KR20120018546A - 프리챔버를 구비한 저압가스 공급 방식의 2행정 대형 엔진 - Google Patents

프리챔버를 구비한 저압가스 공급 방식의 2행정 대형 엔진 Download PDF

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안광헌
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Abstract

본 발명은 2행정 대형 엔진에 관한 것으로서, 엔진의 실린더 내부로 공급되는 가스연료를 저압상태로 공급하여 희박 예혼합 연소방식을 구현하며 연료에 따라 점화원을 달리하여 점화할 수 있게 구성한 2행정 대형 엔진을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 실린더 라이너의 하단에 소기구가 형성되며, 상기 실린더 라이너의 상단에는 배기변이 장착되며, 실린더 헤드에는 점화원이 장착된 2행정 대형 엔진으로서, 상기 실린더 라이너의 중간에 형성된 저압가스 공급포트와, 상기 저압가스 공급포트에 연결된 저압가스라인과, 상기 저압가스 공급포트에 장착된 가스밸브를 포함하며, 상기 점화원은 프리챔버인 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

프리챔버를 구비한 저압가스 공급 방식의 2행정 대형 엔진{A Lean Burn Type of Two Stroke Gas Engine with Pre-Chamber}
본 발명은 2행정 대형 엔진에 관한 것으로서, 특히 엔진의 실린더 내부로 공급되는 가스연료를 저압상태로 공급하여 희박 예혼합 연소방식을 구현하며 연료에 따라 점화원을 달리하여 점화할 수 있게 구성한 것이다.
2행정 대형 엔진은 디젤 연료 또는 이중 연료(가스 및 오일)를 사용하는 엔진이다. 기존의 2행정 대형 가스엔진은 연소공기가 실린더 라이너의 아래쪽에 위치한 소기구를 통해 공급되어 배기가스를 밀어내는 과정인 소기(scavenging)과정을 거치므로, 연소공기에 가스를 분사하여 혼합가스를 실린더 내부로 공급하면 배기가스와 혼합되어 배기구를 빠져나가게 되므로 배기변이 닫힌 이후에 고압으로 가스를 분사하도록 구성되어 있다.
이와 같이 실린더 내부로 고압의 가스를 공급하기 위해서는 가스를 고압으로 압축하기 위해 가스펌프가 반드시 필요하다.
또한 분사된 가스는 실린더 내부에 있는 공기와 접촉해 확산연소과정을 거치게 됨에 따라 디젤 사이클과 동일한 연소현상을 가지게 되어 녹스의 발생량이 증가하게 되는 단점이 있다.
본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 실린더의 내부로 저압가스를 공급할 수 있게 구성한 2행정 대형 엔진을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 실린더에 유입된 연료에 따라 다른 점화원으로 점화할 수 있게 구성한 2행정 대형 엔진을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 실린더 라이너의 하단에 소기구가 형성되며, 상기 실린더 라이너의 상단에는 배기변이 장착되며, 실린더 헤드에는 점화원이 장착된 2행정 대형 엔진으로서, 상기 실린더 라이너의 중간에 형성된 저압가스 공급포트와, 상기 저압가스 공급포트에 연결된 저압가스라인과, 상기 저압가스 공급포트에 장착된 가스밸브를 포함하며, 상기 점화원은 프리챔버인 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 실린더를 왕복운동하는 피스톤이 하사점에 위치할 때에 상기 소기구를 통해 연소공기가 유입되어 소기과정을 거치고, 상기 피스톤이 소기구를 폐쇄하였을 때에 상기 저압가스 공급포트를 통해 저압가스가 상기 실린더 내부로 유입되어 상기 피스톤에 의해 압착된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 점화원으로 연료분사밸브가 더 장착된다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 2행정 대형 엔진은 연소공기를 압착하기 전에 저압상태의 가스를 연소공기로 분사함으로써, 연소공기가 피스톤의 상승으로 가압되면서 가스와 혼합되어 예혼합 연소의 과정을 거치게 된다. 따라서 희박연소가 가능해진다. 오토 사이클(Otto Cycle)의 특성인 희박 연소 및 정적연소가 진행됨으로써, 동일한 압축비를 가진 디젤 사이클보다 높은 효율을 가지게 되어 CO2를 저감시키는 효과가 있으며, 또한 연소속도가 빨라 NOx의 발생을 줄일 수 있어 친환경적이다.
또한, 본 발명의 2행정 대형 엔진은 공급되는 연료에 따라 적합한 점화원을 사용하여 점화함으로써, 엔진의 효율성을 증대시킨다.
또한, 본 발명의 2행정 대형 엔진은 실린더 내부에 저압가스를 공급함에 따라 종래와 같이 고압 가스를 공급하기 위한 고가의 가스펌프가 필요하지 않다. 따라서 경제적이라는 장점과 더불어 엔진 보조 장비의 축소와 함께 출력을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 2행정 대형 엔진은 가스로서 천연가스 또는 바이오 가스를 연료로 사용할 수도 있고 가스의 공급이 원활하지 못할 경우에는 순수 액체 오일 연료를 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 2행정 대형 엔진을 나타낸 개념도이고,
도 2는 도 1에 도시된 엔진의 작동관계를 나타낸 개념도이며,
도 3은 도 1에 도시된 실린더 헤드의 인젝터를 나타낸 단면도이다.
아래에서는 본 발명에 따른 2행정 대형 엔진의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도면에서, 도 1은 본 발명에 따른 2행정 대형 엔진을 나타낸 개념도이고, 도 2는 도 1에 도시된 엔진의 작동관계를 나타낸 개념도이며, 도 3은 도 1에 도시된 실린더 헤드의 인젝터를 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 2행정 대형 엔진(100)은 실린더(110) 라이너의 중간에 저압가스 공급포트(120)가 형성되고, 저압가스 공급포트(120)에는 가스밸브(121)가 장착되어 저압가스라인(123)으로부터 공급된 저압가스가 가스밸브(121)를 통해 실린더(110) 내부로 유입된다.
한편 실린더(110)의 라이너 하단에는 연소공기리시버(133)가 연결된다. 연소공기리시버(133)에는 터보챠저에서 가압된 연소공기가 충전되며 실린더(110) 라이너의 하단에 형성된 소기구(131)를 통해 가압된 연소공기가 실린더(110) 내부에 유입된다.
또한, 실린더 헤드(141)에는 제1점화원인 연료분사밸브(143)들이 설치되고 제2점화원인 프리챔버(145)들이 설치된다. 연료분사밸브(143)는 고압으로 압축된 연소공기에 연료를 고압으로 분사하여 착화시키며, 프리챔버(145)는 농후한 농도의 가스가 점화되어 실린더로 화염을 분사하여 적절한 시기에 실린더 내의 희박한 가스를 점화시킨다. 따라서 연료분사밸브(143)는 액체연료오일에 의해 작동될 때에 동작하며, 프리챔버(145)는 가스연료에 의해 엔진이 작동될 때에 가스의 점화를 위해 동작한다.
상기 프리챔버(145)는 그 내부에 별도의 가스연료공급라인과 점화용 소형 전자제어 인젝터 또는 점화 플러그가 장착되어 있어 가스연료공급라인을 통해 공급된 가스를 인젝터 또는 점화플러그로 점화시키고 외부 즉 실린더 내부로 배출된 화염에 의해 실린더 내부의 희박 가스를 점화시킨다. 이와 같은 프리챔버는 이미 상용화된 것으로 그 세부적인 구성에 대한 설명은 생략한다.
이와 같이 구성된 실린더 헤드(141)에는 배기변(151)이 장착된다.
아래에서는 이와 같이 구성된 2행정 대형 엔진의 작동관계에 대해 설명한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 실린더(110) 내부를 직선운동하는 피스톤(161)이 하사점에 위치할 때에 소기구(131)는 개방되며, 개방된 소기구(131)를 통해 연소공기리시버(133)에 충전된 가압된 연소공기가 실린더(110) 내부로 유입된다.
이 상태에서 피스톤(161)이 상승하는데, 피스톤(161)이 상승하여 소기구(131)를 폐쇄하기 이전까지 가압된 연소공기가 실린더(110) 내부로 유입된다. 이와 같이 실린더(110)에 유입된 연소공기는 실린더(110) 내의 배기 가스를 열린 배기변(151)으로 배기시키고, 배기변(151)이 닫힌 후에는 실린더(110) 내부에서 압축되어 연료의 점화에 필요한 온도 및 압력 조건을 형성하게 된다.
한편, 피스톤(161)이 상승하면서 소기구(131)를 폐쇄하고, 이때 저압가스 공급포트(120)를 통해 약 30bar 이하의 가스가 실린더(110)로 유입된다. 저압가스 공급포트(120)에는 가스밸브(121)가 장착되어 실린더(110)로 유입되며 가스밸브(121)에 의해 차단되어 역류하지 않는다.
이와 같이 실린더(110)로 유입된 저압가스는 전에 유입된 연소공기와 혼합되며 피스톤(161)이 상사점으로 상승하면서 고압으로 압축된다. 가스와 연소공기가 혼합되어 고압을 압축된 상태에서 프리챔버(145)로부터 가스점화를 위한 화염이 전파되면 실린더(110) 내부의 희박한 가스연료는 폭발하여 엔진의 동력을 생성한다.
100 : 2행정 대형 엔진
110 : 실린더
120 : 저압가스 공급포트
121 : 가스밸브
123 : 저압가스라인
131 : 소기구
133 : 연소공기리시버
141 : 실린더 헤드
143 : 연료분사밸브
145 : 프리챔버
151 : 배기변
161 : 피스톤

Claims (3)

  1. 실린더 라이너의 하단에 소기구가 형성되며, 상기 실린더 라이너의 상단에는 배기변이 장착되며, 실린더 헤드에는 점화원이 장착된 2행정 대형 엔진으로서,
    상기 실린더 라이너의 중간에 형성된 저압가스 공급포트와,
    상기 저압가스 공급포트에 연결된 저압가스라인과,
    상기 저압가스 공급포트에 장착된 가스밸브를 포함하며,
    상기 점화원은 프리챔버인 것을 특징으로 하는 2행정 대형 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실린더를 왕복운동하는 피스톤이 하사점에 위치할 때에 상기 소기구를 통해 연소공기가 유입되어 소기과정을 거치고, 상기 피스톤이 소기구를 폐쇄하였을 때에 상기 저압가스 공급포트를 통해 저압가스가 상기 실린더 내부로 유입되어 상기 피스톤에 의해 압착되는 것을 특징으로 하는 2행정 대형 엔진.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 점화원으로 연료분사밸브가 더 장착된 것을 특징으로 하는 2행정 대형 엔진.
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