KR20130031850A - 2사이클 엔진 - Google Patents

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KR20130031850A
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다카유키 야마다
다카히로 구게
다카히로 다키모토
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Abstract

실린더의 길이방향 일단부에서 개폐되는 배기 포트와, 상기 실린더의 길이방향 타단부에서 개폐되는 소기 포트와, 상기 배기 포트와 상기 소기 포트 사이에서 상기 실린더의 내부에 연료를 분사하는 연료 분사 포트를 갖는 2사이클 엔진에 있어서,　배기 포트 및 소기 포트 중 적어도 어느 한쪽이 개방된 상태에서 연료의 분사를 개시시키는 2사이클 엔진.

Description

2사이클 엔진{Two-stroke engine}
본 발명은 2사이클 엔진에 관한 것으로, 특히 실린더의 내부에 연료를 직접 분사(직분; 直噴)하는 2사이클 엔진에 관한 것이다.
본원은 2010년 8월 5일에 일본 출원된 특허출원 2010-176002호 및 2010년 9월 8일에 일본 출원된 특허출원 2010-201041호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
2사이클 엔진(2스트로크 엔진이라고도 칭함)은, 실린더의 내부에서 피스톤이 1왕복할 때마다 흡기, 압축, 연소, 배기가 1사이클하는 리시프로 엔진이다. 일반적으로 2사이클 엔진은 실린더의 내부에 인젝터 등의 연료 분사 포트를 구비하고, 소기(掃氣) 포트 및 배기 포트가 폐색된 상태에서 연소실 내에 연료 분사함으로써 연료의 빠져나감을 막는다.
이 2사이클 엔진으로서, 예를 들면 하기 특허문헌 1에 기재된 2사이클 개질(改質) 가스 엔진이 알려져 있다. 이 2사이클 엔진은, 실린더의 상부에 배기 포트를 구비하고 실린더의 하부에 소기 포트를 구비하는 유니플로우형 2사이클 엔진이다. 이 2사이클 엔진에서도, 배기 완료 후 피스톤이 소기 포트보다 위쪽에 위치하여 연소실이 폐쇄된 압축 행정 중에 개질 가스를 연소실 내에 분사한다.
또한, 종래의 유니플로우식의 2사이클 엔진을 도 7, 도 8에 기초하여 보다 상세하게 설명한다. 도 7은 종래예에 관한 2사이클 엔진에서의 소기 행정시의 개략 구성도, 도 8은 동 가스 연소(폭발)시의 개략 구성도이다. 이러한 2사이클 엔진의 주연료로서는 가연성 가스를 사용 가능하다. 이하의 종래기술의 설명에서는 가연성 가스로서 액화 천연 가스(LNG)를 주연료로 하는 경우의 설명을 한다.
2사이클 엔진은 통형상의 실린더 라이너(4b), 그 실린더 라이너(4b)의 외주의 단부(段部)를 상부벽(2a) 중앙의 개구부에 걸어맞춤하여 보유지지하는 하우징(10), 하우징(10)의 도면에서 우측으로 개구하는 개구부(2b)에 장착되는 소기 챔버(12), 실린더 라이너(4b)의 상면에 장착되는 중공형상의 실린더 헤드(4a)를 구비한다. 또, 2사이클 엔진은 실린더 헤드(4a)의 중앙의 개구부에 위쪽으로부터 장착되는 배기 밸브 하우징(50)을 구비한다.
실린더 라이너(4b)의 중공부(내주)에는 원주형상의 피스톤(3)이 상하 이동 가능하게 끼워맞춤된다. 피스톤(3)은, 아래쪽으로 연장되는 피스톤 로드(70)가 하우징(10)의 아래쪽 내측에 설치한 플랜지부(2c)의 중앙에 장착되는 스태핑 박스(80)에 보유지지됨으로써, 실린더 라이너(4b) 및 하우징(10)에 보유지지된다. 하우징(10)의 개구부(2b)로 이어지는 공간(11)에 임하여, 실린더 라이너(4b)의 측벽에는 복수의 소기 포트(9)가 형성된다. 소기 포트(9)는, 도 4에 도시된 바와 같이 피스톤(3)이 하사점(下死点)에 있는 상태에서 하우징(10)의 공간(11)으로부터 실린더 라이너(4b)의 내부에 공기를 도입한다.
실린더 헤드(4a)에는, 그 하부에 형성되는 연소실(100)로 향하여 연료 분사 포트(13)와 파일럿 분사 밸브(5)가 비스듬하게 서로 마주보도록 설치된다. 배기 밸브 하우징(50)에는, 연소실(100)로 개구하는 바닥부로부터 경사 상방으로 향하는 배기 포트(6)가 형성된다. 또한, 배기 밸브 하우징(50)에는, 하단부에 배기 밸브(7)를 갖는 배기 밸브봉(140)이 상하 이동이 자유롭게 축지지된다. 배기 밸브(7)는, 연소실(100)과 배기 포트(6)를 개폐한다. 배기 밸브봉(140)은, 배기 밸브 구동 장치(8)에 의해 상하이동하고, 배기 밸브(7)에 의해 연소실(100)과 배기 포트(6)를 개폐한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 연료 분사 포트(13)는 LNG 탱크(160)와 고압 펌프(170), 증발기(180), 압력 조정 밸브(19)를 개재하여 접속된다. 고압 펌프(170)는 전동기(20)에 의해 구동된다. 또한, 파일럿 분사 밸브(5)는 연료 분사 펌프(21)에 접속된다.
다음에, 이러한 구성의 2사이클 엔진의 동작을 설명한다.
도 7에 나타내는 소기 행정시에 피스톤(3)이 하사점에 있는 상태에서, 소기 챔버(12)로부터 공급된 공기가 하우징(10)의 공간(11)으로부터 실린더 라이너(4b)의 내부에 도입된다. 또한, 동시에 배기 밸브(7)가 개방 상태가 되어 있는 동안에 연소실(100)에 잔류하고 있는 연소 가스가 배기 밸브 하우징(50)의 배기 포트(6)로부터 외부로 배기된다. 그 후, 피스톤(3)은 실린더 라이너(4b) 안을 상승하고(연소실(100)로 향하여 이동하고), 배기 밸브(7)가 닫힘 상태가 되면 실린더 라이너(4b) 내로 유입한 공기는 압축되어 간다.
도 8은, 피스톤(3)이 상사점까지 도달하여 공기가 최대로 압축된 상태를 나타낸다. 이 상태에서 LNG 탱크(160)로부터 공급되는 LNG를 전동기(20)에 의해 구동되는 고압 펌프(170)를 이용하여 가압하고, 증발기(180)에 의해 가스화한 후, 압력 조정 밸브(19)에 의해 압력을 조정하면서 연료 분사 포트(13)로부터 연소실(100)로 향하여 분사한다.
동시에, 도시하지 않은 액체 연료 탱크로부터 공급되는 액체 연료를, 연료 분사 펌프(21)에 의해 파일럿 분사 밸브(5)에 공급하고, 파일럿 분사 밸브(5)로부터 연소실(100)로 향하여 분사한다. 액체 연료는 연소실(100) 내에서 자발화(自發火)하고, 이 화염에 의해 연소실(100)에 분사된 고압의 LNG 가스는 착화(폭발)한다. 이 폭발력(압력)에 의해, 피스톤(3)은 실린더 라이너(4b) 안을 고속으로 하강한다(하사점으로 향하여 이동한다). 그리고, 도 7에 나타내는 상태가 된다.
또, 상기한 2사이클 엔진에 관련된 기술로서는, 특허문헌 1에 덧붙여 특허문헌 2, 3에 기재된 기술이 있다.
특허문헌 1: 일본공개특허 평8-291769호 공보 특허문헌 2: 일본공개특허 평5-332200호 공보 특허문헌 3: 일본공표특허 2000-508400호 공보
상기 종래기술에서는, 배기 완료 후의 연소실 내에 배기 가스가 거의 존재하지 않는 압축 행정 중에 연료를 연소실 내로 분사한다. 그러나, 압축 행정 중 연소실 안은 고압으로 되어 있고, 연료를 연소실 내에 분사하기 위해서는 보다 높은 압력으로 연료를 분사하기 위한 고출력의 승압 장치가 필요하게 된다.
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 높은 압력을 가하지 않고 실린더의 내부에 연료를 직분할 수 있는 2사이클 엔진의 제공을 목적으로 한다.
또한, 상술한 바와 같이 LNG를 연료로서 이용하는 종래의 2사이클 엔진에서는, 연소실의 압축 공기에 LNG 가스를 직접 분사하여 연소시키고 있다. 이 경우, 압축 공기 압력 이상으로 LNG 가스를 가압할 필요가 있다. 통상 LNG 가스는 250bar 정도로 가압되고, 연소 형태는 확산 연소가 된다.
그런데, LNG 가스를 고압으로 가압하기 위해서는 대용량의 고압 펌프가 필요하게 되어 고비용이 된다. 또한, 증발기도 고압에 견딜 수 있는 고비용의 것을 채용하지 않을 수 없다. 또, 고압 펌프부터 2사이클 엔진까지의 고압의 가스 배관이 필요하며, 이것도 비용을 인상시키는 요인이 된다. 또한, 대용량의 고압 펌프는 그 구동 전력도 커져 운영 비용도 상승한다.
또한, 고압의 가스 배관을 행하는 경우, 진동이 큰 왕복동 내연 기관에서는 설계, 제작이 어려운 것이 되는 결점이 있다. 또, 고압이기 때문에 가스 누출의 가능성이 늘어난다는 문제도 있다.
본 발명은 상기 종래의 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 저비용으로 신뢰성이 높은 2사이클 엔진을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 실린더의 길이방향 일단부에서 개폐되는 배기 포트와, 상기 실린더의 길이방향 타단부에서 개폐되는 소기 포트와, 상기 배기 포트와 상기 소기 포트 사이에서 상기 실린더의 내부에 연료를 분사하는 연료 분사 포트를 갖는 2사이클 엔진에 있어서, 배기 포트 및 소기 포트 중 적어도 어느 한쪽이 개방된 상태에서 연료의 분사를 개시시킨다. 또한, 이 경우, 상기 배기 포트로부터 상기 실린더의 내부의 배기 가스의 배기가 완료되기 전이며, 상기 소기 포트로부터 상기 실린더의 내부에 흡입된 흡입 신기(新氣)층이 상기 연료 분사 포트의 연료 분사 위치에 도달한 후에, 상기 연료 분사 포트를 개방 상태가 되게 하는 연료 분사 제어 장치를 설치하는 것이 바람직하다.
이 구성을 채용함으로써, 본 발명은 실린더의 내부에서의 배기 가스의 배기가 완료되기 전, 즉 배기 포트 및 소기 포트 중 적어도 어느 한쪽이 개방된 저압 상태에서 연료의 분사를 개시시킨다. 이에 의해, 종래보다 저압으로 연료를 연소실 내에 분사할 수 있다. 또한, 본 발명은 연료 분사 개시 시기를 소기 포트로부터 실린더의 내부에 흡입된 흡입 신기층이 연료 분사 포트의 연료 분사 위치에 도달한 후가 되도록 제어한다. 이에 의해, 분사된 연료가 실린더의 내부에 일부 잔존하고 있는 고온의 배기 가스에 접촉하는 것을 회피할 수 있으므로, 조기 착화를 예방하고 엔진 구동의 안정화를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 연료 분사 제어 장치는 상기 소기 포트로부터 상기 실린더의 내부에 흡입된 흡입 신기층이 상기 연료 분사 포트의 연료 분사 위치에 도달한 후이며, 또한 배기 가스층과 상기 연료 분사 위치의 사이에 상기 흡입 신기층을 형성시키기 위한 지연 시간이 경과한 후에, 상기 연료 분사 포트를 개방 상태가 되게 하는 것이 바람직하다.
이 구성을 채용함으로써, 본 발명은 흡입 신기층이 연료 분사 위치에 도달하고, 또 지연 시간이 경과한 후에 연료의 분사를 개시시킨다. 이 지연 시간에 의해, 배기 가스층과 연료 분사 위치의 사이에 흡입 신기층이 형성된다. 그렇게 하면, 이 흡입 신기층이 연료와 배기 가스층의 사이에 개재하여 양자의 접촉을 방지한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 보다 확실히 조기 착화를 예방할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 연료 분사 제어 장치는 상기 배기 포트 및 상기 소기 포트 중 적어도 어느 한쪽의 개방도에 기초하여 상기 연료 분사 포트를 개폐시키는 것이 바람직하다.
이 구성을 채용함으로써, 본 발명은 배기 포트 및 소기 포트 중 적어도 어느 한쪽의 개방도에 기초하여 연료 분사 포트의 개폐 제어를 행한다. 상기 개방도로부터는 실린더의 내부에서 흡입 신기층이 배기 가스층을 압출하면서 어느 위치까지 도달하였는지를 추정할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 연료 분사 제어 장치는 상기 배기 포트 및 상기 소기 포트 중에서 개방 타이밍이 느린 쪽의 개방도에 기초하여 상기 연료 분사 포트를 개폐시키는 것이 바람직하다.
이 구성을 채용함으로써, 본 발명은 배기 포트 및 소기 포트 중에서 개방 타이밍이 느린 쪽의 개방도에 기초하여 연료 분사 포트의 개폐 제어를 행한다. 실린더의 내부에서 흡입 신기층이 배기 가스층을 압출하면서 어느 위치까지 도달하였는지는, 개방 타이밍이 느린 쪽의 개방도에 의존하는 정도가 높다. 따라서, 본 발명에 따르면, 보다 정확하게 흡입 신기층이 도달한 위치를 추정할 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 액화 천연 가스를 주연료로 하는 2사이클 엔진에 있어서, 피스톤이 왕복동하는 실린더와, 상기 실린더에 형성되는 공기 도입구에 공기를 공급하는 공기 공급 용기(소기 챔버)와, 상기 실린더 상부의 연소실과, 상기 공기 도입구보다 상부의 상기 실린더에 장착되어 상기 액화 천연 가스를 분사하는 가스 분사 밸브와, 상기 연소실 내에서 상기 액화 천연 가스와 상기 공기의 혼합 기체에 착화하는 액체 연료를 분사하는 파일럿 분사 밸브를 구비하고, 상기 공기 공급 용기로부터 공급되는 상기 공기를 상기 피스톤으로 압축하는 소기 행정 중에 상기 가스 분사 밸브로부터 상기 액화 천연 가스를 분사한다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 가스 분사 밸브로부터의 상기 액화 천연 가스의 분사는 상기 연소실에 구비되는 배기 밸브가 닫히기 전에 개시하고, 상기 피스톤이 상기 가스 분사 밸브를 폐색하는 상태에서 종료하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 소기 행정 중에 생기는 상기 공기의 선회류에 대해 반대방향으로, 상기 가스 분사 밸브로부터 상기 액화 천연 가스를 분사하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서, 복수 형성되는 상기 공기 도입구의 개구폭이 불균일한 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 가스 분사 밸브는 복수의 단수(段數)로 상기 실린더에 장착되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 실린더의 길이방향 일단부에서 개폐되는 배기 포트와, 상기 실린더의 길이방향 타단부에서 개폐되는 소기 포트와, 상기 배기 포트와 상기 소기 포트 사이에서 상기 실린더의 내부에 연료를 분사하는 연료 분사 포트를 갖는 2사이클 엔진에 있어서, 배기 포트 및 소기 포트 중 적어도 어느 한쪽이 개방된 저압 상태에서 연료의 분사를 개시시킨다. 이에 의해, 종래보다 저압으로 연료를 연소실 내에 분사할 수 있다. 또한, 본 발명은 연료 분사 개시 시기를 소기 포트로부터 실린더의 내부에 흡입된 흡입 신기층이 연료 분사 포트의 연료 분사 위치에 도달한 후가 되도록 제어한다. 이에 의해, 분사된 연료가 실린더의 내부에 일부 잔존하고 있는 고온의 배기 가스에 접촉하는 것을 회피할 수 있으므로, 조기 착화를 예방하고 엔진 구동의 안정화를 도모할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는, 조기 착화를 예방하면서, 높은 압력을 가하지 않고 실린더의 내부에 연료를 직분할 수 있는 2사이클 엔진을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 저비용으로 신뢰성이 높은 2사이클 엔진을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에서의 2사이클 엔진을 나타내는 전체 구성도이다.
도 2a는 본 발명의 제1 실시형태에서의 2사이클 엔진의 연료 분사 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2b는 본 발명의 제1 실시형태에서의 2사이클 엔진의 연료 분사 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2c는 본 발명의 제1 실시형태에서의 2사이클 엔진의 연료 분사 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2d는 본 발명의 제1 실시형태에서의 2사이클 엔진의 연료 분사 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2e는 본 발명의 제1 실시형태에서의 2사이클 엔진의 연료 분사 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2f는 본 발명의 제1 실시형태에서의 2사이클 엔진의 연료 분사 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2g는 본 발명의 제1 실시형태에서의 2사이클 엔진의 연료 분사 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2h는 본 발명의 제1 실시형태에서의 2사이클 엔진의 연료 분사 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2i는 본 발명의 제1 실시형태에서의 2사이클 엔진의 연료 분사 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시형태에서의 2사이클 엔진의 크랭크 각도와 각 포트의 개방도의 대응 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시형태에 관한 2사이클 엔진의 개략 구성도이다.
도 5는 도 1의 II-II선 단면도이다.
도 6a는 소기 포트 부분의 라이너의 단면도로서, 도 1의 III-III선 단면도이다.
도 6b는 소기 포트 부분의 라이너의 단면도로서, 도 6a와 비교하기 위해 나타내는 종래의 소기 포트 부분의 라이너의 단면도이다.
도 7은 종래예에 관한 2사이클 엔진에서의 소기 행정시의 개략 구성도이다.
도 8은 종래예에 관한 2사이클 엔진에서의 가스 연소(폭발)시의 개략 구성도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시형태에서의 2사이클 엔진을 나타내는 전체 구성도이다.
본 실시형태의 2사이클 엔진은, 예를 들면 선박 등에 설치되는 대형의 유니플로우형 2사이클 가스 엔진으로서, LNG(액화 천연 가스)를 연료로 한다. 도 1에서의 부호 1은 엔진 본체이며, 실린더(2)의 내부에서, 도시하지 않은 크랭크 기구에 연결된 피스톤(3)이 왕복 이동한다. 또, 피스톤(3)으로서는 스트로크가 긴 크로스 헤드형 피스톤을 채용하고 있다.
실린더(2)의 상부(길이방향 일단부)에는, 파일럿 분사 밸브(5) 및 배기 포트(6)가 설치되어 있다. 배기 포트(6)는 피스톤(3)의 상사점 근방으로서, 실린더 헤드(4a)의 꼭대기부에서 개구하고 있다. 배기 포트(6)는 배기 밸브(7)를 가진다. 배기 밸브(7)는, 배기 밸브 구동 장치(8)에 의해 소정의 타이밍으로 상하이동하여 배기 포트(6)를 개폐시킨다. 배기 포트(6)를 통해 배기된 배기 가스는, 예를 들면 도시하지 않은 과급기의 터빈측에 공급된 후 외부로 배기된다.
실린더(2)의 하부(길이방향 타단부)에는, 소기 포트(9)가 설치되어 있다. 소기 포트(9)는 피스톤(3)의 왕복 이동에 따라 소정의 타이밍으로 개폐된다.
소기 포트(9)는 피스톤(3)의 하사점 근방으로서, 실린더 라이너(4b)의 측부에서 개구되어 있다. 소기 포트(9)는, 하우징(10)에 의해 형성된 공간(11)에 둘러싸여 있다.
하우징(10)에는 소기 챔버(12)가 접속되어 있다. 소기 챔버(12)는, 예를 들면 도시하지 않은 과급기의 컴프레서측으로부터 가압된 공기가 공급되어 온다.
실린더(2)의 중복부(中腹部)(중간부)에는, 연료 분사 포트(13)가 설치되어 있다. 연료 분사 포트(13)는, 배기 포트(6)와 소기 포트(9) 사이에서 실린더(2)의 내부 상측(연소실)에, LNG를 가스화한 연료 가스를 분사한다. 연료 분사 포트(13)는, 실린더 라이너(4b)의 둘레방향으로 간격을 두고 복수 설치되고, 각각이 연료 분사 밸브(14)를 가진다. 연료 분사 밸브(14)는, 연료 분사 제어 장치(15)로부터의 지령을 받아, 연료 분사 포트(13)를 개폐하고 연료 가스의 분사, 분사 정지를 행한다.
연료 분사 제어 장치(15)에는, 거버너(調速機)(16)로부터 연료 분사량에 관한 지령이 입력된다. 거버너(16)는, 입력된 엔진 출력 지령값과 도시하지 않은 크랭크 기구에 설치된 로터리 인코더(17)로부터의 엔진 회전수 신호에 기초하여 연료 분사량을 출력한다. 또한, 로터리 인코더(17)에서 검출된 크랭크 각도 신호는 연료 분사 제어 장치(15) 및 엔진 제어 장치(18)에 입력된다.
엔진 제어 장치(18)는, 크랭크 각도 신호에 기초하여 배기 밸브 구동 장치(8)에 배기 밸브 조작 신호를 출력한다. 또한, 엔진 제어 장치(18)와 연료 분사 제어 장치(15)의 상호 간에는, 배기 밸브 개폐 타이밍 신호를 포함하는 소정의 정보의 교환이 행해진다. 그리고, 연료 분사 제어 장치(15)는, 상기 입력에 기초하여 소정의 연료 분사량을 소정의 타이밍으로 실린더(2) 내에 연료 가스를 분사시킨다.
구체적으로, 연료 분사 제어 장치(15)는 크랭크 각도 신호, 배기 밸브 개폐 타이밍 신호에 기초하여 배기 포트(6)의 개방도, 소기 포트(9)의 개방도를 파악하여 연료 분사 밸브(14)에 연료 분사 밸브 조작 신호를 출력하고, 연료 분사 포트(13)의 개폐 제어를 행한다. 연료 분사 포트(13)를 개방 상태가 되게 하는 연료 가스의 연료 분사 타이밍은, 배기 포트(6)로부터 실린더(2) 내부의 배기 가스의 배기가 완료되기 전이며, 소기 포트(9)로부터 실린더(2)의 내부에 흡입된 흡입 신기층이 연료 분사 포트(13)의 연료 분사 위치에 도달한 후에 설정되어 있다. 또한, 본 실시형태의 연료 분사 타이밍은, 또 배기 가스층과 연료 분사 위치의 사이에 흡입 신기층을 형성시키기 위한 지연 시간이 경과한 후에 설정되어 있다.
이하, 도 2a 내지 도 2i 및 도 3을 참조하여, 연료 분사 제어 장치(15)의 제어 하에 행해지는 특징적인 연료 분사 동작에 대해 설명한다.
도 2a 내지 도 2i는, 본 발명의 실시형태에서의 2사이클 엔진의 연료 분사 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 3은, 본 발명의 실시형태에서의 2사이클 엔진의 크랭크 각도와 각 포트의 개방도(리프트량, 개구 면적 등)의 대응 관계를 나타내는 그래프이다. 또, 도 2a 내지 도 2i 중 부호 A는 배기 가스층을 나타내고, 부호 B는 흡입 신기층을 나타내며, 부호 C는 연료 가스와 공기가 혼합된 예혼합기층을 나타낸다.
도 2a는 연소 후의 팽창 행정을 나타낸다. 이 때, 배기 포트(6) 및 소기 포트(9)는 폐색 상태에 있고, 실린더(2)의 내부가 배기 가스층(A)으로 채워져 있다.
도 2a로부터 피스톤(3)이 더 내려가 크랭크 각도가 소정 각도에 도달하면, 엔진 제어 장치(18)에 의해 배기 밸브 구동 장치(8)가 구동하고 배기 밸브(7)가 내려가 배기 포트(6)가 개방된다(단계 S1: 도 2b 및 도 3 참조).
도 2b로부터 피스톤(3)이 더욱 내려가 크랭크 각도가 소정 각도에 도달하면, 피스톤(3)에 의해 폐색 상태가 되어 있던 소기 포트(9)가 개방된다(단계 S2: 도 2c 및 도 3 참조). 그리고, 피스톤(3)이 하사점에 도달할 때에는 완전히 소기 포트(9)가 개방된다(도 2d 참조).
흡기는 배기 포트(6) 및 소기 포트(9)가 열린 단계 S2로부터 개시된다. 그리고, 소기 포트(9)로부터 실린더(2)의 내부에 흡입된 흡입 신기층(B)은, 배기 가스층(A)을 밀어올리면서 실린더(2)의 내부를 아래쪽에서 위쪽으로 향하여 채워 간다.
흡입 신기층(B)이 연료 분사 포트(13)가 설치된 연료 분사 위치에 도달한 후, 연료 분사 제어 장치(15)에 의해 연료 분사 밸브(14)가 구동하고, 연료 분사 포트(13)로부터의 연료 가스의 분사가 개시된다(도 2e 및 도 3 참조).
이 때, 배기 포트(6) 및 소기 포트(9)가 개방 상태의 배기 중이기 때문에, 실린더(2)의 내부는 저압이다. 따라서, 연료 분사 포트(13)로부터는 압축 중에서의 압력보다 저압으로 연료 가스를 실린더(2)의 내부에 분사할 수 있다. 이 때문에, 고출력의 승압 장치를 설치하지 않고도 연료 가스를 연소실 내에 분사하는 것이 가능하게 된다.
단, 이 때, 연소실 내에는 고온의 배기 가스가 일부 잔존하고 있는 상태에 있다. 만약 고온의 배기 가스층(A) 중에 연료 가스가 분출되어 양자가 접촉하면, 조기 착화가 생기는 경우가 있다. 이 때문에, 본 실시형태에서는, 연료 분사 타이밍을 소기 포트(9)로부터 실린더(2)의 내부에 흡입된 흡입 신기층(B)이 연료 분사 포트(13)의 연료 분사 위치에 도달한 후가 되도록 제어하고 있다. 흡입 신기층(B)이 연료 분사 포트(13)의 연료 분사 위치에 도달한 후이면, 유니플로우(단류)인 것과도 더불어 흡입 신기층(B)이 배기 가스층(A)을 압출하므로, 분사된 연료 가스가 실린더(2)의 내부에 일부 잔존하고 있는 고온의 배기 가스에 접촉하여 버리는 것을 회피할 수 있다. 이 때문에, 조기 착화를 예방하고 엔진 구동의 안정화를 도모할 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, 연료 분사 타이밍을, 흡입 신기층(B)이 연료 분사 위치에 도달한 후이며, 또한 배기 가스층(A)과 연료 분사 위치의 사이에 흡입 신기층(B)을 형성시키기 위한 지연 시간이 경과한 후로 설정하고 있다. 이 지연 시간에 의해 배기 가스층(A)과 연료 분사 위치의 사이에 형성된 흡입 신기층(B)은, 배기 가스층(A)과 예혼합기층(C)의 사이에 개재하여 양자의 접촉을 방지한다(도 2e 참조). 구체적인 작용으로서는, 연료 분사 포트(13)로부터 연료 가스가 소정 폭으로 분사·확산되어도, 개재하는 흡입 신기층(B)에 의해 배기 가스층(A)과의 접촉을 저지할 수 있다. 또, 양자 간에 흡입 신기층(B)을 개재시킴으로써, 배기 가스층(A)의 계면의 요동에 의한 연료 분사 위치에의 침입에 따른 예기치 못한 조기 착화를 예방할 수 있다. 따라서, 이 지연 시간에 의해 배기 가스층(A)과 예혼합기층(C)의 사이에 흡입 신기층(B)을 개재시킴으로써, 보다 확실히 조기 착화를 예방할 수 있다.
또, 실린더(2)의 내부에서 흡입 신기층(B)이, 배기 가스층(A)을 압출하면서 어느 위치까지 도달하였는지는, 배기 포트(6)의 개방도(리프트량) 및 소기 포트(9)의 개방도(개구 면적) 중 적어도 어느 한쪽에 기초하여 추정할 수 있다. 본 실시형태에서는, 소기 포트(9)의 개방도는 피스톤(3)의 위치, 즉 크랭크 각도에 대응하므로, 배기 포트(6)의 개방 타이밍에 기초하여 연료 분사 타이밍을 설정하고 있다(도 3 참조).
배기 포트(6)의 개방 타이밍은 배기 밸브 구동 장치(8)에 의해 가변이며, 엔진의 부하에 따라 소기 포트(9)의 개방 타이밍과 전후하는 경우가 있다. 이 이유에서도, 본 실시형태에서는 배기 포트(6)의 개방 타이밍에 기초하여 연료 분사 타이밍을 설정하고 있다.
피스톤(3)이 하사점을 지나 상승하기 시작하면, 소기 포트(9)가 폐색되기 시작한다(도 2f 참조). 이 때, 연료 분사는 계속되고 있고, 배기 가스층(A)과의 사이에 흡입 신기층(B)이 개재한 상태에서 예혼합기층(C)이 실린더(2)의 내부를 채워 간다.
도 2f로부터 피스톤(3)이 더 올라가 크랭크 각도가 소정 각도에 도달하면, 개방 상태가 되어 있던 소기 포트(9)가 피스톤(3)에 의해 폐색된다(단계 S3: 도 2g 및 도 3 참조). 이 때, 배기 포트(6)는 아직 폐색되어 있지 않으므로, 저압에서의 연료 분사는 계속된다.
도 2g로부터 피스톤(3)이 더욱 올라가 크랭크 각도가 소정 각도에 도달하면, 배기 밸브(7)가 다 올라가 배기 포트(6)가 폐색되고 배기가 완료된다(단계 S4: 도 2h 및 도 3 참조). 이 때, 배기 가스층(A)의 거의 전부가 배기되는데, 본 실시형태에서는, 배기 가스층(A)과 예혼합기층(C)의 사이에 흡입 신기층(B)을 개재시키고 있으므로 여유가 생겨, 개재한 흡입 신기층(B)의 일부가 빠져나간 상태에서의 배기 포트(6)의 폐색이 가능하게 된다. 이에 의해, 배기 가스층(A)의 거의 전부를 배기하면서 예혼합기층(C)의 빠져나감을 막을 수 있다.
압축은 배기 포트(6) 및 소기 포트(9)가 닫힌 단계 S4로부터 개시된다. 연료 분사는 연소실의 압력이 높아지기 전의 압축 행정 전반까지 계속된다. 무엇보다도 승압 장치의 성능 한계의 압력에 도달하기 전에는 연료 분사를 종료시킨다. 적어도 피스톤(3)이 연료 분사 위치에 도달하기 전, 즉 실린더(2)의 중복부에 도달하기 전에는, 연료 분사 제어 장치(15)에 의해 연료 분사 밸브(14)가 닫혀져 연료 분사가 종료된다(도 2i 참조).
그 후, 피스톤(3)이 상사점까지 도달하여 예혼합기층(C)이 압축되면 착화가 행해지고, 연소에 의해 생긴 배기 가스가 피스톤(3)을 눌러 도 2a의 상태로 되돌아간다.
이상에 의해, 엔진의 1사이클에서의 연료 분사 동작이 종료된다.
따라서, 상술한 본 실시형태에 따르면, 실린더(2)의 상부에서 개폐되는 배기 포트(6)와, 실린더(2)의 하부에서 개폐되는 소기 포트(9)와, 배기 포트(6)와 소기 포트(9) 사이에서 실린더(2)의 내부에 연료 가스를 분사하는 연료 분사 포트(13)를 갖는 유니플로우형 2사이클 가스 엔진에 있어서, 배기 포트(6)로부터 실린더(2)의 내부의 배기 가스의 배기가 완료되기 전이며, 소기 포트(9)로부터 실린더(2)의 내부에 흡입된 흡입 신기층(B)이 연료 분사 포트(13)의 연료 분사 위치에 도달한 후에, 연료 분사 포트(13)를 개방 상태가 되게 하는 연료 분사 제어 장치(15)를 가진다는 구성을 채용함으로써, 실린더(2)의 내부에서의 배기 가스의 배기가 완료되기 전, 즉 배기 포트(6) 및 소기 포트(9) 중 적어도 어느 한쪽이 개방된 저압 상태에서 연료 분사를 개시시킨다. 이에 의해, 종래보다 저압으로 연료를 연소실 내에 분사할 수 있다. 또한, 본 실시형태는, 연료 분사 개시 시기를, 소기 포트(9)로부터 실린더(2)의 내부에 흡입된 흡입 신기층(B)이 연료 분사 포트(13)의 연료 분사 위치에 도달한 후가 되도록 제어한다. 이에 의해, 분사된 연료가 실린더(2)의 내부에 일부 잔존하고 있는 고온의 배기 가스에 접촉하는 것을 회피할 수 있으므로, 조기 착화를 예방하고 엔진 구동의 안정화를 도모할 수 있다.
따라서, 본 실시형태에서는, 조기 착화를 예방하면서, 높은 압력을 가하지 않고 실린더(2)의 내부에 연료를 직분할 수 있는 유니플로우형 2사이클 가스 엔진을 얻을 수 있다.
이상, 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 상술한 실시형태에서 나타낸 각 구성 부재의 여러 가지 형상이나 조합 등은 일례로서, 본 발명의 주지에서 벗어나지 않는 범위에서 설계 요구 등에 기초하여 다양하게 변경 가능하다.
예를 들면, 상기 실시형태에서는, 연료 분사 제어 장치(15)가 배기 포트(6)의 개방도에 기초하여 연료 분사 포트(13)의 개폐 제어를 행하는 구성에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이 구성에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 연료 분사 제어 장치(15)가 소기 포트(9)의 개방도에 기초하여 연료 분사 포트(13)의 개폐 제어를 행하는 구성이어도 되고, 배기 포트(6) 및 소기 포트(9)의 개방도에 기초하여 연료 분사 포트(13)의 개폐 제어를 행해도 된다.
또한, 흡입 신기층(B)이 배기 가스층(A)을 압출하면서 어느 위치까지 도달하였는지는, 개방 타이밍이 느린 쪽의 개방도에 의존하는 정도가 높기 때문에, 연료 분사 제어 장치(15)가 배기 포트(6) 및 소기 포트(9) 중에서 개방 타이밍이 느린 쪽의 개방도에 기초하여 연료 분사 포트(13)의 개폐 제어를 행해도 된다.
또한, 배기 포트(6) 및 소기 포트(9)의 개방도는 크랭크 각도에 의존하므로, 연료 분사 제어 장치(15)가, 크랭크 각도에 기초하여 연료 분사 포트(13)의 개폐 제어를 행해도 된다.
또한, 상기 실시형태와 같이, 선박용의 2사이클 엔진에서는 엔진 출력을 일정하게 유지하면서 구동하는 형태이므로, 소기 챔버(12) 내의 압력은 거의 일정하지만, 엔진 출력을 자주 가변하는 2사이클 엔진의 경우는 흡기측의 압력이 변화하는 경우가 있다. 이 경우는, 예를 들면 소기 포트(9) 측에 압력계를 설치하고, 그 계측 결과를 가미하여 연료 분사 제어 장치(15)가 연료 분사 포트(13)의 개폐 제어를 행해도 된다.
또한, 예를 들면, 상기 실시형태에서는 가스 연료를 분사하는 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 액체 연료를 분사하는 형태에 대해서도 적용할 수 있다. 또한, 연료에 대해서도 LNG를 이용하는 형태가 아니라, 예를 들면 LPG(액화 석유 가스), 경유, 중유 등이나 그 밖의 가연성 가스를 이용하는 형태에 대해서도 본 발명을 적용할 수 있다.
다음에, 본 발명의 제2 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도 4는, 본 발명의 제2 실시형태에 관한 2사이클 엔진의 개략 구성도이다. 도 7, 도 8에 도시된 종래예와 동일 개소에는 동일 부호를 부여한다.
액화 천연 가스(LNG)를 주연료로 하는 2사이클 엔진은 이하의 구성을 구비한다. 즉, 통형상의 실린더 라이너(실린더)(4b), 그 실린더 라이너(4b)의 외주의 단부를 상부벽(2a) 중앙의 개구부에 걸어맞춤하여 보유지지하는 하우징(10), 하우징(10)의 도면에서 우측으로 개구하는 개구부(2b)에 장착되는 소기 챔버(12)(공기 공급 용기), 실린더 라이너(4b)의 상면에 장착되는 중공형상의 실린더 헤드(4a)를 구비한다. 또, 2사이클 엔진은, 실린더 헤드(4a)의 중앙의 개구부에 위쪽으로부터 장착되는 배기 밸브 하우징(50)을 구비한다.
실린더 라이너(4b)의 중공부(내주면)에는 원주형상의 피스톤(3)이 상하 이동(왕복동) 가능하게 끼워맞춤된다. 피스톤(3)은, 아래쪽으로 연장되는 피스톤 로드(70)가 하우징(10)의 아래쪽 내측에 설치한 플랜지부(2c)의 중앙에 장착되는 스태핑 박스(80)에 보유지지됨으로써, 실린더 라이너(4b) 및 하우징(10)에 보유지지된다. 하우징(10)의 개구부(2b)로 이어지는 공간(11)에 임하여, 실린더 라이너(4b)의 측벽에는 복수의 소기 포트(공기 도입구)(9)가 형성된다. 소기 포트(9)는, 도 4에 도시된 바와 같이 피스톤(3)이 하사점에 있는 상태에서 하우징(10)의 공간(11)으로부터 실린더 라이너(4b)의 내부에 공기를 도입한다.
실린더 헤드(4a)에는, 그 하부에 형성되는 연소실(100)로 향하여 파일럿 분사 밸브(5)가 비스듬하게 설치된다. 배기 밸브 하우징(50)에는, 연소실(100)로 개구하는 바닥부로부터 경사 상방으로 향하는 배기 포트(6)가 형성된다. 또한, 배기 밸브 하우징(50)에는, 하단부에 배기 밸브(7)를 갖는 배기 밸브봉(140)이 상하이동이 자유롭게 축지지된다. 배기 밸브(7)는, 연소실(100)과 배기 포트(6)를 개폐한다. 배기 밸브봉(140)은 배기 밸브 구동 장치(8)에 의해 상하이동하고, 배기 밸브(7)에 의해 연소실(100)과 배기 포트(6)를 개폐한다.
파일럿 분사 밸브(5)는, 연료 분사 펌프(21)에 접속된다. 연료 분사 펌프(21)는, 액체 연료 탱크(22)로부터 액체 연료의 공급을 받아, 연료 고압관(23)을 통해 파일럿 분사 밸브(5)에 공급한다. 파일럿 분사 밸브(5)는 직접 분사식이나 부실식(副室式)이어도 된다.
또, 본 실시형태의 2사이클 엔진은 이하의 구성이 채용된다.
본 실시형태의 2사이클 엔진은, LNG 가스를 분사하는 연료 분사 포트(13)를 임의의 수만큼 그 분사구가 실린더 라이너(4b)의 내부에 임하도록 하여 실린더 라이너(4b)에 장착한다. 그 장착 위치는, 도 4에 도시된 바와 같이 소기 포트(9)의 상부이다. 연료 분사 포트(13)와 LNG 탱크(160)는 LNG 펌프(31), 증발기(32), 압력 조정 밸브(33), 가스 제어기(34)를 개재하여 접속된다. LNG 펌프(31)는 전동기(35)에 의해 구동된다.
여기서, LNG 펌프(31), 증발기(32), 압력 조정 밸브(33), 전동기(35)는 종래의 것에 비해 용량, 출력이 작은 저규격, 저비용의 것으로 되어 있다. 또한, 가스 제어기(34)는 연료 분사 포트(13)에의 LNG 가스의 공급을 온, 오프 제어한다.
본 실시형태의 2사이클 엔진은, 소기 압력 센서(36) 및 크랭크각 검출 센서(37)의 출력을 받아 압력 조정 밸브(33), 가스 제어기(34), 전동기(35)를 제어하는 제어 장치(콘트롤러)를 구비한다. 여기서, 소기 압력 센서(36)는 소기 챔버(12)의 표면에 장착되어 소기 챔버(12) 내의 공기압을 검출한다.
크랭크각 검출 센서(37)는, 캠 축(39)의 일단에 장착된 크랭크각 검출 기어(40)와 대면하고 있고, 캠 축(39)에 장착된 연료 캠(41)이 연료 분사 펌프(21)의 피스톤을 상하이동시켜 연료 분사 펌프(21)를 구동한다.
도 5는 도 4의 II-II선 단면도, 도 6a, 6b는 소기 포트 부분의 라이너의 단면도로서, 도 6a는 도 4의 III-III선 단면도, 도 6b는 도 6a와 비교하기 위해 나타내는 종래의 소기 포트 부분의 라이너의 단면도이다. 도 5, 도 6a, 6b에 대한 설명은 이하의 동작 설명 중에서 행한다.
다음에, 이와 같이 구성된 2사이클 엔진의 동작을 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 피스톤(3)이 하사점에 있는 상태에서 소기 챔버(12)로부터 공급된 공기가 하우징(10)의 공간(11)으로부터 실린더 라이너(4b)의 내부에 도입된다. 이 때, 내연 기관은 소기 상태에서 배기 밸브(7)가 개방 상태로 되어 있기 때문에, 유입 공기에 의해 연소실(100)에 잔류하고 있는 연소 가스가 배기 밸브 하우징(50)의 배기 포트(6)로부터 외부로 배기된다.
공기 유입시, 일반적으로는(종래에는) 도 6b에 도시된 바와 같이, 소기 포트(9)가 실린더 라이너(4b)의 축심에 대해 경사져 있는 형상으로부터 실린더 라이너(4b)의 내부에 공기의 선회류(50)가 생긴다. 그 후, 피스톤(3)이 실린더 라이너(4b) 안을 상승하여(연소실(100)로 향해 이동하여) 소기 포트(9)를 막으면 배기 밸브(7)가 폐쇄 상태가 되어, 실린더 라이너(4b) 내에 유입된 공기는 압축되어 간다. 공기의 압축 중에도 선회류(50)의 각운동량은 보존되므로, 선회류(50)는 소멸되지 않는다.
여기서, 배기 밸브(7)가 폐쇄가 되기 전에, 연료 분사 포트(13)로부터 LNG 가스를 실린더 라이너(4b)의 내부에 분사한다. LNG 가스의 분사는 종래예와 마찬가지로 이하와 같이 행해진다. 즉, LNG 탱크(160)로부터 공급되는 LNG를 전동기(35)에 의해 구동되는 LNG 펌프(31)를 이용하여 가압하고, 증발기(32)에 의해 가스화한 후, 압력 조정 밸브(33)에 의해 압력을 조정하면서 가스 제어기(34)를 거쳐 연료 분사 포트(13)로부터 실린더 라이너(4b) 내부로 향하여 분사한다.
또, 여기서 2사이클 엔진의 구동 조건을 구체적으로 나타내면, 소기 포트(9)의 개방구간은 피스톤(3)의 상사점(TDC)으로부터의 크랭크 각도로 100°이상 260°이하의 범위로 되어 있고, 배기 밸브(7)의 개방구간은 피스톤(3)의 상사점(TDC)으로부터의 크랭크 각도로 80°이상 300°이하의 범위로 되어 있다. 또한, 연료 분사 포트(13)로부터의 LNG 가스의 분사 구간은, 피스톤(3)으로 압축하는 소기 행정 중의 소기 포트(9)를 닫고 배기 밸브(7)를 열고 있다는 조건 하에서, 피스톤(3)의 상사점(TDC)으로부터의 크랭크 각도로 220°이상 330°이하의 범위로 되어 있다.
본 실시형태의 2사이클 엔진에서는, LNG 가스의 공급을 피스톤(3)의 압축 행정(소기 행정)에서 행하기 때문에, LNG 펌프(31)는 도 8에 도시된 종래의 고압 펌프(170)와 같이 LNG를 250bar에도 고압으로 할 필요는 없다. LNG 펌프(31)에 의해 가압되는 가스 압력은 약 20bar 정도로 되고, 종래보다 훨씬 낮게 억제할 수 있다. 즉, LNG 펌프(31)는 종래의 고압 펌프(170)보다 저용량이고 가격이 낮은 것이어도 된다.
LNG 가스는, 도 5에 도시된 바와 같이 연료 분사 포트(13)로부터 선회류(50)와 반대방향으로 분사된다(분사 방향(51)). 이와 같이 선회류(50)와 반대방향으로 LNG 가스를 분사함으로써, 공기와 LNG 가스를 균일하게 혼합할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 2사이클 엔진에서는, 실린더 라이너(4b)에 등각도로 8개의 연료 분사 포트(13)가 장착되어 있다. 연료 분사 포트(13)는, LNG 가스와 공기가 균일하게 혼합되도록 복수의 상하 다단으로 설치해도 된다.
또한, 본 실시형태의 2사이클 엔진에서는, 도 6a에 도시된 바와 같이 복수의 소기 포트(9)의 개구 폭이 불균일하게 형성되어 있다(개구 폭(L1)>개구 폭(L2)). 그 때문에, 각 소기 포트(9)로부터 실린더 라이너(4b) 내에 유입되는 공기 유속이 다른 것이 되어 국소적인 난류가 생기기 때문에, 공기와 LNG 가스를 균일하게 혼합할 수 있다.
여기서, 도 5의 분사 방향(51)의 형태와 도 6a의 소기 포트(9)의 개구 폭이 불균일하게 형성되어 있는 형태 모두를 채용하면, 이상적인 공기와 LNG 가스의 균일 혼합 상태를 얻을 수 있지만, 어느 한쪽의 채용에 의해서도 상응하는 효과를 얻을 수 있다.
피스톤(3)이 연료 분사 포트(13)를 가로지를 때(연료 분사 포트(13)를 폐색할 때), 가스 제어기(34)에 의해 연료 분사 포트(13)에의 LNG 가스의 공급을 정지한다. 피스톤(3)이 상사점까지 도달하여 LNG 가스와 공기의 혼합 기체가 최대로 압축된 상태에서, 액체 연료 탱크(22)로부터 공급되는 액체 연료를 연료 분사 펌프(21)에 의해 연료 고압관(23)을 통해 파일럿 분사 밸브(5)에 공급한다. 그리고, 그 액체 연료를 파일럿 분사 밸브(5)로부터 연소실(100)로 향하여 분사한다. 액체 연료는 연소실(100) 내에서 자발화하고, 이 화염에 의해 압축된 혼합 기체는 착화(폭발)한다. 이 폭발력(압력)에 의해, 피스톤(3)은 실린더 라이너(4b) 안을 고속으로 하강한다(하사점으로 향하여 이동한다).
또한, 본 실시형태의 2사이클 엔진에서는, 캠 축(39)에 장착된 크랭크각 검출 기어(40)의 회전 위치로부터 크랭크각 검출 센서(37)가 크랭크각을 검출하고, 그 검출 신호를 제어 장치(38)로 보낸다. 제어 장치(38)는, 그 검출 신호에 기초하여 연료 분사 포트(13)로부터 LNG 가스를 분사하는 타이밍을 판단하고, 가스 제어기(34)에 지령하여 LNG 가스 분사의 개시와 정지를 제어한다.
또한, 제어 장치(38)는, 2사이클 엔진의 부하 상태나 소기 챔버(12)에 장착되는 소기 압력 센서(36)에서 검출되는 소기 압력에 기초하여 LNG 가스의 압력을 조정하여 혼합 기체의 공연비를 제어한다. 연료 분사 펌프(21)나 배기 밸브 구동 장치(8)를 전자 제어로 해도 된다.
본 실시형태의 2사이클 엔진은 저압으로 LNG를 사용하기 때문에, 저렴한 LNG 펌프나 증발기를 채용할 수 있어 비용을 저감할 수 있다. 또한, LNG가 저압이기 때문에, 배관이나 가스 누출 대책이 용이하게 되어 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한, LNG가 저압이기 때문에, 조작원의 운전 조작이 용이하게 된다. 또, LNG를 주연료로 하기 때문에, SOx, NOx, CO2의 환경 문제를 개선할 수 있다.
연료 분사 포트(13)에 따른 LNG 가스의 공급을 정지하고, 파일럿 분사 밸브(5)에서의 액체 연료의 분사로만 하면, 2사이클 엔진을 종래의 디젤 기관으로서 가동시킬 수도 있다.
또한, 제1 실시형태와 같이, 제2 실시형태에서도 연료는 LNG 가스에 한정되지 않고, 가연성 가스가 일반적으로 적용 가능하다.
상술한 제2 실시형태에 의한 2사이클 엔진에 따르면, 상술한 제1 실시형태에서의 2사이클 엔진과 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에서는, 조기 착화를 예방하면서, 높은 압력을 가하지 않고 실린더의 내부에 연료를 직분할 수 있는 2사이클 엔진을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 저비용으로 신뢰성이 높은 2사이클 엔진을 제공할 수 있다.
2 실린더
6 배기 포트
9 소기 포트(공기 도입구)
13 연료 분사 포트
15 연료 분사 제어 장치
A 배기 가스층
B 흡입 신기층
C 예혼합기층
4a 실린더 라이너
12 소기 챔버(공기 공급 용기)
3 피스톤
100 연소실
5 파일럿 분사 밸브
7 배기 밸브
160 LNG 탱크
31 LNG 펌프
18, 32 증발기
33 압력 조정 밸브
34 가스 제어기
38 제어 장치
50 선회류
51 분사 방향

Claims (10)

  1. 실린더의 길이방향 일단부에서 개폐되는 배기 포트와, 상기 실린더의 길이방향 타단부에서 개폐되는 소기 포트와, 상기 배기 포트와 상기 소기 포트 사이에서 상기 실린더의 내부에 연료를 분사하는 연료 분사 포트를 갖는 2사이클 엔진에 있어서,
    배기 포트 및 소기 포트 중 적어도 어느 한쪽이 개방된 상태에서 연료의 분사를 개시시키는 2사이클 엔진.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기 포트로부터 상기 실린더의 내부의 배기가스의 배기가 완료되기 전이며, 상기 소기 포트로부터 상기 실린더의 내부에 흡입된 흡입 신기(新氣)층이 상기 연료 분사 포트의 연료 분사 위치에 도달한 후에, 상기 연료 분사 포트를 개방 상태가 되게 하는 연료 분사 제어 장치를 갖는 2사이클 엔진.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 연료 분사 제어 장치는, 상기 소기 포트로부터 상기 실린더의 내부에 흡입된 흡입 신기층이 상기 연료 분사 포트의 연료 분사 위치에 도달한 후이며, 또한 배기 가스층과 상기 연료 분사 위치의 사이에 상기 흡입 신기층을 형성시키기 위한 지연 시간이 경과한 후에, 상기 연료 분사 포트를 개방 상태가 되게 하는 2사이클 엔진.
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 연료 분사 제어 장치는, 상기 배기 포트 및 상기 소기 포트 중 적어도 어느 한쪽의 개방도에 기초하여 상기 연료 분사 포트를 개폐시키는 2사이클 엔진.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 연료 분사 제어 장치는, 상기 배기 포트 및 상기 소기 포트 중에서 개방 타이밍이 느린 쪽의 개방도에 기초하여 상기 연료 분사 포트를 개폐시키는 2사이클 엔진.
  6. 청구항 1에 있어서,
    가연성 가스를 주연료로 하는 2사이클 엔진에 있어서, 상기 실린더 내부에서는 피스톤이 왕복동하고, 상기 실린더에 형성되는 소기 포트에 공기를 공급하는 소기 챔버와, 상기 실린더 상부의 연소실과, 상기 연소실 내에서 상기 가연성 가스와 상기 공기의 혼합 기체에 착화하는 액체 연료를 분사하는 파일럿 분사 밸브를 더 구비하고, 상기 연료 분사 포트가 상기 소기 포트보다 상부의 상기 실린더에 장착되며,
    상기 소기 챔버로부터 공급되는 상기 공기를 상기 피스톤으로 압축하는 소기 행정 중에, 상기 연료 분사 포트로부터 상기 가연성 가스를 분사하는 2사이클 엔진.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 연료 분사 포트로부터의 상기 가연성 가스의 분사는, 상기 연소실에 구비되는 배기 밸브가 닫히기 전에 개시하고, 상기 피스톤이 상기 연료 분사 포트를 폐색하는 상태에서 종료하는 2사이클 엔진.
  8. 청구항 6 또는 7에 있어서,
    상기 소기 행정 중에 생기는 상기 공기의 선회류에 대해 반대방향으로, 상기 연료 분사 포트로부터 상기 가연성 가스를 분사하는 2사이클 엔진.
  9. 청구항 6 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
    복수 형성되는 상기 소기 포트의 개구폭이 불균일한 2사이클 엔진.
  10. 청구항 6 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 분사 포트는 복수의 단수(段數)로 상기 실린더에 장착되는 2사이클 엔진.
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