JP6634774B2 - 天然ガスエンジン及び天然ガスエンジンの遮熱方法 - Google Patents

天然ガスエンジン及び天然ガスエンジンの遮熱方法 Download PDF

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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自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遮熱方法に関する。
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、燃料を軽油から、ＣＯ2排出係数が軽油の７２％である天然ガスへ切り替えことによる地球温暖化防止の効果を見込んで、天然ガス（ＣＮＧ）を燃料にする天然ガスエンジン（ＣＮＧエンジン）が開発されてきている。この天然ガスエンジンでは、図６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、この天然ガスエンジンでは、特に、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顕著であるが、図７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側から燃焼室の全体に拡がっていく、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。
その一方で、この天然ガスエンジンでは、排気ガス中のＮＯｘを浄化する、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。そのため、アイドリング運転領域や馬力の少ない軽負荷運転領域においては、量論燃焼のために、燃料の減少に伴って吸入空気量を減少する必要があり、圧縮圧力が低下し、筒内温度が低下するために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。
その上、天然ガスエンジンでは、天然ガスの着火性が悪い上に、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。
特に、エンジン始動時には、天然ガスの着火が困難であり、始動時間に関しても軽油燃料に比べて時間が係るという問題がある。さらに、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。
これらの問題への対策として、天然ガスを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)。
この軽油燃料を併用する天然ガスエンジン１０Ｙでは、図８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。
この燃焼開始時点では、軽油燃料ｆは燃焼室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。
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９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。
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、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たり（例えば、特許文献２参照）、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たりしている（例えば、特許文献３参照）。
さらに、本発明者は、特願２０１４−１９８８１４により、軽油よりも容積当たりの発熱量が小さく、同じ発熱量であってもその容積量が多くなり、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、着火性を示すセタン価が高い自着火用燃料として、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する天然ガスエンジンを提案している。
また、本発明者は、特願２０１５−１２８２５７により、水素と一酸化炭素から直接合成でき、常温では無色・無臭の気体で、６気圧で液化し、真発熱量が６．８〜２８．８ＭＪ／ｋｇ、セタン価が５５〜６０、密度が０．６６７ｇ／ｃｍ3のガスであるジメチルエーテル（ＤＭＥ：ＣＨ3ＯＣＨ3）が、含酸素燃料であるので煤の発生が全く無く、排気ガス対策では有利であることに注目して、このジメチルエーテルを着火用燃料（自着火燃料）として使用する天然ガスエンジンを提案している。
一方、これらの軽油や液体合成燃料（ＧＴＬ）やジメチルエーテル（ＤＭＥ）を補助燃料として使用する天然ガスエンジンでは、排気ガス規制への対応に関しては、空気過剰率λが１のストイキ燃焼で運転されるので、三元触媒を用いてＮＯｘの低減を図っているが、煤の発生が少ないので、煤やＰＭ対策用の微粒子捕集用フィルタを備えていない。
本発明者は、これらの自着火用燃料を使用して天然ガスの燃焼を促進することで、極寒地でのエンジン始動時においても、煤を殆んど若しくは全く発生することなく、自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、天然ガスを十分に燃焼させることで、アイドリング時や低負荷運転時でも、自着火用燃料で天然ガスを効率よく燃焼させて、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して地球温暖化防止を図れると考えた。
しかしながら、天然ガスエンジンにおいては、軽負荷運転状態で燃焼を安定させるためにλ＝１（理論混合比：完全燃焼に必要な余剰空気量）とするために、酸素に余裕がないので、燃焼状態によっては煤の発生の可能性が考えられる。特に、極寒地域でのエンジン始動時では、天然ガスの着火性が悪く、自着火用燃料を増加して燃焼を開始させることになるので、煤の発生の可能性が増加すると考えられる。そして、煤の発生の可能性が少しでもあり、万一、発生する煤量が多くなると、微粒子捕集用フィルタを備える必要が生じたりすると、微粒子捕集用のフィルタ装置が不要になるという天然ガスエンジンの折角の利点を損なうことになるので、この煤の発生への対応は十分すぎるほどに考えておく必要がある。
これに関連して、本発明者は、天然ガスエンジンにおける、軽油やＧＴＬ（液体合成燃料）やジメチルエーテル（ＤＭＥ）等の自着火用燃料の燃焼と、天然ガスの燃焼に関して、検討を重ねた結果、天然ガスを燃焼させるためには、燃焼室内の空気の移動を少なくして、天然ガスを燃焼室に吸い込んで燃焼室の下部に溜め込んだところで、自着火用燃料を噴射して天然ガスの上方に拡散して散在させた上で、図４に示すように、ピストンの吸気行程で排気ガスを導入するために排気バルブを開くことにより、排気ポートからの高温の排気ガスを燃焼室の上方部分に吸い込む等して、できるだけ燃焼室の温度を上昇させておいてから、ピストンの圧縮行程で、天然ガスと吸気の混合気を圧縮して昇温して、自着火用燃料を圧縮着火することが重要であるとの知見を得た。
つまり、燃焼室の底部側から天然ガスと吸気の混合気の滞留層を作り、その上に排気導入された排気ガス層を載せて、この温度の高い排気ガス層に向けて、自着火用燃料を噴霧して分散して圧縮着火させることで、天然ガスの燃焼を良好に行うことができるが、この圧縮行程のときの燃焼室の温度は少しでも高い方がよいとの知見を得た。
また、天然ガスは低温時では着火性に劣るため、燃焼室内にスワール等の渦流が発生すると自着火用燃料の火種により天然ガスが燃焼を開始しても、この空気の渦流に吹き消されて天然ガスにおける火炎伝搬が妨げられてしまい易いという知見も得た。
また、その一方で、燃焼室の温度を上昇させるために、ピストンのピストンヘッド、ヘッドライナ及びシリンダブロックの孔部に配置されたシリンダライナ等を耐熱性セラミック部材で覆って遮熱するディーゼルエンジン（例えば、特許文献４（段落〔００１５〕）参照）のように、燃焼室の全周囲を遮熱部材で形成する構成にすると、排気バルブや排気ポート側の近傍に局所的な高温部が生じて、オクタン価の高い天然ガスがこの温度が高くなった部分から自着火してデトネーション（異常燃焼：爆発燃焼）が発生し、天然ガスエンジンに破損を生じてしまうという知見も得た。
特開２０１２−５７４７１号公報 特開２０１４−１０９１９８号公報 特開２０１４−１０９１９９号公報 特開２０００−３２８９７３号公報
本発明の目的は、自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、極寒地でのエンジン始動時においても、煤を発生することなく、自着火用燃料を効率よく使用して、確実且つ安定して天然ガスを着火できて、自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、天然ガスを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、自着火用燃料で天然ガスを効率よく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及び天然ガスエンジンの遮熱方法を提供することにある。
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、シリンダ内にピストンを備え、シリンダ内における前記ピストンよりも上方側の領域であり且つシリンダ内における前記ピストンとシリンダヘッドとの間の領域に、燃料が燃焼する燃焼室が設けられ、燃料として、天然ガスと該天然ガスとは別の自着火用燃料を使用し、この自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、前記天然ガスを噴射するガス噴射用の主燃料噴射装置と前記自着火用燃料を噴射する液体噴射用の自着火用燃料噴射装置を備えると共に、前記ピストンのみに対して遮熱材料を用いて、該ピストンの少なくとも前記燃焼室の一部又は前記燃焼室の全部を前記遮熱材料で覆っているか、または、該ピストンを前記遮熱材料で形成しており、該ピストンの少なくとも前記燃焼室の一部又は前記燃焼室の全部を前記遮熱材料で覆っているとは、前記ピストンにキャビテイがない場合は、前記ピストンを上から見たときの面積で前記ピストンの面積の７０％以上を前記遮熱材料で覆うことを意味し、前記ピストンにキャビテイがある場合には、前記キャビテイの底面積以上を前記遮熱材料で覆うことを意味し、シリンダ内に噴射する前記自着火用燃料の量を、エンジン始動時及びエンジン始動時以外のエンジン運転状態である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前記自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、前記天然ガスの量の増減で行うように構成されている。
この構成によれば、ピストン頂部が、セラミックや鋳鉄などのアルミニウム合金に比べて熱伝導率の悪く遮熱効果のある遮熱材料（以下の説明において、遮熱材料を遮熱部材と別称する場合がある）で覆われるので、圧縮行程でピストン頂部が上昇して燃焼室が狭くなっているときに、燃焼室の周囲に占める遮熱部材の割合が大きくなり、軽油やＧＴＬやＤＭＥ等の自着火用燃料の着火前後で、遮熱部材による燃焼室内の保温効果を大きくすることができる。
言い換えれば、点火源で着火する燃料である天然ガスの燃焼促進のために、自着火燃料を使用するので、周囲温度上昇（遮熱）が天然ガスの燃焼に良い効果を現すが、アルミ材のように熱伝導の良い材料で燃焼室の周囲を形成してしまうために、周囲空気、特にピストン表面付近の空気が冷却され自着火燃料が着火し難くなってしまう。それに対して、この構成では、できるだけ広く燃料が自着火するようにピストン上面のみを遮熱し、自着火燃料の着火を効果的に促進できる。
この遮熱部材としては、アルミニウムの熱電伝導率が、２００〜２４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であるので、これに比べれば、熱電伝導率が半分（１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ））以下の部材で遮熱効果を発揮できるので、ここでは、遮熱部材として、熱電伝導率が１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の材料で構成される部材とする。
また、この遮熱部材は遮熱効果があればよいので、ピストン全体をこの遮熱部材で形成してもよいが、燃焼室の底部のあるピストン頂部のみを遮熱部材で形成したり、コーティングしたりしてもよい。そして、「少なくとも燃焼室の一部又は全部を遮熱部材で覆う」とは、ピストンにキャビテイがない場合は、ピストンを上から見たときの面積でピストン面積の７０％以上であり、ピストンにキャビテイがある場合はキャビテイの底面積以上を遮熱部材で覆っていることをいう。なお、遮熱によってノッキングが生じる場合は、排気側の局所的に高温となる部分はコーティングしない場合もある。
従って、これにより、自着火用燃料が燃焼し始めた時の燃焼室の保温効果を高めることができて、自着火用燃料の着火を促進できるので、この自着火用燃料の着火による多くの着火源から天然ガスを燃焼させることができる。つまり、自着火用燃料の着火促進技術として、ピストンの頂部を形成する素材を遮熱性が良い材料、例えば、セラミックや鋳鉄にしてピストンの頂部における遮熱を行い、自着火用燃料の着火と天然ガスへの燃焼の伝搬を促進する。その結果、燃焼の安定化を行うことでき、また、燃料と空気の混合割合、及び、天然ガスの全燃料(天然ガス＋自着火用燃料)に対する割合を高めて、天然ガスの利用率を高めることができる。
また、ピストンのみに対して遮熱材料を用いているので、燃焼室の周囲全体を遮熱する構成と異なり、排気バルブや排気ポート側の近傍に局所的な高温部が生じて、この部分からデトネーション（異常燃焼）が発生することを防止することができる。このデトネーションの発生を防止するために、敢えて、シリンダヘッドやシリンダライナには遮熱構造をせず、ピストン頂頭面側のみをセラミック材料などで遮熱する。
特に、エンジン始動時においては、自着火用燃料のみを供給して、又は、自着火用燃料と天然ガスの両方を供給して始動するが、この場合に、遮熱材料を設けているのでピストンからの熱が逃げないので、エンジン始動時にシリンダ内温度を迅速に高くすることができ、始動性を向上させることができる。
つまり、エンジン始動時においては、上記の遮熱部材による保温の効果がより大きく、天然ガスの燃焼により貢献することができる。また、極寒地におけるエンジン始動では、自着火用燃料のみで燃焼させることになる場合もあるので、この場合は少ない自着火用燃料の量でかつ短時間でエンジンを暖機できるようになる。
なお、アイドリング時や低負荷運転時では、極寒地であっても、自着火用燃料の着火により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。
その上、自着火用燃料を使用した場合には、煤となる成分が少ないので、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルター）などの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無いので、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。
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ていると、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の自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。
その結果、少量の自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、この自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、吸入空気量を絞って、空気過剰率が１．０近傍で燃焼させても、燃焼効率が良く安定した燃焼を実現でき、煤の発生も少なく、また、自着火用燃料の量を更に低減できるので、自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。
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、始動時でも少量の自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。
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自着火用燃料が着火し易い温度に維持し、少ない自着火用燃料の量で安定した着火を得ることができ、少量の補助自動車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。
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。
また、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前記自着火用燃料の量を、エンジン始動時及びエンジン始動時以外のエンジン運転状態である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前記自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、前記天然ガスの量の増減で行うように構成されているので、自着火用燃料の量が一定という非常に簡単な制御で確実に自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。
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、前記吸気絞り制御及び前記排気絞り制御の両方を行うように構成されていると、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。
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逆流させ易くなり、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。
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遮熱方法は、シリンダ内にピストンを備え、シリンダ内における前記ピストンよりも上方側の領域であり且つシリンダ内における前記ピストンとシリンダヘッドとの間の領域に、燃料が燃焼す
る燃焼室が設けられ、燃料として、天然ガスと該天然ガスとは別の自着火用燃料を使用し、前記天然ガスを噴射するガス噴射用の主燃料噴射装置と前記自着火用燃料を噴射する液体噴射用の自着火用燃料噴射装置を備えて、この自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遮熱方法において、前記ピストンのみに対して遮熱材料を用いて、該ピストンの少なくとも前記燃焼室の一部又は前記燃焼室の全部を前記遮熱材料で覆っているか、または、該ピストンを前記遮熱材料で形成しており、該ピストンの少なくとも前記燃焼室の一部又は前記燃焼室の全部を前記遮熱材料で覆っているとは、前記ピストンにキャビテイがない場合は、前記ピストンを上から見たときの面積で前記ピストンの面積の７０％以上を前記遮熱材料で覆うことを意味し、前記ピストンにキャビテイがある場合には、前記キャビテイの底面積以上を前記遮熱材料で覆うことを意味し、シリンダ内に噴射する前記自着火用燃料の量を、エンジン始動時及びエンジン始動時以外のエンジン運転状態である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前記自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、前記天然ガスの量の増減で行うことを特徴とする方法である。この方法によれば、上記の天然ガスエンジンと同様の効果を奏することができる。
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遮熱方法によれば、ピストンをセラミックス等で遮熱し高温度雰囲気で天然ガスを着火するので、安定した燃焼が実現して、燃焼効率が良くなる。そのため、エンジンの始動性が良くなり、また、軽負荷運転状態における燃焼が安定する。
そして、シリンダ内における天然ガスの燃焼性が向上するのでエンジン振動が少なくなりスムーズな加速ができる。さらに、安定して自着火用燃料が着火するのでこの自着火用燃料の噴射量を少量にすることができ、煤の発生量を減少又は殆んどゼロにできるので、後処理装置で微粒子を補修するフィルタ装置が不要になる。また、煤の発生量が著しく少ないので大幅にＥＧＲができＮＯｘの発生量を減少できる。そのため、ＳＣＲ触媒が不要となる。
つまり、極寒地でのエンジン始動時や低負荷運転時においても、煤を発生することなく、補助燃料を効率よく使用して、確実且つ安定して天然ガスを着火できて、補助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、自着火用燃料で天然ガスを燃焼させることができる。
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。
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。 本発明の実施の形態の天然ガスエンジンにおけるピストンのコーティング領域を示す構成図であり、また、排気導入の説明のための図である。 ピストンの頂上面における遮熱コーティングの領域の例を示す図である。 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。 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自着火用燃料と天然ガスとの関係を示す図である。 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。 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。 自着火用燃料を併用する天然ガスエンジンの自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。 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。
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遮熱方法について、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、空気過剰率λが１．０〜２．０のストイキ燃焼又はリーン燃焼で運転される天然ガスエンジンであり、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。
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。
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内の燃焼室に導入される。
また、図１に示すように、軽油又は液体合成燃料（ＧＴＬ）又はジメチルエーテル（ＤＭＥ）等の自着火用燃料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１８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（図示しない）で浄化されて大気中に放出される。
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。
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、液体で噴射される自着火用燃料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、自着火用燃料Ｆを必要に応じて加圧して液体状態で保管、供給、噴射を行うために、気密性を有する加圧タンクである燃料タンク８１と潤滑性をアップした加圧ポンプ(図示しない)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（自着火用燃料噴射装置）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、自着火用燃料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。
そして、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（主燃料噴射装置）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。
つまり、本発明の実施の形態の天然ガスエンジン１０は、燃料として、天然ガスＣとこの天然ガスＣとは別の自着火用燃料Ｆを使用し、この自着火用燃料Ｆのシリンダ内における圧縮着火により天然ガスを燃焼させる天然ガスエンジンであり、天然ガスＣを噴射するガス噴射用のＣＮＧ噴射インジェクタ３５と自着火用燃料Ｆを噴射する液体噴射用の液体燃料噴射インジェクタ６９を備えている。
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。
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内の燃焼室に噴射した自着火用燃料Ｆの圧縮着火により自着火用燃料Ｆを燃焼させ、この燃焼した自着火用燃料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。
そして、本発明においては、この天然ガスエンジン１０では、ピストン６３のみに対して遮熱材料６３ａを用いて、図２及び図３に示すように、このピストン６３の少なくとも燃焼室の一部又は全部を遮熱材料６３ａで覆っているか、または、特に図示しないが、ピストン６３の一部又は全部を遮熱材料６３ａで形成している状態に構成される。
また、この遮熱部材６３ａは遮熱効果があればよいので、ピストン６３の全体をこの遮熱部材６３ａで形成してもよいが、燃焼室の一部を遮熱部材６３ａで形成したり、コーティングしたりしてコーティング領域Ｒｃを形成してもよい。このコーティング領域（図３のクロスハッチング部分）Ｒｃの部分は排気流近傍が高温になるため、その部分は遮熱コーティングを除去する非コーティング領域（図３のハッチング部分）Ｒｎを形成するようにマスクをして製造するのが望ましい。そして、ピストン６３にキャビテイがない場合でも、排気流近傍は遮熱コーティングせずにその他の部分のみピストン６３の上面を遮熱部材６３ａで覆う構造とする。
この遮熱部材６３ａとしては、アルミニウムの熱電伝導率が、２００〜２４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であるので、これに比べれば、熱電伝導率が半分（１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ））以下の部材で遮熱効果を発揮できるので、ここでは、遮熱部材として、熱電伝導率が１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の材料で構成される部材とする。例えば、熱電伝導率が１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より小さい、セラミック（炭化ケイ素（約６０Ｗ／（ｍ・Ｋ））、アルミナ（約３２Ｗ／（ｍ・Ｋ））、窒化ケイ素（約２０Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ジルコニア（約３Ｗ／（ｍ・Ｋ））だけなく鋳鉄（約５０Ｗ／（ｍ・Ｋ））などを採用することができ、十分に遮熱効果を発揮できる。
つまり、本発明に係る実施の形態の天然ガスエンジンの遮熱方法は、燃料として、天然ガスＣとこの天然ガスＣとは別の自着火用燃料Ｆを使用し、天然ガスＣを噴射するガス噴射用のＣＮＧ噴射インジェクタ３５と自着火用燃料Ｆを噴射する液体噴射用の液体燃料噴射インジェクタ６９を備えて、この自着火用燃料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の遮熱方法であり、この天然ガスエンジンの遮熱方法において、ピストン６３のみに対して遮熱材料６３ａを用いて、このピストン６３の少なくとも燃焼室の一部又は全部を遮熱材料６３ａで覆っているか、または、ピストン６３を遮熱材料６３ａで形成していることを特徴とする方法である。
この構成によれば、ピストン６３の頂部が、セラミックや鋳鉄などのアルミニウム合金に比べて熱伝導率の悪く遮熱効果のある遮熱部材６３ａで覆われるので、圧縮行程でピストン６３の頂部が上昇して燃焼室が狭くなっているときに、燃焼室の周囲に占める遮熱部材６３ａの割合が大きくなり、軽油やＧＴＬやＤＭＥ等の自着火用燃料Ｆの着火前後で、遮熱部材６３ａによる燃焼室の内部の保温効果を大きくすることができる。
従って、これにより、自着火用燃料Ｆが燃焼し始めた時の燃焼室の保温効果を高めることができて、自着火用燃料Ｆの着火を促進できるので、この自着火用燃料Ｆの着火による多くの着火源から天然ガスＣを燃焼させることができる。
つまり、自着火用燃料Ｆの着火促進技術として、ピストン６３の頂部を形成する素材を遮熱性が良い材料、例えば、セラミックや鋳鉄にしてピストン６３の頂部における遮熱を行い、自着火用燃料Ｆの着火と天然ガスＣへの燃焼の伝搬を促進する。その結果、燃焼の安定化を行うことでき、また、燃料（Ｃ＋Ｆ）と空気Ａの混合割合、及び、天然ガスＣの全燃料(天然ガスＣ＋自着火用燃料Ｆ)に対する割合を高めて、天然ガスＣの利用率を高めることができる。
この場合に、ピストン６３のみに対して遮熱材料６３ａを用いているので、燃焼室の周囲全体を遮熱する構成と異なり、排気バルブ６８や排気系通路６７の排気ポート側の近傍に局所的な高温部が生じて、この部分からデトネーション（異常燃焼）が発生することを防止することができる。このデトネーションの発生を防止するために、敢えて、シリンダヘッドやシリンダライナには遮熱構造をせず、ピストン頂頭面側のみをセラミック材料などで遮熱する。
この自着火用燃料Ｆに、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、例えば、液体合成燃料（ＧＴＬ：Ｇａｓ Ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ）を使用する場合には、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。
また、この自着火用燃料Ｆにジメチルエーテル（ＤＭＥ）を使用した場合には、このジメチルエーテルは、常温では無色・無臭の気体で、常圧−２５℃、又は、常温６気圧で液化し、真発熱量が６．８〜２８．８ＭＪ／ｋｇ、セタン価が５５〜６０、密度が０．６６７ｇ／ｃｍ3のガスであり、単位重量当たりの発熱量は軽油の７割程度で、単位体積当たりの発熱量は軽油の５割程度であるため、単位容積当たりの熱量が軽油よりも低くなる。
そして、単位容積当たりの熱量が軽油よりも低くなると、その分噴射量が多くなるので、ＧＴＬやＤＭＥでは、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、自着火用燃料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、セタン価に関しては、ＧＴＬは軽油に比較して１５程度向上しているので、また、ＤＭＥは、軽油と略同等又は少し高いので、それぞれ着火性が高く、圧縮着火性能を高めることができる。これらの結果、自着火用燃料の調整不良による燃料噴射における無駄を無くすことができ、自着火用燃料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。
従って、自着火用燃料Ｆを単に軽油の代わりにＧＴＬやＤＭＥを使用する場合は、単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Ｃを混入しても十分に燃焼させることができる。
その上、このＧＴＬやＤＭＥは、軽油に比べて硫黄分が無く、煤となる成分が少ないので、微粒子捕集用フィルタを不要にしたり、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無いので、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。
そして、エンジン始動時においては、吸気温度によって、言い換えれば、極寒状態であるか否かによって、この自着火用燃料Ｆのみを供給して、又は自着火用燃料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。この場合に、遮熱材料６３ａを設けているのでピストン６３からの熱が逃げないので、エンジン始動時にシリンダ内温度を迅速に高くすることができ、始動性を向上させることができる。
つまり、エンジン始動時においては、遮熱部材６３ａによる保温の効果がより大きく、天然ガスＣの燃焼により貢献することができる。また、極寒地におけるエンジン始動では、自着火用燃料Ｆのみで燃焼させることになる場合もあるので、この場合は少ない自着火用燃料Ｆの量でかつ短時間で天然ガスエンジン１０を暖機できるようになる。
なお、極寒地においても、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、自着火用燃料Ｆの着火によりで天然ガスＣ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Ｃ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Ｃ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。
その上、自着火用燃料Ｆを使用した場合には、煤となる成分が少ないので、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルター）などの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無いので、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。
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４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。
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４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。
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。
この排気導入機構の作動により、シリンダ７０内の自着火用燃料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、少量の自着火用燃料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。
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。
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。
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とは別の自着火用燃料Ｆを使用し、この自着火用燃料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、エンジン始動時においては、自着火用燃料Ｆのみを供給して、又は、自着火用燃料Ｆと天然ガスＣの両方を供給して始動する方法である。
この自着火用燃料Ｆのみを供給するか、自着火用燃料Ｆと天然ガスＣの両方を供給するかは、極寒状態であるか否かを判断して、極寒状態である場合には、着火し易いジ自着火用燃料Ｆのみを供給して始動を確実に行い、極寒状態でない場合には、自着火用燃料Ｆと天然ガスＣの両方を供給して、自着火用燃料Ｆの消費を抑制する。
なお、この極寒状態であるか否かの判定には、例えば、吸気温度やエンジン冷却水の水温を判定に使用でき、それぞれの閾値より低い場合は極寒状態であると判定する。
この始動時における自着火用燃料Ｆと天然ガスＣの割合は、発熱量ベースでは、自着火用燃料Ｆの発熱量が総発熱量の２０％以上が必要で、好ましくは、２０％〜１００％とする。なお、極寒状態では自着火用燃料Ｆの発熱量が１００％であるが、極寒状態に近づく程、自着火用燃料Ｆの割合は大きくなり、総発熱量の１００％に近い値となる。
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、自着火用燃料Ｆに、セタン価が比較的高く、発熱量に対して容積が多い、自着火用燃料Ｆを用いることで、図５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に少量の自着火用燃料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、自着火用燃料Ｆは圧縮着火し易いので、圧縮着火に必要な自着火用燃料Ｆの量は少量で済む。
この自着火用燃料Ｆの発熱量Ｆｃｉのシリンダ以内に供給される自着火用燃料Ｆの発熱量Ｆｃｉと天然ガスＣの総発熱量に対する割合は、安定して着火できることが重要であるので、吸気温度又はエンジン冷却水の水温が高ければ天然ガスＣは着火し易い状態になるので自着火用燃料Ｆの発熱量Ｆｃｉの割合は少なくてよく、吸気温度又はエンジン冷却水の水温が低ければ天然ガスＣは着火し難い状態になるので自着火用燃料Ｆの発熱量Ｆｃｉの割合は多くすることが好ましい。つまり、吸気温度又はエンジン冷却水の水温の高低に応じて、自着火用燃料Ｆの発熱量Ｆｃｉの割合を増減する構成にすることが好ましい。
更に、図５に示すように、シリンダ７０内に噴射する自着火用燃料Ｆの発熱量Ｆｃｉを、天然ガスエンジン１０の全運転領域で、始動時の自着火用燃料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。
この運転方法によれば、この排気導入機構を備えた自着火用燃料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、吸気温度又はエンジン冷却水の水温に大きな変化が無ければ、エンジン始動時及びこのエンジン始動時以外のエンジン運転状態においても、この自着火用燃料Ｆと天然ガスＣとの割合を一定とし、この自着火用燃料Ｆの燃焼を天然ガスＣの着火に使用する。これにより、エンジン運転状態に応じてこの自着火用燃料Ｆと天然ガスＣとの割合を変更するような制御と比較すると、常に、自着火用燃料量を一定とするという簡単な制御で、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。
そして、図５に示すように、この自着火用燃料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、極寒状態であれば、自着火用燃料Ｆの噴射量を増加することにより発熱量を追加して発熱量Ｔｃｉを確保し、極寒状態でなければ、天然ガスＣも同時に加えて燃焼させて、自着火用燃料Ｆの発熱量Ｆｃｉに天然ガスＣの発熱量Ｃｃｉを加えて必要な発熱量Ｔｃｉを確保する。この自着火用燃料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。
この天然ガスＣの混合により、自着火用燃料Ｆのみでエンジンを始動させる方法よりも、自着火用燃料Ｆと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、自着火用燃料Ｆとのための燃料タンクを小さくすることができる。
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内の自着火用燃料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、少量の自着火用燃料ル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。
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、着火のための自着火用燃料Ｆの量をさらに低減することができるので、より少量の自着火用燃料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。
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、シリンダ内温度を自着火用燃料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。
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、自着火用燃料Ｆには煤の発生源となる成分が含まれないのでＰＭの排出量も大幅に減少する。
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。
本発明の天然ガスエンジン及び天然ガスエンジンの遮熱方法によれば、自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、極寒地でのエンジン始動時や低負荷運転時においても、煤を発生することなく、自着火用燃料としての自着火用燃料を効率よく使用して、確実且つ安定して天然ガスを着火できて、自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、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、自着火用燃料で天然ガスを燃焼させることができる。
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。
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遮熱方法として利用できる。
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）
１７ 吸気シャッタ（吸気スロットル）
１８ 排気ガス浄化装置（後処理装置）
１８ｄ 小型の連続再生式ＤＰＦ
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（主燃料噴射装置）
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）
６１ シリンダヘッド
６２ 点火プラグ
６３ ピストン
６３ａ 遮熱部材
６４ キャビテイ
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（自着火用燃料噴射装置）
７０ シリンダ
Ａ 吸入空気
Ｃ 天然ガス
Ｆ 自着火用燃料
Ｇ 排気ガス
Ｇｅ ＥＧＲガス
λ 空気過剰率

Claims (4)

  1. シリンダ内にピストンを備え、シリンダ内における前記ピストンよりも上方側の領域であり且つシリンダ内における前記ピストンとシリンダヘッドとの間の領域に、燃料が燃焼する燃焼室が設けられ、燃料として、天然ガスと該天然ガスとは別の自着火用燃料を使用し、この自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、
    前記天然ガスを噴射するガス噴射用の主燃料噴射装置と前記自着火用燃料を噴射する液体噴射用の自着火用燃料噴射装置を備えると共に、前記ピストンのみに対して遮熱材料を用いて、該ピストンの少なくとも前記燃焼室の一部又は前記燃焼室の全部を前記遮熱材料で覆っているか、または、該ピストンを前記遮熱材料で形成しており、
    該ピストンの少なくとも前記燃焼室の一部又は前記燃焼室の全部を前記遮熱材料で覆っているとは、前記ピストンにキャビテイがない場合は、前記ピストンを上から見たときの面積で前記ピストンの面積の７０％以上を前記遮熱材料で覆うことを意味し、前記ピストンにキャビテイがある場合には、前記キャビテイの底面積以上を前記遮熱材料で覆うことを意味し、
    シリンダ内に噴射する前記自着火用燃料の量を、エンジン始動時及びエンジン始動時以外のエンジン運転状態である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前記自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、前記天然ガスの量の増減で行う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。
  2. 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てい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。
  3. 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、前記吸気絞り制御及び前記排気絞り制御の両方を行うように構成されたことを特徴とする請求項２に記載の天然ガスエンジン。
  4. シリンダ内にピストンを備え、シリンダ内における前記ピストンよりも上方側の領域であり且つシリンダ内における前記ピストンとシリンダヘッドとの間の領域に、燃料が燃焼
    する燃焼室が設けられ、燃料として、天然ガスと該天然ガスとは別の自着火用燃料を使用し、前記天然ガスを噴射するガス噴射用の主燃料噴射装置と前記自着火用燃料を噴射する液体噴射用の自着火用燃料噴射装置を備えて、この自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遮熱方法において、
    前記ピストンのみに対して遮熱材料を用いて、該ピストンの少なくとも前記燃焼室の一部又は前記燃焼室の全部を前記遮熱材料で覆っているか、または、該ピストンを前記遮熱材料で形成しており、
    該ピストンの少なくとも前記燃焼室の一部又は前記燃焼室の全部を前記遮熱材料で覆っているとは、前記ピストンにキャビテイがない場合は、前記ピストンを上から見たときの面積で前記ピストンの面積の７０％以上を前記遮熱材料で覆うことを意味し、前記ピストンにキャビテイがある場合には、前記キャビテイの底面積以上を前記遮熱材料で覆うことを意味し、
    シリンダ内に噴射する前記自着火用燃料の量を、エンジン始動時及びエンジン始動時以外のエンジン運転状態である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前記自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、前記天然ガスの量の増減で行うことを特徴とする天然ガスエンジンの遮熱方法。
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