KR20100037321A - 리니어발전기 시스템의 프리 피스톤 엔진 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리니어발전기 시스템의 프리 피스톤 엔진에 관한 것으로, 흡기포트(63)가 연소실의 상사점(TDC)에 인접한 상부벽 중앙에 형성됨으로 인해 점화플러그(68)의 주변은 항상 혼합기가 농후한 상태가 되어 높은 연소특성을 얻을 수 있게 되고, 솔레노이드(66)에 의해 흡기밸브(65)가 닫히는 시점의 조정이 가능하기 때문에 유효행정거리(L1)를 변환할 수 있게 됨으로써 압축과 팽창거리의 비를 다르게 할 수 있게 됨은 물론, 이를 통해 시스템 전체의 효율을 크게 향상시킬 수 있도록 된 것이다.
리니어발전기, 프리 피스톤 엔진, 흡기포트, 배기포트

Description

리니어발전기 시스템의 프리 피스톤 엔진{Pre-piston engine of linear generator system}
본 발명은 리니어발전기가 프리 피스톤 엔진에 의해 작동되도록 구성된 리니어발전기 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프리 피스톤 엔진을 구성하는 실린더의 흡배기 구조에 관한 기술이다.
일반적으로, 리니어발전기 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 리니어발전기(10)와, 상기 리니어발전기(10)의 양쪽에 설치된 2행정 프리 피스톤 엔진(20)을 포함하여 구성된다.
상기 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 프리 피스톤 엔 진(20)에 의해 이루어진다.
상기 프리 피스톤 엔진(20)은 직선 왕복형 엔진이고, 수소를 연료로 하는 내연기관이며, 2행정 1사이클 엔진으로서, 양쪽의 상기 프리 피스톤 엔진(20)은 서로 번갈아가면서 폭발행정이 이루어지도록 되어 있다.
상기 프리 피스톤 엔진(20)은 상기 가동축(12)의 끝에 일체로 구비된 피스톤(21)과, 상기 피스톤(21)이 직선 왕복운동을 할 수 있도록 내부에 연소실을 구비한 실린더(22)를 포함하여 구성된다.
상기 실린더(22)에는 혼합기(공기와 연료) 또는 공기가 연소실로 유입되기 위한 흡기포트(23)와, 폭발행정 후 연소실에 발생된 연소가스를 배출하기 위한 배기포트(24)가 마련되며, 상기 배기포트(24)에는 배기밸브(25)가 설치된다.
상기 흡기포트(23)는 실린더(22)를 따라 후퇴 이동한 피스톤(21)이 압축행정을 시작하는 위치에 형성되고, 상기 배기포트(24)는 피스톤(21)이 실린더(22)를 따라 전진 이동하여 상사점(TDC)에 위치하였을 때 상기 피스톤(21)의 선단과 마주 대하는 연소실의 상부벽 중앙에 형성된다.
상기 흡기포트(23)에는 인젝터(26)의 선단이 삽입되도록 설치되고, 상기 배기포트(24)의 주변인 연소실의 상부벽 중앙부에는 점화플러그(27)의 선단이 삽입되도록 설치된다.
상기 리니어발전기(10)에는 생산 전력을 전원으로 사용할 수 있도록 안정화시키는 전력변환기(31)가 구비된다.
한편, 상기 프리 피스톤 엔진(20)은 최초 기동을 위한 동력원이 필요한데, 상기 가동축(12)에 동력전달이 가능하도록 설치되어 유압의 힘으로 상기 가동축(12)을 동작시키는 유압실린더(미도시)를 동력원으로 사용할 수도 있고, 또한 도1에 도시된 바와 같이 상기 전력변환기(31)에 연결된 전동제어컨버터(32)를 동력원으로 사용할 수도 있다.
상기 전동제어컨버터(32)는 전자제어유니트(33)로부터 전달되는 엔진 시동 신호에 따라 계통 전력을 상기 전력변환기(31)를 통해 리니어발전기(10)의 고정자(11)에 공급함으로써 리니어발전기(10)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(33)는 전동제어컨버터(32)에 기동신호를 인가할 뿐만 아니라, 상기 인젝터(26)와 점화플러그(27) 등의 작동을 전반적으로 제어한다.
상기와 같이 구성된 리니어발전기 시스템은 이동자(13)가 고정자(1)를 따라 직선 이동할 때에, 양쪽에 구비된 프리 피스톤 엔진(20) 중 어느 한쪽이 폭발/배기 행정을 하면 다른 한쪽은 흡입/압축 행정을 하게 되고, 이러한 과정의 반복으로 리니어발전기(10)가 구동하여 지속적으로 전력이 생산되며, 생산전력은 전력변환기(31)에 의해 상변화되어 안정상태로 부하에 공급된다.
그러나, 상기와 같은 종래의 구조는 피스톤(21)이 실린더(22)를 따라 이동을 하여 연소실의 하사점(BDC)에 위치한 상태가 되어야만 흡기포트(23)와 배기밸 브(24)의 개방이 이루어지고, 또한 흡기포트(23)가 연소실의 상사점(TDC)과 하사점(BDC)의 사이에서 피스톤(21)이 압축행정을 시작하는 위치에 형성됨에 따라, 하사점(BDC)에 위치한 피스톤(21)이 급속히 상사점(TDC)을 향해 이동할 때에 상기 흡기포트(23)를 통해 충분한 양의 혼합기가 연소실로 유입되지 못하는 문제가 발생하였다.
이와 같이, 연소실로 충분한 양의 혼합기가 유입되지 못하면 연소실내에 발생한 연소가스를 배기포트(24)를 통해 충분히 배출하지 못하게 되고, 이에 따라 점화플러그(27)의 주변에 혼합기가 충분히 형성되지 못하여 연소특성이 저하되는 문제가 발생하게 된다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 흡기포트와 배기포트의 위치변경을 통해 상사점에 위치한 피스톤이 하사점을 향해 이동하는 과정에서 상기 배기포트가 개방되는 시점부터 상기 흡입포트가 개방될 수 있도록 하여 상기 흡기포트를 통해 충분한 양의 혼합기가 연소실로 유입될 수 있도록 하고, 점화플러그의 주변에 혼합기의 농후한 상태를 유지할 수 있도록 함으로써 연소특성의 향상을 도모할 수 있도록 하는 리니어발전기 시스템의 프리 피스톤 엔진을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 고정자와 이동자를 구비한 리 니어발전기의 양쪽에 가동축을 매개로 동력전달이 가능하도록 설치된 프리 피스톤 엔진에 있어서, 피스톤이 실린더를 따라 이동하여 연소실의 상사점(TDC) 위치에 있을 때에 상기 피스톤의 선단과 마주 대하는 연소실의 상부벽 중앙에 형성된 흡기포트와; 상기 흡기포트내에 설치되어 연소실의 압력과 연소실 외부의 압력차에 의해 상기 흡기포트를 개방시키도록 동작하는 흡기밸브와; 상기 피스톤의 상사점(TDC) 위치와 하사점(BDC) 위치사이에 상기 연소실과 연결되도록 형성된 배기포트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 흡기포트가 연소실의 상사점(TDC)에 인접한 상부벽 중앙에 형성됨으로 인해 점화플러그의 주변은 항상 혼합기가 농후한 상태가 되어 높은 연소특성을 얻을 수 있게 되고, 솔레노이드에 의해 흡기밸브가 닫히는 시점의 조정이 가능하기 때문에 유효행정거리를 변환할 수 있게 됨으로써 압축과 팽창거리의 비를 다르게 할 수 있게 됨은 물론, 이를 통해 시스템 전체의 효율을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2에는 본 발명에 따른 리니어발전기 시스템이 도시되어 있다.
본 발명 리니어발전기 시스템은 리니어발전기(50)와, 상기 리니어발전기(50)의 양쪽에 설치된 2행정 프리 피스톤 엔진(60)을 포함하여 구성된다.
상기 리니어발전기(50)는 3상 코일(51a)이 권선되어 이루어진 원통형 고정 자(51)와, 상기 고정자(51)를 관통하는 가동축(52)상에 영구자석(53a)과 폴슈(53b)가 반복 적층되어 이루어진 이동자(53)로 이루어지는데, 상기 폴슈(53b)는 영구자석(53a)의 자속을 모아 고정자(51)와 이동자(53)사이의 공극(약 2mm 형성)으로 유효자속을 형성해주며, 이 상태에서 상기 이동자(53)가 전후로 왕복 이동됨으로써 공극자속이 상기 고정자(51)의 코일(51a)에 쇄교하여 기전력이 발생하게 된다.
상기 이동자(53)의 작동은 상기 가동축(52)의 양단에 연결된 프리 피스톤 엔진(60)에 의해 이루어진다.
상기 프리 피스톤 엔진(60)은 직선 왕복형 엔진이고, 수소를 연료로 하는 내연기관이며, 2행정 1사이클 엔진으로서, 양쪽의 상기 프리 피스톤 엔진(60)은 서로 번갈아가면서 폭발행정이 이루어지도록 되어 있다.
상기 프리 피스톤 엔진(60)은 상기 가동축(52)의 끝에 일체로 구비된 피스톤(61)과, 상기 피스톤(61)이 직선 왕복운동을 할 수 있도록 내부에 연소실을 구비한 실린더(62)를 포함하여 구성된다.
상기 실린더(62)에는 혼합기(공기와 연료) 또는 공기가 연소실로 유입되기 위한 흡기포트(63)와, 폭발행정 후 연소실에 발생된 연소가스를 배출하기 위한 배기포트(64)가 마련되며, 상기 흡기포트(63)에는 흡기밸브(65)가 설치된다.
상기 흡기포트(63)는 피스톤(61)이 실린더(62)를 따라 전진 이동하여 연소실의 상사점(TDC)의 위치에 위치하였을 때에 상기 피스톤(61)의 선단과 마주 대하는 연소실의 상부벽 중앙에 형성되고, 상기 배기포트(64)는 상기 피스톤(61)의 상사점(TDC) 위치와 하사점(BDC) 위치사이에 상기 연소실과 연결되도록 형성된다.
즉, 상기 배기포트(64)는 상기 피스톤(61)이 연소실의 하사점(BDC)의 위치에 위치하였을 때에 완전한 개방이 이루어지도록 형성된다.
상기 흡기밸브(65)는 연소실의 내측으로만 열려지는 일방향밸브로서, 연소실의 압력과 연소실 외부의 압력차에 의해 상기 흡기포트(63)를 개방시키도록 동작하게 된다.
즉, 연소실의 압력이 높을 때는 닫혀 있고, 연소실의 압력보다 연소실 외부의 압력이 높을 때에는 연소실의 내측으로 이동하여 상기 흡기포트(63)를 개방시키게 되며, 이때에 개방된 흡기포트(63)를 통해 혼합기가 연소실의 내부로 유입된다.
상기 흡기밸브(65)는 상기 배기포트(64)가 개방되는 시점부터 상기 흡기포트(63)를 개방시키는 동작을 할 수 있도록 되어 있다.
즉, 피스톤(61)이 연소실의 상사점(TDC)을 향해 이동하여 배기포트(64)를 막고 있을 때에는 연소실의 압력이 연소실 외부의 압력보다 높게 되므로 흡기밸브(65)는 흡기포트(63)를 밀폐시킨 상태가 되고, 상사점(TDC)에 위치한 피스톤(61)이 하사점(BDC)을 향해 이동할 때에 피스톤(61)에 의해 막혀져 있던 배기포트(64)가 개방이 되면 연소실의 압력이 연소실 외부의 압력보다 낮아지게 되므로 이때부터 상기 흡기밸브(65)는 연소실과 연소실 외부의 압력차이에 의해 연소실의 내부로 이동을 시작하여 상기 흡기포트(63)를 개방시키게 되는 것이다.
또한, 본 발명은 상기 흡기밸브(65)의 주변에 설치되어 상기 흡기밸브(65)가 상기 흡기포트(63)를 개방시키는 동작을 할 때에 상기 흡기밸브(65)의 개방속도를 가속화시킬 수 있도록 전자제어유니트(73)의 제어를 통해 전원을 인가받아 동작하 는 솔레노이드(66)를 더 포함하여 구성된다.
흡기밸브(65)가 흡기포트(63)를 개방시키도록 연소실의 내측으로 이동을 시작할 때에 전자제어유니트(73)의 제어에 의해 솔레노이드(66)로 전원이 인가되면, 상기 흡기밸브(65)의 이동이 가속화되어 상기 흡기포트(63)를 더욱 빨리 개방시킬 수 있게 되며, 이에 따라 혼합기는 연소실로 빠른 시간내에 충분한 양이 유입될 수 있게 된다.
이를 위해 상기 흡기밸브(65)는 자성체로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 흡기포트(63)에는 인젝터(67)의 선단이 삽입되도록 설치되고, 상기 흡기포트(63)와 연결된 연소실의 상부벽 중앙부에는 점화플러그(68)의 선단이 삽입되도록 설치된다.
또한, 상기 리니어발전기(50)에는 생산 전력을 전원으로 사용할 수 있도록 안정화시키는 전력변환기(71)가 구비된다.
상기 프리 피스톤 엔진(60)은 최초 기동을 위한 동력원이 필요하며, 동력원으로 상기 전력변환기(71)에 연결된 전동제어컨버터(72)를 사용한다.
상기 전동제어컨버터(72)는 전자제어유니트(73)로부터 전달되는 엔진 시동 신호에 따라 계통 전력을 상기 전력변환기(71)를 통해 리니어발전기(50)의 고정자(51)에 공급함으로써 리니어발전기(50)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 제어로 직의 설명은 생략한다.)
상기 전자제어유니트(73)는 전동제어컨버터(72)에 기동신호를 인가할 뿐만 아니라, 상기 솔레노이드(66)와 인젝터(67) 및 점화플러그(68) 등의 작동을 전반적으로 제어한다.
이하, 본 발명 실시예의 작용에 대해 설명한다.
전자제어유니트(73)로부터 시동신호가 전달되면 전동제어컨버터(72)에 의해 계통전력이 전력변환기(71)를 거쳐 리니어발전기(50)로 공급됨으로써 리니어발전기(50)가 모터로 작동하게 된다.
즉, 별도의 기동수단 없이 자력으로 기동이 이루어지게 된다.
상기와 같은 자력 기동에 의해 이동자(53)가 일방으로 이동하게 되면(도 2와 같이 우측으로 이동하면) 이동방향쪽 피스톤(61)은 연소실의 상사점(TDC)을 향해 이동하여 연소실로 유입된 혼합기를 폭발시키게 된다.
이때, 이동자(53)의 이동방향 반대방향에 있는 피스톤(61; 도 2에서 좌측의 피스톤)은 연소실의 하사점(BDC)에 위치한 상태가 된다.
피스톤(61)이 연소실의 상사점(TDC)에서 하사점(BDC)으로 이동할 때에, 배기포트(64)의 개방이 시작되면 흡기밸브(65)가 연소실의 안쪽으로 이동을 하여 흡기포트(63)도 함께 개방이 되고, 또한 솔레노이드(66)로 전원이 인가되어 상기 흡기밸브(65)가 더욱 빨리 이동하게 되면 상기 흡기포트(63)는 급격이 개방이 이루어지게 됨으로써, 혼합기는 연소실로 빠른 시간내에 충분한 양이 유입된다.
또한, 연소실의 연소가스는 개방된 배기포트(64)를 통해 배출되고, 개방된 흡기포트(63)를 통해 연소실로 유입된 혼합기는 점화플러그(68)의 주변에 많이 모이게 되어 농후한 상태가 된다.
이와 같은 상태에서 이동자(53)가 다시 반대방향으로 이동(도 2에서 좌측으로 이동)함에 따라 피스톤(61)이 연소실의 상사점(TDC)을 향해 이동하면, 점화플러그(68)의 주변에 많이 모여있던 혼합기의 폭발력이 향상됨으로써, 본 발명의 리니어발전기 시스템은 연소특성이 크게 향상되는 장점이 있게 된다.
상기와 같은 과정의 반복으로 리니어발전기(50)에서 지속적으로 전력이 생산되며, 생산전력은 전력변환기(71)에 의해 상변화되어 안정상태로 부하에 공급된다.
따라서, 본 발명은 흡기포트(63)가 연소실의 상사점(TDC)에 인접한 상부벽 중앙에 형성됨으로 인해 점화플러그(68)의 주변은 항상 혼합기가 농후한 상태가 되며, 이에 따라 높은 연소특성을 얻을 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 솔레노이드(66)에 의해 흡기밸브(65)가 닫히는 시점의 조정이 가능하기 때문에 유효행정거리(L1)를 변환할 수 있게 되고, 이에 따라 압축과 팽창거리의 비를 다르게 할 수 있게 되어 앳킨슨 사이클(Atkinson Cycle)의 적용이 가능하게 되고, 이 결과 시스템 전체의 효율을 크게 향상시킬 수 있는 장점도 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 리니어발전기 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 리니어발전기 시스템의 구성도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
50 - 리니어발전기 60 - 프리 피스톤 엔진
61 - 피스톤 62 - 실린더
63 - 흡기포트 64 - 배기포트
65 - 흡기밸브 66 - 솔레노이드
71 - 전력변환기 72 - 전동제어컨버터
73 - 전자제어유니트

Claims (5)

  1. 고정자와 이동자를 구비한 리니어발전기의 양쪽에 가동축을 매개로 동력전달이 가능하도록 설치된 프리 피스톤 엔진에 있어서,
    피스톤(61)이 실린더(62)를 따라 이동하여 연소실의 상사점(TDC) 위치에 있을 때에 상기 피스톤(61)의 선단과 마주 대하는 연소실의 상부벽 중앙에 형성된 흡기포트(63)와;
    상기 흡기포트(63)내에 설치되어 연소실의 압력과 연소실 외부의 압력차에 의해 상기 흡기포트(63)를 개방시키도록 동작하는 흡기밸브(65)와;
    상기 피스톤(61)의 상사점(TDC) 위치와 하사점(BDC) 위치사이에 상기 연소실과 연결되도록 형성된 배기포트(64);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어발전기 시스템의 프리 피스톤 엔진.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 흡기밸브(65)의 주변에 설치되어 상기 흡기밸브(65)가 상기 흡기포트(63)를 개방시키는 동작을 할 때에 상기 흡기밸브(65)의 개방속도를 가속화시킬 수 있도록 전자제어유니트(73)의 제어를 통해 전원을 인가받아 동작하는 솔레노이드(66);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어발전기 시스템의 프리 피스톤 엔진.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 흡기밸브(65)는 상기 배기포트(64)가 개방되는 시점부터 상기 흡기포트(63)를 개방시키는 동작을 할 수 있도록 구성된 것;
    을 특징으로 하는 리니어발전기 시스템의 프리 피스톤 엔진.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 배기포트(64)는 상기 피스톤(61)이 연소실의 하사점(BDC) 위치에 있을 때에 완전한 개방이 이루어지도록 형성된 것;
    을 특징으로 하는 리니어발전기 시스템의 프리 피스톤 엔진.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 흡기밸브(65)는 상기 솔레노이드(66)로 전원 인가시 움직일 수 있도록 자성체로 형성된 것;
    을 특징으로 하는 리니어발전기 시스템의 프리 피스톤 엔진.
KR1020080096586A 2008-10-01 2008-10-01 리니어발전기 시스템의 프리 피스톤 엔진 KR101010664B1 (ko)

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