초록 ▼

연료가 가지고 있는 에너지를 전기에너지로 변환하는 방식에는 크게 연료를 연소시켜 기계적인 에너지를 얻고, 이를 다시 전기에너지로 변환하는 방식과 연료의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 방식이 있다. 후자의 경우는 연료전지(Fuel Cell)로, 수소를 사용하는 경우에 효율이 매우 높고(35~70 %), 연소에 의한 소음 및 진동 등이 없어 휴대용 전자기기 등의 동력원으로서 적합하다. 따라서 현재 휴대용 파워적 관련 연구는 대부분 여기에 집중되고 있으며, 기술적인 측면에서도 많은 성과가 있었다 이미 휴대폰 및 MP3 플레이어

연료가 가지고 있는 에너지를 전기에너지로 변환하는 방식에는 크게 연료를 연소시켜 기계적인 에너지를 얻고, 이를 다시 전기에너지로 변환하는 방식과 연료의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 방식이 있다. 후자의 경우는 연료전지(Fuel Cell)로, 수소를 사용하는 경우에 효율이 매우 높고(35~70 %), 연소에 의한 소음 및 진동 등이 없어 휴대용 전자기기 등의 동력원으로서 적합하다. 따라서 현재 휴대용 파워적 관련 연구는 대부분 여기에 집중되고 있으며, 기술적인 측면에서도 많은 성과가 있었다 이미 휴대폰 및 MP3 플레이어 등 휴대용 전자기기의 동력원으로 사용될 수 있는 휴대용 연료전지가 개발이 완료되어 곧 상용화가 될 것으로 전망되고 있다 하지만 기술적인 측면에서 연료전지가 괄목할만한 발전을 이루어 제품화 단계까지는 이루었지만, 본격적인 상품화가 이루어지기 위해서는 앞으로도 해결해야할 많은 문제점들이 있다. 첫째는 가격 측면에서 매우 고가인 단점이 있어서, 아직까지 일반적으로 사용되기는 어려울 것으로 판단된다. 또한 수소가 아닌 기존의 화석연료(LPG, 가솔린 등)를 사용하는 경우에는 이를 개질하여 사용해야 하기 때문에 연료의 효율이 기존의 내연기관에 비해 그리 높지 않을 것으로 생각되며, 이 또한 상품화되기 위해서 해결해야할 과제로 남아있다 그리고 아직까지 내구성 측면에서도 해결해야할 문제점 들이 있다.
반면에 열기관(Heat Engine)에 의해 연료를 연소시켜 기계적인 에너지를 얻고, 이를 다시 전기에너지로 변환하는 시스템의 경우에는, 에너지의 변환 과정에서 손실이 발생하여 전체 시스템 효율이 저하되며, 연소에 의한 진동 및 소음 등이 문제가 된다. 또한 일반적으로 소형화될수록 열기관의 열손실이 크게 증가하여 효율이 매우 낮은 단점이 있다. 하지만, 제작단가가 연료전지에 비해 상대적으로 저렴하며, 내구성 측면에서도 유리한 점이 있다. 그리고 탄화수소 연료를 사용하는 내연기관(IC Engine)이 연료전지에 비해 에너지밀도 측면에서 우수한 장점이 있다.
따라서 본 연구에서는 초소형 엔진 및 발전기를 개발하여, 이를 이용한 휴대형 파워팩을 개발하고자 한다. 그리고 엔진의 효율 및 내구성을 높이기 위하여, 리니어엔진기존 소형 엔진은 피스톤의 선형 왕복운동을 크랭크축과 플라이휠을 이용하여 회전운동으로 변환하는 왕복동형 엔진이며, 전기출력을 얻기 위해서 회전형 제너레이터를 엔진 크랭크축에 연결하여 사용하게 된다. 반면에 리니어엔진은 피스톤이 선형 왕복운동을 변환 없이 그대로 동력으로 사용하는 엔진을 말하며, 발전기처럼 회전 구동력이 필요 없는 경우라면 기존의 회전형 제너레이터 대신에 리니어제너레이터를 장착하여 전기적인 출력을 얻을 수 있다. 리니어엔진/제너레이터 시스템이 갖는 장점으로는, 피스톤의 선형 왕복운동을 회전운동으로 변환하지 않고 바로 사용하기 때문에, 피스톤의 측면 마찰저항이 크게 감소하여 효율이 증가하며, 크랭크 및 플라이휠이 없기 때문에 무게 및 부피 측면에서 유리하여 컴팩트한 소형화가 가능한 장점이 있다 따라서 기존 엔진에 비해 효율이 우수하고, 부피 및 무게를 줄일 수 있는 리니어엔진이 휴대형 파워팩의 동력원으로 적합할 것으로 판단되어 본 연구에서는 리니어엔진 개념을 도입하였다. 또한 엔진이 소형화될수록 단열손실이 증가하여 효율이 급격하게 줄어들고, 내구성 등이 악화되는 것을 개선하기 위해서 피스톤 및 실린더슬리브를 세라믹 재질로 사용하여 제작하였다.

Abstract ▼

In this study, we develope a micro linear engine and generator for portable power pack. To increase the efficiency and endurance, we made a piston and cylinder sleeve by ceramic materials. An existing internal combustion reciprocating engine that is constrained in crank mechanism isn't expected to i

In this study, we develope a micro linear engine and generator for portable power pack. To increase the efficiency and endurance, we made a piston and cylinder sleeve by ceramic materials. An existing internal combustion reciprocating engine that is constrained in crank mechanism isn't expected to improve efficiency anymore. but, As Linear Engine don't have crank mechanism, there is no mechanical loss and the engine can change that's expansion energy to compression and outside work as much as it possible Therefore linear engines give power output more efficiently compared to conventional reciprocating piston engine. In addition, if DME fuel is used in a linear engine using HCCI combustion technology, It would be possible to make exhaust emission level very low.

목차 Contents

• 제 1 장 서론 ...18
• 제 2 장 연구의 필요성 및 목적 ...22
• 제 1 절 현재 기술 및 한계 ...22
• 1. 2차전지 (Rechargeable Batteries)의 에너지 밀도 ...23
• 2. 방전시간에 따른 배터리의 용량 변화 ...25
• 3. 배터리의 수명 ...26
• 4. 배터리의 충전균일화(Charge equalization) ...27
• 제 2 절 연구목적 및 활용성 ...29
• 1. 내연기관 방식의 파워팩 단점 및 장점 ...29
• 2. 내연기관 방식의 파워팩 활용성 ...31
• 제 3 장 연구동향 ...35
• 제 1 절 마이크로 가스터빈 발전 시스템 ...36
• 제 2 절 마이크로 로터리 엔진 발전 시스템 ...37
• 제 3 절 마이크로 리니어 엔진 발전 시스템 ...40
• 제 4 절 미니엔진/발전 시스템 ...43
• 제 4 장 초소형 파워팩 개념 설계 및 제작 ...45
• 제 1 절 초소형 세라믹 리니어엔진 개념설계 ...45
• 제 2 절 초소형 세라믹 리니어엔진 설계 및 제작 ...49
• 1. 세라믹엔진 부품 설계 및 제작 ...49
• 2. 연료점 화장치 설계 및 제작 ...52
• 3. 연료공급장치 설계 및 제작 ...55
• 4. 공기공급(흡입)장치 설계 및 제작 ...57
• 제 3 절 초소형 리니어제너레이터 개념 설계 및 제작 ...59
• 제 5 장 초소형 파워팩 기본 해석 ...62
• 제 1 절 리니어엔진의 구조에 따른 유동 해석 ...62
• 제 2 절 리니어제너레이터의 구조에 따른 전자기상 해석 및 최적화 ...62
• 1. 모델 설정을 기존 회전식 발전기의 분석 ...62
• 2. 초기 모델의 설계 ...65
• 3. 설계 인자의 변화에 따른 모의실험 ...67
• 4. 최적화 설계 ...75
• 5. 발전 유닛의 최적 설계 ...78
• 제 6 장 시험장치 및 성능 평가 ...84
• 제 1 절 실험 장치 및 방법 ...84
• 제 2 절 실험 결과 및 분석 ...88
• 1. 예혼합 장치 검증 실험 ...88
• 2. 혼합기 공급조건에 따른 모터링 실험 ...92
• 3. 초소형 연소기의 정적연소 실험 ...95
• 4. 초소형엔진의 기본 작동 성능 실험 ...97
• 제 7 장 결론 ...99
• 참고문헌 ...102
• [그림 1-1] 휴대용 전자기기(portable electronics) ...18
• [그림 1-2] 소형 이동시스템(small mobil systems) ...19
• [그림 1-3] 액체연료 및 배터리의 에너지밀도 비교 ...20
• [그림 1-4] 기존 엔진과 리니어/제너레이터의 개념 비교 ...20
• [그림 2-1] 방전시간에 따른 배터리 용량 변화(용량 42Ah의 납축전지) ...26
• [그림 2-2] 충방전 사이클에 따른 배터리의 수명 변화 ...27
• [그림 2-3] 야외용 발전기(혼다의 야외용 발전기) ...31
• [그림 2-4] 건설현장의 안전 유도 로봇 ...31
• [그림 2-5] 소형 전기자동차 ...32
• [그림 2-6] HEV의 동력 시스템 구조 ...33
• [그림 2-7] 플러그인 하이브리드 자동차의 동력시스템 구조 ...34
• [그림 2-8] 태양광자동차 및 전기 자동차 ...34
• [그림 3-1] 휴대용 파워팩으로 사용되는 동력시스템의 효율 ...35
• [그림 3-2] 마이크로 가스 터빈(Micro Gas Turbine, MIT) ...36
• [그림 3-3] 프로토타입 마이크로 가스터빈(서울대학교) ...37
• [그림 3-4] 메조스케일 및 마이크로스케일 로터리 엔진(Berkeley, 2002) ...38
• [그림 3-5] 로터리 엔진의 작동 원리 ...38
• [그림 3-6] 마이크로 로터리 엔진설계 인자(University of California) ...39
• [그림 3-7] Honeywell의 초소형 엔진 개념도 ...40
• [그림 3-8] Georgia Institute of Technology의 마이크로 엔진 개략도 ...41
• [그림 3-9] 일본의 Ritsumeikan 대학의 마이크로 엔진 개념도 ...42
• [그림 3-10] KAIST에서 제작한 초소형 연소기 ...42
• [그립 3-11] 현재 양산되고 있는 가장 작은 크기의 엔진(Cox Tee Dee 엔진) ...43
• [그림 3-12] Cox Tee Dee 엔진의 효율 데이터 ...43
• [그림 3-13] 미니엔진/발전기 시스템(미국의 D-Star Engineering) ...44
• [그림 4-1] 리니어엔진/제너레이터 파워팩 외형도 ...47
• [그림 4-2] 리니어엔진/제너레이터 파워팩 내부 구조 ...47
• [그림 4-3] 리니어엔진/제너레이터 파워팩 연소실 및 공기압축기 ...48
• [그림 4-4] 세라믹 피스톤 설계 도면 ...49
• [그림 4-5] 세라믹 실린더슬리브 도면 ...50
• [그림 4-6] 알루미나 피스톤 및 실린더슬리브 ...50
• [그림 4-7] SiC 피스톤 및 실린더슬리브 ...51
• [그림 4-8] 글로우플러그(glow plug) ...51
• [그림 4-9] 초소형 엔진 점화장치 ...52
• [그림 4-10] ProSpark사 전자점 화장치 ...53
• [그림 4-11] CH Electronics사의 전자점 화장치 ...54
• [그림 4-12] CDI 방식의 점화장치 ...54
• [그림 4-13] 초소형 점화플러그 ...55
• [그림 4-14] 가솔린 기화기(모델: Walbro) ...56
• [그림 4-15] 기화기의 단면도 ...56
• [그림 4-16] 실린더헤드(실린더헤드 하부에 연료공급홀 가공) ...57
• [그림 4-17] 2행정 엔진의 작동 사이클(two-stroke engine cycle) ...58
• [그림 4-18] 공기 공급유로 ...58
• [그림 4-19] 회전형 발전기 구조(3상 9극) ...59
• [그림 4-20] 원통형 선형 발전기 구조 ...60
• [그림 4-21] 평판형 선형발전기 구조(요크 이동형) ...60
• [그림 4-22] 영구자석 타입의 평판형 선형발전기 ...61
• [그림 5-1] 기존 소형 발전기의 모델 및 출력 측정 ...63
• [그림 5-2] 단상 발전기의 출력 특성 ...63
• [그림 5-3] 회전형 3상/9극 발전기 형상 ...64
• [그림 5-4] 3상/9극 발전기의 출력 특성 ...64
• [그림 5-5] 스크립트 파일을 이용한 2D 모델 생성 ...65
• [그림 5-6] 초소형 발전기의 초기 모델 설계 ...66
• [그림 5-7] 기본 모델의 Magnetic Flux 분포 해석 ...66
• [그림 5-8] 3D 모델의 생성 ...67
• [그림 5-9] 운동자의 형상의 변화에 따른 자속 변화 ...68
• [그림 5-10] 100회시의 전압 및 전류 파형 ...69
• [그림 5-11] 200회시의 전압 및 전류 파형 ...70
• [그림 5-12] 300회시의 전압 및 전류 파형 ...71
• [그림 5-13] 400회시의 전압 및 전류 파형 ...72
• [그림 5-14] 피스톤 속도 프로파일 ...73
• [그림 5-15] 출력 전압 및 전류의 형태 ...74
• [그림 5-16] 발전 유닛의 초기 설계 ...75
• [그림 5-17] 50H1300의 B-H 선도 ...77
• [그림 5-18] 유한요소해석에 사용된 전기 회로 ...77
• [그림 5-19] 발전 유닛의 최적 설계 흐름도 ...78
• [그림 5-20] 최적화 함수 및 경계 조건 ...79
• [그림 5-21] FEM 해석 모델과 Mesh ...79
• [그림 5-22] 최적 설계 결과 ...80
• [그림 5-23] 초기 모델과 최적화 모델의 차이 ...80
• [그림 5-24] 비정렬 상태와 정렬 상태에서의 자속선 비교 ...82
• [그림 5-25] 유도된 전압의 파형 ...83
• [그림 5-26] 유도 전류의 파형 ...83
• [그림 6-1] 연료/공기 공급장치 ...84
• [그림 6-2] 연료/공기 예혼합 장치 개략도 ...84
• [그림 6-3] 초소형 엔진 성능실험 장치 ...86
• [그림 6-4] 정적 연소실의 구성도(왼쪽) 및 실제 정적연소실 실험장치(오른쪽) ...86
• [그림 6-5] 초소형 엔진 성능 시험장치 ...87
• [그림 6-6] 초소형 엔진 제어로직 및 제어장치 ...87
• [그림 6-7] FID의 개략도 ...88
• [그림 6-8] FID 분석장치 ...89
• [그림 6-9] 캘리브레이션 그래프 ...90
• [그림 6-10] 공연비 와 DME 농도와의 관계 ...90
• [그림 6-11] FID 분석기를 이용한 당량비 검증결과 ...91
• [그림 6-12] 피스톤 가시화 이미지 (a) 1 Hz-1 bar ...93
• [그림 6-13] 피스톤 가시화 이미지 (b) 1 Hz-3 bar ...93
• [그림 6-14] 피스톤 가시화 이미지 (b) 5 Hz-1 bar ...94
• [그림 6-15] 혼합기 공급 조건 변화에 따른 피스톤 속도 변화 ...94
• [그림 6-16] 인텐시파이어 ...95
• [그림 6-17] 초소형 엔진의 화염사진 및 압력선도 비교 ...96
• [그림 6-18] 당량비 1.0, 공급 압력 1.28 bar 조건에서의 연속 화염 사진 ...96
• [그림 6-19] 엔진 동작 조건에서의 초소형 엔진의 피스톤 변위 ...97
• [그림 6-20] 엔진 동작 조건에서의 초소형 엔진의 피스톤 속도 ...97
• [그림 6-21] 표준위치 검출 및 점화제어 신호 ...98
• [그림 6-22] 엔진 주파수에 따른 도시 열효율 ...98
• [표 2-1] 상용 배터리의 비교 ...23
• [표 2-2] 탄호수소계 연료의 에너지밀도 비교 ...24
• [표 2-3] 순수 전기자동차의 배터리 중량 및 주행거리 비교 ...25
• [표 2-4] 배터리의 충전균일화 과정 없이 연속적으로 충방전을 하는 경우 ...28
• [표 3-1] 마이크로 로터리 엔진 설계 인자(University of California) ...39
• [표 3-2] D-Star Engineering사의 미니디젤발전기 성능 데이터 ...44
• [표 4-1] 리니어 엔진의 종류 ...46
• [표 5-1] 발전 유닛의 초기 설계값 ...76
• [표 5-2] 발전 유닛의 최적 설계값 ...81