JP2011106336A

JP2011106336A - 作動ガス循環型エンジン

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Publication number: JP2011106336A
Application number: JP2009261922A
Authority: JP
Inventors: Rentaro Kuroki; 錬太郎黒木; Daisaku Sawada; 大作澤田; Susumu Kato; 享加藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2009-11-17
Publication date: 2011-06-02

Abstract

【課題】凍結による循環経路の閉塞を抑制することができる作動ガス循環型エンジンを提供することを目的とする。
【解決手段】燃焼室１１と、作動ガスを含むガスを燃焼室１１の排気側から吸気側に循環させ再び燃焼室１１に供給可能である循環経路２０と、互いに対向する部材５４によって循環経路２０を循環するガスが通過可能な熱交換流路５５が形成されると共に、部材５４を介して熱交換流路５５を通過するガスと冷却媒体との熱交換を行い、当該ガスを冷却し水蒸気を分離可能である熱交換器５０と、循環経路２０を循環するガスの循環方向に対して熱交換流路５５の上流側と下流側とを前記循環するガスが通過可能に接続すると共に、流路断面の最小寸法が熱交換流路５５の流路断面の最小寸法より大きく形成されるガス流路９０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、作動ガス循環型エンジンに関する。

従来のエンジンとして、循環経路を介して燃焼室の排気側から吸気側に作動ガスを循環させ再び燃焼室に供給可能な、いわゆる、クローズドサイクルエンジンとしての作動ガス循環型エンジンが知られている。このような従来の作動ガス循環型エンジンでは、燃焼室での燃料の反応に伴って生成され循環経路を循環するガス中に含有される水蒸気を凝縮器として機能する熱交換器にて冷却し液化させ凝縮水として取り除くことで、水蒸気が燃焼室に供給されることによる熱効率の低下を抑制する場合がある。なお、このようなエンジンの運転に伴って発生する水蒸気に起因した凍結を抑制するための技術として、例えば、特許文献１にはエンジンの排気系の環境温度が排気ガス中の水蒸気の凍結が予想される温度で運転した場合に、電熱ヒータを作動させることで排気ガス中の水蒸気が排気経路内で凍結することを抑制するコジェネレーション装置が開示されている。

特開２００６−２８３５７９号公報

ところで、上述のような特許文献１に記載されているコジェネレーション装置では、例えば、電熱ヒータを作動させることで消費電力が増加するおそれがあり、また、仮に電熱ヒータが故障するなどして水分が凍結してしまった場合にはやはり排気経路の閉塞が発生してしまうおそれがあることなどから、上記のような従来の作動ガス循環型エンジンでは、より適正に循環経路の閉塞の発生を抑制することが望まれていた。

そこで本発明は、凍結による循環経路の閉塞を抑制することができる作動ガス循環型エンジンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る作動ガス循環型エンジンは、酸化剤と当該酸化剤との燃焼により水蒸気を生成する燃料と空気より比熱比の高い作動ガスとが供給され、前記燃料の燃焼に伴って前記作動ガスが膨張可能であると共に前記燃料の燃焼後に前記水蒸気と前記作動ガスとを排気可能な燃焼室と、前記作動ガスを含むガスを前記燃焼室の排気側から吸気側に循環させ再び前記燃焼室に供給可能である循環経路と、前記循環経路に設けられ、互いに対向する部材又は筒状の部材によって前記循環経路を循環するガスが通過可能な熱交換流路が形成されると共に、前記部材を介して前記熱交換流路を通過するガスと冷却媒体との熱交換を行い、当該ガスを冷却し前記水蒸気を分離可能である熱交換器と、前記循環経路を循環するガスの循環方向に対して前記熱交換流路の上流側と下流側とを前記循環するガスが通過可能に接続すると共に、流路断面の最小寸法が前記熱交換流路の流路断面の最小寸法より大きく形成されるガス流路とを備えることを特徴とする。

また、上記作動ガス循環型エンジンでは、前記ガス流路は、前記熱交換器の内部に設けられてもよい。

また、上記作動ガス循環型エンジンは、前記循環経路内の状態に応じて前記ガス流路を開閉可能な開閉装置を備えてもよい。

また、上記作動ガス循環型エンジンは、前記熱交換器に前記冷却媒体を供給可能な冷却媒体供給装置と、前記熱交換器の温度が予め設定される所定温度以下である場合に前記冷却媒体供給装置を制御し前記熱交換器への前記冷却媒体の供給を抑制する冷却媒体供給制御装置とを備えてもよい。

また、上記作動ガス循環型エンジンは、前記熱交換器の温度が予め設定される所定温度以下である場合に前記燃焼室から排気されるガスの温度を相対的に上昇させる制御を実行する排気温度制御装置を備えてもよい。

本発明に係る作動ガス循環型エンジンによれば、ガス流路が熱交換流路の上流側と下流側とを接続すると共にこのガス流路の流路断面の最小寸法が熱交換流路の流路断面の最小寸法より大きく形成されることから、凍結による循環経路の閉塞を抑制することができる。

図１は、実施形態１に係るエンジンの模式的な概略構成図である。図２は、実施形態１に係るエンジンの閉塞防止流路を説明する模式的斜視図である。図３は、変形例に係るエンジンの閉塞防止流路を説明する模式的斜視図である。図４は、実施形態２に係るエンジンの模式的な概略構成図である。図５は、実施形態２に係るエンジンにおける開閉制御の一例を説明するフローチャートである。図６は、変形例に係るエンジンの開閉装置を説明する模式図である。図７は、実施形態３に係るエンジンの模式的な概略構成図である。図８は、実施形態３に係るエンジンにおける流量制御の一例を説明するフローチャートである。図９は、実施形態４に係るエンジンにおける排気温度昇温制御の一例を説明するフローチャートである。図１０は、変形例に係るエンジンの熱交換部の部分斜視図である。

以下に、本発明に係る作動ガス循環型エンジンの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。

［実施形態１］
図１は、実施形態１に係るエンジンの模式的な概略構成図、図２は、実施形態１に係るエンジンの閉塞防止流路を説明する模式的斜視図、図３は、変形例に係るエンジンの閉塞防止流路を説明する模式的斜視図である。

図１に示す本実施形態の作動ガス循環型エンジンとしてのエンジン１は、エンジン本体１０の燃焼室１１に酸化剤と燃料と作動ガスとが供給され、この燃焼室１１にて燃料の燃焼に伴って作動ガスが膨張することで動力を発生させる。そして、このエンジン１は、燃焼室１１の吸気側と排気側とを繋ぐ循環経路２０を介して、燃焼室１１の排気側から吸気側に作動ガスを循環させ、基本的には大気へと放出することなく再びこの燃焼室１１に供給可能に構成したいわゆるクローズドサイクルエンジンである。燃焼室１１と循環経路２０とは、ともに作動ガスが充填されており、作動ガスは、燃焼室１１と循環経路２０との間で循環する。

ここで、このエンジン１に用いられる酸化剤は、酸素（Ｏ_２）であり、燃料は水素（Ｈ_２）である。また、このエンジン１に用いられる作動ガスは、空気よりも比熱比の高いものであり、ここでは、単原子ガスのアルゴン（Ａｒ）である。

具体的には、このエンジン１は、図１に示すように、燃焼室１１が設けられるエンジン本体１０と、循環経路２０と、酸素供給装置３０と、水素供給装置４０と、熱交換器としての凝縮器５０と、冷却媒体供給装置としての冷却水供給装置６０と、排水制御弁７０と、電子制御装置８０とを備える。

エンジン本体１０は、酸素と水素とアルゴンとが供給され、水素の燃焼に伴ってアルゴンが膨張可能である燃焼室１１を含んで構成される。燃焼室１１は、水素の燃焼後にアルゴンと燃焼生成物としての水蒸気（Ｈ_２Ｏ）とを排気可能である。循環経路２０は、アルゴンを含む循環ガスを燃焼室１１の排気側から吸気側に循環させ再び燃焼室１１に供給可能なものである。循環経路２０は、燃焼室１１に連通する吸気ポート１２及び排気ポート１３と、吸気ポート１２と排気ポート１３とを燃焼室１１の外側で接続する循環通路２１とを含んで構成される。

ここで、循環ガスとは、循環経路２０を介して燃焼室１１の排気側から吸気側に循環されるガスであり、作動ガスとしてのアルゴンの他、燃焼室１１での水素の燃焼後に燃焼室１１から排気される排気ガス等を含むものである。ここで、排気ガスとは、例えば、燃焼室１１での水素の燃焼後に残留する余剰の酸素、水素などからなる余剰ガスや水素の燃焼に伴って生成される生成物としての水蒸気などを含むものである。つまり、ここでの循環ガスは、作動ガスとしてのアルゴン、燃焼後の余剰の酸素、水素などからなる余剰ガス、水蒸気などを含むものである。

酸素供給装置３０は、高圧酸素を循環経路２０内、ここでは吸気ポート１２内に向けて噴射して供給し、アルゴンなどを含む循環ガスと共に燃焼室１１に供給するものである。水素供給装置４０は、高圧水素を燃焼室１１内に向けて直接噴射して供給するものである。凝縮器５０は、循環経路２０に設けられこの循環経路２０を循環する循環ガスから大部分の水蒸気を取り除くものである。凝縮器５０は、冷却媒体としての冷却水と循環ガスとを熱交換させることで循環ガスを冷却し、循環ガス中に含まれる水蒸気を液化・凝縮し凝縮水とし、この循環ガスから大部分の水蒸気を分離する。冷却水供給装置６０は、上記凝縮器５０に冷却水を供給するものである。排水制御弁７０は、凝縮器５０に貯留された凝縮水を循環経路２０の系外に排出するものである。電子制御装置８０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。電子制御装置８０は、種々のセンサが検出した検出結果に対応した電気信号が入力され、入力された検出結果に応じて酸素供給装置３０、水素供給装置４０、排水制御弁７０などのエンジン１の各部に駆動信号を出力しこれらの駆動を制御する。

上記のように構成されるエンジン１は、水素を拡散燃焼させるものとして例示する。エンジン１は、吸気ポート１２に設けられた吸気弁１４の開弁時に、循環経路２０を循環する循環ガスが酸素供給装置３０からの酸素と共に燃焼室１１に吸気（供給）される。エンジン１は、ピストン１６の動作に応じて燃焼室１１内に形成された高温の圧縮ガス（酸素及びアルゴン）の中に水素供給装置４０から高圧の水素を噴射することにより、この水素の一部が自己着火し、水素と圧縮ガス（酸素）とが拡散混合しながら燃焼し、これに伴って水蒸気が生成されると共に、比熱比の大きいアルゴンが熱膨張を起こす。この結果、このエンジン１は、水素の拡散燃焼とアルゴンの熱膨張とによってピストン１６が押し下げられ、機械的な動力を発生させることができる。そして、エンジン１は、排気ポート１３に設けられた排気弁１５の開弁に伴って、燃焼室１１内から水素の燃焼後の排気ガスがアルゴンと共に排気ポート１３に排気（排出）され、排気ガスとアルゴンとが循環ガスとして循環経路２０を循環し再び燃焼室１１に吸気される。この間、エンジン１は、循環ガス中の水蒸気の大部分が凝縮器５０にて液化・凝縮され分離され、比熱比の小さい水蒸気が燃焼室１１に供給されず、比熱比の大きいアルゴンが燃焼室１１へと再び供給されるので、アルゴンによる熱効率の高い運転を行うことができる。

ところで、このようなエンジン１は、例えば、循環ガス中の水分が極低温の環境条件下で凍結した場合、この凍結に起因して循環経路２０が閉塞するおそれがある。例えば、エンジン１は、氷点下の環境下で始動した直後に、循環ガス中に含まれる水蒸気が０℃以下に冷えた凝縮器５０を通る過程でこの凝縮器５０における熱交換部５２で氷結し、循環ガスの流路を閉塞させてしまうおそれがある。特に、凝縮器５０は、熱交換性能を向上させるべく例えば複数のフィン５４（あるいは多数の管状部材５４Ａ（図１０参照））などを有する構造となっており、内部には冷却水が供給されることから、エンジン１の他の部位と比較して相対的に大きな熱容量を有する傾向にあり始動直後において相対的に暖まりにくい傾向にあるため、始動直後に水蒸気がこの凝縮器５０にて凍結し易い傾向にある。また例えば、冷却水は不凍液を用いることができるが凝縮水は純水であるためやはり氷点下で凍結する。また、凝縮器５０は、各フィン５４の間に形成されるガスの流路が相対的に狭く水分の凍結が生じると閉塞し易い形状になっている。そして、エンジン１は、循環ガスの流路が閉塞すると、例えば、燃焼室１１の排気側の循環経路２０内の圧力である背圧が上昇するおそれがある。

そこで、本実施形態のエンジン１は、図１、図２に示すように、ガス流路としての閉塞防止流路９０を備えることで、凍結による循環経路２０の閉塞を抑制している。

ここで、凝縮器５０は、熱交換器であり、具体的には、ケーシング５１と、熱交換部５２とを有する。

ケーシング５１は、熱交換部５２などを収容する容器であり、内部の底部（鉛直方向下部）に凝縮水を貯留することができる。

熱交換部５２は、凝縮器５０において冷却水と循環ガスとが熱交換を行う部位であり、伝熱管５３と、フィン５４と、熱交換流路５５とを含んで構成される。

伝熱管５３は、内部を冷却水が流動可能な中空の管状の部材であり、ケーシング５１の内部を通るようにして設けられる。伝熱管５３は、一方の端部から冷却水が供給され、他方の端部から冷却水が排出される。

フィン５４は、この凝縮器５０における熱交換性能を向上させるための板状の部材であり、伝熱管５３の表面に複数設けられる。複数のフィン５４は、循環ガスの循環方向、言い換えれば、ガスの流動方向に対して交差する方向に沿って所定の間隔（ここでは等間隔）をあけて設けられる。

熱交換流路５５は、互いに対向する部材としてのフィン５４によって循環ガスが通過可能に形成されるガスの流路である。熱交換流路５５は、複数のフィン５４に応じて複数設けられる。各熱交換流路５５は、互いに対向するフィン５４の間に区画される。各熱交換流路５５は、循環ガスの循環方向に沿って延在する。

冷却水供給装置６０は、冷却媒体供給装置であり、具体的には、冷却水循環路６１と、冷却水ポンプ６２と、ラジエータ６３とを有する。

冷却水循環路６１は、凝縮器５０の伝熱管５３に冷却水を循環させるものであり、内部を冷却水が流動可能である。冷却水循環路６１は、伝熱管５３に接続されている。この冷却水循環路６１は、閉じられた経路になっており、内部に冷却水が充填されている。

冷却水ポンプ６２は、冷却水循環路６１の経路上に設けられており、冷却水循環路６１の冷却水は、この冷却水ポンプ６２が駆動することで冷却水循環路６１と伝熱管５３とを循環することができる。冷却水ポンプ６２は、電子制御装置８０から駆動信号が入力されその駆動が制御される。

ラジエータ６３は、冷却水循環路６１の経路上に設けられており、例えば、このエンジン１を搭載する車両の走行風などにより、冷却水循環路６１を循環する冷却水を冷却可能なものである。

上記のように構成される冷却水供給装置６０は、冷却水ポンプ６２が駆動することで、冷却水を冷却水循環路６１から凝縮器５０の伝熱管５３に導入する。凝縮器５０は、熱交換部５２にて、複数のフィン５４を介して熱交換流路５５を通過するガスと伝熱管５３を流れる冷却水との熱交換を行い、このガスを冷却し水蒸気を凝縮して分離する。凝縮器５０にて温度が上昇した冷却水は、伝熱管５３から冷却水循環路６１に排出されラジエータ６３にて冷却された後、冷却水循環路６１を循環し再び伝熱管５３に導入される。

そして、本実施形態の閉塞防止流路９０は、上記熱交換流路５５とは別個に設けられるガスの流路である。閉塞防止流路９０は、循環ガスの循環方向に対して熱交換流路５５の上流側と下流側とを循環ガスが通過可能に接続する。本実施形態の閉塞防止流路９０は、凝縮器５０の内部に設けられる。閉塞防止流路９０は、熱交換部５２の熱交換流路５５をバイパスするようにして設けられる。

さらに、閉塞防止流路９０は、流路断面（ガスが流れる方向に対して垂直に交差する平面における断面）の最小寸法Ｄｍｉｎが熱交換流路５５の流路断面の最小寸法ｄｍｉｎより大きく形成される。ここでは、閉塞防止流路９０は、流路断面（面積）が熱交換流路５５の流路断面（面積）より大きく形成されている。

ここで、閉塞防止流路９０の流路断面の最小寸法Ｄｍｉｎは、典型的には、流路断面の重心を通る内法寸法のうちの最小の寸法である。閉塞防止流路９０の流路断面の最小寸法Ｄｍｉｎは、例えば、図２に例示する閉塞防止流路９０のように流路断面形状が略長方形状であれば流路断面の短辺方向長さに相当し、例えば、図３の変形例に例示する閉塞防止流路９０のように流路断面形状が略正円形状であれば流路断面の直径に相当し、例えば、流路断面形状が略正方形状（不図示）であれば流路断面の一辺の長さに相当し、例えば、流路断面形状が略楕円形状（不図示）であれば流路断面の短径（短軸の長さ）に相当する。

熱交換流路５５の流路断面の最小寸法ｄｍｉｎは、典型的には各フィン５４に直交する方向の寸法であり、各熱交換流路５５を区画する互いに対向するフィン５４の間隔の最小の寸法に相当する。

閉塞防止流路９０は、流路断面の最小寸法Ｄｍｉｎが熱交換流路５５の流路断面の最小寸法ｄｍｉｎより大きく形成される。これにより、閉塞防止流路９０は、熱交換部５２における熱交換流路５５と比較して圧力損失や流路抵抗が相対的に小さい流路とすることができ、仮に凝縮器５０にて水分の凍結が起こった場合でも閉塞しにくい流路とすることができる。

上記のように構成されるエンジン１は、例えば、氷点下の環境下で始動した直後に、０℃以下に冷えた凝縮器５０にて、循環ガス中の水分が凍結し熱交換流路５５が閉塞してしまった場合であっても、循環ガスが相対的に閉塞しにくい閉塞防止流路９０を通過することができるので、凍結による循環経路２０の閉塞を抑制することができる。この結果、エンジン１は、例えば、循環経路２０の閉塞に起因して燃焼室１１の排気側の循環経路２０内の圧力である背圧が上昇することを抑制することができ、これにより、例えば、燃焼室１１内での水素の燃焼状態が不安定になったり、始動性能が低下したり、エンジン負荷が増大したりすることを抑制することができる。また、エンジン１は、例えば、電熱ヒータを作動させることで凍結を抑制し循環経路２０の閉塞を抑制するような構成と比較して、消費電力が増加することを防止することができ、つまり、循環経路２０の閉塞を抑制しながら消費電力の増加を抑制することができる。

以上で説明した本発明の実施形態に係るエンジン１によれば、酸素（酸化剤）と酸素との燃焼により水蒸気を生成する水素（燃料）と空気より比熱比の高いアルゴン（作動ガス）とが供給され、水素の燃焼に伴ってアルゴンが膨張可能であると共に水素の燃焼後に水蒸気とアルゴンとを排気可能な燃焼室１１と、アルゴンを含むガスを燃焼室１１の排気側から吸気側に循環させ再び燃焼室１１に供給可能である循環経路２０と、循環経路２０に設けられ互いに対向するフィン５４によって循環経路２０を循環するガスが通過可能な熱交換流路５５が形成されると共にフィン５４を介して熱交換流路５５を通過するガスと冷却水（冷却媒体）との熱交換を行い、当該ガスを冷却し水蒸気を分離可能である凝縮器５０と、循環経路２０を循環するガスの循環方向に対して熱交換流路５５の上流側と下流側とを当該循環するガスが通過可能に接続すると共に、流路断面の最小寸法が熱交換流路５５の流路断面の最小寸法より大きく形成される閉塞防止流路９０とを備える。したがって、エンジン１は、仮に凝縮器５０にて凍結が発生しても、循環ガスが相対的に閉塞しにくい閉塞防止流路９０を通過することができるので、凍結による循環経路２０の閉塞を抑制することができる。

さらに、以上で説明した本発明の実施形態に係るエンジン１によれば、閉塞防止流路９０は、凝縮器５０の内部に設けられる。したがって、エンジン１は、閉塞防止流路９０を通るガスの熱が凝縮器５０に伝わりこの凝縮器５０及び冷却水の暖機を促進することができ、凝縮器５０にて凍結が発生すること自体を抑制することができる。また、エンジン１は、凝縮器５０の外側に別個に閉塞防止流路９０のための配管を設けなくてもよいので、大型化やコスト上昇を抑制することができる。

［実施形態２］
図４は、実施形態２に係るエンジンの模式的な概略構成図、図５は、実施形態２に係るエンジンにおける開閉制御の一例を説明するフローチャート、図６は、変形例に係るエンジンの開閉装置を説明する模式図である。実施形態２に係る作動ガス循環型エンジンは、開閉装置を備える点で実施形態１に係る作動ガス循環型エンジンとは異なる。その他、上述した実施形態と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す（以下の実施形態でも同様である）。

本実施形態の作動ガス循環型エンジンとしてのエンジン２０１は、図４に示すように、開閉装置２９１を備える。開閉装置２９１は、閉塞防止流路９０に設けられ、この閉塞防止流路９０を開閉可能なものである。本実施形態の開閉装置２９１は、電子制御装置８０によって開閉が制御される開閉弁である。開閉装置２９１は、閉塞防止流路９０を閉鎖（閉状態）することで、閉塞防止流路９０内の循環ガスの流れを規制し、閉塞防止流路９０を開放（開状態）することで、閉塞防止流路９０内の循環ガスの流れを許容する。

そして、本実施形態の電子制御装置８０は、開閉制御装置として機能し、循環経路２０内の状態に応じて開閉装置２９１を制御し閉塞防止流路９０を開閉する。具体的には、エンジン２０１は、圧力センサ２８１を備えており、電子制御装置８０は、圧力センサ２８１が検出した循環経路２０内の圧力に基づいて開閉装置２９１の開閉制御を実行する。

ここで、圧力センサ２８１は、循環経路２０内の圧力を検出可能なものである。圧力センサ２８１は、循環経路２０を循環するガスの循環方向に対して燃焼室１１を基準として熱交換部５２より上流側の圧力検出位置にて循環経路２０内の圧力（言い換えれば熱交換部５２より燃焼室１１の排気側の循環経路２０内の圧力）を検出する。電子制御装置８０は、圧力センサ２８１から入力された循環経路２０内の圧力に応じて循環経路２０が閉塞しそうな状態であるか否かを判定し、この判定結果に応じて開閉装置２９１の開閉制御を実行する。

次に、図５のフローチャートを参照してエンジン２０１の開閉制御の一例を説明する。なお、これらの制御ルーチンは、数ｍｓないし数十ｍｓ毎の制御周期で繰り返し実行される。

まず、電子制御装置８０は、圧力センサ２８１から凝縮器５０の熱交換部５２より上流側の循環経路２０内の圧力である上流圧力を取得する（Ｓ１００）。

次に、電子制御装置８０は、Ｓ１００で取得した上流圧力が予め設定される所定圧力より大きいか否かを判定する（Ｓ１０２）。このＳ１０２の判定は、循環経路２０が閉塞しそうな状態であるか否かの判定に相当する。ここで、予め設定される所定圧力は、例えば、実験等に基づいて循環経路２０が閉塞していない正常な状態であるときの上流圧力や循環経路２０が閉塞しそうな状態であるときの上流圧力などに応じて予め設定しておけばよい。

電子制御装置８０は、上流圧力が所定圧力より大きいと判定した場合（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）、すなわち、循環経路２０が閉塞しそうな状態であると判定した場合、開閉装置２９１を制御し閉塞防止流路９０を開放（開状態）し（Ｓ１０４）、現在の制御周期を終了し、次の制御周期に移行する。

電子制御装置８０は、上流圧力が所定圧力以下であると判定した場合（Ｓ１０２：Ｎｏ）、すなわち、循環経路２０が閉塞していない正常な状態であると判定した場合、開閉装置２９１を制御し閉塞防止流路９０を閉鎖（閉状態）し（Ｓ１０６）、現在の制御周期を終了し、次の制御周期に移行する。

この結果、エンジン２０１は、循環経路２０が閉塞していない正常な状態である場合に、閉塞防止流路９０内の循環ガスの流れを規制することで、循環経路２０を流れる循環ガスのほとんどを熱交換流路５５に流すことができるので、水蒸気の分離効率の低下、ひいては熱効率の低下を抑制することができる。一方、エンジン２０１は、循環経路２０が閉塞しそうな状態である場合に、閉塞防止流路９０内の循環ガスの流れを許容することで、循環経路２０を流れる循環ガスを閉塞防止流路９０に流すことができるので、循環経路２０の閉塞を抑制することができる。

以上で説明した本発明の実施形態に係るエンジン２０１によれば、循環経路２０内の状態に応じて閉塞防止流路９０を開閉可能な開閉装置２９１を備える。したがって、エンジン２０１は、開閉装置２９１が循環経路２０内の状態に応じて閉塞防止流路９０を開閉することで、循環経路２０の閉塞抑制と熱効率の低下抑制とを両立することができる。

なお、図６の変形例に例示するように、エンジン２０１が備える開閉装置２９１Ａは、機械的な構成により循環経路２０内の状態に応じて閉塞防止流路９０を開閉可能な構成であってもよい。図６に例示する開閉装置２９１Ａは、弁体２９１ａと、付勢部材２９１ｂとを有する。弁体２９１ａは、閉塞防止流路９０を開閉可能なものである。付勢部材２９１ｂは、弁体２９１ａに所定の付勢力を作用させるものであり、ここではバネである。付勢部材２９１ｂから弁体２９１ａに作用させる付勢力は、循環ガスの循環方向に対して燃焼室１１を基準として熱交換部５２より上流側の上流圧力と下流側の下流圧力との差圧が予め設定される所定差圧より大きい場合に弁体２９１ａが開弁位置に移動し、上流圧力と下流圧力との差圧が所定差圧以下である場合に弁体２９１ａが閉弁位置に移動するような大きさに設定される。

この結果、開閉装置２９１Ａは、機械的な構成により上流圧力と下流圧力との差圧が所定差圧以下である場合、すなわち、循環経路２０が閉塞していない正常な状態である場合に、閉塞防止流路９０を閉鎖し閉塞防止流路９０内の循環ガスの流れを規制する一方、上流圧力と下流圧力との差圧が所定差圧より大きい場合、すなわち、循環経路２０が閉塞しそうな状態である場合に、閉塞防止流路９０を開放し閉塞防止流路９０内の循環ガスの流れを許容する。よって、この場合であっても、エンジン２０１は、循環経路２０の閉塞抑制と熱効率の低下抑制とを両立することができる。

［実施形態３］
図７は、実施形態３に係るエンジンの模式的な概略構成図、図８は、実施形態３に係るエンジンにおける流量制御の一例を説明するフローチャートである。実施形態３に係る作動ガス循環型エンジンは、所定の条件下で流量制御を実行する点で実施形態１に係る作動ガス循環型エンジンとは異なる。

本実施形態の作動ガス循環型エンジンとしてのエンジン３０１は、図７に示すように、冷却水温度センサ３８２を備え、電子制御装置８０が冷却媒体供給制御装置として機能する。電子制御装置８０は、凝縮器５０の温度が予め設定される所定温度以下である場合に冷却水供給装置６０を制御し凝縮器５０への冷却水の供給を抑制する。ここでは、電子制御装置８０は、凝縮器５０の温度に相当する温度として、冷却水温度センサ３８２が検出した冷却水循環路６１内の冷却水の温度に基づいて上記冷却水供給装置６０の流量制御を実行する。

ここで、冷却水温度センサ３８２は、冷却水循環路６１内の冷却水の温度を検出可能なものである。電子制御装置８０は、凝縮器５０の温度に相当するこの冷却水の温度に応じて水分の凍結が発生しそうな状態であるか否かを判定し、この判定結果に応じて冷却水供給装置６０の冷却水ポンプ６２の駆動を制御し冷却水の流量を調節する流量制御を実行する。

次に、図８のフローチャートを参照してエンジン３０１の流量制御の一例を説明する。

まず、電子制御装置８０は、冷却水温度センサ３８２から冷却水循環路６１内の冷却水温度を取得する（Ｓ２００）。

次に、電子制御装置８０は、Ｓ２００で取得した冷却水温度が予め設定される所定温度より高いか否かを判定する（Ｓ２０２）。このＳ２０２の判定は、水分の凍結が発生しそうな状態であるか否かの判定に相当する。ここで、予め設定される所定温度は、水分の凍結が発生する温度より高い温度であり、例えば、０℃より若干高い温度である。

電子制御装置８０は、冷却水温度が所定温度より高いと判定した場合（Ｓ２０２：Ｙｅｓ）、すなわち、十分に暖機され水分の凍結が発生しない状態であると判定した場合、冷却水ポンプ６２を駆動し通常の循環量（供給量）で冷却水を循環させ（Ｓ２０４）、現在の制御周期を終了し、次の制御周期に移行する。

電子制御装置８０は、冷却水温度が所定温度以下であると判定した場合（Ｓ２０２：Ｎｏ）、すなわち、水分の凍結が発生しそうな状態であると判定した場合、冷却水ポンプ６２を制御し冷却水温度が所定温度より高くなるまで冷却水の循環量（供給量）を抑制、ここでは冷却水ポンプ６２を停止し、冷却水の循環（供給）を停止し（Ｓ２０６）、これにより、凝縮器５０や冷却水の暖機を促進し、現在の制御周期を終了し、次の制御周期に移行する。

この結果、エンジン３０１は、水分の凍結が発生しそうな状態である場合に、凝縮器５０への冷却水の供給を抑制することで、凝縮器５０や冷却水の暖機を促進することができ、凝縮器５０にて凍結が発生すること自体を抑制することができる。

以上で説明した本発明の実施形態に係るエンジン３０１によれば、凝縮器５０に冷却水を供給可能な冷却水供給装置６０と、凝縮器５０の温度が予め設定される所定温度以下である場合に冷却水供給装置６０を制御し凝縮器５０への冷却水の供給を抑制する電子制御装置８０とを備える。したがって、エンジン３０１は、水分の凍結が発生しそうな状態である場合に凝縮器５０や冷却水の暖機を促進することができ、凝縮器５０にて凍結が発生すること自体を抑制することができるので、より確実に循環経路２０の閉塞を抑制することができる。

なお、以上の説明では、電子制御装置８０は、凝縮器５０の温度に相当する温度として、冷却水の温度に基づいて冷却水供給装置６０を制御するものとして説明したが、凝縮器５０自体の温度に基づいて冷却水供給装置６０を制御するようにしてもよい。

［実施形態４］
図９は、実施形態４に係るエンジンにおける排気温度昇温制御の一例を説明するフローチャートである。実施形態４に係る作動ガス循環型エンジンは、所定の条件下で流量制御にかえて排気温度昇温制御を実行する点で実施形態３に係る作動ガス循環型エンジンとは異なる。なお、実施形態４に係る作動ガス循環型エンジンの基本構成については、図７を参照するものとする。

本実施形態の作動ガス循環型エンジンとしてのエンジン４０１は、電子制御装置８０が排気温度制御装置として機能する。電子制御装置８０は、凝縮器５０の温度が予め設定される所定温度以下である場合に燃焼室１１から排気されるガスの温度を相対的に上昇させる制御である排気温度昇温制御を実行する。ここで、排気温度昇温制御とは、運転者が要求する出力を実現するための通常制御時と比較して燃焼室１１からの排気熱エネルギーを相対的に増加させる制御である。

次に、図９のフローチャートを参照してエンジン４０１の排気温度昇温制御の一例を説明する。ここでは、図８で説明した流量制御と同様なステップについてはその説明をできるだけ省略する。

電子制御装置８０は、Ｓ２０２にて冷却水温度が所定温度より高いと判定した場合（Ｓ２０２：Ｙｅｓ）、運転者が要求する出力を実現するための通常制御を実行し（Ｓ３０４）、現在の制御周期を終了し、次の制御周期に移行する。

電子制御装置８０は、冷却水温度が所定温度以下であると判定した場合（Ｓ２０２：Ｎｏ）、冷却水温度が所定温度より高くなるまで排気温度昇温制御を実行し（Ｓ３０６）、これにより、凝縮器５０や冷却水の暖機を促進し、現在の制御周期を終了し、次の制御周期に移行する。電子制御装置８０は、排気温度昇温制御として、例えば、水素供給装置４０を制御し水素の噴射時期を通常制御の場合より遅角させることで、燃焼室１１から排気されるガスの温度を上昇させる。

この結果、エンジン４０１は、水分の凍結が発生しそうな状態である場合に、凝縮器５０に相対的に高温のガスが流れることで、凝縮器５０や冷却水の暖機を促進することができ、凝縮器５０にて凍結が発生すること自体を抑制することができる。

なお、電子制御装置８０は、後述するように、エンジン４０１が点火プラグを備えるような場合には点火プラグによる点火時期を遅角させることで、排気熱エネルギーを増加させるようにしてもよい。また、電子制御装置８０は、エンジン４０１が背圧制御弁などの排気絞り装置を備えるような場合には排気を絞ることで負荷を増加させ、排気熱エネルギーを増加させるようにしてもよい。

以上で説明した本発明の実施形態に係るエンジン４０１によれば、凝縮器５０の温度が予め設定される所定温度以下である場合に燃焼室１１から排気されるガスの温度を相対的に上昇させる制御を実行する電子制御装置８０を備える。したがって、エンジン４０１は、水分の凍結が発生しそうな状態である場合に凝縮器５０や冷却水の暖機を促進することができ、凝縮器５０にて凍結が発生すること自体を抑制することができるので、より確実に循環経路２０の閉塞を抑制することができる。

なお、上述した本発明の実施形態に係る作動ガス循環型エンジンは、上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。本発明の実施形態に係る作動ガス循環型エンジンは、以上で説明した実施形態を複数組み合わせることで構成してもよい。

以上で説明したガス流路（閉塞防止流路９０）は、例えば、熱交換器としての凝縮器５０のケーシング５１の外側で熱交換流路５５の上流側と下流側とをガスが通過可能に接続するように構成してもよい。

以上で説明した作動ガス循環型エンジンは、燃料としての水素を吸気ポート１２に噴射する構成であってもよいし、酸化剤としての酸素を燃焼室１１内に直接噴射する構成であってもよい。以上で説明した作動ガス循環型エンジンは、燃料としての水素を拡散燃焼させるものとして例示したが、燃料に対して図示しない点火プラグで点火して、いわゆる、火花点火燃焼させる形態のものであってもよく、その燃料に対して点火プラグで点火して着火の補助を行い拡散燃焼させる形態のものであってもよい。

以上で説明した作動ガス循環型エンジンは、酸化剤が酸素であり燃料が水素であるものとして説明したが、これに限らず、燃焼室にて燃料の燃焼に伴って作動ガスを膨張させることができると共に燃焼に伴って水蒸気を生成する組み合わせであればよい。また、以上で説明した作動ガスは、アルゴンに限らず、例えば単原子ガスであるヘリウム（Ｈｅ）等の希ガスであってもよい。

以上で説明した作動ガス循環型エンジンは、熱交換器（凝縮器）の形式が上記とは異なるものであってもよい。作動ガス循環型エンジンは、例えば、図１０の変形例に示すようないわゆる多管式の熱交換部５２Ａを備えていてもよい。この熱交換部５２Ａは、筒状の部材である多数の管状部材５４Ａを含んで構成される。多数の管状部材５４Ａは、熱交換部５２Ａの蓋部５２Ａａから循環ガスの循環方向に沿って延在して設けられる。この場合、熱交換流路５５Ａは、各管状部材５４Ａの内側に形成される。つまり、この熱交換部５２Ａは、筒状の部材としての各管状部材５４Ａによって循環経路２０を循環するガスが通過可能な熱交換流路５５Ａが形成されると共にこの管状部材５４Ａを介して熱交換流路５５Ａを通過するガスと管状部材５４Ａの外側を流通する冷却水（冷却媒体）との熱交換を行う。そして、閉塞防止流路９０Ａは、流路断面の最小寸法がこの熱交換流路５５Ａの流路断面の最小寸法より大きく形成される。この場合でも、作動ガス循環型エンジンは、凍結による循環経路２０の閉塞を抑制することができる。

以上のように本発明に係る作動ガス循環型エンジンは、作動ガスを燃焼室の排気側から吸気側に循環させ再び燃焼室に供給可能な種々の作動ガス循環型エンジンに適用して好適である。

１、２０１、３０１、４０１エンジン（作動ガス循環型エンジン）
１０エンジン本体
１１燃焼室
２０循環経路
５０凝縮器（熱交換器）
５２、５２Ａ熱交換部
５４フィン（互いに対向する部材）
５４Ａ管状部材（筒状の部材）
５５、５５Ａ熱交換流路
６０冷却水供給装置（冷却媒体供給装置）
８０電子制御装置（冷却媒体供給制御装置、排気温度制御装置）
９０、９０Ａ閉塞防止流路（ガス流路）
２８１圧力センサ
２９１、２９１Ａ開閉装置
３８２冷却水温度センサ

Claims

酸化剤と、当該酸化剤との燃焼により水蒸気を生成する燃料と、空気より比熱比の高い作動ガスとが供給され、前記燃料の燃焼に伴って前記作動ガスが膨張可能であると共に前記燃料の燃焼後に前記水蒸気と前記作動ガスとを排気可能な燃焼室と、
前記作動ガスを含むガスを前記燃焼室の排気側から吸気側に循環させ再び前記燃焼室に供給可能である循環経路と、
前記循環経路に設けられ、互いに対向する部材又は筒状の部材によって前記循環経路を循環するガスが通過可能な熱交換流路が形成されると共に、前記部材を介して前記熱交換流路を通過するガスと冷却媒体との熱交換を行い、当該ガスを冷却し前記水蒸気を分離可能である熱交換器と、
前記循環経路を循環するガスの循環方向に対して前記熱交換流路の上流側と下流側とを前記循環するガスが通過可能に接続すると共に、流路断面の最小寸法が前記熱交換流路の流路断面の最小寸法より大きく形成されるガス流路とを備えることを特徴とする、
作動ガス循環型エンジン。
前記ガス流路は、前記熱交換器の内部に設けられる、
請求項１に記載の作動ガス循環型エンジン。
前記循環経路内の状態に応じて前記ガス流路を開閉可能な開閉装置を備える、
請求項１又は請求項２に記載の作動ガス循環型エンジン。
前記熱交換器に前記冷却媒体を供給可能な冷却媒体供給装置と、
前記熱交換器の温度が予め設定される所定温度以下である場合に前記冷却媒体供給装置を制御し前記熱交換器への前記冷却媒体の供給を抑制する冷却媒体供給制御装置とを備える、
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の作動ガス循環型エンジン。
前記熱交換器の温度が予め設定される所定温度以下である場合に前記燃焼室から排気されるガスの温度を相対的に上昇させる制御を実行する排気温度制御装置を備える、
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の作動ガス循環型エンジン。