JP2009062828A - 作動ガス循環型水素エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】大気温度が高く、凝縮器を通過した循環ガス中に含まれる水蒸気の量が大きい場合であっても、燃焼室に供給される循環ガス（作動ガスとして機能するガス）の比熱比が低下せず、高い熱効率にて運転することができる作動ガス循環型水素エンジンを提供すること。
【解決手段】エンジン１０は、燃焼室２１に、酸素と、燃料としての水素と、作動ガスとしてのアルゴンからなるガスと、を供給する。凝縮器８０は、排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水となし、凝縮水を分離したガスを出口部８０ｂから排出する。出口部８０ｂから排出されたガスは、次に、第１水分吸着器９０を通過する。その際、そのガスに含まれる水蒸気は第１水分吸着器に収容されている吸湿材によって除去される。第１水分吸着器９０を通過したガスは燃焼室に再び供給される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、酸素と、燃焼により水蒸気を生成する水素と、比熱比が水蒸気よりも高い不活性な作動ガス（例えば、単原子分子からなるガス）と、を燃焼室に供給し、同燃焼室において同燃料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とともに、同燃焼室から排出された燃焼後のガスに含まれる前記作動ガスを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。

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。アルゴンガスは空気よりも比熱比が大きいので、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、高い熱効率にて運転され得る。

ところで、水素が燃焼して酸素と結合すると水蒸気が発生する。水蒸気は３原子からなる分子（３原子分子）のガスであるから、一つの原子からなる分子（単原子分子）のガスであるアルゴンよりも比熱比が小さい。従って、燃焼室から排出された排ガス中の作動ガスを燃焼室に循環通路を通して循環させる場合、機関の熱効率を高い値に維持するために、その循環されるガス（以下、「循環ガス」とも称呼する。）に含まれる水蒸気を除去することが望ましい。そこで、従来の水素エンジンは、循環通路中に凝縮器を備え、その凝縮器によって循環ガスに含まれる水蒸気を液化・凝縮して分離（除去）し、循環ガスからその凝縮水となった水蒸気を分離した後のガスを燃焼室に再び供給するようになっている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開平１１−９３６８１号公報

しかしながら、従来の水素エンジンに使用される凝縮器は、水冷式であれ空冷式であれ、燃焼室から排出された排ガスを結果的に大気と熱交換させることにより水蒸気を液化・凝縮して分離している。従って、排ガスの温度は最も低くても大気温度にまでしか低下しない。一方、飽和水蒸気量はガスの温度が高いほど多くなる。そのため、大気温度が高い場合、排ガスの温度が十分低下しないので、排ガスの飽和水蒸気量も大きい。その結果、排ガスから水蒸気を十分に除去できないので、作動ガスとして機能する循環ガスの比熱比が低下し、それ故に機関の熱効率が低下するという問題が発生する。

上記課題に対処するために為された本発明による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、比熱比が水蒸気よりも高い不活性な作動ガスと、を燃焼室に供給し、同燃焼室において同燃料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とともに、同燃焼室から排出された燃焼後のガスに含まれる前記作動ガスを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る。

更に、この作動ガス循環型水素エンジンは、凝縮器と、第１水分吸着器と、第１〜第５通路部と、を備えている。

凝縮器は、その入口部から導入したガス（凝縮前ガス、凝縮前の循環ガス）をその内部において大気と熱交換させることにより、同凝縮前ガスに含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水となし、同凝縮前ガスから「その熱交換により凝縮水となった水蒸気」を分離したガス（凝縮後ガス、凝縮後の循環ガス、凝縮水分離後循環ガス）を、その出口部から排出するようになっている。
第１水分吸着器は、吸湿材を収容している。第１水分吸着器は、その入口部から導入したガスに含まれる水蒸気を同収容している吸湿材に吸着させた後、そのガスを出口部から排出するようになっている。

第１通路部は、前記燃焼室に連通する排気ポートと前記凝縮器の入口部とを連通させる通路を形成するようになっている。
第２通路部は、前記凝縮器の出口部と第１接続点とを連通させる通路を形成するようになっている。
第３通路部は、前記第１接続点と前記第１水分吸着器の入口部とを連通させる通路を形成するようになっている。
第４通路部は、前記第１水分吸着器の出口部と第２接続点とを連通させる通路を形成するようになっている。
第５通路部は、前記第２接続点と前記燃焼室に連通する吸気ポートとを連通させる通路を形成するようになっている。

この場合、第２通路部及び第３通路部は互いに独立した管状部材（パイプ及びダクト等）より形成されていてもよく、一つの管状部材により形成されていてもよい。同様に、第４通路部及び第５通路部は互いに独立した管状部材より形成されていてもよく、一つの管状部材により形成されていてもよい。

これによれば、燃焼室において水素が燃焼することにより、少なくとも「水蒸気及び単原子分子ガス」を含むガス（凝縮前の循環ガス、なお、この時点においては「排ガス」と言うこともできる。）が排気ポートを通して第１通路部に排出される。第１通路部に排出された循環ガスは、次いで、凝縮器の入口部から凝縮器の内部に流入する。そして、凝縮器に流入した循環ガス中の水蒸気は、凝縮器の入口部から出口部に至る間に凝縮され循環ガスから分離される。水蒸気が分離された循環ガス（凝縮後の循環ガス）は凝縮器の出口部から第２通路部に排出され、その後、第３通路部を通して第１水分吸着器の入口部から同第１水分吸着器の内部に流入する。このとき、循環ガス中に含まれる水蒸気（凝縮器において完全に凝縮・分離されなることなく循環ガス中に残存した水蒸気）の一部は第１水分吸着器内の吸湿材に吸着され、循環ガスから分離される。第１水分吸着器の出口部から流出した循環ガス（水蒸気吸着後の循環ガス）は、第４通路部、第５通路部及び吸気ポートを通して燃焼室に供給される。

このように、循環ガス中の水蒸気は、凝縮器のみならず第１水分吸着器によっても循環ガスから分離される。従って、大気温度が高く凝縮器によって循環ガス中の水蒸気が十分に分離・除去されないような場合であっても、水蒸気は第１水分吸着器によっても除去されるから、燃焼室に供給される循環ガス中の水蒸気濃度（水蒸気量）を小さくすることができる。従って、燃焼室に供給される循環ガス（即ち、実質的に作動ガスとして機能するガス）の平均的な比熱比は高い値に維持されるので、機関の熱効率を高い値に維持することができる。

上記の本発明による作動ガス循環型水素エンジンは、
前記第１接続点と前記第２接続点とを連通する接続通路部と、
前記第２通路部を通して前記第１接続点に流入するガスのうち前記接続通路部へ流入するガスの流量（Ｇ１）と、前記第２通路部を通して前記第１接続点に流入するガスのうち前記第３通路部へ流入するガスの流量（Ｇ２）と、を調整可能な第１制御弁と、
を備えることが好適である。

これによれば、第１制御弁によって、第１水分吸着器を通過する循環ガス量（Ｇ２）を制御することが可能となる。第１水分吸着器の吸湿材の「水蒸気を吸着する能力（水蒸気吸着率）」は、その吸湿材が水蒸気を吸着するほど低下する。従って、上記作動ガス循環型水素エンジンが上記第１制御弁を備えれば、例えば、大気温度が低く、凝縮器により循環ガス中の水蒸気を十分に分離・除去できる場合、同第１制御弁を用いて「第１水分吸着器を通過する循環ガス量（Ｇ２）を低減し（接続通路部へ流入するガスの流量（Ｇ１）を増大し）」、それにより、吸湿材が水蒸気を無駄に吸着することを回避することが可能となる。その結果、吸湿材の水分吸着能力が早期に低下することを回避することができる。

前記第１制御弁は二つ以上の弁（流量調整弁及び開閉弁等）から構成され得る。また、前記第１制御弁の好適な一例は、一つの入口部と二つの出口部とを有し同入口部から導入したガスを指示信号に基いて選択された同二つの出口部のうちの何れか一方から排出することができる三方弁である。この場合、前記第１制御弁（前記三方弁）は前記第１接続点に配置されるとともに、前記第１制御弁の入口部は前記第２通路部に連通され、前記第１制御弁の二つの出口部のうちの一方は前記第３通路部に連通され、前記第１制御弁の二つの出口部のうちの他方は前記接続通路部に連通されることが好適である。

これによれば、一つの三方弁を用いて、第１水分吸着器を通過する循環ガスの量（Ｇ２）を容易に制御することができる。

更に、上述した第１制御弁を備える作動ガス循環型水素エンジンは、
前記凝縮器の出口部から前記第２通路部内に排出されたガスに含まれる水蒸気量を取得する水蒸気量取得手段と、
前記取得された水蒸気量が多いときは同取得された水蒸気量が少ないときよりも、前記接続通路部に流入するガスの量Ｇ１に対する前記第３通路部に流入するガスの量Ｇ２の比（Ｇ２／Ｇ１）が大きくなるように前記第１制御弁を制御する第１制御弁制御手段と、
を備えることが好適である。

これによれば、大気温度が高い場合等の理由により循環ガス中の水蒸気が凝縮器によって十分に分離・除去できない場合、前記接続通路部に流入するガスの量Ｇ１に対する前記第３通路部に流入するガスの量Ｇ２の量が増大させられる。従って、循環ガス中に含まれる過剰な水蒸気を第１水分吸着器によって分離・除去することができる。換言すると、大気温度が低い場合等の理由により循環ガス中の水蒸気が凝縮器によって十分に分離・除去できている場合、第１水分吸着器を通過する循環ガス量（Ｇ２）が低減され、接続通路部へ流入するガスの流量（Ｇ１）が増大される。従って、第１水分吸着器の吸湿材が水蒸気を無駄に吸着することを回避することが可能となる。その結果、吸湿材の水分吸着能力が早期に低下することを回避することができる。

ところで、一般にシリカゲル等の吸湿材は、水蒸気を吸着するほど、水蒸気を吸着する能力（水蒸気吸着率）が低下するという特性を有する。更に、吸湿材は、その温度が所定温度以上となったとき、水蒸気を吸着する能力（水蒸気吸着率）が顕著に低下するという特性を有する。即ち、吸湿材は所定温度（又は所定温度以上）に加熱されると、吸着している水蒸気（水分）を放出する（水分が吸湿材から離脱する。）。その結果、吸湿材の水分吸着能力（吸湿材の温度が低下したときの水分吸着能力）が増大（復元）する。

そこで、上記作動ガス循環型水素エンジンは、
前記第１水分吸着器に収容された吸湿材を加熱し同吸湿材に吸着されている水分を同吸湿材から離脱させる第１水分吸着器再生手段を備えることが好適である。

これによれば、適当な時期に第１水分吸着器再生手段を用いて吸湿材を加熱し（吸湿材の温度が所定温度以上となるように吸湿材を加熱し）、吸湿材が吸着している水蒸気（水分）を放出させることにより、その水分吸着能力を増大（復元）することができる。即ち、吸湿材を再生することができる。この結果、吸湿材を交換することなく、作動ガス循環型水素エンジンを長期に渡り高い熱効率をもって運転することが可能となる。

前記第１水分吸着器再生手段は、前記第１通路部上の分岐点にて同第１通路部から分岐して前記第１水分吸着器の近傍を通過するとともに、同第１通路部上であって同分岐点よりも下流側（第１通路部を循環ガスが流れている場合における同循環ガスの流れ方向の下流側）の合流点にて同第１通路部に合流する「第１水分吸着器加熱通路部」であることが望ましい。

ここで、第１水分吸着器加熱通路部が「第１水分吸着器の近傍を通過する」ことには、第１水分吸着器加熱通路部が第１水分吸着器から所定距離内を通過する態様、第１水分吸着器加熱通路部が第１水分吸着器を取り巻くように第１水分吸着器の近傍を通過する態様、及び、第１水分吸着器内部に貫通空間が形成され且つその貫通空間を第１水分吸着器加熱通路部を形成する管（放熱管）が貫通する態様等を含む。換言すると、「第１水分吸着器加熱通路部が第１水分吸着器の近傍を通過する」とは、「第１水分吸着器加熱通路部から発生する熱が第１水分吸着器（第１水分吸着器の吸湿材）を加熱し得るように第１水分吸着器加熱通路部が配設されている」ことを意味する。

これによれば、燃焼室から排出されたガスは第１通路部から分岐点を介して第１水分吸着器加熱通路部を通過し、その後、合流点を介して第１通路部に戻って凝縮器に流入する。燃焼室から排出されたガスは温度が高いから、第１水分吸着器加熱通路部は高温になる。従って、第１水分吸着器加熱通路部はその加熱通路部の近傍に存在する第１水分吸着器（第１水分吸着器の吸湿材）を加熱し再生することができる。即ち、この態様によれば、作動ガス循環型水素エンジンから排出された温度の高い排ガスを、「第１水分吸着器の吸湿材」を加熱して再生させるための熱源として用いることができる。

このように、作動ガス循環型水素エンジンが第１水分吸着器加熱通路部を有する場合、その作動ガス循環型水素エンジンは、「前記第１通路部を流れるガスであって前記分岐点と前記合流点との間を流れるガスの流量Ｇ３」に対する「前記第１水分吸着器加熱通路部を流れるガスの流量Ｇ４」の比（Ｇ４／Ｇ３）を調整可能な「第２制御弁」を備えていることが好適である。

これによれば、第２制御弁を用いることにより、所望の条件が成立したとき、上記ガスの流量Ｇ４を増大せしめ、もって、第１水分吸着器に収容されている吸湿材を再生することができる。また、第１水分吸着器に収容されている吸湿材を再生する必要がない場合、循環ガスを「第１水分吸着器加熱通路部を通過させることなく第１通路部のみを通過させる」ように制御することができる。この結果、機関の背圧（排気圧）及び／又は循環ガスが循環する際の圧力損失を小さくすることができるので、作動ガス循環型水素エンジンをより高効率にて運転することも可能となる。

更に、上記第２制御弁を備える作動ガス循環型水素エンジンは、
前記第１水分吸着器の前記吸湿材に吸着されている水分を同吸湿材から離脱させることにより同吸湿材を再生させる吸湿材再生条件が成立したか否かを判定する吸湿材再生条件判定手段と、
前記吸湿材再生条件が成立したと判定されたとき前記排気ポートから排出されたガスの総てが前記第１水分吸着器加熱通路部を流れ且つ前記第１通路部の前記分岐点と前記合流点との間には同排気ポートから排出されたガスが流れないように前記第２制御弁を制御するとともに、前記吸湿材再生条件が成立しないと判定されたとき前記排気ポートから排出されたガスの総てが前記第１通路部の前記分岐点と前記合流点との間を流れ且つ前記第１水分吸着器加熱通路部には同排気ポートから排出されたガスが流れないように前記第２制御弁を制御する再生時経路制御手段と、
を備えることが好適である。

これによれば、吸湿材再生条件が成立したと判定されたとき、前記排気ポートから排出されたガスの総てが前記第１水分吸着器加熱通路部を流れる。従って、吸湿材再生条件が成立したとき、第１水分吸着器の吸湿材が効率良く再生される（吸湿材に吸着されている水分が吸湿材から効率良く離脱する。）。

更に、前記再生時経路制御手段は、
前記吸湿材再生条件が成立したと判定されたとき前記第２通路部を流れるガスの総てが前記接続通路部を流れるように前記第１制御弁を制御するように構成されることが好適である。

これによれば、吸湿材再生条件が成立したと判定されたとき、凝縮器を通過したガスが「吸着した水分を加熱によって放出している最中にある第１水分吸着器」を通過しないので、循環ガスの水蒸気濃度が高くなってしまうこともなく、同時に、第１水分吸着器の吸湿材が効率良く水分を放出することができる。

加えて、前記再生時経路制御手段は、
前記吸湿材再生条件が成立しないと判定されたとき前記第２通路部を流れるガスの総てが前記第３通路部を流れるように前記第１制御弁を制御するように構成されることが好適である。

これによれば、前記吸湿材再生条件が成立しないと判定されたときには、前記第２通路部を流れるガスの総てが「吸着した水分を加熱によって放出している最中にはない第１水分吸着器」を通過することができるので、循環ガス中の水蒸気濃度を効率よく低減することができる。

なお、この場合、吸湿材再生条件の一例は、前記水蒸気取得手段によって取得された「凝縮器の出口部から第２通路部内に排出されたガスに含まれる水蒸気量」が所定値以下という条件である。このように吸湿材再生条件を定めると、「凝縮器の出口部から第２通路部内に排出されたガスに含まれる水蒸気量」が所定値より大きい場合には、前記第１制御弁によって第３通路部を介して第１水分吸着器に多量の循環ガスを流入させることができる。このとき、第２制御弁によって、燃焼室から排出されたガスは第１水分吸着器加熱通路部を通過していない。その結果、循環ガス中の水蒸気量が多い場合に、凝縮器及び第１水分吸着器によって、循環ガス中の水蒸気量を効率良く低減することができる。一方、「凝縮器の出口部から第２通路部内に排出されたガスに含まれる水蒸気量」が所定値より小さい場合には、前記第１制御弁によって第１水分吸着器に循環ガスが流入しない。このとき、第２制御弁によって、燃焼室から排出されたガスは第１水分吸着器加熱通路部を通過する。その結果、吸湿材を効率よく再生することができる。

ところで、本発明による作動ガス循環型水素エンジンの特別な技術的特徴の一つは、循環通路内に凝縮器と第１水分吸着器とを備えたこと（或は、第１水分吸着器を凝縮器よりも循環通路部の下流側に介装したこと）にある。従って、本発明による作動ガス循環型水素エンジンの他の態様は、凝縮器と、第１水分吸着器と、第２水分吸着器と、を備えていてもよい。第２水分吸着器は、第１水分吸着器と同様、吸湿材を収容し且つ入口部から導入したガスに含まれる水蒸気を同吸湿材に吸着させた後に同ガスを出口部から排出する装置である。

この場合、更に、作動ガス循環型水素エンジンは、
前記燃焼室に連通する排気ポートと第１分岐点とを連通させる第６通路部と、
前記第１分岐点から出発するとともに前記第１水分吸着器の近傍を通過し、その後前記凝縮器の入口部及び出口部を通過し（即ち、前記凝縮器の入口部に達し、同凝縮器を通って同凝縮器の出口部を通過し）、その後前記第２水分吸着器の入口部及び出口部を通過し（即ち、前記第２水分吸着器の入口部に達し、同第２水分吸着器を通って同第２水分吸着器の出口部を通過し）、その後前記燃焼室に連通した吸気ポートに到達する第１循環ガス経路を構成する第７通路部と、
前記第１分岐点から出発するとともに前記第２水分吸着器の近傍を通過し、その後前記凝縮器の入口部及び出口部を通過し（即ち、前記凝縮器の入口部に達し、同凝縮器を通って同凝縮器の出口部を通過し）、その後前記第１水分吸着器の入口部及び出口部を通過し（即ち、前記第１水分吸着器の入口部に達し、同第１水分吸着器を通って同第１水分吸着器の出口部を通過し）、その後前記吸気ポートに到達する第２循環ガス経路を構成する第８通路部と、
前記第７通路部及び前記第８通路部の何れか一方の通路部を選択的に選択し、同選択した通路部を通し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同燃焼室に再び供給させる循環ガス通路部選択手段と、
を備えることが好適である。
なお、この場合、凝縮器、第１水分吸着器及び第２水分吸着器の各内部は、選択された通路部の一部を構成していることになる。

これによれば、前記第７通路部及び前記第８通路部の何れか一方の通路部が、例えば、所定時間が経過する毎に交互に選択的に選択される。そして、第７通路部が選択されると、第１水分吸着器の吸湿材が再生され且つ凝縮器及び第２水分吸着器によって循環ガスから水蒸気の分離・除去が行われる。第８通路部が選択されると、第２水分吸着器の吸湿材が再生され且つ凝縮器及び第１水分吸着器によって循環ガスから水蒸気の分離・除去が行われる。従って、第１水分吸着器の吸湿材及び第２水分吸着器の吸湿材は常に高い水蒸気吸着能力をもって（高い水蒸気吸着率にて）水蒸気を吸着できる状態に維持され、且つ、循環ガス中の水蒸気は、凝縮器と、第１水分吸着器及び第２水分吸着器のうちの何れか一方と、によって循環ガスから常に分離・除去される。その結果、循環ガスに含まれる水蒸気を長期に渡り効率良く分離・除去する（燃焼室に供給される循環ガスの水蒸気濃度を長期安定的に低い値に維持する）ことができる。更に、第１及び第２水分吸着器の吸湿材を交換しなければならない頻度を低減することができる。

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、燃焼室に「酸素（酸素ガス）」と「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「燃焼（酸素との結合）により水蒸気を生成する燃料」としての水素（水素ガス）を噴射し、その水素を拡散燃焼させる４サイクル多気筒エンジンである。更に、各実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンは、燃焼室から排気ポートを介して排出された排ガス中の作動ガスを、その燃焼室に循環通路部（循環通路、循環経路）及び吸気ポートを通して循環（再供給）させる作動ガス循環型のエンジンである。

但し、本発明による作動ガス循環型水素エンジンにおいて使用される作動ガスは、「比熱比が水蒸気よりも高い不活性なガス」であればよい。従って、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からなるガス（不活性ガス）、及び、窒素ガス等の２原子分子からなる不活性なガス等であっても構わない。また、本発明は、燃焼室に点火プラグを設け、その点火プラグから発生する点火用火花により水素を火花点火燃焼させる形式のエンジンにも適用され得る。

＜第１実施形態＞
図１は、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１０の概略図である。このエンジン１０は、水素供給部４０、酸素供給部５０、作動ガス循環通路部６０、凝縮器８０、第１水分吸着器９０及び電気制御装置１００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等の断面と、を示しているが、他の気筒も同様な構成を備えている。以下において、排気ポートから吸気ポートへと作動ガス循環通路部６０を通って循環されるガスを「循環ガス」とも称呼する。

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。

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。

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。

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、図示しないインテークカムシャフト等からなる吸気弁駆動機構が配設されている。吸気弁駆動機構は吸気弁３３を開閉駆動し、これにより吸気ポート３１を開閉するようになっている。

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、図示しないエグゾーストカムシャフト等からなる排気弁駆動機構が配設されている。排気弁駆動機構は排気弁３４を開閉駆動し、これにより排気ポート３２を開閉するようになっている。

更に、シリンダヘッド１１には、水素（水素ガス）を燃焼室２１内（筒内）に直接噴射する水素噴射弁３５が配設されている。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に水素ガスを燃焼室２１内に直接噴射するようになっている。

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。

水素タンク４１は燃料としての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。

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を減少させ、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に調整するようになっている。

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。

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及び酸素ガスミキサ５５を備えている。

酸素タンク５１は酸素ガスを所定の圧力にて貯蔵するタンクである。酸素ガス通路５２は、酸素タンク５１と酸素ガスミキサ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から酸素ガスミキサ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。

酸素ガス圧レギュレータ５３は、周知の調整圧可変型プレッシャレギュレータである。即ち、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（酸素ガスミキサ５５側）における酸素ガス通路５２内の圧力を指示信号に応じた目標調整圧力RO2tgtに調整できるようになっている。換言すると、酸素ガス圧レギュレータ５３は、指示信号に応答して酸素ガス通路５２を流れる酸素ガス量を制御することができるようになっている。

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。酸素ガスミキサ５５は、後述する作動ガス循環通路部６０の第５通路部６５に介装されている。酸素ガスミキサ５５は、酸素ガス通路５２を介して供給される酸素と、第５通路部６５を介して酸素ガスミキサ５５の入口部５５ａに供給される循環ガス（主として作動ガスであるアルゴンガス）とを混合し、その混合したガスを出口部５５ｂから再び第５通路部６５に排出するようになっている。

作動ガス循環通路部６０は、第１〜第５通路部（第１〜第５経路、第１〜第５流路形成管）６１〜６５、接続通路部６６、第１制御弁（三方弁）６７、第１開閉弁６８、離脱水分排出路部６９、及び、第２開閉弁７１を備えている。第１〜第５通路部、接続通路部６６及び離脱水分排出路部６９は、管状部材（パイプ及びダクト等）により形成されている。

第１通路部６１は、燃焼室２１に連通した排気ポート３２と、凝縮器８０の入口部８０ａと、を連通させる通路を形成するようになっている。
第２通路部６２は、凝縮器８０の出口部８０ｂと第１接続点Ｃ１とを連通させる通路を形成するようになっている。
第３通路部６３は、第１接続点Ｃ１と第１水分吸着器９０の入口部９０ａとを連通させる通路を形成するようになっている。

第４通路部６４は、第１水分吸着器９０の出口部９０ｂと第２接続点Ｃ２とを連通させる通路を形成するようになっている。
第５通路部６５は、第２接続点Ｃ２と、燃焼室２１に連通した吸気ポート３１と、を連通させる通路を形成するようになっている。
接続通路部６６は、第１接続点Ｃ１と、第２接続点Ｃ２と、を連通させる通路を形成するようになっている。

第１制御弁６７は、第１接続点Ｃ１に設けられている。第１制御弁６７は、「第２通路部６２を通して第１接続点Ｃ１に流入するガス」のうち「接続通路部６６へ流入するガス」の流量Ｇ１と、「第２通路部６２を通して第１接続点Ｃ１に流入するガス」のうち「第３通路部６３へ流入するガス」の流量Ｇ２と、を調整することが可能な流量制御弁である。即ち、第１制御弁６７は、指示信号に応答して、「接続通路部６６に流入するガスの量Ｇ１」に対する「第３通路部６３に流入するガスの量Ｇ２」の比（Ｇ２／Ｇ１）を変更することができるようになっている。

より具体的に述べると、第１制御弁６７は一つの入口部と二つの出口部とを有し、入口部から導入したガスを指示信号に基いて選択された「二つの出口部のうちの何れか一方」から排出することができる三方弁（経路切換弁）である。第１制御弁６７の入口部は第２通路部６２に連通されている。即ち、第１制御弁６７の入口部は第２通路部６２を通して凝縮器８０の出口部８０ｂに連通されている。

第１制御弁６７の「二つの出口部のうちの一方」は第３通路部６３に連通されている。即ち、第１制御弁６７の「二つの出口部のうちの一方」は、第３通路部６３を通して第１水分吸着器９０の入口部９０ａに連通されている。
第１制御弁６７の「二つの出口部のうちの他方」は、接続通路部６６に連通されている。即ち、第１制御弁６７の「二つの出口部のうちの他方」は、接続通路部６６を通して第２接続点Ｃ２に連通されている。

実際には、第１制御弁６７は、指示信号に応答して、第２通路部６２を流れる循環ガスの総てを、第３通路部６３及び接続通路部６６の何れか一方のみに選択的に供給するように構成されている。従って、第１制御弁６７は、上記ガス流量の比（Ｇ２／Ｇ１）を０又は無限大の何れかに設定することができるようになっている。

第１開閉弁６８は、第４通路部６４に介装（挿入）されている。第１開閉弁６８は指示信号に応答して第４通路部６４を閉じる状態（閉止状態、通流阻止状態）と第４通路部６４を開く状態（開放状態、通流許容状態）の何れか一方の状態を選択的に達成するようになっている。

離脱水分排出路部６９は、その一端が第４通路部６４上の接続点Ｃ３に接続され、その他端は外気に開放されている。接続点Ｃ３は、第４通路部６４上であって、第１水分吸着器９０の出口部９０ｂと第１開閉弁６８との間に位置している。

第２開閉弁７１は、離脱水分排出路部６９に介装（挿入）されている。第２開閉弁７１は指示信号に応答して離脱水分排出路部６９を閉じる状態（閉止状態、通流阻止状態）と離脱水分排出路部６９を開く状態（開放状態、通流許容状態）の何れか一方の状態を選択的に達成するようになっている。

クランクケース２２と第５通路部６５とはブローバイガスリターン通路ＢＲによって接続されている。ブローバイガスリターン通路ＢＲは、クランクケース２２内に漏洩したブローバイガスを第５通路部６５に戻すようになっている。

凝縮器８０は、その入口部８０ａから導入したガス（凝縮前ガス）をその内部において大気と冷却水を介して熱交換させることにより、その凝縮前ガスに含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水となし、その凝縮前ガスから「その熱交換により凝縮水となった水蒸気」を分離したガス（凝縮後ガス）を、その出口部８０ｂから排出するようになっている。

第１水分吸着器９０は、吸湿材（例えばシリカゲル）を収容している。この吸湿材は、水蒸気を吸着するほど、水蒸気を吸着する能力（水蒸気吸着率）が低下するという特性を有する。更に、この吸湿材は、その温度が所定温度以上となったとき、水蒸気を吸着する能力が顕著に低下するという特性を有する。即ち、吸湿材は所定温度以上に加熱されると、吸着している水蒸気（水分）を放出する（水分が吸湿材から離脱する。）。その結果、吸湿材の温度を所定温度以上に上昇させた後に低下させると、同吸湿材の水分吸着能力が増大（復元）する。第１水分吸着器９０は、その入口部９０ａから導入したガスに含まれる水蒸気を吸湿材に吸着させて分離（除去）し、その水蒸気が分離（除去）されたガス（水蒸気吸着後循環ガス）を出口部９０ｂから排出するようになっている。

電気制御装置１００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１００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１０１、エンジン回転速度センサ（クランク角センサ）１０２及び循環ガス温度センサ１０３等が接続されている。電気制御装置１００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。

アクセルペダル操作量センサ１０１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１０２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。

循環ガス温度センサ１０３は、第２通路部６２に配設されている。循環ガス温度センサ１０３は、配設部位（第２通路部６２）を流れる循環ガスである「凝縮水分離後循環ガス（凝縮後ガス）」の温度を検出し、そのガス温度を表す信号Texを発生するようになっている。凝縮水分離後循環ガスは、凝縮器８０によって凝縮された水蒸気が分離された後の循環ガスのことである。

更に、電気制御装置１００は、各気筒の水素噴射弁３５、酸素ガス圧レギュレータ５３、第１制御弁６７、第１開閉弁６８及び第２開閉弁７１等と接続されていて、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。

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の作動について図２乃至図４を参照しながら説明する。

電気制御装置１００のＣＰＵは、エンジン１０のクランク角度が所定のクランク角度（例えば、各気筒の圧縮上死点前１０°クランク角）に一致する毎に図２にフローチャートにより示した噴射制御ルーチンを実行するようになっている。従って、エンジン１０のクランク角度が前記所定のクランク角度に一致すると、ＣＰＵはこのルーチンの処理をステップ２００から開始してステップ２０５に進み、要求水素量ＳＨ２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ｆ１」とに基づいて求める。関数ｆ１は、「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ＳＨ２」を求める関数である。関数ｆ１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ｆ１により定められる要求水素量ＳＨ２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。

次いで、ＣＰＵはステップ２１０に進み、上記要求水素量ＳＨ２及び現時点で検出されているエンジン回転速度ＮＥと、予め定められた関数ｆ２（例えば、ルックアップテーブル）と、に基づいて要求水素量ＳＨ２を水素噴射弁３５の開弁時間である水素噴射時間ＴＡＵに変換する。そして、ＣＰＵはステップ２１５に進み、水素噴射時間ＴＡＵの時間だけ、クランク角が圧縮上死点前１０°クランク角となっている気筒の水素噴射弁３５を開弁する「駆動信号」を水素噴射弁３５に送出し、ステップ２９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。これにより、要求されたトルクを発生するのに必要な量の水素が燃焼室２１内に供給され、拡散燃焼によって燃焼させられる。

なお、ＣＰＵは、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、水素ガス噴射タイミング（ガス燃料噴射タイミング）を決定し、その水素ガス噴射タイミングにて水素ガスを噴射させてもよい。いずれにしても、水素ガス噴射タイミングは、圧縮上死点近傍のタイミングであって、拡散燃焼が安定的に行われるタイミングに設定される。

更に、ＣＰＵは、所定時間の経過毎に図３にフローチャートにより示したレギュレータ制御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このルーチンの処理をステップ３００から開始してステップ３０５に進み、現時点における要求水素量ＳＨ２の単位時間あたりの平均値ＳＨ２aveを算出する。この算出は、前述した図２のステップ２０５により求められる各気筒に対する要求水素量ＳＨ２の総てを単位時間に渡って積算することにより行われる。次いで、ＣＰＵはステップ３１０に進んで上記のようにして求められた平均値ＳＨ２aveと予め定められた関数ｆ３（例えば、ルックアップテーブル）とに基づいて目標酸素ガス流量FO2tgtを求める。

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）２モルに対して酸素（酸素ガス）１モルを供給する必要がある。このため、関数ｆ３は、平均値ＳＨ２ave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、単位時間あたりに燃焼室２１に供給されるように、目標酸素ガス流量FO2tgtを決定するようになっている。

次いで、ＣＰＵはステップ３１５に進み、現時点にて検出されている酸素ガス流量FO2が上記目標酸素ガス流量FO2tgt以上であるか否かを判定する。そして、ＣＰＵは、現時点にて検出されている酸素ガス流量FO2が上記目標酸素ガス流量FO2tgt以上であると判定したとき、ステップ３２０に進んで酸素ガス圧レギュレータ５３の目標調整圧力RO2tgtを正の一定値ａだけ減少させる。これにより、酸素ガスミキサ５５に供給される酸素ガス量が減少する。

一方、ＣＰＵは、ステップ３１５にて現時点にて検出されている酸素ガス流量FO2が上記目標酸素ガス流量FO2tgtより小さいと判定したとき、ステップ３２５に進んで酸素ガス圧レギュレータ５３の目標調整圧力RO2tgtを正の一定値ｂだけ増大させる。これにより、酸素ガスミキサ５５に供給される酸素ガス量が増大する。以上により、必要十分な量の酸素が酸素ガスミキサ５５を介して燃焼室２１に供給される。次いで、ＣＰＵはステップ３９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。以上により、適量の水素ガス及び酸素ガスが燃焼室２１に供給される。

更に、ＣＰＵは、所定時間の経過毎に図４にフローチャートにより示した経路制御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このルーチンの処理をステップ４００から開始してステップ４０５に進み、現時点における凝縮水分離後循環ガスの温度Texを循環ガス温度センサ１０３からの信号に基いて取得する。

ところで、図５の曲線Ｃは、循環ガスの温度に対する飽和水蒸気圧を示している。いま、循環ガスの温度が６０℃であるときに約２０ｋＰａの水蒸気が同ガス中に含まれていると仮定する。このとき、循環ガスの温度に対するエンジンの理論熱効率ηｔｈは曲線Ｌ１〜Ｌ４により、循環ガスの温度に対するガスの比熱比κは曲線Ｍ１〜Ｍ４により、循環ガスの温度に対する汽水分離率は曲線Ｎ１〜Ｎ４により示される。ここで、曲線Ｌ１、Ｍ１及びＮ１は、各循環ガス温度に対して水蒸気を完全に凝縮・分離した場合（飽和凝縮時）の曲線であり、曲線Ｌ２、Ｍ２及びＮ２は、循環ガス温度に対して水蒸気を飽和凝縮状態の９０％分だけ凝縮・分離した場合の曲線である。また、曲線Ｌ３、Ｍ３及びＮ３は、循環ガス温度に対して水蒸気を飽和凝縮状態の５０％分だけ凝縮・分離した場合の曲線であり、曲線Ｌ４、Ｍ４及びＮ４は、循環ガス温度に対して水蒸気を飽和凝縮状態の２０％分だけ凝縮・分離した場合の曲線である。

この図５から、循環ガスの温度を低くして汽水分離率を高めるほど、循環ガス（燃焼室に供給される酸素を除くガス）の比熱比κは上昇し、その結果、エンジンの理論熱効率ηｔｈも上昇することが理解される。なお、エンジンの理論熱効率ηｔｈはエンジンの圧縮比をεとするとき、以下の（１）式により求めることができる。
ηｔｈ＝１−（１／ε^κ−１） …（１）

このように、燃焼室２１に供給されるガスに含まれる水蒸気の量が少ないほど、エンジン１０を高い熱効率をもって（効率よく）運転させることができる。

そこで、ＣＰＵはステップ４１０に進み、前記ステップ４０５にて取得した「凝縮水分離後循環ガスの温度Tex」と、関数ｆ４、とに基づいて、現時点の飽和水蒸気量ＰＨ２Ｏを取得する。関数ｆ４は、図５の曲線Ｃにより示したように、「凝縮水分離後循環ガスの温度Tex」と飽和水蒸気量ＰＨ２Ｏとの関係を表す「予め定められた関数」である。

次にＣＰＵはステップ４１５に進み、上記ステップ４１０にて取得した飽和水蒸気量ＰＨ２Ｏが所定値（経路切換判定値）ＰＨ２Ｏｔｈより大きいか否かを判定する。

いま、ステップ４１０にて取得した飽和水蒸気量ＰＨ２Ｏが所定値ＰＨ２Ｏｔｈより小さいと仮定する。この場合、凝縮水分離後循環ガスに含まれる水蒸気の量は比較的少ない。従って、第１水分吸着器９０を利用して循環ガス中の水蒸気を分離・除去しなくても、エンジン１０は比較的高い熱効率にて運転され得る。

そこで、ＣＰＵはステップ４１５にて「Ｎｏ」と判定してステップ４２０に進み、第２通路部６２と接続通路部６６とが連通するように、第１制御弁６７に指示信号を送出する。即ち、ＣＰＵは、第１制御弁６７に対して、その入口部と、二つの出口部のうちの接続通路部６６に接続されている出口部と、を連通させる指示信号を送出する。

次に、ＣＰＵはステップ４２５に進んで第１開閉弁６８を閉じ（閉止し）、ステップ４３０にて第２開閉弁７１を開く（開放する）。その後、ＣＰＵはステップ４９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

この結果、第２通路部６２を流れる循環ガス（凝縮水分離後循環ガス）の総ては第２通路部６２から接続通路部６６へと流入し、その後、その循環ガスは第５通路部６５及び吸気ポート３１を通って燃焼室２１内に供給される。即ち、循環ガスが第１水分吸着器９０を通過しないので、第１水分吸着器９０の吸湿材を用いた水蒸気の吸着（吸湿）は停止される。従って、第１水分吸着器９０の吸湿材が不必要に水蒸気を吸着しないので、その吸湿材の水分吸着能力が早期に低下することを回避することができる。更に、第１水分吸着器９０は第４通路部６４の一部と離脱水分排出路部６９とを通して大気に開放される。その結果、第１水分吸着器９０の吸湿材に吸着している水分は同吸湿材から徐々に離脱し、大気へと放出される。

一方、ステップ４１０にて取得した飽和水蒸気量ＰＨ２Ｏが所定値ＰＨ２Ｏｔｈより大きいと仮定する。この場合、凝縮水分離後循環ガスに含まれる水蒸気の量は比較的多い。従って、第１水分吸着器９０によって更に水蒸気を分離・除去しなければ、循環ガスに含まれる水蒸気量が過大となる。その結果、作動ガスとして機能するガス（燃焼室２１に供給される循環ガス）の平均的な比熱比が過小となるので、エンジン１０の熱効率が低下する。

そこで、この場合、ＣＰＵはステップ４１５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ４３５に進み、第２通路部６２と第３通路部６３とが連通するように、第１制御弁６７に指示信号を送出する。即ち、ＣＰＵは、第１制御弁６７に対して、「その入口部」と「二つの出口部のうちの第３通路部６３に接続されている出口部」とを連通させる指示信号を送出する。次に、ＣＰＵはステップ４４０に進んで第１開閉弁６８を開き（開放し）、ステップ４４５にて第２開閉弁７１を閉じる（閉止する）。その後、ＣＰＵはステップ４９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

この結果、燃焼室２１から排出された循環ガスは、先ず、第１通路部６１を通って凝縮器８０に流入する。従って、その循環ガス中の水蒸気は、その循環ガスが「凝縮器８０の入口部８０ａから出口部８０ｂに至る間」に凝縮され、その循環ガスから分離される。水蒸気が分離された循環ガスは凝縮器８０の出口部８０ｂから第２通路部６２に排出され、その後、第３通路部６３を通って第１水分吸着器９０の入口部９０ａから第１水分吸着器９０の内部に流入する。そして、循環ガス中に含まれる水蒸気（凝縮器８０において完全に凝縮・分離されなることなく循環ガス中に残存した水蒸気）の一部は、第１水分吸着器９０に保持されている吸湿材に吸着され、循環ガスから分離される。第１水分吸着器９０の出口部９０ｂから流出した循環ガスは、その後、第４通路部６４、第５通路部６５及び吸気ポート３１を通して燃焼室２１に供給される。

このように、循環ガス中の水蒸気は凝縮器８０のみならず第１水分吸着器９０によっても循環ガスから分離される。従って、大気温度が高く凝縮器８０によって循環ガス中の水蒸気が十分に分離・除去されないような場合（飽和水蒸気圧が高い場合）であっても、その水蒸気は第１水分吸着器９０によっても除去されるから、燃焼室２１に供給される循環ガス中の水蒸気濃度を小さくすることができる。従って、燃焼室２１に供給される循環ガス（即ち、作動ガスとして機能するガス）の平均的な比熱比は高い値に維持される。その結果、エンジン１０の熱効率を高い値に維持することができる。

以上、説明したように、本発明の第１実施形態に係るエンジン１０は、飽和水蒸気量ＰＨ２Ｏが所定値ＰＨ２Ｏｔｈより大きいとき、即ち、凝縮器８０を通過した循環ガス中の水蒸気量が所定値より多いとき、凝縮器８０よりも循環ガスの流れにおいて下流に設けられた第１水分吸着器９０を用いて循環ガス中の水蒸気量を低下させることができる。従って、燃焼室２１に再供給される循環ガスに含まれる水蒸気の量を低減することができるので、実質的に作動ガスとして機能するガスの比熱比が増大しない。その結果、エンジン１０は、高い熱効率にて運転され続けることができる。

また、このエンジン１０は、飽和水蒸気量ＰＨ２Ｏが所定値ＰＨ２Ｏｔｈより小さいとき（即ち、大気温度が低く凝縮器８０によって循環ガス中の水蒸気が十分に分離・除去されるために第１水分吸着器９０を使用する必要がないとき）、循環ガスが第１水分吸着器９０を通過しないように制御している。従って、第１水分吸着器９０に収容されている吸湿材が水蒸気を無駄に吸着することを回避することできる。その結果、その吸湿材の水分吸着能力が早期に低下することを回避することができる。

なお、第１制御弁６７は、経路切換弁として機能する三方弁であったが、その入口部を二つの出口部のうちの一方（第３通路部６３に接続されている出口部）に連通している時間Ｔ１と、その入口部を二つの出口部のうちの他方（接続通路部６６に接続されている出口部）に連通している時間Ｔ２と、の比（Ｔ１／Ｔ２）を調整することにより、「第２通路部６２を通して第１接続点Ｃ１に流入するガスのうち接続通路部６６へ流入するガスの流量（Ｇ１）」に対する「第２通路部６２を通して第１接続点Ｃ１に流入するガスのうち第３通路部６３へ流入するガスの流量（Ｇ２）」の比（Ｇ２／Ｇ１）を任意の値に調整するように構成することもできる。この場合、ＣＰＵは、上記取得される飽和水蒸気量ＰＨ２Ｏ（図４のステップ４１０を参照。）が大きくなるほど、ガス流量Ｇ１に対するガス流量Ｇ２の比（Ｇ２／Ｇ１）が大きくなるように、比（Ｔ１／Ｔ２）を制御する。なお、この場合、比（Ｔ１／Ｔ２）を大きくするほど、比（Ｇ２／Ｇ１）を大きくすることができる。

これによれば、第１制御弁６７によって、第１水分吸着器９０を通過する循環ガス量（Ｇ２）をより精度良く制御することが可能となる。その結果、第１水分吸着器９０の吸湿材の「水蒸気を吸着する能力（水蒸気吸着率）」を高い値に精度良く制御するとともに、燃焼室２１に再供給される循環ガスに含まれる水蒸気の量を精度良く制御することができる。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係るエンジンは、図６に示したように、第１水分吸着器加熱通路部７２及び第２制御弁７３を備えている点において、上記第１実施形態のエンジンと相違している。従って、以下、係る相違点を中心として説明する。

第１水分吸着器加熱通路部７２は、放熱性が良好な金属管からなっている。第１水分吸着器加熱通路部７２は、第１通路部６１上の分岐点Ｄ１にて第１通路部６１から分岐し、第１通路部６１上の合流点Ｄ２にて第１通路部６１に合流する通路部である。合流点Ｄ２は、第１通路部６１内の循環ガスの流れにおいて分岐点Ｄ１より下流側に位置している。第１水分吸着器加熱通路部７２は、第１水分吸着器９０の近傍を通過している。本明細書において、「第１水分吸着器加熱通路部７２が第１水分吸着器９０の近傍を通過する」とは、「第１水分吸着器加熱通路部７２から発生する熱が第１水分吸着器９０（第１水分吸着器９０の内部の吸湿材）を加熱し得るように（その吸湿材の温度を所定温度以上にまで上昇し得るように）第１水分吸着器加熱通路部７２が配設されている」ことである。

従って、第１水分吸着器加熱通路部７２は、（１）図６に示したように第１水分吸着器９０の内部に設けられた貫通空間９０ｃ内を通過していてもよく、（２）図７に示したように、第１水分吸着器９０の周囲を取り巻くように配置されてもよく、（３）第１水分吸着器９０の近傍を単に通過してもよい。

第２制御弁７３は、分岐点Ｄ１に設けられている。第２制御弁７３は、「第１通路部６１を流れるガスであって分岐点Ｄ１と合流点Ｄ２との間を流れるガスの流量Ｇ３」に対する「第１水分吸着器加熱通路部７２を流れるガスの流量Ｇ４」の比（Ｇ４／Ｇ３）を調整することが可能な流量制御弁である。

より具体的に述べると、第２制御弁７３は一つの入口部と二つの出口部とを有し、入口部から導入したガスを指示信号に基いて選択された「二つの出口部のうちの何れか一方」から排出することができる三方弁（経路切換弁）である。第２制御弁７３の入口部は、分岐点Ｄ１と排気ポート３２とを連通する「第１通路部６１の上流側部分」に連通されている。

第２制御弁７３の「二つの出口部のうちの一方」は、分岐点Ｄ１と合流点Ｄ２（従って、凝縮器８０の入口部８０ａ）とを連通する「第１通路部６１の下流側部分」に連通されている。即ち、第２制御弁７３の「二つの出口部のうちの一方」は、第１通路部６１の下流側部分を通して合流点Ｄ２に連通されている。
第２制御弁７３の「二つの出口部のうちの他方」は、第１水分吸着器加熱通路部７２に連通されている。即ち、第２制御弁７３の「二つの出口部のうちの他方」は、第１水分吸着器加熱通路部７２を通して合流点Ｄ２に連通されている。

実際には、第２制御弁７３は、指示信号に応答して、排気ポート３２を通して第１通路部６１に排出された循環ガスの総てを、「分岐点Ｄ１よりも下流の第１通路部６１（第１通路部６１の下流側部分）」及び「第１水分吸着器加熱通路部７２」の何れか一方のみに選択的に供給するように構成されている。従って、第２制御弁７３は、上記ガス流量の比（Ｇ４／Ｇ３）を０又は無限大の何れかに設定することができるようになっている。

上記のように構成された第２実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジン１０の電気制御装置１００のＣＰＵは、図２及び図３に示したルーチンを実行するようになっている。更に、このＣＰＵは、図４に代わる図８にフローチャートにより示した経路制御ルーチンを実行するようになっている。図２及び図３に示したルーチンに基づく作動については説明済みである。従って、以下、図８を参照しながらＣＰＵの作動について説明する。なお、図８に示されたステップのうち図４に示されたステップと同一のステップについては、図４に示されたそれらのステップと同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

ＣＰＵは、所定時間の経過毎に図８に示した経路制御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このルーチンの処理をステップ８００から開始し、ステップ４０５及びステップ４１０の処理を実行することにより、現時点の飽和水蒸気量ＰＨ２Ｏを取得する。次にＣＰＵはステップ４１５に進み、上記ステップ４１０にて取得した飽和水蒸気量ＰＨ２Ｏが所定値（経路切換判定値）ＰＨ２Ｏｔｈより大きいか否かを判定する。

このとき、ステップ４１０にて取得した飽和水蒸気量ＰＨ２Ｏが所定値ＰＨ２Ｏｔｈより小さければ、凝縮器８０から排出された直後の循環ガス（凝縮水分離後循環ガス）に含まれる水蒸気の量は比較的少ない。従って、第１水分吸着器９０を利用して循環ガス中の水蒸気を分離・除去しなくても、作動ガスとして機能するガス（燃焼室２１に供給される循環ガス）の平均的な比熱比は大きい値に維持されるので、エンジン１０は比較的高い熱効率にて運転され得る。

そこで、ＣＰＵはステップ４１５にて「Ｎｏ」と判定してステップ４２０に進み、第１制御弁６７に指示信号を送出して第２通路部６２と接続通路部６６とを連通させる。即ち、ＣＰＵは接続通路部６６を選択する接続通路部選択信号を第１制御弁６７に送出する。これにより、第２通路部６２を流れる循環ガス（凝縮水分離後循環ガス）の総ては第２通路部６２から接続通路部６６へと流入し、その後、そのガスは第５通路部６５及び吸気ポート３１を通って燃焼室２１内に供給される。即ち、循環ガスが第１水分吸着器９０を通過しないので、第１水分吸着器９０の吸湿材を用いた水蒸気の吸着（吸湿）は停止される。従って、第１水分吸着器９０の吸湿材が不必要に水蒸気を吸着しないので、その吸湿材の水分吸着能力が早期に低下することを回避することができる。

次に、ＣＰＵはステップ８０５に進み、「第１通路部６１の分岐点Ｄ１よりも上流側（第１通路部６１の上流側部分）」と「第１水分吸着器加熱通路部７２」とが連通するように、第２制御弁７３に指示信号を送出する。即ち、ＣＰＵは、第２制御弁７３に対して、その入口部と、二つの出口部のうちの「第１水分吸着器加熱通路部７２に接続されている」出口部と、を連通させる指示信号（第１水分吸着器加熱通路部７２を選択する第１水分吸着器加熱通路部選択信号）を送出する。その後、ＣＰＵはステップ４２５に進んで第１開閉弁６８を閉じ（閉止し）、ステップ４３０にて第２開閉弁７１を開く（開放する）。その後、ＣＰＵはステップ８９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

この結果、排気ポート３２を通して排出された「高温の排ガス（高温の凝縮前循環ガス）」は、第１水分吸着器加熱通路部７２を通過し、その後、凝縮器８０に流入する。従って、第１水分吸着器９０の近傍（図６の例では内部の貫通空間９０ｃ）を通過している第１水分吸着器加熱通路部７２は、高温の排ガスによって加熱され発熱する。その結果、第１水分吸着器加熱通路部７２は、第１水分吸着器９０に収容されている吸湿材を加熱する。従って、第１水分吸着器に収容されている吸湿材の温度が上昇し、吸湿材は吸着している水分（それまでに吸着した水蒸気）を放出する。即ち、水分が吸湿材から離脱する。そして、その離脱した水分は、第４通路部６４の一部と、離脱水分排出路部６９と、第２開閉弁７１と、を通して大気に放出される。その結果、温度が低下したときの吸湿材の水蒸気吸着率が大きくなる。即ち、吸湿材が再生される。

一方、ステップ４１０にて取得した飽和水蒸気量ＰＨ２Ｏが所定値ＰＨ２Ｏｔｈより大きい場合、凝縮水分離後循環ガスに含まれる水蒸気の量は比較的多い。従って、第１水分吸着器９０によって更に水蒸気を分離・除去しなければ、循環ガスに含まれる水蒸気量が過大となる。その結果、作動ガスとして機能するガス（燃焼室２１に供給される循環ガス）の平均的な比熱比が過小となるので、エンジン１０の熱効率が低下する。

そこで、この場合、ＣＰＵはステップ４１５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ４３５に進み、第２通路部６２と第３通路部６３とが連通するように、第１制御弁６７に指示信号を送出する。即ち、ＣＰＵは、第１制御弁６７に対して、「その入口部」と「二つの出口部のうちの第３通路部６３に接続されている出口部」とを連通させる指示信号（第３通路部を選択する第３通路部選択信号）を送出する。

次に、ＣＰＵはステップ８１０に進み、「第１通路部６１の分岐点Ｄ１よりも上流側（第１通路部６１の上流側部分）」と「第１通路部６１の分岐点Ｄ１よりも下流側（第１通路部６１の下流側部分）」とが連通するように、第２制御弁７３に指示信号を送出する。即ち、ＣＰＵは、第２制御弁７３に対して、「その入口部」と「第１通路部６１の分岐点Ｄ１よりも下流側に接続されている出口部」とを連通させる指示信号（第１通路部６１の下流側の通路部を選択する第１通路部選択信号）を送出する。続いて、ＣＰＵはステップ４４０に進んで第１開閉弁６８を開き（開放し）、ステップ４４５にて第２開閉弁７１を閉じる（閉止する）。その後、ＣＰＵはステップ８９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

この結果、燃焼室２１から排出された循環ガス中は、第１水分吸着器加熱通路部７２を通過することなく、分岐点Ｄ１から第１通路部６１の下流側を通って凝縮器８０の入口部８０ａから凝縮器８０内に直接的に導入される。そして、その循環ガス中の水蒸気は、凝縮器８０の入口部８０ａから出口部８０ｂに至る間に凝縮され、循環ガスから分離される。水蒸気が分離された循環ガスは凝縮器８０の出口部８０ｂから第２通路部６２及び第３通路部６３を通して第１水分吸着器９０の入口部９０ａから第１水分吸着器９０の内部に流入する。そして、循環ガス中に含まれる水蒸気（凝縮器８０おいて完全に凝縮・分離されなることなく循環ガス中に残存した水蒸気）の一部は、第１水分吸着器９０に保持されている吸湿材に吸着され、循環ガスから分離される。このとき、第１水分吸着器９０の吸湿材は、第１水分吸着器加熱通路部７２によって加熱されておらず、且つ、それまでの適宜の時期において吸湿材が再生されているから、水蒸気を効率良く吸着する。第１水分吸着器９０の出口部９０ｂから流出した循環ガスは、第４通路部６４、第５通路部６５及び吸気ポート３１を通して燃焼室２１に供給される。

以上、説明したように、本発明の第２実施形態に係るエンジン１０は、第１実施形態と同様の効果を奏する。加えて、第２実施形態に係るエンジン１０は、第１水分吸着器９０に収容された吸湿材を加熱し、その吸湿材に吸着されている水分をその吸湿材から離脱させる第１水分吸着器再生手段（第１水分吸着器加熱通路部７２）を備えている。従って、適当な時期（例えば、凝縮器８０を通過した循環ガスの飽和水蒸気量ＰＨ２Ｏが所定値ＰＨ２Ｏｔｈより小さい等、第１水分吸着器９０を利用した水蒸気の除去が必要でないとき）に、第１水分吸着器再生手段を用いて吸湿材を加熱し、その水分吸着能力を増大（復元）することができる。即ち、吸湿材を再生することができる。この結果、吸湿材を頻繁に交換することなく、作動ガス循環型水素エンジン１０を長期に渡り高い熱効率をもって運転することが可能となる。

更に、第１水分吸着器加熱通路部７２が第１水分吸着器再生手段として設けられているので、作動ガス循環型水素エンジン１０から排出された温度の高い排ガスを、「第１水分吸着器９０の吸湿材」を加熱して再生させるための熱源として用いることができる。即ち、エンジン１０の発生するエネルギーを効率良く利用して吸湿材を再生することができる。

更に、第２実施形態に係るエンジンは、
第１水分吸着器９０の吸湿材に吸着されている水分を同吸湿材から離脱させることによりその吸湿材を再生させる「吸湿材再生条件」が成立したか否かを判定する吸湿材再生条件判定手段（図８のステップ４１５を参照。）と、
その吸湿材再生条件が成立したと判定されたとき、前記排気ポート３２から排出されたガスの総てが前記第１水分吸着器加熱通路部７２を流れ、且つ、「前記第１通路部６１の前記分岐点Ｄ１と前記合流点Ｄ２との間」には同排気ポートから排出されたガスが流れないように前記第２制御弁７３を制御するとともに、前記吸湿材再生条件が成立しないと判定されたとき前記排気ポート３２から排出されたガスの総てが「前記第１通路部６１の前記分岐点Ｄ１と前記合流点Ｄ２との間」を流れ、且つ、前記第１水分吸着器加熱通路部７２には同排気ポート３２から排出されたガスが流れないように前記第２制御弁７３を制御する再生時経路制御手段（図８のルーチン、特に、ステップ８０５及びステップ８１０を参照。）と、
を備えている。

これによれば、吸湿材再生条件が成立したと判定されたとき、排気ポート３２から排出されたガスの総てが第１水分吸着器加熱通路部７２を流れる。従って、吸湿材再生条件が成立したとき、第１水分吸着器９０の吸湿材が効率良く再生される。

更に、その再生時経路制御手段（図８のルーチンを参照。）は、
前記吸湿材再生条件が成立したと判定されたとき前記第２通路部６２を流れるガスの総てが前記接続通路部６６を流れるように前記第１制御弁６７を制御するとともに、前記吸湿材再生条件が成立しないと判定されたとき前記第２通路部６２を流れるガスの総てが前記第３通路部６３を流れるように前記第１制御弁６７を制御するように構成されている（特に、図８のステップ４２０〜ステップ４４５を参照。）。

従って、吸湿材再生条件が成立したと判定されたとき、凝縮器８０を通過した残余の水蒸気を含むガスが「第１水分吸着器加熱通路部７２による加熱によってそれまでに吸着した水分を吸湿材が放出している最中にある第１水分吸着器９０」を通過しない。従って、「凝縮器８０を通過することにより水蒸気濃度が低下した循環ガスの水蒸気濃度」が「循環ガスが第１水分吸着器９０を通過すること」によって、再び高くなることを回避することができ、同時に、第１水分吸着器９０の吸湿材が効率良く水分を放出することができる。

更に、吸湿材再生条件が成立しないと判定されたとき、前記第２通路部６２を流れるガスの総てが「吸着した水分を、第１水分吸着器加熱通路部７２による加熱によって放出している最中にはない第１水分吸着器９０」を通過することができるので、循環ガス中の水蒸気濃度を効率よく低減することができる。

更に、第２実施形態において、吸湿材再生条件は「凝縮器８０の出口部８０ｂから第２通路部６２内に排出されたガスに含まれる水蒸気量」が所定値以下であるときに成立する。従って、「凝縮器８０の出口部８０ｂから第２通路部６２内に排出されたガスに含まれる水蒸気量」が所定値より大きい場合には、前記第１制御弁６７によって第３通路部６３を介して第１水分吸着器９０に多量の循環ガスを流入させることができる。このとき、第２制御弁７３によって、燃焼室２１から排出された排ガスは第１水分吸着器加熱通路部７２を通過していない。その結果、循環ガス中の水蒸気量が多い場合に、循環ガス中の水蒸気量を効率良く低減することができる。

一方、「凝縮器８０の出口部８０ｂから第２通路部６２内に排出されたガスに含まれる水蒸気量」が所定値以下の場合には、前記第１制御弁６７によって第１水分吸着器９０に循環ガスが流入しない。このとき、第２制御弁７３によって、燃焼室２１から排出された排ガスの総ては第１水分吸着器加熱通路部７２を通過する。その結果、第１水分吸着器９０の吸湿材を効率よく再生することができる。

なお、上記第２実施形態においては、第１制御弁６７と第２制御弁７３とは同時に切り換えられていた。これに対し、第１水分吸着器９０によって循環ガスから水分を除去する必要がある場合（例えば、「凝縮器８０の出口部８０ｂから第２通路部６２内に排出されたガスに含まれる水蒸気量」が所定値より大きい場合）、第１制御弁６７によって第２通路部６２と第３通路部６３とを連通させ、且つ、第２制御弁７３によって第１通路部６１の上流側と第１通路部６１の下流側部分とを連通させ、一方、第１水分吸着器９０によって循環ガスから水分を除去する必要がない場合、第１制御弁６７によって第２通路部６２と接続通路部６６とを連通させ、且つ、第２制御弁７３によって第１通路部６１の上流側と第１通路部６１の下流側部分とを連通させてもよい。そして、第１制御弁６７によって第２通路部６２と接続通路部６６とが連通させられている場合であって、更に、他の条件（例えば、前回の吸湿材の再生実行時点から「所定時間以上が経過していること」又は「エンジン１０の総積算回転数が所定回転数以上となったこと」等の条件）が成立した場合に限って、第２制御弁７３によって第１通路部６１の上流側部分と第１水分吸着器加熱通路部７２とを連通させてもよい。即ち、第１水分吸着器９０の「吸湿材再生条件」は、第１水分吸着器９０の吸湿材による「吸湿実行条件」が成立しないという条件に「更に他の条件」を付加した条件とすることもできる。

また、第２制御弁７３は、経路切換弁であったが、その入口部を二つの出口部のうちの一方に連通している時間Ｔ３と、その入口部を二つの出口部のうちの他方に連通している時間Ｔ４と、の比（Ｔ３／Ｔ４）を調整することにより、「第１通路部６１を流れるガスであって分岐点Ｄ１と合流点Ｄ２との間を流れるガスの流量Ｇ３」に対する「第１水分吸着器加熱通路部７２を流れるガスの流量Ｇ４」の比（Ｇ４／Ｇ３）を、任意の値に調整するように構成することもできる。この場合、ＣＰＵは、上記取得される飽和水蒸気量ＰＨ２Ｏが小さくなるほど、ガス流量Ｇ３に対するガス流量Ｇ４の比（Ｇ４／Ｇ３）が大きくなるように、比（Ｔ３／Ｔ４）を制御する。

また、第１水分吸着器再生手段として、第１水分吸着器加熱通路部７２に代え、又は、第１水分吸着器加熱通路部７２に加えて、第１水分吸着器９０（第１水分吸着器９０に収容されている吸着材）を加熱する電気ヒータを設け、前記吸湿材再生条件が成立したときにその電気ヒータを通電することにより、吸湿材を再生してもよい。

＜第３実施形態＞
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は、図９に示したように、主として、二つの水分吸着器（即ち、第１水分吸着器９０及び第２水分吸着器９５）を備えるとともに、それらの水分吸着器に好適な作動ガス循環通路部１１０等を備える点において、上記第１実施形態のエンジン１０と相違している。従って、以下、係る相違点を中心として説明する。

上述したように、第３実施形態に係るエンジンは、第１水分吸着器９０及び第２水分吸着器９５を備えている。第２水分吸着器９５は、上記第１及び第２実施形態にて説明した第１水分吸着器９０と同じ構成及び機能を備える水分吸着器である。即ち、第２水分吸着器９５は第１水分吸着器９０が収容している吸湿材（例えばシリカゲル）と同じ吸湿材を収容している。第２水分吸着器９５は、その入口部９５ａから導入したガスに含まれる水蒸気を吸湿材に吸着させ、その水蒸気が吸湿材に吸着されることにより除去されたガスを出口部９５ｂから排出するようになっている。

作動ガス循環通路部１１０は、第１〜第１２接続通路部１１１〜１２２を備えている。

第１接続通路部１１１は、燃焼室２１に連通した排気ポート３２と、第１分岐点Ｅ１に備えられた第３制御弁（第３三方弁）７３ａの一つの入口部と、を連通している。
第２接続通路部１１２は、放熱性が良好な金属管からなっている。第２接続通路部１１２は、第３制御弁７３ａの二つの出口部のうちの一方と、第１合流点Ｆ１と、を連通している。第２接続通路部１１２は、第１水分吸着器９０の近傍を通過している。即ち、第２接続通路部１１２は、その内部を排ガスが通過したとき、第１水分吸着器９０の吸湿材を加熱し得るようになっている。

第３接続通路部１１３は、第１合流点Ｆ１と、凝縮器８０の入口部８０ａと、を連通している。
第４接続通路部１１４は、凝縮器８０の出口部８０ｂと、第２分岐点Ｅ２に備えられた第４制御弁（第４三方弁）７４の一つの入口部と、を連通している。
第５接続通路部１１５は、第４制御弁７４の二つの出口部のうちの一方と、第１水分吸着器９０の入口部９０ａと、を連通している。
第６接続通路部１１６は、第１水分吸着器９０の出口部９０ｂと、第３分岐点Ｅ３に備えられた第５制御弁（第５三方弁）７５の一つの入口部と、を連通している。

第７接続通路部１１７は、第５制御弁７５の二つの出口部のうちの一方と、第２合流点Ｆ２と、を連通している。
第８接続通路部１１８は、第２合流点Ｆ２と、燃焼室２１に連通する吸気ポート３１と、を連通している。
第９接続通路部１１９は、放熱性が良好な金属管からなっている。第９接続通路部１１９は、第３制御弁７３ａの二つの出口部のうちの他方と、第１合流点Ｆ１と、を連通している。第９接続通路部１１９は、第２水分吸着器９５の近傍を通過している。即ち、第９接続通路部１１９は、その内部を排ガスが通過したとき、第２水分吸着器９５の吸湿材を加熱し得るようになっている。

第１０接続通路部１２０は、第４制御弁７４の二つの出口部のうちの他方と、第２水分吸着器９５の入口部９５ａと、を連通している。
第１１接続通路部１２１は、第２水分吸着器９５の出口部９５ｂと、第４分岐点Ｅ４に備えられた第６制御弁（第６三方弁）７６の一つの入口部と、を連通している。
第１２接続通路部１２２は、第６制御弁７６の二つの出口部のうちの一方と、第２合流点Ｆ２と、を連通している。

更に、第５制御弁７５の二つの出口部のうちの他方は、大気に開放された通路と接続されている。同様に、第６制御弁７６の二つの出口部のうちの他方は、大気に開放された通路と接続されている。

第３制御弁７３ａ、第４制御弁７４、第５制御弁７５及び第６制御弁７６は、運転モードが、第１水分吸着器再生モードと、第２水分吸着器再生モードと、の何れであるかに応じて、次の表１に示すように作動する。第１水分吸着器再生モードは、第１水分吸着器９０の吸湿材を加熱することにより再生させ、循環ガス中の水蒸気の除去を凝縮器８０及び第２水分吸着器９５によって行うモードである。第２水分吸着器再生モードは、第２水分吸着器９５の吸湿材を加熱することにより再生させ、循環ガス中の水蒸気の除去を凝縮器８０及び第１水分吸着器９０によって行うモードである。

この結果、第１〜第１２接続通路部１１１〜１２２は、以下のように第６〜第８通路部を構成する。
即ち、第１接続通路部１１１は、燃焼室２１に連通する排気ポート３２と、第１分岐点Ｅ１と、を連通させる第６通路部を構成する。

第２接続通路部１１２、第３接続通路部１１３、第４接続通路部１１４、第１０接続通路部１２０、第１１接続通路部１２１、第１２接続通路部１２２、及び、第８接続通路部１１８は、第１分岐点Ｅ１から出発するとともに第１水分吸着器９０の近傍を通過し、その後、凝縮器８０の入口部８０ａ及び出口部８０ｂを通過し、その後、第２水分吸着器９５の入口部９５ａ及び出口部９５ｂを通過し、その後、燃焼室２１に連通した吸気ポート３１に到達する「第７通路部（第１循環ガス経路）」を構成する。

第９接続通路部１１９、第３接続通路部１１３、第４接続通路部１１４、第５接続通路部１１５、第６接続通路部１１６、第７接続通路部１１７、及び、第８接続通路部１１８は、第１分岐点Ｅ１から出発するとともに第２水分吸着器９５の近傍を通過し、その後、凝縮器８０の入口部８０ａ及び出口部８０ｂを通過し、その後、第１水分吸着器９０の入口部９０ａ及び出口部９０ｂを通過し、その後、燃焼室２１に連通した吸気ポート３１に到達する「第８通路部（第２循環ガス経路）」を構成する。

なお、この場合、ある通路が凝縮器８０の入口部８０ａ及び出口部８０ｂを通過するとは、ある通路が凝縮器８０の入口部８０ａに連通され（到達し）、凝縮器８０の内部を通って出口部８０ｂに達し、その出口部８０ｂから他の部分に向けて出発する通路を構成していることを意味する。
同様に、ある通路が第１水分吸着器９０の入口部９０ａ及び出口部９０ｂを通過するとは、ある通路が第１水分吸着器９０の入口部９０ａに連通され（到達し）、第１水分吸着器９０の内部を通って出口部９０ｂに達し、その出口部９０ｂから他の部分に向けて出発する通路を構成していることを意味する。
また、ある通路が第２水分吸着器９５の入口部９５ａ及び出口部９５ｂを通過するとは、ある通路が第２水分吸着器９５の入口部９５ａに連通され（到達し）、第２水分吸着器９５の内部を通って出口部９５ｂに達し、その出口部９５ｂから他の部分に向けて出発する通路を構成していることを意味する。

上記のように構成された第３実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジン１０の電気制御装置１００のＣＰＵは、図２及び図３に示したルーチンを実行するようになっている。更に、このＣＰＵは、図４に代わる図１０にフローチャートにより示した経路制御ルーチンを実行するようになっている。図２及び図３に示したルーチンに基づく作動については説明済みである。従って、以下、図１０を参照しながらＣＰＵの作動について説明する。

ＣＰＵは、所定時間の経過毎に図１０に示した経路制御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このルーチンの処理をステップ１０００から開始し、ステップ１００５にてタイマーＴの値を「１」だけ増大する。次いで、ＣＰＵはステップ１０１０に進み、タイマーＴの値が所定値Ｔｔｈより大きいか否かを判定する。このとき、タイマーＴの値が所定値Ｔｔｈより大きくなければ、ＣＰＵはステップ１０１０にて「Ｎｏ」と判定し、直接ステップ１０９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

その後、ステップ１００５の処理が繰り返されることにより、タイマーＴの値が所定値Ｔｔｈより大きくなる。この場合、ＣＰＵはステップ１０１０に進んだとき、同ステップ１０１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１０１５に進み、再生モードフラグＸＭの値が「０」であるか否かを判定する。この再生モードフラグＸＭは、その値が「１」であるとき上述した第１水分吸着器再生モードにてエンジン１０が運転されていることを示し、その値が「０」であるとき上述した第２水分吸着器再生モードにてエンジン１０が運転されていることを示す。

いま、再生モードフラグＸＭの値が「０」である（現時点まで第２水分吸着器９５の吸湿材の再生が行われていた。）と仮定すると、ＣＰＵはステップ１０１５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１０２０に進み、第１水分吸着器再生モードを実行するように第３制御弁７３ａ及び第４〜第６制御弁７４〜７６を「表１に示した第１水分吸着器再生モード」に従って制御する。そして、ＣＰＵはステップ１０３０にてタイマーＴの値を「０」に設定し、ステップ１０９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

この結果、循環ガスは上述した「第１循環ガス経路（第７通路部）」を通過するので、第１水分吸着器９０の吸湿材が再生させられ、循環ガス中の水蒸気は凝縮器８０及び第２水分吸着器９５にて循環ガスから除去される。

この第１水分吸着器再生モードが所定時間継続すると、ステップ１００５の処理が繰り返されることにより、タイマーＴの値は再び所定値Ｔｔｈより大きくなる。この場合、ＣＰＵはステップ１０１０に進んだとき、同ステップ１０１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１０１５に進み、再生モードフラグＸＭの値が「０」であるか否かを判定する。このとき、再生モードフラグＸＭの値は「１」である（即ち、現時点まで第１水分吸着器９０の吸湿材の再生が行われていた。）。従って、ＣＰＵはステップ１０１５にて「Ｎｏ」と判定してステップ１０３５に進み、第２水分吸着器再生モードを実行するように第３制御弁７３ａ及び第４〜第６制御弁７４〜７６を「表１に示した第２水分吸着器再生モード」に示したように制御する。その後、ＣＰＵはステップ１０４０に進んで再生モードフラグＸＭの値を「０」に設定し、ステップ１０３０に進んでタイマーＴの値を「０」に設定し、ステップ１０９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

この結果、循環ガスは上述した「第２循環ガス経路（第８通路部）」を通過するので、第２水分吸着器９５の吸湿材が再生させられ、循環ガス中の水蒸気は凝縮器８０及び第１水分吸着器９０にて循環ガスから除去される。

このように、第３実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンは、前記第７通路部及び前記第８通路部の何れか一方の通路部を、例えば、所定時間が経過する毎に交互に選択的に選択するようになっている。従って、第１水分吸着器９０の吸湿材及び第２水分吸着器９５の吸湿材は常に高い水蒸気吸着率にて水蒸気を吸着できる状態に維持され、且つ、循環ガス中の水蒸気は凝縮器８０と、第１水分吸着器９０及び第２水分吸着器９５のうちの何れか一方と、によって循環ガスから常に分離・除去される。その結果、循環ガスに含まれる水蒸気を長期に渡り効率良く分離・除去する（燃焼室２１に供給される循環ガスの水蒸気濃度を長期安定的に低い値に維持する）ことができる。更に、第１水分吸着器９０及び第２水分吸着器９５の吸湿材を交換しなければならない頻度を低減することができる。

なお、第３実施形態において、前記第７通路部及び前記第８通路部を交互に選択的に選択して切換える条件は、前回の通路部選択（切換）実行後のエンジン運転時間が「所定時間以上となったこと（タイマーＴの値が所定値Ｔｔｈに到達したこと）」であったが、前回の通路部選択（切換）実行後からの「エンジン１０の総積算回転数」が所定回転数以上となったこと、或は、前回の通路部選択（切換）実行後からの「エンジン１０を搭載した車両の積算距離」が所定距離以上となったこと、としてもよい。

以上、説明したように、本発明の各実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンによれば、凝縮器８０により循環ガス中の水蒸気を循環ガスから分離しても、その循環ガス中の水蒸気量が依然として比較的多くなる場合、水分吸着器（第１水分吸着器９０又は第２水分吸着器９５）の吸湿材によって循環ガス中の水蒸気を循環ガスから更に分離することができる。従って、燃焼室２１に供給される循環ガス（実質的に作動ガスとして機能するガス）の平均的な比熱比を高い値に維持できる。その結果、各作動ガス循環型水素エンジンは高い熱効率にて運転され得る。

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は水素を拡散燃焼させていたが、自着火燃焼運転又は燃焼室２１に配設された点火プラグからの火花による火花点火燃焼（火炎伝播燃焼）運転を行うエンジンにも本発明を適用することができる。

また、凝縮器（凝縮器）８０は水冷式であったが、空冷式であってもよい。

また、第１実施形態及び第２実施形態においては、飽和水蒸気量ＰＨ２Ｏが所定値ＰＨ２Ｏｔｈより大きいことを「第１水分吸着器９０による水蒸気の除去を追加的に実行する水蒸気追加除去実行条件（吸湿実行条件）」としていたが、この水蒸気追加除去実行条件は、以下の何れか一つに設定することもできる。更に、上記「吸湿材再生条件」も、以下の何れか一つに設定することができる。

（１）大気温度を大気温度センサにより取得し、その大気温度が所定値以上であること。
（２）第１水分吸着器９０による所定継続時間に渡る水蒸気の除去が終了した後に所定時間が経過したこと。
（３）燃焼室２１内の圧力を検出する筒内圧センサを設け、その筒内圧センサからの出力とエンジン回転速度センサ１０２から取得されるクランク角（実際には、そのクランク角により定まる燃焼室２１の容積）とに基いて作動ガス循環型水素エンジンの図示トルクを算出し、その図示トルクと投入した水素量とから同エンジンの効率を取得し、そのエンジンの効率が所定値以下になったこと。

また、上記循環ガス温度センサ１０３に代え、循環ガスに含まれる水蒸気の量又は濃度を直接取得する水蒸気量取得手段（例えば、水蒸気量センサ又は水蒸気圧センサ）を採用してもよい。更に、上記各実施形態の作動ガス循環型水素エンジンは、以下に述べる態様のエンジンであると言うこともできる。

＜態様１＞ 燃焼室に連通した排気ポートと同燃焼室に連通した吸気ポートとを同燃焼室の外部において連通する循環通路を備え、同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同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、
前記循環通路に介装されるとともに入口部から導入した同循環通路を流れ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した後の循環ガスを出口部から排出する凝縮器８０と、
前記凝縮器よりも前記循環ガスの下流側において前記循環通路に介装されるとともに吸湿材を内部に収容し且つ入口部から導入した同循環ガスに含まれる水蒸気を同吸湿材に吸着させた後に同循環ガスを出口部から同循環通路に排出する第１水分吸着器９０と、
を備えた作動ガス循環型水素エンジン。

＜態様２＞ 態様１に記載の作動ガス循環型水素エンジンであって、
前記循環通路は、
排気ポート３２と吸気ポート３１とを連通するとともに凝縮器８０を介装した主循環通路（６１、６２、６６、６５）と、
前記主循環通路上であって前記凝縮器よりも前記循環ガスの下流側における分岐点（接続点Ｃ１）にて同主循環通路から分岐するとともに、同主循環通路上であって同分岐点よりも同循環ガスの下流側における合流点（接続点Ｃ２）にて同主循環通路に合流し、且つ、前記第１水分吸着器９０を介装したバイパス通路（６３、６４）と、
からなり、
前記バイパス通路に流入するガスの流量を調整可能な第１制御弁６７（前記分岐点と前記合流点の間に流れる循環ガスの通路を、前記主循環通路及び前記パイパス通路のうちの何れかの通路に設定・選択する流路切換弁）を更に備える、
作動ガス循環型水素エンジン。

＜態様３＞ 態様２に記載の作動ガス循環型水素エンジンであって、
前記第１制御弁６７は、指示信号に応答して、一つの入口部から導入したガスを二つの出口部の何れかから選択的に排出する三方弁であって、
前記第１制御弁の一つの入口部は前記主循環通路を通して前記凝縮器の出口部８０ｂに連通され、前記第１制御弁の二つの出口部のうちの一方は前記バイパス通路を通して前記第１水分吸着器の入口部９０ａに連通され、前記第１制御弁の二つの出口部のうちの他方は前記主循環通路（接続通路部６６）を通して前記合流点（Ｃ２）に連通された作動ガス循環型水素エンジン。

＜態様４＞ 態様３に記載の作動ガス循環型水素エンジンであって、
前記凝縮器から排出された循環ガス中の水蒸気量が所定値より多いと判定される場合に、前記凝縮器の出口部を通して前記主循環通路に排出された循環ガスの総てが前記バイパス通路を流れるように前記第１制御弁６７を制御する手段（第１経路切換手段）を備えた作動ガス循環型水素エンジン。

＜態様５＞ 態様１〜４に記載の作動ガス循環型水素エンジンであって、
前記第１水分吸着器に収容された吸湿材を加熱することにより同吸湿材から水分を離脱させる吸湿材再生手段（７２）を備えた作動ガス循環型水素エンジン。

＜態様６＞ 態様５に記載の作動ガス循環型水素エンジンであって、
前記吸湿材再生手段は、前記排気ポートと前記凝縮器の入口部との間の前記主循環通路の分岐点から分岐し、その後前記第１水分吸着器の近傍を通過し、その後同分岐点よりも下流の同主循環通路に合流する加熱用バイパス通路７２である作動ガス循環型水素エンジン。

＜態様７＞ 態様６に記載の作動ガス循環型水素エンジンであって、
前記凝縮器から排出された循環ガス中の水蒸気量が所定値より少ないと判定される場合に、前記排気ポートから排出されて前記分岐点に到達する循環ガスの総てが前記加熱用バイパス通路を流れるように制御する第２制御弁（第２経路切換手段）７３を備えた作動ガス循環型水素エンジン。

＜態様８＞ 態様７に記載の作動ガス循環型水素エンジンであって、
前記凝縮器から排出された循環ガス中の水蒸気量が所定値より少ないと判定される場合であっても、前記凝縮器の出口部を通して前記主循環通路に排出された循環ガスの総てが前記バイパス通路（前記第１水分吸着器）を流れるように前記第１制御弁が制御されている場合、前記排気ポートから排出されて前記分岐点に到達する循環ガスの総てが前記加熱用バイパス通路を流れることなく前記主循環通路を流れるように前記第２制御弁を制御する作動ガス循環型水素エンジン。

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。 循環ガス温度に対するエンジン理論熱効率、ガスの比熱比、汽水分離率及び飽和水蒸気圧の変化の様子を示したグラフである。 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の概略図である。 図６に示した第１水分吸着器の変形例を示す概略図である。 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３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。 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…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、１５…コネクティングロッド、１６…オイルパン、２１…燃焼室、２２…クランクケース、３１…吸気ポート、３２…排気ポート、３３…吸気弁、３４…排気弁、３５…水素噴射弁、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、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…酸素ガスミキサ、５５ａ…入口部、５５ｂ…出口部、６０…作動ガス循環通路部、６１…第１通路部、６２…第２通路部、６３…第３通路部、６４…第４通路部、６５…第５通路部、６６…接続通路部、６７…第１制御弁、６８…第１開閉弁、６９…離脱水分排出路部、７１…第２開閉弁、７２…第１水分吸着器加熱通路部（加熱用バイパス通路）、７３…第２制御弁、７３ａ…第３制御弁、７４…第４制御弁、７５…第５制御弁、７６…第６制御弁、８０…凝縮器、８０ａ…入口部、８０ｂ…出口部、９０…第１水分吸着器、９０ａ…入口部、９０ｂ…出口部、９０ｃ…貫通空間、９５…第２水分吸着器、９５ａ…入口部、９５ｂ…出口部、１００…電気制御装置、１０３…循環ガス温度センサ、１１０…作動ガス循環通路部、１１１…第１接続通路部、１１２…第２接続通路部、１１３…第３接続通路部、１１４…第４接続通路部、１１５…第５接続通路部、１１６…第６接続通路部、１１７…第７接続通路部、１１８…第８接続通路部、１１９…第９接続通路部、１２０…第１０接続通路部、１２１…第１１接続通路部、１２２…第１２接続通路部、Ｃ１…第１接続点（第１接続部）、Ｃ２…第２接続点（第２接続部）、Ｃ３…第３接続点（第３接続部）、Ｄ１…分岐点（分岐部）、Ｄ２…合流点（合流部）、Ｅ１…第１分岐点（第１分岐部）、Ｅ２…第２分岐点（第２分岐部）、Ｅ３…第３分岐点（第３分岐部）、Ｅ４…第４分岐点（第４分岐部）、Ｆ１…第１合流点（第１合流部）、Ｆ２…第２合流点（第２合流部）。

Claims (11)

1. 酸素と、燃料としての水素と、比熱比が水蒸気よりも高い不活性な作動ガスと、を燃焼室に供給し、同燃焼室において同燃料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とともに、同燃焼室から排出された燃焼後のガスに含まれる前記作動ガスを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、
   入口部から導入したガスを大気と熱交換させることにより同ガスに含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水となし同ガスから同熱交換により凝縮水となった水蒸気を分離したガスを出口部から排出する凝縮器と、
   吸湿材を収容し且つ入口部から導入したガスに含まれる水蒸気を同吸湿材に吸着させた後に同ガスを出口部から排出する第１水分吸着器と、
   前記燃焼室に連通する排気ポートと前記凝縮器の入口部とを連通させる第１通路部と、
   前記凝縮器の出口部と第１接続点とを連通させる第２通路部と、
   前記第１接続点と前記第１水分吸着器の入口部とを連通させる第３通路部と、
   前記第１水分吸着器の出口部と第２接続点とを連通させる第４通路部と、
   前記第２接続点と前記燃焼室に連通する吸気ポートとを連通させる第５通路部と、
   を備えた作動ガス循環型水素エンジン。
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、
   前記第１接続点と前記第２接続点とを連通する接続通路部と、
   前記第２通路部を通して前記第１接続点に流入するガスのうち前記接続通路部へ流入するガスの流量（Ｇ１）と、前記第２通路部を通して前記第１接続点に流入するガスのうち前記第３通路部へ流入するガスの流量（Ｇ２）と、を調整可能な第１制御弁と、
   を備えた作動ガス循環型水素エンジン。
3. 請求項２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制御弁は一つの入口部と二つの出口部とを有し同入口部から導入したガスを指示信号に基いて選択された同二つの出口部のうちの何れか一方から排出することができる三方弁であり、
   前記第１制御弁は前記第１接続点に配置されるとともに、前記第１制御弁の入口部は前記第２通路部に連通され、前記第１制御弁の二つの出口部のうちの一方は前記第３通路部に連通され、前記第１制御弁の二つの出口部のうちの他方は前記接続通路部に連通された、
   作動ガス循環型水素エンジン。
4. 請求項２又は請求項３に記載の作動ガス循環型水素エンジンであって、
   前記凝縮器の出口部から前記第２通路部内に排出されたガスに含まれる水蒸気量を取得する水蒸気量取得手段と、
   前記取得された水蒸気量が多いときは同取得された水蒸気量が少ないときよりも、前記接続通路部に流入するガスの量Ｇ１に対する前記第３通路部に流入するガスの量Ｇ２の比（Ｇ２／Ｇ１）が大きくなるように前記第１制御弁を制御する第１制御弁制御手段と、
   を備えた作動ガス循環型水素エンジン。
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であって、
   前記第１水分吸着器に収容された吸湿材を加熱し同吸湿材に吸着されている水分を同吸湿材から離脱させる第１水分吸着器再生手段を備えた作動ガス循環型水素エンジン。
6. 請求項５に記載の作動ガス循環型水素エンジンであって、
   前記第１水分吸着器再生手段は、前記第１通路部上の分岐点にて同第１通路部から分岐して前記第１水分吸着器の近傍を通過するとともに同第１通路部上であって同分岐点よりも下流側の合流点にて同第１通路部に合流する第１水分吸着器加熱通路部である作動ガス循環型水素エンジン。
7. 請求項６に記載の作動ガス循環型水素エンジンであって、
   前記第１通路部を流れるガスであって前記分岐点と前記合流点との間を流れるガスの流量Ｇ３に対する前記第１水分吸着器加熱通路部を流れるガスの流量Ｇ４の比（Ｇ４／Ｇ３）を調整可能な第２制御弁を備えた作動ガス循環型水素エンジン。
8. 請求項７に記載の作動ガス循環型水素エンジンであって、
   前記第１水分吸着器の前記吸湿材に吸着されている水分を同吸湿材から離脱させることにより同吸湿材を再生させる吸湿材再生条件が成立したか否かを判定する吸湿材再生条件判定手段と、
   前記吸湿材再生条件が成立したと判定されたとき前記排気ポートから排出されたガスの総てが前記第１水分吸着器加熱通路部を流れ且つ前記第１通路部の前記分岐点と前記合流点との間には同排気ポートから排出されたガスが流れないように前記第２制御弁を制御するとともに、前記吸湿材再生条件が成立しないと判定されたとき前記排気ポートから排出されたガスの総てが前記第１通路部の前記分岐点と前記合流点との間を流れ且つ前記第１水分吸着器加熱通路部には同排気ポートから排出されたガスが流れないように前記第２制御弁を制御する再生時経路制御手段と、
   を備えた作動ガス循環型水素エンジン。
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、
   前記再生時経路制御手段は、
   前記吸湿材再生条件が成立したと判定されたとき前記第２通路部を流れるガスの総てが前記接続通路部を流れるように前記第１制御弁を制御するように構成された作動ガス循環型水素エンジン。
10. 請求項９に記載の作動ガス循環型水素エンジンであって、
    前記再生時経路制御手段は、
    前記吸湿材再生条件が成立しないと判定されたとき前記第２通路部を流れるガスの総てが前記第３通路部を流れるように前記第１制御弁を制御するように構成された作動ガス循環型水素エンジン。
11. 酸素と、燃料としての水素と、比熱比が水蒸気よりも高い不活性な作動ガスと、を燃焼室に供給し、同燃焼室において同燃料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とともに、同燃焼室から排出された燃焼後のガスに含まれる前記作動ガスを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、
    入口部から導入したガスを大気と熱交換させることにより同ガスに含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水となし同ガスから同熱交換により凝縮水となった水蒸気を分離したガスを出口部から排出する凝縮器と、
    吸湿材を収容し且つ入口部から導入したガスに含まれる水蒸気を同吸湿材に吸着させた後に同ガスを出口部から排出する第１水分吸着器と、
    吸湿材を収容し且つ入口部から導入したガスに含まれる水蒸気を同吸湿材に吸着させた後に同ガスを出口部から排出する第２水分吸着器と、
    前記燃焼室に連通する排気ポートと第１分岐点とを連通させる第６通路部と、
    前記第１分岐点から出発するとともに前記第１水分吸着器の近傍を通過し、その後前記凝縮器の入口部及び出口部を通過し、その後前記第２水分吸着器の入口部及び出口部を通過し、その後前記燃焼室に連通した吸気ポートに到達する第１循環ガス経路を構成する第７通路部と、
    前記第１分岐点から出発するとともに前記第２水分吸着器の近傍を通過し、その後前記凝縮器の入口部及び出口部を通過し、その後前記第１水分吸着器の入口部及び出口部を通過し、その後前記吸気ポートに到達する第２循環ガス経路を構成する第８通路部と、
    前記第７通路部及び前記第８通路部の何れか一方の通路部を選択的に選択し、同選択した通路部を通し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同燃焼室に再び供給させる循環ガス通路部選択手段と、
    を備えた作動ガス循環型水素エンジン。

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