KR102076017B1 - 효율이 향상된 프리피스톤 엔진 및 프리피스톤 엔진의 구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 효율이 향상된 프리피스톤 엔진 및 프리피스톤 엔진의 구동방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 프리피스톤 엔진은 서로 이격 구비되고 내부에 피스톤이 왕복 이동하는 한 쌍의 실린더 및 상기 피스톤과 연결되어 왕복 운동하는 연결축을 포함하는 프리피스톤, 상기 연결축에 연결 가능하며 상기 피스톤을 강제로 왕복 이동시키는 스타팅블록 및 상기 프리피스톤의 시동을 제어하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 스타팅블록은, 상기 프리피스톤의 방향으로 이동하여 상기 연결축에 연결되고, 상기 프리피스톤에서 멀어지도록 이동하여 상기 연결축에 연결이 해제 가능하다.
본 발명에서는 프리피스톤 엔진의 시동 시 스타팅블록이 프리피스톤에 연결되어 외력을 강제로 부여하고, 프리피스톤 엔진의 원활한 작동 시 스타팅블록이 프리피스톤에서 연결이 해제되어 피스톤의 자유 운동을 보장한다.
위와 같은 구성을 갖는 본 발명은 에너지 효율이 향상되고 안정적이고 계속적인 시동을 보장할 수 있다.

Description

효율이 향상된 프리피스톤 엔진 및 프리피스톤 엔진의 구동방법{IMPROVED FREE-PISTON ENGINE AND OPERATING METHOD OF FREE-PISTON ENGINE}

본 발명은 효율이 향상된 프리피스톤 엔진 및 프리피스톤 엔진의 구동방법에 관한 것으로, 복잡한 제어 시스템이 요구되는 선형 발전기(linear generator)를 사용하지 않고 시동 가능한 프리피스톤 엔진 및 프리피스톤 엔진의 구동 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 프리 피스톤 엔진을 크랭크샤프트가 결합되거나 결합되지 않고 분리된 두 가지 모드에서 작동가능하기 때문에, 프리피스톤 엔진이 작동 모드(firing mode)가 달성될 때까지 계속적으로(continuously) 시동시킬 수 있다.

일반적으로 크랭크샤프트 방식의 엔진의 경우 크랭크샤프트와 기어 또는 벨트로 연결된 캠 샤프트에 의해서 엔진 실린더의 흡입밸브 및 토출밸브를 개폐를 하는 구조를 가지고 있다.

크랭크샤프트 방식의 경우에는 필연적으로 마찰에 의한 에너지 손실이 존재하며 프리 피스톤 엔진의 경우 크랭크샤프트가 존재하지 않아 이와 같은 에너지 손실은 없으나 초기 구동 시 리니어발전기를 사용함에 따라 리니어발전기의 성능, 내구성, 진동소음, 원가 등이 큰 영향을 받게 되는 단점이 있다.

또한 프리피스톤 엔진의 장점에도 불구하고 리니어발전기의 복잡한 제어를 위한 구성에 따라 비용 상승 등의 문제가 있다.

종래 기술로 대한민국 등록특허 제10-1119500호에서는 한 쌍의 프리피스톤 엔진의 사이에 리니어발전기가 위치되고, 프리피스톤엔진의 작동 시 리니어발전기가 축 방향으로 슬라이딩 이동하면서 진동을 저감시키는 기술이 개시되고 있다.

또한, 대한민국 등록특허 제10-0917553호에 한 쌍의 프리피스톤엔진의 사이에 리니어발전기를 위치시키고, 리니어발전기를 시동 시 모터로 사용하여 구동력을 부여하고, 기동 시 전력을 생산하는 구조가 개시되어 있다.

그러나 상기 등록특허들의 경우 프리피스톤 엔진의 초기 시동 시 구동력을 위하여 동력을 제공해주어야 하는데, 리니어발전기가 구비되어 구조가 복잡해지고 제작이 까다로운 문제점이 있다.

또한, 종래의 내연 기관의 경우 엔진을 시동시키기 위해서는 스타터가 필요하고 스타터는 엔진을 시동시키기 위해 배터리로부터 고전류를 사용하는데, 프리피스톤 엔진의 경우 시동 조건이 일반적인 내연기관보다 까다롭기 때문에 시동이 실패한 경우 계속적인 시동을 시도하기 어려워 안정적인 시동을 보장할 수 없는 문제점이 있다.

(문헌 0001) 대한민국 등록특허 제10-0917553호(등록일:2009.09.08.) (문헌 0002) 대한민국 등록특허 제10-1119500호(등록일:2012.02.16.)

위와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명의 목적은 배터리 방전 문제 없이도 초기 시동을 용이하게 달성할 수 있으며, 시동시 작동 조건을 용이하게 조정가능한 효율이 향상된 프리피스톤 엔진 및 프리피스톤 엔진의 구동방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 하나의 목적은 복잡한 제어 시스템을 갖춘 선형 발전기를 사용하지 않고 자유 피스톤 엔진을 시동 할 수 있는 프리피스톤 엔진 및 프리피스톤 엔진의 구동방법을 제공하는 것이다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 효율이 향상된 프리피스톤 엔진은 서로 이격 구비되고 내부에 피스톤이 왕복 이동하는 한 쌍의 실린더와 피스톤과 연결되어 왕복 운동하는 연결축을 포함하는 프리피스톤, 연결축에 연결 가능하며 피스톤을 강제로 왕복 이동시키는 스타팅블록 및 프리피스톤의 시동을 제어하는 컨트롤러를 포함한다.

또한, 스타팅블록은, 프리피스톤의 방향으로 이동하여 연결축에 연결되고, 프리피스톤에서 멀어지도록 이동하여 연결축에 연결이 해제 가능할 수 있다.

또한, 스타팅블록은, 모터, 모터에 연결되며 모터의 회전력을 왕복 이동력으로 변환시키는 변환부, 변환부에 연결되며 연결축에 연결 가능한 연결부 및 스타팅블록을 프리피스톤의 방향 또는 프리스톤에서 멀어지는 방향으로 이동시키는 이동부를 포함할 수 있다.

또한, 프리피스톤은, 연결축의 변위를 측정하는 변위측정센서 및 프리피스톤을 시동시키는 시동장치를 포함할 수 있다.

또한, 이동부는, 스타팅블록을 프리피스톤과 근접하도록 이동시키고, 시동장치의 시동 후 스타팅블록을 프리피스톤과 멀어지도록 이동시켜 연결부와 연결축의 연결을 해제시킬 수 있다.

본 발명에 따른 프리피스톤 엔진의 구동방법은 서로 이격 구비되고 내부에 피스톤이 왕복 이동하는 한 쌍의 실린더 및 피스톤과 연결되어 왕복 운동하는 연결축을 포함하는 프리피스톤 엔진을 구동하는 프리피스톤 엔진의 구동방법에 있어서, 한 쌍의 피스톤을 강제로 왕복 이동시키는 스타팅블록을 연결축에 연결시키는 연결단계, 스타팅블록에 포함된 모터의 회전력을 왕복 이동력으로 변환시켜 연결축에 왕복 이동력을 가하는 강제구동단계, 연결축의 왕복 이동에 따른 변위를 측정하고, 측정된 변위를 기반으로 시동타이밍을 산출하여 프리피스톤 엔진을 시동시키는 시동단계 및 스타팅블록과 연결축의 연결을 해제시키는 해제단계를 포함할 수 있다.

또한, 시동단계는, 레이저 센서를 통해 연결축의 이동 변위를 측정하는 변위측정공정, 이동 변위를 기반으로 시동타이밍을 산출하는 타이밍산출공정, 실린더에 연료를 공급하는 연료공급공정 및 프리피스톤 엔진을 점화시키는 점화공정을 포함할 수 있다.

또한, 연결단계는, 스타팅블록을 연결축에 근접하도록 슬라이딩 이동시키고, 해제단계는, 스타팅블록을 연결축에서 멀어지도록 슬라이딩 이동시킬 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면 선형 교류 발전기 등 복잡한 부품이나 구조가 요구되지 않으므로 비용 절감의 효과를 가지며, 프리피스톤 엔진으로부터 스타팅블록이 분리 가능하므로 다양한 자유피스톤 엔진에 적용 가능하다.

본 발명에서는 선형 교류 발전기를 사용하지 않고 자유 피스톤 엔진을 시동시키는 것을 보조한다. 특히, 배터리 대신 전기 그리드에서 전력을 공급받는 전동 모터를 이용하고, 스파크 타이밍, 압축비와 같은 작동 조건의 조정을 통해 안정된 작동 모드(firing mode)가 달성 될 때까지 자유 피스톤 엔진을 계속적으로 시동 할 수 있다. 자유 피스톤 엔진을 시동하기 위한 전원으로서 배터리가 사용되지 않기 때문에, 배터리 방전에 따른 문제점을 해결할 수 있다.

특히 듀얼 피스톤 프리 피스톤 엔진에 있어서, 실린더 내에서의 연소가 압축비 뿐만 아니라 다른 실린더 내에서의 연소에 의해서도 영향을 받기 때문에 짧은 시간 안에 안정적인 동작을 얻기 어려운 문제로 인해 시동시 사용되는 배터리가 방전되는 문제가 있었는데, 본 발명에 따른 프리 피스톤은 자유 피스톤 엔진을 시동하기 위한 전원으로서 배터리가 사용되지 않기 때문에, 시동 실패 시 배터리의 방전에 따른 문제점을 해결할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예의 프리피스톤 엔진을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예의 프리피스톤을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예의 모터를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예의 변환부를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예의 연결부 및 이동부를 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예의 프리피스톤 엔진의 구동방법을 나타낸 순서도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예의 시동단계를 나타낸 순서도이다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예의 프리피스톤 엔진을 나타낸 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 자유피스톤 엔진은 프리피스톤, 상기 프리피스톤을 구동시키는 스타팅블록 및 프리피스톤의 시동을 제어하는 컨트롤러(12)를 포함한다. 상기 스타팅블록으로 인하여 본 발명에 따른 자유피스톤 엔진은 동작 시 두가지 모드를 가진다. 위 두 가지 모드는 크랭크샤프트가 연결된 모드와 분리된 모드를 의미할 수 있으며, 크랭크샤프트가 연결된 모드는 스타팅블록과 프리피스톤이 연결된 상태를 의미하고, 크랭크샤프트가 분리된 모드는 스타팅블록과 프리피스톤이 분리된 상태를 의미할 수 있다.

프리피스톤은 서로 이격 구비되고 밀폐구조를 가지며 내부에 피스톤(89)이 왕복 이동하는 한 쌍의 실린더(1) 및 상기 피스톤(89)과 연결되어 왕복 운동하는 연결축(91)을 포함한다.

한 쌍의 실린더(1) 내부에서 피스톤(89)이 각각 왕복 운동한다. 한 쌍의 실린더(1)에 구비된 피스톤(89)들은 연결축(91)에 의해 서로 연결되며, 연결축(91)은 피스톤(89)과 함께 왕복 이동할 수 있다.

상기 프리피스톤은, 상기 연결축(91)의 변위를 측정하는 변위측정센서(10) 및 상기 프리피스톤을 시동시키는 시동장치를 포함할 수 있다. 상기 컨트롤러에서 상기 연결축(91)의 변위를 기반으로 스파크 타이밍을 산출하며, 시동장치는 실린더(1) 내부의 연료를 점화시킨다. 시동장치는 후술하는 스파크플러그(7) 및 점화코일(9)을 포함할 수 있다.

변위측정센서(10)는 레이저광을 통해 연결축(91)의 변위를 측정하고, 컨트롤러(12)는 스파크 타이밍을 산출한다. 스파크 타이밍의 산출은 상기 연결축(91)의 이동 속도 또는 이동 범위를 기준 값과 비교하여 산출할 수 있다.

스타팅블록은 상기 연결축(91)에 연결 가능하며 상기 피스톤(89)을 강제로 왕복 이동시킬 수 있다. 스타팅블록은 모터(26), 상기 모터(26)에 연결되며 상기 모터(26)의 회전력을 왕복 이동력으로 변환시키는 변환부, 상기 변환부에 연결되며 상기 연결축(91)에 연결 가능한 연결부 및 상기 스타팅블록을 상기 프리피스톤의 방향 또는 상기 프리스톤에서 멀어지는 방향으로 이동시키는 이동부를 포함할 수 있다. 여기서 상기 변환부는 모터(26)의 회전력을 왕복 운동력으로 변환시키는 구성의 조합을 의미하고, 상기 이동부는 상기 스타팅블록을 프리피스톤의 방향 또는 프리피스톤에서 멀어지는 방향으로 이동시키는 구성의 조합을 의미한다. 또한, 상기 연결부는 상기 스타팅블록을 상기 프리피스톤의 연결축(91)에 연결 또는 연결 해제시키는 구성의 조합을 의미한다.

상기 이동부는, 상기 스타팅블록을 상기 프리피스톤과 근접하도록 이동시키고, 상기 시동장치의 시동 후 상기 스타팅블록을 상기 프리피스톤과 멀어지도록 이동시켜 상기 연결부와 상기 연결축의 연결을 해제시킨다.

본 발명에서 상기 스타팅블록에 공급되는 전력을 제어하는 전력컨트롤러를 포함할 수 있고, 상기 스타팅블록은, 상기 프리피스톤의 방향으로 이동하여 상기 연결축(91)에 연결되고, 상기 프리피스톤에서 멀어지도록 이동하여 상기 연결축(91)에 연결을 해제시킬 수 있다.

프리피스톤 엔진의 초기 시동 시 상기 스타팅블록이 연결축(91)에 연결되어 구동력을 부여하고, 시동 타이밍을 판단한다(시동 모드, motoring mode). 시동 후 프리피스톤 엔진의 안정적인 작동이 수행되는 경우 상기 스타팅블록은 연결축(91)과의 연결이 해제된다(작동 모드, firing mode). 위와 같은 구성을 통해 달성되는 본 발명은 선형 교류 발전기(linear alternator) 등 복잡한 부품이나 제어가 요구되지 않으므로 비용 절감의 효과를 가지며, 프리피스톤 엔진으로부터 스타팅블록이 분리 및 결합 가능하므로 다양한 자유피스톤 엔진에 적용 가능하다. 또한, 프리피스톤 엔진이 안정적으로 작동 모드가 될 때까지 자유 피스톤 엔진을 계속적으로 시동 할 수 있으며 시동 실패시 배터리의 방전에 따른 문제점을 해결할 수 있다.

이하, 본 발명인 프리피스톤 엔진의 바람직한 실시예를 설명한다.

<프리피스톤>

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예의 프리피스톤을 나타낸 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 프리피스톤은 연결축(91)에 의해 연결된 두 개의 피스톤(89)을 포함한다. 연결축(91)의 중심에는 중심판(92)이 연결된다. 압축 중에 가스 누설을 피하기 위해 두 개의 링(90)이 각 피스톤(89)에 설치된다. 각 실린더(1) 헤드는 냉각핀(5)을 통해 공기 중 냉각된다. 또한, 실린더(1)의 양 측에는 2개의 스파크플러그(7)가 설치되어 실린더(1) 내의 혼합연료를 점화시킨다. 피스톤(89)이 작동모드(firing mode)에서 자유롭게 움직일 때 피스톤(89)과 실린더(1) 헤드 사이의 충돌을 피하고 중심판(92)과 프리피스톤 본체(6) 사이의 충돌을 피하기 위해 프리피스톤 본체(6)의 중심부에 두 개의 플라스틱링(93)이 위치된다. 중심플레이트(95)는 중심판(92) 상에 볼트(96)를 통해 결합되고, 변위측정센서(10)가 피스톤(89)의 변위를 측정하는데 도움을 준다. 프리피스톤의 작동 시 변위측정센서(10)는 피스톤(89) 또는 연결축(91)의 변위를 측정한다.

바(94)는 스파크 타이밍을 제어하기 위한 목적으로 구비되며, 바(94)는 볼트(96)를 통해 중심판(92)에 연결되어 연결축(91)과 동일하게 왕복 운동한다. 바(94)의 각 헤드는 왕복 운동 중에 변위측정센서(10)의 에어 갭을 통과 할 수 있도록 구부러져있다. 스파크 신호는 바(94)의 헤드가 변위측정센서(10)의 에어 갭에 닿은 직후에 생성되고, 이 신호는 센서케이블(11)을 통해 컨트롤러(12)로 보내져 스파크플러그(7)에 대한 점화를 제어한다.

바(94)와 변위측정센서(10)의 상대적인 위치는 위치조절기(97)를 통해 전후로 쉽게 이동하면서 조절될 수 있다. 위치조절기(97)는 프리피스톤 본체(6)에 고정 된 제1센서플레이트(98) 상에 결합되는 반면, 변위측정센서(10)는 제2센서플레이트(99)에 위치되어 제1센서플레이트(98) 위를 미끄러지면서 이동할 수 있다. 결과적으로, 스파크 타이밍을 용이하게 독립적으로 조정할 수 있다. 이는 작동 모드(firing mode)에서 프리피스톤 엔진의 안정적인 동작을 보장하는데 중요한 역할을 한다.

특히 본 발명의 일실시예　따르면, 듀얼 피스톤 프리 피스톤 엔진에 있어서는 실린더 내에서의 연소가 압축비뿐만 아니라 다른 실린더 내에서의 연소에 의해서도 영향을 받기 때문에 짧은 시간안에 안정적인 동작을 얻기 어려운 문제로 인해 시동시 사용되는 배터리가 방전되는 문제가 있었는데, 본 발명에서는 상술한 바와같이 스파크 타이밍, 압축비와 같은 작동 조건을 용이하게 조정가능하여 안정된 작동 모드(firing mode)가 달성 될 때까지 자유 피스톤 엔진을 계속적으로 시동 할 수 있다.

흡기포트(2) 및 배기포트(3)는 프리피스톤의 각 실린더(1)에 위치해 있다. 일 실시예로서, 프리피스톤은 2행정기관으로 본 발명은 이를 기준으로 설명하나, 반드시 이에 구속되지 않는다. 각각의 실린더(1)의 흡기포트(2)는 흡기매니폴드(20)에 연결된다. 흡기매니폴드(20)는 탱크커넥터(25)를 통해 혼합탱크(22)에 연결된다. 압축된 공기 및 가스연료는 두 개의 입구포트(23, 24)를 통해 혼합탱크(22)로 각각 유입된다. 상기 공기와 가스연료는 혼합탱크(22)에서 혼합되고, 흡기매니폴드(20)와 흡기포트(2)를 통해 실린더(1)에 유입된다. 스파크플러그(7)가 실린더(1) 헤드에 설치되고, 공기와 가스연료의 혼합물을 점화하기 위하여 연결케이블(8)을 통해 점화코일(9)에 연결된다.

점화 위치(ignition position)를 검출하기 위해 변위측정센서(10)가 본체(6)에 설치되고 스파크 타이밍을 제어하기 위해 센서케이블(11)을 통해 컨트롤러(12)에 제어 신호를 보낸다. 점화 위치는 피스톤(89)에 연결된 바(94)가 포토센서(10)의 에어 갭(air gap)을 통과 할 때 얻어진다.

컨트롤러(12)의 전원스위치(13)가 켜져 제2와이어(31)를 통해 주파수장치(27)에 전류를 공급한다. 전원스위치(13)가 켜지는 경우 전원라이트(15)가 켜져 전류가 주파수장치(27)에 제공되는 것을 확인할 수 있다. 주파수장치(27)는 제2지지프레임(29) 및 볼트(30)를 통해 플랫폼(18)에 고정되고, 프리피스톤의 본체(6)는 볼트(19)에 의해 플랫폼(18) 상에 고정되는 제1지지프레임(17)에 연결된다.

프리피스톤이 시동 모드(motoring mode)에서 안정적으로 동작되는 경우 실린더(1) 내의 공기와 가스연료의 혼합물을 점화시키기 위하여 점화스위치(14)가 켜짐에 따라 스파크플러그(7)가 활성화 된다. 프리피스톤의 작동 모드(firing mode)는 실린더(1) 내에서 안정적으로 연소될 때 달성되며 피스톤(89)은 실린더(1) 내에서 계속 왕복하면서 움직인다. 작동 모드(firing mode)에서 프리피스톤의 피스톤(89)의 자유 움직임을 위하여 이동강판(67)이 오른쪽(연결축(91)에서 멀어지는 방향쪽)으로 이동하여 커넥터(86)를 프리피스톤의 중심판(92)으로부터 이탈시킨다. 이는 제3커넥팅로드(79)가 이탈중에 두 개의 제1레일(72) 위를 미끄러지면서 이동함으로써 이루어진다. 결과적으로, 프리피스톤의 피스톤(89)은 작동 모드(firing mode)에서 자유 작동(move freely)을 할 수 있다.

<스타팅블록>

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예의 모터(26)를 나타낸 사시도이다.

도 1 및 도 3을 참조하면, 모터(26)는 제1와이어(28)를 통해 주파수장치(27)와 연결되며, 주파수장치(27)는 주파수의 설정 값에 따라 다양한 속도를 갖도록 모터(26)를 제어한다. 모터(26)의 작동은 플라이휠(61)의 휠기어(62)와 연결된 스타터기어(45)를 작동시킨다.

모터(26)는 전기커넥터(39), 기어박스(36), 샤프트홀(37) 및 모터커넥터(38)를 포함하고, 전기커넥터(39)를 통해 전력을 공급받으며, 모터커넥터(38)를 통해 제1지지브래킷(32)에 지지된다. 샤프트홀(37)은 변환부와 연결되며, 변환부로 회전력을 전달한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예의 변환부를 나타낸 사시도이다.

도 1, 도 3 및 도 4를 참조하면, 변환부에서, 샤프트홀(37)과 동축을 갖는 제1샤프트(42)가 샤프트홀(37)에 삽입되어 회전력을 전달받는다. 제1샤프트(42)는 기계부품(40)에 포함되며, 기계부품(40)은 내부기어(41), 제1샤프트(42), 돌출에지(43)로 구성된다. 제1샤프트(42)가 내부기어(41)에 연결되고, 제1샤프트(42)가 샤프토홀(37)에 삽입될 때 내부기어(41)와 제1샤프트(42) 사이에 구비된 돌출에지(43)에 의해 샤프트홀(37)로의 삽입 정도가 제한된다.

내부기어(41)는 외부기어(44)와 연결되며, 내부기어(41)와 외부기어(44)는 동축을 갖는다. 외부기어(44)는 스타터기어(45)와 연결되며, 외부기어(44)와 스타터기어(45)는 제2샤프트(46)에 의해 동축을 갖는다. 스타터기어(45)는 기어브래킷(47)에 연결되고 기어브래킷 헤드(48)는 제2샤프트(46)와 동축을 갖는다. 기어브래킷(47)에는 2개의 기어브래킷 홀(49)이 구비되고, 2개의 기어브래킷 홀(49)은 제1지지브래킷(32)에 볼트를 통해 체결될 수 있다.

모터(26)가 시동 될 때, 샤프트홀(37)은 회전하고 그에 따라 스타터기어(45)를 회전시킨다. 스타터기어(45)의 회전 속도는 모터(26)의 회전 속도와 주파수장치(27)에 의해 설정된 주파수에 의존한다.

스타터기어(45)를 포함하는 기어브래킷(47)은 볼트와 너트(51)를 통해 제3지지브래킷(50)에 연결된다. 제3지지브래킷(50)은 볼트와 너트(52)를 통해 제1지지브래킷(32)에 연결된다. 또한, 제1지지브래킷(32)은 볼트(53)를 통해 제2지지브래킷(35)에 연결된다. 제1지지브래킷(32)에는 3개의 리브(34)가 구비되어 내구성을 증가시킨다. 제1지지브래킷(32)은 볼트와 너트(33)를 통해 모터(26)에 연결된다.

크랭크축(55)과 제2지지브래킷(35)은 두 개의 볼베어링(54)에 의해 연결된다. 크랭크축(55)의 우측은 플라이휠(61)에 연결된다. 크랭크축(55)은 제1커넥팅로드(56)에 연결되고 제1커넥팅로드(56)는 너트 및 볼트(58)를 통해 조인트(57)에 연결된다. 조인트(57)는 볼트(59)에 견고하게 연결된다. 두 개의 너트(60)가 볼트(59)에 설치되어 제2커넥팅로드(76)를 지지한다. 제2지지브래킷(35)에 볼트 및 너트를 체결하고 제1이동브래킷(65)에 제2지지브래킷(35)을 고정하기 위해 네 개의 제2지지브래킷 홀(63)이 제2지지브래킷(35) 상에 구비된다. 스타터기어(45)는 플라이휠(61)의 휠기어(62)에 고정되어 모터(26)의 회전속도를 크랭크축(55)으로 전달한다. 크랭크축(55)의 회전 운동은 조인트(57), 볼트(59), 너트(60) 및 제2커넥팅로드(76)의 왕복 운동으로 변환된다.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예의 연결부 및 이동부를 나타낸 사시도이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 이동부에서, 제2지지브래킷(35)은 볼트와 너트(66)를 통해 제1이동브래킷(65)에 연결된다. 제1이동브래킷(65)은 볼트(68)를 통해 이동강판(67)에 연결된다. 네 개의 제2슬라이더(69)가 볼트(70)에 의해 이동강판(67)에 연결된다. 제2슬라이더(69)에 놓인 이동강판(67)과 다른 구성들은 두 개의 제2레일(73) 위를 미끄러지면서 이동할 수 있다. 두 개의 제2레일(73)은 플랫폼(18)에 볼트(75)로 고정된 고정강판(74)에 결합된다. 이동강판(67)에는 두 개의 제1레일(72)이 구비된 제2이동브래킷(71)이 견고하게 연결되어 제2레일(73) 위를 미끄러지면서 이동한다. 제2레일(73) 또는 이동강판(67)에는 모터 등이 구비되어 이동강판(67)의 이동을 제어하는 것이 바람직하다.

연결부에서, 제1커넥팅로드(56)는 제2커넥팅로드(76)에 볼트(59), 두 개의 너트(60), 조인트(57) 등을 통해 연결된다. 제2커넥팅로드(76)는 제3커넥팅로드(79) 및 제4커넥팅로드(80)에 볼트와 너트(81)를 통해 연결된다. 볼트와 너트(82, 83)를 통해 제3커넥팅로드(79)와 제4커넥팅로드(80)는 연결강판(77)에 연결된다. 연결강판(77)은 볼트(84, 85)를 통해 두 개의 제1슬라이더(78)에 연결된다. 연결강판(77), 제1슬라이더(78), 제2커넥팅로드(76), 제3커넥팅로드(79), 제4커넥팅로드(80)는 하나의 블록으로 구성되어 두 개의 제1레일(72) 위를 미끄러지면서 이동할 수 있다.

제3커넥팅로드(79)에는 간극(air gap)이 형성되어 프리피스톤의 중심판(92)에 연결될 수 있다. 간극(air gap)이 형성된 플라스틱판(87)이 제3커넥팅로드(79)와 커넥터(86)의 사이에 삽입된다. 플라스틱판(87)이 커넥터(86), 제3커넥팅로드(79) 및 볼트(88)에 의해 고정된다. 플라스틱판(87)의 간극(air gap)은 제3커넥팅로드(79)의 간극(air gap)보다 작도록 형성된다. 이로 인해 플라스틱판(87)은 프리피스톤의 중심판(92)에 맞춤 연결될 수 있으며 연결 시 소음과 충격을 감소시킨다.

프리피스톤 엔진의 시동 모드(motoring mode)에서 시동 시, 이동강판(67)과 이동강판(67)에 놓인 다른 모든 구성들은 플라스틱판(87)이 프리피스톤의 중심판(92)과 결합될 때까지 왼쪽으로(프리피스톤의 연결축(91)쪽 방향으로) 이동된다. 프리피스톤 엔진이 동작 모드(firing mode)에 들어가면 이동강판(67)과 이동강판(67)에 놓인 다른 모든 구성들은 프리피스톤의 중심판(92)으로부터 플라스틱판(87)이 분리될 때까지 오른쪽으로(프리피스톤의 연결축(91)과 멀어지는 쪽 방향으로) 이동한다. 이를 통해 실린더(1) 내에서 피스톤(89)의 자유로운 동작(free motion of piston)이 가능하다.

상술한 바와 같이 본 발명에서는 선형 교류 발전기를 사용하지 않고 자유 피스톤 엔진의 시동을 보조한다. 특히, 모터(26)는 배터리 대신 전기 그리드에서 전력을 공급받을 수 있으며, 스파크 타이밍, 압축비와 같은 작동 조건의 조정을 통해 안정된 작동 모드(firing mode)가 달성 될 때까지 자유 피스톤 엔진을 계속적으로 시동 할 수 있다. 자유 피스톤 엔진을 시동하기 위한 전원으로서 배터리가 사용되지 않기 때문에, 배터리 방전에 따른 문제점을 해결할 수 있다.

위와 같은 구성을 갖는 본 발명은 시동을 위한 외력을 일시적으로 프리피스톤에 공급하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있으며, 시동을 위한 별도의 배터리를 요하지 않아 배터리 소모의 문제점 없이도 안정적이고 계속적인 시동을 시도할 수 있다. 또한, 리니어발전기 등의 복잡한 구조 및 제어를 생략할 수 있어 구조의 단순화와 경제적 이점이 있다.

이하, 본 발명에 따른 프리피스톤 엔진의 구동방법을 설명한다.

도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예의 프리피스톤 엔진의 구동방법을 나타낸 순서도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리피스톤 엔진의 구동방법은, 서로 이격 구비되고 내부에 피스톤(89)이 왕복 이동하는 한 쌍의 실린더(1) 및 상기 피스톤(89)과 연결되어 왕복 운동하는 연결축(91)을 포함하는 프리피스톤 엔진을 구동하는 프리피스톤 엔진의 구동방법에 있어서, 상기 한 쌍의 피스톤(89)을 강제로 왕복 이동시키는 스타팅블록을 상기 연결축(91)에 연결시키는 연결단계(S100), 상기 스타팅블록에 포함된 모터(26)의 회전력을 왕복 이동력으로 변환시켜 상기 연결축(91)에 왕복 이동력을 가하는 강제구동단계(S200), 상기 연결축(91)의 왕복 이동에 따른 변위를 측정하고, 상기 측정된 변위를 기반으로 시동타이밍을 산출하여 상기 프리피스톤 엔진을 시동시키는 시동단계(S300) 및 상기 스타팅블록과 상기 연결축(91)의 연결을 해제시키는 해제단계(S400)를 포함한다.

위와 같은 프리피스톤 엔진의 구동방법에 있어서, 본 발명에서 상술한 효율이 향상된 프리피스톤 엔진이 이용될 수 있다.

연결단계(S100)는 스타팅블록을 연결축(91)에 연결시키는 단계로, 상기 스타팅블록을 상기 연결축(91)에 근접하도록 슬라이딩 이동시킬 수 있다. 이 경우 상술한 제2슬라이더(69), 제2레일(73) 및 이동강판(69)의 구조가 적용될 수 있다.

강제구동단계(S200)는 모터(26)를 회전시켜 연결축(91)을 강제로 왕복 이동시키는 단계로, 상술한 스타팅블록의 구조가 적용될 수 있다. 모터(26)는 주파수장치(27)에 의해 회전속도가 제어될 수 있으며, 모터(26)의 회전력은 제1커넥팅로드(56)에 의해 왕복 이동력으로 변환되고, 제2커넥팅로드(76), 제3커넥팅로드(79), 제4커넥팅로드(80)를 통해 연결축(91)에 연결된 상태로 연결축(91)을 왕복 이동시킨다. 연결축(91)을 왕복 이동시킴에 따라 한 쌍의 피스톤(89)도 왕복 이동된다.

도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예의 시동단계를 나타낸 순서도이다.

시동단계(S300)는 한 쌍의 피스톤(89)이 왕복 이동될 때 시동장치를 통해 실린더(1) 내부의 연료를 점화시켜 프리피스톤 엔진을 시동시킨다. 상기 시동단계(S300)에서 상술한 변위측정센서(10), 바(94)의 구조가 적용될 수 있다. 여기서 시동장치는 상술한 스파크플러그(7), 점화코일(9) 등 프리피스톤 엔진의 시동을 위한 장치를 의미한다.

도 7을 참조하면, 시동단계(S300)는 레이저광을 통해 상기 연결축(91)의 이동 변위를 측정하는 변위측정공정(S310), 상기 이동 변위를 기반으로 시동타이밍을 산출하는 타이밍산출공정(S320), 상기 실린더(1)에 연료를 공급하는 연료공급공정(S330) 및 상기 프리피스톤 엔진을 점화시키는 점화공정(S340)을 포함할 수 있다.

변위측정공정(S310)은 레이저광을 이용하여 연결축(91) 또는 피스톤(89)의 변위를 측정하며, 상술한 변위측정센서(10)가 이용될 수 있다. 타이밍산출공정(S320)은 바(94)의 각 헤드가 왕복 운동 중에 변위측정센서(10)의 에어 갭을 통과 할 수 있도록 구부러진 상태로, 바(94)의 헤드가 변위측정센서(10)의 에어 갭을 통과한 직후를 시동타이밍으로 산출하여 시동신호가 생성될 수 있다. 연료공급공정(S330)은 실린더(1) 내부로 공기와 가스연료 혼합물을 공급하는 공정으로, 상술한 흡기매니폴드(20), 혼합탱크(22) 등이 이용될 수 있다. 점화공정(S340)은 상기 공기와 가스연료 혼합물을 점화하는 공정으로, 상술한 시동장치가 이용될 수 있다.

해제단계(S400)는 시동단계(S300) 후 프리피스톤 엔진의 원활한 작동이 달성되는 경우 연결축(91)에서 스타팅블록을 분리시키는 단계로, 스타팅블록을 상기 연결축(91)에서 멀어지도록 슬라이딩 이동시킬 수 있다. 스타팅블록의 이동은 상술한 제2슬라이더(69), 제2레일(73) 및 이동강판(69)의 구조가 적용될 수 있다.

위와 같은 순서로 진행되는 본 발명은 초기 시동 시 외력을 안정적으로 프리피스톤에 부여하고, 시동타이밍을 산출하여 시동시키며, 프리피스톤의 원활한 작동 후 외력을 프리피스톤에서 제거하여 높은 에너지 효율을 기대할 수 있다.

1 : 실린더 2 : 흡기포트
3 : 배기포트 6 : 본체
7 : 스파크플러그 8 : 연결케이블
9 : 점화코일 10 : 변위측정센서
11 : 센서케이블 12 : 컨트롤러
13 : 전원스위치 14 : 점화스위치
15 : 전원라이트 16 : 점화라이트
17 : 제1지지프레임 18 : 플랫폼
20 : 흡기매니폴드 22 : 혼합탱크
23,24 : 입구포트 25 : 탱크 커넥터
26 : 모터 27 : 주파수장치
28 : 제1와이어 29 : 제2지지프레임
31 : 제2와이어 32 : 제1지지브래킷
34 : 리브 35 : 제2지지브래킷
36 : 기어박스 37 : 샤프트홀
38 : 모터커넥터 39 : 전기커넥터
40 : 기계부품 41 : 내부기어
42 : 제1샤프트 43 : 돌출에지
44 : 외부기어 45 : 스타터기어
46 : 제2샤프트 47 : 기어브래킷
48 : 기어브래킷 헤드 49 : 기어브래킷 홀
50 : 제3지지브래킷 54 : 볼베어링
55 : 크랭크축 56 : 제1커넥팅로드
57 : 조인트 61 : 플라이휠
62 : 휠기어 63 : 제2지지브래킷 홀
65 : 제1이동브래킷 67 : 이동강판
69 : 제2슬라이더 71 : 제2이동브래킷
72 : 제1레일 73 : 제2레일
74 : 고정강판 76 : 제2커넥팅로드
77 : 연결강판 78 : 제1슬라이더
79 : 제3커넥팅로드 80 : 제4커넥팅로드
86 : 커넥터 87 : 커넥터강판
89 : 피스톤 90 : 링
91 : 연결축 92 : 중심판
93 : 플라스틱링 94 : 바
95 : 중심플레이트 97 : 위치조절기
98 : 제1센서플레이트 99 : 제2센서플레이트
S100 : 연결단계 S200 : 강제구동단계
S300 : 시동단계 S310 : 변위측정공정
S320 : 타이밍산출공정 S330 : 연료공급공정
S340 : 점화공정 S400 : 해제단계

Claims (7)

1. 서로 이격 구비되고 내부에 피스톤이 왕복 이동하는 한 쌍의 실린더 및 상기 피스톤과 연결되어 왕복 운동하는 연결축을 포함하는 프리피스톤;
   상기 연결축에 연결 가능하며 상기 피스톤을 강제로 왕복 이동시키는 스타팅블록; 및
   상기 프리피스톤의 시동을 제어하는 컨트롤러;를 포함하고,
   상기 스타팅블록은,
   모터;
   상기 모터에 연결되며 상기 모터의 회전력을 왕복 이동력으로 변환시키는 변환부;
   상기 변환부에 연결되며 상기 연결축에 연결 가능한 연결부; 및
   상기 스타팅블록을 상기 프리피스톤의 방향 또는 상기 프리피스톤에서 멀어지는 방향으로 이동시키는 이동부;를 포함하며,
   상기 스타팅블록은 상기 프리피스톤의 방향으로 이동하여 상기 연결축에 연결되고, 상기 프리피스톤에서 멀어지도록 이동하여 상기 연결축에 연결이 해제 가능한 것을 특징으로 하는 효율이 향상된 프리피스톤 엔진.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 프리피스톤은,
   상기 연결축의 변위를 측정하는 변위측정센서; 및
   상기 프리피스톤을 시동시키는 시동장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 효율이 향상된 프리피스톤 엔진.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 이동부는,
   상기 스타팅블록을 상기 프리피스톤과 근접하도록 이동시키고, 상기 시동장치의 시동 후 상기 스타팅블록을 상기 프리피스톤과 멀어지도록 이동시켜 상기 연결부와 상기 연결축의 연결을 해제시키는 것을 특징으로 하는 효율이 향상된 프리피스톤 엔진.
   
5. 서로 이격 구비되고 밀폐구조를 가지며 내부에 피스톤이 왕복 이동하는 한 쌍의 실린더 및 상기 피스톤과 연결되어 왕복 운동하는 연결축을 포함하는 프리피스톤 엔진을 구동하는 프리피스톤 엔진의 구동방법에 있어서,
   상기 한 쌍의 피스톤을 강제로 왕복 이동시키는 스타팅블록을 상기 연결축에 연결시키는 연결단계;
   상기 스타팅블록에 포함된 모터의 회전력을 왕복 이동력으로 변환시켜 상기 연결축에 왕복 이동력을 가하는 강제구동단계;
   상기 연결축의 왕복 이동에 따른 변위를 측정하고, 상기 측정된 변위를 기반으로 시동타이밍을 산출하여 상기 프리피스톤 엔진을 시동시키는 시동단계; 및
   상기 스타팅블록과 상기 연결축의 연결을 해제시키는 해제단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리피스톤 엔진의 구동방법.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 시동단계는,
   변위측정센서를 통해 상기 연결축의 이동 변위를 측정하는 변위측정공정;
   상기 이동 변위를 기반으로 시동타이밍을 산출하는 타이밍산출공정;
   상기 실린더에 연료를 공급하는 연료공급공정; 및
   상기 프리피스톤 엔진을 점화시키는 점화공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 프리피스톤 엔진의 구동방법.
   
7. 제 5항에 있어서,
   상기 연결단계는,
   상기 스타팅블록을 상기 연결축에 근접하도록 슬라이딩 이동시키고,
   상기 해제단계는,
   상기 스타팅블록을 상기 연결축에서 멀어지도록 슬라이딩 이동시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 프리피스톤 엔진의 구동방법.

Images