KR20220146163A - 하이브리드 에어모빌리티 시스템 - Google Patents

하이브리드 에어모빌리티 시스템 Download PDF

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정상현
장병욱
이근석
이희광
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Abstract

본 발명에서는 엔진과 배터리의 효율적인 가동을 통해 장거리 비행이 가능하도록 하다. 또한, 에어모빌리티의 후방에 프로펠러가 구비되는 타입에서, 엔진 구동시 발생되는 고온의 배기가스가 프로펠러를 피하도록 하여 프로펠러의 손상이 방지되는 하이브리드 에어모빌리티 시스템이 소개된다.

Description

하이브리드 에어모빌리티 시스템 {HYBRID AIRMOBILITY SYSTEM}
본 발명은 엔진과 배터리를 혼용하여 배터리의 전기에너지 효율을 향상시켜 비행효율을 증가시키고, 엔진 구동시 발생되는 고온의 배기가스에 의한 프로펠러의 손상이 방지되는 하이브리드 에어모빌리티 시스템에 관한 것이다.
최근에는 화물 컨네이너, 의료 수송 등 다양한 방면으로 사용 가능한 에어 모빌리티가 개발중에 있으며, 비행 모빌리티의 에너지 효율 및 안정화가 개발되어 실용화 단계에 이르고 있다.
이러한 에어 모빌리티는 프로펠러의 기동을 통해 비행되나, 프로펠러의 기동을 위한 전기에너지를 충당하기 위해서는 배터리만으로 제약이 발생된다. 즉, 에어빌리티의 장거리 비행을 위해 내연기관엔진과 배터리가 적용되는 하이브리드 방식이 적용된다. 이러한 하이브리드 방식은 배터리의 전기에너지를 통해 프로펠러가 기동되도록 하고, 부족한 전기에너지를 내연기관엔진이 전기발전하여 동력을 보완한다.
그러나 프로펠러가 엔진 후방에 배치될 경우, 내연기관엔진의 동작시 배출된 고온의 배기가스가 프로펠러측으로 전달되기 때문에 내열성이 우수한 금속 프로펠러를 사용하는데, 금속 프로펠러의 경우 무게가 무거움에 따른 문제가 있다. 이에 따라, 경량 복합재 프로펠러를 사용해야 하지만, 복합재 프로펠러의 경우 상대적으로 열에 취약함에 따라 고온의 배기가스에 영향을 받아 성능이 저하되거나 손상되는 문제가 있다.
이에 따라, 에어 모빌리티는 프로펠러를 엔진 앞에 배치하는 타입이 적용되지만, 탑승객 또는 수화물과 함께 각종 센싱 장비가 에어모빌리티의 전방에 배치되기 때문에 프로펠러를 엔진 앞에 배치하는 타입에 제약이 발생된다.
즉, 프로펠러가 후방에 배치되는 타입에서, 엔진의 배기가스에 의한 프로펠러의 손상을 최소화하는 방안이 요구된다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2017-0140972 A (2017.12.22)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 내연기관엔진과 배터리의 효율적인 가동을 통해 장거리 비행이 가능하도록 하고, 엔진 구동시 발생되는 고온의 배기가스에 의한 프로펠러의 손상이 방지되는 하이브리드 에어모빌리티 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하이브리드 에어모빌리티 시스템은 프로펠러에 전력을 공급하기 위한 엔진 및 제네레이터와 전장기가 탑재되고, 엔진과 전장기로 공기가 유통되도록 유입구와 배출구를 가지는 덕트가 구비된 기체; 덕트의 배출구에 회전 가능하게 설치되어 엔진에서 발생된 배기가스와 전장기를 냉각한 냉각용공기의 배출방향이 전환되도록 하는 디플렉터; 및 엔진의 구동 여부를 판단하고, 엔진의 구동량에 따라 디플렉터의 회전 위치를 제어하여 배기가스와 냉각용공기가 프로펠러측으로 이동되는 것을 선택적으로 조절하는 하는 제어기;를 포함한다.
기체에는 후방부에 프로펠러가 설치되고, 프로펠러의 전방으로 덕트가 구비되어 엔진 및 제네레이터가 프로펠러의 전방에 위치된 것을 특징으로 한다.
덕트에는 유입구를 통해 유입되는 공기를 구획하여 엔진과 전장기에 각각 유통되도록 하는 가이드가 설치된 것을 특징으로 한다.
덕트는 가이드에 의해 유입구에서 엔진측으로 연장되는 제1유통경로와, 유입구에서 배기구까지 연장되며 전장기가 마련된 제2유통경로로 구성된 것을 특징으로 한다.
엔진은 배기가스가 배출되는 배기구가 덕트내에 배치되고, 전장기는 덕트의 유입구와 배출구 사이에서 엔진의 배기구보다 전방에 배치된 것을 특징으로 한다.
엔진 및 제네레이터는 기체 내부에 탑재되고, 전장기는 덕트 내부에 마련되며, 엔진의 배기구가 덕트측으로 연장되되 덕트 내부의 공기 유통경로에 대해 수직한 방향으로 개통되게 형성된 것을 특징으로 한다.
제어기는 기체의 비행속도 정보를 입력받고, 기체의 비행속도가 설정속도 이상임에 따른 엔진 구동시 디플렉터가 배출구측으로 세워지되록 회전 위치를 제어하는 것을 특징으로 한다.
기체에는 제네레이터와 전기적으로 연결된 배터리가 탑재되고, 제어기는 배터리 충전을 위한 엔진 구동시, 디플렉터가 배출구측으로 세워지되록 회전 위치를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 하이브리드 에어모빌리티 시스템은 엔진과 배터리의 효율적인 가동을 통해 장거리 비행이 가능하도록 하다. 또한, 에어모빌리티의 후방에 프로펠러가 구비되는 타입에서, 엔진 구동시 발생되는 고온의 배기가스가 프로펠러를 피하도록 하여 프로펠러의 손상이 방지된다.
도 1은 본 발명의 하이브리드 에어모빌리티 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 디플렉터의 전개 전 상태를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 디플렉터의 전개 후 상태를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 하이브리드 에어모빌리티 시스템의 제어 순서도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 하이브리드 에어모빌리티 시스템에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 하이브리드 에어모빌리티 시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 디플렉터의 전개 전 상태를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 디플렉터의 전개 후 상태를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 하이브리드 에어모빌리티 시스템의 제어 순서도이다.
본 발명에 따른 하이브리드 에어모빌리티 시스템은 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 프로펠러(110)에 전력을 공급하기 위한 엔진(120) 및 제네레이터(130)와 전장기(140)가 탑재되고, 엔진(120)과 전장기(140)로 공기가 유통되도록 유입구(210)와 배출구(220)를 가지는 덕트(200)가 구비된 기체(100); 덕트(200)의 배출구(220)에 회전 가능하게 설치되어 엔진(120)에서 발생된 배기가스와 전장기(140)를 냉각한 냉각용공기의 배출방향이 전환되도록 하는 디플렉터(300); 및 엔진(120)의 구동 여부를 판단하고, 엔진(120)의 구동량에 따라 디플렉터(300)의 회전 위치를 제어하여 배기가스와 냉각용공기가 프로펠러(110)측으로 이동되는 것을 선택적으로 조절하는 하는 제어기(400);를 포함한다.
본 발명에서 기체(100)에는 프로펠러(110)의 구동을 위해 엔진(120), 제네레이터(130), 배터리(500) 외에 오일쿨러 등의 전장부품을 포함하는 전장기(140)가 구비된다.
여기서, 엔진(120)은 연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 내연기관이고, 배터리(500)는 전기에너지를 저장한다. 제너레이터(130)는 엔진(120)으로부터 발생된 동력을 전달받아 전력을 생성하거나, 배터리(500)로부터 전달된 전력에 의해 구동되어 회전 동력을 발생시켜 프로펠러(110)가 동작되도록 한다. 이에 따라, 제너레이터(120)는 클러치(C)를 매개로 프로펠러(110)에 연결됨으로써, 클러치(C)의 치합 여부에 따라 제너레이터의 회전 동력이 프로펠러(110)에 선택적으로 전달된다. 이러한 프로펠러(110)는 기체(100)가 전방으로 비행될 수 있도록 추력을 발생시키는 것으로, 기체(100)의 후방부에 마련될 수 있다.
이외에 기체(100)에는 날개(W)에 복수개 마련되어 기체(100)의 이착륙시 상하방향으로 추력을 발생시키는 프로펠러(P)가 더 구비될 수 있으며, 해당 프로펠러(P)는 배터리(500)와 전기적으로 연결된 별도의 모터(M)를 통해 구동될 수 있다.
즉, 도 1에서 볼 수 있듯이, 기체(100)에는 비행시 양력을 생성하기 위한 날개(W)가 구비되고, 날개(W)에 설치된 프로펠러(P)가 상하방향으로 추력을 발생시킨다. 한편, 기체(100)의 후방부에 설치된 프로펠러(110)는 에어모빌리티가 전방으로 비행되도록 하는 추력을 발생시킨다.
특히, 본 발명은 기체(100)의 후방부에 프로펠러(110)가 설치되고, 프로펠러(110)의 전방으로 덕트(200)가 구비되어 엔진(120) 및 제네레이터(130)가 프로펠러(110)의 전방에 위치됨으로써, 기체(100)의 전방으로 탑승자 또는 수화물의 탑승이 용이하고, 각종 센싱 장비를 포함한 부가 장치의 설치가 용이하다. 또한, 기체(100)는 후방부에 엔진(120), 제네레이터(130), 전장기(140)를 포함한 부품들이 배치되고, 전방부에 탑승자, 수화물을 포함한 부가 장치가 마련됨에 따라, 기체(100)의 밸런스가 향상된다.
한편, 본 발명은 덕트(200)의 배출구(220)에 디플렉터(300)가 회전 가능하게 설치되어 엔진(120)에서 발생된 배기가스와 전장기(140)를 냉각한 냉각용공기의 배출방향이 전환되도록 한다. 이러한 디플렉터(300)는 제어기(400)에 의해 제어되며, 리니어액추에이터로 구성되거나, 링크 구조를 매개로 별도의 모터 동작에 의해 회전되도록 설치될 수 있다. 디플렉터(300)의 경우 배출구(220)보다 크게 형성되지 않도록 하여, 에어모빌리티의 비행시 디플렉터(300)에 의한 항력 증가가 최소화되도록 한다.
이를 통해, 제어기(400)는 엔진(120)의 구동 여부를 판단하여 디플렉터(300)의 회전 위치를 제어한다. 즉, 제어기(400)는 엔진(120)이 구동되되 엔진(120)의 구동량이 커짐에 따라 고온의 배기가스가 발생될 경우 디플렉터(300)의 회전 위치를 제어하여 디플렉터(300)가 덕트(200)의 배기구측에 세워지도록 한다. 이로 인해, 엔진(120)이 구동되어 발생된 고온의 배기가스는 덕트(200)의 배기구를 통해 배출되되 디플렉터(300)에 의해 배출방향이 전환됨으로써, 배기가스가 프로펠러(110)에 직접 전달되지 않음에 따라 배기가스에 의한 프로펠러(110)의 손상이 회피된다.
상술한 본 발명에 대해서 구체적으로 설명하면, 덕트(200)에는 유입구(210)를 통해 유입되는 공기를 구획하여 엔진(120)과 전장기(140)에 각각 유통되도록 하는 가이드(230)가 설치된다. 이러한 가이드(230)는 덕트(200)의 유입구(210)에 유입되는 공기가 엔진(120)측과 전장기(140)측으로 분할되면서 유통되도록 하여, 엔진(120) 구동시 필요한 공기를 공급함과 함께 전장기(140)의 냉각에 필요한 공기를 공급한다. 즉, 덕트(200)의 유입구(210)는 전체 면적이 가이드(230)에 의해 분할되되 통상적으로 엔진(120)에서 요구되는 공기량이 더 크기 때문에, 가이드(230)의 위치는 유입구(210)의 전체 면적에서 엔진(120)측의 면적이 더 크도록 배치될 수 있다.
이에 따라, 도 2에서 볼 수 있듯이, 덕트(200)는 가이드(230)에 의해 유입구(210)에서 엔진(120)측으로 연장되는 제1유통경로(240)와, 유입구(210)에서 배기구까지 연장되며 전장기(140)가 마련된 제2유통경로(250)로 구성될 수 있다.
즉, 덕트(200)는 가이드(230)에 의해 유입구(210)가 분할되어 제1유통경로(240)와 제2유통경로(250)를 형성함으로써, 유입구(210)를 통해 유입된 공기의 일부가 제1유통경로(240)를 통해 엔진(120)측으로 유통되고, 나머지 공기가 제2유통경로(250)를 통해 전장기(140)로 유통된다. 이로 인해, 덕트(200)의 제1유통경로(240)를 통해 엔진(120)으로 유통된 공기는 엔진(120)에서 연소되어 동력원으로 사용되고, 제2유통경로(250)를 통해 전장기(140)로 유통된 공기는 전장기(140)를 냉각한다.
한편, 엔진(120)은 배기가스가 배출되는 배출구(220)가 덕트(200)내에 배치되고, 전장기(140)는 덕트(200)의 유입구(210)와 배출구(220) 사이에서 엔진(120)의 배출구(220)보다 전방에 배치된다.
또한, 엔진(120) 및 제네레이터(130)는 기체(100) 내부에 탑재되고, 전장기(140)는 덕트(200) 내부에 마련되며, 엔진(120)의 배기구가 덕트(200)측으로 연장되되 덕트(200) 내부의 공기 유통경로에 대해 수직한 방향으로 개통되게 형성된다.
도 3에서 볼 수 있듯이, 덕트(200)의 유입구(210)와 배출구(220) 사이에는 전장기(140)가 엔진(120)의 배출구(220)보다 전방에 배치됨으로써, 에어모빌리티의 비행시 유입된 공기가 전장기(140)를 냉각 후 배출구(220)를 통해 배출된 배기가스와 혼합될 수 있다. 즉, 엔진(120)의 배기가스는 고온을 이루고, 덕트(200)에서 전장기(140)를 냉각한 냉각용공기는 전장기(140)를 냉각하더라도 배기가스보다 상대적으로 낮은 온도를 이룬다. 이로 인해, 덕트(200)의 유입구(210)에 유입된 공기에 의해 전장기(140)가 냉각되고, 전장기(140)를 냉각한 냉각용공기가 배출구(220)를 통해 배출된 배기가스와 열교환되어 배기가스의 온도를 낮춤으로써, 배출구(220)를 통해 배출되는 배기가스에 의한 프로펠러(110)의 손상이 방지된다. 또한, 엔진(120)의 배출구(220)가 덕트(200) 내부의 공기 유통경로에 대해 수직한 방향으로 개통되게 형성됨으로써, 배출구(220)를 통해 배출된 배기가스와 전장기(140)를 통과한 냉각용공기의 혼합이 더욱 원활히 수행된다. 아울러, 전장기(140)가 엔진(120)의 배출구(220)보다 전방에 배치됨에 따라, 에어모빌리티의 순항시 전장기(140)가 배기가스의 영향을 받지 않아 전장기(140)의 원활한 냉각이 수행된다.
한편, 제어기(400)는 도 4에 도시된 바와 같이, 엔진(120)의 구동 상태에 따라 디플렉터(300)를 제어한다.(S10~S60)
즉, 제어기(400)는 기체(100)의 비행속도 정보를 입력받고, 기체(100)의 비행속도가 설정속도 이상임에 따른 엔진(120) 구동시 디플렉터(300)가 배출구(220)측으로 세워지되록 회전 위치를 제어할 수 있다.
제어기(400)는 기체(100)에 구비된 센서들을 통해 기체(100)의 비행속도 정보를 입력받는다. 이를 통해, 제어기(400)는 기체(100)의 비행속도가 설정속도 이상일 경우 엔진(120)에서 배출된 고온의 배기가스가 프로펠러 방향으로 모멘텀이 커짐에 따라 고온의 배기가스가 프로펠러(110)를 손상시킬 수 있는 것으로 판단한다. 이에 따라, 제어기(400)는 기체(100)의 비행속도가 설정속도 이상일 경우 디플렉터(300)를 제어하여 디플렉터(300)가 배출구(220)측으로 세워지도록 함으로써, 배출구(220)를 통해 배출되는 배기가스가 디플렉터(300)에 의해 배출방향이 전환되도록 한다. 이로 인해, 덕트(200)의 배출구(220)를 통해 배출되는 배기가스는 프로펠러(110)에 직접적으로 간섭되지 않음에 따라, 고온의 배기가스에 의한 프로펠러(110)의 손상이 방지된다. 아울러, 덕트(200)의 배출구(220)에 디플렉터(300)가 세워짐에 따라, 배출구(220)를 통한 배기가스의 흐름에 간섭이 발생되어 전장기(140)를 냉각한 냉각용공기와 배출가스의 혼합이 촉진된다. 이로 인해, 프로펠러(110)는 덕트(200)의 배출구(220)를 통해 배출된 배기가스에 의한 영향이 감소되어 프로펠러(110)의 손상이 방지된다. 이후, 제어기(400)는 기체의 비행속도가 설정속도 미만일 경우 디플렉터(300)가 뉘어지도록 제어한다.
한편, 기체(100)에는 제네레이터(130)와 전기적으로 연결된 배터리(500)가 탑재되고, 제어기(400)는 배터리(500) 충전을 위한 엔진(120) 구동시, 디플렉터(300)가 배출구(220)측으로 세워지되록 회전 위치를 제어한다.
기체(100)에 구비된 배터리(500)는 배터리충전량이 낮아 충전이 요구될 경우 엔진(120) 및 제네레이터(130)의 동작에 의해 생산된 전기에너지를 통해 충전이 수행된다. 이때, 배터리충전량이 낮을수록 엔진(120)의 구동량이 커짐에 따라 고온의 배기가스가 발생될 수 있다.
따라서, 제어기(400)는 배터리(500) 충전을 위한 엔진(120) 구동시, 디플렉터(300)가 배출구(220)측으로 세워지도록 회전위치를 제어함으로써, 덕트(200)의 배출구(220)를 통해 배출되는 배기가스가 프로펠러(110)에 직접적으로 간섭되지 않도록 하여 프로펠러(110)의 손상이 방지되도록 한다. 아울러, 덕트(200)의 배출구(220)에 디플렉터(300)가 세워짐에 따라, 배출구(220)를 통한 배기가스의 흐름에 간섭이 발생되어 전장기(140)를 냉각한 냉각용공기와 배출가스의 혼합이 촉진된다. 이로 인해, 프로펠러(110)는 덕트(200)의 배출구(220)를 통해 배출된 배기가스에 의한 영향이 감소되어 프로펠러(110)의 손상이 방지된다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 하이브리드 에어모빌리티 시스템은 엔진(120)과 배터리(500)의 효율적인 가동을 통해 장거리 비행이 가능하도록 하다. 또한, 에어모빌리티의 후방에 프로펠러(110)가 구비되는 타입에서, 엔진(120) 구동시 발생되는 고온의 배기가스가 프로펠러(110)를 피하도록 하여 프로펠러(110)의 손상이 방지된다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100:기체 110:프로펠러
120:엔진 130:제네레이터
140:전장기 200:덕트
210:유입구 220:배출구
230:가이드 240:제1유통경로
250:제2유통경로 300:디플렉터
400:제어기 500:배터리

Claims (8)

  1. 프로펠러에 전력을 공급하기 위한 엔진 및 제네레이터와 전장기가 탑재되고, 엔진과 전장기로 공기가 유통되도록 유입구와 배출구를 가지는 덕트가 구비된 기체;
    덕트의 배출구에 회전 가능하게 설치되어 엔진에서 발생된 배기가스와 전장기를 냉각한 냉각용공기의 배출방향이 전환되도록 하는 디플렉터; 및
    엔진의 구동 여부를 판단하고, 엔진의 구동량에 따라 디플렉터의 회전 위치를 제어하여 배기가스와 냉각용공기가 프로펠러측으로 이동되는 것을 선택적으로 조절하는 하는 제어기;를 포함하는 하이브리드 에어모빌리티 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    기체에는 후방부에 프로펠러가 설치되고, 프로펠러의 전방으로 덕트가 구비되어 엔진 및 제네레이터가 프로펠러의 전방에 위치된 것을 특징으로 하는 하이브리드 에어모빌리티 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    덕트에는 유입구를 통해 유입되는 공기를 구획하여 엔진과 전장기에 각각 유통되도록 하는 가이드가 설치된 것을 특징으로 하는 하이브리드 에어모빌리티 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    덕트는 가이드에 의해 유입구에서 엔진측으로 연장되는 제1유통경로와, 유입구에서 배기구까지 연장되며 전장기가 마련된 제2유통경로로 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 에어모빌리티 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    엔진은 배기가스가 배출되는 배기구가 덕트내에 배치되고,
    전장기는 덕트의 유입구와 배출구 사이에서 엔진의 배기구보다 전방에 배치된 것을 특징으로 하는 하이브리드 에어모빌리티 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    엔진 및 제네레이터는 기체 내부에 탑재되고, 전장기는 덕트 내부에 마련되며, 엔진의 배기구가 덕트측으로 연장되되 덕트 내부의 공기 유통경로에 대해 수직한 방향으로 개통되게 형성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 에어모빌리티 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    제어기는 기체의 비행속도 정보를 입력받고, 기체의 비행속도가 설정속도 이상임에 따른 엔진 구동시 디플렉터가 배출구측으로 세워지되록 회전 위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에어모빌리티 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    기체에는 제네레이터와 전기적으로 연결된 배터리가 탑재되고,
    제어기는 배터리 충전을 위한 엔진 구동시, 디플렉터가 배출구측으로 세워지되록 회전 위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에어모빌리티 시스템.
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