KR20110058900A - 수소 연료 내연 기관을 위한 연료 전달 속도를 변화시키는 방법 - Google Patents

수소 연료 내연 기관을 위한 연료 전달 속도를 변화시키는 방법 Download PDF

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아런 쿠머 자우라
왈트 오트만
로버트 나트킨
스티븐 쯔바보우스키
에드워드 지이
브렛 올트만즈
아담 덴린거
자스원트 딜론
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Abstract

수소 동력식 하이브리드 파워트레인 시스템(100, 200, 300, 500, 1000)은 희박 공기/연료 혼합물에서 작동하는 수소 연료식 내연 기관(114, 202, 302, 400, 902)과, 높은 작동 속도 범위에 대해 우선적으로 엔진에 의해 생성된 제2 구동 토크를 부스트시키기 위한 과급기(436)를 포함한다. 전기 모터/발전기(232, 314, 905)는 차량에 대한 제2 구동 토크를 발생시켜, 제2 구동 토크가 파워트레인의 적어도 낮은 작동 속도 범위에 걸쳐 부스트된 제2 구동 토크를 보완한다. 엔진과 모터/발전기 사이에 배치된 단절 클러치(312, 510)는 모터/발전기에 엔진을 결합 및 결합해제시키며, 모터/발전기를 통해 부스트된 제1 구동기 토크를 파워 트랜스미션 시스템(116, 316, 550)으로 전달하는 기능을 한다. 따라서, 동력 전달시 입력은 적어도 낮은 작동 속도 범위에 걸쳐 강화된 토크 특성을 갖는 제2 구동 토크와 부스트된 제1 구동 토크의 조합이다.

Description

수소 연료 내연 기관을 위한 연료 전달 속도를 변화시키는 방법{A Method for Changing the Fuel Delivery Rate for a Hydrogen Fuelled Internal Combustion Engine}
본 발명은 일반적으로 하이브리드 전기 차량에 관한 것이며, 특히 수소 연료식 내연 기관에 의해 동력 공급된 하이브리드 전기 파워트레인 및 차량에 관한 것이다.
근년에는 자동차 제조자들이 차량 연료 전지 및 가솔린 하이브리드 전기 차량(HEV) 기술을 매우 신속하게 실행하여 상용화하려는 연구 및 개발 노력을 강화하여 왔다. 연료 전지 기술은 제로 배기관 배기(zero tailpipe emission)로 구동력을 발생시키기 위해 PEM 및 고체 산화물 연료 전지 등의 전기화학 변환 장치를 이용한다. 가솔린 하이브리드는 배기관 배기를 완전히 제거하지 않으면서, 오늘날의 연료 전지 기술의 아주 적은 비용으로 연료 경제성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 하이브리드 전기 기능성 및 수소 동력식 내연 기관의 이점을 결합한 파워트레인이 제안되어 왔다. 예를 들어, 미국 특허 출원 공보 제2002/0098414호에는, 수소 동력식 내연 기관, 금속 하이브리드 수소 저장 유닛, 전기 모터 및 니켈 금속 하이브리드 배터리를 갖는 매우 적은 배기량의 하이브리드 전기 차량이 개시되어 있다. 그러나, 내연 기관에 이용될 때의 수소 가스의 낮은 동력 밀도로 인한 문제점은 넓은 범위의 작동 속도에 걸쳐서 가솔린 엔진과 같은 성능을 제공하는 파워트레인의 능력이다. 이는 연소 안정성을 유지하기 위해 연료 희박 공기/연료 비로 통상 작동하기 때문이다.
이로써, 본 발명자들은 수소 연료를 이용하도록 종래의 내연 기관 및 HEV 기술을 채택하여, 종래의 가솔린 동력식 엔진에 필적하는 하이브리드 기능성 및 성능을 유지하면서 배기관 배기량의 실질적인 감소를 달성할 필요성을 인식하였다.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 제1 구동 토크를 발생시키는 제1 동력 발생 시스템과, 제2 구동 토크를 발생시키는 제2 동력 발생 시스템을 포함하는 파워트레인이 제공되며, 제1 동력 발생 시스템은 희박 수소 가스 연료 혼합물로 작동하는 수소 연료식 내연 기관을 가지며, 내연 기관은 파워트레인의 작동 속도 범위에서 제1 구동 토크를 증가시키기 위해 적어도 하나의 공기 충전 부스트 장치를 가지며, 제2 동력 발생 시스템은 제2 구동 토크가 적어도 파워트레인의 낮은 작동 속도 범위에 걸쳐 부스트된 제1 구동 토크를 보완하도록 구성되고 배치된다.
양호하게는, 단절 클러치는 제1 동력 발생 시스템을 제2 동력 발생 시스템에 결합 및 결합 해제하고 제1 구동 토크를 제2 동력 발생 시스템을 통해 전달하기 위해 제1 동력 발생 시스템과 제2 동력 발생 시스템 사이에 배치된다. 파워 트랜스미션 시스템은 적어도 파워트레인의 낮은 작동 속도 범위에 걸쳐 강화된 토크 특성을 갖는 부스트된 제1 구동 토크와 제2 구동 토크의 조합을 수용하기 위해 제2 동력 발생 시스템의 출력부에 결합된다.
내연 기관이 낮은 동력 밀도 수소를 이용하여 희박 공기/연료 비로 작동되기 때문에, 엔진의 출력 토크를 증가시키도록 과급이 제공된다. 과급은 보다 낮은 엔진 속도에서가 아니라, 보다 높은 엔진 속도에서 성능을 향상시킨다. 유리하게는, 전기 모터의 출력 토크는 낮은 엔진 속도에서 엔진 출력 토크를 보충하여서, 결합된 ICE/하이브리드 파워트레인은 종래의 가솔린 동력식 파워트레인과 같이 수행하지만, 탄화 수소 및 CO2 배기량이 실질적으로 감소하고, 하이브리드 기능성의 장점, 즉 시동/정지, 전기 모드, 론치 지원(launch assist) 및 동역학적 복구를 갖는다.
수소 동력식 HEV 파워트레인을 이용함으로써, 무연 생성 차량에 비해 배기량 및 연료 경제성의 상당한 향상이 달성될 수 있으며, 비교되는 연료 전지 동력식 차량보다 저비용으로 달성될 수 있다. 비용 장점의 결과로서, 청구항의 수소 동력식 HEV 차량은 보다 많은 수요를 창출할 수 있으므로, 수소 연료 전지 차량에 근본적으로 요구되는 수소 기간 시설의 발전을 가속화한다.
이제 본 발명은 예로써 첨부 도면을 참조하여 더욱 설명될 것이다.
도1은 하이브리드 파워트레인 시스템의 전체 도면을 도시하는 개략적인 블록도이다.
도2a 내지 도2c는 도1의 하이브리드 파워트레인 시스템 전체 도면에 적용 가능한 다양한 파워 트랜스미션 유닛의 실시예를 도시하는 개략적인 블록도이다.
도3은 본 발명에 따른 예시적인 하이브리드 파워트레인의 개략적인 블록도이다.
도4는 도3의 하이브리드 파워트레인에 이용하기 위한 수소 연료식 내연 기관의 실시예를 도시한 개략도이다.
도5는 도3의 하이브리드 파워트레인에 이용하기 위한 모듈식 하이브리드 트랜스미션 시스템의 실시예를 도시한 개략도이다.
도6은 비하이브리드 파워트레인 시스템에 대한 토크 대 속도 특성의 도표를 포함한다.
도7은 본 발명에 따른 하이브리드 파워트레인 시스템에 대한 토크 대 속도 특성의 도표를 포함한다.
도8은 본 발명에 따른 하이브리드 파워트레인 시스템에 대한 동력 대 속도 특성의 도표를 포함한다.
도9는 본 발명에 따른 모듈식 하이브리드 트랜스미션 시스템 및 수소 연료식 내연 기관을 갖는 차량의 실시예를 도시한 개략도이다.
도10은 본 발명에 따른 수소 하이브리드 파워트레인 시스템의 등각도이다.
도11은 본 발명에 따른 수소 하이브리드 파워트레인을 갖는 차량의 등각도이다.
도12는 상이한 최대 유량을 갖는 수소 연료 분사기로 연료 유량을 변경하는 방법의 순서도이다.
도13은 본 발명에 따른 수소 연료식 내연 기관에서 흡기 매니폴드 역화를 감지하는 방법의 순서도이다.
도1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량 시스템(100)의 일반적인 구조를 도시한다. 상기 시스템(100)은 가솔린, 디젤 또는 다른 가스 연료 공급원과 같은 제1 동력원(112)을 포함하며, 상기 제1 동력원은 내연 기관과 같은 제1 동력 발생 시스템(114)에 연결된다. 제1 동력 발생 시스템(114)은 제1 구동 토크를 발생시키고, 발생된 제1 구동 토크는 파워 트랜스미션 조립체(116)를 거쳐 차량의 드라이브라인(128)에 전달된다.
파워 트랜스미션 조립체(116)는 종래의 수동, 자동 또는 무단 자동차 트랜스미션, 또는 이와 동등한 제1 동력 발생 시스템(114)에서 생성된 기계적 동력을 전달하는 기어링 기구일 수 있다. 시스템(110)은 배터리, 고성능 축전기, 유압 축압기 또는 다른 에너지 저장 장치와 같은 제2 동력원(118)과, 제1 동력 발생 시스템(114)에 의해 전달된 구동 토크를 보완하기 위하여 일 이상의 전기 기계 또는 다른 토크 발생 장치와 같은 제2 동력 발생 시스템(120)을 더 포함한다. 시스템은 추가의 구동 토크를 제공하기 위하여 연료 전지 시스템 또는 보조 동력 유닛(APU)과 같은, 보조 동력 발생 시스템(126)에 결합되는 보조 동력원(124)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 동력 발생 시스템(114)은 수소 연소식 내연 기관이다. 수소 동력원(112)은 금속 하이드라이드 저장 시스템과 같은 저압 시스템 또는 압축된 수소 가스 저장 시스템을 포함할 수 있다. 파워 트랜스미션 조립체(116)는 내연 기관(114)과 제2 동력 발생 시스템(120)의 출력을 차량의 드라이브라인(128)에 전달한다. 파워 트랜스미션 조립체(116)는 제2 동력 발생 시스템(120), 양호하게는 통합형 고전압 전기모터/발전기로 구성되고 배열된 컨버터-리스(converter-less) 자동 트랜스미션이 양호하다. 양호하게는, 파워 트랜스미션 조립체(116)와 제2 동력 발생 시스템(120)은 단일 모듈식 하이브리드 트랜스미션 유닛(122)으로 패키지될 수 있다.
도2a 내지 도2c는 본 발명에 적용될 수 있는 예시적인 하이브리드 파워트레인 시스템의 구조를 도시한다. 도2a는 모듈식 하이브리드 트랜스미션 유닛(204)에 연결된 수소 연료식 내연 기관(202)을 구비한 소위 "직렬식(series)"이라고 불리는 하이브리드 구조(200)를 도시한다. 모듈식 하이브리드 트랜스미션 유닛(204)은 전기 모터(210)와 기어세트(212)를 거쳐 차량의 구동 휠(218)에 동력을 공급하기 위한 전기 에너지를 생산하는 전기 발전기(208)를 포함한다. 전기 저장 장치(206)는, 내연 기관이 필요한 동력보다 더 큰 동력을 생산한 경우에는 발전기(208)를 거쳐 전기 에너지를 저장하고, 기관의 동력 출력보다 더 많은 동력이 요구되는 경우에는 전기 모터(210)를 거쳐 기관의 동력을 보완한다. 도2b는 모듈식 하이브리드 트랜스미션 유닛(224)이 수소 연료식 내연 기관(202), 커플링 장치(228) 및 기어세트(230)를 구비한 제1 동력 경로와, 모터/발전기(232), 커플링 장치(234) 및 기어세트(230)를 구비한 제2 동력 경로를 거쳐 드라이브라인 토크를 전달하는, 소위 "병렬식(parallel)"이라고 불리는 하이브리드 구조(220)를 도시한다. 커플링 장치(228, 234)는 기계적 에너지를 차량 드라이브라인(218)에 전달하기 위한 임의의 적절한 장치, 예를 들면 기어세트 또는 클러치일 수 있다. 일 실시예에서, 커플링 장치(228, 234)는 동일한 장치일 수 있다. 도2c는 모듈식 하이브리드 트랜스미션 유닛(244)이 기어세트(250)와 드라이브라인(218)에 동력을 전달하도록 전기적 및/또는 기계적으로 연결된, 예를 들면 유성 기어세트를 통해 연결된 모터/발전기(252, 253)를 포함하는 소위 "병렬-직렬식"이라고 불리는 구조(30)를 도시한다.
도3은 본 발명에 따른 예시적인 하이브리드 파워트레인 시스템(300)의 개략적인 블록도를 도시한다. 시스템(300)은 이의 실시예가 도4를 참조하여 이하 설명되는 수소 연료식 내연 기관(302)과, 이의 실시예가 도5를 참조하여 이하 설명되는 모듈식 하이브리드 트랜스미션 시스템(310)을 포함한다. 모듈식 하이브리드 트랜스미션 시스템(310)은 병렬식 하이브리드 시스템과 같이 파워트레인 시스템(300)을 작동시키도록 선택적으로 결합 및 결합 해제될 수 있는 클러치 기구(312)를 포함한다. 클러치 기구(312)가 결합될 경우에, 기관(302)의 토크 출력은 배터리(320)에 결합되는 모터/발전기(314)의 출력을 보완하기 위하여 전달된다. 모터로서 작동하는 경우에, 모터/발전기(314)는 배터리(320)에 저장된 전기 에너지를 사용하고, 발전기로서 작동하는 경우에, 모터/발전기(314)는 배터리(320)에 전기 충전을 제공한다.
도4는 도3의 하이브리드 파워트레인 시스템의 일부로서 사용하기 위한 수소 연료식 내연 기관(400)의 개략도를 도시한다. 기관(400)은 수소 가스 연소식이고, 4 행정 기관이고, 복수개의 실린더(402; 하나만이 도시됨)를 구비한 포트 연료 분사 내연 기관이며, 상기 실린더 각각은 커넥팅 로드(414) 및 크랭크축(416)과 상호 작용하는 대응 왕복 피스톤(412)과 연소 챔버(410)를 구비한다. 일 실시예에 따르면, 피스톤(412)은 대략 12.2:1의 압축비로 최적화되고, 단조된 알루미늄 피스톤으로 제조된다. 피스톤(412)은 대체로 편평한 피스톤 헤드와, 120 bar의 피크 실린더 압력에 대해 최적화된 링 팩(411)을 특징으로 한다. 완전히 부유식인 부시형 피스톤 핀(413)은 4340강으로 기계가공되고 링 팩(411)을 수납하도록, 유사한 가솔린 엔지 커넥팅 로드와 비교하여 짧아진 커넥팅 로드(414)에 피스톤(412)을 부착한다.
복수개의 캠축 조립체(418, 420)는 각각의 흡입 및 배기 매니폴드 연통하도록 작동되는 흡입 및 배기 밸브(422, 424)에 각각 기계적으로 결합된다. 양호하게는, 수소 연료의 감소된 윤활 기능으로 인한 내마모성을 개선하기 위하여, 밸브를 경화하고 피복하는 스텔라이트에 포함된 밸브(422, 424)가 설치된다.
이중 레일 연료 분사기 장치는 도면 부호 454와 456에 의해 집합적으로 도시된 고속 유동 분사기들(454; 하나만 도시됨)과 저속 유동 분사기들(456; 하나만 도시됨)을 포함한다. 분사기들(454, 456), 양호하게는 디스크형 기상 연료 분사기들은 압축 가스, 금속 수소화물 또는 그 외 수소 저장 매체로부터의 수소 연료의 공급을 조절하는 엔진 제어 모듈(ECM)(914)(도9 참조)에 의해 제어된다. 수소는 상당히 넓은 연소 범위를 갖기 때문에, ECM(914)은 연료 분사기들(454, 456)을 공칭 작동시켜 각 연소실(410) 안에 공연 혼합물을 제공한다. 제한적이 아닌 일예로써, 유사한 종래의 가솔린-동력 엔진의 약 14.7:1과 비교하여, 엔진(400)은 대로를 운행하는 동안 약 86:1의 공연비로 작동될 수 있다.
희소 형식(lean regime) 엔진(400)의 작동은 사전-점화나 소위 엔진 "노크" 없는 개선된 연료 효율을 허용한다. 일 실시예에서, 저속 유동 분사기(456)는 낮은 엔진 속도에서 작동되고, 고속 유동 분사기(454)는 높은 엔진 속도에서 작동된다. 연료는 흡기 밸브(422)가 열리고 배기 밸브(424)가 닫혀있을 때에만 각 연소실(410) 안으로 주입된다. 역화(backflash/backfire)의 발생을 최소화하기 위해, 이러한 "지연된 연료 주입 타이밍"은 중첩 기간 동안 배기 밸브(424)의 유도 공기 냉각을 허용한다. 바람직하게는, 20 내지 170°의 기간와 함께 "주입 타이밍의 종결"은 180°(흡기 행정의 BDC)에 고정되어서, 배기 밸브가 닫히기 전에 연료가 주입되지 않도록 한다.
연료 분사기들(454, 456)은 부분적으로 중첩하는 유속을 갖는다. 즉, 고속 유동 분사기들(454)에 대한 최소의 실행 가능한 유속은 저속 유동 분사기들(456)의 최대 유속과 같다. 이것은 바람직하지 않은 불연속 없이 수용되는 연료 운반율의 광범위한 변화를 허용한다. 이것은 전자적으로 제어되는 분사기를 사용함으로써 달성되며, 이들 분사기들은 펄스 폭으로 불리는 시간의 가변 기간 동안 개방된다. 이 방법이 도12에 도시되었다. 따라서, 수소 유동이 증가되고 있을 때, 블록(1214)에서 제기되는 질문에 대한 답이 "예"일 때, 저속 유동 분사기들(456)의 펄스 폭이 제어기(914)에 의해 블록(1126)의 중첩 유속값으로 증가될 것이며, 이 시각에 고속 유동 분사기들(454)은 블록(1218)의 중첩값에 대응하는 펄스 폭으로 작동될 것이다. 동시에 블록(1218)에서, 분사기들의 두 세트들로부터의 총 유동이 저속 유동 분사기(456)로부터의 사전 중첩 유속과 동일해지도록 저속 유동 분사기(456)의 펄스 폭은 감소될 것이다. 그 후, 저속 유동 분사기들(456)이 차단되기 전까지, 고속 유동 분사기(454)의 유속은 제어기(914)에 의해 더 증가될 수 있고, 저속 유동 분사기의 유속은 더 감소될 수 있다. 연료 운반이 높은 연료 공급율로부터 감소되고 있는 경우, 고속 유동 분사기들(454)의 펄스 폭은 블록(1222)에서 중첩값으로 감소될 것이며, 저속 유동 분사기들(456)이 동시에 꺼질 때 저속 유동 분사기들(456)은 블록(1224)에서 중첩값으로 작동될 것이다.
수소 연료 유동을 신속하게 제어하는 기능은 본 파워트레인 시스템에 대한 적어도 하나의 부가적 이유에 있어서 중요하다. 포트-주입 수소 연료 왕복 내연 엔진의 흡기 매니폴드 내의 역화는 일정 작동 형태에서 문제가 될 수 있기 때문에, 엔진(400)은 흡기 플레넘(449) 내에 장착되는 온도 및 절대 압력(TMAP) 센서(447)를 갖는다(도4).
TMAP 센서는 도13의 순서도로 도시된 것과 같은 역화를 제어하는 방법에서 사용된다. 역화는 보통 흡기 매니폴드 온도 및 때로는 압력의 거의 순간적인 증가를 유발한다. 블록(1312)에서, TMAP 센서(447)는 이러한 흡기 플레넘 온도 및 압력을 연속적으로 감지한다. 그 다음, 블록(1314)에서, 엔진 제어기(914)는 온도에 대한 그리고 만일 필요하면 압력에 대한 측정값을 소정의 임계값과 비교한다. 블록(1314)의 질문에 대한 답이 "아니오"이면, 루틴이 그냥 계속된다. 만일 답이 "예"이면, 제어기(914)가 분사기 펄스 폭을 영으로 설정함으로써 연료를 차단하는 블록(1316)으로 루틴이 진행된다. 그 다음, 블록(1318)에서, 제어기(914)가 센서들과 경과 시간이 역화가 멈췄음을 나타내는지를 점검한다. 만일 그렇다면, 연료 공급은 블록(1320)에서 재개될 것이다. 연료가 공급되지 않는(non-fuelling) 기간 동안, 발생할 수도 있는 토크 부족을 보상하도록 전기 구동 시스템이 블록(1322)에서 사용될 수 있다. 물론, 전기 구동 지원은 적합한 배터리 충전 상태, 적합한 도로 속도, 및 그외 조건들 등의 여러 조건들이 만족될 경우에만 사용 가능할 것이다.
스파크 플러그들(460, 하나만 도시됨)은 ECM(914)에 의해 마찬가지로 제어되는 점화 장치(462), 바람직하게는 소위 "코일-온-플러그(coil-on-plug)" 점화 장치에 전기적으로 접속된다.
엔진(400)은 엔진의 동력 출력을 증가시키기 위해 원심형 과급기 등의 적어도 하나의 공기 충전 부스트 장치(air charge boosting device, 436)를 더 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서, 원심 과급기가 엔진의 전방 단부 보조 구동기(front end accessory drive: FEAD)으로부터 벨트 구동되며, 5000 rpm의 엔진 속도에서 90 kpa (게이지) 부스트를 공칭 제공한다. 그러나, 과급은 흡기 공기를 가열하고 따라서 엔진이 보다 사전-점화되기 쉽게 만드는 바람직하지 않은 효과를 갖는다. 이것은 결국 엔진의 동력 출력을 제한한다. 그러므로, 공기 가열을 최소화하기 위해, 본 양수인의 소유이며 그 전체가 참조로서 본 명세서에 포함되는 미국 출원 번호 제09/683,072호에 개시된 바와 같이 이단 인터쿨러가 제공된다. 이단 인터쿨러는 과급기(436)와 연통된 공기-대-공기(air-to-air) 인터쿨러(438)와, 공기 온도의 추가적인 감소를 위해 공기-대-공기 인터쿨러(438)의 하류에 배치된 공기 조화-대-공기(air conditioning-to-air) 인터쿨러(442)를 포함한다. 공칭, 공기 조화-대-공기 인터쿨러(442)는 냉매로써 R-134를 사용하는 높은 부스트 조건 하에서 작동된다.
오일 소비 제어 수단은 자동 점화를 방지하고, 탄소계 및 질소 산화 배기량을 실질적으로 저감시킨다. 따라서, 실린더(402)는 데크 플레이트 실린더 보어 호닝(deck plate cylinder bore honing)을 이용해서, 실린더 벽의 형상을 최적화 하도록 가공된다. 벨브 스템 밀봉이 오일 풀 바이(pull-by)를 최소화하고 내마모성을 향상시키기 위한 것이므로, 링 팩(411) 내의 피스톤 링의 단부 간극은 증가된 압력 및 신뢰성에 대해 최적화된다.
벤추리(434) 뿐만 아니라 분리기(452) 및 체크 밸브(446, 448)를 합체하는 능동적 크랭크실 배기(PCV) 시스템은 또한, 크랭크실 가스로부터 오일 증기를 제거하기 위해 포함된다. 이런 시스템은 본 출원인에 의해 소유된 미국 특허 제6,606,982호에서 예로써 설명되고, 그 전체 내용이 본 명세서에서 참조되어 합체된다. PCV 시스템은 크랭크실로부터 연소되고 부분적으로 연소된 가스를 추출하도록 설계된 배기 제어 시스템이고, 특히 향상된 오일/공기 분리를 제공하기 위한 가압/진공 유도 시스템에 사용될 수 있다.
희박 공기/수소 연로 혼합의 결과로써, 도4의 엔진(400)은 최대 효율의 동력 및 범위에 대해 최적화된다. 또한, 상기한 오일 제어 수단은 엔진(400)의 탄화 수소, 질소산화물 및 이산화탄소 배출량을 실질적으로 최소화하기 위해 제공된다.
도5는 본 발명에 따른 예시적인 하이브리드 파워트레인(500) 시스템의 단면도를 도시한 것이다. 파워트레인(500)은 엔진 시동/정지, 엔지 부스트, 재생 제동(동역학적 복구) 및 전기 구동을 포함하는, 기능적으로 "완전한(full)" 하이브리드를 허용한다. 좌로부터 우까지, 파워트레인 시스템(500)은 수소 연료 내연기관(400), 통합형 모터-발전기(M-G)/단절 클러치 조립체(510) 및 파워 트랜스미션 조립체(550)를 포함한다. 바람직하게는, 조립체(510, 550)는 일예로써 도1에서 참조 번호 122로 도시된 "모듈식 하이브리드 트랜스미션 시스템"으로 함께 일체화된다. 모듈식 하이브리드 트랜스미션 시스템은 이제 하기되고, 미국 특허 제6,585,066호에 더 서술되며, 그 전체 내용이 본 명세서에서 참조되어 합체된다. 대안적인 실시예는 또한 본 양수인에 의해 소유되는 미국 특허 제6,176,080호에서 서술되고, 그 전체 내용이 본 명세서에서 참조되어 합체된다.
도5를 참조하면, 통합형 M-G/단절 클러치 조립체(510)는 수소 내연기관(400)과 파워 트랜스미션 조립체(512) 사이에 배치된 하우징(514)을 포함한다. 하우징의 일단부 상의 엔진 블록(499)에, 그 타단부는 트랜스미션 하우징(552)에 볼트 또는 다른 적당한 부착 수단을 통해 부착된다. 하우징(514)은 전기 모터-발전기, "습식 클러치" 조립체 및 댐퍼 조립체용 외피(enclosure)로써 제공된다. 통상, 전기 모터 발전기는 고정자(518) 및 로터(520)와, 적어도 25kW의 최대 동력 출력을 갖는 유도형의 전기 장치이다. 그러나, 모터 발전기의 실제 크기 결정은 파워트레인의 동력 출력 요구량 및 대응 전기 저장 장치의 전기 동력 능력에 따른다.
통상적인 공압 운동식 토크 컨버터를 대치하는 습식 클러치 조립체는 트랜스미션 하우징에 부착된 지지 베어링 샤프트(522) 상의 로터(520) 내에 동축상으로 장착된다. 클러치 조립체는 압력 챔버를 형성하기 위한 실린더(524)와 상호 작동하는 환형 피스톤(526)을 감싸기 위한 습식 클러치 실린더(524)를 포함한다. 압력 챔버는 복수의 공압 경로(도시되지 않음)에 의해 공급되고, 클러치 지지 요소(530) 상에 장착된 복수의 클러치 판(528)을 작동하도록 사용된다. 클러치 판이 해제될 경우, 모터 발전기 토크는 트랜스미션 입력 샤프트(542)로만 토크를 전달하기 때문에, 하이브리드 파워트레인(500)은 전기 모드에서 작동될 수 있다. 클러치가 해제되면, 파워트레인은 또한, 동역학적 복구 또는 재생적 제동 모드에서 작동될 수 있다. 클러치 판(528)이 결합되는 경우, 엔진은 트랜스미션 입력 샤프트(542)와 기계적으로 결합되어, 임의의 트랜스미션 입력에서 모터 발전기를 공급하게 된다. 클러치가 결합되면, 파워트레인(500)은 엔진 온리 모드(engine only mode) 또는 조합된 엔진/모터 모드(예를 들면, 발사 보조), 및 엔진의 시동/정지 작동에 사용되는 전기 모터 발전기에서 작동될 수 있다.
습식 클러치 조립체가 바람직하지만, 본 명세서에 청구된 발명은 또한 건식 마찰 요소를 사용할 수 있다. 그러나, 습식 클러치 조립체는 미국 특허 제6,176,080호에 기술된 바와 같은 건식 요소에 비견되는 보다 안정된 마찰 특성들을 보이기 때문에 바람직하다. 또한, 습식 클러치 설계에 의해, 트랜스미션 유체를 갖는 전기 모터(518, 520)의 분무는 차례로 모터의 일정한 동력 작동을 향상시키는 모터 단부 와인딩을 냉각시킨다. 또한, 포장 비용은 베어링 대신 로터(520)를 장착하기 위해 부싱을 사용함에 의해서 감소될 수 있다.
댐퍼 조립체는 수소 연료 내연기관으로부터 비틀림 진동을 최소화하기 위해 제공된다. 조립체는 허브(532), 댐퍼 구동 판(534), 댐퍼 스프링(536), 댐퍼 하우징(538) 및 크랭크샤프트 구동 판(540)을 포함한다. 도5에 도시된 바와 같이, 허브(532)는 클러치 지지 요소(530) 및 댐퍼 구동 판(534)과 연통한다. 댐퍼 구동 판(534)은 댐퍼 스프링(536)과 차례로 연통하여, 수소 연료 내연기관의 비틀림 변동을 더 최소화하기 위해 선택되거나 선회된다. 댐퍼 스프링(536)은 댐퍼 하우징(538)과 차례로 상호 작용하여, 크랭크샤프트 구동 판(540)에 기계적으로 고정된다. 크랭크샤프트 구동 판(540)은 크랭크샤프트(416)에 차례로 고정된다.
도5의 모듈식 하이브리드 트랜스미션 시스템은 파워 트랜스미션 조립체(550)를 더 포함한다. 시스템의 모듈 설계의 성질상, 트랜스미션 조립체(550)는 하이브리드 및 비하이브리드 용도에 적합한 수동, 자동 또는 연속적으로 가변 가능한 트랜스미션일 수 있다. 도5를 참조로 하여 본 명세서에 기술된 트랜스미션 조립체는 단지 하나의 예이며 이에 한정되지 않고, ZF-Batavia의 CD4E 4-speed 자동 트랜스미션의 버전으로 변경 가능하다. 다른 트랜스미션 및 기어 구조는 청구된 발명의 사상을 벗어나지 않는 한 사용될 수 있다.
파워 트랜스미션 조립체(550)는 트랜스미션 하우징(552)의 일측에 배치된 유압 제어 조립체(554)를 포함한다. 유압 제어 조립체(554)는 전자 전환 요소를 수납하기 위한 전자 모듈(558) 및 밸브실(556)을 포함한다. 유압 제어 조립체(554)는 트랜스미션(550)에 배치된 다양한 클러치 장치와 함께 전술된 단절 클러치 조립체(disconnect clutch assembly)를 결합 및 결합 해제하는데 사용된다. 밸브실(552)에 일체형인 소형 전자 펌프(도시되지 않음)는 엔진이 정지해 있는 동안 트랜스미션 조립체(550)에 소정의 유압력을 유지시킨다.
본 실시예에 대하여, 트랜스미션(550)은 적어도 네 개의 전진 구동 기어비와 하나의 후진 기어비를 제공하도록 5개의 개별 클러치/마찰 요소를 포함하며, 후진 클러치(558), 다이렉트 클러치(560), 전진 클러치(562), 저속 및 후진 브레이크(564) 및 브레이크 밴드(566)로 구성된다. 각각의 클러치/마찰 요소(558, 560, 562, 564, 566)는 유성 기어 셋트(568, 570, 572)와 체인(574)을 경유해 구성되어 상기 참조된 미국 특허 제6,585,066호에 상세히 개시된 바와 같이 전진 및 후진 기어비를 산출한다. 최종 토크는 유성 기어 셋트(572)를 통해 차동 기어(576)로 전달되며, 궁극적으로 하프 샤프트(half-shaft)(578, 580)에 전달된다. 선택적으로, 추가된 또는 변경된 기어 장치가 유성 기어 셋트(572)의 출력부에 제공되어 4륜 구동 능력을 제공하게 된다.
이와 같이, 매우 낮은 배출량의 "parallel(병렬식)" 하이브리드 파워트레인 시스템은 도4의 수소 내연 기관과 도5의 모듈식 하이브리드 트랜스미션 시스템을 조합하여 이루어진다. 병렬식 하이브리드 시스템에 있어서 파워트레인은 동력 발생원으로 수소 엔진이나 전기 모터 중 하나로만 작동하거나, 여분의 동력이 필요할 경우 엔진과 모터 모두로 작동할 수 있다. 하이브리드 파워트레인은 제동시 열 에너지로 소실될 수 있는 운동 에너지를 전기 에너지로 복구시키는 재생성 제동 기능을 가능하게 한다. 예를 들어, 복구된 전기 에너지는 후속 출발, 가속, 언덕 등판 운동 중에 적어도 부분적으로 차량에 동력을 제공하는데 사용될 수 있다. 또한, 파워트레인은 전기 차량 모드 작동과 엔진의 시동/정지를 가능하게 한다. 엔진 시동/정지시, 예를 들어 엔진은 연료와 배기 가스 저감을 위해 자동으로 꺼질 수 있다. 브레이크 페달이 해제되고 가속 페달을 밟았을 때, 차량 시스템 콘트롤러는 연속해서 전기 모터를 제어하여 엔진은 재시동하며 단절 클러치를 재결합시킨다.
도4 및 도5를 참고로 설명된 수소 연료식 하이브리드 파워트레인 시스템의 이점을 도시하는 도6 내지 도8을 참고하기로 한다. 곡선(610 내지 650)은 각각 최대 엔진 출력 토크(Nm), 즉 광범위한 엔진 작동 속도에 대해서 트랜스미션 입력 구동 샤프트 상의 크랭크 샤프트 토크를 나타낸다. 곡선(610)은 종래의 2.3리터 가솔린 연료식 내연 기관에 대한 토크/속도 특성을 나타낸다. 1000 내지 5000 rpm의 작동 범위에 대해서, 가솔린 연료식 내연 기관에 대한 최대 엔진 토크는 (1000 rpm에서) 약 160 Nm 내지 (4000 rpm에서) 약 210 Nm로 변한다. 이는 최대 피크 값으로부터 약 23.8%의 변화를 나타낸다. 비교로서, 도4를 참고로 설명된 바와 같이 구성되고 수소로 충전된 동일한 엔진에 대한 곡선(620 내지 650)은 매우 감소된 동력 출력 성능을 달성한다. 과급 없는 수소 연료식 엔진의 곡선(650)은 가솔린 엔진에 대한 210 Nm에 비교하여 약 120 Nm의 최대 출력 토크를 나타낸다. 과급이 성능, 즉 각각 100%, 40% 및 20% 과급에 대한 곡선(620, 630, 640)에 대한 성능은 향상시키지만, 과급에 대한 이익은 2500 rpm 이하에서는 분명하지 않다. 본원에서 "% 과급(또는 부스트)"은 대기압 보다 큰 %로 지칭하며, 부스트 장치는 입구 충전을 가압하는데, 예를 들어 25% 부스트는 압력비가 1.25:1이거나 부스트가 14.7 psi * 1.25 = 18.3 psi이다. 2500 rpm 이상에서는 100% 과급일 경우[곡선(620)]는 가솔린 엔진 성능에 가장 가깝다. 100% 과급에서는 1000 내지 5000 rpm 범위에 대해서 최대 피크 값으로부터의 백분율 변화는 대략 57.4 %((202-85.66)/202*100)이다. 특히, 저속 작동 범위, 즉 2500 rpm 이하에 대해서는 엔진의 최대 토크 출력이 고속, 즉 5000 rpm일 때의 출력과 비교할 때 현격히 감소한다.
희박 공기/연료의 조합에서도 과급 및 중간 냉각은 수소 엔진의 성능을 최적화시키며, 동력 출력은 종래의 가솔린 연소식 내연 기관에 비교하여 현격히 감소한다. 저하된 성능은 엔진의 낮은 작동 속도에서 특히 분명한데, 이때 과급의 이득이 완전히 실현되지 않는다. 이러한 성능의 결점, 특히 2500 rpm이하에서의 파워트레인 작동 속도에 대한 이러한 결점은 실제로 도3 내지 도5를 참고로 설명된 수소 하이브리드 파워트레인을 사용하여 극복될 수 있다.
도7은 도3 내지 도5를 참고로 상기 설명된 수소 하이브리드 파워트레인에 대한 최대 출력 토크 특성을 도시한다. 곡선(720 내지 750)은 광범위한 파워트레인 작동 속도에 대해서 트랜스미션 입력 구동 샤프트에서의 최대 토크를 나타낸다. 가장 눈에 띄게는, 부분적으로 전기 모터 발전기의 저속 성능 특성으로 인해서 토크 성능이 2500 rpm 이하의 작동 속도에 대해서 현격히 향상된다. 그리고, 과급이 40% 이상일 때, 2500 rpm 보다 큰 작동 속도에 대해서 성능이 현격히 향상된다. 과급이 100%일 때, 1000 내지 5000 rpm 범위에 대해서 최대 피크 값으로부터의 백분율 변화는 종래의 가솔린 연료식 엔진과 비교하여 대략 21%이다. 또한, 평균 최대 출력은 가솔린의 경우와 비교하여 증가한다.
도8은 최대 동력 출력의 관점에서 수소 하이브리드 시스템의 이점을 도시한다. 또한, 과급이 증가된 상태, 즉 곡선(820)(100% 과급), 곡선(830)(40% 과급), 곡선(840)(20% 과급) 및 곡선(850)(0% 과급)에서 파워트레인의 동력 출력은 가솔린 연료식 엔진의 곡선(810)을 초과한다. 과급이 40%이상일 때, 모듈식 하이브리드 트랜스미션과 수소 엔진의 동력 출력 특성은 파워트레인 작동 속도 범위에 대해서 서로 보완한다.
따라서, 모듈식 하이브리드 트랜스미션과 수소 연료식 내연 기관의 조합은 CO2 방출이 실질적으로 감소되고 탄화수소 및 일산화질소의 일부분만이 방출되는 상태에서 종래의 가솔린-동력 엔진에 비해 향상된 동력 성능을 가능케 한다. 또한, 상기 조합은 "완전한" 하이브리드 기능성, 즉, 방출을 더욱 감소시키고 연료 경제성을 향상시키는 엔진 기동/정지, 엔진 부스트, 재생 브레이킹(동역학적 재생) 및 전기 구동을 가능케 한다.
도9는 본 발명에 따른 예시적 수소 연료식 내연 기관 하이브리드 차량(900)의 개략적 블록도를 도시한다. 차량은 전자 스로틀을 구비하는 수소 연료식 과급 2.3L 내연 기관(902), 25kW 전기 모터/발전기 및 상응하는 동력 전자 부품(905)을 구비하는 전기적 무변환기 모듈식 하이브리드 트랜스미션 시스템(904), 280 볼트 리튬 이온 배터리(906), 압축 수소 가스 저장 시스템(908) 및 상응하는 수소 검출 센서(910)를 포함한다. 차량은 하나 이상의 고속 탑재 통신 네트워크에 걸쳐 통신하는 하나 이상의 탑재 마이크로프로세서 장치 상에 별도로 또는 함께 구현될 수 있는 수 개의 제어 모듈을 포함하며, 차량 시스템 제어기(VSC)(912), 엔진 제어 및 연료 분사 모듈(ECM/FIM)(914), 전기 동력 보조 스티어링(EPAS) 모듈(916), 트랜스미션 제어 모듈(TCM)(918), 배터리 제어 모듈(BCM)(920) 및 수소 관리 모듈(922)을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. TCM(918)은 페달 위치, PRNDL 위치, 속도(즉, 트랜스미션 입력, 트랜스미션 출력, 트랜스미션 기어 속도, 엔진, 등), 엔진 및 모터 토크 및 다양한 라이너 솔레노이드(VFS) 및 소형 전기 펌프 상의 압력을 제어하기 위한 압력(즉, 전진/후진 클러치 및 라인)과 같은, 차량으로부터의 입력을 판독한다. 양호하게는, TCM(918)은 또한 차량 론치, 엔진 휠 분리, 결합, 엔진 기동, 팁-인/아웃 동안의 드라이브라인 진동 및 트랜스미션 기어 변속을 제어한다. 일 실시예에서의 연료 탱크는 5000 내지 10,000 psi의 작동 압력에 대해 평가되는 탄소 섬유 구조 케이싱을 갖는 알루미늄 압력 장벽일 수 있다.
도10 및 도11은 수소 하이브리드 차량(1100)의 수소 하이브리드 파워트레인(1000) 및 그 배치에 대한 등각도이다. 수소 하이브리드 차량(1100)은 내연 기관(902), 및 차량(1100)의 엔진 또는 전방 구획부 내에 구성되어 배치된 모듈식 하이브리드 트랜스미션 시스템(904)을 포함한다. 고전압 배터리(906) 및 수소 저장 탱크(1112, 1114, 1116)를 포함하는 에너지 저장 장치는 차량(1110)의 저장부 또는 후방 구획부에 내장된다. 대안적으로, 하나 이상의 저장 탱크 또는 배터리는 예를 들면 차량(1100)의 플로어 팬의 승객 시트 아래의 차량의 중간 섹션에 내장될 수 있다.
다시 도10을 참조하면, 수소 하이브리드 파워트레인의 주요 부품은 전방 단부 액세서리 조립체(1010), 원심력 과급 조립체(1028), 이중 연료 레일(1030, 1032), 전기 견인 모터(1040), 유압 밸브 조립체(1042) 및 동력 전자 및 제어 모듈(1044)을 포함한다. 전기 견인 모터(1040)는 공칭 25kW 피크/10kW 연속 동력 유도 모터이지만, 차량의 중량, 적용 분야 또는 당업계에서 알려지고 인식된 다른 구조상 표준에 따라 크기가 설정될 수 있다. 다른 주요 부품 및 그 배치는 도11에 도시되며, 공기 대 공기 인터쿨러(1102), 공기 대 공기 컨디셔너 인터쿨러(1104), 고전압 배터리(906), 배터리 냉각 유입 및 유출 조립체(1108, 1110), 수소 저장 탱크(1112, 1114, 1116) 및 수소 연료 용기(1118)를 포함한다. 일 실시예에서 수소 탱크는 예를 들면 5000 또는 10,000 psi에서 압축 수소 가스를 저장한다. 다른 저장 시스템은 초절연 액체 및 금속 수소화물 저장 시스템을 포함한다.
차량은 수소 가스의 능동 및 수동 배기를 위한 (도시되지 않은) 배기 시스템을 더 포함하며, 이는 본 양수인에 의해 소유되고 그 전체가 여기에 참조로 병합된 미국 특허 제6,446,616호에 개시되어 있다.
보다 높은 압축비, 보다 신속한 연료 연소율, 과급기, 전기 모터, 및 능동 및 수동 배기 장치를 구비하는 수소 하이브리드 파워트레인(1000)의 본질에 의해, 차량(1110) 및 그 부품은 종래의 비-하이브리드 가솔린 동력 차량에 비해 높은 수준의 소음, 진동 및 잡음(NVH)을 생성하는 경향이 있다. 크랭크 샤프트 풀리(1012), 워터 펌프 풀리(1014), 과급기 풀리(1016), 벨트 텐셔너(1018), 제1 아이들러(1020), 공기 컨디셔너 풀리(1022), 제2 아이들러(1024) 및 벨트(1026)를 포함하는 FEAD 조립체(1010)는 예를 들면 NVH를 최소화하도록 최적화된다. 과급기 풀리(1016)는 벨트 슬리피지(slippage)를 방지하고 벨트 "스퀼(squeal)"을 최소화하도록 과급기(1028)가 일 방향으로 자유 회전(free wheel)할 수 있게 하는 일방향 클러치를 포함한다. 이 클러치 시스템은 본 양수인에 의해 소유되고 그 전체가 여기에 참조로 병합된 미국 특허 제5,669,336호에 개시된 클러치와 유사하다. 보다 낮은(또는 보다 높은) 마찰 계수를 갖는 벨트(1026)는 벨트 스퀼을 감소시킨다. 또한 NVH를 감소시키도록 최적화된 크랭크 샤프트 풀리(1012)는 다른 소음 주파수를 감쇠시키도록 연성 및 경질 고무 재료로 된 이중 댐퍼 장치를 포함한다. 벨트 텐셔너(1018)는 보다 높은 감쇠를 실행하고 텐셔너 이동 및 FEAD "슬래핑(slapping)" 소음을 감소시키도록 위치된 공칭 "슬랙 측면(slack side)" 텐셔너이다.
NVH를 더 감소시키기 위해, 엔진(902) 및 트랜스미션 시스템(904)은 흡음 재료에 의해 둘러싸이거나 또는 싸여진다. 신슐레이트(Thinsulate) 또는 다른 포움 재료와 같은 하나 이상의 흡음 재료로 된 제1 장벽은 예를 들면 엔진과 승객 구획부 사이에 사용될 수 있다. 포움 후드 라이너 형태의 제2 장벽은 소음을 억제하도록 사용될 수도 있다. 또한, 과급기 "벨리 팬(belly pan)"으로 배치된 제3 층은 과급기에 의해 방시된 소음을 감소시키도록 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 벨리 팬은 시트 금속 재료로 구성되며, 과급기 조립체(1028)로부터 방사된 소음 누설을 감소시키도록 조각 포움으로 안감을 댄다.
선택적으로, 내연 기관의 흡기 및 배기 시스템은 소음을 더욱 감소시키도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 차량의 하부 터널 영역에 패키지된 87 Hz로 맞추어진 관형 머플러(1120)는 2dB 만큼 소음을 감소시킬 수 있다. 공기 박스와 과급기 사이에 설치된 133 Hz에 맞추어진 헬름홀쯔 공명기(도4의 491 참조)는 흡기 소음을 최소화하도록 사용될 수 있다. 당업계에 알려진 상기 및 다른 방법은 수소 하이브리드 파워트레인의 흡기 및 배기 시스템으로부터 발생되는 소음을 최소화하도록 사용될 수 있다.

Claims (2)

  1. 각각의 실린더에 저속 유동 연료 분사기 및 고속 유동 연료 분사기를 포함하는 펄스식 연료 분사기를 갖는 수소 연료 내연 기관을 위한 연료 전달 속도를 변화시키는 방법이며,
    유속이 중복값에 도달할 때까지 저속 유동 분사기의 펄스 폭을 증가시킴으로써 연료 전달 속도를 증가시키는 단계와,
    중복값에 접근한 속도에서 고속 유동 분사기를 작동시키는 단계와,
    동시에 고속 및 저속 유동 분사기의 총 유동량이 저속 유동 분사기로부터의 최대 유동량과 동일하도록 저속 유동 분사기의 펄스 폭을 감소시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    유속이 중복값에 도달할 때까지 고속 유동 분사기의 펄스 폭을 감소시킴으로써 더 빠른 연료 속도로부터 연료 속도를 감소시키는 단계와,
    상기 고속 유동 분사기를 끄면서, 동시에 중복값에서 상기 저속 유동 분사기를 작동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
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