JP2007518931A

JP2007518931A - 圧縮装置を制御する方法及びシステム

Info

Publication number: JP2007518931A
Application number: JP2006550994A
Authority: JP
Inventors: ヘドマン，マッツ
Original assignee: カージン・エンジニアリング・アクチボラグ
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2007-07-12
Also published as: RU2006129867A; CN100416072C; EP1709315A1; CN1910361A; SE0400129L; DE602005023405D1; ATE480703T1; US20070151528A1; SE0400129D0; KR20070007282A; SE526379C2; EP1709315B1; WO2005071249A1

Abstract

燃焼エンジンの燃焼チャンバ内にて媒質を圧縮する方法であって、その方法により、圧縮行程中、噴霧状態の液体が圧縮チャンバ内に導入され、液体が圧縮チャンバ内に導入される前に、噴霧の液滴の少なくとも一部分が圧縮チャンバに入ると瞬間的に爆発するような程度まで、液体が加圧され且つ加熱され、また、液体は、導入の瞬間にて、圧縮チャンバ内にて導入の瞬間に存在する圧力よりも高い蒸気圧力を有する程度まで加圧され、液体は、導入の瞬間にて、圧縮チャンバ内にて導入の瞬間に存在する温度及び圧力に対する液体の沸点を上廻る温度を有するような程度まで加熱され、液体は水である、方法である。液体は、導入の瞬間にて、液体の導入の瞬間における媒質の温度よりも低い温度を有するような程度まで加熱される。

Description

本発明は、燃焼エンジンの燃焼チャンバ内にて媒質を圧縮する方法に関し、その方法により、圧縮行程中、噴霧状態の液体が圧縮チャンバ内に導入され、また、液体は、液体が圧縮チャンバ内に導入される前に、噴霧の液滴の少なくとも一部分が圧縮チャンバに入ると瞬間的に爆発するような程度まで加圧され且つ加熱され、また、液体は、導入の瞬間にて、圧縮チャンバ内にて導入の瞬間に存在する圧力よりも高い蒸気圧力を有するような程度まで加圧され、また、液体は、導入の瞬間にて、圧縮チャンバ内にて導入の瞬間に存在する温度及び圧力に対する液体の沸点を上廻る温度を有するような程度まで加熱され、液体は水である。

本発明は、また、圧縮行程中、噴霧状態の液体が圧縮チャンバ内に導入されるようにする、媒質をコンプレッサの圧縮チャンバ内にて圧縮する方法にも関する。
本発明は、また、圧縮行程中、噴霧状態の液体が圧縮チャンバ内に導入され、上記液体を加圧し且つ加熱する手段と、液体を圧縮チャンバ内に導入する手段と、圧縮チャンバ内の圧力及び（又は）温度を決定する手段とを備える、媒質を燃焼エンジン又はコンプレッサの圧縮チャンバ内にて圧縮する装置を制御するシステムにも関する。

本発明は、コンプレッサ及び燃焼エンジンにて具体化するのに特に適しており、このため、単に一例として、主として燃焼エンジンにて具体化されるものとして説明する。

圧縮空気は、各種型式の燃焼エンジンにとって必要であり、また、産業界で広範囲に渡って使用されている。使用される燃焼エンジン又はコンプレッサの型式を問わず、媒質、空気又は気体が燃焼するとき、熱が発生され、熱が発生されたとき、この熱を運び去ることができるならば、上記圧縮を行うのに必要なエネルギを減少させることができる。このことは、周知の事実であり、等温圧縮と称される。燃焼エンジンにおいて、低い燃焼温度とすることにより窒素酸化物の発生を減少させることができ、また、改良された効率の助けによって二酸化炭素の発生量を減少させることができる。これにより、圧縮空気のユーザにとって、運転コストを削減することができる。等温圧縮、すなわち同時的冷却を伴う圧縮は、環境上の観点から価値あるものであろう。

圧縮中又は圧縮する前、水を噴射する極めて多数の試みが為されている。スクリューコンプレッサの性能を向上させる１つの試みは、ジァン・ガンナーパーソン（Ｊａｎ−ＧｕｎｎａｒＰｅｒｓｓｏｎ）による１９８６−０１−３０「液体噴射式コンプレッサにおける熱交換（ＨＥＡＴＥＸＣＨＡＮＧＥＩＮＬＩＱＵＩＤＩＮＪＥＣＴＥＤＣＯＭＰＲＳＳＯＲＳ）」という題の文献に開示されている。この場合、水滴は、空気の導入と同時に噴霧され、その目的は、水滴が空気から圧縮熱を吸収し、通常、必要とされる圧縮仕事量を減少させることである。好ましくは、水滴は蒸発するようにする。第二に、空気中の多数の小さい液滴は全体として、大きい冷却表面積を構成する。圧縮仕事は、かなりの程度、減少するものの、この減少程度は、全体として、噴霧を実現するのに必要とされる余分な仕事量に相応する。全体として、この試みの結果、仕事量を何ら減少させることはできなかった。燃焼速度は、空気から水滴に熱を伝達することを可能にするよう迅速であり、その結果、何ら蒸発は現われない。このため、著しく多量の水が必要となるが、液滴を十分に小さく形成することはできない。換言すれば、全液滴表面の合計である全冷却表面積は小さくなる。液滴が小さければ小さい程、冷却効果はより優れたものとなる。従って、等温圧縮のための有利なファクタは、冷却表面積がより大きいこと、及び燃焼行程中の時間がより長いことである。これらのファクタは、個別に交換可能である。例えば、極めて大きい冷却表面積であれば、使用時間はより短くなる。

燃焼温度を低くし、従って、窒素酸化物、Ｎｏｘの発生を減少させる目的のため、水を燃焼エンジン中に噴射する試みも為されている。その他の実験は、水をピストン先端に、また、燃焼チャンバを取り囲むその他の熱した面に対して蒸発させることにより、効率を改良しようとする試みを主眼としている。これらの実験及び試験から、燃焼温度の低下により窒素酸化物の発生量が減少し、また、効率は少なくとも幾つかの場合、有益な方向に向けて実現できることが判明した。しかし、これらの結果は、水を輸送し且つ（又は）エンジンの排気ガスから再循環するため任意の実用的なシステムの使用を動機付ける程、十分優れたものではない。

最も近い先行技術と見なされる文献である米国特許明細書Ａ１、２００４０００３７８１号には、圧縮中、亜臨界水又は超臨界水の噴霧が圧縮チャンバ内に噴射される状態が示されている。噴射水の温度及び圧力は相対的に高い。３７３℃である水の臨界温度よりも低い温度の水のとき、亜臨界水と称され、また、液相及び気相における温度が最早、両者を識別することができないような温度である上記温度以上の水であるとき、超臨界温度と称される。

本発明の基本的着想は、コンプレッサのチャンバ或いは燃焼エンジンのチャンバとすることのできる圧縮チャンバ内に噴射された水を上記チャンバ内での温度上昇を減少させ、従って、少ない圧縮仕事量となることに寄与することを目的として使用することである。燃焼エンジンの場合、本発明は、また、特に、窒素酸化物の発生量の減少に寄与するとも考えられる。

上記の文献による方法は、圧縮仕事量を減少させず、それどころか、圧縮すべき媒質を加熱することで圧縮仕事量を少なくとも最初に増大させると考えられる。１０ＭＰａ（１００バール）以上の圧力及び５２３Ｋ（２５０゜＋２７３゜）の温度の水が噴射される。その結果、気化熱が圧縮すべき媒質からではなくて水から最初に奪われるフラッシュ蒸発となる。米国特許明細書Ａ１，２００４０００３７８１号に記載された技術は、主として、ＮＯｘ−排気ガスを減少させることを主眼とするもので、圧縮仕事量を減少させることではない。

本発明の目的は、コンプレッサ又は燃焼エンジン内の圧縮仕事量を減少させる目的にて、圧縮中、燃焼エンジン及びコンプレッサの圧縮チャンバ内に水を噴射すべく適用可能な原理を確立する新規な方法を画定することにより、上述した問題点を解決することである。

従って、本発明の結果、噴射媒質として使用される水は、燃焼エンジン及びコンプレッサの効率を向上させ且つ燃焼エンジン内の窒素酸化物の発生量を減少させるような要領にて使用される。

その導入の瞬間にて、液体が、液体の導入の瞬間における媒質の温度よりも低い温度を有するような程度まで加熱されることを特徴とする、請求項１の前文部分に記載の方法によって、燃焼エンジンに対する本発明の目的が実現される。

液体が圧縮チャンバ内に導入される前に、液体が、噴霧液滴の少なくとも一部分が圧縮チャンバ内に入るとき瞬間的に爆発するような程度まで加圧され且つ加熱されることを特徴とする、請求項２の前文部分に記載の方法によって、コンプレッサに対する本発明の目的が実現される。先行技術による全ての既知の方法は、燃焼エンジンへの適用を主眼とするものである。先行技術が完全に主眼とすることは、純然たる圧縮過程ではなくて、燃焼過程にて請求項２に記載の冷却型式を介してどのような種類の有利な効果が得られるかに関するものであるように思われる。このため、請求項２に記載されたように、本発明は、請求項１に記載された燃焼エンジンへの具体化ではなくて、より一般的に画定される。

圧力及び（又は）温度を決定する手段に、及び液体の加圧及び加熱手段に作用可能に接続され、圧縮チャンバ内の圧力及び温度に関する情報に基づき、また、本発明の方法に従って液体を圧縮チャンバ内に導入する手段を制御し得るようにされたコンピュータプログラムを含む制御装置を備えることを特徴とする、最初に画定された制御システムにより、本発明の目的が実現される。

請求項２に記載の方法の好ましい実施の形態に従い、液体は、その導入の瞬間にて、圧縮チャンバ内に導入の瞬間に存在する圧力よりも高い蒸気圧力を有するような程度まで加圧されることが好ましい。更に、液体は、その導入の瞬間にて、圧縮チャンバ内にその導入の瞬間に存在する温度及び圧力にて液体の沸点以上の温度を有するような程度まで加熱されることが好ましい。液体は、その導入の瞬間にて、媒質の温度よりも低い該導入の瞬間における温度を有するような程度まで加熱されることも好ましい。

本発明は極めて小さく及び多数の液滴を発生させることを可能にし、その結果、顕著に大きい冷却面を通じて圧縮熱を吸収し、また、一方、蒸発の結果、圧縮仕事量は減少し、製造コストが減少し、また、環境への影響が減少するようにする。本発明がピストンコンプレッサにて具体化されるならば、極めて多量に導入された水によっていわゆる水噴霧行程が生じるように実現されなければならない。爆発した噴霧液滴の少なくとも部分的な蒸発は、液体がチャンバ内に入ったとき瞬間的に且つ直ちに生じるよう具体化する必要もある。チャンバ内の圧力及び温度が上昇するとき、圧縮行程の残りの部分の間、まだ蒸発されなかった液体の連続的な蒸発が生じる。好ましくは、圧縮行程中、圧縮チャンバ内に導入された全ての液体が蒸発されるようにする。この場合、液体は、燃料（燃焼エンジンの場合）ではなくて、主として水と称される。好ましくは、噴霧液滴の圧力及び温度は、噴霧液滴の顕著な部分、好ましくは１０％以上、より好ましくは５０％以上、最も好ましくはその全てが圧縮チャンバ内に入ったとき、爆発するようにする。

本発明の１つの実施の形態は、上記システムを燃焼エンジンに対して実用的に使用することの動機となるであろう。好ましくは、空気が圧縮されるあらゆる型式の燃焼エンジンに対しこの方法を使用することが可能である。圧縮中、及び本発明を具体化するときに加熱され且つ（又は）蒸発される水は、圧縮熱を吸収し且つ排出し、従って圧縮仕事量を減少させ、これによりエンジン効率を向上させる。圧縮行程に続く燃焼は、より低温度にて開始され、その結果、より低い最高温度となり、また、ＮＯｘの発生量が減少する。しかし、１つの更なる温度降下ファクタがある、すなわち燃焼中に自由とされるエネルギによって作動媒質だけではなくて、より多量の作動媒質及び水流を加熱しなければならないことである。従って、水流は、より低い燃焼温度を通じてＮＯｘの発生量を減少させることを目的とする、一般的な方法である、いわゆるＥＧＲ排気気体再生と同一の効果を有する。シリンダ冷却の必要性は軽減され、その結果、効率が改良される。排気ガスが主として水によって構成されるとき、水の再循環は促進されるから、本発明は、水素ガス又は天然ガスが燃料として使用される場合に特に適している。本発明は、また、燃焼エンジン及び燃料電池における燃料として使用される、例えば、水素ガス又は天然ガスを圧縮するにも適している。

しかし、液体は、その導入の瞬間にて媒質の導入の瞬間における温度よりも低い温度を有するような程度まで加熱されることが好ましい。
燃焼エンジンの場合、液体は、燃料を導入する目的のため燃焼エンジンにより使用される弁を通して、好ましくは、燃料の導入と同時に導入される。

本発明に従って圧縮チャンバ内に導入される液体は水であり、また、圧縮チャンバ内にて圧縮される媒質は空気である。
これにより、本発明によれば、シリンダ空間内の圧力が４５０ｋＰａ（４．５バール）以上であるとき、水をシリンダ空間内に導入しなければならない。そのの理由は、本発明の詳細な説明にてより具体的に開示されている。

本発明の更なる特徴及び有利な効果は、以下の説明及び特許請求の範囲に開示されるであろう。

以下に、添付図面を参照して、本発明を単に一例として説明する。
本発明の基本原理は、表１から理解することができる。縦列Ａには、空気の断熱膨張による多少の圧力差（バール）が示されており、ここで、圧縮前の空気圧力は１００ｋＰａ（１バール）であり、温度は−０．１５℃（２７３Ｋ）である。カッパー（Ｋａｐｐａ）は、１．４である。縦列Ｂにおいて、縦列Ａによる圧力差を有する圧縮空気の温度（Ｋ）が示されている。縦列Ｃにおいて、縦列Ａによる圧力差に対する水の沸点温度（Ｋ）が示されている。圧力差に対する水の沸点温度は、蒸気圧力曲線から視覚的に読み取ったものである。縦列Ｄは、縦列Ｂによる温度にて水が沸騰するのを防止するのに必要な加圧程度を示す。
［表１］
ＡＢＣＤ
ＭＰａ ℃ ℃ ＭＰａ
（バール）（°Ｋ）（°Ｋ）（バール）
２３６９．３５２１１．８５２１
（２０）（６４２．５）（４８５）（２１０）
１２５４．０５１７９．８５４
（１０）（５２７．２）（４５３）（４０）
０．６１８２．４５１５８．８５１
（６）（４５５．６）（４３２）（１０）
０．５１５９．３５１４９．８５０．６
（５）（４３２．５）（４２３）（６）
０．４５１４６．６５１４６．８５０．４５
（４．５）（４１９．８）（４２０）（４．５）
０．４１３２．５５１４３．８５０．３
（４）（４０５．７）（４１７）（３）
０．３１００．６５１３２．８５０．１
（３）（３７３．８）（４０６）（１）
表１：空気が断熱膨張する間の圧力差及び温度、及びこれらの圧力における水の沸点温度、断熱膨張時の値を計算するための等式の参考書、水の沸点及び必要な加圧程度に関する情報は、１９９０年にスチューデンツリテラテュル・アイ・ランド（ＳｔｕｄｅｎｔｌｉｔｔｅｒａｔｕｒｉＬｕｎｄ）により出版された、ヘンリックアルヴァレッツ（ＨｅｎｒｉｋＡｌｖａｒｅｚ）によるエネルギ技術（Ｅｎｅｒｇｉｔｅｋｎｉｋ）という書籍を参考とする。

表１には、約４５０ｋＰａ（４．５バール）にて、太字で標識した交点があることが示されている。より低圧力のとき、水の沸点温度は、圧縮空気の温度以上であると同時に、水の沸騰を防止するのに必要な加圧程度は、圧縮空気の圧力よりも低い。４５０ｋＰａ（４．５バール）の圧力のとき、水の沸点温度は、圧縮空気の温度よりも低いと同時に、水の沸騰を防止するのに必要な加圧程度は、圧縮空気の圧力よりも高い。このことが本発明の着想の基礎となるものである。圧縮すべき、空気又は気体である媒質中に水を噴射、噴霧する間、水は加圧し且つ水が激しく沸騰し又は爆発する温度まで加熱しなければならず、この温度により、水は極めて微細に分解されて極めて小さい液滴となり、十分に大きい冷却表面積が得られ、熱を水滴の加熱を通じて且つ（又は）蒸気を通じて排除することができるようにする。蒸気圧力は圧縮圧力よりも高いため、水は、圧縮された状態の媒質中に入る瞬間に減圧されるから、水にて爆発動作が実現される。水は、圧縮すべき媒質中に導入される前、熱が供給されているため、霧化することが可能である。例えば、排気ガス及び（又は）シリンダの冷却を通して又はその他の形態にてその他の要領で失われるであろう、廃熱とも称される熱が、水が圧縮すべき媒質に供給される前に、水を加熱するために使用されることが本発明の１つの特徴である。このことは、燃焼排気ガスと水の間、シリンダの冷却媒質と水との間、又はシリンダ材料と水との間の直接的な熱交換を介して実現することができる。

圧縮状態は、異なるエンジン及びコンプレッサ間にて、また、圧縮前の媒質の圧力及び温度間にて相違する。本発明を具体化するとき、これらの状態は、上述したものと同様の共通部分（ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ）が存在するようなものであることが好ましい。燃焼エンジンにより一般的である、予圧縮し且つ予冷却した空気の場合、共通部分は、上記４５０ｋＰａ（４．５バール）よりも実質的に高い圧縮圧力にて生じるであろう。しかし、表１に示した状態であれば、４５０ｋＰａ（４．５バール）における共通部分上方の領域に興味が引かれる。従って、圧縮圧力が４５０ｋＰａ（４．５バール）を超えた後に水を導入する必要がある。更に、水は、加圧する必要があり、且つ水が減圧され、また、導入後直ちに沸騰し始めるような温度を有する必要がある。この導入は、この目的に適応し得るようにされた入口弁を介して水を圧縮チャンバ内に噴霧することで行われる。既に小さくなっている噴霧液滴は、減圧及び沸騰する間、爆発し、一方にて、直ちに蒸発し且つ他方にて、次の圧縮の間に蒸発する小さい水滴となる。従って、圧縮熱の発生が続くと、蒸発しない水滴は続けて加熱され、また、その後、沸騰及び蒸発が生じ、蒸発のために使用した熱は、媒質の更なる温度上昇に反作用する。従って、熱は、圧縮状態にある空気から排除され、圧縮する間、水蒸気を発生させる。好ましくは、本発明による制御システムは、圧縮チャンバ内の圧力及び温度を検知するセンサと、これらのセンサ及び入口弁と作用可能に接続され、圧力センサ及び温度センサから得た情報に基づいて、液体、すなわち水を噴射すべきときを制御するコンピュータプログラムにより構成されたソフトウェアが設けられた制御装置とを備えるものとする。

燃焼エンジンにより、圧縮中に空気により温度が降下される結果、次の圧縮は、より低温度にて開始されることになろう。次に、全体の燃焼過程が実行され、また、より低い最高温度を有することになろう。燃焼中に加熱すべき容積には水が添加され、従って加熱される容積はその他の場合よりも大きくなり、その結果、最高温度は更に降下する。これにより、本発明は、高い燃焼温度にて発生される窒素酸化物の発生量を減少させる。これと同時に、エンジンの効率が改良され、炭化水素に基づく燃料を使用することによる二酸化炭素の発生量が減少する。低い燃焼温度のため、エンジンのシリンダを冷却する必要性は減少するから、熱損失の減少によりエンジンの効率も良い方に影響される。ピストンの上面又はその他の熱した面と時々接触する水滴は、ピストンを蒸発状態にて冷却し、その結果、このことは、その前の燃焼からの熱が媒質、すなわち、圧縮される空気及び蒸気に戻されることを意味し、このことは、効率上、望ましいことである。蒸気が存在することは、媒質と未だ蒸発していない水滴との間の熱交換を改良することになる。また、オットーエンジンにて圧縮及び膨張比を増大させるため圧縮熱の排出を使用することもでき、このため、例えば、一般的なディーゼルエンジンの状態と同様な圧縮及び膨張状態にて石油を使用することができ、これにより、改良された効率となる。ディーゼルエンジンにおいて、圧縮行程の後、温度を何ら上昇させること無く、燃焼及び膨張比を増大させることができ、その結果、効率が改良され、また、ＮＯｘの発生量が減少する。

表２には、等温圧縮と比較して、インタークーリングによる複数ステップの断熱膨張時の理論的な動力節減程度が示されている。インタークーリングの使用は、圧縮仕事量を減少させる現在の技術である。複数ステップの過程は間隔を必要とする。
［表２］
圧力状態２ステップ３ステップ等温
２ＭＰａ（２０バール）２１．１％２６．８％３６．８％
２．５ＭＰａ（２５バール）２２．６％２８．７％３９．０％
表２：冷却圧縮による理論的な動力節減程度を示す。インタークーリング及び等温圧縮を含む複数ステップの断熱圧縮である。参考：１ステップ断熱圧縮；カッパーは１．４である。参考源は、２０００年１月１６日のジェン・ガンナーパーソンによる「等温圧縮（ＩＳＯＴＥＲＭＫＯＭＰＲＥＳＳＩＯＮ）」という名称の予備的研究である。この予備的研究は、当該発明者の依頼に基づき秘密契約に基づいて実施したものである。その報告は公表されていない。

表３には、１００から２５００ｋＰａ（１から２５バール）への等温圧縮による冷却の必要性と比較して、表１による共通部分における蒸発による最大の可能な熱吸収が示されている。更に、可能な理論的節減程度は、等温圧縮の場合の動力節減程度の２８９／３８９倍であり、このことは、表２によれば、２５００ｋＰａ（２５バール）までの圧縮時、３９％であることが分かる。従って、本発明の具体化により可能である理論的な節減程度は、２８９／３８９×３９＝２８．９７％であり、このことは、表２による３ステップ圧縮時の動力節減程度に匹敵する。しかし、本発明は、１回のステップにて１つで且つ同一のシリンダ内にて圧縮を実行することを可能にし、このことは顕著に有利な効果である。
［表３］
温度蒸気圧力飽和気化熱最大熱吸収等温圧縮による
冷却の必要量
（℃）（ｋＰａ）（ｋＪ／ｋｇ）（ｋＪ／ｋｇ）（ｋＪ／ｋｇ）
１４７．８５４５１２１１９２８９３８９
(４２１°Ｋ) (４．５１バール)
表３：これは、１００から２５００ｋＰａ（１から２５バール）への等温圧縮時における空気１ｋｇ当たり冷却の必要量と比較して、表１による共通部分における空気１ｋｇ当たりの最大熱吸収量を示す表である。表３は、また所定の圧力及び温度における空気中の最大蒸気量、換言すれば表１の交差線に従った凝縮限界値も示されている。カッパーは１．４である。参考源は、２０００年１月１６日のジァン・ガンナーパーソンによる「等温圧縮（ＩＳＯＴＥＡＭＫＯＭＰＲＥＳＳＩＯＮ）」という名称の事前研究である。

図１ａ及び図１ｂには、エンジンの下死点に相応する下方位置と、上死点の前の約６５゜クランク角度程度の上方位置という２つの位置におけるピストンＢを有するエンジンシリンダＡが示されている。シリンダＡには、加圧し且つ加熱した水Ｄを導入するため射出弁Ｃが設けられている。射出弁は、燃料を噴射するためときどき使用されるものと同一の弁でよい。水及び燃料は混合され且つ同時に噴射されても良く、この結果、燃料は水と同一程度まで加圧され且つ加熱される。エンジンは２０：１の圧縮比を有する２行程又は４行程燃焼エンジンである。図面には、入口ポート及び出口ポート又は入口弁又は出口弁、任意の可能な別個の燃料噴射弁又は任意の可能な点火プラグのような自明な構成要素は示されていない。ピストンＢがその下死点位置にある、圧縮行程の前、シリンダＡは、２６．８５℃（３００Ｋ）の温度にて約１大気圧の空気にて充填されているものと考えられる。カッパーは１．４であると考えられる。ピストンＢがその上死点位置の前にてその６５゜クランク角度程度の位置にあるとき、圧縮圧力は、約４７０ｋＰａ（４．７バール）であり、温度は約１９１．８５℃（４６５Ｋ）である。本発明が具体化されないならば、ピストンの上死点における圧力及び温度は、約６６００ｋＰａ（６６バール）及び７２１．８５℃（９９５Ｋ）であり、また、圧縮仕事量の約７５％は残るであろう。本発明は、上死点前の６５゜クランク角度範囲の位置から死点まで、この実施例に従い具体化することができる。例えば、制御システムは、表１に従い、圧縮圧力が６００ｋＰａ（６バール）で、温度が約１８２．８５℃（４５６Ｋ）であるとき、１７９．８５℃（４５３Ｋ）の温度及び４０００ｋＰａ（４０バール）の圧力の水を噴射し得るようにすることができるが、この設定状態が最適であると主張しない。６００ｋＰａ（６バール）と比較して４０００ｋＰａ（４０バール）という大きい減圧、また、水をシリンダ内に導入する瞬間における水の熱エネルギの結果、激しく沸騰し、従って微細な霧となり、また、水カーテンが生じ、極めて大きい冷却表面積となる。特定量の導入された水は、数マイクロ秒にて直ちに蒸発し、その結果、温度は降下する。連続的な圧縮過程の間、更なる蒸発が生じる。

図２には、タンク１と、圧縮空気がタンクに供給されるときに通る入口弁２及び出口弁３とを備えるコンプレッサが示されている。加圧され且つ適宜に冷却された空気は、タンクから接続部６を通って燃焼エンジンに供給される。加熱された水に対して２つの入口弁がある、すなわち一方にてコンプレッサ内に弁４があり、また他方にてタンク内に弁５がある。圧縮がコンプレッサ内にて生じ、任意の水噴射行程を防止することに十分配慮して水が噴霧される。蒸発、換言すれば、空気の冷却はタンク内にて生じる。この場合、コンプレッサと接続されたタンクが示されている。該タンクは、加圧された空気を燃焼エンジン内の燃焼チャンバに送り込む供給源を構成することもできる。

図３は、単に一例として、ピストン１６を有するシリンダ１を示す概略図である。入口弁２及び出口弁３は、例えば、クランク軸の位置と関係なくまた、カム軸が何ら作用せずに作動可能な弁である、すなわち双方の弁は、圧縮行程の間、閉じられる。ピストン１６は、水が多分、燃料と共に噴射弁１０を介して圧縮チャンバ／燃焼チャンバ１５内に噴射される位置に到達する。水は、チャンバ１５内にて圧縮された空気を冷却し、また、多分、チャンバ１５を取り囲む面も冷却するものと考えられ、燃焼行程の前に沸騰／蒸発が生じる。加圧された空気回路のような例えば、圧力流体回路の如き回路４は、弁２、３を起動させ且つ作動させるために使用させる。制御装置５は、回路の信号制御のため、回路４と作用可能に接続され、また、弁２、３は回路と接続される。例えば、エンジンによって駆動される車両の燃料ペダルのような部材６は制御装置５と作用可能に接続されて、必要とされるトルクを命じる。クランク軸に取り付けられた目盛り付きアーク（ａｒｋ）９における計器７が制御装置５と作用可能に接続され、また、制御装置５に対しエンジンの回転数及びシリンダ１内のピストン１６の位置に関する連続的な情報を供給する。制御装置５は、作動可能な弁２、３を開き又は閉じるべきときを決める。加圧空気回路のような、例えば、加圧流体回路の如き回路１１は、制御装置５と作用可能に接続され且つ、水を導入するため噴射弁１０を作動させる目的のため使用される。水を戻して噴射弁１０を通して噴射する目的のため、戻り部材１４が使用される。排気ガスシステムと接続され、また、水の圧力及び（又は）温度を感知するセンサ１３が設けられ、且つ制御装置５と作用可能に接続された熱交換器において、水の加熱及び加圧が行われる。制御装置５から回路１１への制御信号に基づいて、噴射弁１０を作動させる目的のため、水は、戻り部材１４を通してチャンバ１５に供給される。制御装置５と作用可能に接続されたセンサ１２は、チャンバ１５内にて圧縮される空気の温度及び（又は）圧力に関する情報を制御装置５に提供する。制御装置５は、センサ１２からの情報を使用して、回路１１に命令して水をチャンバ１５内に噴射するため噴射弁１０を作動させるべきときを決める。圧縮により発生された水蒸気は、後続の燃焼及び膨張行程にて排気ガスと混合され、エンジンと接続された排気ガスシステムまで輸送される。排ガスシステム内で熱交換器７の下流にて制御装置５と作用可能に接続された熱交換器１７において、必要な量の水が凝縮によって再循環され、排気ガスを空気冷却する。この水、すなわち凝縮物は、この場合、再循環される前に、熱交換器１７内に配置される粒子フィルタ１８にて清浄化される。水は、熱交換器１７から、センサ１３が設けられた熱交換器まで輸送される。噴射弁１０は、水用の１つの弁と、燃料用の１つの弁という、２つの別個の弁に分割される。オットーエンジンにおいて、弁は、また、点火プラグと隣接させることも可能であろう。弁は、ディーゼルエンジン内にて燃料噴射弁と隣接させることも可能であろう。本発明は、望ましいことに、従来のカム軸を有するエンジンにて具体化することもできることを強調すべきである。

更に、本発明は、単に一例としてのみ説明したが、本説明及び添付図面を参照して解釈されるように、特許請求の範囲に記載された保護の範囲から逸脱せずに、当該技術分野の当業者には複数の代替的な実施の形態が明らかであろう。

例えば、圧力及び温度を測定するセンサは、特定の場合、廃止され且つ（又は）燃焼チャンバ内の温度及び圧力に依存し又はこれら温度及び圧力を決定するクランク軸の位置及び（又は）可能な他のパラメータに関する情報を収集する手段にて置換されてもよい。かかる更なるパラメータの一例は、圧縮前に添加された空気の量である（２行程及び４行程作動の双方に関連する）。

本発明に従って水を噴射し、又は可能であれば水と共に燃料を噴射する手段が設けられた、ピストンが第一の位置にあるときの燃焼エンジンシリンダを示す図である。本発明に従って水を噴射し、又は可能であれば水と共に燃料を噴射する手段が設けられた、ピストンが第二の位置にあるときの燃焼エンジンシリンダを示す図である。水をコンプレッサ内に及び該コンプレッサと接続されたタンク内に噴射する装置を示す概略図である。本発明に従った制御システムに対する主要なシステムの形態を有する装置の図である。

Claims

燃焼エンジンの燃焼チャンバ（１５）内にて媒質を圧縮する方法であって、その方法により、圧縮行程中、噴霧状態の液体が圧縮チャンバ（１５）内に導入され、また、液体が圧縮チャンバ（１５）内に導入される前に、噴霧の液滴の少なくとも一部分が圧縮チャンバ（１５）に入ると瞬間的に爆発するような程度まで、液体が加圧され且つ加熱され、また、液体は、導入の瞬間にて、圧縮チャンバ（１５）内にて導入の瞬間に存在する圧力よりも高い蒸気圧力を有する程度まで加圧され、また、液体は、導入の瞬間にて、圧縮チャンバ（１５）内にて導入の瞬間に存在する温度及び圧力に対する液体の沸点を上廻る温度を有するような程度まで加熱され、液体は水である、方法において、液体は、導入の瞬間にて、液体の導入の瞬間における媒質の温度よりも低い温度を有するような程度まで加熱されることを特徴とする方法。
圧縮行程中、噴霧状態の液体が圧縮チャンバ内に導入されるようにする、媒質をコンプレッサの圧縮チャンバ内にて圧縮する方法において、液体は、圧縮チャンバ内に導入される前に、噴霧液滴の少なくとも一部分が圧縮チャンバ内に入るとき瞬間的に爆発するような程度まで加圧され且つ加熱されることを特徴とする方法。
請求項２に記載の方法において、液体は、導入の瞬間にて、圧縮チャンバ内に導入の瞬間に存在する圧力よりも高い蒸気圧力を有する程度まで加圧されることを特徴とする方法。
請求項２に記載の方法において、液体は、導入の瞬間にて、圧縮チャンバ内に導入の瞬間に存在する温度及び圧力に対する液体の沸点以上の温度を有する程度まで加熱されることを特徴とする方法。
請求項２ないし４の何れか１つの項に記載の方法において、液体は、導入の瞬間にて、媒質の導入の瞬間の温度以下の温度を有する程度まで加熱されることを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法において、燃焼エンジンにて、液体は、燃料を導入する目的のため燃焼エンジンにより使用される弁（１０）を通して導入されることを特徴とする方法。
請求項６に記載の方法において、液体及び燃料は、同時に導入されることを特徴とする方法。
請求項１ないし７の何れか１つの項に記載の方法において、以前に圧縮した媒体と蒸発した液体との混合体は、圧縮後、排気され、液体は、前記排気後、凝縮によって分離されることを特徴とする方法。
請求項８に記載の方法において、液体は、固体汚染物質を浄化し且つ適宜な貯蔵チャンバまで再輸送されることを特徴とする方法。
請求項１ないし９の何れか１つの項に記載の方法において、導入される液体は水であり、圧縮チャンバ内にて圧縮される媒質は空気であることを特徴とする方法。
請求項１ないし１０の何れか１つの項に記載の方法において、シリンダ空間内の圧力が４５０ｋＰａ（４．５バール）以上であるとき、水がシリンダ空間内に導入されることを特徴とする方法。
前記液体を加圧し且つ加熱する手段と、液体を圧縮チャンバ（１５）内に導入する手段（１０）と、圧縮チャンバ（１５）内の圧力及び（又は）温度を決定する手段（１２）とを備え、圧縮行程中、噴霧状態の液体が圧縮チャンバ（１５）内に導入され、燃焼エンジン又はコンプレッサの圧縮チャンバ（１５）内にて媒質を圧縮する装置を制御するシステムにおいて、圧力及び（又は）温度を決定する手段（１２）にかつ液体を加圧し且つ加熱する手段に作用可能に接続された制御装置（５）であって、圧縮チャンバ内の圧力及び温度に関する情報に基づき且つ請求項１ないし１１の何れか１つの項に記載の方法に従って、液体を圧縮チャンバ（１５）内に導入する手段（１０）を制御する目的に適応し得るようにされたコンピュータプログラムを含む制御装置（５）を備えることを特徴とする媒質を圧縮する装置を制御するシステム。