KR20130138288A - 2스트로크 엔진 및 4스트로크 엔진 - Google Patents

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KR20130138288A
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scavenging
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마사히사 후쿠야마
겐지 이시구로
나오히로 무라타
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히다치 조센 가부시키가이샤
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Abstract

2스트로크 엔진(1)은, 소기포트(23) 및 배기포트(24)가 형성된 실린더(2), 실린더(2)내에 설치되는 피스톤(3), 연소실(20)내로 액상 암모니아를 분출하는 제1분출부(61) 및 흡기를 가압하여 소기를 생성하는 과급기(5)을 구비한다. 2스트로크 엔진(1)에서는, 소기포트(23)부터 연소실(20)내에 대한 소기의 공급이 시작되고 나서, 피스톤(3)이 다음의 상사점에 도달하기까지의 사이에, 제1분출부(61)부터 연소실(20)내로 액상 암모니아가 분출된다. 이에 따라 액상 암모니아의 기화열에 의하여 연소실(20)내의 가스의 온도를 저하시켜, 압축시에 있어서의 연소실(20)내의 압력을 낮게 하여 압축 일량을 감소시킬 수 있다.

Description

2스트로크 엔진 및 4스트로크 엔진{TWO-STROKE ENGINE AND FOUR-STROKE ENGINE}
본 발명은 과급기(過給器)를 구비하는 엔진에 관한 것이다.
종래로부터 암모니아 가스를 연소시키는 엔진이 제안되어 있어, 예를 들면 일본국 공개특허 특개평5-332152호 공보에서는, 연소실에서의 배기의 열에 의하여 암모니아 가스를 수소와 질소로 분해함과 아울러 연소실내에 별도로 공급된 암모니아 가스를 상기 수소가스에 의하여 더 효과적으로 연소시키는 방법이 개시되어 있다. 또, 일본국 공개특허 특개평2010-159705호 공보에서는, 암모니아 연소 내연기관에 있어서, 액상 암모니아를 기통(氣筒)의 흡기포트(吸氣port)내에 분사함으로써 액상 암모니아의 기화잠열(氣化潛熱)을 이용하여 연소실내로 공급되는 흡입공기의 온도를 저하시키는 방법이 개시되어 있다.
그러나 각종 엔진에 있어서 에너지 효율을 향상시키는 것이 항상 요구되고 있고, 실린더 및 피스톤을 구비하는 엔진에서는, 압축행정에 있어서의 일량의 감소가 에너지 효율의 향상에 크게 기여한다. 그러나 과급기가 설치되는 엔진에서는, 과급기에 의하여 압축되는 고압의 공기가 실린더내로 공급되기 때문에 압축 일량이 증대해버린다.
본 발명은 2스트로크 엔진을 위한 것으로서, 엔진에 있어서 압축 일량을 감소하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명에 관한 2스트로크 엔진은, 실린더와, 상기 실린더내에 설치되는 피스톤과, 흡기를 가압하여 소기를 생성하는 과급기와, 상기 실린더에 형성되고 상기 실린더 및 상기 피스톤의 상면에 의하여 둘러싸이는 공간인 연소실내에 상기 과급기로부터의 상기 소기를 공급하는 소기포트와, 상기 실린더에 형성되고 상기 연소실내의 가스를 상기 연소실 외부로 배출하는 배기포트와, 상기 소기포트로부터 상기 연소실내에 대한 상기 소기의 공급이 시작되고 나서 상기 피스톤이 다음의 상사점에 도달하기까지의 사이에 상기 연소실내에 액상 암모니아를 분출하는 분출부를 구비한다.
본 발명에 의하면, 액상 암모니아의 기화열에 의하여 연소실내의 가스의 온도를 저하시켜, 압축시에 있어서의 연소실내의 압력을 낮게 하여 압축 일량을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 하나의 바람직한 형태에서는, 상기 소기포트 및 상기 분출부가 상기 실린더의 하부에 설치된다. 따라서 소기의 유입시에 직접 소기가 냉각되고, 이에 따라 압축 일량을 보다 감소시킬 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 형태에서는, 2스트로크 엔진이, 암모니아 가스와 함께 질소 산화물을 환원하는 환원촉매를 더 구비하고, 상기 환원촉매가 상기 연소실로부터 배출되는 배기의 통로에 설치되고, 상기 배기포트로부터 상기 연소실내의 가스를 배출하고 있는 사이에 상기 분출부에 의하여 상기 액상 암모니아가 상기 연소실내로 분출된다.
본 발명의 하나의 국면에서는, 상기 배기포트를 닫을 때에, 연소가 끝난 가스의 일부가 잔류가스로서 상기 연소실내에 잔류하고, 상기 배기포트를 닫은 후에, 상기 분출부에 의하여 상기 액상 암모니아가 상기 연소실내로 분출된다. 이에 따라 배기중의 질소 산화물을 감소하면서 압축 일량을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 다른 국면에서는, 2스트로크 엔진이, 상기 피스톤이 상기 상사점 근방에 위치할 때에, 상기 연소실내에 암모니아를 포함하는 유체를 분출하여 상기 연소실내의 가스의 연소를 하는 또 하나의 분출부를 더 구비한다. 이 경우에, 더 바람직하게는 상기 분출부가 상기 또 하나의 분출부를 겸한다. 이에 따라 2스트로크 엔진의 구조를 간소화 할 수 있다.
또한 상기 소기가 냉매에 의한 냉각 없이 상기 과급기로부터 상기 소기포트로 공급됨으로써, 2스트로크 엔진의 구조를 간소화 할 수도 있다.
본 발명은, 4스트로크 엔진도 위한 것으로서, 당해 4스트로크 엔진은, 실린더와, 상기 실린더내에 설치되는 피스톤과, 흡기를 가압하여 급기를 생성하는 과급기와, 상기 실린더에 형성되고 흡입행정에 있어서 상기 실린더 및 상기 피스톤의 상면에 의하여 둘러싸이는 공간인 연소실내에 상기 과급기로부터의 상기 급기를 공급하는 급기포트와, 상기 급기포트로부터 상기 연소실내에 대한 상기 급기의 공급 시작시부터 압축행정에 있어서 상기 피스톤이 상사점에 도달하기까지의 사이에 상기 연소실내에 액상 암모니아를 분출하는 분출부와, 상기 실린더에 형성되고 상기 연소실내의 가스가 연소하는 폭발행정후의 배기행정에 있어서 상기 연소실내의 가스를 상기 연소실 외부로 배출하는 배기포트를 구비한다. 이에 따라 액상 암모니아의 기화열에 의하여 연소실내의 가스의 온도를 저하시켜, 압축시에 있어서의 연소실내의 압력을 낮게 하여 압축 일량을 감소시킬 수 있다.
상기한 목적 및 다른 목적, 특징, 태양 및 이점은, 첨부한 도면을 참조하여 이하의 본 발명의 상세한 설명에 의하여 명백해진다.
[도1]제1실시형태에 관한 2스트로크 엔진의 구성을 나타내는 도면이다.
[도2]소기포트, 배기포트 및 제1분출부의 개폐동작의 타이밍 차트이다.
[도3]2스트로크 엔진의 다른 예의 구성을 나타내는 도면이다.
[도4]소기포트, 배기포트 및 제1분출부의 개폐동작의 타이밍 차트이다.
[도5]소기포트, 배기포트 및 제1분출부의 개폐동작의 타이밍 차트이다.
[도6]2스트로크 엔진의 또 다른 예의 구성을 나타내는 도면이다.
[도7]2스트로크 엔진의 또 다른 예의 구성을 나타내는 도면이다.
[도8]제2실시형태에 관한 4스트로크 엔진의 구성을 나타내는 도면이다.
도1은, 본 발명의 제1실시형태에 관한 2스트로크 엔진(1)의 구성을 나타내는 도면이다.
도1의 2스트로크 엔진(1)은 선박용의 내연기관(內燃機關)으로서, 암모니아 가스를 주연료(主燃料)로 한다. 2스트로크 엔진(1)은, 실린더(2) 및 실린더(2)내에 설치되는 피스톤(3)을 구비하고, 피스톤(3)은 도1에서 상하방향으로 이동 가능하다. 또, 도1의 상하방향은 반드시 중력방향이라고는 할 수 없다.
실린더(2)는, 원통모양의 실린더 라이너(21) 및 실린더 라이너(21)의 상부에 부착되는 실린더 커버(22)를 구비한다. 실린더 라이너(21)의 하단부 근방에는, 다수의 관통구멍이 원주모양으로 배열하여 형성되고, 이들의 관통구멍의 집합이 후술하는 소기를 실린더(2)내에 공급하는 소기포트(23)이다. 소기포트(23)의 주위에는 소기실(231)이 설치되어 있고, 소기포트(23)는 소기실(231)을 통하여 소기관(41)과 통한다.
실린더 커버(22)에는, 실린더(2)내의 가스를 실린더(2) 외부로 배출하는 배기포트(24)가 형성되고, 배기포트(24)에는 배기포트(24)를 개폐하는 배기밸브(25)가 설치된다. 배기포트(24)로부터 실린더(2)의 외부로 배출되는 가스(이하, 「배기」라고 한다)는 배기로(241)를 통하여 배기관(42)으로 인도된다. 실제의 2스트로크 엔진(1)에서는 복수의 실린더(2)가 병설되어 있고, 복수의 실린더(2)가 1개의 소기관(41) 및 1개의 배기관(42)에 접속된다.
2스트로크 엔진(1)은, 터보차저(turbo charger)인 과급기(5) 및 해수 등의 냉매에 의하여 과급기(5)로부터의 공기를 냉각하는 공기 냉각기(43)를 더 구비하고, 배기관(42)내의 배기는 과급기(5)의 터빈(51)으로 반송된다. 터빈(51)의 회전에 이용된 배기는, 질소 산화물(ＮＯＸ)을 환원하기 위한 환원촉매(7)를 통하여 2스트로크 엔진(1)의 외부로 배출된다. 과급기(5)의 컴프레서(52)에서는, 터빈(51)에서 발생하는 회전력을 이용하여 2스트로크 엔진(1)의 외부로부터 받아드린 흡기(공기)가 가압된다. 가압된 공기(이하, 「소기」라고 한다)는, 공기 냉각기(43)에 의하여 냉각된 후에 소기관(41)내로 공급된다. 이와 같이 과급기(5)에서는 배기를 이용하여 흡기를 가압하여 소기가 생성된다.
피스톤(3)은, 실린더 라이너(21)에 삽입된 두꺼운 원판모양의 피스톤 크라운(31) 및 일단이 피스톤 크라운(31)의 하면에 접속되는 피스톤 로드(32)를 구비한다. 피스톤 로드(32)의 타단은, 도면에 나타내는 것을 생략한 크랭크 기구에 접속된다. 도1의 2스트로크 엔진(1)에서는, 실린더 라이너(21), 실린더 커버(22), 배기밸브(25) 및 피스톤 크라운(31)의 상면에 의하여 둘러싸이는 공간이, 암모니아 가스 및 공기를 연소하기 위한 연소실(20)이다.
2스트로크 엔진(1)은, 연소실(20)내로 액상 암모니아를 분출하는 제1분출부(61) 및 제2분출부(62)를 더 구비한다. 제1분출부(61)는, 실린더 라이너(21)의 하부(즉 피스톤(3)이 상사점으로부터 하사점에 이르는 1스트로크에 있어서, 피스톤 크라운(31)의 상면이 통과하는 범위 중에서 하반부), 더 상세하게는 소기포트(23)의 근방에 설치되고, 제2분출부(62)는 실린더 커버(22)에 설치된다. 제1분출부(61) 및 제2분출부(62)는 액상 암모니아 탱크(63)에 접속된다. 또, 제1분출부(61)는 실린더 라이너(21)의 내측면에 형성된 오목부내에 수용되어 있어, 피스톤 크라운(31)의 이동을 방해하는 경우는 없다.
다음에 2스트로크 엔진(1)의 동작에 대하여 설명한다. 도2는, 소기포트(23), 배기포트(24) 및 제1분출부(61)의 개폐동작의 타이밍 차트이다. 2스트로크 엔진(1)에서는, 도1에서 2점쇄선으로 나타내는 피스톤(3)의 위치가 상사점이며, 실선으로 나타내는 피스톤(3)의 위치가 하사점이고, 도2에서는, 피스톤(3)이 상사점에 위치할 때의 시간을 「ＴＤＣ」라고 기재하고, 하사점에 위치할 때의 시간을 「ＢＤＣ」라고 기재하고 있다(후술하는 도4 및 도5에 있어서 같음). 또한, 도2의 가로축은, 상기한 크랭크 기구에 있어서의 크랭크각(crank角)으로 파악할 수도 있다.
2스트로크 엔진(1)에 있어서, 피스톤(3)이 상사점 근방에 위치하는 때에는, 도1에서 2점쇄선으로 나타나 있는 바와 같이 배기밸브(25)가 상승해서 배기포트(24)가 닫혀 있어, 연소실(20)내의 가스(후술하는 바와 같이 소기 및 암모니아 가스)가 압축된다. 제2분출부(62)로부터는 연소실(20)내로 액상 암모니아가 분출되고, 기화한 암모니아가 자연적으로 착화하여 연소실(20)내의 가스의 연소(폭발)가 발생한다. 이에 따라 피스톤(3)이 밀려 하사점을 향하여 이동한다. 또, 연소실(20)내의 가스는 반드시 자연적으로 착화할 필요는 없고, 점화 플러그 등을 사용하여 연소실(20)내의 가스의 착화가 이루어져도 좋다.
연소실(20)내의 가스의 연소 후에 피스톤(3)이 하사점에 도달하기 전에, 배기밸브(25)가 하강하여 배기포트(24)가 열린다(도2의 중단참조). 이에 따라 연소실(20)내의 연소가 끝난 가스의 배출이 시작된다. 연소실(20)로부터 배출된 가스(즉 배기)는, 상기한 바와 같이 배기로(241) 및 배기관(42)을 통하여 과급기(5)의 터빈(51)으로 반송되고, 환원촉매(7)를 통과하여 2스트로크 엔진(1)의 외부로 배출된다. 또, 2스트로크 엔진(1)에서는, 크랭크 기구의 크랭크 샤프트에 접속된 캠기구에 의하여 배기밸브(25)의 상승 및 하강(배기포트(24)의 개폐)이 이루어진다.
피스톤(3)이 하사점 근방까지 이동하고, 피스톤 크라운(31)의 상면이 소기포트(23)의 하방에 위치하면, 연소실(20)과 소기실(231)이 통하게 된다. 즉 도2의 상단에 나타나 있는 바와 같이 소기포트(23)가 열리고, 소기실(231)내의 소기가 연소실(20)내로 공급되기 시작된다. 계속하여 도2의 하단에 나타나 있는 바와 같이 제1분출부(61)로부터의 액상 암모니아의 분출이 시작된다(즉 제1분출부(61)가 열린다). 연소실(20)내로 분출된 액상 암모니아는 즉시 기화하여, 소기중에 가스상의 암모니아(암모니아 가스)가 혼입한다.
이 때에, 액상 암모니아의 기화열(증발잠열)에 의하여 연소실(20)내의 소기가 냉각된다. 또한 연소실(20)내의 소기의 일부 및 액상 암모니아가 기화한 암모니아 가스의 일부는 배기포트(24)에 즉시 도달하여 연소실(20)로부터 배출된다. 환언하면, 소기의 일부 및 암모니아 가스의 일부가 연소실(20)을 빠져나간다. 따라서 암모니아 가스를 포함하는 배기가, 배기관(42) 및 터빈(51)을 경유하여 환원촉매(7)에 도달하고, 배기중의 질소 산화물이 암모니아 가스 및 환원촉매(7)에 의하여 환원된다.
피스톤(3)은 하사점을 통과한 후에 상승으로 바뀌고, 그 직후까지 제1분출부(61)로부터의 액상 암모니아의 분출이 계속된다. 제1분출부(61)에 있어서의 분출의 정지후(즉 제1분출부(61)가 닫힌 후)에, 피스톤 크라운(31)의 상면이 소기포트(23)의 상방에 도달함으로써 소기포트(23)가 닫히고, 연소실(20)내로 소기를 공급하는 것이 정지된다. 계속하여 배기포트(24)가 배기밸브(25)에 의하여 닫혀져서 연소실(20)이 밀폐된다. 피스톤(3)은 더 상승하여 연소실(20)내의 소기 및 암모니아 가스가 압축되고 피스톤(3)이 상사점 근방에 도달하면, 제2분출부(62)로부터 연소실(20)내로 액상 암모니아가 분출되어 연소실(20)내에서 연소가 발생한다. 2스트로크 엔진(1)에서는 상기 동작이 반복된다.
이상에서 설명한 바와 같이 도1의 2스트로크 엔진(1)에서는, 소기포트(23)로부터 연소실(20)내에 대한 소기의 공급이 시작되고 나서, 피스톤(3)이 다음의 상사점에 도달할 때까지(즉 압축행정의 완료시까지로서, 압축행정의 완료시는 포함하지 않는다)의 사이에, 제1분출부(61)로부터 연소실(20)내로 액상 암모니아가 분출된다. 이에 따라 2스트로크 엔진(1)에서는, 액상 암모니아의 기화열에 의하여 연소실(20)내의 가스(주로 소기)의 온도를 저하시켜, 압축시에 있어서의 연소실(20)내의 압력을 낮게 하여 압축 일량을 감소시킬 수 있다. 그 결과, 2스트로크 엔진(1)에 있어서 에너지 효율을 향상시키는 것이 실현된다.
또한 2스트로크 엔진(1)에서는, 소기포트(23) 및 제1분출부(61)가 실린더(2)의 하부에 설치되어, 소기를 연소실(20)내로 공급하기 시작한 직후에 연소실(20)내에 대한 액상 암모니아의 분출이 시작된다. 이에 따라 소기의 유입시에 직접 소기를 냉각할 수 있어, 압축행정의 초기보다 연소실(20)내의 압력을 저하시켜서 압축 일량을 더 감소시킬 수 있다.
또한 2스트로크 엔진(1)에서는, 암모니아 가스와 함께 질소 산화물을 환원하는 환원촉매(7)가 연소실(20)로부터 배출되는 배기의 통로에 설치되고, 배기포트(24)로부터 연소실(20)내의 가스를 배출하고 있는 사이에 제1분출부(61)에 의하여 액상 암모니아가 연소실(20)내로 분출된다. 이에 따라 소기의 냉각에 사용된 암모니아 가스를 미연소의 상태로 환원촉매(7)로 인도할 수 있어, 환원촉매(7) 및 당해 암모니아 가스에 의하여 배기중의 질소 산화물을 적절하게 환원할 수 있다. 또, 2스트로크 엔진(1)에 있어서의 배기의 통로는, 배기로(241)로부터 배기가 대기중으로 방출되는 부위까지로서, 환원촉매(7)는, 배기의 통로의 어느 쪽의 부위에 설치되어도 좋다.
도3은, 2스트로크 엔진의 다른 예의 구성을 나타내는 도면이다. 도3의 2스트로크 엔진(1a)은, 환원촉매(7)가 생략되는 점을 제외하고 도1의 2스트로크 엔진(1)과 같아서, 동일한 구성에 동일한 부호를 붙이고 있다. 도4는, 2스트로크 엔진(1a)에 있어서의 소기포트(23), 배기포트(24) 및 제1분출부(61)의 개폐동작의 타이밍 차트이다.
본 동작의 예에서는, 소기포트(23) 및 배기포트(24)의 개폐동작의 타이밍은 도2의 동작의 예와 같지만, 제1분출부(61)의 개폐동작의 타이밍이 다르다. 구체적으로는, 피스톤(3)이 하사점으로부터 상승하여 소기포트(23) 및 배기포트(24)가 순차적으로 닫힌 후(도4의 상단 및 중단참조)에, 도4의 하단에 나타나 있는 바와 같이 제1분출부(61)가 열리고 액상 암모니아가 연소실(20)내로 일정시간 분출된다. 이에 따라 연소실(20)이 밀폐된 상태에서 연소실(20)내의 소기가 냉각된다. 그리고 피스톤(3)이 상사점 근방에 도달하면, 제2분출부(62)로부터 연소실(20)내로 액상 암모니아가 분출되어 연소실(20)내에서 연소가 발생한다. 이 때에, 2스트로크 엔진(1a)에서는 연소실(20)내의 암모니아 가스의 거의 전량이 연소한다.
이상과 같이, 2스트로크 엔진(1a)에서는 배기포트(24)가 닫힌 후에, 피스톤(3)이 다음의 상사점에 도달하기까지의 사이에서만, 제1분출부(61)에 의하여 액상 암모니아가 연소실(20)내로 분출되어 연소실(20)내의 소기가 냉각된다. 이에 따라 환원촉매(7)를 생략한 2스트로크 엔진(1a)에 있어서, 제1분출부(61)로부터 분출된 액상 암모니아가 기화한 가스가, 연소실(20)내에 있어서의 연소전에 연소실(20)로부터 배출되는(즉 암모니아 가스가 연소실(20)을 빠져나가는) 것이 방지된다. 그 결과, 연소실(20)내의 소기의 냉각에 의하여 2스트로크 엔진(1a)에 있어서의 압축 일량을 감소하면서, 암모니아 가스가 2스트로크 엔진(1a)의 외부로 배출되는 것을 방지할 수 있다.
또, 환원촉매를 구비하는 2스트로크 엔진에 있어서, 배기포트(24)가 닫힌 후에만 제1분출부(61)로부터 액상 암모니아를 분출함으로써 암모니아 가스가 연소실(20)을 빠져나가는 것이 방지 되더라도 좋다. 이 경우에, 암모니아나, 그 이외의 환원제를 환원촉매로 공급하는 공급부가 별도로 설치된다.
다음에 도3의 2스트로크 엔진(1a)에 있어서의 다른 동작의 예에 대하여 설명한다. 도5는, 다른 동작의 예에 관한 소기포트(23), 배기포트(24) 및 제1분출부(61)의 개폐동작의 타이밍 차트이다.
본 동작의 예에서는, 소기포트(23) 및 제1분출부(61)의 개폐동작의 타이밍은 도4의 동작의 예와 같지만, 배기포트(24)의 개폐동작의 타이밍이 다르다. 구체적으로는, 피스톤(3)이 하사점을 통과한 후에, 도5의 상단 및 중단에 나타나 있는 바와 같이 배기포트(24)가 소기포트(23)보다도 먼저 닫힌다. 이 때에, 2스트로크 엔진(1a)에서는 고온의 연소가 끝난 가스의 일부가 잔류가스로서 연소실(20)내에 잔류한다. 소기포트(23)가 닫힌 후에, 도5의 하단에 나타나 있는 바와 같이 제1분출부(61)로부터 연소실(20)내로 액상 암모니아가 일정시간 분출되어, 소기 및 잔류가스를 포함하는 연소실(20)내의 가스가 액상 암모니아의 기화열에 의하여 냉각된다. 그리고 피스톤(3)이 상사점 근방에 도달하면, 제2분출부(62)로부터 연소실(20)내로 액상 암모니아가 분출되어 연소실(20)내에서 연소가 발생한다.
이상과 같이, 2스트로크 엔진(1a)에서는 배기포트(24)가 닫힐 때에 연소가 끝난 가스의 일부가 잔류가스로서 연소실(20)내에 잔류하고, 배기포트(24)가 닫힌 후에 소기 및 잔류가스를 포함하는 연소실(20)내로 제1분출부(61)에 의하여 액상 암모니아가 분출된다. 이에 따라 연소실(20)내의 가스의 온도를 저하시켜, 실린더(2)의 열부하를 감소하면서 압축시에 있어서의 연소실(20)내의 압력을 낮게 할 수 있다. 또한 연소시에 있어서의 연소실(20)내의 가스의 산소량을 저하시킬 수 있다. 그 결과, 압축 일량을 감소하면서, 배기중의 질소 산화물을 감소시킬 수 있다.
본 동작의 예에 있어서의 2스트로크 엔진(1a)에서는 배기포트(24)가 닫힌 후에만 제1분출부(61)로부터 액상 암모니아를 분출하기 때문에, 암모니아 가스의 빠져나가기가 방지되지만, 도1의 2스트로크 엔진(1)과 같이 환원촉매(7)를 설치하는 경우에는, 배기포트(24)가 닫히기 전에도 제1분출부(61)로부터 액상 암모니아가 분출되어서 좋다.
도6은, 2스트로크 엔진의 또 다른 예의 구성을 나타내는 도면으로서, 도6에서는 2스트로크 엔진(1b)의 일부의 구성만을 나타내고 있다. 도6의 2스트로크 엔진(1b)은, 제1분출부(61)가 생략되는 점을 제외하고 도1의 2스트로크 엔진(1)와 같아서, 동일한 구성에 동일한 부호를 붙이고 있다.
도6의 2스트로크 엔진(1b)에서는 도1의 제1분출부(61)에 의한 연소실(20)내에 대한 액상 암모니아의 분출이 제2분출부(62)에 의하여 실현된다. 즉 소기포트(23)로부터 연소실(20)내에 대한 소기의 공급이 시작된 후에 피스톤(3)이 다음의 상사점에 도달하기 전에, 실린더 커버(22)에 설치되는 제2분출부(62)로부터 연소실(20)내로 액상 암모니아가 분출된다.
여기에서 소기 냉각용의 액상 암모니아를 분출하는 분출부가 실린더 라이너(21)(즉 실린더(2)의 측부)에 설치되는 경우에는, 피스톤 크라운(31)의 상면이 당해 분출부보다도 상방에 위치할 때에, 당해 분출부에서 연소실(20)내로 액상 암모니아를 분출할 수 없어, 소기 냉각용의 액상 암모니아의 분출 가능한 기간이 대폭적으로 제한된다.
이에 대하여 도6의 2스트로크 엔진(1b)에서는 소기 냉각용의 액상 암모니아를 분출하는 분출부(즉 제2분출부(62))가 실린더 커버(22)에 설치되고, 당해 분출부가 항상 연소실(20)에 면하기 때문에, 소기 냉각용의 액상 암모니아의 분출 타이밍의 자유도가 높아진다. 또한 도6의 2스트로크 엔진(1b)에서는 연소실(20)내로 액상 암모니아를 분출하여 연소실(20)내의 가스의 연소를 하는 분출부와, 소기 냉각용의 액상 암모니아를 분출하는 분출부가 동일한 분출부, 환언하면, 소기 냉각용의 분출부가 타방의 분출부를 겸함으로써 2스트로크 엔진의 구조를 간소화 할 수 있다.
도1, 도3 및 도6의 2스트로크 엔진(1, 1a, 1b)에서는 소기 냉각용의 액상 암모니아의 분출에 의하여 연소실(20)내에서 소기를 냉각할 수 있기 때문에, 공기 냉각기(43)를 작게 할 수 있지만, 2스트로크 엔진의 설계에 따라서는, 도7에 나타내는 2스트로크 엔진(1c)과 같이 과급기(5)와 소기관(41) 사이에 있어서 공기 냉각기를 생략할 수도 있다. 도7의 2스트로크 엔진(1c)에서는 소기가 냉매(즉 소기의 온도를 내리기 위한 열매개체)에 의한 냉각 없이 과급기(5)로부터 소기관(41) 및 소기실(231)을 통하여 소기포트(23)로 공급된다. 이와 같이 공기 냉각기를 생략한 2스트로크 엔진(1c)에서는 엔진의 구조를 간소화 할 수 있다(후술하는 도8의 4스트로크 엔진(1d)에 있어서 같음).
도8은, 본 발명의 제2실시형태에 관한 4스트로크 엔진(1d)의 구성을 나타내는 도면이다. 도8의 4스트로크 엔진(1d)은, 실린더(2d), 실린더(2ｄ)내에 설치되는 피스톤(3d), 실린더(2d)에 형성되는 급기포트(23d) 및 배기포트(24d), 액상 암모니아 탱크(63d)에 접속된 분출부(61d) 및 흡기를 가압하여 급기를 생성하는 과급기(5d)를 구비한다.
4스트로크 엔진(1d)에서는 피스톤(3d)이 상사점으로부터 하사점으로 이동하는 흡입행정에 있어서, 급기포트(23d)에 설치되는 밸브를 열어서 실린더(2d) 및 피스톤(3d)의 상면에 의하여 둘러싸이는 공간인 연소실(20ｄ)내에 과급기(5d)로부터의 급기가 공급된다. 계속하여 급기포트(23d)를 폐쇄한 상태에서, 피스톤(3d)이 하사점으로부터 상사점으로 이동함으로써 연소실(20ｄ)내의 급기를 압축하는 압축행정이 이루어진다. 실제로는, 직전의 흡입행정에 있어서의 급기포트(23d)로부터 연소실(20ｄ)내에 대한 급기의 공급 시작시부터 압축행정에 있어서 피스톤(3d)이 상사점에 도달하기까지의 사이에 분출부(61d)로부터 연소실(20ｄ)내로 액상 암모니아가 분출된다. 이에 따라 액상 암모니아의 기화열에 의하여 연소실(20ｄ)내의 급기가 냉각된다.
분출부(61d)에서는 피스톤(3d)이 상사점 근방에 위치할 때에, 연소실(20ｄ)내에 액상 암모니아가 다시 분출되어, 연소실(20ｄ)내의 암모니아 및 급기를 포함하는 가스의 연소가 이루어진다. 연소실(20ｄ)내의 가스의 연소에 의하여 피스톤(3d)이 상사점으로부터 하사점으로 이동하는 폭발행정의 다음에, 피스톤(3d)이 하사점으로부터 상사점으로 이동하는 배기행정이 이루어진다. 배기행정에서는 배기포트(24d)에 설치되는 밸브를 열어서 연소실(20ｄ)내의 가스가 연소실(20d) 외부로 배출된다. 실린더(2d)의 외부로 배출되는 배기는, 과급기(5d)를 경유하여 환원촉매(7d)로 인도되고, 환원촉매(7d)에 별도로 공급되는 암모니아 가스 및 환원촉매(7d)에 의하여 배기중의 질소 산화물이 환원된다.
이상에서 설명한 바와 같이 도8의 4스트로크 엔진(1d)에서는, 급기포트(23d)로부터 연소실(20ｄ)내에 대한 급기의 공급 시작시부터 압축행정에 있어서 피스톤(3d)이 상사점에 도달할 때까지(즉 압축행정의 완료시까지)의 사이에, 분출부(61d)로부터 연소실(20ｄ)내로 액상 암모니아가 분출된다. 이에 따라 4스트로크 엔진(1d)에서는 액상 암모니아의 기화열에 의하여 연소실(20ｄ)내의 가스(주로 급기)의 온도를 저하시켜, 압축행정 시에 있어서의 연소실(20ｄ)내의 압력을 낮게 하여 압축 일량을 감소시킬 수 있다. 그 결과, 4스트로크 엔진(1d)에 있어서 에너지 효율이 향상되는 것이 실현된다.
도8의 4스트로크 엔진(1d)에 있어서, 급기 냉각용의 액상 암모니아를 분출하는 분출부를 분출부(61d)와는 별개로 설치하는 것도 가능하다. 이 경우에, 도1, 도3 및 도7의 2스트로크 엔진(1, 1a, 1c)과 마찬가지로 당해 분출부가 실린더(2d)의 측부에 설치되어도 좋다.
또한 4스트로크 엔진(1d)에 있어서, 배기포트(24d)가 열려 있는 기간과 급기포트(23d)가 열려 있는 기간이 부분적으로 겹치고 있어도 좋다. 이 경우에, 배기포트(24d) 및 급기포트(23d)의 쌍방이 열려 있는 사이에, 분출부(61d)에 의하여 액상 암모니아가 연소실(20ｄ)내로 분출되더라도 좋고, 이에 따라 급기 냉각에 사용된 암모니아 가스를 미연소의 상태에서 환원촉매(7d)로 인도하고, 당해 암모니아 가스 및 환원촉매(7d)에 의하여 배기중의 질소 산화물을 환원할 수 있다.
한편 4스트로크 엔진(1d)에 있어서, 배기포트(24d)가 닫힌 후에만 분출부(61d)가 연소실(20ｄ)내로 액상 암모니아를 분출하는 경우에는, 암모니아 가스가 연소실(20d)을 빠져나가는 것이 방지된다. 이 경우에, 배기포트(24d)가 닫힐 때에 연소가 끝난 가스의 일부가 잔류가스로서 연소실(20ｄ)내에 잔류하고 있어도 좋고, 이에 따라 배기중의 질소 산화물이 감소된다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시형태로 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 가능하다.
2스트로크 엔진에 있어서, 예를 들면 제2분출부(62)로부터 분출되는 액상 암모니아에 석유연료 등이 혼합되어 있더라도 좋다. 또한 암모니아 가스나, 기액혼합 상태의 암모니아, 또는 이들의 암모니아와 석유연료 등을 혼합한 것이 제2분출부(62)로부터 분출되더라도 좋다(4스트로크 엔진에 있어서 같음). 즉 상기 2스트로크 엔진에서는, 피스톤이 상사점 근방에 위치할 때에, 제2분출부(62)로부터 암모니아를 포함하는 유체(암모니아뿐의 유체이더라도 좋다)가 분출됨으로써, 연소실(20)내의 가스의 연소가 이루어진다.
또한 용이하게 연소하는 연료(예를 들면 수소가스나 경유)를 제2분출부(62)로부터 분출함으로써 연소실(20)내에서 연소가 이루어지게 하고, 이에 따라 제1분출부(61)로부터의 액상 암모니아의 분출에 의하여 연소실(20)내에 충전된 암모니아 가스의 연소가 확실하게 이루어져도 좋다. 또한 상기 연료의 분출은, 제2분출부(62)와는 다른 분출부에 의하여 이루어져도 좋은데, 이 경우에, 피스톤이 상사점 근방에 위치할 때에, 제2분출부(62)로부터 액상 암모니아가 분출됨과 아울러 당해 다른 분출부로부터 상기 연료가 분출된다. 상기한 바와 같이, 연소실(20)내의 가스의 연소는 점화 플러그 등을 사용하여 이루어져도 좋다.
상기 실시예에서는, 소기(또는 급기)냉각용의 액상 암모니아가, 분출부로부터 일정기간 연속하여 분출되지만, 당해 분출부에 있어서 당해 기간 내에서 복수회의 분출동작이 이루어짐으로써 소기를 냉각하면서 연소실내에 암모니아 가스가 충전되더라도 좋다. 또한 냉각용의 액상 암모니아는, 공기 등과 기액(氣液) 혼합상태로 분출되더라도 좋다.
2스트로크 엔진에 있어서, 도1의 소기포트(23)와 마찬가지로 배기포트를 실린더 라이너(21)(실린더(2)의 측부)에 설치하고, 피스톤(3)의 이동에 의하여 배기포트의 개폐가 이루어져도 좋다. 또한 도1의 배기포트(24)와 마찬가지로, 소기포트의 개폐가 밸브에 의하여 이루어져도 좋다.
과급기(5, 5d)는, 연소실로부터의 배기를 이용하여 흡기를 가압하는 것 이외에 크랭크 샤프트로부터 얻어지는 동력에 의하여 흡기를 가압하는 것 등이더라도 좋다.
상기 실시형태에 있어서의 2스트로크 엔진 및 4스트로크 엔진은, 선박 이외에 자동차나 발전용의 원동기 등 다양한 용도에 사용되어도 좋다.
상기 실시형태 및 각 변형예에 있어서의 구성은, 서로 모순되지 않는 한 적절하게 조합시킬 수 있어도 좋다.
발명을 상세하게 묘사하여 설명하였지만, 상기한 설명은 예시적이며 한정적인 것이지는 않다. 따라서 본 발명의 범위를 일탈하지 않는 한, 다수의 변형이나 태양이 가능하다고 할 수 있다.
1, 1a∼1c : 2스트로크 엔진
1d 4 : 스트로크 엔진
2, 2d : 실린더
3, 3d : 피스톤
5, 5d : 과급기
7, 7d : 환원촉매
20, 20d : 연소실
23 : 소기포트
23d : 급기포트
24, 24d : 배기포트
61 : 제1분출부
61d : 분출부
62 : 제2분출부

Claims (9)

  1. 2스트로크 엔진으로서,
    실린더와,
    상기 실린더내에 설치되는 피스톤과,
    흡기(吸氣)를 가압하여 소기(掃氣)를 생성하는 과급기(過給器)와,
    상기 실린더에 형성되고, 상기 실린더 및 상기 피스톤의 상면에 의하여 둘러싸이는 공간인 연소실내에 상기 과급기로부터의 상기 소기를 공급하는 소기포트(掃氣port)와,
    상기 실린더에 형성되고, 상기 연소실내의 가스를 상기 연소실 외부로 배출하는 배기포트와,
    상기 소기포트로부터 상기 연소실내에 대한 상기 소기의 공급이 시작되고 나서 상기 피스톤이 다음의 상사점(上死點)에 도달하기까지의 사이에, 상기 연소실내에 액상 암모니아를 분출하는 분출부를
    구비하는 2스트로크 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소기포트 및 상기 분출부가 상기 실린더의 하부에 설치되는 2스트로크 엔진.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    암모니아 가스와 함께 질소 산화물을 환원하는 환원촉매를 더 구비하고,
    상기 환원촉매가 상기 연소실로부터 배출되는 배기의 통로에 설치되고,
    상기 배기포트로부터 상기 연소실내의 가스를 배출하고 있는 사이에, 상기 분출부에 의하여 상기 액상 암모니아가 상기 연소실내로 분출되는 2스트로크 엔진.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배기포트를 닫은 후에만, 상기 분출부에 의하여 상기 액상 암모니아가 상기 연소실내로 분출되는 2스트로크 엔진.
  5. 제1항 내지 제3항 중의 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 배기포트를 닫을 때에, 연소가 끝난 가스의 일부가 잔류가스로서 상기 연소실내에 잔류하고,
    상기 배기포트를 닫은 후에, 상기 분출부에 의하여 상기 액상 암모니아가 상기 연소실내로 분출되는 2스트로크 엔진.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 피스톤이 상기 상사점 근방에 위치할 때에, 상기 연소실내에 암모니아를 포함하는 유체를 분출하여 상기 연소실내의 가스의 연소를 하는 또 하나의 분출부를 더 구비하는 2스트로크 엔진.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 분출부가 상기 또 하나의 분출부를 겸하는 2스트로크 엔진.
  8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 소기가 냉매에 의한 냉각 없이 상기 과급기로부터 상기 소기포트로 공급되는 2스트로크 엔진.
  9. 4스트로크 엔진으로서,
    실린더와,
    상기 실린더내에 설치되는 피스톤과,
    흡기를 가압하여 급기를 생성하는 과급기와,
    상기 실린더에 형성되고, 흡입행정에 있어서, 상기 실린더 및 상기 피스톤의 상면에 의하여 둘러싸이는 공간인 연소실내에 상기 과급기로부터의 상기 급기를 공급하는 급기포트와,
    상기 급기포트로부터 상기 연소실내에 대한 상기 급기의 공급 시작시부터, 압축행정에 있어서 상기 피스톤이 상사점에 도달하기까지의 사이에, 상기 연소실내에 액상 암모니아를 분출하는 분출부와,
    상기 실린더에 형성되고, 상기 연소실내의 가스가 연소하는 폭발행정후의 배기행정에 있어서, 상기 연소실내의 가스를 상기 연소실 외부로 배출하는 배기포트를
    구비하는 4스트로크 엔진.
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