天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)以及天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)以及天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方法，在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，具有不使用火花點(diǎn)火系統(tǒng)而通過(guò)輕油等自點(diǎn)火燃料源的壓縮著火使天然氣燃料燃燒的高效率燃燒系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]如圖9所示，現(xiàn)有技術(shù)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)(CNG發(fā)動(dòng)機(jī))1X為，通過(guò)基于設(shè)置于氣缸蓋61的火花塞62的火花點(diǎn)火使由活塞63壓縮的天然氣燃料C著火，而使該天然氣燃料C燃燒。
[0003]該天然氣燃料C為，通過(guò)在與氣缸蓋61和活塞63的頂部之間所形成的燃燒室64連通的進(jìn)氣系統(tǒng)通路65上設(shè)置的天然氣燃料噴射器(天然氣燃料噴射裝置)35，朝吸入空氣A中噴射，并與該吸入空氣A—起在進(jìn)氣閥66開(kāi)閥的進(jìn)氣行程中被吸入燃燒室64。該天然氣燃料C通過(guò)配置于燃燒室64的中央上部的火花塞62的電火花而著火，雖然是概念圖像，但如細(xì)線所示那樣燃燒呈層狀地?cái)U(kuò)大。然后，在伴隨著由該燃燒產(chǎn)生的燃燒氣體的膨脹的膨脹行程中推壓活塞63而做功，在接下來(lái)的排氣閥68開(kāi)閥的排氣行程中將燃燒氣體(廢氣)G朝排氣系統(tǒng)通路67排出。
[0004]并且，在低輸出、氣缸筒(氣缸孔)的直徑較小的小型發(fā)動(dòng)機(jī)的情況、通過(guò)氧較多的狀態(tài)的稀燃燒而天然氣燃料C容易燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，在該層狀燃燒中，天然氣燃料C以從燃燒室64的大致中心朝燃燒室64整體擴(kuò)展的方式進(jìn)行燃燒，因此推壓活塞63的力均勻化，作為整體的推壓力Fp朝向活塞63的中心軸方向，活塞63順暢地往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
[0005]但是，在高輸出、氣缸筒的直徑較大的大型發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，高溫的燃燒氣體G朝發(fā)動(dòng)機(jī)1X的排氣系統(tǒng)通路67側(cè)流出，另一方面，朝進(jìn)氣系統(tǒng)通路65側(cè)流入低溫的吸入空氣A，因此相對(duì)于進(jìn)氣系統(tǒng)通路65側(cè)、排氣系統(tǒng)通路67側(cè)的溫度變高，尤其是，圖10中的由交叉影線表示的部分H容易成為高溫。因此，產(chǎn)生被稱作爆燃(異常燃燒)的現(xiàn)象，即:天然氣燃料C不基于火花塞62的點(diǎn)火而著火，而是在進(jìn)入燃燒行程之前與該高溫部H接觸而著火，燃燒從高溫部H側(cè)朝燃燒室64的整體擴(kuò)展。在產(chǎn)生該現(xiàn)象的情況下，燃燒從燃燒室64的一個(gè)角落側(cè)朝整體擴(kuò)展，因此推壓活塞63的力變得不均勻，作為整體的推壓力Fp相對(duì)于活塞63的中心軸方向成為傾斜的方向，活塞63與氣缸70單側(cè)接觸而變得無(wú)法順暢地往復(fù)運(yùn)動(dòng)，成為發(fā)動(dòng)機(jī)故障的原因。此外，該爆燃也是爆震的原因之一。
[0006]此外，在為了降低廢氣中的NOx而通過(guò)三元催化劑對(duì)廢氣進(jìn)行后處理的情況下，將載持有三元催化劑的廢氣處理裝置設(shè)置于排氣通路來(lái)對(duì)廢氣中的NOx進(jìn)行還原凈化。該三元催化劑在氧較多的空燃比稀狀態(tài)下催化劑性能降低，因此優(yōu)選為廢氣中的氧濃度較低的空燃比濃狀態(tài)。因此，在氣缸內(nèi)以理論燃燒(按照理論混合比的燃燒:燃燒后氧成為零的完全燃燒)、濃燃燒(接近理論混合比的氧濃度較低的燃燒)進(jìn)行燃燒。為此，通過(guò)設(shè)置于進(jìn)氣通路的進(jìn)氣節(jié)流閥對(duì)朝氣缸內(nèi)吸入的吸入空氣量進(jìn)行控制，成為使天然氣燃料燃燒所需要的且充分的氧而供給吸入空氣，在氣缸內(nèi)進(jìn)行理論燃燒。
[0007]即使在該理論燃燒或者濃燃燒的情況下，吸入空氣A與天然氣燃料C的混合氣也不像稀燃燒那樣容易燃燒，因此會(huì)從排氣系統(tǒng)通路67側(cè)的高溫部H開(kāi)始燃燒，變得容易產(chǎn)生爆燃。
[0008]如上所述，在考慮到天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的高輸出化、大型化、濃燃燒化的情況下，需要解決爆燃的問(wèn)題，此外，還需要解決火花塞點(diǎn)火方式中的火花塞因熱而損傷這種火花塞熱損傷的問(wèn)題。此外，在火花點(diǎn)火用的火花塞為一個(gè)部位的情況下，點(diǎn)火源較少而難以使每個(gè)循環(huán)都可靠地著火，因此存在燃燒效率較差這種問(wèn)題。當(dāng)燃燒效率較差時(shí)，為了得到所要求的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出而需要大量的燃料，所產(chǎn)生的熱量也增加。結(jié)果，存在如下問(wèn)題:容易產(chǎn)生燃料消耗率、由熱引起的火花塞的電極部分的損傷、由熱引起的排氣系統(tǒng)部件的破損等各種耐久性的問(wèn)題。
[0009]作為對(duì)于該問(wèn)題的對(duì)策，例如日本申請(qǐng)的特開(kāi)2012-57471號(hào)公報(bào)所記載的那樣，提出有一種內(nèi)燃機(jī)的燃料控制裝置，通過(guò)CNG噴射器(CNG燃料噴射裝置)朝進(jìn)氣通路噴射CNG (天然氣)燃料，通過(guò)輕油噴射器(輕油燃料噴射裝置)朝燃燒室噴射輕油，通過(guò)與壓縮著火性較高的輕油混合而將輕油作為火種來(lái)使CNG燃燒，并根據(jù)燃燒室內(nèi)的燃燒時(shí)的最大壓力來(lái)變更CNG與輕油的比例。
[0010]如圖11所示，在并用輕油燃料的該天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)1Y中，在對(duì)天然氣燃料C與吸入空氣A混合而成的混合氣進(jìn)行壓縮的壓縮行程中，通過(guò)輕油燃料噴射器(輕油燃料噴射裝置)69噴射輕油燃料f，該輕油燃料f在燃燒室64內(nèi)擴(kuò)散，并且通過(guò)混合氣的絕熱壓縮而混合氣的溫度上升，當(dāng)超過(guò)輕油的發(fā)火(著火)溫度時(shí)，通過(guò)壓縮著火而輕油燃料f開(kāi)始燃燒，該火種周圍的天然氣燃料C也燃燒。在該燃燒開(kāi)始時(shí)刻，輕油燃料f向燃燒室64內(nèi)擴(kuò)散，因此成為多點(diǎn)著火而能夠防止從排氣系統(tǒng)高溫部起的著火，在燃燒室64整體中進(jìn)行燃燒，對(duì)活塞63的頂部施加大致均勻的力。因此，推壓活塞63的推壓力Fp大致成為活塞63的中心軸方向，活塞63順暢地往復(fù)運(yùn)動(dòng)。因而，在使用輕油燃料和天然氣燃料的該發(fā)動(dòng)機(jī)中，能夠防止爆燃。此外，由于不使用火花塞，所以也不會(huì)產(chǎn)生火花塞的熱損傷。
[0011]但是，在并用輕油燃料的該天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，如圖12所示那樣，與現(xiàn)有技術(shù)的以空氣過(guò)量系數(shù)λ為2?8進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在空氣過(guò)量系數(shù)λ為I的理論燃燒的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，吸入空氣量顯著減少，因此也存在氣缸內(nèi)的壓縮壓力降低，通過(guò)絕熱壓縮的氣缸內(nèi)的混合氣的溫度上升也降低這種問(wèn)題。尤其是，在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出(馬力)較小的輕負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域的情況下，當(dāng)與燃料的減少相伴隨、為了維持理論燃燒而減少吸入空氣量時(shí)，存在氣缸內(nèi)的壓縮壓力的降低較顯著、而燃燒變得不穩(wěn)定這種問(wèn)題，需要解決該問(wèn)題。
[0012]與此相關(guān)聯(lián)，如日本申請(qǐng)的特開(kāi)2002-349241號(hào)公報(bào)所記載的那樣，本發(fā)明人提出有一種柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，在具備以在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的較寬的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域中使DPF所捕集的PM可靠地連續(xù)燃燒為目的的排氣凈化裝置的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，將排氣凸輪形成為具備排氣導(dǎo)入凸輪的兩段，或者設(shè)置排氣導(dǎo)入閥，而設(shè)置用于在進(jìn)氣行程中朝氣缸內(nèi)導(dǎo)入廢氣的排氣導(dǎo)入機(jī)構(gòu)，在排氣溫度區(qū)域?yàn)榈蜏貐^(qū)域的情況下，使進(jìn)氣節(jié)氣門(mén)、排氣節(jié)氣門(mén)以及排氣導(dǎo)入機(jī)構(gòu)工作，而使排氣溫度(氣缸內(nèi)的溫度)上升。
[0013]該柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是僅將輕油作為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，但也是如下的發(fā)動(dòng)機(jī):使用在發(fā)動(dòng)機(jī)的吸入行程中使排氣通路的廢氣的一部分朝氣缸內(nèi)回流而使氣缸內(nèi)溫度上升的排氣導(dǎo)入機(jī)構(gòu)，即便在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)為輕負(fù)載狀態(tài)下通過(guò)進(jìn)氣節(jié)流閥使吸入空氣量減少，也能夠使氣缸內(nèi)的燃料穩(wěn)定地著火的發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0014]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0015]專利文獻(xiàn)
[0016]專利文獻(xiàn)1:日本申請(qǐng)的特開(kāi)2012-57471號(hào)公報(bào)
[0017]專利文獻(xiàn)2:日本申請(qǐng)的特開(kāi)2002-349241號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]發(fā)明要解決的課題
[0019]本發(fā)明人鑒于上述狀況，得到如下見(jiàn)解而想到本發(fā)明，S卩:通過(guò)將用于在進(jìn)氣行程中朝氣缸內(nèi)導(dǎo)入廢氣的排氣導(dǎo)入機(jī)構(gòu)組裝到天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，由此能夠解決上述天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的問(wèn)題點(diǎn)。
[0020]本發(fā)明的目的在于，提供天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)以及天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方法，在具備將著火源的輕油燃料朝燃燒室內(nèi)噴射、將天然氣燃料朝進(jìn)氣系統(tǒng)通路噴射的天然氣燃料噴射裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)中，能夠在全部運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域中可靠且穩(wěn)定地使天然氣燃料著火，能夠通過(guò)較少的燃料和較少的吸入空氣來(lái)進(jìn)行高效率的燃燒，并且，即便在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)為高負(fù)載區(qū)域的情況下，也能夠抑制由爆燃導(dǎo)致的爆震。
[0021]用于解決課題的手段
[0022]用于實(shí)現(xiàn)上述那種目的的本發(fā)明的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成為，將天然氣燃料朝進(jìn)氣系統(tǒng)通路噴射，將著火源的輕油燃料朝氣缸內(nèi)噴射，在天然氣燃料的著火時(shí)不使用火花點(diǎn)火系統(tǒng)，而通過(guò)噴射至氣缸內(nèi)的輕油燃料的壓縮著火使天然氣燃料燃燒，該天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成為，具備朝進(jìn)氣行程中的氣缸內(nèi)導(dǎo)入廢氣的排氣導(dǎo)入機(jī)構(gòu)，并且具備控制裝置，該控制裝置如下那樣進(jìn)行控制:在該天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的除了起動(dòng)時(shí)以外的全部運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域中，將朝氣缸內(nèi)噴射的輕油燃料的量設(shè)為怠速運(yùn)轉(zhuǎn)用的輕油燃料量，通過(guò)天然氣燃料的量的增減來(lái)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的增減，并且在油門(mén)開(kāi)度大于預(yù)先設(shè)定的第一開(kāi)度的高負(fù)載區(qū)域中，控制為通過(guò)多重噴射來(lái)進(jìn)行輕油燃料的氣缸內(nèi)燃燒噴射。
[0023]另外，該排氣導(dǎo)入機(jī)構(gòu)能夠采用已經(jīng)成為公知技術(shù)的如下那種構(gòu)成。其中之一的構(gòu)成為，在使排氣閥工作的排氣凸輪中，對(duì)于在通常的排氣行程中將排氣閥開(kāi)閥的通常的凸輪輪廓，追加形成具有大致90°的相位角的排氣導(dǎo)入凸輪輪廓，并使該排氣導(dǎo)入凸輪輪廓能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行工作，由此在進(jìn)氣行程中將排氣閥提升Imm?3mm程度而使其開(kāi)閥，由此使氣缸內(nèi)與排氣系統(tǒng)通路連通，在進(jìn)氣行程中導(dǎo)入廢氣。
[0024]另一個(gè)構(gòu)成為，設(shè)置通過(guò)與排氣閥不同的電磁螺線管進(jìn)行開(kāi)閉閥的工作的排氣導(dǎo)入閥，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)對(duì)該電磁螺線管賦予驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由此在進(jìn)氣行程中使排氣導(dǎo)入閥提升而使其開(kāi)閥。由此，使氣缸內(nèi)與排氣系統(tǒng)通路連通，在進(jìn)氣行程中導(dǎo)入廢氣。
[0025]另外，在本發(fā)明中，無(wú)需限定于上述兩個(gè)構(gòu)成，即便是除此以外的構(gòu)成，只要是具有朝進(jìn)氣行程中的氣缸內(nèi)導(dǎo)入廢氣的功能的構(gòu)成即可。
[0026]根據(jù)該構(gòu)成，通過(guò)排氣導(dǎo)入機(jī)構(gòu)的工作，由此能夠在進(jìn)氣行程中使排氣系統(tǒng)通路的高溫廢氣適當(dāng)?shù)爻瘹飧變?nèi)回流，而在燃燒緊后將高溫的廢氣導(dǎo)入氣缸內(nèi)，因此能夠使氣缸內(nèi)的輕油燃料、天然氣燃料、吸入空氣以及廢氣的混合氣的溫度上升。在該排氣導(dǎo)入中，由于在燃燒緊后導(dǎo)入高溫的廢氣，所以與經(jīng)由具備EGR冷卻器的EGR通路而導(dǎo)入溫度變低的EGR氣體的情況相比，氣缸內(nèi)溫度上升效果顯著變大。
[0027]結(jié)果，通過(guò)少量的輕油燃料就能夠穩(wěn)定地進(jìn)行壓縮燃燒，還能夠?qū)⒃撦p油燃料的燃燒作為著火源而穩(wěn)定地進(jìn)行天然氣燃料的燃燒。因而，能夠?qū)崿F(xiàn)燃燒效率良好且穩(wěn)定的燃燒，此外，能夠降低用于著火的輕油燃料的量，因此輕油燃料的消耗量為少量即可。此外，作為整體，由于燃料的燃燒而產(chǎn)生的熱量變少，因此朝排氣系統(tǒng)通路流動(dòng)的熱量減少，由該熱量引起的熱損傷減少，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)部件的耐久性提高。
[0028]此外，通過(guò)排氣導(dǎo)入機(jī)構(gòu)的工作，即便在發(fā)動(dòng)機(jī)成為低溫的起動(dòng)時(shí)也能夠使氣缸內(nèi)溫度迅速地升溫，因此起動(dòng)性變得良好。而且，即便在起動(dòng)時(shí)也能夠通過(guò)少量的輕油進(jìn)行起動(dòng)，因此由起動(dòng)引起的不發(fā)火以及未燃烴(未燃HC)的排出量也大幅度減少。并且，能夠使氣缸內(nèi)