から冷却水を第２冷却水通路８２に戻す通路である。
【００６４】
サーモスタット１６９は、第２冷却水通路８２と第４冷却水通路８４との繋ぎ目部分に配置して、冷却水の温度を観ながら、ラジエータ１６４で冷やすことなく冷却水をエンジン本体１０に戻すのか、ラジエータ１６４で冷やしてから冷却水をエンジン本体１０に戻すのかを制御する。かかる判断の境界は、例えば、前段側の凝縮器１６１を通過して暖められた冷却水をそのままエンジン本体１０に戻すことによってそのエンジン本体１０の冷却性能が悪化するのか否かに応じて定めればよい。
【００６５】
ところで、本実施例２においては、夫々の凝縮器１６１，６２と後段側のラジエータ６７について、エンジン運転中に想定し得る最も高温の排出ガスが燃焼室ＣＣから排出された際に、その排出ガス中の全ての水蒸気Ｈ２Ｏが液化・凝縮される温度（常温）にまで排出ガスを最終的に下げることのできる容量（換言すれば排出ガスの冷却性能）に設定する。つまり、その凝縮器１６１，６２とラジエータ６７は、排出ガスが後段側の凝縮器６２を通過し終えるまでの間に、その排出ガスの中の水蒸気Ｈ２Ｏが全て取り除かれるように設定する。これにより、その排出ガスが燃焼室ＣＣに向けて循環した際には、比熱比の小さい水蒸気Ｈ２Ｏが燃焼室ＣＣに供給されず、比熱比の大きい作動ガスたるアルゴンＡｒが燃焼室ＣＣへと供給されるので、その作動ガスによる熱効率の高い運転を行うことができるようになる。
【００６６】
かかる設定は、実験やシミュレーションの結果に基づいて行う。その際には、本実施例２においても、エンジンコンパートメントへの搭載性を考慮に入れた上で、前段側の凝縮器１６１の方が後段側の凝縮器６２よりも容量が大きくなるように夫々の凝縮器１６１，６２とラジエータ６７の容量を設定することが好ましい。これにより、燃焼室ＣＣから排出された排出ガスは、その容量が大きめの前段側の凝縮器１６１によって早い段階で大きく冷却される。また、その前段側の凝縮器１６１は、実施例１よりも燃焼室ＣＣの排気口に近づけて配置している。これが為、ここでは、高温の排出ガスによる循環経路１２０の大幅な温度上昇が更に抑えられ、その循環経路１２０の内圧の過度の上昇を抑えることができる。従って、この作動ガス循環型エンジンは、循環経路１２０の耐久性を保つことができ、また、循環経路１２０におけるエンジン本体１０等との各繋ぎ目からの排出ガスの漏れを回避することもできる。
【００６７】
以上示した如く、本実施例２の作動ガス循環型エンジンにおいては、凝縮器を少なくとも２つ以上に分けて配備し、その内の１つをエンジン本体１０（燃焼室ＣＣの排気口）により近づけて配置しているので、エンジンコンパートメントへの搭載性を犠牲にすることなく（つまり、凝縮器やラジエータの大型化による大容量化を行うことなく）、また、車両の重量の大幅な増加を行うことなく、高温の排出ガスの実施例１よりも更に効率の良い冷却性能を確保することができる。つまり、この作動ガス循環型エンジンは、実施例１に対して、循環経路１２０上の燃焼室ＣＣから最初の凝縮器（前段側の凝縮器１６１）に至るまでの間における高温の排出ガスの存在を少なくできるので、その排出ガスの冷却性能が更に高まる。また、後段側の凝縮器６２を通過した排出ガスの中には水蒸気Ｈ２Ｏが無くなっているので、この作動ガス循環型エンジンにおいても、実施例１と同様に比熱比の小さい水蒸気Ｈ２Ｏによる熱効率の低下を防ぐことができる。
【００６８】
更に、この作動ガス循環型エンジンにおいては、更なる排出ガスの冷却性能の向上により実施例１よりも効果的に循環経路１２０の内圧の過度の上昇を抑えることができる。これが為、この作動ガス循環型エンジンは、その循環経路１２０の耐久性をより確実に維持することができる。また、この作動ガス循環型エンジンにおいては、その循環経路１２０における各繋ぎ目からの排出ガスの漏れを回避することもできるので、作動ガス不足による熱効率の低下を効果的に防ぐことができる。
【００６９】
ここで、上述した前段側の凝縮器１６１は、更に燃焼室ＣＣの排気口に近づけて配置してもよく、これにより上述した効果の更なる向上を図ることができる。例えば、シリンダヘッド１１における排気ポート１１ｃの周囲に冷却水通路を設けると共に、その排気ポート１１ｃから分岐させて外部に凝縮水Ｈ２Ｏを排出させる通路もシリンダヘッド１１に設けて凝縮器を構築すればよい。
【００７０】
また、多気筒のエンジン本体１０においては、図３に示すように、排気集合管１７の集合部分１７ａに前段側の凝縮器２６１を配置してもよく、これによっても上述した効果の更なる向上を図ることができる。この場合には、排出ガス導入口２６１ａを集合部分１７ａの端部に合わせることによって凝縮器２６１を排気集合管１７に取り付け、その凝縮器２６１の作動ガス排出口２６１ｂに上記の第２循環通路１２１ｂを接続する。尚、その図３には図示していないが、その前段側の凝縮器２６１よりも下流には、上述したものと同様の後段側の凝縮器６２やラジエータ６７が配設されている。
【００７１】
この前段側の凝縮器２６１においては、排気集合管１７を介して排出ガス導入口２６１ａから流入してきた各気筒における高温の排出ガスが循環中の冷却水によって冷やされて、その排出ガスに含まれている水蒸気Ｈ２Ｏが液化・凝縮してアルゴンＡｒと凝縮水Ｈ２Ｏとに分離される。つまり、この凝縮器２６１においては、実施例１の前段側の凝縮器６１と比べて、より早い段階で排出ガスの冷却を行うことができるので、高温の排出ガスによる循環経路１２０の温度上昇と内圧の上昇をより適切に抑えることができる。その冷却の際、この凝縮器２６１においては、流入してきた排出ガスの温度が低ければ、その排気ガスの中の全ての水蒸気Ｈ２Ｏを凝縮水Ｈ２Ｏにすることができるが、高温の排出ガスが流入してきたならば、液化・凝縮されずに水蒸気Ｈ２Ｏが残ることもある。従って、この凝縮器２６１についても、そこからは、アルゴンＡｒのみ又はアルゴンＡｒと水蒸気Ｈ２Ｏが作動ガス排出口２６１ｂから排出される一方、凝縮水Ｈ２Ｏが凝縮水排出口２６１ｃを介して凝縮水通路２２２に排出される。その凝縮水Ｈ２Ｏは、電子制御装置５０が全閉状態にある開閉弁２６５を開弁させることによって、作動ガス循環型エンジンの外部へと排水される。
【００７２】
ここで、この凝縮器２６１を流れる冷却水は、ウォーターポンプ２６３の駆動に従ってラジエータ２６４との間で循環している。尚、その冷却水としては上述した図２の例示と同様にエンジン本体１０の冷却水を利用してもよく、この場合には、その図２の例示と同様にラジエータ１６４等を構成する。
【００７３】
この図３の例示において、その夫々の凝縮器２６１，６２とラジエータ２６４，６７については、エンジン運転中に想定し得る最も高温の排出ガスが燃焼室ＣＣから排出された際に、その排出ガス中の殆ど又は全ての水蒸気Ｈ２Ｏが液化・凝縮される温度（常温）にまで排出ガスを最終的に下げることのできる容量（換言すれば排出ガスの冷却性能）に設定する。つまり、その凝縮器２６１，６２とラジエータ２６４，６７は、排出ガスが後段側の凝縮器６２を通過し終えるまでの間に、その排出ガスの中の水蒸気Ｈ２Ｏが全て取り除かれるように設定する。これにより、その排出ガスが燃焼室ＣＣに向けて循環した際には、比熱比の小さい水蒸気Ｈ２Ｏが燃焼室ＣＣに供給されず、比熱比の大きい作動ガスたるアルゴンＡｒが燃焼室ＣＣへと供給されるので、その作動ガスによる熱効率の高い運転を行うことができる。
【００７４】
ところで、上述した各実施例１，２においては被酸化燃料が燃焼室ＣＣ内に直接噴射されるよう被酸化燃料噴射手段４２を配設しているが、その被酸化燃料噴射手段４２は、被酸化燃料を吸気ポート１１ｂに噴射させるべくシリンダヘッド１１に取り付けてもよい。つまり、上述した各実施例１，２に示した本発明は、所謂ポート噴射式の作動ガス循環型エンジンに適用してもよく、その場合においても各実施例１，２と同様の効果を奏する。
【００７５】
また、上述した各実施例１，２の作動ガス循環型エンジンは、被酸化燃料たる水素Ｈ２を拡散燃焼させるものとして例示したが、その被酸化燃料に対して図示しない点火プラグで点火して所謂火花点火燃焼させる形態のものであってもよく、その被酸化燃料に対して点火プラグで点火して着火の補助を行い拡散燃焼させる形態のものであってもよい。そして、そのような燃焼形態の異なる作動ガス循環型エンジンにおいても、各実施例１，２に示した本発明は、これら各実施例１，２で説明したものと同様の効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
以上のように、本発明に係る作動ガス循環型エンジンは、排出ガスの冷却性能を向上させる技術に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明に係る作動ガス循環型エンジンの実施例１の構成を示す図である。
【図２】本発明に係る作動ガス循環型エンジンの実施例２の構成を示す図である。
【図３】本発明に係る作動ガス循環型エンジンの実施例２の変形例の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０  エンジン本体
１１  シリンダヘッド
１１ｂ  吸気ポート
１１ｃ  排気ポート
１２  シリンダブロック
１７  排気集合管
１７ａ  集合部分
２０，１２０  循環経路
２１，１２１  循環通路
３０  酸化剤供給装置
３１  酸化剤貯留タンク
３２  酸化剤供給手段
３３  酸化剤供給通路
３４  レギュレータ
３５  酸化剤流量計
４０  被酸化燃料供給装置
４１  被酸化燃料貯留タンク
４２  被酸化燃料噴射手段
４３  被酸化燃料供給通路
４４  レギュレータ
４５  被酸化燃料流量計
４６  サージタンク
５０  電子制御装置（ＥＣＵ）
６１，１６１，２６１  前段側の凝縮器
６２  後段側の凝縮器
６４，６７，１６４，２６４  ラジエータ
１６９  サーモスタット
ＣＣ  燃焼室
【図１】
2009281206.tif 000003
【図２】
2009281206.tif 000004
【図３】
2009281206.tif 000005