KR101656323B1 - 유니플로 소기식 2사이클 엔진 - Google Patents

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Abstract

유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은 실린더(110)와, 실린더 안을 슬라이딩하는 피스톤(112)과, 실린더의 일단부에 마련된 배기 포트(116)와, 배기 포트를 개폐하는 배기 밸브(120)와, 실린더에서의 피스톤의 스트로크 방향 타단부 측의 내주면에 마련되고, 피스톤의 슬라이딩 동작에 따라 연소실(140)에 활성 가스를 흡입하는 소기 포트(122)와, 소기 포트로부터 연소실에 흡입된 활성 가스에 연료 가스를 분사하여 예혼합기를 생성하는 복수의 연료 분사 밸브(128)와, 복수의 연료 분사 밸브(128)의 일부 또는 전부로부터 분사되는 연료 가스의 분사 방향을 가변하는 연료 분사 제어부(152)를 구비한다.

Description

유니플로 소기식 2사이클 엔진{Uniflow scavenging two-cycle engine}
본 발명은, 소기 포트로부터 흡입된 활성 가스에 연료 가스를 분사하여 생성되는 예혼합기를 연소시키는 유니플로 소기식 2사이클 엔진에 관한 것이다.
본원은 2012년 8월 31일에 일본 출원된 일본특허출원 2012-191120호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
예를 들어, 특허문헌 1에 나타나는 바와 같이, 선박 기관으로서도 이용되는 유니플로 소기식 2사이클 엔진(2스트로크 엔진)은 실린더에서의 피스톤의 스트로크 방향 일단부에 배기 포트가 마련되고, 실린더에서의 피스톤의 스트로크 방향 타단부 측에 소기 포트가 마련되어 있다. 흡기(급기) 행정에서 소기 포트로부터 연소실에 활성 가스가 흡입되면, 연소 작용에 의해 발생한 배기 가스가 흡입되는 활성 가스에 의해 배기 포트로부터 밀려나오도록 하여 배기된다.
이 때, 흡입된 활성 가스에 연료 가스를 분사하여 예혼합기를 생성하고, 생성된 예혼합기를 압축하여 그 중에서 파일럿 연료를 분사함으로써, 파일럿 연료의 연소에 의해 착화한 예혼합기의 연소 작용이 얻어지고, 이 연소 작용에 의해 발생하는 폭발 압력에 따라 피스톤이 실린더 내에서 왕복 운동한다. 이와 같이 실린더에는 연료 가스를 분사하는 연료 분사 밸브가 마련되어 있다. 그러나, 선박용 2사이클 엔진 등 실린더의 직경이 큰 2사이클 엔진에서는, 실린더의 둘레방향으로 복수의 연료 분사 밸브를 마련하고, 이들 복수의 연료 분사 밸브로부터 동시에 연료 가스를 분사한다.
특허문헌 1: 일본공개특허 2012-77742호 공보
그러나, 복수의 연료 분사 밸브가 마련된 종래의 2사이클 엔진에서는, 모든 연료 분사 밸브로부터 실린더의 중심으로 향하여 동시에 연료 가스가 분사되기 때문에, 실린더 내의 전체에 연료 가스를 널리 퍼지게 할 수 없는 경우가 있다. 2사이클 엔진에 있어서 실린더 내의 전체에 연료 가스를 널리 퍼지게 할 수 있으면, 보다 운전 성능을 향상시킬 수 있기 때문에 연료 가스의 분사에 대해 추가적인 개량이 요구되고 있다.
그래서, 본 발명은 연료 분사 밸브의 구성을 연구함으로써 실린더 내의 전체에 연료 가스를 널리 퍼지게 할 수 있어, 보다 운전 성능을 향상시키는 것이 가능한 유니플로 소기식 2사이클 엔진을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명에 관한 유니플로 소기식 2사이클 엔진은, 내부에 연소실이 형성되는 실린더와, 실린더 안을 슬라이딩하는 피스톤과, 실린더에서의 피스톤의 스트로크 방향 일단부에 마련된 배기 포트와, 배기 포트를 개폐하는 배기 밸브와, 실린더에서의 피스톤의 스트로크 방향 타단부 측의 내주면에 마련되고, 피스톤의 슬라이딩 동작에 따라 연소실에 활성 가스를 흡입하는 소기 포트와, 소기 포트로부터 연소실에 흡입된 활성 가스에 연료 가스를 분사하여 예혼합기를 생성하는 복수의 연료 분사 밸브와, 복수의 연료 분사 밸브의 일부 또는 전부로부터 분사되는 연료 가스의 분사 방향을 가변하는 연료 분사 제어부를 구비한다.
또한, 본 발명에 관한 유니플로 소기식 2사이클 엔진은, 상기 유니플로 소기식 2사이클 엔진이 고부하 상태인지 저부하 상태인지를 판정하는 부하 판정부를 더 구비하고, 연료 분사 제어부는 부하 판정부가 검출한 부하 상태가 고부하 상태인 경우, 연료 가스의 분사 방향을, 실린더 내에 흡입된 활성 가스의 선회류를 따르는 방향인 제1 방향으로 향하게 하고, 부하 판정부가 검출한 부하 상태가 저부하 상태인 경우, 연료 가스의 분사 방향을, 제1 방향보다 실린더의 중심축 측으로 향하는 방향인 제2 방향으로 향하게 해도 된다.
또한, 본 발명에 관한 유니플로 소기식 2사이클 엔진은, 연료 가스의 배기 포트로부터의 누출량을 검지하는 누출 검지부를 더 구비하고, 연료 분사 제어부는 누출 검지부에 의해 검지되는 연료 가스의 누출량이 문턱값 이상이 된 경우, 연료 가스의 누출량이 문턱값 미만인 경우보다 연료 가스의 분사 방향을, 피스톤의 스트로크 방향에 있어서 소기 포트 측으로 향하게 해도 된다.
복수의 연료 분사 밸브는, 연료 가스가 유통하는 이 연료 분사 밸브의 내부로부터 분사구까지의 어딘가의 유로에 있어서 유로 단면적이 가변이어도 된다.
본 발명의 유니플로 소기식 2사이클 엔진에 의하면, 연료 분사 밸브의 구성을 연구함으로써 실린더 내의 전체에 연료 가스를 널리 퍼지게 할 수 있어 보다 운전 성능을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
도 1은 유니플로 소기식 2사이클 엔진의 전체 구성을 나타내는 설명도이다.
도 2는 각 제어부의 동작을 나타내는 설명도이다.
도 3a는 연료 분사 밸브를 설명하기 위한 도면이다.
도 3b는 연료 분사 밸브를 설명하기 위한 확대도이다.
도 3c는 연료 분사 밸브를 설명하기 위한 확대도이다.
도 4는 연료 가스의 분사 방향을 설명하는 도면이다.
도 5a는 실린더에서의 연료 분사 포트가 형성된 위치의 연직 방향의 단면도이다.
도 5b는 실린더에서의 연료 분사 포트가 형성된 위치의 연직 방향의 단면도이다.
도 5c는 실린더에서의 연료 분사 포트가 형성된 위치의 연직 방향의 단면도이다.
도 6a는 유로 조정 기구의 구체예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6b는 유로 조정 기구의 구체예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 연료 분사 제어부에 의한 연료 분사 밸브의 제어 방법의 일례를 설명하는 흐름도이다.
이하에 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시형태에 대해 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시형태에 나타내는 치수, 재료, 기타 구체적인 수치 등은 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 예시에 불과하며, 특별히 언급하는 경우를 제외하고 본 발명을 한정하지 않는다. 본 명세서 및 도면에서 실질적으로 동일한 기능, 구성을 가지는 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여함으로써 중복 설명을 생략하고, 또한 본 발명에 직접 관계가 없는 요소는 도시를 생략한다.
도 1은, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 전체 구성을 나타내는 설명도이다. 본 실시형태의 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은, 예를 들어 선박 등에 이용된다. 구체적으로 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은 실린더(110)(실린더 헤드(110a), 실린더 블록(110b))와, 피스톤(112)과, 파일럿 분사 밸브(114)와, 배기 포트(116)와, 배기 밸브 구동 장치(118)와, 배기 밸브(120)와, 소기 포트(122)와, 소기실(124)과, 연료 분사 포트(126)와, 연료 분사 밸브(128)와, 로터리 인코더(130)와, 누출 검지부(132)와, 연소실(140)을 포함하여 구성되고, 거버너(조속기)(150), 연료 분사 제어부(152), 배기 제어부(154) 등의 제어부에 의해 제어된다.
유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)에서는 흡기(급기), 압축, 연소, 배기 등의 4가지 연속되는 행정을 통해, 도시하지 않은 크로스 헤드에 연결된 피스톤(112)이 실린더(110) 안을 슬라이딩 가능하게 왕복 이동한다. 이러한 크로스 헤드형 피스톤(112)에서는, 실린더(110) 내에서의 스트로크를 비교적 길게 형성할 수 있고, 피스톤(112)에 작용하는 측압(側壓)을 크로스 헤드에 받게 하는 것이 가능하므로, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 고출력화를 도모할 수 있다. 나아가 실린더(110)와 크로스 헤드가 들어가는 도시하지 않은 크랭크실이 격리되므로, 저질 연료유를 이용하는 경우에도 오손 열화를 방지할 수 있다.
파일럿 분사 밸브(114)는, 실린더(110)의 스트로크 방향 일단부인 피스톤(112)의 상사점보다 상방의 실린더 헤드(110a)에 마련되고, 엔진 사이클에서의 원하는 시점에서 적당량의 연료유를 분사한다. 이 연료유는, 실린더 헤드(110a)와 실린더 블록(110b)에서의 실린더 라이너와 피스톤(112)에 둘러싸인 연소실(140)의 열로 자연 착화하고 단시간에 연소하여 연소실(140)의 온도를 매우 높이므로, 연료 가스를 포함하는 예혼합기를 원하는 타이밍에 확실히 착화하고 연소할 수 있다.
배기 포트(116)는, 실린더(110)에서의 피스톤(112)의 스트로크 방향의 일단측, 즉 피스톤(112)의 상사점보다 상방의 실린더 헤드(110a)의 꼭대기부에 마련된 개구부로서, 실린더(110) 내에서 발생한 연소 후의 배기 가스를 배기하기 위해 개폐된다. 배기 밸브 구동 장치(118)는, 소정의 타이밍에 배기 밸브(120)를 상하로 슬라이딩시켜 배기 포트(116)를 개폐한다. 이와 같이 하여 배기 포트(116)를 통해 배기된 배기 가스는, 예를 들어 도시하지 않은 과급기의 터빈측에 공급된 후 외부로 배기된다.
소기 포트(122)는, 실린더(110)에서의 피스톤(112)의 스트로크 방향의 타단측의 내주면(실린더 블록(110b)의 내주면)에 마련된 개구부로서, 피스톤(112)의 슬라이딩 동작에 따라 실린더(110) 내에 활성 가스를 흡입한다. 이 활성 가스는 산소, 오존 등의 산화제 또는 그 혼합기(예를 들어 공기)를 포함한다. 소기실(124)에는 도시하지 않은 과급기의 컴프레서에 의해 가압된 활성 가스(예를 들어 공기)가 봉입되고, 소기실(124)과 실린더(110) 내의 차압(差壓)으로 소기 포트(122)로부터 활성 가스가 흡입된다. 소기실(124)의 압력은 거의 일정하게 할 수 있다. 그러나, 소기실(124)의 압력이 변화하는 경우에는 소기 포트(122)에 압력계를 마련하고, 그 계측값에 따라 연료 가스의 분사량 등 다른 파라미터를 제어해도 된다.
연료 분사 포트(126)는, 실린더(110) 내주면(배기 포트(116)와 소기 포트(122)의 사이)에서 대략 둘레방향(엄밀한 둘레방향뿐만 아니라 스트로크 방향으로의 변위를 허용함)으로 소정의 간격을 두고 마련된 복수(본 실시형태에서는 8개)의 개구부이다.
연료 분사 밸브(128)는 각 연료 분사 포트(126) 내에 배치되고, 연료 분사 제어부(152)로부터의 지령을 받아 예를 들어 LNG(액화 천연가스)를 가스화한 연료 가스를 분사한다. 이와 같이 하여 실린더(110) 내에 연료 가스가 공급된다. 또한, 연료 가스는 LNG에 한정하지 않고, 예를 들어 LPG(액화 석유가스), 경유, 중유 등을 가스화한 것을 적용할 수도 있다.
로터리 인코더(130)는 도시하지 않은 크랭크 기구에 마련되고, 크랭크의 각도 신호(이하, 크랭크 각도 신호라고 함)를 검출한다.
누출 검지부(132)는, 배기 포트(116)에 연통하는 배기 통로 중에 마련되고, 연료 분사 밸브(128)로부터 분사된 연료 가스가 연소실에 머물지 않고 미연인 채로 배기 포트(116)로부터 배출되는 양(누출량)을 검지한다. 이 누출 검지부(132)는, 실린더(110)로부터 배출되는 배기 가스 중의 탄화 수소(하이드로카본) 농도를 검지함으로써 배기 포트(116)로부터의 연료 가스의 누출량을 검지한다. 누출 검지부(132)는, 누출량을 검지하면 누출량을 나타내는 누출 검지 신호를 연료 분사 제어부(152)에 출력한다.
거버너(150)는, 상위의 제어 장치로부터 입력된 엔진 출력 지령값과 로터리 인코더(130)로부터의 크랭크 각도 신호에 의한 엔진 회전수에 기초하여 연료 분사량을 도출하여 연료 분사 제어부(152)에 출력한다.
연료 분사 제어부(152)는, 거버너(150)로부터 입력된 연료 분사량을 나타내는 정보와 로터리 인코더(130)로부터의 크랭크 각도 신호, 누출 검지 신호에 기초하여 연료 분사 밸브(128)를 제어 신호에 의해 제어한다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 연료 분사 제어부(152)는 부하 판정부로서도 기능하고, 거버너(150)로부터 입력된 연료 분사량을 나타내는 정보에 기초하여 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)이 고부하 상태인지 저부하 상태인지를 판정한다.
배기 제어부(154)는, 연료 분사 제어부(152)로부터의 연료 분사량을 나타내는 정보 및 로터리 인코더(130)로부터의 크랭크 각도 신호에 기초하여 배기 밸브 구동 장치(118)에 배기 밸브 조작 신호를 출력한다. 이하, 상술한 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 엔진 사이클에서의 각 제어부의 동작에 대해 설명한다.
도 2는, 각 제어부의 동작을 나타내는 설명도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 연소 행정 후의 배기 행정에서는 배기 포트(116) 및 소기 포트(122)가 폐색 상태에 있고, 연소실(140)(실린더(110) 내)에는 배기 가스가 충만되어 있다.
연소실(140)의 연소 작용에 의해 발생하는 폭발 압력에 의해 피스톤(112)이 하강하여 하사점에 가까워지면, 배기 제어부(154)는 배기 밸브 구동 장치(118)를 통해 배기 밸브(120)를 개방하고, 또한 피스톤(112)의 슬라이딩 동작에 따라 소기 포트(122)가 개구한다(도 2에 나타내는 t1). 이에 의해, 소기 포트(122)로부터 활성 가스가 흡입되고, 활성 가스는 연료 가스의 혼합을 촉진하기 위한 스월(선회류)을 형성하면서 상승하여 연소실(140)(실린더(110) 내)의 배기 가스를 배기 포트(116)로부터 밀어낸다.
피스톤(112)이 하사점으로부터 상사점으로 향하여 상승하는 압축 행정에서는, 소기 포트(122)가 닫혀져 활성 가스의 흡입이 정지된다. 이 때, 배기 제어부(154)는 배기 밸브(120)를 개방 상태로 유지하고 있고, 피스톤(112)의 상승에 의해 계속해서 연소실(140)(실린더(110) 내)의 배기 가스는 배기 포트(116)로부터 배출된다. 이 동안에 연료 분사 제어부(152)는, 거버너(150)로부터 입력된 연료 분사량을 나타내는 정보나, 로터리 인코더(130)로부터의 크랭크 각도 신호에 의해 도출되는 엔진 회전수 등에 기초하여 피스톤(112)이 연료 분사 밸브(128)보다 하사점 측에 있을 때에, 연료 분사 밸브(128)로부터 실린더(110) 내에 연료 가스를 분사한다(도 2에 나타내는 t2).
이에 의해, 소기 포트(122)로부터 흡입된 활성 가스에 연료 가스가 분사되어 연소실(140)(실린더(110) 내)에 예혼합기가 생성된다. 그 후, 피스톤(112)이 더 상승하여 연료 분사 밸브(128)보다 상사점에 가까워지면, 배기 제어부(154)는 배기 밸브(120)를 폐쇄하여 배기 포트(116)를 닫는다(도 2에 나타내는 t3).
이와 같이 하여 연소실(140)에서 예혼합기가 연소함으로써, 상기와 같이 배기, 흡기(급기), 압축, 연소, 팽창 행정이 반복된다. 여기서, 엔진의 운전 상황에도 관계가 있지만, 예를 들어 엔진이 고부하 상태인 경우, 연료 가스가 국소적으로 분사되면, 경우에 따라서는 노킹이나 조기 점화가 발생하여 운전 성능이 저하될 가능성이 있다. 한편, 항상 실린더(110) 내(연소실(140))의 전체에 연료 가스를 널리 퍼지게 하도록 연료 분사 밸브(128)를 구성하면, 엔진이 저부하 상태인 경우에 연료 가스가 연소하지 않을 가능성이 있다. 그래서, 본 실시형태에서는, 운전 상황에 따라 연료 가스를 적합한 장소에 분사하기 위해 연료 분사 밸브(128)를 다음과 같이 구성하고 있다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 연료 분사 밸브(128)를 설명하기 위한 도면으로, 도 3a는 실린더(110)에서의 연료 분사 포트(126)가 형성된 위치의 수평 방향의 단면을 나타내고, 도 3b, 도 3c는 도 3a에서의 연료 분사 밸브(128)의 부분을 확대한 도면이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은 실린더(110)에 8개의 연료 분사 포트(126)가 형성되어 있고, 이들 8개의 연료 분사 포트(126) 각각에 연료 분사 밸브(128)가 마련되어 있다.
본 실시형태에 있어서, 연료 분사 밸브(128)는 연료 분사 제어부(152)로부터 출력된 제어 신호에 따라 연료 가스의 분사 방향을 가변할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 도 3b, 도 3c에 도시된 바와 같이, 연료 분사 밸브(128)는 실린더 블록(110b)에 형성된 연료 가스가 유통하는 유로(110c)의 직경과 거의 동일해지는 치수 관계를 유지함과 동시에, 축 P, 축 Q의 2개의 축을 회전축으로 하여 회동하는 본체부(210)와, 본체부(210)의 일단측에 형성된 분사구(212)와, 본체부(210)의 타단측에 형성되고 분사구(212)보다 대직경의 도입구(214)와, 분사구(212)와 도입구(214)를 연속시킴과 동시에 본체부(210)를 관통하는 관통공(220)을 포함하여 구성된다. 또한, 관통공(220)은 분사구(212)로부터 연속시킴과 동시에 분사구(212)와 거의 동일 직경의 지향부(220a)와, 지향부(220a)와 도입구(214)를 연속시키는 연속부(220b)로 이루어진다.
도시하지 않은 구동부가, 연료 분사 제어부(152)로부터 출력된 제어 신호를 수신하면, 연료 분사 밸브(128)의 본체부(210)를 회동 제어하여 연료 분사 밸브(128)를 도 3b에 나타내는 제1 상태와 도 3c에 나타내는 제2 상태로 제어한다.
도 4는 연료 가스의 분사 방향을 설명하는 도면으로, 실린더(110)에서의 연료 분사 포트(126)가 형성된 위치의 수평 방향의 단면을 나타낸다. 도 5a, 도 5b 및 도 5c는 실린더(110)에서의 연료 분사 포트(126)가 형성된 위치의 연직 방향의 단면도로서, 도 5a는 도 4에서의 V(a)-V(a)선의 단면을 나타내고, 도 5b는 도 4에서의 V(b)-V(b)선의 단면을 나타내고, 도 5c는 누출 검지부(132)로부터 출력된 누출 검지 신호에 기초하여 연료 분사 밸브(128)를 제어하는 경우의 단면을 나타내고 있다.
도 4 중에서, 상술한 제1 상태로 배치되는 연료 분사 밸브(128)를 부호 128a로 나타내고, 상술한 제2 상태로 배치되는 연료 분사 밸브(128)를 부호 128b로 나타낸다.
연료 분사 제어부(152)에 의한 제어 신호에 따라, 본체부(210)가 회동하여 연료 분사 밸브(128a)가 제1 상태로 배치되는 경우, 즉 유로(110c)의 연신 방향과 교차하는 방향으로 관통공(220)의 중심선이 배치되는 경우(도 3b 참조), 실린더(110)(연소실(140)) 내에 흡입된 활성 가스의 스월, 즉 선회류(도 4 중에서 부호 300으로 나타내는 점선 화살표)를 따르는 방향(제1 방향, 도 4 중에서 부호 232로 나타내는 실선 화살표 방향)으로 연료 가스를 분사한다.
한편, 연료 분사 제어부(152)에 의한 제어 신호에 따라, 본체부(210)가 회동하여 연료 분사 밸브(128b)가 제2 상태로 배치되는 경우, 즉 유로(110c)의 연신 방향을 따르는 방향으로 관통공(220)의 중심선이 배치되는 경우(도 3c 참조), 제1 상태의 연료 분사 밸브(128a)보다 실린더(110)의 중심축 측(제2 방향, 본 실시형태에서는 실린더(110)의 중심축, 도 4 중에서 부호 234로 나타내는 흰 화살표 방향)으로 향하여 연료 가스를 분사한다.
여기서, 활성 가스의 선회류(스월)를 따르는 방향이라는 것은, 활성 가스의 유동 방향과 연료 가스의 분사 방향이 완전히 일치하는 경우에 한정하지 않고, 활성 가스의 흐름에 연료 가스가 원활하게 실리는 관계에 있으면 좋다. 구체적으로 실린더(110)의 수평 방향의 단면에 있어서, 활성 가스의 선회류 방향(유동 방향)과 연료 가스의 분사 방향이 이루는 각도(α)(도 4 참조)가 0°<α<90°이면 좋다. 이 경우, 제2 상태의 연료 분사 밸브(128b)로부터 분사되는 연료 가스가 제1 상태의 연료 분사 밸브(128a)로부터 분사되는 연료 가스보다 실린더(110)의 중심축 측으로 향하여 있으면 좋다.
또한, 여기서 연료 분사 밸브(128b)는 도 5a에 도시된 바와 같이 실린더(110)의 중심축으로 향하여 수평방향으로 연료 가스를 분사하고, 연료 분사 밸브(128a)는 도 5b에 도시된 바와 같이 수평방향보다 연직 상방으로 향하여 연료 가스를 분사한다. 연료 분사 밸브(128a) 및 연료 분사 밸브(128b)로부터 분사되는 연료 가스의 연직 방향에서의 분사 각도는 적절히 설정하면 좋다. 따라서, 예를 들어 연료 분사 밸브(128a)로부터 수평방향으로 연료 가스를 분사해도 되고, 제2 연료 분사 밸브(128b)로부터 수평방향보다 연직 상방으로 향하여 연료 가스를 분사해도 된다.
자세한 것은 후술하지만, 누출 검지부(132)로부터 출력된 누출 검지 신호에 기초하여, 도 5c에 도시된 바와 같이 연료 분사 밸브(128)로부터 수평방향보다 연직 하방(소기 포트(122) 측)으로 향하여 연료를 분사해도 된다.
이와 같이, 연료 분사 제어부(152)에 의해 연료 분사 밸브(128)를 제1 상태와 제2 상태로 전환 가능하게 하는, 즉 연료 분사 밸브(128)로부터 분사되는 연료 가스의 분사 방향을 가변함으로써, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 운전 상태에 따라 연료 가스를 적합한 장소에 분사할 수 있다.
예를 들어, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)이 고부하 상태라고 판정한 경우, 연료 분사 제어부(152)는 연료 분사 밸브(128)를 제1 상태로 회동 제어한다. 이에 의해, 연료 분사 밸브(128)는 실린더(110)(연소실(140)) 내에 흡입된 활성 가스의 스월을 따르는 방향으로 연료 가스를 분사시킨다. 이렇게 함으로써, 실린더(110)(연소실(140)) 내에서 전체에 연료 가스를 널리 퍼지게 하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 종래에 비해 운전 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)이 저부하 상태라고 판정한 경우, 연료 분사 제어부(152)는 연료 분사 밸브(128)를 제2 상태로 회동 제어한다. 이에 의해, 연료 분사 밸브(128)는 실린더(110)의 중심축으로 향하여 연료 가스를 분사시킨다. 이렇게 함으로써, 실린더(110) 내에서 연료 가스가 진한 부분을 의도적으로 생성할 수 있어 확실히 연소 작용을 초래하는 것이 가능하게 된다.
또, 연료 분사 밸브(128)에는 유로 조정 기구(230)가 마련되어 있다. 도 6a 및 도 6b는, 유로 조정 기구(230)의 구체예를 설명하기 위한 도면이다. 유로 조정 기구(230)는 분사구(212)에 마련되어 있고, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 예를 들어 12개의 가동편(232)으로 구성되어 있다. 유로 조정 기구(230)는, 도 6a에 나타내는 제1 상태에서 유로 단면적이 최대가 되게 되어 있다. 제1 상태로부터 선단부(232a)끼리가 접촉하도록, 즉 유로 조정 기구(230)의 내측에 선단부(232a)가 배치되도록, 각 가동편(232)을 가동함으로써, 도 6b에 나타내는 제2 상태로 변이시킨다. 이렇게 하면, 제2 상태에서는 제1 상태와 비교하여 유로 단면적을 작게 할 수 있다. 이와 같이, 유로 조정 기구(230)는 관통공(220)의 유로 단면적을 가변으로 하는 것이 가능하게 된다. 유로 조정 기구(230)는 분사구(212)에 한정하지 않고, 연료 가스가 유통하는 관통공(220)에서의 도입구(214)(연료 분사 밸브(128)의 내부)로부터 분사구(212)까지의 어딘가의 유로(지향부(220a), 연속부(220b))에 마련되어 있어도 된다. 유로 조정 기구(230)를 구비함으로써, 연료 분사 밸브(128)의 분사구(212)로부터 실린더(110) 내에 분사되는 연료 가스의 유량을 조정하는 것이 가능하게 된다.
또한, 연료 분사 밸브(128)의 유로 조정 기구는 원하는 유량으로 연료 가스를 분사할 수 있으면 좋고, 상술한 유로 조정 기구(230)의 구성에 한정하지 않는다. 예를 들어, 지향부(220a)를 독립적으로 복수 마련해 두고, 지향부(220a)를 개폐하는 기구를 유량 조정 기구로 한다. 지향부(220a)를 폐쇄 상태 또는 개방 상태로 하는 수를 제어함으로써, 관통공(220)의 유로 단면적을 가변으로 해도 된다.
이어서, 연료 분사 제어부(152)에 의한 연료 분사 밸브(128)의 제어 방법에 대해 설명한다. 도 7은, 연료 분사 제어부(152)에 의한 연료 분사 밸브(128)의 제어 방법의 일례를 설명하는 흐름도이다. 도 7에 도시된 처리는, 예를 들어 거버너(150)로부터 연료 분사량에 정보가 연료 분사 제어부(152)에 입력된 경우에 개시된다.
(단계 S301)
연료 분사 제어부(152)는, 거버너(150)로부터 연료 분사량에 정보가 입력되면, 누출 검지부(132)로부터 입력된 누출 검지 신호가 나타내는 연료 가스의 누출량이 미리 정해진 제1 문턱값 이상인지 여부를 판정한다. 그리고, 연료 가스의 누출량이 제1 문턱값 이상인 경우(단계 S301에서의 "예"), 단계 S302로 처리를 이행하고, 제1 문턱값 미만인 경우(단계 S301에서의 "아니오"), 단계 S303으로 처리를 이행한다.
(단계 S302)
연료 가스의 누출량이 제1 문턱값 이상인 경우(단계 S301에서의 "예"), 연료 분사 제어부(152)는 연료 분사 밸브(128)를 제어하여 연료 가스의 분사 방향을, 연료 가스의 누출량이 제1 문턱값 미만인 경우(연료 가스의 누출을 검지하지 못한 경우)보다, 피스톤(112)의 스트로크 방향에 있어서 소기 포트(122) 측으로 향하게 한다.
상술한 바와 같이, 연료 분사 밸브(128)로부터 연료를 분사할 때에는 배기 포트(116)가 아직 개구되어 있기(도 2 참조) 때문에, 실린더(110) 내의 가스 흐름 상황에 따라서는 연료 가스의 누출이 발생하고, 연료 분사 밸브(128)로부터 분사한 연료의 일부가 그대로 배기 포트(116)로부터 배출되는 경우도 있을 수 있다. 그래서, 누출 검지부(132)가 누출을 검지한 경우(연료 가스의 누출량이 제1 문턱값 이상인 경우), 연료 분사 밸브(128)에 의한 연료 가스의 분사 방향을, 연료 가스의 누출을 검지하지 못한 경우보다, 피스톤(112)의 스트로크 방향에 있어서 소기 포트(122) 측으로 향하게 함으로써, 배기 포트(116)로부터의 연료 가스의 누출량을 저감하는 것이 가능하게 된다.
(단계 S303)
연료 가스의 누출량이 제1 문턱값 미만인 경우(단계 S301에서의 "아니오"), 연료 분사 제어부(152)는, 부하 판정부로서 기능하고, 거버너(150)로부터 입력된 연료 분사량을 나타내는 정보에 기초하여 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 부하 상태가 고부하 상태인지 여부를 판정한다. 구체적으로 설명하면, 연료 분사 제어부(152)는 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 부하가 미리 정해진 제2 문턱값 이상인지 여부를 판정한다. 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 부하가 미리 정해진 제2 문턱값 이상인 경우(단계 S303에서의 "예"), 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 부하 상태가 고부하 상태라고 간주하고 단계 S304로 처리를 이행한다. 한편, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 부하가 미리 정해진 제2 문턱값 미만인 경우(단계 S303에서의 "아니오"), 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 부하 상태가 저부하 상태라고 간주하고 단계 S306으로 처리를 이행한다.
(단계 S304)
유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 부하 상태가 고부하 상태인 경우(단계 S303에서의 "예"), 연료 분사 제어부(152)는 연료 분사 밸브(128)의 유로 조정 기구를 제어하여, 연료 분사 밸브(128)에서의 관통공(220)의 유로 단면적을 미리 정해진 제1 면적으로 한다.
(단계 S305)
그리고, 연료 분사 제어부(152)는 연료 분사 밸브(128)를 제어하여, 연료 가스의 분사 방향을, 제1 방향(실린더(110) 내에 흡입된 활성 가스의 선회류를 따르는 방향)으로 향하게 한다.
(단계 S306)
한편, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 부하 상태가 저부하 상태인 경우(단계 S303에서의 "아니오"), 연료 분사 제어부(152)는 연료 분사 밸브(128)의 유로 조정 기구를 제어하여, 연료 분사 밸브(128)에서의 관통공(220)의 유로 단면적을 미리 정해진 제1 면적보다 작은 제2 면적으로 변경한다.
(단계 S307)
그리고, 연료 분사 제어부(152)는 연료 분사 밸브(128)를 제어하여, 연료 가스의 분사 방향을, 제2 방향(제1 방향보다 실린더(110)의 중심축 측으로 향하는 방향)으로 향하게 한다.
상기 처리에 의하면, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)이 고부하 상태인 경우, 연료 분사 밸브(128)에서의 관통공(220)의 유로 단면적을 상대적으로 큰 제1 면적으로 함으로써, 연료 가스의 소비가 상대적으로 많은 고부하 상태인 경우에 보다 많은 연료 가스를 실린더(110) 내에 분사할 수 있다.
나아가 고부하 상태인 경우, 연료 분사 제어부(152)는 연료 분사 밸브(128)에 의한 연료 가스의 분사 방향을 제1 방향으로 함으로써, 실린더(110) 내의 전체에 연료 가스를 널리 퍼지게 할 수 있다. 이에 의해, 다량의 연료 가스가 분사된 경우에, 실린더(110) 내에서 연료 가스가 국소적으로 너무 진해질 가능성이 저감되고, 엔진의 운전 상황에 관계없이 이상 연소를 회피하여 정상적인 운전이 가능하게 된다.
또한, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)이 저부하 상태인 경우, 연료 분사 밸브(128)에서의 관통공(220)의 유로 단면적을 상대적으로 작은 제2 면적으로 함으로써, 연료 가스의 소비가 상대적으로 적은 저부하 상태인 경우에 소량의 연료 가스를 세차게 실린더(110) 내에 분사할 수 있다.
나아가 저부하 상태인 경우, 연료 분사 제어부(152)는 연료 분사 밸브(128)에 의한 연료 가스의 분사 방향을 제2 방향으로 함으로써, 실린더(110)의 중심 근방에 있어서, 복수의 연료 분사 밸브(128)로부터 분사되는 연료 가스를 세차게 충돌시켜 연료 가스의 농도가 높은 부분을 의도적으로 생성할 수 있어 확실하게 연소 작용을 초래하는 것이 가능하게 된다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이러한 실시형태에 한정되지 않는다. 통상의 기술자라면, 특허청구범위에 기재된 범주에서 각종 변경예 또는 수정예를 생각해 낼 수 있는 것은 명백하고, 이들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속한다고 이해된다.
예를 들어, 상기 실시형태에서는 연료 분사 제어부(152)가 부하 판정부로서 기능하는 경우를 예로 들어 설명하였다. 변경예에서는, 연료 분사 제어부(152)와 부하 판정부를 다른 기능부로 구성해도 된다.
또한, 상술한 실시형태에서는 고부하 상태인 경우, 연료 분사 제어부(152)는 연료 분사 밸브(128)에 의한 연료 가스의 분사 방향을 제1 방향으로 하는 구성에 대해 설명하였다. 그러나, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)이 고부하 상태인 경우, 연료 분사 제어부(152)는 복수의 연료 분사 밸브(128)를 제어하여, 복수의 연료 분사 밸브(128) 중에서 일부의 연료 분사 밸브(128)에서의 연료 가스의 분사 방향을 제1 방향으로 하고, 그 밖의 연료 분사 밸브(128)에서의 연료 가스의 분사 방향을 제2 방향으로 해도 된다. 이에 의해, 보다 균일하게 실린더(110) 내의 전체에 연료 가스를 널리 퍼지게 할 수 있다. 이 경우, 제1 방향으로 연료 가스를 분사하는 연료 분사 밸브(128a)와 제2 방향으로 연료 가스를 분사하는 연료 분사 밸브(128b)를 교대로 배치해도 된다. 따라서, 모든 연료 분사 밸브(128)로부터 동시에 연료 가스를 분사하였다고 해도, 인접하는 연료 분사 밸브(128)로부터 분사되는 연료 가스가 간섭하기 어려워져 실린더(110)(연소실(140)) 내에서 전체에 연료 가스를 보다 널리 퍼지게 하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상술한 실시형태에 있어서, 연료 분사 밸브(128)로서 도 3a, 도 3b 및 도 3c에 도시된 구성의 연료 분사 밸브(128)를 예로 들어 설명하였다. 연료 분사 밸브(128)는 원하는 방향으로 연료 가스를 분사할 수 있으면 좋고, 그 구체적인 구성은 적절히 설계하면 좋다.
또한, 상술한 실시형태에서는 제1 연료 분사 밸브(128a)와 제2 연료 분사 밸브(128b)를 같은 수로 마련하지만, 제1 연료 분사 밸브(128a) 및 제2 연료 분사 밸브(128b)의 수가 달라도 되고, 또한 이들의 배치도 특별히 한정되지 않는다.
또한, 상술한 실시형태에서는 연료 분사 밸브(128)가 유로 조정 기구를 구비하는 구성에 대해 설명하였지만, 유로 조정 기구는 반드시 필요한 것은 아니다.
본 발명은, 소기 포트로부터 흡입된 활성 가스에 연료 가스를 분사하여 생성되는 예혼합기를 연소시키는 유니플로 소기식 2사이클 엔진에 이용할 수 있다. 또한, 연료 분사 밸브의 구성을 연구함으로써 실린더 내의 전체에 연료 가스를 널리 퍼지게 할 수 있어 보다 운전 성능이 향상된다.
100 유니플로 소기식 2사이클 엔진
110 실린더
112 피스톤
116 배기 포트
120 배기 밸브
122 소기 포트
128 연료 분사 밸브
132 누출 검지부
152 연료 분사 제어부(부하 판정부)

Claims (4)

  1. 내부에 연소실이 형성되는 실린더;
    상기 실린더 안을 슬라이딩하는 피스톤;
    상기 실린더에서의 상기 피스톤의 스트로크 방향 일단부에 마련된 배기 포트;
    상기 배기 포트를 개폐하는 배기 밸브;
    상기 실린더에서의 상기 피스톤의 스트로크 방향 타단부 측의 내주면에 마련되고, 상기 피스톤의 슬라이딩 동작에 따라 상기 연소실에 활성 가스를 흡입하는 소기 포트;
    상기 소기 포트로부터 상기 연소실에 흡입된 활성 가스에 연료 가스를 분사하여 예혼합기를 생성하는 복수의 연료 분사 밸브;
    상기 복수의 연료 분사 밸브의 일부 또는 전부로부터 분사되는 연료 가스의 분사 방향을 가변하는 연료 분사 제어부; 및
    상기 연료 가스의 상기 배기 포트로부터의 누출량을 검지하는 누출 검지부;를 구비하며,
    상기 연료 분사 제어부는,
    상기 누출 검지부에 의해 검지되는 상기 연료 가스의 누출량이 문턱값 이상이 된 경우, 상기 연료 가스의 누출량이 문턱값 미만인 경우보다, 상기 연료 가스의 분사 방향을, 상기 피스톤의 스트로크 방향에 있어서 상기 소기 포트 측으로 향하게 하는 유니플로 소기식 2사이클 엔진.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유니플로 소기식 2사이클 엔진이 고부하 상태인지 저부하 상태인지를 판정하는 부하 판정부를 더 구비하고,
    상기 연료 분사 제어부는,
    상기 부하 판정부가 검출한 부하 상태가 고부하 상태인 경우, 상기 연료 가스의 분사 방향을, 상기 실린더 내에 흡입된 활성 가스의 선회류를 따르는 방향인 제1 방향으로 향하게 하고, 상기 부하 판정부가 검출한 부하 상태가 저부하 상태인 경우, 상기 연료 가스의 분사 방향을, 상기 제1 방향보다 상기 실린더의 중심축 측으로 향하는 방향인 제2 방향으로 향하게 하는 유니플로 소기식 2사이클 엔진.
  3. 삭제
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 복수의 연료 분사 밸브는,
    상기 연료 가스가 유통하는 상기 연료 분사 밸브의 내부로부터 분사구까지의 어딘가의 유로에 있어서 유로 단면적이 가변인 유니플로 소기식 2사이클 엔진.
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