JP6670002B2

JP6670002B2 - 内燃機関

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Publication number: JP6670002B2
Application number: JP2016547244A
Authority: JP
Inventors: シェール，エラン; ローセン，イーアン
Original assignee: ハイドロ−ジェクト，エルエルシー
Priority date: 2013-09-20
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2020-03-18
Anticipated expiration: 2034-09-22
Also published as: EP3049653C0; EP3049653A2; CN106068370B; WO2015040427A2; KR102185298B1; JP2016538478A; WO2015040427A3; KR20160089350A; EP3049654A1; US10508617B2; CA2924974A1; US10113513B2; US20160230653A1; GB201316775D0; RU2016115383A; EP3049653B1; US20190063374A1; GB201320857D0; RU2727978C2; RU2016115383A3

Description

本発明は内燃機関に関し、特に、ただし限定的にではなく、自動車に動力を供給するための内燃機関に関する。

往復ピストン式火花点火機関は、自動車に動力を供給するために用いられる既知の内燃機関の一形式である。往復ピストン式火花点火機関は複数のピストンを有する。ピストンは各シリンダ内で往復し、それぞれがクランクシャフトに接続するように構成される。各シリンダは、空気および燃料の流入を制御するための入口弁機構、燃焼生成物の排出を制御するための排気弁機構、混合気に点火するための点火プラグを備える。機関への燃料の提供はキャブレタによって制御され、空気および燃料はシリンダの上流の吸気マニホルドで混合される。入口弁機構は混合気のシリンダへの吸入を制御する吸気弁を備える。シリンダへの燃料供給が燃料噴射によって行われる場合、入口弁機構は２つの弁を備える。弁のうち１つは燃料噴射装置であり、もう１つは吸気弁である。燃料噴射装置は燃料を直接シリンダに噴射するように配置されてもよく、または吸気弁のすぐ上流の吸気管に燃料を噴射してもよい。

一般に、往復火花点火機関は４行程サイクルを運転する。シリンダを上下させるピストンの各運動は４行程サイクルの１つの行程を構成する。４行程サイクルは以下からなる。
入口弁機構が開口し、ピストンがクランクシャフトに向かって移動する間に空気および燃料が機関に取り込まれる吸気行程、
入口および排気弁機構が閉鎖し、ピストンがクランクシャフトから離れるように移動する間に混合気が圧縮される圧縮行程、
圧縮された混合気が点火され、混合気の燃焼の結果生じる急速な膨張によって、ピストンがクランクシャフトに向かって戻る燃焼行程または動作行程、および
排気弁機構が開口し、ピストンがクランクシャフトから再び離れて移動する間に排気ガスがシリンダから排出される排気行程。

往復ピストン式火花点火機関の中には、４行程サイクルの変形である２行程サイクルを運転するものもある。このような機関は通常、４行程機関よりも排気量が小さく、乗用車においては二輪車で用いられることが多い。２行程機関は弁の代わりに、シリンダの側面に沿って配置されるポートを用いる。ピストンがシリンダ内を上下に移動する間に、ポートはシリンダ内のピストンの位置に応じて覆われることもあれば、覆われないこともある。基本的に、２行程機関では、吸気および圧縮プロセスは第１の行程で起こり、燃焼および排気プロセスは第２の行程で起こる。

往復ピストン式圧縮点火内燃機関は、自動車に動力を供給するために一般に用いられる、別の形状の機関である。往復ピストン式圧縮点火機関は、火花点火機関で用いる燃料よりも高い自動点火温度を有する燃料を用い、前述の４行程サイクルの修正版を運転する。具体的には、吸気行程中に空気をシリンダに引き込み、圧縮行程中に空気を圧縮して高圧および高温にする。次に燃料を直接シリンダ（またはシリンダにつながる混合室）に噴射し、燃料が圧縮された高温の空気とシリンダ内で混合するにつれて燃焼が発生する。歴史的に、往復ピストン式圧縮点火機関は騒音が大きく遅いと考えられていたため、自動車業界では、トラックおよびバスなどのその他の商用車に主に用いられていた。ただし、最近では、高性能往復ピストン式圧縮点火機関が開発されたため、現在では往復ピストン式圧縮点火機関は一般にサロンカー（セダン）などの小型の乗用車で用いられている。

ヴァンケル機関は火花点火機関の別の形状であり、自動車に動力を供給するために用いられてきた。ヴァンケル機関は、往復ピストン式火花点火内燃機関が用いる４行程サイクルに類似する４「行程」サイクルを用いている。ただし、往復ピストンの代わりに、ヴァンケル機関は、ほぼ楕円形（外転トロイド形状）の燃焼室で回転するために、偏心シャフト上に取り付けたおおまかに三角形のロータを有する。「４行程」はロータと燃焼室壁との間の空間で行われる。

これらの既知の内燃機関に共通する特徴は混合気が燃焼室に注入され、混合気は燃焼室内で燃焼し、燃焼によって発生する混合気の急速な膨張が直接本体（ピストンまたはロータ）に作用することである。本体（ピストンまたはロータ）はシャフトを回転させるための出力シャフトに接続し；機関の出力はシャフトの回転である。

往復ピストンとして液体が作用する機関も提案されている。

本発明は請求項１で特定する内燃機関を運転する方法を提供する。

本発明はまた、請求項１３で特定する内燃機関を含む。

本発明はまた、請求項１４で特定する内燃機関を含む。

以下の開示において、以下の図面を参照する。

図１は内燃機関の概略図である。図２は図１の内燃機関の弁機構の実施例の概略図である。図３は図１の内燃機関の弁機構の別の実施例の概略図である。図４は内燃機関のコントローラの実施例の概略図である。図５は図１の内燃機関のサイクルを例示する圧力と容積の線図である。図６は図４のサイクルを例示する温度とエントロピの線図である。図７は図１の内燃機関の一部を修正した概略図である。図８は別の内燃機関の概略図である。図９は図８の内燃機関の噴射弁の概略図である。図１０は図１から図４、図７および図８の内燃機関の燃焼開始装置の概略図である。

図１を参照すると、内燃機関１０は、ハウジングまたはシリンダによって画成される容量可変式燃焼室１２を備える。燃焼室１２は、壁１４、１６と燃焼室内で移動可能な本体とを備える。例示する実施例では、本体は往復ピストン１８であり、接続ロッド２２によってクランクシャフト２０に接続される。

内燃機関１０は、添加剤を含む吸気を燃焼室１２へ導入するように操作可能な第１の弁機構２４を備える。例示する実施例では、吸気は、第１の弁機構２４と接続する空気供給システム２６から受容する空気である。空気供給システム２６は、外気を受容し、空気を第１の弁機構２４に導くように構成されるマニホルドを備えていてもよい。第１の弁機構２４は、空気供給システム２６に接続する１または複数の弁を備えていてもよい。空気供給システム２６は、空気を清浄する適切なフィルタを備えていてもよい。

内燃機関１０は、第２の弁機構３０を備える。第２の弁機構３０は蒸気供給システム３２および内燃機関用の燃料を含有する貯蔵装置３４に接続する。第２の弁機構３０は蒸気供給システム３２からの蒸気および貯蔵装置３４からの燃料を混合気として燃焼室１２に導入するように操作可能である。図２に示すように、第２の弁機構３０は、燃焼室１２に開口する１または複数の第１の弁３６、および蒸気供給システム３２と第１の弁３６との間に配置される１以上の第２の弁３８を備え、それによって、第１の弁を蒸気供給システムから隔離し、燃料のみを燃焼室に導入するようにする。図３に示す別の実施例では、第２の弁機構３０は、１または複数の第１の弁３６および１または複数の第２の弁３８を備える。１または複数の第１の弁３６は燃焼室１２に開口し、混合気を燃焼室に導入するために蒸気供給システム３２および貯蔵装置３４に接続する。１または複数の第２の弁３８は燃焼室１２に開口し、独立して貯蔵装置３４に接続し、蒸気供給システムから隔離され、燃料を第１の弁から独立して燃焼室に導入することができる。

内燃機関１０は排気システム４０および排気弁機構４２を備える。排気弁機構４２は、排気ガスを燃焼室１２から排気システムに排出するように操作可能な少なくとも１つの排気弁を備える。例示する実施例では、排気システム４０は蒸気供給システム３２と協働可能であり、排気システムに流入する排気ガスから熱を除去し、蒸気を生成するために用いられる熱の少なくとも一部を提供する。これは、たとえば、排気ガスが流れる配管を、蒸気が生成される管または導管の周りに巻いて配置することによって、または、１以上の蒸気管を含有する導管を通じて排気ガスを流すことによって実現されてもよい。

内燃機関１０はコントローラ４８を備える。コントローラ４８は、第１の弁機構２４、第２の弁機構３０および排気弁機構４２の操作を制御する。例示する実施例では、第１の弁機構２４、第２の弁機構３０および排気弁機構４２は、コントローラ４８が発信する電気コマンド信号に応じて開口および閉口する電気起動弁、たとえばソレノイド弁を備える。別の実施例では、第１の弁機構２４、第２の弁機構３０および排気弁機構４２の少なくとも１つは、コントローラ４８が水圧または空気圧起動液体の電源に対して発信する電気コマンド信号に応答して、水圧または空気圧で起動される１以上の弁を含んでいてもよい。

内燃機関１０は、コントローラ４８に接続する１以上のセンサ５０をさらに備える。センサ５０は燃焼室１２の圧力／温度を示す信号をコントローラに提供する。センサ５０は圧力センサまたは温度センサであってもよい。センサ５０は、内燃機関１０の使用時に体験するように、比較的高温でも操作可能である任意の適切な種類のセンサであってもよい。内燃機関１０の運転を制御するために、少なくともその運転の一部の段階中に、温度センサは燃焼室１２内で起こる温度変化に高感度に反応する必要がある。温度センサは、半透明な窓（不図示）から燃焼室の温度を感じる赤外線温度センサであってもよい。代替的に、たとえば、米国特許第５６５９１３３号で開示する高温埋め込み型光ダイオード（その内容は本明細書に援用される）も使用しえる。

内燃機関１０は燃焼室１２の燃焼事象の開始を補助するために燃焼開始装置５２を備えていてもよい。燃焼開始装置５２はグロープラグ、熱線、点火プラグなどの電気燃焼開始装置であってもよい。

触媒５４は任意の従来の方法によって、燃焼室１２に取り付けられる。触媒５４は、たとえば、取付具に取り付けられてもよい。取付具は、燃焼室１２の容積には影響しないように、壁１４に設けられる適切な凹みを備える。触媒５４は代替的、または追加的に、ピストン１８のクラウンに取り付けられてもよい。好ましくは図１に示すように適切な凹みを備える取付具の中に取り付けられてもよい。触媒５４をピストンに取り付けることは、現在好ましくない。なぜなら、それによってピストンの慣性が増加するからである。別の実施例では、触媒は代わりに、または追加的に、第１の弁３６に取り付けられてもよい。噴射弁に取り付ける触媒の実施例を図８および図９を参照して以下に記載する。別の実施例では、触媒は代わりに、または追加的に、燃焼開始装置５２に設けられてもよい。燃焼開始装置に取り付ける触媒の実施例を図１０を参照して以下に記載する。

図１において、コントローラ４８と弁機構２４、３０、４２、およびセンサ５０との接続は図示しない。これは単に例示を明確にするためであり、当業者は容易に接続するための適切な方法および手段を考案するであろう。

図１において、内燃機関１０は１つの燃焼室１２のみを備えるように図示される。この構成が適切である適用もあるが、一般には、内燃機関１０は複数の燃焼室１２を備える。各燃焼室１２は、クランクシャフト２０に接続するピストン１８を有する。複数の燃焼室、またはシリンダ、機関では、燃焼室は一列、平面またはＶ字型など任意の適切な既知の構成で配置されてもよい。

図４を参照すると、内燃機関１０の適切なコントローラ４８は１以上のプロセッサ１６００および信号処理部品１６０２を備えていてもよい。たとえば、プロセッサ１６００および信号処理部品１６０２は信号を増幅し、アナログ信号をデジタルおよびデジタル信号をアナログに転換することによって、コントローラはセンサ５４から信号を受信して用いることができ、使用可能な信号を弁機構２４、３０、４２およびコントローラによって制御されてもよい内燃機関１０のその他の部品に出力することができる。コントローラ４８は、追加的に、内燃機関の運転中に発生するデータを記憶するための１以上のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１６０４および１以上のセンサからの入力信号をサンプリングして、プロセッサに使用可能な入力を提供する際に用いる回路１６０６を備えてもよい。制御部７２８は追加的に、１以上のデータ記憶部品を固定記憶装置１６０６の形状で備えていてもよい。この固定記憶装置１６０６は、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）であってもよく、そこに１以上の制御ソフトウェア部分１６０８が恒久的に記憶される。もちろん、アプリケーションによっては、固定記憶装置が必要でないものもある。たとえば、コントローラはマスタコンピュータに接続してもよい。マスタコンピュータには制御アルゴリズムが記憶され、マスタコンピュータはコントローラの起動時に制御アルゴリズムをコントローラ内のＲＡＭにアルゴリズムをアップロードする。その他の代替手段はコントローラをマスタコントローラまたはコンピュータのスレーブにすることであろう。さらに別の代替手段は、コントローラが１以上の配線で接続された制御回路を備えることであろう。

内燃機関１０は修正ディーゼルサイクルで運転してもよい。修正ディーゼルサイクルを用いる内燃機関１０の運転をここで図５および図６を参照して記載する。

図５および図６を参照すると、点１は内燃機関１０の運転サイクルの開始を示す。点１では、ピストン１８は往復行程の一端（図１に示す最下点）にある。これは、水平対向４気筒のように機関シリンダが水平に配置される場合であっても、一般に下死点（ＢＤＣ）位置と呼ばれる。この段階では、以前のサイクルからの排気ガスは実質的に燃焼室１２から除去されており、周囲圧力および温度での新たな重点が、排気弁機構４２および第１の弁機構２４それぞれの操作により行われる。第１の弁機構２４および排気弁機構４０は閉鎖する。吸気の圧力はは第１の圧力Ｐ_１および温度は第１の温度Ｔ_１である。ピストン１８は次に、ＢＤＣから壁１４に向かって移動する。ピストンが壁１４に向かって移動するにつれて、燃焼室１２の容積が減少することによって、吸気を圧縮する。吸気の圧縮によって、圧力および温度がＰ_１、Ｔ_１から上昇する。内燃機関１０は次のように構成される。ピストン１８が一般に上死点（ＴＤＣ）位置と呼ばれる、壁１４に対して最も近い行程の反対側端部に到達するとき、燃焼室１２の容積は十分に減少し、吸気が所定の圧力Ｐ_２まで圧縮される。ＴＤＣ位置を位置２ｂとして表示する。

図５および図６に示すように、吸気の圧力が点１の圧力Ｐ_１から上昇すると、吸気の温度は対応して温度Ｔ_１から最初は上昇する。温度Ｔ_１は一般には約２９３°Ｋである。点２ａに示す所定の圧力／温度Ｐ_２ａ／Ｔ_２ａが実現されると、コントローラ４８は信号を発信し、それによって第２の弁機構３０は開口し、定量の燃料と蒸気の混合気が燃焼室１２に導入される。燃料と蒸気の混合気が触媒の存在下で高温の吸気に導入されると、水素が燃料または蒸気から分離される蒸気改質プロセスが促進される。水素は燃焼室１２においてサイクルの後段階で燃焼する。蒸気および燃料は蒸気改質プロセスによって、圧縮された吸気から熱を吸収して、吸気を冷却する。例示する実施例では、燃料と蒸気の混合気は定量の速度で導入され、吸気の圧縮が点２ａから点２ｂまで続く間、吸気を十分に冷却して実質的に一定の温度を維持する。それによって、図６に示すように、温度Ｔ_２ａおよびＴ_２ｂは少なくとも実質的に等しくなる。ポイント２ｂは、ピストンがＴＤＣに到達し、膨張行程の準備ができている点を示す。膨張行程ではピストンはＢＤＣまで戻る。点２ｂでは、コントローラ４０は信号を発信し、第２の弁機構３０に燃焼室１２への蒸気の導入を停止させ、燃焼プロセスのために燃焼室に定量の燃料を導入させる。

点２ｂでは、燃焼室１２の圧力Ｐ_２ｂおよび温度Ｔ_２ｂは水素および燃料が自然発火するような圧力と温度である。グロープラグ、熱線５２などが水素および燃料の燃焼を開始するために配置される場合は、コントローラ４８は、グロープラグ、熱線などを励起させる信号を電源（不図示）に発信するように構成される。この信号は、第２の弁機構３０に燃焼室１２への蒸気の導入を停止させ、定量の燃料を燃焼室１２へ導入させる信号と同時または少し遅れて発信される。燃焼室１２での燃料および水素の燃焼によって、ピストン１８はＴＤＣ位置からＢＤＣ位置に向かって駆動される。ピストンの運動はクランクシャフト２０に接続ロッド２２によってに伝達され、クランクシャフトを回転させ、仕事量Ｗが内燃機関１０から提供される。例示する実施例では、燃料は燃焼室１２に選択された定量の速度で導入され、それによって燃料および水素の燃焼が実質的に一定の圧力条件下で発生する。定量の燃料は図５および図６の点２ｂと点３の間に導入される。

点２ｂから所定の時間が経過したと判断されてもよい点３において、センサ５４によって所定の圧力／温度は検出されるときには、コントローラ４８は信号を発信し、第２の弁機構３０は燃焼室１２への燃料の導入を停止する。ピストン１８がＢＤＣ位置に移動する間に燃焼ガスは膨張を続ける。燃焼室の圧力および温度は段階的にＢＤＣ位置である点４まで下がる。点４はセンサ５４が検出する圧力／温度であるＰ_４／Ｔ_４で表されてもよく、コントローラ４８は信号を発信して、排気弁機構４２を開口させ、燃焼ガス（排気ガス）を排気システム４０に排出する。排気ガスが燃焼室１２から排出されると、燃焼室の圧力は急速に周囲圧力まで低下する。この段階で、第１の弁機構２４は開口され、新しい吸気が充填され、運転サイクルは点１に戻り、次のサイクルに備える。排気弁機構４２は、第１の弁機構２４の開口に続いて少なくとも最初は開口したままでもよく、それによって、流入する吸気によって燃焼室を掃気できる。

前述のサイクルでは圧縮行程中に発生した熱を回収して、蒸気改質によって生成された水素の形で追加の燃料を生成する。この追加の燃料によって、サイクル性能が上昇する。図５および図６の点２ｂと点３との間で燃焼する燃料全体の量は点２ａと点２ｂの間の圧縮行程中に噴射された燃料から、蒸気改質プロセスで消費した燃料を引き、蒸気改質プロセスによって生成される水素燃料と、点２ｂと点３との間で燃料室に導入される燃料とを足した量である。全体的に、反応を起こす水素は全体として吸熱性であるため、この組み合わせは点２ａと点３との間で導入される燃料よりも高い発熱量を有するはずである。供給された燃料と同じ量の燃料を標準的なディーゼルサイクルに供給する場合、燃料は図５および図６の点２と点３との間で燃料室に導入されよう。修正ディーゼルサイクル（点１から、２ａ、２ｂ、３、４、１まで）で表示された仕事量（図５に示すＰ−Ｖ線図の区域）は、同程度の標準ディーゼルサイクル（点１から、２、３、４、１まで）に同じ量の燃料を導入したときよりも大きく、したがって、修正ディーゼルサイクルの方が効率的に優れている。

図５および図６に示す修正ディーゼルサイクルが提示する効率改善を、以下各段階のワークおよび熱エネルギを考慮して検証することができる。
等エントロピ圧縮（点１から点２ａまで）：

等温圧縮（点２ａから点２ｂまで）：

等圧燃焼（点２ｂから点３まで）：

等エントロピ膨張（点３から点４まで）：

掃気（４−＞１）：

次に、消費した熱に対するネット仕事量として効率を評価する。

（_２ａＱ_２ｂはマイナスであることに注意）
同程度の標準ディーゼルサイクル（同一の最大圧力および容積）は次の効率を有しえる：

圧縮率１：２５、周囲ＳＴＰ条件、点２ａでの７００Ｋの（触媒）温度、燃料としてメタンを用いる化学量論的燃焼では、理論的なサイクル効率は６６％から７５％に改善される。メタンは単に、適切な燃料の一例として挙げられ、基本的には任意の適切な炭水化物をブタン、エタノール、メタノールおよびプロパン（順不同）と共に用いてもよいことが理解されよう。これらはすべて蒸気改質のための優良な燃料と考えられている。ディーゼルおよび石油（ガソリン）など従来の内燃機関燃料も用いてもよい。

燃料が圧縮行程中に燃焼室１２に導入される点２ａでの温度Ｔ_２ａは、最低温度として選択される。この最低温度は顕著な量の蒸気改質が起こるのに十分である。圧縮行程の熱がさらに吸収されるように、この温度Ｔ_２ａを最低とすることが望ましい。それによって、同一の最大圧力Ｐ_２ｂで高圧縮率を得ることができる。選択される温度Ｔ_２ａは実験的に得ることができ、理想的な量の蒸気改質を得ることと、さらに熱を吸収することの間の妥協を示すこともある。温度Ｔ_２ａを決める際に考慮すべきであるその他の要因は、温度と共に増加する触媒反応の速度であり、十分な量の蒸気改質が起こるためには、温度Ｔ_２ａがどの程度低くてもいいのか制限を設けてもよい。一般に、低速で動作する大型の機関は幅広い種類の触媒を許容し、またはさらに低い点２ａの温度を許容する。

図５および図６に例示するその他の修正ディーゼルサイクルの潜在的な有利点は内燃機関１０が生成する最大運転温度を上昇させずに高性能を得ることができることである。実際に、出力時に生成される汚染が減少する。さらに、水素燃焼が関与するため、一酸化炭素（ＣＯ）および炭水化物（ＨＣ）の排出レベルが従来のディーゼル機関と比較して大幅に低くなると期待される。

修正ディーゼルサイクルのさらに別の有利点は蒸気改質プロセスによる熱吸収であり、この結果、圧縮行程の終わりの燃焼室内の温度Ｔ_２ｂが同程度の従来のディーゼル機関の温度Ｔ_２よりも低くなることもある（図６の点２ｂと２の比較）。亜酸化窒素（ＮＯｘ）生成は温度に依存して急激に増加するため、修正ディーゼルサイクルを運転する内燃機関１０のＮＯｘ排出レベルは、少なくとも従来のディーゼルサイクルを稼働する機関と比較して非常に低くなるはずである。

図７は図１から図４の内燃機関の修正形態を示す。図７において、図１の部品と同じ部品、または類似している部品は、１００を加えた同じ符号で表示し、再度説明しないこともある。内燃機関１１０と内燃機関１０の違いは、内燃機関１１０が第２の貯蔵装置１７０を有することである。第１の貯蔵装置１３４を用いて、燃焼室１１２に導入される蒸気改質プロセス用の蒸気改質燃料を保持する。この導入は、蒸気改質プロセスで消費するため圧縮行程の点２ａと点２ｂとの間で（図５および図６）行われる。第２の貯蔵装置１７０は可燃燃料を保持する。可燃燃料は点２ｂと点３との間で（図５および図６）燃焼段階で燃焼室１１２に導入される。本実施例では、第２の弁機構１３０は、蒸気供給システム１３２および第１の貯蔵装置１３４に接続して、燃料蒸気混合気を燃焼室に導入する少なくとも１つの第１の弁１３６、および第２の貯蔵装置１７０に接続して、燃料を燃焼室に導入する少なくとも１つの第２の弁１３８を備える。第１の弁１３６は、噴射弁を備えていてもよい。噴射弁は、たとえば、図８および図９に関連して下記に記載される触媒を備える。内燃機関１１０は、燃焼開始装置を備えていてもよい。燃焼開始装置は、たとえば、図１０に関連して下記に記載されるグロープラグなどの蒸気改質プロセス用の触媒を有していてもよい。

図７が示す実施例で例示される構成によって、蒸気改質プロセス用の１つの燃料および燃焼プロセス用の異なる燃料を供給する可能性が生じ、それによって、たとえば効率性または利用可能性を理由として燃焼プロセス用に異なる燃料を用いることが望ましい場合、水素生産性が高まると期待される蒸気改質プロセス用の燃料を選択することができる。このように、たとえば、一部の実施例では、比較的安価なバイオ廃棄物燃料などの利用可能性が限定されている燃料を蒸気改質プロセス用の蒸気改質燃料として用いてもよく、容易に利用可能な燃料、たとえばディーゼルまたは石油（ガソリンも）を燃焼プロセス用の可燃燃料として用いてもよい。同様に、メタノールまたはメタンなどの「軽質」燃料は効率が高いこともあるため、蒸気改質プロセス用の蒸気改質燃料として用いてもよく、ディーゼルまたは石油などの容易に利用可能な重化石燃料を燃焼プロセス用の可燃燃料として用いてもよい。

図８および図９は別の内燃機関２１０の特徴を示す。内燃機関１０の部品と類似または同じ内燃機関２１０の部品は、２００を加えた同じ符号で表示され、再度記載されないこともある。

図８を参照すると、内燃機関２１０は、壁２１４、２１６によって画成される燃焼室２１２を備える。燃焼室２１２は往復ピストン２１８を収容する。往復ピストン２１８はクランクシャフト（不図示）に接続ロッド（こちらも不図示）によって接続する。内燃機関２１０はさらに、第１の弁機構２２４を備え、添加剤を含む吸気を燃焼室に導入する。第１の弁機構２２４は、空気供給システム２２６に接続してもよい。内燃機関２１０はさらに、少なくとも１つの噴射弁２３６を備える第２の弁機構２３０を備える。純粋に見やすさのために、以下の説明では噴射弁２３６は単数として言及する。これは、複数の噴射弁２３６の提供を制限するものと解釈されてはならない。

噴射弁２３６は燃料ポンプ２５４によって貯蔵装置に接続する。貯蔵装置２５２は可燃燃料を保有し、燃料ポンプ２５４は燃料を噴射弁に注入するように操作可能である。貯蔵装置２５２および燃料ポンプ２５４は、内燃機関２１０が備える標準的な貯蔵装置および燃料ポンプであってもよい。噴射弁２３６はまた、ポンプ２５８によって第２の貯蔵装置２５６に接続する。ポンプ２５８は液体または液体および蒸気改質燃料を含む混合気を噴射弁２３６に注入するように操作可能である。

図９を参照すると、噴射弁２３６は、壁２１４に画成される噴射ポート２７２に挿入されるように構成される弁本体２７０を備える。弁本体２７０は複数の出口穴２７４を備える第１の端部、または出口端部およびフランジ２７６を備える第２の端部を備える。キーパープレート２７８は壁２１４にねじ、ボルト２８０などによって固定されてもよい。第１の噴射弁２７６はキーパープレート２７８と係合されるように構成される。それによって、第１の噴射弁２７６は、キーパープレートが印加する押圧力によって壁２１４に固定される。適切なシール２８２はフランジ２７６と壁２１４との間に配置され、その間で圧縮され、シールされてもよい。

噴射弁２３６は入口ヘッド２８４を有する。入口ヘッド２８４はフランジ２７６の側部から延在し、その側部は弁本体２７０が延在する側部とは反対側である。入口ヘッド２８４はそれぞれ管２９０、２９２（図８）を接続するためのコネクタ部品２８６、２８８を有する。管２９０、２９２は噴射弁２３６とポンプ２５４、２５８を接続する。

噴射弁２３６は、修正ディーゼルサイクルなどの蒸気改質プロセスを組み込むサイクルを運転時に、燃焼室２１２で生じる蒸気改質プロセス用の触媒２５４を有する。この修正ディーゼルサイクルは図５および図６を参照して記載した修正ディーゼルサイクルと同じか、または類似している。触媒２５４は弁本体２７０の出口端部に固定されたスリーブ２９０の形式で提供されてもよい。スリーブ２９０は、弁本体２７０の出口端部から延在する完全に覆われた流路を画成するシリンダ部材であってもよい。代替的に、スリーブ２９０は、たとえば部分的にスリーブであってもよく、側部開口を備える。側部開口はたとえば、縦に延在するスリットであってもよい。少なくとも出口穴２７４の一部は出力された液体の噴射を触媒２５４に直接導くように構成されてもよい。

たとえば図９に例示するように触媒を保有する噴射弁を、新規に構築する機関に備えてもよい。これによって、図５および図６を参照して記載する修正ディーゼルサイクルなどの蒸気改質プロセスを組み込むサイクルを運転するように機関を構成する可能性が提示される。これには、燃焼室を触媒用の取付具を受容するように再構成する必要がなく、または特別に構成する必要もない。このような噴射弁を用いて、既存の内燃機関を適応して修正ディーゼルサイクルを運転する比較的簡単な手段を提供してもよい。触媒を有する１以上の噴射弁は、たとえば１以上の標準噴射弁の代わりに、既存の内燃機関を改良するためのキットとして提供されてもよい。キットは噴射弁をポンプに接続する適切な配管を備え、貯蔵装置２５６およびポンプ２５８などの貯蔵装置またはポンプを含んでいてもよい。

図８および図９の実施例では、触媒は噴射弁の上に提供される。噴射弁は液体、または蒸気改質燃料、または液体および蒸気改質燃料を含む混合気を燃焼サイクルの圧縮段階中に燃焼室に導入させるように操作される。これは必須ではない。触媒は噴射弁上に提供されてもよい。噴射弁はサイクルの燃焼段階中に添加剤または導入される燃料を受容するように操作可能である。各事例において、弁は、弁が保持する触媒が燃焼室で液体、蒸気改質燃料および熱に露出し、それによって蒸気改質プロセス用の触媒として機能することができるように構成されてもよい。

前述の実施例では、噴射弁はそれぞれ個別の管に対してコネクタ部品を有する。管によって、噴射弁は２つのポンプを介して貯蔵装置に接続する。別の実施例では、マニホルドなどが噴射弁の上流に提供され、貯蔵装置からポンプを介して供給を受けてもよい。それによって、噴射弁は単一のコネクタ部品を有することができる。コネクタ部品によって、噴射弁はマニホルドなどに単一の管によって接続される。

別の実施例では、図１から図４、図７、図８および図９で例示されるような内燃機関は、触媒を保有する燃焼開始装置を備えていてもよい。燃焼開始装置はグロープラグ、熱線または点火プラグなどの電気燃焼開始装置の形状であってもよい。図１０を参照すると、グロープラグ４５２の形状である電気燃焼開始装置は、ねじ状本体部分４９０を備えていてもよい。ねじ状本体部分４９０は、燃焼開始装置が燃焼室の壁に画成される適切にねじ状ポートにねじ込まれるように構成される。グロープラグ４５２はフランジ４９２を備えていてもよい。フランジ４９２はレンチソケットなどの締め具によって係合され、燃焼開始装置が確実にポートにねじ込まれるように構成される。グロープラグ４５２は電気入力端子４９４を備えていてもよい。電気入力端子４９４は、グロープラグが適切な電源（不図示）に電気的に接続できるように構成される。電源および電源と内燃機関内の電気燃焼開始装置との接続は当業者には周知であり、本明細書では記載しない。グロープラグ４５２はさらに、電気的に入力端子４９４に接続し、コイル４９８、５００を加熱して制御する中心電極４９６を備える。コイル４９８、５００の加熱および制御は絶縁粉５０２で覆われる。絶縁粉５０２はシースまたは管５０４に含有される。シースまたは管５０４は入力端子４９４が位置する端部と反対側である、グロープラグ４５２の端部に配置される。シース５０４は本体部分４９０の端部から同軸に延在する。シース５０４はエネルギ出力部材として機能し、使用時には燃焼室に配置され、それによって燃焼室の燃料、水素および空気の混合気に露出し、混合気に熱の形でエネルギを追加することができる。グロープラグ４５２は、少なくとも内燃機関２１０の起動時に、少なくとも燃焼の開始を補助してもよい。このとき、壁２１４、２１６は比較的冷たく、吸気の圧縮中に発生する顕著な量の熱を吸収してもよい。

グロープラグ４５２はさらに、蒸気改質プロセス用の触媒４５４を備える。蒸気改質プロセスは吸気の圧縮中に蒸気改質燃料および液体が燃焼室に導入されるとき、燃焼室で起こる。例示する実施例では、触媒４５４はグロープラグの本体部分４９０に固定された部材５０６である。部材５０６は本体部分４９０およびシース５０４と同軸に延在してもよく、グロープラグ４５２が設置されるときに、燃焼室２１２内で触媒が液体、熱および蒸気改質燃料に露出するように配置される。部材５０６はシース５０４の長さの一部を囲むスリーブであってもよい。代替的に、部材５０６は、たとえば、側部開口を備え、シース５０４が燃焼室２１２の液体から過剰に遠ざけられないことを確保するような部分的なスリーブであってもよい。別の実施例では、触媒はグロープラグ４５２に固定される複数の部材の形で提供されてもよく、またはグロープラグの一部に張り付けられてもよい。

噴射弁が触媒を備える実施例では、触媒を備える燃焼開始装置は比較的簡単な手段を提供し、既存の内燃機関が蒸気改質プロセスを運転サイクルに取り入れるように適応させる。もちろん、触媒を備える燃焼開始装置を、蒸気改質プロセスを運転サイクルに取り入れるように設計される新規に構築した機関に用いてもよい。

触媒を備える触媒を備える噴射弁と共に燃焼開始装置を用いてもよい。この触媒は同じ触媒または異なる触媒であってもよい。前述したように、貯蔵装置およびポンプと共にキットとして提供されてもよい。同様に、触媒を備える噴射弁または燃焼開始装置を燃焼室に取り付けた触媒と共に用いてもよく、各触媒は同じ触媒であっても、または異なる触媒であってもよい。

既存の内燃機関を改良するキットは、追加として制御回路または指示を備え、機関の機関コントローラの操作を修正して、機関に蒸気改質プロセスを取り入れた新サイクルを運転させるように構成されてもよい。制御回路はたとえば、コントローラにプラグ接続される追加の回路基板、代替回路基板または指示をロードしたプロセッサ装置などの形を取ってもよい。代替的に、その他の実施例では、キットは、ファームウェア更新またはソフトに対するソフトウェア更新によって、新しい指示をコントローラにロードすることができる、一時的に機関コントローラに接続するデータ記憶媒体を備えていてもよい。

一部の実施例では、燃焼室内の蒸気に露出する触媒素材の表面積を増加させる手段として、触媒の表面の不連続性を提供することが望ましいこともある。触媒は、たとえば表面の溝または隆起、またはその他の不連続性を備えていてもよい。その他の不連続性は、たとえば、別々の突起または凹部であり、円形、不規則またはその他の形状の断面を有していてもよい。

蒸気改質プロセス用の触媒を燃焼開始装置または噴射弁に配置することは、燃焼室壁に設けられる既存のポートに単に交換部品を取り付けるだけで、触媒を提供できる可能性があるという点で有利であってもよいことが理解されよう。このように既存の内燃機関を変換して、機関ブロックまたはシリンダヘッドを変化させずに、蒸気改質プロセスを運転サイクルに取り入れることができる。代替的に、燃焼室壁、噴射弁および燃焼開始装置上の１以上の凹部に触媒を設けることによって、触媒の表面積を最大化することが有利であってもよい。

例示する実施例では、蒸気および蒸気改質燃料は個別の弁によって燃焼室に導入され、燃焼室の噴射ゾーンで混合され、または共通の噴射装置から噴射され、それによって、一定量の混合が燃焼室の上流でおこなわれてもよい。一部の実施例では、混合室が第２の弁機構の上流に提供されてもよく、それによって、蒸気および蒸気改質燃料を第２の弁機構に混合気として供給することができる。

例示する実施例では、液体と蒸気改質燃料の組み合わせが圧縮行程中に燃焼室に導入され、蒸気改質プロセスを推進して水素を蒸気改質燃料または蒸気から分離し、燃焼室で燃焼させる。別の実施例では、液体は水霧の形状であってもよく、または水霧と水蒸気の組み合わせであってもよい。

例示する実施例では、蒸気改質プロセス用の蒸気改質燃料は、化合物、炭水化物または化石燃料を含有する非水の水素であってもよい。同じ燃料が蒸気改質燃料および可燃燃料として機能してもよい。代替的に、蒸気改質燃料および可燃燃料は異なっていてもよい。一般に、蒸気改質燃料は、機関の圧縮段階、または行程中に燃焼室に噴射されることができる任意の液体であってもよい。この液体は酸素と発熱反応を起こし、酸化時にエネルギを放出する。蒸気改質において、蒸気改質燃料は水（蒸気）中の酸素によって酸化されてもよく、それによって水素を水（蒸気）または蒸気改質燃料から放出する。水素は両方から排出されてもよいことが理解される。前述した燃料に加えて、蒸気改質燃料に用いてもよいその他の燃料は、自動点火燃料、過酸化水素およびジボラン、ペンタボランおよびデカボランなどのボランを含む。

蒸気改質燃料は可燃である必要はないことが理解されよう。ただし、蒸気改質燃料が可燃である場合は、蒸気改質プロセスからの任意の残留物を燃焼プロセス中に燃焼させることができる。

蒸気改質は燃焼室で起こる主要な水素分離プロセスであるが、解離によって水（蒸気）から分離される水素もありえることが理解されよう。

燃焼プロセス中に、比較的高レベルの水蒸気が燃焼室に存在するため、燃焼室から排出される排気ガスはかなりな量の水蒸気を含有する。一部の実施例では、水蒸気を凝縮して後続する機関サイクルにおいて液体として再利用するために、排気システムに１以上のコンデンサを提供してもよい。

特定の内燃機関および蒸気改質燃料に対する最善の触媒は、試験によって決定されてもよいことが理解されよう。現在のところ、Ｃｕ／ＺｎＯ、Ｐｄ／ＺｎＯ、ＣｕＺｒ_０２またはこれらの合成合金が適切な触媒であろうと考えられている。選択された触媒は熱環境に耐え、熱環境で用いるために十分な熱耐性が必要となる。

例示する実施例では、容量可変式燃焼室を部分的に画成する本体は往復ピストンである。別の実施例では、本体は回転部材であってもよい。さらに別の実施例では、ピストンは、その内容が本明細書に援用される国際公開第２００９／１０１４２０号で開示するように液体であってもよい。

例示した実施例の説明では、圧力／温度表示を提供するために圧力／温度センサを用いることに言及している。それによってコントローラは信号を発信し、化合物を含有する液体および非水の水素を圧縮行程中に噴射させる。一部の実施例では、特にゆっくり移動する機関では、燃焼室内の本体の位置、たとえばピストン１８の位置を検出する位置センサを用いてもよい。このように、たとえばピストンの運動方向に離間して配置される２つの位置センサを用いて、ピストンの運動の方向を示してもよく、第２のセンサを用いて、圧力／温度が、噴射が起こるべき所望する圧力／温度となる燃焼室の容積の位置にピストンが到達したことを示してもよい。

図５および図６で例示する修正ディーゼルサイクルを運転する内燃機関は自動車産業での適用に適切であることが考察されるが、この適用に限定されない。前述の構造および運転の原理は新規に構築する内燃機関に有利であってもよいが、本発明の恩恵を得るために既存の機関も修正されてもよいことが理解されよう。

Claims

触媒を含有する容量可変式燃焼室を備える内燃機関を運転する方法であって、前記方法は：
吸気を前記燃焼室に導入するステップ；
前記燃焼室の容積を減少させて前記吸気を圧縮して、前記燃焼室の圧力を第１の圧力から第２の圧力に増加させるステップ；
前記燃焼室の前記圧力が前記第１の圧力と第２の圧力との中間である所定の圧力に到達したときに、水および蒸気改質プロセスで使用される蒸気改質燃料を前記燃焼室に導入し、それによって、前記水および前記蒸気改質燃料は前記吸気の前記圧縮によって発生した熱を吸収し、前記触媒が前記蒸気改質燃料または前記水から水素が分離される蒸気改質プロセスを促進するステップ；および
前記燃焼室の前記圧力が少なくとも前記第２の圧力であるとき、可燃燃料を前記燃焼室に導入し、前記可燃燃料および水素を燃焼させるステップ；
を含み、
前記燃焼室の容積は部材が前記燃焼室で移動することによって変化し、前記可燃燃料および水素の燃焼によって、前記部材が移動し、前記燃焼室の前記容積が増加し、前記部材の移動によって、前記燃焼室のエネルギ出力が提供される、方法。
請求項１に記載する内燃機関を運転する方法であって、前記水および蒸気改質燃料を混合気として前記燃焼室に導入するステップを含む、方法。
請求項１または２に記載する内燃機関を運転する方法であって、前記燃焼室内の温度が実質的に一定となるように、前記水または前記水および蒸気改質燃料の前記燃焼室への前記導入を制御するステップを含む、方法。
請求項１、２または３に記載する内燃機関を運転する方法であって、前記水を水霧、水蒸気または水霧および水蒸気の組み合わせとして前記燃焼室に導入することを含む、方法。
請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の方法であって、前記可燃燃料および水素の燃焼によって生成される排気ガスを前記燃焼室から排出するステップ、前記排出された排気ガスから熱を抽出して、前記水を前記燃焼室に導入する前に前記水を加熱するステップを含む、方法。
請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の内燃機関を運転する方法であって、前記可燃燃料の前記燃焼室への前記導入を制御し、それによって、前記可燃燃料および水素の燃焼の少なくとも一つ目のステップ中に実質的に前記燃焼室内の圧力を一定に維持するステップを含む、方法。
請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の内燃機関を運転する方法であって、前記部材は：
ｉ）往復ピストン；または
ｉｉ）回転部材；
を備える、方法。
請求項７に記載の方法であって、前記触媒の少なくとも一部は前記往復ピストンまたは回転部材によって保有される、方法。
請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の方法であって、前記触媒の少なくとも一部は前記燃焼室の壁上に提供される、方法。
請求項１〜９のうちいずれか一項に記載の方法であって、前記触媒の少なくとも一部は：
ｉ）前記蒸気改質燃料または可燃燃料を前記燃焼室に導入する噴射装置；および
ｉｉ）前記可燃燃料および水素の燃焼を開始するために提供される燃焼開始装置；
の少なくとも１つの上に提供される、方法。
請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載の方法であって、前記蒸気改質燃料および可燃燃料は同一である、方法。
内燃機関であって：
ハウジングおよび容量可変式燃焼室を画成する前記ハウジング内で移動可能な部材；
前記燃焼室内の触媒；
吸気を前記燃焼室に導入する第１の弁機構；
液体供給システム；
前記液体供給システムに接続し、前記液体供給システムからの水および蒸気改質プロセスで使用される蒸気改質燃料を前記燃焼室に導入するように操作可能な第２の弁機構；および
コントローラであって、
ｉ）前記第１の弁機構に吸気の充填を前記燃焼室に導入させ、
ｉｉ）所定の条件が前記燃焼室で存在するときに、前記部材の移動中に前記燃焼室の容積を減少させて前記吸気を圧縮し、前記吸気の圧力を第１の圧力から第２の圧力に増加させ、前記第２の弁機構に前記液体供給システムからの水および一定量の前記蒸気改質燃料を前記燃焼室に導入させ、それによって、前記水および蒸気改質燃料は、前記吸気の前記圧縮によって発生する熱を吸収して、前記触媒が前記蒸気改質燃料または前記水から水素が分離される蒸気改質プロセスを促進し、
ｉｉｉ）前記吸気の圧力が少なくとも前記第２の圧力であるとき、前記第２の弁機構に可燃燃料を前記燃焼室に導入させるように構成されるコントローラ；
を備え、
前記燃焼室の容積は部材が前記燃焼室で移動することによって変化し、前記可燃燃料および水素の燃焼によって、前記部材が移動し、前記燃焼室の前記容積が増加し、前記部材の前記移動によって、前記燃焼室のエネルギ出力が提供される、内燃機関。
内燃機関であって：
ハウジングおよび容量可変式燃焼室を画成する前記ハウジング内で移動可能な部材；
前記燃焼室内に触媒を取り付けるための少なくとも１つの取付具；
吸気を前記燃焼室に導入する第１の弁機構；
液体供給システム；
前記液体供給システムに接続し、前記液体供給システムからの水および蒸気改質プロセスで使用される蒸気改質燃料を前記燃焼室に導入するように操作可能な第２の弁機構；および
コントローラであって、
ｉ）前記第１の弁機構に吸気の充填を前記燃焼室に導入させ、
ｉｉ）所定の条件が前記燃焼室で存在するときに、前記部材の移動中に前記燃焼室の容積を減少させて前記吸気を圧縮し、前記吸気の圧力を第１の圧力から第２の圧力に増加させ、前記第２の弁機構に前記液体供給システムからの水および一定量の前記蒸気改質燃料を前記燃焼室に導入させ、それによって、前記水および蒸気改質燃料は、前記吸気の前記圧縮によって発生する熱を吸収し、前記少なくとも１つの取付具によって前記燃焼室に取り付けられている前記触媒によって、前記蒸気改質燃料または前記水から水素が分離される蒸気改質プロセスを促進し、
ｉｉｉ）前記吸気の圧力が少なくとも前記第２の圧力であるとき、前記第２の弁機構に可燃燃料を前記燃焼室に導入させるように構成されるコントローラ；
を備え、
前記燃焼室の容積は部材が前記燃焼室で移動することによって変化し、前記可燃燃料および水素の燃焼によって、前記部材が移動し、前記燃焼室の前記容積が増加し、前記部材の前記移動によって、前記燃焼室のエネルギ出力が提供される、内燃機関。
請求項１２または１３に記載の内燃機関であって、前記蒸気改質燃料を含有する第１の貯蔵装置をさらに備え、前記第２の弁機構は前記第１の貯蔵装置に接続し、前記蒸気改質燃料を前記燃焼室に導入する、内燃機関。
請求項１４に記載の内燃機関であって、前記第１の貯蔵装置、第１の弁および液体供給システムは、前記蒸気改質燃料および前記水が前記燃焼室に混合気として導入されるように構成される、内燃機関。
請求項１２〜１５のうちいずれか一項に記載の内燃機関であって、前記蒸気改質燃料は可燃燃料であり、前記コントローラは、前記第２の弁機構に前記蒸気改質燃料の第２の量を、前記可燃燃料として、前記燃焼室に導入させるように構成される、内燃機関。
請求項１２〜１５のうちいずれか一項に記載の内燃室であって、第２の貯蔵装置をさらに備え、前記第２の貯蔵装置は前記蒸気改質燃料とは異なる可燃燃料を含有し、前記第２の弁機構は前記第２の貯蔵装置に接続している、内燃機関。
請求項１７に記載の内燃機関であって、前記第２の弁機構は、前記水および蒸気改質燃料の少なくとも１つを前記燃焼室に導入する第１の弁および前記可燃燃料を前記燃焼室に導入する第２の弁を備える、内燃機関。
請求項１２〜１８のうちいずれか一項に記載の内燃機関であって、前記燃焼室内の温度を表示する信号を提供するセンサをさらに備え、前記燃焼室の温度を実質的に一定に維持するように、前記コントローラは前記水または蒸気改質燃料および水の前記燃焼室への導入を制御するように構成される、内燃機関。
請求項１９に記載の内燃機関であって、前記センサは光学温度センサである、内燃機関。
請求項１２〜２０のうちいずれか一項に記載の内燃機関であって、排気ガスを前記燃焼室から受領し、前記液体供給システムと協働可能である排気システムをさらに備え、前記排気システムを流れる排気ガスから熱を抽出し、前記液体供給システムの前記水を加熱する、内燃機関。
請求項１２〜２１のうちいずれか一項に記載の内燃機関であって、前記液体供給システムおよび第２の弁機構は、前記水を水霧、水蒸気または水霧および水蒸気の組み合わせとして前記燃焼室に導入するように構成される、内燃機関。
請求項１２〜２２のうちいずれか一項に記載の内燃機関であって、前記触媒の少なくとも一部は前記第２の弁機構上に提供される、内燃機関。
請求項１２〜２３のうちいずれか一項に記載の内燃機関であって、前記触媒の少なくとも一部は、前記燃焼室内で燃焼を開始するように操作可能である燃焼開始装置上に提供される、内燃機関。
請求項１２〜２４のうちいずれか一項に記載の内燃機関であって、前記部材は：
ｉ）往復ピストン；または
ｉｉ）回転部材；
を備える、内燃機関。
少なくとも１つのコンピュータプログラムソフトウェア部分を備えるコンピュータプログラム製品であって、実行環境で実行されるときには請求項１〜１１のうちいずれか一項に記載の方法を制御するように操作可能である、コンピュータプログラム製品。
請求項２６に記載の前記または少なくとも１つの前記コンピュータプログラムソフトウェア部分が内部に記憶される、データ記憶部品。
請求項２７に記載のデータ記憶部品を備えるプロセッサ。
請求項１〜１１のうちいずれか一項に記載の方法を制御するように構成される制御機器。