KR20190108629A - 유니플로 소기식 2사이클 엔진 - Google Patents

Abstract

이 유니플로 소기식 2사이클 엔진은, 소기 포트로부터 유입된 소기에 의해, 실린더 내의 배기가스가 배기 포트(142)로부터 밀려나오는 유니플로 소기식 2사이클 엔진으로서, 배기 포트를 개방 가능하게 폐색하는 밸브체(144a)와, 밸브체 중, 실린더 내에 배치된 피스톤에 대향하는 대향면(144c)에 설치되고, 불연성의 유체를 분사하는 분사부(168)를 구비한다.

Description

유니플로 소기식 2사이클 엔진

본 개시는, 배기 포트를 배기 밸브가 개폐하는 유니플로 소기식 2사이클 엔진에 관한 것이다.

선박 기관으로서도 이용되는 유니플로 소기식 2사이클 엔진은, 실린더 중, 피스톤의 스트로크 방향의 일단측에 소기 포트가 마련되고, 타단측에 배치된 실린더 커버에 배기 포트가 마련되어 있다. 소기 포트로부터 연소실에 활성가스가 흡입되면, 연료 연소 후의 배기가스가, 활성가스에 의해 배기 포트로부터 밀려나오도록 하여 배기된다.

특허문헌 1에는, 실린더 중 피스톤의 하사점 근처의 부분에, 주소기공(소기 포트)과는 별도로 부(副)소기공을 마련하여, 피스톤이 하사점 근방까지 하강하였을 때 부소기공으로부터 압축 공기를 실린더 내에 분출하는 구성이 기재되어 있다. 이렇게 하여, 실린더의 중앙부에서 고인 배기가스(잔류가스)를 확산시킨다.

특허문헌 1: 일본공개특허 평9-158738호 공보

배기 포트에는 배기 밸브가 설치되어 있고, 배기 밸브에 의해 배기 포트가 개폐된다. 배기 밸브의 밸브체는, 개방시에는 배기 포트로부터 이격되어 있지만, 배기 포트로부터 배출되는 배기가스의 흐름의 방해가 되는 경우가 있다. 그 때문에, 배기 밸브 중, 피스톤과 대향하는 대향면의 근방에 배기가스가 고여 버릴 가능성이 있다.

본 개시는, 이러한 과제를 감안하여, 배기가스를 실린더로부터 효율적으로 배출하는 것이 가능한 유니플로 소기식 2사이클 엔진을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 개시의 제1 태양의 유니플로 소기식 2사이클 엔진은, 소기 포트로부터 유입된 소기에 의해, 실린더 내의 배기가스가 배기 포트로부터 밀려나오는 유니플로 소기식 2사이클 엔진으로서, 배기 포트를 개방 가능하게 폐색하는 밸브체와, 밸브체 중, 실린더 내에 배치된 피스톤에 대향하는 대향면에 설치되고, 불연성의 유체를 분사하는 분사부를 구비한다.

본 개시의 제2 태양은, 상기 제1 태양의 유니플로 소기식 2사이클 엔진에 있어서, 밸브체의 대향면이, 피스톤에 대해 피스톤의 스트로크 방향으로 대향되어 있다.

본 개시의 제3 태양은, 상기 제1 또는 제2 태양의 유니플로 소기식 2사이클 엔진에 있어서, 분사부가, 불연성의 유체의 분사 방향을 달리하는 복수의 분사구를 가진다.

본 개시의 제4 태양은, 상기 제3 태양의 유니플로 소기식 2사이클 엔진이, 밸브체 중 대향면과 반대측에 고정되어 있는 샤프트와, 샤프트에 하중을 작용시켜 배기 포트를 개방하는 개방 위치로 밸브체를 이동시키는 구동부와, 불연성 가스가 저류(貯留)되고 샤프트의 적어도 일부가 위치함과 아울러, 밸브체가 개방 위치로 이동하면 용적이 축소되는 가스실을 갖는 가스 스프링 기구와, 밸브체 및 샤프트에 형성되고, 가스실과 분사부를 연통하는 연통로를 더 구비하고 있다.

본 개시의 제5 태양은, 상기 제4 태양의 유니플로 소기식 2사이클 엔진에 있어서, 연통공에는, 가스실로부터 분사부로 향하는 불연성 가스의 흐름을 허용하고, 또한 분사부로부터 가스실로 향하는 불연성 가스의 흐름을 규제하는 체크 밸브가 설치되어 있다.

본 개시에 의하면, 배기가스를 실린더로부터 효율적으로 배출하는 것이 가능해진다.

도 1은, 유니플로 소기식 2사이클 엔진의 전체 구성을 나타내는 설명도이다.
도 2는, 도 1의 일점쇄선으로 둘러싸인 부분의 추출 확대도로서, 배기 밸브가 폐쇄되어 있는 상태를 나타낸다.
도 3은, 도 1의 일점쇄선으로 둘러싸인 부분의 추출 확대도로서, 배기 밸브가 개방되어 있는 상태를 나타낸다.
도 4는, 배기 밸브의 내부 구조를 설명하기 위한 설명도이다.
도 5는, 분사부를 설명하기 위한 제1 도면이다.
도 6은, 분사부를 설명하기 위한 제2 도면이다.

이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 개시의 적합한 실시형태에 대해 상세하게 설명한다. 이 실시형태에 나타내는 구성요소의 치수, 재료, 기타 구체적인 수치 등은, 발명의 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, 또한 본 개시에 직접 관계가 없는 요소는 도시를 생략한다.

도 1은, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 전체 구성을 나타내는 설명도이다. 본 실시형태의 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은, 예를 들어 선박 등에 이용된다. 구체적으로, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은, 실린더(110), 실린더 커버(112), 피스톤(114), 피스톤 로드(116), 소기 포트(118), 소기 탱크부(120), 소기실(122), 냉각기(124), 정류판(126), 드레인 세퍼레이터(128), 연료 가스 주관(130), 연료 분사 장치(132), 환상 배관(134), 연료 배관(136), 연료 분출구(138), 연소실(140), 배기 포트(142), 배기 밸브(144), 배기 밸브 구동 장치(146)를 포함하여 구성된다. 이하, 실린더(110)의 중심축 방향(도 1의 지면(紙面) 상하 방향)에 있어서, 실린더 커버(112) 측을 상측이라고 부르고, 소기실(122) 측을 하측이라고 부르는 경우가 있다.

유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)에서는, 실린더(110)(실린더 라이너(110a)) 안을 피스톤(114)이 슬라이딩하고, 피스톤(114)의 상승 행정 및 하강 행정의 2행정 사이에, 배기, 흡기, 압축, 연소, 팽창이 행해진다. 피스톤(114)에는, 피스톤 로드(116)의 일단이 고정되어 있다. 또한, 피스톤 로드(116)의 타단에는, 도시하지 않은 크로스헤드가 연결되어 있고, 크로스헤드는, 피스톤(114)과 함께 왕복 이동한다. 피스톤(114)의 왕복 이동에 따라 크로스헤드가 왕복 이동하면, 그 왕복 이동에 연동하여, 도시하지 않은 크랭크 샤프트가 회전한다. 이하, 피스톤(114)이 실린더(110)의 중심축 방향에서 왕복 이동하는 방향을, 피스톤(114)의 스트로크 방향이라고 부르는 경우가 있다.

소기 포트(118)는, 실린더(110)의 내주면으로부터 외주면까지 관통하는 구멍으로, 실린더(110)의 전체둘레에 걸쳐, 간격을 두고 복수 설치되어 있다. 그리고, 소기 포트(118)는, 피스톤(114)의 스트로크 방향의 슬라이딩 동작에 따라 실린더(110) 내에 활성가스를 흡입한다. 이 활성가스는, 산소, 오존 등의 산화제, 또는 그 혼합기(예를 들어 공기)를 포함한다. 본 실시형태의 소기 포트(118)는, 실린더(110)의 지름방향에서 볼 때, 스트로크 방향으로 연장되는 장원형으로 형성되어 있지만, 이러한 형상에 한정되지 않고, 예를 들어 원형, 타원형, 직사각형, 다각형 등이어도 된다.

소기 탱크부(120)에는, 도시하지 않은 과급기나 블로어 등에 의해 압축된 활성가스(예를 들어 공기)가, 냉각기(124)에 의해 냉각되어 봉입되어 있다. 활성가스는, 소기 탱크부(120)를 냉각기(124)로부터 소기실(122)을 향하여 유동한다. 압축 및 냉각된 활성가스는, 소기 탱크부(120) 내에 배치된 정류판(126)에 의해 정류된 후, 드레인 세퍼레이터(128)에서 수분이 제거된다.

소기실(122)은, 소기 탱크부(120)와 연통함과 아울러, 실린더(110) 중, 피스톤(114)의 스트로크 방향(이하, 단순히 스트로크 방향이라고 부름)의 일단측(도 1 중, 하측)을 둘러싸고 있다. 소기실(122)에는, 소기 탱크부(120)로부터, 압축, 냉각 및 수분 제거가 이루어진 활성가스가 도입된다.

소기실(122)에는, 소기 포트(118)가 개구되어 있다. 피스톤(114)이 소기 포트(118)보다 하측으로 하강하였을 때, 실린더(110) 안과 소기실(122)은 소기 포트(118)를 통해 서로 연통하고, 소기 포트(118)는, 소기실(122)과 실린더(110) 내의 차압(差壓)에 의해, 소기실(122)로부터 실린더(110) 내에 활성가스를 흡입한다.

연료 가스 주관(130)은, 도시하지 않은 연료 탱크에 연통함과 아울러, 연료 분사 장치(132)를 개재하여 환상 배관(134)과 연통하고 있다. 연료 가스 주관(130)에는, 연료 탱크로부터 연료 가스가 도입되어 있고, 연료 분사 장치(132)가 구동하면, 연료 가스 주관(130)의 연료 가스가 환상 배관(134)에 유입된다.

여기서, 연료 가스는, 예를 들어 LNG(액화 천연가스)를 가스화하여 생성된 가스이다. 또한, 연료 가스는, LNG에 한정하지 않고, 예를 들어 LPG(액화 석유가스), 경유, 중유 등을 가스화한 가스를 사용할 수도 있다.

환상 배관(134)은, 실린더(110)의 지름방향 외측에, 소기 포트(118)보다, 도 1 중, 상측에 배치되어 있고, 실린더(110)의 둘레방향으로 환상으로 연장되어 실린더(110)를 둘러싼다. 환상 배관(134) 중, 스트로크 방향에서의 소기 포트(118) 측(즉 도 1 중의 하측)에는 복수의 연료 배관(136)이 고정되어 있다. 연료 배관(136)은, 각각의 소기 포트(118)에 대해 하나씩 배치되고, 스트로크 방향으로 연장되어 있다. 이하, 실린더(110)의 지름방향을 단순히 지름방향이라고 부르고, 실린더(110)의 둘레방향을 단순히 둘레방향이라고 부르는 경우가 있다.

연료 배관(136)은, 실린더(110) 중, 둘레방향으로 인접하는 소기 포트(118) 사이의 벽면에 대향되어 있고, 연료 배관(136) 중, 이 벽면과의 대향 부위에는, 연료 분출구(138)가 형성되어 있다. 여기서는, 소기 포트(118)가 실린더(110)의 전체둘레에 걸쳐 복수 설치되어 있기 때문에, 소기 포트(118)에 맞추어 연료 배관(136)(연료 분출구(138))도, 실린더(110)의 둘레방향에 걸쳐 복수 설치되어 있다.

연료 분출구(138)는, 환상 배관(134)에 유입된 연료 가스를, 소기 포트(118)에 흡입되는 활성가스에 분사한다. 그 결과, 연료 가스는, 활성가스의 흐름에 합류하여 활성가스와 함께 소기 포트(118)로부터 실린더(110) 내에 흡입된다.

연소실(140)은, 피스톤(114)이 상사점 측에 있을 때, 실린더(110)의 상단 개구부를 덮도록 배치된 실린더 커버(112)(실린더 헤드)와, 실린더 라이너(110a)와, 피스톤(114)으로 둘러싸여 실린더(110)의 내부에 형성된다. 실린더(110) 내에 흡입된 활성가스 및 연료 가스는, 피스톤(114)에 의해 연소실(140)에 도입된다.

엔진 사이클에서의 원하는 시점에서, 실린더 커버(112)에 설치된 도시하지 않은 파일럿 분사 밸브로부터 적당량의 연료유가 연소실(140)에 분사된다. 이 연료유는, 연소실(140)의 열로 기화된다. 그리고, 연료유가 기화되어 자연 착화하여 짧은 시간에 연소하여, 연소실(140)의 온도가 매우 높아지고, 연소실(140)에 도입되어 압축된 연료 가스가 연소한다. 피스톤(114)은, 주로 연료 가스의 연소에 의한 팽창압에 따라 왕복 이동한다.

배기 포트(142)는, 연소실(140)의, 도 1 중, 상측에 형성되고, 실린더(110) 내에서 연료 가스가 연소하여 발생한 배기가스를 실린더(110)의 외부로 배출하기 위해 개폐된다. 본 실시형태의 배기 포트(142)는, 실린더 커버(112) 및 후술하는 배기 밸브 상자(156)에 형성되어 있다. 배기 밸브(144)는, 배기 밸브 구동 장치(146)에 의해 소정의 타이밍에 상하로 슬라이딩되어, 배기 포트(142)를 개폐한다. 연료 가스의 연소 후, 배기 밸브(144)가 개방되면, 소기 포트(118)로부터 유입된 활성가스(소기)에 의해, 실린더(110) 내의 배기가스가 배기 포트(142)로부터 밀려나온다.

도 2, 도 3은, 도 1의 일점쇄선으로 둘러싸인 부분의 추출 확대도이다. 도 2에는, 배기 밸브(144)가 폐쇄되어 있는 상태를 나타내고, 도 3에는, 배기 밸브(144)가 개방되어 있는 상태를 나타낸다. 도 2, 도 3에 도시된 바와 같이, 실린더 커버(112)에는, 연소실(140)의 상측에서 스트로크 방향으로 관통하는 관통공(110b)이 설치되어 있고, 관통공(110b)의 내부에 배기 밸브 시트(110c)가 장착되어 있다. 배기 밸브 시트(110c)는, 관통공(110b)과 동일한 방향으로 관통하는 밸브 시트 구멍(110d)을 갖는 환상 부재이다.

배기 밸브(144)는, 밸브체(144a)와, 샤프트(144b)를 가지고 있다. 밸브체(144a)는, 연소실(140)의 내측에 배치되어 있다. 밸브체(144a)에는, 피스톤(114)에 대해 스트로크 방향(도면 중, 상하 방향)으로 대향하는 대향면(144c)(촉화면(觸火面))이 형성되어 있다. 대향면(144c)은, 스트로크 방향에 대해 대략 수직인 면방향으로 연장되어 있다. 밸브체(144a)는, 배기 밸브 시트(110c)에 착좌하여 밸브 시트 구멍(110d)을 개방 가능하게 폐색하고 있다. 실린더 커버(112)의 연소실(140)과 반대측에는, 배기 밸브 상자(156)가 설치되어 있다.

밸브체(144a) 중, 대향면(144c)과 반대측의 배면부(144d)에는, 샤프트(144b)가 고정되어 있다. 샤프트(144b)는, 스트로크 방향으로 연장되어 있고, 배기 밸브 상자(156)를 관통하여 설치되어 있다. 배기 밸브 상자(156)의 선단부(하측의 선단부)가, 실린더 커버(112)의 관통공(110b) 중, 배기 밸브 시트(110c)의 상측 부분에 삽입되어 고정되어 있다. 배기 밸브 상자(156)의 내부에는, 밸브 시트 구멍(110d)과 연통함과 아울러, 도면 중, 우측 상부로 향하여 만곡되어 연장되는 배기공(156a)이 형성되어 있다. 배기공(156a)은, 도면 중, 배기 밸브 상자(156)의 우측면으로부터 대략 우측을 향하여 개구되어 있다.

배기 밸브 시트(110c)의 밸브 시트 구멍(110d) 및 배기 밸브 상자(156)의 배기공(156a)은, 두 내주면의 연속 부분이 대략 동일한 면으로 되어 있다. 배기 밸브 시트(110c)의 밸브 시트 구멍(110d) 및 배기 밸브 상자(156)의 배기공(156a)에 의해, 배기 포트(142)가 형성되어 있다. 밸브체(144a)는, 배기 포트(142)를 개방 가능하게 폐색하고 있다.

배기 밸브 상자(156)에는, 배기 밸브 상자(156)의 상단(156b)으로부터 배기 포트(142)까지 스트로크 방향으로 관통하는 샤프트 구멍(156c)이 설치되어 있다. 샤프트 구멍(156c)에는, 환상(대략 통형)의 가이드 부시(158)가 삽입 통과되고, 가이드 부시(158)에는, 샤프트(144b)가 삽입 통과되어 있다.

이와 같이, 샤프트(144b)는, 가이드 부시(158)를 개재하여 샤프트 구멍(156c)에 삽입 통과되고, 가이드 부시(158)에 대해 스트로크 방향으로 슬라이딩 가능하게 되어 있다. 즉, 샤프트(144b)는, 배기 밸브 상자(156)에 대해 스트로크 방향으로 상대 이동 가능하게 되어 있다. 또한, 샤프트(144b)의 선단(상단부)이 배기 밸브 상자(156)로부터 상방을 향하여 돌출되어 있다.

배기 밸브 구동 장치(146)는, 샤프트(144b) 중, 배기 밸브 상자(156)로부터 상방을 향하여 돌출된 부위를 구동함으로써, 샤프트(144b)에 고정된 밸브체(144a)를, 도면 중, 상하로 이동시켜 배기 포트(142)를 개폐한다.

구체적으로, 배기 밸브 구동 장치(146)는, 하부 케이싱(148)을 가지고 있다. 하부 케이싱(148)은, 스트로크 방향으로 관통하는 케이싱 구멍(148a)을 갖는 대략 원통 형상의 부재로서, 하단이 배기 밸브 상자(156)에 고정됨과 아울러, 상단에 상부 커버(150)가 장착되어 있다.

상부 커버(150)에는, 하부 케이싱(148)을 향하여 개구되고 케이싱 구멍(148a)과 연통하는 커버 구멍(150a)이 형성되어 있다. 커버 구멍(150a)은, 스트로크 방향으로 연장되어 있다. 커버 구멍(150a)은, 상부 커버(150) 중, 하부 케이싱(148)과 반대측의 벽부(상벽부)에 의해 폐색되어 있고, 이에 따라 커버 구멍(150a)의 바닥은, 상부 커버(150)의 하부 케이싱(148)과 반대측(상단부)에 형성되어, 하방으로 대향되어 있다. 즉, 상부 커버(150)는 대략 상부가 막힌 통형으로 형성되어 있다. 상부 커버(150) 중, 커버 구멍(150a)의 바닥 근방에는, 상부 커버(150)의 외주면으로부터 커버 구멍(150a)까지 관통하는 오일 구멍(150b)이 형성되어 있다.

또한, 샤프트(144b)의 선단(상단)에는 유압 구동 피스톤(152)이 고정되어 있다. 유압 구동 피스톤(152)이 커버 구멍(150a)에 스트로크 방향으로 슬라이딩 가능하게 삽입되어, 유압 구동 피스톤(152)과 커버 구멍(150a)의 바닥의 사이에 유압실(154)이 형성되어 있다. 오일 구멍(150b)은, 유압실(154)에 개구되어 있고, 도시하지 않은 오일펌프로부터 공급된 작동유가 오일 구멍(150b)으로부터 유압실(154)에 도입된다.

유압실(154)에 작동유가 도입되어 유압 구동 피스톤(152)에 유압에 의한 하중이 작용하면, 즉 유압 구동 피스톤(152)이 유압에 의해 바이어스되면, 샤프트(144b)를 개재하여 유압 구동 피스톤(152)에 연결되어 있는 밸브체(144a)가, 도 2 중, 하측으로 이동하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 배기 포트(142)가 개구된다. 이와 같이, 유압 구동 피스톤(152) 및 유압실(154)은, 샤프트(144b)에 하중을 작용시켜 배기 포트(142)를 개방하는 개방 위치로 밸브체(144a)를 이동시키는 구동부(155)로서 기능한다. 즉, 구동부(155)는, 유압 구동 피스톤(152)과 유압실(154)을 가지고 있다.

그리고, 유압실(154)에 도입되는 작동유의 유압이 저하되면, 하부 케이싱(148)의 케이싱 구멍(148a)에 형성된 가스 스프링 기구(160)에 의해 밸브체(144a)가 배기 포트(142)를 폐쇄하는 폐쇄 위치로 되돌아간다.

가스 스프링 기구(160)에 대해 상술하면, 가스 스프링 기구(160)는, 환상의 가스 스프링 받침(160a)을 가진다. 가스 스프링 받침(160a)은, 샤프트(144b)에 코터(162)에 의해 고정됨과 아울러, 하부 케이싱(148)의 케이싱 구멍(148a)에 스트로크 방향으로 슬라이딩 가능하게 삽입되어, 케이싱 구멍(148a)의 내부를 스트로크 방향으로 2개의 공간으로 구획하고 있다. 즉, 가스 스프링 받침(160a)은, 샤프트(144b)의 스트로크 방향의 이동에 연계하여 이동 가능하다.

가스실(160b)은, 가스 스프링 받침(160a)에 의해 구획된, 케이싱 구멍(148a)의 내부의 2개의 공간 중 밸브체(144a) 측의 공간이며, 가스실(160b)의 내부에 샤프트(144b)의 일부(스트로크 방향의 중간 부분)가 위치한다.

하부 케이싱(148)에는, 하부 케이싱(148)의 외주면으로부터 케이싱 구멍(148a)까지 관통하는 가스 구멍(148b)이 형성되어 있다. 가스 구멍(148b)은, 가스실(160b)에 개구되어 있고, 도시하지 않은 컴프레서로 압축된 공기(불연성 가스, 불연성의 유체)가 오리피스(164)를 통과한 후, 가스 구멍(148b)으로부터 가스실(160b)에 도입되어 저류된다.

또한, 도면 중, 가스실(160b)의 상측에 위치하는 가스 스프링 받침(160a)에는 시일 링이 설치되고, 가스실(160b)의 하측(배기 밸브 상자(156) 측)에는, 시일판(166)이 설치되어 있으며, 이에 따라 가스실(160b)로부터 외부로의 공기 누출을 억제하고 있다.

구동부(155)에 의해 밸브체(144a)가 개방 위치로 이동하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 가스 스프링 받침(160a)이 시일판(166)에 가까워지고, 가스실(160b)의 용적이 작아져 가스실(160b)에 저류되어 있는 공기가 압축된다. 그 때문에, 구동부(155)에 의한 밸브체(144a)(샤프트(144b))에의 하중이 제거되면, 가스 스프링 기구(160)는, 압축된 공기가 팽창하여, 가스 스프링 받침(160a)이 도면 중, 상측으로 압압됨으로써, 도 2에 도시된 바와 같이, 샤프트(144b)를 개재하여 가스 스프링 받침(160a)과 연결되어 있는 밸브체(144a)를 폐쇄 위치로 복귀시킨다. 이 때, 가스 구멍(148b)으로부터 가스실(160b)에 압축된 공기가 공급되어, 가스실(160b) 내의 공기량의 감소분을 보충한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 배기 밸브(144)가 개방되어 있을 때, 배기 포트(142)의 연소실(140) 측의 정면에는 배기 밸브(144)의 밸브체(144a)가 위치하고, 배기 포트(142)로부터 배출되는 배기가스의 흐름의 방해가 되는 경우가 있다. 배기가스는, 밸브체(144a)를 피하도록, 밸브체(144a)의 주위로 돌아 들어가 배기 포트(142)에 도입되지만, 본 실시형태에서는, 피스톤(114)과 대향하는 대향면(144c)의 근방에 배기가스가 고이는 것을 억제하여 배기 포트(142)로 원활하게 향하도록 하기 위한 기구가 설치되어 있다.

도 4는, 배기 밸브(144)의 내부 구조를 설명하기 위한 설명도이다. 도 4에 도시되어 있는 밸브체(144a)는, 배기 포트(142)를 개방하는 개방 위치에 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 배기 밸브(144)에는, 연통로(144e)(연통공)가 설치되어 있다. 연통로(144e)는, 밸브체(144a)의 대향면(144c)에 일단이 개구됨과 아울러, 밸브체(144a)가 개방 위치에 있을 때의 샤프트(144b)의 외주면 중 가스실(160b)에 면하는 부분에 타단이 개구되어 있다. 연통로(144e)는, 밸브체(144a)의 내부로부터 샤프트(144b)의 내부에 연속하여 형성되어 있다.

또한, 밸브체(144a)의 대향면(144c) 중, 연통로(144e)가 개구되어 있는 부분에 분사부(168)가 장착되어 있다. 분사부(168)는, 연통로(144e)를 통과하여 가스실(160b)로부터 도입된 공기를, 도 4 중, 점선의 화살표로 나타내는 바와 같이 연소실(140)에 분사하여, 대향면(144c)의 근방에서 고인 배기가스를 확산시킨다. 즉, 연통로(144e)는, 가스실(160b)과 분사부(168)를 연통하고 있다. 또한, 분사부(168)로부터 연소실(140)에 분사되는 공기(불연성 가스, 불연성의 유체)의 온도는, 연소실(140) 내의 배기가스의 온도보다 낮다. 또, 본 실시형태의 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은, 밸브체(144a), 샤프트(144b), 구동부(155), 분사부(168), 가스 스프링 기구(160), 연통로(144e)를 더 구비하고 있다.

그 때문에, 배기가스는, 밸브체(144a)를 돌아 들어가 배기 포트(142)로부터 배출되기 쉬워져서, 잔류한 고온의 배기가스에 의한 연소실(140)의 내부 온도의 상승을 억제할 수 있다. 그 결과, 조기착화를 억제하면서 엔진 출력을 높이는 것이 가능한 운전 영역을 확대하는 것이 가능해진다.

또한, 본 실시형태에서는, 밸브체(144a)의 대향면(144c)이 피스톤(114)에 대해 스트로크 방향으로 대향하기 때문에, 밸브체(144a)가 다른 방향으로 배치되어 있는 경우보다, 대향면(144c)의 근방에 배기가스가 잔류하기 쉬워질 가능성이 있다. 그 때문에, 분사부(168)를 설치함으로써, 배기가스의 배출 성능이 크게 향상된다.

도 5, 도 6은, 도 4의 분사부(168) 근방의 확대 추출도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 분사부(168)는, 노즐부(170)와, 플러그부(172)를 가지고 있다. 노즐부(170)의 본체부(170a)는, 대략 반구 형상으로 형성되어 있고, 본체부(170a) 중, 평면부(170b)가 대향면(144c)에 접촉하고, 곡면부(170c)(구면부)가 대향면(144c)과 반대측에 위치한다. 즉, 곡면부(170c) 및 대향면(144c)은, 모두 연소실(140)에 대향되어 있다.

또한, 노즐부(170)에는, 평면부(170b)의 중심에 곡면부(170c)를 향하여 오목한 대략 반구 형상의 오목부(170d)가 형성되고, 오목부(170d)로부터 곡면부(170c)에 관통하는 방사공(170e)이, 방사상(放射狀)으로 복수 설치되어 있다.

또한, 연통로(144e) 중, 일단측(분사부(168)에 연통하는 부분)의 내부에는, 체크 밸브(174)가 설치되어 있다. 체크 밸브(174)는, 가스실(160b) 측(도면 중, 상측)으로부터 분사부(168) 측(도면 중, 하측)으로의 불연성 가스(공기)의 흐름만을 허용한다. 즉, 체크 밸브(174)는, 가스실(160b)로부터 분사부(168)로 향하는 불연성 가스의 흐름을 허용하고, 또한 분사부(168)로부터 가스실(160b)로 향하는 불연성 가스의 흐름을 규제한다. 본 실시형태의 체크 밸브(174)는 구형의 밸브체를 구비하고 있지만, 다른 구성을 갖는 체크 밸브이어도 된다.

구체적으로, 밸브체(144a)의 연통로(144e)의 일단(분사부(168)에 연통하는 부분)에는, 대향면(144c)에 개구되는 대내경부(144f)가 설치됨과 아울러, 연통로(144e) 중 대내경부(144f)보다 타단측(도면 중, 상측)에는, 대내경부(144f)보다 내경이 작은 소내경부(144g)가 설치되어 있다. 대내경부(144f)와 소내경부(144g)의 접속 부분에는, 테이퍼면(144h)이 형성되어 있고, 테이퍼면(144h)의 내경은, 대내경부(144f)로부터 소내경부(144g)로 향함에 따라 점차 감소되어 있다. 그리고, 대내경부(144f)의 내부에, 체크 밸브(174)가 수용된다. 테이퍼면(144h)은, 체크 밸브(174)의 밸브 시트로서 기능한다.

또한, 대내경부(144f)의 내주면 중, 대향면(144c) 측의 부분에는 나사 홈이 형성되어 있고, 플러그부(172)가 대향면(144c) 측으로부터 삽입되어 나사맞춤되어 있다. 플러그부(172)는, 스트로크 방향으로 관통하는 플러그 구멍(172a)을 갖는 환상 부재(통형 부재)로서, 일단(하단)이 분사부(168)의 평면부(170b)에 고정되어 있다. 그리고, 플러그부(172)의 플러그 구멍(172a)을 통해, 분사부(168)의 오목부(170d) 및 방사공(170e)이 연통로(144e)와 연통하고 있다.

또한, 플러그부(172)의 타단(상단)에는, 코일 스프링(176)이 접촉되어 있다. 코일 스프링(176)은, 대내경부(144f)에 수용되고, 체크 밸브(174)와 플러그부(172)의 사이에 압축 상태로 끼워져, 체크 밸브(174)를 테이퍼면(144h)으로 향하여 압압하고 있다.

예를 들어, 배기 밸브(144)가 폐쇄되어 있을 때는, 도 5에 도시된 바와 같이, 체크 밸브(174)는, 코일 스프링(176)의 바이어스력에 의해 테이퍼면(144h)에 눌러붙여져 있고, 연통로(144e)는 폐쇄된다. 즉, 코일 스프링(176)의 체크 밸브(174)에의 바이어스력은, 도시하지 않은 컴프레서로부터 오리피스(164)를 통해 가스실(160b)에 공급된 공기의 압력에 기초한 체크 밸브(174)를 테이퍼면(144h)으로부터 이간시키는 힘보다 높다.

그리고, 가스 스프링 받침(160a)과 연결되어 있는 샤프트(144b)가 이동하여 배기 밸브(144)가 개방되면, 가스 스프링 받침(160a)의 이동에 의해 가스실(160b)의 용적이 작아져 가스실(160b)의 공기가 압축되고, 연통로(144e)에서의 소내경부(144g) 내의 공기의 압력이 높아진다. 공기의 압력에 의해 체크 밸브(174)에 작용하는 하중이, 코일 스프링(176)의 바이어스력보다 커지면, 도 6에 도시된 바와 같이, 체크 밸브(174)가 소내경부(144g) 내의 공기에 압압되어 테이퍼면(144h)으로부터 이격된다. 그 결과, 가스실(160b)의 공기가 연통로(144e)를 통해 분사부(168)의 방사공(170e)으로부터 연소실(140)에 분사된다.

즉, 방사공(170e)의 곡면부(170c) 측의 개구 각각이, 공기를 분사하는 분사구(170f)로 되어 있다. 연통로(144e)는, 가스실(160b)의 용적이 작아지면, 압축된 공기를 가스실(160b)로부터 복수의 분사구(170f)로 도출한다.

이들 분사구(170f)의 개구의 중심축(방사공(170e)의 중심축)의 방향이 서로 다르기 때문에, 분사구(170f)는 서로 다른 방향으로 공기를 분사시킨다. 즉, 이들 분사구(170f)의, 공기(불연성의 유체)의 분사 방향은 서로 다르다. 그 때문에, 분사부(168)는, 대향면(144c)의 근방에서 고인 배기가스를 효율적으로 확산시킬 수 있고, 배기가스가, 밸브체(144a)를 돌아 들어가 배기 포트(142)로부터 한층 더 배출되기 쉬워진다.

또한, 가스실(160b)에 공급되어 배기 밸브(144)를 폐쇄시키는 에어 스프링으로서 기능하는 공기를 분사구(170f)로부터 연소실(140)에 분사시킬 수 있고, 분사구(170f)로부터 분사하는 공기를 별도 공급할 필요가 없다. 그 결과, 간이한 구성으로 저비용화를 도모하는 것이 가능해진다.

또한, 연통로(144e)의 내부에는, 체크 밸브(174)가 설치되어 있기 때문에, 배기 밸브(144)가 개방되어 가스실(160b)의 압력이 높아지면, 체크 밸브(174)가 자동으로 개방된다. 그 때문에, 분사구(170f)로부터의 공기의 분사를 제어하는 전기적인 기구를 마련할 필요가 없고, 더욱 간이한 구성으로 한층 더 저비용화를 도모하는 것이 가능해진다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 개시의 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 개시는 상기 실시형태에는 한정되지 않는다. 상기 실시형태에서 나타낸 각 구성 부재의 여러 가지 형상이나 조합 등은 일례로서, 본 개시의 기술적 범위에서 설계 요구 등에 기초하여, 구성의 부가, 생략, 치환, 및 기타 변경이 가능하다.

예를 들어, 상술한 실시형태에서는, 분사부(168)가 공기를 분사하는 경우에 대해 설명하였지만, 분사부(168)가 분사하는 것은 불연성의(연료와 같이 연소하지 않는) 유체이면 되고, 예를 들어 물이어도 된다. 불연성의 유체로서 물을 분사하는 경우, 연소실(140)의 내부 온도의 상승을 한층 더 억제하는 것이 가능해진다. 또한, 분사부(168)로부터 분사되기 전은 불연성의 액체이지만, 연소실(140)에 분사되면 기화되어 불연성 가스가 되는 유체를 이용해도 된다.

또한, 상술한 실시형태에서는, 분사부(168)는, 노즐부(170)를 가지며, 노즐부(170)에, 공기의 분사 방향을 달리하는 복수의 분사구(170f)가 형성되는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 분사부(168)(노즐부(170))는, 하나의 분사구(170f)만이 형성되어 있어도 되고, 노즐부(170)나 플러그부(172)를 설치하지 않고, 대향면(144c)의 일부를 분사부(168)로 하여, 대향면(144c)에 분사구(170f)가 형성되어도 된다.

또한, 상술한 실시형태에서는, 분사부(168)는, 가스실(160b)의 공기를 에어 스프링으로서 기능시키는 가스 스프링 기구(160)를 이용하는 경우에 대해 설명하였지만, 가스 스프링 기구(160) 대신에 코일 스프링을 이용해도 된다. 또한, 공기 대신에 다른 불연성의 기체(불연성 가스)를 이용해도 된다.

또한, 상술한 실시형태에서는, 연통로(144e)에 체크 밸브(174)가 설치되는 경우에 대해 설명하였지만, 체크 밸브(174)를 설치하지 않고, 예를 들어 전자 제어 밸브 등으로 대체해도 된다.

또한, 상술한 실시형태에서는, 연료 분출구(138)가 소기 포트(118)의 외측에 설치되고, 연료 가스가 소기 포트(118)로부터 실린더(110) 내에 유입되는 경우에 대해 설명하였지만, 실린더(110) 중, 소기 포트(118)보다 배기 포트(142) 측의 부분에, 연료 가스를 유입시키기 위한 연료 분사 포트를 설치해도 된다.

또한, 상술한 실시형태에서는, 밸브체(144a)의 대향면(144c)이 피스톤(114)에 대해 스트로크 방향으로 대향되어 있지만, 대향면(144c)이 피스톤(114)에 스트로크 방향과 다른 방향으로 대향되어 있어도 된다. 예를 들어, 대향면(144c)이, 스트로크 방향의 직교 방향에 대해 약간 기울어져 있어도 된다.

또한, 상술한 실시형태에서는, 분사부(168)는, 불연성의 유체의 분사 방향을 달리하는 복수의 분사구(170f)를 가지고 있지만, 분사부가, 대향면(144c)에 평행한 방향으로 간격을 두고 배치됨과 아울러 불연성의 유체를 동일 방향(예를 들어, 스트로크 방향을 따라 피스톤(114)으로 향하는 방향)으로 분사하는 복수의 분사구를 갖는 구성이어도 된다. 또한, 상술한 실시형태에서는, 오목부(170d) 및 방사공(170e)에 의해 분사부(168) 내에 분기 유로가 형성되어 있지만, 연통로(144e)가, 예를 들어 밸브체(144a)의 내부에서 분기하여 배치되고, 복수의 분사구에 각별하게 연통하는 구성이어도 된다.

또한, 상술한 실시형태에서는, 실린더(110)의 중심축 방향에 있어서, 실린더 커버(112) 측을 상측이라고 부르고, 소기실(122) 측을 하측이라고 부르고 있지만, 이는 실제 사용시에서의 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 자세를 한정하는 것은 아니고, 적절한 동작을 확보할 수 있는 것이면 어떠한 자세로 사용해도 된다.

본 개시는, 배기 포트를 배기 밸브가 개폐하는 유니플로 소기식 2사이클 엔진에 이용할 수 있다.

100 유니플로 소기식 2사이클 엔진
110 실린더
114 피스톤
118 소기 포트
142 배기 포트
144 배기 밸브
144a 밸브체
144b 샤프트
144c 대향면
144e 연통로
152 유압 구동 피스톤
154 유압실
155 구동부
160 가스 스프링 기구
160a 가스 스프링 받침
160b 가스실
168 분사부
170f 분사구
174 체크 밸브

Claims (4)

1. 소기 포트로부터 유입된 소기에 의해, 실린더 내의 배기가스가 배기 포트로부터 밀려나오는 유니플로 소기식 2사이클 엔진으로서,
   상기 배기 포트를 개방 가능하게 폐색하는 밸브체와,
   상기 밸브체 중, 상기 실린더 내에 배치된 피스톤에 대향하는 대향면에 설치되고, 불연성의 유체를 분사하는 분사부와,
   상기 밸브체 중 상기 대향면과 반대측에 고정되어 있는 샤프트와,
   상기 샤프트에 하중을 작용시켜 상기 배기 포트를 개방하는 개방 위치로 상기 밸브체를 이동시키는 구동부와,
   불연성 가스가 저류(貯留)되고 상기 샤프트의 적어도 일부가 위치함과 아울러, 상기 밸브체가 상기 개방 위치로 이동하면 용적이 축소되는 가스실을 갖는 가스 스프링 기구와,
   상기 밸브체 및 상기 샤프트에 형성되고, 상기 가스실과 상기 분사부를 연통하는 연통로를 구비하며,
   상기 연통로에는, 상기 가스실로부터 상기 분사부로 향하는 불연성 가스의 흐름을 허용하고, 또한 상기 분사부로부터 상기 가스실로 향하는 불연성 가스의 흐름을 규제하는 체크 밸브가 설치되며,
   상기 연통로에는, 상기 대향면에 개구되는 대내경부와, 이 대내경부보다 내경이 작은 소내경부가 설치되고,
   상기 대내경부와 상기 소내경부의 접속 부분에는, 내경이 상기 대내경부로부터 상기 소내경부로 향함에 따라 점차 감소함과 아울러 상기 체크 밸브의 밸브 시트로서 기능하는 테이퍼면이 형성되어 있는 유니플로 소기식 2사이클 엔진.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 밸브체의 대향면은, 상기 피스톤에 대해 그 피스톤의 스트로크 방향으로 대향되어 있는 유니플로 소기식 2사이클 엔진.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 분사부는, 상기 불연성의 유체의 분사 방향을 달리하는 복수의 분사구를 갖는 유니플로 소기식 2사이클 엔진.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 분사부는, 상기 불연성의 유체의 분사 방향을 달리하는 복수의 분사구를 갖는 유니플로 소기식 2사이클 엔진.

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