KR20140124015A - 2 사이클 가스 엔진 - Google Patents

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Abstract

가스 운전 모드 중에 있어서의 흑연이나 PM 이나 NOx 의 발생을 억제시킬 수 있는 2 사이클 가스 엔진을 제공하는 것을 목적으로 하고, 실린더 (2) 의 둘레벽 (2a) 및 실린더 헤드 (3) 와의 사이에 주연소실 (c1) 을 구획하는 피스톤 (4) 과, 주연소실 (c1) 에 연료 가스 (8a, 8b) 를 분사하는 연료 가스 분사 수단 (8) 과, 피스톤 (4) 이 하사점 근방에 위치할 때에 주연소실 (c1) 내에 공기를 공급하는 소기 포트 (6) 와, 주연소실 (c1) 과 분출 구멍 (9b) 을 개재하여 연통되는 부연소실 (c2) 이 내부에 구획된 부실 구금 (9) 과, 피스톤 (4) 이 상사점의 10°∼ 100°바로앞에 위치할 때에 주연소실 (c1) 에 연료 가스 (8b) 를 분사시키고, 또한 피스톤 (4) 이 상사점 근방에 위치할 때에 주연소실 (c1) 에 연료 가스 (8a) 를 분사시키는 연료 분사 타이밍 제어 수단 (12) 과, 피스톤 (4) 이 상사점 근방에 위치할 때에 부연소실 (c2) 내의 연료 가스 (8c) 와 공기의 혼합기를 점화시키는 점화 타이밍 제어 수단 (12) 을 구비하고 있다.

Description

2 사이클 가스 엔진{2-CYCLE GAS ENGINE}
본 발명은 2 사이클 가스 엔진에 관한 것이다.
종래, 천연 가스 등의 연료 가스를 주연료, 압축 착화성이 양호한 경유 등의 연료유를 파일럿 연료로 하고, 고온 분위기하의 연소실 내에 그 연료유를 분사하여 자기 착화시킴으로써, 주연료인 연료 가스를 연소시키는 가스 엔진이 공지되어 있다. 또한 이런 종류의 가스 엔진의 일 형태로서, 연료 가스를 연소시켜 엔진을 운전하는 가스 운전 모드와, 연료유를 연소시켜 엔진을 운전하는 디젤 운전 모드를 임의로 전환할 수 있는 듀얼 퓨엘 엔진 역시 공지되어 있다.
예를 들어 특허문헌 1 에는, 연료 가스 등의 압축 착화성이 나쁜 저세탄가 연료를 주연료로 하고, 압축 착화성이 양호한 연료유를 파일럿 연료로 한 이원 연료 디젤 엔진이 개시되어 있다. 이 특허문헌 1 의 엔진은, 실린더 헤드에 형성된 연료 가스 분사 밸브 및 파일럿 연료 분사 밸브를 구비하고 있고, 그 연료 가스 분사 밸브 및 파일럿 연료 분사 밸브로부터 연소실을 향하여 연료 가스 및 파일럿 연료를 분사함으로써, 고온 연소실 내에서 파일럿 연료 (연료유) 를 자기 착화시키고, 이로써 주연료 (연료 가스) 를 연소시키도록 구성되어 있다.
또 특허문헌 2 에는, 압축 착화성이 나쁜 연료 가스를 주연료로 하고, 압축 착화성이 양호한 경유나 등유 등의 디젤 연료를 파일럿 연료로 한 가스 엔진이 개시되어 있다. 이 특허문헌 2 의 가스 엔진은, 실린더 헤드에 형성된 흡기 포트 및 디젤 연료 분사 장치와, 실린더 둘레벽에 형성된 연료 가스 분사 장치를 구비하고 있다. 그리고, 피스톤이 하강되는 흡입 행정시에 흡기 포트로부터 연소실에 공기가 도입되고, 흡입 행정 후기부터 압축 행정 후기 사이의 적정한 시기에 연료 가스 분사 장치로부터 연소실에 연료 가스가 분사되도록 되어 있다. 그리고, 피스톤이 상사점 근방까지 상승된 타이밍에 디젤 연료 분사 장치로부터 연소실에 디젤 연료가 분사되고, 연소실 내에서 디젤 연료가 자기 착화됨으로써, 주연료인 연료 가스를 연소시키도록 구성되어 있다.
또 예를 들어 특허문헌 3 에는, 연료 가스와 공기와 혼합시키고 나서 연소실 내에 유입시키는 예비 혼합 연소 방식 (가스 운전 모드) 과, 연료유를 직접 연소실 내에 분사하여 연소시키는 확산 연소 방식 (디젤 운전 모드) 의 어느 연료에도 대응할 수 있는 듀얼 퓨엘 엔진이 개시되어 있다. 또 특허문헌 4 에는, 직접 분사식으로 디젤 운전 모드와 파일럿 분사 연료 착화식 가스 운전 모드의 전환이 가능한 듀얼 퓨엘 엔진이 개시되어 있다.
일본 공개실용신안공보 소62-45339호 일본 공개특허공보 평6-137150호 일본 공개특허공보 2008-202545호 일본 공개특허공보 2008-51121호
그런데 상기 서술한 특허문헌 1 의 엔진은, 주연료와 파일럿 연료가 상사점 근방에서 거의 동시에 연소실에 공급되기 때문에, 연소실에 분사된 주연료는, 교반되는 시간도 없이 바로 연소된다. 따라서, 그 주연료의 연소 형태는 확산 연소가 된다. 확산 연소의 경우에는, 예비 혼합 연소의 경우와 비교하여 균일 연소가 어려워, 고온 연소 영역에 있어서 NOx (질소산화물) 가 발생되기 쉬워진다는 문제가 있다.
또, 상기 서술한 특허문헌 2 의 가스 엔진은, 연소실 내에 흡입되는 공기량을 증대시키기 위해서 이루어진 발명이다. 즉 특허문헌 2 의 발명은, 종래에는 흡기 포트로부터 연료 가스와 공기의 혼합기를 도입한 것에 비해, 흡기 포트로부터는 공기만을 흡입하고, 별도로 연료 가스 분사 장치를 구비하도록 구성되어 있다. 그리고, 그 연료 가스 분사 장치에 의해 흡입 행정과는 타이밍을 다르게 하여 연소실에 연료 가스를 분사함으로써, 흡기 포트로부터 연소실 내에 흡입되는 공기량을 증대시키고, 이로써 엔진 출력의 향상을 도모하고 있다.
이와 같은 특허문헌 2 에는, 예비 혼합화를 촉진시킴으로써, NOx (질소산화물) 의 발생을 억제시킨다는 기술적 사상은 전혀 개시되어 있지 않다.
또, 상기 서술한 특허문헌 3, 4 의 엔진은, 모두 가스 운전 모드 중에 있어서, 고온 연소실 내에 소량의 연료유를 파일럿 연료로 하여 분사하고, 분사된 연료유를 자기 착화시킴으로써 연소실 내의 연료 가스를 연소시키도록 구성되어 있다. 이와 같이 연료유를 파일럿 연료로 하여 연료 가스를 연소시키는 방식에서는, 가스 운전 모드 중에 있어서의 흑연이나 PM 의 발생량이 증대된다는 문제가 있다. 또한, 상기 서술한 특허문헌 3, 4 는 모두 4 사이클 엔진을 대상으로 한 발명이며, 본 발명과 같이 2 사이클 엔진을 대상으로 한 것은 아니다.
본 발명은 상기 서술한 바와 같은 종래 기술의 과제를 감안하여 이루어진 발명으로서, 흑연이나 PM, NOx 등의 발생을 억제시킬 수 있는 2 사이클 가스 엔진을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명은 상기 서술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해서 이루어진 발명으로서,
본 발명의 2 사이클 가스 엔진은,
실린더 및 실린더 헤드와,
상기 실린더 내에 수용됨과 함께, 상기 실린더의 둘레벽 및 상기 실린더 헤드와의 사이에 주연소실을 구획하는 피스톤과,
상기 주연소실에 연료 가스를 분사하는 연료 가스 분사 수단과,
상기 피스톤이 하사점 근방에 위치할 때에 상기 주연소실 내에 공기를 공급하는 상기 실린더의 둘레벽에 개구된 소기 (掃氣) 포트와,
상기 주연소실과 분출 구멍을 개재하여 연통되는 부연소실이 내부에 구획됨과 함께 그 부연소실에 점화 플러그가 형성된, 상기 실린더 헤드에 내설된 부실 구금과,
가스 운전 모드 중에 있어서, 상기 피스톤이 상승 행정에 있고 또한 상기 피스톤이 상사점의 10°∼ 100°바로앞에 위치할 때에 상기 연료 가스 분사 수단에 의해 상기 주연소실에 연료 가스를 분사시키고, 또한 상기 피스톤이 상사점 근방에 위치할 때에 상기 연료 가스 분사 수단에 의해 상기 주연소실에 연료 가스를 분사시키는 연료 분사 타이밍 제어 수단과,
상기 피스톤이 상사점 근방에 위치할 때에 상기 점화 플러그를 작동시켜, 부연소실 내의 연료 가스와 공기의 혼합기를 점화시키는 점화 타이밍 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 2 사이클 가스 엔진은, 피스톤이 상사점의 10°∼ 100°바로앞에 위치할 때에 연료 분사 타이밍 제어 수단에 의해 연료 가스를 분사하여, 주연소실 내에 혼합기를 생성한다. 생성된 혼합기는, 피스톤이 더 상승되는 과정에 있어서, 부실 구금의 분출 구멍을 통해 부연소실에 유입된다. 그리고, 피스톤이 상사점 근방에 위치할 때에 점화 타이밍 제어 수단에 의해 부연소실 내의 혼합기를 점화시킴으로써, 부연소실 내에 토치를 생성하고, 분출 구멍을 통해 그 토치를 주연소실에 분출시킨다. 그리고 이로써, 피스톤이 상사점 근방에 위치할 때에 분사된 연료 가스 및 주연소실 내의 혼합기를 연소시킨다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 피스톤이 상사점의 40°∼ 100°바로앞에 위치할 때에 분사된 연료 가스와 공기의 예비 혼합화가 촉진되기 때문에, 연소 전체에서 차지하는 확산 연소의 비율이 저하되어, NOx (질소산화물) 의 발생을 억제시킬 수 있다.
또한, 연료유는 사용하지 않고 점화 플러그에 의해 연료 가스에 착화되기 때문에, 흑연이나 입상 물질 (PM) 의 발생을 억제시킬 수 있음과 함께, 연비 성능의 향상을 도모할 수 있다.
또, 상기 발명에 있어서, 상기 연료 가스 분사 수단에 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급 수단을 갖고, 그 연료 가스 공급 수단이, 상기 부연소실에 대해 연료 가스를 공급할 수 있게 구성되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이 연료 가스 분사 수단에 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급 수단이, 부연소실에 대해서도 연료 가스를 공급할 수 있게 구성되어 있으면, 부연소실에 유입되는 혼합기의 유량 및 농도 등에 관계없이, 안정적으로 부연소실 내에 있어서 토치를 생성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 2 사이클 가스 엔진에 있어서, 피스톤이 상사점의 10°∼ 100°바로앞에 위치할 때에 연료 가스를 분사함으로써, 연료 가스와 공기의 예비 혼합화를 촉진시킴과 함께, 연료유는 사용하지 않고 점화 플러그에 의해 연료 가스와 공기의 혼합기에 점화됨으로써, 흑연이나 PM, NOx 등의 발생을 억제시킴과 함께 연비 성능도 향상된 2 사이클 가스 엔진을 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 2 사이클 가스 엔진을 나타낸 상면도이다.
도 2A 는 도 1 에 있어서의 A-A 단면이다.
도 2B 는 도 1 에 있어서의 B-B 단면이다.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 부실 구금을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 연료 가스의 분사 타이밍 및 점화 플러그의 작동 타이밍을 설명하기 위한 개략도이다.
도 5 는 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 2 사이클 가스 엔진의 작용을 설명하기 위한 개략도이다.
도 6 은 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 2 사이클 가스 엔진을 나타낸 개략 단면도이다.
도 7 은 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 부실 구금을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 8 은 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 연료 가스의 분사 타이밍 및 점화 플러그의 작동 타이밍을 설명하기 위한 개략도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.
단, 본 발명의 범위는 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 이하의 실시형태에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대 배치 등은 특별히 기재가 없는 한, 본 발명의 범위를 그것에만 한정하는 취지가 아니라, 간단한 설명예에 불과하다.
＜제 1 실시형태＞
도 1 은, 제 1 실시형태에 관련된 2 사이클 가스 엔진을 나타낸 상면도, 도 2A 는 도 1 에 있어서의 A-A 단면, 도 2B 는 도 1 에 있어서의 B-B 단면이다. 또 도 3 은, 제 1 실시형태에 관련된 부실 구금을 확대하여 나타낸 단면도, 도 4 는, 제 1 실시형태에 관련된 연료 가스의 분사 타이밍 및 점화 플러그의 작동 타이밍을 설명하기 위한 개략도이다. 먼저, 도 1, 도 2A, 도 2B, 도 3 및 도 4 를 토대로 하여, 제 1 실시형태에 관련된 2 사이클 가스 엔진의 구성에 대해 설명한다.
본 실시형태의 2 사이클 가스 엔진 (1) 은, 도 2A 및 도 2B 에 나타낸 바와 같이, 원통형의 실린더 (2) 와, 그 실린더 (2) 의 상단측에 결합된 실린더 헤드 (3) 와, 실린더 (2) 의 내부에 자유롭게 진퇴할 수 있게 수용된 피스톤 (4) 을 구비하고 있다. 그리고, 이들 실린더 (2) 의 둘레벽 (2a) 과, 실린더 헤드 (3) 의 정상벽 (3a) 과, 피스톤 (4) 의 정상면 (4a) 사이에 주연소실 (c1) 이 구획되어 있다. 또한, 도면 중의 부호 5 는 피스톤 링을 나타내고 있다.
또, 실린더 (2) 의 하방측의 둘레벽 (2a) 에는 소기 포트 (6) 가 개구되어 있다. 이 소기 포트 (6) 는, 하사점 근방에 위치하는 피스톤 (4) 의 정상면 (4a) (도면 중에 이점 쇄선으로 표시) 보다 상방의 위치에 형성되어 있고, 피스톤 (4) 이 하사점 근방에 위치할 때에, 소기 포트 (6) 로부터 주연소실 (c1) 에 공기가 공급되도록 되어 있다. 또한, 실린더 헤드 (3) 의 정상부에는 배기 포트가 개구됨과 함께, 그 배기 포트를 개폐하는 배기 밸브 (7) 가 형성되어 있다. 이 배기 밸브 (7) 는, 피스톤 (4) 이 상승 행정에 있는 소기 행정시에 있어서, 피스톤 (4) 이 상사점의 바로앞 약 100°의 위치에 도달할 때까지 개방된다. 그리고, 소기 포트 (6) 로부터 주연소실 (c1) 에 공급되는 공기에 의해 주연소실 (c1) 에 잔류하는 전행정의 배기 가스가 소기되도록 되어 있다.
또, 본 실시형태의 가스 엔진 (1) 은, 연료 가스를 연소시켜 운전하는 가스 운전 모드와, 연료유를 연소시켜 운전하는 디젤 운전 모드가 전환 가능하게 구성된 듀얼 퓨엘 엔진으로 하여 구성되어 있다. 그리고, 가스 운전 모드 중에 있어서 주연소실 (c1) 에 천연 가스 등의 연료 가스를 분사하는 연료 가스 분사 장치 (8) (연료 가스 분사 수단) 와, 동일하게 주연소실 (c1) 에 경유 등의 압축 착화성이 양호한 연료유 (도시 생략) 를 분사하는 연료유 분사 장치 (10) (연료유 분사 수단) 가 각각 실린더 헤드 (3) 에 형성되어 있다.
이들 연료 가스 분사 장치 (8) 및 연료유 분사 장치 (10) 는, 도 1 에 나타낸 바와 같이, 실린더 중심 (o) 을 회전 중심으로 하여 원주 방향으로 180°떨어진 위치에 각각 2 개 형성되어 있다. 또 이 연료 가스 분사 장치 (8) 는, 상기 서술한 소기 포트 (6) 의 배향 방향과 동일한 방향을 향하여 연료 가스 (8a, 8b) 를 분사하도록 구성되어 있다.
또 이들 연료 가스 분사 장치 (8) 및 연료유 분사 장치 (10) 는, 도 2A 및 도 2B 에 나타낸 바와 같이, 엔진 컨트롤 유닛 (ECU) (12) 과 케이블 (14) 을 통해 접속되어 있다. 또 ECU (12) 는, 크랭크축 (17) 의 회전각을 검출하는 크랭크각 센서 (15) 와 케이블 (16) 을 통해 접속되어 있다. 그리고, 크랭크각 센서 (15) 로부터 크랭크축 (17) 의 회전각에 관한 신호를 수신함으로써, 피스톤 (4) 의 위상을 검지하도록 되어 있다. 그리고 연료 가스 분사 장치 (8) 및 연료유 분사 장치 (10) 는, ECU (12) 로부터 송신되는 신호에 기초하여, 소정 타이밍에 주연소실 (c1) 에 연료 가스 (8a, 8b) 및 연료유를 분사하도록 되어 있다.
구체적으로는, 가스 운전 모드 중에 있어서, 피스톤 (4) 이 상승 행정에 있고 또한 피스톤 (4) 이 상사점의 10°∼ 100°바로앞에 위치할 때에, ECU (12) 로부터 연료 가스 분사 장치 (8) 에 대해 신호가 송신되고, 도 4 에 나타낸 바와 같이, 연료 가스 분사 장치 (8) 로부터 주연소실 (c1) 에 연료 가스 (8b) 가 분사되도록 되어 있다. 분사된 연료 가스 (8b) 는, 피스톤 (4) 이 상승되어 가는 과정에 있어서 주연소실 (c1) 내부의 공기와 서로 섞임으로써 혼합기 (20) 가 된다. 혼합기 (20) 는, 주연소실 (c1) 내로 확산되어 감과 함께, 분출 구멍 (9b) 을 개재하여 주연소실 (c1) 과 연통되는 부연소실 (c2) 에도 확산된다.
또 피스톤 (4) 이 상사점 근방에 위치할 때에, ECU (12) 로부터 연료 가스 분사 장치 (8) 에 대해 신호가 송신되고, 연료 가스 분사 장치 (8) 로부터 주연소실 (c1) 에 연료 가스 (8a) 가 분사되도록 되어 있다. 즉 ECU (12) 는, 본 실시형태에 있어서의 연료 분사 타이밍 제어 수단에 상당한다. 그리고 도 4 에 나타낸 바와 같이, 피스톤 (4) 이 상사점 근방에 위치할 때에, 후술하는 부실 구금 (9) 의 분출 구멍 (9b) 으로부터 분출되는 토치 (9a) 에 의해, 주연소실 (c1) 내에서 연료 가스 (8a) 및 혼합기 (20) 가 연소되도록 되어 있다.
또 디젤 운전 모드 중에 있어서는, 피스톤 (4) 이 상사점 근방에 위치할 때에, ECU (12) 로부터 연료유 분사 장치 (10) 에 대해 신호가 송신되고, 연료유 분사 장치 (10) 로부터 주연소실 (c1) 에 연료유가 분사되도록 되어 있다. 그리고, 고온 분위기하에 있는 주연소실 (c1) 내에 있어서 압축 착화성이 양호한 연료유가 자기 착화되고, 이로써 주연소실 (c1) 내에서 연료유가 연소되도록 되어 있다. 또, 본 발명에 있어서 상사점 근방이란, 피스톤 (4) 이 상사점 전 10°에서부터 상사점 후 20°까지의 범위에 위치하고 있는 상태를 의미하는 것으로 한다.
본 발명에 있어서, 연료 가스 분사 장치 (8) 및 연료유 분사 장치 (10) 의 설치 수는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 1 개여도 상관없다. 그러나, 실린더 헤드 (3) 의 정상부에 배기 밸브 (7) 가 형성된 본 실시형태에 있어서는, 복수 개의 연료 가스 분사 장치 (8) 및 연료유 분사 장치 (10) 가 각각 원주 방향으로 등간격으로 배치되는 것이 바람직하다.
또 도 2A 에 나타낸 바와 같이, 연료 가스 분사 장치 (8) 에는 연료 가스 공급관 (36) 이 접속되어 있고, 연료 가스의 공급량을 조정하는 레귤레이터 (32) 를 개재하여 연료 가스 봄베 (34) 와 접속되어 있다. 그리고, 레귤레이터 (32) 의 개방도를 조절함으로써, 연료 가스 봄베 (34) 에 가압된 상태로 저장되어 있는 연료 가스가, 연료 가스 공급관 (36) 을 경유하여 연료 가스 분사 장치 (8) 에 공급되도록 되어 있다. 즉, 레귤레이터 (32), 연료 가스 봄베 (34) 및 연료 가스 공급관 (36) 에 의해 연료 가스 분사 장치 (8) 에 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급 수단 (30) 을 구성하고 있다.
또 도 2B 에 나타낸 바와 같이, 연료유 분사 장치 (10) 에는 연료유 공급관 (48) 이 접속되어 있고, 코먼 레일 (42) 및 서플라이 펌프 (44) 를 개재하여 연료유를 저장하는 연료 탱크 (46) 와 접속되어 있다. 그리고, 서플라이 펌프 (44) 에 의해 가압되고, 코먼 레일 (42) 에 축압된 고압 연료유가, 연료유 공급관 (48) 을 경유하여 연료유 분사 장치 (10) 에 공급되도록 되어 있다. 즉, 코먼 레일 (42), 서플라이 펌프 (44), 연료 탱크 (46) 및 연료유 공급관 (48) 에 의해 연료유 분사 장치 (10) 에 고압 연료유를 공급하는 연료유 공급 수단 (40) 을 구성하고 있다.
또 도 1 및 도 2A 에 나타낸 바와 같이, 실린더 헤드 (3) 에는 부실 구금 (9) 이 내설되어 있다. 이 부실 구금 (9) 의 설치 개수는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 본 실시형태에서는, 1 개의 연료 가스 분사 장치 (8) 에 대해 각 2 개의 부실 구금 (9) 이 형성되어 있다. 또 이 부실 구금 (9) 은, 도 3 에 나타낸 바와 같이, 부연소실 (c1) 이 내부에 구획되어 있음과 함께, 이 부연소실 (c1) 의 상부에는 점화 플러그 (11) 가 형성되어 있다. 또, 부실 구금 (9) 의 선단부에는 분출 구멍 (9b) 이 천공되어 있고, 그 분출 구멍 (9b) 을 개재하여 부연소실 (c2) 과 주연소실 (c1) 이 연통되어 있다.
또 도 2A 에 나타낸 바와 같이, 부실 구금 (9) 과 ECU (12) 는 케이블 (18) 을 통해 접속되어 있다. 그리고 ECU (12) 로부터 송신되는 신호에 기초하여, 소정 타이밍에 점화 플러그 (11) 가 작동하게 되어 있다. 구체적으로는, 가스 운전 모드 중에 있어서, 피스톤 (4) 이 상사점 근방에 위치할 때에, ECU (12) 로부터 점화 플러그 (11) 에 대해 신호가 송신되고, 도 4 에 나타낸 바와 같이, 부연소실 (c2) 내의 혼합기 (20) 를 점화시켜 토치 (9a) 를 생성하게 되어 있다. 즉 ECU (12) 는, 본 실시형태에 있어서의 점화 타이밍 제어 수단에 상당한다.
다음으로, 이와 같이 하여 구성되는 본 실시형태의 제 1 실시형태에 관련된 2 사이클 가스 엔진 (1) 의 작용에 대해 도 5 를 토대로 하여 설명한다. 도 5 는, 제 1 실시형태에 관련된 2 사이클 가스 엔진의 작용을 설명하기 위한 개략도이고, (a) 는 피스톤 (4) 이 상사점의 10°∼ 100°바로앞에 위치하고 있는 상태, (b) 는 피스톤 (4) 이 상사점의 약 5°바로앞에 위치하고 있는 상태, (c) 는 피스톤 (4) 이 상사점에 위치하고 있는 상태를 각각 나타내고 있다.
본 실시형태의 2 사이클 가스 엔진 (1) 은, 상기 서술한 바와 같이, 피스톤 (4) 이 상승 행정에 있고 또한 피스톤 (4) 이 상사점의 10°∼ 100°바로앞에 위치할 때 (도 5(a) 에 나타낸 상태) 에, ECU (12) (연료 분사 타이밍 제어 수단) 로부터 송신되는 신호에 기초하여, 연료 가스 분사 장치 (8) 로부터 주연소실 (c1) 에 연료 가스 (8b) 가 분사된다. 이와 같이 피스톤 (4) 이 상사점의 10°∼ 100°바로앞에 위치할 때에 주연소실 (c1) 에 연료 가스 (8b) 가 분사되면, 피스톤 (4) 이 상사점 근방까지 더 상승되는 과정에 있어서, 분사된 연료 가스 (8b) 와 주연소실 (c1) 내부의 공기가 서로 섞여 예비 혼합화가 촉진된다. 그리고, 도 5(b) 에 나타낸 바와 같이, 주연소실 (c1) 의 내부에 혼합기 (20) 가 생성된다.
그리고, 피스톤 (4) 이 상사점 근방 (예를 들어 상사점의 약 5°바로앞) 에 도달했을 때에, 상기 서술한 ECU (12) (연료 분사 타이밍 제어 수단) 로부터 송신되는 신호에 기초하여, 연료 가스 분사 장치 (8) 로부터 연료 가스 (8a) 가 분사된다. 또, 상기 서술한 ECU (12) (점화 타이밍 제어 수단) 로부터 송신되는 신호에 기초하여, 점화 플러그 (11) 가 작동하여, 부연소실 (c2) 내의 혼합기 (20) 를 점화시킨다.
그러면 상기 서술한 바와 같이, 부연소실 (c2) 의 내부에서 생성된 토치 (9a) 가 분출 구멍 (9b) 으로부터 주연소실 (c1) 을 향하여 분출되고, 이로써 분사된 연료 가스 (8a) 및 혼합기 (20) 가 동시에 연소된다. 그리고 도 5(c) 에 나타낸 바와 같이, 주연소실 (c1) 의 전체가 화염 (f) 으로 싸이는 폭발적인 연소가 발생하게 되어 있다.
이와 같이 본 실시형태의 2 사이클 가스 엔진 (1) 은, 피스톤 (4) 이 상사점의 10°∼ 100°바로앞에 위치할 때에 연료 가스 (8b) 를 분사하고, 또한 피스톤 (4) 이 상사점 근방에 위치할 때에 연료 가스 (8a) 를 분사함과 함께, 점화 플러그 (11) 를 작동하도록 구성되어 있다. 따라서, 피스톤 (4) 이 상사점의 10°∼ 100°바로앞에 위치할 때에 분사된 연료 가스 (8b) 와 공기의 예비 혼합화가 촉진되어 혼합기 (20) 가 생성됨으로써, 연소 형태의 일부가 예비 혼합 연소가 된다. 이 때문에, 연소 형태의 전부가 확산 연소인 종래의 가스 엔진과 비교하여, NOx (질소산화물) 의 발생을 억제시킬 수 있다.
또, 연료유는 사용하지 않고 점화 플러그 (11) 에 의해 연료 가스에 착화되기 때문에, 흑연이나 입상 물질 (PM) 의 발생을 억제시킬 수 있음과 함께, 연비 성능의 향상을 도모할 수 있다.
＜제 2 실시형태＞
다음으로, 제 2 실시형태에 관련된 2 사이클 가스 엔진에 대해 도 6 ∼ 도 8을 토대로 설명한다. 도 6 은, 제 2 실시형태에 관련된 2 사이클 가스 엔진을 나타내는 개략 단면도, 도 7 은, 제 2 실시형태에 관련된 부실 구금을 확대하여 나타낸 단면도이다. 또 도 8 은, 제 2 실시형태에 관련된 연료 가스의 분사 타이밍 및 점화 플러그의 작동 타이밍을 설명하기 위한 개략도이다. 또한 본 실시형태의 2 사이클 가스 엔진 (1) 은, 상기 서술한 실시형태의 2 사이클 가스 엔진 (1) 과 기본적으로는 동일한 구성으로서, 동일한 구성에는 동일한 부호를 붙여 그 상세한 설명을 생략한다.
본 실시형태의 2 사이클 가스 엔진 (1) 은, 상기 서술한 실시형태와 달리, 도 6 에 나타낸 바와 같이, 레귤레이터 (32), 연료 가스 봄베 (34) 및 연료 가스 공급관 (36) 으로 이루어지는 연료 가스 공급 수단 (30) 에 있어서, 연료 가스 공급관 (36) 로부터 분기관 (36a) 이 분기되고, 상기 서술한 부실 구금 (9) 에 접속되어 있다. 또 도 7 에 나타낸 바와 같이, 분기관 (36a) 도중에는 제어 밸브 (36b) 가 형성되어 있다. 이 제어 밸브 (36b) 는, 예를 들어 ECU (12) 에 접속된 전자 제어 밸브로서, ECU (12) 로부터 송신되는 신호에 기초하여 개폐되도록 구성되어 있다. 그리고, 제어 밸브 (36b) 의 밸브를 개방함으로써, 부실 구금 (9) 의 내부에 구획되어 있는 부연소실 (c2) 에 대해 연료 가스를 공급할 수 있도록 구성되어 있다.
이와 같이 구성되는 본 실시형태의 2 사이클 가스 엔진 (1) 은, 도 8 에 나타낸 바와 같이, 피스톤 (4) 이 상승 행정에 있는 적당한 시기에, 상기 서술한 연료 가스 공급 수단 (30) 에 의해 부연소실 (c2) 에 연료 가스 (8c) 가 공급된다. 그리고, 피스톤 (4) 이 상사점 근방에 위치할 때에, ECU (12) 로부터 점화 플러그 (11) 에 대해 신호가 송신되고, 도 8 에 나타낸 바와 같이, 부연소실 (c2) 내의 연료 가스 (8c) 와 공기의 혼합기를 점화시켜 토치 (9a) 를 생성하도록 되어 있다.
이와 같이 연료 가스 분사 장치 (8) (연료 가스 분사 수단) 에 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급 수단 (30) 이, 부연소실 (c2) 에 대해서도 연료 가스를 공급 가능하게 구성되어 있으면, 부연소실 (c2) 에 유입하는 혼합기 (20) 의 유량 및 농도 등에 관계없이, 안정적으로 부연소실 (c2) 내에 있어서 토치 (9a) 를 생성 시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 2 사이클 가스 엔진에 의하면, 피스톤이 상사점의 10°∼ 100°바로앞에 위치할 때에 연료 가스를 분사함으로써, 연료 가스와 공기의 예비 혼합화를 촉진시킴과 함께, 연료유는 사용하지 않고 점화 플러그에 의해 연료 가스와 공기의 혼합기를 점화시킴으로써, 흑연이나 PM, NOx 등의 발생을 억제시킴과 함께 연비 성능도 향상된 2 사이클 가스 엔진을 제공할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상기 형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 목적을 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변경이 가능하다.
예를 들어 상기 서술한 실시형태에서는, 본 발명의 2 사이클 가스 엔진이, 연료 가스를 연소시켜 운전하는 가스 운전 모드와, 연료유를 연소시켜 운전하는 디젤 운전 모드가 전환 가능하게 구성된 듀얼 퓨엘 엔진인 경우를 예로 들어 설명하였다. 그러나 본 발명의 2 사이클 가스 엔진 (1) 은 이것에 한정되지 않고, 연료유 분사 수단 (10) 을 구비하지 않고, 상시 연료 가스만을 연소시켜 운전하는 통상의 가스 엔진에 대해서도 적용할 수 있다.
산업상 이용가능성
본 발명의 2 사이클 가스 엔진은, 건설 기계용, 대형 차량용, 발전용 등, 특히 선박용 엔진으로서 바람직하게 사용할 수 있다.

Claims (2)

  1. 2 사이클 가스 엔진에 있어서,
    실린더 및 실린더 헤드와,
    상기 실린더 내에 수용됨과 함께, 상기 실린더의 둘레벽 및 상기 실린더 헤드와의 사이에 주연소실을 구획하는 피스톤과,
    상기 피스톤이 하사점 근방에 위치할 때에 상기 주연소실 내에 공기를 공급하는 상기 실린더의 둘레벽에 개구된 소기 포트와,
    상기 주연소실과 분출 구멍을 개재하여 연통되는 부연소실이 내부에 구획됨과 함께 그 부연소실에 점화 플러그가 형성된, 상기 실린더 헤드에 내설된 부실 구금과,
    상기 부연소실의 외부에 형성되고, 상기 부연소실을 통하지 않고 상기 주연소실에 직접 연료 가스를 분사하는 연료 가스 분사 수단과,
    상기 피스톤이 상승 행정에 있고 또한 상기 피스톤이 상사점 근방의 바로앞에 위치할 때에 상기 연료 가스 분사 수단에 의해 상기 주연소실에 연료 가스를 분사시키고, 또한 상기 피스톤이 상사점 근방에 위치할 때에 상기 연료 가스 분사 수단에 의해 상기 주연소실에 연료 가스를 분사시키는 연료 분사 타이밍 제어 수단과,
    상기 피스톤이 상사점 근방에 위치할 때에 상기 점화 플러그를 작동시켜, 부연소실 내의 연료 가스와 공기의 혼합기를 점화시키는 점화 타이밍 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 2 사이클 가스 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 가스 분사 수단에 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급 수단을 갖고, 그 연료 가스 공급 수단이, 상기 연료 가스 분사 수단뿐만 아니라, 상기 부연소실에 대해 연료 가스를 공급 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 2 사이클 가스 엔진.
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