JP6278213B2

JP6278213B2 - エンジンシステム

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Publication number: JP6278213B2
Application number: JP2015222422A
Authority: JP
Inventors: 昌彦藤本; 山下　洋幸; 洋幸山下; 荒木　啓二; 啓二荒木
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2015-11-12
Filing date: 2015-11-12
Publication date: 2018-02-14
Anticipated expiration: 2035-11-12
Also published as: US20170138315A1; DE102016012892A1; US9915230B2; JP2017089553A

Description

本発明は、気筒と、前記気筒で生成された排気が流通する排気流通部と、当該排気流通部に設けられて前記排気を浄化する浄化装置とを備えるエンジンシステムに関する。

従来、エンジンシステムにおいて、燃費性能を高めること等を目的として、気筒内に水を噴射することが行われている。すなわち、気筒内に水を噴射すれば燃焼ガスに加えてこの水を作動ガスとしてこの水に膨張仕事を行わせることができるため、燃焼ガス量ひいては気筒内に供給する燃料量を少なく抑えることができる。

例えば、特許文献１には、排気通路のうち浄化装置よりも下流側の部分に、上流側から順に熱交換器と凝縮器とを設け、排気通路内の排気に含まれる水を凝縮器において凝縮させるとともに、熱交換器においてこの水を排気のエネルギーによって昇温させた後、気筒内に噴射させるよう構成されたエンジンシステムが開示されている。このエンジンシステムでは、排気のエネルギーを利用して水を昇温させて、これを気筒内に噴射しているため、システム全体のエネルギー効率を高めることができる。

特許第５０４５５６９号公報

ここで、エンジンシステムにおいては、燃費性能の向上に加えて排気性能を向上することが求められており、排気通路に設けられた浄化装置の浄化性能を高く維持することが求められている。これに対して、特許文献１のエンジンシステムでは、排気通路のうち浄化装置よりも下流側の部分に熱交換器が設けられており、浄化装置には、エンジン本体から排出された排気がそのまま流入し、浄化装置を通過した後にはじめて熱交換器において排気の温度が低下する。そのため、エンジン本体から高温の排気が排出された場合には、この高温の排気によって浄化装置が劣化等してその浄化性能が低下するおそれがある。

本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、エンジンシステム全体としてのエネルギー効率を高めつつ浄化装置の浄化性能を高く維持することのできるエンジンシステムを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、気筒と、前記気筒で生成された排気が流通する排気流通部と、当該排気流通部に設けられて前記排気を浄化する浄化装置とを備えるエンジンシステムであって、前記気筒内に超臨界水または亜臨界水を噴射する水噴射装置と、前記水噴射装置に接続されて当該水噴射装置に水を供給する水供給通路と、前記排気流通部内の排気のエネルギーによって前記水供給通路内の水をそれぞれ昇温させる第１昇温装置および第２昇温装置とを備え、前記第１昇温装置は、前記排気流通部のうち当該第１昇温装置が配置された部分を流通する排気が基準温度以上の場合に前記水供給通路内の水を昇温させ、前記第２昇温装置は、前記排気流通部のうち当該第２昇温装置が配置された部分を流通する排気が前記水供給通路のうち当該第２昇温装置が配置された部分を流通する水の温度よりも高い場合に当該水を昇温させ、前記第１昇温装置は、前記排気流通部のうち前記浄化装置および前記第２昇温装置よりも前記気筒に近い位置に配置されていることを特徴とするエンジンシステムを提供する（請求項１）。

本発明によれば、エンジンシステム全体のエネルギー効率を高めつつ、気筒内に噴射される水を安定して昇温させることができるとともに浄化装置の浄化性能を高く維持することができる。

具体的には、本発明では、第１昇温装置と第２昇温装置とによって排気流通部内の排気のエネルギーを利用して水供給装置内の水を昇温し、超臨界水または亜臨界水を生成して、これを気筒内に噴射している。そのため、水を介して排気のエネルギーをエンジン本体の出力に変換することができ、エンジンシステム全体のエネルギー効率を高めることができる。

そして、本発明では、第１昇温装置が、当該第１昇温装置が配置された部分の排気が基準温度以上の高温の場合に水を昇温させるよう構成され、第２昇温装置が、当該第２昇温装置が配置された部分の排気の温度が第２水通路部内の水の温度よりも高い場合に水を昇温させるように構成されている。そのため、第２昇温装置によって水供給通路内の水をほぼ常時昇温させることができるとともに、第１昇温装置によって基準温度以上の排気を利用して水供給通路内の水を効果的に昇温することができる。

しかも、本発明では、第１昇温装置が、排気流通部のうち浄化装置および第２昇温装置よりも気筒に近い位置に配置されている。そのため、気筒から基準温度以上の排気が排出されたときには、第１昇温装置において、高い排気エネルギーによって前記水を効果的に昇温させつつ浄化装置に向かう排気の温度を適切に低下させることができ、かつ、気筒から基準温度未満の排気が排出されたときには、第１昇温装置において排気の温度を低下させることなく浄化装置側に排気を流下させることができる。従って、浄化装置に向かう排気の温度をより確実に適切な範囲に維持することができその浄化性能を高く維持することができる。

前記構成において、前記第１昇温装置は、沸点が前記基準温度付近の温度である媒体が内側に収容されたヒートパイプであり、当該媒体を介して前記排気流通部内の排気のエネルギーにより前記水供給通路の水を昇温させるのが好ましい（請求項２）。

このようにすれば、ヒートパイプを用いるという簡単な構成で、水供給通路内の水を効果的に昇温させることができるとともに、排気流通部の下流側を流通する排気の温度を適切な温度に維持することができる。

前記基準温度としては、例えば、６００Ｋ以上が挙げられる（請求項３）。

また、前記構成において、前記水供給通路のうち前記第２昇温装置よりも下流側の部分に設けられて、当該部分を通過する水を圧送するポンプを備えるのが好ましい（請求項４）。

このようにすれば、ポンプにより加圧することで水供給通路内の水をより確実に超臨界水または亜臨界水にすることができる。しかも、第２昇温装置よりも下流側であって気筒により近い位置にポンプが設けられているため、高圧の超臨界水または亜臨界水を気筒に送り込むための高圧用の配管の長さを短くすることができる。

また、前記構成において、前記排気流通部に設けられて当該排気流通部内の排気に含まれる水を凝縮させる凝縮器を備え、前記水供給通路は前記凝縮器で生成された水を前記水噴射装置に供給し、前記凝縮器は、前記排気流通部において前記第２昇温装置よりも下流側に設けられているのが好ましい（請求項５）。

この構成では、気筒内に噴射される水に排気流通部内の水が利用されるため、噴射用の水を別途準備する必要がなく、利便性を高めることができる。さらに、この構成では、凝縮器が排気流通部において第２昇温装置よりも下流側に設けられており、凝縮器には、少なくとも第２昇温装置によって低温化された排気が流入する。そのため、凝縮器において効率よく水を凝縮させることができる。

また、前記構成において、前記水供給通路のうち前記第２昇温装置と前記凝縮器との間に設けられて、前記凝縮器で生成された水を貯留する凝縮水タンクと、前記水供給通路のうち前記凝縮水タンクと前記第２昇温装置との間に設けられて前記凝縮水タンク内の水を前記第２昇温装置に圧送する低圧ポンプを有するのが好ましい（請求項６）。

このようにすれば、凝縮水タンク内に水を貯留しておきこれを低圧ポンプによって適宜水噴射装置側へ送ることができ、適切な量の水をより確実に気筒内に噴射することができる。

また、前記構成において、前記浄化装置は、前記排気流通部のうち前記第２昇温装置の上流側にこれと隣接して配置されており、前記浄化装置は、蓄熱材で覆われているのが好ましい（請求項７）。

このようにすれば、第２昇温装置で冷却される前の排気を浄化装置に流入させることができ、浄化装置の温度を適切に高く維持することができるとともに、浄化装置での排気の浄化時等に生じる熱エネルギーを第２昇温装置に効果的に供給することができ第２昇温装置において水を効果的に昇温することができる。特に、浄化装置が蓄熱材で覆われているため、浄化装置の温度をより確実に適切な温度に維持できるとともに、第２昇温装置に流入する熱エネルギーを高くして水をより適切に昇温することができる。

以上説明したように、エンジンシステム全体としてのエネルギー効率を高めつつ浄化装置の浄化性能を高く維持することができる。

本発明の一実施形態にかかるエンジンシステムの構成を示した図である。エンジン本体の概略断面図である。超臨界水を説明するための水の状態図である。亜臨界水を説明するための水の状態図である。ヒートパイプの動作を説明するための概略断面図である。

図１は、本発明の一実施形態にかかるエンジンシステムの構成を示す図である。本実施形態のエンジンシステムは、４ストロークのエンジン本体１と、エンジン本体１に燃焼用の空気を導入するための吸気通路３０と、エンジン本体１で生成された排気を排出するための排気通路４０と、水循環装置６０とを備える。

エンジン本体１は、例えば、４つの気筒２を有する４気筒エンジンである。本実施形態では、エンジン本体１は、ガソリンを含む燃料の供給を受けて駆動される。本実施形態のエンジンシステムは車両に搭載され、エンジン本体１は車両の駆動源として利用される。

（１）エンジン本体
図２は、エンジン本体１の概略断面図である。

エンジン本体１は、気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上面に設けられたシリンダヘッド４と、気筒２に往復動（上下動）可能に嵌装されたピストン５とを有している。

ピストン５の上方には燃焼室６が形成されている。燃焼室６はいわゆるペントルーフ型であり、燃焼室６の天井面（シリンダヘッド４の下面）は吸気側および排気側の２つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。

ピストン５の冠面５ａには、その中心部を含む領域をシリンダヘッド４とは反対側（下方）に凹ませたキャビティ１０が形成されている。このキャビティ１０は、ピストン５が上死点まで上昇したときの燃焼室６の大部分を占める容積を有するように形成されている。

シリンダヘッド４には、吸気通路３０から供給される空気を気筒２（燃焼室６）内に導入するための吸気ポート１６と、気筒２内で生成された排気を排気通路４０に導出するための排気ポート１７とが形成されている。これら吸気ポート１６と排気ポート１７とは、気筒２毎にそれぞれ２つずつ形成されている。また、シリンダヘッド４には、各吸気ポート１６の気筒２側の開口をそれぞれ開閉する吸気弁１８と、各排気ポート１７の気筒２側の開口をそれぞれ開閉する排気弁１９とが設けられている。

ここで、請求項における排気流通部であって気筒２で生成された排気が流通する排気流通部は、この排気ポート１７と排気通路４０とを含む。

各排気ポート１７には、それぞれヒートパイプ（第１昇温装置）７０が取り付けられている。本実施形態では、１つの排気ポート１７にそれぞれ１つのヒートパイプ７０が取り付けられており、１つの気筒２に２つのヒートパイプ７０が配置されている。ヒートパイプ７０は、水循環装置６０の一部を構成する部品である。ヒートパイプ７０の詳細については後述する。

シリンダヘッド４には、気筒２内に燃料を噴射する燃料噴射装置２１が設けられている。燃料噴射装置２１は、その先端が気筒２の中心軸付近に位置してピストン５の冠面のほぼ中央を臨むように配置されている。

燃料噴射装置２１は、図外の燃料ポンプにより圧送された燃料を気筒２内に噴射する。本実施形態では、全運転領域において燃料と空気との混合気を予め混合させて、この混合気を圧縮上死点（ＴＤＣ）付近で自着火させる予混合圧縮自着火燃焼が実施されるよう構成されている。これに伴い、図２に示した例では、エンジン本体１に気筒２内のガスに点火するための点火プラグが設けられていないが、冷間始動時等において混合気の適正な燃焼のために点火が必要な場合等には、適宜エンジン本体１に点火プラグを設けてもよい。

燃料噴射装置２１からは、エンジン本体１の運転状態に応じたタイミングでこの運転状態に応じた量の燃料が気筒２内に噴射される。例えば、エンジン負荷が比較的低い領域では、圧縮上死点前に一括して燃料が噴射され、エンジン負荷が比較的高い領域では、圧縮上死点前において３段に分割されて燃料が気筒２内に噴射される。

シリンダヘッド４には、さらに、気筒２内に超臨界水または亜臨界水を噴射する水噴射装置２２が設けられている。図２に示すように、水噴射装置２２は、サイド噴射方式で水を燃焼室６内に噴射するようにシリンダヘッド４に取り付けられており、その先端が燃焼室６の内周面から燃焼室６内を臨むように配置されている。

また、水噴射装置２２は、排気ポート１７に隣接して配置されている。本実施形態では、排気ポート１７のすぐ下方に水噴射装置２２が配置されている。水噴射装置２２としては、例えば、従来のエンジンに用いられる、燃料を気筒２内に噴射するための装置を適用することができ、その詳細な構造の説明は省略する。なお、水噴射装置２２は、例えば、２０ＭＰａ程度で気筒２内に超臨界水を噴射する。

超臨界水または亜臨界水を気筒２内に噴射するのはエンジン性能を高めるためである。

具体的には、気筒２内に水を噴射すれば、この水を作動ガスとしてこの水に膨張仕事を行わせることができる。従って、水を気筒２内に噴射すれば、仕事量すなわちエンジン出力を同じとしながら気筒２内に供給する燃料の量を少なくすることができ、燃費性能を高めることができる。また、気筒２内に水を噴射すれば、燃焼に寄与しない物質を気筒２内により多く存在させることができるため、着火遅れ時間を長くすることができる。従って、より適切な予混合圧縮自着火燃焼を実現して、熱効率や排気性能を良好にすることができる。超臨界水または亜臨界水の気筒２内への噴射は、例えば、エンジン本体１の中負荷から高負荷運転領域において実施される。また、排気温度が低い低負荷運転領域において、気筒２内にＥＧＲガスを供給し、負荷の上昇とともにＥＧＲガス量を減少させつつ超臨界水または亜臨界水の噴射量を増加するように制御しても良い。

水として超臨界水または亜臨界水を気筒２内に噴射するのは、エンジン本体１の熱効率および燃費性能をより確実に高くするためである。すなわち、通常の気体の水（水蒸気）よりも密度の高い超臨界水または亜臨界水を気筒内に噴射していることで、気体の水を噴射する場合に比べて多量の水を効率よく気筒内に導入することができる。そのため、気筒内に存在して仕事を行うガスの量ひいてはエンジン本体の出力を効率よく増大させることができる。また、潜熱を必要としないまたは潜熱が小さい超臨界水または亜臨界水を気筒２内に噴射していることで、通常の液体の水を噴射する場合に比べてこの潜熱に伴う気筒内の大幅な温度低下および熱効率の悪化を回避することができる。そのため、熱効率を高くすることができる。

図３を用いて具体的に説明する。図３は、横軸をエンタルピーとし、縦軸を圧力としたときの水の状態図を示したものである。この図３において、領域Ｚ２は液体の領域、領域Ｚ３は気体の領域、領域Ｚ４は液体と気体が共存する領域である。実線で示したラインＬＴ３５０、ＬＴ４００・・・ＬＴ１０００は、それぞれ同じ温度となる点をつないだ等温度線であって、それぞれ数字が温度（Ｋ）を示している。例えば、ＬＴ３５０は３５０Ｋの等温度線であり、ＬＴ１０００は１０００Ｋの等温度線である。そして、点Ｘ１が臨界点、領域Ｚ１が臨界点Ｘ１よりも温度および圧力が高い領域であり、超臨界水はこの領域Ｚ１に含まれる水である。具体的には、水の臨界点が、温度：６４７．３Ｋ，圧力：２２．１２ＭＰａの点であるのに対して、超臨界水は温度圧力がこれら以上すなわち温度が６４７．３Ｋ以上かつ圧力が２２．１２ＭＰａ以上の水である。

図３において、破線で示したラインＬＲ０．０１、ＬＲ０．１・・・、ＬＲ５００は、それぞれ同じ密度となる点をつないだ等密度線であって、それぞれ数字が密度（ｋｇ／ｍ^３）を示している。例えば、ＬＲ０．０１は密度が０．０１ｋｇ／ｍ^３の等密度線であり、ＬＲ１０００は密度が５００ｋｇ／ｍ^３の等密度線である。

この等密度線ＬＲと領域Ｚ１，Ｚ３との比較から明らかなように、領域Ｚ１に含まれる水すなわち超臨界水の密度は５０ｋｇ／ｍ^３から５００ｋｇ／ｍ^３程度と液体の水に近い値であって気体の密度よりも非常に高い値となっている。

従って、この密度の高い超臨界水を気筒２内に噴射すれば、気体の水を噴射する場合に比べて多量の水を効率よく気筒内に導入することができる。

なお、エンジンシステムにて生成して気筒２内に噴射する超臨界水としては、密度が２５０ｋｇ／ｍ^３以上の超臨界水を用いるのが好ましい。

また、図３において矢印Ｙ１で示すように、通常の液体の水は気体に変化するために大きなエンタルピーを必要とする。すなわち、通常の液体の水は気体に変化するのに比較的大きな潜熱を必要とする。これに対して、矢印Ｙ２で示すように、超臨界水では、通常の気体の水に変化するのにほとんどエンタルピーすなわち潜熱を必要としない。

従って、潜熱を必要としない超臨界水を気筒２内に噴射すれば、通常の液体の水を噴射する場合に比べてこの潜熱に伴う気筒内の大幅な温度低下および熱効率の悪化を回避することができる。

ここで、図３から明らかなように、領域Ｚ１に近い領域に含まれる水は、密度も高く気体に変化するための潜熱も小さく、超臨界水に近い性状を有する。従って、本実施形態では、前記のように超臨界水を気筒２内に噴射するが、超臨界水に代えて領域Ｚ１に近い領域に含まれる水である亜臨界水を生成および気筒２内に噴射してもよい。例えば、図４に示す領域Ｚ１０であって、温度が６００Ｋ以上、密度が２５０ｋｇ／ｍ^３以上の領域Ｚ１０に含まれる亜臨界水を生成および噴射してもよい。

（２）吸気通路
吸気通路３０には、上流側から順に、エアクリーナ３１と、スロットルバルブ３２とが設けられており、エアクリーナ３１およびスロットルバルブ３２を通過した後の空気がエンジン本体１に導入される。

スロットルバルブ３２は、吸気通路３０を開閉するものである。ただし、本実施形態では、エンジンの運転中、スロットルバルブ３２は基本的に全開もしくはこれに近い開度に維持されており、エンジンの停止時等の限られた運転条件のときにのみ閉弁されて吸気通路３０を遮断する。

（３）排気通路
排気通路４０には、上流側から順に、排気を浄化するための浄化装置４１、熱交換器４２（第２昇温装置）、コンデンサー（凝縮器）４３、排気シャッターバルブ４４が設けられている。熱交換器４２およびコンデンサー４３は、水循環装置６０の一部を構成するものである。浄化装置４１は、例えば、三元触媒４１からなる。

本実施形態では、図１等に示すように、浄化装置４１と熱交換器４２とは、これらを保温するための蓄熱用ケース４９の内側に収容されている。蓄熱用ケース４９は、二重管構造を有しており、その外周壁の内側には、空間４９ａが形成されている。この空間４９ａには蓄熱材が充填されており、この蓄熱材により、浄化装置４１および熱交換器４２は保温される。すなわち、蓄熱用ケース４９の内側に位置する浄化装置４１等に高温の排気が流入すると、この排気により空間４１ｃ内の蓄熱材は暖められ、この蓄熱材によって浄化装置４１および熱交換器４２は保温される。蓄熱材としては、例えば、エルスルトール等のように加熱されることで溶融してこれにより熱エネルギーを蓄熱する潜熱蓄熱材や、塩化カルシウム等のように加熱されることで化学反応してこれにより熱エネルギーを蓄熱する化学蓄熱材等が挙げられる。

排気シャッターバルブ４４は、ＥＧＲガスの吸気通路３０への還流を促進するためのものである。

すなわち、本実施形態のエンジンシステムでは、吸気通路３０のうちスロットルバルブ３２よりも下流側の部分と、排気通路４０のうち触媒装置４１よりも上流側の部分とを連通するＥＧＲ通路５１が設けられており、排気の一部がＥＧＲガスとして吸気通路３０に還流される。排気シャッターバルブ４４は、排気通路４０を開閉可能なバルブであり、ＥＧＲを実施する場合であって排気通路４０の圧力が低い場合に閉弁側に操作されることでＥＧＲ通路５１の上流側の部分の圧力を高めてＥＧＲガスの還流を促進する。

ＥＧＲ通路５１には、これを開閉するＥＧＲバルブ５２が設けられており、ＥＧＲバルブ５２の開弁量によって吸気通路３０に還流されるＥＧＲガスの量が調整される。また、本実施形態では、ＥＧＲ通路５１に、これを通過するＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ５３が設けられており、ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ５３にて冷却された後吸気通路３０に還流される。

ＥＧＲバルブ５２は、例えば、エンジン負荷が比較的低い領域において開弁され、この領域においてＥＧＲガスが気筒２内に導入される。

（４）水循環装置
水循環装置６０は、排気の熱エネルギーを利用して超臨界水を生成するためのものである。

水循環装置６０は、ヒートパイプ７０、熱交換器４２およびコンデンサー４３に加えて、水噴射装置２２とコンデンサー４３とを接続する水供給通路６１と、水タンク（凝縮水タンク）６２と、低圧ポンプ６３と、高圧ポンプ（ポンプ）６４とを備えている。

コンデンサー４３は、排気通路４０を通過する排気中の水（水蒸気）を凝縮するためのものであり、コンデンサー４３で凝縮した水が水噴射装置２２に供給される。このように、本実施形態では、排気中の水が気筒２内に噴射される水として利用される。水タンク６２は、内側に凝縮水を貯留するものである。コンデンサー４３で生成された凝縮水は、水供給通路６１を介して水タンク６２に導入され水タンク６２内で貯留される。

低圧ポンプ６３は、水タンク６２内の凝縮水を熱交換器４２に送り込むためのポンプであり、水供給通路６１のうち水タンク６２と熱交換器４２との間に配置されている。水タンク６２内の凝縮水は、低圧ポンプ６３によって熱交換器４２に送り込まれる。

熱交換器４２は、低圧ポンプ６３から圧送された凝縮水と、排気通路４０を通過する排気との間で熱交換を行わせるためのものである。熱交換器４２は、排気通路４０のうち浄化装置４１の下流側の部分に、浄化装置４１に隣接して配置されている。

本実施形態では、水供給通路６１の一部６１ａが排気通路４０の内側に挿通されて、これらが接触することで熱交換器４２が形成されている。以下では、適宜、水供給通路６１のうち排気通路４０に挿入されている部分を熱交換通路６１ａという。

熱交換通路６１ａは、排気通路４０のうち浄化装置４１のすぐ下流側の部分の内側に挿通されている。詳細には、熱交換通路６１ａは、蓄熱用ケース４９の内側に位置する排気通路４０に挿通されている。そして、前記のように、本実施形態では、蓄熱用ケース４９により浄化装置４１に加えて熱交換器４２および熱交換通路６１ａも保温されている。

熱交換通路６１ａ内の凝縮水は、排気通路４０のうち熱交換通路６１ａが挿通された部分を通過する排気により昇温される。具体的には、この排気通路４０のうち熱交換通路６１ａが挿通された部分を通過する排気の温度が熱交換通路６１ａ内の凝縮水の温度よりも高いと、排気から凝縮水に熱エネルギーが付与されて、凝縮水が昇温される。ただし、エンジン本体１から排出される排気の温度は常に少なくとも１００度以上あり、液体の水である凝縮水の温度よりも排気の温度の方が常に高い。従って、熱交換通路６１ａ内の凝縮水は、常に排気により昇温される。

本実施形態では、前記のように浄化装置４１のすぐ下流側に熱交換通路６１ａが配置されていることで、熱交換通路６１ａ内の凝縮水には、浄化装置４１での反応熱も付与されるため、凝縮水は効果的に昇温される。また、熱交換通路６１ａおよび熱交換通路６１ａが蓄熱用ケース４９により保温されていることによっても凝縮水は効果的に昇温される。

高圧ポンプ６４は、熱交換器４２から水噴射装置２２に向けて凝縮水を圧送するためのポンプである。高圧ポンプ６４は、水供給通路６１のうち熱交換器４２すなわち熱交換通路６１ａとヒートパイプ７０との間に配置されている。この高圧ポンプ６４は、熱交換器４２で昇温された凝縮水を加圧して超臨界水としながら水噴射装置２２に送り込む。

ここで、水供給通路６１のうち高圧ポンプ６４よりも下流側の部分は、高圧ポンプ６４で加圧された後の高圧の超臨界水が流通する。そのため、この部分には、高圧用の配管が用いられる。

このように、本実施形態では、基本的には、熱交換器４２と高圧ポンプ６４とによって凝縮水が昇温昇圧されて超臨界水が生成され、水噴射装置２２に供給される。

ただし、気筒２から排出された排気の温度が比較的高い場合には、ヒートパイプ７０を介してこの高温の排気によって水供給通路６１内の水が昇温されるようになっている。

すなわち、ヒートパイプ７０は、高圧ポンプ６４から圧送された水と、排気通路４０を通過する排気との間で熱交換を行わせるためのものであるが、ヒートパイプ７０は、排気の温度が基準温度以上のときにのみ凝縮水を昇温させる。

本実施形態では、ヒートパイプ７０は、所定の方向に延びる略円柱状の外形を有する。図５は、ヒートパイプ７０の動作を説明するための概略断面図である。この図５および図２に示すように、ヒートパイプ７０は、その長手方向の一方側の端部７１が排気ポート１７の内側に挿入されて排気と接触するように配置され、他方の端部７２が水供給通路６１の内側に挿入されて水供給通路６１内の水と接触するように配置されている。

図１および図２に示すように、また前記のように、本実施形態では、各排気ポート１７にそれぞれヒートパイプ７０が挿通されている。具体的には、水供給通路６１には、その下流側端付近において、気筒２の配列方向に延びる蓄圧部６５が設けられているとともに、この蓄圧部６５から各水噴射装置２２に向けてそれぞれ独立通路６１ｂが延びている。そして、各排気ポート１７にそれぞれ１本ずつヒートパイプ７０が設けられており、ヒートパイプ７０の各端部７１，７２がそれぞれ各排気ポート１７と蓄圧部６５とに挿通されている。

本実施形態では、図２に示すように、蓄圧部６５はシリンダヘッド４に近接して配置されており、ヒートパイプ７０はシリンダヘッド４に内蔵されている。具体的には、蓄圧部６５は、排気ポート１７よりも上方に位置し、ヒートパイプ７０は、排気ポート１７の内側空間から上方に延びて蓄圧部６５に挿入されている。本実施形態では、ヒートパイプ７０の排気ポート１７側の端部７１に、金属製の板状部材が上下方向に重ね合わされることで構成されたスタックフィン７３が設けられており、この端部７１に排気ポート１７内の排気の熱がより多く伝えられるようになっている。

図５に示すように、ヒートパイプ７０は、熱伝導性の高い材料（例えば金属）で形成されたパイプ部材であり、その内側には、真空にされた状態で作動媒体（媒体）Ｓが液体状態で封入されている。ヒートパイプ７０の内壁には、多孔質部材７０ａ（例えば金属製の網）が設けられており、いわゆるウィックとよばれる毛細管構造が形成されている。

このヒートパイプ７０では、排気ポート１７に挿入された一方の端部（以下、適宜、受熱側端部という）７１が排気により温められ、その温度が所定の温度以上になると、作動媒体Ｓが蒸発し、図５の矢印Ｙ１０に示すように、水供給通路６１に挿入された他方の端部（以下、適宜、放熱側端部という）７２に向かって拡散していく。このとき、排気ポート１７内の排気の温度は、その熱エネルギーをヒートパイプ７０すなわち作動媒体Ｓに付与することで低下する。そして、前記作動媒体Ｓの蒸気は、放熱側端部７２において水供給通路６１に放熱して凝縮し、再び液体に戻る。このとき、水供給通路６１内の水は作動媒体Ｓから熱エネルギーを受けて昇温される。再び液体に戻った作動媒体Ｓは、前記多孔質部材７０ａにおける毛細管現象により、図５の矢印Ｙ２０に示すように、受熱側端部７１に戻り、再度排気から熱エネルギーを奪うことで再び蒸気となり、この熱エネルギーを水供給通路６１内の水に付与する。

このように、本実施形態では、ヒートパイプ７０によって、排気の温度が所定温度以上の高温になり作動媒体Ｓの温度が沸点以上になると、排気ポート１７内の排気の熱エネルギーが水供給通路６１に付与されて水供給通路６１内の水が昇温される。

本実施形態では、この熱の移動が生じる排気の温度（基準温度）が６５０Ｋ程度に設定されており、これに対応する作動媒体Ｓがヒートパイプ７０に封入されている。例えば、作動媒体Ｓとしてセシウムが用いられる。

（５）作用等
以上のように、本実施形態に係るエンジンシステムでは、熱交換器４２とヒートパイプ７０とによって排気のエネルギーを利用して水供給通路６１内の水を昇温し、超臨界水を生成して、これを気筒２内に噴射している。そのため、水を介して排気のエネルギーをエンジン本体１の出力に変換することができ、エンジンシステム全体のエネルギー効率を高めることができる。

特に、このエンジンシステムでは、熱交換器４２によって水供給通路６１内の水が排気によってほぼ常時昇温されるようになっているため、排気のエネルギーを安定して水に付与することができ、エネルギー効率をより確実に高めることができる。また、熱交換器４２が、浄化装置４１のすぐ下流側に配置されているため、浄化装置４１での反応熱を水供給通路６１内の水に効果的に付与することができる。さらに、熱交換器４２および浄化装置４１が蓄熱用ケース４９に収容された蓄熱材により保温されている。そのため、これによっても、水を効果的に昇温することができるとともに、浄化装置４１の温度変動を抑制することができる。

また、このエンジンシステムでは、排気の温度が基準温度以上の場合にのみ排気と水との間で熱交換を行わせるヒートパイプ７０が、浄化装置４１および熱交換器４２よりも気筒２に近い排気ポート１７であって排気の温度がより高温の部分に配置されている。そのため、気筒２から基準温度以上の高温の排気が排出されたときには、ヒートパイプ７０によって、この排気の高い熱エネルギーを利用して水供給通路６１内の水を効果的に昇温させることができる。しかも、このように気筒２から比較的高温の排気が排出されたときには、排気の熱エネルギーを水供給通路６１内の水に付与することで排気ポート１７において排気の温度を低下させることができるため、浄化装置４１に高温の排気が流入するのを抑制することができる。一方で、気筒２から排出された排気の温度が比較的低いときには、ヒートパイプ７０での熱交換は停止されて排気の降温は停止される。そのため、浄化装置４１に流入する排気の温度が、過剰に低温になることも抑制することができる。従って、このエンジンシステムでは、排気のエネルギーを効果的に利用して水供給通路６１内の水を昇温させつつ、浄化装置４１の温度を適切な範囲に維持することができる。

特に、このエンジンシステムでは、ヒートパイプ７０による熱交換が開始される排気の温度が６５０Ｋ程度に設定されている。そのため、浄化装置４１の温度低下を適切に抑制しつつ、水供給通路６１内の水をより確実に超臨界水にすることができる。

また、このエンジンシステムでは、水供給通路６１内の水を加圧する高圧ポンプ６４が設けられている。そのため、熱交換器４２と高圧ポンプ６４とによって超臨界水を生成することができる。しかも、高圧ポンプ６４が熱交換器４２よりも下流側であって気筒２により近い位置に設けられている。そのため、高圧の超臨界水が流通する高圧用の配管の長さを短くすることができ、コスト面で有利となる。

また、このエンジンシステムでは、排気通路４０にコンデンサー４３が設けられて、排気中の水をコンデンサー４３で凝縮させて水噴射装置２２に供給している。すなわち、排気中の水が水噴射装置２２によって気筒２内に噴射される水として利用されている。そのため、噴射用の水を別途準備する必要がなく、利便性を高めることができる。

また、このエンジンシステムでは、コンデンサー４３が排気通路４０のうち熱交換器４２よりも下流側に設けられており、コンデンサー４３には、熱交換器４２において熱エネルギーが水に付与されて低温化した排気が流入する。そのため、コンデンサー４３において効率よく水を凝縮させることができる。

また、このエンジンシステムでは、コンデンサー４３で凝縮した凝縮水を水タンク６２内に水を貯留しておき、これを低圧ポンプ６３によって水噴射装置２２側に送っている。そのため、水タンク６２から適宜、水噴射装置２２側へ水を送ることができ、適切な量の水をより確実に気筒２内に噴射することができる。また、この際、熱交換器４２で昇温する水の飽和蒸気圧以上に圧力を高めることで、水中でキャビテーションが生じるのを抑制することができる。

（６）変形例
前記実施形態では、気筒２内に水として超臨界水が噴射される場合について説明したが、前述したように、亜臨界水であって超臨界水に近い性状を有する水を超臨界水の代わりに気筒２内に噴射してもよい。この場合であっても、密度が通常の水よりも高く潜熱が非常に小さいことから着火遅れ時間を長くすることができる。

また、ヒートパイプ７０の具体的構造は前記に限らない。

また、ヒートパイプ７０の作動媒体Ｓはセシウムに限らない。また、ヒートパイプ７０において排気と水との間で熱交換を開始させる温度は６５０Ｋに限らない。ただし、この温度を６００Ｋ以上、例えば６００Ｋ〜７００Ｋの範囲に設定すれば、超臨界水をより確実に生成することができるとともに、浄化装置４１をより適切な温度に維持することができる。

また、前記実施形態では、二重管構造を有する蓄熱用ケース４９を設け、この蓄熱用ケース４９の外周壁に蓄熱材を収容し、蓄熱用ケース４９の内側に浄化装置４１を配置した場合について説明したが、蓄熱材を直接浄化装置４１で覆うように構成してもよい。

１エンジン本体
２気筒
１７排気ポート（排気流通部）
２１燃料噴射装置
２２水噴射装置
４０排気通路（排気流通部）
４１浄化装置
４２熱交換器（第２昇温装置）
４３コンデンサー（凝縮器）
６１水供給通路
６３低圧ポンプ
６４高圧ポンプ（ポンプ）
７０ヒートパイプ（第１昇温装置）
Ｓ作動媒体（媒体）

Claims

気筒と、前記気筒で生成された排気が流通する排気流通部と、当該排気流通部に設けられて前記排気を浄化する浄化装置とを備えるエンジンシステムであって、
前記気筒内に超臨界水または亜臨界水を噴射する水噴射装置と、
前記水噴射装置に接続されて当該水噴射装置に水を供給する水供給通路と、
前記排気流通部内の排気のエネルギーによって前記水供給通路内の水をそれぞれ昇温させる第１昇温装置および第２昇温装置とを備え、
前記第１昇温装置は、前記排気流通部のうち当該第１昇温装置が配置された部分を流通する排気が基準温度以上の場合に前記水供給通路内の水を昇温させ、
前記第２昇温装置は、前記排気流通部のうち当該第２昇温装置が配置された部分を流通する排気が前記水供給通路のうち当該第２昇温装置が配置された部分を流通する水の温度よりも高い場合に当該水を昇温させ、
前記第１昇温装置は、前記排気流通部のうち前記浄化装置および前記第２昇温装置よりも前記気筒に近い位置に配置されていることを特徴とするエンジンシステム。
請求項１に記載のエンジンシステムにおいて、
前記第１昇温装置は、沸点が前記基準温度付近の温度である媒体が内側に収容されたヒートパイプであり、当該媒体を介して前記排気流通部内の排気のエネルギーにより前記水供給通路の水を昇温させることを特徴とするエンジンシステム。
請求項１または２に記載のエンジンシステムにおいて、
前記基準温度は、６００Ｋ以上の温度であることを特徴とするエンジンシステム。
請求項１〜３のいずれかに記載のエンジンシステムにおいて、
前記水供給通路のうち前記第２昇温装置よりも下流側の部分に設けられて、当該部分を通過する水を圧送するポンプを備えることを特徴とするエンジンシステム。
請求項１〜４のいずれかに記載のエンジンシステムにおいて、
前記排気流通部に設けられて当該排気流通部内の排気に含まれる水を凝縮させる凝縮器を備え、
前記水供給通路は前記凝縮器で生成された水を前記水噴射装置に供給し、
前記凝縮器は、前記排気流通部において前記第２昇温装置よりも下流側に設けられていることを特徴とするエンジンシステム。
請求項５に記載のエンジンシステムにおいて、
前記水供給通路のうち前記第２昇温装置と前記凝縮器との間に設けられて、前記凝縮器で生成された水を貯留する凝縮水タンクと、
前記水供給通路のうち前記凝縮水タンクと前記第２昇温装置との間に設けられて前記凝縮水タンク内の水を前記第２昇温装置に圧送する低圧ポンプを有することを特徴とするエンジンシステム。
請求項１〜６のいずれかに記載のエンジンシステムにおいて、
前記浄化装置は、前記排気流通部のうち前記第２昇温装置の上流側にこれと隣接して配置されており、
前記浄化装置は、蓄熱材で覆われていることを特徴とするエンジンシステム。