KR101817025B1 - 기체 연료 공급 시스템, 제어 장치 및 엔진 - Google Patents

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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

기체 연료 공급 시스템(15)은, 실린더와 피스톤의 사이에 형성되는 연소실(7)과, 연소실(7)에 기체 연료(PG)를 분사하는 제1 밸브와, 기체 연료(PG)의 공급부와 제1 밸브의 사이에 마련되어, 제1 밸브에 기체 연료(PG)를 공급하고, 또한 연소실(7)에 기체 연료(PG)를 공급할 때에 있어서, 제1 밸브를 개방한 후에 개방하는 제2 밸브를 포함한다.

Description

기체 연료 공급 시스템, 제어 장치 및 엔진{GAS FUEL SUPPLY SYSTEM, CONTROL DEVICE, AND ENGINE}
본 발명은, 기체 연료 공급 시스템, 기체 연료 공급 시스템의 제어 장치 및 엔진에 관한 것이다.
예를 들면 선박의 동력원으로서, 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같은, 액체 연료 및 기체 연료 양방을 사용하여 동력을 발생시키는 듀얼 퓨얼 엔진(이원 연료 엔진)이 알려져 있다.
듀얼 퓨얼 엔진은, 액체 연료(연료유)만을 사용하는 연료유 전용 모드와, 액체 연료 및 기체 연료(연료용 가스) 양방을 사용하는 2종 연료 모드의 각각으로 작동 가능하다. 연료유 전용 모드는, 연소실에 액체 연료를 공급하고, 그 공급된 액체 연료를 연소시키는 방식이다. 2종 연료 모드는, 연소실에 기체 연료를 공급함과 함께, 연소실에 소량의 액체 연료를 공급하여 파일럿 화염을 생성하고, 파일럿 화염으로 기체 연료를 착화하여 연소시키는 방식이다.
일본 특허공보 제3432098호
2종 연료 모드에 있어서는, 고압의 기체 연료를 공급하는 타이밍과, 기체 연료를 착화시키는 타이밍이 가까워, 연소 형태가 확산 연소가 된다. 확산 연소에 있어서는, 고온의 연소 영역이 형성되는 경우가 있고, 고온의 연소 영역에 있어서는, NOx(질소 산화물)가 발생하기 쉬워질 가능성이 있다.
따라서, 본 발명은, NOx의 생성을 억제할 수 있는 기체 연료 공급 시스템, 제어 장치 및 엔진을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 기체 연료 공급 시스템은, 실린더와 피스톤의 사이에 형성되는 연소실과, 상기 연소실에 기체 연료를 분사하는 제1 밸브와, 상기 기체 연료의 공급부와 상기 제1 밸브의 사이에 마련되어, 상기 제1 밸브에 상기 기체 연료를 공급하고, 또한 상기 연소실에 상기 기체 연료를 공급할 때에 있어서, 상기 제1 밸브를 개방한 후에 개방하는 제2 밸브를 포함한다.
본 발명에 의하면, 제1 밸브를 개방하여, 기체 연료의 연소실로의 분사가 개시되었을 때에는, 제2 밸브는 폐쇄되어 있다. 이로 인하여, 제1 밸브에는, 제2 밸브로부터의 기체 연료가 새로 공급되지 않고, 제1 밸브에 잔존해 있던 기체 연료만을 분사하게 된다. 그리고, 제2 밸브로부터의 기체 연료가 새로 공급되지 않기 때문에, 제1 밸브가 분사하는 기체 연료의 압력 저감이 커진다. 그 후, 제2 밸브가 개방되면, 제1 밸브에 새로운 기체 연료가 공급되어, 제1 밸브가 분사하는 기체 연료의 압력이 상승한다. 이와 같이, 초기에 있어서, 연소실에 분사되는 기체 연료의 압력이 작고, 그 후, 연소실에 분사되는 기체 연료의 압력이 커진 경우, 초기에 있어서의 연소 온도의 상승이 억제되어, NOx의 생성이 억제된다.
상기 기체 연료 공급 시스템은, 상기 제1 밸브가 폐쇄된 후에, 상기 제2 밸브가 폐쇄되는 것이 바람직하다. 제1 밸브가 폐쇄된 후, 제2 밸브가 폐쇄되기까지의 사이에, 제1 밸브에 대하여 기체 연료가 공급된다. 이로 인하여, 제1 밸브에 잔존하고 있는 기체 연료가, 사이클마다 적어지거나, 많아지거나 하는 것을 억제하고, 제1 밸브에 의한 초기의 기체 연료의 분사 압력이, 사이클마다 낮아지거나, 높아지거나 하는 것을 억제할 수 있다.
상기 기체 연료 공급 시스템은, 상기 제1 밸브가 개방되기 전으로서, 점화 장치에 의하여 상기 기체 연료가 점화되기 전에, 상기 제1 밸브가 추가로 개방되는 것이 바람직하다. 제1 밸브가 개방되기 전으로서, 기체 연료가 점화되기 전에, 제1 밸브를 추가로 개방하여 기체 연료를 분사하면, 제1 밸브에 잔존하고 있는 기체 연료의 압력이 감소한다. 이로 인하여, 그 후에 다시 제1 밸브를 개방했을 때의, 제1 밸브가 분사하는 기체 연료의 압력이 보다 저감한다. 따라서, 초기에 있어서의 기체 연료의 분사 압력과, 그 후의 기체 연료의 분사 압력의 차를, 보다 적합하게 크게 할 수 있기 때문에, NOx의 생성의 억제 등, 기체 연료의 분사 제어를 보다 적합하게 행할 수 있다.
상술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 기체 연료 공급 시스템의 제어 장치는, 실린더와 피스톤의 사이에 형성되는 연소실과, 상기 연소실에 기체 연료를 분사하는 제1 밸브와, 상기 기체 연료의 공급부와 상기 제1 밸브의 사이에 마련되어, 상기 제1 밸브에 상기 기체 연료를 공급하는 제2 밸브를 포함하는 기체 연료 공급 시스템의 제어 장치로서, 상기 연소실에 상기 기체 연료를 공급할 때에 있어서, 상기 제1 밸브를 개방한 후에, 상기 제2 밸브를 개방시킨다. 이러한 기체 연료 공급 시스템의 제어 장치를 가짐으로써, 초기에 있어서의 연소 온도의 상승이 억제되어, NOx의 생성이 억제된다.
상기 기체 연료 공급 시스템의 제어 장치는, 상기 제1 밸브를 폐쇄시킨 후에, 상기 제2 밸브를 폐쇄시키는 것이 바람직하다. 이러한 기체 연료 공급 시스템의 제어 장치를 가짐으로써, 제1 밸브에 의한 초기의 기체 연료의 분사 압력이, 사이클마다 낮아지거나, 높아지거나 하는 것을 억제할 수 있다.
상기 기체 연료 공급 시스템의 제어 장치는, 상기 제1 밸브를 개방시키기 전으로서, 점화 장치에 의하여 상기 기체 연료를 점화하기 전에, 상기 제1 밸브를 추가로 개방시키는 것이 바람직하다. 이러한 기체 연료 공급 시스템의 제어 장치를 가짐으로써, 초기에 있어서의 기체 연료의 분사 압력과, 그 후의 기체 연료의 분사 압력의 차를, 보다 적합하게 크게 할 수 있기 때문에, NOx의 생성의 억제 등, 기체 연료의 분사 제어를 보다 적합하게 행할 수 있다.
상기 엔진은, 상기 기체 연료 공급 시스템을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 엔진에 의하여, NOx의 생성을 억제할 수 있다.
상기 엔진은, 2 스트로크 엔진인 것이 바람직하다. 2 스트로크 엔진은, 선박 등의 동력원으로서 적합하다.
본 발명에 의하면, 기체 연료용 엔진에 있어서 NOx의 생성을 억제할 수 있다.
도 1은, 실시형태 1에 관한 듀얼 퓨얼 엔진(1)의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 2는, 듀얼 퓨얼 엔진(1)의 동작의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 3은, 2종 연료 모드에 있어서 연소실에 연료가 분사되고 있는 상태의 일례를 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 4는, 2종 연료 모드에 있어서 연료가 연소하고 있는 상태의 일례를 모식적으로 나타내는 도이다.
도 5는, 2종 연료 모드에 있어서 연료가 연소하고 있는 상태의 일례를 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 6은, 실시형태 1에 관한 기체 연료 공급 시스템(15)의 일례를 나타내는 도이다.
도 7은, 제어 장치(10)의 구성의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 8은, 비교예에 관한 크랭크 각도와, 공급 유로(21)에 있어서의 기체 연료(PG)의 압력의 관계를 나타내는 도이다.
도 9는, 실시형태 1에 관한 크랭크 각도와, 공급 유로(21)에 있어서의 기체 연료(PG)의 압력의 관계를 나타내는 도이다.
도 10은, 실시형태 2에 있어서의, 기체 연료(PG)의 예혼합에 관한 분사를 행하고 있는 상태를 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 11은, 실시형태 2에 있어서의, 기체 연료(PG)가 예혼합되고 있는 상태를 나타내는 평면도이다.
도 12는, 실시형태 2에 있어서의, 기체 연료(PG) 및 액체 연료(FO)의 분사를 행하고 있는 상태를 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 13은, 액체 연료(FO) 및 기체 연료(PG)가 연소하고 있는 상태의 일례를 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 14는, 실시형태 2에 관한 크랭크 각도와, 공급 유로(21)에 있어서의 기체 연료(PG)의 압력의 관계를 나타내는 도이다.
도 15는, 실시형태 2에 관한 기체 연료 공급 시스템의 다른 일례를 나타내는 도이다.
(실시형태1)
이하, 본 발명의 실시형태 1을, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 1은, 실시형태 1에 관한 듀얼 퓨얼 엔진(1)의 일례를 나타내는 모식도이다. 엔진으로서의 듀얼 퓨얼 엔진(1)은, 밑판(50)과, 밑판(50)에 마련된 프레임(본체)(51)과, 프레임(51)에 마련된 재킷(52)을 구비하고 있다. 또, 듀얼 퓨얼 엔진(1)은, 재킷(52)에 마련된 실린더(2)와, 실린더(2)의 내부에서 왕복 이동하는 피스톤(3)과, 피스톤(3)에 접속된 피스톤봉(41)과, 연접봉(43)과, 피스톤봉(41)과 연접봉(43)을 연결하는 크로스 헤드(42)와, 크랭크 핀(44)을 통하여 연접봉(43)과 접속된 크랭크 축(4)을 구비하고 있다. 또, 듀얼 퓨얼 엔진(1)은, 크랭크 축(4)의 회전 각도(크랭크 각도)를 검출하는 각도 검출 장치(6)와, 피스톤(3)의 상면과 실린더(2)의 내벽과 배기 밸브(13)의 사이에 형성되는 연소실(7)에 기체 연료(PG)를 공급하는, 제1 밸브로서의 기체 연료 분사 밸브(8)를 포함하는 기체 연료 공급 시스템(15)과, 연소실(7)에 액체 연료(FO)를 공급하는, 점화 장치로서의 액체 연료 분사 밸브(9)와, 배기 밸브(13)와, 배기 밸브(13)를 구동하는 구동 장치(14)와, 듀얼 퓨얼 엔진(1) 및 기체 연료 공급 시스템(15)을 제어하는 제어 장치(10)를 구비하고 있다.
실린더(2)는, 재킷(52)에 마련된 실린더 라이너(2A)와, 실린더 라이너(2A) 상에 마련된 실린더 커버(2B)를 갖는다. 크로스 헤드(42)는, 프레임(51)에 마련된 안내부(51G)를 따라 움직이고, 피스톤봉(41)으로부터의 기계적 동력을 연접봉(43)에 전달한다. 크랭크 축(4)은, 밑판(50)에 배치되어, 피스톤(3)으로부터 전달되는 기계적 동력을 출력한다. 이와 같이, 듀얼 퓨얼 엔진(1)은 소위 크로스 헤드식 엔진이지만, 크로스 헤드(42)를 갖지 않는, 소위 트렁크 피스톤식 엔진이어도 된다.
기체 연료 분사 밸브(8)는, 연소실(7)에 기체 연료(PG)를 분사 가능하다. 기체 연료(PG)는, 연료로서의 가스이다. 본 실시형태에 있어서, 기체 연료 분사 밸브(8)는, 연소실(7)에 2개 배치된다. 또한, 기체 연료 분사 밸브(8)의 수는 임의이다.
액체 연료 분사 밸브(9)는 연소실(7)에 액체 연료(FO)를 분사 가능하다. 액체 연료(FO)는, 예를 들면, 경유, 중유, 및 중질유 중 적어도 하나를 포함한다. 본 실시형태에 있어서, 액체 연료 분사 밸브(9)는, 연소실(7)에 2개 배치된다. 또한, 액체 연료 분사 밸브(9)의 수는 임의이다.
각도 검출 장치(6)는, 예를 들면, 크랭크 축(4)에 배치된 인코더 스케일과 같은 스케일(격자)과, 그 스케일을 검출하는 인코더 헤드와 같은 검출기를 갖는다. 검출기는, 크랭크 축(4)의 스케일을 검출하고, 크랭크 축(4)의 회전 펄스를 검출한다. 크랭크 축(4)의 회전 펄스는, 예를 들면, 피스톤(3)의 상사점에 위치에 있어서의 타이밍과 관련되어 있다. 크랭크 축(4)의 회전 펄스로부터, 크랭크 축(4)의 회전 속도가 구해진다. 각도 검출 장치(6)는, 검출기에서 검출한 피스톤(3)의 상사점에 위치에 있어서의 타이밍과 크랭크 축(4)의 회전 속도에 근거하여, 크랭크 축(4)의 회전 각도(크랭크 각도)를 검출한다. 각도 검출 장치(6)의 검출 결과는 제어 장치(10)에 출력된다. 크랭크 각도와 피스톤(3)의 위치는 관련되어 있다. 제어 장치(10)는, 각도 검출 장치(6)의 검출 결과에 근거하여, 상사점 및 하사점을 포함하는 피스톤(3)의 위치를 구할 수 있다. 또, 제어 장치(10)는, 내장되어 있는 타이머의 출력과, 각도 검출 장치(6)의 검출 결과에 근거하여, 예를 들면, 피스톤(3)이 상사점에 배치된 시점, 및 하사점에 배치된 시점을 구할 수 있다. 제어 장치(10)는, 크랭크 각도에 근거하여, 배기 밸브(13)의 개폐, 기체 연료 분사 밸브(8)로부터의 기체 연료(PG)의 분사, 및 액체 연료 분사 밸브(9)로부터의 액체 연료(FO)의 분사를 제어하기 위한 지령 신호를 출력한다. 또, 자세한 내용은 후술하지만, 제어 장치(10)는, 기체 연료 공급 시스템의 게이트 밸브의 개폐를 제어하기 위한 지령 신호도 출력한다.
도 2는, 듀얼 퓨얼 엔진(1)의 동작의 일례를 나타내는 모식도이다. 실시형태 1에 있어서, 듀얼 퓨얼 엔진(1)은, 2스트로크 1사이클의 디젤 엔진이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 듀얼 퓨얼 엔진(1)의 동작은, 소기(掃氣) 포트(11)로부터 받아들인 새로운 공기를 연소실(7)에 보내는 소기 공정(A)과, 연소실(7)의 공기를 피스톤(3)으로 압축하는 압축 공정(B)과, 연소실(7)에 연료를 분사하여 그 연료를 연소시키는 연소 공정(C)과, 연소 공정 후의 연소실(7)의 기체를 배기 포트(12)로부터 배출하는 배기 공정(D)을 포함한다. 또한, 상술한 바와 같이, 실시형태 1에서는, 듀얼 퓨얼 엔진(1)은 2 스트로크의 엔진이며, 선박 등의 동력원으로서 적합하다. 단, 2스트로크 1사이클의 엔진에 한정되지 않고, 예를 들면, 4 스트로크 1사이클의 엔진이어도 된다.
듀얼 퓨얼 엔진(1)은, 액체 연료(FO)만을 사용하는 연료유 전용 모드와, 액체 연료(FO) 및 기체 연료(PG) 양방을 사용하는 2종 연료 모드의 각각으로 작동 가능하다.
연료유 전용 모드는, 액체 연료 분사 밸브(9)로부터 연소실(7)에 액체 연료(FO)를 공급하여, 액체 연료(FO)를 연소시키는 한편, 기체 연료 분사 밸브(8)로부터 연소실(7)에 기체 연료(PG)가 공급되지 않는 모드이다. 연료유 전용 모드에서는, 압축 공정에 있어서, 연소실(7)의 공기가 압축된 후, 연소 공정에 있어서, 액체 연료 분사 밸브(9)로부터 연소실(7)에 액체 연료(FO)가 분사된다. 고온고압의 공기에 액체 연료(FO)가 분사됨으로써, 액체 연료(FO)는 자연 발화하여 연소된다.
2종 연료 모드는, 연소실(7)에 액체 연료(FO) 및 기체 연료(PG) 양방이 공급되는 모드이다. 2종 연료 모드는, 기체 연료 분사 밸브(8)로부터 연소실(7)에 기체 연료(PG)를 분사함과 함께, 액체 연료 분사 밸브(9)로부터 연소실(7)에 소량의 액체 연료(FO)를 분사하여 파일럿 화염을 생성함으로써, 파일럿 화염으로 기체 연료(PG)를 착화하여 연소시키는 방식이다. 또한, 기체 연료(PG)를 착화하는 방법은, 액체 연료(FO)를 분사하는 것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 점화 장치로서 스파크 플러그를 이용하여, 기체 연료(PG)를 점화하는 것도 가능하다.
다음으로, 도 3, 도 4, 및 도 5를 참조하여 2종 연료 모드에 대하여 설명한다. 도 3은, 2종 연료 모드에 있어서, 기체 연료 분사 밸브(8)로부터 연소실(7)에 기체 연료(PG)가 분사되고, 액체 연료 분사 밸브(9)로부터 연소실(7)에 액체 연료(FO)가 분사되고 있는 상태의 일례를 모식적으로 나타내는 평면도이다. 도 4는, 2종 연료 모드에 있어서, 액체 연료(FO) 및 기체 연료(PG)의 각각이 연소하고 있는 상태의 일례를 모식적으로 나타내는 도이다. 도 5는, 2종 연료 모드에 있어서, 액체 연료(FO) 및 기체 연료(PG)가 연소하고 있는 상태의 일례를 모식적으로 나타내는 평면도이다.
압축 공정에 있어서, 연소실(7)의 공기가 압축된다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 연소 공정에 있어서, 기체 연료 분사 밸브(8)로부터 연소실(7)에 기체 연료(PG)가 분사된다. 또, 액체 연료 분사 밸브(9)로부터 연소실(7)에 소량의 액체 연료(FO)가 분사된다. 피스톤(3)이 상사점 근방에 배치되는 시점에 있어서, 액체 연료(FO)와 기체 연료(PG)가 가까운 타이밍으로 연소실(7)에 분사된다. 2종 연료 모드에 있어서, 주 연료는, 기체 연료(PG)이다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 기체 연료 분사 밸브(8)는, 기체 연료(PG)를 분사하는 분사구(8S)를 복수 갖는다. 액체 연료 분사 밸브(9)는, 액체 연료(FO)를 분사하는 분사구(9S)를 복수 갖는다. 기체 연료 분사 밸브(8)는, 그 기체 연료 분사 밸브(8)의 분사구(8S)의 축(8A)에 대한 방사 방향에 관하여 외측을 향하여 기체 연료(PG)를 분사한다. 액체 연료 분사 밸브(9)는, 그 액체 연료 분사 밸브(9)의 분사구(9S)의 축(9A)에 대한 방사 방향에 관하여 외측을 향하여 액체 연료(FO)를 분사한다. 분사구(9S)의 축(9A)은, 분사구(8S)의 축(8A)에 교차하도록 마련되어 있기 때문에, 분사구(9S)로부터 분사된 액체 연료(FO)는, 분사구(8S)로부터 분사된 기체 연료(PG)와 교차한다.
액체 연료 분사 밸브(9)로부터 분사된 소량의 액체 연료(FO)는 자연 발화하여, 파일럿 화염을 생성한다. 기체 연료 분사 밸브(8)는, 고압의 기체 연료(PG)를 분사한다. 고온고압의 공기가 채워지고, 파일럿 화염이 생성되어 있는 연소실(7)에, 고압의 기체 연료(PG)가 공급됨으로써, 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 연소실(7)에 있어서 확산 연소가 발생한다. 본 실시형태에 있어서, 2종 연료 모드는, 확산 연소 방식으로 기체 연료(PG)를 연소시킨다.
다음으로, 실시형태 1에 관한 기체 연료 공급 시스템(15)의 일례에 대하여 설명한다. 도 6은, 실시형태 1에 관한 기체 연료 공급 시스템(15)의 일례를 나타내는 도이다.
기체 연료 공급 시스템(15)은, 듀얼 퓨얼 엔진(1)의 연소실(7)에 기체 연료(PG)를 공급한다. 기체 연료 공급 시스템(15)은, 제어 장치(10)에 의하여 제어된다. 기체 연료 공급 시스템(15)은, 연소실(7)에 기체 연료(PG)를 분사하는 기체 연료 분사 밸브(8)와, 기체 연료 분사 밸브(8)에 공급되는 기체 연료(PG)가 흐르는 공급 유로(21)와, 공급 유로(21)를 개폐 가능한 제2 밸브로서의 게이트 밸브(22)와, 기체 연료(PG)를 공급하는 기체 연료 공급원(23)을 구비하고 있다. 기체 연료 분사 밸브(8) 및 게이트 밸브(22)는, 제어 장치(10)에 제어된다. 게이트 밸브(22)는, 기체 연료(PG)를 송출 가능한 펌프를 포함하는 기체 연료의 공급부로서의 기체 연료 공급원(23)과, 기체 연료 분사 밸브(8)의 사이에 마련되어 있다. 게이트 밸브(22)는 기체 연료 공급원(23)과 접속되어 있기 때문에, 기체 연료 공급원(23)은, 게이트 밸브(22)에 기체 연료(PG)를 공급한다. 게이트 밸브(22)는 공급 유로(21)에도 접속되어 있기 때문에, 게이트 밸브(22)는, 개방에 의하여, 기체 연료(PG)를 공급 유로(21)에 공급한다. 기체 연료 분사 밸브(8)는, 개방에 의하여, 공급 유로(21)로부터 연소실(7)에 기체 연료(PG)를 공급한다. 기체 연료 공급원(23)은, 고압의 기체 연료(PG)를 공급한다.
도 7은, 제어 장치(10)의 구성의 일례를 나타내는 모식도이다. 제어 장치(10)는, 예를 들면, 컴퓨터로서, 기체 연료 공급 시스템(15)을 제어한다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 컴퓨터로서의 제어 장치(10)는, 처리부(61)와, 기억부(62)를 포함한다. 처리부(61)는, 예를 들면, CPU(Central Processing Unit)이다. 기억부(62)에는, 예를 들면, 주로 RAM(Random Access Memory)이 사용된다. 기억부(62)에는, 예를 들면, 기체 연료 공급 시스템(15)을 제어하기 위한 명령이 기술된 컴퓨터 프로그램(PR)이 기억된다.
처리부(61)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 각도 검출 장치(6)로부터, 크랭크 각도의 정보를 수집한다. 처리부(61)는, 수집한 크랭크 각도의 정보를 기억부(62)에 기억한다. 또, 처리부(61)는, 기억부(62)로부터, 기체 연료 공급 시스템(15)을 제어하기 위한 명령이 기술된 컴퓨터 프로그램(PR)을 읽어낸다. 구체적으로는, 컴퓨터 프로그램(PR)에는, 크랭크 각도에 따라서, 기체 연료 분사 밸브(8) 및 게이트 밸브(22)의 개폐를 제어하는 명령이 기술되어 있다. 처리부(61)는, 각도 검출 장치(6)로부터 수집한 크랭크 각도의 정보와, 컴퓨터 프로그램(PR)의 명령에 근거하여, 기체 연료 공급 시스템(15)을 제어하고, 기체 연료 분사 밸브(8) 및 게이트 밸브(22)의 개폐를 제어한다. 단, 기체 연료 분사 밸브(8)와 게이트 밸브(22)는, 예를 들면, 듀얼 퓨얼 엔진(1)의 크랭크 축(4)의 회전에 연동하는 캠 및 타이밍 벨트 등에 의하여, 기계적으로 제어되고 있어도 된다.
기체 연료(PG)는, 액체 연료(FO)와 비교하여 점도가 낮기 때문에, 예를 들면 밸브의 시트부 등으로부터 새기 쉽다. 이로 인하여, 게이트 밸브(22)는, 안전 밸브(인터록 기구)로서 기능하도록 마련되어 있다. 예를 들면, 기체 연료 분사 밸브(8)로부터, 연소실(7)의 기체 연료(PG)가 새어 나와도, 게이트 밸브(22)는, 기체 연료(PG)의 역류를 방지할 수 있다.
다음으로, 기체 연료 분사 밸브(8)와 게이트 밸브(22)의 개폐의 타이밍을, 비교예와 비교하면서 설명한다. 도 8은, 비교예에 관한, 기체 연료 분사 밸브(8) 및 게이트 밸브(22)의 개폐와, 크랭크 각도와, 공급 유로(21)에 있어서의 기체 연료(PG)의 압력(기체 연료 분사 밸브(8)의 입구의 압력)의 관계를 나타내는 도이다. 또한, 비교예에 있어서도, 실시형태 1과 마찬가지로, 도 6에 나타내는 기체 연료 공급 시스템(15)을 갖고 있다.
도 8에 있어서, 크랭크 각도가 0도일 때, 피스톤(3)은 상사점에 배치된다. 크랭크 각도가 180도(또는 -180도)일 때, 피스톤(3)은 하사점에 배치된다. 또한, 도 8은, 크랭크 각도가 -90도에서 90도의 범위에 있어서의, 기체 연료 분사 밸브(8)와 게이트 밸브(22)의 사이의 공급 유로(21)의 압력과, 기체 연료 분사 밸브(8)와 게이트 밸브(22)의 개폐의 타이밍을 나타낸다.
도 8에 나타나는 바와 같이, 크랭크 각도 A1도 이전의 기간 T0에 있어서는, 기체 연료 분사 밸브(8) 및 게이트 밸브(22)는 폐쇄되어 있다. 이로 인하여, 기간 T0에 있어서, 공급 유로(21)의 압력은 일정하게 된다.
크랭크 각도가 A1도에 있어서, 제어 장치(10)는, 게이트 밸브(22)를 개방하는 지령 신호를 게이트 밸브(22)에 출력한다. 크랭크 각도가 A1도보다 큰 A2도가 되었을 때, 제어 장치(10)는, 기체 연료 분사 밸브(8)를 개방하는 지령 신호를 기체 연료 분사 밸브(8)에 출력한다. 즉, 비교예에 있어서는, 듀얼 퓨얼 엔진(1)의 1 사이클에 있어서, 게이트 밸브(22)가 먼저 개방되고, 기체 연료 분사 밸브(8)가 나중에 개방된다.
크랭크 각도가 A1도가 되었을 때부터 A2도가 될 때까지의 기간 T1에 있어서는, 게이트 밸브(22)가 개방되어 있고, 기체 연료 분사 밸브(8)는 폐쇄되어 있다. 게이트 밸브(22)에는, 기체 연료 공급원(23)으로부터 고압(P1bar)의 기체 연료(PG)가 공급된다. 기체 연료 분사 밸브(8)가 폐쇄된 상태에서 게이트 밸브(22)가 개방됨으로써, 기간 T1에 있어서, 기체 연료 분사 밸브(8)와 게이트 밸브(22)의 사이의 공급 유로(21)의 압력은, 기체 연료 공급원(23)과 동일한 P1bar가 된다.
크랭크 각도가 A2도에 있어서, 게이트 밸브(22)가 개방되어 있는 상태에서 기체 연료 분사 밸브(8)가 개방됨으로써, 기체 연료 분사 밸브(8)로부터 기체 연료(PG)가 연소실(7)에 분사된다. 이와 같이, 비교예는, 크랭크 각도가 A2도가 되었을 때부터 A3도가 될 때까지의 기간 T2에 있어서, 게이트 밸브(22)가 개방된 채 기체 연료(PG)가 연소실(7)에 분사되고 있다. 즉, 기체 연료 공급원(23)으로부터 공급된 고압의 기체 연료(PG)가, 게이트 밸브(22), 공급 유로(21) 및 기체 연료 분사 밸브(8)를 통하여, 연소실(7)에 분사되고 있다. 그리고, 기체 연료 분사 밸브(8)가 개방되는 타이밍과 가까운 타이밍으로, 액체 연료 분사 밸브(9)로부터 액체 연료(FO)가 파일럿 연료로서 분사되고, 기체 연료(PG)가 점화되어, 기체 연료(PG)가 연소된다. 이와 같이, 비교예의 연소 형태는 확산 연소이다. 또한, 비교예에 있어서, 크랭크 각도 A2도는, 0도이다. 즉, 피스톤(3)이 상사점에 배치되었을 때에, 기체 연료 분사 밸브(8)로부터 기체 연료(PG)가 분사된다. 또, 기간 T2에 있어서는, 게이트 밸브(22)가 개방된 채 기체 연료 분사 밸브(8)가 개방되어 기체 연료(PG)가 분사됨으로써, 기체 연료 분사 밸브(8)와 게이트 밸브(22)의 사이의 공급 유로(21)의 압력은 서서히 저하된다.
크랭크 각도 A3도에 있어서, 제어 장치(10)는, 기체 연료 분사 밸브(8)를 폐쇄하는 지령 신호를 기체 연료 분사 밸브(8)에 출력한다. 이로 인하여, 크랭크 각도가 A3도가 되었을 때부터 A4도가 될 때까지의 기간 T3에 있어서, 게이트 밸브(22)가 개방된 상태에서, 기체 연료 분사 밸브(8)가 폐쇄되어 있다. 기간 T3에 있어서, 게이트 밸브(22)를 통하여 기체 연료 공급원(23)으로부터 기체 연료(PG)가 공급 유로(21)에 공급되고, 기체 연료(PG)는 분사되지 않기 때문에, 공급 유로(21)의 압력은 서서히 증대한다.
크랭크 각도 A4도에 있어서, 제어 장치(10)는, 게이트 밸브(22)를 폐쇄하는 지령 신호를 게이트 밸브(22)에 출력한다. 크랭크 각도 A4도 이후의 기간인 기간 T4에 있어서는, 기체 연료 분사 밸브(8) 및 게이트 밸브(22) 양방이 폐쇄되어 있기 때문에, 공급 유로(21)의 압력은, 일정하게 된다.
다음으로, 실시형태 1에 있어서의, 기체 연료 분사 밸브(8)와 게이트 밸브(22)의 개폐의 타이밍을 설명한다. 도 9는, 실시형태 1에 관한, 기체 연료 분사 밸브(8) 및 게이트 밸브(22)의 개폐와, 크랭크 각도와, 공급 유로(21)에 있어서의 기체 연료(PG)의 압력(기체 연료 분사 밸브(8)의 입구의 압력)의 관계를 나타내는 도이다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 실시형태 1에 있어서는, 게이트 밸브(22)보다 먼저, 기체 연료 분사 밸브(8)가 개방된다. 이러한 점에서, 비교예와 실시형태 1은 상이하다.
도 9에 있어서, 크랭크 각도가 0도일 때, 피스톤(3)은 상사점에 배치된다. 크랭크 각도가 180도(또는 -180도)일 때, 피스톤(3)은 하사점에 배치된다. 또한, 도 9는, 크랭크 각도가 -90도에서 90도의 범위에 있어서의, 기체 연료 분사 밸브(8)와 게이트 밸브(22)의 사이의 공급 유로(21)의 압력과, 기체 연료 분사 밸브(8)와 게이트 밸브(22)의 개폐의 타이밍을 나타낸다.
도 9에 나타나는 바와 같이, 크랭크 각도 B1도 이전의 기간 U0에 있어서, 기체 연료 분사 밸브(8) 및 게이트 밸브(22)는 폐쇄되어 있다. 이로 인하여, 기간 U0에 있어서, 공급 유로(21)의 압력은 일정하게 된다.
제어 장치(10)는, 각도 검출 장치(6)에 의한 크랭크 각도의 검출 결과에 근거하여, 지령 신호를 출력하는 타이밍을 결정한다. 즉, 크랭크 각도가 B1도에 있어서, 제어 장치(10)는, 기체 연료 분사 밸브(8)를 개방하는 지령 신호를 기체 연료 분사 밸브(8)에 출력한다. 그리고, 크랭크 각도가 B1도보다 각도가 큰 B2도가 되었을 때, 제어 장치(10)는, 게이트 밸브(22)를 개방하는 지령 신호를 게이트 밸브(22)에 출력한다. 즉, 실시형태 1에 있어서는, 듀얼 퓨얼 엔진(1)의 1 사이클에 있어서, 기체 연료 분사 밸브(8)가 먼저 개방되고, 게이트 밸브(22)가 나중에 개방된다. 또한, 실시형태 1에 있어서, 크랭크 각도 B1도는, 0도이다. 즉, 피스톤(3)이 상사점에 배치되었을 때에, 기체 연료 분사 밸브(8)로부터 기체 연료(PG)가 분사된다. 단, 크랭크 각도 B1은 0도에 한정되지 않고, 0도보다 작아도 되고, 커도 된다.
실시형태 1에 있어서는, 게이트 밸브(22)보다 먼저, 기체 연료 분사 밸브(8)가 개방된다. 비교예에 있어서는, 기체 연료 분사 밸브(8)보다 먼저, 게이트 밸브(22)가 개방된다. 따라서, 비교예에 있어서의 기간 T1과 같이, 기체 연료 분사 밸브(8)가 폐쇄된 상태에서 게이트 밸브(22)가 개방되어, 공급 유로(21)의 압력을 상승시키는 기간이, 실시형태 1에는 없다. 이로 인하여, 실시형태 1에 있어서의 기체 연료 분사 밸브(8)를 개방하는 크랭크 각도인 크랭크 각도 B1도에 있어서의 공급 유로(21)의 압력은, 비교예에 있어서의 기체 연료 분사 밸브(8)를 개방하는 크랭크 각도인 크랭크 각도 A2도에 있어서의 공급 유로(21)의 압력보다 작다.
크랭크 각도가 B1도가 되었을 때부터 B2도가 될 때까지의 기간 U1에 있어서는, 기체 연료 분사 밸브(8)가 개방되어 있고, 게이트 밸브(22)는 폐쇄되어 있다. 이로 인하여, 기간 U1에 있어서는, 게이트 밸브(22)를 통하여 공급 유로(21)에 고압의 기체 연료(PG)가 새로 공급되지 않고, 기체 연료 분사 밸브(8)로부터, 공급 유로(21)에 잔존하고 있는 기체 연료(PG)만이 연소실(7)에 분사되고 있다. 한편, 비교예에 있어서는, 기간 T2에 있어서, 기체 연료 분사 밸브(8) 및 게이트 밸브(22)가 개방되어 있기 때문에, 게이트 밸브(22)를 통하여 공급 유로(21)에 고압의 기체 연료(PG)가 공급되면서, 기체 연료 분사 밸브(8)로부터, 기체 연료(PG)가 연소실(7)에 분사되고 있다. 따라서, 실시형태 1에 관한 기간 U1에서는, 비교예에 관한 기간 T2보다, 공급 유로(21)의 압력이 크게 저하된다. 비교예에 있어서는, 기간 T2의 종기(終期)인 크랭크 각도가 A3도가 된 타이밍에 있어서는, 공급 유로(21)의 압력은 P2bar보다 커져 있다. 한편, 실시형태 1에 있어서는, 기간 U1의 종기인 크랭크 각도가 B2도인 타이밍에 있어서는, 공급 유로(21)의 압력은 P2bar보다 작아져 있다. 또, 기체 연료 분사 밸브(8)가 개방되는 타이밍인 크랭크 각도 B1도와 가까운 타이밍으로, 액체 연료 분사 밸브(9)가 개방되어 액체 연료(FO)가 파일럿 연료로서 분사된다. 그리고, 기체 연료(PG)가 점화되어, 기체 연료(PG)가 연소된다. 실시형태 1에 있어서의 연소 형태는 확산 연소이다.
크랭크 각도가 B2도에 있어서, 제어 장치(10)는, 게이트 밸브(22)를 개방하는 지령 신호를 게이트 밸브(22)에 출력한다. 공급 유로(21)에는, 기체 연료 분사 밸브(8)에 의하여 기체 연료(PG)가 유출되고 있지만, 게이트 밸브(22)가 개방됨으로써, 기체 연료 공급원(23)으로부터 고압(P1bar)의 기체 연료(PG)가 공급 유로(21)에 공급된다. 이로 인하여, 크랭크 각도가 B2도가 되었을 때부터 B3도가 될 때까지의 기간 U2에 있어서는, 공급 유로(21)의 압력이 상승한다. 공급 유로(21)의 압력 상승은, 기체 연료 분사 밸브(8)로부터의 기체 연료(PG)의 분사에 의한 압력 감소와, 게이트 밸브(22)로부터의 기체 연료(PG)의 공급에 의한 압력 상승이 밸런스를 이룰 때까지 계속된다.
크랭크 각도 B3도에 있어서, 기체 연료 분사 밸브(8)로부터의 기체 연료(PG)의 분사에 의한 압력 감소와, 게이트 밸브(22)로부터의 기체 연료(PG)의 공급에 의한 압력 상승이 밸런스를 이룬다. 크랭크 각도가 B3도가 되었을 때부터 B4도가 될 때까지의 기간 U3에 있어서는, 기체 연료 분사 밸브(8) 및 게이트 밸브(22)가 개방되어 있어, 공급 유로(21)의 압력은 서서히 감소한다. 기간 U3에 있어서는, 게이트 밸브(22)가 개방된 채 기체 연료(PG)가 연소실(7)에 분사되고 있다. 즉, 기체 연료 공급원(23)으로부터 공급된 고압의 기체 연료(PG)가, 게이트 밸브(22), 공급 유로(21) 및 기체 연료 분사 밸브(8)를 통하여, 연소실(7)에 분사되고 있다. 이로 인하여, 게이트 밸브(22)가 개방되어 있는 기간 U3보다, 게이트 밸브(22)가 개방되어 있지 않은 기간 U1의 쪽이, 공급 유로(21)의 압력 감소량이 커지고 있다.
크랭크 각도 B4도에 있어서, 제어 장치(10)는, 기체 연료 분사 밸브(8)를 폐쇄하는 지령 신호를 기체 연료 분사 밸브(8)에 출력한다. 그리고, 크랭크 각도 B5도에 있어서, 제어 장치(10)는, 게이트 밸브(22)를 폐쇄하는 지령 신호를 게이트 밸브(22)에 출력한다. 즉, 실시형태 1에 있어서는, 듀얼 퓨얼 엔진(1)의 1 사이클에 있어서, 기체 연료 분사 밸브(8)를 폐쇄한 후에, 게이트 밸브(22)를 폐쇄한다. 이로 인하여, 크랭크 각도가 B4도가 되었을 때부터 B5도가 될 때까지의 기간 U4에 있어서, 게이트 밸브(22)가 개방된 상태에서, 기체 연료 분사 밸브(8)가 폐쇄되어 있다. 기간 U4에 있어서, 게이트 밸브(22)를 통하여 기체 연료 공급원(23)으로부터 기체 연료(PG)가 공급 유로(21)에 공급되고, 기체 연료(PG)는 분사되지 않기 때문에, 공급 유로(21)의 압력은 서서히 증대한다.
상술한 바와 같이, 크랭크 각도 B5도에 있어서, 제어 장치(10)는, 게이트 밸브(22)를 폐쇄하는 지령 신호를 게이트 밸브(22)에 출력한다. 이와 같이, 크랭크 각도 B5도 이후의 기간인 기간 U5에 있어서는, 기체 연료 분사 밸브(8) 및 게이트 밸브(22) 양방이 폐쇄되어 있기 때문에, 공급 유로(21)의 압력은, 일정하게 된다.
상술한 바와 같이, 실시형태 1에 있어서의 연소 형태는 확산 연소이며, 크랭크 각도 B1도에 있어서의 기체 연료 분사 밸브(8)로부터의 기체 연료(PG)의 분사는, 확산 연소에 관한 분사라고 할 수 있다. 확산 연소에 있어서, 연소 초기의 연료의 분사 압력이 높으면, 고온의 연소 영역이 발생하기 쉬워져, 연소에 의한 NOx의 발생이 커진다. 그러나, 실시형태 1에 있어서는, 예를 들면 기간 U1에 있어서, 비교예에 있어서의 기간 T2와 비교하여, 공급 유로(21)의 압력이 낮아져 있기 때문에, 연소 초기에 있어서의 기체 연료(PG)의 분사 압력 및 연소실(7) 내의 압력도 낮아진다. 이와 같이, 실시형태 1에 있어서는, 기체 연료 분사 밸브(8)가 먼저 개방되고, 게이트 밸브(22)가 나중에 개방되기 때문에, 연소 초기에 있어서 연소실(7) 내의 기체 연료(PG)의 압력을 낮게 할 수 있어, NOx의 생성을 억제할 수 있다. 또한, 일반적으로는, NOx의 저감과 열효율은 트레이드오프의 관계에 있어, NOx의 생성을 억제하면, 열효율이 저하된다. 그러나, 실시형태 1에 의하면, 열효율의 저하도 억제할 수 있다. 즉, 실시형태 1에 의한 연소는, NOx와 열효율의 트레이드오프를 개선할 수 있다. 또, 액체 연료(FO)의 분사 타이밍은, 크랭크 각도가 B1도가 되는 타이밍과 가깝다면, 특별히 한정되지 않으며, 크랭크 각도가 B1도가 되기 전의 타이밍이어도 되고, 크랭크 각도가 B1도가 된 후의 타이밍이어도 된다.
실시형태 1에 있어서는, 기체 연료 분사 밸브(8)를 폐쇄한 후에, 게이트 밸브(22)를 폐쇄하기 때문에, 기간 U4에 나타내는 바와 같이, 기체 연료(PG)의 분사 후에, 공급 유로(21)의 압력을 상승시킬 수 있다. 이로 인하여, 사이클마다 공급 유로(21)의 압력이 저하되어, 1 사이클마다 기체 연료 분사 밸브(8)로부터 연소실(7)로 분사하는 기체 연료(PG)의 압력이 떨어지는 것을 억제할 수 있다. 또, 실시형태 1에 있어서는, 다음 사이클에 있어서의 연소 초기의 공급 유로(21)의 압력이, 그 전의 사이클에 있어서의 연소 초기의 공급 유로(21)의 압력보다 커지는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 1 사이클마다 연소 초기의 공급 유로(21)의 압력이 커지는 것을 억제할 수 있다. 예를 들면, 실시형태 1에 있어서, 공급 유로(21)에 압력 센서를 마련하여 공급 유로(21)의 압력을 확인하고, 1 사이클마다 공급 유로(21)의 압력이 저하되거나, 상승하거나 하지 않도록, 제어 장치(10)는 게이트 밸브(22)를 폐쇄하는 타이밍을 제어할 수 있다. 예를 들면, 기간 U5에 있어서의 공급 유로(21)의 압력을, 기간 U0에 있어서의 공급 유로(21)의 압력 P3으로 한다.
이와 같이, 실시형태 1에 있어서는, 듀얼 퓨얼 엔진(1)의 1 사이클에 있어서, 기체 연료 분사 밸브(8)가 개방된 후에, 게이트 밸브(22)가 개방된다. 이로 인하여, 연소 초기에 있어서 연소실(7) 내의 기체 연료(PG)의 압력을 낮게 하여, NOx의 생성을 억제할 수 있다. 또, 듀얼 퓨얼 엔진(1)의 1 사이클에 있어서, 기체 연료 분사 밸브(8)를 폐쇄한 후에, 게이트 밸브(22)를 폐쇄한다. 이로 인하여, 사이클마다 기체 연료 분사 밸브(8)로부터 연소실(7)로 분사하는 기체 연료(PG)의 압력이 저하되거나, 상승하거나 하는 것을 억제할 수 있다.
(실시형태2)
다음으로, 본 발명의 실시형태 2를, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 실시형태 2에 있어서는, 실시형태 1에서 설명한, 크랭크 각도 B1도에 있어서의 확산 연소에 관한 분사 전에, 게이트 밸브(22)를 폐쇄한 채, 추가로 연소실(7)로 기체 연료(PG)의 분사를 행한다. 즉, 기체 연료(PG)의 예혼합을 행한다. 크랭크 각도 B1도에 있어서의 확산 연소에 관한 분사 전의, 연소실(7)로 기체 연료(PG)의 분사를, 이하, 적절히 예혼합에 관한 분사라고 기재한다. 실시형태 2의 그 외의 구성은, 실시형태 1과 공통되어 있어, 실시형태 1과 공통되어 있는 부분의 설명은 생략한다.
도 10, 도 11, 도 12 및 도 13을 참조하여, 실시형태 2에 있어서의, 2종 연료 모드에서의 연소에 대하여 설명한다. 도 10은, 실시형태 2에 있어서의, 연소실(7)에서 기체 연료(PG)를 예혼합에 관한 분사를 행하고 있는 상태를 모식적으로 나타내는 평면도이다. 도 11은, 실시형태 2에 있어서의, 연소실(7)에서의 기체 연료(PG)가 예혼합되고 있는 상태를 평면도이다. 도 12는, 실시형태 2에 있어서의, 기체 연료(PG) 및 액체 연료(FO)의 분사를 행하고 있는 상태를 모식적으로 나타내는 평면도이다. 도 13은, 액체 연료(FO) 및 기체 연료(PG)가 연소하고 있는 상태의 일례를 모식적으로 나타내는 평면도이다.
크랭크 각도가 -180도인 타이밍보다 후이며, 크랭크 각도가 0도인 타이밍보다 전의 타이밍에 있어서(압축 행정), 도 10에 나타내는 바와 같이, 기체 연료 분사 밸브(8)로부터 연소실(7)에 기체 연료(PG)가, 예혼합에 관한 분사로서 분사된다. 이 경우, 압축 행정이기 때문에, 피스톤(3)이 상승하는 과정에 있어서, 분사된 기체 연료(PG)와 연소실(7) 내의 공기가 서로 섞여, 도 11에 나타내는 바와 같이, 혼합기체(MG)가 생성된다. 예혼합에 관한 분사는, 크랭크 각도가 -100도 이상, -10도 이하에서 행해지는 것이 바람직하다.
그리고, 실시형태 1과 마찬가지로, 피스톤(3)이 상사점 근방에 배치되는 시점에 있어서, 도 12에 나타내는 바와 같이, 기체 연료(PG)와 액체 연료(FO)가 연소실(7)에 가까운 타이밍으로 분사된다. 2종 연료 모드에 있어서, 주 연료는, 기체 연료(PG)이다.
액체 연료 분사 밸브(9)로부터 분사된 소량의 액체 연료(FO)는 자연 발화(자기 착화)하여, 파일럿 화염을 생성한다. 파일럿 화염에 의하여, 연소실(7)에 분사된 기체 연료(PG)도 연소되어, 확산 연소가 발생한다. 그리고, 도 13에 나타내는 바와 같이, 기체 연료(PG)의 연소가, 혼합기체(MG)에 전파되어, 혼합기체(MG)가 연소됨으로써, 일부에 예혼합 연소가 발생한다.
이와 같이, 실시형태 2에 있어서는, 일부가 예혼합 연소되어, 연소 형태의 전부가 확산 연소인 경우와 비교하여, NOx의 발생을 억제할 수 있다.
다음으로, 기체 연료 분사 밸브(8)와 게이트 밸브(22)의 개폐의 타이밍을 설명한다. 도 14는, 실시형태 2에 관한, 기체 연료 분사 밸브(8) 및 게이트 밸브(22)의 개폐와, 크랭크 각도와, 공급 유로(21)에 있어서의 기체 연료(PG)의 압력(기체 연료 분사 밸브(8)의 입구의 압력)의 관계를 나타내는 도이다. 도 14에 나타내는 바와 같이, 실시형태 2에 있어서는, 기체 연료 분사 밸브(8)가 2회 개방된다. 이러한 점에서, 도 9에 나타내는 실시형태 1과는 상이하다.
도 14에 있어서, 크랭크 각도가 0도일 때, 피스톤(3)은 상사점에 배치된다. 크랭크 각도가 180도(또는 -180도)일 때, 피스톤(3)은 하사점에 배치된다. 또한, 도 14는, 크랭크 각도가 -90도에서 90도의 범위에 있어서의, 기체 연료 분사 밸브(8)와 게이트 밸브(22)의 사이의 공급 유로(21)의 압력과, 기체 연료 분사 밸브(8)와 게이트 밸브(22)의 개폐의 타이밍을 나타낸다.
도 14에 나타나는 바와 같이, 크랭크 각도 C1도 이전의 기간 V0에 있어서는, 기체 연료 분사 밸브(8) 및 게이트 밸브(22)는 폐쇄되어 있다. 이로 인하여, 기간 V0에 있어서, 실시형태 1에 관한 기간 U0과 마찬가지로, 공급 유로(21)의 압력은 일정하게 된다.
제어 장치(10)는, 각도 검출 장치(6)에 의한 크랭크 각도의 검출 결과에 근거하여, 지령 신호를 출력하는 타이밍을 결정한다. 즉, 크랭크 각도가 C1도에 있어서, 제어 장치(10)는, 기체 연료 분사 밸브(8)를 개방하는 지령 신호를 기체 연료 분사 밸브(8)에 출력한다. 크랭크 각도 C1도에서의 기체 연료 분사 밸브(8)의 개방은, 후술하는 크랭크 각도 C3도에서의 기체 연료 분사 밸브(8)의 개방 및 액체 연료(FO)의 분사보다 먼저 이루어진다. 즉, 크랭크 각도 C1도에서의 기체 연료 분사 밸브(8)의 개방은, 예혼합에 관한 분사이다. 또한, 크랭크 각도 C1은, 압축 행정인 -180도 이상 0도 이하의 범위이지만, -100도 이상, -10도 이하인 것이 바람직하다.
크랭크 각도가 C1도가 되었을 때부터 C2도가 될 때까지의 기간 V1에 있어서는, 기체 연료 분사 밸브(8)가 개방되어 있고, 게이트 밸브(22)는 폐쇄되어 있다. 이로 인하여, 기간 V1에 있어서는, 게이트 밸브(22)를 통하여 공급 유로(21)에 고압의 기체 연료(PG)가 새로 공급되지 않고, 기체 연료 분사 밸브(8)로부터, 공급 유로(21)에 잔존하고 있는 기체 연료(PG)만이 연소실(7)에 분사되고 있다. 따라서, 기간 V1에 있어서, 공급 유로(21)의 압력이 크게 저하된다. 또, 기간 V1은 압축 행정이며, 연소실(7) 내에서, 기체 연료(PG)의 연소가 개시되지 않는다.
다음으로, 크랭크 각도가 C2도에 있어서, 제어 장치(10)는, 기체 연료 분사 밸브(8)를 폐쇄하는 지령 신호를 기체 연료 분사 밸브(8)에 출력한다. 크랭크 각도가 C2도가 되었을 때부터 C3도가 될 때까지의 기간 V2에 있어서는, 기체 연료 분사 밸브(8)와 게이트 밸브(22)는 폐쇄되어 있다. 이로 인하여, 기간 V2에 있어서, 공급 유로(21)의 압력은 일정하게 되어 있다. 또한, 기간 V1 및 기간 V2에 있어서는, 기간 V1에서 연소실(7)에 분사된 기체 연료(PG)가, 연소실 내의 공기와 서로 섞여, 혼합기체(MG)가 생성된다. 또, 도 14에 의하면, 크랭크 각도가 C2도에 있어서의 공급 유로(21)의 압력은 P2bar보다 작다. 단, 기체 연료 분사 밸브(8)가 개방되는 타이밍인 크랭크 각도 C1도에서의 공급 유로(21)의 압력보다, 크랭크 각도 C2도에 있어서의 공급 유로(21)의 압력이 저하되어 있으면, 이에 한정되지 않는다. 또, 실시형태 2에 의하면, 액체 연료(FO)의 분사 전, 또한 후술하는 크랭크 각도 C3도 전에 있어서 기체 연료 분사 밸브(8)의 개방은, 기간 V1에 있어서의 1회뿐이었지만, 복수 회여도 된다.
크랭크 각도가 C3도에 있어서, 제어 장치(10)는, 기체 연료 분사 밸브(8)를 개방하는 지령 신호를 기체 연료 분사 밸브(8)에 출력한다. 크랭크 각도 C3도는, 실시형태 1에 관한 크랭크 각도 B1도와 동일한 타이밍이다. 크랭크 각도가 C3도가 되었을 때부터 C4도가 될 때까지의 기간 V3에 있어서는, 기체 연료 분사 밸브(8)가 개방되어 있고, 게이트 밸브(22)는 폐쇄되어 있다. 이로 인하여, 실시형태 1의 기간 U1과 마찬가지로, 게이트 밸브(22)를 통하여 공급 유로(21)에 고압의 기체 연료(PG)가 새로 공급되지 않고, 기체 연료 분사 밸브(8)로부터, 공급 유로(21)에 잔존하고 있는 기체 연료(PG)만이 연소실(7)에 분사되고 있다. 따라서, 기간 V3에 있어서, 공급 유로(21)의 압력이 크게 저하된다.
실시형태 2에서는, 기간 V1에 있어서 이미 기체 연료 분사 밸브(8)를 개방하여, 기체 연료(PG)를 분사하고 있기 때문에, 기간 V3에 있어서의 공급 유로(21)의 압력은, 실시형태 1의 크랭크 각도 B1도에 있어서의 공급 유로(21)의 압력보다 더 작아져 있다. 또, 실시형태 1에 관한 크랭크 각도 B1도와 마찬가지로, 크랭크 각도가 C3도가 되는 타이밍과 가까운 타이밍으로, 액체 연료 분사 밸브(9)가 개방되어 액체 연료(FO)가 파일럿 연료로서 분사되고, 기체 연료(PG)가 점화되어, 기체 연료(PG)가 확산 연소를 개시한다.
크랭크 각도가 C4도에 있어서, 제어 장치(10)는, 게이트 밸브(22)를 개방하는 지령 신호를 게이트 밸브(22)에 출력한다. 공급 유로(21)에서는, 기체 연료 분사 밸브(8)에 의하여 기체 연료(PG)는 분사되고 있지만, 게이트 밸브(22)가 개방됨으로써, 기체 연료 공급원(23)으로부터 고압(P1bar)의 기체 연료(PG)가 공급된다. 이로 인하여, 크랭크 각도가 C4도가 되었을 때부터 C5도가 될 때까지의 기간 V4에 있어서는, 실시형태 1의 기간 U2와 마찬가지로, 공급 유로(21)의 압력이 상승한다. 공급 유로(21)의 압력 상승은, 기체 연료 분사 밸브(8)로부터의 기체 연료(PG)의 분사에 의한 압력 감소와, 게이트 밸브(22)로부터의 기체 연료(PG)의 공급에 의한 압력 상승이 밸런스를 이룰 때까지 계속된다.
크랭크 각도 C5도에 있어서, 기체 연료 분사 밸브(8)로부터의 기체 연료(PG)의 분사에 의한 압력 감소와, 게이트 밸브(22)로부터의 기체 연료(PG)의 공급에 의한 압력 상승이 밸런스를 이룬다. 이로 인하여, 크랭크 각도가 C5도가 되었을 때부터 C6도가 될 때까지의 기간 V5에 있어서는, 실시형태 1에 관한 기간 U3과 마찬가지로, 기체 연료 분사 밸브(8) 및 게이트 밸브(22)가 개방되어 있고, 공급 유로(21)의 압력은 서서히 감소한다.
크랭크 각도 C6도에 있어서, 제어 장치(10)는, 기체 연료 분사 밸브(8)를 폐쇄하는 지령 신호를 기체 연료 분사 밸브(8)에 출력한다. 이로 인하여, 크랭크 각도가 C6도가 되었을 때부터 C7도가 될 때까지의 기간 V6에 있어서는, 실시형태 1에 관한 기간 U4와 마찬가지로, 게이트 밸브(22)가 개방된 상태에서, 기체 연료 분사 밸브(8)가 폐쇄된다. 공급 유로(21)에 있어서는, 게이트 밸브(22)를 통하여 기체 연료 공급원(23)으로부터 기체 연료(PG)가 공급되고, 기체 연료(PG)는 분사되지 않기 때문에, 공급 유로(21)의 압력은 서서히 증대한다.
크랭크 각도 C7도에 있어서, 제어 장치(10)는, 게이트 밸브(22)를 폐쇄하는 지령 신호를 게이트 밸브(22)에 출력한다. 이와 같이, 크랭크 각도 C7도 이후의 기간인 기간 V7에 있어서는, 실시형태 1에 관한 기간 U5와 마찬가지로, 기체 연료 분사 밸브(8) 및 게이트 밸브(22) 양방이 폐쇄되어 있기 때문에, 공급 유로(21)의 압력은 일정하게 된다.
실시형태 2에 있어서는, 기간 V1에 있어서 예혼합에 관한 분사를 행하고 있기 때문에, 연소가 개시되기 전에, 공급 유로(21)의 압력을 내릴 수 있다. 이로 인하여, 연소 초기에 있어서의 공급 유로(21) 및 연소실(7)의 압력을 보다 적합하게 저하시킬 수 있다. 따라서, 실시형태 2에 있어서는, 더 적합하게 NOx의 생성을 억제할 수 있고, 열효율의 저하도 억제할 수 있다. 또, 크랭크 각도 C1도에서의 분사의 분사 시기나 분사 기간을 조정함으로써, 연소 초기에 있어서의 공급 유로(21)의 압력이나 기체 연료(PG)의 분사량을 조정할 수 있기 때문에, 기체 연료(PG)의 분사 제어를 보다 적합하게 행할 수 있다. 또한, 연소실(7)에는 혼합기체(MG)가 존재하기 때문에, 일부가 예혼합 연소가 되어, NOx의 생성을 더 적합하게 억제할 수 있다.
도 15는, 실시형태 2에 관한 기체 연료 공급 시스템의 다른 일례를 나타내는 도이다. 실시형태 2에 있어서, 제1 밸브로서의, 기체 연료(PG)를 연소실(7)에 분사하는 밸브는, 기체 연료 분사 밸브(8)의 단수였지만, 제1 밸브로서의, 기체 연료(PG)를 연소실(7)에 분사하는 밸브는, 복수여도 된다. 예를 들면, 도 15에 나타내는 바와 같이, 기체 연료 분사 밸브(8)와 다른 분사 밸브에 의하여, 예혼합에 관한 분사를 행해도 된다. 도 15에 나타내는 바와 같이, 기체 연료 공급 시스템(15a)은, 예혼합 분사 밸브(8a)를 더 갖는다. 예혼합 분사 밸브(8a)는, 기체 연료 분사 밸브(8)와 마찬가지로, 제어 장치(10)에 제어된다. 예혼합 분사 밸브(8a)는, 도 14에 나타내는 기간 V1에 있어서, 연소실(7)에 기체 연료(PG)를 분사한다. 바꿔 말하면, 예혼합 분사 밸브(8a)는, 예혼합에 관한 분사를 행한다. 기체 연료 분사 밸브(8)는, 도 14에 나타내는 기간 V3부터 기간 V5에 있어서, 연소실(7)에 기체 연료(PG)를 분사한다. 또한, 도 15에 있어서는, 예혼합 분사 밸브(8a)는, 기체 연료 분사 밸브(8)와, 게이트 밸브(22)의 사이에 마련되어 있지만, 이에 한정되지 않는다. 예혼합 분사 밸브(8a)는, 공급 유로(21)에 접속되어, 게이트 밸브(22)보다, 기체 연료 공급원(23)의 반대측인, 기체 연료(PG)의 흐름 방향의 하류측에 있으면 된다.
이와 같이, 실시형태 2에 있어서는, 듀얼 퓨얼 엔진(1)의 1 사이클에 있어서, 기체 연료 분사 밸브(8)가 개방되기 전으로서, 액체 연료(FO)가 분사되기 전에, 추가로 기체 연료 분사 밸브(8)를 개방한다. 또는, 기체 연료 분사 밸브(8)가 개방되기 전으로서, 액체 연료(FO)가 분사되기 전에, 추가로 예혼합 분사 밸브(8a)를 개방한다. 이로 인하여, 연소 초기에 있어서 연소실(7) 내의 기체 연료(PG)의 압력을 더 적합하게 저감시켜, NOx의 생성을 억제할 수 있다. 또, 기체 연료(PG)의 분사 제어를 보다 적합하게 행할 수 있다.
이상, 실시형태 1 및 실시형태 2를 설명했지만, 이들 실시형태 등의 내용에 의하여 이들 실시형태 등이 한정되는 것이 아니다. 또, 전술한 구성요소에는, 당업자가 용이하게 상정할 수 있는 것, 실질적으로 동일한 것, 소위 균등한 범위의 것이 포함된다. 또한, 전술한 구성요소는 적절히 조합하는 것이 가능하다. 또한, 전술한 실시형태 등의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 구성 요소의 다양한 생략, 치환 또는 변경을 행할 수 있다.
1 듀얼 퓨얼 엔진
7 연소실
8 기체 연료 분사 밸브
8a 예혼합 분사 밸브
10 제어 장치
15 기체 연료 공급 시스템
21 공급 유로
22 게이트 밸브
23 기체 연료 공급원
PG 기체 연료
FO 액체 연료

Claims (8)

  1. 실린더와 피스톤의 사이에 형성되는 연소실과,
    상기 연소실에 기체 연료를 분사하는 기체 연료 분사 밸브로서, 상기 연소실에 액체 연료를 분사하는 액체 연료 분사 밸브와 별도로 마련된 제1 밸브와,
    상기 기체 연료의 공급부와 상기 제1 밸브의 사이에 마련되어, 상기 제1 밸브에 상기 기체 연료를 공급하고, 또한 상기 연소실에 상기 기체 연료를 공급할 때에 있어서, 상기 제1 밸브를 개방한 후에 개방하는 제2 밸브를 포함하고,
    상기 제1 밸브가 개방되기 전으로서, 점화 장치에 의하여 상기 기체 연료가 점화되기 전에, 상기 제1 밸브가 추가로 개방되는
    기체 연료 공급 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 밸브가 폐쇄된 후에, 상기 제2 밸브가 폐쇄되는
    기체 연료 공급 시스템.
  3. 실린더와 피스톤의 사이에 형성되는 연소실과,
    상기 연소실에 기체 연료를 분사하는 기체 연료 분사 밸브로서, 상기 연소실에 액체 연료를 분사하는 액체 연료 분사 밸브와 별도로 마련된 제1 밸브와,
    상기 기체 연료의 공급부와 상기 제1 밸브의 사이에 마련되어, 상기 제1 밸브에 상기 기체 연료를 공급하는 제2 밸브를 포함하는 기체 연료 공급 시스템의 제어 장치로서,
    상기 연소실에 상기 기체 연료를 공급할 때에 있어서, 상기 제1 밸브를 개방한 후에, 상기 제2 밸브를 개방시키고,
    상기 제어 장치는, 상기 제1 밸브를 개방시키기 전으로서, 점화 장치에 의하여 상기 기체 연료를 점화하기 전에, 상기 제1 밸브를 추가로 개방시키는
    기체 연료 공급 시스템의 제어 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    상기 제1 밸브를 폐쇄시킨 후에, 상기 제2 밸브를 폐쇄시키는
    기체 연료 공급 시스템의 제어 장치.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2 에 따른 기체 연료 공급 시스템을 갖는,
    엔진.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 엔진은 2 스트로크 엔진인, 엔진.
  7. 삭제
  8. 삭제
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