KR20170036800A - 유니플로 소기식 2사이클 엔진 - Google Patents

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Abstract

유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은, 내부에 연소실(124)이 형성되는 실린더(110)와, 피스톤(112)과, 실린더 중에서, 피스톤의 스트로크 방향의 일단측을 둘러싸고, 압축된 활성 가스가 도입되는 소기실(122)과, 실린더 중에서, 소기실 내에 위치하는 부분에 설치되고, 피스톤의 슬라이딩 동작에 따라 소기실로부터 연소실로 활성 가스를 흡입하는 소기 포트(118)와, 소기 포트보다 실린더의 지름 방향 외측에 설치되고, 소기 포트로 흡입되는 활성 가스에 연료 가스를 분사하는 연료 분사구(126)와, 연료 가스가 저류된 연료 탱크(140)로부터 연료 분사구까지 연통하는 연료 공급로(144)를 개폐하는 연료 분사 밸브(128)를 구비한다. 또한, 연료 분사 밸브는 소기실과 격리된 격리 공간(146)에 배치된다.

Description

유니플로 소기식 2사이클 엔진{Uniflow-scavenged two-cycle engine}
본 개시는, 연료 분사 밸브를 개방하면 실린더 내에 연료 가스가 공급되는 유니플로 소기식 2사이클 엔진에 관한 것이다.
본원은 2014년 11월 4일에 일본 출원된 일본특허출원 2014-224454호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
선박 기관으로서도 이용되는 유니플로 소기식 2사이클 엔진은, 실린더에서의 피스톤의 스트로크 방향 일단부에 소기 포트가 설치되고, 타단부 측에 배기 포트가 설치되어 있다. 그리고, 흡기(급기) 행정에서 소기 포트로부터 연소실로 활성 가스가 흡입되면, 연소 작용에 의해 발생한 배기 가스가 흡입되는 활성 가스에 의해 배기 포트로부터 밀려나오도록 하여 배기된다.
예를 들어, 특허문헌 1에 기재된 엔진에서는, 실린더에 연료 분사 밸브가 장착되고, 연료 분사 밸브로부터 실린더 내에 연료 가스가 공급되고 있다. 또한, 실린더의 외측에 연료 분사 밸브가 설치되고, 소기 포트로부터 연료 가스를 실린더 내에 공급하는 구성도 생각할 수 있다. 연료 분사 밸브가 개방되어 실린더 내에 연료 가스를 공급하면, 압축 행정에 의해 연료 가스 및 활성 가스가 압축되고, 연소실 내에서 연료 가스가 착화되어 연소한다. 이 연소 작용에 의해 발생하는 폭발 압력에 따라 피스톤이 실린더 내에서 왕복 운동한다.
특허문헌 1: 일본공개특허 2013-7320호 공보
그런데, 연료 분사 밸브는 압축된 활성 가스가 충만한 소기실이나 소기실과 연통하는 공간에 배치되어 있다. 그 때문에, 엔진 정지시에 연료 분사 밸브로부터 연료 가스가 누출되면, 압축된 활성 가스 중에 연료 가스가 유입되어 버린다.
본 개시는 이러한 과제를 감안하여, 압축된 활성 가스 중에 연료 가스의 누출을 회피하는 것이 가능한 유니플로 소기식 2사이클 엔진의 제공을 목적으로 하고 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 개시의 유니플로 소기식 2사이클 엔진에 관한 제1 태양은, 내부에 연소실이 형성되는 실린더와, 실린더 안을 슬라이딩하는 피스톤과, 실린더 중에서, 피스톤의 스트로크 방향의 일단측을 둘러싸고, 압축된 활성 가스가 도입되는 소기실과, 실린더 중에서, 소기실 내에 위치하는 부분에 설치되고, 피스톤의 슬라이딩 동작에 따라 소기실로부터 연소실로 활성 가스를 흡입하는 소기 포트와, 소기 포트보다 실린더의 지름 방향 외측에 설치되고, 소기 포트로 흡입되는 활성 가스에 연료 가스를 분사하는 연료 분사구와, 연료 가스가 저류된 연료 탱크로부터 연료 분사구까지 연통하는 연료 공급로를 개폐하는 연료 분사 밸브를 구비한다. 또한, 연료 분사 밸브는 소기실과 격리된 격리 공간에 배치되어 있다.
본 개시의 유니플로 소기식 2사이클 엔진에 의하면, 압축된 활성 가스 중으로의 연료 가스의 누출을 회피하는 것이 가능해진다.
도 1은 유니플로 소기식 2사이클 엔진의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 연료 분사구를 설명하기 위한 도 1의 II-II선에 따른 단면도이다.
도 3은 연료 분사 밸브를 설명하기 위한 도면이다.
이하에 첨부 도면을 참조하면서 본 개시의 적합한 실시형태에 대해 상세하게 설명한다. 이러한 실시형태에 나타내는 치수, 재료, 그 밖의 구체적인 수치 등은 개시된 내용의 이해를 용이하게 하기 위한 예시에 불과하며, 특별히 언급하는 경우를 제외하고 본 개시를 한정하는 것은 아니다. 또, 본 명세서 및 도면에서 실질적으로 동일한 기능, 구성을 갖는 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여함으로써 중복 설명을 생략하고, 본 개시에 직접 관계가 없는 요소는 도시를 생략한다.
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), 피스톤(112), 배기 포트(114), 배기 밸브(116), 소기 포트(118), 소기 탱크부(120), 소기실(122), 연소실(124), 연료 분사구(126), 연료 분사 밸브(128)를 포함하여 구성된다.
유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)에서는, 피스톤(112)의 상승 행정 및 하강 행정의 2행정 사이에 배기, 흡기, 압축, 연소, 팽창이 이루어져 피스톤(112)이 실린더(110) 안을 슬라이딩한다. 피스톤(112)에는, 피스톤 로드(112a)의 일단이 고정되어 있다. 또한, 피스톤 로드(112a)의 타단에는 도시하지 않은 크로스헤드가 연결되어 있고, 크로스헤드는 피스톤(112)과 함께 왕복 이동한다. 피스톤(112)의 왕복 이동에 따라 크로스헤드가 왕복 이동하면, 그 왕복 이동에 연동하여 도시하지 않은 크랭크 샤프트가 회전한다.
배기 포트(114)는, 피스톤(112)의 상사점보다 상방의 실린더 헤드(110a)에 설치된 개구부로서, 실린더(110) 내에서 발생한 연소 후의 배기 가스를 배기하기 위해 개폐된다. 배기 밸브(116)는, 배기 밸브 구동 장치(116a)에 의해 소정의 타이밍에 상하로 슬라이딩되어 배기 포트(114)를 개폐한다. 배기 포트(114)가 열려 있을 때 배기 포트(114)를 통해 배기 가스가 실린더(110)로부터 배기된다.
소기 포트(118)는, 실린더(110)의 하단측의 내주면(실린더 라이너(110b)의 내주면)으로부터 외주면까지 관통하는 구멍이며, 실린더(110)의 전체둘레에 걸쳐 복수 설치되어 있다. 그리고, 소기 포트(118)는 피스톤(112)의 슬라이딩 동작에 따라 실린더(110) 내로 활성 가스를 흡입한다. 이 활성 가스는 산소, 오존 등의 산화제 또는 그 혼합기(예를 들어 공기)를 포함한다.
소기 탱크부(120)에는, 도시하지 않은 블로어에 의해 압축된 활성 가스(예를 들어 공기)가 냉각기(130)에 의해 냉각되어 봉입되어 있다. 압축 및 냉각된 활성 가스는 소기 탱크부(120) 내에 배치된 정류판(132)에 의해 정류된 후, 드레인 세퍼레이터(134)에서 수분이 제거된다.
소기실(122)은 소기 탱크부(120)와 연통함과 동시에, 실린더(110) 중에서, 피스톤(112)의 스트로크 방향의 일단측(도 1 중 하측)을 둘러싸고, 압축, 냉각 및 수분 제거가 이루어진 활성 가스가 도입된다.
소기 포트(118)는, 실린더(110)(실린더 라이너(110b)) 중에서, 소기실(122) 내에 위치하는 부분에 설치되어 있고, 피스톤(112)의 슬라이딩 동작에 따른 소기실(122)과 실린더(110) 내의 차압(差壓)을 이용하여 소기실(122)로부터 실린더(110) 내로 활성 가스를 흡입한다. 실린더(110)에 흡입된 활성 가스는, 피스톤(112)에 의해 연소실(124)로 도입된다.
도 2는 연료 분사구(126)를 설명하기 위한 도면으로, 도 1의 II-II선 단면을 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 연료 분사구(126)는 소기 포트(118)보다 실린더(110)의 지름 방향 외측에 설치된다. 상세하게는, 연료 분사구(126)는 인접하는 소기 포트(118)의 사이에 실린더(110)의 외표면에 대향하여 설치된다. 또한, 연료 분사구(126)는 피스톤(112)의 스트로크 방향에 따른 소기 포트(118)의 형성 범위 내에 위치하고 있다.
본 실시형태에서는, 소기 포트(118)가 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 전체둘레에 걸쳐 복수 설치되고, 소기 포트(118)에 맞추어 연료 분사구(126)도 실린더(110)의 둘레방향에 걸쳐 복수 설치되어 있다. 상세하게는, 각각의 소기 포트(118)에 대해 연료 가스가 도출되는 연료 배관(136)이 하나씩 피스톤(112)의 스트로크 방향으로 연장되어 존재하고 있다. 이 구조에서는, 연료 배관(136)은 인접하는 소기 포트(118)의 사이에서의 실린더(110)의 외표면의 지름 방향 외측에 배치되어 있기 때문에, 연료 배관(136)에 의해 활성 가스의 흐름이 저해되기 어렵다. 또한, 연료 분사구(126)는 연료 배관(136)의 측면에 인접하는 연료 배관(136) 측을 향하여 형성된 개구로 되어 있다.
연료 배관(136) 중에서 배기 포트(114) 측(도 1 중 상측)에는 환상 배관(138)이 배치되어 있다. 환상 배관(138)은, 실린더(110)의 지름 방향 외측을 실린더(110)의 둘레방향으로 환상으로 둘러싸는 배관으로서, 연료 배관(136)과 연통하고 있다. 환상 배관(138)에는, 연료 가스가 저류된 연료 탱크(140)로부터 연료 가스가 도출된다.
연료 분사구(126)는, 연료 탱크(140)로부터 환상 배관(138)을 통해 공급된 연료 가스를 소기 포트(118)에 흡입되는 활성 가스로 분사한다. 그 결과, 연료 가스는 도 2 중 점선 화살표로 나타내는 바와 같이, 활성 가스의 흐름에 합류하여 활성 가스와 함께 소기 포트(118)로부터 실린더(110) 내로 흡입되어 연소실(124)로 안내된다.
도 2에서는, 연료 분사구(126)가, 인접하는 연료 배관(136) 측을 향하여 형성되는 경우에 대해 설명하였지만, 연료 분사구(126)는 분사된 연료 가스가 활성 가스와 함께 소기 포트(118)로 흡입되면 되고, 예를 들어 소기 포트(118) 측을 향하여 개구시키는 등과 같이 연료 분사구(126)를 연료 배관(136)의 어떤 개소에 설치해도 된다.
또한, 도 2에서는 연료 배관(136)과 소기 포트(118)가 같은 수 배치되어 있는 경우에 대해 설명하였지만, 연료 배관(136)과 소기 포트(118)의 배치 수가 달라도 되고, 예를 들어 2개의 소기 포트(118)마다 하나의 연료 배관(136)이 설치되어 있어도 된다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 실린더 헤드(110a)에는 파일럿 분사 밸브(142)가 설치된다. 그리고, 엔진 사이클에서의 원하는 시점에서 적당량의 연료유가 파일럿 분사 밸브(142)로부터 분사된다. 이 연료유는, 실린더 헤드(110a)와 실린더 라이너(110b)와 피스톤(112)에 둘러싸여 실린더(110)의 내부에 형성된 연소실(124)의 열로 기화하여 연료 가스가 된다. 그리고, 연료유가 기화된 연료 가스가 자연 착화하여 짧은 시간에 연소하여 연소실(124)의 온도를 극히 높게 한다. 그 결과, 연소실(124)에 도입된 연료 가스를 원하는 타이밍에 확실히 연소시킬 수 있다. 피스톤(112)은 주로 연료 가스의 연소에 의한 팽창압에 의해 왕복 이동한다.
여기서, 연료 가스는 예를 들어 LNG(액화 천연가스)를 가스화하여 생성된다. 또한, 연료 가스에는 LNG에 한정하지 않고, 예를 들어 LPG(액화 석유가스), 경유, 중유 등을 가스화한 것을 적용할 수도 있다.
연료 분사 밸브(128)는, 연료 탱크(140)로부터 연료 분사구(126)까지 연통하는 연료 공급로(144) 중에서 연료 배관(136)이나 환상 배관(138)보다 상류측에 설치된다. 그리고, 연료 분사 밸브(128)는 연료 공급로(144)를 개폐하여 연료 분사구(126)로부터 연료 가스의 분사를 제어한다.
도 3은 연료 분사 밸브(128)를 설명하기 위한 도면으로, 연료 분사 밸브(128)의 개략 단면을 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, 연료 분사 밸브(128)는 예를 들어 유압식 개폐 밸브로서, 유압실(128a)에 작동유가 압입되면, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 밸브체(128b)가 스프링(128c)의 바이어스력에 저항하여 도 3 중 좌측으로 이동하여 밸브가 폐쇄된다. 또한, 유압실(128a)에의 작동유의 압입력이 약해지면, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 밸브체(128b)가 스프링(128c)의 바이어스력에 의해 도 3 중 우측으로 이동하여 밸브가 개방된다.
연료 분사 밸브(128)의 선단부(128d)는 환상 배관(138)과 연통하고 있고, 도 3의 (a)에 도시된 상태에서는 연료 탱크(140)로부터 연료 분사구(126)까지의 유로가 차단된다. 또한, 도 3의 (b)에 도시된 상태에서는 연료 탱크(140)로부터 연료 분사구(126)까지의 유로가 연통한다.
그런데, 연료 분사 밸브(128)가 예를 들어 압축된 활성 가스가 충만된 소기실(122)이나 소기실(122)과 연통하는 위치에 배치된 경우, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 정지시, 연료 분사 밸브(128)로부터 연료 가스가 누출되면 압축된 활성 가스 중에 연료 가스가 유입되어 버린다.
그래서, 연료 분사 밸브(128)는 도 1에 도시된 바와 같이 소기실(122)과 격리된 격리 공간(146)에 설치되어 있다. 도 1의 경우, 격리 공간(146)은 소기실(122)과 격벽(148)에 의해 격리되어 있다. 즉, 격리 공간(146)은 소기실(122)과 연통하는 소기 탱크부(120)와도 격리되어 있다. 다시 말하면, 격리 공간(146)은 압축된 활성 가스가 충만된 공간으로부터 격리된 공간으로 되어 있다.
또한, 연료 분사 밸브(128)의 선단부(128d)는 격벽(148)에 설치된 관통공(148a)에 삽입되어 있고, 관통공(148a)과 선단부(128d)의 간극은 폐쇄되어 있다.
그 때문에, 격리 공간(146)에는 소기실(122)에 충만된 압축된 활성 가스가 거의 유입되지 않는다. 따라서, 압축된 활성 가스 중에 연료 가스의 누출을 회피하는 것이 가능해진다.
또한, 격리 공간(146)에는 가스 검지 센서(150)의 가스 검지관(150a)이 배치되어 있다. 가스 검지 센서(150)는, 가스 검지관(150a)의 선단으로부터 유입된 기체 중에 연료 가스가 포함되는지 여부를 판정하여 연료 가스의 누출을 검지한다. 격리 공간(146)에서는 활성 가스가 유입되지 않기 때문에, 기체의 흐름이 소기실(122)에 비해 적다. 따라서, 격리 공간(146) 내에 연료 가스가 누출된 경우, 소량의 누출이어도 기체의 흐름으로 연료 가스의 농도가 저하되지 않고 조기 검출이 가능해진다.
또한, 격리 공간(146)은 거의 밀폐된 구조로 되어 있고 외기의 유입도 거의 없다. 그 때문에, 격리 공간(146) 내에 연료 가스가 누출된 경우, 외기에 의해 연료 가스의 농도가 저하되지 않고 더욱 조기 검출이 가능해진다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 개시의 적합한 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 개시는 이러한 실시형태에 한정되지 않는 것은 물론이다. 당업자라면 청구범위에 기재된 범주에서 각종 변경예 또는 수정예를 생각해 낼 수 있는 것은 명백하고, 이들에 대해서도 당연히 본 개시의 기술적 범위에 속한다고 이해된다.
상술한 실시형태에서는, 소기 포트(118) 및 연료 분사구(126)가 실린더(110)의 둘레방향에 걸쳐 복수 설치되는 경우에 대해 설명하였지만, 소기 포트(118) 및 연료 분사구(126)는 적어도 하나 있으면 된다. 또한, 실린더(110)의 둘레방향으로 배치되는 소기 포트(118)와 연료 분사구(126)의 수가 달라도 된다.
또한, 상술한 실시형태에서는 가스 검지 센서(150)를 구비하는 경우에 대해 설명하였지만, 가스 검지 센서(150)는 본 개시에 필수적인 구성은 아니다.
또한, 상술한 실시형태에서는 격리 공간(146)이 밀폐 구조인 경우에 대해 설명하였지만, 격리 공간(146)이 밀폐 구조가 아니며 외기가 격리 공간(146)에 유입되어도 된다.
본 개시는, 연료 분사 밸브를 개방하면 실린더 내에 연료 가스가 공급되는 유니플로 소기식 2사이클 엔진에 이용할 수 있다.
100 유니플로 소기식 2사이클 엔진
110 실린더
112 피스톤
118 소기 포트
122 소기실
124 연소실
126 연료 분사구
128 연료 분사 밸브
140 연료 탱크
144 연료 공급로
146 격리 공간
150 가스 검지 센서

Claims (3)

  1. 내부에 연소실이 형성되는 실린더와,
    상기 실린더 안을 슬라이딩하는 피스톤과,
    상기 실린더 중에서, 상기 피스톤의 스트로크 방향의 일단측을 둘러싸고, 압축된 활성 가스가 도입되는 소기실과,
    상기 실린더 중에서, 상기 소기실 내에 위치하는 부분에 설치되고, 상기 피스톤의 슬라이딩 동작에 따라 상기 소기실로부터 상기 연소실로 활성 가스를 흡입하는 소기 포트와,
    상기 소기 포트보다 상기 실린더의 지름 방향 외측에 설치되고, 상기 소기 포트로 흡입되는 상기 활성 가스에 연료 가스를 분사하는 연료 분사구와,
    상기 연료 가스가 저류(貯留)된 연료 탱크로부터 상기 연료 분사구까지 연통하는 연료 공급로를 개폐하는 연료 분사 밸브를 구비하고,
    상기 연료 분사 밸브가 상기 소기실과 격리된 격리 공간에 배치되는 유니플로 소기식 2사이클 엔진.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 격리 공간에 배치되고, 상기 격리 공간에서의 상기 연료 가스의 누출을 검출하는 가스 검지 센서를 더 구비하는 유니플로 소기식 2사이클 엔진.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 격리 공간이 밀폐 구조인 유니플로 소기식 2사이클 엔진.
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