JP2010106798A - 動力発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率が高く、クリーンな動力発生装置を提供する。
【解決手段】動力発生装置１は、電力供給装置１２と、所定量の水を保持する貯水装置１３と、貯水装置１３から供給される水を加熱して水蒸気にする加熱装置１４と、加熱装置１４で発生した水蒸気を電気分解して水素と酸素を生成する水蒸気電解装置５と、水蒸気電解装置５で生成された水素を貯留する水素タンク１６と、水蒸気電解装置５で生成された酸素を貯留する酸素タンク１７と、水素タンク１６から供給される水素と酸素タンク１７から供給される酸素とを反応させて動力を発生させる水素−酸素エンジン８と、水素−酸素エンジン８で生成された水蒸気を水蒸気電解装置５に排出する排出マニホールドＰ６と、排出マニホールドＰ６に配置され、水蒸気から排熱を回収して動力を発生させる排熱回収装置２と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素と酸素の反応を利用した動力発生装置に関する。

近年、地球温暖化の問題から二酸化炭素の排出量の削減が求められており、化石燃料に替えて水素を燃料とする水素自動車や燃料電池自動車の開発が行われている。また、これに伴い、燃料となる水素を効率よく製造する技術の開発が望まれている。

例えば、特許文献１には、水蒸気を分解して水素イオンと酸素イオンを生成する水素極と、酸素イオンを伝動する電解質と、電解質を通過した酸素イオンを酸素ガスとして排出する酸素極と、水素極及び酸素極に給電する電源と、水素極側に水蒸気を供給する水素極マニホールドと、酸素極側に発生した酸素ガスを排出する酸素極マニホールドと、生成された水素から還元媒体を介して水素化合物を生成する水素化合物生成手段と、を有する水蒸気電解装置が開示されている。かかる水蒸気電解装置では、水素を貯蔵や輸送に適した化合物に変換する反応と水素生成反応とが行われている。

また、特許文献２には、特許文献１の水蒸気電解装置と略同様の構造であって、水素極側に水蒸気を供給するとともに、酸素極側に炭化水素含有ガスを供給する水蒸気電解装置が開示されている。かかる水蒸気電解装置は、酸素極側から排出される排ガスを酸素極側に供給する炭化水素含有ガスに還流させることで、電解電圧を下げつつ、炭素が電極に付着するのを防止している。

特開２００７−０７７４６４号公報 特開２００５−２３２５２６号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載の水蒸気電解装置は、水蒸気電解装置だけの提案に留まり、これを利用した総合的な動力発生装置の提案には至っていない。
本発明は、エネルギー効率が高く、クリーンな動力発生装置を提供することを課題とする。

本発明に係る動力発生装置は、電力供給装置と、所定量の水を保持する貯水装置と、前記電力供給装置から供給される電力により、前記貯水装置から供給される水を加熱して水蒸気にする加熱装置と、前記加熱装置で発生した水蒸気を電気分解して水素と酸素を生成する水蒸気電解装置と、前記水蒸気電解装置で生成された水素を貯留する水素タンクと、前記水蒸気電解装置で生成された酸素を貯留する酸素タンクと、前記水素タンクから供給される水素と前記酸素タンクから供給される酸素とを反応させて動力を発生させる水素−酸素エンジンと、前記水素−酸素エンジンで生成された水蒸気を前記水蒸気電解装置に排出する水蒸気排出通路と、前記水蒸気排出通路に配置され、前記水蒸気から排熱を回収して動力を発生させる排熱回収装置と、を有することを特徴とする。

かかる構成によれば、水蒸気を水素と酸素に分解する水蒸気電解装置と、水素と酸素を燃料とする水素−酸素エンジンとを搭載しているので、特殊な燃料や燃料電池のような複雑な装置を必要とせず、二酸化炭素や窒素酸化物が排出されないクリーンでより安定した作動が可能な動力発生装置を提供できる。また、本発明に係る動力発生装置は、排熱回収装置を備えているので、水素−酸素エンジンで発生した高温の水蒸気からさらに動力を回収することができ、一層高効率な動力発生装置を提供することができる。

また、前記水素−酸素エンジンは、前記水素タンク及び前記酸素タンクの少なくともいずれか一方から供給される水素及び酸素の少なくともいずれか一方を前記水素−酸素エンジンの燃焼室に供給する水素・酸素供給通路と、前記水蒸気排気通路と前記水素・酸素供給通路とに連通し、水蒸気からなる排気の一部を前記水素・酸素供給通路に供給するＥＧＲ通路と、を備えるように構成するのが好ましい。

水素は理論空気当たりの発熱量がガソリンよりも大きいが、かかる構成によれば、水蒸気からなる排気の一部を吸気側に還流させることによって、燃焼温度を低下させることができる。そのため、水素−酸素エンジンや周辺装置への熱害を防止するとともに、水素−酸素エンジンを一層安定して作動させることができる。

また、前記水素−酸素エンジンは、前記水蒸気排出通路の燃焼室側の開口部を開閉する複数の排気バルブと、前記複数の排気バルブの開閉タイミングを制御するタイミング制御装置と、を備える構成とするのが好ましい。

かかる構成によれば、複数の排気バルブが開閉するタイミングを可変制御することができるので、例えば、エンジン始動時のように排気ガス（水蒸気）の温度が低い場合には、排気ガスの温度が上がるように排気バルブの開閉タイミングを変更することができる。そのため、加熱装置の負担を低減し、より高効率の動力発生装置を提供することが可能となる。

また、前記排熱回収装置は、前記水蒸気排気通路上に配置された熱交換部と、空気取入口と空気排出口とを有し、前記熱交換部を内部に収容するハウジングと、前記ハウジング内であって前記熱交換部よりも前記空気取入口側に配置されたコンプレッサと、前記ハウジング内であって前記熱交換部よりも前記空気排出口側に配置されたタービンと、前記コンプレッサと前記タービンとを一体回転可能に連結する連結部材と、前記連結部材に接続され、前記連結部材を回転させる電動装置として機能するとともに、前記連結部材の回転によって発電する出力装置として機能する電動発電装置と、を備えるように構成するのが好ましい。

かかる構成によれば、コンプレッサによって圧縮された流体が熱交換部で加熱されてタービンに吹きつけられることにより、タービンに一体回転可能に連結された連結部材が回転することとなる。これにより、電動発電装置が出力装置として機能して発電が行われることとなる。そのため、より一層高効率な動力発生装置を提供することが可能となる。

また、本発明に係る動力発生装置は、前記水素タンクに設けられ、前記水素タンクに蓄えられた水素量を検出する水素量検出装置と、前記水素量検出装置が所定の水素量を検出した場合に、前記水蒸気電解装置にて生成される水素を別途保存する水素保存装置と、を有し、前記加熱装置により水蒸気が発生するまでの間、前記水素保存装置に保存していた水素を前記水素タンク又は前記水素−酸素エンジンに供給するように構成するのが好ましい。

かかる構成によれば、水素タンクが所定要領を超えた場合に、別途水素を保存する水素保存装置を備えているので、例えば、エンジン始動時や寒冷時のように、水蒸気の生成あるいは水素の生成に時間が掛かる場合に、水素保存装置から水素タンクあるいは水素−酸素エンジンに水素を供給することにより、水素−酸素エンジンを駆動することができる。そのため、水蒸気電解装置に早期に水蒸気を供給することができる。

また、本発明は、前記排熱回収装置から前記水蒸気電解装置に送られる排気流量を検出する排気流量検出手段と、前記加熱装置から排出される水蒸気量の初期値と前記排気流量検出手段で検出した排気流量との差分に応じて前記貯水装置から前記加熱装置に供給する水量を調節する水量制御手段と、を備える構成とするのが好ましい。

かかる構成によれば、加熱装置から排出される水蒸気量の初期値と排気流量検出手段で検出した排気流量との差分に応じて貯水装置から加熱装置に供給する水量を調節するので、例えば、運転開始直後のように、排気流量が少ない場合は貯水装置から加熱装置に供給する水量を多くし、運転開始からある程度時間が経過して排気流量が多くなってきた場合は貯水装置から加熱装置に供給する水量を少なくすることにより、貯水装置に貯水された水の使用量を低減するとともに、加熱装置の負担を軽減することができる。

なお、「加熱装置から排出される水蒸気量の初期値」とは、水素−酸素エンジンから排出される水蒸気が水蒸気電解装置５に還流されていない段階で、加熱装置から排出される水蒸気量であり、主に、加熱装置に供給する水量の初期設定値によって定まる値である。

また、本発明は、前記水素−酸素エンジンで発生した動力で作動する作動装置の作動状態を検出する作動状態検出手段と、前記作動状態検出手段で検出した作動装置の作動状態に基づいて前記水素−酸素エンジンによる動力の必要発生量を算出し、算出した動力の必要発生量に基づいて前記水素−酸素エンジンに供給する水素量及び酸素量を調節するエンジン制御手段と、をさらに備え、前記水量制御手段は、前記水素−酸素エンジンに供給される水素量及び酸素量に基づいて前記水素−酸素エンジンで生成される水蒸気量を計算するとともに、計算した水蒸気量と前記排気流量検出手段で検出した排気流量との差分に基づいて、前記貯水装置から前記加熱装置に供給する水量を調節する構成とするのが好ましい。

かかる構成によれば、作動装置の作動状態に応じて、水素−酸素エンジンに供給する水素量及び酸素量を調節するとともに、水素−酸素エンジンに供給した水素量及び酸素量から求まる計算上の水蒸気量と排気流量検出手段で検出した排気流量との差分から水蒸気のロス量を計算し、このロスを補うように、貯水装置から加熱装置に供給する水量を調節するので、排気される水蒸気の再利用を図ると共に、水素及び酸素の使用量を適切に保ちながら、動力発生装置を効率よく安定的に運転することができる。

本発明によれば、エネルギー効率が高く、クリーンな動力発生装置を提供することができる。

本発明を実施するための最良の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。説明において、同一の要素には同一の番号を付し、重複する説明は省略する。
図１は、第１実施形態に係る動力発生装置の概要を示すブロック図である。

動力発生装置１は、図１に示すように、水蒸気電解装置５で生成した水素と酸素を用いて水素−酸素エンジン８を駆動することにより、動力を得る装置である。
動力発生装置１は、図１に示すように、電力供給装置１２と、所定量の水を保持する貯水装置１３と、電力供給装置１２から供給される電力により、貯水装置１３から供給される水を加熱して水蒸気にする加熱装置１４と、加熱装置１４で発生した水蒸気を電気分解して水素と酸素を生成する水蒸気電解装置５と、水蒸気電解装置５で生成された水素を貯留する水素タンク１６と、水蒸気電解装置５で生成された酸素を貯留する酸素タンク１７と、水素タンク１６から供給される水素と酸素タンク１７から供給される酸素とを反応させて動力を発生させる水素−酸素エンジン８と、水素−酸素エンジン８で生成された水蒸気を水蒸気電解装置５に排出する排気マニホールドＰ６と、排気マニホールドＰ６上に配置され、水蒸気から排熱を回収して動力を発生させる排熱回収装置２と、を主に備えている。以下、各構成について詳細に説明する。

電力供給装置１２は、主に加熱装置１４や水蒸気電解装置５に電力を供給する装置であり、例えば、発電機やバッテリーなどで構成されている。

貯水装置１３は、水蒸気の元となる水を蓄えるものであり、例えば、樹脂製の容器などで構成されている。
貯水装置１３は、図１に示すように、配管Ｐ１を介して加熱装置１４に接続されている。貯水装置１３に貯留された水は、図示しないポンプによって汲み上げられ、配管Ｐ１を通って加熱装置１４に供給される。

加熱装置１４は、貯水装置１３から供給された水を加熱して水蒸気にする装置であり、例えば、誘導加熱式のヒーターなどで構成されている。
加熱装置１４は、図１に示すように、配管Ｐ２を介して水蒸気電解装置５に接続されている。加熱装置１４で生成された水蒸気は、配管Ｐ２を通って水蒸気電解装置５に供給される。なお、このときの水蒸気の温度は、６００℃〜７００℃程度である。

図２は、水蒸気電解装置の断面図である。
水蒸気電解装置５は、水蒸気から水素と酸素を生成する装置である。
水蒸気電解装置５は、図２に示すように、矩形状の格納容器５１と、格納容器５１に格納された電解セル５２と、を主に備えている。
電解セル５２は、水蒸気を水素イオンと酸素イオンに分解する水素極５３と、酸素イオンを伝動する電解質５４と、電解質５４から供給された酸素イオンを酸素ガスとして放出する酸素極５５と、をこの順番に積層して構成されている。電解セル５２は、格納容器５１の略中央に配置されており、格納容器５１を二分割している。水素極５３及び酸素極５５の表面（電解質５４と反対側の面）には電極５６，５６がそれぞれ配置されており、電力供給装置１２から電力が供給されている。

２分割された格納容器５１のうち、水素極５３側の空間は、水素極５３に水蒸気を供給するとともに、水素極５３に発生した水素ガスを排出する水素極マニホールド５７となっている。また、２分割された格納容器５１のうち、酸素極５５側の空間は、酸素極５５に発生した酸素ガスを排出する酸素極マニホールド５８となっている。

水素極マニホールド５７の一端側には、配管Ｐ２が接続されており、加熱装置１４から水蒸気が供給されるようになっている。また、水素極マニホールド５７の他端側には、水素ガスを排出するための配管Ｐ３の一端が接続されている。
酸素極マニホールド５８には、酸素ガスを排出するための配管Ｐ４の一端が接続されている。
なお、水蒸気電解装置５から排出される水素ガス及び酸素ガスの温度は６００〜１０００℃程度である。

水素タンク１６は、図１に示すように、水蒸気電解装置５で生成された水素ガスを貯留する高圧タンクである。水素タンク１６には、水蒸気電解装置５から延びる配管Ｐ３の他端側が接続されている。配管Ｐ３の途中には、図示しない冷却装置とコンプレッサが配置されており、水蒸気電解装置５から排出された高温の水素ガスは、冷却装置で冷却され、コンプレッサで圧縮されて、水素タンク１６に高圧状態で貯留されることとなる。
水素タンク１６は、例えばタンク内の水素の圧力に基づいて貯留されている水素量を検出する水素量検出装置１６ａを備えている。
水素タンク１６は、吸気マニホールドＰ５を介して後記する水素−酸素エンジン８の吸気ポート８７（図３参照）に接続されている。水素タンク１６は、吸気マニホールドＰ５に所定量の水素ガスを噴射する噴射装置を備えている。

なお、水蒸気電解装置５と水素タンク１６とを接続する配管Ｐ３の途中には、分岐バルブＶＬが設けられており、この分岐バルブＶＬに接続された配管Ｐ７を介して、水素保存装置１５に水素を長期間保存可能になっている。水素保存装置１５には、水素タンク１６に水素を供給するための配管Ｐ９が接続されている。

水素保存装置１５は、図示しない制御部を備えており、水素量検出装置１６ａが所定の水素量を検出した場合に、分岐バルブＶＬを切り替えて、水蒸気電解装置５で発生した水素を保存するように構成されている。
また、水素保存装置１５は、例えば動力発生装置１の始動直後に、加熱装置１４により水蒸気が発生するまでの間、配管Ｐ９を介して水素タンク１６に水素を供給するように構成されている。
なお、水素保存装置１５に保存された水素の用途は、水素タンク１６の補充に限定されるものではなく、燃料電池などの図示しない外部装置に供給するようにしてもよい。

酸素タンク１７は、図１に示すように、水蒸気電解装置５で生成された酸素ガスを貯留する高圧タンクである。酸素タンク１７には、水蒸気電解装置５から延びる配管Ｐ４の他端側が接続されている。配管Ｐ４の途中には、図示しない冷却装置とコンプレッサが配置されており、水蒸気電解装置５から排出された高温の酸素ガスは、冷却装置で冷却され、コンプレッサで圧縮されて、酸素タンク１７に高圧状態で貯留されることとなる。
酸素タンク１７は、例えばタンク内の酸素の圧力に基づいて貯留されている酸素量を検出する酸素量検出装置１７ａを備えている。
酸素タンク１７は、吸気マニホールドＰ５を介して後記する水素−酸素エンジン８の吸気ポート８７（図３参照）に接続されている。酸素タンク１７は、吸気マニホールドＰ５に所定量の酸素ガスを噴射する噴射装置を備えている。

図３は、水素−酸素エンジンの断面図である。
水素−酸素エンジン８は、水素ガスと酸素ガスとを反応させて動力を発生させる装置である。水素−酸素エンジン８は、図１に示すように、水素・酸素供給通路を構成する吸気マニホールドＰ５を介して水素タンク１６及び酸素タンク１７に接続されている。

水素−酸素エンジン８は、図３に示すように、複数のシリンダ８１ａが一体形成されたシリンダブロック８１と、シリンダブロック８１の上部に結合されるシリンダヘッド８２と、シリンダヘッド８２の上部に結合されるヘッドカバー８３と、を備えている。

シリンダ８１ａのシリンダボア８１ｂにはピストン８４が往復動可能に嵌合し、ピストン８４は、シリンダブロック８１に回転可能に支持されるクランクシャフトにコンロッド（ともに図示省略）を介して連結されている。クランクシャフトは、発電装置１８（図１参照）に連結されている。

シリンダヘッド８２には、各シリンダ８１ａに対応して、吸気ポート８７と、排気ポート８８とが形成されている。各排気ポート８８の燃焼室８６側は二股に分岐しており（図４（ｂ）参照）、燃焼室８６に対して第１排気口８８ａ及び第２排気口８８ｂが開口している。同様に、各吸気ポート８７の燃焼室８６側は二股に分岐しており、燃焼室８６に対して第１吸気口８７ａ及び第２吸気口８７ｂが開口している。また、シリンダヘッド８２には、燃焼室８６に臨む点火プラグ８６ａが設置されている。

シリンダヘッド８２には、第１吸気口８７ａ及び第２吸気口８７ｂを開閉するための第１吸気弁８１１ａ及び第２吸気弁８１１ｂが、弁ばね８１１ｃにより閉弁方向に常時付勢されて往復動可能に設置されている。同様に、シリンダヘッド８２には、第１排気口８８ａ及び第２排気口８８ｂを開閉するための第１排気弁８１２ａ及び第２排気弁８１２ｂが、弁ばね８１２ｃにより閉弁方向に常時付勢されて往復動可能に設置されている。第１吸気弁８１１ａ及び第２吸気弁８１１ｂ、並びに、第１排気弁８１２ａ及び第２排気弁８１２ｂは、ヘッドカバー８３内に設けられた動弁装置Ｖによって駆動され、第１吸気口８７ａ及び第２吸気口８７ｂ、並びに、第１排気口８８ａ及び第２排気口８８ｂをそれぞれ開閉する。

吸気ポート８７には、吸気マニホールドＰ５（図１参照）が接続されており、水素ガスと酸素ガスが所定の割合で混合された混合ガスが供給される。混合ガスは、吸気工程において、吸気ポート８７及び開弁した第１吸気弁８１１ａ，第２吸気弁８１１ｂを経て燃焼室８６に吸入され、圧縮工程において圧縮される。混合ガスは、圧縮工程の終期に点火プラグ８６ａによって点火されて燃焼し、膨張する。膨張行程において、混合ガスがピストン８４を押し下げることにより、クランク軸が回転する。排気工程において、ピストン８４が上昇するとともに、第１排気弁８１２ａ及び第２排気弁８１２ｂが開弁することにより、排気ガスである高温の水蒸気が、排気ポート８８に排出されることとなる。

図４は、水素−酸素エンジンの要部断面図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。図５は、図４（ｂ）のII−II線断面図である。
図４（ａ）（ｂ）及び図５に示すように、水蒸気排出通路の一部を構成する排気ポート８８の内周面には、周方向に延びる環状の溝８８１が互いに平行にかつ長手方向に等間隔で複数形成されている。
また、排気ポート８８の内周面には、溝８８１と交差して長手方向に延びるリブ８８２が周方向に等間隔で形成されている。リブ８８２は、排気ポート８８の内周面と面一に形成されている。

図６は、図４（ｂ）のIII−III線断面図であり、（ａ）は開弁時、（ｂ）は閉弁時の状態を示している。
図６（ａ）に示すように、排気ポート８８では、水蒸気たる排気流Ｆの一部が溝８８１に流れ込んで渦Ｓを生じるが、その流速は、排気ポート８８内の排気流Ｆよりも小さくなる。そのため、溝８８１内に生じる境界層Ｌの厚さは、排気ポート８８内に生じる境界層Ｌの厚さに比べて大きく、渦Ｓの熱がシリンダヘッド８２に伝わり難くなる。つまり、溝８８１内の渦Ｓが断熱層となり、排気流Ｆの温度低下が防止されることとなる。

なお、第１排気弁８１２ａ及び第２排気弁８１２ｂが閉弁すると、排気ポート８８内の圧力が減少し、図６（ｂ）に示すように、溝８８１内の渦Ｓが排気ポート８８に引き出され、次回の排気工程でも同様のことが繰り返される。

図４（ａ）に示すように、排気ポート８８の燃焼室８６と反対側の開口部には、水蒸気排出通路の一部を構成する排気マニホールドＰ６の一端側が接続されている。排気マニホールドＰ６の内周面には、排気ポート８８と同様に、溝８８１及びリブ８８２が設けられている。

つづいて、動弁装置Ｖについて図３、図７、図８を参照して説明する。
図３に示すように、動弁装置Ｖは、シリンダヘッド８２とヘッドカバー８３とで構成される動弁室Ｃ内に配置されている。動弁装置Ｖは、第１吸気弁８１１ａ及び第２吸気弁８１１ｂを開閉する吸気側動弁装置Ｖ１と、第１排気弁８１２ａ及び第２排気弁８１２ｂを開閉する排気側動弁装置Ｖ２とで構成されている。排気側動弁装置Ｖ２は、第１排気弁８１２ａと第２排気弁８１２ｂのバルブタイミングを、運転状態に応じて変更可能に構成されている。

図３に示すように、吸気側動弁装置Ｖ１は、一つの燃焼室８６毎に一対の吸気カム９２を有する吸気カム軸９１と、各吸気カム９２に対応する複数のロッカアーム９３と、から構成されている。吸気カム軸９１は、動弁室Ｃ内の両端部に設置された軸受部Ｃａに軸支されている。吸気カム９２は、第１吸気弁８１１ａ及び第２吸気弁８１１ｂを閉弁状態にする閉弁部９２ａと、第１吸気弁８１１ａ及び第２吸気弁８１１ｂを開弁状態にする開弁部９２ｂとを有している。開弁部９２ｂの表面から吸気カム軸９１の中心までの距離は、閉弁部９２ａの表面から吸気カム軸９１の中心までの距離よりも大きい。ロッカアーム９３の一端側は、ロッカアーム軸９３ａに揺動可能に軸支されている。ロッカアーム９３の他端側は、第１吸気弁８１１ａ及び第２吸気弁８１１ｂの頂部に当接している。ロッカアーム９３の中間部には、吸気カム９２が当接している。これにより、ロッカアーム９３に吸気カム９２の開弁部９２ｂが当接すると、第１吸気弁８１１ａ及び第２吸気弁８１１ｂが弁ばね８１１ｃに抗して押し下げられて吸気口８７ａ，８７ｂが開口し、ロッカアーム９３に吸気カム９２の閉弁部９２ａが当接すると、第１吸気弁８１１ａ及び第２吸気弁８１１ｂが弁ばね８１１ｃによって押し上げられて吸気口８７ａ，８７ｂが閉塞される。

図３に示すように、排気側動弁装置Ｖ２は、一つの燃焼室８６毎に一対の排気カム９５を有する排気カム軸９４と、各排気カム９５に対応する複数のロッカアーム９６と、から構成されている。
排気カム軸９４は、インナカム軸９７と、インナカム軸９７に外嵌するアウタカム軸９８とから構成されている。インナカム軸９７及びアウタカム軸９８は、相互に独立して同軸に回動可能に構成されている。

図７は、排気側動弁装置の構造図であり、（ａ）は水平断面図、（ｂ）は（ａ）のIV−IV線断面図である。
図７（ａ）（ｂ）に示すように、アウタカム軸９８は、有底筒状の部材であり、小径部９８１ａと小径部９８１ａよりも径の大きい大径部９８１ｂとから構成される軸本体９８１と、軸本体９８１に一体形成された第１排気カム９５１と、第２排気カム９５２を支持するカム支持部９８３と、を備えている。軸本体９８１は、動弁室Ｃ内の両端部に設置された軸受部Ｃａにその両端部付近を軸支されている。軸受部Ｃａから突出する軸本体９８１の一端側９８１ｃは、第１位相制御機構Ｆ１に結合されている。軸本体９８１の他端側９８１ｄは、第２位相制御機構Ｆ２に結合されている。
また、アウタカム軸９８は、インナカム軸９７を挿入するための中空部９８６を有している。中空部９８６の第１位相制御機構Ｆ１側は、軸方向に開口している。

第１排気カム９５１は、第１排気弁８１２ａを開閉するカムである。第１排気カム９５１は、閉弁部９５１ａと開弁部９５１ｂとを備えている。
第２排気カム９５２は、第２排気弁８１２ｂを開閉するカムである。第２排気カム９５２は、カム支持部９８３に回動可能に外嵌されている。第２排気カム９５２は、閉弁部９５２ａと開弁部９５２ｂとを備えている。
第１排気カム９５１及び第２排気カム９５２が、ロッカアーム９６に当接することにより、ロッカアーム９６が上下して、第１排気弁８１２ａ及び第２排気弁８１２ｂが開閉する。

インナカム軸９７は、棒状の部材であり、アウタカム軸９８の一端側９８１ｃから中空部９８６に挿入されている。インナカム軸９７は、アウタカム軸９８に対して回動可能になっている。
インナカム軸９７は、小径部９７ａと、小径部９７ａよりも大径の大径部９７ｂとを有している。インナカム軸９７の大径部９７ｂは、アウタカム軸９８の中空部９８６から突出しており、第１位相制御機構Ｆ１の回動部材Ｆ１ｂに結合されている。インナカム軸９７の小径部９７ａは、ピン９７ｃを介して、第２排気カム９５２と結合されている。ピン９７ｃは、アウタカム軸９８のカム支持部９８３に形成された長孔９８３ａに挿通されている。長孔９８３ａは、周方向の寸法がピン９７ｃの直径よりも大きく形成されている。

第１位相制御機構Ｆ１は、アウタカム軸９８の一端側９８１ｃと一体に結合された有底筒状の本体Ｆ１ａと、本体Ｆ１ａの内部に回動可能に設置された回動部材Ｆ１ｂと、を有している。回動部材Ｆ１ｂは、油圧を作用させることにより、本体Ｆ１ａに対して回転するようになっている。
回動部材Ｆ１ｂは、本体Ｆ１ａと係合して相対回転を不能とするロック部Ｆ１ｃを有している。ロック部Ｆ１ｃは、油圧を作用させることにより、本体Ｆ１ａに形成された係合穴Ｆ１ｄに進入し、油圧を低下させると、ばねの付勢力によって係合穴Ｆ１ｄから抜け出るようになっている。

また、第１位相制御機構Ｆ１は、進角油路Ｆ１ｅと、遅角油路Ｆ１ｆと、を有している。第１位相制御機構Ｆ１は、進角油路Ｆ１ｅに油圧を作用させると、回動部材Ｆ１ｂ、インナカム軸９７及び第２排気カム９５２が一体に回動し、第２排気カム９５２が第１排気カム９５１に対して進角方向に回動するようになっている。同様に、第１位相制御機構Ｆ１は、遅角油路Ｆ１ｆに油圧を作用させると、第２排気カム９５２が第１排気カム９５１に対して遅角方向に回動するようになっている。

第２位相制御機構Ｆ２は、有底筒状の本体Ｆ２ａと、本体Ｆ２ａの内部に回動可能に設置され、アウタカム軸９８の他端側９８１ｄが結合された回動部材Ｆ２ｂと、を有している。回動部材Ｆ２ｂは、油圧を作用させることにより、本体Ｆ２ａに対して回転するようになっている。本体Ｆ２ａの外周にはタイミングチェーン（図示省略）が掛け回されるスプロケットＦ２ｅが形成されている。
回動部材Ｆ２ｂは、本体Ｆ２ａと係合して相対回転を不能とするロック部Ｆ２ｃを有している。ロック部Ｆ２ｃは、油圧を作用させることにより、本体Ｆ２ａに形成された係合穴Ｆ２ｄに進入し、油圧を低下させると、ばねの付勢力によって係合穴Ｆ２ｄから抜け出るようになっている。

また、第２位相制御機構Ｆ２は、進角油路Ｆ２ｆと、遅角油路Ｆ２ｇと、を有している。第２位相制御機構Ｆ２は、進角油路Ｆ２ｆに油圧を作用させると、回動部材Ｆ２ｂ、アウタカム軸９８及び第１排気カム９５１が一体に回動し、第１排気カム９５１が第２排気カム９５２に対して進角方向に回動するようになっている。同様に、第２位相制御機構Ｆ２は、遅角油路Ｆ２ｇに油圧を作用させると、第１排気カム９５１が第２排気カム９５２に対して遅角方向に回動するようになっている。

タイミング制御装置１００は、第１位相制御機構Ｆ１及び第２位相制御機構Ｆ２を介して、第１排気弁８１２ａ及び第２排気弁８１２ｂの開閉タイミングを制御する装置である。
タイミング制御装置１００は、油圧ポンプ１０１と、油圧ポンプ１０１と第１位相制御機構Ｆ１及び第２位相制御機構Ｆ２とを接続する配管１０２，１０３と、配管１０２，１０３の途中にそれぞれ設けられた制御弁１０４，１０５と、制御弁１０４，１０５の開閉を制御する制御装置本体１０６と、から構成されている。

図８は、第１排気弁及び第２排気弁の動作説明図であり、（ａ）は基本動作時、（ｂ）は排気温度上昇動作時、（ｃ）は排気温度低下動作時、のリフト量とクランク角の関係を示している。
基本動作時において、タイミング制御装置１００は、第１位相制御機構Ｆ１の進角油路Ｆ１ｅと遅角油路Ｆ１ｆに油圧を均等に作用させている。このとき、第２排気カム９５２によって開閉される第２排気弁８１２ｂは、図８（ａ）に示すように、下死点ＢＤＣよりも角度θ_０だけ早く開き始めるように設定されている。

一方、制御装置本体１０６の指令により、制御弁１０４を開き、油圧ポンプ１０１によって第１位相制御機構Ｆ１の進角油路Ｆ１ｅに高圧の作動油を送るとともに、遅角油路Ｆ１ｆの作動油を排出すると、回動部材Ｆ１ｂ及びインナカム軸９７を介して、第２排気カム９５２が第１排気カム９５１に対して進角方向に回転する。そうすると、第２排気弁８１２ｂが、図８（ｂ）に示すように、基本動作時に比べて角度θ_１だけ早く開き始める。排気ガス（水蒸気）は、圧縮状態となっている燃焼開始直後ほど温度が高く、ピストン８４が下死点ＢＤＣに近づくほど低くなる。そのため、第２排気カム９５２を進角させることで、ピストン８４が下死点ＢＤＣに到達する前に、高温の排気ガス（水蒸気）を多く排出できるので、排気ガスの温度が上昇する。

また、制御装置本体１０６の指令により、制御弁１０４を開き、油圧ポンプ１０１によって第１位相制御機構Ｆ１の遅角油路Ｆ１ｆに高圧の作動油を送るとともに、進角油路Ｆ１ｅの作動油を排出すると、回動部材Ｆ１ｂ及びインナカム軸９７を介して、第２排気カム９５２が第１排気カム９５１に対して遅角方向に回転する。そうすると、第２排気弁８１２ｂが、図８（ｃ）に示すように、基本動作時に比べて角度θ_２だけ遅く開き始める。ちなみに、第１実施形態では、下死点ＢＤＣで開き始めている。そのため、排気ガスの温度が低下する。

なお、タイミング制御装置１００は、制御弁１０５の開度を調節することにより、第２位相制御機構Ｆ２に作用する油圧を調節して、第１排気弁８１２ａが開き始めるタイミングを調節することができるが、第１位相制御機構Ｆ１の制御と同様であるので、その説明は割愛する。

図１に示すように、水素−酸素エンジン８から排出された水蒸気は、排気マニホールドＰ６によって、水蒸気電解装置５の上流側（より詳しくは、加熱装置１４と水蒸気電解装置５とを接続する配管Ｐ２）に還流される。つまり、水素−酸素エンジン８から排出される水蒸気を水蒸気電解装置５に供給することができるので、加熱装置１４の負担を軽減することができる。なお、水素−酸素エンジン８から排出された直後の水蒸気の温度は、例えば９００℃程度である。排気マニホールドＰ６の途中には、排熱回収装置２が配置されている。

図９（ａ）（ｂ）に示すように、排熱回収装置２は、水素−酸素エンジン８から排気マニホールドＰ６を通じて排出された水蒸気が有する熱を回収して電動発電装置２８により発電を行う装置である。
排熱回収装置２は、排気マニホールドＰ６上に設けられた後記する熱交換部Ｐ６１を取り囲むハウジング２０を有している。ハウジング２０は、円筒状に形成され、排気マニホールドＰ６は、ハウジング２０を横断するように貫通している。ハウジング２０には、空気を取り込む入口開口部２０ａと、取り込んだ空気を排出する出口開口部２０ｂとが形成されている。

ハウジング２０の軸中心には、連結部材である連結軸２１が配置されている。連結軸２１は、前側軸受２５と、後側軸受２６とにより回転可能に支持されている。なお、前側軸受２５は、ハウジング２０内の前方で連結軸２１へ向けて伸びた軸受フレーム２５ａに支持され、後側軸受２６は、ハウジング２０内の後方で連結軸２１へ向けて伸びた軸受フレーム２６ａに支持されている。

連結軸２１の前方における入口開口部２０ａ付近には、軸流型のコンプレッサ２２が配置され、連結軸２１の後方における出口開口部２０ｂ付近には軸流型のタービン２３が配置されている。コンプレッサ２２とタービン２３は、連結軸２１により一体に連結されており、連結軸２１の軸線周りに回転可能となっている。

連結軸２１の後端には、ベベルギヤ２１ａが設けられており、電動発電装置２８の入力軸２８ａの先端に設けられたベベルギヤ２８ｂと噛合している。電動発電装置２８は、ハウジング２０の側方に配置されている。入力軸２８ａは、ハウジング２０の側部に形成された孔２０ｃから内部へ挿通されて、連結軸２１と直交している。なお、電動発電装置２８の入力軸２８ａは、ハウジング２０の側部に固定された軸受箱２９内の軸受２９ａ，２９ｂにより回転可能に支持されている。

電動発電装置２８は、排熱回収装置２の始動時には電動機として機能し、その駆動力により連結軸２１を回転させて、コンプレッサ２２とタービン２３を始動させる。また、電動発電装置２８は、排熱回収装置２の始動後は発電機として機能し、連結軸２１の回転により駆動して電力を発生する。

熱交換部Ｐ６１は、図９（ａ）（ｂ）に示すように、排気マニホールドＰ６から分岐した複数の分岐管Ｐ６ａ，Ｐ６ｂ，Ｐ６ｃ，Ｐ６ｄと、この分岐管Ｐ６ａ，Ｐ６ｂ，Ｐ６ｃ，Ｐ６ｄの外周面に立設されたフィン２４ａと、この分岐管Ｐ６ａ，Ｐ６ｂ，Ｐ６ｃ，Ｐ６ｄの内部に立設されたフィン２４ｂと、から構成されている。

分岐管Ｐ６ａ，Ｐ６ｂ，Ｐ６ｃ，Ｐ６ｄは、ハウジング２０に入る前に複数、例えば４つに並列に分岐しており、ハウジング２０を横切って出た後に再び集合して一つの排気マニホールドＰ６となっている。
分岐管Ｐ６ａ，Ｐ６ｂ，Ｐ６ｃ，Ｐ６ｄは、それぞれ薄い板状の流路を形成しており、ハウジング２０内で連結軸２１を取り巻くように配置されている。換言すると、分岐管Ｐ６ａ，Ｐ６ｂ，Ｐ６ｃ，Ｐ６ｄは、ハウジング２０の内周に沿って湾曲している。
そして、分岐管Ｐ６ａ，Ｐ６ｂ，Ｐ６ｃ，Ｐ６ｄの外側には、ハウジング２０内の空気流に沿う方向、すなわち前後方向に沿って複数のフィン２４ａが設けられている。また、各分岐管Ｐ６ａ，Ｐ６ｂ，Ｐ６ｃ，Ｐ６ｄの内部には、排気の流れに沿って、すなわち左右方向に沿って複数のフィン２４ｂが設けられている。

なお、排気マニホールドＰ６が分岐しているのは、ハウジング２０内での熱交換の効率を良くするためであり、排気マニホールドＰ６の分岐の仕方は、適用される装置に応じて適宜な変更をすることができ、例えば、板状でなく、円管状に分岐してもよいし、ハウジング２０内に入った後で分岐してもよい。

図１に示すように、排気マニホールドＰ６の排熱回収装置２よりも下流側には、分岐バルブＶＬが設けられている。この分岐バルブＶＬには、ＥＧＲ通路を形成する配管Ｐ８の一端側が接続されている。配管Ｐ８の他端側は、吸気マニホールドＰ５に接続されており、排熱回収装置２で排熱を回収された水蒸気の一部を、吸気マニホールドＰ５に還流できるようになっている。このようにすれば、水素と酸素の混合ガスに、さらに水蒸気が混入されることになり、水素−酸素エンジン８での燃焼温度を低下させることができる。

発電装置１８は、図１に示すように、水素−酸素エンジン８によって駆動されて発電する装置である。発電装置１８で発電された電力は、加熱装置１４及び水蒸気電解装置５に供給されている。なお、電動発電装置２８で発電された電力も、加熱装置１４及び水蒸気電解装置５に供給されている。

つづいて、動力発生装置１の動作とそれに伴う作用について、図１〜図９を適宜参照しつつ説明する。
図１に示すように、動力発生装置１は、貯水装置１３に貯水した水を加熱装置１４で加熱し、水蒸気を生成する。水蒸気電解装置５は、水蒸気を電気分解して水素ガスと酸素ガスを生成する。水素ガス及び酸素ガスは、それぞれ、水素タンク１６及び酸素タンク１７に高圧状態で貯留される。水素タンク１６及び酸素タンク１７は、所定量の水素ガス及び酸素ガスを吸気マニホールドＰ５に噴射し、水素ガスと酸素ガスが所定の割合で混合された混合ガスを生成する。

水素−酸素エンジン８は、混合ガスを爆発・燃焼させることでクランク軸を回転させ、駆動力を発生する。第１実施形態では、水素−酸素エンジン８の駆動力で発電装置１８を運転し、その電力を加熱装置１４及び水蒸気電解装置５に供給している。そのため、電力供給装置１２の負担を軽減することができ、動力発生装置１の駆動効率が向上する。

水素−酸素エンジン８において、水素と酸素の燃焼により生成された水蒸気は、排気ポート８８を介して排気マニホールドＰ６に排出される。排気ポート８８及び排気マニホールドＰ６の内周面には溝８８１（図４参照）が形成されているため、排気温度の低下が抑制される。これにより、排熱回収装置２における排熱の回収効率が向上する。

また、さらに排気温度を上昇させる場合、水素−酸素エンジン８は、排気側動弁装置Ｖ２（図３参照）を制御して、図８（ｂ）に示すように、第２排気弁８１２ｂを、基本動作時に比べて早いタイミングで開き始めるようにする。このようにすると、ピストン８４が下死点ＢＤＣに到達する前の高温の水蒸気が第２排気弁８１２ｂから排出されるため、排気温度が上昇する。これにより、排熱回収装置２における排熱の回収効率が向上する。

なお、水素−酸素エンジン８は、水素と酸素の混合ガスを燃焼させているので、水素と空気を燃焼させた場合のように、排気ガスに窒素酸化物などが混ざることがない。そのため、窒素酸化物を除去するための浄化装置などを設ける必要がなく、コストを低減することができる。

排熱回収装置２は、水素−酸素エンジン８から排出された水蒸気から排熱を回収して動力を発生する。
具体的には、高温の水蒸気が排気マニホールドＰ６の分岐管Ｐ６ａ，Ｐ６ｂ，Ｐ６ｃ，Ｐ６ｄを流れると、フィン２４ｂ，２４ａを介してハウジング２０内を流れる空気流と熱交換が行われる。一方、熱交換により加熱されたハウジング２０内の空気は熱膨張して体積が増え、ハウジング２０内の圧力を高める。高圧になった空気は、タービン２３を回転させ、出口開口部２０ｂから放出される。

タービン２３が回転すると、連結軸２１により一体になったコンプレッサ２２も回転し、入口開口部２０ａから新たな空気（加熱前の空気）をハウジング２０内へ導入する。そして、この空気がフィン２４ａにより加熱されることで、再びタービン２３が回転し、連結軸２１の回転が継続する。連結軸２１の回転は、後端のベベルギヤ２１ａ，２８ｂを介して電動発電装置２８へ伝達され、電動発電装置２８で電力が発生する。電動発電装置２８は、加熱装置１４及び水蒸気電解装置５に電力を供給している。そのため、電力供給装置１２の負担を軽減することができ、動力発生装置１の駆動効率が向上する。

排熱回収装置２で冷却された水蒸気は、排気マニホールドＰ６を通って、水蒸気電解装置５の上流側に還流される。そのため、加熱装置１４で生成する水蒸気の量を低減でき、ひいては、電力供給装置１２の負担を軽減することができる。

また、排熱回収装置２で冷却された水蒸気の一部は、ＥＧＲ通路を構成する配管Ｐ８を通って、吸気マニホールドＰ５に還流される。そのため、水素−酸素エンジン８における水素と酸素の反応熱が、水蒸気の温度を上昇させることに消費されるので、水素−酸素エンジン８や周辺システムが高温になり過ぎることによる熱害を防止できる。

水素保存装置１５は、水素タンク１６に貯留されている水素量が所定量に達した場合に、余分な水素を保存し、エンジン始動時や寒冷時のように、水蒸気の生成あるいは水素の生成に時間が掛かる場合に、水素タンク１６に水素を供給している。そのため、水素−酸素エンジン８を早期に駆動させることができる。

また、動力発生装置１は、外部からの水素の供給を必要としないので、装置としての取り扱いが極めて平易となる。また、排気が完全にクリーンで、かつ再循環が可能な上、燃焼による排気熱を回収する排熱回収装置２を備えるので、極めて高効率な動力発生装置１とすることができる。

つづいて、本発明の第２実施形態について、図１０乃至図１２を参照して説明する。なお、第１実施形態と同一の要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
図１０は、第２実施形態に係る動力発生装置の概要を示すブロック図である。図１１は、加熱装置から排出される水蒸気量の初期値と排気流量検出装置で検出した排気流量との差分と、貯水装置から加熱装置に供給する水量との関係を定めるマップである。図１２は、還流される水蒸気のロス量と、これを補うために必要な水量とを関連付けたマップである。

第２実施形態に係る動力発生装置１Ａは、図１０に示すように、発電装置１８及び電動発電装置２８で発生した電力を外部に設置された作動装置Ｅに供給している点、及び、水量制御装置３０とエンジン制御装置４０とを備える点が、第１実施形態と主に異なっている。

作動装置Ｅは、動力発生装置１Ａの外部に設置され、電力によって作動する装置である。作動装置Ｅは、発電装置１８及び電動発電装置２８に電気的に接続されている。作動装置Ｅとしては、例えば、車両を駆動するモータ、エアコンのコンプレッサ、電気自動車に搭載されるシステムや部品、などが挙げられる。

水量制御装置３０は、加熱装置１４から排出される水蒸気量の初期値Ｖ_０と、後記する排気流量検出装置３０ａで検出した排気流量Ｖ_ｔとの差分ΔＶ（＝Ｖ_０−Ｖ_ｔ）に基づいて、貯水装置１３から加熱装置１４に供給する水量Ｑを調節する装置である。水量制御装置３０は、例えば、ＣＰＵなどの演算装置と、ＲＡＭやＲＯＭなどの記憶部３１と、制御プログラムとを備えている。

排気流量検出装置３０ａは、排熱回収装置２から水蒸気電解装置５に送られる単位時間当たりの排気流量Ｖ_ｔを検出して水量制御装置３０に送信する装置である。排気流量検出装置３０ａは、水蒸気排出通路を構成する配管Ｐ６のうち排熱回収装置２よりも下流側（さらに詳しくは、ＥＧＲ用の配管Ｐ８の分岐バルブＶＬよりも下流側）に設置されている。排気流量検出装置３０ａは、例えば公知の水蒸気検出センサで構成されている。

水量制御装置３０の記憶部３１には、動力発生装置１Ａの始動時に貯水装置１３から加熱装置１４に供給する水量の初期値Ｑ_０や、この水量Ｑ_０が加熱装置１４から水蒸気として排出されるときの水蒸気量の初期値Ｖ_０などが記憶されている。
また、記憶部３１には、図１１に示すように、加熱装置１４から排出される水蒸気量の初期値Ｖ_０と排気流量検出装置３０ａで検出した排気流量Ｖ_ｔとの差分△Ｖと、貯水装置１３から加熱装置１４に供給する水量Ｑとの関係を定めるマップＭ１が記憶されている。

水量制御装置３０は、記憶部３１に記憶してある水蒸気量の初期値Ｖ_０と、排気流量検出装置３０ａから受信した排熱回収装置２から水蒸気電解装置５に送られる単位時間当たりの排気流量Ｖ_ｔとの差分ΔＶを計算するようになっている。
そして、水量制御装置３０は、この差分ΔＶに基づいて、記憶部３１に記憶されたマップＭ１を参照して、加熱装置１４に供給する水量Ｑに応じた水供給信号を貯水装置１３に送信するようになっている。

例えば、動力発生装置１Ａの始動直後は、排気流量検出装置３０ａで検出される排気流量Ｖ_ｔは"０"であるから、差分ΔＶは、水蒸気量の初期値Ｖ_０に等しくなる。そうすると、水量制御装置３０は、図１１に示すように、マップＭ１を参照して、差分ΔＶ＝Ｖ_０に対応する水量Ｑ_０を加熱装置１４に供給するように、貯水装置１３に水供給信号を送信する。
そして、動力発生装置１Ａの始動からある程度の時間が経過し、排気流量検出装置３０ａで検出される排気流量Ｖ_ｔが増えてきた場合、差分ΔＶが小さく（例えばΔＶ＝Ｖ_１（Ｖ_１＜Ｖ_０））なる。そうすると、水量制御装置３０は、図１１に示すように、マップＭ１を参照して、差分ΔＶ＝Ｖ_１に対応する水量Ｑ_１（Ｑ_１＜Ｑ_０）を加熱装置１４に供給するように、貯水装置１３に水供給信号を送信する。

このようにすれば、水素−酸素エンジン８から水蒸気電解装置５に還流される水蒸気の量に応じて、貯水装置１３から供給する水量Ｑを低減できるので、水の使用量を節約することができる。また、加熱装置１４で生成する水蒸気の量を低減することができるので、加熱装置１４の消費電力も節約することができる。

ところで、水素−酸素エンジン８から排出された水蒸気は、排熱回収装置２で排熱を回収されて温度が低下したときや、配管Ｐ６内を通流している間に温度が低下したときに、液体となってロスする場合がある。
第２実施形態に係る動力発生装置１Ａは、水蒸気のロス分を適切に補う機能も備えている。以下、この機能について説明する。

エンジン制御装置４０は、後記する作動状態検出装置４０ａで検出した作動装置Ｅの作動状態に基づいて水素−酸素エンジン８による動力の必要発生量を算出し、算出した動力の必要発生量に基づいて水素−酸素エンジン８に供給する水素量及び酸素量を調節する装置である。エンジン制御装置４０は、例えば、ＣＰＵなどの演算装置と、ＲＡＭやＲＯＭなどの記憶部と、制御プログラムとを備えている。

作動状態検出装置４０ａは、作動装置Ｅの作動状態を検出して、エンジン制御装置４０に送信する装置である。作動状態検出装置４０ａは、例えば公知の出力計や電圧計などで構成されている。

エンジン制御装置４０の記憶部には、図示は省略するが、作動状態検出装置４０ａで検出した作動装置の作動状態と水素−酸素エンジン８による動力の必要発生量とを関連付けたマップが予め記憶されている。また、エンジン制御装置４０の記憶部には、水素−酸素エンジン８による動力の必要発生量と水素−酸素エンジン８に供給する水素量及び酸素量とを関連付けたマップが予め記憶されている。これらのマップは、例えば事前実験に基づいて作成される。

エンジン制御装置４０は、作動状態検出装置４０ａから送信された検出値に基づいて、記憶部に記憶された２つのマップを参照して、水素−酸素エンジン８に供給する水素量及び酸素量を決定し、水素タンク１６及び酸素タンク１７に噴射量に応じた噴射命令信号を送信するようになっている。これにより、水素−酸素エンジン８に、作動装置Ｅの作動状態に応じた水素量及び酸素量が供給されることとなる。
また、エンジン制御装置４０は、水素−酸素エンジン８に供給される単位時間当たりの水素量及び酸素量を水量制御装置３０に送信するようになっている。

水量制御装置３０は、前記した機能の他に、還流される水蒸気のロス量を計算し、このロス量を補うように、貯水装置１３から加熱装置１４に供給する水量Ｑを調節する機能を有している。

具体的には、水量制御装置３０は、エンジン制御装置４０から送信された水素−酸素エンジン８に供給される単位時間当たりの水素量及び酸素量に基づいて、水素−酸素エンジン８で生成される水蒸気量を計算する。
また、水量制御装置３０は、計算した水蒸気量から、排気流量検出装置３０ａで検出した実際の水蒸気量を差し引くことにより、還流される水蒸気のロス量ΔＳを計算する。

水量制御装置３０の記憶部３１には、図１２に示すように、還流される水蒸気のロス量ΔＳと、これを補うために必要な水量Δｑとを関連付けたマップＭ２が記憶されている。マップＭ２は、例えば事前実験に基づいて作成される。
水量制御装置３０は、計算した水蒸気のロス量ΔＳに基づいて、マップＭ２を参照して、ロス量ΔＳを補うために必要な水量Δｑを決定する。
そして、水量制御装置３０は、前記した差分ΔＶに基づいて決定した水量Ｑに、ロス量ΔＳを補うために必要な水量Δｑを加えた水量Ｑ＋Δｑを加熱装置１４に供給するように、貯水装置１３に水供給信号を送信する。

このようにすれば、水蒸気のロス量ΔＳを補うように、貯水装置１３から加熱装置１４に供給する水量Ｑが調節されるので、排気される水蒸気の再利用を図ると共に、水素及び酸素の使用量を適切に保ちながら、動力発生装置１Ａを効率よく安定的に運転することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について一例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。

例えば、水蒸気電解装置５と水素タンク１６の間、及び、水蒸気電解装置５と酸素タンク１７の間、に排熱回収装置２と同様の装置を設置すれば、水蒸気電解装置５から排出される高温の水素ガス及び酸素ガスからの排熱を回収して動力を発生させることができる。そして、その動力で発電した電力を加熱装置１４及び水蒸気電解装置５に供給すれば、動力発生装置１の効率を一層向上させることができる。

また、第１実施形態の排熱回収装置２は、ハウジング２０の入口開口部２０ａ及び出口開口部２０ｂを大気に開放する構成としたが、出口開口部２０ｂと入口開口部２０ａとを、管状の部材で連通接続してエア流路を構成し、出口開口部２０ｂから排出された空気を入口開口部２０ａに還流させるようにしてもよい。このようにすれば、ハウジング２０内への異物の侵入を阻止することができるため、ハウジング２０内に詰まりが発生せず、ひいては、排熱回収装置２自体の作動が安定するとともに耐用性（耐用年数）を向上させることができる。また、熱膨張した空気は、出口開口部２０ｂからエア流路内に排出されるため、排出音による騒音を低減することができる。

なお、ハウジング２０とエア流路（図示せず）とで閉回路を構成する場合は、エア流路上に、内部の空気の温度を低下させる冷却装置を設けるのが好ましい。

また、第１実施形態では、排気ポート８８及び排気マニホールドＰ６の内周面に、溝８８１及びリブ８８２を形成したが、吸気ポート８７及び吸気マニホールドＰ５の内周面に、溝８８１及びリブ８８２と同様の構造を設けてもよい。このようにすれば、水素−酸素エンジン８の躯体の熱によって、吸気ポート８７内の混合ガスの温度が上昇することを抑制できる。そのため、吸気温度が低下し、圧縮率の向上及びノッキングの抑制を図ることができる。

また、第１実施形態では、吸気マニホールドＰ５に、酸素ガスと水素ガスとを噴射することとしたが、これに限定されるものではなく、例えば、吸気マニホールドＰ５に酸素ガスを噴射し、水素ガスは燃焼室８６内に直接噴射するようにしてもよい。

また、第１実施形態では、水素−酸素エンジン８の動力によって発電装置１８を駆動し、排熱回収装置２の動力によって電動発電装置２８を駆動して、電力を取り出すこととしたが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、動力発生装置１を自動車に搭載し、水素−酸素エンジン８の動力と排熱回収装置２の動力で、車輪を駆動するようにしてもよい。

また、第２実施形態では、発電装置１８及び電動発電装置２８で発生した電力を外部に設置した作動装置Ｅに供給することとしたが、作動装置Ｅで使用されない余剰な電力を、加熱装置１４や水蒸気電解装置５に供給してもよい。

第１実施形態に係る動力発生装置の概要を示すブロック図である。 水蒸気電解装置の断面図である。 水素−酸素エンジンの断面図である。 水素−酸素エンジンの要部断面図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。 図４（ｂ）のII−II線断面図である。 図４（ｂ）のIII−III線断面図であり、（ａ）は開弁時、（ｂ）は閉弁時の状態を示している。 排気側動弁装置の構造図であり、（ａ）は水平断面図、（ｂ）は（ａ）のIV−IV線断面図である。 第１排気弁及び第２排気弁のリフト量とクランク角の関係を示す動作説明図であり、（ａ）は基本動作時、（ｂ）は排気温度上昇動作時、（ｃ）は排気温度低下動作時、である。 排熱回収装置の構造図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＶ−Ｖ線断面図、である。 第２実施形態に係る動力発生装置の概要を示すブロック図である。 加熱装置から排出される水蒸気量の初期値と排気流量検出装置で検出した排気流量との差分と、貯水装置から加熱装置に供給する水量との関係を定めるマップである。 還流される水蒸気のロス量と、これを補うために必要な水量とを関連付けたマップである。

符号の説明

１ 動力発生装置
２ 排熱回収装置
５ 水蒸気電解装置
８ 水素−酸素エンジン
１２ 電力供給装置
１３ 貯水装置
１４ 加熱装置
１５ 水素保存装置
１６ 水素タンク
１６ａ 水素量検出装置
１７ 酸素タンク
１８ 発電装置
２８ 電動発電装置

Claims (7)

1. 電力供給装置と、
   所定量の水を保持する貯水装置と、
   前記貯水装置から供給される水を加熱して水蒸気にする加熱装置と、
   前記電力供給装置から供給される電力により、前記加熱装置で発生した水蒸気を電気分解して水素と酸素を生成する水蒸気電解装置と、
   前記水蒸気電解装置で生成された水素を貯留する水素タンクと、
   前記水蒸気電解装置で生成された酸素を貯留する酸素タンクと、
   前記水素タンクから供給される水素と前記酸素タンクから供給される酸素とを反応させて動力を発生させる水素−酸素エンジンと、
   前記水素−酸素エンジンで生成された水蒸気を前記水蒸気電解装置に排出する水蒸気排出通路と、
   前記水蒸気排出通路に配置され、前記水蒸気から排熱を回収して動力を発生させる排熱回収装置と、を有することを特徴とする動力発生装置。
2. 前記水素−酸素エンジンは、
   前記水素タンク及び前記酸素タンクの少なくともいずれか一方から供給される水素及び酸素の少なくともいずれか一方を前記水素−酸素エンジンの燃焼室に供給する水素・酸素供給通路と、
   前記水蒸気排気通路と前記水素・酸素供給通路とに連通し、水蒸気からなる排気の一部を前記水素・酸素供給通路に供給するＥＧＲ通路と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の動力発生装置。
3. 前記水素−酸素エンジンは、
   前記水蒸気排出通路の燃焼室側の開口部を開閉する複数の排気バルブと、
   前記複数の排気バルブの開閉タイミングを制御するタイミング制御装置と、を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の動力発生装置。
4. 前記排熱回収装置は、
   前記水蒸気排気通路上に配置された熱交換部と、
   空気取入口と空気排出口とを有し、前記熱交換部を内部に収容するハウジングと、
   前記ハウジング内であって前記熱交換部よりも前記空気取入口側に配置されたコンプレッサと、
   前記ハウジング内であって前記熱交換部よりも前記空気排出口側に配置されたタービンと、
   前記コンプレッサと前記タービンとを一体回転可能に連結する連結部材と、
   前記連結部材に接続され、前記連結部材を回転させる電動装置として機能するとともに、前記連結部材の回転によって発電する出力装置として機能する電動発電装置と、を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか1項に記載の動力発生装置。
5. 前記水素タンクに設けられ、前記水素タンクに蓄えられた水素量を検出する水素量検出装置と、
   前記水素量検出装置が所定の水素量を検出した場合に、前記水蒸気電解装置にて生成される水素を別途保存する水素保存装置と、を有し、
   前記加熱装置により水蒸気が発生するまでの間、前記水素保存装置に保存していた水素を前記水素タンク又は前記水素−酸素エンジンに供給することを特徴する請求項１から請求項４のいずれか1項に記載の動力発生装置。
6. 前記排熱回収装置から前記水蒸気電解装置に送られる排気流量を検出する排気流量検出手段と、
   前記加熱装置から排出される水蒸気量の初期値と前記排気流量検出手段で検出した排気流量との差分に応じて前記貯水装置から前記加熱装置に供給する水量を調節する水量制御手段と、を備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の動力発生装置。
7. 前記水素−酸素エンジンで発生した動力で作動する作動装置の作動状態を検出する作動状態検出手段と、
   前記作動状態検出手段で検出した作動装置の作動状態に基づいて前記水素−酸素エンジンによる動力の必要発生量を算出し、算出した動力の必要発生量に基づいて前記水素−酸素エンジンに供給する水素量及び酸素量を調節するエンジン制御手段と、をさらに備え、
   前記水量制御手段は、
   前記水素−酸素エンジンに供給される水素量及び酸素量に基づいて前記水素−酸素エンジンで生成される水蒸気量を計算するとともに、計算した水蒸気量と前記排気流量検出手段で検出した排気流量との差分に基づいて、前記貯水装置から前記加熱装置に供給する水量を調節することを特徴とする請求項６に記載の動力発生装置。

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