KR101702549B1 - 2스트로크 유니플로 엔진 - Google Patents

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다카유키 히로세
야스노리 아시카가
다카히로 구게
다케시 야마다
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가부시키가이샤 아이에이치아이
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Abstract

2스트로크 유니플로 엔진(100)은 실린더(110)와, 피스톤(112)과, 실린더 내에서 발생한 배기 가스를 배기하기 위해 개폐되는 배기 밸브(120)와, 피스톤의 슬라이딩 동작에 대응하여 실린더 내에 활성 가스를 흡입하는 소기 포트(122)와, 실린더의 내주면에 마련된 연료 분사 포트(126)와, 연료 분사 포트에서 연료 가스를 분사하는 연료 분사 밸브(128)와, 연료 분사 밸브에서의 연료 가스의 분사 제어를 실행하는 연료 분사 제어부(152)를 구비하고, 연료 분사 제어부는 피스톤의 왕복 운동을 통해 발생하는 실린더 내의 압력 변화에 기초하여 연료 분사 밸브의 분사 압력 및 분사 시간 중 적어도 어느 하나를 결정한다.

Description

2스트로크 유니플로 엔진{Two-stroke uniflow engine}
본 발명은 실린더 내부에 연료를 직접 분사하는 2스트로크 유니플로 엔진에 관한 것이다.
본원은 2012년 6월 6일에 출원된 일본특허출원 2012-128925호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
선박 기관으로서도 이용되는 2스트로크 엔진(2사이클 엔진)은 압축(흡기도 포함함), 팽창(연소, 배기도 포함함) 등의 행정을 실린더 내부에서의 피스톤 1왕복의 행정으로 완료하는 왕복동 엔진이다. 예를 들어, 고압 분사에 의해 디젤 연료유와 연료 가스를 병행하여 공급하는 디젤형 가스 엔진에서는, 압축 행정 후반에 상사점 근방에서 연료 가스 및 연료유를 분사하여 연료 가스를 착화시키고, 연료 가스를 실린더 내에서 확실히 연소시킨다.
이러한 가스 엔진으로서, 상사점 부근의 실린더 커버에 장착된 연료 가스 밸브로부터 고압(예를 들어, 250bar(25MPa))의 연료 가스를 분사하는 기술이 공개되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1).
이러한 고압 분사에 의한 가스 엔진에서는, 소기 포트 및 배기 밸브가 폐색된 상태에서, 실린더 내의 공기를 압축하고, 그 고온 고압의 공기에 연료 가스를 직접 분사함으로써 연소를 유발하고 있다. 따라서, 고압 분사에 의한 가스 엔진에서는 압축 행정 후반의 연소실 내 압력이 고압으로 되어 있는 곳에 연료 가스를 공급해야 하므로, 연소실 내 압력보다 높은 압력으로 연료 가스를 공급해야 하고, 이를 위한 고출력의 승압 장치가 필요하다. 또한, 이러한 초기비용과 더불어 운전비용의 증가나 보안상 문제도 있었다. 그래서, 압축 행정의 초기 단계에서의 실린더 내의 압력이 비교적 낮은 동안에 소기 포트로부터 흡입된 공기에 대해 높은 압력을 걸지 않고 연료 가스를 직접 분사하는 저압 분사의 2스트로크 엔진이 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 2, 3).
특허문헌 1: 일본특허 제4312803호 특허문헌 2: 일본공개특허 평8-291769호 공보 특허문헌 3: 미국특허 제5035206호
이러한 저압 분사의 2스트로크 엔진에서는, 실린더 내에 배기 가스가 아직 존재하는 상태에서 소기 포트로부터 흡입된 활성 가스에만 연료 가스를 분사해야 하기 때문에, 실린더 내의 비교적 하방의 내주면에 연료 분사 밸브(연료 분사 포트)가 마련되어 있다. 따라서, 실린더가 압축하고 있는 도중에 연료 분사 밸브로부터 연료 가스를 분사한다. 실린더 내의 압력(내압)은 소기압, 배기 밸브의 폐쇄 시기, 엔진 부하나 크랭크 각도에 따라 크게 변화하여, 연료 가스를 안정하게 공급하는 것은 어렵다.
본 발명은 이러한 과제를 감안하여 실린더 내의 압력이 변화하는 경우에도 적절히 연료 가스를 공급하여 엔진의 안정된 연소 특성을 얻는 것이 가능한 2스트로크 유니플로 엔진을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 제1 태양인 2스트로크 유니플로 엔진은 실린더와, 실린더 내를 슬라이딩하는 피스톤과, 실린더의 스트로크 방향 일단부에 마련되어 실린더 내에서 발생한 배기 가스를 배기하기 위해 개폐되는 배기 밸브와, 실린더의 스트로크 방향 타단부 측의 내주면에 마련되어 피스톤의 슬라이딩 동작에 따라 실린더 내에 활성 가스를 흡입하는 소기 포트와, 실린더의 내주면에 마련된 연료 분사 포트와, 연료 분사 포트에서 연료 가스를 분사하는 연료 분사 밸브와, 연료 분사 밸브에서의 연료 가스의 분사 제어를 실행하는 연료 분사 제어부를 구비하고, 연료 분사 제어부는 피스톤의 왕복 운동을 통해 발생하는 실린더 내의 압력 변화에 기초하여 연료 분사 밸브의 분사 압력 및 분사 시간 중 적어도 어느 하나를 결정한다.
본 발명의 제2 태양인 2스트로크 엔진의 연료 분사 제어부는, 피스톤의 왕복 운동을 축회전 운동으로 변환하는 크랭크의 각도가 미리 정해진 각도가 되었을 때의 실린더 내압에 기초하여 실린더 내압의 변화를 예측한다.
본 발명의 제3 태양인 2스트로크 엔진의 피스톤의 왕복 운동을 축회전 운동으로 변환하는 크랭크의 각도의 미리 정해진 각도는, 소기 포트가 폐쇄 상태가 되고 나서 연료 분사 포트가 폐쇄 상태가 될 때까지의 임의의 각도이다.
본 발명의 제4 태양인 2스트로크 엔진의 연료 분사 제어부는, 임의의 행정에서의 실린더 내의 압력 변화에 기초하여, 임의의 행정의 다음 행정에서의 연료 분사 밸브의 분사 압력 및 분사 시간 중 적어도 어느 하나를 결정한다.
본 발명의 2스트로크 유니플로 엔진에 의하면, 엔진 부하나 크랭크 각도에 의해 실린더 내의 압력이 크게 변화하였다고 해도, 이에 대응하여 적절한 분사 압력 또는 분사 시간을 설정함으로써, 적절한 양의 연료 가스를 공급하여 엔진의 안정된 연소 특성을 얻는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 2스트로크 유니플로 엔진의 전체 구성을 나타낸 설명도이다.
도 2a는 본 발명의 제1 실시형태에 관한 2스트로크 유니플로 엔진의 각 제어부 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
도 2b는 본 발명의 제1 실시형태에 관한 2스트로크 유니플로 엔진의 각 제어부 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
도 2c는 본 발명의 제1 실시형태에 관한 2스트로크 유니플로 엔진의 각 제어부 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
도 2d는 본 발명의 제1 실시형태에 관한 2스트로크 유니플로 엔진의 각 제어부 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
도 2e는 본 발명의 제1 실시형태에 관한 2스트로크 유니플로 엔진의 각 제어부 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
도 2f는 본 발명의 제1 실시형태에 관한 2스트로크 유니플로 엔진의 각 제어부 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
도 2g는 본 발명의 제1 실시형태에 관한 2스트로크 유니플로 엔진의 각 제어부 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 크랭크 각도와 피스톤 위치의 관계를 나타낸 설명도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시형태에 관한 크랭크 각도와 실린더 내의 압력 추이를 나타낸 설명도이다.
도 5a는 본 발명의 제1 실시형태에 관한 엔진 부하와 소기압의 관계를 설명하기 위한 설명도이다.
도 5b는 본 발명의 제1 실시형태에 관한 엔진 부하와 소기압의 관계를 설명하기 위한 설명도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 2스트로크 유니플로 엔진에서의 분사 제어의 전체적인 처리 흐름을 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 크랭크 각도 대 내압 곡선의 결정 처리를 설명하기 위한 설명도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 연료 분사 밸브의 분사 시간 결정 처리를 설명하기 위한 설명도이다.
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 한정하는 것이 아니다. 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. 또한, 본 발명에 있어서 「복수」란 적어도 2개 이상의 임의의 수이면 되는 것을 의미한다.
(2스트로크 유니플로 엔진(100))
도 1은, 2스트로크 유니플로 엔진(100)의 전체 구성을 나타낸 설명도이다. 본 실시형태의 2스트로크 유니플로 엔진(100)은 2스트로크, 유니플로형 듀얼 퓨얼 엔진으로 구성되고, 예를 들어 선박 등에 이용된다. 선박 등에 이용되는 이유는 2스트로크 유니플로 엔진이 열효율 및 신뢰성이 높기 때문이다.
상기 유니플로형은 실린더 하부의 소기 포트로부터 활성 가스를 흡입하고, 실린더 상부의 배기 밸브로부터 연소한 가스를 압출하는 방식으로, 활성 가스와 배기 가스의 흐름이 일방향이 되므로, 배기 가스가 잔류하는 비율이 낮아 특히 롱 스트로크 엔진에 유효하다.
또한, 본 실시형태의 2스트로크 엔진을 듀얼 퓨얼 엔진으로 한 것은 이하의 이유에 따른다. 즉, 2000년 이후 선박용 엔진에도 IMO(국제해사기관)에 의해 배출 가스 규제(NOx 규제)가 부과되고 2016년에는 3차 규제가 도입될 예정이다. 이러한 3차 규제는 연안의 지정 해역과 외양에서 규제값이 다르고, 연안의 지정 해역이 보다 엄격한 규제값으로 되어 있다. 그래서, 본 실시형태에서는 규제값이 엄격한 규제 해역에서는 NOx를 저감하는 것이 가능한 LNG(액화 천연가스)를 연료로 한 가스 운전 모드로 운항하고, 규제 해역 이외에서는 고효율의 디젤 연료유를 연료로 한 디젤 운전 모드로 운항한다고 하여, 가스 운전 모드와 디젤 운전 모드 중 어떤 모드에서도 동작 가능한 듀얼 퓨얼(2원 연료) 엔진을 채용한다.
구체적으로 2스트로크 유니플로 엔진(100)은, 실린더 헤드(110a)와 실린더 블록(110b)에 의해 형성되는 복수의 실린더(110)와, 복수의 실린더(110)마다 마련된 피스톤(112), 파일럿 분사 밸브(114), 배기 포트(116), 배기 밸브 구동 장치(118), 배기 밸브(120), 소기 포트(122), 소기실(124), 연료 분사 포트(126), 연료 분사 밸브(128), 조압기(調壓器; 130), 실린더 내압 센서(132), 로터리 인코더(134)를 포함하여 구성되고, 거버너(조속기)(150), 연료 분사 제어부(152), 배기 제어부(될 때까지의) 등의 제어부에 의해 제어된다.
2스트로크 유니플로 엔진(100)에서는, 압축(흡기도 포함함), 팽창(연소, 배기도 포함함) 등의 행정을 통해 도시하지 않은 크로스헤드에 연결된 피스톤(112)이 실린더(110) 내를 슬라이딩이 자유롭게 왕복 이동한다. 단, 흡기 및 배기는 팽창 행정 후반부터 압축 행정 전반에 걸쳐 행해지고, 여기서는 이를 소기라고 부른다. 이러한 크로스헤드형 피스톤(112)에서는, 실린더(110) 내에서의 스트로크를 비교적 길게 형성할 수 있어 피스톤(112)에 작용하는 측압(側壓)을 크로스헤드에 받게 하는 것이 가능하므로, 2스트로크 유니플로 엔진(100)의 고출력화를 도모할 수 있다. 또, 실린더(110)와 크로스헤드가 수용되는 도시하지 않은 크랭크실이 격리되므로, 저질 연료유를 이용하는 경우에서도 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 디젤 연료유를 분사한다. 이러한 디젤 연료유는 실린더 헤드(110a)와 실린더 블록(110b)에서의 실린더 라이너와 피스톤(112)에 포위된 연소실(140)의 열로 자연 착화하고, 단시간에 연소하여 연소실(140)의 온도를 매우 높게 하므로 연료 가스를 포함하는 예혼합기를 원하는 타이밍에서 확실히 연소할 수 있다. 단, 착화 방식은 상기 디젤 연료유의 분사에 한정하지 않고, 스파크 플러그 착화 방식, 레이저 착화 방식, 플라즈마 착화 방식 등 기존의 다양한 방식을 채용할 수 있다.
배기 포트(116)는, 실린더(110)의 스트로크 방향 일단부인, 피스톤(112)의 상사점보다 상방의 실린더 헤드(110a)의 꼭대기부에 마련된 개구부로서, 실린더(110) 내에서 발생한 연소 후의 배기 가스를 배기하는 경로가 된다. 배기 밸브 구동 장치(118)는, 소정의 타이밍에서 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 블록(110b)의 스트로크 방향의, 배기 포트(116)가 마련된 일단부에 대한 타단부 측(하사점 측)의 내주면에 마련된 개구부로서, 피스톤(112)의 슬라이딩 동작에 대응하여 실린더(110) 내에 활성 가스를 흡입한다. 이러한 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 차압으로 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 측정값에 대응하여 연료 가스의 분사량 등 다른 파라미터를 제어해도 된다.
연료 분사 포트(126)는, 실린더(110) 내주면의 중복부(배기 포트(116)와 소기 포트(122)의 사이)에서 둘레방향으로 소정의 간격을 두고 마련된 복수의 개구부이다. 연료 분사 밸브(128)는 연료 분사 포트(126) 내에 배치되고, 연료 분사 제어부(152)로부터의 제어 신호를 받아 예를 들어 LNG(액화 천연가스)를 가스화한 연료 가스를 분사한다. 조압기(130)는, 연료 분사 제어부(152)로부터의 조압 신호를 받아 연료 분사 밸브(128)에 송출하는 연료 가스의 압력을 조정한다. 이렇게 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.
실린더 내압 센서(132)는, 실린더(110)의 스트로크 방향 일단부인, 피스톤(112)의 상사점보다 상방의 실린더 헤드(110a)에 마련되고, 실린더(110) 내의 압력을 직접 측정하여 그 측정 결과를 연료 분사 제어부(152)로 송신한다. 로터리 인코더(134)는, 피스톤(112)의 왕복 운동을 축회전 운동(크랭크축을 중심으로 한 회전 운동)으로 변환하는 도시하지 않은 크랭크에 마련되어 크랭크의 각도 신호(이하, 크랭크 각도 신호라고 함)를 검출한다. 2스트로크 유니플로 엔진(100)에서는, 크랭크 각도(출력축)가 360° 회전하는 동안에 피스톤이 1왕복하고(0~180°가 상승 행정, 180~360°가 하강 행정), 압축이나 팽창 등의 행정을 그 1왕복으로 완결한다. 따라서, 크랭크 각도를 검출함으로써 실린더(110) 내에서의 현재 피스톤(112)의 위치를 일의(一意)로 특정할 수 있다.
거버너(150)는, 상위의 제어 장치로부터 입력된 엔진 출력 지령값과 로터리 인코더(134)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(134)로부터의 크랭크 각도 신호에 기초하여, 연료 분사 밸브(128)에서의 연료 가스의 분사 압력(공급 압력) 및 분사 시간(분사 시작 타이밍 및 분사 종료 타이밍)을 제어한다(분사 제어).
배기 제어부(154)는, 연료 분사 제어부(152)로부터의 배기 밸브 개폐 타이밍 신호와 로터리 인코더(134)로부터의 크랭크 각도 신호에 기초하여, 배기 밸브 구동 장치(118)에 배기 밸브 조작 신호를 출력한다. 이하, 상술한 2스트로크 유니플로 엔진(100)의 엔진 사이클에서의 각 제어부 동작에 대해 설명한다.
(엔진 사이클에서의 각 제어부 동작)
도 2a~g는, 본 실시형태에서의 2스트로크 유니플로 엔진(100)의 각 제어부 동작을 설명하기 위한 설명도이다. 특히 도 2a~f는 2스트로크 유니플로 엔진(100)의 종단면도를, 도 2g는 도 2a~f의 상태의 시간 관계를 나타내기 위한 타이밍 차트를 나타내고 있다. 도 2a~f에서는, 2스트로크 유니플로 엔진(100)에서의 압축(흡기도 포함함), 팽창(연소, 배기도 포함함) 행정을 배기 및 흡기, 압축, 연소 순으로 설명한다.
팽창 행정 전단에서는, 도 2a와 같이 배기 밸브(120) 및 소기 포트(122)가 폐색 상태로 있고, 실린더(110) 내는 배기 가스(170)로 채워져 있다. 연소압에 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. 그러면, 도 2b에 도시된 바와 같이, 소기 포트(122)로부터 활성 가스(172)가 흡입되고, 활성 가스는 연료 가스의 혼합을 촉진하기 위한 스월(186)을 형성하면서 상승하여 실린더(110) 내의 배기 가스(170)를 배기 포트(116)로부터 압출한다.
활성 가스(172)의 흡입에 따른 배기 가스(170)와 활성 가스(172)의 경계가 도 2b와 같이 연료 분사 포트(126)에 도달하면, 연료 분사 제어부(152)는 연료 분사 밸브(128)에 소정의 분사 압력으로 연료 가스(174)의 분사를 시작시킨다. 이 때, 배기 밸브(120) 및 소기 포트(122)는 개방되어 있고, 실린더(110) 내의 압력은 아직 낮은 상태이기 때문에, 연료 분사 밸브(128)에 높은 압력을 가하지 않아도(저압에서도) 연료 분사 밸브(128)는 적절히 연료 가스를 분사할 수 있다. 이 때문에, 고출력 승압 장치를 마련할 필요가 없다.
단, 연료 가스의 분사 타이밍이 너무 빠르면, 실린더(110)의 연소실(140)에 잔존하는 고온의 배기 가스(170)에 연료 가스(174)가 접촉하여 배기 가스(170)의 열이 연료 가스(174)에 전해져 조기 착화가 발생할 가능성이 있다. 그래서, 본 실시형태에서는 도 2b에 도시된 바와 같이, 연료 분사 제어부(152)는 소기 포트(122)로부터의 활성 가스(172)가 연료 분사 포트(126)에 도달한 후 소정 시간이 경과하는 것을 기다려 연료 가스(174)를 분사한다. 그러면, 도 2c와 같이 연료 가스(174)와 활성 가스(172)를 혼합한 예혼합기(176)와 배기 가스(170)의 사이에, 연료 가스(174)가 혼합되지 않은 활성 가스(172)를 주성분으로 하는 중간층(178)이 생성된다.
이와 같이 배기 가스(170)와 예혼합기(176)의 사이에 중간층(178)이 생성되면, 고온의 배기 가스(170)와 예혼합기(176)를 접촉시키지 않고 배기 가스(170)를 배기 포트(116)로부터 배출할 수 있다. 여기서는, 중간층(178)이 어느 정도의 두께를 가지고 있으므로, 배기 가스(170)와 중간층(178)의 경계면에 요동이 발생한 경우에도 예혼합기(176)가 고온이 되는 것을 회피하는 것이 가능하게 된다.
그리고, 배기 가스(170)의 배출이 완료되면, 배기 밸브 구동 장치(118)는 도 2d와 같이 배기 밸브(120)를 닫고 압축 행정으로 바뀐 피스톤(112)에 의해 소기 포트(122)도 닫힌다. 여기서는, 중간층(178)의 일부가 배기 포트(116)로부터 배출된 시점에서 배기 밸브(120)를 닫음으로써, 중간층(178)에 혼입된 배기 가스(170)를 실린더(110) 내에 남기기 않고 배출할 수 있으며, 또한 예혼합기(176)를 배기 포트(116)로부터 배출하지 않고 실린더(110) 내에 적절히 예혼합기(176)를 남길 수 있다. 이렇게 하여 조기 착화를 예방하고 엔진 구동의 안정화를 도모할 수 있다.
연료 분사 제어부(152)는, 연료 분사 밸브(128)를 통해 연료 가스(174)를 계속 분사하고, 도 2e에 도시된 바와 같이 피스톤(112)이 연료 분사 포트(126)에 도달하기 전에 연료 가스의 분사를 정지한다. 이와 같이, 연료 분사 제어부(152)에 의한 연료 가스의 분사가 대강 완료된 후, 추가적인 압축 행정을 거쳐 예혼합기(176)는 고압으로 압축되고, 또 파일럿 분사 밸브(114)로부터의 디젤 연료유의 분사에 기초하여 예혼합기(176)가 착화되어 도 2f와 같이 예혼합기가 연소된다. 그리고, 연소에 의해 피스톤(112)이 눌러지면 도 2a의 상태로 되돌아가고, 이후 압축, 팽창 행정이 반복된다.
이와 같이 본 실시형태의 2스트로크 유니플로 엔진(100)에서는, 실린더(110) 내주면의 중복부에 연료 분사 밸브(128)가 마련되어 있기 때문에, 실린더(110) 내에 배기 가스가 아직 존재하는 상태에서 소기 포트(122)로부터 흡입된 활성 가스(172)에만 연료 가스(174)를 공급하는 것이 가능하게 되고, 나아가서는 저압 분사(예를 들어 10bar(1MPa))에 의한 엔진의 운전이 가능하게 된다.
본 실시형태에서는, 이러한 2스트로크 유니플로 엔진(100)에 있어서, 피스톤(112)의 왕복 운동을 통해 발생하는 실린더(110) 내의 압력 변화에 기초하여 연료 분사 밸브(128)의 분사량(분사 압력과 분사 시간)을 제어하는 것을 목적으로 한다. 단, 분사 제어는 이하에 나타내는 물리적인 제한 내에서 행하게 된다.
(물리적 제한)
도 3은, 크랭크 각도와 피스톤 위치의 관계를 나타낸 설명도이다. 여기서는 피스톤의 상승 행정이 나타나고, 크랭크 각도는 0부터 180°까지 추이하고 있다. 또한, 피스톤 위치는 실린더(110)에서의 하사점을 0.0, 상사점을 1.0으로 하였을 때의 하사점으로부터의 피스톤(112) 위치를 나타낸다. 연료 분사 포트(126)는, 이러한 피스톤(112)의 추이에 대해 중간층(178)을 적절히 형성할 수 있을 정도로 낮고(피스톤 위치 소), 또한 연료 가스(174)의 분사 시간을 충분히 확보할 수 있을 정도로 높은 위치(피스톤 위치 대)에 마련될 필요가 있다.
만약 연료 분사 포트(126)를 피스톤 위치가 0.5(크랭크 각도=105°)가 되는 위치에 마련하였다고 하면, 연료 분사 제어부(152)가 연료 분사 밸브(128)에 연료를 분사시키는 것이 가능한 시간은, 피스톤(112)의 슬라이딩 동작에 의해 소기 포트(122)가 폐쇄 상태(예를 들어, 크랭크 각도=10°)가 되고 나서 연료 분사 포트(126)가 폐쇄 상태(예를 들어, 크랭크 각도=105°)가 되기까지 한정된다. 여기서, 연료 분사 시간을 소기 포트(122)가 폐쇄 상태가 되고 나서로 한 것은, 조기에 연료 가스(174)를 공급하면 연료 가스(174)가 배기 밸브(120)로부터 빠져나갈 가능성이 있고, 소기 포트(122)가 개방 상태일 때에 연료 가스(174)를 공급하면, 활성 가스(172)나 연료 가스(174)가 소기 포트(122)로 역류할 가능성이 있기 때문이다.
(분사 제어)
연료 분사 제어부(152)는, 이러한 물리적 제한(예를 들어, 크랭크 각도 10°~105°) 하에서 피스톤(112)의 왕복 운동을 통해 발생하는 실린더(110) 내의 압력 변화에 기초하여 연료 분사 밸브(128)의 분사 압력과 분사 시간을 제어한다.
도 4는, 크랭크 각도와 실린더(110) 내의 압력 추이를 나타낸 설명도이다. 도 4를 참조하여 이해할 수 있는 바와 같이, 크랭크 각도가 클수록 실린더(110) 내의 압력은 높아지고, 또한 그 변화 추이는 엔진 부하가 높을수록 고압측으로 편이(偏移)한다. 연료 분사 제어부(152)는, 예를 들어 실린더 내압 센서(132) 등을 통해 도 4와 같이 추이하는 실린더(110) 내의 압력을 측정하고, 실린더(110) 내의 압력 변화에 기초하여 연료 분사 밸브(128)의 연료 가스(174)의 분사 압력이나 분사 시간을 제어하여 원하는 분사량을 얻는다. 여기서, 실린더(110) 내의 압력 변화에 기초하고 있는 것은 이하의 이유에 따른다.
즉, 종래의 고압 분사의 2스트로크 엔진에서는, 상사점에서의 실린더 내의 압력 변화가 거의 없는 기간에 실린더 내의 압력보다 충분히 높은 연료 가스 압력으로 단시간에 연료 가스(174)를 분사하였던 바, 본 실시형태와 같은 저압 분사에서는 피스톤(112)의 상승 행정에서의 실린더(110) 내의 압력 변화가 큰 기간에 비교적 시간을 들여 연료 가스(174)를 분사하므로, 실린더(110) 내의 압력 변화가 분사량에 크게 영향을 주기 때문이다. 실린더 내의 압력 변화에 기초하여 분사 제어를 행함으로써, 실린더(110) 내의 압력이 변화하는 경우에도 적절히 연료 가스를 공급하여 엔진의 안정된 연소 특성을 얻는 것이 가능하게 된다.
그러나, 실린더(110) 내의 압력을 순차적으로 측정하고, 이에 대응하여 연료 분사 밸브(128)의 분사 제어(폐루프 제어)를 행하면, 처리 부하가 불필요하게 높아지고 연료 분사 제어부(152)의 처리 능력에 따라서는 분사 제어가 충분하지 못할 가능성도 있다. 그래서, 엔진 부하를 파악하고 엔진 부하에 기초하여 실린더(110) 내압의 변화를 예측하고, 그 예측한 변화 추이를 이용하여 분사 제어하는 것을 생각할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 실린더(110) 내의 압력 변화 추이는 엔진 부하에 따라 다르고, 예를 들어 엔진 부하가 높을수록 고압의 변화 추이를 따른다. 따라서, 엔진 부하만 파악할 수 있으면 실린더(110) 내의 압력 변화 추이는 어느 정도 예측할 수 있다. 엔진 부하는 이하에 나타내는 바와 같이 소기압을 통해 파악할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는, 엔진 부하와 소기압의 관계를 설명하기 위한 설명도이다. 특히 도 5a에는 엔진 회전수율과 엔진 부하율이, 도 5b에는 엔진 부하율과, 상정되는 최대 소기압(엔진 부하 100%에서의 소기압)에 대한 비로 나타난 상대 소기압의 관계가 나타나 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 엔진의 회전수율이 증가하면 엔진 부하율이 증가하고, 도 5b에 도시된 바와 같이, 엔진 부하율의 변화에 대응하여 상대 소기압(과급압)이 변화한다. 따라서, 엔진 부하는 소기압을 통해 파악할 수 있는 것이 이해된다.
따라서, 엔진 부하 대신에 소기압을 이용하여 실린더(110) 내의 압력 변화 추이를 예측할 수 있다. 소기압은 소기 포트(122)가 개방 상태일 때(실린더(110)와 소기실(124)이 연통하였을 때)의 실린더(110) 내의 압력과 동등해진다. 그래서, 연료 분사 제어부(152)는, 소기 포트(122)가 개방 상태일 때의 실린더(110)의 내압을 실린더 내압 센서(132)로부터 취득하고, 그 취득한 실린더(110)의 내압의 1측정값에 기초하여 실린더(110)의 내압 변화를 예측하는 것을 생각할 수 있다. 또, 소기실에 소기압 센서가 마련되어 있는 경우, 그 소기압 센서로부터 직접 소기압을 취득할 수도 있다.
그러나, 본 실시형태에서는, 도 2g에 도시된 바와 같이 소기 포트(122)가 폐쇄 상태가 되는 타이밍보다 배기 밸브(120)가 폐쇄 상태가 되는 타이밍이 늦고, 또한 배기 밸브(120)를 폐쇄 상태로 하는 타이밍은 엔진 부하에 의해 변화하는 경우가 있기 때문에, 소기 포트(122)가 닫혀도 실린더(110) 내의 압력은 배기 밸브(120)가 폐쇄 상태가 될 때까지 상승 추이를 따르지 않는 경우가 있다. 따라서, 실린더(110) 내의 압력을 측정하는 미리 정해진 크랭크 각도는, 소기 포트(122)가 개방 상태일 때의 각도 대신에 배기 밸브(120)가 폐쇄 상태가 되고 나서 연료 분사 포트(126)가 폐쇄 상태가 될 때까지의 임의의 각도로 하는 것이 바람직하다.
도 6은, 2스트로크 유니플로 엔진(100)에서의 분사 제어의 전체적인 처리 흐름을 나타낸 흐름도이다. 여기서는, 도 6에 따라 2스트로크 유니플로 엔진(100)에서의 분사 제어의 상세한 처리를 설명한다.
(연료 가스(174)의 분사량 결정 처리 S200)
거버너(150)는, 엔진 출력 지령값과 로터리 인코더(134)로부터의 크랭크 각도 신호에 의한 엔진 회전수에 기초하여 연료 가스(174)의 분사량을 도출하고 연료 분사 제어부(152)에 출력한다.
(실린더(110) 내 압력 측정 처리 S202)
연료 분사 제어부(152)는, 크랭크 각도가 소정의 값(예를 들어, 배기 밸브(120)가 폐쇄 상태가 된 직후의 20°)이 되면, 실린더 내압 센서(132)를 통해 실린더(110) 내의 압력을 직접 측정한다.
(크랭크 각도 대 내압 곡선 결정 처리 S204)
연료 분사 제어부(152)는, 실린더 내압 센서(132)를 통해 측정한 실린더(110) 내의 압력에 기초하여 크랭크 각도 대 내압 곡선을 결정한다.
도 7은, 크랭크 각도 대 내압 곡선의 결정 처리를 설명하기 위한 설명도이다. 여기서는, 미리 도 7에 도시된 바와 같은 복수의 크랭크 각도 대 내압 곡선(엔진 부하 1~5)이 준비되어 있다. 배기 밸브(120)가 폐쇄 상태가 된 후는 실린더(110)는 밀폐되므로, 크랭크 각도 대 내압 곡선은 대강 도 7에 도시된 추이를 따른다. 연료 분사 제어부(152)는, 크랭크 각도가 20°일 때의 실린더(110) 내의 압력에 따라 복수의 크랭크 각도 대 내압 곡선으로부터 하나의 크랭크 각도 대 내압 곡선을 선택한다. 여기서는, 가령 엔진 부하 3의 크랭크 각도 대 내압 곡선이 결정되는 것으로 한다.
단, 크랭크 각도 대 내압 곡선의 수가 도 7과 같이 제한되어 있는 경우, 측정된 실린더(110) 내의 압력에 상당하는 크랭크 각도 대 내압 곡선이 없는 경우도 있다. 그 경우, 준비된 복수의 크랭크 각도 대 내압 곡선의 크랭크 각도가 20°일 때의 실린더(110) 내의 압력 중에서 측정된 실린더(110) 내의 압력보다 높고, 또한 근사하는 압력의 크랭크 각도 대 내압 곡선과, 측정된 실린더(110) 내의 압력보다 낮고, 또한 근사하는 압력의 크랭크 각도 대 내압 곡선을 보간하여 상기 측정된 실린더(110) 내의 압력의 크랭크 각도 대 내압 곡선을 생성해도 된다. 상기 보간은 선형 보간 이외에 기존의 다양한 보간 기술을 이용해도 된다.
(분사 시간 결정 처리 S206)
다음에, 연료 분사 제어부(152)는, 결정한 크랭크 각도 대 내압 곡선에 기초하여 연료 분사 밸브(128)의 분사 압력 및 분사 시간 중 적어도 어느 하나를 결정한다. 본 실시형태에서는, 이해를 용이하게 하기 위해 분사 압력을, 크랭크 각도가 연료 분사 포트(126)에 도달할 때까지의 실린더(110) 내의 압력보다 높은 소정의 압력으로 고정하고, 분사 시간(분사 시작 타이밍 및 분사 종료 타이밍)만을 결정한다. 여기서, 연료 가스(174)의 공급압은 조압기(130)에 의해 크랭크 각도가 연료 분사 포트(126)에 도달할 때까지의 실린더(110) 내의 압력보다 충분히 높게 유지된다.
도 8은, 연료 분사 밸브(128)의 분사 시간 결정 처리를 설명하기 위한 설명도이다. 도 8에 도시된 크랭크 각도 대 내압 곡선은, 도 7에 도시된 엔진 부하 3의 크랭크 각도 대 내압 곡선이다. 연료 가스(174)의 단시간 분사량(Minj)은, 분사 압력(P0)과 크랭크 각도 대 내압 곡선(P1(t))이 나타내는 압력에 기초하는 이하의 수학식 1로부터 도출할 수 있고, 연료 가스(174)의 총분출량은 수학식 1의 분사량을 분사 시간만큼 누적한 값이 된다.
Figure 112014123155398-pct00001
단, Minj는 연료 가스 분사량[kg]이고, A0는 유효 노즐 면적[㎡]이며, γ는 연료 가스의 비열비[-]이고, P0는 노즐 입구에서의 연료 가스압(분사 압력)[Pa]이며, P1(t)는 노즐 출구에서의 연료 가스 압력(크랭크 각도 대 내압 곡선이 나타내는 압력)[Pa]이고, ρ0은 연료 가스의 밀도[kg/㎥]이며, t는 분사 기간[s]이다.
따라서, 연료 분사 제어부(152)는, 거버너(150)에 의해 결정된 연료 가스(174)의 분사량을 역산하여, 수학식 1을 누적하여 도출되는 총분사량이 목적으로 하는 분사량과 동일해지도록 분사 시작 타이밍 및 분사 종료 타이밍을 결정한다. 예를 들어, 도 8의 예에서는 분사 시작 타이밍을 30°로 하고, 분사량을 감안하여 분사 종료 타이밍이 90°가 된 것으로 한다. 이 때, 분사 시작 타이밍은 10°~40°로 하면 좋고, 예를 들어 30°등 상수로 고정해도 된다. 분사 시작 타이밍을 10°~40°로 한 것은, 10° 미만이면 배기류에 의해 연료 가스(174)가 배기 포트(116)로부터 빠져나가기 때문이고, 40°를 넘으면 연료 가스(174)의 분사 기간이 짧아져 원하는 연료 가스(174)의 양에 차지 않고, 국소적으로 연료 가스(174)의 농도가 높은 부분이 생길 가능성이 있기 때문이다.
또한, 도 8을 참조하면, 분사 압력과 분사 시간은 반비례와 같은 관계에 있으므로, 분사 압력이 높을수록 분사 시간을 짧게 할 수 있다. 또한, 분사 압력을 높임으로써 실린더 내압 센서(132)의 측정 오차의 영향도 흡수할 수 있고, 보다 고정밀도로 분사 제어를 실행할 수 있다.
상술한 실시형태에 있어서, 연료 분사 제어부(152)는 크랭크 각도가 20°일 때에 실린더(110) 내의 압력을 측정하고, 그 압력에 따라 예를 들어 연료 분사 밸브(128)에 연료 가스(174)를 크랭크 각도 30°부터 90°에 걸쳐 분사시키고 있다. 그러나, 실린더(110) 내의 압력을 측정하여 (20°)부터 연료 가스(174)의 분사를 시작하는 (30°)까지는 단시간으로, 엔진 부하가 클 때, 다시 말하면 엔진 회전수가 높을 때에는 그 시간이 매우 짧아진다. 그래서, 연료 분사 제어부(152)는, 임의의 행정(예를 들어 현행정)에서의 실린더(110) 내의 압력 변화에 기초하여 임의의 행정의 다음 행정에서의 연료 분사 밸브(128)의 분사 압력 및 분사 시간 중 적어도 어느 하나를 결정해도 된다. 이렇게 함으로써, 처리 시간을 1행정만큼 확보할 수 있고 안정하게 연료 가스를 공급할 수 있다.
이상 설명한 2스트로크 유니플로 엔진(100)에서는, 엔진 부하나 크랭크 각도에 의해 실린더 내의 압력이 크게 변화하였다고 해도, 그에 대응하여 적절한 분사 압력 또는 분사 시간을 설정함으로써, 적절한 양의 연료 가스를 공급하여 엔진의 안정된 연소 특성을 얻는 것이 가능하게 된다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이러한 실시형태에 한정되지 않는다. 당업자라면 특허청구범위에 기재된 범주에서 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명백하고, 이들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속한다고 이해된다.
예를 들어, 상술한 실시형태에서는 엔진 부하 대신에 소정의 크랭크 각도에서의 실린더(110) 내의 압력을 이용하고 있지만, 엔진 부하나 엔진 회전수를 직접 파악할 수 있는 경우, 이들을 직접 이용하여 크랭크 각도 대 내압 곡선 결정 처리 S204를 행해도 된다. 이 때, 실린더 내압 센서(132)가 마련되어 있는 경우, 실린더 내압 센서(132)의 측정값을 크랭크 각도 대 내압 곡선 결정 처리 S204에 의해 형성된 크랭크 각도 대 내압 곡선대로 올바르게 추이하고 있는지의 확인이나 올바른 값으로의 보정에 이용할 수도 있다.
또한, 상술한 실시형태에서는 분사 압력을 고정으로 하고 분사 시간을 구하였지만, 분사 압력도 분사 시간과 마찬가지로 제어할 수도 있다. 이 경우, 예를 들어 분사 압력과 크랭크 각도 대 내압 곡선이 나타내는 값의 차압이 일정해지도록 제어하거나, 크랭크 각도 대 내압 곡선의 평균값에 대응하여 분사 압력의 절대값을 변경하거나 다양한 제어 방식을 생각할 수 있다. 이와 같이 분사 압력을 제어함으로써도 분사 시간과 마찬가지로 엔진의 안정된 연소 특성을 얻는 것이 가능하게 된다.
본 발명은 실린더 내부에 연료를 직접 분사하는 2스트로크 유니플로 엔진에 관한 것이다.
100 2스트로크 유니플로 엔진
110 실린더
112 피스톤
116 배기 포트
120 배기 밸브
122 소기 포트
124 소기실
126 연료 분사 포트
128 연료 분사 밸브
130 조압기
132 실린더 내압 센서
150 거버너
152 연료 분사 제어부
174 연료 가스

Claims (4)

  1. 실린더;
    상기 실린더 내를 슬라이딩하는 피스톤;
    상기 실린더의 스트로크 방향 일단부에 마련되며, 상기 실린더 내에서 발생한 배기 가스를 배기하기 위해 개폐되는 배기 밸브;
    상기 실린더의 스트로크 방향 타단부 측의 내주면에 마련되며, 상기 피스톤의 슬라이딩 동작에 대응하여 상기 실린더 내에 활성 가스를 흡입하는 소기 포트;
    상기 실린더의 내주면에 마련된 연료 분사 포트;
    상기 연료 분사 포트에서 연료 가스를 저압으로 분사하는 연료 분사 밸브;
    상기 연료 분사 밸브에서의 연료 가스의 분사 제어를 실행하는 연료 분사 제어부;를 구비하고,
    상기 연료 분사 제어부는,
    상기 피스톤의 왕복 운동을 통해 발생하는 상기 실린더 내의 압력 변화에 기초하여, 상기 연료 분사 밸브의 분사 압력 및 분사 시간 중 적어도 어느 하나를 결정하며,
    상기 연료 분사 제어부는, 상기 피스톤의 왕복 운동을 축회전 운동으로 변환하는 크랭크의 각도가 미리 정해진 각도가 되었을 때의 상기 실린더의 내압에 기초하여 상기 실린더의 내압의 변화를 예측하며,
    상기 미리 정해진 각도는, 상기 소기 포트가 폐쇄 상태가 되고 나서 상기 연료 분사 포트가 폐쇄 상태가 될 때까지의 임의의 각도인 2스트로크 유니플로 엔진.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료 분사 제어부는, 임의의 행정에서의 상기 실린더 내의 압력 변화에 기초하여, 임의의 행정의 다음 행정에서의 상기 연료 분사 밸브의 분사 압력 및 분사 시간 중 적어도 어느 하나를 결정하는 2스트로크 유니플로 엔진.
  3. 삭제
  4. 삭제
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