KR101795407B1 - 하이브리드 자동차의 엔진 시동장치 - Google Patents

하이브리드 자동차의 엔진 시동장치 Download PDF

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Abstract

하이브리드 자동차 엔진의 시동장치가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 자동차 엔진의 시동장치는 하이브리드 스타터 제너레이터에 연결되는 입력축; 엔진의 크랭크 축에 연결되는 출력축; 3개의 회전요소를 보유하며, 입력축과 출력축 사이에 배치되어 회전 토크를 변환하는 유성기어세트; 및 유성기어세트의 3개의 회전요소 중 2개의 회전요소를 선택적으로 연결하고, 나머지 하나의 회전요소를 변속기 하우징과 선택적으로 연결하는 복수의 원웨이 클러치를 포함한다.

Description

하이브리드 자동차의 엔진 시동장치{ENGINE STARING SYSTEM OF HYBRID ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 하이브리드 자동차의 엔진 시동장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시동 시에는 기어 비를 크게 하여 시동성을 확보하고, 발전 시에는 기어 비를 작게 하여 최대 회전수 제한에서 자유롭도록 할 수 있는 하이브리드 자동차의 엔진 시동장치에 관한 것이다.
자동차의 친환경 기술은 미래 자동차 산업의 생존이 달린 핵심기술로서, 선진 자동차 메이커들은 환경 및 연비 규제를 달성하기 위한 친환경 자동차 개발에 총력을 기울이고 있다.
이에 따라 각 자동차 메이커들은 전기 자동차(EV : Electric Vehicle), 하이브리드 전기 자동차(HEV : Hybrid Electric Vehicle), 연료전지 자동차(FCEV : Fuel Cell Electric Vehicle)등을 미래형 자동차 기술로서 개발하고 있다.
상기와 같은 미래형 자동차는 중량 및 원가 등 여러 가지 기술적인 제약이 있기 때문에 자동차 메이커에서는 배기가스 규제를 만족시키고, 연비 성능의 향상을 위한 현실적인 문제의 대안으로서 하이브리드 자동차에 주목하고 있으며, 이를 실용화하기 위해 치열한 경쟁을 벌이고 있다.
하이브리드 자동차는 2개 이상의 에너지원(Power Source)을 사용하는 자동차로서, 여러 가지 방식으로 조합될 수 있으며, 에너지원으로는 기존의 화석 연료를 사용하는 가솔린 엔진 또는 디젤 엔진과 전기 에너지에 의하여 구동되는 모터/제너레이터가 혼합되어 사용된다.
이러한 하이브리드 자동차는 저속에서 상대적으로 저속토크 특성이 좋은 모터/제너레이터를 주 동력원으로 사용하고, 고속에서는 상대적으로 고속토크 특성이 좋은 엔진을 주 동력원으로 사용한다.
이에 따라 하이브리드 자동차는 저속구간에서 화석 연료를 사용하는 엔진의 작동이 정지되고 모터/제너레이터를 사용하기 때문에 연비 개선과 배기가스의 저감에 우수한 효과가 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 시동 시에는 기어 비를 크게 하여 시동성을 확보하고, 발전 시에는 기어 비를 작게 하여 최대 회전수 제한에서 자유롭도록 할 수 있는 하이브리드 자동차의 엔진 시동장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 하이브리드 스타터 제너레이터에 연결되는 입력축; 엔진의 크랭크 축과 연결되는 출력축; 3개의 회전요소를 보유하며, 상기 입력축과 출력축 사이에 배치되어 회전 토크를 변환하는 유성기어세트; 및 상기 유성기어세트의 3개의 회전요소 중 2개의 회전요소를 선택적으로 연결하고, 나머지 하나의 회전요소를 변속기 하우징과 선택적으로 연결하는 복수의 원웨이 클러치를 포함하는 하이브리드 자동차 엔진의 시동장치가 제공될 수 있다.
상기 유성기어세트는 선기어, 유성캐리어 및 링기어를 보유하는 싱글 피니언 유성기어세트로 이루어질 수 있다.
상기 유성기어세트는 상기 선기어가 입력축에 직접 연결되고, 상기 유성캐리어가 출력축에 직접 연결될 수 있다.
상기 복수의 원웨이 클러치는 상기 유성기어세트의 링기어와 변속기 하우징 사이에 배치되는 제1 원웨이 클러치; 상기 유성기어세트의 선기어와 유성캐리어 사이에 배치되는 제2 원웨이 클러치일 수 있다.
상기 제1 원웨이 클러치와 변속기 하우징 사이에 배치되는 브레이크를 더욱 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 시동장치는 HSG와 엔진 시동 풀리 사이에 1개의 유성기어세트와, 2개의 원웨이 클러치를 배치하여 시동 시에는 기어 비를 크게 하여 시동성을 확보하고, 발전 시에는 기어 비를 작게 하여 최대 회전수 제한에서 자유롭도록 할 수 있다.
또한, 상기와 같이 시동 시에는 HSG의 시동 토크가 기어 비만큼 증대됨으로써, 그만큼 HSG의 최대 출력을 줄일 수 있게 되어 HSG의 용량을 작게 하여 재료비 상승을 방지할 수 있다.
또한, 상기와 같이 발전 시에는 엔진(ENG)으로부터 전달되는 회전동력이 그대로 HSG로 전달되면서 발전이 이루어짐으로써, HSG의 최대 회전수에 제한받지 않게 할 수 있다.
그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.
도 1은 본 발명이 적용되는 일반적인 하이브리드 자동차의 동력전달시스템의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 하이브리드 자동차용 엔진 시동장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 하이브리드 자동차용 엔진 시동장치의 시동 시 작동 설명을 위한 레버선도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 하이브리드 자동차용 엔진 시동장치의 발전 시 작동 설명을 위한 레버선도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 하이브리드 자동차용 엔진 시동장치의 구성도이다.
도 6a와 도 6b는 본 발명의 제1 실시 예와 제2 실시 예에 따른 엔진 시동장치의 배치 위치를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 하기의 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일하여 이를 구분하기 위한 것으로, 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명이 적용되는 일반적인 하이브리드 자동차의 동력전달시스템의 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 적용 부분을 설명하기 위하여 일반적인 패러럴 타입 하이브리드 자동차에 있어서의 TMED(Transmission Mounted Electric Device)방식의 동력전달시스템을 도시하고 있다.
상기 TMED 방식의 하이브리드 동력전달시스템은 주 동력원인 엔진(ENG)과 보조 동력원인 모터/제너레이터(M/G) 사이에 동력단속수단인 클러치(CL)가 배치되고, 상기 모터/제너레이터(M/G)의 후측에는 상기 엔진(ENG) 및 모터/제너레이터(M/G)로부터 전달되는 회전동력을 변속하여 출력하는 자동 변속기(AT)가 배치되며, 상기 자동변속기(AT)의 후측에는 상기 자동 변속기(AT)로부터 전달되는 회전동력을 차동하여 구동륜(WH)으로 전달하는 최종 감속기구(FD)가 배치된다.
상기 엔진(ENG)은 하이브리드 스타터 제너레이터(Hybrid Starter Generator; 이하 HSG 라고 칭함)에 의하여 시동되며, 상기 HSG의 고장 시에는 모터/제너레이터(M/G)에 의하여 시동된다.
상기 HSG와 모터/제너레이터(M/G)는 모두 모터와 발전기의 기능을 가지며, 고성능 배터리(B)와 전기적으로 연결되어 전원을 공급받거나 충전이 이루어질 수 있도록 구성된다.
그리고 도 1에서는 HSG와 엔진(ENG)을 벨트 구동방식에 의하여 연결하고 있으나, 기어 구동방식에 의하여 연결할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 하이브리드 자동차용 엔진 시동장치의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 제1 실시 예에 따른 엔진 시동장치(S/D)는 HSG로부터 전달되는 회전동력의 토크를 변환하는 1개의 유성기어세트(PG)와, 상기 유성기어세트(PG)의 각 회전요소 사이 또는 회전요소와 변속기 하우징(H) 사이에 배치되는 2개의 원웨이 클러치(OWC1)(OWC2)를 포함하여 이루어진다.
상기 유성기어세트(PG)는 싱글 피니언 유성기어세트로서, 선기어(S)와, 상기 선기어(S)와 외접으로 치합되는 피니언 기어(P)를 회전 지지하는 유성 캐리어(PC)와, 상기 제 피니언 기어(P)와 내접으로 치합되는 링기어(R)를 포함한다.
상기 선기어(S)는 입력축(IS)에 고정적으로 연결되어 HSG와 연결되고, 상기 유성캐리어(PC)는 출력축(OS)에 고정적으로 연결되어 엔진(ENG)의 크랭크 축과 연결된다.
상기 제1 원웨이 클러치(OWC1)는 상기 링기어(R)의 역회전을 방지할 수 있도록 상기 링기어(R)와 변속기 하우징(H) 사이에 배치되며, 상기 제2 원웨이 클러치(OWC2)는 상기 선기어(S)의 회전속도가 유성캐리어(PC)의 회전속도 보다 작아질 수 없도록 선기어(S)와 유성캐리어(PC) 사이에 배치된다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 하이브리드 자동차용 엔진 시동장치의 시동 시 작동 설명을 위한 레버선도이다.
도 3을 참조하면, 레버 상의 3개의 노드는 공지와 같이 유성기어세트(PG)의 선기어(S), 유성캐리어(PC) 및 링기어(R)가 설정되며, 상기 노드간 사이의 길이는 선기어(S)와 링기어(R)의 기어 수에 따라 설정된다.
따라서 엔진 시동 시에는 선기어(S)가 HSG의 구동에 의한 입력축(IS)의 회전동력이 입력되므로 입력요소로 작동하고, 링기어(R)가 역회전이 억제되므로 고정요소로 작동되면서, 출력요소가 되는 유성캐리어(PC)를 통해 감속 출력이 이루어진다.
이에 따라 HSG의 시동 토크가 기어 비만큼 증대되어 유성캐리어(PC)를 통해 출력되면서 엔진(ENG)의 시동이 이루어지므로 증대된 토크만큼 HSG의 최대 출력을 줄일 수 있게 되어 HSG의 용량을 작게 하여 재료비 상승을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 하이브리드 자동차용 엔진 시동장치의 발전 시 작동 설명을 위한 레버선도이다.
도 4를 참조하면, 엔진(ENG)의 구동에 의한 발전 시에는 상기 시동 시와 반대로 출력축(OS)과 직접 연결된 유성캐리어(PC)가 입력요소가 되고, 입력축(IS)과 연결된 선기어(S)가 출력요소가 되면서 엔진(ENG)으로부터 전달되는 회전동력이 그대로 HSG로 전달되면서 발전이 이루어짐으로써, 발전 시 HSG의 최대 회전수에 제한받지 않게 된다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 하이브리드 자동차용 엔진 시동장치의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 상기 제1 실시 예에서는 링기어(R)와 변속기 하우징(H) 사이에 제1 원웨이 클러치(OWC1)를 배치하여 링기어(R)의 역회전을 억제할 수 있도록 하고 있으나, 제2 실시예에서는 상기 제1 원웨이 클러치(OW1)와 변속기 하우징(H) 사이에 브레이크(BK)를 추가 적용하였다.
이는 엔진(ENG)이 정지할 때 0 RPM 부근에서 엔진(ENG)이 역회전하는 경우가 있는데, 이때 본 발명에 의한 시동장치는 상기 제1, 제2 원웨이 클러치(OWC1)(OWC2)에 의하여 모든 역회전이 억제되므로 상기 제1, 제2 원웨이 클러치(OWC1)(OWC2)가 파손될 수 있다.
따라서 상기 브레이크(BK)를 추가 적용하여 엔진(ENG)의 정지 시 브레이크(BK)의 작동을 해제하면 링기어(R)의 역회전을 허용할 수 있으므로 제1, 제2 원웨이 클러치(OWC1)(OWC2)의 파손을 방지할 수 있다.
도 6a와 도 6b는 본 발명의 제1 실시 예와 제2 실시 예에 따른 상기 엔진 시동장치의 배치 위치를 나타낸 도면이다.
보다 구체적으로는 도 6a에서는 본 발명의 제1, 제2 실시 예에 따른 엔진 시동장치(S/D)가 HSG와 동축선 상에 배치되어 엔진(ENG)과 벨트 구동방식에 의하여 동력이 전달되도록 한 것이다.
그리고 도 6b에서는 본 발명의 제1, 제2 실시예에 따른 엔진 시동장치(S/D)가 엔진(ENG)와 동축선 상에 배치되어 HSG와 벨트 구동방식에 의하여 동력이 전달되도록 한 것이다.
또한, 상기 도6 a와 도 6b에서는 엔진(ENG)과 HSG를 벨트 구동방식으로 연결한 것을 예시하고 있으나, 기어 구동방식으로 연결할 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 시동장치는 HSG와 엔진(ENG) 사이에 1개의 유성기어세트(PG)와, 2개의 원웨이 클러치(OWC1)(OWC2)를 배치하여 시동 시에는 기어 비를 크게 하여 시동성을 확보하고, 발전 시에는 기어 비를 작게 하여 최대 회전수 제한에서 자유롭도록 할 수 있다.
또한, 상기와 같이 시동 시에는 HSG의 시동 토크가 기어 비만큼 증대됨으로써, 그만큼 HSG의 최대 출력을 줄일 수 있게 되어 HSG의 용량을 작게 하여 재료비 상승을 방지할 수 있다.
또한, 상기와 같이 발전 시에는 엔진(ENG)으로부터 전달되는 회전동력이 그대로 HSG로 전달되면서 발전이 이루어짐으로써, HSG의 최대 회전수에 제한받지 않게 할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
BK... 브레이크
ENG... 엔진
HSG... 하이브리드 스타터 제너레이터
IS... 입력축
OWC1,OWC2... 제1, 제2 원웨이 클러치
PC... 유성캐리어
PG... 유성기어세트
OS... 출력축
R... 링기어
S... 선기어
S/D... 시동장치

Claims (11)

  1. 하이브리드 스타터 제너레이터에 연결되는 입력축;
    엔진의 크랭크 축과 연결되는 출력축;
    3개의 회전요소를 보유하며, 상기 입력축과 출력축 사이에 배치되어 회전 토크를 변환하는 유성기어세트; 및
    상기 유성기어세트의 3개의 회전요소 중 2개의 회전요소를 선택적으로 연결하고, 나머지 하나의 회전요소를 변속기 하우징과 선택적으로 연결하는 복수의 원웨이 클러치;를 포함하며,
    상기 복수의 원웨이 클러치는, 상기 유성기어세트의 링기어와 변속기 하우징 사이에 배치되는 제1 원웨이 클러치와, 상기 유성기어세트의 선기어와 유성캐리어 사이에 배치되는 제2 원웨이 클러치를 포함하는 하이브리드 자동차 엔진의 시동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유성기어세트는
    선기어, 유성캐리어 및 링기어를 보유하는 싱글 피니언 유성기어세트로 이루어지는 하이브리드 자동차 엔진의 시동장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유성기어세트는
    상기 선기어가 입력축에 직접 연결되고,
    상기 유성캐리어가 출력축에 직접 연결되는 하이브리드 자동차 엔진의 시동장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 원웨이 클러치와 변속기 하우징 사이에 배치되는 브레이크를 더욱 포함하는 하이브리드 자동차 엔진의 시동장치.
  6. 제1항에 있어서,
    하이브리드 스타터 제너레이터와 직접 연결되어 엔진과 벨트 구동방식으로 연결되는 하이브리드 자동차 엔진의 시동장치.
  7. 제1항에 있어서,
    엔진과 직접 연결되어 하이브리드 스타터 제너레이터와 벨트 구동방식으로 연결되는 하이브리드 자동차 엔진의 시동장치.
  8. 하이브리드 스타터 제너레이터에 연결되는 입력축;
    엔진의 크랭크 축에 연결되는 출력축;
    선기어, 유성캐리어 및 링기어를 보유하며, 상기 선기어가 입력축에 연결되고, 상기 유성캐리어가 출력축에 직접 연결되는 유성기어세트; 및
    상기 유성기어세트의 3개의 회전요소 중 2개의 회전요소를 선택적으로 연결하고, 나머지 하나의 회전요소를 변속기 하우징과 선택적으로 연결하는 복수의 원웨이 클러치;를 포함하며,
    상기 복수의 원웨이 클러치는, 상기 유성기어세트의 링기어와 변속기 하우징 사이에 배치되는 제1 원웨이 클러치와, 상기 유성기어세트의 선기어와 유성캐리어 사이에 배치되는 제2 원웨이 클러치를 포함하는 하이브리드 자동차 엔진의 시동장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유성기어세트는
    싱글 피니언 유성기어세트로 이루어지는 하이브리드 자동차 엔진의 시동장치.
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 원웨이 클러치와 변속기 하우징 사이에 배치되는 브레이크를 더욱 포함하는 하이브리드 자동차 엔진의 시동장치.
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