WO2014084023A1 - 天然ガスエンジン及び天然ガスエンジンの運転方法 - Google Patents

天然ガスエンジン及び天然ガスエンジンの運転方法 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a natural gas engine having a high-efficiency combustion system that burns natural gas fuel by compression ignition using a self-ignition fuel source such as light oil without using a spark ignition system, and a method for operating the natural gas engine About.
  • the natural gas engine (CNG engine) 10X of the prior art ignites the natural gas fuel C compressed by the piston 63 by spark ignition by the spark plug 62 provided in the cylinder head 61. Natural gas fuel C is burned.
  • the natural gas fuel C is supplied by a natural gas fuel injector (natural gas fuel injection device) 35 provided in an intake system passage 65 communicating with a combustion chamber 64 formed between the cylinder head 61 and the top of the piston 63.
  • the air is injected into the intake air A, and is taken into the combustion chamber 64 in the intake stroke in which the intake valve 66 is opened together with the intake air A.
  • This natural gas fuel C is ignited by an electric spark of a spark plug 62 disposed at the center upper part of the combustion chamber 64, and although it is an image, the combustion expands in layers as shown by thin lines.
  • the piston 63 is pushed down to work in the expansion stroke accompanied by the expansion of the combustion gas due to the combustion, and the combustion gas (exhaust gas) G is sent to the exhaust system passage 67 in the exhaust stroke in which the next exhaust valve 68 is opened. Exhaust.
  • the stratified combustion causes the combustion chamber 64 to Since the natural gas fuel C burns so as to spread from the substantial center to the entire combustion chamber 64, the force for pushing down the piston 63 is made uniform, and the overall pressing force Fp is directed toward the central axis of the piston 63. Reciprocates smoothly.
  • the high-temperature combustion gas G flows out to the exhaust system passage 67 side of the engine 10X, while the low-temperature intake air A is supplied to the intake system passage 65 side. Therefore, the temperature on the exhaust system passage 67 side becomes higher than that on the intake system passage 65 side, and in particular, the portion H indicated by cross hatching in FIG. 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.
  • an exhaust gas treatment device carrying the three-way catalyst is provided in the exhaust passage to reduce NOx in the exhaust gas.
  • This three-way catalyst is preferably in an air-fuel ratio rich state in which the oxygen concentration in the exhaust gas is low because the catalyst performance deteriorates in an air-fuel ratio lean state with a large amount of oxygen. Therefore, in the cylinder, combustion is performed by stoichiometric combustion (combustion at a theoretical mixing ratio: complete combustion in which oxygen becomes zero after combustion) or rich combustion (combustion having a low oxygen concentration close to the theoretical mixing ratio).
  • the amount of intake air into the cylinder is controlled by an intake throttle valve provided in the intake passage, and the intake air is supplied as oxygen necessary and sufficient to burn the natural gas fuel. Make stoichiometric combustion.
  • CNG natural gas
  • CNG fuel injection device CNG fuel injection device
  • light oil is injected to a light oil injector
  • the oil is injected into the combustion chamber with a light oil fuel injection device) and mixed with light oil with high compression ignitability to burn CNG using light oil as a fire type.
  • the ratio of CNG and light oil is the maximum pressure during combustion in the combustion chamber.
  • the light oil fuel f is converted into a light oil fuel injection injector (light oil oil) in the compression stroke of compressing the air-fuel mixture in which the natural gas fuel C and the intake air A are mixed.
  • (Fuel injection device) 69 is injected and diffused in the combustion chamber 64, the temperature of the mixture rises due to adiabatic compression of the mixture, and when the temperature exceeds the ignition (ignition) temperature of light oil, the light oil fuel f is generated by compression ignition. Combustion is started and the natural gas fuel C around this fire is also burned.
  • 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. A substantially uniform force is applied. Therefore, the pressing force Fp that pushes down the piston 63 is substantially in the direction of the central axis of the piston 63, and the piston 63 reciprocates smoothly. Therefore, detonation can be prevented in the engine using this light oil fuel and natural gas fuel. In addition, since no spark plug is used, the heat damage of the spark plug does not occur.
  • the stoichiometric engine having an excess air ratio ⁇ of 1 as compared with the conventional diesel engine operated with an excess air ratio ⁇ of 2-8.
  • the amount of intake air 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.
  • the compression pressure in the cylinder decreases significantly. There is a problem that combustion becomes unstable, and this needs to be solved.
  • an exhaust cam is formed in two stages with an exhaust introduction cam, or an exhaust introduction valve is provided to exhaust gas into the cylinder during the intake stroke.
  • a diesel engine that has an exhaust introduction mechanism for introduction and raises the exhaust temperature (temperature in the cylinder) by operating the intake shutter, exhaust shutter, and exhaust introduction mechanism when the exhaust temperature range is a low temperature range is doing.
  • this diesel engine is an engine that uses only light oil as a fuel, an exhaust introduction mechanism that raises the temperature in the cylinder by causing a part of the exhaust gas in the exhaust passage to flow back into the cylinder during the intake stroke of the engine, This is an engine that can stably ignite the fuel in the cylinder even if the intake air amount is reduced by the intake throttle valve when the engine is in a light load state.
  • the present inventor can solve the problems of the natural gas engine described above by incorporating an exhaust introduction mechanism for introducing exhaust gas into the cylinder during the intake stroke. As a result, the present invention has been conceived.
  • An object of the present invention is to provide an engine including a natural gas fuel injection device that injects light oil fuel as an ignition source into a combustion chamber and injects natural gas fuel into an intake system passage in a low-load operation state, stoichiometric combustion, or rich combustion.
  • Another object of the present invention is to provide a natural gas engine that can ignite natural gas fuel reliably and stably, and that can perform highly efficient combustion with less fuel and less intake air, and a method for operating the natural gas engine.
  • a natural gas engine of the present invention injects natural gas fuel into an intake system passage, injects light oil fuel of an ignition source into a cylinder, and sparks upon ignition of natural gas fuel.
  • a natural gas engine that burns natural gas fuel by compression ignition of light oil fuel injected into a cylinder without using an ignition system, and includes an exhaust introduction mechanism that introduces exhaust gas into the cylinder during the intake stroke .
  • this exhaust introduction mechanism can employ
  • an exhaust cam for operating the exhaust valve is additionally formed with an exhaust introduction cam profile having a phase angle of about 90 ° in a normal cam feel that opens the exhaust valve in a normal exhaust stroke.
  • the other is to provide an exhaust introduction valve that operates an on-off valve with an electromagnetic solenoid that is different from the exhaust valve, and by giving a drive signal to this electromagnetic solenoid according to the operating state of the engine, during the intake stroke Lift and open the exhaust introduction valve.
  • the exhaust gas is introduced during the intake stroke by communicating the inside of the cylinder and the exhaust system passage.
  • the high-temperature exhaust gas in the exhaust system passage can be caused to flow back into the cylinder as appropriate during the intake stroke, so that the high-temperature exhaust gas can be introduced into the cylinder immediately after combustion.
  • the temperature of the mixture of light oil fuel, natural gas fuel, intake air, and exhaust gas in the cylinder can be raised.
  • the high-temperature exhaust gas is introduced immediately after combustion, the effect of increasing the in-cylinder temperature is remarkably increased as compared with the introduction of EGR gas whose temperature is lowered via the EGR passage provided with the EGR cooler.
  • the operation of the exhaust introduction mechanism improves the startability because the temperature in the cylinder can be quickly raised even when the engine is cold.
  • the amount of misfire and unburned hydrocarbon (unburned HC) emitted by the starting is greatly reduced.
  • the temperature in the cylinder can be quickly raised, smooth acceleration can be achieved.
  • the temperature in the cylinder can be maintained at a temperature at which light oil is easy to ignite even under light load operation, and stable ignition can be obtained with a small amount of light oil.
  • combustion can be stabilized with a small amount of fuel, engine vibration can be reduced and riding comfort (drivability) can be improved.
  • the amount of exhaust gas in a light load state can be reduced.
  • the capacity of the DPF provided in the bypass passage can be reduced and the size can be reduced.
  • the small DPF can be arranged near the engine body at a high temperature, and the amount of PM due to light oil combustion in the exhaust gas released to the atmosphere can be reduced.
  • control is performed not to bypass the bypass passage but to pass through a large DPF of the latter stage provided in the exhaust passage, so that the exhaust resistance is also reduced. The soot is purified with less DPF.
  • the amount of light oil fuel injected into the cylinder is the amount of light oil fuel for idle operation in the entire engine operating range, and the engine output is increased or decreased by increasing or decreasing the amount of natural gas fuel.
  • the diesel engine of light oil fuel equipped with this exhaust introduction mechanism stable combustion was originally maintained in the idling operation state. Therefore, by using this light oil combustion for ignition of natural gas, Compared with control that changes the ratio of fuel to light oil fuel depending on the engine operating condition, light oil fuel can be compressed and ignited reliably with very simple control of constant light oil fuel amount, regardless of the amount of natural gas fuel.
  • Gas fuel can be burned efficiently with a minimum amount of intake air.
  • the opening degree of the intake throttle valve is controlled by measuring the air-fuel ratio, the excess air ratio ⁇ , and the oxygen concentration of the exhaust gas, and performing a reciprocal ratio determination so as to achieve stoichiometric combustion.
  • the exhaust gas temperature can be increased by the amount of the intake air that is smaller than the ratio of the amount of fuel, so that the exhaust gas purification performance of the exhaust gas treatment device (post-treatment device) provided in the exhaust passage is improved. Can do. Further, since the amount of exhaust gas is reduced by the amount of intake air, the capacity of the exhaust gas purification device can be reduced and the size can be reduced accordingly.
  • the intake shutter when the exhaust throttle control by the intake shutter provided in the intake system passage is used together in the operation state in which the exhaust introduction mechanism is operated, the intake shutter is operated together with the operation of the exhaust introduction mechanism. Is operated in the valve closing direction to throttle the intake air, the intake air amount (fresh air amount) can be reduced to an amount that allows stoichiometric combustion, and the pressure on the intake system passage side can be reduced.
  • the exhaust gas can flow back into the cylinder more efficiently, the temperature in the cylinder can be further increased, and the combustion efficiency can be further increased.
  • an intake shutter intake throttle valve
  • natural gas fuel is used. Since it is necessary to reduce the amount of intake air in order to perform stoichiometric combustion or rich combustion, this intake shutter is provided. This intake shutter is used as an aid for introducing exhaust gas into the cylinder.
  • the exhaust shutter when the exhaust throttle control by the exhaust shutter provided in the exhaust system passage is used in the operation state in which the exhaust introduction mechanism is operated, the exhaust shutter is operated in the valve closing direction. If the exhaust is throttled, the pressure on the exhaust system passage side increases, the exhaust gas on the exhaust system passage side tends to flow back into the cylinder, the reverse flow rate can be increased, and the temperature rise effect in the cylinder can be increased. Can be increased.
  • the natural gas engine operating method of the present invention injects natural gas fuel into the intake passage, injects light oil fuel as an ignition source into the cylinder, It is equipped with an exhaust introduction mechanism that does not use a spark ignition system at the time of fuel ignition, but burns natural gas fuel by compression ignition of light oil fuel injected into the cylinder and introduces exhaust gas into the cylinder during the intake stroke
  • the amount of light oil fuel injected into the cylinder is the amount of light oil fuel for idle operation in the entire operation region of the natural gas engine. It is a method characterized in that it is performed by increasing or decreasing the amount.
  • the hot exhaust gas in the exhaust passage can be caused to flow back into the cylinder as appropriate during the intake stroke, and the hot exhaust gas can be introduced into the cylinder immediately after combustion.
  • the temperature of the mixture of light oil fuel, natural gas fuel, intake air and exhaust gas in the cylinder can be raised. Therefore, even a small amount of light oil fuel can be stably compressed and combusted, and natural gas fuel can be combusted stably, thereby realizing stable combustion.
  • the combustion efficiency is improved and the amount of light oil fuel for ignition is reduced, so that a small amount of light oil fuel is sufficient, and since the amount of heat generated by the combustion of the fuel is reduced as a whole, it flows to the exhaust system passage The amount of heat is reduced, heat damage is reduced, and durability is improved.
  • the opening degree of the intake throttle is controlled by measuring the air-fuel ratio, excess air ratio ⁇ , and oxygen concentration of the exhaust gas, and performing a reciprocal ratio determination so as to achieve stoichiometric combustion.
  • the exhaust gas temperature can be increased by the amount of the intake air that is smaller than the ratio of the amount of fuel, so that the exhaust gas purification performance of the exhaust gas treatment device (post-treatment device) provided in the exhaust passage is improved. Can do. Further, since the amount of exhaust gas is reduced by the amount of intake air, the capacity of the exhaust gas purification device can be reduced and the size can be reduced accordingly.
  • the intake throttle control by the intake shutter provided in the intake system passage and the exhaust shutter provided in the exhaust system passage are performed.
  • the control using the exhaust throttle control is performed together, the exhaust gas can be made to flow back into the cylinder more efficiently, the temperature in the cylinder can be further increased, and the combustion efficiency can be further increased.
  • the exhaust gas introduction mechanism by operating the exhaust gas introduction mechanism, the high-temperature exhaust gas immediately after the fuel flows back into the cylinder during the intake stroke and can be taken into the cylinder.
  • the temperature of the mixture of fuel, natural gas fuel, intake air and exhaust gas can be raised, and even a small amount of light oil fuel can be stably compressed and burned, and natural gas fuel can be burned stably. Combustion can be realized.
  • the combustion efficiency is improved and the amount of light oil fuel for ignition is reduced, so a small amount of light oil fuel is sufficient, and the amount of heat generated by the combustion of the fuel is reduced as a whole, so that it flows to the exhaust system passage.
  • the amount of heat is reduced, heat damage is reduced, and durability is improved.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a natural gas engine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining exhaust introduction.
  • FIG. 3 is a diagram showing lifts of the intake valve and the exhaust valve in introducing exhaust gas.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between light oil fuel and natural gas fuel in the operation method of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining normal ignition and combustion state of a natural gas fuel in a conventional natural gas engine.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the detonation (abnormal combustion) of the natural gas fuel in the natural gas engine of the prior art.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the ignition and combustion state of a natural gas engine using a conventional light oil fuel together.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing a comparison between a compression pressure in a natural gas engine and a compression pressure in a normal diesel engine.
  • the natural gas engine 10 includes an intake manifold (intake system passage) 11a of an engine main body 11 and an intake manifold (exhaust system passage). ) 11b, an exhaust passage (exhaust system passage) 13 is connected to each other, and an EGR passage 14 that connects the exhaust passage 13 and the intake passage 12 is provided.
  • intake system passage intake system passage
  • exhaust system passage exhaust system passage
  • turbo-type supercharger (turbocharger) 15 is provided.
  • the turbine 15a of the turbocharger 15 is provided in the exhaust passage 13 and the compressor 15b is provided in the intake passage 12, and the turbine 15a is rotated by the exhaust energy of the exhaust gas G by a shaft 15c connecting the turbine 15a and the compressor 15b. Is transmitted to the compressor 15b, and the intake air A is compressed by the compressor 15b.
  • 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.
  • a turbine 15a, a three-way catalyst 18a, an oxidation catalyst 18b, and a catalyst are provided in an exhaust passage 13 through which an exhaust gas G generated by burning light oil fuel f and natural gas fuel C passes.
  • An exhaust gas purification device (post-treatment device) 18 composed of a DPF (diesel particulate filter) 18c and the like is provided.
  • An exhaust shutter 42 is provided between the turbine 15 a and the exhaust gas purification device 18. A part of the exhaust gas G is introduced into the EGR passage 14 as EGR gas Ge as required, and the rest is purified by the exhaust gas purification device 18 after being driven by the turbine 15a and released into the atmosphere. .
  • 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.
  • the natural gas engine 10 includes a light oil fuel supply line (not shown) for injecting the light oil fuel f into the cylinder 70 of the engine body 11 as in the diesel engine.
  • a light oil fuel supply line (not shown) for injecting the light oil fuel f into the cylinder 70 of the engine body 11 as in the diesel engine.
  • the light oil fuel f is injected into the cylinder 70 from the light oil fuel injection injector (light oil fuel injection device) 69 as shown in FIG.
  • the engine main body 11, the fuel injection system, the cooling system, and the like are configured to have the configuration of a normal diesel engine, and in addition to these configurations, as shown in FIG. (CNG tank) 31, electromagnetic valve 32, pressure regulator (regulator) 33, chamber 34, CNG injection injector (natural gas fuel injection device) 35 disposed downstream of the intake shutter 17 of the intake passage 12, and these A natural gas supply system 30 including a CNG pipe 36 to be connected is provided.
  • the natural gas fuel C stored in the natural gas tank 31 is adjusted by the natural gas supply system 30 through the CNG pipe 36 and the pressure regulator (regulator) 33 via the electromagnetic valve 32, and then the CNG injection injector. 35 is injected into the intake system passage 65 (intake passage 12 in FIG. 1) while the injection amount and the injection timing are controlled.
  • the natural gas fuel C is combusted by the compression ignition of the light oil fuel f injected into the combustion chamber 64 in the cylinder 70 without using a spark ignition system when the natural gas fuel C is ignited.
  • an exhaust introduction mechanism (not shown) for introducing the exhaust gas G into the cylinder 70 during the intake stroke is provided.
  • 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.
  • An additional profile is formed to enable the exhaust introduction cam profile depending on engine operating conditions.
  • the exhaust valve 68 is lifted and opened by about 1 mm to 3 mm during the intake stroke to open the inside of the cylinder 70 and the exhaust system passage 67 (the exhaust passage 13 in FIG. 1).
  • the exhaust gas G can be introduced during the intake stroke.
  • an exhaust introduction valve that operates the on / off valve with an electromagnetic solenoid different from the exhaust valve 68 is provided, and a drive signal is given to this electromagnetic solenoid according to the engine operating state. Accordingly, the exhaust introduction valve is lifted and opened during the intake stroke at a timing as shown in FIG. 3, thereby allowing the inside of the cylinder 70 and the exhaust system passage 67 (exhaust passage 13) to communicate with each other during the intake stroke. It is also possible to adopt a configuration in which the exhaust gas G is introduced.
  • the temperature of the mixture of the light oil fuel f, the natural gas fuel 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 light oil fuel f is stable.
  • the combustion of the natural gas fuel C can be performed stably by compression combustion, and stable combustion can be realized.
  • the combustion efficiency is improved and the amount of light oil fuel f for ignition is reduced, so that a small amount of light oil fuel f is sufficient.
  • the amount of heat generated by the combustion of the fuels f and C is reduced as a whole, as a result, the amount of heat flowing to the exhaust passage 13 is reduced, heat damage is reduced, and durability is improved.
  • the temperature in the cylinder can be quickly raised even when the natural gas engine 10 is at a low temperature, the startability is improved. Further, it is possible to start with a small amount of light oil fuel f at the time of starting. As a result, misfire and unburned hydrocarbon emissions from startup are greatly reduced. Further, since the temperature in the cylinder can be quickly raised, smooth acceleration can be achieved.
  • the temperature in the cylinder can be maintained at a temperature at which the light oil fuel f is easily ignited, and stable ignition can be obtained with a small amount of light oil.
  • the combustion is stabilized with a small amount of fuels f and C, the engine vibration can be reduced and the ride comfort (drivability) can be improved.
  • the amount of exhaust gas in a light load state can be reduced.
  • a ⁇ (excess air ratio) sensor 41 is disposed downstream of the turbine 15a in the exhaust passage 13 so that the excess air ratio ⁇ in the exhaust gas G can be measured.
  • An exhaust shutter (exhaust throttle valve) 42 is provided upstream of the 13 turbines 15a.
  • 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.
  • Input signals from various sensors such as a sensor (MAF: not shown), a ⁇ sensor 41 provided in the exhaust passage, an exhaust gas temperature sensor (not shown), a NOx sensor (not shown),
  • 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.
  • a bypass passage 13a that bypasses the exhaust passage 13 is provided, and the bypass passage 13a has a small capacity such as a DPF carrying an oxidation catalyst or a combination of an oxidation catalyst device and a DPF.
  • a small continuous regeneration type DPF 18d is arranged, and an exhaust passage switching valve 43 for switching between the case where the flow of the exhaust gas G is changed to the bypass passage 13a and the case where the exhaust gas G is not used is provided in a portion of the exhaust passage 13 parallel to the bypass passage 13a.
  • the exhaust flow path switching valve 43 is controlled by the control device 51. When the valve is opened, the exhaust gas G passes through the exhaust passage 13, and when the valve is closed, the exhaust gas G passes through the bypass passage 13a. Pass through the DPF 18d.
  • the natural gas fuel C is injected into the intake passage 12
  • the light oil fuel f as an ignition source is injected into the cylinder 70
  • the spark ignition system is not used when the natural gas fuel C is ignited.
  • the natural gas engine configured to combust the natural gas fuel C by compression ignition of the light oil fuel f injected into the cylinder 70 and to introduce the exhaust gas G into the cylinder 70 during the intake stroke.
  • 10 is an operation method in which exhaust gas G is introduced into the cylinder 70 during the intake stroke by the exhaust introduction mechanism, and control for promoting ignition of the light oil fuel f is performed.
  • the temperature of the mixture of the light oil fuel f, the natural gas fuel C, the intake air A, and the exhaust gas G in the cylinder 70 can be increased by the operation of the exhaust introduction mechanism.
  • the natural gas fuel C can be combusted stably, so that stable combustion can be realized.
  • the combustion efficiency is improved and the amount of light oil fuel f for ignition is reduced, so a small amount of light oil fuel f is sufficient, and the amount of heat generated by the combustion of fuels f and C is reduced as a whole.
  • the amount mf of light oil fuel f injected into the cylinder 70 is set to the light oil fuel amount mfa for idle operation in the entire operation region of the natural gas engine 10, and the increase / decrease in engine output is The control is performed by increasing or decreasing the amount of natural gas fuel C.
  • the natural gas engine 10 that uses the light oil fuel f provided with the exhaust introduction mechanism can maintain stable combustion in the idling operation state.
  • the gas fuel C can be burned with a minimum amount of intake air with high combustion efficiency. Therefore, the exhaust gas temperature can be increased at the ratio of the amounts of the fuels f and C, so that the exhaust gas purification performance of the exhaust gas processing device 18 provided in the exhaust passage 13 can be enhanced.
  • the valve opening of the intake shutter 17 in this case is controlled by measuring the air-fuel ratio, the excess air ratio ⁇ , and the oxygen concentration of the exhaust gas G, and performing a reciprocal ratio determination so as to achieve stoichiometric combustion.
  • 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.
  • the mixing of the light oil fuel f, the natural gas fuel C, the intake air A, and the exhaust gas G in the cylinder 70 is performed by the operation of the exhaust introduction mechanism. Since the temperature of the air can be raised, even a small amount of light oil fuel f can be stably compressed and combusted, and the natural gas fuel C can be combusted stably, and stable combustion can be realized. As a result, the combustion efficiency is improved and the amount of light oil fuel f for ignition is reduced, so a small amount of light oil fuel f is sufficient, and the amount of heat generated by the combustion of fuels f and C is reduced as a whole. As a result, the amount of heat flowing to the exhaust passage 13 is reduced, heat damage is reduced, and durability is improved.
  • the temperature in the cylinder can be quickly raised even when the natural gas engine 10 is at a low temperature, the startability is improved.
  • the engine can be started with a small amount of light oil fuel f at the time of starting, misfires due to the starting and the discharge amount of unburned HC are greatly reduced. Further, since the temperature in the cylinder can be quickly raised, smooth acceleration can be achieved.
  • the temperature in the cylinder can be maintained at a temperature at which the light oil fuel f is easily ignited, and stable ignition can be obtained with a small amount of light oil fuel mf. Even in a state, combustion is stabilized with a small amount of light oil fuel f, so that engine vibration can be reduced and riding comfort (drivability) can be improved. In addition, the amount of exhaust gas in a light load state can be reduced.
  • the capacity of the DPF 18d provided in the bypass passage 13a can be reduced and the size can be reduced.
  • the small DPF 18d can be disposed near the high temperature portion, and the amount of PM due to light oil combustion in the exhaust gas G released into the atmosphere can be reduced.
  • control is performed not through the bypass passage 13a but through the DPF 18c with a large capacity of the latter stage provided in the exhaust passage 13, so that the exhaust resistance is small and soot is purified.
  • the temperature of the mixture of the light oil fuel, the natural gas fuel, the intake air, and the exhaust gas in the cylinder can be increased by the operation of the exhaust introduction mechanism. Therefore, even a small amount of light oil fuel can be stably compressed and combusted so that natural gas fuel can be combusted stably, and stable combustion can be realized. As a result, the combustion efficiency is improved and the amount of light oil fuel for ignition is reduced, so that a small amount of light oil fuel is sufficient. Further, since the amount of heat generated by the combustion of the fuel is reduced as a whole, as a result, the amount of heat flowing to the exhaust passage is reduced, heat damage is reduced, and durability is improved. Therefore, it can be used as a driving method for many natural gas engines and natural gas engines that are mounted on vehicles.

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Abstract

　天然ガス燃料Ｃを吸気系通路１２に噴射し、着火源の軽油燃料ｆをシリンダ内に噴射して、天然ガス燃料Ｃの着火に際して火花点火システムを使用しないで、シリンダ内に噴射した軽油燃料ｆの圧縮着火により天然ガス燃料Ｃを燃焼させる天然ガスエンジン１０において、吸気行程中のシリンダ内に排気ガスＧを導入する排気導入機構を備えて構成する。これにより、着火源の軽油燃料を燃焼室内に噴射し、天然ガス燃料を吸気系通路に噴射する天然ガス燃料噴射装置を備えるエンジンにおいて、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、確実且つ安定して天然ガス燃料を着火して、少ない燃料と少ない吸入空気で高効率な燃焼を行う。

Description

天然ガスエンジン及び天然ガスエンジンの運転方法
　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軽油等の自着火燃料源による圧縮着火で天然ガス燃料を燃焼させる高効率燃焼システムを有す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。
　図５に示すように、従来技術の天然ガスエンジン（ＣＮＧエンジン）１０Ｘは、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燃料Ｃを着火させて、この天然ガス燃料Ｃを燃焼させている。
　この天然ガス燃料Ｃは、シリンダヘッド６１とピストン６３の頂部との間に形成される燃焼室６４に連通する吸気系通路６５に設けられた天然ガス燃料噴射インジェクタ（天然ガス燃料噴射装置）３５により、吸入空気Ａ中に噴射され、この吸入空気Ａと共に吸気バルブ６６が開弁している吸気行程で燃焼室６４に吸入される。この天然ガス燃料Ｃは、燃焼室６４の中央上部に配置された点火プラグ６２の電気火花により着火され、イメージではあるが、細線で示すように層状に燃焼が拡大していく。そして、この燃焼による燃焼ガスの膨張を伴う膨張行程でピストン６３を押し下げて仕事をし、次の排気バルブ６８が開弁している排気行程で燃焼ガス（排気ガス）Ｇを排気系通路６７に排気する。
　そして、低出力やシリンダボア（シリンダ孔）の径が小さい小型エンジンの場合や、酸素が多い状態のリーン燃焼で天然ガス燃料Ｃが燃え易いエンジンの場合には、この層状燃焼で、燃焼室６４の略中心から燃焼室６４全体に広がるように天然ガス燃料Ｃが燃焼するため、ピストン６３を押し下げる力は均一化し、全体としての押圧力Ｆｐはピストン６３の中心軸方向を向くことになり、ピストン６３は円滑に往復運動する。
　しかしながら、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、エンジン１０Ｘの排気系通路６７側に高温の燃焼ガスＧが流出し、一方で、吸気系通路６５側は低温の吸入空気Ａが流入するため、吸気系通路６５側に対して排気系通路６７側の温度が高くなり、特に、図６の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、燃焼が燃焼室６４の片隅側から全体に広がって行くため、ピストン６３を押し下げる力は不均一となり、全体としての押圧力Ｆｐは、ピストン６３の中心軸方向に対して斜め方向になり、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。
　また、排気ガス中のＮＯｘを低減させるために、排気ガスを三元触媒で後処理する場合には、三元触媒を担持した排気ガス処理装置を排気通路に設けて排気ガス中のＮＯｘを還元浄化している。この三元触媒は、酸素が多い空燃比リーン状態では触媒性能が低下するので、排気ガス中の酸素濃度が低い空燃比リッチ状態であることが好ましい。そのため、シリンダ内で、ストイキ燃焼（理論混合比での燃焼：燃焼後は酸素がゼロになる完全燃焼）やリッチ燃焼（理論混合比に近く酸素濃度が低い燃焼）で燃焼をさせることになる。このために、吸気通路に設けた吸気スロットル弁によりシリンダ内への吸入空気量を制御して、天然ガス燃料を燃焼させるのに必要かつ十分な酸素にして吸入空気を供給して、シリンダ内において量論燃焼をさせる。
　このストイキ燃焼又はリッチ燃焼の場合にも、吸入空気Ａと天然ガス燃料Ｃとの混合気は、リーン燃焼のように燃焼し易くないので、排気系通路６７側の高温部Ｈから燃焼し始めることになり、デトネーションが発生し易くなる。
　上記のように、天然ガスエンジンの高出力化や大型化やリッチ燃焼化を考えた場合には、デトネーションの問題を解決する必要があり、また、点火プラグ点火方式における点火プラグが熱によって損傷するという点火プラグ熱害の問題も解決する必要がある。また、火花点火用の点火プラグが一箇所の場合には、点火源が少なく各サイクル毎に確実に着火させることが困難であるため、燃焼効率が悪いという問題がある。燃焼効率が悪いと、要求されているエンジン出力を得るためには多量の燃料が必要になり、発生する熱量も増加する。その結果、燃費、熱による点火プラグの電極部分の損傷や、熱による排気系部品の破損等、様々な耐久性の問題が生じ易くなってくるという問題がある。
　これに対する対策として、例えば、日本出願の特開２０１２－５７４７１号公報に記載されているように、ＣＮＧ（天然ガス）燃料をＣＮＧインジェクタ（ＣＮＧ燃料噴射装置）で吸気通路に、軽油を軽油インジェクタ（軽油燃料噴射装置）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している内燃機関の燃料制御装置が提案されている。
　図７に示すように、この軽油燃料を併用する天然ガスエンジン１０Ｙでは、天然ガス燃料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が軽油燃料噴射インジェクタ（軽油燃料噴射装置）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燃料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ことになる。そのため、ピストン６３を押し下げる押圧力Ｆｐは、ほぼピストン６３の中心軸方向となり、ピストン６３は円滑に往復運動する。従って、この軽油燃料と天然ガス燃料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のストイキ燃焼の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、量論燃焼を維持するためには吸入空気量を減少すると、シリンダ内の圧縮圧力の低下が著しく、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。
　これに関連して、本発明者は、日本出願の特開２００２－３４９２４１号公報に記載されているように、ディーゼルエンジンの広い運転領域においてＤＰＦに捕集されたＰＭを確実に連続的に燃焼させることを目的にした排気浄化装置を備えたディーゼルエンジンにおいて、排気カムを排気導入カムを備えた二段に形成し、または、排気導入弁を設けて、吸気行程中にシリンダ内に排気ガスを導入するための排気導入機構を設けて、排気温度領域が低温領域の場合に、吸気シャッタと排気シャッタと排気導入機構を作動させて、排気温度（シリンダ内の温度）を上昇させるディーゼルエンジンを提案している。
　このディーゼルエンジンは、軽油のみを燃料とするエンジンではあるが、エンジンの吸入行程中に排気通路の排気ガスの一部をシリンダ内に逆流させてシリンダ内温度を上昇させる排気導入機構を用いて、エンジンの運転状態が軽負荷状態において吸気スロットル弁で吸入空気量を減少しても、シリンダ内の燃料を安定して着火することができるエンジンである。
日本出願の特開２０１２－５７４７１号公報 日本出願の特開２００２－３４９２４１号公報
　本発明者は、上記の状況を鑑みて、吸気行程中にシリンダ内に排気ガスを導入するための排気導入機構を天然ガスエンジンに組み込むことで、上記の天然ガスエンジンの問題点を解決できるとの知見を得て本発明に想到した。
　本発明の目的は、着火源の軽油燃料を燃焼室内に噴射し、天然ガス燃料を吸気系通路に噴射する天然ガス燃料噴射装置を備えるエンジンにおいて、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、確実且つ安定して天然ガス燃料を着火できて、少ない燃料と少ない吸入空気で高効率な燃焼を行う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。
　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、天然ガス燃料を吸気系通路に噴射し、着火源の軽油燃料をシリンダ内に噴射して、天然ガス燃料の着火に際して火花点火システムを使用しないで、シリンダ内に噴射した軽油燃料の圧縮着火により天然ガス燃料を燃焼させる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。
　なお、この排気導入機構は、既に、周知技術となっている次のような構成を採用することができる。その一つは、排気バルブ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、エンジンの運転状態に応じて、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、吸気行程中に排気バルブを１ｍｍ～３ｍｍ程度リフトして開弁させることにより、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である。
　もう一つは、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、エンジンの運転状態に応じて、この電磁ソレノイドに駆動信号を与えることにより、吸気行程中に排気導入バルブをリフトして開弁させる。これにより、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である。
　なお、本発明においては、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、燃焼直後で高温の排気ガスをシリンダ内に導入できるので、シリンダ内の軽油燃料と天然ガス燃料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、少量の軽油燃料でも安定して圧縮燃焼することができ、この軽油燃料の燃焼を着火源にして天然ガス燃料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、着火のための軽油燃料の量を低減できるので、軽油燃料の消費量が少量で済む。また、全体として燃料の燃焼により発生する熱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、始動時でも少量の軽油で始動させることができるので、始動による失火および未燃炭化水素（未燃ＨＣ）の排出量も大幅に減少する。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軽油が着火し易い温度に維持し、少ない軽油量で安定した着火を得ることができ、少量の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、軽負荷状態の排気ガス量を低減できる。
　そのため、排気通路にバイパス通路を設けて、軽負荷状態用の小さい容量のＤＰＦを設ける排気ガス浄化システムを採用した場合には、バイパス通路に設けるＤＰＦの容量を小さくして小型化できるので、よりエンジン本体に近くて温度の高い部分にその小型のＤＰＦを配置することができるようになり、大気中へ放出される排気ガス中の軽油燃焼によるＰＭの量を減少できる。なお、この排気ガス処理システムの構成では、排気温度の高い高負荷運転状態では、バイパス通路ではなく、排気通路に設けられた後段の容量の大きいＤＰＦを通過するよう制御されるため、排気抵抗も少なくＤＰＦで煤が浄化される。
　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軽油燃料の量を、エンジンの全運転領域で、アイドル運転用の軽油燃料量とし、エンジン出力の増減は、天然ガス燃料の量の増減で行うように構成すると、この排気導入機構を備えた軽油燃料のディーゼルエンジンにおいても、もともとアイドリング運転状態で安定した燃焼を維持できているので、この軽油燃焼を天然ガスの着火に使用することで、天然ガス燃料と軽油燃料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軽油燃料量一定という非常に簡単な制御で確実に軽油燃料を圧縮着火でき、天然ガス燃料の量を問わずに、天然ガス燃料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。
　従って、燃料の量の割合に比べて吸入空気量が少ない分、排気ガス温度を高くすることができるので排気通路に設けられた排気ガス処理装置（後処理装置）の排気ガス浄化性能を高めることができる。また、吸入空気量が少ない分、排気ガス量も少なくなるので、排気ガス浄化装置の容量が少なくて済み、その分小型化できる。
　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を併用するように構成すると、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。
　なお、従来技術の軽油を燃焼させるディーゼルエンジンでは、通常はリーン燃焼を行うため、吸気シャッタ（吸気絞り弁）は設けないが、本発明においては、より熱効率を上げるためには、天然ガス燃料をストイキ燃焼又はリッチ燃焼するために吸入空気量を絞る必要が生じるので、この吸気シャッタを設ける。この吸気シャッタをシリンダ内への排気ガス導入への補助として利用する。
　また、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、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を併用するように構成すると、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、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運転方法は、天然ガス燃料を吸気系通路に噴射し、着火源の軽油燃料をシリンダ内に噴射して、天然ガス燃料の着火に際して火花点火システムを使用しないで、シリンダ内に噴射した軽油燃料の圧縮着火により天然ガス燃料を燃焼させると共に、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て構成された天然ガスエンジンの運転方法において、シリンダ内に噴射する軽油燃料の量を、該天然ガスエンジンの全運転領域で、アイドル運転用の軽油燃料量とし、エンジン出力の増減は、天然ガス燃料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、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、燃焼直後で高温の排気ガスをシリンダ内に導入できるので、シリンダ内の軽油燃料と天然ガス燃料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。従って、少量の軽油燃料でも安定して圧縮燃焼して天然ガス燃料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。その結果、燃焼効率が良くなり、着火のための軽油燃料の量が低減するので、少量の軽油燃料で済み、また、全体として燃料の燃焼により発生する熱量が少なくなるので、排気系通路へ流れる熱量が減少し、熱害が減少し耐久性が向上する。
　この排気導入機構を備えた軽油燃料のディーゼルエンジンにおいても、もともとアイドリング運転状態で安定した燃焼を維持できているので、この軽油燃焼を天然ガスの着火に使用することで、天然ガス燃料と軽油燃料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軽油燃料量一定という非常に簡単な制御で確実に軽油燃料を圧縮着火でき、天然ガス燃料の量を問わずに、天然ガス燃料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（吸気シャッタ）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。
　従って、燃料の量の割合に比べて吸入空気量が少ない分、排気ガス温度を高くすることができるので排気通路に設けられた排気ガス処理装置（後処理装置）の排気ガス浄化性能を高めることができる。また、吸入空気量が少ない分、排気ガス量も少なくなるので、排気ガス浄化装置の容量が少なくて済み、その分小型化できる。
　また、上記の天然ガスエンジンの運転方法において、前記排気導入機構の作動を行う運転状態において、前記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と、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を併用する制御を行うと、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。
　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、排気導入機構の作動により、燃料直後の高温の排気ガスを吸気行程中に逆流させてシリンダ内に取り込めるので、シリンダ内の軽油燃料と天然ガス燃料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、少量の軽油燃料でも安定して圧縮燃焼して天然ガス燃料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。その結果、燃焼効率が良くなり、着火のための軽油燃料の量が低減するので、少量の軽油燃料で済み、また、全体として燃料の燃焼により発生する熱量が少なくなるので、排気系通路へ流れる熱量が減少し、熱害が減少し耐久性が向上する。
図１は、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。 図２は、排気導入の説明のための図である。 図３は、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。 図４は、本発明の運転方法の軽油燃料と天然ガス燃料との関係を示す図である。 図５は、従来技術の天然ガスエンジンにおける天然ガス燃料の正常な着火と燃焼状態を説明するための図である。 図６は、従来技術の天然ガスエンジンにおける天然ガス燃料のデトネーション（異常燃焼）を説明するための図である。 図７は、従来技術の軽油燃料を併用する天然ガスエンジンの燃料の着火と燃焼状態を説明するための図である。 図８は、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運転方法について、図面を参照しながら説明する。図１及び図２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の吸気マニホールド（吸気系通路）１１ａに吸気通路（吸気系通路）１２が、排気マニホールド（排気系通路）１１ｂに排気通路（排気系通路）１３がそれぞれ接続されると共に、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、タービン１５ａとコンプレッサ１５ｂを連結するシャフト１５ｃで、排気ガスＧの排気エネルギーで回転するタービン１５ａの回転をコンプレッサ１５ｂに伝達して、このコンプレッサ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６４に導入される。
　また、図１に示すように、軽油燃料ｆと天然ガス燃料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と、三元触媒１８ａ、酸化触媒１８ｂ、触媒付きＤＰＦ(ディーゼルパティキュレートフィルタ）１８ｃ等で構成される排気ガス浄化装置（後処理装置）１８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、排気ガス浄化装置１８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、ディーゼルエンジンと同様に、軽油燃料ｆをエンジン本体１１のシリンダ７０内に噴射するための軽油燃料供給ライン（図示しない）を備えて構成される。これらにより、軽油燃料ｆは通常のディーゼルエンジンと同様に、図２に示すように、軽油燃料噴射インジェクタ（軽油燃料噴射装置）６９からシリンダ７０内に噴射される。
　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、通常のディーゼルエンジンの構成を備えて構成されると共に、これらの構成に加えて、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。
　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燃料ＣはＣＮＧ配管３６を通って、電磁弁３２経由で調圧装置（レギュレータ）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、天然ガス燃料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に噴射した軽油燃料ｆの圧縮着火により天然ガス燃料Ｃを燃焼させるように構成する。それと共に、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。これにより、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。
　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。これにより、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。
　この排気導入機構の作動により、シリンダ７０内の軽油燃料ｆと天然ガス燃料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、少量の軽油燃料ｆでも安定して圧縮燃焼して天然ガス燃料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。その結果、燃焼効率が良くなり、着火のための軽油燃料ｆの量が低減するので、少量の軽油燃料ｆで済む。また、全体として燃料ｆ、Ｃの燃焼により発生する熱量が少なくなるので、結果として、排気通路１３へ流れる熱量が減少し、熱害が減少し耐久性が向上する。
　また、天然ガスエンジン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、始動性がよくなる。また、始動時に少量の軽油燃料ｆで始動させることができる。そのため、始動による失火および未燃炭化水素の排出量も大幅に減少する。また、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、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、シリンダ内温度を軽油燃料ｆが着火し易い温度に維持し、少ない軽油量で安定した着火を得ることができ、軽負荷運転状態においても少量の燃料ｆ、Ｃで燃焼が安定するので、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、軽負荷状態の排気ガス量を低減できる。
　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、軽油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。
　なお、図１の構成では、排気通路１３を迂回するバイパス通路１３ａを設けて、このバイパス通路１３ａに、酸化触媒を担持したＤＰＦ、若しくは、酸化触媒装置とＤＰＦの組み合わせ等の構成の小容量で小型の連続再生式ＤＰＦ１８ｄを配置し、更に排気ガスＧの流れをバイパス通路１３ａにする場合としない場合とに切り換えるための排気流路切替弁４３をバイパス通路１３ａと並行する部分の排気通路１３に設けている。この排気流路切替弁４３は、制御装置５１により制御され、開弁した状態では排気ガスＧは排気通路１３を通過し、閉弁した状態では排気ガスＧはバイパス通路１３ａを通過して、小型のＤＰＦ１８ｄを通過する。
　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、天然ガス燃料Ｃを吸気通路１２に噴射し、着火源の軽油燃料ｆをシリンダ７０内に噴射して、天然ガス燃料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内に噴射した軽油燃料ｆの圧縮着火により天然ガス燃料Ｃを燃焼させると共に、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を備えて構成された天然ガスエンジン１０における運転方法であり、排気導入機構により、吸気行程中のシリンダ７０内に排気ガスＧを導入して、軽油燃料ｆの着火を促進する制御を行う。
　この天然ガスエンジンの運転方法によれば、排気導入機構の作動により、シリンダ７０内の軽油燃料ｆと天然ガス燃料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、少量の軽油燃料ｆでも安定して圧縮燃焼して天然ガス燃料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。その結果、燃焼効率が良くなり、着火のための軽油燃料ｆの量が低減するので、少量の軽油燃料ｆで済み、また、全体として燃料ｆ、Ｃの燃焼により発生する熱量が少なくなるので、結果として、排気通路１３へ流れる熱量が減少し、熱害が減少し耐久性が向上する。
また、更に、図４に示すように、シリンダ７０内に噴射する軽油燃料ｆの量ｍｆを、天然ガスエンジン１０の全運転領域で、アイドル運転用の軽油燃料量ｍｆａとし、エンジン出力の増減は、天然ガス燃料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軽油燃料ｆを併用する天然ガスエンジン１０では、アイドリング運転状態で安定した燃焼を維持できているので、この軽油燃料ｆの燃焼を天然ガス燃料Ｃの着火に使用することで、軽油燃料ｆと天然ガス燃料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軽油燃料量一定（ｍｆ＝ｍｆａ）という非常に簡単な制御で天然ガス燃料Ｃを最小の吸入空気量で燃焼効率よく燃焼できる。そのため、燃料ｆ、Ｃの量の割合には排気ガス温度を高くすることができるので排気通路１３に設けられた排気ガス処理装置１８の排気ガス浄化性能を高めることができる。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。
　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。
　そして、上記の構成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、排気導入機構の作動により、シリンダ７０内の軽油燃料ｆと天然ガス燃料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、少量の軽油燃料ｆでも安定して圧縮燃焼して天然ガス燃料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。その結果、燃焼効率が良くなり、着火のための軽油燃料ｆの量が低減するので、少量の軽油燃料ｆで済み、また、全体として燃料ｆ、Ｃの燃焼により発生する熱量が少なくなるので、結果として、排気通路１３へ流れる熱量が減少し、熱害が減少し耐久性が向上する。
　また、天然ガスエンジン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、始動性がよくなる。また、始動時に少量の軽油燃料ｆで始動させることができるので、始動による失火および未燃ＨＣの排出量も大幅に減少する。また、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、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、シリンダ内温度を軽油燃料ｆが着火し易い温度に維持し、少ない軽油燃料量ｍｆで安定した着火を得ることができ、軽負荷運転状態においても少量の軽油燃料ｆで燃焼が安定するので、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、軽負荷状態の排気ガス量を低減できる。
　また、排気通路１３にバイパス通路１３ａを設けて、軽負荷状態用の小さい容量のＤＰＦ１８ｄを設ける場合には、バイパス通路１３ａに設けるＤＰＦ１８ｄの容量を小さくして小型化できるので、よりエンジン本体１１に近くて温度の高い部分にその小型のＤＰＦ１８ｄを配置することができるようになり、大気中へ放出される排気ガスＧ中の軽油燃焼によるＰＭの量を減少できる。なお、排気温度の高い高負荷運転状態では、バイパス通路１３ａではなく、排気通路１３に設けられた後段の容量の大きい触媒付きＤＰＦ１８ｃを通過するよう制御されるため、排気抵抗も少なく煤が浄化される。
　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、排気導入機構の作動により、シリンダ内の軽油燃料と天然ガス燃料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ので、少量の軽油燃料量でも安定して圧縮燃焼して天然ガス燃料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。その結果、燃焼効率が良くなり、着火のための軽油燃料の量が低減するので、少量の軽油燃料で済む。また、全体として燃料の燃焼により発生する熱量が少なくなるので、結果として、排気通路へ流れる熱量が減少し、熱害が減少し耐久性が向上する。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運転方法として利用できる。
　１０、１０Ｘ、１０Ｙ　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）
　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（天然ガス燃料噴射装置）
　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）
　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　軽油燃料インジェクタ（軽油燃料噴射装置）
　７０　シリンダ
　Ａ　吸入空気
　Ｃ　天然ガス燃料
　ｆ　軽油燃料
　Ｇ　排気ガス
　Ｇｅ　ＥＧＲガス
　λ　空気過剰率

Claims (6)

  1. 　天然ガス燃料を吸気系通路に噴射し、着火源の軽油燃料をシリンダ内に噴射して、天然ガス燃料の着火に際して火花点火システムを使用しないで、シリンダ内に噴射した軽油燃料の圧縮着火により天然ガス燃料を燃焼させる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したことを特徴とする天然ガスエンジン。
  2. 　シリンダ内に噴射する軽油燃料の量を、エンジンの全運転領域で、アイドル運転用の軽油燃料量とし、エンジン出力の増減は、天然ガス燃料の量の増減で行うように構成された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、前記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を併用するように構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の天然ガスエンジン。
  4. 　前記排気導入機構の作動を行う運転状態において、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を併用するように構成されたことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の天然ガスエンジン。
  5. 　天然ガス燃料を吸気系通路に噴射し、着火源の軽油燃料をシリンダ内に噴射して、天然ガス燃料の着火に際して火花点火システムを使用しないで、シリンダ内に噴射した軽油燃料の圧縮着火により天然ガス燃料を燃焼させると共に、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て構成された天然ガスエンジンの運転方法において、
    　シリンダ内に噴射する軽油燃料の量を、該天然ガスエンジンの全運転領域で、アイドル運転用の軽油燃料量とし、エンジン出力の増減は、天然ガス燃料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運転方法。
  6. 　前記排気導入機構の作動を行う運転状態において、前記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と、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を併用する制御を行うことを特徴とする請求項５に記載の天然ガスエンジンの運転方法。
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