KR102132107B1 - 내연 기관 - Google Patents

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KR102132107B1
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얀마 파워 테크놀로지 가부시키가이샤
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Abstract

연료를 개질시키기 위한 연료 개질 기통 (2) 과, 연료 또는 개질 연료를 연소함으로써 기관 출력을 얻기 위한 출력 기통 (3) 을 구비하는 내연 기관 (1) 에 있어서, 연료 개질 기통 (2) 의 용적이 변화하는 반응실 (23) 을 구성하는 면의 적어도 일부가, 고단열재 (10) 로 되어 있다.

Description

내연 기관
본 발명은, 연료를 개질시키기 위한 연료 개질 기통과, 연료 또는 개질 연료를 연소함으로써 기관 출력을 얻기 위한 출력 기통을 구비하는 내연 기관에 관한 것이다.
예를 들어 특허문헌 1 에는, 연료를 개질시키기 위한 연료 개질 기통과, 연료 또는 개질 연료를 연소함으로써 기관 출력을 얻기 위한 출력 기통을 갖는 내연 기관이 기재되어 있다.
구체적으로는, 연료 개질 기통에 경유나 중유 등의 연료를 공급하고, 이 연료 개질 기통 내에 있어서 당량비가 높은 혼합기 (混合氣) 를 단열 압축한다. 이로써, 고온 고압의 환경하에서 연료가 개질되어, 수소, 일산화탄소, 메탄 등의 안티녹성이 높은 개질 연료 (고옥탄가 연료) 가 생성된다. 그리고, 이 개질 연료를 공기와 함께 출력 기통에 공급하고, 이 출력 기통 내에 있어서 희박 혼합기의 연소 (균일 희박 연소) 가 실시됨으로써 기관 출력이 얻어진다.
이러한 종류의 내연 기관에 의하면, 출력 기통 내에 있어서 균일 희박 연소가 실시되기 때문에, NOx 배출량의 저감 및 수트 배출량의 저감을 도모할 수 있다. 또, 안티녹성이 높은 연료의 연소가 실시되기 때문에, 노킹이 억제됨과 함께 디젤 마이크로 파일럿 착화에 의해 최적의 시기에서의 연소를 실현할 수 있기 때문에, 연소 효율의 향상을 도모할 수도 있다.
일본 공개특허공보 2014-136978호
본원 발명자는, 연료 개질 기통에 있어서 연료를 개질시킬 때에, 반응 가스의 온도가 높아짐에 따라서 개질 가스 중의 경질 가스 농도가 비례하여 높아진다는 관계 (도 8 참조) 를 지견하였다. 요컨대, 반응 가스의 온도가 높을수록 연료의 개질 효율이 높아진다는 것을 지견하였으므로, 이 지견에 기초하여 본 발명을 제안하기에 이르렀다.
본 발명은, 연료를 개질시키기 위한 연료 개질 기통과, 연료 또는 개질 연료를 연소함으로써 기관 출력을 얻기 위한 출력 기통을 구비하는 내연 기관에 있어서, 연료의 개질 효율을 가급적 향상시키는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명은, 연료를 개질시키기 위한 연료 개질 기통과, 연료 또는 개질 연료를 연소함으로써 기관 출력을 얻기 위한 출력 기통을 구비하는 내연 기관에 있어서, 상기 연료 개질 기통의 용적이 변화하는 반응실을 구성하는 면의 적어도 일부가, 고단열재로 되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성에서는, 상기 반응실에 있어서 연료를 개질시킬 때에 당해 반응실에서부터 외측으로의 방열, 요컨대 당해 반응실로부터의 열 손실을 저하시키는 것이 가능해진다.
이로써, 상기 반응실에 있어서의 연료의 개질 반응시의 온도를, 상기 고단열재를 채용하지 않는 경우에 비해 높게 유지할 수 있기 때문에, 연료의 개질 효율이, 상기 고단열재를 채용하지 않는 경우에 비해 향상되는 결과가 된다.
또, 상기 반응실을 구성하는 면은, 실린더 블록에 있어서 상기 연료 개질 기통의 내주면과, 상기 연료 개질 기통 내에 수용되는 피스톤의 정면 (頂面) 과, 실린더 헤드에 있어서 상기 연료 개질 기통을 덮는 폭면 (爆面) 을 포함하고, 이들 면 중 적어도 1 개가, 상기 고단열재로 되어 있는 것이 바람직하다.
여기에서는, 상기 반응실을 구성하는 면이, 별개의 복수의 부재에 존재하고 있는 것을 특정하고 있음과 함께, 상기 고단열재로 하는 면을 특정하고 있다.
상세하게는, 상기 반응실을 구성하는 면 전부를 고단열재로 하는 형태, 상기 실린더 블록에 있어서 상기 연료 개질 기통의 내주면과 상기 피스톤의 정면과 상기 실린더 헤드의 폭면 중 어느 1 개를 고단열재로 하는 형태, 그리고 상기 실린더 블록에 있어서 상기 연료 개질 기통의 내주면과, 상기 연료 개질 기통 내에 수용되는 피스톤의 정면과, 실린더 헤드에 있어서 상기 연료 개질 기통을 덮는 폭면 중 어느 2 개를 고단열재로 하는 형태가, 본 발명에 포함된다.
또, 상기 반응실에서의 스월류(流), 텀블류, 스퀴시에 의한 교반류의 유속을, 상기 출력 기통의 연소실에서의 그것에 비해 저하시키도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.
이와 관련하여, 상기 스월류, 텀블류의 유속을 저하시키는 수단으로는, 상기 반응실에 대한 흡기 포트의 연접 위치와 경사 각도 중 적어도 어느 일방을 규정하는 형태를 들 수 있다. 구체적으로, 상기 수단으로는, 평면에서 볼 때에 있어서 상기 반응실의 중심에 대한 상기 흡기 포트의 중심 축선의 직경 방향에서의 오프셋량을 작게 하는 형태와, 측면에서 볼 때에 있어서 상기 반응실의 중심 축선에 대한 상기 흡기 포트의 경사 각도를 작게 하는 형태와, 상기 흡기 포트의 통로 면적을 크게 하여, 그 변화량을 억제하는 형태 중 적어도 어느 일방을 들 수 있다.
또, 상기 스퀴시에 의한 교반류의 유속을 저하시키는 수단으로는, 연료 개질용의 피스톤의 정면의 요철을 가급적 작게 하는 형태, 바람직하게는 상기 피스톤의 정면을 평탄하게 하는 형태를 들 수 있는 것 외에, 톱 클리어런스 (상사점에 위치하는 피스톤 (22) 과 실린더 헤드 (1b) 의 폭면 (1f) 의 대향 거리) 를 크게 하는 형태를 들 수 있다.
이 구성에서는, 상기 반응실에 있어서 연료를 개질시킬 때에 당해 반응실을 구성하는 면에서부터 외측으로의 방열, 요컨대 당해 반응실로부터의 열 손실을 저하시키는 것이 가능해진다.
또, 상기 반응실의 외측에는, 용적이 일정한 외부 반응실이 상기 반응실에 연락 통로를 개재하여 연통되도록 형성되고, 이 외부 반응실에 상기 개질 대상이 되는 연료가 공급되는 것이 바람직하다.
이 구성에서는, 상기 외부 반응실에 상기 개질 대상이 되는 연료가 직접적으로 공급되도록 되는 한편, 상기 반응실에 상기 개질 대상이 되는 연료가 직접적으로 공급되지 않게 된다.
이로써, 상기 연료가 상기 반응실을 구성하는 면에 잘 부착되지 않게 되기 때문에, 상기 피스톤의 왕복동에 의해 상기 부착 연료가 긁혀 떨어지는 리스크를 저감시킬 수 있게 된다.
한편, 상기 외부 반응실의 내면에는, 공급되는 연료가 부착될 가능성이 있지만, 이 부착 연료는, 상기 피스톤의 상승에 따른 압력 상승 그리고 온도 상승에 의해 증발되게 된다.
또, 상기 외부 반응실의 내면이, 고단열재가 되는 것이 바람직하다.
이 구성에서는, 상기 외부 반응실에 있어서 연료를 개질시킬 때에 당해 외부 반응실의 내면에서부터 외측으로의 방열, 요컨대 당해 외부 반응실로부터의 열 손실을 저하시키는 것이 가능해진다.
이로써, 상기 외부 반응실에 공급되는 연료의 개질 반응시의 온도를, 상기 고단열재를 채용하지 않는 경우에 비해 높게 유지할 수 있기 때문에, 연료의 개질 효율이, 상기 고단열재를 채용하지 않는 경우에 비해 향상되는 결과가 된다.
본 발명은, 연료를 개질시키기 위한 연료 개질 기통과, 연료 또는 개질 연료를 연소함으로써 기관 출력을 얻기 위한 출력 기통을 구비하는 내연 기관에 있어서, 연료의 개질 효율을 가급적 향상시키는 것이 가능해진다.
도 1 은 도 3 의 연료 개질 기통만을 나타내는 도면이다.
도 2 는 도 1 의 주요부를 확대하여 나타내는 도면이다.
도 3 은 본 발명에 관련된 내연 기관의 일 실시형태의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 4 는 도 2 에 있어서의 고단열재의 다른 실시형태를 나타내는 도면이다.
도 5 는 도 1 의 연료 개질 기통의 다른 실시형태를 나타내는 도면이다.
도 6 은 도 1 의 연료 개질 기통의 또 다른 실시형태를 나타내는 도면이다.
도 7 은 도 1 의 연료 개질 기통의 또 다른 실시형태를 나타내는 도면이다.
도 8 은 연료를 개질시킬 때에 있어서 반응 가스의 온도와 개질 가스 중의 경질 가스 농도의 관계를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 실시형태에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 3 에 본 발명의 일 실시형태를 나타내고 있다. 본 발명의 특징 설명에 앞서, 도 3 을 참조하여 본 발명의 내연 기관의 일 실시형태의 개략 구성을 설명한다.
-내연 기관의 시스템 구성-
본 실시형태에 관련된 내연 기관 (1) 은, 연료 개질 기통 (2) 및 출력 기통 (3) 을 구비하고 있다. 또, 이 내연 기관 (1) 은, 상기 연료 개질 기통 (2) 이나 상기 출력 기통 (3) 에 대해, 가스의 공급 (도입) 또는 가스의 배출 (도출) 을 실시하기 위한 배관계로서, 흡기계 (4), 개질 연료 공급계 (5), 배기계 (6), EGR 계 (7), 및 출력 기통 바이패스계 (8) 를 구비하고 있다.
(연료 개질 기통 및 출력 기통)
연료 개질 기통 (2) 및 출력 기통 (3) 은, 모두 레시프로케이팅형으로 구성되어 있다. 구체적으로, 각 기통 (2, 3) 은, 실린더 블록 (도시 생략) 에 형성된 실린더 보어 (21, 31) 내에 피스톤 (22, 32) 이 자유롭게 왕복동할 수 있게 수용되어 구성되어 있다.
연료 개질 기통 (2) 에서는, 실린더 보어 (21), 피스톤 (22), 실린더 헤드 (1b) 에 의해 반응실 (연료 개질실이라고도 한다) (23) 이 형성되어 있다. 출력 기통 (3) 에서는, 실린더 보어 (31), 피스톤 (32), 실린더 헤드 (1b) 에 의해 연소실 (33) 이 형성되어 있다.
본 실시형태에 관련된 내연 기관 (1) 은, 실린더 블록에 4 개의 기통이 구비되고, 그 중 1 개의 기통이 연료 개질 기통 (2) 으로서 구성되어 있고, 다른 3 개의 기통이 출력 기통 (3) 으로서 구성되어 있다. 각 기통 (2, 3) 의 수는 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 실린더 블록에 6 개의 기통이 구비되고, 그 중 2 개의 기통이 연료 개질 기통 (2) 으로서 구성되어 있고, 다른 4 개의 기통이 출력 기통 (3) 으로서 구성되어 있어도 된다.
각 기통 (2, 3) 의 피스톤 (22, 32) 은 각각 커넥팅 로드 (24, 34) 를 개재하여 크랭크 샤프트 (11) 에 연결되어 있다. 이로써, 피스톤 (22, 32) 의 왕복 운동과 크랭크 샤프트 (11) 의 회전 운동 사이에서 운동이 변환되도록 되어 있다.
크랭크 샤프트 (11) 는, 클러치 기구 (도시 생략) 를 개재하여 선박의 스크루축에 연결 가능하게 되어 있다.
연료 개질 기통 (2) 의 피스톤 (22) 과 출력 기통 (3) 의 피스톤 (32) 은 상기 커넥팅 로드 (24, 34) 및 크랭크 샤프트 (11) 를 개재하여 서로 연결되어 있다. 이 때문에, 이들 기통 (2, 3) 사이에서의 동력 전달이나, 이들 기통 (2, 3) 으로부터 출력된 동력의 스크루축으로의 전달 등이 가능하게 되어 있다.
연료 개질 기통 (2) 에는, 반응실 (23) 에 개질 전의 연료로서 예를 들어 경유 등의 연료를 공급하는 인젝터 (25) 가 구비되어 있다. 이 반응실 (23) 에서는, 인젝터 (25) 로부터 연료가 공급됨으로써, 당량비가 높은 혼합기가 단열 압축된다. 이로써, 고온 고압의 환경하에서 연료가 개질되어, 수소, 일산화탄소, 메탄 등의 안티녹성이 높은 개질 연료가 생성된다.
출력 기통 (3) 에는, 연소실 (33) 에 예를 들어 경유 등의 연료를 공급하는 인젝터 (35) 가 구비되어 있다. 이 연소실 (33) 에서는, 상기 연료 개질 기통 (2) 에서 생성된 개질 연료가 공기와 함께 공급되고, 이 연소실 (33) 에서 희박 예혼합 연소 혹은 인젝터 (35) 로부터 분사되는 미량의 연료의 착화를 점화원으로 한 전파 화염 연소가 실시된다. 이로써, 피스톤 (32) 의 왕복동에 수반하여 크랭크 샤프트 (11) 가 회전하여, 기관 출력이 얻어진다.
(흡기계)
흡기계 (4) 는, 연료 개질 기통 (2) 의 반응실 (23) 및 출력 기통 (3) 의 연소실 (33) 각각에 공기 (신기(新氣) 를 도입하는 것이다.
이 흡기계 (4) 는, 메인 흡기 통로 (41), 이 메인 흡기 통로 (41) 가 2 계통으로 분기되어 이루어지는 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 및 출력 기통 흡기 통로 (43) 를 구비하고 있다. 메인 흡기 통로 (41) 에는, 터보 차저 (12) 의 컴프레서 휠 (12a) 이 구비되어 있다.
연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 는 연료 개질 기통 (2) 의 흡기 포트에 연통되어 있다. 이 흡기 포트와 연료 개질 기통 (2) 의 반응실 (23) 사이에는 흡기 밸브 (26) 가 개폐 가능하게 배치 형성되어 있다. 또, 이 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 에는 개도 조정 가능한 흡기량 조정 밸브 (45) 가 구비되어 있다.
출력 기통 흡기 통로 (43) 는 출력 기통 (3) 의 흡기 포트에 연통되어 있다. 이 흡기 포트와 출력 기통 (3) 의 연소실 (33) 사이에는 흡기 밸브 (36) 가 개폐 가능하게 배치 형성되어 있다. 또, 이 출력 기통 흡기 통로 (43) 에는 흡기 냉각기 (인터 쿨러) (44) 가 구비되어 있다.
(개질 연료 공급계)
개질 연료 공급계 (5) 는, 상기 연료 개질 기통 (2) 에서 생성된 개질 연료를 출력 기통 (3) 의 연소실 (33) 을 향하여 공급하는 것이다.
이 개질 연료 공급계 (5) 는 개질 연료 공급 통로 (51) 를 구비하고 있다. 이 개질 연료 공급 통로 (51) 에는 개질 연료 냉각기 (52) 가 구비되어 있다. 개질 연료 공급 통로 (51) 의 상류단(端)은 연료 개질 기통 (2) 의 배기 포트에 연통되어 있다. 이 배기 포트와 연료 개질 기통 (2) 의 반응실 (23) 사이에는 배기 밸브 (27) 가 개폐 가능하게 배치 형성되어 있다. 또, 개질 연료 공급 통로 (51) 의 하류단은 출력 기통 흡기 통로 (43) 에 연통되어 있다.
이 개질 연료 공급 통로 (51) 와 출력 기통 흡기 통로 (43) 의 연통 부분에는 믹서 (53) 가 형성되어 있다. 이 때문에, 연료 개질 기통 (2) 에서 생성된 개질 연료는, 믹서 (53) 에 있어서 출력 기통 흡기 통로 (43) 를 흐르는 공기와 혼합되어 출력 기통 (3) 의 연소실 (33) 에 공급되게 된다.
(배기계)
배기계 (6) 는, 상기 출력 기통 (3) 에서 발생한 배기 가스를 배출하는 것이다. 이 배기계 (6) 는 배기 통로 (61) 를 구비하고 있다. 이 배기 통로 (61) 에는, 터보 차저 (12) 의 터빈 휠 (12b) 이 구비되어 있다. 배기 통로 (61) 는 출력 기통 (3) 의 배기 포트에 연통되어 있다. 이 배기 포트와 출력 기통 (3) 의 연소실 (33) 사이에는 배기 밸브 (37) 가 개폐 가능하게 배치 형성되어 있다.
(EGR 계)
EGR 계 (7) 는, 연료 개질 기통 EGR 계 (7A) 와 출력 기통 EGR 계 (7B) 를 구비하고 있다.
연료 개질 기통 EGR 계 (7A) 는, 상기 배기 통로 (61) 를 흐르는 배기 가스의 일부를 연료 개질 기통 (2) 의 반응실 (23) 을 향하여 공급하는 것이다.
이 연료 개질 기통 EGR 계 (7A) 는 연료 개질 기통 EGR 통로 (71) 를 구비하고 있다. 이 연료 개질 기통 EGR 통로 (71) 는, 상류단이 배기 통로 (61) 에, 하류단이 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 에 있어서의 흡기량 조정 밸브 (45) 의 하류측에 각각 연통되어 있다. 연료 개질 기통 EGR 통로 (71) 에는 EGR 가스 냉각기 (72) 가 구비되어 있다. 또, 연료 개질 기통 EGR 통로 (71) 에 있어서의 EGR 가스 냉각기 (72) 보다 하류측 (연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 측) 에는 EGR 가스량 조정 밸브 (73) 가 구비되어 있다.
또, 연료 개질 기통 EGR 계 (7A) 에는, EGR 가스 냉각기 (72) 를 바이패스하여 EGR 가스를 흘리기 위한 쿨러 바이패스 통로 (74) 가 형성되어 있다. 이 쿨러 바이패스 통로 (74) 에는 바이패스량 조정 밸브 (75) 가 구비되어 있다.
한편, 출력 기통 EGR 계 (7B) 는, 상기 배기 통로 (61) 를 흐르는 배기 가스의 일부를 출력 기통 (3) 의 연소실 (33) 로 되돌리는 것이다. 이 출력 기통 EGR 계 (7B) 는 출력 기통 EGR 통로 (76) 를 구비하고 있다.
이 출력 기통 EGR 통로 (76) 는, 상류단이 배기 통로 (61) 에, 하류단이 출력 기통 흡기 통로 (43) 에 있어서의 믹서 (53) 의 하류측에 각각 연통되어 있다. 출력 기통 EGR 통로 (76) 에는 EGR 가스 냉각기 (77) 가 구비되어 있다. 또, 출력 기통 EGR 통로 (76) 에 있어서의 EGR 가스 냉각기 (77) 보다 하류측 (출력 기통 흡기 통로 (43) 측) 에는 EGR 가스량 조정 밸브 (78) 가 구비되어 있다.
(출력 기통 바이패스계)
출력 기통 바이패스계 (8) 는, 상기 연료 개질 기통 (2) 으로부터 배출된 가스를 출력 기통 (3) 에 공급하지 않고 (출력 기통 (3) 을 바이패스시켜), 상기 배기 통로 (61) 에 도입하기 위한 것이다.
이 출력 기통 바이패스계 (8) 는 출력 기통 바이패스 통로 (81) 를 구비하고 있다. 이 출력 기통 바이패스 통로 (81) 는, 상류단이 개질 연료 공급 통로 (51) 에 있어서의 개질 연료 냉각기 (52) 의 상류측에, 하류단이 출력 기통 EGR 통로 (76) 에 있어서의 EGR 가스 냉각기 (77) 의 상류측 (배기 통로 (61) 측) 에 각각 연통되어 있다. 또, 이 출력 기통 바이패스 통로 (81) 에는 바이패스량 조정 밸브 (82) 가 구비되어 있다.
또한, 전술한 각 계에 구비되어 있는 냉각기 (44, 52, 72, 77) 는, 가스를 냉각시키기 위한 냉열원으로서, 엔진 냉각수 또는 해수 등이 사용된다. 또, 이들 냉각기 (44, 52, 72, 77) 는 공랭식의 것이어도 된다.
-내연 기관의 기본 동작-
다음으로, 전술한 바와 같이 구성된 내연 기관 (1) 의 기본 동작에 대하여 설명한다.
메인 흡기 통로 (41) 에 도입되는 공기는, 터보 차저 (12) 의 컴프레서 휠 (12a) 에 의해 가압된다.
그리고, 이 공기는, 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 및 출력 기통 흡기 통로 (43) 로 분류 (分流) 된다. 이 때, 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 를 흐르는 흡기의 양은 흡기량 조정 밸브 (45) 에 의해 조정된다.
또, 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 에는, 연료 개질 기통 EGR 계 (7A) 를 흐른 EGR 가스가 도입된다. 이 때, 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 에 도입되는 EGR 가스량은 EGR 가스량 조정 밸브 (73) 에 의해 조정된다.
또, 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 에 도입되는 EGR 가스의 온도는 바이패스량 조정 밸브 (75) 의 개도에 따라 EGR 가스 냉각기 (72) 를 바이패스하는 EGR 가스량에 의해 조정된다. 이로써, 연료 개질 기통 (2) 의 반응실 (23) 에는, 공기 및 EGR 가스가 도입되게 된다. 이 때, EGR 가스량 조정 밸브 (73) 의 개도에 의해 조정되는 EGR 가스의 유량, 및 바이패스량 조정 밸브 (75) 의 개도에 의해 조정되는 EGR 가스의 온도는, 반응실 (23) 에서의 당량비를 높게 설정하고, 또 연료의 개질을 양호하게 실시할 수 있는 반응실 (23) 의 가스 온도를 확보할 수 있도록 조정된다.
이와 같이 하여 연료 개질 기통 (2) 의 반응실 (23) 에, 공기 및 EGR 가스가 도입된 상태에서, 인젝터 (25) 로부터 반응실 (23) 에 연료가 공급된다.
이 인젝터 (25) 로부터의 연료 공급량은, 기본적으로는 기관 요구 출력에 따라 설정된다. 구체적으로는, 인젝터 (25) 에 공급되고 있는 연료 압력에 따라, 목표로 하는 연료 공급량이 얻어지도록, 인젝터 (25) 의 밸브 개방 기간이 설정된다.
또, 이 때의 인젝터 (25) 의 밸브 개방 타이밍은, 연료 개질 기통 (2) 의 흡기 행정이 종료될 때까지의 동안에 상기 목표로 하는 연료 공급량의 분사가 완료되도록 설정되는 것이 바람직하지만, 피스톤 (22) 이 압축 상사점 부근에 도달하기 전에 혼합기가 균일하게 혼합 가능한 경우에는, 압축 행정 도중까지 연료 분사 기간이 계속되어도 된다. 이로써, 피스톤 (22) 이 압축 상사점에 이를 때까지, 반응실 (23) 에 있어서 균질인 혼합기 (당량비가 높은 혼합기) 가 생성되게 된다.
피스톤 (22) 이 압축 상사점을 향하여 이동하는 동안에, 반응실 (23) 의 압력 및 온도가 상승하고, 이 반응실 (23) 에서는, 당량비가 높은 혼합기 (예를 들어 4.0 이상의 당량비의 혼합기) 가 단열 압축된다. 이로써, 고온 고압의 환경하에서, 연료의 탈수소 반응, 부분 산화 반응, 수증기 개질 반응, 열해리 반응이 실시되고, 연료가 개질되어, 수소, 일산화탄소, 메탄 등의 안티녹성이 높은 개질 연료가 생성된다.
반응실 (23) 로부터 배출된 개질 연료는, 개질 연료 공급 통로 (51) 를 흐를 때에 개질 연료 냉각기 (52) 에 있어서 냉각된다. 이 냉각에 의해, 출력 기통 흡기 통로 (43) 나 연소실 (33) 에서의 개질 연료의 과조 착화가 억제된다.
그리고, 이 냉각된 개질 연료는, 출력 기통 흡기 통로 (43) 를 흐르는 공기와 믹서 (53) 에 있어서 혼합되어, 출력 기통 (3) 의 연소실 (33) 에 공급된다. 또, 필요에 따라 EGR 가스량 조정 밸브 (78) 가 개방되어, 출력 기통 EGR 통로 (76) 를 거쳐 EGR 가스가 출력 기통 (3) 의 연소실 (33) 에 도입된다.
이와 같이 하여, 출력 기통 (3) 의 연소실 (33) 에는, 공기, 개질 연료, EGR 가스가 각각 도입되어, 이 연소실 (33) 내의 당량비가 0.1 ∼ 0.8 정도로 조정된다.
출력 기통 (3) 에서는, 압축 행정에 있어서, 희박 혼합 가스의 단열 압축이 실시되어, 피스톤 (22) 이 압축 상사점에 이른 시점에서, 인젝터 (35) 로부터 미량의 연료 분사가 실시된다. 이로써, 연소실 (33) 내의 혼합기가 자착화되어, 희박 예혼합 연소가 실시된다. 또한, 인젝터 (35) 로부터의 연료 분사를 실시하지 않아도 연소실 (33) 의 혼합기가 자착화 (예혼합 압축 자착화) 되는 경우에는, 이 인젝터 (35) 로부터의 연료 분사는 반드시 필요하지는 않다.
상기 연소에 의해, 피스톤 (32) 이 왕복동하고, 크랭크 샤프트 (11) 가 회전함으로써 기관 출력이 얻어진다. 이 기관 출력은 상기 스크루축으로 전달된다. 또, 이 기관 출력의 일부는, 연료 개질 기통 (2) 에 있어서의 피스톤 (22) 의 왕복동의 구동원으로서 사용된다.
여기에서, 연료 개질 기통 (2) 은, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 그 실린더 블록 (1a) 의 실린더 홀 (부호 생략) 에 실린더 라이너 (21a) 를 끼워 맞춘 구성으로 되어 있다. 이 경우, 실린더 라이너 (21a) 의 내면이 실린더 보어 (21) 가 된다. 또한, 도 2 에 있어서, 1c 는 실린더 블록 (1a) 의 워터 재킷, 1d 는 헤드 개스킷이다.
이 실린더 라이너 (21a) 의 내주면과, 실린더 라이너 (21a) 내에 수용되는 피스톤 (22) 의 정면 (22a) 과, 실린더 헤드 (1b) 에 있어서 실린더 라이너 (21a) 의 톱측 (실린더 헤드 (1b) 쪽) 개구를 덮는 면 (이하, 폭면이라고 한다) (1f) 에 의해 둘러싸이는 공간이, 반응실 (23) 이 된다. 또한, 상기 폭면 (1f) 은, 연료 개질 기통 (2) 에 배치되는 흡기 밸브 (26) 및 배기 밸브 (27) 의 각 우산부의 내면 (반응실 (23) 에 노출되는 면) 을 포함하고 있는 것으로 한다.
이와 같은 구성의 반응실 (23) 이기 때문에, 그 용적이 피스톤 (22) 의 왕복동에 의해 변화하는 것이 분명해진다.
그리고, 도 1 및 도 2 에 나타내는 바와 같이, 실린더 라이너 (21a) 의 내주면에는, 원통 형상의 고단열재 (10) 가 끼워 맞춰져 장착되어 있다.
이 고단열재 (10) 는, 실린더 라이너 (21a) 의 내주면에 있어서 톱측의 끝 가장자리에서부터 보텀측 소정 위치까지의 소정 영역에 배치되어 있다.
구체적으로, 실린더 라이너 (21a) 의 내주면에 있어서 톱측의 끝 가장자리에서부터 보텀측 소정 위치까지의 소정 영역에는, 내경 치수를 확경하는 확경부 (21b) 가 형성되어 있다. 이 확경부 (21b) 에 원통 형상의 고단열재 (10) 가 끼워 맞춰져 장착되어 있지만, 당해 끼워 맞춤 상태에 있어서는, 고단열재 (10) 가 실린더 라이너 (21a) 의 내주면으로부터 직경 방향 안쪽으로 장출 (張出) 된 상태로 되어 있다.
그래서, 고단열재 (10) 가 피스톤 (22) 에 간섭하는 것을 회피시키기 위해서, 피스톤 (22) 의 외주면에 있어서 정면 (22a) 쪽의 끝 가장자리에서부터 보텀측 소정 위치까지의 소정 영역에는, 외경 치수를 축경하는 축경부 (22b) 가 형성되어 있다.
또, 고단열재 (10) 의 축 방향 치수 (B) (도 2 참조) 는, 반응실 (23) 에 있어서 연료의 개질 반응시에 고온으로 유지하고 싶은 영역에 따라 적절히 설정된다. 구체적으로, 상기 고온으로 유지하고 싶은 영역이란, 실린더 라이너 (21a) 의 톱측의 끝 가장자리에서부터 상사점에 배치된 피스톤 (22) 의 정면 (22a) 까지의 축 방향 길이 범위를 말하는 것이다. 이 때문에, 상기 축 방향 치수 (B) 는, 상기 축 방향 길이 범위와 동일하거나, 혹은 그것보다 크게 설정하는 것이 바람직하다.
그리고, 고단열재 (10) 로는, 예를 들어 일반적으로 알려진 여러 가지 조성의 세라믹스, 철계 금속, 혹은 적절한 기재 표면에 고단열성의 수지를 코팅한 것 등을 들 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명을 적용한 실시형태에서는, 실린더 라이너 (21a) 의 내주면에 고단열재 (10) 를 장착함으로써, 반응실 (23) 에 있어서 연료를 개질시킬 때에 반응실 (23) 에서부터 외측으로의 방열, 요컨대 반응실 (23) 로부터의 열 손실을 저하시키는 것이 가능해진다.
이로써, 반응실 (23) 에 있어서의 연료의 개질 반응시의 온도를, 고단열재 (10) 를 채용하지 않는 경우에 비해 높게 유지할 수 있기 때문에, 연료의 개질 효율이, 고단열재 (10) 를 채용하지 않는 경우에 비해 향상되는 결과가 된다.
또한, 본 발명은, 상기 실시형태만으로 한정되는 것은 아니고, 특허청구범위 내 및 당해 범위와 균등의 범위 내에서 적절히 변경하는 것이 가능하다.
(1) 상기 실시형태의 고단열재 (10) 는, 예를 들어 도 4 에 나타내는 바와 같이, 그 외경측의 축 방향 도중 영역에, 직경 방향 바깥쪽으로 개방하는 환상 홈 (10a) 을 형성한 구성으로 하는 것이 가능하다.
그 경우에는, 고단열재 (10) 를 실린더 라이너 (21a) 에 끼워 맞춰 장착한 상태에 있어서 당해 실린더 라이너 (21a) 와 환상 홈 (10a) 으로 둘러싸는 환상 공간 (10b) 이 공기층이 되기 때문에, 반응실 (23) 의 단열 작용을 가급적 높이는 것이 가능해진다. 이로써, 반응실 (23) 로부터의 열 손실을 더욱 저하시키는 것이 가능해진다.
(2) 상기 실시형태에서는, 실린더 라이너 (21a) 의 내주면에 원통 형상의 고단열재 (10) 를 끼워 맞춰 장착하는 경우를 예시하고 있지만, 본 발명은 이것만으로 한정되는 것은 아니다.
예를 들어 도시하고 있지 않지만, 실린더 라이너 (21a) 의 내주면의 소정 영역에 고단열 재료를 용사 또는 도포에 의해 코팅하는 형태로 하는 것이 가능하다.
그 경우, 실린더 라이너 (21a) 에 확경부 (21b) 를 형성하거나, 피스톤 (22) 에 축경부 (22b) 를 형성하거나 할 필요가 없어지기 때문에, 비용 저감에 공헌할 수 있게 된다.
(3) 본 발명은, 상기 실시형태 외에, 예를 들어 도시하고 있지 않지만, 상기 반응실 (23) 을 구성하는 면 (실린더 라이너 (21a) 의 내주면, 피스톤 (22) 의 정면 (22a), 그리고 실린더 헤드 (1b) 의 폭면 (1f)) 전부를 고단열재 (10) 로 하는 형태, 피스톤 (22) 의 정면 (22a) 및 실린더 헤드 (1b) 의 폭면 (1f) 중 어느 일방을 고단열재 (10) 로 하는 형태, 혹은 실린더 라이너 (21a) 의 내주면, 피스톤 (22) 의 정면 (22a), 그리고 실린더 헤드 (1b) 의 폭면 (1f) 중 어느 2 개를 고단열재 (10) 로 하는 형태가 포함된다.
또한, 상기 피스톤 (22) 의 정면 (22a) 및 실린더 헤드 (1b) 의 폭면 (1f) 을 고단열재 (10) 로 하는 경우에 있어서는, 고단열재 (10) 를 장착하는 것이 아니라, 고단열 재료를 용사 또는 도포에 의해 코팅하는 것이 바람직하다.
또, 상기 피스톤 (22) 의 정면 (22a) 을 고단열재 (10) 로 하는 경우에 있어서는, 피스톤 (22) 그 자체를 고단열재가 될 수 있는 철계 금속으로 형성하는 것이 가능하다.
(4) 상기 실시형태에 있어서, 연료 개질 기통 (2) 에서의 발열량이 출력 기통 (3) 에서의 발열량에 비해 낮은 것을 고려하여, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 실린더 헤드 (1b) 에 있어서 연료 개질 기통 (2) 의 근방에 형성되어 있는 워터 재킷 (1e) 의 바닥부에서부터 폭면 (1f) 까지의 직선 거리 (A) 를, 실린더 헤드 (1b) 에 있어서 출력 기통 (3) 측에서의 상기 직선 거리 (A) 에 대응하는 직선 거리 (도시 생략) 보다 크게 설정하거나, 혹은 상기 워터 재킷 (1e) 을 없애거나 하는 것이 가능해진다.
(5) 상기 실시형태에 있어서, 반응실 (23) 에서의 스월류, 텀블류, 스퀴시에 의한 교반류의 유속을, 출력 기통 (3) 의 연소실 (33) 에서의 그것에 비해 저하시키도록 구성하는 것이 바람직하다.
예를 들어 상기 스월류, 텀블류의 유속을 저하시키는 수단으로는, 반응실 (23) 에 대한 흡기 포트 (부호 생략) 의 연접 위치와 경사 각도 중 적어도 어느 일방을 규정하는 형태를 들 수 있다. 구체적으로, 상기 수단으로는, 평면에서 볼 때에 있어서 반응실 (23) 의 중심에 대한 상기 흡기 포트의 중심 축선의 직경 방향에서의 오프셋량을 작게 하는 형태와, 측면에서 볼 때에 있어서 반응실 (23) 의 중심 축선에 대한 상기 흡기 포트의 경사 각도를 작게 하는 형태와, 상기 흡기 포트의 통로 면적을 크게 하여, 그 변화량을 억제하는 형태 중 적어도 어느 일방을 들 수 있다.
또, 상기 스퀴시에 의한 교반류의 유속을 저하시키는 수단으로는, 연료 개질용의 피스톤 (22) 의 정면 (22a) 의 요철을 가급적 작게 하는 형태, 바람직하게는 정면 (22a) 을 평탄하게 하는 형태를 들 수 있는 것 외에, 톱 클리어런스 (상사점에 위치하는 피스톤 (22) 과 실린더 헤드 (1b) 의 폭면 (1f) 의 대향 거리) 를 크게 하는 형태를 들 수 있다.
이 구성에서는, 반응실 (23) 에 있어서 연료를 개질시킬 때에 반응실 (23) 을 구성하는 면 (실린더 라이너 (21a) 의 내주면, 피스톤 (22) 의 정면 (22a), 그리고 실린더 헤드 (1b) 의 폭면 (1f)) 에서부터 외측으로의 방열, 요컨대 반응실 (23) 로부터의 열 손실을 저하시키는 것이 가능해진다.
이로써, 반응실 (23) 에 공급되는 연료가 당해 반응실 (23) 을 구성하는 면에 잘 부착되지 않게 되기 때문에, 피스톤 (22) 의 왕복동에 의해 상기 부착 연료가 긁혀 떨어지는 리스크를 저감시킬 수 있게 된다.
(6) 도 5 내지 도 7 에 본 발명의 다른 실시형태를 나타내고 있기 때문에, 이하에 있어서 상세하게 설명한다. 도 5 내지 도 7 에 나타내는 실시형태에서는, 연료 개질 기통 (2) 의 반응실 (23) 의 외측에, 외부 반응실 (20) 을 형성하고 있다.
구체적으로, 도 5 에 나타내는 실시형태에서는, 외부 반응실 (20) 을 실린더 헤드 (1b) 에 있어서 반응실 (23) 의 근방에 형성하고 있다. 도 6 에 나타내는 실시형태에서는, 외부 반응실 (20) 을 연료 개질용의 피스톤 (22) 에 형성하고 있다. 도 7 에 나타내는 실시형태에서는, 외부 반응실 (20) 을 실린더 블록 (1a) 에 있어서 반응실 (23) 의 근방에 형성하고 있다.
그리고, 외부 반응실 (20) 은, 예를 들어 대략 구형으로 형성되어 있어, 그 용적이 일정하게 설정되어 있다. 단, 외부 반응실 (20) 은, 상기 형상 외에도 타원형 등으로 형성하는 것이 가능하다. 이 외부 반응실 (20) 은, 연락 통로 (20a) 를 개재하여 반응실 (23) 에 연통되어 있어, 인젝터 (25) 로부터 연료가 직접적으로 공급되도록 되어 있다.
연락 통로 (20a) 는, 그 축선이 외부 반응실 (20) 의 중심을 통과하지 않도록 구성되어 있다. 인젝터 (25) 는, 분사한 연료가 연락 통로 (20a) 를 통해서 반응실 (23) 에 도달하지 않도록 설치되어 있다.
다음으로, 이와 같은 실시형태에서의 연료 개질에 관한 동작에 대하여 설명한다.
먼저, 연료 개질 기통 (2) 의 흡기 행정에서는, 피스톤 (22) 이 상사점에서 하사점으로 이동함과 함께, 흡기 밸브 (26) 가 밸브 개방됨에 따라, 반응실 (23) 의 용적이 증대되어 되어, 반응실 (23) 의 내부 압력이 저하되고, 연료 개질에 적합한 산소 농도의 급기 (외기 및 EGR 가스를 포함함) 가 흡인된다.
그 후, 연료 개질 기통 (2) 의 압축 행정에서는, 피스톤 (22) 이 하사점에서 상사점으로 이동함에 따라, 반응실 (23) 의 용적이 감소되게 되어, 반응실 (23) 의 내부 압력이 증대되기 때문에, 반응실 (23) 내의 급기가 단열 압축된다. 이 단열 압축된 반응실 (23) 내의 급기는 연락 통로 (20a) 를 거쳐 외부 반응실 (20) 에 고속으로 유입되기 때문에, 그 때, 외부 반응실 (20) 내에서 고속의 와류를 형성한다. 이로써, 반응실 (23) 및 외부 반응실 (20) 의 내부가 고온, 고압 상태가 된다.
이 압축 행정에서는, 상기 고온, 고압의 외부 반응실 (20) 내에 인젝터 (25) 로부터 연료 개질에 적합한 당량비의 연료가 분사되기 때문에, 당해 연료가 상기 급기와 급속하게 혼합 (예혼합) 되어 증발한다. 이 혼합기는, 피스톤 (22) 이 상사점 부근에 도달했을 때, 개질 반응이 개시된다. 이 때, 외부 반응실 (20) 의 내부 압력은, 개질 반응이 진행됨으로써 반응실 (23) 의 내부 압력보다 낮아지기 때문에, 상기 혼합기가 반응실 (23) 에 유입되는 경우가 없다.
그리고, 연료 개질 기통 (2) 의 팽창 행정에서는, 피스톤 (22) 이 상사점에서 하사점으로 이동함에 따라, 반응실 (23) 의 용적이 증대되어 내부 압력이 감소하기 때문에, 외부 반응실 (20) 내의 개질 연료가 반응실 (23) 로 이동하여, 단열 팽창된다. 이 개질 연료는 상기 단열 팽창에 의해 냉각되고, 압력이 저하된 상태가 됨으로써, 개질 반응이 정지된다.
이어지는 연료 개질 기통 (2) 의 배출 행정에서는, 피스톤 (22) 이 하사점에서 상사점으로 이동함과 함께, 배기 밸브 (27) 가 밸브 개방됨에 따라, 개질 연료가 출력 기통 바이패스 통로 (81) 및 EGR 가스 냉각기 (77) 를 통해 출력 기통 흡기 통로 (43) 에 도입된다.
이상 설명한 바와 같이, 도 5 내지 도 7 에 나타내는 실시형태에서는, 외부 반응실 (20) 에 상기 개질 대상이 되는 연료가 직접적으로 공급되게 되는 한편, 반응실 (23) 에 상기 개질 대상이 되는 연료가 직접적으로 공급되지 않게 된다.
요컨대, 반응실 (23) 내에서 연료의 개질 반응이 실시되지 않게 되기 때문에, 외부 반응실 (20) 에 공급되는 연료가 반응실 (23) 을 구성하는 면 (실린더 헤드 (1b), 실린더 블록 (1a), 피스톤 (22)) 에 잘 부착되지 않게 된다. 그 때문에, 피스톤 (22) 의 왕복동에 의해 상기 부착 연료가 긁혀 떨어지는 리스크를 저감시킬 수 있게 된다.
한편, 외부 반응실 (20) 에 공급되는 연료는, 피스톤 (22) 의 상승에 따른 압력 상승 그리고 온도 상승과 고속의 와류의 발생의 상승 (相乘) 작용에 의해 급기와 혼합되면서 증발되게 되므로, 외부 반응실 (20) 의 내면에 연료가 잘 부착되지 않게 된다.
또한, 도 5 내지 도 7 에 나타내는 실시형태에 있어서도, 도시하고 있지 않지만, 본 발명의 취지에 기초하여 반응실 (23) 을 구성하는 면의 적어도 일부 (실린더 라이너 (21a) 의 내주면과, 피스톤 (22) 의 정면 (22a) 과, 실린더 헤드 (1b) 의 폭면 (1f) 중 적어도 어느 1 개) 에, 상기 서술한 고단열재 (10) 가 장착, 혹은 고단열 재료가 용사 또는 도포에 의해 코팅되는 것으로 한다.
또, 외부 반응실 (20) 의 내면에 대해서도, 도시하고 있지 않지만, 상기 서술한 고단열재 (10) 를 장착, 혹은 고단열 재료를 용사 또는 도포에 의해 코팅할 수 있다.
이와 같은 실시형태에서는, 외부 반응실 (20) 에 있어서 연료를 개질시킬 때에 외부 반응실 (20) 에서부터 외측으로의 방열, 요컨대 외부 반응실 (20) 로부터의 열 손실을 저하시키는 것이 가능해진다.
이로써, 외부 반응실 (20) 에 공급되는 연료의 개질 반응시의 온도를, 고단열재 (10) 를 채용하지 않는 경우에 비해 높게 유지할 수 있기 때문에, 연료의 개질 효율이, 고단열재 (10) 를 채용하지 않는 경우에 비해 향상되는 결과가 된다.
또한, 본 발명은, 그 주지 또는 주요한 특징으로부터 일탈하지 않고, 다른 여러 가지 형태로 실시할 수 있다. 그 때문에, 상기 서술한 각 실시형태나 각 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 불과하여, 한정적으로 해석해서는 안 된다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 의해 나타내는 것으로서, 명세서 본문에는 조금도 구속되지 않는다. 또한, 특허청구범위의 균등 범위에 속하는 변형이나 변경은, 모두 본 발명의 범위 내의 것이다.
이 출원은, 일본에서 2016년 7월 14일에 출원된 일본 특허출원 2016-139574호에 기초하는 우선권을 청구한다. 그 내용은 여기에 언급함으로써, 본 출원에 포함되는 것이다. 또, 본 명세서에 인용된 문헌은, 여기에 언급함으로써, 그 전부가 구체적으로 포함되는 것이다.
산업상 이용가능성
본 발명은, 연료를 개질시키기 위한 연료 개질 기통과, 연료 또는 개질 연료를 연소함으로써 기관 출력을 얻기 위한 출력 기통을 구비하는 내연 기관에 바람직하게 이용하는 것이 가능하다.
1 : 내연 기관
1a : 실린더 블록
1b : 실린더 헤드
1f : 폭면
2 : 연료 개질 기통
21 : 실린더 보어
21a : 실린더 라이너
21b : 확경부
22 : 피스톤
22a : 정면
22b : 축경부
23 : 반응실
3 : 출력 기통
10 : 고단열재
10a : 환상 홈
20 : 외부 반응실
20a : 연락 통로

Claims (5)

  1. 연료를 개질시키기 위한 연료 개질 기통과, 연료 또는 개질 연료를 연소함으로써 기관 출력을 얻기 위한 출력 기통을 구비하는 내연 기관에 있어서,
    상기 연료 개질 기통의 용적이 변화하는 반응실을 구성하는 면의 적어도 일부가, 고단열재로 되어 있고,
    상기 연료 개질 기통의 내주면에는 직경 방향 안쪽으로 돌출하는 돌출부를 가지며, 상기 돌출부는 상기 고단열재로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응실을 구성하는 면은, 실린더 블록에 있어서 상기 연료 개질 기통의 내주면과, 상기 연료 개질 기통 내에 수용되는 피스톤의 정면과, 실린더 헤드에 있어서 상기 연료 개질 기통을 덮는 폭면을 포함하고,
    이들 면 중 적어도 1 개가, 상기 고단열재로 되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 반응실에서의 스월류, 텀블류, 스퀴시에 의한 교반류의 유속을, 상기 출력 기통의 연소실에서의 그것에 비해 저하시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 반응실의 외측에는, 용적이 일정한 외부 반응실이 상기 반응실에 연락 통로를 개재하여 연통되도록 형성되고,
    이 외부 반응실에 상기 개질 대상이 되는 연료가 공급되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 외부 반응실의 내면이, 고단열재가 되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
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