KR20150132586A - 유니플로 소기식 2사이클 엔진 - Google Patents

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Abstract

이 유니플로 소기식 2사이클 엔진은, 실린더(110)에서의 피스톤의 스트로크 방향의 일단측에 마련되어 활성 가스를 흡입하는 소기 포트와, 소기 포트에 흡입되는 활성 가스에 연료 가스를 분사하는, 소기 포트의 내주면 또는 이 내주면보다 실린더의 외측에 마련되어 스트로크 방향의 위치를 달리하는 복수의 분사부(126g, 126h)를 구비한다. 또한, 복수의 분사부는 스트로크 방향의 타단측에 있는 하나 또는 복수의 분사부의 세트인 제1 분사부군(160)과, 제1 분사부군보다 스트로크 방향의 일단측에 있는 하나 또는 복수의 분사부의 세트인 제2 분사부군(162)의 적어도 2개의 세트로 나누어지고, 제1 분사부군의 분사부는 제2 분사부군의 분사부보다 연료 가스의 분사 정지가 늦다. 상기 구성에 의해, 연료 가스를 균일하게 확산시키면서 연료 가스의 누출을 억제하는 유니플로 소기식 2사이클 엔진을 제공할 수 있다.

Description

유니플로 소기식 2사이클 엔진{Uniflow scavenging 2-cycle engine}
본 발명은, 소기 포트로부터 흡입되는 활성 가스에 연료 가스를 분사하여 생성되는 예혼합기를 연소시키는 유니플로 소기식 2사이클 엔진에 관한 것이다.
본원은 2013년 5월 10일에 일본 출원된 일본특허출원 2013-100527호에 기초하여 우선권을 주장하고 그 내용을 여기에 원용한다.
선박 기관으로서도 이용되는 유니플로 소기식 2사이클 엔진(2스트로크 엔진)에서는, 실린더에서의 피스톤의 스트로크 방향 일단부에 소기 포트가 마련되고, 실린더에서의 피스톤의 스트로크 방향 타단부 측에 배기 포트가 마련되어 있다. 흡기(급기) 행정에서 소기 포트로부터 연소실로 활성 가스가 흡입되면, 연소 작용에 의해 발생한 배기 가스가 흡입되는 활성 가스에 의해 배기 포트로부터 밀려나와 배기된다. 이 때, 흡입된 활성 가스에 연료 가스를 분사하여 예혼합기를 생성하고, 생성된 예혼합기를 압축함으로써 연소 작용이 얻어지고, 이 연소 작용에 의해 발생하는 폭발 압력에 따라 피스톤이 실린더 내에서 왕복 운동한다.
이러한 유니플로 소기식 2사이클 엔진에서는, 연료 가스와 활성 가스의 혼합이 불충분한 경우, 국소적으로 연료 가스의 농도가 높아져 과도한 조기 점화나 미연(未燃) 가스의 배출 등의 문제가 발생한다. 그래서, 예를 들어 특허문헌 1에 나타나는 바와 같이, 소기 포트의 내벽에 연통공을 마련하고 노즐관을 연통공으로부터 소기 포트로 돌출시킨다. 그리고, 노즐관으로부터 소기 포트 내에 연료 가스를 분사하여 활성 가스가 실린더 내에 흡입되기 전에 연료 가스와의 혼합을 개시함으로써, 실린더 내에서의 연료 가스와 활성 가스의 혼합 시간을 확보하는 기술이 개시되어 있다.
특허문헌 1: 일본특허 제3908855호 공보
그런데, 연료 가스의 쏠림을 억제하여 활성 가스에 연료 가스를 균일하게 확산시키기 위해, 연통공으로부터 소기 포트로 돌출시킨 노즐관의 분사구를 피스톤의 스트로크 방향으로 이격시켜 복수 마련하는 구성을 생각할 수 있다. 또한, 이러한 구성에 한정하지 않고, 실린더의 외측에 연료 가스를 분사하는 분사구를 피스톤의 스트로크 방향으로 이격시켜 복수 마련하는 경우도 상정된다.
이와 같이 복수의 분사구를 마련한 경우에, 복수의 분사구로부터 동시에 연료 가스를 분사하거나 복수의 분사구로부터 연료 가스의 분사를 동시에 정지하면, 분사구에 따라서는 분출된 연료 가스가 배기 포트로부터 누출되어 버릴 가능성이 있다.
본 발명은 이러한 과제를 감안하여, 연료 가스를 균일하게 확산시키면서 연료 가스의 누출을 억제하는 것이 가능한 유니플로 소기식 2사이클 엔진을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 제1 태양에 관한 유니플로 소기식 2사이클 엔진은, 내부에 연소실이 형성되는 실린더와, 실린더 내를 슬라이딩하는 피스톤과, 실린더에서의 피스톤의 스트로크 방향의 일단측에 마련되고, 피스톤의 슬라이딩 동작에 따라 연소실로 활성 가스를 흡입하는 소기 포트와, 소기 포트에 흡입되는 활성 가스에 연료 가스를 분사하는, 소기 포트의 내주면 또는 내주면보다 실린더의 외측에 마련된 개구를 포함하는, 피스톤의 스트로크 방향의 위치를 달리하는 복수의 분사부를 구비하고, 복수의 분사부는 스트로크 방향의 타단측에 있는 하나 또는 복수의 분사부의 세트인 제1 분사부군과, 제1 분사부군보다 스트로크 방향의 일단측에 있는 하나 또는 복수의 분사부의 세트인 제2 분사부군의 적어도 2개의 세트로 나누어지며, 제1 분사부군의 분사부는 제2 분사부군의 분사부보다 연료 가스의 분사 정지가 늦다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 제2 태양에 관한 유니플로 소기식 2사이클 엔진은, 내부에 연소실이 형성되는 실린더와, 실린더 내를 슬라이딩하는 피스톤과, 실린더에서의 피스톤의 스트로크 방향의 일단측에 마련되고, 피스톤의 슬라이딩 동작에 따라 연소실로 활성 가스를 흡입하는 소기 포트와, 소기 포트에 흡입되는 활성 가스에 연료 가스를 분사하는, 소기 포트의 내주면 또는 내주면보다 실린더의 외측에 마련된 개구를 포함하는, 피스톤의 스트로크 방향의 위치를 달리하는 복수의 분사부를 구비하고, 복수의 분사부는 스트로크 방향의 타단측에 있는 하나 또는 복수의 분사부의 세트인 제1 분사부군과, 제1 분사부군보다 스트로크 방향의 일단측에 있는 하나 또는 복수의 분사부의 세트인 제2 분사부군의 적어도 2개의 세트로 나누어지며, 제1 분사부군의 분사부는 제2 분사부군의 분사부보다, 연료 가스의 분사 개시가 늦다.
상기 제2 태양에 있어서, 제1 분사부군의 분사부는 제2 분사부군의 분사부보다 연료 가스의 분사 정지가 늦어도 된다.
상기 제1 내지 제3 태양에 있어서, 분사부에 공급되는 연료 가스의 유로를 개폐하는 개폐 밸브를 더 구비하고, 개폐 밸브로부터 분사부까지의 거리는 제1 분사부군이 제2 분사부군보다 길어도 된다.
상기 제1 내지 제4 태양에 있어서, 분사부를 출구단으로 하는 연료 가스의 유로는, 제1 분사부군이 제2 분사부군보다 연료 가스의 흐름에 수직인 방향의 유로 면적이 작아도 된다.
본 발명의 유니플로 소기식 2사이클 엔진에 의하면, 연료 가스를 균일하게 확산시키면서 연료 가스의 누출을 억제하는 것이 가능해진다.
도 1은 유니플로 소기식 2사이클 엔진의 전체 구성을 나타내는 설명도이다.
도 2a는 연료 분사부를 설명하기 위한, 도 1과 같은 단면에서의 실린더의 일부와 연료 분사부의 단면도이다.
도 2b는 도 2a의 II(b)-II(b)선에 따른 단면도이다.
도 2c는 도 2b의 화살표 II(c)에 따른 도면이다.
도 3은 제1 분사부 및 제2 분사부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a는 비교예에서의 실린더 내의 예혼합기의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 4b는 본 실시형태에서의 실린더 내의 예혼합기의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 실시형태에서의 각 제어부의 동작을 나타내는 도면이다.
도 6a는 본 발명의 변형예에서의 연료 분사부를 설명하기 위한, 본 발명의 제1 변형예에서의 도 3에 대응하는 위치의 확대도이다.
도 6b는 본 발명의 변형예에서의 연료 분사부를 설명하기 위한, 본 발명의 제2 변형예에서의 도 3에 대응하는 위치의 확대도이다.
도 6c는 본 발명의 제3 변형예에서의 도 5에 대응하는 도면이다.
이하에 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시형태에 대해 상세하게 설명한다. 이러한 실시형태에 나타내는 치수, 재료, 기타 구체적인 수치 등은 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 예시에 불과하며, 특별히 언급하는 경우를 제외하고 본 발명을 한정하지 않는다. 또, 본 명세서 및 도면에서 실질적으로 동일한 기능, 구성을 가지는 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여함으로써 중복 설명을 생략하고, 또한 본 발명에 직접 관계가 없는 요소는 도시를 생략한다.
(제1 실시형태)
도 1은, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 전체 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시형태의 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은, 예를 들어 선박 등에 이용된다. 구체적으로 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은 실린더(110)(실린더 헤드(110a), 실린더 블록(110b))와, 피스톤(112)과, 파일럿 분사 밸브(114)와, 배기 포트(116)와, 배기 밸브 구동 장치(118)와, 배기 밸브(120)와, 소기 포트(122)와, 소기실(124)과, 연료 분사부(126)와, 로터리 인코더(130)와, 연소실(140)을 포함하여 구성되고, 거버너(조속기(調速機); 150), 연료 분사 제어부(152), 배기 제어부(154) 등의 제어부에 의해 제어된다.
유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)에서는 흡기(급기), 압축, 연소, 배기 등 4개의 연속되는 행정을 통해, 도시하지 않은 크로스 헤드에 연결된 피스톤(112)이 실린더(110) 안을 슬라이딩 가능하게 왕복 이동한다. 이러한 크로스 헤드형 피스톤(112)에서는, 실린더(110) 내에서의 스트로크를 비교적 길게 형성할 수 있고, 피스톤(112)에 작용하는 측압(側壓)을 크로스 헤드에 받게 하는 것이 가능하므로, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 고출력화를 도모할 수 있다. 또한, 실린더(110)와 크로스 헤드가 수용되는 도시하지 않은 크랭크실이 격리되므로, 저질 연료유를 이용하는 경우에도 크랭크실의 오손 열화를 방지할 수 있다.
파일럿 분사 밸브(114)는, 피스톤(112)의 상사점보다 상방의 실린더 헤드(110a)에 마련되고, 엔진 사이클에서의 원하는 시점에서 적당량의 연료유를 분사한다. 이러한 연료유는, 실린더 헤드(110a)와, 실린더 블록(110b)에서의 실린더 라이너와, 피스톤(112)에 둘러싸인 연소실(140)의 열로 자연 착화하고 단시간에 연소되어 연소실(140)의 온도를 매우 높인다. 그 때문에, 연료 가스를 포함하는 예혼합기를 원하는 타이밍에 확실히 연소시킬 수 있다.
배기 포트(116)는, 피스톤(112)의 상사점보다 상방의 실린더 헤드(110a)의 꼭대기부에 마련된 개구부로서, 실린더(110) 내에서 발생한 연소 후의 배기 가스를 배기하기 위해 개폐된다. 배기 밸브 구동 장치(118)는, 소정의 타이밍에 배기 밸브(120)를 상하로 슬라이딩시켜 배기 포트(116)를 개폐한다. 이와 같이 하여 배기 포트(116)를 통해 배기된 배기 가스는, 예를 들어 도시하지 않은 과급기의 터빈측에 공급된 후 외부로 배기된다.
소기 포트(122)는, 실린더(110)에서의 피스톤(112)의 스트로크 방향의 일단측의 내주면(실린더 블록(110b)의 내주면)으로부터 외주면까지 관통하는 구멍으로서, 실린더(110)의 전체 주위에 걸쳐 각각 이격되어 복수 마련되어 있다. 그리고, 소기 포트(122)는, 피스톤(112)의 슬라이딩 동작에 따라 실린더(110) 내에 활성 가스를 흡입한다. 이러한 활성 가스는 산소, 오존 등의 산화제 또는 그 혼합기(예를 들어 공기)를 포함한다. 소기실(124)에는 도시하지 않은 과급기의 컴프레서에 의해 가압된 활성 가스(예를 들어 공기)가 봉입되어 있고, 소기실(124)과 실린더(110) 내의 차압(差壓)으로 소기 포트(122)로부터 활성 가스가 흡입된다. 소기실(124)의 압력은 거의 일정하게 할 수 있지만, 소기실(124)의 압력이 변화하는 경우에는 소기 포트(122)에 압력계를 마련하고, 그 계측값에 따라 연료 가스의 분사량 등 다른 파라미터를 제어해도 된다.
도 2a~도 2c는 연료 분사부(126)를 설명하기 위한 도면으로, 도 2a는 도 1과 같은 단면에서의 실린더(110)의 일부와 연료 분사부(126)를 나타내고, 도 2b는 도 2a의 II(b)-II(b)선에 따른 단면을 나타내며, 도 2c는 도 2b의 화살표 II(c)에 따른 도면을 나타낸다. 도 2a~도 2c에서 이해를 용이하게 하기 위해, 연료 분사부(126)의 단면 구조 및 피스톤(112)에 대해서는 도시를 생략한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 연료 분사부(126)는 실린더(110)와는 별도의 몸체로 형성된 혼합관(126a, 126b)을 가진다. 혼합관(126a, 126b)은, 각각 실린더(110)의 직경 방향 외측을 둘레방향을 따라 둘러싸는 환상 부재이다. 혼합관(126a)은 소기 포트(122)보다 피스톤(112)의 스트로크 방향의 타단측(도 2a 중에서 상측)에 배치되고, 혼합관(126b)은 소기 포트(122)보다 피스톤(112)의 스트로크 방향의 일단측(도 2a 중에서 하측)에 배치된다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 실린더(110)의 외주면에서 혼합관(126a)의 상측에 형성된 홈(110c)에는 링(156a)이 끼워맞춰져 있고, 링(156a)에 의해 혼합관(126a)의 상측으로의 이동을 규제하고 있다. 마찬가지로 실린더(110)의 외주면에서 혼합관(126b)의 하측에 형성된 홈(110d)에는 링(156b)이 끼워맞춰져 있고, 링(156b)에 의해 혼합관(126b)의 하측으로의 이동을 규제하고 있다.
또한, 도 2b에 도시된 바와 같이, 혼합관(126b)은 실린더(110)를 각각 둘레방향을 따라 반바퀴씩 둘러싸는 2개의 부재(158a, 158b)로 구성되고, 부재(158a, 158b) 각각의 양단부에 마련된 돌출부(158c, 158d)가 체인이나 너트 등으로 체결되어 있다(이른바 G커플링). 즉, 혼합관(126b)은 실린더(110)를 외주측으로부터 조여붙이고 있고, 혼합관(126b)과 실린더(110)의 접촉 부분의 마찰력에 의해서도 혼합관(126b)의 도 2a 중에서 상하 방향의 이동이 제한된다. 여기서는 혼합관(126b)의 고정 수단에 대해 설명하였지만, 혼합관(126a)도 혼합관(126b)과 마찬가지의 구조로 체결되어 있다.
혼합관(126a, 126b) 각각의 내부에는 환상으로 연장되는 혼합실이 형성되어 있다. 각 혼합실은, LNG(액화 천연가스)를 가스화한 연료 가스가 흐르는 연료 배관(도시생략) 및 활성 가스가 흐르는 활성 배관(도시생략)과 연통하고 있다. 그리고, 혼합실에서 연료 배관으로부터의 연료 가스 및 활성 배관으로부터의 활성 가스가 혼합되어 예혼합기가 생성된다. 여기서, 연료 가스는 LNG에 한정하지 않고, 예를 들어 LPG(액화 석유가스), 경유, 중유 등을 가스화한 것을 적용할 수도 있다.
개폐 밸브(126c)는 혼합관(126a)의 혼합실과 연료 배관 및 활성 배관의 연통 부분에 배치되고, 개폐 밸브(126d)는 혼합관(126b)의 혼합실과 연료 배관 및 활성 배관의 연통 부분에 배치된다. 개폐 밸브(126c, 126d)가 개방되면, 연료 배관 및 활성 배관으로부터 혼합실로 연료 가스 및 활성 가스가 유입되고, 개폐 밸브(126c, 126d)가 폐쇄되면, 연료 배관 및 활성 배관으로부터 혼합실로 연료 가스 및 활성 가스의 유입이 정지된다. 단, 개폐 밸브(126c, 126d)는 배기 제어부(154)에 의해 각각 개별로 제어된다.
유통관(126e, 126f)은, 도 2c에 도시된 바와 같이 혼합관(126a)과 혼합관(126b)의 사이에 직렬적으로 배치된다. 유통관(126e, 126f)의 일단은 서로 대향 배치됨과 동시에, 유통관(126e)의 타단은 혼합관(126a)에 고정되고 유통관(126f)의 타단은 혼합관(126b)에 고정되어 있다. 또한, 유통관(126e, 126f)은 도 2b에 도시된 바와 같이, 실린더(110)의 외주면 중에서 이웃하는 소기 포트(122)의 사이에 마련되는 격벽(124a)에 대향하는 위치(소기 포트(122)의 격벽(124a)의 직경 방향 외측)에 격벽(124a)마다 하나씩 배치된다.
유통관(126e)은 혼합관(126a)에 연통하여, 혼합관(126a)으로부터 유입된 연료 가스를 포함하는 예혼합기가 유통된다. 또한, 유통관(126f)은 혼합관(126b)에 연통하여, 혼합관(126b)으로부터 유입된 연료 가스를 포함하는 예혼합기가 유통된다. 이와 같이, 유통관(126e)과 유통관(126f)에서는 각각 독립적인 유로가 형성된다.
도 3은 제1 분사부(126g)와 제2 분사부(126h)를 설명하기 위한 도면으로, 도 2c의 점선 부분의 확대도를 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, 유통관(126e)에는 복수의 제1 분사부(126g), 유통관(126f)에는 복수의 제2 분사부(126h)가 형성되어 있다. 제1 분사부(126g), 제2 분사부(126h)는 유통관(126e, 126f)의 내주면과 외주면을 연통하는 구멍(개구)이다.
제1 분사부(126g), 제2 분사부(126h)는 이웃하는 소기 포트(122)의 사이에서의 실린더(110)의 직경 방향 외측(실린더(110)의 외측)에 위치하고, 유통관(126e, 126f)으로부터 실린더(110)의 둘레방향으로 향하여 개구되어 있다. 또한, 각각의 제1 분사부(126g), 제2 분사부(126h)는 피스톤(112)의 스트로크 방향의 위치가 다르다.
도면의 예에서는, 제1 분사부(126g), 제2 분사부(126h)는, 혼합관(126a)과 혼합관(126b) 사이의 위치를 경계로 하여, 스트로크 방향의 타단측(도 3 중에서 상측)에 있는 4개의 제1 분사부(126g)의 세트(제1 분사부군(160))와, 스트로크 방향의 일단측(도 3 중에서 하측)에 있는 4개의 제2 분사부(126h)의 세트(제2 분사부군(162))의 2개의 세트로 나누어진다. 즉, 제1 분사부군(160)과 제2 분사부군(162)은 피스톤(112)의 스트로크 방향의 위치가 다르다.
그리고, 후술하는 연료 분사 제어부(152)로부터의 지령을 받아 제1 분사부군(160), 제2 분사부군(162)에 공급되는 연료 가스나 활성 가스의 유로를 개폐하는 개폐 밸브(126c, 126d)(도 2a~도 2c 참조)가 개방된다. 그러면, 유일하게 개구되어 있는 제1 분사부군(160), 제2 분사부군(162)으로부터 예혼합기가 분출되고, 소기실(124)로부터 소기 포트(122)로 향하여 흐르는 활성 가스로 향하여 연료 분사부(126)의 제1 분사부군(160), 제2 분사부군(162)으로부터 예혼합기가 분출된다. 이 때, 소기 포트(122) 근방에서의 활성 가스에는 와류가 발생하고, 와류에 의해 활성 가스와 예혼합기의 혼합을 촉진하는 것이 가능해진다.
도 4a 및 도 4b는 실린더(110) 내에서의 예혼합기의 흐름을 설명하는 도면으로, 도 4a는 비교예에서의 예혼합기의 흐름을 나타내고, 도 4b는 본 실시형태에서의 예혼합기의 흐름을 나타낸다. 도 4a 및 도 4b 중에서, 점선은 실린더(110) 내의 기체 유속에 대해 직경 방향에 따른 위치마다의 상대적인 속도차를 나타내고, 화살표 a, b는 예혼합기의 흐름의 경로를 나타냄과 동시에 화살표 a, b의 선단이 소정 타이밍에서의 예혼합기의 흐름의 선두 위치를 나타낸다.
예를 들어, 모든 개폐 밸브(126c, 126d)를 동시에 개방하여 제1 분사부군(160), 제2 분사부군(162)으로부터 거의 동시에 예혼합기가 분출되었다고 하자. 그러면, 도 4a에 도시된 바와 같이, 소기 포트(122) 중에서 피스톤(112)의 스트로크 방향의 타단측(도 4a 중에서 상측)을 통과하는 예혼합기는 실린더(110) 내의 외경 측을 흐른다(화살표 a로 나타냄).
또한, 소기 포트(122) 중에서 피스톤(112)의 스트로크 방향의 일단측(도 4a중에서 하측)을 통과하는 예혼합기는 실린더(110) 내의 내경 측을 흐른다(화살표 b로 나타냄).
이 때, 실린더(110) 내의 기체는 실린더(110)의 내주면에 근접하는 부위에서 내주면과의 마찰 및 점성의 영향에 의해 약간 속도가 저하되지만, 전반적으로 실린더(110)의 내경 측보다 외경 측이 상승 속도가 빠르다. 이는, 스월의 영향에 의해 실린더(110)의 외경 측의 유속이 빠르게 되어 있기 때문이다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 배기 밸브(120)는 배기 포트(116)에 대향하여 실린더(110)의 내경 측에 위치하고 있다. 이에 의해, 배기 포트(116)와 배기 밸브(120)의 간극이 실린더(110)의 외경 측에 개구되어 있는 것도 실린더(110)의 외경 측의 유속을 내경 측보다 빨리 하는 요인이 되어 있다.
그 때문에, 도 4a에서 화살표 a로 나타내는 예혼합기는 화살표 b로 나타내는 예혼합기보다 유속이 빠르다. 그 결과, 화살표 a로 나타내는 예혼합기의 흐름의 선두가 화살표 b로 나타내는 예혼합기의 흐름의 선두보다 선행한 채로 배기 포트(116)에 도달한다. 이와 같이, 예혼합기의 속도차가 배기 밸브(120)로부터의 누출의 요인이 되어 있다.
한편, 본 실시형태에서는, 개폐 밸브(126c)는 개폐 밸브(126d)보다 개방 타이밍이 늦다. 즉, 제1 분사부군(160)은 제2 분사부군(162)보다 예혼합기의 분사 개시가 늦다.
그 때문에, 도 4b에 도시된 바와 같이, 소기 포트(122) 중에서 피스톤(112)의 스트로크 방향의 타단측(도 4b 중에서 상측)을 통과하는 예혼합기(화살표 a로 나타냄)는, 피스톤(112)의 스트로크 방향의 일단측(도 4b 중에서 하측)을 통과하는 예혼합기(화살표 b로 나타냄)보다 실린더(110) 내를 늦게 흐른다.
그 결과, 화살표 a, b로 나타내는 예혼합기가 거의 같은 타이밍에 실린더 헤드(110a)에 도달하여 연소실(140)에서 연소된다. 이렇게 하여 예혼합기(연료 가스)의 누출이 억제되고, 누출에 따른 배기 계통에 예혼합기가 배출될 위험이나 연비 악화가 억제된다.
또한, 누출을 억제하기 위해, 모든 제1 분사부군(160), 제2 분사부군(162)으로부터의 연료 분사의 개시 타이밍을 늦추는 경우에 비해 제2 분사부군(162)의 제2 분사부(126h)로부터의 연료 분사의 개시 타이밍을 빨리 하게 된다. 따라서, 예혼합기의 분사 시간을 길게 확보하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시형태에서는 예혼합기의 분사 개시 타이밍에 더하여 분사 정지 타이밍도 제2 분사부군(162)과 제1 분사부군(160)에서 다르다. 즉, 개폐 밸브(126c)는 개폐 밸브(126d)보다 폐쇄 타이밍이 늦고, 제1 분사부군(160)의 제1 분사부(126g)는 제2 분사부군(162)의 제2 분사부(126h)보다 예혼합기의 분사 정지가 늦다.
피스톤(112)의 이동에 따라 소기 포트(122)는 일단측으로부터 타단측으로 서서히 폐색된다. 만약 모든 제1 분사부군(160), 제2 분사부군(162)으로부터의 예혼합기의 분사를, 제1 분사부군(160)으로부터의 예혼합기가 소기 포트(122)에 유입될 수 있는 한계의 타이밍에 정지한 경우, 제2 분사부군(162)으로부터 분사된 예혼합기가 피스톤(112)에 방해되어 실린더(110) 내에 유입되지 않을 가능성이 있다. 그러면, 예혼합기는 소기 포트(122) 내나 실린더(110)의 외측(소기실(124))에 체류해 버린다.
소기 포트(122) 내나 실린더(110)의 외측(소기실(124))에 체류한 예혼합기는 다음으로 소기 포트(122)가 열렸을 때 활성 가스와 함께 실린더(110) 내에 유입된다. 그리고, 이 예혼합기는 배기 가스의 배출에 따라 배기 포트(116)로부터 누출되어 버릴 가능성이 있다.
본 실시형태에서는, 제1 분사부군(160)은 제2 분사부군(162)보다 예혼합기의 분사 정지가 늦다. 즉, 제2 분사부군(162)은 제1 분사부군(160)보다 예혼합기의 분사 정지가 빠르다. 그 때문에, 소기 포트(122)가 일단측으로부터 타단측으로 서서히 폐색되는 타이밍에 맞추어 예혼합기의 분사가 정지되고 상기의 누출을 억제하는 것이 가능해진다. 또한, 소기실(124) 내에 예혼합기가 체류할 위험도 억제된다.
또한, 누출을 억제하기 위해 모든 제1 분사부군(160), 제2 분사부군(162)으로부터의 연료 분사의 정지 타이밍을 빨리 하는 경우에 비해 제1 분사부군(160)으로부터의 연료 분사의 정지 타이밍을 늦게 하게 된다. 따라서, 예혼합기의 분사 시간을 길게 확보하는 것이 가능해진다.
도 1로 되돌아가, 로터리 인코더(130)는 도시하지 않은 크랭크 기구에 마련되고, 크랭크의 각도 신호(이하, 크랭크 각도 신호라고 함)를 검출한다.
거버너(150)는, 상위의 제어 장치로부터 입력된 엔진 출력 지령값과 로터리 인코더(130)로부터의 크랭크 각도 신호에 의한 엔진 회전수에 기초하여, 연료 분사량을 도출하여 연료 분사 제어부(152)에 출력한다.
연료 분사 제어부(152)는, 거버너(150)로부터 입력된 연료 분사량을 나타내는 정보와 로터리 인코더(130)로부터의 크랭크 각도 신호에 기초하여, 개폐 밸브(126c, 126d)(도 2a 참조)를 제어한다.
배기 제어부(154)는, 연료 분사 제어부(152)로부터의 연료 분사량에 관한 신호 및 로터리 인코더(130)로부터의 크랭크 각도 신호에 기초하여, 배기 밸브 구동 장치(118)에 배기 밸브 조작 신호를 출력한다.
이하, 상술한 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 엔진 사이클에서의 각 제어부의 동작에 대해 설명한다.
도 5는, 각 제어부의 동작을 설명하는 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 연소 행정 후의 팽창 행정에서는 배기 포트(116) 및 소기 포트(122)가 폐색 상태에 있고, 연소실(140)(실린더(110) 내)에는 배기 가스가 충만되어 있다.
연소실(140)의 연소 작용에 의해 발생하는 폭발 압력에 의해 피스톤(112)이 하강하여 하사점에 가까워지면, 배기 제어부(154)는 배기 밸브 구동 장치(118)를 통해 배기 밸브(120)를 개방하고, 또한 피스톤(112)의 슬라이딩 동작에 따라 소기 포트(122)가 개구된다(도 5에 나타내는 t1). 그러면, 소기 포트(122)로부터 활성 가스가 흡입된다.
그리고, 연료 분사 제어부(152)는, 거버너(150)로부터 입력된 연료 분사량을 나타내는 정보나, 로터리 인코더(130)로부터의 크랭크 각도 신호에 의해 도출되는 엔진 회전수 등에 기초하여 개폐 밸브(126c, 126d)를 개방하고, 연료 분사부(126)로부터 소기 포트(122)에서의 실린더(110)의 직경 방향 외측에 예혼합기를 분사시킨다. 이에 의해, 소기 포트(122)에 흡입되기 전의 활성 가스에 예혼합기가 포함된다.
이 때, 연료 분사 제어부(152)는, 개폐 밸브(126c)를 개방하여 제2 분사부군(162)으로부터의 예혼합기 분사를 개시시키고(도 5에 나타내는 t2), 이어서 개폐 밸브(126d)를 개방하여 제1 분사부군(160)으로부터의 예혼합기 분사를 개시시킨다(도 5에 나타내는 t3).
예혼합기는, 활성 가스와, 예혼합기에 포함되는 연료 가스의 혼합을 촉진하기 위한 스월을 형성하면서 상승하여 연소실(140)(실린더(110) 내)의 배기 가스를 배기 포트(116)로부터 밀어낸다.
그리고, 피스톤(112)이 하사점으로부터 상사점으로 향하여 상승하는 압축 행정에서는, 연료 분사 제어부(152)는 개폐 밸브(126c)를 폐쇄하여 제2 분사부군(162)으로부터의 예혼합기 분사를 정지시키고(도 5에 나타내는 t4), 이어서 개폐 밸브(126d)를 폐쇄하여 제1 분사부군(160)으로부터의 예혼합기 분사를 정지시킨다(도 5에 나타내는 t5).
그 후, 소기 포트(122)가 개구되어 활성 가스의 흡입이 정지된다. 이 때, 배기 제어부(154)는 배기 밸브(120)를 개방 상태로 유지하고 있고, 피스톤(112)의 상승에 의해 계속해서 연소실(140)(실린더(110) 내)의 배기 가스는 배기 포트(116)로부터 배출된다.
그리고, 피스톤(112)이 더욱 상승하면, 배기 제어부(154)는 배기 밸브(120)를 폐쇄하여 배기 포트(116)를 닫는다(도 5에 나타내는 t6). 그리고, 연소실(140)의 연소 작용에 의해 폭발이 발생한다.
이와 같이 하여 연소실(140)에서 예혼합기가 연소함으로써, 상기와 같이 배기, 흡기, 압축, 연소 행정이 반복된다.
도 6a~도 6c는 본 발명의 변형예에서의 연료 분사부(226, 326)를 설명하기 위한 도면으로, 도 6a는 제1 변형예에서의 도 3에 대응하는 위치의 확대도를 나타내고, 도 6b는 제2 변형예에서의 도 3에 대응하는 위치의 확대도를 나타내며, 도 6c는 제3 변형예에서의 도 5에 대응하는 도면을 나타낸다.
(제1 변형예)
도 6a에 도시된 바와 같이, 연료 분사부(226)에서는 혼합관(226a)이 혼합관(226b)보다 소기실(124)로부터 이격되어 있고, 유통관(226e)의 길이가 유통관(226f)보다 길게 되어 있다. 즉, 개폐 밸브(126c)로부터 제1 분사부군(160)의 제1 분사부(226g)까지의 거리는, 개폐 밸브(126d)로부터 제2 분사부군(162)의 제2 분사부(226h)까지의 거리보다 길다.
그 때문에, 연료 분사 제어부(152)가 개폐 밸브(126c, 126d)의 개폐 타이밍을 늦추는 제어를 하지 않고 개폐 밸브(126c, 126d)를 동시에 개폐해도 자동으로 제2 분사부군(162)이 제1 분사부군(160)보다 예혼합기의 분사 개시 및 분사 정지가 빨라진다. 그 때문에, 개폐 밸브(126c, 126d)의 제어 처리가 용이해짐과 동시에, 개폐 밸브(126c, 126d)를 제어하는 제어계를 공통화하는 것이 가능해진다.
(제2 변형예)
도 6b에 도시된 바와 같이, 연료 분사부(326)에서는 유통관(326e)이 유통관(326f)보다 예혼합기(연료 가스)의 흐름에 수직인 방향에 따른 유로의 면적이 작다. 즉, 분사부(제1 분사부(326g), 제2 분사부(326h))를 출구단으로 하는 예혼합기의 유로는, 제1 분사부군(160)이 제2 분사부군(162)보다 예혼합기의 흐름에 수직인 방향의 유로 면적이 작다. 유로 면적이 작은 쪽이 압력 손실의 영향에 의해 예혼합기의 유속이 느려지고 분사부에 도달하는 타이밍이 늦어진다.
그 때문에, 제1 변형예와 마찬가지로 연료 분사 제어부(152)가 개폐 밸브(126c, 126d)의 개폐 타이밍을 늦추는 제어를 하지 않아도 된다. 따라서, 개폐 밸브(126c, 126d)의 제어 처리가 용이해짐과 동시에, 개폐 밸브(126c, 126d)를 제어하는 제어계도 공통 배선을 분기시켜 이용하는 것이 가능해진다.
(제3 변형예)
제3 변형예에서는, 제1 분사부(126g), 제2 분사부(126h) 외에 제3 분사부가 마련되어 있다. 제3 분사부는 제2 분사부(126h)보다 스트로크 방향의 일단측에 배치되고, 제3 분사부로 제3 분사부군이 구성된다. 즉, 분사부는 2개의 다른 스트로크 방향의 위치를 경계로 하여 제1 분사부군(160)과 제2 분사부군(162)과 제3 분사부군으로 나누어진다.
그리고, 도 6c에 도시된 바와 같이, 스트로크 방향의 일단측에 있는 제3 분사부군의 제3 분사부로부터 제2 분사부(126h), 제1 분사부(126g)로 순차적으로 예혼합기의 분사가 개시되고, 동일하게 제3 분사부로부터 제2 분사부(126h), 제1 분사부(126g)로 순차적으로 예혼합기의 분사가 정지된다.
이와 같이, 제3 변형예에서는 스트로크 방향의 위치에 따라 3개의 세트로 나누어지고, 스트로크 방향의 타단측에 있는 세트가 일단측에 있는 세트보다 예혼합기의 분사 정지와 분사 개시가 늦다. 이러한 구성에 의하면, 스트로크 방향의 위치마다 분사부로부터의 예혼합기의 분사 타이밍을 더욱 미세하게 제어할 수 있고 상기의 누출 억제 효과가 향상된다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이러한 실시형태에 한정되지 않는다. 통상의 기술자라면, 특허청구범위에 기재된 범주에서 각종 변경예 또는 수정예를 생각해 낼 수 있는 것은 명백하고, 이들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속한다고 이해된다.
예를 들어, 상술한 실시형태에서는, 분사부(제1 분사부(126g, 226g, 326g), 제2 분사부(126h, 226h, 326h))는 소기 포트(122)의 내주면보다 실린더(110)의 외측에 마련된 개구인 경우에 대해 설명하였지만, 소기 포트(122)의 내주면에 마련된 개구이어도 된다.
또한, 상술한 실시형태에서는, 제2 분사부군(162)으로 나누어진 제2 분사부(126h, 226h, 326h)와 제1 분사부군(160)으로 나누어진 제1 분사부(126g, 226g, 326g)가 피스톤(112)의 스트로크 방향으로 각각 4개씩 마련되는 경우에 대해 설명하였지만, 피스톤(112)의 스트로크 방향으로 배치되는 제1 분사부(126g, 226g, 326g) 및 제2 분사부(126h, 226h, 326h)의 수는 각각 하나씩이어도 되고 4개 이외의 복수이어도 된다.
또한, 상술한 실시형태에서는, 제1 분사부군(160)의 제1 분사부(126g, 226g, 326g)는 제2 분사부군(162)의 제2 분사부(126h, 226h, 326h)보다 예혼합기(연료 가스)의 분사 개시 및 분사 정지 모두가 늦는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 제2 분사부군(162)은 제1 분사부군(160)보다 예혼합기의 분사 개시 및 분사 정지 중 어느 한쪽만이 늦어도 된다. 이 경우에서도 연료 가스의 누출을 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 상술한 실시형태에서는, 소기실(124)로부터 소기 포트(122)로 향하여 흐르는 활성 가스로 향하여 제1 분사부군(160) 및 제2 분사부군(162)으로부터 연료 가스와 활성 가스의 예혼합기를 분출시키는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 제1 분사부군(160) 및 제2 분사부군(162)으로부터 연료 가스만을 분사하고, 실린더(110) 내에서의 활성 가스와의 혼합에 의해 예혼합기를 생성시키는 구성으로 해도 된다.
본 발명은, 소기 포트로부터 흡입되는 활성 가스에 연료 가스를 분사하여 생성되는 예혼합기를 연소시키는 유니플로 소기식 2사이클 엔진에 이용할 수 있다.
100 유니플로 소기식 2사이클 엔진
110 실린더
112 피스톤
122 소기 포트
126, 226, 326 연료 분사부
126g, 226g, 326g 제1 분사부(분사부)
126h, 226h, 326h 제2 분사부(분사부)
160 제1 분사부군
162 제2 분사부군

Claims (7)

  1. 내부에 연소실이 형성되는 실린더와,
    상기 실린더 내를 슬라이딩하는 피스톤과,
    상기 실린더에서의 상기 피스톤의 스트로크 방향의 일단측에 마련되고, 상기 피스톤의 슬라이딩 동작에 따라 상기 연소실로 활성 가스를 흡입하는 소기 포트와,
    상기 소기 포트에 흡입되는 활성 가스에 연료 가스를 분사하는, 상기 소기 포트의 내주면 또는 이 내주면보다 상기 실린더의 외측에 마련된 개구를 포함하는, 상기 피스톤의 스트로크 방향의 위치를 달리하는 복수의 분사부를 구비하고,
    상기 복수의 분사부는, 상기 스트로크 방향의 타단측에 있는 하나 또는 복수의 분사부의 세트인 제1 분사부군과, 제1 분사부군보다 상기 스트로크 방향의 일단측에 있는 하나 또는 복수의 분사부의 세트인 제2 분사부군의 적어도 2개의 세트로 나누어지며,
    상기 제1 분사부군의 상기 분사부는, 상기 제2 분사부군의 상기 분사부보다 상기 연료 가스의 분사 정지가 늦는 유니플로 소기식 2사이클 엔진.
  2. 내부에 연소실이 형성되는 실린더와,
    상기 실린더 내를 슬라이딩하는 피스톤과,
    상기 실린더에서의 상기 피스톤의 스트로크 방향의 일단측에 마련되고, 상기 피스톤의 슬라이딩 동작에 따라 상기 연소실로 활성 가스를 흡입하는 소기 포트와,
    상기 소기 포트에 흡입되는 활성 가스에 연료 가스를 분사하는, 상기 소기 포트의 내주면 또는 이 내주면보다 상기 실린더의 외측에 마련된 개구를 포함하는, 상기 피스톤의 스트로크 방향의 위치를 달리하는 복수의 분사부를 구비하고,
    상기 복수의 분사부는, 상기 스트로크 방향의 타단측에 있는 하나 또는 복수의 분사부의 세트인 제1 분사부군과, 제1 분사부군보다 상기 스트로크 방향의 일단측에 있는 하나 또는 복수의 분사부의 세트인 제2 분사부군의 적어도 2개의 세트로 나누어지며,
    상기 제1 분사부군의 상기 분사부는, 상기 제2 분사부군의 상기 분사부보다 상기 연료 가스의 분사 개시가 늦는 유니플로 소기식 2사이클 엔진.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 분사부군의 상기 분사부는, 상기 제2 분사부군의 상기 분사부보다 상기 연료 가스의 분사 정지가 늦는 유니플로 소기식 2사이클 엔진.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 분사부에 공급되는 상기 연료 가스의 유로를 개폐하는 개폐 밸브를 더 구비하고,
    상기 개폐 밸브로부터 상기 분사부까지의 거리는, 상기 제1 분사부군이 상기 제2 분사부군보다 긴 유니플로 소기식 2사이클 엔진.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 분사부에 공급되는 상기 연료 가스의 유로를 개폐하는 개폐 밸브를 더 구비하고,
    상기 개폐 밸브로부터 상기 분사부까지의 거리는, 상기 제1 분사부군이 상기 제2 분사부군보다 긴 유니플로 소기식 2사이클 엔진.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 분사부에 공급되는 상기 연료 가스의 유로를 개폐하는 개폐 밸브를 더 구비하고,
    상기 개폐 밸브로부터 상기 분사부까지의 거리는, 상기 제1 분사부군이 상기 제2 분사부군보다 긴 유니플로 소기식 2사이클 엔진.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사부를 출구단으로 하는 상기 연료 가스의 유로는, 상기 제1 분사부군이 상기 제2 분사부군보다 연료 가스의 흐름에 수직인 방향의 유로 면적이 작은 유니플로 소기식 2사이클 엔진.
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