天然氣發動機以及天然氣發動機的運轉方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及天然氣發動機以及天然氣發動機的運轉方法，在天然氣發動機中，具有不使用火花點火系統而通過輕油等自點火燃料源的壓縮著火使天然氣燃料燃燒的高效率燃燒系統。
【背景技術】
[0002]如圖9所示，現有技術的天然氣發動機(CNG發動機)1X為，通過基于設置于氣缸蓋61的火花塞62的火花點火使由活塞63壓縮的天然氣燃料C著火，而使該天然氣燃料C燃燒。
[0003]該天然氣燃料C為，通過在與氣缸蓋61和活塞63的頂部之間所形成的燃燒室64連通的進氣系統通路65上設置的天然氣燃料噴射器(天然氣燃料噴射裝置)35，朝吸入空氣A中噴射，并與該吸入空氣A—起在進氣閥66開閥的進氣行程中被吸入燃燒室64。該天然氣燃料C通過配置于燃燒室64的中央上部的火花塞62的電火花而著火，雖然是概念圖像，但如細線所示那樣燃燒呈層狀地擴大。然后，在伴隨著由該燃燒產生的燃燒氣體的膨脹的膨脹行程中推壓活塞63而做功，在接下來的排氣閥68開閥的排氣行程中將燃燒氣體(廢氣)G朝排氣系統通路67排出。
[0004]并且，在低輸出、氣缸筒(氣缸孔)的直徑較小的小型發動機的情況、通過氧較多的狀態的稀燃燒而天然氣燃料C容易燃燒的發動機的情況下，在該層狀燃燒中，天然氣燃料C以從燃燒室64的大致中心朝燃燒室64整體擴展的方式進行燃燒，因此推壓活塞63的力均勻化，作為整體的推壓力Fp朝向活塞63的中心軸方向，活塞63順暢地往復運動。
[0005]但是，在高輸出、氣缸筒的直徑較大的大型發動機的情況下，高溫的燃燒氣體G朝發動機1X的排氣系統通路67側流出，另一方面，朝進氣系統通路65側流入低溫的吸入空氣A，因此相對于進氣系統通路65側、排氣系統通路67側的溫度變高，尤其是，圖10中的由交叉影線表示的部分H容易成為高溫。因此，產生被稱作爆燃(異常燃燒)的現象，即:天然氣燃料C不基于火花塞62的點火而著火，而是在進入燃燒行程之前與該高溫部H接觸而著火，燃燒從高溫部H側朝燃燒室64的整體擴展。在產生該現象的情況下，燃燒從燃燒室64的一個角落側朝整體擴展，因此推壓活塞63的力變得不均勻，作為整體的推壓力Fp相對于活塞63的中心軸方向成為傾斜的方向，活塞63與氣缸70單側接觸而變得無法順暢地往復運動，成為發動機故障的原因。此外，該爆燃也是爆震的原因之一。
[0006]此外，在為了降低廢氣中的NOx而通過三元催化劑對廢氣進行后處理的情況下，將載持有三元催化劑的廢氣處理裝置設置于排氣通路來對廢氣中的NOx進行還原凈化。該三元催化劑在氧較多的空燃比稀狀態下催化劑性能降低，因此優選為廢氣中的氧濃度較低的空燃比濃狀態。因此，在氣缸內以理論燃燒(按照理論混合比的燃燒:燃燒后氧成為零的完全燃燒)、濃燃燒(接近理論混合比的氧濃度較低的燃燒)進行燃燒。為此，通過設置于進氣通路的進氣節流閥對朝氣缸內吸入的吸入空氣量進行控制，成為使天然氣燃料燃燒所需要的且充分的氧而供給吸入空氣，在氣缸內進行理論燃燒。
[0007]即使在該理論燃燒或者濃燃燒的情況下，吸入空氣A與天然氣燃料C的混合氣也不像稀燃燒那樣容易燃燒，因此會從排氣系統通路67側的高溫部H開始燃燒，變得容易產生爆燃。
[0008]如上所述，在考慮到天然氣發動機的高輸出化、大型化、濃燃燒化的情況下，需要解決爆燃的問題，此外，還需要解決火花塞點火方式中的火花塞因熱而損傷這種火花塞熱損傷的問題。此外，在火花點火用的火花塞為一個部位的情況下，點火源較少而難以使每個循環都可靠地著火，因此存在燃燒效率較差這種問題。當燃燒效率較差時，為了得到所要求的發動機輸出而需要大量的燃料，所產生的熱量也增加。結果，存在如下問題:容易產生燃料消耗率、由熱引起的火花塞的電極部分的損傷、由熱引起的排氣系統部件的破損等各種耐久性的問題。
[0009]作為對于該問題的對策，例如日本申請的特開2012-57471號公報所記載的那樣，提出有一種內燃機的燃料控制裝置，通過CNG噴射器(CNG燃料噴射裝置)朝進氣通路噴射CNG (天然氣)燃料，通過輕油噴射器(輕油燃料噴射裝置)朝燃燒室噴射輕油，通過與壓縮著火性較高的輕油混合而將輕油作為火種來使CNG燃燒，并根據燃燒室內的燃燒時的最大壓力來變更CNG與輕油的比例。
[0010]如圖11所示，在并用輕油燃料的該天然氣發動機1Y中，在對天然氣燃料C與吸入空氣A混合而成的混合氣進行壓縮的壓縮行程中，通過輕油燃料噴射器(輕油燃料噴射裝置)69噴射輕油燃料f，該輕油燃料f在燃燒室64內擴散，并且通過混合氣的絕熱壓縮而混合氣的溫度上升，當超過輕油的發火(著火)溫度時，通過壓縮著火而輕油燃料f開始燃燒，該火種周圍的天然氣燃料C也燃燒。在該燃燒開始時刻，輕油燃料f向燃燒室64內擴散，因此成為多點著火而能夠防止從排氣系統高溫部起的著火，在燃燒室64整體中進行燃燒，對活塞63的頂部施加大致均勻的力。因此，推壓活塞63的推壓力Fp大致成為活塞63的中心軸方向，活塞63順暢地往復運動。因而，在使用輕油燃料和天然氣燃料的該發動機中，能夠防止爆燃。此外，由于不使用火花塞，所以也不會產生火花塞的熱損傷。
[0011]但是，在并用輕油燃料的該天然氣發動機中，如圖12所示那樣，與現有技術的以空氣過量系數λ為2?8進行運轉的柴油發動機相比，在空氣過量系數λ為I的理論燃燒的天然氣發動機中，吸入空氣量顯著減少，因此也存在氣缸內的壓縮壓力降低，通過絕熱壓縮的氣缸內的混合氣的溫度上升也降低這種問題。尤其是，在發動機輸出(馬力)較小的輕負載運轉區域的情況下，當與燃料的減少相伴隨、為了維持理論燃燒而減少吸入空氣量時，存在氣缸內的壓縮壓力的降低較顯著、而燃燒變得不穩定這種問題，需要解決該問題。
[0012]與此相關聯，如日本申請的特開2002-349241號公報所記載的那樣，本發明人提出有一種柴油發動機，在具備以在柴油發動機的較寬的運轉區域中使DPF所捕集的PM可靠地連續燃燒為目的的排氣凈化裝置的柴油發動機中，將排氣凸輪形成為具備排氣導入凸輪的兩段，或者設置排氣導入閥，而設置用于在進氣行程中朝氣缸內導入廢氣的排氣導入機構，在排氣溫度區域為低溫區域的情況下，使進氣節氣門、排氣節氣門以及排氣導入機構工作，而使排氣溫度(氣缸內的溫度)上升。
[0013]該柴油發動機是僅將輕油作為燃料的發動機，但也是如下的發動機:使用在發動機的吸入行程中使排氣通路的廢氣的一部分朝氣缸內回流而使氣缸內溫度上升的排氣導入機構，即便在發動機的運轉狀態為輕負載狀態下通過進氣節流閥使吸入空氣量減少，也能夠使氣缸內的燃料穩定地著火的發動機。
[0014]現有技術文獻
[0015]專利文獻
[0016]專利文獻1:日本申請的特開2012-57471號公報
[0017]專利文獻2:日本申請的特開2002-349241號公報
【發明內容】
[0018]發明要解決的課題
[0019]本發明人鑒于上述狀況，得到如下見解而想到本發明，S卩:通過將用于在進氣行程中朝氣缸內導入廢氣的排氣導入機構組裝到天然氣發動機，由此能夠解決上述天然氣發動機的問題點。
[0020]本發明的目的在于，提供天然氣發動機以及天然氣發動機的運轉方法，在具備將著火源的輕油燃料朝燃燒室內噴射、將天然氣燃料朝進氣系統通路噴射的天然氣燃料噴射裝置的發動機中，能夠在全部運轉區域中可靠且穩定地使天然氣燃料著火，能夠通過較少的燃料和較少的吸入空氣來進行高效率的燃燒，并且，即便在發動機運轉狀態為高負載區域的情況下，也能夠抑制由爆燃導致的爆震。
[0021]用于解決課題的手段
[0022]用于實現上述那種目的的本發明的天然氣發動機構成為，將天然氣燃料朝進氣系統通路噴射，將著火源的輕油燃料朝氣缸內噴射，在天然氣燃料的著火時不使用火花點火系統，而通過噴射至氣缸內的輕油燃料的壓縮著火使天然氣燃料燃燒，該天然氣發動機構成為，具備朝進氣行程中的氣缸內導入廢氣的排氣導入機構，并且具備控制裝置，該控制裝置如下那樣進行控制:在該天然氣發動機的除了起動時以外的全部運轉區域中，將朝氣缸內噴射的輕油燃料的量設為怠速運轉用的輕油燃料量，通過天然氣燃料的量的增減來進行發動機輸出的增減，并且在油門開度大于預先設定的第一開度的高負載區域中，控制為通過多重噴射來進行輕油燃料的氣缸內燃燒噴射。
[0023]另外，該排氣導入機構能夠采用已經成為公知技術的如下那種構成。其中之一的構成為，在使排氣閥工作的排氣凸輪中，對于在通常的排氣行程中將排氣閥開閥的通常的凸輪輪廓，追加形成具有大致90°的相位角的排氣導入凸輪輪廓，并使該排氣導入凸輪輪廓能夠根據發動機的運轉狀態進行工作，由此在進氣行程中將排氣閥提升Imm?3mm程度而使其開閥，由此使氣缸內與排氣系統通路連通，在進氣行程中導入廢氣。
[0024]另一個構成為，設置通過與排氣閥不同的電磁螺線管進行開閉閥的工作的排氣導入閥，根據發動機的運轉狀態對該電磁螺線管賦予驅動信號，由此在進氣行程中使排氣導入閥提升而使其開閥。由此，使氣缸內與排氣系統通路連通，在進氣行程中導入廢氣。
[0025]另外，在本發明中，無需限定于上述兩個構成，即便是除此以外的構成，只要是具有朝進氣行程中的氣缸內導入廢氣的功能的構成即可。
[0026]根據該構成，通過排氣導入機構的工作，由此能夠在進氣行程中使排氣系統通路的高溫廢氣適當地朝氣缸內回流，而在燃燒緊后將高溫的廢氣導入氣缸內，因此能夠使氣缸內的輕油燃料、天然氣燃料、吸入空氣以及廢氣的混合氣的溫度上升。在該排氣導入中，由于在燃燒緊后導入高溫的廢氣，所以與經由具備EGR冷卻器的EGR通路而導入溫度變低的EGR氣體的情況相比，氣缸內溫度上升效果顯著變大。
[0027]結果，通過少量的輕油燃料就能夠穩定地進行壓縮燃燒，還能夠將該輕油燃料的燃燒作為著火源而穩定地進行天然氣燃料的燃燒。因而，能夠實現燃燒效率良好且穩定的燃燒，此外，能夠降低用于著火的輕油燃料的量，因此輕油燃料的消耗量為少量即可。此外，作為整體，由于燃料的燃燒而產生的熱量變少，因此朝排氣系統通路流動的熱量減少，由該熱量引起的熱損傷減少，因此發動機的排氣系統部件的耐久性提高。
[0028]此外，通過排氣導入機構的工作，即便在發動機成為低溫的起動時也能夠使氣缸內溫度迅速地升溫，因此起動性變得良好。而且，即便在起動時也能夠通過少量的輕油進行起動，因此由起動引起的不發火以及未燃烴(未燃HC)的排出量也大幅度減少。并且，能夠使氣缸內