KR20010013873A - 차량의 내연 기관용 시동/구동 유니트 - Google Patents

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KR20010013873A
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클라우스 포스
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게오르그 뮐러
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Abstract

본 발명은 크랭크 축, 내연 기관과 기어 박스 사이의 스위칭 클러치 및 이 스위칭 클러치에 의해 내연 기관과 연결되어 있는 전기 기계를 가지는 적어도 2개의 시동 방법을 가지는 차량의 내연 기관을 위한 시동/구동 유니트에 관한 것이다. 스위칭 클러치(K)가 닫혀 있는 경우 내연 기관(VM)의 크랭크축(KW)이 전기 기계에 의해 회전되며 이 때 그 회전수에 의해 시동 상태가 검출되어 시동 제어 장치(STG)에 전달되고, 다음의 운전 단계(직접 시동 단계, 위치 선정 단계, 조기 분사 단계, 펄스 시동 단계)에 대한 결정이 이루어지고 그리고 그의 시동 변수가 결정됨으로써만 상기 양 시동 방법이 전기 기계에 의해 최적으로 실시될 수 있다.

Description

차량의 내연 기관용 시동/구동 유니트{Starting and driving unit for an internal combustion engine of a motor vehicle}
2개의 시동 방법을 위한 상기 종류의 시동/구동 유니트는 독일 특허 DE 197 05 610 A1에 공지되어 있다. 여기에서는 시동 방법이 내연 기관의 온도에 따라 선택된다. 이들 시동 방법에 대해서는 2개의 시동 시스템이 필요하다. 모터 및 발전기로서 이용되는 전기 기계는 기관의 예열 시동에 이용되는 반면, 기관이 차가운(cold) 경우에는 보통의 스타터가 시동을 위해 상기 전기 기계와 함께 이용된다. 이 양 시동 시스템은, 시동-멈춤 동작(start-stop-operation)과 그리고 스윙-네트워크-동작(swing-network operation)에서 작동할 수 있도록 하기 위해, 많은 비용이 소모된다.
종래의 스타터는 여러 가지 이유로 인한 단점들을 가지고 있다. 재시동(repeat start) 때문에 시동 사이클(starting cycle)의 수가 예열 시동에서, 예를 들어 신호등 앞에서 시동-멈춤 동작에서, 정체 시에 또는 주행 시작 단계 후에 커지며 이 때 빠르고 조용한 스타트가 요구되는 경우, 기동 전동기의 내구 기간, 피니언과 링 기어 및 오버러닝 클러치(overrunning clutch)의 수명 및 소음 발생이라는 관점에서 상기 종류의 스타터는 목적에 적합하지 않다. 또한, 이 스타터가 개량된 전자 장치를 구비하면, 이는 증대된 시동 사이클 수를 야기시키지만, 이는 〉200000의 필요 시동 사이클 수에 도달하기에는 충분하지 못하다. 그와 같이 개량된 시동 시스템으로는 원하는 시동 시간 및 무소음이 얻어지지 않는다.
직접 시동(direct start)을 위해 시동 발전기를 제공하는 것이 이미 WO 98/05882호에 공지되어 있다. 이러한 해결책은 콜드 스타트 시에는 시동 에너지와 시동 성능 때문에 12V 내지 24V의 보통의 스타터-납 배터리로는 실현될 수 없다. 그 외에도 이 전기 모터는 발전기 성능에 대한 필요에 비해 팩터(factor) 3 이상만큼 커질 수 밖에 없는데, 이는 특히 구조상의 크기에서 어려움을 가져올 수 있다. 그러나, 기관의 예열 시동을 위해 극도로 높은 시동 모멘트 및 배터리 성능이 요구되는 것은 아니다.
독일 특허 DE 197 45 995 A1호에 따르면, 펄스 시동(pulsed start)을 위한 시동 발전기의 이용에 있어서, 이 경우 시동 발전기는 플라이 휠과 기어 박스 사이의 보통 클러치를 대신해 또는 그에 추가하여 크랭크축과 플라이 휠 사이의 시동 클러치에 의해 크랭크 축과 연결되며, 전기 모터는 분리되어 있는 내연 기관 (및 기어 박스)에서는 밸런스 웨이트를 먼저 구동 회전수(예를 들어 1000 /min)로 고속 회전시키며 그 후 시동 클러치 또는 스위칭 클러치가 빠르게 닫히는 경우 회전 에너지로 내연 기관을 구동시킨다. 이 펄스 시동은 일반 콜드 스타트에는 적합하지만, 신호등 앞에서 정지 시 내지 주행 준비 단계의 종료 후에 기관 예열의 재시동을 위해서는 시간이 필요하기 때문에 양호하지 못하다.
본 발명은 크랭크 축, 내연 기관과 기어 박스 사이의 스위칭 클러치 및 직접 내연 기관과 연결되거나 또는 상기 스위칭 클러치에 의해 내연 기관과 연결되어 있는 전기 기계(electric machine)를 가지는, 적어도 2개의 시동 방법을 가지는 차량의 내연 기관을 위한 시동/구동 유니트에 관한 것이다.
본 발명은 도면에 재현되어 있는 실시예에 의거하여 상술된다:
본 발명의 목적은 보통의 스타터 없이 전기 기계만으로 큰 시동 사이클 수에 적합하면서도 조용히 동작하며 필요한 에너지의 범위 한도를 벗어나지 않는 전술한 종류의 시동/구동 유니트를 제공하는 것이다.
이 목적은 본 발명에 따라 스위칭 클러치가 닫혀 있는 경우 내연 기관의 크랭크 축이 전기 기계에 의해 회전되는 시동 준비 단계가 각각의 시동 방법에 선행함으로써 달성된다.
이 시동 준비 단계에서 스위칭 클러치의 폐쇄 상태에서 현재의 시동 상태가 검출되고 이 현재의 시동 상태로부터 그 다음의 작동 단계가 선택되고 그 후 이를 위한 시동 변수들이 결정된다. 전기 기계로서 바람직하게는 시동 발전기가 이용된다.
시동 준비 단계에서, 시동 제어 장치가 회전수 검출기에 의해 크랭크축의 회전수 그래프를 파악하며 거기에서 이 시동 방법 및 시동 변수를 도출함으로써, 현재의 시동 상태의 간단한 검출이 이루어진다. 회전수 그래프에서 시동 시의 슬라이딩 모멘트가 영향을 미친다. 슬라이딩 모멘트가 큰 경우 이 내연 기관은 차가운 상태이며, 슬라이딩 모멘트가 작은 경우에는 이미 따뜻한 상태이다. 그 대안으로, 온도 측정으로 시동 방법이 검출되거나 또는 플로저빌러티 컨트롤(plausibility control)이 실시될 수 있다. 일반적으로 이 회전수 그래프는 크랭크축 회전수 검출기에 의해 검출되므로, 이것은 현재의 시동 상태의 도출을 위해서도 이용될 수 있다. 측정된 슬라이딩 모멘트의 소정 한계 값에 의해 각각의 정확한 시동 방법이 파악된다.
회전수의 제1 및/또는 제2의 최대 값 및/또는 제1 및/또는 제2의 최소 값 사이의 회전수 그래프의 범위로부터 상기 시동 방법에 대한 결정이 도출됨으로써, 상기 회전수 그래프에서의 분명한 차이점들이 얻어진다. 이로부터 현재의 슬라이딩 모멘트에 대한 역추론이 도출될 수 있고 또한 이 역추론은 시동 방법에 대한 정확한 선택을 위해 이용될 수 있다.
슬라이딩 모멘트가 큰 경우 동작 단계로서 펄스 시동이 선택된다. 정상적인 펄스 시동을 위해 큰 슬라이딩 모멘트가 너무 큰 경우 펄스 시동 단계에 앞서 점화 및 분사가 없는 소위 드라이(dry) 펄스 시동 단계가 도입되고, 이 경우 전기 모터 제어 장치(모트로닉)에 의해 동기화 및 경우에 따라서는 연료-조기 분사가 이루어진다. 이는 예비-펄스 시동이며, 이 때 스위칭 클러치가 열려 있는 경우 먼저 시동 발전기의 플라이 휠이 필요 회전수로 높아진 후 스위칭 클러치를 닫아 위치 검출/동기화를 달성할 수 있다.
이 전기 기계는 감속 기어와 함께 또는 감속 기어 없이 설계될 수 있으며 직접 기어 샤프트와 연결되고 빠르게 닫히는 시동 클러치에 의해 내연 기관과 연결될 수 있다.
도면에 도시된 것처럼, 기어 박스(FG)는 중간 기어(intermediate gear)(ZG)와 시동 클러치로서 이용되는 스위칭 클러치(K)에 의해 내연 기관(VM)과 연결되어 있다. 시동 발전기(S/G)로서 이용되는 전기 기계는 직접 기어 샤프트와 연결되어 있으며 플라이 휠(SR)과 스위칭 클러치(K)에 의해 내연 기관(VM)과 연결되어 있다. 다른 기능을 위해서도 제공되어 있는 회전수 검출 장치(DG1 및 DG2)에 의해 전기식 시동 제어 장치(STG)에서의 회전수 그래프는 스위칭 클러치(K)의 입력 및 출력 측에서 검출되고 그로부터 시동 준비 단계에서 상기 해당되는 시동 방법에 대한 결정이 이루어지고 그에 대한 시동 변수가 확정된다.
지금까지 제시된 해결책들에 비해 콜드 스타트는 전기 기계의 비교적 낮은 회전 모멘트로 펄스 시동 앞에 놓인 시동 준비 단계를 통해 이루어지고, 이 때 제1의 시동 방법인 경우 스위칭 클러치(K)의 폐쇄 상태에서 그리고 제2의 시동 방법인 경우 드라이 펄스 시동을 통해 크랭크축의 위치가 선정되거나 또는 크랭크축/캠축-위치가 완전히 검출되므로, 경우에 따라서 조기 분사가 그 다음에 점화되는 실린더에서 중단될 수 있다. 그 후 그 다음의 펄스 시동은 오토(Otto)-기관에서도 절대적으로 확실하고 매우 빠르게 진행된다. 조기 분사 및 점화가, 이미 공지된 것처럼, 시동 제어 장치(STG)와 일치하는 (동기화) 기관 제어 장치(MSG)에 의해 이루어진다.
그러므로, 본 발명에 따른 시동/구동 유니트는 상대적으로 낮은 온도 한계 값으로까지 극단(extreme)-콜드 스타트 영역에서 "동기화 된" 펄스 시동과 직접 시동을 최적으로 결합하며, 이 경우 그 온도는 회전수 그래프에서 하강한다. 제2의 시동 방법에서는 정확히 일치되는 펄스 시동이 생기므로, 운전하기에 적당하게 예열된 내연 기관(VM)에서 최소의 준비 시간 및 큰 시동 다이나믹이 얻어진다.
콜드 스타트 한계 온도에서 제1의 시동 방법의 (펄스) 시동에 필요한 시동 발전기(S/G)의 회전 모멘트는 그에 대응되는 직접 시동에서보다 팩터 1 내지 2 만큼 더 낮고 심지어는 제2의 시동 방법에서는 팩터 1 내지 4 만큼 더 낮다.
결정적인 개선책은 거의 중단 없는, 회전수에 의해 제어되는 시동을 통해 달성된다. 시동 방법 및 시동 변수를 선택하는 결정을 위해 어떠한 부가의 센서도 필요치 않은데, 왜냐하면 그를 위해 이미 존재하는 크랭크축-회전수 검출장치(DG1)가 이용될 수 있다.
내연 기관의 정지 시에 정지 검출 및 위치 선정은 필요하지 않다. 따라서 내연 기관의 정지 시에 크랭크축-위치의 고정을 위한 조치들 역시 생략된다.
차량 컨셉트에 대한 중점 목표에 따라 상기 양 시동 방법들이 특히 유리한 것으로 판명된다:
시동 방법 1: (목표 설정이 소형의 배터리 성능인 경우)
단계 1 [시동 클러치(K) 폐쇄 시]
설정된 전압 또는 출력을 갖는 시동 발전기(S/G)로 크랭크 축(KW)을 회전시키며 및 센서(DG1)에 의해 슬라이딩 모멘트를 측정하여 시동 상태를 확정하며, 설정된 한계 값과의 비교를 통한 상기 시동 방법에 대해 결정하기,
단계 2A [시동 클러치(K) 폐쇄 시]
단계 1에서 상기 기계의 슬라이딩 모멘트가 작은 경우 직접 시동(예열 시동)
단계 2B [시동 클러치(K) 폐쇄 시]
단계 1에서 슬라이딩 모멘트가 큰 경우 위치 선정, 각도 검출, 경우에 따라서는 조기 분사,
단계 3B [시동 클러치(K) 개방 시]
시동 발전기로 플라이 휠(SR)을 고속 회전시킴
단계 4B [시동 클러치(K) 폐쇄 시]
"동기화 된" 신속한 펄스 시동 (콜드 스타트)
단계 1 및 2A 또는 1 및 2B는 직접 시동의 중복되는 부분들이거나 또는 그 다음의 펄스 시동 앞의 부분이다
시동 방법 2: (설정 목표가 시동 발전기에 전류가 흐르지 않는 경우)
단계 1 [시동 클러치(K) 폐쇄 시]
시동 발전기(S/G)로 크랭크 축(KS)을 회전시킴, 시동 상태의 확인 및 시동 방법을 위한 결정, 시동 변수의 확정 (시동 준비 단계)
단계 2A [시동 클러치(K) 폐쇄 시]
직접 시동 (시동 방법 1에서 2A 처럼) = 예열 시동
단계 2B [시동 클러치(K) 폐쇄 시]
펄스 시동 (시동 방법 1에서 2B 내지 4B처럼) = 콜드 스타트
단계 2C [시동 클러치(K) 개방 시]
시동 발전기(S/G)를 통해 플라이 휠(SR)을 적은 회전수로 회전시키기,
단계 3C [시동 클러치(K) 폐쇄 시]
위치 선정, 각도 검출, 경우에 따라서는 조기 분사를 갖는 드라이 펄스 시동,
단계 4C [시동 클러치(K) 개방 시]
필요에 따라 제어되는 고속 회전 시간/고속 회전수를 갖는 플라이 휠(SR)을 고속 회전시키기,
단계 5C [시동 클러치(K) 폐쇄 시]
"동기화 된" 신속한 펄스 시동 = 디프 콜드 스타트(deep cold start),
상기 시동 과정은 회전수에 따라 제어되며 다음의 기능들을 갖는 것이 일반적이다.
● 플라이 휠(SR)만에서 회전 모멘트를 측정하거나 또는 내연 기관(VM)과 함께 플라이 휠(SR)에서 회전 모멘트를 측정
● 크랭크 축/캠축-회전 각도 검출
● 시동 상태의 검출 및 시동 변수의 확정
● 플라이 휠을 필요에 따라 고속 회전시켜 직접 시동을 펄스 시동으로 필요에 따라 자동적으로 전환.
이것의 대안으로 드라이 펄스 시동에서 스위칭 클러치를 단시간에 닫은 후 동기화 및 조기 분사가 이루어지고 그 후 이 플라이 휠(SR)의 잔류 에너지로 펄스 시동이 실시되는 한도에서 시동 발전기(S/G)를 통해 플라이 휠(SR)을 고속 회전시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 크랭크 축, 내연 기관과 기어 박스 사이의 스위칭 클러치 및 이 스위칭 클러치에 의해 내연 기관과 연결되어 있는 전기 기계를 가지는 적어도 2개의 시동 방법을 가지는 차량의 내연 기관을 위한 시동/구동 유니트에 있어서,
    스위칭 클러치(K)가 닫혀 있는 경우 내연 기관(VM)의 크랭크축(KW)이 전기 기계에 의해 회전되며 이 때 그 회전수에 의해 시동 상태가 검출되어 시동 제어 장치(STG)에 전달되고, 다음의 운전 단계(직접 시동 단계, 위치 선정 단계, 조기 분사 단계, 펄스 시동 단계)에 대한 결정이 이루어지고 그의 시동 변수가 결정되는 것을 특징으로 하는 시동/구동 유니트.
  2. 제1항에 있어서, 전기 기계로서 시동 발전기(S/G)가 이용되는 것을 특징으로 하는 시동/구동 유니트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 시동 준비 단계에서 시동 제어 장치(STG)는 회전수 검출기(DG1)에 의해 크랭크 축(KW)의 회전수 그래프를 검출하며 그로부터 시동 방법 및 시동 변수가 도출될 수 있는 것을 특징으로 하는 시동/구동 유니트.
  4. 제3항에 있어서, 상기 회전수 그래프는 현재의 크랭크축-회전수 검출기(DG1)에서 검출될 수 있는 것을 특징으로 하는 시동/구동 유니트.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 회전수의 제1 또는 제2 최대값 또는 제1 또는 제2 최소값 사이에서 회전수 그래프의 범위로부터 시동 방법에 대한 결정이 도출될 수 있는 것을 특징으로 하는 시동/구동 유니트.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 슬라이딩 모멘트가 큰 경우 펄스 시동 단계가 선택될 수 있으며, 이 경우 시동 준비 단계 후에 이 전기 기계는, 스위칭 클러치(K)가 닫히기 전에, 스위칭 클러치(K)의 개방시 플라이 휠을 고속 회전시키는 것을 특징으로 하는 시동/구동 유니트.
  7. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 슬라이딩 모멘트가 작은 경우 중단 없이 직접 시동 단계로의 전환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 시동/구동 유니트.
  8. 제6항에 있어서, 펄스 시동 단계를 위해서는 슬라이딩 모멘트가 충분하지 않은 경우 펄스 시동 단계 전에 (점화 및 분사 없는) 드라이 펄스 시동 단계가 도입되고, 이 때 기관 제어 장치(MSG)에 의해 동기화 및 경우에 따라서는 조기 분사가 이루어질 수 있는 것을 특징으로 하는 시동/구동 유니트.
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