KR20130106788A - 엔진 시동 방법 - Google Patents

엔진 시동 방법

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KR20130106788A
KR20130106788A KR1020130029135A KR20130029135A KR20130106788A KR 20130106788 A KR20130106788 A KR 20130106788A KR 1020130029135 A KR1020130029135 A KR 1020130029135A KR 20130029135 A KR20130029135 A KR 20130029135A KR 20130106788 A KR20130106788 A KR 20130106788A
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torque
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combustion engine
clutch
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KR1020130029135A
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닐스 자우블렛
마쿠스 욀
요에르크-미햐엘 비르콜트
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독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
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Publication date
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Abstract

본 발명은 내연기관 및 구동엔진으로서의 전기모터를 하나 이상 구비하고, 내연기관과 전기모터가 공통 축 상에 배치되며, 내연기관 및/또는 전기모터는 구동 트레인의 하류측에 배치된 변속기에 토크를 도입할 수 있고, 내연기관과 전기모터 사이에 분리형 클러치가 제공되어 있는, 자동차 내용기관의 엔진 시동 방법에 관한 것으로, 상기 방법은:
a. 전기모터의 토크를 증가시키는 단계,
b. 전기모터의 회전속도를 높이고, 하류측 변속기의 하나 이상의 클러치에 슬립을 설정하는 단계,
c. 분리형 클러치를 전기모터의 리저브 토크와 최대 전달가능한 토크 사이의 토크까지 체결시키는 단계,
d. 내연기관의 회전속도가 적어도 실질적으로 점화 회전속도에 도달한 경우, 분리형 클러치의 전달가능한 토크를 감소시키는 단계,
e. 하류측 변속기의 상기 하나 이상의 클러치의 슬립을 끝내는 단계, 및
f. 전기모터의 토크 증가를 끝내는 단계를 포함한다.

Description

엔진 시동 방법{ENGINE STARTING METHOD}
본 발명은 엔진 시동 방법에 관한 것으로, 특히 청구범위 제1항의 전제부에 따른, 내연기관 및 구동엔진으로서의 전기모터를 하나 이상 구비한 자동차 내용기관의 엔진 시동 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 엔진 시동 방법을 수행하는 자동차에 관한 것이다.
내연기관 및 전기모터를 구비한 자동차에 대해서는 선행 기술에 공지되어 있으며, 하이브리드 차량으로도 불린다. 만일 내연기관 및 전기모터가 하나의 축 상에 배치되어 있으면, 이러한 구조는 병렬형 하이브리드로도 불린다.
이때, 자동차는 내연기관에 의해서만 구동되거나, 또는 전기모터에 의해서만 구동되거나, 또는 동시에 내연기관과 전기모터에 의해 구동될 수 있다. 여기서, 내연기관은 클러치를 통해 전기모터에 연결될 수 있으며, 그러면 상기 전기모터에는 변속기가 토크 흐름에서 하류측으로 연결될 수 있고, 상기 변속기에는 구동 트레인이 하류측으로 연결될 수 있다. 내연기관이 정지되면, 내연기관과 전기모터 사이의 클러치가 해제되면서, 내연기관과 전기모터 사이에 동력-전달 연결이 없게 된다. 상기 작동 상황에서는, 전기모터 단독으로 차량을 구동시킨다.
만일 내연기관을 지금 시동시키고자 한다면, 내연기관이 자발적으로 시동될 수 있는 최대 시동 회전 속도까지 회전될 수 있도록 클러치가 체결되어야 한다. 하지만, 이때 탑승자는 불쾌한 저더링(juddering)을 경험하게 되는데, 그 이유는 내연기관이 시동되기 전에, 차량의 전방 추진을 위해 이용가능한 상태였던 토크가 갑자기, 내연기관의 회전으로 인해, 그로부터 분기되어 더 이상 전방 추진을 위해 이용될 수 없기 때문이다.
또한, DE 10 2008 040 662 A1로부터, 클러치 토크는 선형 증가한 후에, 시간에 따라 안정 상태를 유지한 다음, 클러치 토크가 다시 추가로 선형 증가한다는 것이 알려졌다. 이것이 의도하는 효과는 엔진이 작동하는 동안 변화하는 내연기관의 분리토크(breakaway torque)를 결정할 수 있다는 데에 있다.
그러나 상기 접근방법은 근본적으로 엔진의 시동을 지연시키므로, 오히려 불편한 것으로 여겨진다. 또한, 클러치로의 마찰력 입력이 증가되므로 상기 방법은 열적인 이유로 인해서도 권장되지 않는다.
본 발명의 과제는 내연기관 및 구동엔진으로서의 전기모터를 하나 이상 구비한 자동차 내연기관의 엔진 시동 방법을 제공하는 것으로, 상기 방법은 내연기관이 빠르면서도 편안하게 시동되도록 하고, 분리형 클러치에 저마찰 동력이 입력되도록 한다. 또한, 다른 과제는, 내연기관의 시동 과정에서, 내연기관이 빠르면서도 편안하게 시동되도록 하고, 그럼에도 분리형 클러치에 작은 마찰력이 입력되도록 하는 자동차를 제공하는 것이다.
본 방법에 대해 상기 과제는 청구범위 제1항의 특징을 통해 해결되며, 이에 따라, 내연기관 및 구동엔진으로서의 전기모터를 하나 이상 구비하고, 내연기관과 전기모터가 공통 축 상에 배치되며, 내연기관 및/또는 전기모터는 구동 트레인의 하류측에 배치된 변속기에 토크를 도입할 수 있고, 내연기관과 전기모터 사이에 분리형 클러치가 제공되어 있는 자동차 내용기관의 엔진 시동 방법을 제공함에 있어서, 상기 방법은:
a. 전기모터의 토크를 증가시키는 단계,
b. 전기모터의 회전속도를 높이고, 하류측 변속기의 하나 이상의 클러치에 슬립(slip)을 설정하는 단계,
c. 분리형 클러치를 전기모터의 리저브 토크(reserve torque) 내지 최대 전달가능한 토크 범위의 토크까지 체결시키는 단계,
d. 내연기관의 회전속도가 적어도 실질적으로 점화 회전속도에 도달한 경우, 분리형 클러치의 전달가능한 토크를 감소시키는 단계,
e. 하류측 변속기의 상기 하나 이상의 클러치의 슬립을 끝내는 단계, 및
f. 전기모터의 토크 증가를 끝내는 단계를 포함한다.
그 결과, 시동 과정이 선행기술에 비해 비교적 빨리 수행되고, 내연기관을 점화 회전속도에 가깝거나 점화 회전속도와 대등한 회전속도까지 가속시키기 위해 전기모터의 회전속도 증가를 이용하기 때문에, 작은 마찰력이 입력된다.
또한 여기서는, 전기모터의 회전속도가 증가하되, 이로인해 저장되는 운동에너지가 내연기관의 회전속도를 바람직하게는 적어도 내연기관의 점화 회전속도에 가까운 회전속도 값까지 높이기에 충분할 정도로 증가하는 것이 유리하다. 점화 회전속도에 적어도 실질적으로 도달하면, 분리형 클러치는 다시 해제되고, 분리형 클러치에 의해 전달가능한 토크가 감소된다.
또한 여기서는, 분리형 클러치의 체결 및/또는 해제가 복수 단계(phase)에서 제어된 방식으로 이루어지도록 토크-조절 방식으로 행해지는 것이 바람직하다. 유리하게 이러한 제어는 여러 단계에서 점차적인 방식으로 수행된다.
여기서, 제1 단계에서 설정되는, 분리형 클러치에 의해 전달가능한 토크는 실질적으로 전기모터의 리저브 토크보다 큰, 바람직하게는 상기 리저브 토크의 적어도 2배에 해당되는 것이 유리하다. 이때, 상기 전달가능한 토크를 제1 단계에서 더 크게 설정하는 것도 또한 유리할 수 있다. 상기 전달가능한 토크가 전기모터의 회전속도를 빠르게 감소시키는 값을 갖는 것이 특히 유리하다. 제2 단계에서는, 상기 전달가능한 토크를 전기모터의 리저브 토크와 적어도 실질적으로 일치하도록 설정하여 감소되도록 하는 것이 바람직하다. 제2 단계에서 설정되는 전달가능한 토크는 더 낮을 수 있으며, 심지어 제로일 수 있다.
이때, 제2 단계에서 설정되는 전달가능한 토크는 제1 단계에서 설정된 토크에 비해 낮은 것이 바람직하다.
또한, 전달가능한 토크가 리저브 토크 또는 제로 값까지 감소되는 것이 유리하다.
제2 단계에서 설정되는 전달가능한 토크는 제1 단계에서 설정된 토크에 비해 낮은 것이 유리하다. 유리하게 상기 전달가능한 토크는 리저브 토크와 대략 같은 값까지 감소된다. 이때, 빠른 엔진 시동과, 단지 짧은 마찰시간을 실현하도록, 설정 기간을 유리하게는 대략 50ms 내지 100ms 범위로 하는 것이 유리하다. 이와 같이, 상기 단계들의 지속 시간은 대략 20ms 내지 50ms 범위에 속한다.
마찬가지로, 전달가능한 토크가 최대 토크인 것이 바람직하다.
마찬가지로, 분리형 클러치의 마찰시간이 50ms 미만 내지 대략 100ms 내지 150ms 범위에 속하는 것이 유리하다.
자동차에 관련된 목적은 청구범위 제8항의 특징을 통해 달성되며, 이에 따라, 내연기관 및 구동엔진으로서의 전기모터를 하나 이상 구비하고, 내연기관과 전기모터가 공통 축 상에 배치되며, 내연기관 및/또는 전기모터를 이용하여 구동 트레인의 하류측에 배치된 변속기에 토크를 도입할 수 있고, 내연기관과 전기모터 사이에 분리형 클러치가 제공된, 엔진 시동 방법을 수행하기 위한 자동차를 제공한다.
여기서는, 추가로, 내연기관과 전기모터 사이에 또는 전기모터의 하류측에 댐퍼가 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 변속기는 2개의 클러치를 가진 이중-클러치 변속기인 것이 유리하다.
추가의 유리한 실시예들을 하기 도면 설명 및 종속 청구항들을 통해 설명하기로 한다.
본 발명에 따르면, 내연기관이 빠르면서도 편안하게 시동되고 분리형 클러치에 작은 마찰력이 입력되는, 내연기관 및 구동엔진으로서의 전기모터를 하나 이상 구비한 자동차 내용기관의 엔진 시동 방법이 제공된다.
하나 이상의 예시적 실시예를 바탕으로, 도면을 참조하여, 본 발명을 더 상세히 설명하기로 하며, 도면에서:
도 1은 내연기관 및 전기모터를 구비한 자동차의 개략도를 나타낸다.
도 2는 내연기관 및 전기모터를 구비한 자동차의 개략도를 나타낸다.
도 3은 시간에 따른 토크를 예시하는 선도와, 시간에 따른 회전속도를 예시하는 선도를 나타낸다.
도 4는 시간에 따른 토크를 예시하는 선도와, 시간에 따른 회전속도를 예시하는 선도를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 방법의 순서를 예시하는 블록도를 나타낸다.
도 1은 내연기관(2) 및 전기모터(3)를 구비한 자동차(1)의 개략도를 나타낸다. 여기서, 내연기관(2)과 전기모터(3)는 공통 축(4) 상에 배치되는데, 이는 내연기관(2)의 구동출력(5)과 전기모터(3)의 구동출력(6)이 동일한 축(4) 상으로 전달된다는 것을 의미한다.
내연기관(2)과 분리형 클러치(7) 사이, 다시 말해서, 내연기관(2)과 전기모터(3) 사이에는, 예를 들어 듀얼 매스 플라이휠로서 형성될 수 있는 댐퍼(8)가 제공된다.
분리형 클러치(7)는 내연기관(2)의 출력축을 전기모터(3)의 출력축(6)에 토크-전달 방식으로 연결할 수 있다. 해제된 상태에서는 클러치(7)가 열려 있어, 내연기관(2)에서 축(4)까지 토크를 전혀 전달하지 않는다. 이때, 클러치에 의해 전달가능한 토크를 제어 방식으로 조절할 수 있다. 전달가능한 토크의 상기 조절을 통해, 예를 들면, 스러스트 플레이트(thrust plate)와 클러치 하우징 사이에 있는 클러치 내 클러치 디스크의 접촉 압력을 제어함으로써, 목표로 한 방식으로, 슬립 또는 전달가능한 토크를 설정하는 것이 가능하다.
토크 흐름에서 전기모터(3)의 하류측에는, 2개의 클러치(10,11)를 가진 이중-클러치 변속기(9)와, 단순히 개략적으로 예시한 관련 변속기(12)가 배치된다. 그 하류측에는, 차동기(14)와 차축(15)과 구동휠(16)을 포함하는 구동 트레인(13)이 배치된다.
도 2는 내연기관(102) 및 전기모터(103)를 구비한 자동차(101)의 대안예에 대한 개략도를 나타낸다. 여기서도, 거듭 말하지만, 내연기관(102)과 전기모터(103)는 공통 축(104) 상에 배치되는데, 이는 내연기관(102)의 구동출력(105)과 전기모터(103)의 구동출력(106)이 동일한 축(104) 상으로 전달된다는 것을 의미한다.
내연기관(102)의 하류측에는 분리형 클러치(107)가 배치된다. 전기모터(103)의 하류측에는 예를 들어 듀얼 매스 플라이휠로서 형성될 수 있는 댐퍼(108)가 배치된다.
분리형 클러치(107)는 내연기관(102)의 출력축을 전기모터(103)의 출력축(106)에 토크-전달 방식으로 연결할 수 있다. 마찬가지로, 해제된 상태에서는 클러치(107)가 열려 있어, 내연기관(102)에서 축(104)까지 토크를 전혀 전달하지 않는다. 거듭 말하지만, 이때, 클러치(107)에 의해 전달가능한 토크를 제어 방식으로 조절할 수 있다. 전달가능한 토크의 상기 조절을 통해, 예를 들면, 스러스트 플레이트와 클러치 하우징 사이에 있는 클러치 내 클러치 디스크의 접촉 압력을 제어함으로써, 목표로 한 방식으로, 슬립 또는 전달가능한 토크를 설정하는 것이 가능하다.
토크 흐름에서 전기모터(103)의 하류측에는, 마찬가지로, 2개의 클러치(110,111)를 가진 이중-클러치 변속기(109)와, 단순히 개략적으로 예시한 관련 변속기(112)가 배치된다. 그 하류측에는, 차동기(114)와 차축(115)과 구동휠(116)을 포함하는 구동 트레인(113)이 또한 배치된다. 따라서 댐퍼(108)는 전기모터(108)와 이중-클러치 변속기(109) 사이에 배치된다.
도 3의 상부 선도는 시간(t)에 따른 토크(M)의 시간에 관한 프로파일을 나타내고, 도 3의 하부 선도는 시간(t)에 따른 회전속도(n)의 시간에 관한 프로파일을 나타낸다.
그래프 선(201)은 전기모터의 토크의 시간에 관한 프로파일을 나타내고, 그래프 선(202)은 분리형 클러치의 전달가능한 토크의 시간에 관한 프로파일을 나타내며, 그래프 선(203)은 전기모터의 리저브 토크를 나타낸다.
그래프 선(204)은 전기모터의 회전속도(n)의 시간에 관한 프로파일을 나타내고, 그래프 선 (205)은 내연기관의 회전속도(n)의 시간에 관한 프로파일을 나타내며, 그래프 선(206)은 하류측 변속기(12,112)의 변속기 입력시 회전속도(n)를 나타낸다.
t0 시점에서는, 전기모터의 토크와 회전속도가 증가한다. 토크(201)는 한 번의 단계로 새로운 값까지 높아져, 그 값에 일정하게 유지된다. 이에 따라, 전기모터의 회전속도는 그래프 선(204)에서와 같이 선형적으로 증가한다. 따라서 운동 에너지가 전기모터에 저장된다.
증가된 회전속도와 증가된 토크는 구동 목적이 아닌 엔진 시동 목적으로 사용되기 때문에 차량의 속도는 증가되지 않게 되므로, 하류측 변속기의 하나 이상의 클러치에 슬립을 설정함으로써, 차량의 운전 속도가 변화없이 유지되도록 한다.
t1 시점에서는, 분리형 클러치의 전달가능한 토크가 제로에서 사전 설정값(M1)까지 높아진다. 이때 토크는 높은 기울기로, 또는 단계적 방식으로 선형적으로 증가할 수 있다(도 3 참조). 여기서, M1 값은 바람직하게 전기모터의 리저브 토크보다 상당히 높다. 상기 토크는 바람직하게 전기모터의 리저브 토크의 적어도 2배이다.
t1 시점에서 분리형 클러치를 목표대로 체결시키면, t1과 t2 사이에, 전기모터의 회전속도는 감소하고, 내연기관의 회전속도는 증가하는 효과가 생긴다.
t2 시점에서, 분리형 클러치의 전달가능한 토크는 다시 나중에 감소되는데, 이때 상기 전달가능한 토크는 대략 전기모터의 리저브 토크(203)까지 낮아진다. 그러나, 상기 전달가능한 토크는 예를 들면 심지어 제로까지 낮아질 수 있다. 이렇게 전기모터의 회전속도 감소가 끝나면, 전기모터의 회전속도는 실질적으로 일정하게 유지된다. t3 시점에서 내연기관이 적어도 점화 회전속도와 대등한 회전속도에 도달한 후에, 내연기관의 점화가 수행될 수 있으며, 그런 후 상기 내연기관의 회전속도는 전기모터의 회전속도까지 높아지고, 동시에 t3에서, 분리형 클러치는 다시 해제된다. 상기 t3 시점에서는, 하류측 변속기의 상기 하나 이상의 클러치에서의 슬립이 끝나고, 전기모터의 토크 증가 또한 t3에서 끝난다. t4에서는, 내연기관이 전기모터의 회전속도에 도달한 후, 분리형 클러치가 닫힌다.
도 4의 상부 선도는 시간(t)에 따른 토크(M)의 시간에 관한 프로파일을 나타내고, 도 4의 하부 선도는 시간(t)에 따른 회전속도(n)의 시간에 관한 프로파일을 나타낸다.
그래프 선(301)은 전기모터의 토크의 시간에 관한 프로파일을 나타내고, 그래프 선(302)은 분리형 클러치의 전달가능한 토크의 시간에 관한 프로파일을 나타내며, 그래프 선(303)은 전기모터의 리저브 토크를 나타낸다.
그래프 선(304)은 전기모터의 회전속도(n)의 시간에 관한 프로파일을 나타내고, 그래프 선 (305)은 내연기관의 회전속도(n)의 시간에 관한 프로파일을 나타내며, 그래프 선(306)은 하류측 변속기(12,112)의 변속기 입력시 회전속도(n)를 나타낸다.
t0 시점에서는, 전기모터의 토크와 회전속도가 증가한다. 토크(301)는 한 번의 단계로 새로운 값까지 높아져, 초기에 그 값에 일정하게 유지된다. 이에 따라, 전기모터의 회전속도는 그래프 선(304)에서와 같이 선형적으로 증가한다. 따라서 증가된 운동 에너지가 전기모터에 저장된다.
다시, 증가된 회전속도와 증가된 토크는 구동 목적이 아닌 엔진 시동 목적으로 사용되기 때문에 차량의 속도가 증가되지 않게 되므로, 하류측 변속기의 하나 이상의 클러치에 슬립을 설정함으로써, 차량의 운전 속도가 변화없이 유지되도록 한다.
t1 시점에서는, 분리형 클러치의 전달가능한 토크가 제로에서 소정 값(M1)까지 높아지며, 이때 소정 값은 전기모터의 리저브 토크 내지 분리형 클러치의 최대 전달가능한 토크 범위에 속한다. 이때 토크는 높은 기울기로, 또는 실질적으로 단계적인 방식을 통해 선형적으로 증가할 수 있다(도 3 참조). 여기서, M1 값은 바람직하게 전기모터의 리저브 토크보다 높거나, 전기모터의 리저브 토크의 수 배, 이를테면 가령 2배 내지 5개 또는 심지어 최대 10배이다.
t1 시점에서 분리형 클러치를 목표대로 체결시키면, t1과 t2 사이에, 전기모터의 회전속도는 감소하고, 내연기관의 회전속도는 전기모터의 회전속도까지 증가하는 효과가 생긴다. 따라서 운동 에너지가 전기모터로부터 내연기관까지 전달되며, 내연기관이 가속된다.
t2 시점에서는, 전기모터의 토크 증가가 끝난다.
도 5는 본 발명을 설명하기 위한 블록도(400)이다. 블록(401)에서 전기모터의 토크를 증가시키고, 그 결과로 블록(402)에서는 전기모터의 회전속도가 그 결과로 증가되며, 그 결과로 블록(403)에서는 하류측 변속기의 하나 이상의 클러치에 슬립을 설정한다. 블록(404)에서는 분리형 클러치의 체결 제어가 수행되고, 블록(405)에서는 하류측 변속기의 하나 이상의 클러치에서의 슬립이 끝나며, 블록(406)에서는 전기모터의 토크 증가가 끝난다.

Claims (10)

  1. 내연기관 및 구동엔진으로서의 전기모터를 하나 이상 구비하고, 내연기관과 전기모터가 공통 축 상에 배치되며, 내연기관 또는 전기모터는 구동 트레인의 하류측에 배치된 변속기에 토크를 도입할 수 있고, 내연기관과 전기모터 사이에 분리형 클러치가 제공되어 있는, 자동차 내용기관의 엔진 시동 방법이며, 상기 방법은:
    a. 전기모터의 토크를 증가시키는 단계,
    b. 전기모터의 회전속도를 높이고, 하류측 변속기의 하나 이상의 클러치에 슬립(slip)을 설정하는 단계,
    c. 분리형 클러치를 전기모터의 리저브 토크(reserve torque)와 최대 전달가능한 토크 사이의 토크까지 체결시키는 단계,
    d. 내연기관의 회전속도가 적어도 실질적으로 점화 회전속도에 도달한 경우, 분리형 클러치의 전달가능한 토크를 감소시키는 단계,
    e. 하류측 변속기의 상기 하나 이상의 클러치의 슬립을 끝내는 단계, 및
    f. 전기모터의 토크 증가를 끝내는 단계를 포함하는, 자동차 내연기관의 엔진 시동 방법.
  2. 제1항에 있어서, 전기모터의 회전속도가 증가하되, 이로인해 저장되는 운동에너지가 내연기관의 회전속도를 높이기에 충분할 정도로 증가하는 것을 특징으로 하는, 자동차 내연기관의 엔진 시동 방법.
  3. 제1항에 있어서, 분리형 클러치의 체결 또는 다시 해제되는 것이 복수 단계(phase)에서 제어된 방식으로 이루어지도록 토크-조절 방식으로 행해지는 것을 특징으로 하는, 자동차 내연기관의 엔진 시동 방법.
  4. 제3항에 있어서, 제1 단계에서 설정되는, 분리형 클러치에 의해 전달가능한 토크는 실질적으로 전기모터의 리저브 토크보다 큰 것을 특징으로 하는, 자동차 내연기관의 엔진 시동 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 제2 단계에서 설정되는 전달가능한 토크는 제1 단계에서 설정된 토크에 비해 감소되어 있는 것을 특징으로 하는, 자동차 내연기관의 엔진 시동 방법.
  6. 제5항에 있어서, 전달가능한 토크는 리저브 토크 또는 제로 값까지 감소되는 것을 특징으로 하는, 자동차 내연기관의 엔진 시동 방법.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 분리형 클러치의 마찰시간은 50ms 미만 내지 대략 100ms 내지 150ms 범위에 속하는 것을 특징으로 하는, 자동차 내연기관의 엔진 시동 방법.
  8. 내연기관 및 구동엔진으로서의 전기모터를 하나 이상 구비하고, 내연기관과 전기모터가 공통 축 상에 배치되며, 내연기관 또는 전기모터를 이용하여 구동 트레인의 하류측에 배치된 변속기에 토크를 도입할 수 있고, 내연기관과 전기모터 사이에 분리형 클러치가 제공된, 제1항 내지 제4항 중 적어도 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 자동차.
  9. 제8항에 있어서, 추가로, 내연기관과 전기모터 사이에 또는 전기모터의 하류측에 댐퍼가 배치되어 있는, 자동차.
  10. 제8항에 있어서, 변속기는 2개의 클러치를 가진 이중-클러치 변속기인 것을 특징으로 하는, 자동차.
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