JP2007064092A

JP2007064092A - 内燃機関

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Publication number: JP2007064092A
Application number: JP2005251114A
Authority: JP
Inventors: Daisaku Sawada; 大作澤田; Shinichi Mitani; 信一三谷; Hiroshi Yaguchi; 寛矢口
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2025-08-31
Also published as: JP4631616B2

Abstract

【課題】作動ガスの消費量を低減した作動ガス循環型内燃機関を提供すること。
【解決手段】内燃機関ＥＧ１は、水素を燃焼するとともに作動ガスとして不活性ガスを使用する。内燃機関ＥＧ１は、水分除去装置４１と脱気装置４４とを備えている。水分除去装置は、燃焼室２０から排出されたガスに含まれる水蒸気を第１貯留室４１ａ内にて凝縮液化して水に変化させることにより同ガスから水蒸気を除去する。水蒸気の除去されたガスは燃焼室に再度供給される。脱気装置は、第１貯留室から供給される水を貯留する第２貯留室４４ａを備え、第２貯留室の不活性ガスの分圧を第１貯留室の不活性ガスの分圧より低くすることにより、貯留した水に溶存している不活性ガスの分子を気体の状態に戻し、その気体の状態に戻された不活性ガスを燃焼室に再度供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室内にて燃料としての水素を燃焼させるとともに不活性ガスを作動ガスとして使用する内燃機関に関する。

従来から、水素を燃料として燃焼室内にて燃焼させるとともに比熱比の高いアルゴン等の不活性ガスを作動ガス（熱媒体）として使用する内燃機関が知られている。このような内燃機関の一つは、排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮液化して系外に排出し、その水蒸気が除去された排ガス（即ち、殆どが不活性ガスからなるガス）を再び燃焼室に供給するようになっている（特許文献１を参照。）。このような内燃機関は、作動ガスが循環されるので、クローズドサイクルエンジンとも称呼される。
特開平１１−９３６８１号公報

しかしながら、上記従来の内燃機関においては、凝縮液化された水に溶存している不活性ガスの分子が同凝縮液化された水とともに系外に排出されてしまうので、不活性ガスの消費量が増大するという問題がある。

本発明は、上記課題に対処するためになされたものであり、
燃焼室内にて燃料としての水素を燃焼させるとともに不活性ガスを作動ガスとして使用する内燃機関であって、
前記燃焼室から排出されたガスに含まれる水蒸気を水に変化させることにより同ガスから同水蒸気を除去するとともに同水蒸気の除去されたガスを同燃焼室に再度供給する水分除去装置と、
前記水に溶存している前記不活性ガスの分子を気体の状態に戻すことにより同水に溶存している同不活性ガスの分子の量を減少させるとともに同気体の状態に戻された不活性ガスを前記燃焼室に再度供給する脱気装置と、
を備えた内燃機関を提供する。

これによれば、燃焼室から排出されたガスに含まれる水蒸気が水へと変化させられて、同ガスから除去される。水蒸気が除去されたガスの殆どは作動ガス（不活性ガス）であり、同作動ガスは再び燃焼室に供給される。一方、上記水の中に溶存している不活性ガスの分子は、脱気装置によって気体の状態に戻され、同気体の状態に戻された不活性ガスは燃焼室に作動ガスとして再び供給される。この結果、系外に排出される不活性ガスの量を低減することができる。

この場合、前記水分除去装置は、前記燃焼室から排出されたガスを収容し且つ同ガスを冷却することによりに同ガスに含まれる前記水蒸気を凝縮液化させて前記水に変化させるとともに同凝縮液化された水を貯留する第１貯留室を備えた凝縮機を含むことができる。これによれば、燃焼室から排出されたガスから水蒸気を簡単に分離・除去することができる。

このような内燃機関において、前記脱気装置は、前記第１貯留室に貯留された水が供給されるとともに同供給された水を貯留する第２貯留室と、前記第２貯留室内における前記不活性ガスの分圧を前記第１貯留室内における前記不活性ガスの分圧より低い圧力とする不活性ガス分圧調整手段と、を含む、ことが好適である。

水の中に溶存している特定のガス分子の量は、その水が収容されている空間における特定のガス分子からなるガスの分圧が減少するほど減少する。従って、上記構成のように、第２貯留室内における不活性ガスの分圧（第２貯留室内において気体の状態にある不活性ガスの分圧）を第１貯留室内における不活性ガスの分圧（第１貯留室内において気体の状態にある不活性ガスの分圧）より低い圧力とすれば、第２貯留室に貯留された水の中に溶存している不活性ガスの分子を簡単に気体の状態に戻すことができる。

この場合、前記不活性ガス分圧調整手段は、前記第２貯留室のガスの全圧を前記第１貯留室のガスの全圧より低い圧力にすることにより、同第２貯留室内における前記不活性ガスの分圧を同第１貯留室内における前記不活性ガスの分圧より低い圧力とするように構成され得る。

これによれば、第２貯留室のガスの圧力を例えばポンプにより減圧するだけで、第２貯留室内における不活性ガスの分圧を第１貯留室内における不活性ガスの分圧より低い圧力とすることができる。

代替として、前記不活性ガス分圧調整手段は、前記第２貯留室に水素ガス及び／又は酸素ガスを補助ガスとして供給し、同第２貯留室内において気体の状態にある前記不活性ガスを同供給された補助ガスとともに前記燃焼室に戻すことにより同第２貯留室内における同不活性ガスの分圧を前記第１貯留室内における前記不活性ガスの分圧より低い圧力とするように構成され得る。

水素ガス及び酸素ガスは、何れも燃焼室に供給されて燃焼により消費されるガスである。従って、上記構成のように、第２貯留室に水素ガス及び／又は酸素ガスを補助ガスとして供給し、第２貯留室内において気体の状態にある不活性ガスを供給された補助ガスとともに燃焼室に戻せば、系内に余分なガスが導入されることなく、且つ、第２貯留室内における不活性ガスの分圧を第１貯留室内における不活性ガスの分圧より低い圧力とすることができる。

＜第１実施形態＞
以下、本発明による内燃機関（多気筒内燃機関）の第１実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、この内燃機関ＥＧ１の概略構成図である。図１は、内燃機関ＥＧ１の特定気筒の断面のみを示しているが、他の気筒も同様な構成を備えている。

内燃機関ＥＧ１は、燃焼室に作動ガスと酸素ガスと燃料としての水素ガスとを供給し、水素ガスを燃焼させる形式のエンジンである。作動ガスは熱膨張体として機能するガスであって、不活性ガスである。作動ガスは、内燃機関の熱効率を向上するために、その比熱比が大きいガスであることが望ましい。そのようなガスとしては、単原子分子からなる不活性ガスが知られている。本例における作動ガスは、単原子分子のアルゴンである。更に、内燃機関ＥＧ１は、この作動ガスを外部（系外）に放出することなく循環させる作動ガス循環型水素ガスエンジン（水素燃焼クローズドサイクルエンジン）である。内燃機関ＥＧ１は、エンジン本体部１０と、作動ガス循環部４０と、電気制御装置５０とを備えている。

エンジン本体部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とを連結するコネクティングロッド１５と、シリンダブロック部に連接されたオイルパン１６と、を備えている。シリンダヘッド１１の下面、シリンダ１２の壁面及びピストン１３の頂面は、燃焼室２０を形成している。

シリンダヘッド１１には、燃焼室２０に連通した吸気ポート３１と、燃焼室２０に連通した排気ポート３２とが形成されている。吸気ポート３１には吸気ポート３１を開閉する吸気弁３３が配設され、排気ポート３２には排気ポート３２を開閉する排気弁３４が配設されている。

更に、シリンダヘッド１１にはイグニッションコイルを含む点火プラグ３５が配設されるとともに、燃焼室２０内に水素ガスを直接噴射するための燃料噴射弁（水素噴射弁）３６が配設されている。点火プラグ３５は電気制御装置５０からの点火信号に応じて火花を発生するようになっている。燃料噴射弁３６は、図示しない燃料タンク（水素を貯蔵する高圧タンク）に図示しないレギュレータ等を介して接続されている。燃料噴射弁３６は、電気制御装置５０からの駆動信号に応じて開弁し、水素ガスを燃焼室２０に向けて噴射するようになっている。

作動ガス循環部４０は、水分除去装置４１、第１通路（第１流路形成管）４２、第２通路（第２流路形成管）４３及び脱気装置４４を備えている。

水分除去装置（気水分離装置、高分圧凝縮機）４１は、第１貯留室４１ａと、冷却管４１ｂと、第１水位センサ４１ｃと、制御弁４１ｄと、を備えている。第１貯留室４１ａの上部は、第１通路４２によって排気ポート３２と接続されている。従って、第１貯留室４１ａは、その上部空間に燃焼室２０から排出されたガスＥｘが供給されるようになっている。

第１貯留室４１ａの上部空間には、冷却管４１ｂが配設されている。冷却管４１ｂは、図示しない冷却水ポンプによって冷却水Ｗが供給されるようになっている。第１貯留室４１ａの上部空間は、第２通路４３によって内燃機関ＥＧ１の吸気ポート３１に接続されている。第１貯留室４１ａと第２通路４３との接続位置は冷却管４１ｂよりも下方である。第１水位センサ４１ｃは、第１貯留室４１ａに貯留される水の水位を検出し、同水位を表す信号ＷＬ１を発生するようになっている。制御弁４１ｄは、駆動信号により開閉する電気式開閉弁である。制御弁４１ｄの入口側は、第１貯留室４１ａの底部に接続されている。

第２通路４３には、酸素ガスミキサ４３ａとアルゴンガスミキサ４３ｂとが介装されている。酸素ガスミキサ４３ａは、図示しない酸素タンク（酸素ガスを貯蔵する高圧タンク）に図示しない酸素圧レギュレータ等を介して接続されている。アルゴンガスミキサ４３ｂは、図示しないアルゴンガスタンク（アルゴンガスを貯蔵する高圧タンク）に図示しないアルゴン圧レギュレータ等を介して接続されている。酸素ガス及びアルゴンガスは、それぞれの圧力レギュレータが調整されることにより、それぞれ調整された量だけ第２通路４３内（従って、燃焼室２０）に供給されるようになっている。

脱気装置４４は、第２貯留室４４ａ、減圧ポンプ４４ｂ、接続通路４４ｃ、圧力センサ４４ｄ、第２水位センサ４４ｅ及び排水ポンプ４４ｆを備えている。

第２貯留室４４ａは、水分除去装置４１の第１貯留室４１ａの底部よりも下方に配置されている。第２貯留室４４ａは、制御弁４１ｄの出口側と接続されている。これにより、第２貯留室４４ａは、制御弁４１ｄが開弁したとき、第１貯留室４１ａに貯留されている水（水蒸気が凝縮液化された水）が供給されるようになっている。

第２貯留室４４ａの上部空間は、電動モータ駆動式の減圧ポンプ４４ｂを備えた接続通路４４ｃを通して第２通路４３に接続されている。減圧ポンプ４４ｂは、駆動信号に応答して作動し、第２貯留室４４ａの上部空間のガスを第２通路４３に供給するようになっている。接続通路４４ｃの減圧ポンプ４４ｂと第２貯留室４４ａとの間には、圧力センサ４４ｄが配設されている。圧力センサ４４ｄは、第２貯留室４４ａの上部空間の圧力を検出し、その圧力Ｐを表す信号を発生するようになっている。

第２水位センサ４４ｅは、第２貯留室４４ａに貯留される水の水位を検出し、同水位を表す信号ＷＬ２を発生するようになっている。電動モータ駆動式の排水ポンプ４４ｆは、第２貯留室４４ａの底部に接続されている。排水ポンプ４４ｆは、駆動信号に応答して作動し、第２貯留室４４ａの下部に貯留された水を外部に排出するようになっている。

電気制御装置５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ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回路である。電気制御装置５０は、第１水位センサ４１ｃ、圧力センサ４４ｄ、第２水位センサ４４ｅ、アクセルペダル操作量センサ５１及びエンジン回転速度センサ５２等のセンサが接続されている。アクセルペダル操作量センサ５１は、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５２は、クランク軸１４の回転速度に基づいてエンジン回転速度を表す信号ＮＥを発生するようになっている。電気制御装置５０は、これらのセンサから各検出信号を入力するようになっている。

更に、電気制御装置５０は、各気筒の点火プラグ３５、各気筒の燃料噴射弁３６、制御弁４１ｄ、減圧ポンプ４４ｂ、排水ポンプ４４ｆ及び図示しない酸素圧レギュレータ及びアルゴン圧レギュレータと接続されていて、これらに駆動信号又は指示信号を送出するようになっている。

次に、上記のように構成された内燃機関ＥＧ１の作動について説明する。電気制御装置５０は、アクセルペダル操作量Accpとエンジン回転速度ＮＥとに応じて噴射すべき水素の量を決定し、その水素の量に応じた時間だけ燃料噴射弁３６を開弁させるようになっている。このような内燃機関ＥＧ１においては、（１）式に示したように、燃焼室２０に供給される水素２モルに対し１モルの酸素を供給すれば、水（水蒸気）のみが生成される。
２Ｈ_２＋Ｏ_２＝２Ｈ_２Ｏ …（１）

実際には、水素に対して酸素を若干だけ余分に供給することが望ましい。そこで、電気制御装置５０は、図示しない酸素圧レギュレータを調整し、燃焼室２０に供給される水素のモル数の半分のモル数より僅かに大きいモル数の酸素を燃焼室２０に供給する。更に、電気制御装置５０は、アクセルペダル操作量Accpとエンジン回転速度ＮＥに応じて定まる点火タイミングにて点火プラグ３５から火花を発生させる。また、電気制御装置５０は、アルゴン圧レギュレータを調整し、燃焼室２０に作動ガスとしてのアルゴンガスを供給している。以上により、燃焼室２０内において水素が燃焼し、その燃焼により発生した熱によってアルゴンガスが膨張する。その結果、ピストン１３が押し下げられ、内燃機関ＥＧ１から動力が取り出される。

燃焼が終了すると、排ガスＥｘが燃焼室２０から排気ポート３２を介して排出される。この排ガスＥｘは、主として、アルゴンガスと水蒸気とからなる。排ガスＥｘには、過剰に供給された酸素及び／又は燃焼しなかった水素が若干だけ含まれている。但し、この酸素又は水素は、微量であるから、以下の説明においては省略する。

燃焼室２０から排出された排ガスＥｘは、第１通路４２を介して第１貯留室４１ａの上部空間に流入する。そして、排ガスＥｘは、冷却管４１ｂ内を流れる冷却水Ｗによって冷却される。この結果、排ガスＥｘ中に含まれている水蒸気は、凝縮液化させられて水（液体）へと変化し、第１貯留室４１ａ内に貯留させられる。第１貯留室４１ａの上部空間内において、水蒸気が除去されたガスの主成分はアルゴンである。このアルゴンガスは、第２通路４３を通して再び燃焼室２０に供給される。

ところで、第１貯留室４１ａ内に貯留させられた水の中には、第１貯留室４１ａ（第１貯留室４１ａの上部空間）内のアルゴンガスの分圧に応じた量のアルゴン分子が溶存している。そこで、電気制御装置５０のＣＰＵは、図２のフローチャートにより示したアルゴン回収ルーチンを所定時間の経過毎に実行し、水に溶存したアルゴンを回収する。

具体的に述べると、ＣＰＵは所定のタイミングにてステップ２００から処理を開始し、ステップ２０５に進んで第１貯留室４１ａの水位レベルＷＬ１、第２貯留室４４ａの水位レベルＷＬ２及び第２貯留室４４ａの圧力Ｐを、それぞれ第１水位センサ４１ｃ、第２水位センサ４４ｅ及び圧力センサ４４ｄから読み込む。

次いで、ＣＰＵはステップ２１０に進み、水位レベルＷＬ１が第１高側基準水位ＷＬ１Ｈｉより高いか否かを判定する。このとき、水位レベルＷＬ１が第１高側基準水位ＷＬ１Ｈｉより高ければ、ＣＰＵはステップ２１５に進んで制御弁４１ｄを開弁し、ステップ２３０に進む。この結果、第１貯留室４１ａ内に貯留されていた水が第２貯留室４４ａ内に供給される。

一方、ステップ２１０の判定時において、水位レベルＷＬ１が第１高側基準水位ＷＬ１Ｈｉ以下であれば、ＣＰＵはステップ２１０にて「Ｎｏ」と判定してステップ２２０に進み、水位レベルＷＬ１が第１低側基準水位ＷＬ１Ｌｏより低いか否かを判定する。このとき、水位レベルＷＬ１が第１低側基準水位ＷＬ１Ｌｏより低ければ、ＣＰＵはステップ２２５に進んで制御弁４１ｄを閉弁し、ステップ２３０に進む。この結果、第１貯留室４１ａ内から第２貯留室４４ａ内に向かう水の流れが停止する。

更に、ステップ２２０の判定時において、水位レベルＷＬ１が第１低側基準水位ＷＬ１Ｌｏ以上であれば、ＣＰＵはステップ２２０にて「Ｎｏ」と判定してステップ２３０に直接進む。以上により、第１貯留室４１ａ内に貯留される水の水位が第１低側基準水位ＷＬ１Ｌｏより高く、且つ、第１高側基準水位ＷＬ１Ｈｉより低い範囲に制御される。

ＣＰＵはステップ２３０に進むと、水位レベルＷＬ２が第２高側基準水位ＷＬ２Ｈｉより高いか否かを判定する。このとき、水位レベルＷＬ２が第２高側基準水位ＷＬ２Ｈｉより高ければ、ＣＰＵはステップ２３５に進んで排水ポンプ４４ｆを駆動し、ステップ２５０に進む。この結果、第２貯留室４４ａ内に貯留されていた水が第２貯留室４４ａから外部（内燃機関ＥＧ１の外部）へ排出される。

一方、ステップ２３０の判定時において、水位レベルＷＬ２が第２高側基準水位ＷＬ２Ｈｉ以下であれば、ＣＰＵはステップ２３０にて「Ｎｏ」と判定してステップ２４０に進み、水位レベルＷＬ２が第２低側基準水位ＷＬ２Ｌｏより低いか否かを判定する。このとき、水位レベルＷＬ２が第２低側基準水位ＷＬ２Ｌｏより低ければ、ＣＰＵはステップ２４５に進んで排水ポンプ４４ｆの駆動を停止し、ステップ２５０に進む。この結果、第２貯留室４４ａ内からの排水が停止する。

更に、ステップ２４０の判定時において、水位レベルＷＬ２が第２低側基準水位ＷＬ２Ｌｏ以上であれば、ＣＰＵはステップ２４０にて「Ｎｏ」と判定してステップ２５０に直接進む。以上により、第２貯留室４４ａ内に貯留される水の水位が第２低側基準水位ＷＬ２Ｌｏより高く、且つ、第２高側基準水位ＷＬ２Ｈｉより低い範囲に制御される。

ＣＰＵはステップ２５０に進むと、第２貯留室４４ａの圧力Ｐが高側基準圧力ＰｔｈＨｉより大きいか否かを判定する。このとき、圧力Ｐが高側基準圧力ＰｔｈＨｉより大きければ、ＣＰＵはステップ２５５に進んで減圧ポンプ４４ｂを駆動し、ステップ２９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

この高側基準圧力ＰｔｈＨｉは、第２貯留室４４ａ（第２貯留室４４ａのガスで満たされている上部空間）内の全圧Ｐが同高側基準圧力ＰｔｈＨｉと等しくなった場合であっても、第２貯留室４４ａ内のアルゴンガスの分圧が第１貯留室４１ａ（第１貯留室４１ａのガスで満たされている上部空間）内のアルゴンガスの分圧の想定される最小値よりも小さくなるような値に選択されている。

これにより、第２貯留室４４ａ内のアルゴンガスの分圧は第１貯留室４１ａ内のアルゴンガスの分圧よりも小さくなる。従って、第２貯留室４４ａに貯留されている水に溶存しているアルゴン分子は気体の状態に戻り（即ち、第２貯留室４４ａに貯留されている水に溶存しているアルゴン分子が水から脱し、上部空間においてガス状に存在するようになり）、その気体の状態に戻ったアルゴンガスが減圧ポンプ４４ｂ及び第２通路４３を通って燃焼室２０に再び供給される。

一方、ステップ２５０の判定時において、第２貯留室４４ａの圧力Ｐが高側基準圧力ＰｔｈＨｉ以下であれば、ＣＰＵはステップ２５０にて「Ｎｏ」と判定してステップ２６０に進み、圧力Ｐが低側基準圧力ＰｔｈＬｏより小さいか否かを判定する。このとき、第２貯留室４４ａの圧力Ｐが低側基準圧力ＰｔｈＬｏより小さければ、ＣＰＵはステップ２６５に進んで減圧ポンプ４４ｂの駆動を停止し、ステップ２９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

この低側基準圧力ＰｔｈＬｏは、第２貯留室４４ａ（第２貯留室４４ａのガスで満たされている上部空間）内の全圧が同低側基準圧力ＰｔｈＬｏまで低下した場合であっても、第２貯留室４４ａに貯留された水の気化を招かない程度の圧力に選択されている。

更に、ステップ２６０の判定時において、第２貯留室４４ａの圧力Ｐが低側基準圧力ＰｔｈＬｏ以上であれば、ＣＰＵはステップ２６０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。以上により、第２貯留室４４ａ内のガスの圧力（ガスの全圧）が、所定圧力範囲（低側基準圧力ＰｔｈＬｏより高く、且つ、高側基準圧力ＰｔｈＨｉより低い範囲）に制御される。

以上、説明したように、第１実施形態に係る内燃機関ＥＧ１は、燃焼室２０内にて燃料としての水素を燃焼させるとともに不活性ガス（例えば、アルゴン）を作動ガスとして使用する内燃機関であって、燃焼室２０から排出されたガスに含まれる水蒸気を水に変化させることにより同ガスから同水蒸気を除去するとともに同水蒸気の除去されたガスを同燃焼室に再度供給する水分除去装置（４１）と、前記水に溶存している前記不活性ガスの分子を気体の状態に戻すことにより同水に溶存している同不活性ガスの分子の量を減少させるとともに同気体の状態に戻された不活性ガスを前記燃焼室に再度供給する脱気装置（４４）と、を備えている。

従って、水蒸気から変化させられた水の中に溶存している不活性ガスの分子を回収することができるので、不活性ガス（不活性ガスの分子）の消費量を低減することができる。

また、水分除去装置４１は、燃焼室２０から排出されたガスを収容し且つ同ガスを冷却することによりに同ガスに含まれる前記水蒸気を凝縮液化させて前記水に変化させるとともに同凝縮液化された水を貯留する第１貯留室４１ａを備えた凝縮機（４１ａ，４１ｂ等）を含んでいる。これにより、燃焼室２０から排出されたガスから水蒸気を簡単に分離・除去することができる。

また、脱気装置４４は、第１貯留室４１ａに貯留された水が供給されるとともに同供給された水を貯留する第２貯留室４４ａと、第２貯留室４４ａのガスの全圧を第１貯留室４１ａのガスの全圧より低い圧力にすることにより、第２貯留室４４ａ内におけるアルゴンガスの分圧を第１貯留室４１ａ内におけるアルゴンガスの分圧より低い圧力とする不活性ガス分圧調整手段（減圧ポンプ４４ｂ、接続通路４４ｃ、圧力センサ４４ｄ及び図２のルーチン）と、を含んでいる。これにより、第２貯留室４４ａに貯留された水の中に溶存しているアルゴン分子を簡単に気体の状態に戻すことができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明による内燃機関の第２実施形態について図３及び図４を参照しながら説明する。この内燃機関は、第１実施形態に係る内燃機関ＥＧ１の脱気装置４４を脱気装置６１に置換した点と、電気制御装置５０が図２に代わる図４のフローチャートに示したルーチンを実行する点のみにおいて、内燃機関ＥＧ１と相違している。従って、以下、かかる相違点を中心として説明する。

脱気装置６１は、第２貯留室６１ａと、接続通路６１ｂと、第２水位センサ６１ｃと、排水弁６１ｄと、酸素タンク６１ｅと、圧力レギュレータ６１ｆとを備えている。

第２貯留室６１ａは、水分除去装置４１の第１貯留室４１ａの底部よりも下方に配置されている。第２貯留室６１ａは、制御弁４１ｄの出口側と接続されている。これにより、第２貯留室６１ａは、制御弁４１ｄが開弁したとき、第１貯留室４１ａに貯留されている水が供給されるようになっている。

第２貯留室６１ａは、第１プレート６１ａ１、第２プレート６１ａ２、酸素ガス供給部６１ａ３を備えている。第１プレート６１ａ１は、第２貯留室６１ａを二つの部屋（左方室ＬＲと右方室ＲＲ）に分割し、且つ、それらの二つの部屋の上部及び下部が連通するように、第２貯留室６１ａ内に保持されている。第２プレート６１ａ２は、第２貯留室６１ａの上部近傍であって左方室ＬＲの壁に設けられた接続通路６１ｂと接続される開口と、第１プレート６１ａ１と、の間の位置において、第２貯留室６１ａの上部から垂下されている。酸素ガス供給部６１ａ３は、右方室ＲＲの底部に配設されている。酸素ガス供給部６１ａ３は、中空の板状体であって、上壁部に微小な開口を多数備えている。第２貯留室６１ａの上部空間（左方室ＬＲの上部空間）は、上記開口に接続された接続通路６１ｂを通して第２通路４３に接続されている。

なお、第１プレート６１ａ１及び第２プレート６１ａ２は、右方室ＲＲにて酸素ガスが底部から供給されることにより右方室ＲＲ内の水面が乱れても、その影響が左方室ＬＲに現れることがないように、且つ、右方室ＲＲ上方において飛散した水分が接続通路６１ｂを介して燃焼室２０に導入されることがないようにするためのバッフルプレートである。

第２水位センサ６１ｃは、第２貯留室６１ａに貯留される水の水位を検出し、同水位を表す信号ＷＬ２を発生するようになっている。排水弁６１ｄは、第２貯留室６１ａの底部に接続されている。排水弁６１ｄは、駆動信号により開閉する電気式開閉弁である。排水弁６１ｄが開弁されたとき、第２貯留室６１ａの下部に貯留された水は外部に排出される。

酸素タンク６１ｅは、酸素ガスを貯蔵する高圧タンクである。酸素タンク６１ｅは、圧力レギュレータ６１ｆを介して酸素ガス供給部６１ａ３に接続されている。圧力レギュレータ６１ｆは、駆動信号に応答して開度を変化し、酸素ガス供給部６１ａ３に供給される酸素ガスの量を制御するようになっている。

次に、上記のように構成された第２実施形態に係る内燃機関の作動について図４を参照しながら説明する。なお、図４において先に説明した図２と同一のステップには同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

電気制御装置５０のＣＰＵは、所定時間の経過毎に図４に示したステップ４００から処理を開始し、ステップ４０５に進んで第１貯留室４１ａの水位レベルＷＬ１及び第２貯留室６１ａの水位レベルＷＬ２を、それぞれ第１水位センサ４１ｃ及び第２水位センサ６１ｃから読み込む。次いで、ＣＰＵはステップ２１０乃至ステップ２２５のうちの適当なステップの処理を行った後、ステップ４１０へと進む。これにより、第１貯留室４１ａ内に貯留される水の水位が第１低側基準水位ＷＬ１Ｌｏより高く、且つ、第１高側基準水位ＷＬ１Ｈｉより低い範囲に制御される。

ＣＰＵはステップ４１０に進むと、水位レベルＷＬ２が第２高側基準水位ＷＬ２Ｈｉより高いか否かを判定する。このとき、水位レベルＷＬ２が第２高側基準水位ＷＬ２Ｈｉより高ければ、ＣＰＵはステップ４１５に進んで排水弁６１ｄを開弁し、ステップ４９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。この結果、第２貯留室６１ａ内に貯留されていた水が第２貯留室６１ａから外部へ排出される。なお、第２高側基準水位ＷＬ２Ｈｉは、第２貯留室６１ａと接続通路６１ｂとの接続部（上記開口）より低い位置に設定されている。

一方、ステップ４１０の判定時において、水位レベルＷＬ２が第２高側基準水位ＷＬ２Ｈｉ以下であれば、ＣＰＵはステップ４１０にて「Ｎｏ」と判定してステップ４２０に進み、水位レベルＷＬ２が第２低側基準水位ＷＬ２Ｌｏより低いか否かを判定する。このとき、水位レベルＷＬ２が第２低側基準水位ＷＬ２Ｌｏより低ければ、ＣＰＵはステップ４２５に進んで排水弁６１ｄを閉弁し、ステップ４９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。この結果、第２貯留室６１ａ内からの排水が停止する。

更に、ステップ４２０の判定時において、水位レベルＷＬ２が第２低側基準水位ＷＬ２Ｌｏ以上であれば、ＣＰＵはステップ４２０にて「Ｎｏ」と判定してステップ４９５に直接進む。以上により、第２貯留室４４ａ内に貯留される水の水位が第２低側基準水位ＷＬ２Ｌｏより高く、且つ、第２高側基準水位ＷＬ２Ｈｉより低い範囲に制御される。

同時に、電気制御装置５０は、圧力レギュレータ６１ｆを所定の開度に調節し、酸素タンク６１ｅからの酸素ガスを酸素ガス供給部６１ａ３を介して第２貯留室６１ａの底部に供給している。これにより、第２貯留室６１ａ内の上部空間内のアルゴンガスが、供給された酸素ガスにより第２貯留室６１ａから押し出され、接続通路６１ｂを通して第２通路４３（従って、燃焼室２０）へと供給される。換言すると、第２貯留室６１ａ内の上部空間にあるアルゴンガスが第２貯留室６１ａ内の上部空間に供給された酸素ガスとともに燃焼室２０へと供給される。

この結果、第２貯留室６１ａ（第２貯留室６１ａの上部空間）におけるアルゴンガスの分圧が、第１貯留室４１ａ（第１貯留室４１ａの上部空間）におけるアルゴンガスの分圧より低くなる。従って、第２貯留室６１ａに貯留されている水に溶存しているアルゴン分子は気体の状態に戻り、その気体の状態に戻ったアルゴンガスが接続通路６１ｂ及び第２通路４３を通って燃焼室２０に再び供給される。

以上、説明したように、第２実施形態に係る内燃機関も、燃焼室２０内にて燃料としての水素を燃焼させるとともに不活性ガス（例えば、アルゴン）を作動ガスとして使用する内燃機関であって、燃焼室２０から排出されたガスに含まれる水蒸気を水に変化させることにより同ガスから同水蒸気を除去するとともに同水蒸気の除去されたガスを同燃焼室に再度供給する水分除去装置（４１）と、前記水に溶存している前記不活性ガスの分子を気体の状態に戻すことにより同水に溶存している同不活性ガスの分子の量を減少させるとともに同気体の状態に戻された不活性ガスを前記燃焼室に再度供給する脱気装置（６１）と、を備えている。

従って、水蒸気から変化させられた水の中に溶存している不活性ガス分子を回収することができるので、不活性ガス分子の消費量を低減することができる。

また、脱気装置６１は、第１貯留室４１ａに貯留された水が供給されるとともに同供給された水を貯留する第２貯留室６１ａと、第２貯留室６１ａ内におけるアルゴンガスの分圧を第１貯留室４１ａ内におけるアルゴンガスの分圧より低い圧力とする不活性ガス分圧調整手段（６１ｂ、６１ａ３、６１ｅ、６１ｆ及び図４のルーチン等）と、を含んでいる。これにより、第２貯留室６１ａに貯留された水の中に溶存しているアルゴン分子を簡単に気体の状態に戻すことができる。

更に、その不活性ガス分圧調整手段は、第２貯留室６１ａに酸素ガスを補助ガスとして供給し、第２貯留室６１ａ内のアルゴンガスを同供給された補助ガスとともに燃焼室２０に戻すようになっている。これにより、第２貯留室６１ａ内におけるアルゴンガスの分圧が第１貯留室４１ａ内におけるアルゴンガスの分圧より低い圧力となる。その結果、液化凝縮された水に溶存していたアルゴン分子が気体の状態に戻り、系外に排出されることなく燃焼室２０に再び供給される。

以上、説明したように、本発明による内燃機関の各実施形態によれば、排ガス中の水蒸気が凝縮液化されることにより生成された水に溶存している不活性ガスの量が低減されてから、同凝縮液化された水が系外に排出されるので、不活性ガス分子の消費量を低減したクローズドサイクルエンジンが提供される。なお、本発明は上記各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、上記内燃機関ＥＧ１は、作動ガスとしてアルゴンガスを使用していたが、不活性ガスであればアルゴン以外のガス（例えば、ＣＯ_２等の３原子ガス、或いは、Ｈｅ等のアルゴン以外の単原子ガス）を使用してもよい。この場合、窒素原子を含まず、且つ、比熱比が高いガスが好ましく、その意味において単原子ガス、特に、アルゴンは最適な作動ガスである。

また、上記各実施形態においては、酸素が水素に対して燃焼室２０に過剰に供給されていたが、水素を過剰に供給してもよい。更に、第２実施形態において、酸素タンク６１ｅを水素タンクに置換し、補助ガスとして水素ガスを第２貯留室６１ａに供給してもよい。加えて、第２実施形態における圧力レギュレータ６１ｆは、単純な絞りに置き換えることもできる。また、本発明は、水素ガスを拡散燃焼させるディーゼルエンジンにも当然に適用され得る。

本発明の第１実施形態に係る内燃機関の概略図である。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。本発明の第２実施形態に係る内燃機関の部分概略図である。本発明の第２実施形態に係る内燃機関のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。

符号の説明

１０…エンジン本体部、２０…燃焼室、３１…吸気ポート、３２…排気ポート、３６…燃料噴射弁、４０…作動ガス循環部、４１…水分除去装置、４１ａ…第１貯留室、４１ｂ…冷却管、４１ｃ…第１水位センサ、４１ｄ…制御弁、４２…第１通路、４３…第２通路、４４…脱気装置、４４ａ…第２貯留室、４４ｂ…減圧ポンプ（差圧ポンプ）、４４ｃ…接続通路、４４ｄ…圧力センサ、４４ｅ…第２水位センサ、４４ｆ…排水ポンプ、５０…電気制御装置、６１…脱気装置、６１ａ…第２貯留室、６１ａ３…酸素ガス供給部、６１ｂ…接続通路、６１ｃ…第２水位センサ、６１ｄ…排水弁、６１ｅ…酸素タンク、６１ｆ…圧力レギュレータ。

Claims

燃焼室内にて燃料としての水素を燃焼させるとともに不活性ガスを作動ガスとして使用する内燃機関であって、
前記燃焼室から排出されたガスに含まれる水蒸気を水に変化させることにより同ガスから同水蒸気を除去するとともに同水蒸気の除去されたガスを同燃焼室に再度供給する水分除去装置と、
前記水に溶存している前記不活性ガスの分子を気体の状態に戻すことにより同水に溶存している同不活性ガスの分子の量を減少させるとともに同気体の状態に戻された不活性ガスを前記燃焼室に再度供給する脱気装置と、
を備えた内燃機関。
請求項１に記載の内燃機関において、
前記水分除去装置は、前記燃焼室から排出されたガスを収容し且つ同ガスを冷却することによりに同ガスに含まれる前記水蒸気を凝縮液化させて前記水に変化させるとともに同凝縮液化された水を貯留する第１貯留室を備えた凝縮機を含む内燃機関。
請求項２に記載の内燃機関において、
前記脱気装置は、
前記第１貯留室に貯留された水が供給されるとともに同供給された水を貯留する第２貯留室と、
前記第２貯留室内における前記不活性ガスの分圧を前記第１貯留室内における前記不活性ガスの分圧より低い圧力とする不活性ガス分圧調整手段と、
を含む、内燃機関。
請求項３に記載の内燃機関において、
前記不活性ガス分圧調整手段は、前記第２貯留室のガスの全圧を前記第１貯留室のガスの全圧より低い圧力にすることにより、同第２貯留室内における前記不活性ガスの分圧を同第１貯留室内における前記不活性ガスの分圧より低い圧力とするように構成された内燃機関。
請求項３に記載の内燃機関において、
前記不活性ガス分圧調整手段は、前記第２貯留室に水素ガス及び／又は酸素ガスを補助ガスとして供給し、同第２貯留室内において気体の状態にある前記不活性ガスを同供給された補助ガスとともに前記燃焼室に戻すことにより同第２貯留室内における同不活性ガスの分圧を前記第１貯留室内における前記不活性ガスの分圧より低い圧力とするように構成された内燃機関。