KR20030044785A - 자동차용 내연기관 제어시스템 - Google Patents

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구마가이요리노리
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혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

자동차용 내연기관 제어시스템은 내연기관(1) 시동시에 발전기로서 작동할 수 있는 시동 모터(4)의 출력을 내연기관(1)에 전달하고, 또한 내연기관(1)이 작동하는 동안에 내연기관의 출력을 보조장치(5, 6, 7)에 전달한다. 자동차용 내연기관 제어시스템은, 또한 소정의 조건의 경우에 내연기관이 정지되어 있는 동안 시동 모터의 출력을 보조장치에 전달하고, 내연기관 시동시에 시동 모터의 구동축의 회전을 변속비가 큰 제1변속비로써 내연기관의 크랭크축에 전달하며, 또한 상기 내연기관이 작동하는 동안에, 내연기관의 크랭크축의 회전을 변속비가 낮은 제2변속비로써 시동 모터의 구동축에 전달하여 시동 모터(4)를 발전기로서 작동시키는 변속기구(20)를 포함하고 있다. 변속기구는 내연기관이 정지되어 있는 동안 시동 모터로써 보조장치를 구동시키고, 또한 내연기관을 원할하게 시동시키고, 내연기관이 동작중일 때 에너지를 효율적으로 재생할 수 있게 한다.

Description

자동차용 내연기관 제어시스템{AUTOMOTIVE INTERNAL COMBUSTION ENGINE CONTROL SYSTEM}
본 발명은, 자동차 등, 차량에 있어서, 시동 모터로부터 내연기관으로의 동력 전달, 및 내연기관으로부터 보조장치로의 동력 전달을 제어하는 제어시스템에 관한 것이다.
내연기관을 구비한 차량이 정지하여, 예로서, 신호등의 변경을 대기할 때,내연기관의 연료 소비를 저감하기 위해서, 내연기관을 일시적으로 정지하는 기술이 실용화되었다. 통상적으로, 내연기관이 정지하면, 공기조화기 등 보조장치도 정지하고, 결과적으로, 차내의 가열된 공기로 인하여 차내가 불쾌한 상태로 된다.
내연기관이 정지했을 때 모터로써 보조장치를 구동하는 기술이 제안되어 있다. JP-A No.230012/1999에는, 모터를 정상적인 방향으로 회전시켜서, 정지하고 있는 내연기관을 시동시키고 모터를 보조장치로부터 차단하여 보조장치로의 토크 전달을 정지시키고, 또한 내연기관이 정지되어 있는 동안에 모터를 역방향으로 회전시켜서 보조장치를 구동시키고 모터를 내연기관으로부터 차단하여 모터로부터 내연기관으로의 토크 전달을 정지시켜서, 쓸모없는 전력 소비를 방지하는 기술이 제안되어 있다.
그러나, 종래 기술에서는, 모터를 구동장치와 발전기 겸용으로서 사용하지 않고, 또한 모터를 동력 재생용으로 사용하지 않는다.
내연기관이 일시적으로 정지되어 있는 동안에 공기조화기를 작동시키는 자동차의 경우에, 공기조화기의 전력 소비가 크므로 재생할 수 있는 에너지를 재생하는 것이 바람직하다.
구동수단으로서, 내연기관과 전기 모터 모두를 구비한 하이브리드 차량에 있어서, 차량을 감속하는 동안에 에너지를 재생하는 것은 에너지 효율 면에서 필수적이다.
본 발명은 상기의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은시동 모터를 발전기, 및 내연기관 시동 겸용으로서 사용하고, 내연기관이 정지되어 있는 동안 시동 모터로써 보조장치를 구동시키고, 또한 내연기관을 원활하게 시동시키고, 내연기관이 동작중일 때 에너지를 효율적으로 재생할 수 있는 자동차용 내연기관 제어시스템을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명 제1실시형태에 의한 자동차용 내연기관 제어시스템의 개략도.
도 2는 도 1의 자동차용 내연기관 제어시스템에 의해서 실행되는 내연기관 상태 판단 절차의 플로차트.
도 3은 도 1의 자동차용 내연기관 제어시스템에 의해서 실행되는 출력 처리 절차의 플로차트.
도 4는 본 발명 제2실시형태에 의한 자동차용 내연기관 제어시스템의 개략도.
도 5는 도 4의 자동차용 내연기관 제어시스템에 의해서 실행되는 출력 처리 절차의 플로차트.
도 6은 정상적인 재생 상태에서의 변속기구의 개략도.
도 7은 감속 재생 상태에서의 변속기구의 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 내연기관 2 : 변속기
3 : 구동륜(驅動輪) 4 : 시동 모터
5 : 공기조화기 6 : 워터 펌프
7 : 오일 펌프 8 : 점화 스위치
9 : 축전지 10 : ECU
20 : 변속기구 21 : 유성 기어 세트
22 : 태양 기어 23 : 유성 기어
24 : 링 기어 25 : 캐리어
26 : 원심 클러치 27 : 전자(電磁) 클러치
28 : 단방향 클러치 29 : 로터
30 : 벨트 50 : 변속기구
51 : 유성 기어 세트 52 : 원심 클러치
60 : 감속 재생 기구 61 : 피스톤
62 : 고정 클러치 63 : 액추에이터
64 : 요동 레버(swing lever) 65 : 받침점
본 발명에 의하면, 자동차용 내연기관 제어시스템은, 시동 모터의 출력을 내연기관에 전달하여 내연기관을 시동시키고, 내연기관이 작동하는 동안에 내연기관의 출력을 보조장치에 전달하고, 또한 소정의 조건의 경우에 내연기관이 정지되어 있는 동안 시동 모터의 출력을 보조장치에 전달하는 변속기구를 포함하고, 상기 내연기관 제어시스템은, 시동 모터를 발전기로서 사용할 수 있고, 제어기는 변속기구를 제어하여, 내연기관 시동시에 시동 모터에 포함된 구동축의 회전을 변속비가 큰 제1변속비로써 내연기관에 포함된 크랭크축에 전달하고, 또한 상기 내연기관이 동작하는 동안에, 내연기관의 크랭크축의 회전을 변속비가 낮은 제2변속비로써 시동 모터의 구동축에 전달하며, 내연기관의 크랭크축의 회전이 제2변속비로써 시동 모터의 구동축에 전달될 때 시동 모터는 발전기로서 역할을 하는 것을 특징으로 한다.
상기 자동차용 내연기관 제어시스템은, 소정의 조건의 경우에 내연기관이 정지되어 있는 동안 시동 모터의 출력을 보조장치에 전달하고, 또한 내연기관 시동시에 시동 모터의 회전을 높은 변속비의 제1변속비로써 내연기관에 전달한다. 따라서, 시동 모터의 출력 구동력을 높은 변속비의 제1변속비로써 증폭함으로써 취득한구동력을 사용하여 내연기관을 시동시킬 수 있고, 따라서 시동 모터는 작은 용량의 것으로 될 수 있다.
내연기관의 출력 동력이 변속비가 낮은 제2변속비로써 시동 모터에 전달되어서 시동 모터를 발전기로서 사용하므로, 에너지를 효율적으로 재생할 수 있다.
본 발명에 의한 자동차용 내연기관 제어시스템에 있어서, 상기 변속기구는, 시동 모터에 연결된 헬리컬 태양 기어(helical sun gear)와, 헬리컬 유성(遊星) 피니언(planetary pinion)과, 단방향 클러치를 통하여 고정 부재에 연결된 헬리컬 링 기어와, 유성 피니언을 구비하고 또한 내연기관의 크랭크축에 연결된 유성-피니언 캐리어를 포함하는 유성 기어 세트; 및 유성-피니언 캐리어와 링 기어를 추(錘; weight)에 의해서 발생된 원심력으로써 맞물고 또한 상기 유성-피니언 캐리어와 상기 링 기어를 헬리컬 기어에 의해서 발생된 배분력(thrust force)으로써 서로 맞물림 해제하는 원심(遠心) 클러치를 포함할 수도 있다.
또한, 본 발명에 의한 자동차용 내연기관 제어시스템에 있어서, 상기 변속기구는, 시동 모터에 연결된 헬리컬 태양 기어와, 헬리컬 유성 피니언과, 단방향 클러치를 통하여 고정 부재에 연결된 헬리컬 링 기어와, 유성 피니언을 구비하고 또한 내연기관의 크랭크축에 연결된 유성-피니언 캐리어를 포함하는 유성 기어 세트; 및 유성-피니언 캐리어와 태양 기어를 추에 대하여 작용하는 원심력으로써 맞물고 또한 상기 유성-피니언 캐리어와 상기 태양 기어를 헬리컬 기어에 의해서 발생된 배분력으로써 서로 맞물림 해제하는 원심 클러치를 포함할 수도 있다.
상기 변속기구는 유성 기어 세트와 원심 클러치를 포함하는 기계적 모듈이므로, 상기 내연기관 제어시스템은 간단하고 편리하다.
또한, 본 발명에 의한 자동차용 내연기관 제어시스템은, 또한 단방향 클러치와 고정 부재와의 사이에 설치된 제어 가능한 브레이크 수단을 포함함으로써, 제어 가능한 브레이크 수단은 소정의 조건의 경우에 내연기관이 정지되어 있는 동안에 내연기관으로의 시동 모터의 출력의 전달을 차단할 수도 있다.
소정의 조건의 경우에 내연기관이 정지되어 있는 동안에 내연기관으로의 시동 모터의 출력의 전달을 차단함으로써, 연료 소비를 감소시키고, 또한 시동 모터가 공기조화기 등 보조장치를 구동할 수 있게 한다.
또한, 본 발명에 의한 자동차용 내연기관 제어시스템은, 또한 상기 원심 클러치를 강제적으로 맞물림 해제함으로써 상기 링 기어를 고정시키는 감속 재생 (deceleration generation) 수단을 포함함으로써, 상기 감속 재생 수단은 차량이 감속되는 동안에 내연기관의 크랭크축의 회전을 높은 변속비의 제1변속비로써 시동 모터의 구동축에 전달하여 시동 모터를 재생용 발전기로서 사용한다.
상기 감속 재생 수단은 차량이 감속되는 동안에 내연기관의 크랭크축의 회전을 높은 변속비의 제1변속비로써 시동 모터의 구동축에 전달하여 시동 모터를 재생용 발전기로서 사용하므로, 대량의 에너지를 재생할 수 있다.
이어서, 본 발명의 제1실시형태에 의한 자동차용 내연기관 제어시스템을 도 1 내지 도 3을 참조하여 우선 설명한다.
제1실시형태에 의한 자동차용 내연기관 제어시스템을 나타내는 도 1을 참조하면, 차량내에 포함된 내연기관(1)은 변속기(2)를 거쳐서 구동륜(3)을 주행하도록구동시킨다. 발전기로서의 기능을 할 수 있는 시동 모터(4)는 내연기관(1)을 시동시킨다. 내연기관(1)에는 내연기관(1)을 냉각시키는 냉각수를 펌핑하는 워터 펌프 (6) 및 자동 변속기용의 오일 펌프(7)를 포함하는 보조장치가 구비되어 있고, 또한 공기조화기(5)를 구동한다.
점화 스위치(8)가 동작하여 축전지(9)에 저장된 전력을 시동 모터(4)에 공급함으로써 시동 모터(4)를 구동시킨다. 시동 모터(4)가 발전기 역할을 하여 에너지를 재생할 때, 축전지(9)는 시동 모터(4)에서 생성된 에너지에 의해서 충전된다.
센서(d1, d2, d3, d4 및 d5)는 스로틀(throttle) 각도 θ, 내연기관 회전속도 Ne, 주행속도 V, 변속기(2)의 전위(轉位) 위치 POS, 차량의 운전 상태를 나타내는 페달식 브레이크 상태 BRK를 각각 검출하여, 측정값을 나타내는 입력신호를 중앙처리장치(ECU)(10)에 제공한다. ECU(10)는 입력신호를 처리하여 필요한 제어 동작을 실행한다.
내연기관(1)의 크랭크축(1a)과 시동 모터(4)의 구동축(4a)과의 사이에는 변속기(20)가 설치되어 있다. 변속기(20)는, 유성 기어 세트(21), 원심 클러치(26), 및 본 실시형태에서는 전자 파우더(electromagnetic powder) 브레이크인, 전자 브레이크(27)가 조합되어서 구성되어 있다.
유성 기어 세트(21)는, 태양 기어(22), 태양 기어(22)와 동축인 링 기어 (24), 태양 기어(22)와 링 기어(24)와의 사이에 배치되어서 맞물린 유성 피니언 (23), 및 유성 피니언(23)을 회전하도록 지지하는 유성-피니언 캐리어(25)를 포함한다. 유성 피니언(23)은 유성-피니언 캐리어(25)상에서 회전하고 태양 기어(22)주위를 회전한다.
클러치 가이드(clutch guide)(26b)와 유성-피니언 캐리어(25)는 스플라인 (spline)으로써 맞물려져 있다. 클러치 가이드(26b)는 유성-피니언 캐리어(25)에 대하여 축방향으로 이동 가능하다. 클러치 가이드(26b)와 링 기어(24)와의 사이에는 원심 클러치(26)가 배치되어 있다.
원심 클러치(26)는, 클러치 가이드(26b)에 피벗축으로 지지되어서 유성-피니언 캐리어(25) 및 클러치 가이드(26b)와 함께 회전하는 원심(遠心) 추(26a)를 구비하고 있다. 원심 추(swing weight)(26a)가 원심력에 의해서 반경 방향 외측으로 회전하면, 클러치 가이드(26b)는 원심 클러치(26)를 맞무는 제1축방향으로 이동한다.
태양 기어(22), 유성 피니언(23) 및 링 기어(24)는 헬리컬 기어이고, 서로 맞물려 있다. 태양 기어(22)와 유성 피니언(23)은 헬리컬 기어 열을 형성한다. 헬리컬 기어 열에서 발생된 배분력은 링 기어(24)에 작용하여, 태양 기어(22)에 대하여 링 기어(22)를, 태양 기어(22)에 대한 제2축방향으로 이동시켜서 원심 클러치 (26)를 맞물림 해제한다.
원심 클러치(26)는, 유성-피니언 캐리어(25)가 소정의 회전속도 이상의 회전속도로써 회전하면, 원심 추(26a)에 작용하는 원심력에 의해서 클러치 가이드(26b)가 제1축방향으로 이동하여 맞물린다. 또한, 원심 클러치(26)는, 헬리컬 기어 열에서 발생된 배분력에 의해서 링 기어(24)가 제2축방향으로 이동하면 맞물림 해제된다.
원심 클러치(26)가 맞물리면, 유성-피니언 캐리어(25)와 링 기어(24)가 클러치 가이드(26b)에 의해서 함께 고정되어서 유성 피니언(23)은 회전할 수 없다. 따라서, 유성 기어 세트(21)가 고정되어서 회전한다.
전자 브레이크(27)는 고정된 외측 부재(27a), 및 상기 외측 부재(27a)의 내측에 배치된 내측 부재(27b)를 포함한다. 내측 부재(27b)는 단방향 클러치(28)에 의해서 링 기어(24)와 일체로 형성된 로터(29)에 연결되어 있다.
외측 부재(27a)의 내주(內周)에는 여자(勵磁) 코일이 부착되어 있다. 여자 코일이 충전되면, 외측 부재(27a)와 내측 부재(27b)와의 사이의 공간에 충전(充塡)된 자성 분말이 자화(磁化)하여, 외측 부재(27a)와 내측 부재(27b)를 함께 고정시킨다. 따라서, 내측 부재(27b), 로터(29), 및 링 기어(24)가 고정된다. ECU(10)는 전자 브페이크(27)를 제어한다. 변속기(20)의 유성-피니언 캐리어(25)는 내연기관 (1)의 크랭크축(1a)에 연결되어 있다.
태양 기어(22)의 축(22a)에 장착된 풀리(pulley)(22b)와, 시동 모터(4)의 구동축(4a)에 장착된 풀리(4b)와, 보조장치(5, 6, 및 7)의 구동축(5a, 6a 및 7a)에 각각 장착된 풀리(5b, 6b 및 7b) 주위에 엔드리스 벨트를 걸어서 동력을 전달하게 되어 있다.
제1실시형태에서의 자동차용 내연기관 제어시스템의 ECU(10), 즉 제어기에 의해서 실행되는 제어 절차를 도 2 및 도 3에 나타낸 플로차트를 참조로 하여 설명한다. 제어 절차는 점화 스위치(8)가 닫힌 상태에서 실행된다.
내연기관 상태 판단 절차의 플로차트를 나타내는 도 2를 참조하면, 단계 S1에서 브레이크를 밟았는가를 판별하기 위하여 질의한다. 브레이크가 밟혀져 있지않으면, 절차는 단계 S7로 건너뛴다. 브레이크가 밟혀져 있으면, 단계 S2에서, D-영역이 선택되었는 가를 확인하는 질의를 한다. 단계 S2에서, 응답이 부정적이면, 절차는 단계 S7로 건너뛴다. 단계 S2에서, 응답이 긍정적이면, 단계 S3에서, 차량의 주행속도 V가, 대체로 0인 소정의 주행속도 V0이하인 가를 확인하는 질의를 한다. 단계 S3에서, 응답이 부정적이면, 절차는 단계 S7로 건너뛴다. 단계 S3에서, 응답이 긍정적이면, 단계 S4에서, 내연기관의 회전속도 Ne가, 약 900rpm인 소정의 내연기관 회전속도 Ne1이하인 가를 확인하는 질의를 한다. 단계 S4에서, 응답이 부정적이면, 절차는 단계 S7로 건너뛴다. 단계 S4에서, 응답이 긍정적이면, 단계 S5에서, 스로틀 개구 각도 θ가 소정의 스로틀 개구 각도 θ0이하인 가를 확인하는 질의를 한다. 단계 S5에서, 응답이 부정적이면, 절차는 단계 S7로 건너뛴다. 단계 S5에서, 응답이 긍정적이면, 내연기관 상태 판단 플래그 F는, 내연기관(1)의 정지를 허가하는 상태 1에 설정된다. 단계 S7에서는, 내연기관 상태 판단 플래그는 내연기관(1)의 정지를 금지하는 상태 0에 설정된다.
브레이크 페달이 눌려지면, D-영역이 선택되고, 차량은 정지하거나 또는 거의 정지하고, 내연기관의 회전속도 Ne가 약 900rpm 이하이고, 가속기 페달이 눌려지지 않아서 스로틀 개구 각도가 대체로 0에 설정되고, 내연기관 상태 판단 플래그 F는 내연기관(1)의 정지를 허가하는 상태 1에 설정된다. 이러한 조건의 하나라도 만족되지 않으면, 내연기관 상태 판단 플래그 F는 내연기관(1)의 정지를 금지하는 0 상태에 설정된다. 상기의 모든 조건은, 예로서, 차량이 신호등이 변경되는 것을대기할 때 또는 차량이 교통 정체로 인하여 자주 정지할 때 만족된다.
출력 처리 절차를 나타내는 도 3을 참조하면, 단계 S11에서, 내연기관 상태 판단 플래그 F가 1 상태에 설정되어 있는 가를 확인하는 질의를 한다. 단계 S11에서, 응답이 긍정적이면, 단계 S12에서, 연료 차단 동작이 실행되어서 내연기관(1)을 정지시키고, 단계 S13에서, 전자 브레이크(27)가 차단(off)되고, 단계 S14에서, 시동 모터(4)가 구동된다. 따라서, 차량이 정지하여, 예로서, 신호등이 변경되기를 대기할 때, 내연기관(1)이 정지되어서 연료 소비를 감소시킬 수 있다.
이 상태에서, 전자 브레이크(27)가 차단되어서 링 기어(24)를 회전할 수 있게 함으로써, 시동 모터(4)는 내연기관(1)과의 연결이 끊어지고, 이어서 시동 모터 (4)가 구동된다. 따라서, 시동 모터(4)로부터 불필요한 부하, 즉, 내연기관(1)을 제거하고, 보조장치, 특히, 공기조화기(5)를 벨트(30)를 거쳐서 시동 모터(4)로써 구동시킬 수 있다. 그러므로, 여름에 혼잡한 교통 환경하에서, 차량을 운전하는 동안에도, 공기조화기(5)를 계속적으로 동작시켜서 차내를 쾌적한 상태로 유지할 수 있다.
브레이크가 차단되면, 내연기관 상태 판단 절차는 내연기관 상태 플래그 F를 내연기관(1)의 정지를 금지하는 0 상태에 설정한다. 이 상태에서, 단계 S11에서, 응답이 부정적이면, 즉, F1이면, 단계 S15에서, 주행속도 V가 소정의 주행속도 V0이하인 가를 확인하는 질의를 한다. 단계 S15에서, 응답이 부정적이면, 절차는 단계 S21로 건너뛴다. 단계 S15에서, 응답이 긍정적이면, 단계 S16에서, 내연기관의회전속도 Ne가, 대략 0rpm인 소정의 내연기관 회전속도 Ne0이하인 가를 확인하는 질의를 한다. 단계 S16에서, 응답이 부정적이면, 절차는 단계 S19로 건너뛴다. 단계 S16에서, 응답이 긍정적이면, 단계 S17이 실행된다. 단계 S17에서, 전자 브레이크(27)가 작동하여 내측 부재(27b)를 고정시킨다. 결과적으로, S18에서, 시동 모터 (4)의 출력이 유성 기어 세트(21)를 통하여 내연기관(1)의 크랭크축(1a)에 전달되어서 내연기관(1)을 시동시킨다.
전자 브레이크(27)의 내측 부재(27b)가 고정되면, 단방향 클러치(28)는 링 기어(24)의 일방향 회전을 금지시킨다. 따라서, 시동 모터(4)에 의해서 벨트(30)를 거쳐서 회전하도록 구동된 태양 기어(22)의 회전으로 인하여, 유성 피니언(23)이 태양 기어(22)의 주위를 회전하게 되어서, 유성-피니언 캐리어(25)를 회전시키고, 유성-피니언 캐리어(25)에 연결된 크랭크축(1a)이 회전하여, 결과적으로 내연기관을 시동시킨다. 이 상태에서, 유성 기어 세트(21)는 높은 변속비의 제1변속비로써 동력을 전달한다. 시동 모터(4)의 구동축의 회전속도를 감소시켜서 취득한 회전속도가 크랭크축(1a)에 전달되므로, 시동 모터(4)의 출력 구동력을 높은 변속비의 제1변속비로써 증폭하여 취득한 구동력을 내연기관(1)의 시동에 사용할 수 있고, 따라서, 시동 모터(4)는 작은 용량의 것으로 될 수 있다.
이렇게 해서 내연기관(1)이 시동되어서 내연기관 회전속도 Ne가 소정의 내연기관 회전속도 Ne0이상으로 증가하면, 절차는 단계 S16에서 단계 S19로 진행하여, 단계 S20에서 시동 모터(4)의 구동이 정지된다. 차량의 주행속도 V가 소정의 주행속도 V0이상으로 증가하면, 절차는 단계 S15에서 단계 S21로 건너뛰고, 단계 S21에서 전자 브레이크(27)가 차단된다. 이 상태에서, 내연기관 회전속도가 증가하고, 원심 클러치(26)가 맞물리며, 또한 유성 기어 세트(21)는, 변속비 1.0 등, 제2변속비에 설정된다. 따라서, 크랭크축(1a)의 회전은 태양 기어(22)의 축(22a)에 직접 전달된다.
이와 같이 변속비 1.0으로써 태양 기어(22)의 축(22a)에 장착된 풀리(22b)에 전달된 동력은 벨트(30)를 통하여 시동 모터(4)에 전달된다. 따라서, 단계 S22에서, 시동 모터(4)를 발전기로서 구동시켜서 에너지를 재생한다. 시동 모터(4)에 의해서 발생된 에너지는 축전지(9)에 저장된다. 내연기관(1)의 동력은 변속비가 낮은 제2변속비로써 시동 모터에 전달되어서 시동 모터를 구동하므로, 에너지를 효율적으로 재생할 수 있다.
원심 클러치(26)의 맞물림에 대한 조건은 이하와 같이 결정된다. 전자 브레이크(27)를 작동시켜서 시동 모터(4)로써 유성 기어 세트(21)를 통하여 내연기관 (1)의 크랭크축(1a)을 구동시킨다. 원심 추(26a)에 작용하는 원심력은, 내연기관 회전속도가 증가함에 따라서 상승하고, 또한 동시에, 유성 기어 세트(21)의 헬리컬 기어 메커니즘에서 발생되는 배분력이 감소한다. 원심 클러치(26)의 원심 추(26a)의 무게, 및 유성 기어 세트(21)의 헬리컬 기어 메커니즘의 헬리컬 기어의 비틀림각은, 내연기관 회전속도가, 예로서, 700rpm의 공회전 속도에서 안정된 후에, 증가하는 원심력과 감소하는 배분력이 서로 일치하여 원심 클러치(26)가 맞물리도록,결정되어 있다.
원심 클러치(26)는 복귀 스프링(return spring) 등의 탄력으로써 맞물림 해제할 수 있지만, 이러한 목적으로 복귀 스프링을 사용하면, 복귀 스프링은 상당히 큰 스프링 정수를 가져야 하고, 무거운 원심 추가 필요하며, 또한 크고 무거운 장치가 필요하게 된다.
유성 기어 세트(21)의 헬리컬 기어 메커니즘에서 발생되는 배분력을 사용하면, 시동 모터(4)를 구동하여 내연기관(1)을 시동할 때에, 원심 클러치(26)를 맞물림 해제된 상태로 확실하게 유지할 수 있다. 따라서, 장치가 커지지 않고, 경량이면서 콤팩트한 구조로 형성할 수 있다.
기본적으로, 배분력은, 내연기관을 시동시킬 때, 시동 모터(4)의 출력 토크에 의해서 헬리컬 기어 메커니즘에서 발생되고, 내연기관 회전속도가 공회전 속도를 초과한 후에는 불필요하게 된다.
소정의 토크를 인가하는 스프링을 원심 클러치 내에 설치하여 원심 클러치의 용량을 증가시킬 수도 있다. 이러한 경우에 또한, 헬리컬 기어 메커니즘에서 발생되는 배분력을, 원심 클러치를 맞물림 해제하는 데에 사용할 수 있다.
상기 자동차용 내연기관 제어시스템은, 기계적 모듈, 즉, 유성 기어 세트 (21)와 원심 클러치(26)를 포함하는 변속기구(20)로 구성되어서, 간단하고 편리하다.
이어서, 도 4 내지 도 7을 참조로 하여, 본 발명의 제2실시형태에 의한 자동차용 내연기관 제어시스템을 설명한다. 제2실시형태에 의한 자동차용 내연기관 제어시스템은 기본적인 구조에 있어서 제1실시형태에 의한 자동차용 내연기관 제어시스템과 동일하다. 제2실시형태에 의한 자동차용 내연기관 제어시스템에는, 유성 기어 세트(21)와 부분적으로 상이한 유성 기어 세트(51), 변속기(50)에 포함되고 원심 클러치(26)와 상이한 원심 클러치(52), 및 추가적인 감속 재생 기구(60)가 설치되어 있다. 이하의 설명에서, 제1실시형태에 동일하거나 대응하는 부품 또는 부재에는 동일한 참조 부호를 붙인다.
유성 기어 세트(51)에는 원심 클러치(52)가 설치되어 있다. 원심 클러치(52)는 유성 기어 세트(51)에 포함된 유성-피니언 캐리어(25)와 스플라인으로써 맞물린 클러치 가이드(52b), 및 클러치 가이드(52b)와 유성 기어 세트(51)에 포함된 태양 기어(22)와의 사이에 배치되어서 유성-피니언 캐리어(25) 및 클러치 가이드(52b)와 함께 회전할 수 있는 원심 추(52a)를 포함하고 있다. 원심 추(52a)는 원심력에 의해서 선회하여 클러치 가이드(52b)를 제1축방향, 즉, 도 4에서 좌측 방향으로 이동시켜서 원심 클러치(52)를 맞물리게 한다.
유성 기어 세트(51)는 태양 기어(22), 유성 피니언(23) 및 링 기어(24)를 포함하는 헬리컬 기어 메커니즘을 구비하고 있다. 태양 기어(22), 유성 피니언(23) 및 링 기어(24)는 헬리컬 기어이다. 헬리컬 기어 메커니즘에서 발생된 배분력은 태양 기어(22)에 작용하여 태양 기어(22)를 제2축방향, 즉, 원심 클러치(52)를 유성 피니언(23) 및 링 기어(24)에 대하여 맞물림 해제시키는 방향으로 이동시킨다. 태양 기어(22)의 축(22a)과 풀리(22b)의 축(22c)은 스플라인으로써 맞물려 있다. 따라서, 태양 기어(22)는, 풀리(22b)를 이동시키지 않고, 축방향으로 이동할 수 있어서, 태양 기어(22)의 회전을 풀리(22b)에 전달할 수 있다.
감속 재생 기구(60)는 받침점(60)에 대하여 회전할 수 있게 지지된 요동 레버(swing lever)(64)를 포함하고 있다. 요동 레버(64)는, 요동 레버(64)의 일단(一端)에 작용하는 솔레노이드 또는 유압 액추에이터 등, 액추에이터(63)에 의해서 선회한다. 요동 레버(64)를 액추에이터(63)로써 선회시키면, 요동 레버(64)의 타단은 피스톤(61)을 이동시킨다. 피스톤(61)은 클러치 가이드(52b)를, 도 4에 나타내는 바와 같이, 축방향 우측으로 이동시키고, 동시에, 피스톤(61)과 일체로 형성된 슬라이딩 부재(62a), 및 링 기어(24)와 일체로 형성된 로터(29)를 연결 및 차단하는 고정 클러치(62)를 맞물리게 한다.
고정 클러치(62)의 슬라이딩 부재(62a)는 축방향으로 슬라이딩할 수 있고 회전이 억제되어 있다. 슬라이딩 부재(62a)가 링 기어(24)측의 또 다른 부재에 맞물리면, 링 기어(24)의 회전은 정지되고, 링 기어(24)는 고정된다.
피스톤은 캐리어(25)와 슬라이딩 부재(62a)를 이동시키는 데에 어느 정도 크기의 힘을 필요로 하지만, 액추에이터(63)는, 요동 레버(64)의 지렛대 작용에 의해서 액추에이터(63)의 작동력이 증가되므로, 큰 작동력을 필요로 하지 않고 작은 용량의 것이라도 좋다. 감속 재생 기구(60)의 액추에이터(63)는 스로틀 개구 각도에 따라서 ECU(10)에 의해서 제어된다.
제2실시형태에 의한 자동차용 내연기관 제어시스템은, 상기 제어시스템이 원심 클러치(50) 및 감속 재생 기구(60)를 갖는 변속기구(50)를 구비한 것 이외에는, 제1실시형태에 의한 자동차용 내연기관 제어시스템과 동일하다. 주행속도 V가 소정의 주행속도 V0이하일 때 제2실시형태에 의한 자동차용 내연기관 제어시스템의 ECU(10)에 의해서 실행되는 제어 절차는, 제1실시형태에 의한 자동차용 내연기관 제어시스템에 의해서 실행되는 제어 절차와 동일하다.
제2실시형태에 의한 자동차용 내연기관 제어시스템은 도 2에 나타낸 내연기관 상태 판단 절차, 및 도 3에 나타낸 출력 처리 절차의 단계 S11 내지 S20을 실행한다.
제2실시형태의 내연기관 상태 판단 절차에 의해서 실행되는 출력 처리 절차를 나타내는 도 5를 참조하면, 단계 S11 내지 S20은 도 3에 나타낸 출력 처리 절차의 단계 S11 내지 S20과 동일하고, 단계 S12에서, 차량이 일시적으로 정지하고 내연기관(1)이 정지된 후 브레이크 페달을 해제하여 브레이크를 차단하면, 시동 모터(4)가 작동되어서 내연기관(1)을 시동시킨다. 가속기 페달을 밟아서 차량이 주행을 시작한 후, 단계 S15에서 주행속도 V가 소정의 주행속도 V0이상인 것을 판단하고, 출력 처리 절차는 단계 S30으로 진행한다. 단계 S30에서, θ≥θ0인가를 확인하는 질의를 한다. 가속기 페달을 밟고 있기 때문에 θ≥θ0이다. 이어서, 단계 S31이 실행되고, 단계 S32에서 전자 브레이크(27)가 차단(off)되고 시동 모터(4)를 발전기로서 이용한다.
내연기관 회전속도 Ne가 증가함에 따라서, 원심 클러치(52)의 원심 추(52a)가 선회한다. 결과적으로, 도 6에 나타내는 바와 같이, 유성-피니언 캐리어(25)와 스플라인으로써 맞물린 클러치 가이드(52b)를 도 6의 축방향 좌측으로 이동시켜서원심 클러치(62)를 맞물게 한다.
원심 클러치(52)의 원심 추(52a)의 무게, 및 유성 기어 세트(51)의 헬리컬 기어 메커니즘의 헬리컬 기어의 비틀림각은, 제1실시형태에서와 마찬가지로, 내연기관 회전속도 Ne가 공회전 속도 이상으로 증가된 후에 원심 클러치(52)가 맞물리도록, 결정되어 있다.
원심 클러치(52)가 맞물려서 유성-피니언 캐리어(25)와 태양 기어(22)가 클러치 가이드(52b)로써 연결되면, 전자 브레이크(27)가 차단되어 있으므로 유성 기어 세트(51)가 회전한다. 따라서, 크랭크축(1a)의 회전이 제2변속비 1.0으로써 태양 기어(22)의 축(22a)에 직접 전달된다. 태양 기어(22)와 함께 회전하는 풀리 (22b)의 동력은 벨트(30)를 거쳐서 시동 모터(4)에 전달되어 시동 모터(4)를 구동시켜서 통상적인 재생 전력을 발생한다. 따라서, 가속기 페달을 정상 주행을 하도록 조작하고 있는 동안에는 S32에서 시동 모터(4)는 정상적인 재생을 위한 발전기로서 동작한다.
가속기 페달을 해제하여 감속하면, 스로틀 개구 각도 θ는 소정의 스로틀 개구 각도 θ0이하인 대체로 0으로 감소하고, 절차는 단계 S30으로부터 S33으로 진행한다. 단계 S33에서, 액추에이터(63)가 작동하여 도 7에 나타내는 바와 같이, 요동 레버(64)를 선회시켜서 도 7에 나타내는 바와 같이, 피스톤(61)을 축방향 우측으로 이동시키고, 단계 S34에서 전자 브레이크(27)는 차단 상태로 유지된다.
원심 클러치(52)는 원심 추(52a)에 작용하는 원심력에 의해서 맞물리고, 클러치 가이드(52b)는 피스톤(61)에 의해서 우측으로 이동되어서 원심 클러치(52)를 강제적으로 맞물림 해제하고, 동시에, 피스톤(61)은 고정 클러치(62)의 슬라이딩 부재(62a)를 우측으로 이동시켜서 고정 클러치(62)를 맞물고, 이에 따라서 링 기어 (24)가 고정된다. 링 기어(24)가 고정되어 있으므로, 크랭크축(1a)으로부터 유성-피니언 캐리어(25)에 전달되는 동력은 높은 변속비의 제1변속비로써 태양 기어(22)에 전달된다. 크랭크축(1a)의 회전속도는 태양 기어(22)의 회전속도까지 증가한다.
증가된 회전속도로써 회전하는 태양 기어(22)의 회전은 풀리(22b) 및 벨트 (30)를 통하여 시동 모터(4)에 전달된다. 이어서, 단계 S35에서 시동 모터(4)는 발전기로서 동작하여 대량의 에너지를 재생한다.
상기 자동차용 내연기관 제어시스템은, 기계적 모듈, 즉, 유성 기어 세트 (51)와 원심 클러치(52)와 감속 재생 기구(60)를 포함하는 변속기구(50)로 구성되어서, 간단하고 편리하다.
제2실시형태는 스로틀 개구 각도 θ에 따라서 액추에이터(63)를 제어하지만, 액추에이터(63)를 스로틀 밸브의 하류측의 부분적인 부압(負壓)에 따라서 제어하거나 또는 액추에이터(63)를 부압으로써 직접 구동시킬 수도 있다. 액추에이터(63)를 구동시키는 데에 부압을 사용하면, 요동 레버(64)의 지렛대 작용을 이용하여 부압에 의해서 액추에이터(63)에서 발생된 작은 힘으로써 피스톤(61)을 움직여서, 유성-피니언 캐리어(25) 및 슬라이딩 부재(62a)를 이동시킬 수 있다.
감속 재생 기구(60)를 제1실시형태의 자동차용 내연기관 제어시스템에 적용할 수도 있다. 그러나, 상기 제1실시형태의 자동차용 내연기관 제어시스템은 감속재생 기구(60)를 이용하기 위하여 단방향 클러치를 무효로 하고 링 기어(24)를 고정시키는 피스톤과, 클러치 가이드(26b)를 이탈시키는 방향으로 이동시키는 피스톤을 구비해야 하므로, 많은 추가적인 부품을 필요로 한다.
태양 기어(22)와 유성-피니언 캐리어(25)와의 사이에 원심 클러치(52)를 구비한 제2실시형태에 있어서, 링 기어(22)의 고정과 클러치 가이드(52b)의 맞물림 해제는 단일 피스톤(61)의 동작으로써 달성될 수 있으므로, 자동차용 내연기관 제어시스템은 적은 수의 부품을 필요로 하고 구조가 간단하다.
상기 실시형태의 변속기구에 있어서, 유성 기어 세트의 유성-피니언 캐리어를 내연기관의 크랭크축에 연결하고, 태양 기어를 시동 모터측에 연결하지만, 태양 기어 대신에 링 기어를 시동 모터측에 연결할 수도 있다. 이러한 경우에, 태양 기어가 단방향 클러치 및 전자 브레이크를 통하여 연결되도록 변속기구를 구성하여 상기 실시형태와 동일한 효과를 달성할 수 있다.
본 발명에 의해서, 시동 모터를, 발전기 및 내연기관 시동 겸용으로서 사용하고, 내연기관이 정지되어 있는 동안 시동 모터로써 보조장치를 구동시키고, 또한 내연기관을 원활하게 시동시키고, 내연기관이 동작중일 때 에너지를 효율적으로 재생할 수 있는 자동차용 내연기관 제어시스템이 제공된다.

Claims (10)

  1. 시동 모터(4)의 출력을 내연기관(1)에 전달하여 내연기관(1)을 시동시키고, 내연기관(1)이 작동하는 동안에 내연기관(1)의 출력을 보조장치(5, 6, 7)에 전달하고, 또한 소정의 조건의 경우에 내연기관이 정지되어 있는 동안 시동 모터(4)의 출력을 보조장치(5, 6, 7)에 전달하는 변속기구(20, 50)를 포함하는 자동차용 내연기관 제어시스템에 있어서,
    시동 모터(4)를 발전기로서 사용할 수 있고,
    제어기(10)는 변속기구(20, 50)를 제어하여, 내연기관(1) 시동시에 시동 모터(4)에 포함된 구동축의 회전을 변속비가 큰 제1변속비로써 내연기관(1)에 포함된 크랭크축(1a)에 전달하고, 또한 상기 내연기관(1)이 작동하는 동안에, 내연기관(1)의 크랭크축의 회전을 변속비가 낮은 제2변속비로써 시동 모터(4)의 구동축에 전달하며, 또한
    내연기관(1)의 크랭크축의 회전이 제2변속비로써 시동 모터(4)의 구동축에 전달될 때 시동 모터(4)는 발전기로서 역할을 하는 것을 특징으로 하는 자동차용 내연기관 제어시스템.
  2. 제1항에 있어서, 변속기구(20)는, 내연기관(1)의 시동시에 제어기(10)에 의해서 제공되는 신호에 의해서 작동되어서 시동 모터(4)의 구동축의 회전을 변속비가 큰 제1변속비로써 내연기관(1)의 크랭크축(1a)에 전달하고, 또한 내연기관(1)의시동후에는 해당 차량의 주행속도가 소정의 주행속도(V0) 이상으로 증가하면 차단되는 브레이크(27)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 내연기관 제어시스템.
  3. 제2항에 있어서, 변속기구(20)는, 내연기관(1)의 회전속도가 소정의 회전속도로 증가하면 맞물려서 내연기관 (1)의 크랭크축의 회전을 변속비가 작은 제2변속비로써 시동 모터(4)의 구동축에 전달하는 원심(遠心) 클러치(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 내연기관 제어시스템.
  4. 제1항에 있어서, 변속기구(20)는,
    시동 모터(4)에 연결된 헬리컬 태양 기어(helical sun gear)(22)와, 헬리컬 유성(遊星) 피니언(planetary pinion)(23)과, 단방향 클러치(28)를 통하여 고정 부재(27a)에 연결된 헬리컬 링 기어(24)와, 유성 피니언(23)을 구비하고 또한 내연기관(1)의 크랭크축(1a)에 연결된 유성-피니언 캐리어(25)를 포함하는 유성 기어 세트(21); 및
    유성-피니언 캐리어(25)와 링 기어(24)를 추(錘; weight)(26a)에 작용하는 원심력으로써 맞물고, 또한 상기 유성-피니언 캐리어(25)와 상기 링 기어(24)를 헬리컬 기어(22, 23, 24)에 의해서 발생된 배분력(thrust force)으로써 서로 맞물림 해제하는 원심 클러치(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 내연기관 제어시스템.
  5. 제4항에 있어서, 자동차용 내연기관 제어시스템은, 또한 단방향 클러치(28)와 고정 부재(27a)와의 사이에 설치된 제어 가능한 브레이크 수단(27)을 포함하고,
    제어 가능한 브레이크 수단(27)은 소정의 조건의 경우에 내연기관(1)이 정지되어 있는 동안에 내연기관(1)으로의 시동 모터(4)의 출력의 전달을 차단하는 것을 특징으로 하는 자동차용 내연기관 제어시스템.
  6. 제1항에 있어서, 변속기구(50)는,
    시동 모터(4)에 연결된 헬리컬 태양 기어(22)와, 헬리컬 유성 피니언(23)과, 단방향 클러치(28)를 통하여 고정 부재(27a)에 연결된 헬리컬 링 기어(24)와, 유성 피니언(23)을 구비하고 또한 내연기관(1)의 크랭크축(1a)에 연결된 유성-피니언 캐리어(25)를 포함하는 유성 기어 세트(51); 및
    유성-피니언 캐리어(25)와 태양 기어(22)를 추(錘)(52a)에 작용하는 원심력으로써 맞물고, 또한 상기 유성-피니언 캐리어(25)와 상기 태양 기어(22)를 헬리컬 기어(22, 23, 24)에 의해서 발생된 배분력으로써 서로 맞물림 해제하는 원심 클러치(52)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 내연기관 제어시스템.
  7. 제6항에 있어서, 자동차용 내연기관 제어시스템은, 또한 단방향 클러치(28)와 고정 부재(27a)와의 사이에 설치된 제어 가능한 브레이크 수단(27)을 포함하고,
    제어 가능한 브레이크 수단(27)은 소정의 조건의 경우에 내연기관(1)이 정지되어 있는 동안에 내연기관(1)으로의 시동 모터(4)의 출력의 전달을 차단하는 것을 특징으로 하는 자동차용 내연기관 제어시스템.
  8. 제1항에 있어서, 변속기구(50)는, 내연기관(1)의 시동시에 제어기(10)에 의해서 제공되는 신호에 의해서 작동되어서 시동 모터(4)의 구동축의 회전을 변속비가 큰 제1변속비로써 내연기관(1)의 크랭크축(1a)에 전달하고, 그리고 내연기관(1)의 시동후에는 해당 차량의 주행속도가 소정의 주행속도(V0) 이상으로 증가하고 또한 스로틀 개구 각도가 소정의 스로틀 개구 각도 이상으로 증가하면 차단되는 브레이크(27)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 내연기관 제어시스템.
  9. 제6항에 있어서, 자동차용 내연기관 제어시스템은, 상기 원심 클러치(52)를 강제적으로 맞물림 해제함으로써 상기 링 기어(24)를 고정시키는 감속 재생 수단을 또한 포함하고,
    상기 감속 재생 수단(60)은 차량이 감속되는 동안에 내연기관(1)의 크랭크축 (1a)의 회전을 높은 변속비의 제1변속비로써 시동 모터(4)의 구동축에 전달하여 시동 모터(4)를 재생용 발전기로서 사용하는 것을 특징으로 하는 자동차용 내연기관 제어시스템.
  10. 제9항에 있어서, 감속 재생 수단(60)은,
    차량이 감속을 시작하면 작동하는 액추에이터(63), 및
    받침점(60)에 대하여 회전할 수 있게 지지되고, 또한 액추에이터(63)의 작동력이 인가되는 제1단(端), 및 액추에이터(63)가 제1단에 힘을 가하면, 액추에이터 (63)에 의해서 제1단에 인가된 힘을 지렛대 작용으로써 증폭하여 취득한 힘을 발휘하는 제2단을 구비한 요동 레버(swing lever)(64)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 내연기관 제어시스템.
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