KR20090040616A - 리니어발전기 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리니어발전기 시스템에 관한 것으로, 리니어발전기(100)의 양쪽 챔버(112)를 반대쪽 프리피스톤엔진(200)의 흡기포트(210)와 각각 연결관(140)을 매개로 연결하고, 상기 챔버(112)에 챔버(112) 내외의 압력차에 의해 챔버(112) 내측으로만 개방되는 흡기밸브(160)를 설치한다. 또한, 전동제어컨버터(400)를 구비하여 최초 기동시 상기 리니어발전기(100)를 모터로 작동시킴으로써 자력 기동이 가능하도록 한다.

따라서, 흡/배기 작용이 원활히 이루어져 엔진 성능이 향상되고 연료소비량이 감소하며, 별도의 기동수단이 필요 없게 되어 장치 구성이 간단해짐과 더불어 별도 기동수단에 의한 마찰손실이 발생하지 않게 된다. 따라서, 시스템 전체의 효율이 향상된다.

리니어발전기, 선형발전기, 프리피스톤엔진

Description

리니어발전기 시스템{linear generator system}

본 발명은 리니어발전기가 프리피스톤엔진에 의해 작동되도록 구성된 리니어발전기 시스템에 관한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 리니어발전기(10)는 3상 코일(11a)이 권선되어 이루어진 원통형 고정자(11)와, 상기 고정자(11)를 관통하는 가동축(12) 상에 영구자석(13a)과 폴슈(13b)가 반복 적층되어 이루어진 이동자(13)로 이루어지는데, 상기 폴슈(13b)는 영구자석(13a)의 자속을 모아 고정자(11)와 이동자(13) 사이의 공극(약 2mm 형성)으로 유효자속을 형성해주며, 이 상태에서 상기 이동자(13)가 전후로 왕복 이동됨으로써 공극자속이 상기 고정자(11)의 코일(11a)에 쇄교하여 기전력이 발생하게 된다.

상기 이동자(13)의 작동은 상기 가동축(12)의 양단에 연결된 프리피스톤엔진(20)에 의해 이루어진다. 상기 프리피스톤엔진(20)은 직선 왕복형 엔진이고, 수소를 연료로 하는 내연기관이며, 2행정 1사이클 엔진으로서, 피스톤로드(21)와 상기 가동축(12)이 일체로 연결되어 있다. 또한, 양쪽의 프리피스톤엔진(20)은 서로 번갈아가면서 폭발행정이 이루어지도록 되어 있다.

따라서, 양쪽 프리피스톤엔진(20)으로부터 전달되는 직선방향 구동력이 상기 가동축(12)을 지속적으로 왕복 운동시키며, 이에 상기 고정자(11)내에서 이동자(13)가 동시에 왕복 운동함으로써 전술한 바와 같은 작용에 의해 코일(11a)에서 전력이 생성된다.

그런데 리니어발전기(10)는 그 구조적인 특성상 이동자(13)의 이동속도가 이동범위의 양단에서 0이고 중앙에서 가장 크기 때문에 3상 코일 각각에서 발생하는 전력의 파형이 불평형(3상 불평형 현상)하게 되므로 이를 전력변환기(30)를 이용하여 상변화시켜 전원으로서의 안정성을 확보하도록 한다.

또한, 일반적인 엔진과 마찬가지로 상기 프리피스톤엔진(20)도 최초 기동은 외력에 의해 이루어져야만 하므로, 이를 위해 상기 리니어발전기(10)의 가동축(12)과 프리피스톤엔진(20)의 피스톤로드(21) 사이에 유압에 의해 작동되는 유압실린더(40)가 구비된다.

그런데, 상기 프리피스톤엔진(20)은 2행정 엔진으로서, 상사점을 기준으로 비슷한 위치에 흡/배기포트(22,23)가 형성되어 피스톤 작동시 흡/배기가 동시에 이루어짐으로써 분사연료가 연소에 소비되지 않고 직접 배기포트(23)로 빠져나가는 양이 많아 효율 저하의 원인이 되었다.

또한, 같은 이유로 흡입공기의 양이 줄어들고, 배기도 완전히 이루어지지 않기 때문에 연소가 원활히 이루어지지 않게 되므로 이 역시 효율 저하의 원인이 된다.

또한, 초기 엔진 시동을 위해 사용되는 상기 유압실린더(40)는 작동유압이 80~100 bar 이상으로 높아서 누설방지를 위해 고압 실(seal)을 사용하고 전체적으로 매우 낮은 수준의 공차를 요구하고 있기 때문에 엔진이 시동되어 연소에 의해 자력 운전된 시점 이후부터는 마찰 손실 원인으로 작용하게 되어 이 역시 장치의 효율을 저하시키는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 흡기와 배기 작용이 보다 원활히 이루어지고 미연소 연료의 소모량이 감소하여 장치의 효율이 증대되고, 또한 엔진 기동을 위해 유압실린더와 같은 별도의 수단을 사용할 필요가 없게 되어 마찰 손실량이 감소되고 시스템 구성이 보다 컴팩트해지도록 된 리니어발전기 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

원통형 고정자와 그 내부를 직선 왕복 이동하도록 설치된 이동자를 구비한 리니어발전기의 양쪽에 2행정 프리피스톤엔진이 설치되어 이루어진 리니어발전기 시스템에 있어서,

상기 양쪽 프리피스톤엔진의 흡기포트가 상기 리니어발전기의 반대쪽 챔버에 연결관을 매개로 연결되고, 상기 챔버를 형성하는 발전기하우징에 상기 챔버와 발전기하우징 외부와의 압력차에 의해 개폐되는 흡기밸브가 설치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 발전기하우징의 양측부에는 상기 이동자가 설치된 가동축 관통부에 실링이 설치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 리니어발전기 이동자의 영구자석 외주면에 압축링이 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 프리피스톤엔진은 상기 흡기포트에 인젝터가 설치되며, 연소실의 상부벽 중앙에 배기밸브가 설치되고, 그 측부에 점화플러그가 설치되며, 상기 인젝터와 배기밸브와 점화플러그는 전자제어유니트에 의해 전자제어되는 것을 특징으로 한다.

상기 프리피스톤엔진은 실린더블록이 상기 리니어발전기의 발전기하우징 단부에 직접 맞대어져 장착되고, 상기 이동자가 설치된 가동축의 단부에 피스톤이 직접 설치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 리니어발전기의 출력전류를 변환하는 전력변환기가 구비된다.

그리고, 상기 전력변환기에 전동제어컨버터가 연결되고, 상기 전동제어컨버터가 엔진제어유니트에 의해 제어되도록 하여, 시동시 상기 전동제어컨버터가 계통전력을 상기 리니어발전기에 공급하여 상기 리니어발전기를 모터로 동작시킬 수 있다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 리니어발전기의 챔버에서 이동자에 의해 압축된 공기가 연결관을 통해 프리피스톤엔진의 연소실로 강제 공급됨으로써 공기공급량이 증가하여 보다 활발한 연소가 이루어진다.

또한, 상기와 같이 많은 양의 공기가 강하게 유입되고, 배기밸브가 연소실의 상부벽에 위치해 있기 때문에 연소실로 유입되는 공기(연료 혼합상태)에 의해 배기가스가 강제로 배출되어 배기작용이 활발히 이루어지며, 더욱이 상기 배기밸브가 전자제어되므로 그 배기시점 조절을 통해 보다 적절한 배기제어가 가능하다.

또한, 상기와 같이 연료혼합가스가 배기가스를 밀어내는 작용과 배기밸브의 적절한 개폐시점 제어에 의해 미연소 연료의 배출량도 최소화할 수 있게 된다.

상기와 같이 프리피스톤엔진에서 흡/배기 작용이 원활히 이루어져 연소 효율이 향상되고 엔진 출력이 향상되어 리니어발전기의 출력도 향상되며, 연료소비량도 감소되는 효과가 있다.

또한, 상기 전동제어컨버터에 의해 리니어발전기가 모터로 작동하여 자체적으로 기동할 수 있게 됨으로써 시동을 위한 별도의 수단인 유압실린더가 필요 없게 된다.

따라서, 리니어발전기 시스템 작동중 유압실린더에 의한 마찰손실이 방지되어 발전 효율이 향상되고, 또한 유압실린더가 차지했던 부분만큼 시스템의 축방향 길이가 감소됨으로써 시스템이 더욱 컴팩트해지는 효과가 있다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 리니어발전기 시스템의 구성도로서, 도시된 바와 같이 본 발명은 중앙의 리니어발전기(100)와, 그 양단에 설치되는 프리피스톤엔진(200)과, 상기 리니어발전기(100)에 연결된 전력변환기(300)와 전동제어컨버터(400) 및 상기 프리피스톤엔진(200)의 제어요소들을 제어하기 위한 전자제어유니트(500)를 포함한다.

상기 리니어발전기(100)의 기본적인 구성은 종래와 동일하다. 즉, 발전기하우징(111)의 내주에 3상 코일이 권선되어 이루어진 고정자(110)가 설치되고, 상기 발전기하우징(111)을 관통한 가동축(120)에 원주(圓柱)형의 이동자(130)가 설치된다.

상기 이동자(130)는 가동축(120)에 원판(圓板)형의 영구자석(131)과 폴슈(132)가 교번 적층되어 구성된다.

상기 프리피스톤엔진(200)은 2행정 1사이클 기관으로서, 연소실의 일측부에 흡기포트(210)가 형성되고, 이 흡기포트(210)로 선단이 삽입되도록 인젝터(220)가 설치되며, 연소실의 상부벽 중앙에 배기포트가 형성되어 이 배기포트에 배기밸브(230)가 설치된다. 그리고, 상기 배기밸브(230) 설치부의 측부 또는 그 외 연소실 의 상부로 선단이 삽입될 수 있는 적당한 위치에 점화플러그(240)가 설치된다.

상기 인젝터(220)와 배기밸브(230) 및 점화플러그(240)는 상기 전자제어유니트(500)에 의해서 그 작동시점과 작동시간이 제어된다. 예를 들어, 상기 배기밸브(230)의 경우, 밸브제어유로를 구성하고 이를 개폐하는 솔레노이드밸브를 설치하여 상기 전자제어유니트(500)로 하여금 그 솔레노이드밸브를 제어토록 함으로써 배기밸브(230)의 개폐작동을 제어할 수 있도록 되어 있다.

상기 리니어발전기(100)의 발전기하우징(111) 내부에는 이동자(130)의 양쪽에 챔버(chamber;112)가 형성되는데, 이들 양쪽 챔버(112)와 각각 반대쪽에 위치한 프리피스톤엔진(200)의 흡기포트(210)는 연결관(140)을 매개로 상호 연결된다.

또한, 상기 발전기하우징(111)의 양쪽 단부 즉, 상기 이동자(130)가 설치된 가동축(120)에 의해 관통되는 부분에는 챔버(112)의 밀폐를 위하여 가동축(120)과 가동축(120) 관통공의 내주면 사이에 실링(150)이 설치된다.

또한, 상기 발전기하우징(111)의 양쪽 단부 측벽에는 양쪽 챔버(112)로 외기를 받아들이는 흡기구가 형성되며, 그 흡기구에 챔버(112) 내측으로만 열려지는 일방향밸브가 설치되어 흡기밸브(160) 역할을 하게 된다. 상기 흡기밸브(160)는 챔버(112)와 발전기하우징(111) 외부의 압력차에 의해 작동하게 되는 바, 챔버(112)의 압력이 높을때는 닫혀 있고, 챔버(112)보다 발전기하우징(111) 외부의 압력이 높을때는 챔버(112) 내측으로 열려져서 외부공기가 챔버(112)로 유입될 수 있도록 되어 있다.

한편, 상기 프리피스톤엔진(200)의 실린더블록은 상기 발전기하우징(111)의 양쪽 단부에 직접 맞대어져 장착된다. 그 고정은 볼트(B) 등에 의해 이루어진다.

상기와 같이 프리피스톤엔진(200)이 리니어발전기(100)에 직접 장착될 경우 장치 전체의 길이가 크게 감소하게 되며, 이때는 별도의 피스톤로드를 구비할 필요없이 상기 가동축(120)의 단부를 프리피스톤엔진(200)의 실린더블록 내부로 직접 진입시키고 그 단부에 피스톤(250)을 직접 장착할 수도 있다.

상기 리니어발전기(100)에는 생산 전력을 전원으로 사용할 수 있도록 안정화시키는 전력변환기(300)가 구비된다.

또한, 상기 리니어발전기(100)에는 상기 전력변환기(300)에 연결된 전동제어컨버터(400)가 구비되는데, 상기 전동제어컨버터(400)는 전자제어유니트(500)로부터 전달되는 엔진 시동 신호에 따라 계통 전력을 상기 전력변환기(300)를 통해 리니어발전기(100)의 고정자(110)에 공급함으로써 리니어발전기(100)가 모터(motor)로 작동할 수 있도록 한다.(발전기와 모터는 기본적으로 동일한 개념의 장치로서, 현재 발전과 전동의 두 가지 작동을 모두 수행하도록 제작된 일체형 모터-제너레이터가 실제 구현되어 하이브리드 차량의 구동모터 등에 적용되고 있다. 따라서, 그 상세한 구성 및 제어로직의 설명은 생략한다.)

상기 전자제어유니트(500)는 전술한 바와 같이, 전동제어컨버터(400)에 기동신호를 인가할 뿐만 아니라, 상기 엔진의 각 작동요소들 즉, 인젝터(220), 배기밸브(230), 점화플러그(240) 등의 작동을 전반적으로 제어한다.

이제, 본 발명의 작동을 설명한다.

전자제어유니트(500)로부터 시동신호가 전달되면 상기 전동제어컨버터(400)에 의해 계통전력이 전력변환기(300)를 거쳐 리니어발전기(100)로 공급됨으로써 리니어발전기(100)가 모터로 작동하게 된다.

즉, 별도의 기동수단 없이 자력으로 기동이 이루어지게 된다.

상기와 같은 자력 기동에 의해 이동자(130)가 일방으로 이동하게 되면 이동방향쪽 챔버(112) 내부의 공기가 압축되어 연결관(140)을 통해 반대쪽 프리피스톤엔진(200)의 연소실로 공급되고, 이에 맞추어 해당 인젝터(220)에서 연료분사가 이루어져 혼합된다.

상기 이동자(130)가 일방으로의 이동을 완전히 멈춘 뒤에는 다시 반대 방향으로 이동함으로써 가동축(120)에 연결된 피스톤(250)에 의해 상기 연료와 공기 혼합가스를 압축하게 되며, 이때 해당 점화플러그(240)가 연료를 점화시켜 폭발행정이 이루어짐으로써 가동축(120)에 프리피스톤엔진(200)에 의한 작동력이 전달되기 시작한다. 이때, 전동제어컨버터(400)의 작동이 중지되고, 리니어발전기(100)는 발 전기모드로 작동한다.

상기 최초의 폭발행정에 의해 가동축(120)이 또 다시 반대방향으로 이동되면 압축되는쪽 챔버의 공기가 압축되어 그 반대방향 프리피스톤엔진의 연소실로 공급되고, 이후 해당 점화플러그(240)에 의한 폭발행정이 이루어진다.

이와 같이, 리니어발전기(100)의 이동자(130) 이동에 따라 이동방향 반대쪽의 프리피스톤엔진(200)에 공기가 공급되며, 양쪽의 프리피스톤엔진(200)은 각각 교대로 폭발행정을 수행하여 리니어발전기(100)에 지속적으로 구동력을 제공한다.

한편, 이동자(130)가 일측 방향으로 이동하여 해당 방향의 챔버(112)내 공기를 압축할 때 그 챔버(112)의 압력이 발전기하우징(111) 외부의 압력보다 크므로 해당 위치의 흡기밸브(160)가 닫힌 상태를 유지하게 되고, 이에 그 챔버(112)의 공기가 정상적으로 압축되어 반대쪽 프리피스톤엔진(200)의 연소실로 공급된다.

이와 같이 연소실로 압축된 상태의 공기가 강제 주입됨으로써 연소실로 공급되는 공기량이 증가하여 연소 활성화에 도움이 된다.

한편, 상기와 같이 이동자(130)가 이동할 때 그 반대쪽의 챔버는 확장되므로 발전기하우징(111) 외부의 압력보다 낮은 압력상태가 되며, 이에 해당 흡기밸브(160)가 열려 외부의 공기가 챔버 내부로 유입됨으로써 다음 행정에서 이동자(130)에 의해 압축되어 반대쪽 프리피스톤엔진으로 공급될 공기가 확보된다.

한편, 상기와 같은 이동자(130)에 의한 챔버(112)내 공기의 압축이 보다 원활히 이루어지도록 하기 위하여 상기 이동자(130)에 압축링(170)을 설치할 수 있다.

예를 들어, 상기 압축링(170)은 이동자(130)를 구성하는 다수의 영구자석(131) 중에서 이동자(130)의 양단에 위치한 영구자석의 외주에 압입 설치되어, 이동자(130)와 고정자(110) 사이의 공극을 축소함으로써 압축성을 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 상기와 같이 압축공기와 더불어 분사연료가 연소실로 공급된 후, 이동자(130)의 이동방향이 전환되어 피스톤(250)에 의한 압축행정이 이루어질때, 배기밸브(230)가 전자제어유니트(500)에 의해 열려 재상승되는 피스톤(250)에 의해 연료/공기 혼합가스가 연소실 상부로 이동하면서 배기가스를 밀어냄으로써 배기가 원활히 이루어짐은 물론 분사된 연료가 미연소 상태에서 외부로 배출되는 양이 감소하게 된다.

따라서, 잔존 배기가스에 의한 EGR효과가 감소하여 연소가 보다 활발히 이루어져 출력 향상에 기여하게 되고, 발전에 기여하지 않는 연료소비량이 감소하여 엔진 및 발전기 시스템 전체의 효율이 향상된다.

상기와 같이, 피스톤 상승 중간시점 이후에 상기 배기밸브(230)가 전자제어유니트(230)에 의해 다시 닫혀져 피스톤이 상사점으로 진행하는 동안 연료혼합가스의 완전한 압축이 이루어지고, 그 시점에 전자제어유니트(500)에 의해 점화플러그(240)가 작동되어 연소/폭발행정이 진행된다.

상기와 같은 과정의 반복으로 리니어발전기(100)에서 지속적으로 전력이 생산되며, 생산전력은 전력변환기(300)에 의해 상변화되어 안정상태로 부하에 공급된다.

한편, 상기와 같이 본 발명에 따른 리니어발전기 시스템은 자력 기동이 가능함으로써 종래의 기동수단인 유압실린더가 필요 없게 된다.

따라서, 프리피스톤엔진(200)의 실린더블록을 리니어발전기(100)의 발전기하우징(111) 양측 단부에 볼트(B) 등의 체결수단을 매개로 직접 장착할 수 있게 된다.

이에 축방향의 길이가 대폭 감소하게 되므로 상기 프리피스톤엔진(200)의 피스톤에 별도의 피스톤로드를 구비하지 않고, 상기 리니어발전기(100)의 가동축(120)을 프리피스톤엔진(200)의 내부로 진입할 수 있는 길이로 형성하여 그 단부에 피스톤(250)을 직접 설치함으로써 전체적으로 장치의 구성이 간단해지는 장점도 있다.

또한, 상기 유압실린더가 존재하지 않게 됨으로써 리니어발전기(100)가 발전모드로 작동할 때 유압실린더에 의한 마찰손실이 발생하지 않으므로 장치 효율이 증대된다.

도 1은 종래 기술에 따른 리니어발전기 시스템의 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 리니어발전기 시스템의 구성도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 : 리니어발전기 110 : 고정자

111 : 발전기하우징 112 : 챔버

120 : 가동축 130 : 이동자

131 : 영구자석 132 : 폴슈

140 : 연결관 150 : 실링

160 : 흡기밸브 170 : 압축링

200 : 프리피스톤엔진 210 : 흡기포트

220 : 인젝터 230 : 배기밸브

240 : 점화플러그 250 : 피스톤

300 : 전력변환기 400 : 전동제어컨버터

500 : 전자제어유니트 B : 볼트

Claims (7)

1. 원통형 고정자와 그 내부를 직선 왕복 이동하도록 설치된 이동자를 구비한 리니어발전기의 양쪽에 2행정 프리피스톤엔진이 설치되어 이루어진 리니어발전기 시스템에 있어서,

   상기 양쪽 프리피스톤엔진의 흡기포트가 상기 리니어발전기의 반대쪽 챔버에 연결관을 매개로 연결되고, 상기 챔버를 형성하는 발전기하우징에 상기 챔버와 발전기하우징 외부와의 압력차에 의해 개폐되는 흡기밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 리니어발전기 시스템.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 발전기하우징의 양측부에는 상기 이동자가 설치된 가동축 관통부에 실링이 설치된 것을 특징으로 하는 리니어발전기 시스템.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 리니어발전기 이동자의 영구자석 외주면에 압축링이 구비되는 것을 특징으로 하는 리니어발전기 시스템.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 프리피스톤엔진은 상기 흡기포트에 인젝터가 설치되며, 연소실의 상부벽 중앙에 배기밸브가 설치되고, 그 측부에 점화플러그가 설치되며, 상기 인젝터와 배기밸브와 점화플러그는 전자제어유니트에 의해 전자제어되는 것을 특징으로 하는 리니어발전기 시스템.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 프리피스톤엔진은 실린더블록이 상기 리니어발전기의 발전기하우징 단부에 직접 맞대어져 장착되고, 상기 이동자가 설치된 가동축의 단부에 피스톤이 직접 설치된 것을 특징으로 하는 리니어발전기 시스템.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 리니어발전기의 출력전류를 변환하는 전력변환기가 구비된 것을 특징으로 하는 리니어발전기 시스템.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 전력변환기에 전동제어컨버터가 연결되고, 상기 전동제어컨버터가 엔진제어유니트에 의해 제어되도록 하여, 시동시 상기 전동제어컨버터가 계통전력을 상기 리니어발전기에 공급하여 상기 리니어발전기를 모터로 동작시키는 것을 특징으로 하는 리니어발전기 시스템.

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