KR101665077B1 - 유니플로 소기식 2사이클 엔진 - Google Patents

유니플로 소기식 2사이클 엔진 Download PDF

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다카유키 히로세
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Abstract

본 발명의 유니플로 소기식 2사이클 엔진은, 내부에 연소실이 형성되는 실린더(110)와, 실린더 안을 슬라이딩하는 피스톤과, 실린더에서의 피스톤의 스트로크 방향의 한쪽 단부측에 마련되고, 피스톤의 슬라이딩 동작에 따라 연소실에 활성 가스를 흡입하는 소기 포트(122)와, 상기 소기 포트의 관통 방향 폭의 중심보다 상기 실린더의 외측에 마련되고, 상기 소기 포트에 흡입되는 활성 가스에 연료 가스를 분사하는 연료 분사부(126)를 구비한다.

Description

유니플로 소기식 2사이클 엔진{Uniflow scavenging two-cycle engine}
본 발명은, 소기 포트로부터 흡입되는 활성 가스에 연료 가스를 분사하여 생성되는 예혼합기를 연소시키는 유니플로 소기식 2사이클 엔진에 관한 것이다.
본원은 2012년 8월 31일에 일본 출원된 일본특허출원 2012-191122호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
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. 그리고, 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 압축함으로써 연소 작용이 얻어지고, 이 연소 작용에 의해 발생하는 폭발 압력에 따라 피스톤이 실린더 내에서 왕복 운동한다.
이러한 유니플로 소기식 2사이클 엔진에서는, 연료 가스와 활성 가스의 혼합이 불충분한 경우, 국소적으로 연료 가스의 농도가 높아져 조기 점화나 미연 가스의 배출 등의 문제가 발생한다. 그래서, 예를 들어 특허문헌 1에 나타나는 바와 같이, 연료 가스를 분사하는 노즐관을 소기 포트 내에 마련하고, 활성 가스가 실린더 내에 흡입되기 전에 연료 가스와의 혼합을 개시함으로써, 실린더 내에서의 연료 가스와 활성 가스의 혼합 시간을 확보하는 구성을 생각할 수 있다.
특허문헌 1: 일본특허 제3908855호
그러나, 상술한 특허문헌 1의 구성에서는, 노즐관의 개구가 소기 포트의 출구 부근(실린더의 내측)에 배치되고, 소기 포트 내에서 소기 포트의 관통 방향으로 정류된 후의 활성 가스의 흐름에 따라 연료 가스가 합류한다. 그 때문에, 합류 후의 활성 가스와 연료 가스의 혼합이 진행되기 어렵다.
본 발명은 이러한 과제를 감안하여, 분사한 연료 가스를 활성 가스에 효율적으로 혼합시키는 것이 가능한 유니플로 소기식 2사이클 엔진을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 유니플로 소기식 2사이클 엔진은, 내부에 연소실이 형성되는 실린더와, 상기 실린더 안을 슬라이딩하는 피스톤과, 상기 실린더에서의 상기 피스톤의 스트로크 방향의 한쪽 단부측에 마련되고, 상기 피스톤의 슬라이딩 동작에 따라 상기 연소실에 활성 가스를 흡입하는 소기 포트와, 상기 소기 포트의 관통 방향 폭의 중심보다 상기 실린더의 외측에 마련되고, 상기 소기 포트에 흡입되는 활성 가스에 연료 가스를 분사하는 연료 분사부를 구비한다.
상기 연료 분사부는, 상기 소기 포트를 형성하는 상기 실린더의 벽부에 개구되는 연료 분사 포트이어도 된다.
본 발명의 유니플로 소기식 2사이클 엔진에 의하면, 분사한 연료 가스를 활성 가스에 효율적으로 혼합시키는 것이 가능하게 된다.
도 1은 제1 실시형태에서의 유니플로 소기식 2사이클 엔진의 전체 구성을 나타내는 설명도이다.
도 2a는 소기 포트의 외관도이다.
도 2b는 도 2a의 확대도이다.
도 3은 소기 포트의 내주벽의 도 2b에서의 III 방향에서 본 도면이다.
도 4a는 실린더 중에서 연료 분사부가 마련된 위치의 피스톤의 스트로크 방향에 수직인 단면을 나타내는 도면이다.
도 4b는 실린더 중에서 연료 분사부가 마련된 위치의 피스톤의 스트로크 방향에 수직인 단면을 나타내는 확대도이다.
도 5는 각 제어부의 동작을 나타내는 설명도이다.
도 6a는 제2 실시형태에서의 유니플로 소기식 2사이클 엔진의 실린더에서의 도 4a에 대응하는 위치의 단면도를 나타낸다.
도 6b는 제2 실시형태에서의 유니플로 소기식 2사이클 엔진의 실린더에서의 도 4b에 대응하는 위치의 단면도를 나타낸다.
이하에 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시형태에 대해 상세하게 설명한다. 이러한 실시형태에 나타내는 치수, 재료, 기타 구체적인 수치 등은 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 예시에 불과하며, 특별히 언급하는 경우를 제외하고 본 발명을 한정하지 않는다. 또, 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.
(제1 실시형태)
도 1은, 제1 실시형태에서의 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 분사부(126)와, 로터리 인코더(130)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 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 타단(한쪽 단부)측의 내주면(실린더 블록(110b)의 내주면)으로부터 외주면까지 관통하는 구멍으로서, 실린더(110)의 전체 주위에 걸쳐 복수 마련되어 있다. 그리고, 소기 포트(122)는, 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 봉입되어 있고, 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 있지만, 소기실(124)의 압력이 변화하는 경우에는 소기 포트(122)에 압력계를 마련하고, 그 계측값에 따라 연료 가스의 분사량 등 다른 파라미터를 제어해도 된다.
도 2a 및 도 2b는 소기 포트(122)의 외관도로서, 도 2b에는 도 2a의 점선으로 둘러싸인 부분의 확대도를 나타낸다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 소기 포트(122) 중에서 실린더(110)의 외주면(110c) 측에는, 소기실(124)로부터 유입하는 활성 가스의 흐름을 정류하기 위한 테이퍼(122a)가 형성되어 있다.
연료 분사부(126)는, 도시하지 않은 연료 분사 밸브와 연통하는 연료 분사 포트로 구성되어 소기 포트(122) 각각에 마련되고, 소기 포트(122)를 형성하는 실린더(110)의 벽부 중에서 이 테이퍼(122a)에 개구된다. 즉, 연료 분사부(126)는 소기 포트(122)의 테이퍼(122a)에 개구되는 개구부(126a)를 가진다.
도 3은, 소기 포트(122)의 내주벽의 도 2b에서의 III 방향에서 본 도면이다. 도 3에, 테이퍼(122a)를 포함한 소기 포트(122)의 관통 방향(도 3 중에서 좌우방향)의 폭에서의 중간 위치를 점선의 직선으로 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 연료 분사부(126)의 개구부(126a)는, 실린더(110)에서의 소기 포트(122)의 관통 방향 폭의 중심보다 실린더(110)의 외주면(110c) 측(외측)에 마련된다.
도 4a 및 도 4b는, 실린더(110) 중에서 연료 분사부(126)가 마련된 위치의 피스톤(112)의 스트로크 방향에 수직인 단면을 나타낸다. 도 4b에는, 도 4a의 점선으로 둘러싸인 부분의 확대도를 나타낸다. 또한, 도 4b 중에서 화살표는 활성 가스의 흐름을 나타낸다.
상기와 같이 연료 분사부(126)에는 도시하지 않은 연료 분사 밸브가 연통하고 있고, 상기 연료 분사 밸브는 연료 분사 제어부(152)로부터의 지령을 받아 예를 들어 LNG(액화 천연가스)를 가스화한 연료 가스를 분사한다. 연료 가스는 LNG에 한정하지 않고, 예를 들어 LPG(액화 석유가스), 경유, 중유 등을 가스화한 것을 적용할 수도 있다.
그러면, 소기 포트(122)를 유통하는 활성 가스로 향하여 연료 분사부(126)로부터 연료 가스가 분출한다.
이 때, 연료 분사부(126)의 개구부(126a)의 위치가 소기 포트(122) 중에서 실린더(110)의 벽부의 내주면 측으로 너무 쏠리면, 소기 포트(122) 내에서 소기 포트(122)의 관통 방향으로 정류된 후의 활성 가스의 흐름에 따라 연료 가스가 합류한다. 그 때문에, 합류 후의 활성 가스와 연료 가스의 혼합이 진행되기 어렵다.
그런데, 소기 포트(122)에 유입되는 활성 가스는 특히 소기 포트(122)의 상류측 엣지(122b) 근방에서 과류가 되어 흐름이 흐트러지기 쉽다.
본 실시형태에서는, 소기 포트(122) 중에서 활성 가스가 유입되는 부분에 연료 가스가 분사된다. 즉, 소기 포트(122)의 관통 방향 흐름의 상류측에서 활성 가스에 연료 가스가 분사되기 때문에, 엣지(122b) 근방에서의 활성 가스의 와류에 의해 활성 가스와 연료 가스의 혼합이 촉진된다.
또한, 연료 분사부(126)를 소기 포트(122)를 형성하는 실린더(110)의 벽부에 개구되는 연료 분사 포트로 구성함으로써, 소기 포트(122)에 유입되는 활성 가스에 연료 가스를 확실히 충돌시키는 것이 가능하게 된다.
도 1로 되돌아가, 로터리 인코더(130)는 도시하지 않은 크랭크 기구에 마련되고, 크랭크의 각도 신호(이하, 크랭크 각도 신호라고 함)를 검출한다.
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 신호에 기초하여, 연료 분사 밸브를 제어한다.
배기 제어부(154)는, 연료 분사 제어부(152)로부터의 연료 분사량에 상기 신호 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 5는, 각 제어부의 동작을 나타내는 설명도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 연소 행정 후의 팽창 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 개구된다(도 5에 나타내는 t1). 그러면, 소기 포트(122)로부터 활성 가스가 흡입된다.
그리고, 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, 연료 분사 밸브를 개방하고 연료 분사부(126)로부터 소기 포트(122) 내에 연료 가스를 분사시킨다. 이에 의해, 소기 포트(122)에 흡입되는 활성 가스에 연료 가스가 분사되어 연소실(140)(실린더(110) 내)에서 예혼합기가 생성된다.
예혼합기는, 활성 가스와 연료 가스의 혼합을 촉진하기 위한 스월을 형성하면서 상승하여 연소실(140)(실린더(110) 내)의 배기 가스를 배기 포트(116)로부터 밀어낸다.
그리고, 피스톤(112)이 하사점으로부터 상사점으로 향하여 상승하는 압축 행정에서는, 연료 분사 제어부(152)는 연료 분사 밸브를 폐쇄하여, 연료 분사부(126)로부터 소기 포트(122) 내로의 연료 가스의 분사가 정지한다. 또한, 소기 포트(122)가 폐쇄되어 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.
그 후, 피스톤(112)이 더욱 상승하면, 배기 제어부(154)는 배기 밸브(120)를 폐쇄하여 배기 포트(116)를 닫는다(도 5에 나타내는 t2).
이와 같이 하여 연소실(140)에서 예혼합기가 연소함으로써, 상기와 같이 배기, 흡기, 압축, 연소, 팽창 행정이 반복된다.
(제2 실시형태)
이어서, 제2 실시형태에서의 연료 분사부(226)에 대해 설명한다. 제2 실시형태에서는, 상기 제1 실시형태와 연료 분사부(226)만이 다르므로, 여기서는 상기 제1 실시형태와 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략하고, 구성이 다른 연료 분사부(226)에 대해서만 설명한다.
도 6a 및 도 6b는, 제2 실시형태에서의 유니플로 소기식 2사이클 엔진의 실린더(110)에서의 도 4a 및 도 4b에 대응하는 위치의 단면도를 나타낸다. 도 6b에는, 도 6a의 점선으로 둘러싸인 부분의 확대도를 나타낸다. 또한, 도 6b 중에서 화살표는 활성 가스의 흐름을 나타낸다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 제2 실시형태의 연료 분사부(226)는, 실린더(110)로부터 실린더(110)의 직경 방향 외방으로 이격되어 실린더(110)의 외주를 둘러싸는 환상의 파이프(226a)로 구성된다.
상기 파이프(226a)에는, 도 6b에 도시된 바와 같이 소기 포트(122) 각각에 대향하는 위치에 파이프(226a)의 내부와 외부를 연통하는 개구부(226b)가 마련되어 있다.
연료 분사부(226)(파이프(226a))는 도시하지 않은 연료 분사 밸브와 연통하고 있고, 연료 분사 밸브가 열리면 파이프(226a)의 내부를 유통한 연료 가스가 개구부(226b)로부터 소기 포트(122)로 향하여 분출한다.
즉, 본 실시형태의 연료 분사부(226)는, 제1 실시형태의 연료 분사부(126)와 마찬가지로 실린더(110)에서의 소기 포트(122)의 관통 방향 폭의 중심보다 실린더(110)의 외주면(110c) 측(외측)에 마련된다.
그리고, 도 6b에 도시된 바와 같이, 개구부(226b)가 소기 포트(122)를 형성하는 실린더(110)의 벽부 중에서 테이퍼(122a)로 향하여 개구되어 있기 때문에, 소기 포트(122)를 유통하는 활성 가스로 향하여 연료 분사부(226)로부터 상기 연료 가스가 분출한다.
이 때, 소기 포트(122)의 관통 방향 흐름의 상류측에서 활성 가스에 연료 가스가 분사되기 때문에, 소기 포트(122)의 상류측 엣지(122b) 근방에서의 활성 가스의 와류에 의해 활성 가스와 연료 가스의 혼합이 촉진된다.
상술한 실시형태에서는, 소기 포트(122) 중에서 실린더(110)의 외주면(110c) 측에 테이퍼(122a)가 형성되는 경우에 대해 설명하였지만, 테이퍼(122a)를 형성하지 않아도 된다. 이 경우, 제1 실시형태에서의 연료 분사부(126)는, 소기 포트(122)를 형성하는 실린더(110)의 벽부 중에서 테이퍼(122a)가 형성되지 않은 부위로서, 실린더(110)에서의 소기 포트(122)의 관통 방향 폭의 중심보다 실린더(110)의 외주면(110c) 측에 개구되어 마련된다.
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.
본 발명은, 소기 포트로부터 흡입되는 활성 가스에 연료 가스를 분사하여 분사한 연료 가스를 활성 가스에 효율적으로 혼합하여, 생성되는 예혼합기를 연소시키는 유니플로 소기식 2사이클 엔진을 제공한다.
100 유니플로 소기식 2사이클 엔진
110 실린더
112 피스톤
118 배기 밸브 구동 장치
120 배기 밸브
122 소기 포트
126, 226 연료 분사부

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 내부에 연소실이 형성되는 실린더와,
    상기 실린더 안을 슬라이딩하는 피스톤과,
    상기 실린더에서의 상기 피스톤의 스트로크 방향의 한쪽 단부측에 마련되고, 상기 피스톤의 슬라이딩 동작에 따라 상기 연소실에 활성 가스를 흡입하는 소기 포트와,
    상기 소기 포트의 관통 방향 폭의 중심보다 상기 실린더의 외측에 마련되고, 상기 소기 포트에 흡입되는 활성 가스에 연료 가스를 분사하는 연료 분사부를 구비하며,
    상기 연료 분사부는, 소기 포트의 테이퍼에 개구되는 개구부를 가지는 유니플로 소기식 2사이클 엔진.
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