KR101918378B1 - 내연 기관 및 이를 구비한 선박 - Google Patents

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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

통 내에 있어서의 예혼합기의 혼합을 촉진하여 연소 안정성을 향상시킨 내연 기관을 제공한다. 내연 기관(1)이, 실린더 라이너(9) 내를 왕복 운동하는 피스톤(13)과, 실린더 라이너(9)의 일단측에 마련된 실린더 커버(11)와, 실린더 커버(11)에 마련된 배기 밸브(12)와, 실린더 라이너(9)의 타단측에 마련된 소기 포트(10)와, 실린더 커버(11)에 마련되고, 실린더 라이너(9) 및 실린더 커버(11)에 의하여 형성되는 통 내에 연료 가스를 분사하는 예혼합 가스 밸브(30)를 구비하며, 예혼합 가스 밸브(30)는, 실린더 커버(11)에 마련되고, 소기 포트(10)를 피스톤(13)으로 폐쇄한 후의 피스톤(13)을 향하여 연료 가스를 고압으로 분사한다.

Description

내연 기관 및 이를 구비한 선박{INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND SHIP EQUIPPED WITH SAME}
본 발명은, 연료 가스를 이용하여 예혼합 연소를 행하는 내연 기관 및 이를 구비한 선박에 관한 것이다.
최근, LNG(액화 천연 가스) 등의 액화 가스 운반선의 수요를 전망하여 선박용 주 기관으로서 듀얼 퓨얼 기관(이하 "DF 기관"이라고 함)의 개발이 행해지고 있다(하기 특허문헌 1 및 2 참조). DF 기관은, 연료 오일의 연소를 행하는 연료 오일 모드와, LNG 등의 연료 가스의 연소를 행하는 연료 가스 모드를 구비하고 있다. 또한, 연료 가스 모드에서는, 착화용의 파일럿 연료로서 연료 오일이 이용되는 것이 일반적이다.
특허문헌 1: 일본 특허공보 제5395848호 특허문헌 2: 국제공개공보 제2013/183737호
액화 가스 운반선의 선박용 주 기관으로서 이용되는 DF 기관은, 정격에 있어서의 회전수가 200rpm 이하인 저속 2 스트로크 디젤 기관이 이용된다. 이와 같은 DF 기관은, 연료 가스 모드를 행할 때에 연료 가스의 확산 연소를 행하는 확산 연소 타입과, 연료 가스의 예혼합 연소를 행하는 예혼합 연소 타입이 존재한다.
도 12에는, 확산 연소 타입의 DF 기관이 나타나 있다.
확산 연소 타입의 DF 기관(100)은, 실린더 라이너(101)와, 실린더 라이너(101) 내를 왕복 운동하는 피스톤(103)을 구비하고 있다. 실린더 라이너(101)의 상단에는 실린더 커버(105)가 마련되어 있으며, 이 실린더 커버(105)에는, 1개의 배기 밸브(107)와, 2개의 확산용 연료 가스 분사 밸브(109)와, 2개의 연료 오일 밸브(111)가 마련되어 있다. 또, 실린더 라이너(103)의 하방에는 소기(掃氣) 포트(113)가 마련되어 있다.
도 12와 같이, 피스톤(103)에 의하여 소기 포트(113)가 폐쇄되고 배기 밸브(107)도 폐쇄된 후에 피스톤(103)이 상승함으로써 통 내의 공기가 압축된다. 그리고, 도 13에 나타내는 바와 같이, 피스톤(103)이 상사점 부근까지 도달하면, 연료 오일 밸브(111)로부터 연료 오일을 파일럿 오일로서 분사함과 함께, 이 파일럿 오일과 동시 또는 직후에, 확산용 연료 가스 분사 밸브(109)로부터 예를 들면 약 30MPa 정도의 고압의 연료 가스를 분사한다. 이로써, 도 14에 나타내는 바와 같이, 연료 가스의 분사에 따라 통 내에서 확산 연소가 행해지고(이때 연료 오일 밸브(111)로부터의 파일럿 오일의 분사는 정지되어 있음), 팽창 행정에 의하여 피스톤(103)이 하방으로 압하(押下)된다.
이와 같은 연료 가스에 의한 확산 연소는, 디젤 기관의 연료 오일에 의한 확산 연소와 동등 레벨의 연소 안정성을 갖는다는 이점을 갖는다.
그러나, 연료 가스에 의한 확산 연소를 이용한 디젤 기관은, 연료 오일에 의한 확산 연소를 이용한 디젤 기관에 비하여 20~30% 정도의 NOx(질소 산화물)를 줄일 수 있지만, 확산 연소를 이용하기 때문에 NOx 배출량이 여전히 많고, 특히 선박용 주 기관으로서 이용하는 경우에는 국제해사기구(IMO)가 정한 Tier III를 만족시킬 수 없다. 따라서, 상기 Tier III가 적용되는 배기 가스 규제 해역(ECA; Emission Control Area)에서는, 어떠한 NOx 배출 저감 대책을 행하지 않으면 운전할 수 없다는 문제가 있다.
NOx 배출량을 저감하려면, SCR(Selective Catalytic Reduction; 선택식 촉매 환원) 등의 배기 가스 처리 장치나, NOx를 저감하기 위한 EGR(Exhaust Gas Recirculation; 배기 가스 재순환) 등의 부대 설비를 추가하는 것이 생각되지만, 이니셜 코스트나 러닝 코스트가 증대되게 된다.
도 15에는, 예혼합 연소 타입의 DF 기관(120)이 나타나 있다. 또한, 도 12~도 14를 이용하여 설명한 확산 연소 타입의 DF 기관(100)과 동일한 구성에 대해서는 동일 부호를 붙이고 있다.
예혼합 연소 타입의 DF 기관(120)은, 도 12 등에 나타낸 확산 연소 타입의 DF 기관(100)에 대하여, 연료 가스를 분사하는 분사 밸브의 위치가 상이하다. 구체적으로는, 예혼합 연소 타입의 DF 기관(120)은, 실린더 라이너(101)의 측부이고 또한 소기 포트(113)의 상방에, 2개의 예혼합용 연료 가스 분사 밸브(122)가 마련되어 있다.
도 15와 같이, 피스톤(103)에 의하여 소기 포트(113)가 폐쇄된 후에, 예혼합용 연료 가스 분사 밸브(122)로부터 연료 가스가 분사된다. 예혼합 연료 가스 분사 밸브(122)로부터 분사되는 연소 가스는, 대략 수평 방향을 향하여 예를 들면 1.0MPa 미만의 저압으로 분사된다. 이로써, 소기 포트(113)로부터 도입된 공기와 연료 가스가 예혼합된다. 그리고, 도 16과 같이 피스톤(103)이 상승함에 따라 예혼합기(豫混合氣)가 압축되고, 피스톤(103)이 상사점 부근까지 도달하면, 연료 오일 밸브(111)로부터 파일럿 오일이 분사되어 착화가 행해진다. 이로써, 도 17에 나타내는 바와 같이, 통 내에서 화염면 전파에 의한 예혼합 연소가 행해지고(이때 연료 오일 밸브(111)로부터의 파일럿 오일의 분사는 정지되어 있음), 팽창 행정에 의하여 피스톤(103)이 하방으로 압하된다.
이와 같은 연료 가스에 의한 예혼합 연소는, NOx 배출량이 낮고, 상술한 SCR이나 EGR을 이용하지 않아도 기관 단독으로 상기 Tier III를 달성할 수 있다는 이점을 갖는다.
그러나, 예혼합 연소 타입의 DF 기관(120)은, 예혼합 연소 특유의 과조 착화(過早着火)나 노킹 등의 이상 연소가 발생할 리스크가 있으며, 확산 연소에 비하여 연소 안정성이 나쁘다는 문제가 있다.
또, 예혼합 연소 타입의 DF 기관(120)은, 저압의 연료 가스를 분사하는 구성으로 되어 있으므로, 공기(소기)에 대한 연료 가스의 혼합이 불충분하게 되어 혼합기 농도가 불균일하게 되기 쉽다. 과조 착화나 노킹 등의 이상 연소는 국소적으로 가스 농도가 높은(공기 과잉률 λ가 낮은) 위치에서 발생하기 쉬운 것이 알려져 있으며, 저압의 연료 가스를 분사하는 것만으로는 혼합기 농도가 불균일하게 되기 때문에 이상 연소가 발생할 가능성이 높아진다.
이에 대하여, 상기 특허문헌 1에서는, 가스 분사 밸브가 마련된 높이 위치로부터 실린더축 방향에 대하여 직교하는 방향을 향하여 연료 가스를 저압으로 분사함으로써, 핫 스폿이 되는 실린더 꼭대기부나 배기 밸브로 연료 가스를 향하게 하지 않고 소기 포트로부터 도입된 소기에 혼합시킴으로써, 연료 가스를 고압으로 하지 않고 예혼합을 행하게 하는 것이 개시되어 있다. 그러나, 이 특허문헌 1에 기재된 분사 방법이더라도, 연료 가스의 분사 방향이 수평 방향이기 때문에, 연소 공간의 상부(도 15(b)의 부호 A로 나타낸 영역)가 유효하게 이용되지 않아, 예혼합이 충분하지 않다는 문제가 있다.
따라서, 예혼합 연소를 이용하는 DF 기관에서는, 이상 연소를 회피하기 위하여 압축비를 낮춰 운전을 하지 않을 수 없어, 열효율이 저하된다는 문제가 있다.
또, 높은 Pme(통 내 평균 유효 압력)의 고부하에서의 운전이 될수록 이상 연소가 발생하기 쉬워져 연소 안정성이 악화되기 때문에, 상술과 같이 기하학적 압축비를 낮춰도 고부하 운전이 어려워져, 추가로 부하(즉 Pme)에 제약을 마련할 필요가 발생한다. 특히, 선박용 주 기관으로서 DF 기관을 이용하는 경우, 상기 Tier III가 적용되는 ECA에서는, 고부하 운전을 행하지 못하여, 선박의 운전 자유도를 낮추게 된다는 문제가 있다.
본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 통 내에 있어서의 예혼합기의 혼합을 촉진하여 연소 안정성을 향상시킨 내연 기관 및 이를 구비한 선박을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 양태는, 실린더 라이너와, 상기 실린더 라이너 내를 왕복 운동하는 피스톤과, 상기 실린더 라이너의 일단측에 마련된 실린더 커버와, 상기 실린더 커버에 마련된 배기 밸브와, 상기 실린더 라이너의 타단측에 마련된 소기 포트와, 상기 실린더 커버에 마련되어, 상기 실린더 라이너 및 상기 실린더 커버에 의하여 형성되는 통 내에 연료 가스를 예혼합 연소용 연료로서 분사하는 제1 연료 가스 분사 밸브를 구비하며, 상기 제1 연료 가스 분사 밸브는, 상기 소기 포트를 상기 피스톤으로 폐쇄한 후의 상기 피스톤을 향하여 상기 연료 가스를 분사하는 내연 기관이다.
본 발명의 제1 양태에서는, 제1 연료 가스 분사 밸브를 실린더 커버에 마련하고, 소기 포트를 피스톤으로 폐쇄한 후의 피스톤을 향하여(예를 들면 상방에서 하방을 향하여) 연료 가스를 분사하는 것으로 했다. 이로써, 소기 포트를 피스톤으로 폐쇄한 후의 연소 공간의 피스톤 왕복 운동 방향(예를 들면 상하 방향)을 유효하게 이용하여 연료 가스를 전체에 분사할 수 있어, 산화제 가스에 대한 연료 가스의 혼합이 촉진된다. 따라서, 국소적으로 연료 가스 농도가 높아지는 국소적 최소 λ(λ는 공기 과잉률)를 크게 할 수 있어, 과조 착화나 노킹 등의 이상 연소를 가급적 회피함으로써 연소 안정성을 향상시킬 수 있다. 또, 과조 착화나 노킹 등의 이상 연소를 가급적 회피할 수 있으므로, 종래의 예혼합 기관보다 압축비의 낮춤 정도를 작게 할 수 있고, 열효율의 저하를 최소화할 수 있어, 높은 Pme(통 내 평균 유효 압력)의 고부하에서의 운전도 가능해진다.
연료 가스를 분사하는 타이밍으로서는, 소기 포트를 피스톤이 폐쇄한 후이고 또한 배기 밸브로부터 연료 가스가 계외로 누출되지 않는 범위가 바람직하며, 구체적으로는 예를 들면 140 이상 20degBTDC 이하(BTDC는 Before Top Dead Centre), 바람직하게는 100 이상 60degBTDC 이하이다. 또한, 본 양태의 제1 연료 가스 분사 밸브는, 배기 밸브와 동일하게 실린더 커버에 마련되어 있으며, 배기 밸브로부터 멀어지도록 연료 가스를 분사하게 되므로, 배기 밸브가 완전히 폐쇄되기 전이어도 연료 가스의 분사를 개시할 수 있다. 이와 같이 배기 밸브가 폐쇄되기 전에 연료 가스의 분사를 개시하는 것으로 하면, 연료 가스를 산화제 가스에 대하여 혼합시키는 시간을 많이 확보할 수 있으므로, 보다 균일하게 혼합할 수 있다. 배기 밸브가 폐쇄되는 타이밍으로서는 예를 들면 약 90degBTDC이다.
연료 가스를 분사하는 기간(즉 계속해서 분사하는 기간)으로서는, 예를 들면 내연 기관의 부하가 100%인 경우에는 20deg 이상 30deg 이하이다.
연료 가스를 분사하는 분사 구멍이 제1 연료 가스 분사 밸브에 복수 마련되어 있는 경우에는, 적어도 1개의 분사 구멍으로부터 분사되는 연료 가스가 소기 포트를 폐쇄한 후의 피스톤으로 향해져 있으면 된다.
내연 기관으로서는, 예를 들면, 소기 포트로부터 산화제 가스를 통 내에 도입하고, 제1 연료 가스 분사 밸브로부터 연료 가스를 통 내의 산화제 가스에 대하여 분사하며, 연소 후의 연소 가스를 배기 밸브로부터 배출하는 유니플로 소기형이 이용된다.
본 발명의 제1 양태의 내연 기관에서는, 상기 실린더 라이너의 내경에 대한 상기 피스톤의 스트로크의 비인 보어 스트로크비를 3 이상으로 해도 된다.
보어 스트로크비가 3 이상과 같은 초(超) 롱 스트로크가 이용된다. 이로 인하여, 소기 포트를 피스톤으로 폐쇄한 후의 연소 공간은 피스톤의 왕복 운동 방향으로 뻗은 세로로 긴 형상이 된다. 따라서, 이와 같은 디젤 엔진에 연료 가스를 이용한 예혼합 연소 방식을 채용하는 경우, 연료 가스를 산화제 가스(예를 들면 공기)에 대하여 균일하게 혼합하는 것이 어려워진다.
본 발명의 제1 양태에서는, 제1 연료 가스 분사 밸브를 실린더 커버에 마련하고, 소기 포트를 폐쇄한 후의 피스톤을 향하여(예를 들면 상방에서 하방을 향하여) 연료 가스를 분사하는 것으로 하고 있으므로, 초 롱 스트로크이더라도 연소 공간의 피스톤 왕복 운동 방향(예를 들면 상하 방향)을 유효하게 이용하여 연료 가스를 전체에 분사할 수 있어, 산화제 가스에 대한 연료 가스의 혼합을 촉진시킬 수 있다.
본 발명의 제1 양태의 내연 기관으로서는, 예를 들면, 정격으로 200rpm 이하로 운전되는 저속 2 스트로크 디젤 엔진이 이용되고, 주로 선박용 주 기관에 채용된다.
본 발명의 제1 양태의 내연 기관에서는, 상기 제1 연료 가스 분사 밸브로부터 분사되는 연료 가스의 압력은, 절대압으로 1.0MPa 이상 50MPa 이하로 할 수 있다.
절대압으로 1.0MPa 이상 50MPa 이하인 고압으로 연료 가스를 분사하는 것으로 했으므로, 산화제 가스에 대한 혼합을 보다 촉진시킬 수 있다. 분사 압력으로서는, 보다 바람직하게는 절대압으로 20MPa 이상 30MPa 이하이다.
본 발명의 제1 양태의 내연 기관에서는, 상기 실린더 커버에, 상기 통 내에 연료 오일을 분사하는 연료 오일용 분사 밸브를 마련해도 된다.
실린더 커버에 마련된 연료 오일용 분사 밸브로부터 분사되는 연료 오일은, 연료 가스에 의한 예혼합 연소 시에 파일럿용 오일로서 이용된다. 즉, 연료용 분사 밸브로부터 분사되는 연료 오일에 의하여 착화가 행해진다.
연료 오일용 분사 밸브로부터 분사되는 연료 오일을 확산 연소용 연료로서 이용하여 내연 기관을 운전하는 연료 오일 모드(이른바 오일 전소(專燒) 모드)를 구비함으로써, 연료 오일 모드와 연료 가스 모드를 구비한 듀얼 퓨얼 기관(DF 기관)으로서 내연 기관을 이용할 수 있다.
DF 기관으로서 이용한 경우에는, 연료 오일 모드를 선택함으로써 연소 안정성이 더 높은 운전을 행할 수 있다. 한편, 연료 가스 모드를 선택하면, 연료 오일 유래의 SOx의 배출을 회피할 수 있고, 또 연료 오일 모드의 운전 시간을 저감하여 연료 오일 코스트를 억제할 수 있다.
본 발명의 제1 양태의 내연 기관은, 상기 실린더 커버에, 상기 통 내에 연료 가스를 분사하는 제2 연료 가스 분사 밸브가 추가로 마련되고, 상기 제2 연료 가스 분사 밸브를 이용하여 연소를 행하는 확산 연료 가스 모드와, 상기 제1 연료 가스 분사 밸브를 이용하여 연소를 행하는 예혼합 연료 가스 모드를 전환하는 제어부를 구비하고 있어도 된다.
제2 연료 가스 분사 밸브에 의하여 통 내에 연료 가스를 분사함으로써, 예혼합 연소보다 연소 안정성이 높은 확산 연소를 행하게 할 수 있다. 상술한 연료 오일 분사 밸브가 마련되어 있는 경우에는, 이 연료 오일 분사 밸브로부터 분사되는 연료 오일이 연료 가스에 의한 확산 연소 시의 파일럿 오일로서 이용된다.
제1 연료 가스 분사 밸브와 제2 연료 가스 분사 밸브를 전환함으로써, 예혼합 연소를 행하는 예혼합 연료 가스 모드와 확산 연소를 행하는 확산 연료 가스 모드를 상황에 따라 구분하여 사용할 수 있다.
예를 들면, ECA와 같이 배기 가스 규제가 적용되는 영역에서 이용되는 경우에는, 예혼합 연소 가스 모드를 선택하고, 배기 가스 중의 NOx를 규젯값 이하로 하여 운전을 행할 수 있다. 이로써, NOx를 제거하기 위한 SCR 등의 배기 가스 처리 장치나, NOx를 저감하기 위한 EGR 등의 부대 설비가 불필요해진다. 한편, 배기 가스 규제가 적용되지 않는 영역에서는, 확산 연료 가스 모드를 선택하여, 연소 안정성이 더 높은 운전을 행할 수 있다.
확산용 연료 가스 분사 밸브로부터 분사되는 연료 가스의 압력은, 압축 시의 통 내압 이상 50MPa(절대압) 이하, 보다 바람직하게는 절대압으로 10MPa 이상 30MPa 이하이다.
본 발명의 제1 양태의 내연 기관에서는, 상기 제어부는, 상기 예혼합 연료 가스 모드로 전환한 직후의 최초의 사이클에 있어서의 연소 행정에서 상기 제1 연료 가스 분사 밸브로부터 분사되는 연료 가스가 완전 연소되는 농도까지, 상기 제1 연료 가스 분사 밸브로부터 분사되는 연료 가스량을 증대시키는 것으로 해도 된다.
확산 연소를 행하는 확산 연료 가스 모드나 확산 연료 오일 모드와 같이 예혼합 연료 가스를 이용하지 않는 모드로부터, 예혼합 연소를 행하는 예혼합 연료 가스 모드로 전환할 때에는, 이하와 같이 작동한다. 예를 들면 확산 연소를 행하는 확산 연료 가스 모드로부터 예혼합 연료 가스 모드로 전환할 때에는, 제2 연료 가스 분사 밸브로부터 분사되는 연료 가스를 감소시킴과 함께 제1 연료 가스 분사 밸브로부터 분사되는 연료 가스를 증대시킨다. 즉, 확산 연료 가스 모드로부터 예혼합 연료 가스 모드로의 전환 시에는, 분사하는 전체 연료 가스 중 제1 연료 가스 분사 밸브로부터 분사되는 연료 가스의 비율인 예혼합 비율을 0%(확산 연소만)에서 100%(예혼합 연소만)를 향하여 복수의 사이클에 걸쳐 증대시켜가는 것이 생각된다. 이때, 예혼합 비율을 복수의 사이클에 걸쳐 서서히 증가시켜가면, 예혼합 비율이 작은 초기의 사이클의 경우에는 제1 연료 가스 분사 밸브로부터 분사되는 연료 가스량이 적고 예혼합 농도가 낮기 때문에 연료 가스를 완전 연소시키지 못하여 미연(未燃)의 연료 가스를 배기 밸브로부터 배출하게 될 우려가 있다.
따라서, 본 발명의 제1 양태에 있어서, 확산 연료 가스 모드로부터 예혼합 연료 가스 모드로 전환한 직후의 최초의 사이클에 있어서의 연소 행정에서 연료 가스가 완전 연소되는 농도까지 제1 연료 가스 분사 밸브로부터 분사되는 연료 가스량을 증대시킴으로써, 확산 연료 가스 모드로부터 예혼합 연료 가스 모드로의 전환 시에 미연 가스가 배기 밸브로부터 배출되는 것을 방지할 수 있다.
예를 들면, 전환 직후의 예혼합 비율은 40% 이상 60% 이하이다. 전환 직후에 40% 이상 60% 이하의 예혼합 비율로 한 후에는, 계속되는 복수의 사이클에서 서서히 예혼합 비율을 증대시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 제1 양태의 내연 기관에서는, 상기 제1 연료 가스 분사 밸브로부터 연료 가스를 분사하고, 또한 상기 제2 연료 가스 분사 밸브로부터 예혼합 연료로서 연료 가스를 분사하는 것으로 해도 된다.
제1 연료 가스 분사 밸브로부터 예혼합 연료로서 연료 가스를 분사하고 연소 공간 내의 피스톤 왕복 운동 방향을 유효하게 이용하여 연료 가스를 산화제 가스에 대하여 균일하게 혼합할 수 있다. 그러나, 제1 연료 가스 분사 밸브는 실린더 커버에 마련되어 있기 때문에, 통 내의 실린더 커버측의 영역은 연료 가스의 혼합이 비교적 나빠질 우려가 있다. 한편, 제2 연료 가스 분사 밸브는, 피스톤이 실린더 커버 측으로 상승했을 때에 연료를 분사하여 확산 연소를 행하는 것이므로, 연료 가스의 분사 방향은 통 내에 있어서의 실린더 커버측의 영역(구체적으로는 통 내의 상방 영역)을 향하고 있으며, 이로 인하여, 제2 연료 가스 분사 밸브에 의하여 통 내의 실린더 커버측의 영역의 혼합을 촉진할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제1 양태는, 제1 연료 가스 분사 밸브로부터 예혼합 연료로서 연료 가스를 분사하고, 또한 제2 연료 가스 분사 밸브로부터 예혼합 연료로서 연료 가스를 분사함으로써, 연소 공간의 전체를 균일하게 혼합시킬 수 있다.
제1 연료 가스 분사 밸브로부터 연료 가스를 분사한 후에, 제2 연료 가스 분사 밸브로부터 예혼합 연료로서 연료 가스를 분사함으로써, 연료 가스를 순차 분사함으로써 혼합을 더 촉진하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 양태는, 상술한 어느 하나의 내연 기관이 선박용 주 기관으로서 이용되는 선박이다.
본 발명의 제2 양태는, 상술한 내연 기관을 이용함으로써, 과조 착화나 노킹 등의 이상 연소를 가급적 회피하여, 열효율이 우수하고 고부하 운전도 가능한 연료 가스에 의한 예혼합 연소를 행하게 할 수 있으므로, 에너지 절약성 및 환경 성능이 우수한 선박을 실현할 수 있다.
본 발명에 의하면, 과조 착화나 노킹 등의 이상 연소를 가급적 회피함으로써 연소 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 내연 기관을 나타낸 전체 구성도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 실린더 라이너를 포함하는 통 내를 중심으로 구성한 개략도이고, 예혼합 연료 가스를 분사한 상태를 나타내며, (a)가 평면도, (b)가 종단면도이다.
도 3은 도 2에 대응한 개략도이고, 파일럿 오일에 의한 착화 상태를 나타내며, (a)가 평면도, (b)가 종단면도이다.
도 4는 도 2에 대응한 개략도이고, 예혼합 연소 상태를 나타내며, (a)가 평면도, (b)가 종단면도이다.
도 5는 도 2에 대응한 개략도이고, 공기를 압축하는 행정을 나타내며, (a)가 평면도, (b)가 종단면도이다.
도 6은 도 2에 대응한 개략도이고, 파일럿 오일에 의한 착화 상태 및 확산 연료 가스의 분사 상태를 나타내며, (a)가 평면도, (b)가 종단면도이다.
도 7은 도 2에 대응한 개략도이고, 확산 연소 상태를 나타내며, (a)가 평면도, (b)가 종단면도이다.
도 8은 예혼합 가스 밸브로부터의 연료 가스의 분사 방향의 일례를 나타낸 개략 사시도이다.
도 9는 예혼합 가스 밸브로부터의 연료 가스의 분사 방향의 다른 일례를 나타낸 개략 사시도이다.
도 10은 예혼합 가스 밸브로부터의 연료 가스의 분사 방향의 다른 일례를 나타낸 개략 사시도이다.
도 11은 예혼합 가스 밸브로부터의 연료 가스의 분사 방향의 다른 일례를 나타낸 개략 사시도이다.
도 12는 확산 연소 타입의 DF 기관의 공기를 압축하는 행정을 나타내며, (a)는 평면도, (b)는 종단면도이다.
도 13은 확산 연소 타입의 DF 기관의 파일럿 오일에 의한 착화 상태를 나타내며, (a)는 평면도, (b)는 종단면도이다.
도 14는 확산 연소 타입의 DF 기관의 연료 가스에 의한 확산 연소 상태를 나타내며, (a)는 평면도, (b)는 종단면도이다.
도 15는 예혼합 연소 타입의 DF 기관의 예혼합 연료 가스를 분사하고 있는 상태를 나타내며, (a)는 평면도, (b)는 종단면도이다.
도 16은 예혼합 연소 타입의 DF 기관의 파일럿 오일에 의한 착화 상태를 나타내며, (a)는 평면도, (b)는 종단면도이다.
도 17은 예혼합 연소 타입의 DF 기관의 예혼합 연소 상태를 나타내며, (a)는 평면도, (b)는 종단면도이다.
이하에, 본 발명에 관한 실시형태에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.
도 1에는, 본 발명의 일 실시형태에 관한 크로스헤드형 디젤 기관(내연 기관)(1)의 개략이 나타나 있다. 동 도면에 나타난 디젤 기관(1)은, 예를 들면 LNG 선박 등의 액화 가스 운반선의 선박용 주 기관으로서 이용되는 저속 2 스트로크 1 사이클의 유니플로 소기 방식이다.
디젤 기관(1)은, 하방에 위치하는 대판(台板)(3)과, 대판(3) 상에 마련된 가구(架構)(5)와, 가구(5) 상에 마련된 재킷(7)을 구비하고 있다. 이들 대판(3), 가구(5) 및 재킷(7)은, 상하 방향으로 뻗어 있는 복수의 텐션 볼트(도시하지 않음)에 의하여 일체적으로 체결되어 고정되어 있다.
재킷(7)에는 실린더 라이너(9)가 마련되어 있으며, 실린더 라이너(9)의 하단측에는 복수의 소기 포트(10)가 형성되어 있다. 실린더 라이너(9)의 상단에는, 실린더 커버(11)가 마련되어 있다. 실린더 커버(11)에는, 배기 밸브(12)가 마련되어 있다. 이와 같이, 실린더 라이너(9)의 하단측에 마련된 소기 포트(10)로부터 공기가 소기로서 하방으로부터 통 내에 도입되고, 통 내의 상방에 위치하는 배기 밸브(12)로부터 연소 배기 가스가 배기되는 유니플로 소기 방식이 채용되어 있다.
배기 밸브(12)로부터 배출시킨 배기 가스는, 배기 가스 매니폴드(14)에 모여진 후에, 과급기(16)로 보내진다. 과급기(16)에서는, 유도된 배기 가스에 의하여 도시하지 않은 배기 터빈이 회전되고, 이로써 동축에서 접속된 도시하지 않은 컴프레서가 회전된다. 컴프레서는, 외부로부터 들어온 공기를 압축하여, 에어 쿨러(18)에서 냉각된 후에 소기 매니폴드(20)로 유도된다. 소기 매니폴드(20)로 유도된 압축 공기는, 상술한 소기 포트(10)로 유도된다.
실린더 라이너(9) 및 실린더 커버(11)에 의하여 형성된 공간 내에는, 피스톤(13)이 왕복 운동 가능하게 마련되어 있다. 피스톤(13)의 하단에는, 피스톤봉(15)의 상단이 회동(回動) 가능하게 장착되어 있다.
본 실시형태의 디젤 기관(1)에서는, 실린더 라이너(9)의 내경에 대한 피스톤(13)의 스트로크의 비인 보어 스트로크비가 3 이상인 초 롱 스트로크이다.
대판(3)은 크랭크 케이스이며, 크랭크축(17)이 마련되어 있다. 크랭크축(17)으로부터 취출된 회전 출력이 선박의 추진용 프로펠러로 전달되도록 되어 있다. 크랭크축(17)의 상단에는, 연접봉(19)의 하단이 회동 가능하게 접속되어 있다.
가구(5)에는, 피스톤봉(15)과 연접봉(19)을 회동 가능하게 접속하는 크로스헤드(21)가 마련되어 있다. 즉, 피스톤봉(15)의 하단 및 연접봉(19)의 상단이 크로스헤드(21)에 접속되어 있다. 크로스헤드(21)의 양측(도 1에 있어서 좌우)에는, 상하 방향으로 뻗어 있는 한 쌍의 슬라이딩판(23)이 가구(5)측에 고정된 상태로 마련되어 있다.
도 2에는, 디젤 기관(1)의 통 내를 중심으로 한 구성이 모식적으로 나타나 있다. 동 도면에 나타나 있는 바와 같이, 실린더 커버(11)에는, 제1 연료 가스 분사 밸브로서의 예혼합용 연료 가스 분사 밸브(이하 "예혼합 가스 밸브"라고 함)(30)와, 제2 연료 가스 분사 밸브로서의 확산용 연료 가스 분사 밸브(이하 "확산 가스 밸브"라고 함)(32)와, 연료 오일 분사 밸브(이하 "연료 오일 밸브"라고 함)(34)가 마련되어 있다.
예혼합 가스 밸브(30)는, 도 2(a)에 나타나 있는 바와 같이, 실린더 커버(11)를 평면에서 본 경우의 외주측에 2개 마련되어 있다. 2개의 예혼합 가스 밸브(30)는, 실린더 커버(11)의 중심(즉 배기 밸브(12)의 중심)을 사이에 두고 서로 대향하는 위치에 배치되어 있다. 또한, 예혼합 가스 밸브(30)의 수는, 예시로서 2개로 하고 있을 뿐이며, 1개여도 되고, 3개 이상이어도 된다.
예혼합 가스 밸브(30)는, 도시하지 않은 연료 가스 공급원에 접속되어 있으며, 실린더 라이너(9) 및 실린더 커버(11)에 의하여 형성되는 통 내에 연료 가스를 고압으로 분사한다. 연료 가스로서는, 기화한 LNG와 같은 탄화 수소계의 가스가 이용된다.
예혼합 가스 밸브(30)로부터의 가스 분사 압력은, 절대압으로 1.0MPa 이상 50MPa 이하이며, 바람직하게는 절대압으로 20MPa 이상 30MPa 이하이다. 예혼합 가스 밸브(30)의 선단에 마련된 노즐에는 복수의 분사 구멍이 마련되어 있고, 각각의 분사 구멍으로부터 연료 가스가 통 내에 분사된다. 예를 들면, 도 2(b)에 나타낸 본 실시형태에서는, 4개의 분사 구멍의 각각으로부터 연료 가스가 분사된 상태가 나타나 있다. 동 도면에 나타나 있는 바와 같이, 예혼합 가스 밸브(30)로부터 분사되는 연료 가스의 방향은, 피스톤(13) 방향, 보다 자세하게는 소기 포트(10)를 피스톤(13)으로 폐쇄한 후의 피스톤(13)의 꼭대기부 즉 피스톤(13) 상단의 원형인 꼭대기면을 향하여 연료 가스를 분사하는 방향이다.
또한, 예혼합 가스 밸브(30)는 적어도 하나의 분사 구멍으로부터 피스톤(13) 방향으로 연료 가스가 분사되도록 각 분사 구멍이 마련되어 있으면 되고, 모든 분사 구멍이 피스톤(13) 방향으로 연료 가스를 분사하도록 마련될 필요는 없다.
예혼합 가스 밸브(30)는, 예혼합 연소에 의하여 디젤 기관(1)을 작동시키는 경우에 기동되고, 연료 가스에 의한 확산 연소 운전이나 연료 오일에 의한 확산 연소 운전 시에는 기동되지 않고 정지된다. 예혼합 가스 밸브(30)의 기동 및 정지는, 도시하지 않은 제어부로부터의 지령에 따라 행해진다.
예혼합 가스 밸브(30)의 분사 타이밍은, 도시하지 않은 제어부에 의하여 제어되고, 배기 밸브(12)로부터 연료 가스가 계외로 누출되지 않는 범위이며, 구체적으로는, 예를 들면 140 이상 20degBTDC 이하(BTDC:Before Top Dead Centre), 바람직하게는 100 이상 60degBTDC 이하이다. 여기에서, 배기 밸브(12)가 폐쇄되는 타이밍으로서는, 예를 들면 약 90degBTDC이다.
연료 가스를 분사하는 기간(즉 연료 가스를 계속해서 분사하는 기간)으로서는, 예를 들면 디젤 기관(1)의 부하가 100%인 경우에는 20deg 이상 30deg 이하이다.
확산 가스 밸브(32)는, 도 2(a)에 나타나 있는 바와 같이, 실린더 커버(11)를 평면에서 본 경우의 외주측에 2개 마련되어 있다. 2개의 확산 가스 밸브(32)는, 실린더 커버(11)의 중심(즉 배기 밸브(12)의 중심)을 사이에 두고 서로 대향하는 위치에 배치되어 있다. 본 실시형태에서는, 각 확산 가스 밸브(32)는, 예혼합 가스 밸브(30)에 대하여 소정 각도만큼 둘레 방향으로 어긋난 위치에 배치되어 있지만, 확산 가스 밸브(32)와 예혼합 가스 밸브(30)는 실린더 커버(11) 상에 배치되어 있으면 된다. 또한, 확산 가스 밸브(32)의 수는, 예시로서 2개로 하고 있을 뿐이며, 1개여도 되고, 3개 이상이어도 되는데, 연료 오일 밸브(34)의 수와 동일하다.
예혼합 가스 밸브(30)는, 도시하지 않은 연료 가스 공급원에 접속되어 있으며, 실린더 라이너(9) 및 실린더 커버(11)에 의하여 형성되는 통 내에 연료 가스를 분사한다. 연료 가스로서는, 확산 가스 밸브(32)와 마찬가지로, 기화한 LNG와 같은 탄화 수소계의 가스가 이용된다.
확산 가스 밸브(32)로부터의 가스 분사 압력은, 피스톤(13)에 의하여 압축된 후의 공기(소기)보다 높은 압력으로서 50MPa 이하이며, 예를 들면 절대압으로 10MPa 이상 30MPa 이하이다. 확산 가스 밸브(32)의 선단에 마련된 노즐에는 복수의 분사 구멍이 마련되어 있으며, 각각의 분사 구멍으로부터 연료 가스가 통 내에 분사된다. 예를 들면, 도 7(b)에 나타낸 본 실시형태에서는, 4개의 분사 구멍의 각각으로부터 연료 가스가 분사된 상태가 나타나 있다. 동 도면에 나타나 있는 바와 같이, 확산 가스 밸브(32)로부터 분사되는 연료 가스의 방향은, 피스톤(13)이 상사점 근방까지 상승하여 좁아진 연소 공간 내에서 확산 연소가 행해지도록, 수평 방향 또는 수평 방향으로부터 약간 하방을 향한 방향이고, 또한 피스톤(13)의 꼭대기부를 향하지 않는 방향이다.
확산 가스 밸브(32)는, 확산 연소에 의하여 디젤 기관(1)을 작동시키는 경우에 기동되고, 연료 가스에 의한 예혼합 연소 운전이나 연료 오일에 의한 확산 연소 운전 시에는 기동되지 않고 정지된다. 확산 가스 밸브(32)의 기동 및 정지는, 도시하지 않은 제어부로부터의 지령에 따라 행해진다. 또한, 확산 가스 밸브(32)를 예혼합 연소용의 가스 밸브로서 이용하는 경우에는, 예혼합 연소 운전 시에 기동되는 경우도 있다(예를 들면 도 11 참조).
확산 가스 밸브(32)가 연료 가스를 분사하는 기간(즉 계속해서 분사하는 기간)은, 도시하지 않은 제어부에 의하여 제어되고, 예를 들면 디젤 기관(1)의 부하가 100%인 경우에는 20deg 이상 30deg 이하이다.
연료 오일 밸브(34)는, 도 2(a)에 나타나 있는 바와 같이, 실린더 커버(11)를 평면에서 본 경우에, 배기 밸브(12)보다 외주측이고 또한 예혼합 가스 밸브(30) 및 확산 가스 밸브(32)보다 내주측에 2개 마련되어 있다. 2개의 연료 오일 밸브(34)는, 실린더 커버(11)의 중심(즉 배기 밸브(12)의 중심)을 사이에 두고 서로 대향하는 위치에 배치되어 있다. 단, 각 연료 오일 밸브(34)는, 확산 가스 밸브(32) 및 예혼합 가스 밸브(30)에 대하여 소정 각도만큼 둘레 방향으로 어긋난 위치에 배치되어 있다. 또한, 연료 오일 밸브(34)의 수는, 예시로서 2개로 하고 있을 뿐이며, 1개여도 되고, 3개 이상이어도 된다. 또, 배기 밸브(12)보다 외주측이면, 예혼합 가스 밸브(30) 및 확산 가스 밸브(32)보다 내주측이 아니어도 된다.
연료 오일 밸브(34)는, 도시하지 않은 연료 오일 공급원에 접속되어 있으며, 실린더 라이너(9) 및 실린더 커버(11)에 의하여 형성되는 통 내에 연료 오일을 분사한다. 연료 오일로서는, 예를 들면 C 중유 등의 중유가 이용된다.
연료 오일 밸브(34)로부터의 분사 압력은, 피스톤(13)에 의하여 압축된 후의 공기(소기)보다 높은 압력이며, 예를 들면 절대압으로 30MPa 이상 80MPa 이하이다. 연료 오일 밸브(34)의 선단에 마련된 노즐에는 복수의 분사 구멍이 마련되어 있으며, 각각의 분사 구멍으로부터 연료 오일이 통 내에 분사된다. 예를 들면, 도 3(b)에 나타낸 본 실시형태에서는, 4개의 분사 구멍의 각각으로부터 연료 오일이 분사된 상태가 나타나 있다. 동 도면에 나타나 있는 바와 같이, 연료 오일 밸브(34)로부터 분사되는 연료 오일의 방향은, 피스톤(13)이 상사점 근방까지 상승하여 좁아진 연소 공간 내에서, 착화 또는 확산 연소가 행해지도록, 수평 방향 또는 수평 방향으로부터 약간 하방을 향한 방향이고, 또한 피스톤(13)의 꼭대기부를 향하지 않는 방향이다.
연료 오일 밸브(34)는, 연료 오일에 의한 확산 연소에 의하여 디젤 기관(1)을 작동시키는 경우에는 확산 연소를 위한 연료 오일을 분사하도록 작동하고(이른바 오일 전소 운전), 또 연료 가스에 의한 예혼합 연소 운전 및 연료 가스에 의한 확산 연소 운전 시에는, 착화용의 파일럿 오일을 분사하도록 작동한다. 연료 오일 밸브(34)의 작동은, 도시하지 않은 제어부로부터의 지령에 따라 행해진다.
다음으로, 상기 구성의 디젤 기관(1)의 작동 모드에 대하여 설명한다. 작동 모드로서는, 예혼합 가스 밸브(30)를 주로 이용하여, 연료 오일 밸브(34)를 파일럿용으로서 이용하는 예혼합 연료 가스 모드와, 확산 가스 밸브(32)를 주로 이용하여, 연료 오일 밸브(34)를 파일럿용으로서 이용하는 확산 연료 가스 모드와, 연료 오일 밸브(34)만을 이용하는 확산 연료 오일 모드(이른바 오일 전소 모드)가 있다.
예혼합 연료 가스 모드는, NOx 배출량이 적기 때문에, 예를 들면, 선박이 ECA 내를 항행할 때에 이용된다.
확산 연료 가스 모드는, 예혼합 연료 가스 모드보다 연소 안정성이 높은 한편, 예혼합 연료 가스 모드에 비하여 NOx 발생량이 많으므로, 예를 들면, 선박이 ECA 외를 항행할 때에 이용된다. 또, 확산 연료 가스 모드는, ECA 내이더라도 NOx 규제량을 넘지 않는 범위에서 소정의 시간 내이면, 연소 안정성이 요구되는 경우에 예혼합 연료 가스 모드 대신에 이용할 수 있다.
확산 연료 오일 모드는, 연료 오일 유래의 SOx가 연료 가스를 이용하는 경우에 비하여 많이 발생하므로, 예를 들면, SOx 배출 규제가 비교적 느슨한 해역을 항행할 때에, 높은 연소 안정성이 요구되는 경우나, 연료 가스보다 연료 오일을 이용한 편이 좋은 경우에 이용된다.
[예혼합 연료 가스 모드]
예혼합 연료 가스 모드에 대하여, 도 2~도 4를 이용하여 설명한다.
도 2에 나타나 있는 바와 같이, 배기 밸브(12)가 폐쇄되고 또한 피스톤(13)이 소기 포트(10)를 폐쇄한 후의 압축 행정의 초기에, 제어부의 지령에 따라, 예혼합 가스 밸브(30)로부터 절대압으로 1.0MPa 이상 50MPa 이하, 바람직하게는 절대압으로 20MPa 이상 30MPa 이하인 고압의 연료 가스가 피스톤(13)의 꼭대기부를 향하여 분사된다. 또한, 예혼합 연료 가스 모드에서는, 확산 가스 밸브(32)는 폐쇄되어 있다. 단, 도 11에 나타내는 바와 같이, 확산 가스 밸브(32)를 병용하는 경우도 있다.
예혼합 가스 밸브(30)로부터의 연료 가스의 분사 타이밍으로서는, 소기 포트(10)를 피스톤(13)이 폐쇄한 후이고 또한 배기 밸브(12)로부터 연료 가스가 계외로 누출되지 않는 범위에서 선정되며, 예를 들면 140 이상 20degBTDC 이하, 바람직하게는 100 이상 60degBTDC 이하의 사이에서 선정된다. 이 경우, 배기 밸브(12)가 폐쇄되는 타이밍은 약 90degBTDC이다. 예혼합 가스 밸브(30)로부터 연료 가스가 계속해서 분사되는 분사 기간은, 예를 들면 내연 기관의 부하가 100%인 경우에는 20deg 이상 30deg 이하이다.
예혼합 가스 밸브(30)는, 상방의 실린더 커버(11)로부터 하방의 피스톤(13)의 꼭대기부를 향하여 분사하므로, 소기 포트(10)를 피스톤(13)으로 폐쇄한 후의 세로로 긴 연소 공간의 길이 방향을 유효하게 이용하여 연료 가스를 전체에 분사할 수 있어, 공기(소기; 산화제 가스)에 대한 연료 가스의 혼합이 촉진된다. 특히, 본 실시형태의 디젤 기관(1)은 초 롱 스트로크이므로, 길이 방향의 연료 가스 분사에 의한 혼합은 효과적이다.
예혼합 가스 밸브(30)로부터 분사된 연료 가스에 의하여 통 내에 예혼합기가 형성된 후, 피스톤(13)은 상방으로 이동하여 예혼합기를 압축한다. 그리고, 도 3에 나타내는 바와 같이 상사점 부근까지 도달하면, 연료 오일 밸브(34)로부터 파일럿 오일이 분사되어 착화가 행해진다. 이 착화에 의하여 형성된 화염이 예혼합기 내를 전파하면서 예혼합 연소가 행해지고, 도 4에 나타내는 바와 같이 연소 및 팽창 행정이 행해져(이때 연료 오일 밸브(34)로부터의 파일럿 오일의 분사는 정지되어 있음), 피스톤(13)이 하방으로 이동한다.
[확산 연료 가스 모드]
확산 연료 가스 모드에 대하여, 도 5~7을 이용하여 설명한다.
도 5에 나타나 있는 바와 같이, 배기 밸브(12)가 폐쇄되고 또한 피스톤(13)이 소기 포트(10)를 폐쇄한 후의 압축 행정에서는, 소기 포트(10)로부터 도입한 공기만을 압축한다. 그리고, 도 6에 나타내는 바와 같이, 피스톤(13)이 상사점 부근까지 도달하면, 연료 오일 밸브(34)로부터 연료 오일을 파일럿 오일로서 분사함과 함께, 이 파일럿 오일과 동시 또는 직후에, 확산 가스 밸브(32)로부터, 압축 시의 통 내압 이상 50MPa(절대압) 이하, 보다 바람직하게는 절대압으로 10MPa 이상 30MPa 이하인 고압의 연료 가스를 분사한다. 이로써, 도 7에 나타내는 바와 같이, 연료 가스의 분사에 따라 통 내에서 확산 연소가 행해져(이때 연료 오일 밸브(34)로부터의 파일럿 오일의 분사는 정지되어 있음), 팽창 행정에 의하여 피스톤(13)이 하방으로 압하된다.
또한, 확산 연료 가스 모드에서는, 예혼합 가스 밸브(30)는 상시 폐쇄되어 있다.
[확산 연료 오일 모드]
확산 연료 오일 모드(이른바 오일 전소 모드)에 대해서는, 도시하지 않지만, 일반 연료 오일을 이용한 확산 연소와 동일하다. 구체적으로는, 배기 밸브(12)를 폐쇄하여 피스톤(13)의 상승과 함께 공기의 압축을 행하고, 상사점 부근에서 연료 오일 밸브(34)로부터 연료 오일을 고압으로 분사하여 확산 연소를 행하며, 이 확산 연소에 의한 팽창 행정에 의하여 피스톤(13)이 하강한다.
이와 같이 확산 연료 오일 모드를 구비함으로써, 연료 가스를 이용한 운전과 병용되는 듀얼 퓨얼 기관(DF 기관)으로서 디젤 기관(1)을 성립시킬 수 있다.
또한, 확산 연료 오일 모드에서는, 예혼합 가스 밸브(30) 및 확산 가스 밸브(32)는 상시 폐쇄되어 있다.
[예혼합 이행 제어]
또한, 본 실시형태의 디젤 기관(1)은, 확산 연료 가스 모드 또는 확산 연료 오일 모드로부터 예혼합 연료 가스 모드로 이행할 때에 행해지는 예혼합 이행 제어를 구비하고 있다.
연료 가스를 이용한 확산 연료 가스 모드로부터 예혼합 연료 가스 모드로 전환할 때에는, 확산 가스 분사 밸브(32)로부터 분사되는 연료 가스를 감소시킴과 함께 예혼합 가스 밸브(30)로부터 분사되는 연료 가스를 증대시킨다. 즉, 확산 연료 가스 모드로부터 예혼합 연료 가스 모드로의 전환 시에는, 분사하는 전체 연료 가스 중 예혼합 가스 밸브(30)로부터 분사되는 연료 가스의 비율인 예혼합 비율을 0%(확산 연소만의 확산 연료 가스 모드)에서 100%(예혼합 연소만의 예혼합 연료 가스 모드)를 향하여 증대시켜 간다. 이때, 제어부에 의한 예혼합 이행 제어에 의하여, 확산 연료 가스 모드로부터 예혼합 연료 가스 모드로 전환한 직후의 최초의 사이클에 있어서의 연소 행정에서, 예혼합 가스 밸브(30)로부터 분사되는 연료 가스가 완전 연소되는 농도까지, 예혼합 가스 밸브(30)로부터 분사되는 연료 가스량을 증대시켜 예혼합 비율을 단번에 상승시킨다. 구체적으로는, 모드 전환 시의 최초의 사이클에서, 예혼합 비율을 0%에서 40% 이상 60% 이하까지 단번에 상승시킨다. 그리고, 모드 전환 직후의 최초의 사이클에서 40% 이상 60% 이하의 예혼합 비율로 한 후에는, 계속되는 복수의 사이클에서 서서히 예혼합 비율을 증대시킨다.
이로써, 확산 연료 가스 모드로부터 예혼합 연료 가스 모드로의 전환 시에, 최초의 사이클로부터 예혼합 연료의 완전 연소가 행해지게 되어, 미연 가스가 배기 밸브로부터 배출되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 모드 전환 직후에 복수의 사이클에 걸쳐 예혼합 비율을 0%부터 서서히 증대시켜 가면, 예혼합 비율이 작은 초기의 사이클에서는 예혼합 가스 밸브(30)로부터 분사되는 연료 가스량이 적고 예혼합 농도가 너무 낮아 연료 가스를 완전 연소시키지 못하여 미연의 연료 가스인 탄화 수소(HC)를 배기 밸브(12)로부터 배출하게 된다는 문제를 회피할 수 있다.
또, 연료 오일을 이용한 확산 연료 오일 모드로부터 예혼합 연료 가스 모드로의 전환 시에 있어서도, 동일한 제어를 행한다. 즉, 확산 연료 오일 모드로부터 혼합 연료 가스 모드로 전환할 때에는, 연료 오일 밸브(34)로부터 분사되는 연료 오일을 감소시킴과 함께 예혼합 가스 밸브(30)로부터 분사되는 연료 가스를 증대시킨다. 즉, 확산 연료 오일 모드로부터 예혼합 연료 가스 모드로의 전환 시에는, 분사하는 전체 연료 중 예혼합 가스 밸브(30)로부터 분사되는 연료 가스의 발열량 비율인 예혼합 비율을 0%(확산 연소만의 확산 연료 오일 모드)에서 100%(예혼합 연소만의 예혼합 연료 가스 모드)를 향하여 증대시켜 간다. 이때, 제어부에 의한 예혼합 이행 제어에 의하여, 확산 연료 오일 모드로부터 예혼합 연료 가스 모드로 전환한 직후의 최초의 사이클에 있어서의 연소 행정에서, 예혼합 가스 밸브(30)로부터 분사되는 연료 가스가 완전 연소되는 농도까지, 예혼합 가스 밸브(30)로부터 분사되는 연료 가스량을 증대시켜 예혼합 비율을 단번에 상승시킨다. 구체적으로는, 모드 전환 시의 최초의 사이클에서, 예혼합 비율을 0%에서 40% 이상 60% 이하까지 단번에 상승시킨다. 그리고, 모드 전환 직후의 최초의 사이클에서 40% 이상 60% 이하의 예혼합 비율로 한 후에는, 계속되는 복수의 사이클에서 서서히 예혼합 비율을 증대시킨다.
이로써, 확산 연료 오일 모드로부터 예혼합 연료 가스 모드로의 전환 시에, 최초의 사이클로부터 예혼합 연료의 완전 연소가 행해지게 되어, 미연 가스가 배기 밸브로부터 배출되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 모드 전환 직후에 복수의 사이클에 걸쳐 예혼합 비율을 0%부터 서서히 증대시켜 가면, 예혼합 비율이 작은 초기의 사이클에서는 예혼합 가스 밸브(30)로부터 분사되는 연료 가스량이 적고 예혼합 농도가 너무 낮아 연료 가스를 완전 연소시키지 못하여 미연의 연료 가스인 탄화 수소(HC)를 배기 밸브(12)로부터 배출하게 된다는 문제를 회피할 수 있다.
[연료 가스 분사 패턴]
다음으로, 예혼합 연료 가스 모드에 있어서의 예혼합 가스 밸브(30)로부터 분사되는 연료 가스의 분사 방향에 대하여 설명한다. 예혼합 가스 밸브(30)로부터 분사되는 연료 가스는, 피스톤(13)이 소기 포트(10)를 폐쇄한 후의 피스톤(13)의 꼭대기부를 향하여 적어도 일부의 연료 가스가 분사되는 것이지만, 이하에 설명하는 바와 같이 복수의 패턴이 있다. 어느 패턴을 채용할지는, 실제로 채용되는 디젤 기관(1)의 형상 등에 따라 적절히 결정된다.
도 8에 나타내는 분사 패턴에서는, 예혼합 가스 밸브(30)의 모든 분사 구멍(동 도면에서는 4개)으로부터 분사되는 연료 가스가 피스톤(13)의 꼭대기부를 향하여 분사된다. 또한, 동 도면에서는 좌측의 예혼합 가스 밸브(30)로부터의 분사 상태밖에 나타나 있지 않지만, 우측의 예혼합 가스 밸브(30)로부터도 마찬가지로 동일한 타이밍에 모든 분사 구멍으로부터 피스톤(13)의 정면을 향하여 연료 가스가 분사된다. 연료 가스가 분사되는 방향은, 소기 포트(10)로부터 도입된 공기의 스월 방향(SW)을 따른 방향이 되어, 스월 공기에 실리도록 분사된다.
도 8의 변형예로서, 좌우의 예혼합 가스 밸브(30)로부터 연료 가스를 분사하는 타이밍을 상이하게 하는 것으로 해도 된다. 이로써, 피스톤(13)의 상승에 따라 상이한 피스톤 위치가 된 타이밍에 각각 연소 가스를 분사할 수 있으므로, 연료 가스의 혼합을 촉진시킬 수 있다.
또, 좌우의 예혼합 가스 밸브(30)로부터 연료 가스를 분사할 때의 분사 압력을 상이하게 하는 것으로 해도 된다. 이로써, 좌우의 예혼합 가스 밸브(30)로부터 분사되는 연료 가스의 도달 위치를 조정할 수 있어, 연료 가스의 혼합을 촉진시킬 수 있다.
또, 예혼합 가스 밸브(30)로부터 분사시키는 연료 가스의 방향을, 공기의 스월 방향(SW)을 거스르는 방향으로 하여, 연료 가스의 혼합을 촉진해도 된다.
도 9에 나타내는 분사 패턴에서는, 좌우의 예혼합 가스 밸브(30)로부터 연료 가스를 분사하는 방향을, 길이 방향으로 상이하게 하는 것으로 한다. 이로써, 세로로 긴 연소 공간의 길이 방향을 유효하게 이용하여 연료 가스의 혼합을 행하게 할 수 있다. 연료 가스의 분사 방향을 변경하는 방법으로서는, 분사 구멍의 방향을 변경하는 것으로 해도 되고, 동일한 분사 구멍의 방향이어도 분사 구멍의 직경을 좌우의 예혼합 가스 밸브(30)에서 상이하게 함으로써 실현할 수 있다.
좌우의 예혼합 가스 밸브(30)로부터 연료 가스를 분사하는 타이밍은, 연료 가스의 혼합이 양호한 타이밍이 이용되며, 동일한 타이밍이어도 되고, 상이하게 해도 된다.
또, 예혼합 가스 밸브(30)로부터 연료 가스를 분사하는 방향은, 연료 가스의 혼합이 양호한 방향이 이용되며, 공기의 스월 방향(SW)을 따른 방향이어도 되고, 거스르는 방향이어도 된다.
도 10에 나타내는 분사 패턴에서는, 복수 존재하는 분사 구멍 중 일부의 분사 구멍을 피스톤(13)의 꼭대기부를 향하게 하고, 그 외의 분사 구멍은 그보다 상방을 향하도록 수평 방향으로 기울인 방향을 향하게 한다. 이로써, 세로로 긴 연소 공간의 길이 방향을 유효하게 이용하여 연료 가스의 혼합을 행하게 할 수 있다. 또한, 동 도면에서는 좌측의 예혼합 가스 밸브(30)로부터의 분사 상태밖에 나타나 있지 않지만, 우측의 예혼합 가스 밸브(30)로부터도 마찬가지로 실린더 라이너(9)의 축선에 대칭이 되는 방향으로 연료 가스가 분사된다. 피스톤(13)의 꼭대기부를 향하지 않고 수평 방향으로 기울인 분사 구멍에 대해서는, 피스톤(13)의 꼭대기부를 향하는 분사 구멍보다 작은 직경으로 해도 된다. 수평 방향으로 기울인 분사 구멍으로부터 연료 가스가 분사되는 영역은 혼합 대상이 되는 공기가 비교적 적기 때문이다.
좌우의 예혼합 가스 밸브(30)로부터 연료 가스를 분사하는 타이밍은, 연료 가스의 혼합이 양호한 타이밍이 이용되며, 동일한 타이밍이어도 되고, 상이하게 해도 된다.
또, 예혼합 가스 밸브(30)로부터 연료 가스를 분사하는 방향은, 연료 가스의 혼합이 양호한 방향이 이용되며, 공기의 스월 방향(SW)을 따른 방향이어도 되고, 거스르는 방향이어도 된다.
도 11에 나타내는 분사 패턴에서는, 예혼합 가스 밸브(30)에 더하여 확산 가스 밸브(32)를 이용한다. 예혼합 가스 밸브(30)의 분사 패턴으로서는, 상술한 도 8~도 10 중 어느 것을 이용해도 된다. 확산 가스 밸브(32)는, 피스톤(13)이 실린더 커버(11)측으로 상승했을 때에 연료를 분사하여 착화나 확산 연소를 행하는 것이므로, 연료 가스의 분사 방향은 통 내에 있어서의 실린더 커버(11)측의 영역(구체적으로는 통 내의 상방 영역)을 향하고 있다. 이 확산 가스 밸브(32)의 분사 방향을 이용하여, 예혼합 연료 가스 모드 시에도 확산 가스 밸브(32)를 이용함으로써, 통 내의 실린더 커버(11)측의 상방 영역의 혼합을 촉진할 수 있다.
분사 타이밍은, 예혼합 가스 밸브(30)와 확산 가스 밸브(32)를 동시에 분사해도 되고, 먼저 예혼합 가스 밸브(30)를 분사한 후에, 피스톤(13)이 소정 위치까지 상승한 타이밍에 확산 가스 밸브(32)를 분사시켜도 된다. 이와 같이 예혼합 가스 밸브(30)와 확산 가스 밸브(32)로부터 연료 가스를 순차 분사함으로써, 피스톤(13)의 이동에 따라 변화하는 연소 공간의 형상에 적합한 혼합 상태를 실현할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시형태의 디젤 기관(1)에 의하면, 이하의 작용 효과를 나타낸다.
예혼합 가스 밸브(30)를 실린더 커버(11)에 마련하고, 소기 포트(10)를 피스톤(13)으로 폐쇄한 후의 피스톤(13) 꼭대기부를 향하여 상방에서 하방으로 연료 가스를 분사하는 것으로 했다. 이로써, 소기 포트(10)를 피스톤(13)으로 폐쇄한 후의 연소 공간의 피스톤 왕복 운동 방향을 유효하게 이용하여 연료 가스를 전체에 분사할 수 있어, 연료 가스와 공기의 혼합이 촉진된다. 특히, 디젤 기관(1)은, 초 롱 스트로크이고, 연소 공간이 피스톤 왕복 운동 방향으로 긴 형상이므로, 연소 공간의 길이 방향을 유효하게 이용하여 연료 가스의 혼합이 효과적으로 행해진다. 또한, 절대압으로 1.0MPa 이상 50MPa 이하, 보다 바람직하게는 절대압으로 20MPa 이상 30MPa 이하인 고압으로 연료 가스를 분사하는 것으로 했으므로, 더욱 연료 가스의 혼합이 촉진된다.
따라서, 국소적으로 연료 가스 농도가 높아지는 국소적 최소 λ(λ는 공기 과잉률)를 크게 할 수 있어, 과조 착화나 노킹 등의 이상 연소를 가급적 회피함으로써 연소 안정성을 향상시킬 수 있다. 또, 과조 착화나 노킹 등의 이상 연소를 가급적 회피할 수 있으므로, 종래의 예혼합 기관보다 압축비의 낮춤 정도를 작게 할 수 있고, 열효율의 저하를 최소화할 수 있어, 높은 Pme(통 내 평균 유효 압력)의 고부하에서의 운전도 가능해진다.
예혼합 가스 밸브(30)는, 배기 밸브(12)와 동일하게 실린더 커버(11)에 마련되어 있으며, 배기 밸브(12)로부터 멀어지는 방향으로 연료 가스를 분사하게 되므로, 배기 밸브(12)가 완전히 폐쇄되기 전이더라도 연료 가스의 분사를 개시할 수 있다. 이와 같이 배기 밸브(12)가 폐쇄되기 전에 연료 가스의 분사를 개시하는 것으로 하면, 연료 가스를 공기에 대하여 혼합시키는 시간을 많이 확보할 수 있으므로, 보다 균일하게 혼합시킬 수 있다.
또, 예혼합 연료 가스 모드와 확산 연료 가스 모드를 상황에 따라 구분하여 사용할 수 있으므로, ECA 내에서 이용되는 경우에는, 예혼합 연소 가스 모드를 선택하고, 배기 가스 중의 NOx를 규젯값 이하로 하여 운전을 행할 수 있다. 이로써, NOx를 제거하기 위한 SCR 등의 배기 가스 처리 장치나, NOx를 저감하기 위한 EGR 등의 부대 설비가 불필요해진다. 한편, ECA 외에서는, 확산 연료 가스 모드를 선택하여, 보다 연소 안정성이 높은 운전을 행할 수 있다.
또, 연료 오일 밸브(34)를 이용하여 확산 연소를 행하는 연료 오일 모드를 구비하는 것으로 하여, 연료 오일 모드와 연료 가스 모드(예혼합 연료 가스 모드 및 확산 연료 가스 모드)를 구비한 DF 기관으로서 디젤 기관(1)을 구성하는 것으로 했으므로, 연료 오일 모드를 선택함으로써 연소 안정성이 더 높은 운전을 행할 수 있다. 한편, 연료 가스 모드를 선택하면, 연료 오일 유래의 SOx의 배출을 회피할 수 있고, 또 연료 오일 모드의 운전 시간을 저감하여 연료 오일 코스트를 억제할 수 있다.
또, 확산 연료 가스 모드 또는 확산 연료 오일 모드로부터 예혼합 연료 가스 모드로 전환한 직후의 최초의 사이클에 있어서의 연소 행정에서 연료 가스가 완전 연소되는 농도까지 예혼합 가스 밸브(30)로부터 분사되는 연료 가스량을 증대시키는 예혼합 이행 제어를 채용하는 것으로 했으므로, 확산 연료 가스 모드로부터 예혼합 연료 가스 모드로의 전환 시에 미연 가스가 배기 밸브(12)로부터 배출되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상술한 실시형태에서는, 예혼합 가스 밸브(30)와 확산 가스 밸브(32)를 각각 다른 가스 밸브로서 설명했지만, 이들 예혼합 가스 밸브(30)와 확산 가스 밸브(32)를 공통의 가스 밸브로 하여 겸용시켜도 된다. 이와 같은 경우에는, 공통의 가스 밸브에 형성한 복수의 분사 구멍의 방향을 예혼합용과 확산용으로 나누어 설정하여, 각각의 분사 구멍을 전환하는 구성으로 한다.
1 디젤 기관(내연 기관)
9 실린더 라이너
10 소기 포트
11 실린더 커버
12 배기 밸브
13 피스톤
14 배기 가스 매니폴드
16 과급기
30 예혼합 가스 밸브(제1 연료 가스 분사 밸브)
32 확산 가스 밸브(제2 연료 가스 분사 밸브)
34 연료 오일 밸브(연료 오일 분사 밸브)

Claims (9)

  1. 실린더 라이너와,
    상기 실린더 라이너 내를 왕복 운동하는 피스톤과,
    상기 실린더 라이너의 일단측에 마련된 실린더 커버와,
    상기 실린더 커버에 마련된 배기 밸브와,
    상기 실린더 라이너의 타단측에 마련된 소기 포트와,
    상기 실린더 커버에 마련되어, 상기 실린더 라이너 및 상기 실린더 커버에 의하여 형성되는 통 내에 연료 가스를 분사하는 제1 연료 가스 분사 밸브
    를 구비하고,
    상기 제1 연료 가스 분사 밸브는, 상기 소기 포트를 상기 피스톤으로 폐쇄한 후의 상기 피스톤을 향하여 상기 연료 가스를 분사하며, 상기 제1 연료 가스 분사 밸브로부터 분사된 연료 가스는 상기 피스톤의 왕복 운동 방향을 이용하여 혼합되고,
    상기 실린더 커버에는, 상기 통 내에 연료 가스를 분사하는 제2 연료 가스 분사 밸브가 추가로 마련되고,
    상기 제2 연료 가스 분사 밸브를 이용하여 연소를 행하는 확산 연료 가스 모드와, 상기 제1 연료 가스 분사 밸브를 이용하여 연소를 행하는 예혼합 연료 가스 모드를 전환하고, 상기 예혼합 연료 가스 모드로 전환한 후의 초기의 사이클의 경우, 상기 제1 연료 가스 분사 밸브로부터 분사되는 연료 가스가 완전 연소되는 농도까지, 상기 제1 연료 가스 분사 밸브로부터 분사되는 연료 가스량을 증대시키는 제어부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 실린더 라이너의 내경에 대한 상기 피스톤의 스트로크의 비인 보어 스트로크비가 3 이상인 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 연료 가스 분사 밸브로부터 분사되는 연료 가스의 압력은, 절대압으로 1.0MPa 이상 50MPa 이하인 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 실린더 커버에는, 상기 통 내에 연료 오일을 분사하는 연료 오일용 분사 밸브가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 연료 가스 분사 밸브로부터 예혼합 연료로서 연료 가스를 분사하고, 또한 상기 제2 연료 가스 분사 밸브로부터 예혼합 연료로서 연료 가스를 분사하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  8. 청구항 1 내지 청구항 4 및 청구항 7 중 어느 한 항에 기재된 내연 기관이 선박용 주 기관으로서 이용되고 있는 것을 특징으로 하는 선박.
  9. 소기 포트를 피스톤으로 폐쇄한 후의 상기 피스톤을 향하여 연료 가스를 통 내에 분사하고, 분사된 연료 가스를 상기 피스톤의 왕복 운동 방향을 이용하여 혼합하는 제1 연료 가스 분사 공정과,
    상기 통 내에 연료 가스를 분사하는 제2 연료 가스 분사 공정
    을 구비하고,
    상기 제2 연료 가스 분사 공정에 의하여 연소를 행하는 확산 연료 가스 모드와, 상기 제1 연료 가스 분사 공정에 의하여 연소를 행하는 예혼합 연료 가스 모드를 전환하고, 상기 예혼합 연료 가스 모드로 전환한 후의 초기의 사이클의 경우, 상기 제1 연료 가스 분사 공정에 의하여 분사되는 연료 가스가 완전 연소되는 농도까지, 분사되는 연료 가스량을 증대시키는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 방법.
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