天然气发动机以及天然气发动机的运转方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及天然气发动机以及天然气发动机的运转方法，在天然气发动机中，具有不使用火花点火系统而通过轻油等自点火燃料源的压缩着火使天然气燃料燃烧的高效率燃烧系统。
【背景技术】
[0002]如图9所示，现有技术的天然气发动机(CNG发动机)1X为，通过基于设置于气缸盖61的火花塞62的火花点火使由活塞63压缩的天然气燃料C着火，而使该天然气燃料C燃烧。
[0003]该天然气燃料C为，通过在与气缸盖61和活塞63的顶部之间所形成的燃烧室64连通的进气系统通路65上设置的天然气燃料喷射器(天然气燃料喷射装置)35，朝吸入空气A中喷射，并与该吸入空气A—起在进气阀66开阀的进气行程中被吸入燃烧室64。该天然气燃料C通过配置于燃烧室64的中央上部的火花塞62的电火花而着火，虽然是概念图像，但如细线所示那样燃烧呈层状地扩大。然后，在伴随着由该燃烧产生的燃烧气体的膨胀的膨胀行程中推压活塞63而做功，在接下来的排气阀68开阀的排气行程中将燃烧气体(废气)G朝排气系统通路67排出。
[0004]并且，在低输出、气缸筒(气缸孔)的直径较小的小型发动机的情况、通过氧较多的状态的稀燃烧而天然气燃料C容易燃烧的发动机的情况下，在该层状燃烧中，天然气燃料C以从燃烧室64的大致中心朝燃烧室64整体扩展的方式进行燃烧，因此推压活塞63的力均匀化，作为整体的推压力Fp朝向活塞63的中心轴方向，活塞63顺畅地往复运动。
[0005]但是，在高输出、气缸筒的直径较大的大型发动机的情况下，高温的燃烧气体G朝发动机1X的排气系统通路67侧流出，另一方面，朝进气系统通路65侧流入低温的吸入空气A，因此相对于进气系统通路65侧、排气系统通路67侧的温度变高，尤其是，图10中的由交叉影线表示的部分H容易成为高温。因此，产生被称作爆燃(异常燃烧)的现象，即:天然气燃料C不基于火花塞62的点火而着火，而是在进入燃烧行程之前与该高温部H接触而着火，燃烧从高温部H侧朝燃烧室64的整体扩展。在产生该现象的情况下，燃烧从燃烧室64的一个角落侧朝整体扩展，因此推压活塞63的力变得不均匀，作为整体的推压力Fp相对于活塞63的中心轴方向成为倾斜的方向，活塞63与气缸70单侧接触而变得无法顺畅地往复运动，成为发动机故障的原因。此外，该爆燃也是爆震的原因之一。
[0006]此外，在为了降低废气中的NOx而通过三元催化剂对废气进行后处理的情况下，将载持有三元催化剂的废气处理装置设置于排气通路来对废气中的NOx进行还原净化。该三元催化剂在氧较多的空燃比稀状态下催化剂性能降低，因此优选为废气中的氧浓度较低的空燃比浓状态。因此，在气缸内以理论燃烧(按照理论混合比的燃烧:燃烧后氧成为零的完全燃烧)、浓燃烧(接近理论混合比的氧浓度较低的燃烧)进行燃烧。为此，通过设置于进气通路的进气节流阀对朝气缸内吸入的吸入空气量进行控制，成为使天然气燃料燃烧所需要的且充分的氧而供给吸入空气，在气缸内进行理论燃烧。
[0007]即使在该理论燃烧或者浓燃烧的情况下，吸入空气A与天然气燃料C的混合气也不像稀燃烧那样容易燃烧，因此会从排气系统通路67侧的高温部H开始燃烧，变得容易产生爆燃。
[0008]如上所述，在考虑到天然气发动机的高输出化、大型化、浓燃烧化的情况下，需要解决爆燃的问题，此外，还需要解决火花塞点火方式中的火花塞因热而损伤这种火花塞热损伤的问题。此外，在火花点火用的火花塞为一个部位的情况下，点火源较少而难以使每个循环都可靠地着火，因此存在燃烧效率较差这种问题。当燃烧效率较差时，为了得到所要求的发动机输出而需要大量的燃料，所产生的热量也增加。结果，存在如下问题:容易产生燃料消耗率、由热引起的火花塞的电极部分的损伤、由热引起的排气系统部件的破损等各种耐久性的问题。
[0009]作为对于该问题的对策，例如日本申请的特开2012-57471号公报所记载的那样，提出有一种内燃机的燃料控制装置，通过CNG喷射器(CNG燃料喷射装置)朝进气通路喷射CNG (天然气)燃料，通过轻油喷射器(轻油燃料喷射装置)朝燃烧室喷射轻油，通过与压缩着火性较高的轻油混合而将轻油作为火种来使CNG燃烧，并根据燃烧室内的燃烧时的最大压力来变更CNG与轻油的比例。
[0010]如图11所示，在并用轻油燃料的该天然气发动机1Y中，在对天然气燃料C与吸入空气A混合而成的混合气进行压缩的压缩行程中，通过轻油燃料喷射器(轻油燃料喷射装置)69喷射轻油燃料f，该轻油燃料f在燃烧室64内扩散，并且通过混合气的绝热压缩而混合气的温度上升，当超过轻油的发火(着火)温度时，通过压缩着火而轻油燃料f开始燃烧，该火种周围的天然气燃料C也燃烧。在该燃烧开始时刻，轻油燃料f向燃烧室64内扩散，因此成为多点着火而能够防止从排气系统高温部起的着火，在燃烧室64整体中进行燃烧，对活塞63的顶部施加大致均匀的力。因此，推压活塞63的推压力Fp大致成为活塞63的中心轴方向，活塞63顺畅地往复运动。因而，在使用轻油燃料和天然气燃料的该发动机中，能够防止爆燃。此外，由于不使用火花塞，所以也不会产生火花塞的热损伤。
[0011]但是，在并用轻油燃料的该天然气发动机中，如图12所示那样，与现有技术的以空气过量系数λ为2?8进行运转的柴油发动机相比，在空气过量系数λ为I的理论燃烧的天然气发动机中，吸入空气量显著减少，因此也存在气缸内的压缩压力降低，通过绝热压缩的气缸内的混合气的温度上升也降低这种问题。尤其是，在发动机输出(马力)较小的轻负载运转区域的情况下，当与燃料的减少相伴随、为了维持理论燃烧而减少吸入空气量时，存在气缸内的压缩压力的降低较显著、而燃烧变得不稳定这种问题，需要解决该问题。
[0012]与此相关联，如日本申请的特开2002-349241号公报所记载的那样，本发明人提出有一种柴油发动机，在具备以在柴油发动机的较宽的运转区域中使DPF所捕集的PM可靠地连续燃烧为目的的排气净化装置的柴油发动机中，将排气凸轮形成为具备排气导入凸轮的两段，或者设置排气导入阀，而设置用于在进气行程中朝气缸内导入废气的排气导入机构，在排气温度区域为低温区域的情况下，使进气节气门、排气节气门以及排气导入机构工作，而使排气温度(气缸内的温度)上升。
[0013]该柴油发动机是仅将轻油作为燃料的发动机，但也是如下的发动机:使用在发动机的吸入行程中使排气通路的废气的一部分朝气缸内回流而使气缸内温度上升的排气导入机构，即便在发动机的运转状态为轻负载状态下通过进气节流阀使吸入空气量减少，也能够使气缸内的燃料稳定地着火的发动机。
[0014]现有技术文献
[0015]专利文献
[0016]专利文献1:日本申请的特开2012-57471号公报
[0017]专利文献2:日本申请的特开2002-349241号公报
【发明内容】
[0018]发明要解决的课题
[0019]本发明人鉴于上述状况，得到如下见解而想到本发明，S卩:通过将用于在进气行程中朝气缸内导入废气的排气导入机构组装到天然气发动机，由此能够解决上述天然气发动机的问题点。
[0020]本发明的目的在于，提供天然气发动机以及天然气发动机的运转方法，在具备将着火源的轻油燃料朝燃烧室内喷射、将天然气燃料朝进气系统通路喷射的天然气燃料喷射装置的发动机中，能够在全部运转区域中可靠且稳定地使天然气燃料着火，能够通过较少的燃料和较少的吸入空气来进行高效率的燃烧，并且，即便在发动机运转状态为高负载区域的情况下，也能够抑制由爆燃导致的爆震。
[0021]用于解决课题的手段
[0022]用于实现上述那种目的的本发明的天然气发动机构成为，将天然气燃料朝进气系统通路喷射，将着火源的轻油燃料朝气缸内喷射，在天然气燃料的着火时不使用火花点火系统，而通过喷射至气缸内的轻油燃料的压缩着火使天然气燃料燃烧，该天然气发动机构成为，具备朝进气行程中的气缸内导入废气的排气导入机构，并且具备控制装置，该控制装置如下那样进行控制:在该天然气发动机的除了起动时以外的全部运转区域中，将朝气缸内喷射的轻油燃料的量设为怠速运转用的轻油燃料量，通过天然气燃料的量的增减来进行发动机输出的增减，并且在油门开度大于预先设定的第一开度的高负载区域中，控制为通过多重喷射来进行轻油燃料的气缸内燃烧喷射。
[0023]另外，该排气导入机构能够采用已经成为公知技术的如下那种构成。其中之一的构成为，在使排气阀工作的排气凸轮中，对于在通常的排气行程中将排气阀开阀的通常的凸轮轮廓，追加形成具有大致90°的相位角的排气导入凸轮轮廓，并使该排气导入凸轮轮廓能够根据发动机的运转状态进行工作，由此在进气行程中将排气阀提升Imm?3mm程度而使其开阀，由此使气缸内与排气系统通路连通，在进气行程中导入废气。
[0024]另一个构成为，设置通过与排气阀不同的电磁螺线管进行开闭阀的工作的排气导入阀，根据发动机的运转状态对该电磁螺线管赋予驱动信号，由此在进气行程中使排气导入阀提升而使其开阀。由此，使气缸内与排气系统通路连通，在进气行程中导入废气。
[0025]另外，在本发明中，无需限定于上述两个构成，即便是除此以外的构成，只要是具有朝进气行程中的气缸内导入废气的功能的构成即可。
[0026]根据该构成，通过排气导入机构的工作，由此能够在进气行程中使排气系统通路的高温废气适当地朝气缸内回流，而在燃烧紧后将高温的废气导入气缸内，因此能够使气缸内的轻油燃料、天然气燃料、吸入空气以及废气的混合气的温度上升。在该排气导入中，由于在燃烧紧后导入高温的废气，所以与经由具备EGR冷却器的EGR通路而导入温度变低的EGR气体的情况相比，气缸内温度上升效果显著变大。
[0027]结果，通过少量的轻油燃料就能够稳定地进行压缩燃烧，还能够将该轻油燃料的燃烧作为着火源而稳定地进行天然气燃料的燃烧。因而，能够实现燃烧效率良好且稳定的燃烧，此外，能够降低用于着火的轻油燃料的量，因此轻油燃料的消耗量为少量即可。此外，作为整体，由于燃料的燃烧而产生的热量变少，因此朝排气系统通路流动的热量减少，由该热量引起的热损伤减少，因此发动机的排气系统部件的耐久性提高。
[0028]此外，通过排气导入机构的工作，即便在发动机成为低温的起动时也能够使气缸内温度迅速地升温，因此起动性变得良好。而且，即便在起动时也能够通过少量的轻油进行起动，因此由起动引起的不发火以及未燃烃(未燃HC)的排出量也大幅度减少。并且，能够使气缸内