[发明专利]天然气发动机以及天然气发动机的运转方法

说明书

技术领域

本发明涉及天然气发动机以及天然气发动机的运转方法，在天然气发动机中，具有不使用火花点火系统而通过轻油等自点火燃料源的压缩着火使天然气燃料燃烧的高效率燃烧系统。

背景技术

如图9所示，现有技术的天然气发动机(CNG发动机)10X为，通过基于设置于气缸盖61的火花塞62的火花点火使由活塞63压缩的天然气燃料C着火，而使该天然气燃料C燃烧。

该天然气燃料C为，通过在与气缸盖61和活塞63的顶部之间所形成的燃烧室64连通的进气系统通路65上设置的天然气燃料喷射器(天然气燃料喷射装置)35，朝吸入空气A中喷射，并与该吸入空气A一起在进气阀66开阀的进气行程中被吸入燃烧室64。该天然气燃料C通过配置于燃烧室64的中央上部的火花塞62的电火花而着火，虽然是概念图像，但如细线所示那样燃烧呈层状地扩大。然后，在伴随着由该燃烧产生的燃烧气体的膨胀的膨胀行程中推压活塞63而做功，在接下来的排气阀68开阀的排气行程中将燃烧气体(废气)G朝排气系统通路67排出。

并且，在低输出、气缸筒(气缸孔)的直径较小的小型发动机的情况、通过氧较多的状态的稀燃烧而天然气燃料C容易燃烧的发动机的情况下，在该层状燃烧中，天然气燃料C以从燃烧室64的大致中心朝燃烧室64整体扩展的方式进行燃烧，因此推压活塞63的力均匀化，作为整体的推压力Fp朝向活塞63的中心轴方向，活塞63顺畅地往复运动。

但是，在高输出、气缸筒的直径较大的大型发动机的情况下，高温的燃烧气体G朝发动机10X的排气系统通路67侧流出，另一方面，朝进气系统通路65侧流入低温的吸入空气A，因此相对于进气系统通路65侧、排气系统通路67侧的温度变高，尤其是，图10中的由交叉影线表示的部分H容易成为高温。因此，产生被称作爆燃(异常燃烧)的现象，即：天然气燃料C不基于火花塞62的点火而着火，而是在进入燃烧行程之前与该高温部H接触而着火，燃烧从高温部H侧朝燃烧室64的整体扩展。在产生该现象的情况下，燃烧从燃烧室64的一个角落侧朝整体扩展，因此推压活塞63的力变得不均匀，作为整体的推压力Fp相对于活塞63的中心轴方向成为倾斜的方向，活塞63与气缸70单侧接触而变得无法顺畅地往复运动，成为发动机故障的原因。此外，该爆燃也是爆震的原因之一。

此外，在为了降低废气中的NOx而通过三元催化剂对废气进行后处理的情况下，将载持有三元催化剂的废气处理装置设置于排气通路来对废气中的NOx进行还原净化。该三元催化剂在氧较多的空燃比稀状态下催化剂性能降低，因此优选为废气中的氧浓度较低的空燃比浓状态。因此，在气缸内以理论燃烧(按照理论混合比的燃烧：燃烧后氧成为零的完全燃烧)、浓燃烧(接近理论混合比的氧浓度较低的燃烧)进行燃烧。为此，通过设置于进气通路的进气节流阀对朝气缸内吸入的吸入空气量进行控制，成为使天然气燃料燃烧所需要的且充分的氧而供给吸入空气，在气缸内进行理论燃烧。

即使在该理论燃烧或者浓燃烧的情况下，吸入空气A与天然气燃料C的混合气也不像稀燃烧那样容易燃烧，因此会从排气系统通路67侧的高温部H开始燃烧，变得容易产生爆燃。

如上所述，在考虑到天然气发动机的高输出化、大型化、浓燃烧化的情况下，需要解决爆燃的问题，此外，还需要解决火花塞点火方式中的火花塞因热而损伤这种火花塞热损伤的问题。此外，在火花点火用的火花塞为一个部位的情况下，点火源较少而难以使每个循环都可靠地着火，因此存在燃烧效率较差这种问题。当燃烧效率较差时，为了得到所要求的发动机输出而需要大量的燃料，所产生的热量也增加。结果，存在如下问题：容易产生燃料消耗率、由热引起的火花塞的电极部分的损伤、由热引起的排气系统部件的破损等各种耐久性的问题。

作为对于该问题的对策，例如日本申请的特开2012-57471号公报所记载的那样，提出有一种内燃机的燃料控制装置，通过CNG喷射器(CNG燃料喷射装置)朝进气通路喷射CNG(天然气)燃料，通过轻油喷射器(轻油燃料喷射装置)朝燃烧室喷射轻油，通过与压缩着火性较高的轻油混合而将轻油作为火种来使CNG燃烧，并根据燃烧室内的燃烧时的最大压力来变更CNG与轻油的比例。