KR20230099624A - 가스 엔진 - Google Patents

Abstract

연소성이 좋은 가스를 연소시키는 가스 엔진으로서, 실린더의 통 내에, 연료의 가스를 분사하는 복수의 연료 분사 밸브를 배치하여, 연소성을 좋게 하면서도 실린더 등에 큰 열부하를 주지 않도록 함으로써, 엔진 자체의 강성을 높일 필요가 없고, 또, NOx 배출량도 억제할 수 있는 가스 엔진을 제공한다.
(a)에 나타내는 바와 같이, 연료 분사 밸브A(30)로부터 분사된 수소 포켓(α)만이 점화 플러그A(32)로 착화(P)된다. 그 후, (b)에 나타내는 바와 같이, 수소 포켓(α)의 연소에 의해 발생한 화염(α)은, 실린더(10)의 통 내를 반주하여, 연료 분사 밸브B(31)로부터 분사된 수소 포켓(β)을 따라잡아, 수소 포켓(β)을 착화(P)하여, 그 후, 수소 포켓(β)도 연소시킨다.

Description

가스 엔진{GAS ENGINE}

본 발명은, 수소 등의 연소성이 좋은 가스를 연소시키는 가스 엔진에 관한 것이다.

최근, 지구온난화 등의 문제로 이산화탄소의 배출량을 0으로 하는 이른바 무배출시스템(zero emission) 실현이 요구되고 있다. 따라서 중유 등의 화석연료를 연료로서 사용하는 기존 엔진으로는 무배출시스템 실현이 어려우므로, 최근에는 수소 등의 분자 구조 중에 탄소를 갖지 않는 가연 가스를 사용하는 가스 엔진 개발이 다수 이루어지고 있다.

예를 들어, 하기 특허문헌 1에서는, 수소를 연료로서 사용하는 수소 엔진이 제안되고 있다. 이 특허문헌 1에서는, 수소 엔진에 있어서, 점화 플러그 근방의 온도 상승을 억제하고 연소 가스 중의 NOx 농도를 저하시키기 위하여, 실린더의 통 내에, 대향 배치한 2개의 점화 플러그와 2개의 연료 분사 밸브를 설치하고, 이 2개의 점화 플러그를 동시에 점화함으로써, 연소 화염의 전파 거리를 짧게 하여 점화 플러그 근방의 온도 상승을 억제하는 것이 기재되어 있다.

확실히, 수소와 같은 연소성이 좋은 가스를 연소시키는 경우에는, 화석 연료를 연료로서 사용하는 종래형의 엔진보다, 연료가 급격히 연소되어, 플러그 주위의 온도가 급격히 상승함으로써, 연소 가스(배기 가스) 중의 NOx량이 증가하므로, 특허문헌 1과 같이 점화 플러그를 2개 설치함으로써 개개의 점화 플러그 주위의 연료 총량을 줄여서 연소 온도를 저하시키는 강구가 필요해진다.

특허문헌 1 : 일본 특허공보 소58-12457호 공보

그런데, 상기 특허문헌 1과 같이, 실린더의 통 내에 2개의 연료 분사 밸브와 2개의 점화 플러그를 설치하고, 2개의 점화 플러그를 동시에 점화하면, 확실히 연소 화염의 전파 거리는 짧아진다.

그러나, 2개의 연소가 하나의 통 내에서 동시에 발생함으로써, 통 내의 압력이 급격히 상승하여, 실린더에 큰 열부하를 줄 가능성이 있다. 이와 같이 실린더에 큰 부하를 주면, 실린더나 피스톤 등의 통 내 내면의 내압성이나, 점화 플러그의 장착 강도 등을 높일 필요가 생기고, 엔진 자체의 강성을 높일 필요가 생겨, 엔진 제조의 비용이 증가하는 문제, 또, 연소가 급격히 이루어짐으로써, 유해 물질인 NOx 배출량이 여전히 많다는 문제가 있다.

본 발명은, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 연소성이 좋은 가스를 연소시키는 가스 엔진으로서, 실린더의 통 내에, 연료의 가스를 분사하는 복수의 연료 분사 밸브를 배치하여, 연소성을 좋게 하면서도 실린더 등에 큰 열부하를 주지 않도록 함으로써, 엔진 자체의 강성을 높일 필요가 없고, 또, NOx 배출량도 억제할 수 있는 가스 엔진을 제공하는 데 있다.

그 목적을 달성하기 위하여, 이 발명에서는, 수소 등의 연소성이 좋은 가스를 연소시키는 가스 엔진으로서, 실린더의 통 내에, 연료의 가스를 분사하는 연료 분사 밸브를 복수 배치하여, 그 복수의 연료 분사 밸브로부터 분사되는 복수의 가스 포켓 중, 하나의 가스 포켓을 다른 가스 포켓보다 먼저 연소시키는 점화 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.

구체적으로, 제1 발명에서는, 수소 등의 연소성이 좋은 가스를 연소시키는 가스 엔진으로서, 상기 엔진에는, 내부가 연소실이 되는 원통 형상의 실린더를 배치하고, 당해 실린더에, 서로 이격한 위치에서 가스를 분사하는 복수의 연료 분사 밸브를 배치하고, 당해 복수의 연료 분사 밸브로부터 분사되는 복수의 가스 포켓 중, 적어도 하나의 가스 포켓을 다른 가스 포켓보다 먼저 연소시키는 점화 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의하면, 실린더에, 서로 이격한 위치에 가스를 분사하는 복수의 연료 분사 밸브를 배치하고, 이 복수의 연료 분사 밸브로부터 분사되는 복수의 가스 포켓 중, 하나의 가스 포켓을 다른 가스 포켓보다 먼저 연소시키는 점화 수단을 구비함으로써, 복수의 가스 포켓의 연소가 하나씩 차례로 발생하게 된다. 즉, 복수의 가스 포켓이 동시에 연소하지 않고, 하나의 가스 포켓이 먼저 연소하고, 그 후, 다른 가스 포켓이, 먼저 연소한 가스 포켓의 화염의 영향을 받아 연소하게 되는 것이다.

따라서, 복수의 가스 포켓이, 하나씩 차례로 연소하여, 연소가 완만해지고, 실린더의 통 내의 연소에 의한 압력 상승이 완만하게 발생하게 된다.

그리고, 상기 점화 수단으로서는, 일반적인 점화 플러그여도 되고, 예열 플러그(glow plug)나 열구 등, 가스의 연소를 촉진하는 점화 수단이어도 된다.

또한, 점화 수단의 수에 대해서도, 하나로 한정되지 않고, 연료 분사 밸브의 수 등에 따라 복수 설치하여도 된다. 이와 같이 복수의 점화 수단을 설치한 경우에는, 1번의 연소 사이클로 하나의 점화 수단만을 작동시키도록 하면 된다. 그리고 이 경우에는, 일정 기간마다, 작동하는 점화 수단을 전환하도록 하여도 된다.

제2 발명에서는, 상기 실린더의 통 내에 흡입하는 에어에 선회류를 발생시키는 선회류 생성 수단을 형성하고, 상기 연료 분사 밸브에서 분사하는 가스 포켓이 상기 에어의 선회류에 의해 선회하도록 구성한 것을 특징으로 하는 것이다.

이 구성에 의하면, 선회류 생성 수단으로, 실린더의 통 내에 흡입하는 에어에 선회류를 발생시키고, 그 에어의 선회류에 의해, 연료 분사 밸브에서 분사한 가스 포켓이 실린더 내에서 선회하게 된다.

따라서, 하나의 가스 포켓이 먼저 연소하고, 다른 가스 포켓이 먼저 연소한 가스 포켓의 영향을 받아 연소할 때에, 에어의 선회류에 의해 화염의 영향을 보다 받기 쉬워지고, 연소 간격을 빠르게 할 수 있다.

따라서, 복수의 가스 포켓이 차례로 연소할 때의 각 연소의 간격이 짧아지고, 압력 상승에 따른 압력 변동이 완만하게 발생하여, 엔진의 회전에 악영향이 발생하지 않게 할 수 있다.

제3 발명에서는, 상기 연료 분사 밸브가, 먼저 연소시키는 가스 포켓을 분사하는 제1 연료 분사 밸브와, 나중에 연소시키는 가스 포켓을 분사하는 제2 연료 분사 밸브로 구성되고, 상기 제1 연료 분사 밸브로부터 분사되는 가스 포켓의 양을, 상기 제2 연료 분사 밸브로부터 분사되는 가스 포켓의 양보다 적게 하는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.

이 구성에 의하면, 먼저 연소시키는 가스 포켓의 가스량이 적고, 나중에 연소시키는 가스 포켓의 양이 많으므로, 연소에 의해 발생하는 열발생률, 즉, 엔진 내의 연소에 의해 발생하는 단위 시간당 열량(ROHR; rate of heat release)의 파형은, 연소의 전반이 작고, 연소의 후반이 커진다.

이로써, 피스톤이 상사점 근방에 위치하여 연소실이 작은 연소 초기에서는, 열량을 적게 하여 열 에너지의 손실을 억제하고, 연소 온도도 억제함으로써 NOx의 발생을 적게 하면서도, 피스톤이 상사점으로부터 이격하여 연소실이 큰 연소 후기에서는, 열량을 증가시켜 열 에너지의 효과를 최대한 얻고, 연소 온도도 그다지 상승하지 않으므로 NOx도 발생하기 어려워진다.

따라서, 보다 이상적인 엔진의 연소 상태를 얻을 수 있다.

이상, 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 복수의 가스 포켓이, 하나씩 차례로 연소하여, 실린더의 통 내의 연소에 의한 압력 상승이 완만하게 발생하게 된다.

따라서, 연소성이 좋은 가스를 연소시키는 가스 엔진으로서, 실린더의 통 내에, 연료의 가스를 분사하는 복수의 연료 분사 밸브를 배치하여, 연소성을 좋게 하면서도 실린더 등에 큰 열부하를 주지 않도록 함으로써, 엔진 자체의 강성을 높일 필요가 없도록 할 수 있다. 또한, NOx 배출량도 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태 1에 따른 가스 엔진의 구성을 나타낸 모식 개략도이다.
도 2는 가스 엔진의 유니플로 소기식을 설명하는 도면이고, (a)가 실린더 하부의 상세 단면도, (b)가 실린더 하부의 횡단면도이다.
도 3은 실시형태 1의 실린더 헤드의 상세 단면도이다.
도 4는 실시형태 1의 실린더 헤드의 천장면을 나타낸 도면이다.
도 5는 실시형태 1의 가스 엔진의 제어 시스템의 시스템 계통도이다.
도 6은 실시형태 1의 가스 엔진의 연소 상태를 나타낸 도면이고, (a)가 연소 초기의 도면, (b)가 연소 후기의 도면이다.
도 7은 실시형태 1의 연소에 의해 발생하는 열발생률(ROHR)의 변화를 나타낸 도면이다.
도 8은 실시형태 2의 가스 엔진의 연소 상태를 나타낸 도면이고, (a)가 연소 초기의 도면, (b)가 연소 후기의 도면이다.
도 9는 실시형태 2의 연소에 의해 발생하는 열발생률(ROHR)의 변화를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 이하의 바람직한 실시형태의 설명은, 본질적으로 예시에 지나지 않으며, 본 발명, 그 적용물, 또는 그 용도의 제한을 의도하는 것이 아니다.

(실시형태 1)

도 1은, 선박용 가스 엔진(1)의 구성을 예시하는 모식 개략도이고, 이 도면을 사용하여 가스 엔진(1)의 개략을 설명한다. 이하, 선박용 가스 엔진(1)을 단순히 "엔진(1)"이라고 한다.

엔진(1)은, 복수의 실린더(10)를 구비한 직렬 다기통식 가스 엔진이다. 이 엔진(1)은, 유니플로 소기식을 채용한 2스트로크 1사이클 기관으로서 구성되고, 유조선, 컨테이너 선박, 자동차 운반선 등, 대형 선박에 탑재된다. 그리고, 유니플로 소기식에 대해서는 도 2를 사용하여 후술한다.

선박에 탑재된 엔진(1)은, 그 선박을 추진시키기 위한 주기관으로서 이용된다. 즉, 엔진(1)의 출력축은, 프로펠러축(도시하지 않음)을 개재하여 선박의 프로펠러(도시하지 않음)에 연결된다. 엔진(1)이 운전됨에 따라, 그 출력이 프로펠러에 전달되어, 선박이 추진되도록 구성된다.

특히, 본 실시형태에 따른 엔진(1)은, 그 롱 스트로크화를 실현시키기 위하여, 이른바 크로스헤드식 내연 기관으로서 구성된다. 즉, 이 엔진(1)에 있어서는, 하방에서 피스톤(21)을 지지하는 피스톤봉(22)과, 크랭크 샤프트(23)에 연접되는 연접봉(24)이 크로스헤드(25)에 의해 연결된다.

또한, 이 엔진(1)은, 하방에 위치하는 베드 플레이트(11)와, 베드 플레이트(11) 상에 배치되는 프레임(12)과, 프레임(12) 상에 배치되는 실린더 재킷(13)을 구비한다. 베드 플레이트(11), 프레임(12) 및 실린더 재킷(13)은, 상하 방향으로 연장되는 복수의 타이 볼트(B, …) 및 너트에 의해 체결된다. 엔진(1)은 또한, 실린더 재킷(13) 내에 배치되는 실린더(10)와, 실린더(10) 내에 배치되는 피스톤(21)과, 피스톤(21)의 왕복 운동에 연동하여 회전하는 출력축(예를 들어 크랭크 샤프트(23))을 구비한다.

베드 플레이트(11)는, 엔진(1)의 이른바 크랭크케이스를 구성하는 것으로, 크랭크 샤프트(23)와, 크랭크 샤프트(23)를 회전 가능하게 지지하는 베어링(26)을 수용한다. 크랭크 샤프트(23)에는, 크랭크(27)를 개재하여 연접봉(24)의 하측 끝단부가 연결된다.

프레임(12)은, 한 쌍의 가이드판(28, 28), 연접봉(24), 및 크로스헤드(25)를 수용한다. 이 중, 한 쌍의 가이드판(28, 28)은, 피스톤 축 방향을 따라 배치된 한 쌍의 판형 부재로 이루어지고, 엔진(1)의 폭 방향(도 1의 도면 좌우 방향)으로 간격을 두고 배치된다. 연접봉(24)은, 그 하측 끝단부가 크랭크 샤프트(23)에 연결된 상태로, 한 쌍의 가이드판(28, 28) 사이에 배치된다. 연접봉(24)의 상측 끝단부는, 크로스헤드(25)를 개재하여 피스톤봉(22)의 하측 끝단부에 연결된다.

구체적으로, 크로스헤드(25)는, 한 쌍의 가이드판(28, 28) 사이에 배치되고, 각 가이드판(28, 28)을 따라 상하 방향으로 슬라이딩한다. 즉, 한 쌍의 가이드판(28, 28)은, 크로스헤드(25)의 슬라이딩을 안내하도록 구성된다. 크로스헤드(25)는, 크로스헤드 핀(29)을 개재하여 피스톤봉(22) 및 연접봉(24)과 접속된다. 크로스헤드 핀(29)은, 피스톤봉(22)에 대해서는 일체적으로 상하 이동하도록 접속되는 한편, 연접봉(24)에 대해서는 연접봉(24)의 상측 끝단부를 지점으로 연접봉(24)을 회동시키도록 접속된다.

실린더 재킷(13)은, 내통으로서의 실린더 라이너(14)가 배치된다. 실린더 라이너(14)의 내부에는, 전술한 피스톤(21)이 배치된다. 이 피스톤(21)은, 실린더 라이너(14)의 내벽을 따라 상하 방향으로 왕복 운동한다. 또한, 실린더 라이너(14)의 상부에는 실린더 커버(15)가 고정된다. 실린더 커버(15)는, 실린더 라이너(14)와 함께 실린더(10)를 구성한다.

또한, 실린더 커버(15)에는, 도시하지 않는 밸브 장치에 의해 작동되는 배기 밸브(18)가 배치된다. 배기 밸브(18)는, 실린더 라이너(14) 및 실린더 커버(15)로 구성되는 실린더(10), 그리고, 피스톤(21)의 정상면과 함께 연소실(17)을 구획한다. 배기 밸브(18)는, 그 연소실(17)과 배기관(19) 사이를 개폐하는 것이다. 배기관(19)은 연소실(17)에 통하는 배기구(도시하지 않음)를 갖고, 배기 밸브(18)는 그 배기구를 개폐하도록 구성된다.

또한, 실린더 커버(15)는, 연소실(17)의 천장면(16)을 구획한다. 이 천장면(16)에는, 후술하는 바와 같이 복수의 연료 분사 밸브(연료 분사 밸브A(30), 연료 분사 밸브B(31))가 배치된다. 이 실시형태에서는, 각 실린더(10)에, 2개의 연료 분사 밸브(연료 분사 밸브A(30), 연료 분사 밸브B(31))가 배치된다.

도 2는 실린더(10) 내에서 에어의 선회류를 생성하는 유니플로 소기식을 설명하는 도면이고, (a)가 실린더 하부의 상세 단면도, (b)가 실린더 하부의 횡단면도이다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 전술한 실린더(10) 하부의 실린더 라이너(14)에는, 그 외부로부터 에어를 흡인하는 소기공(40, …)을 복수 형성한다. 이 소기공(40, …)은, (b)에 나타내는 바와 같이, 실린더 라이너(14)의 접선 방향으로 약간 경사진 형상으로 개구된다.

따라서, 도 2에 나타내는 바와 같이, 에어가 소기공(40, …)으로부터 실린더(10) 내에 흡인되면, 실린더(10)의 통 내에서, 에어의 선회류가 발생하도록 되어 있는 것이다.

이와 같이, 실린더(10) 내에서 에어의 선회류가 발생함으로써, 후술하는 바와 같이, 가스 연소에 있어서, 유효한 기능을 발휘하도록 되어 있다.

다음으로, 도 3과 도 4를 사용하여, 본 실시형태의 엔진의 실린더 커버(15) 부근의 상세 구조에 대하여 설명한다. 도 3은 실시형태 1의 실린더 헤드의 상세 단면도이고, 도 4는 실시형태 1의 실린더 헤드의 천장면을 나타낸 도면이다.

이 실린더 커버(15)에는, 전술한 바와 같이, 배기 밸브(18)가 천장면(16)의 중앙에 위치하도록 배치되고, 이 천장면(16)에는, 복수의 연료 분사 밸브(연료 분사 밸브A(30), 연료 분사 밸브B(31))를 배치한다. 구체적으로는, 천장면(16)의 경사면의 대략 대각 위치에 2개의 연료 분사 밸브(연료 분사 밸브A(30), 연료 분사 밸브B(31))를 배치한다. 이들 연료 분사 밸브(연료 분사 밸브A(30), 연료 분사 밸브B(31))로부터는, 가연 가스인 수소가 분사된다. 그리고, 이들 연료 분사 밸브(30, 31)까지의 수소의 공급 경로 등에 대해서는, 주지 구조이므로 상세한 설명은 생략한다.

또한, 실린더 커버(15)의 천장면(16)에는, 연료 분사 밸브(연료 분사 밸브A(30), 연료 분사 밸브B(31))로부터 둘레 방향으로 약간 어긋난 위치에, 점화 수단으로서의 점화 플러그(점화 플러그A(32), 점화 플러그B(33))를 설치한다. 이 점화 플러그(점화 플러그A(32), 점화 플러그B(33))도 전술한 연료 분사 밸브(연료 분사 밸브A(30), 연료 분사 밸브B(31))와 마찬가지로 복수 설치된다.

이 점화 플러그(점화 플러그A(32), 점화 플러그B(33))의 연료 분사 밸브(연료 분사 밸브A(30), 연료 분사 밸브B(31))로부터의 둘레 방향의 편차는, 본 실시형태에서는, 약 10°~45° 정도로 설정한다. 다만, 이 둘레 방향의 편차는, 연료 분사 밸브(연료 분사 밸브A(30), 연료 분사 밸브B(31))의 성능이나, 분사하는 수소의 양이나, 분사 스피드, 추가로는, 에어의 선회류의 선회 속도 등에 따라 적절히 설정하는 것이 바람직하다.

이 점화 플러그(점화 플러그A(32), 점화 플러그B(33))에서는, 연료 분사 밸브(연료 분사 밸브A(30), 연료 분사 밸브B(31))에서 분사된 수소(수소 포켓)에, 불꽃을 줌으로써, 착화하여 연소시키도록 한다. 이와 같이 점화 플러그(점화 플러그A(32), 점화 플러그B(33))에서 수소를 연소시킴으로써, 엔진(1)에 적절한 가스 엔진의 연소를 발생시킬 수 있다.

다음으로, 본 실시형태의 엔진(1)의 제어 시스템의 시스템 계통도의 개략에 대하여 설명한다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 엔진 제어 시스템은, 입력 수단으로서, 엔진(1)을 시동하는 시동 스위치(51), 엔진(1)의 회전 수를 제어하는 조종 핸들(52), 연소 상태 모드를 전환하는 선택 스위치(53), 추가로 외부 환경을 검출하여 그 외부 환경의 정보를 입력하는 환경 센서(54)를 갖는다. 이들 입력 수단으로부터의 정보에 기초하여, 엔진 제어 유닛(50)에서 연산 처리가 이루어진다. 이 엔진 제어 유닛(50)에는, 기억 수단(55)이 접속되고, 연산 처리에서 사용되는 각종 데이터나 소정의 맵 정보 등을, 이 기억 수단(55)으로부터 추출할 수 있도록 한다.

이 엔진 제어 유닛(50)에서 연산된 출력 신호를, 출력 수단인 연료 분사 밸브A(30), 연료 분사 밸브B(31), 점화 플러그A(32), 점화 플러그B(33)에, 각각 송신하도록 구성한다.

이와 같이 구성함으로써, 본 실시형태의 엔진(1)의 제어 시스템은, 엔진(1)의 운전 상태를 적절히 제어한다.

다음으로, 본 실시형태의 엔진의 운전 상태에 대하여, 도 6과 도 7을 사용하여 설명한다. 도 6은 연소 상태를 나타낸 도면이고, (a)가 연소 초기의 도면이며, (b)가 연소 후기의 도면이다. 도 7은 본 실시형태의 연소에 의해 발생하는 열발생률(ROHR)의 변화를 나타낸 도면이다.

도 6(a)에서 나타내는 바와 같이 연소 초기에는, 2개의 연료 분사 밸브, 구체적으로는, 연료 분사 밸브A(30)와 연료 분사 밸브B(31)로부터, 각각 연료인 수소가 동일량 분사된다. 이 분사되는 수소는, 실린더(10)의 통 내에서 수소 포켓(α), 수소 포켓(β)을 구성한다.

이 중, 연료 분사 밸브A(30)로부터 분사된 수소 포켓(α)만이 점화 플러그A(32)로 착화(P)된다. 이와 같이, 하나의 수소 포켓(α)만이 착화(P)되어 연소하면, 2개의 수소 포켓(α, β)에 동시에 착화하여 연소시킨 경우보다 연소에 의한 압력 상승을 억제할 수 있다.

그 후, (b)에 나타내는 바와 같이, 수소 포켓(α)의 연소에 의해 발생한 화염(α)은, 실린더(10)의 통 내를 반주하여, 연료 분사 밸브B(31)로부터 분사된 수소 포켓(β)을 따라잡아, 수소 포켓(β)을 착화(P)하여, 그 후, 수소 포켓(β)도 연소시키게 된다. 즉, 수소 포켓(β)은 점화 플러그B(33)(도 6(a) 참조)로 착화되는 것이 아니라, 먼저 연소한 수소 포켓의 화염(α)에 의해, 착화(P)되고 연소하는 것이다.

이와 같은 연소 상태로 되어 있으므로, 본 실시형태의 엔진(1)에서는, 도 7에 나타내는 바와 같은 열발생률(ROHR)의 변화가 된다. 그리고, 이 도면에서, 세로축이 열발생률(ROHR)의 값이고, 가로축이 피스톤(21)이 상사점 근방에서 하사점으로 향하는 때의 시간 경과의 값이다.

이 도면에서, 실선으로 나타낸 값이, 2개의 수소 포켓(α, β)이 2개의 점화 플러그(점화 플러그A(32), 점화 플러그B(33))로 동시에 착화되어 연소한 때의 값이고, 파선으로 나타낸 값이 본 실시형태에서 연소한 때의 값이다.

이 도면에서 알 수 있듯이, 2개의 수소 포켓(α, β)을, 동시에 2개의 점화 플러그(점화 플러그A(32), 점화 플러그B(33))로 착화한 경우(실선의 경우)는, 열발생률(ROHR)의 값이 급격히 상승하고, 그 후 단기간에 감소한다. 이와 같이, 열발생률(ROHR)이 급격히 상승하면, 실린더(10)의 통 내에 큰 열부하를 줄 가능성이 있다. 이와 같이 하면, 실린더(10)나 피스톤(21) 등의 통 내 내면의 내압성이나 점화 플러그(32, 33)의 장착 강도 등을 높일 필요가 생기고, 엔진(1) 자체의 강성을 높일 필요가 생겨, 엔진 제조의 비용이 증가하는 문제가 발생한다. 또한, 연료가 비교적 작은 영역에 존재하는 중에 모두 연소하므로, 국소 공간에서 온도가 상승하여, 여전히 NOx 발생이 많은 상태로 이어진다.

이에 반해, 본 실시형태의 경우(파선의 경우)에서는, 열발생률(ROHR)의 값이, 완만히 상승하고, 일단 감소하지만, 다시 상승하여, 그 후 완만히 감소한다. 이와 같이, 열발생률(ROHR)의 값이 완만히 증가하여, 장기간에 걸쳐 유지됨으로써, 본 실시형태에서는, 실린더(10)의 통 내에 큰 열부하를 주지 않는다. 따라서, 실린더(10)나 피스톤(21) 등의 통 내 내면의 내압성이나 점화 플러그(32, 33)의 장착 강도 등을 높일 필요가 없고, 엔진(1) 자체의 강성도 높일 필요가 없다. 또한, 연료의 확산 영역이 넓어져, 연소 영역이 넓어지므로, 동시에 2개의 점화 플러그로 착화하는 경우보다, 온도 상승량이 감소하여 NOx의 발생을 억제할 수 있다.

따라서, 엔진 제조 비용을 억제할 수 있다. 즉, 본 실시형태에 의하면, 수소와 같은 연소성이 좋은 가스를 연소시키는 경우라도, 엔진(1) 자체의 강성을 높일 필요가 없어지는 것이다.

이상과 같이, 본 실시형태에서는, 연소성이 좋은 수소를 연소시키는 엔진(1)으로서, 당해 엔진(1)에는, 내부가 연소실(17)이 되는 원통 형상의 실린더(10)를 배치하고, 당해 실린더(10)에, 서로 이격한 위치에서 수소를 분사하는 복수의 연료 분사 밸브(연료 분사 밸브A(30), 연료 분사 밸브B(31))를 배치하고, 당해 복수의 연료 분사 밸브(연료 분사 밸브A(30), 연료 분사 밸브B(31))로부터 분사되는 복수의 수소 포켓(α, β) 중, 하나의 수소 포켓(α)을 다른 수소 포켓(β)보다 먼저 연소시키는 점화 플러그(점화 플러그A(32))를 구비한 것을 특징으로 한다.

이로써, 복수의 수소 포켓(α, β)의 연소가 하나씩 차례로 발생하게 된다. 즉, 복수의 수소 포켓(α, β)이 동시에 연소하지 않고, 하나의 수소 포켓(α)이 먼저 연소하고, 그 후, 다른 수소 포켓(β)이, 먼저 연소한 수소 포켓(α)의 화염의 영향을 받아 연소하는 것이다.

따라서, 복수의 수소 포켓(α, β)이, 하나씩 차례로 연소하여, 연소가 완만해지고, 실린더(10)의 통 내의 압력 상승이 완만하게 발생하게 된다.

따라서, 연소성이 좋은 수소를 연소시키는 엔진(1)으로서, 실린더(10)의 통 내에, 연료의 수소를 분사하는 복수의 연료 분사 밸브(연료 분사 밸브A(30), 연료 분사 밸브B(31))를 배치하여, 연소성을 좋게 하면서도 실린더(10) 등에 큰 열부하를 주지 않도록 함으로써, 엔진(1) 자체의 강성을 높일 필요가 없도록 할 수 있다. 또한, NOx 배출량도 억제할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 실린더(10)의 통 내에 흡입하는 에어에 선회류를 발생시키는 소기공(40, …)을, 실린더(10) 하부에 형성하고, 연료 분사 밸브(연료 분사 밸브A(30), 연료 분사 밸브B(31))에서 분사하는 수소 포켓(α, β)이 그 에어의 선회류에 의해 선회하도록 구성한다.

이로써, 연료 분사 밸브(연료 분사 밸브A(30), 연료 분사 밸브B(31))에서 분사한 수소 포켓(α, β)이 그 에어의 선회류에 의해 실린더(10) 내에서 선회하게 된다.

따라서, 하나의 수소 포켓(α)이 먼저 연소하고, 다른 수소 포켓(β)이, 먼저 연소한 수소 포켓(α)의 영향을 받아 연소할 때에, 에어의 선회류에 의해 화염의 영향을 보다 받기 쉬워지고, 연소 간격을 빠르게 할 수 있다.

따라서, 복수의 수소 포켓을 동시에 착화하는 것보다 연소 기간이 긴 상태여도, 복수의 수소 포켓(α, β)이 차례로 연소할 때의 각 연소의 간격이 짧아지고, 압력 상승에 따른 압력 변동이 완만하게 발생하여, 엔진(1)의 회전에 악영향이 발생하지 않게 할 수 있다.

(실시형태 2)

다음으로, 도 8과 도 9를 사용하여 실시형태 2를 설명한다. 도 8은, 도 6과 마찬가지로, 실시형태 2의 연소 상태를 나타낸 도면이고, (a)가 연소 초기의 도면이며, (b)가 연소 후기의 도면이다. 도 9도 도 7과 마찬가지로, 실시형태 2의 연소에 의해 발생하는 열발생률(ROHR)의 변화를 나타낸 도면이다. 그리고, 전제의 엔진(1) 구조에 대해서는, 실시형태 1과 마찬가지이므로 설명을 생략한다.

이 실시형태 2는, 연료 분사 밸브A(30)의 수소 분사량이 연료 분사 밸브B(31)의 수소 분사량보다 적게 된 것이다. 따라서, 도 8(a)에 나타내는 바와 같이, 연료 분사 밸브A(30)로부터 분사되는 수소 포켓(γ) 쪽이, 연료 분사 밸브B(31)로부터 분사되는 수소 포켓(λ)보다 작다.

이 실시형태 2에서도, 연료 분사 밸브A(30)로부터 분사되는 수소 포켓(γ)만을 점화 플러그(32)로 착화(P)한다. 이 경우도, 2개의 수소 포켓(γ, λ)을 동시에 착화하여 연소시키는 경우보다 압력 상승을 억제할 수 있다.

그 후, (b)에 나타내는 바와 같이, 이 실시형태 2에서도, 수소 포켓(γ)의 연소에 의해 발생한 화염(γ)이, 실린더(10) 내를 반주하여, 연료 분사 밸브B(31)로부터 분사된 수소 포켓(λ)을 따라잡아, 수소 포켓(λ)을 착화(P)하여, 수소 포켓(λ)도 연소한다.

이 실시형태 2에서는, 도 9의 파선으로 나타내는 바와 같이, 첫 번째 수소 포켓(γ)만이 연소한 때의 열발생률(ROHR)이 낮고, 두 번째 수소 포켓(λ)도 함께 연소한 때의 열발생률(ROHR)이 높아진다.

이는 실시형태 1과 상이한 점이다. 이와 같이, 첫 번째 수소 포켓(γ)이 연소한 때의 열발생률(ROHR)이 낮고, 두 번째 수소 포켓(λ)도 함께 연소한 때의 열발생률(ROHR)이 높아짐으로써, 이상적인 엔진의 연소 상태를 얻을 수 있다.

즉, 이론적인 엔진의 연소 상태는, 피스톤이 상사점에 있는 때에 모든 연소가 발생하여 폭발 에너지 전체가 피스톤 강하의 운동 에너지로 변환되는 것이지만, 실제 엔진에서는, 폭발 에너지의 일부가 열 에너지로서 실린더나 피스톤 등에 빠져나간다. 따라서, 피스톤이 상사점에 있는 때에 모든 연소를 실시하는 것은 효율적이 아니다. 또한, 상사점 근방에서 모든 연소를 발생시키면 연소 온도가 급격히 높아지므로 NOx의 발생량도 증가한다.

따라서, 피스톤이 상사점으로부터 강하하여, 연소실의 용적이 증가한 때에, 더 많은 연소를 발생시키도록 함으로써(첫 열발생률(ROHR)보다, 두 번째의 열발생률(ROHR)을 크게 함으로써), 열 에너지로서 일부 손실된 에너지도, 운동 에너지로서 사용할 수 있다. 또한, 상사점 이후에 큰 연소가 발생함으로써 연소 온도도 억제할 수 있으므로 NOx의 발생량도 억제할 수 있다.

이러한 점에서, 이 실시형태 2의 연소에 의하면, 이상적인 엔진의 연소 상태를 얻을 수 있는 것이다.

이와 같이, 본 실시형태에서는, 연료 분사 밸브A(30)로부터 분사되는 수소 포켓(γ)의 양을, 연료 분사 밸브B(31)로부터 분사되는 수소 포켓(λ)의 양보다 적게 하도록 제어된다.

이로써, 연소에 의해 발생하는 열발생률(ROHR)의 파형은, 연소의 전반이 작고, 연소의 후반이 커진다.

이로써, 피스톤이 상사점 근방에 위치하여 연소실이 작은 연소 초기에서는, 열량을 적게 하여 열 에너지의 손실을 억제하고, 연소 온도도 억제함으로써 NOx의 발생을 적게 하면서도, 피스톤이 상사점으로부터 이격하여 연소실이 큰 연소 후기에서는, 열량을 증가시켜 열 에너지의 효과를 최대한 얻고, 연소 온도도 그다지 상승하지 않으므로 NOx도 발생하기 어려워진다.

따라서, 보다 이상적인 엔진의 연소 상태를 얻을 수 있다.

(그 밖의 실시형태)

다음으로, 그 밖의 실시형태에 대해 설명한다.

먼저, 점화 수단에 대하여, 전술한 실시형태 1 등에서는 일반적인 점화 플러그였지만, 가스의 연소를 촉진하는 점화 수단이라면 예열 플러그나 열구 등이어도 된다.

또한, 점화 수단의 수에 대해서도, 전술한 실시형태에서는, 연료 분사 밸브에 대응하여 2개 설치하였지만 하나여도 된다. 또한, 점화 수단을 2개 설치한 경우에는, 예를 들어, 엔진 시동의 타이밍이나 일정 기간마다, 작동하는 점화 수단을 전환하도록 제어하여도 된다.

또한, 연소시키는 가스에 대해서도, 수소로 한정되지 않고, 메테인, 프로페인, 아이소뷰테인 등의 가연성 가스여도 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은, 수소 등의 연소성이 좋은 가스를 연소시키는 가스 엔진에 있어서 유용하다.

1 : 가스 엔진
10 : 실린더
30 : 연료 분사 밸브A
31 : 연료 분사 밸브B
32 : 점화 플러그A(점화 수단)
33 : 점화 플러그B
40 : 소기공
α, β, γ, λ : 수소 포켓(가스 포켓)

Claims (3)

1. 수소 등의 연소성이 좋은 가스를 연소시키는 가스 엔진으로서,
   상기 엔진에는, 내부가 연소실이 되는 원통 형상의 실린더를 배치하고,
   당해 실린더에, 서로 이격한 위치에서 가스를 분사하는 복수의 연료 분사 밸브를 배치하고,
   당해 복수의 연료 분사 밸브로부터 분사되는 복수의 가스 포켓 중, 적어도 하나의 가스 포켓을 다른 가스 포켓보다 먼저 연소시키는 점화 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 가스 엔진.
2. 제1항에 있어서,
   상기 실린더의 통 내에 흡입하는 에어에 선회류를 발생시키는 선회류 생성 수단을 형성하고,
   상기 연료 분사 밸브에서 분사하는 가스 포켓이 상기 에어의 선회류에 의해 선회하도록 구성한
   것을 특징으로 하는 가스 엔진.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 연료 분사 밸브가, 먼저 연소시키는 가스 포켓을 분사하는 제1 연료 분사 밸브와, 나중에 연소시키는 가스 포켓을 분사하는 제2 연료 분사 밸브로 구성되고,
   상기 제1 연료 분사 밸브로부터 분사되는 가스 포켓의 양을, 상기 제2 연료 분사 밸브로부터 분사되는 가스 포켓의 양보다 적게 하는 제어 수단을 구비한
   것을 특징으로 하는 가스 엔진.

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