KR102217236B1 - 유니플로 소기식 2사이클 엔진 - Google Patents

유니플로 소기식 2사이클 엔진 Download PDF

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Abstract

이 유니플로 소기식 2사이클 엔진은, 실린더(110)와, 실린더에 형성되고, 피스톤(114)이 하사점으로 향하는 과정에서 개구되어, 실린더의 내부에 활성가스를 유입시키는 소기 포트(118)와, 소기 포트 중, 피스톤의 상사점 측의 개구 위치(118a)를, 피스톤의 스트로크 방향으로 변위시키는 가동부를 구비한다.

Description

유니플로 소기식 2사이클 엔진
본 개시는, 유니플로 소기식 2사이클 엔진에 관한 것이다.
선박 기관으로서도 이용되는 유니플로 소기식 2사이클 엔진은, 실린더 중, 피스톤의 스트로크 방향의 일단측에 소기 포트가 마련되고, 타단측에 배치된 실린더 커버에 배기 포트가 마련되어 있다. 연소실에서 연료가 연소되고, 연소에 의해 발생한 연소 가스로부터 압압된 피스톤이 소기 포트보다 하사점 측으로 이동하면, 개구된 소기 포트로부터 실린더의 내부에 활성가스가 흡입되고, 연료 연소 후의 배기가스가, 활성가스에 의해 배기 포트로부터 밀려나오도록 하여 배기된다.
또한, 특허문헌 1에는, 연료를 액체 연료 및 연료 가스로 전환하는, 이른바 듀얼 퓨얼형의 유니플로 소기식 2사이클 엔진이 기재되어 있다.
특허문헌 1: 일본공개특허 2015-151963호 공보
액체 연료와 연료 가스는, 소기 포트로부터 실린더의 내부에 활성가스를 유입시키는 최적의 타이밍이 다른 경우가 있다. 그 때문에, 액체 연료와 연료 가스 중 한쪽에 맞추어 소기 포트의 위치를 설계하면, 다른 쪽의 연료를 이용하였을 때에, 적절한 타이밍에 활성가스를 실린더의 내부에 유입시키는 것이 어려운 경우가 있다.
또한, 연료 전환의 유무에 관계없이, 소기 포트의 개폐 타이밍은, 엔진의 효율에 영향을 준다. 예를 들어, 소기 포트가 피스톤의 상사점에 가까워서 개방하는 타이밍이 빨라지면, 팽창 행정이 짧아져 효율 저하를 초래할 가능성이 있고, 소기 포트가 피스톤의 하사점에 가까워서 폐쇄하는 타이밍이 빨라지면, 소기 시간이 짧아져 충분한 활성가스를 흡입할 수 없을 가능성이 있다.
그래서, 운전 상황에 따라, 소기 포트를 적절한 타이밍에 개폐시키는 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 개시는, 이러한 과제를 감안하여, 운전 상황에 따른 적절한 타이밍에 소기 포트를 개폐시키는 것이 가능한 유니플로 소기식 2사이클 엔진을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 개시의 제1 태양의 유니플로 소기식 2사이클 엔진은, 실린더와, 실린더에 형성되고, 피스톤이 하사점으로 향하는 과정에서 개구되어, 실린더의 내부에 활성가스를 유입시키는 소기 포트와, 소기 포트 중, 피스톤의 상사점 측의 개구 위치를, 피스톤의 스트로크 방향으로 변위시키는 가동부를 구비한다.
본 개시의 제2 태양은, 상기 제1 태양의 유니플로 소기식 2사이클 엔진이, 연료를 액체 연료 및 연료 가스로 전환하는 듀얼 퓨얼형이다.
본 개시의 제3 태양은, 상기 제1 또는 제2 태양의 유니플로 소기식 2사이클 엔진에 있어서, 실린더는, 소기 포트가 형성된 하부 실린더와, 하부 실린더보다, 피스톤의 상사점 측에 배치되는 상부 실린더를 가지며, 가동부는, 하부 실린더를, 상부 실린더에 대해 피스톤의 스트로크 방향으로 변위시키도록 구성되어 있다.
본 개시의 제4 태양은, 상기 제3 태양의 유니플로 소기식 2사이클 엔진에 있어서, 하부 실린더 및 상부 실린더 중 한쪽의 실린더의 단부가, 다른 쪽의 실린더의 내부에 피스톤의 스트로크 방향으로 삽입되어 있다.
본 개시의 제5 태양은, 상기 제4 태양의 유니플로 소기식 2사이클 엔진에 있어서, 하부 실린더의 단부가, 상부 실린더의 내부에 삽입되고, 하부 실린더가 가장 상사점 측으로 변위한 상태에서, 소기 포트의 상사점 측의 개구 위치가, 상부 실린더의 하사점 측의 단부보다, 하사점 측이다.
본 개시에 의하면, 운전 상황에 따른 적절한 타이밍에 소기 포트를 개폐시키는 것이 가능해진다.
도 1은, 유니플로 소기식 2사이클 엔진의 전체 구성을 나타내는 설명도이다.
도 2는, 가동부의 구조를 설명하기 위한 설명도이다.
도 3a는, 도 2의 3A-3A선 단면도이다.
도 3b는, 도 2의 3B-3B선 단면도이다.
도 4는, 가동부의 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
도 5는, 변형예에서의 유니플로 소기식 2사이클 엔진의 전체 구성을 나타내는 설명도이다.
이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 개시의 적합한 실시형태에 대해 상세하게 설명한다. 이 실시형태에 나타내는 구성요소의 치수, 재료, 기타 구체적인 수치 등은, 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 예시에 불과하며, 특별히 언급하는 경우를 제외하고, 본 개시를 한정하는 것은 아니다. 또, 본 명세서 및 도면에서, 실질적으로 동일한 기능, 구성을 갖는 요소에 대해서는, 동일한 부호를 부여함으로써 중복 설명을 생략하고, 또한 본 개시에 직접 관계가 없는 요소는 도시를 생략한다.
도 1은, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 전체 구성을 나타내는 설명도이다. 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은, 예를 들어 선박 등에 이용되며, 기체 연료인 연료 가스를 주로 연소시키는 가스 운전 모드와, 액체 연료인 연료유를 연소시키는 디젤 운전 모드 중 어느 하나의 운전 모드를 선택적으로 실행할 수 있다. 즉, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은, 연료를 액체 연료 및 연료 가스로 전환하는 듀얼 퓨얼형의 엔진이다.
구체적으로, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은, 실린더(110), 실린더 커버(112), 피스톤(114), 피스톤 로드(116), 소기 포트(118), 소기 탱크부(120), 소기실(122), 냉각기(124), 정류판(126), 드레인 세퍼레이터(128), 연소실(130), 배기 포트(132), 배기 밸브(134), 배기 밸브 구동 장치(136), 액체 연료 분사 밸브(138), 연료 가스 주관(140), 연료 분사 장치(142), 환상 배관(144), 연료 배관(146), 연료 분출구(148), 가동부(150)를 포함하여 구성된다. 이하, 실린더(110)의 중심축 방향(도 1의 지면(紙面) 상하 방향)에 있어서, 실린더 커버(112) 측을 상측이라고 부르고, 소기실(122) 측을 하측이라고 부르는 경우가 있다.
유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)에서는, 실린더(110)(실린더 라이너(110a)) 안을 피스톤(114)이 슬라이딩하고, 피스톤(114)의 상승 행정 및 하강 행정의 2행정 사이에, 배기, 흡기, 압축, 연소, 팽창이 행해진다. 피스톤(114)에는, 피스톤 로드(116)의 일단이 고정되어 있다. 또한, 피스톤 로드(116)의 타단에는, 도시하지 않은 크로스헤드가 연결되어 있고, 크로스헤드는, 피스톤(114)과 함께 왕복 이동한다. 피스톤(114)의 왕복 이동에 따라 크로스헤드가 왕복 이동하면, 그 왕복 이동에 연동하여, 도시하지 않은 크랭크 샤프트가 회전한다. 이하, 피스톤(114)이 실린더(110)의 중심축 방향에서 왕복 이동하는 방향을, 피스톤(114)의 스트로크 방향이라고 부르는 경우가 있다.
소기 포트(118)는, 실린더(110)의 내주면으로부터 외주면까지 관통하는 구멍으로, 실린더(110)의 전체둘레에 걸쳐, 간격을 두고 복수 설치되어 있다. 그리고, 소기 포트(118)는, 피스톤(114)이 하사점으로 향하는 과정에서 개구되어, 실린더(110)의 내부에 활성가스를 유입시킨다. 이 활성가스는, 산소, 오존 등의 산화제, 또는 그 혼합기(예를 들어 공기)를 포함한다. 본 실시형태의 소기 포트(118)는, 실린더(110)의 지름방향에서 볼 때, 스트로크 방향으로 연장되는 장원형으로 형성되어 있지만, 이러한 형상에 한정되지 않고, 예를 들어 원형, 타원형, 직사각형, 다각형 등이어도 된다. 이하, 피스톤(114)의 하사점을 단순히 하사점이라고 부르고, 피스톤(114)의 상사점을 단순히 상사점이라고 부르는 경우가 있다.
소기 탱크부(120)에는, 도시하지 않은 과급기 혹은 블로어 등에 의해 압축된 활성가스(예를 들어 공기)가, 냉각기(124)에 의해 냉각되어 봉입되어 있다. 활성가스는, 소기 탱크부(120)를 냉각기(124)로부터 소기실(122)을 향하여 유동한다. 압축 및 냉각된 활성가스는, 소기 탱크부(120) 내에 배치된 정류판(126)에 의해 정류된 후, 드레인 세퍼레이터(128)에서 수분이 제거된다.
소기실(122)은, 소기 탱크부(120)와 연통함과 아울러, 실린더(110) 중, 피스톤(114)의 스트로크 방향(이하, 단순히 스트로크 방향이라고 부름)의 일단측(도 1 중, 하측)을 둘러싸고 있다. 소기실(122)에는, 소기 탱크부(120)로부터, 압축, 냉각 및 수분 제거가 이루어진 활성가스가 도입된다.
소기실(122)에는, 소기 포트(118)가 개구되어 있다. 피스톤(114)이 소기 포트(118)보다 하측으로 하강하였을 때, 실린더(110) 안과 소기실(122)은 소기 포트(118)를 통해 서로 연통하고, 소기 포트(118)는, 소기실(122)과 실린더(110) 내의 차압(差壓)에 의해, 소기실(122)로부터 실린더(110) 내에 활성가스를 흡입한다.
연소실(130)은, 피스톤(114)이 상사점 측에 있을 때, 실린더(110)의 상단 개구부를 덮도록 배치된 실린더 커버(112)(실린더 헤드)와, 실린더 라이너(110a)와, 피스톤(114)으로 둘러싸여 실린더(110)의 내부에 형성된다. 실린더(110) 내에 흡입된 활성가스 및 연료 가스는, 피스톤(114)에 의해 연소실(130)에 도입된다.
배기 포트(132)는, 연소실(130)의, 도 1 중, 상측에 형성되고, 실린더(110) 내에서 연료 가스가 연소되어 발생한 배기가스를 실린더(110)의 외부로 배출하기 위해 개폐된다. 배기 밸브(134)는, 배기 밸브 구동 장치(136)에 의해 소정의 타이밍에 상하로 슬라이딩되어, 배기 포트(132)를 개폐한다. 연료 가스의 연소 후, 배기 밸브(134)가 개방되면, 소기 포트(118)로부터 유입된 활성가스(소기)에 의해, 실린더(110) 내의 배기가스가 배기 포트(132)로부터 밀려나온다.
또한, 상기와 같이, 본 실시형태의 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)에는, 디젤 운전 모드와 가스 운전 모드가 마련되어 있다. 이하, 주로 디젤 운전 모드로 이용되는 액체 연료 공급 기구, 및 주로 가스 운전 모드로 이용되는 연료 가스 공급 기구에 대해 설명한다.
(액체 연료 공급 기구)
액체 연료 분사 밸브(138)는, 실린더 커버(112)에 설치되고, 선단이 연소실(130)로 돌출되어 있으며, 디젤 운전 모드에서, 연소실(130)로 향하여 선단으로부터 연료유를 분사한다.
(연료 가스 공급 기구)
연료 가스 주관(140)은, 도시하지 않은 연료 탱크에 연통함과 아울러, 연료 분사 장치(142)를 개재하여 환상 배관(144)과 연통하고 있다. 연료 가스 주관(140)에는, 연료 탱크로부터 연료 가스가 도입되어 있고, 연료 분사 장치(142)가 구동하면, 연료 가스 주관(140)의 연료 가스가 환상 배관(144)에 유입된다.
여기서, 연료 가스는, 예를 들어 LNG(액화 천연가스)를 가스화하여 생성된 가스이다. 또한, 연료 가스는, LNG에 한정하지 않고, 예를 들어 LPG(액화 석유가스), 경유, 중유 등을 가스화한 가스를 사용할 수도 있다.
환상 배관(144)은, 실린더(110)의 지름방향 외측에, 소기 포트(118)보다, 도 1 중, 상측에 배치되어 있고, 실린더(110)의 둘레방향으로 환상으로 연장되어 실린더(110)를 둘러싼다. 환상 배관(144) 중, 스트로크 방향에서의 소기 포트(118) 측(즉 도 1 중의 하측)에는 복수의 연료 배관(146)이 고정되어 있다. 연료 배관(146)은, 각각의 소기 포트(118)에 대해 하나씩 배치되고, 스트로크 방향으로 연장되어 있다. 이하, 실린더(110)의 지름방향을 단순히 지름방향이라고 부르고, 실린더(110)의 둘레방향을 단순히 둘레방향이라고 부르는 경우가 있다.
연료 배관(146)은, 실린더(110) 중, 둘레방향으로 인접하는 소기 포트(118) 사이의 벽면에 대향되어 있고, 연료 배관(146) 중, 이 벽면과의 대향 부위에는, 연료 분출구(148)가 형성되어 있다. 여기서는, 소기 포트(118)가 실린더(110)의 전체둘레에 걸쳐 복수 설치되어 있기 때문에, 소기 포트(118)에 맞추어 연료 배관(146)(연료 분출구(148))도, 실린더(110)의 둘레방향에 걸쳐 복수 설치되어 있다.
연료 분출구(148)는, 환상 배관(144)에 유입된 연료 가스를, 소기 포트(118)에 흡입되는 활성가스에 분사한다. 그 결과, 연료 가스는, 활성가스의 흐름에 합류하여 활성가스와 함께 소기 포트(118)로부터 실린더(110) 내에 흡입된다.
엔진 사이클에서의 원하는 시점에서, 액체 연료 분사 밸브(138)로부터 적당량의(디젤 운전 모드보다 소량의) 연료유가 분사된다. 이 연료유는, 연소실(130)의 열로 기화된다. 그리고, 연료유가 기화되어 자연 착화하여 짧은 시간에 연소하여, 연소실(130)의 온도가 매우 높아지고, 연소실(130)에 도입되어 압축된 연료 가스가 연소한다. 피스톤(114)은, 주로 연료 가스의 연소에 의한 팽창압에 따라 왕복 이동한다.
연료 가스와 연료유에서는, 즉 가스 운전 모드와 디젤 운전 모드에서는, 소기 포트(118)로부터 실린더(110)의 내부에 활성가스를 유입시키는 최적의 타이밍이 다른 경우가 있다. 그 때문에, 연료 가스와 연료유 중 한쪽에 맞추어 소기 포트(118)의 위치를 설계하면, 다른 쪽의 연료를 이용하였을 때에, 적절한 타이밍에 활성가스를 실린더(110)의 내부에 유입시키는 것이 어려운 경우가 있다.
그래서, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은, 소기 포트(118)의 스트로크 방향의 위치를 변화시키는 가동부(150)를 구비하고 있다.
도 2, 도 3a 및 도 3b는, 가동부(150)의 구조를 설명하기 위한 설명도이다. 도 2에는, 도 1 중, 소기 포트(118) 근방을 추출하여 나타내고, 도 3a에는, 도 2의 3A-3A선 단면을 나타내며, 도 3b에는, 도 2의 3B-3B선 단면을 나타낸다. 여기서는, 도 3a, 3b는, 모두 실린더(110)의 중심축을 포함하는 면에 의한 단면도를 나타낸다.
도 2에 도시된 바와 같이, 실린더(110)(실린더 라이너(110a))는, 도 2 중, 상측(도 1의 실린더 커버(112) 측)의 상부 실린더(152)와, 상부 실린더(152)보다, 도 2 중, 하측(피스톤(114)의 하사점 측)에 배치된 하부 실린더(154)를 포함하여 구성된다. 상부 실린더(152)는, 하부 실린더(154)보다 피스톤(114)의 상사점 측에 위치하고, 소기 포트(118)는, 하부 실린더(154)에 형성되어 있다.
상부 실린더(152) 중, 도 2 중, 하측(하부 실린더(154) 측)의 하단부의 내주면에는, 그 내주면보다 지름방향 외측을 향하여 오목한 상부 홈(152a)이 설치되어 있다. 도 3a, 3b에 도시된 바와 같이, 상부 홈(152a)은, 둘레방향으로 이격되어 복수 설치되고, 스트로크 방향으로 연장되어 있다. 상부 홈(152a)은, 상부 실린더(152)의 하방을 향하여 개방되어 있다.
또한, 하부 실린더(154) 중, 도 2 중, 상측(상부 실린더(152) 측)의 상단면(154a)에는, 상부 실린더(152) 측으로 돌출되는 하부 돌기(154b)가 설치되어 있다. 하부 돌기(154b)는, 상단면(154a) 중 지름방향 내측의 부분에 설치되어 있다. 도 3a, 3b에 도시된 바와 같이, 하부 돌기(154b)는, 둘레방향으로 이격되어 복수, 상부 홈(152a)과 동일한 간격으로 설치되어 있고, 하부 돌기(154b)의 스트로크 방향의 길이(높이)는, 상부 홈(152a)의 스트로크 방향의 길이와 대략 동일하다.
그리고, 하부 실린더(154)의 상단면(154a)(단부)이 상부 실린더(152)의 내부에 스트로크 방향으로 삽입 통과(삽입)되고, 상부 실린더(152)의 복수의 상부 홈(152a)에, 하부 실린더(154)의 복수의 하부 돌기(154b)가 스트로크 방향으로 삽입 통과되어 있다. 즉, 하부 실린더(154) 중, 하부 돌기(154b)를 제외한 상단부가, 상부 실린더(152) 중, 상부 홈(152a)보다 하측의 하단부의 내부에, 스트로크 방향으로 슬라이딩 가능하게 밀(密)하게 삽입되어 있다. 상부 홈(152a)에 하부 돌기(154b)가 끼워맞춤됨으로써, 상부 실린더(152)에 대한 하부 실린더(154)의 둘레방향의 회전이 규제된다. 단, 상부 홈(152a) 내에서 하부 돌기(154b)는 스트로크 방향으로 슬라이딩 가능하여, 상부 실린더(152)에 대해 하부 실린더(154)가 스트로크 방향으로 상대 이동할 수 있다.
또한, 상부 실린더(152)의 내경(상부 실린더(152) 중, 상부 홈(152a)보다 상측 부분의 내경)과 하부 실린더(154)의 내경은 대략 동일하고, 하부 돌기(154b)가 상부 홈(152a)에 삽입 통과된 부위는, 둘레방향의 단차가 거의 발생하지 않도록 설계되어 있다.
가동부(150)는, 상부 실린더(152)와 하부 실린더(154)의 연결 부분에 설치되고, 상부 실린더(152)에 대해 하부 실린더(154)를 스트로크 방향으로 이동시킨다. 구체적으로는, 가동부(150)는, 유압 기구로 구성되어 있고, 유압 피스톤(156) 및 유압실(158)을 가지고 있다. 단, 가동부(150)는 유압 기구에 한정되지 않고, 상부 실린더(152)에 대해 하부 실린더(154)를 스트로크 방향으로 이동 가능하다면, 어떠한 구성이어도 된다.
상부 실린더(152)의 하단부 중, 상부 홈(152a)보다 지름방향 외측에는, 중공부(152c)가 설치되어 있다. 중공부(152c)는, 상부 실린더(152)의 둘레방향으로 이격되어 복수(여기서는, 예를 들어 4개), 상부 실린더(152)의 중심축에 대해 대칭으로 배치된다. 즉, 중공부(152c)는, 상부 실린더(152)의 둘레방향으로 등간격으로 배치되어 있다. 유압 피스톤(156)은, 스트로크 방향으로 슬라이딩 가능하게 중공부(152c)의 내부에 배치되고, 중공부(152c)를 스트로크 방향으로 2개의 공간으로 구분한다.
유압실(158)은, 중공부(152c) 중, 유압 피스톤(156)으로 구분된, 도 2 중, 하측(하부 실린더(154) 측)의 공간이다. 유압실(158)은, 도시하지 않은 오일펌프와 연통하고, 오일펌프로부터 유압실(158)에 승압된 작동유가 공급된다.
유압실(158)에 작동유가 공급되면, 유압실(158)에 공급되는 작동유의 유압에 의해, 유압 피스톤(156)은, 도 2 중, 상측으로 이동한다. 또한, 유압실(158)로부터 작동유가 배출되면, 중력에 의해 유압 피스톤(156)이, 도 2 중, 하측으로 이동한다. 또, 예를 들어, 중공부(152c) 중 유압 피스톤(156)으로 구분된 2개의 공간에 승압된 작동유가 교대로 공급되어, 유압 피스톤(156)이 스트로크 방향으로 왕복 이동하는 구성이어도 된다. 유압 피스톤(156)의 스트로크 방향 중 어느 한쪽으로의 이동은 작동유에 의해 행해지고, 다른 쪽으로의 이동은 다른 외력(중력이나 스프링 등의 바이어스력)에 의해 행해져도 된다.
유압 피스톤(156) 중, 도 2 중, 하측에는, 샤프트(160)가 고정되어 있다. 샤프트(160)는, 상부 실린더(152) 중, 유압실(158)의, 도 2 중, 하측의 벽부를 관통하여, 소기 포트(118)보다 하측까지 스트로크 방향으로 연장되어 있다. 샤프트(160)의 하단부가, 하부 실린더(154)의 외주면에 설치된 돌출부(154c)에 고정된다.
도 4는, 가동부(150)의 동작을 설명하기 위한 설명도이다. 도 4의 지면 상측에 도시된 도 4의 (a)는, 하부 실린더(154)가 최상승 위치(하부 실린더(154)가 피스톤(114)의 상사점에 가장 가까워진 위치, 하부 실린더(154)가 상부 실린더(152)에 가장 가까워진 위치)에 있는 상태를 나타내고, 도 4의 지면 하측에 도시된 도 4의 (b)는, 하부 실린더(154)가 최하강 위치(하부 실린더(154)가 피스톤(114)의 상사점으로부터 가장 스트로크 방향으로 이간된 위치, 하부 실린더(154)가 상부 실린더(152)로부터 가장 스트로크 방향으로 이간된 위치)에 있는 상태를 나타낸다. 도 4의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 유압 피스톤(156)이 유압 등에 의해, 도 4 중, 상측으로 이동하면, 샤프트(160)를 개재하여 유압 피스톤(156)에 연결되어 있는 하부 실린더(154)도 상측으로 이동한다. 마찬가지로, 유압 피스톤(156)이 유압 등에 의해, 도 4 중, 하측으로 이동하면, 하부 실린더(154)도 하측으로 이동한다.
이와 같이, 가동부(150)에 의해, 상부 실린더(152)에 대한 하부 실린더(154)의 위치가 스트로크 방향으로 변위하는 구성으로 되어 있다. 그 결과, 하부 실린더(154)에 설치된 소기 포트(118)의 위치도, 스트로크 방향으로 변위한다. 즉, 소기 포트(118) 중, 피스톤(114)의 상사점 측의 개구 위치(118a)가, 스트로크 방향으로 변위한다. 바꾸어 말하면, 가동부(150)에 의해, 소기 포트(118) 중, 피스톤(114)의 상사점 측의 개구 가장자리의 위치(피스톤(114)의 상사점에 가장 가까운 개구 가장자리의 위치, 상부 실린더(152)에 가장 가까운 개구 가장자리의 위치)가, 스트로크 방향으로 변화 가능하게 되어 있다.
상기와 같이, 연료 가스와 연료유에서는, 소기 포트(118)로부터 실린더(110)의 내부에 활성가스를 유입시키는 최적의 타이밍이 다른 경우가 있다. 구체적으로는, 연료유를 이용하는 경우에는, 연료의 연소 후, 팽창 행정을 길게 확보하기 위해, 소기 포트(118)를 상사점으로부터 먼 위치(도 4 중, 하측)에 배치하는 것이 좋은 경우가 있다. 한편, 연료 가스를 이용하는 경우에는, 조기착화의 원인이 되는 연소실(130) 내의 고온의 배기가스를 많이 배출하기 위해, 소기 포트(118)를 상사점 측(도 4 중, 상측)에 배치하여 활성가스에 의한 소기를 빨리 개시하는 것이 좋은 경우가 있다.
연료유를 이용하는 디젤 운전 모드에서는, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 하부 실린더(154)를 하측으로 이동시키고, 연료 가스를 이용하는 가스 운전 모드에서는, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 하부 실린더(154)를 상측으로 이동시킴으로써, 소기 포트(118)로부터 실린더(110)의 내부에 활성가스를 적절한 타이밍에 유입시키는 것이 가능해진다. 그 결과, 디젤 운전 모드에서는, 팽창 행정을 길게 확보하여 효율 향상을 도모함과 아울러, 가스 운전 모드에서는, 조기착화하기 어려워진 만큼, 연료 가스의 분사량을 늘려 출력을 상승시키는 것이 가능해진다.
또한, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 하부 실린더(154)가 가장 상사점 측으로 변위한 상태에서, 소기 포트(118)의 상사점 측의 개구 위치(118a)가, 상부 실린더(152)의 하단면(152b)(하사점 측의 단부)보다, 하사점 측으로 되어 있다.
그 때문에, 소기 포트(118)의 일부를 상부 실린더(152)가 덮어 버려, 상부 실린더(152)에 의해 소기 포트(118)로부터의 활성가스의 유입이 방해되는 등의 사태를 회피하고, 적절한 타이밍에서의 활성가스의 유입을 실현하는 것이 가능해진다.
도 5는, 상기 실시형태의 변형예에서의 유니플로 소기식 2사이클 엔진(200)의 전체 구성을 나타내는 설명도이다. 상술한 실시형태에서는, 연료 가스 공급 기구의 연료 분출구(148)가 연료 가스를, 소기 포트(118)에 흡입되는 활성가스에 분사하는 경우에 대해 설명하였다. 이 변형예에서는, 실린더(110) 중, 소기 포트(118)와 배기 포트(132) 사이의 부분에, 연료 가스 공급 기구의 연료 분사 포트(202)가 설치되어 있다.
연료 분사 포트(202)는, 실린더(110)의 둘레방향으로 이격되어 복수 설치되어 있다. 각각의 연료 분사 포트(202)에는, 연료 분사 밸브(204)가 배치되어 있다. 연료 분사 밸브(204)에는, 연료 배관(206)에 연통하고, 연료 배관(206)으로부터 도입되는 연료 가스를 연료 분사 밸브(204)가 연료 분사 포트(202)를 통해 실린더(110) 내에 분사한다.
이와 같이, 연료 가스 공급 기구는, 연료 분출구(148)가 연료 가스를, 소기 포트(118)에 흡입되는 활성가스에 분사하는 구성에 한정하지 않고, 실린더(110)에 연료 분사 포트(202)를 설치하여, 연료 분사 포트(202)로부터 실린더(110) 내에 연료 가스를 공급하는 구성이어도 된다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 개시의 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 개시는 상기 실시형태에는 한정되지 않는다. 상기 실시형태에서 나타낸 각 구성 부재의 여러 가지 형상이나 조합 등은 일례로서, 본 개시의 기술적 범위에서 설계 요구 등에 기초하여, 구성의 부가, 생략, 치환, 및 기타 변경이 가능하다.
예를 들어, 상술한 실시형태 및 변형예에서는, 실린더(110)가 상부 실린더(152)와 하부 실린더(154)를 포함하여 구성되고, 가동부(150)가, 하부 실린더(154)를, 상부 실린더(152)에 대해 스트로크 방향으로 변위시키는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 실린더(110)를 상부 실린더(152)와 하부 실린더(154)로 나누지 않고, 가동부(150)는, 예를 들어, 소기 포트(118)의 상사점 측의 일부를 막음으로써, 소기 포트(118)의 상사점 측의 개구 위치(118a)(즉, 소기 포트(118)의 상사점 측의 개구 가장자리의 위치)를 변위시켜도 된다. 단, 실린더(110)가 상부 실린더(152)와 하부 실린더(154)를 포함하여 구성되고, 가동부(150)가, 하부 실린더(154)를, 상부 실린더(152)에 대해 스트로크 방향으로 변위시킴으로써, 소기 포트(118) 전체의 스트로크 방향의 변위가 가능해진다. 즉, 소기 포트(118)의 상사점 측의 개구 가장자리의 위치가 스트로크 방향으로 변화하는 구성이어도 되고, 소기 포트(118) 전체가 스트로크 방향으로 변위하는 구성이어도 된다.
또한, 상술한 실시형태 및 변형예에서는, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100, 200)이, 연료를 액체 연료 및 연료 가스로 전환하는 듀얼 퓨얼형의 엔진인 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100, 200)은, 듀얼 퓨얼형에 한정하지 않고, 액체 연료 및 연료 가스 중 한쪽만을 이용하는 엔진이어도 된다. 단, 유니플로 소기식 2사이클 엔진이 듀얼 퓨얼형인 경우, 가스 운전 모드와 디젤 운전 모드 각각에서, 적절한 타이밍에 소기 포트(118)를 개방하고, 활성가스를 실린더(110)의 내부에 유입시키는 것이 가능해진다.
또한, 상술한 실시형태 및 변형예에서는, 운전 모드에 따라, 하부 실린더(154)를 스트로크 방향으로 변위시키는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 운전 모드에 한정하지 않고, 엔진의 행정에 따라 하부 실린더(154)를 스트로크 방향으로 변위시켜도 된다. 예를 들어, 팽창 행정에서는, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 하부 실린더(154)를 하사점 측에 위치시켜 두고, 그 결과, 소기 포트(118)가 개방되기 시작하는 타이밍이 늦어져, 팽창 행정을 길게 하여 효율 향상을 도모할 수 있다.
한편, 압축 행정에서는, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 하부 실린더(154)를 상사점 측에 위치시켜 두고, 그 결과, 소기 포트(118)가 폐색되는 타이밍이 늦어져, 소기(흡기) 시간을 길게 하여, 활성가스의 유입 및 배기가스의 배출을 효율적으로 수행하는 것이 가능해진다.
또한, 가스 운전 모드와 디젤 운전 모드 중 어느 한쪽의 운전 모드일 때에, 엔진 효율의 향상을 위해, 엔진의 운전 상황(가속시나 감속시)이나 회전수에 따라, 소기 포트(118)의 상사점 측의 개구 가장자리의 위치나 소기 포트(118) 전체의 위치를 스트로크 방향으로 변화시키는 구성이어도 된다.
또한, 상술한 실시형태 및 변형예에서는, 하부 실린더(154)의 단부(상단부)가, 상부 실린더(152)의 내부(하단부의 내부)에 삽입 통과(삽입)되는 경우에 대해 설명하였지만, 상부 실린더(152)의 단부(하단부)가 하부 실린더(154)의 내부(상단부의 내부)에 삽입 통과(삽입)되어 있어도 된다. 단, 하부 실린더(154)의 단부가, 상부 실린더(152)의 내부에 삽입 통과되는 경우, 하부 실린더(154)의 외경을 작게 하여 경량화할 수 있고, 가동부(150)에 필요로 하는 구동력을 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 상술한 실시형태 및 변형예에서는, 하부 실린더(154)가 가장 상사점 측으로 변위한 상태에서, 소기 포트(118)의 상사점 측의 개구 위치(118a)가, 상부 실린더(152)의 하사점 측의 단부보다 하사점 측인 경우에 대해 설명하였지만, 소기 포트(118)의 상사점 측의 개구 위치는, 상부 실린더(152)의 하사점 측의 단부와 동일하거나, 상사점 측에 위치해도 된다.
또한, 상술한 실시형태 및 변형예에서는, 상부 홈(152a) 및 하부 돌기(154b)가, 각각 둘레방향으로 이격되어 복수 설치되는 경우에 대해 설명하였지만, 상부 홈(152a) 및 하부 돌기(154b)는 필수적인 구성이 아니다. 단, 상부 홈(152a) 및 하부 돌기(154b)를 설치함으로써, 상부 실린더(152)에 대한 하부 실린더(154)의 둘레방향의 회전을 간이한 구성으로 규제할 수 있다. 또한, 상부 홈(152a) 및 하부 돌기(154b)를 각각 복수 설치함으로써, 피스톤(114)에 설치된 피스톤 링의 합구(合口; 합구를 형성하는 단부)가, 상부 홈(152a)이나, 둘레방향으로 인접하는 하부 돌기(154b) 사이의 부분에 걸리는 것을 억제할 수 있어, 피스톤(114)이 실린더(110)의 내주면에 대해 원활하게 슬라이딩하는 것이 가능해진다. 상부 홈(152a) 및 하부 돌기(154b)의 둘레방향의 설치수를 늘리면, 피스톤(114)에 설치된 피스톤 링의 합구가 상부 홈(152a) 등에 걸리는 것을 더욱 억제할 수 있다.
상술한 실시형태 및 변형예에서는, 실린더(110)의 중심축 방향에 있어서, 실린더 커버(112) 측을 상측이라고 부르고, 소기실(122) 측을 하측이라고 부르고 있지만, 이는 실제 사용시에서의 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100, 200)의 자세를 한정하는 것은 아니고, 적절한 동작을 확보할 수 있는 것이면 어떠한 자세로 사용해도 된다.
본 개시는, 실린더에 소기 포트가 형성된 유니플로 소기식 2사이클 엔진에 이용할 수 있다.
100, 200 유니플로 소기식 2사이클 엔진
110 실린더
114 피스톤
118 소기 포트
118a 개구 위치
150 가동부
152 상부 실린더
152b 하단면(단부)
154 하부 실린더
154a 상단면(단부)

Claims (4)

  1. 실린더와,
    상기 실린더에 형성되고, 피스톤이 하사점으로 향하는 과정에서 개구되어, 그 실린더의 내부에 활성가스를 유입시키는 소기 포트와,
    상기 소기 포트 중, 상기 피스톤의 상사점 측의 개구 위치를, 그 피스톤의 스트로크 방향으로 변위시키는 가동부를 구비하고,
    상기 실린더는,
    상기 소기 포트가 형성된 하부 실린더와,
    상기 하부 실린더보다, 상기 피스톤의 상사점 측에 배치되는 상부 실린더를 가지며,
    상기 가동부는, 상기 소기 포트의 위치를 상기 피스톤의 스트로크 방향으로 변화시키도록, 상기 소기 포트가 형성되어 있는 상기 하부 실린더를, 상기 상부 실린더에 대해 상기 피스톤의 스트로크 방향으로 변위시키도록 구성되어 있는 유니플로 소기식 2사이클 엔진.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부 실린더 및 상기 상부 실린더 중 한쪽의 실린더의 단부는, 다른 쪽의 실린더의 내부에 상기 피스톤의 스트로크 방향으로 삽입되어 있는 유니플로 소기식 2사이클 엔진.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 하부 실린더의 단부는, 상기 상부 실린더의 내부에 삽입되고,
    상기 하부 실린더가 가장 상기 상사점 측으로 변위한 상태에서, 상기 소기 포트의 상기 상사점 측의 개구 위치가, 상기 상부 실린더의 상기 하사점 측의 단부보다, 상기 하사점 측인 유니플로 소기식 2사이클 엔진.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    연료를 액체 연료 및 연료 가스로 전환하는 듀얼 퓨얼형인 유니플로 소기식 2사이클 엔진.
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