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JP6089639B2 - 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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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（理論混合比で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、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 (例えば、特許文献１参照）。
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、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（例えば、特許文献２）。
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。
特開２０１２−５７４７１号公報 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るとともに、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の一定量とし、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。
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、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。
また、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。
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。 排気導入の説明のための図である。 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。 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。 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。 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。 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。
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、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、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 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 (5)

  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るとともに、
    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の一定量とし、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天然ガスエンジン。
  2. 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、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又は２に記載の天然ガスエンジン。
  4. 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の一定量とし、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。
  5. 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４に記載の天然ガスエンジンの運転方法。
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