JP4650356B2 - 作動ガス循環型水素エンジン - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室に水素と酸素と不活性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不活性ガスを同燃焼室に循環（再供給）する作動ガス循環型水素エンジンに関する。

従来から、燃焼室に空気と水素とを供給し、同供給した水素を燃焼させるピストン往復動型の水素エンジンが知られている。このような水素エンジンにおいては、空気中に窒素が含まれていることから、窒素酸化物が多く排出される恐れがある。これに対処するため、空気に代えて酸素ガスとアルゴンガス（Ａｒ）とを燃焼室に供給する水素エンジンが提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。この水素エンジンにおいては、アルゴンガスが水素の燃焼により生じた熱による膨張体（即ち、作動ガス）として機能する。
特開平１１−９３６８１号公報

この従来の水素エンジンに作動ガスとして使用されているアルゴンガスは単原子分子からなる不活性ガスである。単原子分子からなる不活性ガスは、複数の原子からなる分子のガス（例えば、窒素Ｎ_２のような２原子分子からなるガス又は水蒸気Ｈ_２Ｏのような３原子分子からなるガス等であり、以下、便宜上「複数原子分子からなるガス」と称呼する。）よりも比熱比が大きい。従って、単原子分子からなるアルゴンガス（不活性ガス）を作動ガスとして用いる上記水素エンジンの熱効率は、空気等の複数原子分子からなるガスを使用する水素エンジンの熱効率よりも高い。

一方、水素を燃焼させると水蒸気Ｈ_２Ｏが発生する。更に、アルゴンガス等の不活性ガスは貴重である。そこで、従来の技術は、燃焼室から排出された燃焼後のガス（排ガス）中に含まれる水蒸気Ｈ_２Ｏを凝縮器によって液化して分離し、水蒸気Ｈ_２Ｏが分離された排ガス（即ち、作動ガスであるアルゴンガス）を同燃焼室に再び供給するようになっている。即ち、上記従来の水素エンジンは、作動ガス循環型エンジンである。

しかしながら、ピストン往復動型のエンジンにおいては、燃焼室からシリンダとピストンとの間を通ってクランクケースに漏洩したアルゴンガス、水素及び水蒸気Ｈ_２Ｏ等からなるブローバイガスが同クランクケース内に蓄積され、例えば、この漏洩した水素及び水蒸気Ｈ_２Ｏによってクランクケース内のエンジン潤滑用オイルが劣化したり、スラッジが発生してエンジンの潤滑を阻害するという問題がある。

この問題に対し、上記作動ガス循環型水素エンジンに、従来のエンジンが備えるブローバイガス循環装置を採用することが考えられる。即ち、ブローバイガスをエンジン本体から取り出し、再度、燃焼室に供給することが考えられる。しかしながら、このような構成によると、水素エンジンのブローバイガスには３原子分子である水蒸気Ｈ_２Ｏが含まれているので、アルゴンガスのみならず水蒸気Ｈ_２Ｏもが燃焼室に供給されて作動ガスとして機能するようになる。この結果、作動ガスの比熱比が低下し、エンジンの熱効率が低下してしまうという問題が新たに生じる。

本発明の水素エンジンは、上記課題に対処するためになされたものであり、
シリンダ内を往復動するピストンにより燃焼室とクランクケースとが区画されるように構成され、同燃焼室に水素と酸素と作動ガスとしての単原子分子からなる不活性ガスとを供給して同水素を燃焼させ、同燃焼により生成された排ガスに含まれる水蒸気を液化して水に変化させることにより同水蒸気を同排ガスから分離するとともに、同水蒸気が分離された排ガスを同燃焼室に再び供給するように構成された作動ガス循環型水素エンジンであって、
入口部から導入されたガスに含まれる水蒸気を液化して水に変化させることにより同水蒸気を同ガスから分離するとともに、同水蒸気が分離されたガスを出口部から排出する凝縮器と、
前記クランクケースと前記凝縮器の入口部とを接続するブローバイガス供給通路と、
前記凝縮器の出口部と前記燃焼室とを接続する水蒸気分離後ガス供給通路と、
を備えている。

これによれば、ブローバイガス供給通路を通してクランクケース内のブローバイガスが凝縮器に導入される。従って、凝縮器の出口部からは、ブローバイガスから水蒸気が除去されたガス（主として、単原子分子からなる不活性ガス及び水素Ｈ_２からなるガス）が排出され、その水蒸気が除去されたガスは水蒸気分離後ガス供給通路を通して燃焼室に再び供給される。この結果、クランクケースからブローバイガスが除去されるので上記オイル劣化及び上記スラッジの発生に伴う潤滑不良の問題が回避されるとともに、３原子分子であって比熱比の小さい水蒸気Ｈ_２Ｏが燃焼室に導入されないので高い熱効率にて水素エンジンが運転され得る。

この水素エンジンは、更に、
前記燃焼室にて生成された排ガスが排出される同燃焼室に連通した排気ポートと前記凝縮器の入口部とを接続する排気通路を備え、
前記排ガスが前記排気通路を通して前記凝縮器に導入され、同凝縮器が同排ガスに含まれる水蒸気を液化して水に変化させることにより同水蒸気を同排ガスから分離するとともに、同水蒸気が分離された排ガスが前記水蒸気分離後ガス供給通路を通して前記燃焼室に再び供給されるように構成されていることが好適である。

これによれば、一つの凝縮器が、排ガス中の水蒸気Ｈ_２Ｏを除去するとともにブローバイガス中の水蒸気Ｈ_２Ｏを除去し、水蒸気Ｈ_２Ｏが除去された排ガス及びブローバイガスが燃焼室に再び供給される。従って、排ガス用の凝縮器とブローバイガス用の凝縮器とを個別に備える必要がないので、廉価な水素エンジンを提供することができる。

更に、この水素エンジンは、
吸入部から導入されたガスの圧力を高めるとともに同圧力が高められたガスを吐出部から吐出するガスポンプと、
前記凝縮器の出口部と前記ガスポンプの吸入部を連通する第１接続通路と、
前記ガスポンプの吐出部と前記クランクケースとを連通する第２接続通路と、
を備えることが好適である。

これによれば、凝縮器によって水蒸気Ｈ_２Ｏが除去されたガスが、ガスポンプによってクランクケース内に送りこまれる。従って、クランクケース内が強制的に換気されるので、上記オイル劣化及び上記スラッジの発生に伴う潤滑不良の発生をより効果的に抑制することができる。

以下、本発明による水素エンジン（多気筒内燃機関）の各実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る水素エンジンの概略構成図である。図１は、その水素エンジンの特定気筒の断面のみを示しているが、他の気筒も同様な構成を備えている。

このエンジンは、燃焼室に水素、酸素及び作動ガスを供給し、これらのガスを圧縮させることにより水素を自着火させて燃焼させ、その燃焼に伴って発生した熱により作動ガスを膨張させて動力を取り出すエンジンである。更に、このエンジンは、燃焼室から排出された燃焼後のガス中に含まれる作動ガスを同燃焼室に再び供給する作動ガス循環型内燃機関（水素燃焼クローズドサイクルエンジン）である。

作動ガスは熱膨張体として機能するガスであるので、不活性ガスであって且つその比熱比ができるだけ大きいガスであることが望ましい。本実施形態の作動ガスは、その比熱比が大きいガスアルゴンである。アルゴンガスに代えて、ヘリウムガス及びネオンガス等の単原子分子からなる不活性ガスが用いられ得る。

この水素エンジンは、エンジン本体１０、水素供給部４０、酸素供給部５０、作動ガス循環通路部６０、ブローバイガス通路部７０及び電気制御装置８０を備えている。

エンジン本体１０は、シリンダヘッド部１１、シリンダブロック部１２、ピストン１３、クランク軸１４、コネクティングロッド１５及びオイルパン１６を備えている。即ち、この水素エンジンは、ピストン往復動型エンジンである。

シリンダヘッド部１１は、シリンダヘッドカバー１１ａを含むとともに、シリンダヘッド１１ｂを形成している。シリンダブロック部１２は、シリンダ１２ａを形成している。ピストン１３は、シリンダ１２ａ内に収容されるとともにコネクティングロッド１５によりクランク軸１４に連結されている。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。オイルパン１６は、シリンダブロック部１２の下方においてシリンダブロック部１２に連接され、潤滑油を収容している。

シリンダヘッド１１ｂ、シリンダ１２ａ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。

シリンダヘッド部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を開閉する吸気弁３３が配設され、排気ポート３２には排気ポート３２を開閉する排気弁３４が配設されている。更に、シリンダヘッド１１ｂには、水素（水素ガス）を燃焼室２１内に直接噴射する水素噴射弁３５が配設されている。吸気ポート３１、排気ポート３２、吸気弁３３、排気弁３４及び水素噴射弁３５は、シリンダブロック部１２に固定されたシリンダヘッドカバー１１ａによって形成される密閉された空間内に収容されている。以下、この空間を、便宜上「シリンダヘッド室１１ｃ」と称呼する。

水素供給部４０は、水素タンク（水素ガスタンク）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１０乃至７０ＭＰａの高圧状態にて貯蔵している。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が配設されている。

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り、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内の圧力を一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、その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）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が配設されている。

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、その酸素ガス流量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３通路６３と第４通路６４との間に配設されている。酸素ガスミキサ５５は、酸素ガス通路５２を通して供給された酸素と、第３通路６３を通して酸素ガスミキサ５５の入口部に供給されるガスとを混合し、その混合したガスを出口部から第４通路６４へと排出するようになっている。

作動ガス循環通路部６０は、第１〜４通路（第１〜第４流路形成管）６１〜６４、凝縮器６５及びアルゴンガス流量計６６を備えている。後述するように、作動ガス循環通路部６０内において、所定量のアルゴンガスが循環している。

第１通路６１は、排気ポート３２と凝縮器６５の入口部とを接続している。第２通路６２は凝縮器６５の出口部とアルゴンガス流量計６６の入口部とを接続している。第３通路６３は、アルゴンガス流量計６６の出口部と酸素ガスミキサ５５の入口部とを接続している。第４通路６４は、酸素ガスミキサ５５の出口部と吸気ポート３１とを接続している。このように、第１〜第４経路６１〜６４は、排気ポート３２から吸気ポート３１へとガスを循環させる閉じられた経路（循環路）を構成している。

凝縮器６５は、第１通路６１を介して燃焼室２１から排出された排ガスを、その入口部から導入するようになっている。凝縮器６５は、入口部から導入されたガスを内部において冷却水Ｗにより冷却することにより、そのガスに含まれる水蒸気を凝縮液化するようになっている。これにより、凝縮器６５は、排ガスに含まれる水蒸気を非凝縮ガス（この場合、非凝縮ガスはアルゴンガスであり、場合により水素ガス及び／又は酸素ガスを含む。）と分離して水となし、その水を外部に排出するようになっている。更に、凝縮器６５は、前記分離した非凝縮ガス（即ち、水蒸気が分離された排ガス）をその出口部から第２通路６２に供給するようになっている。

アルゴンガス流量計６６は、第２通路６２及び第３通路６３を流れるアルゴンガスの量（アルゴンガス流量）を計測し、そのアルゴンガス流量FArを表す信号を発生するようになっている。

ブローバイガス通路部７０は、エンジン本体１０に形成された本体内通路部７１と、ブローバイガス供給通路７２と、からなっている。

本体内通路部７１は、クランクケース２２とシリンダヘッド室１１ｃとを連通している。ブローバイガス供給通路７２は、シリンダヘッド室１１ｃと凝縮器６５の入口部とを連通している。ブローバイガス供給通路７２のシリンダヘッド室１１ｃ内の端部には、逆止弁（所謂、ＰＣＶバルブ）７２ａが配設されている。逆止弁７２ａは、シリンダヘッド室１１ｃから凝縮器６５の入口部へ向うガスの流れを許容し、その逆向きのガスの流れを阻止するようになっている。

電気制御装置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装置である。電気制御装置８０には、水素ガス流量計４４、酸素ガス流量計５４、アルゴンガス流量計６６、アクセルペダル操作量センサ８１、エンジン回転速度センサ８２、酸素濃度センサ８３、水素濃度センサ８４及びサージタンク圧力センサ８５が接続されている。電気制御装置８０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８１は、アクセルペダルＡＰの操作量を検出し、そのアクセルペダル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８２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。

酸素濃度センサ８３及び水素濃度センサ８４は、第２通路６２に配設されている。酸素濃度センサ８３は、配設部位（第２通路６２）を流れるガスの酸素濃度を検出し、その酸素濃度を表す信号Voxを発生するようになっている。水素濃度センサ８４は、配設部位（第２通路６２）を流れるガスの水素濃度を検出し、水素濃度を表す信号VH2を発生するようになっている。サージタンク圧力センサ８５は、サージタンク４５内の水素ガスの圧力を検出し、サージタンク内の圧力（サージタンク圧力、即ち、噴射水素ガス圧力）Psgを表す信号を発生するようになっている。

更に、電気制御装置８０は、各気筒の水素噴射弁３５及び酸素ガス圧レギュレータ５３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の作動について説明する。電気制御装置８０のＣＰＵは、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９０度）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、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に応じた要求水素量ＳＨ２を求めるための予め定められた関数（例えば、ルックアップテーブル）である。

次いで、ＣＰＵはステップ２１０に進み、上記要求水素量ＳＨ２、現時点で検出されているサージタンク圧力Psg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に進んで水素噴射時間ＴＡＵの時間だけ圧縮上死点前９０度のクランク角度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により求められる要求水素量ＳＨ２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。

前述したように、この水素エンジン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２モルに対して酸素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余裕量を加えた量の酸素）が燃焼室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。

このようにして、水素及び酸素が燃焼室２１に供給され、その水素が燃焼室２１内において燃焼させられる。その結果、熱が発生する。この熱により作動ガスとして吸気ポート３１を通して燃焼室２１内に供給されているアルゴンガスが膨張し、ピストン１３が押し下げられる。これにより、上記水素エンジンは要求されるトルクに応じたトルクを発生する。

この水素の燃焼にともなって水蒸気Ｈ_２Ｏが燃焼室２１内において生成され、その水蒸気Ｈ_２ＯはアルゴンガスＡｒとともに排ガスとして燃焼室２１から排気ポート３２を通して排出される。排出された排ガスは、排気ポート３２及び第１通路６１を通して凝縮器６５の入口部に供給される。そして、凝縮器６５において、その排ガスに含まれる水蒸気Ｈ_２Ｏが液化・分離され、水となって排出される。

水蒸気Ｈ_２Ｏが分離（除去）された排ガスは、凝縮器６５の出口部を通して第２通路６２に供給される。この水蒸気が分離（除去）された排ガスは、アルゴンガスと、場合により水素及び／又は酸素と、を含んでいて、第２通路６２、アルゴンガス流量計６６、第３通路６３、酸素ガスミキサ５５、第４通路６４及び吸気ポート３１を通して再び燃焼室２１に供給される。

一方、アルゴンガスＡｒ、水素Ｈ_２及び水蒸気Ｈ_２Ｏ等からなるブローバイガスが、燃焼室２１からシリンダ１２ａとピストン１３（実際には、ピストン１３のピストンリング１３ａ）との間を通ってクランクケース２２に漏洩する。このブローバイガスは、ピストン１３の動作により加圧され、本体内通路部７１、逆止弁７２ａ及びブローバイガス供給通路７２を通して凝縮器６５の入口部へと供給される。そして、凝縮器６５において、ブローバイガスに含まれる水蒸気Ｈ_２Ｏが液化・分離され、水となって排出される。

水蒸気Ｈ_２Ｏが凝縮器６５において分離（除去）されたブローバイガスは、凝縮器６５の出口部を通して第２通路６２に供給される。この水蒸気が分離（除去）されたブローバイガスも、アルゴンガスと、場合により水素及び／又は酸素と、を含んでいて、第２通路６２、アルゴンガス流量計６６、第３通路６３、酸素ガスミキサ５５、第４通路６４及び吸気ポート３１を通して再び燃焼室２１に供給される。

以上、説明したように、本発明の第１実施形態に係る水素エンジンは、入口部から導入されたガスに含まれる水蒸気を液化して水に変化させることにより同水蒸気を同ガスから分離（除去）するとともに同水蒸気が分離（除去）されたガスを出口部から排出する凝縮器６５と、クランクケース２２と凝縮器６５の入口部とを接続するブローバイガス供給通路（本体内通路部７１及びブローバイガス供給通路７２）と、凝縮器６５の出口部と燃焼室２１とを接続する水蒸気分離後ガス供給通路（第２通路６２、アルゴンガス流量計６６、第３通路６３、酸素ガスミキサ５５、第４通路６４及び吸気ポート３１）と、を備えている。更に、この水素エンジンは、燃焼室２１の排気ポート３２と凝縮器６５の入口部とを接続する第１通路６１（排気通路）と、凝縮器６５の出口部と燃焼室２１とを接続する前記水蒸気分離後ガス供給通路と、を備えている。

従って、燃焼室２１から排出された排ガスと、クランクケース２２内のブローバイガスと、が凝縮器６５に導入され、凝縮器６５の出口部からは、排ガス及びブローバイガスから水蒸気が分離（除去）されたガス（主として、水蒸気を含まないアルゴンガス）が排出され、その水蒸気が除去されたガスは燃焼室２１に再び供給される。この結果、クランクケース２２から水蒸気を含むブローバイガスが除去されるのでオイル劣化及びスラッジの発生に伴う潤滑不良の問題が回避される。更に、３原子分子であって比熱比の小さい水蒸気Ｈ_２Ｏが燃焼室２１に導入されないので高い熱効率にて水素エンジンが運転され得る。

加えて、上記水素エンジンは、燃焼室２１にて燃焼された排ガスが排出される燃焼室２１に連通した排気ポート３２と凝縮器６５の入口部とを接続する排気通路（第１通路６１）を備え、排ガスが排気通路（第１通路６１）を通して凝縮器６５に導入されるようになっている。

従って、一つの凝縮器６５が、排ガス中の水蒸気Ｈ_２Ｏを除去するとともにブローバイガス中の水蒸気Ｈ_２Ｏを除去するので、排ガス用の凝縮器とブローバイガス用の凝縮器とを個別に備える必要がない。この結果、上記水素エンジンは廉価なエンジンとなる。

次に、本発明の第２実施形態に係る水素エンジンについて説明する。この水素エンジンは、図４に示したように、第１実施形態に係る水素エンジンにクランクケース強制換気装置９０を付加した点にのみにおいて同第１実施形態に係る水素エンジンと相違している。従って、以下において、主として係る相違点について説明する。

クランクケース強制換気装置９０は、ガスポンプ９１と、第１接続通路９２と、第２接続通路９３と、を備えている。

ガスポンプ９１は、図示しない駆動機構によりクランク軸１４の回転にともなって回転駆動されることにより、その吸入部から導入されたガスの圧力を高めるとともに同圧力が高められたガスをその吐出部から吐出するポンプ（加圧手段）である。第１接続通路９２は、凝縮器６５の出口部とガスポンプ９１の吸入部を連通する通路である。第２接続通路９３は、ガスポンプ９１の吐出部とクランクケース２２とを連通する通路である。

このように構成された第２実施形態に係る水素エンジンにおいては、ガスポンプ９１が回転駆動されることにより、凝縮器６５から供給される水蒸気Ｈ_２Ｏが除去されたガスが第１接続通路９２、ガスポンプ９１及び第２接続通路９３を通してクランクケース２２内に強制的に導入される。以下、このガスを便宜上「換気用ガス」と称呼する。

従って、クランクケース２２内のブローバイガスは、ピストン１３の動作のみならず、換気用ガスのクランクケース２２内への導入により、本体内通路部７１、逆止弁７２ａ及びブローバイガス供給通路７２を通して凝縮器６５の入口部へと押し出される。

この結果、第２実施形態に係る水素エンジンは、第１実施形態に係る水素エンジンの有する効果を備えるとともに、クランクケース２２内が加圧された換気用ガスによって強制的に換気されるので、上記オイル劣化及び上記スラッジの発生に伴う潤滑不良の発生をより効果的に抑制することができる。

以上、説明したように、本発明の上記各実施形態に係る水素エンジンにおいては、クランクケースからブローバイガスが除去されるので上記オイル劣化及び上記スラッジの発生に伴う潤滑不良の問題が回避される。更に、これらの水素エンジンは、３原子分子であって比熱比の小さい水蒸気Ｈ_２Ｏが燃焼室に導入されないので高い熱効率にて水素エンジンが運転され得る。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記水素エンジンは圧縮により水素と酸素の混合ガスを自着火させていたが、燃焼室２１に点火プラグを配設して火花点火運転を行ってもよい。

更に、上記水素エンジンは、気筒内に水素ガスを直接噴射していたが、水素ガスを吸気ポート３１に噴射するように水素噴射弁３５を配置してもよい。また、上記第２実施形態に係る水素エンジンにおいて、クランクケース２２内にブローバイガスが漏洩しやすい運転状態（例えば、高負荷運転状態）が所定時間継続したとき、ガスポンプ９１を所定時間だけ運転するように構成することもできる。また、第１接続通路９２及び／又は第２接続通路９３に、凝縮器６５からクランクケース２２に向うガスの流れのみを許容し、逆向きのガスの流れを阻止する逆止弁を配設してもよい。また、クランクケース２２と凝縮器６５の入口部とをシリンダヘッド室１１ｃを介することなく直接連通する通路を、ブローバイガス供給通路７２に加えて又はブローバイガス供給通路７２に代えて配設してもよい。

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。 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。

符号の説明

１０…エンジン本体、１１…シリンダヘッド部、１１ａ…シリンダヘッドカバー、１１ｂ…シリンダヘッド、１１ｃ…シリンダヘッド室、１２…シリンダブロック部、１２ａ…シリンダ、１３…ピストン、１３ａ…ピストンリング、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、５０…酸素供給部、５１…酸素タンク、６０…作動ガス循環通路部、６１…第１通路、６２…第２通路、６３…第３通路、６４…第４通路、６５…凝縮器、７０…ブローバイガス通路部、７１…本体内通路部、７２…ブローバイガス供給通路、７２ａ…逆止弁（ＰＣＶ）、８０…電気制御装置、９０…クランクケース強制換気装置、９１…ガスポンプ、９２…第１接続通路、９３…第２接続通路。

Claims (2)

1. シリンダ内を往復動するピストンにより燃焼室とクランクケースとが区画されるように構成され、同燃焼室に水素と酸素と作動ガスとしての単原子分子からなる不活性ガスとを供給して同水素を燃焼させ、同燃焼により生成された排ガスに含まれる水蒸気を液化して水に変化させることにより同水蒸気を同排ガスから分離するとともに、同水蒸気が分離された排ガスを同燃焼室に再び供給するように構成された作動ガス循環型水素エンジンであって、
   入口部から導入されたガスに含まれる水蒸気を液化して水に変化させることにより同水蒸気を同ガスから分離するとともに、同水蒸気が分離されたガスを出口部から排出する凝縮器と、
   前記クランクケースと前記凝縮器の入口部とを接続するブローバイガス供給通路と、
   前記凝縮器の出口部と前記燃焼室とを接続する水蒸気分離後ガス供給通路と、
   吸入部から導入されたガスの圧力を高めるとともに同圧力が高められたガスを吐出部から吐出するガスポンプと、
   前記凝縮器の出口部と前記ガスポンプの吸入部を連通する第１接続通路と、
   前記ガスポンプの吐出部と前記クランクケースとを連通する第２接続通路と、
   を備えた水素エンジン。
2. 請求項１に記載の水素エンジンにおいて、
   前記燃焼室にて生成された排ガスが排出される同燃焼室に連通した排気ポートと前記凝縮器の入口部とを接続する排気通路を備え、
   前記排ガスが前記排気通路を通して前記凝縮器に導入され、同凝縮器が同排ガスに含まれる水蒸気を液化して水に変化させることにより同水蒸気を同排ガスから分離するとともに、同水蒸気が分離された排ガスが前記水蒸気分離後ガス供給通路を通して前記燃焼室に再び供給されるように構成された水素エンジン。

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