JP6398543B2 - Natural gas engine and method of operating natural gas engine - Google Patents

Natural gas engine and method of operating natural gas engine Download PDF

Info

Publication number
JP6398543B2
JP6398543B2 JP2014198814A JP2014198814A JP6398543B2 JP 6398543 B2 JP6398543 B2 JP 6398543B2 JP 2014198814 A JP2014198814 A JP 2014198814A JP 2014198814 A JP2014198814 A JP 2014198814A JP 6398543 B2 JP6398543 B2 JP 6398543B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
natural gas
fuel
ignition
engine
exhaust
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2014198814A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2016070137A (en
Inventor
利貴 南
利貴 南
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Isuzu Motors Ltd
Original Assignee
Isuzu Motors Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Isuzu Motors Ltd filed Critical Isuzu Motors Ltd
Priority to JP2014198814A priority Critical patent/JP6398543B2/en
Priority to PCT/JP2015/076668 priority patent/WO2016052256A1/en
Publication of JP2016070137A publication Critical patent/JP2016070137A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6398543B2 publication Critical patent/JP6398543B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B43/00Engines characterised by operating on gaseous fuels; Plants including such engines
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/06Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed
    • F02D19/08Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed simultaneously using pluralities of fuels
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/06Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed
    • F02D19/08Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed simultaneously using pluralities of fuels
    • F02D19/10Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed simultaneously using pluralities of fuels peculiar to compression-ignition engines in which the main fuel is gaseous
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M21/00Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
    • F02M21/02Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M37/00Apparatus or systems for feeding liquid fuel from storage containers to carburettors or fuel-injection apparatus; Arrangements for purifying liquid fuel specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)

Description

本発明は、天然ガスエンジンにおいて、火花点火システムを使用せずに、天然ガスとは別の燃料である着火用燃料の圧縮着火により天然ガスを高効率で燃焼できる天然ガスエンジン及び天然ガスエンジンの運転方法に関する。   The present invention relates to a natural gas engine and a natural gas engine that can burn natural gas with high efficiency by compression ignition of an ignition fuel, which is a fuel different from natural gas, without using a spark ignition system. It relates to the driving method.

乗用車やトラックなどの車両において、地球温暖化対策として、CO2排出係数が高位発熱量ベースで0.0187tC/GJ(ギガジュール)の軽油に対して、CO2排出係数が高位発熱量ベースで0.0135tC/GJの天然ガス(CNG)を燃料にする天然ガスエンジンが開発されてきている。この軽油から、CO2排出係数が軽油の72%である天然ガスに燃料を切り替えることで、単純熱計算では約28%のCO2排出量の減少が見込まれるので、燃料を軽油から天然ガスへの切り替えによる地球温暖化防止の効果は大きい。 In vehicles such as passenger cars and trucks, as a measure against global warming, the CO 2 emission coefficient is 0 on a high calorific value basis for light oil with a CO 2 emission coefficient of 0.0187 tC / GJ (gigajoule) on a high calorific value basis. Natural gas engines have been developed that use 0135tC / GJ natural gas (CNG) as fuel. By switching from this light oil to natural gas, which has a CO 2 emission coefficient of 72% of that of light oil, a simple heat calculation is expected to reduce CO 2 emissions by about 28%, so the fuel is changed from light oil to natural gas. The effect of global warming prevention by switching is great.

この天然ガスエンジン(CNGエンジン)では、図5に示すように、シリンダヘッド61に設けた点火プラグ62による火花点火により、ピストン63で圧縮された天然ガスCを着火させて、この天然ガスCを燃焼させている。また、排気ガス中のNOxを低減させるために三元触媒を用いて排気ガス中のNOxを浄化しているが、三元触媒の触媒作用を発揮させるために、スロットル弁で吸入空気量を制限して燃料量と空気量が空気過剰率(λ)で1.0となる量論燃焼を実施し、酸素の無い状態の排気ガスにしている。   In this natural gas engine (CNG engine), as shown in FIG. 5, the natural gas C compressed by the piston 63 is ignited by spark ignition by the spark plug 62 provided in the cylinder head 61. It is burning. In order to reduce NOx in the exhaust gas, the three-way catalyst is used to purify the NOx in the exhaust gas, but in order to exert the catalytic action of the three-way catalyst, the intake air amount is limited by the throttle valve. Then, the stoichiometric combustion in which the fuel amount and the air amount become 1.0 in terms of the excess air ratio (λ) is performed to obtain exhaust gas without oxygen.

このため、アイドリング運転領域や必要馬力が少ない軽負荷運転領域においては、量論燃焼させるために、燃料の減少に伴って吸入空気量を減少するので、この空気量の減少により圧縮圧力が低下し、火炎伝播が途切れ未燃焼領域が多くなり天然ガスの燃焼が不安定になったり、失火したりするという問題がある。   For this reason, in the idling operation region and the light load operation region where the required horsepower is small, the amount of intake air is reduced as the fuel decreases in order to perform stoichiometric combustion. However, there is a problem that the flame propagation is interrupted and there are many unburned areas, and the combustion of natural gas becomes unstable or misfires.

また、高出力やシリンダボアの径が大きい大型エンジンの場合には、図6に示すように、エンジン10Xの排気系通路67側の高温の燃焼ガスGと、吸気系通路65側の低温の吸入空気Aとの関係で、吸気系通路65側に対して排気系通路67側の部分(クロスハッチングで示す部分)Hが高温になり易くなる。そのため、天然ガス燃料Cは、点火プラグ62の点火による着火ではなく、燃焼行程に入る前に、この高温部Hに触れて着火し、燃焼が高温部H側から燃焼室64の全体に広がっていく、デトネーション(異常燃焼)と呼ばれる現象が発生する。この現象が発生した場合には、ピストン63はシリンダ70に片当たりして円滑に往復運動できなくなり、エンジン故障の原因となる。また、このデトネーションはノッキングの原因の一つでもある。   Further, in the case of a large engine having a high output and a large cylinder bore diameter, as shown in FIG. 6, the high-temperature combustion gas G on the exhaust system passage 67 side of the engine 10X and the low-temperature intake air on the intake system passage 65 side are provided. In relation to A, a portion (shown by cross-hatching) H on the exhaust system passage 67 side tends to be high in temperature with respect to the intake system passage 65 side. Therefore, the natural gas fuel C is not ignited by ignition of the spark plug 62 but is ignited by touching the high temperature portion H before entering the combustion stroke, and the combustion spreads from the high temperature portion H side to the entire combustion chamber 64. A phenomenon called detonation (abnormal combustion) occurs. When this phenomenon occurs, the piston 63 hits the cylinder 70 and cannot smoothly reciprocate, causing engine failure. This detonation is also one of the causes of knocking.

また、天然ガスエンジンでは、天然ガスの着火性が悪い上に、燃焼室に配置できる点火プラグの数が構造上限定され、通常は点火源が一箇所となるので、各サイクル毎に確実に着火させることが困難となり、燃焼効率が悪いという問題がある。この燃焼効率が悪いと、必要とされる出力を出すために多量の燃料が必要になるので、燃費が悪化する。また、着火を確実にしようとして多量の燃料を燃焼室に入れると、燃焼温度が上昇して、点火プラグ、排気バルブ、排気マニホールド等の温度が上がり、排気系部品の破損等が発生し易くなるという問題が生じる。   In addition, natural gas engines have poor ignitability of natural gas, and the number of spark plugs that can be placed in the combustion chamber is structurally limited. Normally, there is only one ignition source, so ignition is ensured every cycle. There is a problem that the combustion efficiency is poor. If this combustion efficiency is poor, a large amount of fuel is required to produce the required output, resulting in a deterioration in fuel consumption. In addition, if a large amount of fuel is put into the combustion chamber in order to ensure ignition, the combustion temperature rises, and the temperature of the spark plug, exhaust valve, exhaust manifold, etc. rises, and the exhaust system parts are easily damaged. The problem arises.

更に、エンジン始動時には、天然ガスの着火が困難であり、始動に関しても軽油燃料に比べて時間が掛かるという問題がある。特に、冬場の空気温度が低い場合には、失火して未燃天然ガスが排出し、臭気が生じるという問題もある。 Further, at the time of engine start, it is difficult ignition of natural gas, there is a problem that time-consuming compared to diesel fuel with regard start. In particular, when the air temperature in winter is low, there is also a problem that unburned natural gas is discharged due to misfire and odor is generated.

これらの問題への対策として、天然ガス(CNG)をCNGインジェクタで吸気通路に、軽油を軽油インジェクタで燃焼室に噴射して、圧縮着火性の高い軽油と混合させることで、軽油を火種としてCNGを燃焼させ、CNG及び軽油の割合は、燃焼室内における燃焼時の最大圧力に基づいて変更する内燃機関の燃料制御装置が提案されている (例えば、特許文献1参照)。   As countermeasures against these problems, natural gas (CNG) is injected into the intake passage with the CNG injector, light oil is injected into the combustion chamber with the light oil injector, and mixed with light oil with high compression ignitability. A fuel control device for an internal combustion engine has been proposed in which the ratio of CNG and light oil is changed based on the maximum pressure during combustion in the combustion chamber (see, for example, Patent Document 1).

この軽油燃料を併用する天然ガスエンジン10Yでは、図7に示すように、天然ガスCと吸入空気Aとが混合した混合気を圧縮する圧縮行程で、軽油燃料fが液体燃料噴射インジェクタ69より噴射され、燃焼室64内で拡散されながら、混合気の断熱圧縮により混合気の温度が上昇し、軽油の発火(着火)温度を超えると、圧縮着火により軽油燃料fが燃焼を開始し、この火種の周囲の天然ガスCも燃焼する。   In the natural gas engine 10Y that uses this light oil fuel together, as shown in FIG. 7, the light oil fuel f is injected from the liquid fuel injector 69 in the compression stroke in which the air-fuel mixture in which the natural gas C and the intake air A are mixed is compressed. When the temperature of the air-fuel mixture rises due to adiabatic compression of the air-fuel mixture while being diffused in the combustion chamber 64 and exceeds the ignition (ignition) temperature of the light oil, the light oil fuel f starts to combust due to the compression ignition. The natural gas C around is also burned.

この燃焼開始時点では、軽油燃料fは燃焼室64内に拡散しているので、多点着火となり排気系高温部からの着火を防止でき、燃焼室64全体で燃焼し、ピストン63の頂部には略均一な力が加わるため、ピストン63は円滑に往復運動する。従って、この軽油燃料fと天然ガスCを使用するエンジンでは、デトネーションを防止できる。また、点火プラグを使用しないので、点火プラグの熱害も発生しない。   Since the light oil fuel f is diffused in the combustion chamber 64 at the start of the combustion, multi-point ignition can be performed and ignition from the high temperature portion of the exhaust system can be prevented, and the entire combustion chamber 64 is combusted. Since a substantially uniform force is applied, the piston 63 reciprocates smoothly. Therefore, in the engine using this light oil fuel f and natural gas C, detonation can be prevented. In addition, since no spark plug is used, the heat damage of the spark plug does not occur.

しかしながら、この軽油燃料を併用する天然ガスエンジンにおいても、図8に示すように、従来技術の空気過剰率λが2〜8で運転される軽油燃料のディーゼルエンジンに比べて、空気過剰率λが1のストイキ燃焼で運転される天然ガスエンジンでは、吸入空気量が著しく減少するので、シリンダ内の圧縮圧力が低下し、断熱圧縮でのシリンダ内の混合気の温度上昇も低下してしまうという問題がある。特に、エンジン出力(馬力)が少ない軽負荷運転領域の場合には、燃料の減少に伴い、吸入空気量が著しく減少し、圧縮圧力の低下が大きくなるため、着火及び燃焼が不安定になるという問題があり、これを解決する必要がある。   However, even in a natural gas engine that uses this light oil fuel together, as shown in FIG. 8, the excess air ratio λ is lower than that of a diesel engine with a light oil fuel operated with an excess air ratio λ of 2 to 8 of the prior art. In a natural gas engine operated by stoichiometric combustion of 1, the intake air amount is remarkably reduced, so that the compression pressure in the cylinder is lowered and the temperature rise of the air-fuel mixture in the cylinder in adiabatic compression is also lowered. There is. In particular, in the light load operation region where the engine output (horsepower) is small, the amount of intake air significantly decreases and the compression pressure decreases greatly as the fuel decreases, and ignition and combustion become unstable. There is a problem and this needs to be resolved.

本発明者は、これに関連して、軽油燃料併用の天然ガスエンジンにおいて、低負荷運転状態やストイキ燃焼又はリッチ燃焼においても、確実且つ安定して、圧縮着火源となる軽油とこの軽油の燃焼を着火源とする天然ガスを燃焼できて、少ない燃料と少ない吸入空気で高効率な燃焼を行うことを目的に、吸気行程中のシリンダ内に排気ガスを導入する排気導入機構を備えた天然ガスエンジンを提案している(例えば、特許文献2参照)。   In connection with this, the present inventor, in a natural gas engine combined with light oil fuel, reliably and stably uses light oil as a compression ignition source and the light oil in a low load operation state, stoichiometric combustion or rich combustion. Equipped with an exhaust introduction mechanism that introduces exhaust gas into the cylinder during the intake stroke in order to burn natural gas with combustion as an ignition source and perform highly efficient combustion with less fuel and less intake air A natural gas engine has been proposed (see, for example, Patent Document 2).

また、全運転領域で確実且つ安定して天然ガスを着火できて、少ない燃料と少ない吸入空気で高効率な燃焼を行い、しかも、エンジン運転状態が高負荷領域の場合でもデトネーションによるノッキングを抑制することを目的に、排気導入機構を備えると共に、シリンダ内に噴射する軽油の量を、エンジンの全運転領域で、アイドル運転用の軽油の量とし、エンジン出力の増減は、天然ガスの量の増減で行い、かつ、アクセル開度が予め設定した第1開度よりも大きい高負荷領域では、軽油のシリンダ内燃料噴射をマルチ噴射で行う天然ガスエンジンを提案している(例えば、特許文献3参照)。   In addition, natural gas can be ignited reliably and stably in the entire operation range, high-efficiency combustion is achieved with less fuel and less intake air, and knocking due to detonation is suppressed even when the engine operation state is a high load range. For this purpose, an exhaust introduction mechanism is provided, and the amount of light oil injected into the cylinder is the amount of light oil for idle operation in the entire engine operating range. In a high load region in which the accelerator opening is larger than the first opening that is set in advance, a natural gas engine that performs in-cylinder fuel injection of light oil by multi-injection has been proposed (see, for example, Patent Document 3). ).

特開2012−57471号公報JP 2012-57471 A 特開2014−109198号公報JP 2014-109198 A 特開2014−109199号公報JP 2014-109199 A

一方、本発明者は、多くの実験や考察により、次のような知見を得た。つまり、軽油燃料を併用する天然ガスエンジンにおいては、天然ガスの燃焼を良好なものとするためには、着火源として用いる軽油を天然ガス中に均等に分散させることが重要であるが、軽油は密度が高く、真発熱量は36.0MJ(メガジュール)/l(リットル)と比較的高いため、エンジン始動時やアイドリング時などの軽負荷運転時に、着火源として必要な熱量を発生させるために必要な量、つまり、発熱量から必要とされる理論的な軽油の容積量は比較的少量となる。しかしながら、この少量の液体噴射を良好な噴霧状態で噴射することは、現状の燃料噴射ノズルでは難しいという問題がある。これは噴射容積量が少ないと噴射期間が短く、制御性が悪くなる事象である。   On the other hand, the present inventor has obtained the following knowledge through many experiments and considerations. In other words, in a natural gas engine that uses light oil fuel together, in order to improve the combustion of natural gas, it is important to evenly disperse the light oil used as the ignition source in the natural gas. Has a high density and a relatively high true calorific value of 36.0 MJ (megajoules) / l (liter), which generates the amount of heat required as an ignition source during light load operation such as when starting the engine or idling. Therefore, the theoretical amount of light oil required from the calorific value is relatively small. However, there is a problem that it is difficult for the current fuel injection nozzle to inject this small amount of liquid injection in a good spray state. This is an event in which if the injection volume is small, the injection period is short and the controllability deteriorates.

一方、天然ガスの良好な着火を実現するためには、噴射された軽油を偏りのない均一的な噴霧状態にすると共に、燃焼室に流入する天然ガスの全体と良好な混合をさせる必要があるので、噴射圧をある程度高く、また、噴射時間もある程度長くする必要があり、現状の液体噴射ノズルを使用する場合に、噴霧状態や天然ガスとの混合状態を優先すると、着火源としての軽油の量を、熱計算的に必要な容積量よりも多くして、着火性を確保する必要が生じている。   On the other hand, in order to realize good ignition of natural gas, it is necessary to make the injected light oil in a uniform spray state with no bias and to mix well with the whole natural gas flowing into the combustion chamber. Therefore, it is necessary to increase the injection pressure to some extent and also to increase the injection time to some extent, and when using the current liquid injection nozzle, if priority is given to the state of spraying or mixing with natural gas, light oil as an ignition source Therefore, it is necessary to ensure the ignitability by increasing the amount of the amount more than the volume necessary for thermal calculation.

つまり、オクタン価が高く着火し難い天然ガスの着火を助けるために、セタン価の高い軽油を用いているが、現状の燃料噴射ノズルの噴射形態の問題から、天然ガスを安定して着火させるために噴射する軽油の量を、低負荷状態で必要とする発熱量を発生させる理論上の軽油の量を超えた量とする必要が生じている。   In other words, light oil with a high cetane number is used to help ignite natural gas, which has a high octane number and is difficult to ignite, but due to problems with the current fuel injection nozzle injection mode, natural gas can be ignited stably. The amount of light oil to be injected needs to exceed the theoretical amount of light oil that generates the calorific value required under low load conditions.

そのため、天然ガスを使用して、地球温暖化に対するCO2の排出量の低減を図っているにもかかわらず、熱計算的に必要以上の軽油を燃焼させることにより、この地球温暖化に対する効果が抑えられてしまう。 Therefore, despite the fact that natural gas is used to reduce CO 2 emissions against global warming, the effect on global warming can be achieved by burning more light oil than necessary in terms of heat calculations. It will be suppressed.

この問題の解決には、軽油よりも容積当たりの発熱量が小さくなり、同じ発熱量であってもその容積量が多くなるため噴射期間を長く取れ、噴霧し易く、しかも、天然ガスと混合し易くなる燃料で、しかも、着火性を示すセタン価が高い燃料を使用することができれば、エンジン始動時や低負荷運転時に必要とされる発熱量に近い発熱量を発生する着火用燃料の量のみで、天然ガスを良好に着火でき、着火用燃料として軽油を使用する天然ガスエンジンの上記の問題を解決できるとの知見を得て本発明に想到した。   In order to solve this problem, the calorific value per volume is smaller than that of light oil, and even if the calorific value is the same, the volume is large, so the injection period can be extended, spraying is easy, and it is mixed with natural gas. If it is possible to use fuel that is easy to use and has high cetane number indicating ignitability, only the amount of ignition fuel that generates a calorific value close to the calorific value required at engine start and low-load operation Thus, the present inventors have obtained the knowledge that natural gas can be ignited satisfactorily and the above-described problems of a natural gas engine using light oil as an ignition fuel can be solved.

本発明の目的は、着火源として液体燃料と、主たる燃料としての天然ガスを使用する天然ガスエンジンにおいて、エンジン始動時や低負荷運転時においても、確実且つ安定して天然ガスを着火できて、少ない量の着火用燃料と天然ガスと少ない量の吸入空気で高効率な燃焼を行って、エンジン始動時から天然ガスを混入しても十分に燃焼させることができ、また、アイドリング時や低負荷運転時でも、少量の着火用燃料で天然ガスを燃焼させることができて、これにより、エンジン出力のために必要とされる熱量の殆どをCO2排出係数が少ない天然ガスの燃焼で賄って、CO2排出量を大幅に低減できて地球温暖化防止を図ることができる天然ガスエンジンと天然ガスエンジンの運転方法を提供することにある。 An object of the present invention is to ensure that natural gas can be ignited reliably and stably even when the engine is started or at a low load operation in a natural gas engine using liquid fuel as an ignition source and natural gas as a main fuel. High efficiency combustion with a small amount of ignition fuel, natural gas, and a small amount of intake air enables sufficient combustion even when natural gas is mixed from the start of the engine. Even during load operation, natural gas can be burned with a small amount of ignition fuel, so that most of the heat required for engine output is covered by the combustion of natural gas with a low CO 2 emission coefficient. Another object of the present invention is to provide a natural gas engine that can greatly reduce CO 2 emissions and prevent global warming, and a method for operating the natural gas engine.

上記のような目的を達成するための本発明の天然ガスエンジンは、燃料として、天然ガスと該天然ガスとは別の着火用燃料を使用し、この着火用燃料のシリンダ内における圧縮着火により前記天然ガスを燃焼させる天然ガスエンジンにおいて、前記着火用燃料として、単位容積当たりの真発熱量が32MJ(メガジュール)/l(リットル)〜35MJ/lの範囲内で、かつ、セタン価が65〜90の範囲内の液体燃料を使用し、エンジン始動時においては、前記着火用燃料と前記天然ガスの両方を供給して始動するとともに、シリンダ内に噴射する前記着火用燃料の量を、エンジンの全運転領域で、アイドル運転で必要とされる発熱量に対する着火用燃料の量よりも少ない一定量にするように構成されているThe natural gas engine of the present invention for achieving the above object uses natural gas and an ignition fuel different from the natural gas as fuel, and the ignition fuel is compressed by ignition in a cylinder. In a natural gas engine that burns natural gas, the ignition fuel is a true calorific value per unit volume in a range of 32 MJ (megajoule) / l (liter) to 35 MJ / l, and a cetane number of 65 to 65. The liquid fuel in the range of 90 is used, and when starting the engine, both the ignition fuel and the natural gas are supplied to start the engine, and the amount of the ignition fuel injected into the cylinder is determined by the engine. In the entire operation region, the fuel consumption amount is set to a constant amount smaller than the amount of ignition fuel with respect to the calorific value required for idle operation .

この構成によれば、軽油よりも単位容積当たりの発熱量が小さく、しかも、軽油よりもセタン価が高い液体燃料を用いるので、着火源にするための着火用燃料の噴射量が、軽油の場合よりも多くなり、現状の燃料噴射ノズルでも、軽油の場合よりも噴霧状態を改善できる上に、セタン価が高い液体燃料を使用しているので、圧縮着火し易くなる。更に、着火用燃料の噴射量が多くなることにより天然ガスとの混合性が改善されるので、天然ガスに均等に混合した着火用燃料が圧縮着火により燃焼することにより、この燃焼した着火用燃料により天然ガスの全体を均等に着火させることができるようになるので、良好な燃焼状態を得ることができる。   According to this configuration, since the amount of heat generated per unit volume is smaller than that of light oil and liquid fuel having a cetane number higher than that of light oil is used, the amount of fuel injected for ignition as an ignition source is less than that of light oil. More than the case, even with the current fuel injection nozzle, the spray state can be improved as compared with the case of light oil, and since the liquid fuel having a high cetane number is used, compression ignition becomes easy. Furthermore, since the mixing amount with the natural gas is improved by increasing the injection amount of the ignition fuel, the ignition fuel mixed evenly with the natural gas is combusted by the compression ignition so that the burned ignition fuel is obtained. As a result, the entire natural gas can be ignited evenly, so that a good combustion state can be obtained.

なお、単位容積当たりの真発熱量が32MJ/lより小さいと着火性及び燃焼性が悪くなり、35MJ/l以上になると、容積増加量が少なくなり、燃料噴射における噴霧状態や天然ガス中への拡散状態の改善効果が少なくなるため、軽油からの切り替え効果が少なくなる。   In addition, if the true calorific value per unit volume is less than 32 MJ / l, the ignitability and combustibility will deteriorate, and if it exceeds 35 MJ / l, the volume increase will decrease, and the spraying state in fuel injection and into natural gas will decrease. Since the effect of improving the diffusion state is reduced, the effect of switching from light oil is reduced.

また、セタン価が65未満であると着火性の向上が不十分で、少ない発熱量で着火性を良くする効果が少なくなり、セタン価が90を超えると液体燃料の選択範囲が狭くなりすぎる上に、着火性が高くなりすぎて取り扱いが面倒になる。   Further, if the cetane number is less than 65, the ignitability is not sufficiently improved, and the effect of improving the ignitability with a small calorific value is reduced. If the cetane number exceeds 90, the selection range of the liquid fuel becomes too narrow. In addition, the ignitability becomes too high and the handling becomes troublesome.

ちなみに、軽油は、真発熱量(低位発熱量)は約36MJ/lで、総合発熱量(高位発熱量)が約38MJ/lで、高位発熱量から低位発熱量への換算係数が0.95である。また、軽油のセタン価は約54程度である。   Incidentally, light oil has a true calorific value (low calorific value) of about 36 MJ / l, a total calorific value (high calorific value) of about 38 MJ / l, and a conversion coefficient from high calorific value to low calorific value is 0.95. It is. Moreover, the cetane number of light oil is about 54.

また、単位容積当たりの真発熱量が32MJ/l〜35MJ/lの範囲内で、かつ、セタン価が65〜90の範囲内の液体燃料としては、例えば、液体合成燃料と呼ばれる、天然ガスを一酸化炭素と水素に分解後、分子構造を組み替えて液体燃料としたGTL(Gas To Liquid)燃料がある。   Further, as a liquid fuel having a true calorific value per unit volume in a range of 32 MJ / l to 35 MJ / l and a cetane number in a range of 65 to 90, for example, natural gas called liquid synthetic fuel is used. There is a GTL (Gas To Liquid) fuel that is decomposed into carbon monoxide and hydrogen and then recombined with a molecular structure to form a liquid fuel.

このGTLの特徴としては、単位重量当たりの真発熱量はほぼ同じであるが、密度が軽油より5%〜10%程度低いため、単位容積当たりの真発熱量が軽油よりも低くなる。その分、噴射量が多くなるので、軽油の熱計算的な量を噴射する場合よりも噴射圧を大きく、また、噴射時間を長くすることができ、燃料の噴射制御を精度良く行うことができるようになる。また、セタン価が軽油に比較して15程度向上しているので着火性が高く、圧縮着火性能を高めることができる。これらの結果、着火用燃料の実質的な噴射量を軽油よりも少なくすることができる。   As a feature of this GTL, the true calorific value per unit weight is almost the same, but since the density is about 5% to 10% lower than that of light oil, the true calorific value per unit volume is lower than that of light oil. Accordingly, since the injection amount increases, the injection pressure can be increased and the injection time can be lengthened compared to the case of injecting the heat-calculated amount of light oil, and the fuel injection control can be performed with high accuracy. It becomes like this. Further, since the cetane number is improved by about 15 compared to light oil, the ignitability is high, and the compression ignition performance can be improved. As a result, the substantial injection amount of the ignition fuel can be made smaller than that of light oil.

従って、着火用燃料を単に軽油の代わりにGTL等の液体燃料に変えただけでなく、燃料噴射の面とセタン価の面とにより着火性を著しく向上させることができるので、エンジン始動時から天然ガスを混入しても十分に燃焼させることができる。逆に言えば、エンジン始動時から天然ガスを混入しても十分に燃焼させることができるように、着火用燃料を選択する。この選択基準が単位容積当たりの真発熱量が32MJ/l〜35MJ/lの範囲内で、かつ、セタン価が65〜90の範囲内の液体燃料となっている。 Therefore, not only the fuel for ignition is changed to a liquid fuel such as GTL instead of light oil, but also the ignitability can be remarkably improved by the aspect of fuel injection and the aspect of cetane number. Even if gas is mixed, it can be burned sufficiently. In other words, the ignition fuel is selected so that it can be sufficiently burned even if natural gas is mixed from the start of the engine. This selection criterion is a liquid fuel having a true calorific value per unit volume in the range of 32 MJ / l to 35 MJ / l and a cetane number in the range of 65 to 90.

この選択により、エンジン始動時のみならず、アイドリング時や低負荷運転時でも、少量の着火用燃料で天然ガスを燃焼させることができるので、エンジン出力に寄与する燃料の発熱量の多くを天然ガスの燃焼で発生させることができる。これにより、エンジン出力のために必要とされる熱量の殆どをCO2排出係数が少ない天然ガスの燃焼で賄うことができるようになるので、CO2排出量を大幅に低減でき、地球温暖化防止効果を奏することができる。 By this selection, natural gas can be burned with a small amount of ignition fuel not only at engine start but also at idling or low load operation, so that most of the calorific value of fuel that contributes to engine output is natural gas. It can be generated by burning. As a result, most of the heat required for engine output can be covered by the combustion of natural gas with a low CO 2 emission coefficient, so CO 2 emissions can be greatly reduced and global warming is prevented. There is an effect.

その上、GTLを採用した場合には、軽油に比べて、GTLは硫黄分が少なく、煤となるアロマ成分が少ないので、PM捕集装置を不要にしたり、小型化したりすることができる。特に、NOx低減のために多量EGRを行っても煤の発生が殆どないので、軽油を主燃料として使用していたディーゼルエンジンで、互いにトレードオフの関係にあったNOx低減と煤低減を同時に図ることができ、NOx吸蔵還元触媒や選択還元型(SCR)触媒を用いた触媒装置も不要にしたり、小型化したりすることができる。   In addition, when GTL is employed, GTL has less sulfur content and less aroma components to become soot than light oil, so that the PM collection device can be made unnecessary or downsized. In particular, since there is almost no soot generated even if a large amount of EGR is performed to reduce NOx, the diesel engine that uses light oil as the main fuel simultaneously reduces NOx and soot that are in a trade-off relationship with each other. In addition, a catalyst device using a NOx occlusion reduction catalyst or a selective reduction (SCR) catalyst can be eliminated or downsized.

なお、GTLは現状では、軽油よりも価格が高く、単にGTLを軽油の代わりに使用すると、天然ガスエンジンの運転コストがGTLの使用により高コストになるが、本発明ではエンジン始動時やアイドリング運転時や低負荷運転時においても天然ガスを積極的に混入するので、GTLの使用量を著しく減少でき、運転コストの上昇を抑制できる。   Note that GTL is currently more expensive than diesel oil, and if GTL is used instead of diesel oil, the operating cost of a natural gas engine will be higher due to the use of GTL. Since natural gas is actively mixed even during operation or during low-load operation, the amount of GTL used can be significantly reduced, and an increase in operating cost can be suppressed.

上記の天然ガスエンジンにおいて、吸気行程中のシリンダ内に排気ガスを導入する排気導入機構を備えて構成される。   The above-described natural gas engine includes an exhaust introduction mechanism that introduces exhaust gas into a cylinder during the intake stroke.

この排気導入機構としては、例えば、既に、周知技術となっている、排気バルブを作動させる排気カムにおいて、エンジンの運転状態に応じて、通常のカムフィールに略90°の位相角を持って追加形成された排気導入カムプロフィールを作動可能にすることにより、吸気行程中に排気バルブの1mm〜3mm程度のリフトでシリンダ内と排気系通路を連通させて、吸気行程中に排気ガスを導入する構成や、エンジンの運転状態に応じて、排気バルブとは別の電磁ソレノイドで開閉弁の作動をする排気導入バルブを設けて、この電磁ソレノイドで吸気行程中に排気導入バルブをリフトして開弁させて、シリンダ内と排気系通路を連通させて、吸気行程中に排気ガスを導入する構成等を採用することができる。   As an exhaust introduction mechanism, for example, in an exhaust cam that operates an exhaust valve, which has already become a well-known technology, a normal cam feel is added with a phase angle of approximately 90 ° according to the operating state of the engine. By making the formed exhaust introduction cam profile operable, the exhaust valve is introduced during the intake stroke by connecting the inside of the cylinder and the exhaust system passage with a lift of about 1 mm to 3 mm of the exhaust valve during the intake stroke. Depending on the operating state of the engine, an exhaust introduction valve that operates an on-off valve with an electromagnetic solenoid different from the exhaust valve is provided, and the exhaust introduction valve is lifted and opened during the intake stroke by this electromagnetic solenoid. Thus, it is possible to adopt a configuration in which exhaust gas is introduced during the intake stroke by communicating the inside of the cylinder and the exhaust system passage.

この構成によれば、排気導入機構の作動により、適宜、吸気行程中に排気系通路の高温の排気ガスをシリンダ内に逆流させて、この燃焼直後で高温の排気ガスにより、シリンダ内の着火用燃料と天然ガスと吸入空気と排気ガスの混合気の温度を上昇させることができる。この排気導入では、燃焼直後で高温の排気ガスを導入するので、EGRクーラーを備えたEGR通路を経由して温度が低くなるEGRガスの導入に比べて、シリンダ内温度上昇効果は著しく大きくなる。   According to this configuration, by operating the exhaust introduction mechanism, the hot exhaust gas in the exhaust system passage flows back into the cylinder as needed during the intake stroke, and immediately after this combustion, the hot exhaust gas is used for ignition in the cylinder. The temperature of the mixture of fuel, natural gas, intake air and exhaust gas can be raised. In this exhaust gas introduction, high-temperature exhaust gas is introduced immediately after combustion, so that the effect of increasing the in-cylinder temperature is remarkably increased as compared with the introduction of EGR gas whose temperature is lowered via an EGR passage equipped with an EGR cooler.

その結果、より少量の着火用燃料でも安定して圧縮着火及び燃焼をさせることができ、この着火用燃料の燃焼を着火源にして天然ガスの燃焼も安定して行うことができるようになる。従って、燃焼効率が良く安定した燃焼を実現でき、また、着火用燃料の量を更に低減できるので、着火用燃料の消費量が少量で済み、また、全体として燃料の燃焼による熱の発生量が少なくなるので、排気系通路へ流れる熱量が減少し、この熱量に起因する熱害が減少するのでエンジンの排気系部品の耐久性が向上する。   As a result, compression ignition and combustion can be stably performed even with a smaller amount of ignition fuel, and natural gas combustion can also be stably performed using the ignition fuel combustion as an ignition source. . Therefore, stable combustion with good combustion efficiency can be realized, and the amount of ignition fuel can be further reduced, so that the amount of consumption of ignition fuel can be reduced, and the amount of heat generated by combustion of the fuel as a whole is reduced. Therefore, the amount of heat flowing to the exhaust system passage is reduced, and the heat damage caused by this amount of heat is reduced, so that the durability of the exhaust system parts of the engine is improved.

また、排気導入機構の作動により、エンジンが低温となっている始動時でもシリンダ内温度を迅速に昇温できるので、始動性がよくなる。その上、始動時でも少量の着火用燃料で始動させることができるので、始動による失火および煤の発生がなくなる。更に、シリンダ内温度を迅速に昇温できるので、スムーズな加速ができるようになる。   Further, the operation of the exhaust gas introduction mechanism improves the startability because the temperature in the cylinder can be quickly raised even when the engine is at a low temperature. In addition, since the engine can be started with a small amount of ignition fuel even at the time of starting, misfire and soot are not generated by the starting. Further, since the temperature in the cylinder can be quickly raised, smooth acceleration can be achieved.

また、シリンダ内の温度を高める排気導入機構を利用することにより、軽負荷運転状態においても、シリンダ内の温度を着火用燃料が着火し易い温度に維持し、少ない着火用燃料の量で安定した着火を得ることができ、少量の着火用燃料で燃焼を安定させることができるので、エンジン振動を少なくして乗り心地性(ドライバビリティ)を向上することができる。また、軽負荷運転時の排気ガス量を低減できる。   Also, by using an exhaust introduction mechanism that raises the temperature in the cylinder, the temperature in the cylinder is maintained at a temperature at which the ignition fuel is easy to ignite even in a light load operation state, and stable with a small amount of ignition fuel. Since ignition can be obtained and combustion can be stabilized with a small amount of ignition fuel, engine vibration can be reduced and riding comfort (drivability) can be improved. In addition, the amount of exhaust gas during light load operation can be reduced.

なお、上記の天然ガスエンジンにおいて、シリンダ内に噴射する着火用燃料の量を、エンジンの全運転領域で、アイドル運転で必要とされる発熱量に対する着火用燃料の量よりも少ない一定量にして、エンジン出力の増減は、天然ガスの量の増減で行うように構成すると、この場合には、着火用燃料量一定という非常に簡単な制御で確実に着火用燃料を圧縮着火でき、天然ガスの量を問わずに、天然ガスを最小の吸気量で燃焼効率よく燃焼できる。なお、この場合の吸気スロットル弁の開度は、排気ガスの空燃比や空気過剰率λや酸素濃度を計測し、量論燃焼になるように両論比判定を行って制御することが好ましい。   In the above-described natural gas engine, the amount of ignition fuel injected into the cylinder is set to a constant amount that is smaller than the amount of ignition fuel for the calorific value required for idle operation in the entire operation region of the engine. If the engine output is increased or decreased by increasing or decreasing the amount of natural gas, in this case, the ignition fuel can be reliably compressed and ignited with very simple control of a constant amount of ignition fuel. Regardless of the amount, natural gas can be combusted efficiently with the minimum intake amount. In this case, it is preferable to control the opening degree of the intake throttle valve by measuring the air-fuel ratio, the excess air ratio λ, and the oxygen concentration of the exhaust gas, and performing a reciprocal ratio determination so as to achieve stoichiometric combustion.

上記の天然ガスエンジンにおいて、前記排気導入機構の作動を行う運転状態において、吸気系通路に設けられた吸気シャッタによる吸気絞り制御、若しくは、排気系通路に設けられた排気シャッタによる排気絞り制御の一方又は両方を併用するように構成されると、この排気導入機構の作動と共に、吸気シャッタを閉弁方向に作動させて吸気を絞って、吸入空気量(新気の量)を量論燃焼が可能となる量に減少させると共に、吸気系通路側の圧力を低下させることができるので、より効率良く排気ガスをシリンダ内に逆流させることができ、よりシリンダ内温度を上昇でき、より燃焼効率を高めることができる。 In the natural gas engine, in the operating state in which the operation of the exhaust introduction mechanism, intake throttle control by intake air shutter disposed in an intake system passage, or one exhaust throttle control by the exhaust gas shutter disposed in the exhaust system path Or, when configured to use both, the intake air amount (fresh air amount) can be burned stoichiometrically by operating the exhaust shutter and operating the intake shutter in the valve closing direction to throttle the intake air. In addition, the pressure on the intake system passage side can be reduced, so that the exhaust gas can flow back into the cylinder more efficiently, the temperature in the cylinder can be raised more, and the combustion efficiency can be further increased. be able to.

さらに、排気シャッタを閉弁方向に作動させて排気を絞ると、排気系通路側の圧力が高くなり、排気系通路側の排気ガスをシリンダ内への逆流させやすくなり、逆流量を増加させることができるので、よりシリンダ内の温度上昇効果を高めることができる。   Furthermore, if the exhaust shutter is operated in the valve closing direction to throttle the exhaust, the pressure on the exhaust system passage side increases, the exhaust gas on the exhaust system passage side tends to flow backward into the cylinder, and the reverse flow rate increases. Therefore, the temperature rise effect in the cylinder can be further enhanced.

そして、上記のような目的を達成するための本発明の天然ガスエンジンの運転方法は、燃料として、天然ガスと該天然ガスとは別の着火用燃料を使用し、この着火用燃料のシリンダ内における圧縮着火により前記天然ガスを燃焼させる天然ガスエンジンの運転方法において、前記着火用燃料として、単位容積当たりの真発熱量が32MJ(メガジュール)/l(リットル)〜35MJ/lの範囲内で、かつ、セタン価が65〜90の範囲内の液体燃料を使用し、エンジン始動時においては、前記着火用燃料と前記天然ガスの両方を供給して始動するとともに、シリンダ内に噴射する前記着火用燃料の量を、エンジンの全運転領域で、アイドル運転で必要とされる発熱量に対する着火用燃料の量よりも少ない一定量にすることを特徴とする方法である。 Then, the operation method of the natural gas engine of the present invention for achieving the above object uses natural gas and an ignition fuel different from the natural gas as the fuel, and this ignition fuel in the cylinder In the method of operating a natural gas engine in which the natural gas is combusted by compression ignition in the above, a true calorific value per unit volume as the ignition fuel is within a range of 32 MJ (megajoule) / l (liter) to 35 MJ / l. In addition, the liquid fuel having a cetane number in the range of 65 to 90 is used, and at the time of starting the engine, both the ignition fuel and the natural gas are supplied and the ignition is performed and injected into the cylinder. how the amount of use the fuel, in the entire operating range of the engine, characterized by a certain amount less than the amount of the ignition fuel to the heating value required by the idling A.

この方法によれば、軽油よりも単位容積当たりの発熱量が小さく、しかも、軽油よりも真発熱量の低い着火用燃料を用いるので、着火用燃料を着火源にするための容積噴射量が、軽油の場合よりも多くなり、現状の燃料噴射ノズルでも、軽油の場合よりも噴霧状態を改善できる上に、セタン価が高い着火用燃料を使用しているので、圧縮着火し易くなる。更に、着火用燃料の容積量が多くなることにより天然ガスとの混合性が改善されるので、天然ガスに均等に混合した着火用燃料が着火して燃焼することにより、天然ガスの全体を均等に着火させることができるようになるので、良好な燃焼状態を得ることができる。   According to this method, since the ignition fuel having a smaller calorific value per unit volume than that of light oil and having a lower true calorific value than that of light oil is used, the volume injection amount for using the ignition fuel as an ignition source is reduced. More than the case of light oil, the current fuel injection nozzle can improve the spray state more than the case of light oil and uses an ignition fuel having a high cetane number, so that it is easy to perform compression ignition. Furthermore, since the volume of the ignition fuel is increased, the miscibility with natural gas is improved. Therefore, the ignition fuel mixed evenly with natural gas is ignited and burned, so that the entire natural gas is evenly distributed. Can be ignited, so that a good combustion state can be obtained.

本発明に係る天然ガスエンジン及び天然ガスエンジンの運転方法によれば、着火源として着火用燃料と、主たる燃料としての天然ガスを使用する天然ガスエンジンにおいて、エンジン始動時や低負荷運転時においても、確実且つ安定して天然ガスを着火できて、少ない量の着火用燃料と少ない量の吸入空気で高効率な燃焼を行って、エンジン始動時から天然ガスを混入しても十分に燃焼させることができ、また、アイドリング時や低負荷運転時でも、少量の着火用燃料で天然ガスを燃焼させることができる。   According to the natural gas engine and the operation method of the natural gas engine according to the present invention, in the natural gas engine using the ignition fuel as the ignition source and the natural gas as the main fuel, at the time of engine start and low load operation However, natural gas can be ignited reliably and stably, high efficiency combustion is performed with a small amount of ignition fuel and a small amount of intake air, and even if natural gas is mixed from the start of the engine, it can be combusted sufficiently In addition, natural gas can be burned with a small amount of ignition fuel even during idling or low load operation.

そして、これにより、エンジン出力のために必要とされる熱量の殆どをCO2排出係数が少ない天然ガスの燃焼で賄って、CO2排出量を大幅に低減できて地球温暖化防止を図ることができる。 As a result, most of the heat required for engine output can be covered by the combustion of natural gas with a low CO 2 emission coefficient, and CO 2 emission can be greatly reduced to prevent global warming. it can.

本発明の実施の形態の天然ガスエンジンの構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the natural gas engine of embodiment of this invention. 排気導入の説明のための図である。It is a figure for explanation of exhaust introduction. 排気導入における吸気バルブと排気バルブのリフトを示す図である。It is a figure which shows the lift of the intake valve and exhaust valve in exhaust introduction. 本発明の実施の形態の天然ガスエンジンの運転方法における着火用燃料と天然ガスとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the fuel for ignition and the natural gas in the operating method of the natural gas engine of embodiment of this invention. 従来技術の天然ガスエンジンにおける天然ガスの正常な着火と燃焼状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the normal ignition and combustion state of the natural gas in the natural gas engine of a prior art. 従来技術の天然ガスエンジンにおける天然ガスのデトネーション(異常燃焼)を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the detonation (abnormal combustion) of the natural gas in the natural gas engine of a prior art. 着火用燃料を併用する天然ガスエンジンの着火用燃料の着火と天然ガスの燃焼状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the ignition state of the fuel for ignition of the natural gas engine which uses a fuel for ignition together, and the combustion state of natural gas. 天然ガスエンジンにおける圧縮圧力と通常のディーゼルエンジンにおける圧縮圧力の比較を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the comparison of the compression pressure in a natural gas engine, and the compression pressure in a normal diesel engine.

以下、本発明に係る実施の形態の天然ガスエンジン及び天然ガスエンジンの運転方法について、図面を参照しながら説明する。図1に示す本発明に係る実施の形態の天然ガスエンジン10は、エンジン本体11の吸気系通路として吸気マニホールド11aと吸気通路12と、排気系通路として排気マニホールド11bと排気通路13とそれぞれ設けられると共に、排気通路13と吸気通路12を接続するEGR通路14が設けられている。   Hereinafter, a natural gas engine according to an embodiment of the present invention and a method for operating the natural gas engine will be described with reference to the drawings. The natural gas engine 10 according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 is provided with an intake manifold 11a and an intake passage 12 as intake system passages of an engine body 11, and an exhaust manifold 11b and an exhaust passage 13 as exhaust system passages, respectively. In addition, an EGR passage 14 that connects the exhaust passage 13 and the intake passage 12 is provided.

また、ターボ式過給器(ターボチャージャ)15が設けられる。このターボ式過給器15のタービン15aを排気通路13に、コンプレッサ15bを吸気通路12にそれぞれ設けて、排気ガスGの排気エネルギーでタービン15aを回転し、この回転をシャフト15cで伝達されたコンプレッサ15bにより吸入空気Aを圧縮する。   A turbocharger (turbocharger) 15 is provided. A turbine 15a of the turbocharger 15 is provided in the exhaust passage 13 and a compressor 15b is provided in the intake passage 12. The turbine 15a is rotated by the exhaust energy of the exhaust gas G, and the rotation is transmitted through the shaft 15c. The intake air A is compressed by 15b.

吸入空気Aが通過する吸気通路12には、コンプレッサ15bとインタークーラー16と吸気シャッタ(吸気スロットル)17が設けられ、吸入空気Aは、コンプレッサ15bで圧縮され、インタークーラー16で冷却されて空気密度を上昇し、吸気シャッタ17で流量調整されて、図2に示すシリンダ70内の燃焼室64に導入される。   The intake passage 12 through which the intake air A passes is provided with a compressor 15b, an intercooler 16, and an intake shutter (intake throttle) 17, and the intake air A is compressed by the compressor 15b and cooled by the intercooler 16 to increase the air density. Then, the flow rate is adjusted by the intake shutter 17 and introduced into the combustion chamber 64 in the cylinder 70 shown in FIG.

また、図1に示すように、着火用燃料Fと天然ガスCが燃焼して発生した排気ガスGが通過する排気通路13には、タービン15aが設けられる。また、タービン15aと排気ガス浄化装置(図示しない)の間に排気シャッタ42が設けられる。そして、排気ガスGは、必要に応じて一部がEGRガスGeとしてEGR通路14に導入され、残りは、タービン15aを駆動した後、必要に応じて排気ガス浄化装置で浄化されて大気中に放出される。 Further, as shown in FIG. 1, a turbine 15a is provided in the exhaust passage 13 through which the exhaust gas G generated by burning the ignition fuel F and the natural gas C passes. Further, an exhaust shutter 42 is provided between the turbine 15a and an exhaust gas purification device (not shown) . A part of the exhaust gas G is introduced into the EGR passage 14 as EGR gas Ge as needed, and the rest is driven by the exhaust gas purifying device as needed after driving the turbine 15a to enter the atmosphere. Released.

また、EGRガスGeが通過するEGR通路14には、EGRガスGeを冷却するEGRクーラー19とEGRガスGeの流量を調整するEGR弁20が設けられ、EGRガスGeは、排気通路13から分岐された後、EGRクーラー19で冷却され、EGR弁20で流量を調整されて吸気通路12に再循環される。   The EGR passage 14 through which the EGR gas Ge passes is provided with an EGR cooler 19 that cools the EGR gas Ge and an EGR valve 20 that adjusts the flow rate of the EGR gas Ge. The EGR gas Ge is branched from the exhaust passage 13. After that, it is cooled by the EGR cooler 19, the flow rate is adjusted by the EGR valve 20, and it is recirculated to the intake passage 12.

そして、この天然ガスエンジン10においては、軽油燃料用のディーゼルエンジンと同様に、図2に示すように、液体燃料である着火用燃料Fをエンジン本体11のシリンダ70内に噴射するための液体燃料供給ライン80を備えて構成される。この液体燃料供給ライン80は、燃料タンク81と電磁弁82と調圧装置(レギュレータ)83とチャンバー84と液体燃料噴射インジェクタ69とこれらを接続する燃料配管85とから構成される。これらにより、着火用燃料Fは通常の軽油燃料用のディーゼルエンジンと同様に、液体燃料噴射インジェクタ69からシリンダ70内に噴射される。   In the natural gas engine 10, as in the diesel engine for light oil fuel, as shown in FIG. 2, the liquid fuel for injecting the ignition fuel F, which is liquid fuel, into the cylinder 70 of the engine body 11. A supply line 80 is provided. The liquid fuel supply line 80 includes a fuel tank 81, a solenoid valve 82, a pressure regulator (regulator) 83, a chamber 84, a liquid fuel injector 69, and a fuel pipe 85 connecting them. As a result, the ignition fuel F is injected into the cylinder 70 from the liquid fuel injection injector 69 in the same manner as a normal diesel engine for light oil fuel.

そして、本発明では、エンジン本体11及び燃料噴射系や冷却系等に関しては、通常の軽油燃料用のディーゼルエンジンの構成に加えて、図1に示すように、天然ガスタンク(CNGタンク)31、電磁弁32、調圧装置(レギュレータ)33、チャンバー34、吸気通路12の吸気シャッタ17より下流側に配置されたCNG噴射インジェクタ(天然ガス噴射装置)35と、これらを接続するCNG配管36とから構成される天然ガス供給システム30を備えて構成される。   In the present invention, the engine body 11, the fuel injection system, the cooling system, etc., in addition to the configuration of a normal diesel engine for light oil fuel, as shown in FIG. 1, a natural gas tank (CNG tank) 31, electromagnetic A valve 32, a pressure regulator (regulator) 33, a chamber 34, a CNG injection injector (natural gas injection device) 35 disposed on the downstream side of the intake shutter 17 in the intake passage 12, and a CNG pipe 36 for connecting them. The natural gas supply system 30 is configured.

この天然ガス供給システム30により、天然ガスタンク31に貯蔵された天然ガスCはCNG配管36を通って、電磁弁32経由で調圧装置33により圧力を調整された後、CNG噴射インジェクタ35により噴射量と噴射タイミングを制御されながら吸気系通路65(図1では吸気通路12)内に噴射される。   The natural gas C stored in the natural gas tank 31 is adjusted by the natural gas supply system 30 through the CNG pipe 36, the pressure is adjusted by the pressure regulator 33 via the electromagnetic valve 32, and then injected by the CNG injection injector 35. Are injected into the intake system passage 65 (intake passage 12 in FIG. 1) while the injection timing is controlled.

更に、本発明においては、天然ガスCの着火に際して火花点火システムを使用しないで、シリンダ70内の燃焼室64に噴射した着火用燃料Fの圧縮着火により着火用燃料Fを燃焼させ、この燃焼した着火用燃料Fを火種にして天然ガスCを燃焼させるように構成する。   Further, in the present invention, the ignition fuel F is combusted by the compression ignition of the ignition fuel F injected into the combustion chamber 64 in the cylinder 70 without using a spark ignition system when the natural gas C is ignited. The natural gas C is combusted using the ignition fuel F as a fire type.

この着火用燃料Fとして、単位容積当たりの真発熱量が32MJ(メガジュール)/l(リットル)〜35MJ/lの範囲内で、かつ、セタン価が65〜90の範囲内の液体燃料を使用する。そして、エンジン始動時においては、この着火用燃料Fと天然ガスCの両方を供給して始動するように構成される。   As the ignition fuel F, a liquid fuel having a true calorific value per unit volume in the range of 32 MJ (megajoule) / l (liter) to 35 MJ / l and a cetane number of 65 to 90 is used. To do. When the engine is started, both the ignition fuel F and the natural gas C are supplied to start the engine.

この単位容積当たりの真発熱量が32MJ/lより小さいと着火性及び燃焼性が悪くなり、35MJ/l以上になると、容積増加量が少なくなり、燃料噴射における噴霧状態や天然ガス中への拡散状態の改善効果が少なくなる。また、セタン価が65未満であると着火性の向上が不十分で、少ない発熱量で着火性を良くする効果が少なくなり、セタン価が90を超えると液体燃料の選択範囲が狭くなりすぎる上に、着火性が高くなりすぎて取り扱いが面倒になる。ちなみに、軽油は、真発熱量(低位発熱量)は約36MJ/lで、セタン価は約54程度である。   If the true calorific value per unit volume is less than 32 MJ / l, the ignitability and combustibility will deteriorate, and if it exceeds 35 MJ / l, the volume increase will decrease, and the spray state in fuel injection and diffusion into natural gas will decrease. The effect of improving the condition is reduced. Further, if the cetane number is less than 65, the ignitability is not sufficiently improved, and the effect of improving the ignitability with a small calorific value is reduced. If the cetane number exceeds 90, the selection range of the liquid fuel becomes too narrow. In addition, the ignitability becomes too high and the handling becomes troublesome. Incidentally, light oil has a true calorific value (low calorific value) of about 36 MJ / l and a cetane number of about 54.

この単位容積当たりの真発熱量が32MJ/l〜35MJ/lの範囲内で、かつ、セタン価が65〜90の範囲内の液体燃料として、ここでは、GTL(Gas To Liquid)燃料を採用する。このGTLは、単位重量当たりの真発熱量は軽油とほぼ同じであるが、密度が軽油より5%〜10%程度低いため、単位容積当たりの真発熱量が軽油よりも低くなる。その分噴射量が多くなるので、軽油の熱計算的な量を噴射する場合よりも噴射圧を大きく、噴射時間を長くすることができ、着火用燃料Fの噴射制御を精度良く行うことができるようになる。また、GTLはセタン価が軽油に比較して15程度向上しているので着火性が高く、圧縮着火性能を高めることができる。これらの結果、着火用燃料Fの実質的な噴射量を軽油よりも少なくすることができる。   Here, GTL (Gas To Liquid) fuel is adopted as the liquid fuel having a true calorific value per unit volume within a range of 32 MJ / l to 35 MJ / l and a cetane number of 65 to 90. . This GTL has a true calorific value per unit weight that is almost the same as that of light oil, but since the density is about 5% to 10% lower than that of light oil, the true calorific value per unit volume is lower than that of light oil. Since the injection amount is increased accordingly, the injection pressure can be increased and the injection time can be extended as compared with the case of injecting the heat-calculated amount of light oil, and the injection control of the ignition fuel F can be performed with high accuracy. It becomes like this. In addition, since the cetane number of GTL is improved by about 15 compared to light oil, GTL has high ignitability and can improve compression ignition performance. As a result, the substantial injection amount of the ignition fuel F can be made smaller than that of light oil.

また、天然ガスエンジン10に、吸気行程中のシリンダ70内に排気ガスGを導入する排気導入機構(図示しない)を備えて構成する。この排気導入機構としては、図2に示す排気バルブ68を作動させる排気カムにおいて、通常の排気行程で排気バルブ68を開弁する通常のカムフィールに略90°の位相角を持った排気導入カムプロフィールを追加形成し、エンジン運転状態に応じて、この排気導入カムプロフィールを作動可能にすることにより、図2及び図3に示すように、吸気行程中に排気バルブ68を1mm〜3mm程度リフトして開弁させることにより、シリンダ70内と排気系通路67(図1では排気通路13)を連通させて、吸気行程中に排気ガスGを導入する構成を採用することができる。   Further, the natural gas engine 10 is provided with an exhaust introduction mechanism (not shown) for introducing the exhaust gas G into the cylinder 70 during the intake stroke. As the exhaust introduction mechanism, an exhaust cam for operating the exhaust valve 68 shown in FIG. 2 has a phase angle of approximately 90 ° with respect to a normal cam feel that opens the exhaust valve 68 in a normal exhaust stroke. As shown in FIGS. 2 and 3, the exhaust valve 68 is lifted by about 1 mm to 3 mm during the intake stroke by additionally forming a profile and enabling the exhaust introduction cam profile according to the engine operating state. Thus, the exhaust gas G can be introduced during the intake stroke by allowing the inside of the cylinder 70 and the exhaust system passage 67 (the exhaust passage 13 in FIG. 1) to communicate with each other.

また、排気バルブ68とは別の電磁ソレノイドで開閉弁の作動をする排気導入バルブを設けて、エンジン運転状態に応じて、この電磁ソレノイドに駆動信号を与えることにすることにより、図3に示すようなタイミングで、吸気行程中に排気導入バルブをリフトして開弁させることにより、シリンダ70内と排気系通路67(排気通路13)を連通させて、吸気行程中に排気ガスGを導入する構成を採用することもできる。   Further, by providing an exhaust introduction valve that operates an on-off valve with an electromagnetic solenoid different from the exhaust valve 68, and giving a drive signal to this electromagnetic solenoid according to the engine operating state, it is shown in FIG. At such timing, the exhaust introduction valve is lifted and opened during the intake stroke, whereby the inside of the cylinder 70 and the exhaust system passage 67 (exhaust passage 13) are communicated to introduce the exhaust gas G during the intake stroke. A configuration can also be adopted.

なお、本発明においては、排気導入機構を、上記の2つの構成に限定する必要はなく、これ以外の構成であっても、吸気行程中のシリンダ内に排気ガスを導入する機能を有する構成であればよい。   In the present invention, the exhaust introduction mechanism does not have to be limited to the above-described two configurations. Even in other configurations, the exhaust introduction mechanism has a function of introducing exhaust gas into the cylinder during the intake stroke. I just need it.

この排気導入機構の作動により、シリンダ70内の着火用燃料Fと天然ガスCと吸入空気Aと排気ガスGの混合気の温度を上昇させることができるので、少量の着火用燃料Fでも安定して圧縮燃焼して天然ガスCの燃焼も安定して行えるようになり、安定した燃焼を実現できる。   By operating the exhaust introduction mechanism, the temperature of the mixture of the ignition fuel F, the natural gas C, the intake air A, and the exhaust gas G in the cylinder 70 can be raised, so that even a small amount of the ignition fuel F is stable. Thus, the combustion of the natural gas C can be performed stably by compression combustion, and stable combustion can be realized.

また、本発明においては、排気通路13のタービン15aの下流側にλ(空気過剰率)センサ41を配置し、排気ガスG中の空気過剰率λを測定できるように構成し、更に、排気通路13のタービン15aの上流側に排気シャッタ(排気絞り弁)42を設けている。   In the present invention, a λ (excess air ratio) sensor 41 is disposed downstream of the turbine 15a in the exhaust passage 13 so that the excess air ratio λ in the exhaust gas G can be measured. An exhaust shutter (exhaust throttle valve) 42 is provided upstream of the 13 turbines 15a.

更に、エンジンコントロールユニット(ECU)と呼ばれる制御装置51が設けられ、アクセルセンサ52、エンジン本体11に設けたエンジン回転速度センサ53や冷却水温度センサ(図示しない)、吸気通路12に設けた吸気量センサ(MAF:図示しない)、排気通路に設けたλセンサ41や排気ガス温度センサ(図示しない)、NOxセンサ(図示しない)等の各種センサからの信号を入力して、液体燃料噴射インジェクタ69、CNG噴射インジェクタ35、ターボ式過給器15のタービン15a、吸気シャッタ17、EGR弁20等を制御するように構成される。   Further, a control device 51 called an engine control unit (ECU) is provided, and includes an accelerator sensor 52, an engine rotation speed sensor 53 provided in the engine body 11, a cooling water temperature sensor (not shown), and an intake air amount provided in the intake passage 12. Signals from various sensors such as a sensor (MAF: not shown), a λ sensor 41 provided in the exhaust passage, an exhaust gas temperature sensor (not shown), a NOx sensor (not shown), etc. are input, and a liquid fuel injection injector 69, The CNG injection injector 35, the turbine 15a of the turbocharger 15, the intake shutter 17, the EGR valve 20, and the like are configured to be controlled.

次に、上記の天然ガスエンジン10における本発明に係る実施の形態の天然ガスエンジンの運転方法について説明する。この天然ガスエンジンの運転方法は、燃料として、天然ガスCとこの天然ガスCとは別の着火用燃料Fを使用し、この着火用燃料Fのシリンダ内における圧縮着火により天然ガスCを燃焼させる天然ガスエンジン10の運転方法であり、着火用燃料Fとして、単位容積当たりの真発熱量が32MJ(メガジュール)/l(リットル)〜35MJ/lの範囲内で、かつ、セタン価が65〜90の範囲内の液体燃料を使用し、エンジン始動時においては、着火用燃料Fと天然ガスCの両方を供給して始動する方法である。   Next, a method of operating the natural gas engine according to the embodiment of the present invention in the natural gas engine 10 will be described. In this natural gas engine operation method, natural gas C and an ignition fuel F different from the natural gas C are used as fuels, and the natural gas C is combusted by compression ignition in a cylinder of the ignition fuel F. This is a method of operating the natural gas engine 10, and as the ignition fuel F, the true calorific value per unit volume is in the range of 32 MJ (megajoule) / l (liter) to 35 MJ / l, and the cetane number is 65 to 65. This is a method of using a liquid fuel in the range of 90 and supplying both ignition fuel F and natural gas C when starting the engine.

また、更に、図4に示すように、シリンダ70内に噴射する着火用燃料Fの発熱量Fciを、天然ガスエンジン10の全運転領域で、始動時の着火用燃料Fの発熱量Fciとし、エンジン出力の増減は、天然ガスCの量の増減で行う制御をする。   Further, as shown in FIG. 4, the calorific value Fci of the ignition fuel F injected into the cylinder 70 is set as the calorific value Fci of the ignition fuel F at the start in the entire operation region of the natural gas engine 10, The engine output is increased or decreased by controlling the amount of natural gas C.

この運転方法によれば、この排気導入機構を備えた着火用燃料Fを併用する天然ガスエンジン10では、エンジン始動時の運転状態で安定した着火及び燃焼を維持できているので、この着火用燃料Fの燃焼を天然ガスCの着火に使用することで、着火用燃料Fと天然ガスCとの割合をエンジン運転状態で変更するような制御と比較すると着火用燃料量を一定とする、常に簡単な制御で天然ガスCを最小の吸入空気量で燃焼効率よく燃焼できる。なお、この場合の吸気シャッタ17の弁開度は、排気ガスGの空燃比や空気過剰率λや酸素濃度を計測し、量論燃焼になるように両論比判定を行って制御する。   According to this operation method, in the natural gas engine 10 that uses the ignition fuel F equipped with this exhaust introduction mechanism, stable ignition and combustion can be maintained in the operation state at the time of starting the engine. By using the combustion of F for the ignition of natural gas C, the amount of fuel for ignition is constant, compared to control in which the ratio of the fuel for ignition F and natural gas C is changed in the engine operating state. With natural control, natural gas C can be burned efficiently with a minimum amount of intake air. Note that the valve opening of the intake shutter 17 in this case is controlled by measuring the air-fuel ratio, the excess air ratio λ, and the oxygen concentration of the exhaust gas G, and performing a reciprocal ratio determination so as to achieve stoichiometric combustion.

上記の天然ガスエンジン10及び天然ガスエンジンの運転方法によれば、着火用燃料Fに、セタン価が高く、発熱量に対して容積が比較的多い、GTL等の液体燃料を用いることで、図4に示すように、天然ガスエンジン1の始動時において天然ガスCに少量の着火用燃料Fを追加した状態で始動させることができるようになる。つまり、着火用燃料Fが非常に圧縮着火し易いので、圧縮着火に必要な着火用燃料Fの量は少量で済む。   According to the operation method of the natural gas engine 10 and the natural gas engine, a liquid fuel such as GTL having a high cetane number and a relatively large volume with respect to the calorific value is used as the ignition fuel F. As shown in FIG. 4, when starting the natural gas engine 1, the natural gas C can be started with a small amount of ignition fuel F added thereto. That is, since the ignition fuel F is very easy to ignite by compression, the amount of the ignition fuel F necessary for the compression ignition is small.

そして、図4に示すように、この着火用燃料Fの圧縮着火に必要な量における発熱量Fciだけでは、始動時やアイドリング時などでエンジン運転を維持するのに必要な発熱量Tciを確保できなくなるので、天然ガスCも同時に加えて燃焼させて、この発熱量Cciを利用して必要な発熱量Tciを確保することができるようになる。この着火用燃料Fと天然ガスCとの混合により、始動時による着火性の向上と、着火後の発熱量の確保と、CO2発生量の減少の効果を奏することができる。 Then, as shown in FIG. 4, the heat generation amount Fci necessary for maintaining the engine operation at the time of starting or idling can be secured only by the heat generation amount Fci in the amount necessary for the compression ignition of the ignition fuel F. Therefore, the natural gas C is also added and burned at the same time, and the necessary heat generation amount Tci can be secured by using the heat generation amount Cci. By mixing the ignition fuel F and the natural gas C, it is possible to improve the ignitability at the time of start-up, secure the heat generation amount after ignition, and reduce the CO 2 generation amount.

この天然ガスCの混合により、高価な着火用燃料Fのみでエンジンを始動させる方法よりも、着火用燃料Fの消費量を減少できるので、運転コストを低減できる上に、着火用燃料Fのための燃料タンクを小さくすることができる。   By mixing the natural gas C, the consumption amount of the ignition fuel F can be reduced as compared with the method of starting the engine only with the expensive ignition fuel F, so that the operating cost can be reduced and the ignition fuel F can be reduced. The fuel tank can be made smaller.

また、更に、排気導入機構の作動を加えることにより、吸気行程中のシリンダ70内に排気ガスGを導入して、シリンダ70内の着火用燃料Fと天然ガスCと吸入空気Aと排気ガスGの混合気の温度を上昇させることができるので、より少量の着火用燃料Fでも安定して圧縮燃焼して天然ガスCの燃焼もより安定して行えるようになる。   Further, by operating the exhaust introduction mechanism, the exhaust gas G is introduced into the cylinder 70 during the intake stroke, and the ignition fuel F, the natural gas C, the intake air A, and the exhaust gas G in the cylinder 70 are introduced. Therefore, even a smaller amount of ignition fuel F can be stably compressed and combusted, and natural gas C can be combusted more stably.

つまり、排気導入機構の作動により、更に、着火性及び燃焼効率を向上でき、着火のための着火用燃料Fの量をさらに低減することができるので、より少量の着火用燃料Fで済む。その上、全体として燃料F、Cの燃焼により発生する熱量がより少なくなるので、結果として、排気通路13へ流れる熱量がさらに減少し、熱害が減少し耐久性が向上する。   In other words, the operation of the exhaust introduction mechanism can further improve the ignitability and combustion efficiency, and the amount of the ignition fuel F for ignition can be further reduced, so that a smaller amount of the ignition fuel F is sufficient. In addition, since the amount of heat generated by the combustion of the fuels F and C becomes smaller as a whole, as a result, the amount of heat flowing to the exhaust passage 13 is further reduced, heat damage is reduced, and durability is improved.

更に、このシリンダ内温度を高める排気導入機構を利用することにより、シリンダ内温度を着火用燃料Fが着火し易い温度に維持し、少ない燃料量で安定した着火を得ることができ、アイドリング運転領域及び軽負荷運転領域を含む全運転領域において、少量の燃料F、Cで燃焼を安定させることができるので、エンジン振動を少なくして乗り心地性(ドライバビリティ)を向上することができる。また、アイドリング運転領域及び軽負荷両機での運転時の排気ガス量を低減できる。   Further, by utilizing the exhaust introduction mechanism for increasing the temperature in the cylinder, the temperature in the cylinder can be maintained at a temperature at which the ignition fuel F is easily ignited, and stable ignition can be obtained with a small amount of fuel. In addition, since the combustion can be stabilized with a small amount of fuels F and C in the entire operation region including the light load operation region, it is possible to reduce engine vibration and improve ride comfort (drivability). Further, it is possible to reduce the exhaust gas amount during operation in the idling operation region and the light load machine.

また、この着火性の向上により、失火が減少する上に、良好な燃料と発熱量の確保により、エンジン10が低温となっている始動時でもシリンダ内温度を迅速に昇温できるので、始動性がよくなり、また、始動後においても、シリンダ内温度を迅速に昇温できるので、スムーズな加速ができるようになる。更に、GTLを採用した場合には、このGTLには煤の発生源となるアロマが含まれないのでPMの排出量も大幅に減少する。   In addition, the improvement in ignitability reduces the misfire, and by ensuring good fuel and heat generation, the temperature in the cylinder can be quickly raised even when the engine 10 is at a low temperature. In addition, since the temperature in the cylinder can be quickly raised even after starting, smooth acceleration can be achieved. Furthermore, when GTL is adopted, the GTL does not contain aroma that is a source of soot, so the amount of PM emission is greatly reduced.

また、排気導入機構の作動中において、吸気通路12に設けられた吸気シャッタ17による吸気絞り制御と、排気通路13に設けられた排気シャッタ42による排気絞り制御を併用すると、より効率良く排気ガスGをシリンダ70内に逆流させることができ、よりシリンダ内温度を上昇でき、より燃焼効率を高めることができる。   Further, when the exhaust throttle control by the intake shutter 17 provided in the intake passage 12 and the exhaust throttle control by the exhaust shutter 42 provided in the exhaust passage 13 are used in combination during the operation of the exhaust introduction mechanism, the exhaust gas G is more efficiently obtained. Can be caused to flow back into the cylinder 70, the temperature in the cylinder can be further increased, and the combustion efficiency can be further increased.

本発明の天然ガスエンジン及び天然ガスエンジンの運転方法によれば、着火源として液体燃料と、主たる燃料としての天然ガスを使用する天然ガスエンジンにおいて、エンジン始動時やアイドリング運転時や低負荷運転時においても、確実且つ安定して天然ガスを着火できて、少ない量の液体燃料と少ない量の吸入空気で高効率な燃焼を行って、エンジン始動時から天然ガスを混入しても十分に燃焼させることができ、また、アイドリング時や低負荷運転時でも、少量の着火用燃料で天然ガスを燃焼させることができる。   According to the natural gas engine and the operation method of the natural gas engine of the present invention, in a natural gas engine that uses liquid fuel as an ignition source and natural gas as a main fuel, at the time of engine start, idling operation, and low load operation Even when the natural gas can be ignited reliably and stably, high efficiency combustion is achieved with a small amount of liquid fuel and a small amount of intake air. In addition, natural gas can be burned with a small amount of ignition fuel even during idling or low-load operation.

そして、これにより、エンジン出力のために必要とされる熱量の殆どをCO2排出係数が少ない天然ガスの燃焼で賄って、CO2排出量を大幅に低減できて地球温暖化防止を図ることができる。 As a result, most of the heat required for engine output can be covered by the combustion of natural gas with a low CO 2 emission coefficient, and CO 2 emission can be greatly reduced to prevent global warming. it can.

従って、車両に搭載するような多くの天然ガスエンジン及び天然ガスエンジンの運転方法として利用できる。   Therefore, it can be used as a driving method for many natural gas engines and natural gas engines that are mounted on vehicles.

10 天然ガスエンジン
11 エンジン本体
12 吸気通路(吸気系通路)
13 排気通路(排気系通路)
13a バイパス通路
14 EGR通路
15 ターボ式過給器(ターボチャージャ)
16 インタークーラー
17 吸気シャッタ(吸気スロットル)
19 EGRクーラー
20 EGR弁
30 天然ガス供給システム
31 天然ガスタンク(CNGタンク)
35 CNG噴射インジェクタ(天然ガス噴射装置)
41 λセンサ(空気過剰率センサ)
42 排気シャッタ(排気絞り弁)
43 排気流路切替弁
51 制御装置(ECU)
52 アクセルセンサ
53 エンジン回転速度センサ
61 シリンダヘッド
62 点火プラグ
65 吸気系通路
67 排気系通路
68 排気バルブ
69 液体燃料インジェクタ(液体燃料噴射装置)
70 シリンダ
A 吸入空気
C 天然ガス
F 着火用燃料
G 排気ガス
Ge EGRガス
λ 空気過剰率
10 Natural Gas Engine 11 Engine Body 12 Intake Passage (Intake System Passage)
13 Exhaust passage (exhaust system passage)
13a Bypass passage 14 EGR passage 15 Turbo supercharger (turbocharger)
16 Intercooler 17 Intake shutter (intake throttle)
19 EGR cooler 20 EGR valve 30 Natural gas supply system 31 Natural gas tank (CNG tank)
35 CNG injector (natural gas injector)
41 λ sensor (excess air ratio sensor)
42 Exhaust shutter (exhaust throttle valve)
43 Exhaust flow path switching valve 51 Control unit (ECU)
52 Acceleration sensor 53 Engine rotation speed sensor 61 Cylinder head 62 Spark plug 65 Intake system passage 67 Exhaust system passage 68 Exhaust valve 69 Liquid fuel injector (liquid fuel injection device)
70 Cylinder A Intake air C Natural gas F Fuel for ignition G Exhaust gas Ge EGR gas λ Excess air ratio

Claims (4)

燃料として、天然ガスと該天然ガスとは別の着火用燃料を使用し、この着火用燃料のシリンダ内における圧縮着火により前記天然ガスを燃焼させる天然ガスエンジンにおいて、
前記着火用燃料として、単位容積当たりの真発熱量が32MJ(メガジュール)/l(リットル)〜35MJ/lの範囲内で、かつ、セタン価が65〜90の範囲内の液体燃料を使用し、エンジン始動時においては、前記着火用燃料と前記天然ガスの両方を供給して始動するとともに、
シリンダ内に噴射する前記着火用燃料の量を、エンジンの全運転領域で、アイドル運転で必要とされる発熱量に対する着火用燃料の量よりも少ない一定量にするように構成されていることを特徴とする天然ガスエンジン。
In a natural gas engine that uses natural gas and an ignition fuel different from the natural gas as fuel, and burns the natural gas by compression ignition in a cylinder of the ignition fuel,
As the ignition fuel, a liquid fuel having a true calorific value per unit volume in the range of 32 MJ (megajoule) / l (liter) to 35 MJ / l and a cetane number in the range of 65 to 90 is used. When starting the engine, both the ignition fuel and the natural gas are supplied to start the engine .
The amount of the fuel for ignition injected into the cylinder is configured to be a constant amount smaller than the amount of fuel for ignition with respect to the calorific value required for idle operation in the entire operation region of the engine. Characteristic natural gas engine.
吸気行程中のシリンダ内に排気ガスを導入する排気導入機構を備えて構成されることを特徴とする請求項1に記載の天然ガスエンジン。   2. The natural gas engine according to claim 1, further comprising an exhaust introduction mechanism that introduces exhaust gas into a cylinder during an intake stroke. 前記排気導入機構の作動を行う運転状態において、吸気系通路に設けられた吸気シャッタによる吸気絞り制御、若しくは、排気系通路に設けられた排気シャッタによる排気絞り制御の一方又は両方を併用するように構成されたことを特徴とする請求項に記載の天然ガスエンジン。 In the operating state of performing the operation of the exhaust introduction mechanism, intake throttle control by the intake shutter provided in the intake system passage, or to a combination of one or both of the exhaust throttle control by the exhaust gas shutter disposed in the exhaust system path The natural gas engine according to claim 2 , wherein the natural gas engine is configured. 燃料として、天然ガスと該天然ガスとは別の着火用燃料を使用し、この着火用燃料のシリンダ内における圧縮着火により前記天然ガスを燃焼させる天然ガスエンジンの運転方法において、
前記着火用燃料として、単位容積当たりの真発熱量が32MJ(メガジュール)/l(リットル)〜35MJ/lの範囲内で、かつ、セタン価が65〜90の範囲内の液体燃料を使用し、エンジン始動時においては、前記着火用燃料と前記天然ガスの両方を供給して始動するとともに、
シリンダ内に噴射する前記着火用燃料の量を、エンジンの全運転領域で、アイドル運転で必要とされる発熱量に対する着火用燃料の量よりも少ない一定量にすることを特徴とする天然ガスエンジンの運転方法。
In the method of operating a natural gas engine, natural gas and an ignition fuel different from the natural gas are used as fuel, and the natural gas is combusted by compression ignition in a cylinder of the ignition fuel.
As the ignition fuel, a liquid fuel having a true calorific value per unit volume in the range of 32 MJ (megajoule) / l (liter) to 35 MJ / l and a cetane number in the range of 65 to 90 is used. When starting the engine, both the ignition fuel and the natural gas are supplied to start the engine .
A natural gas engine characterized in that the amount of the ignition fuel injected into the cylinder is a constant amount smaller than the amount of the ignition fuel with respect to the calorific value required in the idling operation in the entire operation region of the engine. Driving method.
JP2014198814A 2014-09-29 2014-09-29 Natural gas engine and method of operating natural gas engine Expired - Fee Related JP6398543B2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014198814A JP6398543B2 (en) 2014-09-29 2014-09-29 Natural gas engine and method of operating natural gas engine
PCT/JP2015/076668 WO2016052256A1 (en) 2014-09-29 2015-09-18 Natural gas engine and operation method for same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014198814A JP6398543B2 (en) 2014-09-29 2014-09-29 Natural gas engine and method of operating natural gas engine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016070137A JP2016070137A (en) 2016-05-09
JP6398543B2 true JP6398543B2 (en) 2018-10-03

Family

ID=55630296

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014198814A Expired - Fee Related JP6398543B2 (en) 2014-09-29 2014-09-29 Natural gas engine and method of operating natural gas engine

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6398543B2 (en)
WO (1) WO2016052256A1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6634774B2 (en) * 2015-10-19 2020-01-22 いすゞ自動車株式会社 Natural gas engine and heat shielding method for natural gas engine
WO2023174986A1 (en) 2022-03-17 2023-09-21 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Dual fuel engine system

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4389710B2 (en) * 2003-07-31 2009-12-24 トヨタ自動車株式会社 Bi-fuel engine and mixed fuel estimation method
JP2007239600A (en) * 2006-03-08 2007-09-20 Toyota Motor Corp Multi-fuel engine
US8904994B2 (en) * 2010-04-26 2014-12-09 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Ammonia burning internal combustion engine

Also Published As

Publication number Publication date
WO2016052256A1 (en) 2016-04-07
JP2016070137A (en) 2016-05-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6089640B2 (en) Natural gas engine and method of operating natural gas engine
US7621256B2 (en) System and method for boosted direct injection engine
US9249746B2 (en) System and method for engine control using pre-chamber ignition
JP4033160B2 (en) Control device for internal combustion engine capable of premixed compression self-ignition operation
CA2702246C (en) Method of controlling a direct-injection gaseous-fuelled internal combustion engine system with a selective catalytic reduction converter
US7302918B2 (en) Method and apparatus for providing for high EGR gaseous-fuelled direct injection internal combustion engine
AU2012346417A1 (en) Engine utilizing a plurality of fuels, and a related method thereof
US20160153375A1 (en) Method for operating an engine
JP6089639B2 (en) Natural gas engine and method of operating natural gas engine
WO2017069120A1 (en) Natural gas engine and heat shielding method for natural gas engine
AU2003200843B2 (en) Catalyst heat retention system for multi-fuel engine
JP6398543B2 (en) Natural gas engine and method of operating natural gas engine
JP2017008900A (en) Natural gas engine and operational method of natural gas engine
JP6176274B2 (en) Engine exhaust system
CA2698342A1 (en) Method of controlling a direct-injection gaseous-fuelled internal combustion engine system with a selective catalytic reduction converter
KR101231448B1 (en) Engine for Vehicle

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20170802

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180522

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180719

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20180807

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180820

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6398543

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees