JP2002519566A - 非対称サイクルを用いるエンジンシステム - Google Patents

非対称サイクルを用いるエンジンシステム

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エス．アハーン ブライアン
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Abstract

(57)【要約】 高効率のエンジンが提供される。本システムには、少なくとも１つのピストンをシリンダ内に有し、シリンダがシリンダヘッドを含む内燃機関が含まれる。エンジンは、膨張部分が圧縮部分よりも大きい非対称の膨張及び圧縮サイクルにおいて運転される。ピストン及びシリンダヘッドは、選択された熱拡散性を有する絶縁材でライニングされる。水及び燃料の超臨界混合物をエンジンのシリンダ内に噴射するための噴射装置が設けられる。これらの各様相の組み合わせにより、高効率エンジンが提供される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の分野） 本発明は非対称の膨張及び圧縮サイクルを、燃料及び水の超臨界的混合の使用
と共に用いる高効率のエンジンに関する。
【０００２】 （従来の技術） 内燃機関は、一般に、エンジン効率と排気の清浄さとの兼ね合わせの下に運転
される。例えば、ディーゼルエンジンは高効率であるが、その排気には、通常、
煤や窒素酸化物（ＮＯｘ）のような粒状物質（ＰＭ）が含まれる。一般に、内燃
機関は、火花着火式であれディーゼルであれ、対称サイクルで運転される。つま
り、圧縮容積は膨張容積に等しい。非対称サイクルで運転されるエンジンは米国
特許第２，６７０，５９５号に初めて記述された。この米国特許では、吸入弁を
下死点（ＢＤＣ）の前あるいは後に閉じることで、エンジンの“有効”圧縮比が
変わることが認識された。
【０００３】 例えば、エンジンのストローク長を倍にして、ピストンが下死点方向の行程の
半分に達した時に吸入弁を早閉させれば、圧縮する空気量は半分となり本来のエ
ンジンにおけると同等の有効圧縮比を得ることができる。シリンダ内の空気には
、下死点への膨張に引き続き圧縮されて大気圧力となる間、仕事は生じない。空
燃費が同じであればエンジン部品のピーク圧力は同じである。膨張比を変えずに
おけば燃焼ガスを倍の容積に膨張させることができる。膨張容積が増大すると排
気熱損失が減少することから、単数あるいは複数の排気弁を開く前に達する温度
がより低いことで、燃焼生成物に追加の仕事をさせることができるようになる。
かくして、エンジンからは一段と有益な機械的エネルギーが取り出される。
【０００４】 こうした非対称サイクルは、同出力を得るためにエンジンの大型化及び重量増
を要求するものであるがためにその革新性は殆ど知られることはなかった。この
、エンジンの大型化及び重量増大に基づく不利益は、エンジン排気量１立方イン
チ当たりの馬力が唯一の最重要の性能尺度であった１９５０年代及び１９６０年
代の自動車工業には受け入れ難いものであった。ミラーの提案した可変バルブタ
イミング機構は、扱いにくく、しかも望み通りのバルブタイミング角度変化を提
供するものではなかった。
【０００５】 １９９２年の米国特許第５，６８２，８５４号には、可変の圧縮／膨張比を開
発することで出力上のこうした欠陥を克服する方法が議論された。このシステム
では、吸入弁カムシャフトの位置を辿るよう設計したプラネタリーギヤドライブ
が使用された。プラネットキャリヤの機械アクチュエータが、エンジンサイクル
効率を犠牲にしつつ、エンジンの要求出力に応じてカムシャフトを前後に物理的
に回転させる。米国特許第５，６８２，８５４号の技術革新は、マツダ社製の自
動車で商業的に実現されている。詳しくは、１９９４年に投入されたマツダミレ
ニアでは、高出力と高効率とを兼備する連続可変カム部品が使用された。
【０００６】 エンジンでは、一般に、中実金属製のピストン及びシリンダヘッドが使用され
、それ故熱拡散率は高い。熱拡散率は、ピストン及びシリンダヘッドの表面温度
を、エンジンでの燃焼に伴う反復熱サイクル下における熱応力亀裂の発生を回避
するに十分低い温度に維持するように選択される。熱応力亀裂を回避するために
は、アルミニューム製のピストン及びシリンダヘッドの運転温度を比較的低く（
約１４８．８〜２６０℃（３００〜５００°Ｆ））する必要がある。この比較的
低い温度は、燃焼プロセスにより移動する熱を除去するエンジン冷却システムに
より維持される。それらの熱をエンジン膨張サイクルで仕事に変換させることが
できないのは勿論である。かくして、中実金属製のピストン及びシリンダヘッド
を介した熱移動による効率損失が生じる。ピストン及びシリンダヘッドを介した
そうした熱移動を減少させればエンジンの全体熱効率は改善される。
【０００７】 現在継続中の米国特許出願番号第０８／９９２，９８３号には、水／燃料の超
臨界配合物及び燃焼システムが記載される。このシステムでは、水と炭化水素燃
料との混合物が、同質の単一相であるような熱力学的臨界点付近あるいはそれ以
上に維持される。この米国特許出願番号に教示される如く、水／炭化水素燃料の
混合物が、等質、等方性の単一相に維持されることから、燃焼室に導入された場
合にはより完全に燃焼する。
【０００８】 エンジンシステムの分野では、液体燃料の燃焼は、噴霧霧化と、引き続く燃料
液滴の蒸発と、燃焼反応シーケンスとに依存することが良く知られている。液滴
が小さいほど、燃焼はより完全化され且つ清浄化される。従来の方策では、液滴
径を最小化するために非常に高い噴射圧力が使用された。燃料の予熱及び化学界
面活性剤は液滴をより小さくはするが、そうした予熱や化学界面活性剤による液
滴寸法の減少は中程度に過ぎず、加熱が有効なのは１５０℃〜２００℃までであ
る。それ以上の温度ではコークス、ゴム、タールが形成され、燃料送りシステム
の作動流れチャンネルが閉塞する。
【０００９】 （解決しようとする課題） ピストン及びシリンダヘッドにおける熱拡散性の制御下に、非対称サイクルを
水／燃料の超臨界混合物と組み合わせることにより、高効率のエンジンシステム
を提供することである。
【００１０】 （課題を解決するための手段） 本発明の１様相によれば、シリンダ内に少なくとも１つのピストンを有し、シ
リンダがシリンダヘッドを含む内燃機関が提供される。本発明の装置は、ピスト
ンと協動して非対称の膨張及び圧縮サイクルを創出し、サイクルの膨張部分が圧
縮部分よりも大きい。ピストンの表面及びシリンダヘッドには、選択された熱拡
散性を有する絶縁材が配置され、この表面を介しての伝熱が減少される。本発明
の１実施例では、装置は水及び燃料の超臨界混合物をシリンダ内に噴射して燃焼
させる。別の実施例では、サイクルの膨張部分は１．３：１〜２．５：１の範囲
の係数において圧縮部分よりも大きい。非対称サイクルは、増大されたストロー
ク長を介して達成され得る。あるいは、非対称サイクルは、圧縮行程の上部位置
での包囲容積の減少と、吸入弁の早期閉鎖とを組み合わせることにより実現され
得る。吸入弁を遅延閉鎖しても非対称サイクルを達成することはできるが、この
場合は、先ず全充填分を吸引し、次いでその半分を戻し出す追加的なポンプワー
クが含まれることから、熱力学サイクルベースでは吸入弁の早期閉鎖が好ましい
。
【００１１】 本発明の他の実施例では、噴射装置が、水／燃料の超臨界混合物を圧縮行程の
上死点の如き上部位置付近で噴射する。本発明には、エンジン廃熱を利用して水
／燃料の超臨界混合物を加熱することも含まれる。水／燃料の超臨界混合物を熱
交換器に導入する前に、約２７．５８ＭＰａ（４０００ｐｓｉ）もの高圧に加圧
するためのポンプが設けられる。熱交換器はエンジン排気と熱的に連結され得る
。
【００１２】 更に他の実施例では、水／燃料の超臨界混合物のための電気的予熱が提供され
る。電気的予熱は、始動時あるいは、排気温が所望の予熱水準を下回った場合に
必要とされ得る。電気的予熱には予熱を制御するためのフィードバック制御装置
も含まれ得る。水／燃料の超臨界混合物は約２７．５８ＭＰａ（４０００ｐｓｉ
）及び約４００℃であるのが好ましい。
【００１３】 本発明のエンジンシステムは非常に効率的である。非対称ミラーサイクルが熱
の排気損失を低減する。絶縁材がシリンダヘッド及びピストンをライニングし、
それにより、エンジン冷却材への熱損失が減少される。更には、水及び燃料がエ
ンジン冷却材及びあるいは排気流れとの熱交換によって予熱され、水／燃料の超
臨界混合物が生じる。水を加えることで、炭化あるいはコークス形成を生じるこ
となく、水／燃料の超臨界混合物を４００℃を上回る温度に加熱することができ
るようになる。等質の、近臨界の水／燃料混合物の噴射が、液滴蒸発に関する問
題を排除する。水／燃料の超臨界混合物を使用することにより等質の単一相が生
じ、かくして、低温の純燃料を使用した場合における、粒状生成物からの、核中
心となる液滴、及び、ＮＯｘ形成のためのホットスポットが回避される。水／燃
料の超臨界混合物は稠密な流体であり、加熱され噴射されると４％の追加のエン
タルピーを導入し燃焼サイクルの効率を増大させる。非対称ミラーサイクルは、
圧縮比の２倍までの膨張比において、そうしたエンタルピー増大に更に１５％の
絶対効率を追加し得、かくして、ピストン及びシリンダヘッドに断熱表面を使用
することで効率は更に改善される。非対称ミラーサイクルを、絶縁したピストン
及びシリンダヘッド、水及び燃料の超臨界混合物と組み合わせることにより、記
録的な効率が放出物の大幅な減少と共に達成される。これら３つの条件の内の任
意の２つを組み合わせることによっても効率改善が図られることは言うまでもな
い。
【００１４】 （発明の実施の態様） 非対称ミラーサイクルの熱力学的利益に基づき、エンジンから排気への熱損失
を減少する手段が提供される。空気量低下に起因する立方インチ当たりの出力低
下は、シリンダヘッド及びピストンへの伝熱の減少と、噴射された水／燃料混合
物によるエンタルピー追加とにより部分的に補償され得る。本発明によれば、内
燃機関の効率が、化学的のみならず機械的にも改善される。好ましい実施例はデ
ィーゼル技術に関して議論されるが、本発明はそうした技術に限定されるもので
はなく、火花着火式エンジンに対しても等しく適用し得るものである。
【００１５】 シリンダ内でガスが膨張するに際し、その初期ステージ以前での燃焼を介して
の圧力増大は、一般に、上死点付近で噴射される反応物の３つの重要な特性、即
ち、反応物の品質、燃焼性、そして初期温度による影響を受ける。排気流れに汚
染物を追加させることなくこうした圧力発生を加速させ得るプロセスが望まれて
いる。本発明は前述の３つのカテゴリー全てにおける改善をもたらす。
【００１６】 上述したように、液体燃料燃焼は、噴霧霧化と、それに続く燃料液滴の蒸発、
そして最後に、燃焼反応シーケンスに依存する。本発明では、より可燃性の核種
を生成するための水分解作用が意図される。２００℃以上の温度下にディーゼル
燃料に水を混合させると、炭化水素燃料が部分的にＨ2及びＣＯガスに変換し且
つ鎖長が減少し、その分子量が減少してコークス及びゴムの形成が低減される。
従って、水と燃料とを混合し、これを熱力学的な臨界条件以上あるいはその付近
の温度に加熱することで、液滴寸法を減少させるための経済的な解決策がもたら
される。更には、流れの改質により生じたＨ2ガスの引火限界は、局所的にずっ
と低い酸素濃度下での着火を許容する程に幅広いものであることから、セタン価
が高くなり、従って、Ｈ2ガスの分子が反応帯域に良好に分布された燃焼開始剤
を提供する。水素ガスの引火限界が広いことから全希薄燃料運転が可能となる。
希薄燃料運転は、結局、窒素酸化物の生成を制限する。従って、超臨界的な混合
により、燃料混合物のための“有効セタン価”が上昇する。
【００１７】 超臨界的化学の実験の詳細を以下に更に詳しく説明する。前記米国特許出願番
号第０８／９９２，９８３号にも記載されるように、水及び燃料の超臨界的混合
物により、等質の単一相が得られる。そうした等質の、近臨界の混合物はガス状
態下に空気と混合することから、液滴蒸発は作動プロセスではなくなり、かくし
て混合を制限することがない。かくして、反応物中への酸素の拡散が加速される
。反応物の平均温度が自動車の着火温度を上回る温度であることから酸化性反応
は瞬時に生じる。燃焼プロセスは、液滴内での液相の拡散よりも遙かに速いガス
相の拡散によって制御される。その結果、点火遅れはほぼなくなり、シリンダ内
での燃焼はより等質化される。燃焼のこうした急速な開始は、超臨界反応物の食
い込み率により制限される。上死点位置の加熱空気中への超臨界反応物の食い込
み率は、運動量及び物質移動上の考慮事項により制限される。拡散率は温度に依
存する。かくして、噴射温度が４００℃であれば反応物の混合は一層促進される
。加えて、約２４．８２２ＭＰａ（３６００ｐｓｉ）に維持された噴射圧力によ
り、インジェクタオリフィスを出る反応物速度が超音速化される。その結果、反
応物の食い込みと混合とは液滴の場合よりも格段に速くなる。
【００１８】 水／燃料混合物の噴射時の高温によりエンタルピーが約４％追加される。この
分の熱エネルギーをエンジン廃熱から取り出せば、回収した全熱エネルギーをエ
ンジンの膨張サイクルの機械エネルギーに変換することが可能である。
【００１９】 図１を参照するに、内燃機関１０が示され、ピストン１４を格納したシリンダ
１２を有し、シリンダ１２はシリンダヘッド部分１６を含んでいる。本発明の１
様相では、断熱ライナ１８及び２０が、図示されるようにピストン１４及びシリ
ンダヘッド１６の夫々の表面に配置される。断熱ライナ１８及び２０は比較的肉
厚（１．５〜２．５４ｍｍ（０．０６〜０．１インチ））であり、熱拡散性の低
い高温材料から形成される。断熱ライナ１８はピストン１４の上部に取り付けら
れ、断熱ライナ２０はシリンダヘッド１６の内面に取り付けられ、ピストン１４
の残部とシリンダヘッド１６との熱的接触を少なくする一方で、しっかりとした
機械的取り付けが提供される態様下に凹型の燃焼ボウルをライニングする。例え
ば、ニッケル、チタン、あるいはインコネル製の断熱ライナ１８をピストン１４
の上部に螺入させることができる。あるいは、図２に示されるように、断熱ライ
ナ１８及び２０は蟻継ぎ長孔１９を含み得、ピストン１４及びシリンダヘッド１
６をこの蟻継ぎ長孔１９を覆って鍛造あるいは鋳造しても良い。蟻継ぎ長孔１９
の幾つかを相互に直角に形成して全ての移動を恒久的に錠止すべきである。その
他の恒久的錠止方法を使用することができる。
【００２０】 ネジ溝が遊嵌状態であることから、断熱ライナ１８は約１０９３．３℃（２０
００°Ｆ）の温度下に作動してもピストンに伝達され得る熱は僅かであり、また
、熱膨張による寸法変化も収受され得る。高温度下において、燃焼時に除去され
る熱が少なく、除去される熱の幾分かは、圧縮行程の上部位置で圧縮される充填
物に再伝達される。伝熱はシリンダ１２内の空気の速度及び密度に強く依存する
ことから、再伝達される熱は熱力学的に好ましい圧縮行程の上部位置で主に追加
される。圧力及び速度が共に小さい吸入行程中に大量の熱が失われることはない
。シリンダヘッド１６の中心領域には、ピストンキャビティを覆って類似の断熱
ライナ２０が使用される。これらの断熱ライナ１８及び２０が、正しい熱質量及
び熱拡散性を有するべく注意深く選択されたものであることを銘記されたい。こ
れらの断熱ライナは、表面温度が約２２０４．４〜２７６０℃（４０００〜５０
００°Ｆ））にも達し、表面の溶融あるいは熱疲労を引き起こし得ることから、
完全には断熱的なものではあり得ない。しかしながら、断熱ライナ１８及び２０
は燃焼ガスからの熱損失を著しく低減させる。
【００２１】 上述した如く、本発明の重要な様相は、エンジン１０における膨張及び圧縮サ
イクルが非対称であることにある。エンジン１０は、吸入弁２２及び排気弁２４
を含む。シリンダ内には多数の吸入弁及び排気弁があり、噴射システム２６がシ
リンダ１２内に水／燃料の超臨界混合物を噴射する。膨張部分を圧縮部分よりも
大きくするための１つの方法は、吸入弁２２をピストン１４が下降する際に早期
に閉じることである。例えば、ピストン１４が下死点方向に半分降下したときに
吸入弁を閉じると、圧縮比は半分となり、一方、サイクルの膨張部分はピストン
１４の全行程である。ピストンが上死点位置あるいはその付近に来た時、水／燃
料の超臨界混合物を噴射システム２６から噴射させる。
【００２２】 本発明のシステムの高効率をもたらす別の様相は、シリンダ内に噴射される水
／燃料の超臨界混合物をエンジン廃熱を使用して予熱することにある。図３には
本発明のシステムのこの様相が例示される。燃料３０及び水３２は、ポンプ３４
により約２７．５８ＭＰａ（４０００ｐｓｉ）の範囲の圧力に加圧される。水／
燃料の超臨界混合物はヒーター部分３６を通過してエンジン１０内に噴射されて
出力を発生させる。エンジンからの、排気流れの廃熱あるいは冷却システムに吸
収された廃熱を熱交換器３８に通し、ここで回収された熱をヒーター３６に付加
する。追加的な電気エネルギーをヒーター３６に供給することにより、水／燃料
の超臨界混合物の温度を約４００℃とすることができる。エンジン１０に送り込
む以前の水／燃料の超臨界混合物の条件を調節して最適化するために必要な電気
エネルギー量を能動制御するための温度及び圧力フィードバックループを設ける
ことができる。
【００２３】 化学反応の見地からは、水／燃料の超臨界混合物の強い溶媒和力を、稠密なガ
スの大きな輸送量と組み合わせるのが望ましい。高い温度は再公式化化学を促進
する。しかし反応速度は、不均質の触媒表面への、また、そこからの核種の拡散
率によりしばしば制限される。稠密な超臨界的ガスの拡散率は、代表的な液体の
それよりも３〜４オーダーの大きさでずっと高い。これに対応して、超臨界的な
圧力下のガスは液状のそれのほぼ６０％の密度を維持し、それ故、燃料の体積流
量は過剰ではない。反応化学がこのように急速であることにより、水／燃料混合
物を約１分間の滞留時間において攪拌及び保持する熱交換器をエンジンに後付け
することが可能である。
【００２４】 本発明はガソリン、ディーゼル燃料、重質留出物、バンカーＣ重油、灯油、天
然ガス、原油、ビチューメンその他の炭素含有物を含む多くの炭化水素燃料の燃
焼を増強するために有益である。本発明では、約２７．５８ＭＰａ（４０００ｐ
ｓｉ）及び４００℃の臨界あるいは近臨界条件下に作動して著しい利益を提供す
る燃料／水噴射システムが使用される。高温が着火遅れを減少させ、燃焼プロセ
スにエンタルピーを追加する。廃熱を使用して必要温度を提供するようにしたこ
とで、エンジンサイクル上の効率を数パーセント追加する熱力学的再生が創出さ
れるのに付随して、燃焼が早まり且つ一段と完全化される結果として排出物も改
善される。超臨界的な燃料混合物をシリンダ１２内の加熱空気中に膨張させるこ
とで混合が良好化され、水／燃料の超臨界混合物の質量全体を通して生じる燃焼
がより均一化され、それにより、液滴蒸発においては内潜する時間遅延が排除さ
れる。高温での溶媒和作用により、例えば、＃４、＃６及びバンカーＣ重油とい
った低級燃料を、現在可能であるよりも更に効率的に且つ清浄状態で炊けるよう
になる。
【００２５】 水／燃料の超臨界混合物を噴射する上での利益は、絶縁ライナと非対称ミラー
サイクルとが含まれることで増長される。絶縁ライナはエンジン冷却システムへ
の熱損失を妨害し、そうした熱を排気に再配向する。非対称ミラーサイクルは通
常よりもずっと低い温度に拡張され、それ故、ピストンの絶縁ライナから追加さ
れた熱が取り出される。ピストンの絶縁ライナ及び非対称ミラーサイクルを含む
相互作用する要素のそうした組み合わせが、エンジン全体における効率を著しく
増大させ得る。
【００２６】 （例） 非対称サイクルの利益は、熱損失が無く、圧縮及び膨張が断熱的であると仮定
した２つのディーゼルサイクルを比較した以下の表１に示される。
【００２７】
【表１】
【００２８】 超臨界流体の個々の分子が非常に高密度であることが、望ましい反応増長特性
を提供する。この特性は、稠密なガスの拡散性が液体のそれよりも大きいオーダ
ーのものであることから、反応物移送の改善に直接関与する。搬送特性は、Ｔce it 付近では３〜４オーダーの大きさで変化することが観察されている。Ｂｕｔｔ
ｅｒｗｏｒｔｈ Ｈｅｉｎｅｍａｎｎ，Ｅｄ．，Ｎｅｗｔｏｎ，ＭＡ１９９４の
、ＭｃＨｕｇｈ及びＶ．Ｋｒｕｋｏｎｉｓの“Ｓｕｐｅｒ Ｃｒｉｔｉｃａｌ
Ｆｌｕｉｄ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ”を参照されたい。水の臨界温度以上の温度
下では、圧力を増大する上で、ある種の反応生成物が好ましいものであった。反
応速度は熱物理的特性が増長されたことのみにより増大したのではない。本来異
なる反応座標が競合するようになって生成物の濃度プロファイルが移動したので
ある。超臨界水内での燃料の溶解に関しては良い結果が観察されている。先行実
験がマサチューセッツ工科大学のエネルギー研究所で実施された。
【００２９】 インコネル６２５合金から気密チャンバが作成された。気密チャンバの内容積
は１０立方センチであり、その各端部位置には観察用のサファイヤ窓がクランプ
された。様々な濃度の水及びディーゼル燃料が等圧試験のためにこの気密チャン
バに入れられ、各実験に関する一定圧力が確立され、温度が、毎分２℃に制御さ
れた割合で上下された。
【００３０】 第１の実験では、約１３．７９ＭＰａ（２０００ｐｓｉ）の一定圧力が確立さ
れ、８０％のディーゼル燃料及び２０％の水の混合物が、水の温度Ｔｃを越えて
４００℃に加熱された。約１３．７９ＭＰａ（２０００ｐｓｉ）及び４００℃の
条件は、水を液状に維持するには夫々あまりに低圧及び高温であった。液状のま
まのディーゼル燃料の上部に稠密ガスが形成され、何らの完全混合も観察されな
かった。
【００３１】 参考までに、水の密度は、その臨界温度である３７４℃以下では約０．３２ｇ
ｍ／ｃｍ3であり、臨界圧力は約２２．４０ＭＰａ（約３２５０ｐｓｉ）である
。ディーゼル燃料は幅広い範囲の分子量の配合物であり、それ故、はっきりと定
義された臨界温度を持たない。ディーゼル燃料が４００℃の温度下に液体の特性
を維持するという事実は、ディーゼル燃料が臨界温度に達していないことを裏付
けている。水を含まないディーゼル燃料に更に多くの熱エネルギーを追加するこ
とにより、多くの結合が破壊及び再形成され、材料を稠密ガスと重質の残余物と
の組み合わせに変える。
【００３２】 第２の実験では圧力は約２０．６８ＭＰａ（３０００ｐｓｉ）に維持され、一
方、同じ混合物が毎分２℃の割合で加熱された。驚くべきことに、３６０℃の温
度下に２つの流体は完全に混合して超臨界流体を形成した。この超臨界流体は、
表面張力その他の、液体同様の特性を持たない稠密ガスとして挙動する。この相
変化が、別個の流体としての水とディーゼル燃料の両方のための臨界条件下にお
いて生じたことは興味深い。この第２の実験により、圧力の役割が相挙動上最重
要であることが示唆される。水の溶媒和力は、圧力及び温度の所定範囲内で数オ
ーダーの大きさで増大した。第３の実験が、相挙動に関するこの圧力パラメータ
の様相を調べるために実施された。圧力は約２７．５８ＭＰａ（４０００ｐｓｉ
）に高められ、反応容器の温度が毎分２℃の割合で再上昇された。この実験では
、２つの液体が超臨界的に混合する温度は３７８℃に高くなった。超臨界混合の
温度は、約６．８９ＭＰａ（１０００ｐｓｉ）を追加したことにより、３６３℃
から３７８℃まで高められた。この、直感に反する傾向は、所定の水／燃料混合
物には最適の圧力及び温度が存在し、この相安定の関係は引き続く研究の課題で
あることを示唆している。
【００３３】 上述した超臨界水の溶媒和特性に促されて、この新規な物質の状態での燃焼特
性が調査された。水と燃料とを高圧下（毎分２０ｍｌでの約３４．４７ＭＰａ（
５０００ｐｓｉ）までの）に相互に混合することのできる装置が作製され、高圧
の混合物が、外径約１．６ｍｍ（０．０６３インチ）、内径約０．５８ｍｍ（０
．０２３インチ）の小直径のステンレス鋼管のコイル内に送られた。 約３ｍ（１０フィート）の長さのステンレス鋼管が、直径約３８．１ｍｍ（１
．５インチ）のマンドレルに巻き付けられ、流動する流体を制御下に所望の温度
にまで持ち来すことのできる一連のバンドヒーターの内側に配置された。ＰＩＤ
ヒーター制御体に対する熱電対フィードバックループにより温度が維持された。
圧力は、２重のシリンダ容積形ポンプを通す流量を調節して手動で維持された。
【００３４】 噴射ノズルを出る流れは、主に、出口オリフィス及び供給源の圧力によって制
御された。本発明のシステムは、約２７．５８ＭＰａ（４０００ｐｓｉ）及び４
００℃の条件下に超臨界混合物の毎分約１０ｍｌの流量を維持するように分析及
び設計された。このために、噴射装置における出口オリフィスの直径は約０．０
７６ｍｍ（０．００３インチ）とする必要があった。空気流量は、圧縮空気源に
接続したプレナムを作製して積極的に制御された。吸入空気の流れは、ボール−
イン−シリンダ流量計を使用して測定され、流量はニードル弁を介して制御され
た。火炎力学は、臨界水／燃料流れに対する吸入空気の相対比を調節することで
制御された。更には、吸入空気マニホルドにバンドヒーターを嵌装し、空気を３
５０℃に加熱する能力が提供された。 超臨界混合物が生成され、測定され、大気圧条件下に噴射された。超音速でオ
リフィスを出た混合物は亜音速の空気流れを連行し、収斂するノズル内で混合物
の“火炎速度”以下に速度を低下させるためにこれを減速させる必要があった。
そうした収斂するノズルが作製され、噴射装置先端部に結合された。燃焼のため
の空気を正しい比率下に混合するための制御下の空気プレナムもまたノズルに嵌
装された。
【００３５】 空気流れと水／燃料流れとを相互調整することにより安定した火炎が創生され
る。この条件はＴＤＣでのディーゼルエンジンのそれではないが、火炎特性はデ
ィーゼル燃料直噴のためにはずっと重要なものである。火炎の排気は、火炎長さ
の３倍の長さ特性を持つシリカ製の煙道内に送られる。ＮＯｘ、ＣＯ、ＣＯ2そ
してＰＭ（粒状物）から成る排出物はこのシリカ製の煙道の端部位置で発生する
。シリカは、高い火炎温度に耐え、しかも尚、目視検査のための清浄さを維持す
ることから使用された。 水／ディーゼル燃料の超臨界送給物を使用しての結果は、＃２及び＃６燃料送
給物を使用した場合の結果よりも、以下の表２に示されるようにずっと優れたも
のだった。
【００３６】
【表２】
【００３７】 以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし
得ることを理解されたい。
【００３８】 （発明の効果） ピストン及びシリンダヘッドにおける熱拡散性の制御下に、非対称サイクルを
水／燃料の超臨界混合物と組み合わせることによる高効率のエンジンシステムが
提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従う内燃機関の断面図である。
【図２】 絶縁用ライナを取り付けるための蟻継ぎ配列構成の断面図である。
【図３】 本発明のシステムのブロックダイヤグラム図である。
【符号の説明】
１０ 内燃機関 １２ シリンダ １４ ピストン １６ シリンダヘッド部分 １８、２０ 断熱ライナ １９ 蟻継ぎ長孔 ２２ 吸入弁 ２４ 排気弁 ２６ 噴射システム ３０ 燃料 ３２ 水 ３４ ポンプ ３６ ヒーター ３８ 熱交換器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｆ 3/14 Ｆ０２Ｆ 3/14 Ｆ０２Ｍ 25/022 Ｆ０２Ｍ 25/02 Ｈ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ， ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ Ｆターム(参考） 3G023 AA02 AA03 AB05 AC04 AC08 AC09 AD11 AF00 3G092 AA02 AA04 AA12 AB17 DD07 DE17S DE18S EC01 FA01 FA15

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも１つのピストンをシリンダ内に有し、シリンダが
    シリンダヘッドを含むエンジンシステムであって、 ピストンと協動して、膨張部分が圧縮部分よりも大きい非対称の膨張及び圧縮
    サイクルを創出する装置と、 ピストンの表面とシリンダヘッドとにおいて選択された熱拡散性を有する絶縁
    材料と、 を含むエンジンシステム。
  2. 【請求項２】 燃料及び水の超臨界混合物をシリンダ内に噴射するための噴
    射装置を更に含む請求項１のエンジンシステム。
  3. 【請求項３】 膨張及び圧縮サイクルの膨張部分が、膨張及び圧縮サイクル
    の圧縮部分よりも、１．３：１〜２．５：１の範囲の係数分大きい請求項１のエ
    ンジンシステム。
  4. 【請求項４】 非対称の膨張及び圧縮サイクルを創出するための装置が、増
    長された行程長さを含んでいる請求項１のエンジンシステム。
  5. 【請求項５】 非対称の膨張及び圧縮サイクルを創出するための装置が、圧
    縮行程の上部位置における減少された包囲容積を含んでいる請求項１のエンジン
    システム。
  6. 【請求項６】 噴射装置が、水及び燃料の超臨界混合物を圧縮行程の上部付
    近に噴射する請求項２のエンジンシステム。
  7. 【請求項７】 噴射装置が、水及び燃料の超臨界混合物を下死点付近に噴射
    する請求項６のエンジンシステム。
  8. 【請求項８】 エンジンの廃熱を使用して水及び燃料の超臨界混合物を加熱
    するための熱交換手段を更に含む請求項２のエンジンシステム。
  9. 【請求項９】 水及び燃料の超臨界混合物を、熱交換手段内に噴射する以前
    に約２７．５８ＭＰａ（４０００ｐｓｉ）の圧力に加圧するためのポンプ手段を
    更に含む請求項８のエンジンシステム。
  10. 【請求項１０】 熱交換手段がエンジンからの排気に熱的に連結される請求
    項８のエンジンシステム。
  11. 【請求項１１】 水及び燃料の超臨界混合物の電気的予熱を更に含む請求項
    ８のエンジンシステム。
  12. 【請求項１２】 電気的予熱を制御するためのフィードバック制御装置を更
    に含む請求項１１のエンジンシステム。
  13. 【請求項１３】 水及び燃料の超臨界混合物が約２７．５８ＭＰａ（４００
    ０ｐｓｉ）及び約４００℃である請求項２のエンジンシステム。
  14. 【請求項１４】 エンジンシステムであって、 少なくとも１つのピストンをシリンダ内に有し、シリンダがシリンダヘッドを
    含む内燃機関と、 ピストンと協動して、膨張部分が圧縮部分よりも大きい非対称の膨張及び圧縮
    サイクルを創出する装置と、 水及び燃料の超臨界混合物をシリンダ内に噴射するための噴射装置と、 を含むエンジンシステム。
  15. 【請求項１５】 エンジンシステムであって、 少なくとも１つのピストンをシリンダ内に有し、シリンダがシリンダヘッドを
    含む内燃機関と、 ピストンの表面とシリンダヘッドとにおいて選択された熱拡散性を有する絶縁
    材料と、 水及び燃料の超臨界混合物をシリンダ内に噴射するための噴射装置と、 を含むエンジンシステム。
  16. 【請求項１６】 エンジンシステムであって、 少なくとも１つのピストンをシリンダ内に有し、シリンダがシリンダヘッドを
    含む内燃機関と、 ピストンと協動して、膨張部分が圧縮部分よりも大きい非対称の膨張及び圧縮
    サイクルを創出する装置と、 ピストンの表面とシリンダヘッドとにおいて選択された熱拡散性を有する絶縁
    材料と、 水及び燃料の超臨界混合物をシリンダ内に噴射するための噴射装置と、 を含むエンジンシステム。
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