KR20130002387A

KR20130002387A - 2 행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템

Info

Publication number: KR20130002387A
Application number: KR1020110063321A
Authority: KR
Inventors: 이형국
Original assignee: 이형국
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2013-01-08
Also published as: KR101251833B1; CN102418597A; CN102418597B

Abstract

본 발명은 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템에 관한 것으로, 연료와 공기가 흡입되는 단일 실린더 및 상기 실린더 내에 제공되며 상기 연료와 공기가 압축되도록 상기 실린더 내에서 직선 왕복 운동하는 피스톤을 포함하는 2행정 프리 피스톤 엔진; 및 상기 피스톤과 연동되어 직선 왕복 운동하는 가동자 및 상기 가동자에 장착되어 자력을 생성하는 마그네트를 포함하는 리니어 발전기;를 포함하며, 상기 실린더에는 상기 리니어 발전기의 작동 주파수에 동기되어 개폐되는 토출밸브가 구비될 수 있다. 이로 인해, 별도의 기구적인 동기 장치 없이 엔진의 동작에 동기하여 밸브를 개폐할 수 있다.

Description

2 행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템 {SMALL AND LIGHT LINEAR GENERATOR SYSTEM HAVING TWO CYCLE FREE-PISTON ENGINE}

본 발명은 2 행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리니어 발전기의 동작 주파수에 동기되어 개폐되는 전자식 흡입 또는 토출밸브를 포함하는 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템에 관한 것이다.

최근 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 전동공구 등의 휴대용 전기전자기기의 발전에 의하여 휴대용 전원의 고성능 및 경량화 요구가 급속히 늘어나고 있다. 그리고, 앞으로 많이 보급 될 것으로 예상되는 전기자동차 및 전기자전거 등의 경우에는 보다 큰 용량의 휴대용 전원이 반드시 필요하여 이에 대한 많은 연구 개발이 이루어 지고 있다.

이에 대응하여 많이 사용되고 있으며 많이 연구되고 있는 기술로는 리튬전지 등의 충전지를 이용한 시스템이 있다. 그러나, 이러한 충전지 방식의 휴대용 전원은 단가가 비싸고 무게가 무거워 많은 단점을 가지게 된다.

노트북 컴퓨터 및 휴대폰의 경우에 충전지 방식의 휴대용 전원을 사용하는 경우에는 휴대용 전원을 연속적으로 사용할 수 있는 시간에 대한 제한이 발생하며, 전기자동차의 경우에는 연속하여 주행할 수 있는 최대 주행거리에 제한이 있기 때문에, 충전지 방식의 휴대용 전원을 재충전해야 하는데 재충전에 많은 시간이 필요한 단점도 있다.

이러한 단점들을 보완하기 위하여 크랭크축으로 구동되는 피스톤 방식의 내연기관 엔진에 발전기를 부착한 시스템이 개발되고 있으며, 하이브리드 자동차 등에 적용이 되어 일부 상품화가 되어 있다. 이 경우에는 주로 2 행정 또는 4행정의 피스톤 엔진이 사용이 되고 있지만, 크랭크 축을 이용하는 방식이기 때문에 발전기의 구조가 복잡하며 발전기의 효율의 개선에 한계가 있어 고효율 및 경량화의 요구가 계속 존재하고 있다.

한편, 크랭크-피스톤 방식의 내연기관을 이용한 발전기의 이러한 단점을 보완하기 위하여 크랭크 축을 없애고 피스톤에 직접 리니어 발전기를 부착한 프리피스톤(free-piston) 방식의 리니어 발전기(linear generator)가 최근에 많이 개발이 되고 있다. 이러한 프리 피스톤 리니어 발전기는 구조가 간단하기 때문에 고효율 및 경량화의 가능성이 높아 최근에 많은 연구가 이루어 지고 있다.

기존의 크랭크 샤프트 방식의 엔진의 경우 크랭크 샤프트와 기어 또는 벨트로 연결된 캠 샤프트에 의해서 엔진 실린더의 흡입밸브 및 토출밸브를 개폐를 하는 구조를 가지고 있다. 그러나, 리니어 엔진의 경우에는 원리상 구동축이 존재하지 않아 별도의 흡입밸브 및 토출밸브 개폐장치를 고안하여야 하며, 이러한 흡입밸브 및 토출밸브의 개폐장치의 구조에 따라서 리니어 발전기의 성능, 내구성, 진동소음, 원가 등이 큰 영향을 받게 되는 단점이 있다.

종래 리니어 발전기의 흡토출밸브 구동 방식에는 크게 2가지가 있다. 첫째는 흡입 및 토출밸브 없이 단지 흡입구 및 토출구만 존재하는 2행정 엔진을 사용하는 것이다. 이 경우 별도의 밸브구동장치가 불필요하여 구조가 간단해지는 장점은 있으나, 기존의 오토바이 등에 많이 사용되는 2행정 엔진에서 경우와 마찬가지로 효율이 낮고 마모가 심해 수명이 짧으며 배출가스 오염이 심한 등의 심각한 문제점이 존재한다.

둘째는 이러한 단점을 보완하기 위해서 최근에 자동차 엔진용으로 새로이 개발된 기술인 고속의 솔레노이드 전자밸브를 사용하는 것이다. 그러나, 이러한 고속의 솔레노이드 전자밸브의 경우에는 짧은 밸브 개폐시간에 밸브를 빨리 움직이기 위하여 큰 전류를 필요로 하며 솔레노이드 특유의 전류-힘 간의 비선형특성으로 인하여 밸브의 제어가 어렵고 밸브가 닫힐 때 큰 충격이 발생하는 등의 문제로 인하여 전력소모가 아주 크며 내구성이 낮고 원가가 높은 문제점이 있다.

또한, 크랭크축으로 구동되는 기존 엔진의 전자밸브를 사용하는 경우에는 넓은 범위의 엔진 회전수에 대응하여 설계되어야 하므로 고속응답특성이 가능한 고자력의 솔레노이드가 필요하다. 그러나, 이러한 고자력을 발생시키기 위하여 전력소모가 크고 고가인 구동용 전자회로 필요, 작동시의 충격이 커서 소음진동이 크고 내구성이 낮은 등의 부작용이 발생한다.

본 발명은 리니어 발전기의 시동시의 구동주파수 또는 발전시의 발전주파수에 동기되어 운동하는 진동형 또는 회전형 동기모터에 의해 구동되는 흡입밸브 또는 토출밸브를 구비한 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템을 제공한다.

본 발명은 리니어 발전기의 흡입밸브 또는 토출밸브의 구동을 리니어 발전기의 전류에 동기되어 구동되는 동기모터를 이용함으로써 적은 전류와 구동력으로 밸브를 구동할 수 있고, 전력소모가 적고 원가가 싸며 내구성이 높은 리니어 발전기용 전자밸브를 구비한 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템을 제공한다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템은, 연료와 공기가 흡입되는 단일 실린더 및 상기 실린더 내에 제공되며 상기 연료와 공기가 압축되도록 상기 실린더 내에서 직선 왕복 운동하는 피스톤을 포함하는 2행정 프리 피스톤 엔진; 및 상기 피스톤과 연동되어 직선 왕복 운동하는 가동자 및 상기 가동자에 장착되어 자력을 생성하는 마그네트를 포함하는 리니어 발전기;를 포함하며, 상기 실린더에는 상기 리니어 발전기의 작동 주파수에 동기되어 개폐되는 토출밸브가 구비될 수 있다.

여기서, 상기 엔진은 상기 리니어 발전기의 작동 주파수에 동기되어 개폐되며, 상기 피스톤의 일단에 형성된 흡입밸브를 포함할 수 있다.

상기와 같이 리니어 발전기의 작동 주파수에 동기되어 개폐되는 흡입밸브 또는 토출밸브를 구비함으로써, 밸브를 개폐하기 위한 기구적인 동기장치가 없어도 프리 피스톤 엔진의 효율 및 출력의 관점에서 최적의 시점에 밸브를 개폐할 수 있다.

상기 토출밸브 또는 상기 흡입밸브는 상기 리니어 발전기의 시동을 위해 상기 리니어 발전기에 가해지는 구동 주파수 또는 상기 엔진의 작동에 의해 상기 리니어 발전기에서 생성되는 발전 주파수에 동기되어 개폐될 수 있다.

상기 흡입밸브 또는 상기 토출밸브는 상기 리니어 발전기의 구동을 위해 인가되는 구동전류의 구동 주파수 또는 상기 리니어 발전기에서 만들어지는 발전전류의 발전 주파수와 동기되어 작동하는 동기모터; 상기 동기모터의 구동에 의해 개폐되는 개폐부재; 및 상기 개폐부재의 직선 운동을 탄성적으로 지지하는 밸브지지부재;를 포함할 수 있다.

상기 동기모터는 밸브 하우징; 상기 밸브 하우징 내면에 장착된 고정자; 상기 고정자의 내측에 제공되며, 상기 하우징의 길이 방향을 따라 직선 왕복운동하되 상기 개폐부재의 운동 방향과 동일한 방향으로 운동하는 밸브가동자; 상기 밸브가동자에 장착되며, 상기 고정자와의 상호 작용에 의해 자력을 생성하는 밸브 마그네트; 및 상기 밸브가동자의 양단을 탄성적으로 지지하도록 상기 하우징의 내부에 고정되는 밸브스프링;을 포함하며, 상기 밸브가동자의 일단이 상기 개폐부재의 일단을 충격함으로써 상기 개폐부재가 개폐될 수 있다.

상기 동기모터는 밸브 하우징; 상기 밸브 하우징 내면에 장착된 고정자; 상기 고정자의 내측에 제공되며, 상기 하우징의 길이 방향을 따라 직선 왕복운동하되 상기 개폐부재의 운동 방향과 교차하는 방향으로 운동하는 밸브가동자; 상기 밸브가동자에 장착되며, 상기 고정자와의 상호 작용에 의해 자력을 생성하는 밸브 마그네트; 및 상기 밸브가동자를 탄성적으로 지지하도록 상기 하우징의 내부에 고정되는 밸브스프링;을 포함하고, 상기 개폐부재는 상기 밸브가동자의 일단에 형성된 밸브 캠의 돌기와의 접촉에 의해서 개폐되며, 상기 개폐부재의 일단에는 상기 돌기와 부드럽게 접촉되도록 곡면부가 형성될 수 있다.

상기 캠 돌기는 상기 곡면부를 향하여 완만한 경사를 가지도록 형성될 수 있다.

상기 동기모터는 밸브 하우징; 상기 밸브 하우징 내부에 제공되는 회전구동부; 상기 회전구동부에 의해 회전하는 회전축; 및 상기 회전축의 일단에 형성된 밸브 캠;을 포함하고, 상기 개폐부재는 상기 밸브 캠의 돌기와의 접촉에 의해서 개폐될 수 있다.

상기 밸브 캠은 원형 몸체 및 상기 원형 몸체에서 외측을 돌출된 돌기를 포함하며, 상기 돌기와 상기 개폐부재의 일단이 접촉하게 되면 상기 개폐부재가 개방될 수 있다.

상기 흡입밸브 또는 상기 토출밸브가 상기 리니어 발전기의 구동 주파수 또는 발전 주파수에 동기되어 개폐되도록 상기 동기모터의 구동을 제어하는 모터구동제어회로를 더 포함할 수 있다.

상기 모터구동제어회로는 상기 리니어 발전기에 전원을 공급하고 상기 리니어 발전기의 시동 후에는 충전지로서 작동하는 대용량 충방전 배터리; 상기 대용량 충방전 배터리를 보호하는 전압안정용 콘덴서; 상기 리니어 발전기 및 상기 동기모터를 구동하는 스위치; 상기 리니어 발전기의 양단에 인가되는 전류 및 전압을 감지하는 감지회로; 및 상기 리니어 발전기 시스템을 구동하는 마이크로프로세서;를 포함할 수 있다.

상기 감지회로는 상기 리니어 발전기 양단에 걸리는 전압 및 상기 리니어 발전기의 전류를 검출하고, 상기 마이크로프로세서는 검출된 상기 전압 및 전류로부터 상기 리니어 발전기의 전류 주파수 및 전류의 위상 기준점을 확인할 수 있다.

상기 마이크로프로세서는 상기 동기모터가 상기 전류 주파수와 동일한 구동 주파수를 가지는 전류에 의해 작동될 수 있다.

상기 마이크로프로세서는 상기 리니어 발전기의 시동시에는 상기 리니어 발전기의 고유 진동수로 구동되도록 제어할 수 있다.

상기 마이크로프로세서는 상기 리니어 발전기의 발전시에는 발전되는 전류의 주파수 및 위상 기준점에 맞추어 스위칭할 수 있다.

상기 마이크로프로세서는 상기 리니어 발전기에서 발전되는 전류 또는 전압을 이용하여 상기 피스톤의 스트로크 및 전력량을 계산하여 상기 리니어 발전기의 최적 작동 조건을 결정할 수 있다.

상기 리니어 발전기는 상기 실린더의 일단에 형성되는 프레임; 상기 프레임의 내부에 고정 설치되는 외측 고정자; 상기 외측 고정자와 이격되도록 상기 프레임의 내부에 고정 설치되는 내측 고정자; 및 상기 외측 고정자와 상기 내측 고정자 사이에 형성된 간격을 따라 직선 왕복운동하는 상기 가동자를 지지하도록 상기 프레임 내부에 제공되며, 상기 가동자의 공진운동을 일으키는 다수개의 압축 코일 공진 스프링;을 포함할 수 있다.

상기 리니어 발전기는 상기 가동자의 타단에 형성되어 상기 흡입유로로 흡입되는 연료 및 공기를 미리 압축하는 과급용 피스톤을 구비하고, 상기 피스톤과 상기 가동자와 상기 과급용 피스톤은 일체로 형성될 수 있다.

상기 프레임에는 상기 과급용 피스톤이 삽입되는 과급용 실린더가 형성되고, 상기 과급용 피스톤에는 제1 과급용 흡입밸브가 형성되며 상기 제1 과급용 흡입밸브와 마주 보도록 상기 과급용 실린더에는 제2 과급용 흡입밸브가 형성될 수 있다.

상기 흡입밸브 또는 상기 토출밸브는 비동기모터 및 엔코더를 포함하며, 상기 비동기모터는 상기 엔코더의 신호를 감지하여 상기 리니어 발전기와 동기화된 상태에서 상기 흡입밸브 또는 상기 토출밸브를 작동시킬 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 리니어 발전기 시스템은 전자적으로 흡입밸브 및 토출밸브의 개폐 동작을 피스톤의 동작에 동기함으로써 밸브의 제어 구조를 단순화할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 발전기 시스템은 작은 전류 또는 구동력을 이용하여 흡입밸브 또는 토출밸브를 구동할 수 있고, 이로 인해 소모되는 전력을 줄일 수 있으며, 구동회로의 원가를 절감할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 발전기 시스템은 흡입밸브 또는 토출밸브를 전기적으로 동기화하기 때문에 엔진의 구동 상황에 따라 밸브의 열림각 또는 열림높이 등을 전자적으로 조절할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 발전기 시스템은 흡입밸브 또는 토출밸브를 전기적으로 동기화하기 때문에 전력소모가 적고 밸브의 동작시 발생하는 소음 및 진동의 발생이 적으며 내구성을 향상할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 발전기 시스템은 리니어 발전기의 동작 주파수와 동기된 전류가 흡입밸브 또는 토출밸브의 구동모터에 인가되어 동일한 주파수에 적당한 위상차를 가지고 밸브를 개폐하기 때문에 전류의 위상차 및 전류의 크기를 전자회로로 제어함으로써 밸브가 엔진의 효율 및 출력의 관점에서 최적의 시점에 개폐를 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 발전기 시스템을 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 6은 도 1에 따른 리니어 발전기 시스템의 작동 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 도 1에 따른 리니어 발전기 시스템의 엔진에 사용되는 밸브의 제1실시예를 도시한 도면이다.
도 8은 도 1에 따른 리니어 발전기 시스템의 엔진에 사용되는 밸브의 제2실시예를 도시한 도면이다.
도 9는 도 1에 따른 리니어 발전기 시스템의 엔진에 사용되는 밸브의 제3실시예를 도시한 도면이다.
도 10은 도 1에 따른 리니어 발전기 시스템의 엔진에 사용되는 밸브의 모터를 제어하기 위한 모터구동제어회로를 도시한 도면이다.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 발전기 시스템을 도시한 도면, 도 2 내지 도 6은 도 1에 따른 리니어 발전기 시스템의 작동 상태를 도시한 도면, 도 7은 도 1에 따른 리니어 발전기 시스템의 엔진에 사용되는 밸브의 제1실시예를 도시한 도면, 도 8은 도 1에 따른 리니어 발전기 시스템의 엔진에 사용되는 밸브의 제2실시예를 도시한 도면, 도 9는 도 1에 따른 리니어 발전기 시스템의 엔진에 사용되는 밸브의 제3실시예를 도시한 도면, 도 10은 도 1에 따른 리니어 발전기 시스템의 엔진에 사용되는 밸브의 모터를 제어하기 위한 모터구동제어회로를 도시한 도면이다.

리니어 발전기의 여러 가지 방식에 있어서 가동자를 이루는 부분의 구조가 가동자의 무게와 발전기의 효율에 큰 영향을 주게 되는데, 본 발명의 경우에는 마그네트를 사용하는 리니어 발전기의 구조에 국한하여 적용하고자 한다. 또한, 본 발명에 따른 리니어 발전기 시스템은 2행정 엔진을 사용한 소형 및 경량의 리니어 발전기 시스템에 국한하여 설명하고자 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템(100)은 상부의 프리 피스톤 엔진(110)과 그 하부의 리니어 발전기(150)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 발전기 시스템(100)은 상부의 프리 피스톤 엔진(110)의 작동에 의해 발생된 힘에 의해서 리니어 발전기(150)가 작동하면서 전기를 생산해 내는 방식으로 작동될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템(100)은, 연료와 공기가 흡입되는 단일 실린더(120) 및 실린더(120) 내에 제공되며 연료와 공기가 압축되도록 실린더(120) 내에서 직선 왕복 운동하는 피스톤(130)을 포함하는 2행정 프리 피스톤 엔진(110) 및 피스톤(130)과 연동되어 직선 왕복 운동하는 가동자(180) 및 가동자(180)에 장착되어 자력을 생성하는 마그네트(186)를 포함하는 리니어 발전기(150)를 포함할 수 있다.

여기서, 실린더(120)에는 리니어 발전기(150)의 작동 주파수에 동기되어 개폐되는 토출밸브(146)가 구비되거나, 엔진(110)은 리니어 발전기(150)의 작동 주파수에 동기되어 개폐되며 피스톤(130)의 일단에 형성된 흡입밸브(141)를 포함할 수 있다.

상기와 같이 리니어 발전기(150)의 작동 주파수에 동기되어 개폐되는 흡입밸브(141) 또는 토출밸브(146)를 구비함으로써, 밸브(141,146)를 개폐하기 위한 기구적인 동기장치가 없어도 프리 피스톤 엔진(110)의 효율 및 출력의 관점에서 최적의 시점에 밸브(141,146)를 개폐할 수 있다.

리니어 발전기(150)는 실린더(120)의 일단에 형성되는 프레임(160), 프레임(160)의 내부에 고정 설치되는 외측 고정자(171), 외측 고정자(171)와 이격되도록 프레임(160)의 내부에 고정 설치되는 내측 고정자(173) 및 외측 고정자(171)와 내측 고정자(173) 사이에 형성된 간격(G)을 따라 직선 왕복운동하는 가동자(180)를 지지하도록 프레임(160) 내부에 제공되며 가동자(180)의 공진운동을 일으키는 다수개의 압축 코일 공진 스프링(190)을 포함할 수 있다.

상기와 같이 외측 및 내측 고정자(171,173)는 프레임(160)에 고정된 상태에서 가동자(181) 및 마그네트(186)만 움직이고, 움직이는 가동자(181) 및 마그네트(186)를 탄성적으로 지지하는 압축 코일 공진 스프링(190)을 구비함으로써 리니어 발전기의 공진(resonance)이 용이하게 발생될 수 있고 공진의 고유진동수(natural frequency)를 높일 수 있으며 높은 공진주파수로 리니어 발전기(150)가 작동되기 때문에 발전 효율이 좋으면서도 리니어 발전기 시스템(100)의 전체적인 무게를 줄일 수 있다.

리니어 발전기 시스템(100)의 상부에 마련되는 2행정 프리 피스톤 엔진(110)은 크게 실린더(120) 및 실린더(120) 내에서 왕복 운동하면서 공기 및 연료를 압축하여 폭발시키는 피스톤(130)을 포함하여 구성될 수 있다. 실린더(120)는 그 내부에서 길이방향을 따라 직선 왕복운동하면서 연료 및 공기를 압축시키는 피스톤(130)에 제공될 수 있다. 실린더(120)의 내부에는 피스톤(130)에 의해 연료 및 공기가 흡입, 압축, 폭발 및 배기되는 연소실(123)이 형성될 수 있다. 연소실(123) 안으로 연료 및 공기의 혼합가스가 흡입될 수 있도록 피스톤(130)의 상단에는 흡입밸브(141)가 마련될 수 있다. 연소실(123) 내에서 폭발한 혼합가스를 연소실(123) 외부로 배출하도록 연소실(123) 내지 실린더(120)의 상단에는 토출밸브(146)가 마련될 수 있다. 여기서, 흡입밸브(141) 또는 토출밸브(146) 중 적어도 하나는 전자식으로 작동하는 전자식 밸브로 마련될 수 있다. 전자식으로 작동되는 흡입밸브(141) 또는 토출밸브(146)에 대해서는 후술하도록 한다.

연료 및 공기가 피스톤(130)에 의해서 압축된 상태에서 연소실(123)에 마련된 점화장치(127)에 의해서 압축된 연료 및 공기가 폭발하게 된다. 점화장치(127)로는 기존 가솔린 엔진의 점화플러그 방식, 디젤엔진의 압축점화방식, 그리고 새로이 개발중인 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진의 압축자연발화방식, 모형항공기용 엔진 등에서 많이 쓰이는 예열된 글로우플러그 방식 모두 사용할 수 있다. 원리상으로는 별도의 점화장치가 없이도 디젤/HCCI의 경우와 같은 압축발화방식을 사용할 수 있다. 그러나, 겨울 등 주위온도가 낮을 때 용이한 엔진시동을 위하여 글로우플러그 등의 가장 간단한 점화장치를 설치하여 시동특성을 개선하는 것이 바람직하다.

연소실(123) 내로의 연료 및 공기의 공급은 흡기 전에 기화기(carburetor)나 인젝터(injector)를 설치하거나 실린더(120)에 인젝터를 설치하여 실린더 내부로 직접 연료를 공급하는 방법을 선택할 수 있다.

연소실(123)에서 연료 및 공기가 폭발하게 되면 연소실(123) 내부의 온도가 올라가게 되는데 연소실(123)의 과열을 방지하고 냉각시키기 위해서 연소실(123)의 외면에는 방열핀(129)이 형성될 수 있다. 실린더(120)에 방열핀(129)을 설치하여 주위의 자연적 또는 강제적인 공기 순환에 의하여 냉각이 될 수 있다. 방열핀 뿐만 아니라 엔진의 출력이 보다 커서 공냉식으로 냉각 효율이 부족한 경우에는 방열핀 대신 물 등의 액체가 순환하는 수냉식 방식의 구조를 설치하여 냉각할 수 있다.

실린더(120)의 하부에 실린더(120)와 일체로 형성되거나 실린더(120)와 후가공에 의해서 고정 결합되는 프레임(160)은 발전기의 케이스를 형성하고 고정자(171,173) 및 압축 코일 공진 스프링(190)을 지지하는 부분으로서, 그 내부에 소정의 공간이 마련될 수 있도록 원통형 또는 육면체 형상 등으로 형성될 수 있다.

프레임(160)의 상측 내면에는 외측 고정자(171)가 설치되는데, 외측 고정자(171)는 프레임(160)의 상단 내면 및 상부 측벽의 내면에 고정될 수 있으며 이를 위해 외측 고정자(171)는 프레임(160)에 압입되는 형태 등으로 고정될 수 있다. 외측 고정자(171)는 가동자(180) 또는 마그네트(186)의 운동을 위해서 피스톤(130)의 운동 방향 또는 프레임(160)의 길이 방향을 따라 길게 형성되는 것이 바람직하다.

외측 고정자(171)의 일단, 바람직하게는 하단은 프레임(160)의 가운데 부분을 향해서 절곡되어 폴(pole, 175)을 형성한다. 여기서, 폴(175)은 마그네트(186)와 상호 작용에 의해서 자기력을 생성할 수 있도록 소정의 폭 또는 너비를 가지도록 형성될 수 있다. 여기서, 폴(175)의 폭 또는 너비는 폴(175) 끝단의 길이를 의미한다. 한편, 폴(175)의 길이는 생산하고자 하는 전력량에 따라 달라질 수 있으며, 실린더(120)의 용량 또는 피스톤(130)의 운동 길이에 따라 정해질 수 있다.

외측 고정자(171)의 폴(175)의 끝단과 이격되도록 내측 고정자(173)가 제공될 수 있다. 내측 고정자(173)는 피스톤(130)의 운동 방향을 따라 소정의 길이를 가지며 외측 고정자(171)의 폴(175)과 소정 간격(G) 이격된 상태로 프레임(160)의 내부에 제공될 수 있다. 이 때, 외측 고정자(171) 및 내측 고정자(173)는 분리 형성될 수도 있고, 도면에 도시된 바와 같이 일체로 형성될 수도 있다. 외측 고정자(171) 및 내측 고정자(173)는 마그네트(186)에서 생성된 자기장의 경로를 형성하며, 외측 고정자(171)와 내측 고정자(173) 사이에는 코일(C)이 권선될 수 있다. 이 코일(C)은 발전되는 전류를 저장하기 위한 별도의 전류 또는 전력저장장치(미도시)에 연결되거나 리니어 발전기 시스템(100)이 탑재되는 소형 휴대전자기기, 전기자동차, 전기자전거 등에 연결될 수 있다.

피스톤(130)의 초기 운동 내지 기동은 외측 고정자(171)에 권선된 코일(C)에 공급된 교류 전원에 의해 이루어질 수 있다. 이 때, 피스톤(130)의 초기 운동을 위해 공급되는 교류 전원은 압축 코일 공진 스프링(190)의 공진 주파수와 유사한 주파수를 가질 수 있다.

코일(C)에 공급되는 교류 전원은 피스톤(130)의 운동에 의해 실린더(120)의 연소실(123) 내에서 폭발이 발생한 이후에는 공급되지 않도록 형성될 수 있다.

피스톤(130) 또는 실린더(120)의 하부와 대응하는 프레임(160)에는 피스톤(130)의 운동과 연동되어 왕복 운동하는 가동자(180)의 운동을 가이드하기 위한 가동자 가이드(165)가 형성될 수 있다. 가동자 가이드부(165)는 가동자(180)가 안정적으로 직선 왕복 운동할 수 있도록 소정의 길이를 가지는 것이 바람직한데, 가동자 가이드부(165)의 길이는 피스톤(130)의 행정 거리 보다 길게 형성되어야 한다. 이 때, 내측 고정자(173)는 가동자 가이드부(165)에 접촉 지지되도록 설치되거나 가동자 가이드부(165)의 외면에 압입될 수도 있다.

피스톤(130)의 운동과 연동되어 가동자 가이드부(165)내에서 직선 왕복 운동하며 발전을 일으키는 가동자(180)는 가동자 가이드부(165)에 삽입되는 피스톤(130), 피스톤(130)의 일단에 형성되며 실린더(120)의 반경 방향을 따라 절곡 형성된 스프링지지부(183), 피스톤(130)과 스프링지지부(183)의 끝단 사이에 형성되며 피스톤(130)과 나란하게 형성되는 마그네트 장착부(181)를 포함할 수 있다. 여기서, 마그네트 장착부(181)는 외측 고정자(171)와 내측 고정자(173) 사이에 형성된 간격(G)을 따라 직선 운동할 수 있는 위치에 형성된다. 피스톤(130)과 마그네트 장착부(181) 사이에는 연결부(182)가 형성될 수 있다. 연결부(182)는 내측 고정자(173)의 폭 보다 조금 더 크게 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 리니어 발전기 시스템(100)은 가동자(180)와 피스톤(130)이 일체로 형성될 수 있다.

마그네트 장착부(181)에는 마그네트(186)가 장착되는데, 마그네트(186)는 착자 방향이 서로 다른 2개의 마그네트(186a,186b)가 마그네트 장착부(181)에 장착될 수 있다.

프레임(160), 고정자(171,173), 가동자(180) 및 마그네트(186)는 모두 원통형상을 가지는 것이 바람직하다. 마그네트(186)는 마그네트 장착부(181)의 상부에 장착되는 제1 마그네트(186a) 및 마그네트 장착부(183)의 하부에 장착되는 제2 마그네트(186b)를 포함할 수 있다. 제1 마그네트(186a)와 제2 마그네트(186b)는 착자 방향이 서로 반대가 되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 제1 마그네트(186a)의 착자 방향이 내측 고정자(173)를 향한다면 제2 마그네트(186b)의 착자 방향은 외측 고정자(171)를 향하도록 형성할 수 있다. 이와 같이 제1 및 제2 마그네트(186a,186b)의 착자 방향을 서로 다르게 함으로써, 리니어 발전기(150)의 발전량을 크게 할 수 있고 출력을 높일 수 있다.

마그네트(186)를 마그네트 장착부(181)에 장착하는 방법으로는 마그네트 장착부(181)의 일단에 마그네트 장착홈(미도시)을 형성하거나 마그네트 장착부(181)에 와이어를 감아서 마그네트(186)를 장착할 수 있다. 마그네트(186)를 마그네트 장착부(181)에 장착하는 방법은 다양하게 선택될 수 있음은 당연하다.

여기서, 가동자(180)의 운동 방향을 따라 제1 및 제2 마그네트(186a,186b)의 전체 길이는 외측 고정자(171)의 폴(175)의 길이 보다 길게 형성되는 것이 바람직하며, 제1 마그네트(186a) 및 제2 마그네트(186b) 각각의 길이는 폴(175)의 길이와 거의 동일하게 형성될 수 있다.

제1 마그네트(186a) 및 제2 마그네트(186b)는 희토류 자석으로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 발전기 시스템(100)은 희토류 원소로 만들어진 희토류 마그네트를 가동 부위에 형성함으로써 적은 양의 마그네트를 사용하더라도 큰 자력을 생성할 수 있다. 이로 인해, 리니어 발전기 시스템(100)의 전체 크기를 줄일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 발전기 시스템(100)은 1개의 폴(175)을 가진 외측 고정자(171)와 2개의 마그네트(186a,186b)를 사용하는 방식(즉, one-pole and two-magnet)이라고 할 수 있다.

한편, 외측 고정자(171)의 절곡부와 스프링지지부(183) 사이, 그리고, 스프링지지부(183)와 프레임(160)의 바닥면 사이에는 상기한 복수개의 압축 코일 공진 스프링(190)이 장착될 수 있다. 이와 같이 설치되는 다수개의 압축 코일 공진 스프링(190)은 가동자(180)의 공진 운동을 유발하고, 발전시의 기동 후 일정 시간이 경과하면 압축 코일 공진 스프링(190)에 의해서 발전기는 공진 상태에서 계속하여 작동될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 발전기 시스템(100)은 다수개의 압축 코일 공진 스프링(190)을 사용하기 때문에 리니어 발전기가 초기에 부드럽게 기동할 수 있다. 또한, 실린더(120)에서 공기 및 연료가 폭발하게 되면 압축 코일 공진 스프링(190)에 의해서 가동자(180)의 진폭이 점차 증가하면서 공진 상태에 도달하면 고유진동수에 맞춰서 공진이 유지될 수 있다. 이와 같이 다수개의 압축 코일 공진 스프링(190)을 사용함으로써 용이하게 공진 상태를 발생시킬 수 있다.

여기서, 상기 다수개의 압축 코일 공진 스프링(190)은 가동자(180)의 일단을 기준으로 대향하도록 형성되거나 배치될 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축 코일 공진 스프링(190)은 가동자(180)의 스프링지지부(183)를 기준으로 서로 마주 보도록 배치되어 있음을 알 수 있다. 이와 같이, 스프링지지부(183)를 기준으로 압축 코일 공진 스프링(190)이 서로 마주 보도록 배치함으로써 가동자(180)의 공진을 쉽게 유도할 수 있다.

도 1을 참조하면, 압축 코일 공진 스프링(190)은 외측 고정자(171)와 스프링지지부(183) 사이에 배치된 스프링(편의상 이를 "내측 공진 스프링"이라 하자)과 스프링지지부(183)와 프레임(160) 바닥면 사이에 배치된 스프링(편의상 이를 "외측 공진 스프링"이라 하자)을 포함할 수 있다. 여기서, 외측 고정자(171)와 스프링지지부(183)의 일면에는 상기 내측 공진 스프링의 양단을 지지하고 고정하기 위한 스프링고정부(미도시)가 형성될 수 있다. 스프링고정부는 가동자(180)가 운동하더라도 내측 공진 스프링의 초기 장착 위치에서 벗어나지 않도록 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 스프링지지부(183)의 타면과 프레임(160)의 바닥면에는 상기 외측 공진 스프링의 양단을 지지하고 고정하기 위한 스프링고정부(미도시)가 역시 형성될 수 있으며, 그 형태는 내측 공진 스프링을 고정하기 위한 스프링고정부와 동일한 형상을 가질 수 있다.

가동자(180)가 운동하게 되면 내측 공진 스프링과 외측 공진 스프링은 서로 반대되는 형태로 변형되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 실린더(120)의 상사점을 향해서 피스톤(130)이 상승하게 되면 피스톤(130)과 연동하여 가동자(180)도 상승 운동하게 되는데, 이 때 내측 공진 스프링은 압축 변형되고 외측 공진 스프링은 팽창 변형된다. 이와 같이, 내측 공진 스프링과 외측 공진 스프링이 서로 반대되는 변형을 함으로써 가동자(180)의 공진 운동을 효과적으로 유지할 수 있다.

프레임(160)의 저면에서 발전기 시스템(100)을 바라보았을 때, 다수개의 압축 코일 공진 스프링(190)은 실린더(120)의 중심을 기준으로 동일 간격을 가지도록 등간격으로 배치될 수 있다. 즉, 압축 코일 공진 스프링(190)은 실린더(120)의 중심을 기준으로 방사상으로 등간격으로 배치될 수 있다.

또한, 상기 다수개의 압축 코일 공진 스프링(190)은 가동자(180)의 일단 즉, 스프링지지부(183)를 기준으로 일단이 서로 중첩되도록 배치될 수 있다. 도 1에는 압축 코일 공진 스프링(190)의 일단이 서로 중첩되지 않은 예가 도시되어 있으나, 압축 코일 공진 스프링(190)의 일단이 서로 중첩되도록 배치하여도 동일하게 공진을 유발할 수 있으며, 이 경우에는 리니어 발전기 시스템(100)의 전체적인 길이를 더욱 줄일 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 발전기 시스템(100)은 가동자(180)를 지지하는 다수개의 압축 코일 공진 스프링(190)을 스프링지지부(183)를 기준으로 병렬로 배치함으로써 압축 코일 공진 스프링(190)의 스프링 상수를 용이하게 설계할 수 있다. 또한, 다수개의 압축 코일 공진 스프링(190)과 단일의 실린더(120)를 구비함으로써 리니어 발전기 시스템(100)에 발생하는 진동을 줄일 수도 있다.

한편, 프레임(160)의 내부 저면에는 윤활유(O)가 제공되며, 윤활유(O)는 가동자(180) 또는 피스톤(130)의 왕복운동 또는 진동에 의해 비산(飛散)되어 습동 부위에 공급될 수 있다. 여기서, 습동 부위(LA)는 마찰이 발생하는 부분으로서, 피스톤(130)의 외면과 실린더(120) 내면 사이, 가동자 가이드부(165)와 피스톤(130) 사이라고 할 수 있다. 이와 같은 습동 부위에는 마찰이 발생하기 때문에 마찰 부재의 마모 또는 마찰열 등이 발생할 수 있기 때문에 윤활유를 습동 부위에 공급해서 마모를 방지하고 마찰열을 냉각시킬 필요가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 발전기 시스템(100)은 프레임(160)의 저면에 저장된 윤활유(O)를 각각의 습동 부위에 공급할 수 있는데, 가동자(180)가 운동함에 따라 외측 공진 스프링이 압축 및 팽창을 반복하게 된다. 이 때, 외측 공진 스프링의 일단은 윤활유(O)와 접촉하게 되는데, 윤활유와 접촉하는 부분의 압축 및 팽창에 의해 윤활유(O)는 작은 입자의 형태로 비산하게 된다. 이와 같이 비산된 윤활유(O)는 습동 부위에 묻어서 윤활 및 냉각 기능을 수행할 수 있다.

프리 피스톤 엔진은 그 특성상 피스톤(130) 측압이 아주 작아서 습동시 마모가 발생할 우려는 크지 않지만, 상기한 바와 같은 각각의 습동 부위에 약간의 윤활유(O)의 공급은 필수적이라고 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 발전기 시스템(100)의 프리 피스톤 엔진은 2행정 사이클에 따라 작동하기 때문에 피스톤(130)과 실린더(120)의 습동 부위로 공급된 윤활유(O)는 연료 및 공기와 함께 연소될 수도 있다. 윤활유(O)가 연소되면 연소 찌꺼기로 인해 엔진 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 발전기 시스템(100)은 연소가 잘 되지 않고 연소되더라도 찌거기가 남지 않는 윤활유를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 윤활유가 반복적으로 연소되면 윤활유가 줄어드는데, 줄어든 윤활유를 보충하기 위한 윤활유 보충수단을 구비할 수도 있다.

다른 방법은 별도의 급유펌프(미도시)와 같은 오일펌핑수단을 이용하여 리니어 발전기 하부의 윤활유를 오일펌핑수단으로 피스톤(130) 및 실린더(120)의 습동 부위에 공급할 수도 있다. 급유펌프와 같은 오일펌핑수단은 프레임(160)의 내부 또는 외부에 설치될 수 있고, 가동자(180)의 운동과 연동하여 작동할 수 있는 방식을 채용하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 발전기 시스템(100)은 프리 피스톤 엔진의 시동시에는 리니어 발전기 자체에 전류를 가하여 리니어 모터로 작용시킬 수 있다. 리니어 모터에 공진주파수에 근접한 주파수의 교류전원을 인가하면 공진이 발생하고 이 진동이 점차 커지면 실린더(120) 내부의 공기 및 연료 혼합가스의 압축비가 점차 커져서 엔진 시동에 적당한 압축비에 도달하게 된다. 이 때 점화장치(127)로 점화를 해 주거나 이미 압축온도가 연소온도 이상의 고온인 경우 실린더(120) 내부에서 폭발이 일어나 엔진의 시동이 이루어질 수 있다. 따라서, 시동시 리니어 모터에 교류전류를 공급해주는 교류전원이 필요한데, 이는 가정 및 공장에 존재하는 전력망의 교류 전원을 직접 인가할 수도 있고 별도의 배터리 등 직류전원을 인버터 등의 교류발생장치를 통하여 교류로 바꾸어 인가할 수도 있다.

리니어 발전기(150)는 가동자(180)의 타단에 형성되어 피스톤(130의 내부에 형성된 흡입유로(132)로 흡입되는 연료 및 공기를 미리 압축하는 과급용 피스톤(187)을 구비할 수 있다. 이 때, 피스톤(130)과 가동자(180)와 과급용 피스톤(187)은 일체로 형성될 수 있다.

프레임(160)의 하부에는 과급용 피스톤(187)이 삽입되는 과급용 실린더(163)가 형성될 수 있다. 이와 같이, 과급용 실린더(163) 및 과급용 피스톤(187)을 포함하여 과급용 압축부가 형성될 수 있다. 과급용 피스톤(187)에는 제1 과급용 흡입밸브(189)가 형성되며 제1 과급용 흡입밸브(189)와 마주 보도록 과급용 실린더(163)에는 제2 과급용 흡입밸브(167)가 형성될 수 있다.

제1 및 제2 과급용 흡입밸브(189,167)를 통해 흡입된 공기는 피스톤(130)의 내부에 형성된 흡입유로(132)를 통해 실린더(120)에 유입될 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 발전기 시스템(100)의 작동에 대해서 설명한다. 도 2는 압축 행정, 도 3은 폭발 행정, 도 4는 팽창 행정, 도 5는 배기 행정, 그리고 도 6은 배기 및 흡기 행정을 도시하고 있다.

도 2에 도시된 압축 행정시에는 피스톤(130)이 토출포트(125)를 막을 정도까지 상승하여 연소실(123) 내에 있는 연료 및 공기를 압축하기 시작한다. 이 때, 내측 공진 스프링은 압축되고 외측 공진 스프링은 팽창된 상태이다.

도 2 내지 도 4에 도시된 압축, 폭발 및 팽창 행정시에 흡입밸브(141) 및 토출밸브(146)는 닫혀 있으며, 압축 및 폭발 행정에서는 제1 과급용 흡입밸브(189)는 닫혀 있고 제2 과급용 흡입밸브(167)는 열린 상태를 유지한다. 팽창 행정에서는 제1 과급용 흡입밸브(189)가 열리고 제2 흡입용 과급밸브(167)는 닫힌 상태를 유지한다. 배기 행정에서는 배기밸브(146)는 열리고 제1 과급용 흡입밸브(189)가 열리고 제2 흡입용 과급밸브(167)는 닫힌 상태를 유지한다. 마지막으로 배기 및 흡입 행정에서는 흡입밸브(141) 및 토출밸브(146)는 열린 상태에 있으나 제1 및 제2 과급용 흡입밸브(189,167)는 열린 상태를 유지한다. 이러한 밸브 개폐 상태에서 피스톤(130)이 상승 및 하강 운동을 함으로써 엔진(110)의 작동 사이클이 일어나게 된다.

도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같은 프리 피스톤 엔진의 운전에 따라 피스톤(130)에 연결된 가동자(180)가 움직이게 되고, 가동자(180)를 지지하는 다수개의 압축 코일 공진 스프링(190)이 팽창 및 압축되면서 가동자(180)는 점진적으로 공진 운동을 하게 된다. 이러한 과정을 통하여 코일(C)에서는 교류 전류를 얻을 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여, 흡입밸브(141) 또는 토출밸브(146)에 대해서 보다 상세히 설명한다. 상기에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 발전기 시스템(100)의 흡입밸브(141) 또는 토출밸브(146)는 전자식으로 작동되며, 리니어 발전기(150)의 시동을 위해 리니어 발전기(150)에 가해지는 구동 주파수 또는 엔진(110)의 작동에 의해 리니어 발전기(150)에서 생성되는 발전 주파수에 동기되어 개폐될 수 있다.

도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 흡입밸브(141) 또는 토출밸브(146)는 리니어 발전기(150)의 구동을 위해 인가되는 구동전류의 구동 주파수 또는 리니어 발전기(150)에서 만들어지는 발전전류의 발전 주파수와 동기되어 작동하는 동기모터(M), 동기모터(M)의 구동에 의해 개폐되는 개폐부재(142) 및 개폐부재(142)의 직선 운동을 탄성적으로 지지하는 밸브지지부재(143)를 포함할 수 있다.

밸브를 구동하는 동기모터(M)에 인가되는 전류의 주파수를 리니어 발전기(150)를 시동하기 위해 인가되는 구동 주파수 또는 리니어 발전기(150)에서 생성된는 발전 전류의 주파수와 동일하게 함으로써 밸브의 개폐 동작을 리니어 발전기(150)에 동기시킬 수 있다. 즉, 리니어 발전기(150)의 시동시의 구동주파수 혹은 발전시의 발전 주파수에 동기되어 운동하는 진동형 또는 회전형 동기모터(M)를 이용하여 밸브를 구동할 수 있다.

도 7에는 리니어 발전기 시스템의 엔진에 사용되는 밸브의 제1실시예를 도시되어 있다. 도 7을 참조하면, 제2실시예에 따른 밸브(141,146)의 동기모터(M)는 밸브 하우징(147), 밸브 하우징(147)의 내면에 장착된 고정자(148), 고정자(148)의 내측에 제공되며 하우징(147)의 길이 방향을 따라 직선 왕복운동하되 개폐부재(142)의 운동 방향과 동일한 방향으로 운동하는 밸브가동자(149), 밸브가동자(149)에 장착되며 고정자(148)와의 상호 작용에 의해 자력을 생성하는 밸브 마그네트(144) 및 밸브가동자(149)의 양단을 탄성적으로 지지하도록 하우징(147)의 내부에 고정되는 밸브스프링(145)을 포함할 수 있다. 여기서, 밸브스프링(145)은 밸브가동자(149)의 양단을 지지할 수 있다. 고정자(148)에는 코일(미도시)이 권선되며, 상기 코일에는 리니어 발전기(150)의 구동 주파수 또는 발전 주파수와 동일한 주파수를 가지는 전류가 인가될 수 있다. 밸브스프링(145)은 도 7에 도시된 바와 같이 판스프링 형태가 사용될 수도 있고 코일 스프링이 사용될 수도 있다.

밸브의 제1 실시예에서 밸브가동자(149)의 일단이 개폐부재(142)의 일단을 충격함으로써 개폐부재(142)가 개폐될 수 있다. 밸브의 제1실시예의 경우에는 개폐부재(142)의 개폐방향과 밸브가동자(149)의 운동방향이 동일하다. 이와 같이, 리니어 발전기(150)와 동기되어 작동하는 동기모터(M)를 이용하여 개폐부재(142)의 개폐 동작을 프리 피스톤 엔진(110)의 동작에 동기시킬 수 있다.

도 8에는 리니어 발전기 시스템의 엔진에 사용되는 밸브의 제2실시예를 도시되어 있다. 도 8을 참조하면, 제2실시예에 따른 밸브(141,146)의 동기모터(M′)는 밸브 하우징(147′), 밸브 하우징(147′) 내면에 장착된 고정자(148′), 고정자(148′)의 내측에 제공되며 하우징(147′)의 길이 방향을 따라 직선 왕복운동하되 개폐부재(142′)의 운동 방향과 교차하는 방향으로 운동하는 밸브가동자(149′), 밸브가동자(149′)에 장착되며 고정자(148′)와의 상호 작용에 의해 자력을 생성하는 밸브 마그네트(144′) 및 밸브가동자(149′)를 탄성적으로 지지하도록 하우징(147′)의 내부에 고정되는 밸브스프링(145′)을 포함할 수 있다. 밸브스프링(145′)은 도 8에 도시된 바와 같이 판스프링 형태가 사용될 수도 있고 코일 스프링이 사용될 수도 있다.

제2실시예에 따른 밸브의 동기모터(M′)는 밸브가동자(149′)의 운동 방향과 개폐부재(142′)의 운동방향이 교차하는데 특징이 있다고 할 수 있다. 이를 위해서, 개폐부재(142′)는 밸브가동자(149′)의 일단에 형성된 밸브 캠(149a′)의 돌기(149b′)와의 접촉에 의해서 개폐되며, 개폐부재(142′)의 일단에는 돌기(149b′)와 부드럽게 접촉되도록 곡면부(142a′)가 형성될 수 있다.

고정자(148′)에 권선된 코일(미도시)에 리니어 발전기(150)의 구동 주파수 또는 발전 주파수와 동일한 주파수를 가지는 전류가 인가됨으로써 밸브가동자(149′)가 직선운동을 하게 되고, 밸브가동자(149′)에 형성된 밸브 캠(149a′)의 돌기(149b′)와 개폐부재(142′)의 곡면부(142a′)가 접촉하여 개폐부재(142′)가 움직이게 된다. 이 때, 돌기(149b′)와 곡면부(142a′)의 부드러운 접촉을 위해서 돌기(149b′)는 곡면부(142a′)를 향하여 완만한 경사(149c′)를 가지도록 형성될 수 있다.

도 7 및 도 8에 도시된 동기모터(M,M′)는 진동형 또는 직선형 동기모터를 사용하였으나 도 9에 도시된 바와 같이 회전형 동기모터(M″)를 사용할 수도 있다. 도 9에는 리니어 발전기 시스템의 엔진에 사용되는 밸브의 제3실시예를 도시되어 있다. 도 9를 참조하면, 제3실시예에 따른 밸브(141,146)의 동기모터(M″)는 밸브 하우징(147″), 밸브 하우징(147″) 내부에 제공되는 회전구동부(148″), 회전구동부(148″)에 의해 회전하는 회전축(149″) 및 회전축(149″)의 일단에 형성된 밸브 캠(149a″)을 포함할 수 있다.

여기서, 개폐부재(142″)는 밸브 캠(149a″)의 돌기(149b″)와의 접촉에 의해서 개폐될 수 있다. 이를 위해서, 밸브 캠(149a″)은 원형 몸체(149c″) 및 원형 몸체(149c″)에서 외측을 돌출된 돌기(149b″)를 포함하며, 돌기(149b″)와 개폐부재(142″)의 일단이 접촉하게 되면 개폐부재(142″)가 개방될 수 있다. 즉, 개폐부재(142″)의 상단과 돌기(149b″)가 접촉하게 되면 돌기(149b″)에 의해 개폐부재가 아래쪽으로 밀리면서 밸브가 개방될 수 있다.

상기와 같은 밸브(141,146)의 동기모터와 리니어 발전기(150)를 동기화시키기 위해서 즉, 흡입밸브(141) 또는 토출밸브(146)가 리니어 발전기(150)의 구동 주파수 또는 발전 주파수에 동기되어 개폐되도록 동기모터의 구동을 제어하는 모터구동제어회로(200)를 더 포함할 수 있다. 도 10에는 모터구동제어회로(200)가 도시되어 있다.

도 10을 참조하면, 모터구동제어회로(200)는 리니어 발전기(150)에 전원을 공급하고 리니어 발전기(150)의 시동 후에는 충전지로서 작동하는 대용량 충방전 배터리(210), 대용량 충방전 배터리(210)를 보호하는 전압안정용 콘덴서(220), 리니어 발전기(150) 및 동기모터를 구동하는 스위치(230,235), 리니어 발전기(150)의 양단에 인가되는 전류 및 전압을 감지하는 감지회로(240) 및 리니어 발전기 시스템(100)을 구동하는 마이크로프로세서(250)를 포함할 수 있다.

감지회로(240)는 리니어 발전기(150)의 양단에 걸리는 전압 및 리니어 발전기(150)의 전류를 검출하고 이를 마이크로프로세서(250)로 보낸다. 마이크로프로세서(250)에서는 검출된 상기 전압 및 전류로부터 리니어 발전기(150)의 전류 주파수 및 전류의 위상 기준점을 확인할 수 있다.

마이크로프로세서(250)는 흡입밸브(141) 또는 토출밸브(146)의 동기모터가 상기 전류 주파수와 동일한 구동 주파수를 가지는 전류에 의해 작동되게 할 수 있다. 즉, 마이크로프로세서(250)는 전류 주파수 및 위상 기준점을 이용하여 동기모터의 구동주파수는 리니어 발전기(150)와 동일하게 하고 위상각은 엔진(110)의 운전 상황에 따라 최적화시킬 수 있으며, 동기모터의 구동전압은 운전 상황에 따라 밸브의 열림량을 최적화시킬 수 있도록 제어할 수 있다.

마이크로프로세서(250)는 리니어 발전기(150)의 시동시에는 리니어 발전기(150)의 고유 진동수로 구동되도록 제어할 수 있으며, 마이크로프로세서(250)는 리니어 발전기(150)의 발전시에는 발전되는 전류의 주파수 및 위상 기준점에 맞추어 스위칭할 수 있다. 또한, 마이크로프로세서(250)는 리니어 발전기(150)에서 발전되는 전류 또는 전압을 이용하여 피스톤(130)의 스트로크 및 전력량을 계산하여 리니어 발전기(150)의 최적 작동 조건을 결정할 수 있다. 이와 같이, 마이크로프로세서(250)는 감지회로(240)의 감지된 결과를 이용하여 리니어 발전기(150)의 기동(구동) 또는 발전상태를 제어할 수 있다.

리니어 발전기(150)의 시동시에는 리니어 발전기(150)의 설계시 결정되어 이미 알고 있는 고유진동수와 근사한 주파수로 발전기 구동용 스위치(230)를 구동하여 교류전류가 흐르도록 한다. 리니어 발전기(150)의 진동 진폭이 충분히 커질 때까지는 밸브(141,146)를 개폐하지 않다가, 어느 정도의 안정되고 충분한 진폭 및/또는 전류 상태가 되었을 때에는 설계시 결정되어 있는 위상각 및 구동전압으로 밸브(141,146)의 구동을 시작할 수 있다.

한편, 리니어 발전기(150)의 발전시에는 리니어 발전기(150)의 구동용 스위치(230)는 기동 또는 발전에 무관하게 교번하는 전류의 흐름 상태를 원활하게 하는 형태로 계속 구동될 수 있다. 시동이 되어 발전이 일어나면 인가하는 전력보다 발생하는 전력이 크므로 이로서 기동이 된 것을 확인하고 밸브(141,146) 구동의 최적화를 수행할 수 있다. 밸브(141,146)의 위상각 및 구동전압은 리니어 발전기(150)가 발생하는 주파수 및 전력량에 따라 리니어 발전기(150)의 설계시 미리 입력되어 있는 최적화 데이터 테이블을 참조하여 결정할 수 있다.

상기와 같이 리니어 발전기(150)의 흡입밸브(141) 또는 토출밸브(146)의 구동을 리니어 발전기의 전류에 동기되어 구동되는 동기모터를 이용함으로써 적은 전류와 구동력으로 밸브를 구동할 수 있으며, 전력소모가 적고 원가가 싸며 내구성이 높은 리니어 발전기 시스템을 구현할 수 있다.

도 10에 도시된 모터구동제어회로(200)는 밸브를 구동하는 모터의 코일이 1개이고 스위치가 4개인 경우에 해당하는데 이는 단상의 진동형 리니어 모터에 해당한다고 할 수 있다. 만약 도 9에 도시된 경우와 같이 회전형 동기모터를 사용하는 경우에는 3상을 사용하기 때문에 3개의 코일 및 6개의 스위치를 가진 모터구동제어회로를 사용하게 된다.

또한, 상기에서는 밸브를 구동하는 모터가 동기모터인 경우에 대해서 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 동기모터 대신 비동기모터에 엔코더 등의 센서를 장착하고 이러한 센서의 신호를 감지하여 동기화된 상태에서 밸브 내지 비동기모터가 작동하도록 구성하거나 제어할 수도 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: 리니어 발전기 시스템 120: 실린더
130: 피스톤 160: 프레임
171: 외측 고정자 173: 내측 고정자
180: 가동자 186,186a,186b: 마그네트
190: 압축 코일 공진 스프링 200: 모터구동제어회로

Claims

연료와 공기가 흡입되는 단일 실린더 및 상기 실린더 내에 제공되며 상기 연료와 공기가 압축되도록 상기 실린더 내에서 직선 왕복 운동하는 피스톤을 포함하는 2행정 프리 피스톤 엔진; 및
상기 피스톤과 연동되어 직선 왕복 운동하는 가동자 및 상기 가동자에 장착되어 자력을 생성하는 마그네트를 포함하는 리니어 발전기;를 포함하며,
상기 실린더에는 상기 리니어 발전기의 작동 주파수에 동기되어 개폐되는 토출밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템.
제1항에 있어서,
상기 엔진은 상기 리니어 발전기의 작동 주파수에 동기되어 개폐되며, 상기 피스톤의 일단에 형성된 흡입밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템.
제2항에 있어서,
상기 토출밸브 또는 상기 흡입밸브는 상기 리니어 발전기의 시동을 위해 상기 리니어 발전기에 가해지는 구동 주파수 또는 상기 엔진의 작동에 의해 상기 리니어 발전기에서 생성되는 발전 주파수에 동기되어 개폐되는 것을 특징으로 하는 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템.
제3항에 있어서,
상기 흡입밸브 또는 상기 토출밸브는,
상기 리니어 발전기의 구동을 위해 인가되는 구동전류의 구동 주파수 또는 상기 리니어 발전기에서 만들어지는 발전전류의 발전 주파수와 동기되어 작동하는 동기모터;
상기 동기모터의 구동에 의해 개폐되는 개폐부재; 및
상기 개폐부재의 직선 운동을 탄성적으로 지지하는 밸브지지부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템.
제4항에 있어서,
상기 동기모터는,
밸브 하우징;
상기 밸브 하우징 내면에 장착된 고정자;
상기 고정자의 내측에 제공되며, 상기 하우징의 길이 방향을 따라 직선 왕복운동하되 상기 개폐부재의 운동 방향과 동일한 방향으로 운동하는 밸브가동자;
상기 밸브가동자에 장착되며, 상기 고정자와의 상호 작용에 의해 자력을 생성하는 밸브 마그네트; 및
상기 밸브가동자의 양단을 탄성적으로 지지하도록 상기 하우징의 내부에 고정되는 밸브스프링;을 포함하며,
상기 밸브가동자의 일단이 상기 개폐부재의 일단을 충격함으로써 상기 개폐부재가 개폐되는 것을 특징으로 하는 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템.
제4항에 있어서,
상기 동기모터는,
밸브 하우징;
상기 밸브 하우징 내면에 장착된 고정자;
상기 고정자의 내측에 제공되며, 상기 하우징의 길이 방향을 따라 직선 왕복운동하되 상기 개폐부재의 운동 방향과 교차하는 방향으로 운동하는 밸브가동자;
상기 밸브가동자에 장착되며, 상기 고정자와의 상호 작용에 의해 자력을 생성하는 밸브 마그네트; 및
상기 밸브가동자를 탄성적으로 지지하도록 상기 하우징의 내부에 고정되는 밸브스프링;을 포함하고,
상기 개폐부재는 상기 밸브가동자의 일단에 형성된 밸브 캠의 돌기와의 접촉에 의해서 개폐되며, 상기 개폐부재의 일단에는 상기 돌기와 부드럽게 접촉되도록 곡면부가 형성된 것을 특징으로 하는 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템.
제6항에 있어서,
상기 캠 돌기는 상기 곡면부를 향하여 완만한 경사를 가지도록 형성된 것을 특징으로 하는 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템.
제4항에 있어서,
상기 동기모터는,
밸브 하우징;
상기 밸브 하우징 내부에 제공되는 회전구동부;
상기 회전구동부에 의해 회전하는 회전축; 및
상기 회전축의 일단에 형성된 밸브 캠;을 포함하고,
상기 개폐부재는 상기 밸브 캠의 돌기와의 접촉에 의해서 개폐되는 것을 특징으로 하는 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템.
제8항에 있어서,
상기 밸브 캠은 원형 몸체 및 상기 원형 몸체에서 외측을 돌출된 돌기를 포함하며,
상기 돌기와 상기 개폐부재의 일단이 접촉하게 되면 상기 개폐부재가 개방되는 것을 특징으로 하는 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템.
제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 흡입밸브 또는 상기 토출밸브가 상기 리니어 발전기의 구동 주파수 또는 발전 주파수에 동기되어 개폐되도록 상기 동기모터의 구동을 제어하는 모터구동제어회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템.
제10항에 있어서,
상기 모터구동제어회로는,
상기 리니어 발전기에 전원을 공급하고 상기 리니어 발전기의 시동 후에는 충전지로서 작동하는 대용량 충방전 배터리;
상기 대용량 충방전 배터리를 보호하는 전압안정용 콘덴서;
상기 리니어 발전기 및 상기 동기모터를 구동하는 스위치;
상기 리니어 발전기의 양단에 인가되는 전류 및 전압을 감지하는 감지회로; 및
상기 리니어 발전기 시스템을 구동하는 마이크로프로세서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템.
제11항에 있어서,
상기 감지회로는 상기 리니어 발전기 양단에 걸리는 전압 및 상기 리니어 발전기의 전류를 검출하고,
상기 마이크로프로세서는 검출된 상기 전압 및 전류로부터 상기 리니어 발전기의 전류 주파수 및 전류의 위상 기준점을 확인하는 것을 특징으로 하는 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템.
제12항에 있어서,
상기 마이크로프로세서는 상기 동기모터가 상기 전류 주파수와 동일한 구동 주파수를 가지는 전류에 의해 작동되게 하는 것을 특징으로 하는 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템.
제13항에 있어서,
상기 마이크로프로세서는 상기 리니어 발전기의 시동시에는 상기 리니어 발전기의 고유 진동수로 구동되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템.
제14항에 있어서,
상기 마이크로프로세서는 상기 리니어 발전기의 발전시에는 발전되는 전류의 주파수 및 위상 기준점에 맞추어 스위칭하는 것을 특징으로 하는 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템.
제15항에 있어서,
상기 마이크로프로세서는 상기 리니어 발전기에서 발전되는 전류 또는 전압을 이용하여 상기 피스톤의 스트로크 및 전력량을 계산하여 상기 리니어 발전기의 최적 작동 조건을 결정하는 것을 특징으로 하는 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템.
제16항에 있어서,
상기 리니어 발전기는,
상기 실린더의 일단에 형성되는 프레임;
상기 프레임의 내부에 고정 설치되는 외측 고정자;
상기 외측 고정자와 이격되도록 상기 프레임의 내부에 고정 설치되는 내측 고정자; 및
상기 외측 고정자와 상기 내측 고정자 사이에 형성된 간격을 따라 직선 왕복운동하는 상기 가동자를 지지하도록 상기 프레임 내부에 제공되며, 상기 가동자의 공진운동을 일으키는 다수개의 압축 코일 공진 스프링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템.
제17항에 있어서,
상기 리니어 발전기는 상기 가동자의 타단에 형성되어 상기 흡입유로로 흡입되는 연료 및 공기를 미리 압축하는 과급용 피스톤을 구비하고,
상기 피스톤과 상기 가동자와 상기 과급용 피스톤은 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템.
제18항에 있어서,
상기 프레임에는 상기 과급용 피스톤이 삽입되는 과급용 실린더가 형성되고, 상기 과급용 피스톤에는 제1 과급용 흡입밸브가 형성되며 상기 제1 과급용 흡입밸브와 마주 보도록 상기 과급용 실린더에는 제2 과급용 흡입밸브가 형성되는 것을 특징으로 하는 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템.
제3항에 있어서,
상기 흡입밸브 또는 상기 토출밸브는 비동기모터 및 엔코더를 포함하며, 상기 비동기모터는 상기 엔코더의 신호를 감지하여 상기 리니어 발전기와 동기화된 상태에서 상기 흡입밸브 또는 상기 토출밸브를 작동시키는 것을 특징으로 하는 2행정 프리 피스톤 엔진을 구비한 소형 경량 리니어 발전기 시스템.