자유 피스톤 기관
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1. 개요
자유 피스톤 기관은 피스톤이 크랭크축과 같은 기계적 연결 없이 자유롭게 움직이는 왕복 기관이다. 이 기관은 1707년 드니 파팽에 의해 개념이 제시되었으며, 1930~1960년대에 라울 파테라스 페스카라에 의해 공기 압축기 및 가스 발생기 분야에 현대적으로 적용되었다. 자유 피스톤 기관은 가변 압축비, 소형화, 무진동 설계 등의 장점을 제공하며, 21세기에는 하이브리드 전기 자동차, 유압 엔진 등 다양한 분야에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 동력 추출 방식, 엔진 형태, 제어의 어려움 등 특징과 과제를 가지고 있다.
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- 왕복 기관 - 성형 엔진
성형 엔진은 실린더가 크랭크축을 중심으로 방사형으로 배치된 내연 기관으로, 4행정 사이클 기반 작동, 짧은 크랭크축, 공랭식 냉각, 다기통화 등의 특징을 가지며, 과거 항공기 및 전차 엔진으로 널리 사용되었다. - 왕복 기관 - 압축비
압축비는 내연기관의 성능을 나타내는 지표로, 실린더 내 피스톤의 위치에 따른 부피 비율을 의미하며, 엔진의 열효율과 출력을 결정하고, 튜닝을 통해 변경하거나 가변 압축비 엔진 기술을 통해 효율성을 높이기도 한다. - 내연기관 - 연결봉
연결봉은 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로, 또는 그 반대로 변환하는 기계 장치로, 증기 기관이나 내연 기관에서 피스톤과 크랭크축을 연결하며, 강철, 알루미늄 합금 등으로 제작되고, 특수한 형태로도 사용된다. - 내연기관 - 4행정 기관
4행정 기관은 흡입, 압축, 연소, 배기 4단계를 거쳐 작동하는 내연 기관으로, 오토 사이클과 디젤 사이클로 구분되며, 2행정 기관보다 연소 과정이 명확하고 연료 효율이 높지만 구조가 복잡하다. - 엔진 기술 - 연결봉
연결봉은 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로, 또는 그 반대로 변환하는 기계 장치로, 증기 기관이나 내연 기관에서 피스톤과 크랭크축을 연결하며, 강철, 알루미늄 합금 등으로 제작되고, 특수한 형태로도 사용된다. - 엔진 기술 - 압축비
압축비는 내연기관의 성능을 나타내는 지표로, 실린더 내 피스톤의 위치에 따른 부피 비율을 의미하며, 엔진의 열효율과 출력을 결정하고, 튜닝을 통해 변경하거나 가변 압축비 엔진 기술을 통해 효율성을 높이기도 한다.
| 자유 피스톤 기관 |
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2. 역사
현대적인 자유 피스톤 기관은 R.P. 페스카라[2]에 의해 제안되었으며, 초기 적용 분야는 단일 피스톤 공기 압축기였다. 페스카라는 자유 피스톤 기관을 개발하기 위해 ''뷰로 테크니크 페스카라''(Bureau Technique Pescara)를 설립했으며, 로버트 후버가 1924년부터 1962년까지 이 기관의 기술 이사를 맡았다.[3]
이 엔진 개념은 1930년에서 1960년 사이에 많은 관심을 받았으며, 다수의 상업용 장치가 개발되었다. 이러한 1세대 자유 피스톤 기관은 예외 없이 대향 피스톤 엔진이었으며, 두 개의 피스톤은 대칭적인 움직임을 보장하기 위해 기계적으로 연결되었다. 자유 피스톤 기관은 소형화와 무진동 설계를 포함하여 기존 기술에 비해 몇 가지 장점을 제공했다.
자유 피스톤 엔진의 개념은 오래 전부터 존재했으며, 드니 파팽이 1707년에 고안한 증기 기관도 일종의 자유 피스톤 엔진이라고 할 수 있다. 이후 수많은 자유 피스톤 엔진이 고안되었지만, 실용화된 것은 파일 드라이버나 가솔린 램머 등 일부에 국한되어 있다.
2. 1. 초기 역사
자유 피스톤 엔진의 개념은 오래 전부터 존재했으며, 드니 파팽이 1707년에 고안한 증기 기관도 일종의 자유 피스톤 엔진이라고 할 수 있다. 이후 수많은 자유 피스톤 엔진이 고안되었지만, 실용화된 것은 파일 드라이버나 가솔린 램머 등 일부에 국한되어 있다.
2. 2. 1세대 자유 피스톤 엔진 (1930-1960년대)
현대적인 자유 피스톤 기관은 R.P. 페스카라[2]에 의해 제안되었으며, 초기 적용 분야는 단일 피스톤 공기 압축기였다. 페스카라는 자유 피스톤 기관을 개발하기 위해 ''뷰로 테크니크 페스카라''(Bureau Technique Pescara)를 설립했으며, 로버트 후버가 1924년부터 1962년까지 이 기관의 기술 이사를 맡았다.[3]
이 엔진 개념은 1930년에서 1960년 사이에 많은 관심을 받았으며, 다수의 상업용 장치가 개발되었다. 이러한 1세대 자유 피스톤 기관은 예외 없이 대향 피스톤 엔진이었으며, 두 개의 피스톤은 대칭적인 움직임을 보장하기 위해 기계적으로 연결되었다. 자유 피스톤 기관은 소형화와 무진동 설계를 포함하여 기존 기술에 비해 몇 가지 장점을 제공했다.
자유 피스톤 엔진의 개념은 오래 전부터 존재했으며, 드니 파팽이 1707년에 고안한 증기 기관도 일종의 자유 피스톤 엔진이라고 할 수 있다. 이후 수많은 자유 피스톤 엔진이 고안되었지만, 실용화된 것은 파일 드라이버나 가솔린 램머 등 일부에 국한되어 있다.
==== 공기 압축기 ====
자유 피스톤 엔진 개념이 최초로 성공적으로 적용된 분야는 공기 압축기였다. 이러한 엔진에서 공기 압축기 실린더는 움직이는 피스톤에 연결되었으며, 종종 다단계 구성으로 이루어졌다. 이 엔진 중 일부는 압축기 실린더에 남아있는 공기를 사용하여 피스톤을 되돌려 반동 장치의 필요성을 없앴다.
자유 피스톤 공기 압축기는 독일 해군 등에서 사용되었으며, 높은 효율성, 소형화, 낮은 소음 및 진동이라는 장점을 가지고 있었다.
==== 가스 발생기 ====
자유 피스톤 공기 압축기의 성공 이후, 다수의 산업 연구 그룹이 자유 피스톤 가스 발생기 개발을 시작했다. 이 엔진에는 엔진 자체에 연결된 부하 장치가 없지만, 동력은 배기 터빈에서 추출된다. 터빈의 회전 운동은 펌프, 프로펠러, 발전기 또는 기타 장치를 구동할 수 있다.
이러한 방식에서, 엔진의 유일한 부하는 흡입 공기를 과급하는 것이며, 이론적으로 이 공기의 일부는 원한다면 압축 공기 공급원으로 사용하기 위해 전환할 수 있다. 이러한 수정은 위에 언급된 배기 가스 구동 터빈과 함께 사용될 때 자유 피스톤 엔진이 압축 공기 외에도 동력(터빈의 출력 샤프트에서)을 제공할 수 있게 한다.
수많은 자유 피스톤 가스 발생기가 개발되었으며, 이러한 장치는 정지형 및 해양 발전소와 같은 대규모 응용 분야에서 널리 사용되었다.[5] 차량 추진용으로 자유 피스톤 가스 발생기를 사용하려는 시도가 있었지만(가스터빈 기관차에서) 성공하지 못했다.[6][7]
2. 2. 1. 공기 압축기
자유 피스톤 엔진 개념이 최초로 성공적으로 적용된 분야는 공기 압축기였다. 이러한 엔진에서 공기 압축기 실린더는 움직이는 피스톤에 연결되었으며, 종종 다단계 구성으로 이루어졌다. 이 엔진 중 일부는 압축기 실린더에 남아있는 공기를 사용하여 피스톤을 되돌려 반동 장치의 필요성을 없앴다.자유 피스톤 공기 압축기는 독일 해군 등에서 사용되었으며, 높은 효율성, 소형화, 낮은 소음 및 진동이라는 장점을 가지고 있었다.
2. 2. 2. 가스 발생기
자유 피스톤 공기 압축기의 성공 이후, 다수의 산업 연구 그룹이 자유 피스톤 가스 발생기 개발을 시작했다. 이 엔진에는 엔진 자체에 연결된 부하 장치가 없지만, 동력은 배기 터빈에서 추출된다. 터빈의 회전 운동은 펌프, 프로펠러, 발전기 또는 기타 장치를 구동할 수 있다.이러한 방식에서, 엔진의 유일한 부하는 흡입 공기를 과급하는 것이며, 이론적으로 이 공기의 일부는 원한다면 압축 공기 공급원으로 사용하기 위해 전환할 수 있다. 이러한 수정은 위에 언급된 배기 가스 구동 터빈과 함께 사용될 때 자유 피스톤 엔진이 압축 공기 외에도 동력(터빈의 출력 샤프트에서)을 제공할 수 있게 한다.
수많은 자유 피스톤 가스 발생기가 개발되었으며, 이러한 장치는 정지형 및 해양 발전소와 같은 대규모 응용 분야에서 널리 사용되었다.[5] 차량 추진용으로 자유 피스톤 가스 발생기를 사용하려는 시도가 있었지만(가스터빈 기관차에서) 성공하지 못했다.[6][7]
2. 3. 현대의 연구 개발 (21세기 이후)
현대에 들어 자유 피스톤 엔진은 오프로드 차량용 유압 엔진, 하이브리드 전기 자동차용 자유 피스톤 엔진 발전기 등 다양한 분야에 응용하기 위한 연구가 진행되고 있다.[8][9] 단일 피스톤 유압 엔진은 유압 제어 시스템을 사용하여 부하 및 리바운드 장치 역할을 하며, 높은 작동 유연성과 우수한 부분 부하 성능을 보인다.자유 피스톤 선형 발전기는 피스톤과 실린더 벽에 전기 코일을 사용하여 크랭크축을 제거한 방식으로, 범위 확장형 전기 자동차에 사용하기 위해 연구되고 있다. 최초의 자유 피스톤 발전기는 1934년에 특허를 받았다.[10] 2013년에는 독일 항공우주 센터(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; DLR)에서 단일 피스톤 자유 피스톤 선형 발전기를 시연했다.[12] 듀얼 피스톤 엔진 형태가 주를 이루며, 높은 출력 대 중량비를 가진 소형 유닛을 제공하지만, 무게가 충분히 낮은 전기 모터를 찾는 것과 사이클 간 변동이 큰 제어 문제가 과제로 남아있다.[13][14]
2014년 6월, 도요타는 프로토타입 자유 피스톤 엔진 선형 발전기(FPEG)를 발표했다. 이 발전기는 피스톤이 양쪽 행정에서 전기를 생성하여 피스톤의 사점 손실을 줄인다. 2행정 사이클로 작동하며, 유압식 배기 포펫 밸브, 가솔린 직접 분사 및 전자식 밸브를 사용한다. 다양한 연료로 작동하도록 개조할 수 있으며, 2기통 FPEG는 본질적으로 균형이 잡혀있다.[15] 도요타는 42%의 열효율을 주장하며, 이는 현재 평균을 크게 초과한다. 도요타는 길이 60.96cm, 직경 6.35cm인 유닛이 11kW 이상의 출력을 내는 것을 시연했다.[16]
21세기에도 자유 피스톤 기관에 대한 연구는 계속되고 있으며, 여러 국가에서 특허가 출원되고 있다. 뉴캐슬 대학교[20], 독일 항공우주 센터[12], 웨스트버지니아 대학교[21] 등 여러 기관에서 자유 피스톤 엔진 관련 연구를 진행하고 있다.
3. 구조 및 분류
피스톤 자체는 크랭크축 등의 출력 전달 축에 기계적으로 결합되어 있지 않으며, 증기, 연소 가스, 액체 금속 등의 작동 유체를 거치거나 유도 전류에 의한 발전을 통해 출력을 낸다.
동력 추출 방식에는 여러 가지가 있다. 자유 피스톤 가스 터빈처럼 발생한 연소 가스를 터빈에 불어넣어 회전 운동으로 변환하는 방식이나 피스톤에 장착된 영구 자석의 왕복 운동으로 발전하거나, 알칼리 금속 등 저융점의 액체 금속을 작동 유체로 하여 전자기 유체 발전을 통해 전기 에너지로 출력하는 방법 등이 있으며, 각각 장단점이 있다.
대부분의 자유 피스톤 기관은 단일 중앙 연소실을 갖는 대향 피스톤 형이다. 변형된 형태로는 슈텔처 엔진과 같이 두 개의 별도 연소실을 갖는 대향 피스톤 엔진이 있다.
3. 1. 동력 추출 방식
동력 추출 방식에는 여러 가지가 있다. 자유 피스톤 가스 터빈처럼 발생한 연소 가스를 터빈에 불어넣어 회전 운동으로 변환하는 방식이나 피스톤에 장착된 영구 자석의 왕복 운동으로 발전하거나, 알칼리 금속 등 저융점의 액체 금속을 작동 유체로 하여 전자기 유체 발전을 통해 전기 에너지로 출력하는 방법 등이 있으며, 각각 장단점이 있다.3. 2. 엔진 형태
대부분의 자유 피스톤 기관은 단일 중앙 연소실을 갖는 대향 피스톤 형이다. 변형된 형태로는 슈텔처 엔진과 같이 두 개의 별도 연소실을 갖는 대향 피스톤 엔진이 있다.4. 특징
커넥팅 로드나 크랭크축과 같은 기구 부품이 필요 없으므로 부품 수를 줄일 수 있다. 그 대신, 작동 유체의 유로 내에서의 저항이나 왕복에 따른 관성이 있기 때문에 효율을 떨어뜨리는 요인이 된다.
피스톤의 움직임이 엔드포인트 사이에서 크랭크 메커니즘에 의해 기계적으로 제한되지 않으므로, 자유 피스톤 기관은 가변 압축비라는 유용한 특징을 가지며, 이는 광범위한 작동 최적화, 더 높은 부분 부하 효율 및 가능한 다중 연료 작동을 제공할 수 있다. 이러한 장점은 적절한 제어 방법을 통해 가변 연료 분사 타이밍 및 밸브 타이밍으로 향상된다.
가변 행정 길이는 PPM (펄스 일시 정지 변조) 제어[1]와 같은 적절한 주파수 제어 방식을 통해 달성되며, 여기서는 피스톤의 움직임이 반동 장치로 제어 가능한 유압 실린더를 사용하여 BDC에서 일시 중지된다. 따라서 피스톤이 BDC에 도달한 시간과 다음 행정에 대한 압축 에너지를 방출하는 시간 사이에 일시 정지를 적용하여 주파수를 제어할 수 있다.
가동 부품이 적기 때문에 마찰 손실과 제조 비용이 감소한다. 따라서 단순하고 컴팩트한 설계는 유지 보수가 덜 필요하며, 이는 수명을 연장시킨다.
순수한 선형 운동은 피스톤에 매우 낮은 측면 하중을 유발하므로 피스톤에 대한 윤활 요구 사항이 줄어든다.
자유 피스톤 기관의 연소 과정은 예혼합된 혼합물을 압축하여 자체 점화시키는 균질 혼합 압축 점화(HCCI) 모드에 적합하며, 이로 인해 매우 빠른 연소와 정확한 점화 타이밍 제어에 대한 요구 사항이 줄어든다. 또한, 거의 일정한 부피 연소와 희박 혼합물을 연소하여 가스 온도를 낮추고 일부 유형의 배출을 줄일 수 있기 때문에 높은 효율을 얻을 수 있다.
여러 엔진을 병렬로 작동하면 밸런싱 문제로 인한 진동을 줄일 수 있지만, 이는 엔진 속도의 정확한 제어가 필요하다. 또 다른 가능성은 카운터웨이트를 적용하는 것이지만, 이는 더 복잡한 설계, 엔진 크기 및 무게 증가, 추가적인 마찰 손실을 초래한다.
기존 엔진의 플라이휠과 같은 운동 에너지 저장 장치가 없기 때문에, 자유 피스톤 기관은 엔진 사이클의 타이밍이나 압력의 미세한 변화에 의해 발생하는 정지에 더 취약하다. 엔진이 충분한 압축을 구축하지 못하거나 다른 요인이 분사/점화 및 연소에 영향을 미치는 경우, 엔진이 오작동하거나 정지할 수 있으므로 속도와 타이밍을 정밀하게 제어해야 한다.
4. 1. 장점
간단한 설계로 유지 보수 비용이 낮고 마찰 손실이 적은 소형 엔진을 구현할 수 있다.[17] 가변 압축비를 통해 작동 유연성이 높아 모든 작동 조건 및 다중 연료 작동에 대한 최적화가 가능하다. 자유 피스톤 엔진은 균질 충전 압축 점화 (HCCI) 작동에 적합하다. 상사점(TDC) 근처에서의 높은 피스톤 속도와 빠른 동력 행정 팽창은 연료-공기 혼합을 향상시키고 열 전달 손실 및 질소 산화물(NOx)과 같은 온도 의존적 배출물의 형성에 소요되는 시간을 줄여준다.[18][19] 커넥팅 로드나 크랭크축과 같은 기구 부품이 필요 없으므로 부품 수를 줄일 수 있다.4. 2. 당면 과제
엔진 제어는 자유 피스톤 기관의 주요 과제이며, 단일 피스톤 유압식 자유 피스톤 기관에 대해서만 완전히 해결되었다고 할 수 있다. 연소 과정의 주기별 변동의 영향 및 이중 피스톤 기관에서 과도 운전 중 엔진 성능과 같은 문제는 추가적인 연구가 필요한 주제이다. 크랭크축 엔진은 발전기, 오일 펌프, 연료 펌프, 냉각 시스템, 시동기 등과 같은 기존 부속품을 연결할 수 있다.커넥팅 로드나 크랭크축과 같은 기구 부품이 필요 없으므로 부품 수를 줄일 수 있다. 그 대신, 작동 유체의 유로 내에서의 저항이나 왕복에 따른 관성이 있기 때문에 효율을 떨어뜨리는 요인이 된다.
참조
[1]
특허
Free Piston Internal Combustion Engine
[2]
특허
Motor-compressor apparatus
https://patents.goog[...]
[3]
웹사이트
History
http://www.freikolbe[...]
2015-03-27
[4]
학술지
The Worthington–Junkers free-piston air compressor
[5]
학술지
The Free-Piston Engine Development – Present Status and Design Aspects
[6]
학술지
The GMR 4-4 ‘‘HYPREX’’ engine – A concept of the free-piston engine for automotive use
1957
[7]
학술지
The automotive free-piston-turbine engine, 65:628–634.
1957
[8]
학술지
Horsepower with Brains: The Design of the CHIRON Free Piston Engine
2000
[9]
학술지
Renaissance einer Kolbenmachine
2005
[10]
특허
Electric generator
[11]
특허
Hubkolbenmaschine mit elektrischem Triebwerk, insbesondere Hubkolben-Lineargenerator
[12]
웹사이트
DLR researchers unveil a new kind of range extender for electric cars
http://www.dlr.de/dl[...]
2013-02-19
[13]
학술지
Modelling and Development of a Linear Engine
1998
[14]
학술지
First Cycles of the Dual Hydraulic Free Piston Engine
2000
[15]
웹사이트
Toyota Central R& developing free-piston engine linear generator; envisioning multi-FPEG units for electric drive vehicles
http://www.greencarc[...]
BioAge Media
2014-04-22
[16]
뉴스
No crankshaft, no problem: Toyota's free piston engine is brilliant
https://www.roadandt[...]
Hearst Autos, Inc.
2014-06-30
[17]
서적
Proceedings of the 2001 U.S. DOE Hydrogen Program Review
https://www.nrel.gov[...]
National Renewable Energy Lab.
[18]
학술지
The design and simulation of a two-stroke free-piston compression ignition engine for electrical power generation
http://www.mikalsen.[...]
2008
[19]
학술지
A computational study of free-piston diesel engine combustion
http://www.mikalsen.[...]
2009
[20]
웹사이트
Free-piston engine project
http://www.free-pist[...]
Newcastle University
[21]
학술지
Parametric Investigation of Combustion and Heat Transfer Characteristics of Oscillating Linear Engine Alternator
2018
[22]
웹사이트
フリーピストンエンジン リニアジェネレータ
http://www.kyomi.ate[...]
[23]
웹사이트
Free Piston Engine Linear Generator "FPEG"
http://www.tytlabs.c[...]
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