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문제 정의
- 리니어제너레이터부의 고정자와 이동자 사이의 거리인 Lair gap의 변화에 따른 발전출력을 알아보기 위하여 실험을 하였다. 이 때, 당량비 1.
- 본 연구에서는 2 행정 리니어엔진을 적용한 파워팩의 발전출력과 이에 영향을 미치는 주요 인자를 파악하기 위해 연료의 투입 열량, 당량비 등과 같은 열역학적 조건과 점화시기 지연, 전기부하, Lair gap 등의 조건들을 가변시켜 엔진 성능시험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 리니어제너레이터가 결합된 2행정 리니어엔진을 이용하여 연료의 투입 열량, 점화시기 지연 및 당량비와 같은 열역학적 조건과 리니어제너레이터부의 이동자와 고정자 사이의 거리인 Lair gap와 같은 하드웨어적 조건을 변경하여 여러 가지 조건에에서 리니어엔진의 발전출력에 관한 실험을 하였다.
- 이에 본 연구에서는 2행정 리니어엔진을 적용한 파워팩의 발전출력과 이에 영향을 미치는 주요 인자를 파악하기 위해 연료의 투입 열량, 당량비 등과 같은 열역학적 조건과 점화시기 지연, 전기부하, Air gap length(이하 Lair gap) 등의 조건들을 가변시켜 엔진 성능시험을 실시하였다.
제안 방법
- 3.1절에서 언급한 연료의 투입 열량과 전기부하에 따른 발전출력 실험결과에서 최대발전출력이 생성되었던 전기부하 20Ω, 연료 투입 열량 5.88kJ/s 과 그 외의 조건들은 동일하게 한 상태에서 점화시기를 가변시켜 그에 따른 발전출력특성을 파악하였다.
- 70, 5.29, 5.88, 6.46, 7.05kJ/s 으로 하여 당량비를 0.8~1.2 까지 0.1 씩 가변시켰다. 이 때, 전기부하, Lair gap 및 점화시기 지연은 각 30Ω, 1.
- 셋째, 당량비 조건에 따른 발전출력을 확인하기 위한 실험조건은 다음과 같다. 공기유량은 90.0 LPM으로 고정시키고 연료의 투입 열량을 각 4.70, 5.29, 5.88, 6.46, 7.05kJ/s 으로 하여 당량비를 0.8~1.2 까지 0.1 씩 가변시켰다. 이 때, 전기부하, Lair gap 및 점화시기 지연은 각 30Ω, 1.
- 그리고 각 Lair gap 조건에서 전기부하를 가변시켜 가며 Vrms 와 Arms 을 측정하였다.
- 그리고 당량비 1.0 과 전기부하를 20Ω 으로, Lair gap 및 연료의 투입 열량을 각 1mm와 5.88kJ/s 으로 고정시켰다.
- 7에 나타내었다. 당량비를 가변시키기 위하여 공기유량은 90.0LPM으로 고정시키고 연료의 투입 열량을 각 4.70, 5.29, 5.88, 6.46, 7.05kJ/s 으로 가변시켜 당량비를 0.8~1.2 까지 각 0.1씩 변하도록 하였다. 이 때, 전기부하, Lair gap 및 점화시기 지연은 각 30Ω, 1.
- 둘째, 점화시기 지연에 따른 리니어엔진의 발전출력을 확인하기 위하여 엔진제어기에 설치된 Matlab simulink를 수정하여 점화시기 지연을 0.5, 1.0, 1.5, 2.0ms 으로 가변시켰다. 그리고 당량비 1.
- 53kJ/s 으로 각각 가변되었다. 또한 연료의 투입 열량과 전기부하에 따른 발전출력을 알아보기 위하여 프로판을 4.56, 5.21, 5.88, 6.53kJ/s 조건으로 공기와 예혼합하여 투입하였고, 당량비를 1.0으로 고정시키기 위해서 일정한 흡기 공급압력 하에서 흡기의 유량을70, 80, 90, 100LPM으로 가변시켰다. 이와 동시에 전기부하를 5, 10, 15, 20, 30, 40Ω 으로 가변시켰다.
- 마지막으로 Lair gap와 전기부하에 따른 발전출력을 확인하고자 Lair gap를 각 1.0mm와 2.0 mm 으로 가변시키고, 각 조건에서 전기부하를 5, 10, 15, 20, 30, 40 Ω으로 가변시켜 엔진성능실험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 발전출력을 파악하기 위하여 리니어제너레이터의 고정자에 스코프메터(Fluke; Scope meter 199c)를 연결하여 전압과 전류의 실효치인 Vrms와 Arms 값을 측정하였고, 두 실효치를 곱함으로써 발전출력을 구하였다.
- 연료의 투입 열량은 질량유량계로 조절한 연료의 질량유량에 밀도 및 저위발열량을 곱하여 나타내었다. 리니어엔진 특성상 각 사이클 마다 행정의 변화가 크기 때문에 연료의 투입 열량의 단위를 kJ/cycle 대신 kJ/s 로 정의하였다.
- 이 때, 전기부하, Lair gap 및 점화시기 지연은 각 30Ω, 1.0mm, 1.5ms 으로 고정하여 실험하였다.
- 리니어엔진의 구조적 특성으로 인하여 점화시기 지연은 이동자의 위치에 종속되어 가변되었다. 이동자에 달린 플레이트가 포토센서에 검지되어 5V의 디지털신호가 포토센서에서 엔진제어기로 전달되면 제어기에 입력된 Matlab simulink에서 점화시기를 0.5ms 부터 2.0ms 까지 각0.5ms 씩 지연시켜 점화장치로 신호를 보내는 방식으로 점화시기를 가변시켰다.
- 이를 제외한 나머지 변수인 당량비, 점화시기 지연 및 Lair gap은 각각 1.0, 1.5ms 그리고 2.0mm으로 고정한 상태에서 엔진성능실험을 실시하였다.
- 전기부하는 전기부하장치를 이용하여 리니어엔진의 제너레이터부의 저항을 직접적으로 걸어주고, 그 값을 5~40Ω 까지 각각 5Ω 씩 증가시켰다.
- 전기부하와 연료의 투입 열량에 따른 리니어엔진의 발전출력특성을 파악하고자 당량비를 1.0, 점화시기 지연을 1.0ms, Lair gap을 2.0mm 으로 고정하여 엔진성능실험을 실시하였고, 이에 따른 실험 결과를 Fig. 5 에 나타내었다.
- 질량유량계를 이용하여 연료의 공급유량을 가변시켰고 이를 통하여 연료의 투입 열량은 4.56, 5.21, 5.88, 6.53kJ/s 으로 각각 가변되었다. 또한 연료의 투입 열량과 전기부하에 따른 발전출력을 알아보기 위하여 프로판을 4.
- 첫째, 연료의 투입 열량과 전기부하에 따른 발전 출력을 알아보기 위하여 프로판을 4.56, 5.21, 5.88, 6.53kJ/s 조건으로 공기와 예혼합하여 투입하였고, 당량비를 1.0으로 고정시키기 위해서 일정한 흡기 공급압력 하에서 흡기의 유량을 70, 80, 90, 100LPM으로 가변시켰다. 이와 동시에 전기부하를 5, 10, 15, 20, 30, 40Ω으로 가변시켰다.
- 기존의 파워팩은 엔진과 제너레이터를 축을 이용하여 직렬로 연결하기 때문에 회전형 발전기가 사용되었었다. 하지만 본 실험에서는 리니어엔진과 일체형으로 리니어 제너레이터를 제작하여 전체적으로 시스템의 크기 및 부피를 최소화할 수 있도록 설계하였다9). 실험 장치는 크게 리니어엔진 및 제너레이터, 센서와 점화장치 및 엔진 제어부, 데이터 취득부로 구성되었다.
대상 데이터
- 3에 나타내었다. 또한, Kistler 사의 압력센서(Kistler ; 6052C)를 이용하여 Front 및 Rear 연소실 압력을 측정하였고 증폭기(Kitsler ; 5018A)를 통하여 신호를 증폭시킨 후 최종적으로 아날로그 신호로 데이터를 취득하였다. 이동자의 위치, 연소실 압력 및 점화신호의 샘플링 시간은 100kHz 이었고, 각 센서에서 취득한 데이터는 DAQ보드를 거쳐 컴퓨터에 텍스트 파일로 저장되었다.
- 리니어엔진 이동자의 위치를 실시간으로 검지하기 위하여 광학 변위센서(KAIS Co. ; KL3A-N1)를 사용하였다. 또한, 이동자의 위치를 광투과형 포토센서(Sharp ; GP1S092HCPIF)를 이용하여 검지하고 포토센서에서 발생한 디지털 신호는 엔진제어기(ECU)로 입력된다.
- 3은 리니어엔진 연소실의 개략도를 나타내었다. 리니어엔진의 총 행정길이는 31mm 이며 배기포트가 닫히고 나서 이루어지는 유효 행정길이는 18mm 이다. 리니어엔진은 각 행정마다 변동이 심한 운동특성을 가지므로 압축비 변동이 존재한다10).
- 리니어엔진은 각 행정마다 변동이 심한 운동특성을 가지므로 압축비 변동이 존재한다10). 본 연구에서 사용된 리니어엔진의 설계상 최대 압축비는 27.23이다.
- 하지만 본 실험에서는 리니어엔진과 일체형으로 리니어 제너레이터를 제작하여 전체적으로 시스템의 크기 및 부피를 최소화할 수 있도록 설계하였다9). 실험 장치는 크게 리니어엔진 및 제너레이터, 센서와 점화장치 및 엔진 제어부, 데이터 취득부로 구성되었다.
성능/효과
- 1) 연료의 투입 열량이 증가할수록 발전출력이 증가하는 것 실험을 통하여 확인하였다. 각 투입 열량조건에서 전기부하가 20Ω 에서 40Ω 으로 증가할수록 발전출력이 증가하는 경향을 보였으나 20Ω 이상으로 증가하면 오히려 발전출력이 감소하는 경향을 보였다.
- 2) 점화시기 지연이 증가할수록 발전 출력이 증가하는 경향을 보였다. 특히 점화시기 지연을 1.
- 3) 당량비가 0.8 에서 1.0 까지는 Vrms 와 Arms 가 증가하면서 결과적으로 발전출력이 증가하는 경향을 보였다. 하지만 당량비 1.
- 4) 발전출력은 Lair gap 이 1.0mm 일 때 2.0mm 보다 대체적으로 높게 생성되었다. 또한, Lair gap 이 1.
- Lair gap = 1.00mm, 전기부하 30Ω 조건일 때 Vrms = 76.9V, Arms = 1.45A 가 측정되었고, 계산을 통하여 최고발전 출력 111.3W를 확인하였다.
- Lair gap 이2.0mm 일 때, 20Ω에서 가장 높은 발전출력을 보였으나, 전기부하를 증가 시킬수록 발전출력은 점점 감소하였다.
- 각 연료의 투입 열량 조건에서 전기부하가 20Ω 에서 40Ω 으로 증가할수록 발전출력이 증가하는 경향을 보였으나 20Ω 이상으로 증가하면 오히려 발전출력이 감소하는 경향을 보였다.
- 각 투입 열량조건에서 전기부하가 20Ω 에서 40Ω 으로 증가할수록 발전출력이 증가하는 경향을 보였으나 20Ω 이상으로 증가하면 오히려 발전출력이 감소하는 경향을 보였다.
- 고정자와 이동자 사이의 거리인 Lair gap 은 발전출력에 충분한 영향을 준다는 것을 확인하였다. 거리가 짧을수록 발전출력이 증가한다는 것은 충분히 예측할 수 있는 사실이다.
- 0 이후로는 점차 감소하는 경향을 보였다. 당량비 1.0 조건에서 발전 출력이 가장 높은 것을 확인할 수 있었으며, 이 조건에서 피스톤의 속도가 가장 높았을 것이라고 판단된다.
- 0 이후로는 점차 감소하는 경향을 보였다. 당량비 1.0 조건에서 발전출력이 가장 높은 것을 확인할 수 있었으며, 이는 사이클 당 피스톤의 일이 증가하였거나 피스톤의 속도가 당량비 1.0 조건에서 가장 높았을 것이라고 판단되어진다. 이에 대한 근거 제시는 차후에 언급하도록 할 것이다.
- 당량비가 0.8에서 1.0 까지는 Vrms 와 Arms 가 증가하면서 결과적으로 발전출력이 증가하는 경향을 보였으나 당량비 1.0 이후로는 점차 감소하는 경향을 보였다.
- 또한, Lair gap 이 1.0mm 일 때, 30Ω 조건에서 가장 높은 발전출력이 생성되었으며, 전기부하가 증가할수록 발전출력이 감소하는 경향을 보였다.
- 실험 결과, 연료의 투입 열량과 공기유량 및 전기부하가 각각 5.88kJ/s, 90LPM, 20Ω 조건에서의 전압과 전류의 실효치는 각 43.5V, 2.08A 였으며, 가장 높은 발전출력인 90.48W이 생성되었다.
- 실험 결과, 점화시기 지연이 증가할수록 발전 출력이 증가하는 경향을 보였다. 특히 점화시기를 1.
- 전기부하는 5 Ω부터 40Ω 까지 증가시켰으며, Lair gap 이 1.00mm 일 때는 30Ω 일 때 가장 높은 발전출력이 생성되었으며, 전기부하가 증가할수록 발전출력이 감소하는 경향을 보였다.
- 실험 결과, 점화시기 지연이 증가할수록 발전 출력이 증가하는 경향을 보였다. 특히 점화시기를 1.5ms로 지연하였을 때 발전출력이 93.9W로 각 조건들 중 가장 높은 발전출력이 생성되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 점화시기 지연을 1.
후속연구
- 하지만 Lair gap이 짧아질수록 리니어제너레이터의 자기저항증가에 의하여 리니어엔진의 초기구동에 필요한 소비전력이 더 커지게 된다. 이를 고려하여 적합한 Lair gap 조건을 찾는 것도 앞으로 추가적으로 수행될 것이다.
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