KR20150024743A

KR20150024743A - 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기 구동방법과 이를 이용한 하이브리드 트랙터엔진시스템 및 하이브리드 트랙터

Info

Publication number: KR20150024743A
Application number: KR20130102044A
Authority: KR
Inventors: 최정웅; 이대현; 김용주; 윤민석
Original assignee: 엘에스엠트론 주식회사
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2015-03-09
Also published as: KR101514884B1

Abstract

본 발명은 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기 구동방법과 이를 이용한 하이브리드 트랙터엔진시스템 및 하이브리드 트랙터에 관한 것으로, 특히, 하이브리드 트랙터의 연료소비 효율을 향상시키기 위한 것이다. 본 발명은 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법에 있어서, i) 트랙터 내연기관 엔진의 시동단계(s100); ii) 목표속도(Sw) 설정단계(s200); iii) 엔진 공회전수(Re) 설정 단계(s300); iv) 변속비(n) 설정단계(s400); v) 기준엔진회전수(Rs) 설정단계(s500); vi) 주행 및 작업단계(s600); vii) 엔진의 과부하 및 저부하 여부 판단단계(s700); 엔진 과부하 구간 모터-발전기(400)의 모터 구동 단계(s800); ix) 배터리(600) 충전단계(s900); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법을 제공한다.

Description

하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기 구동방법과 이를 이용한 하이브리드 트랙터엔진시스템 및 하이브리드 트랙터 {Driving method of hybrid-tractor engine system and hybrid-tractor engine using it}

본 발명은 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기 구동방법과 이를 이용한 하이브리드 트랙터엔진시스템 및 하이브리드 트랙터에 관한 것으로, 특히, 하이브리드 트랙터의 연료소비 효율을 향상시키기 위한 것이다.

일반적으로 하이브리드(Hybrid) 차량이란 두 개의 동력원을 이용하여 구동되는 차량을 일컫는 것으로, 하이브리드 차량의 에너지 저장 장치로 배터리(600)를 사용한다. 전술한 바와 같은 하이브리드 차량은 높은 연비를 달성하기 위하여 기존의 내연기관의 구성에 추가적으로 발전기와 충전 배터리(600), 모터 등이 포함되며, 이러한 구성을 통해서 엔진으로부터 발생되는 차량 구동을 위한 기계적 에너지가 차량의 동력으로 사용되는 동시에 발전기 입력으로 사용된다. 발전기에 전달된 엔진의 기계적 에너지는 발전기의 회전자를 회전시켜 전기적 에너지로 출력되는데, 발전기에서 출력된 전기적 에너지는 배터리(600)에 저장되고, 엔진에서 연료 연소를 통해 발생한 기계적 에너지인 동력과 함께 또는 독자적으로 차량을 구동하는 구동력으로 작용한다.

하이브리드 자동차와 하이브리드 트랙터는 구동방법에 있어서 큰 차이를 가진다. 도 1은 하이브리드 자동차와 하이브리드 트랙터의 구동방식에 있어서의 차이점을 설명한 그래프이다.

하이브리드 자동차의 주 운전 영역은 공전상태(Idle)에서 최대 토크 점 사이이며 최대 토크점 부근 혹은 이하에서 변속이 일어난다. 차량은 비가동 공전상태에서 출발하여 운전자의 엑셀레이터 조작량(가속 의지)에 따라 엔진의 토크량이 결정되며, 주행부하(공기저항, 노면, 경사도)와 엔진의 발생 토크량의 차이만큼 차량이 가속되거나 감속된다. 즉, 차량의 속도를 변하게 하는 요인은 운전자 의지이다.

이에 반하여, 하이브리드 트랙터는 주 운전 영역은 고속공전상태(High Idle) 에서 최대 토크점 까지 이며, 일정한 속도로 작업하기 위하여, 조속레버(governor lever)를 통해 공회전수(High Idle) 혹은 일정 엔진 회전수를 지정한다.

작업시, 작업 부하(저항)에 의해 엔진의 토크가 발생되며, 설정된 조속 레버 상태에서 낼 수 있는 최대 토크보다 부하가 클 경우 엔진 회전수 저하된다. 즉, 차량의 속도를 변하게 하는 요인은 운전자 의지인 자동차에 반해 트랙터의 속도는 작업 부하에 의해 결정되는 것이다.

공개번호 제10-2012-0009954는 가버너 내의 플라이웨이트 또는 플라이볼의 변위를 이용하여 부하의 변동을 판단하고, 이 부하 변동에따라 모터-발전기(400)를 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 작업 차량 및 그 제어방법에 관한 것이다. 상기 발명 의 일실시예에 따른 하이브리드 작업 차량은 변위 측정 장치를 이용하여 측정된 플라이웨이트 혹은 플라이볼의 위치 변화량으로 부하의 변동을 감지하고, 부하가 증가되는 경우에는 모터-발전기(400)를 모터로 구동하여 동력을 보조하고, 부하가 감소되는 경우에는 모터-발전기(400)를 발전기로 구동하여 에너지는 회수한다. 이와 같은 방식으로 부하의 토크 측정 장치와 같은 복잡한 장치를 설치할 필요 없이 디젤 엔진의 회전수를 플라이웨이트 또는 플라이볼의 위치 변화를 기초로 빠르고 정확하게 감지하고, 그에 따라 모터-발전기(400)를 제어함으로써, 하이브리드 작업 차량의 에너지 효율을 높이고, 운전자의 승차감을 향상시킨다. 그러나 상기의 발명은 고출력구간에서의 연료소비량을 고려하지 않아 연료소비량 관리에 있어서 기대에 미치지 못한 문제가 있었다.

도 2는 종래의 하이브리드 트랙터의 작업영역을 도시한 그래프이다.

종래의 하이브리드 트랙터는 일반적인 운전자들이 작업 효율이 높은 것(작업 시간이 짧은 것)을 선호하고, 고출력 영역에서의 토크 마진(최대토크와 작업엔진회전수에서의 토크의 차이)이 크기 때문에 순간적으로 고부하가 발생되어도 엔진이 정지(stall) 되거나 변속하지 않고 탈출이 가능하기 때문에 고효율 보다는 고출력 영역에서 작업을 진행하였다. 그러나, 고출력 영역은 그래프에 나타난 바와 같이연료 소비율이 크기 때문에 고출력 영역에서의 작업은 연료 소모량이 큰 문제점이 있었다.

즉, 본 발명은 하이브리드 트랙터에 있어서, 과부하시 모터-발전기(400)를 모터로 구동하여 동력을 보조하고, 저부하시 모터-발전기(400)를 발전기로 구동하여 에너지는 회수함은 물론 연료 소모량이 큰 고출력 영역에서 작업하지 아니하고 연료소비율이 낮은 고효율영역에서 작업하도록 함으로써 상기와 같은 문제점을 해결하고자 한다.

이에, 본 발명은 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법에 있어서,

i) 트랙터 내연기관 엔진의 시동단계(s100);

ii) 목표속도(Sw) 설정단계(s200);

iii) 스로틀의 개폐율을 조절하여 엔진 공회전수(Re)를 설정하는 엔진 공회전수(Re) 설정 단계(s300);

iv) 상기 공회전수(Re)를 갖는 스로틀 개폐율을 기준으로,

(식 1) ...... 차량속도(Sv) ≥ 목표속도(Sw)

(식 1)이 만족하는 범위에서 변속비(n)를 설정하는 변속비(n) 설정단계(s400);

v) 상기 변속비(n)의 적용하에서,

(식 1) ...... 차량속도(Sv) ≥ 목표속도(Sw)

(식 1)이 만족하는 범위에서 연료소비율이 최저에 해당하는 고회전최저연료소비회전수(Rf)를 기준엔진회전수(Rs)의 값으로 설정하는 기준엔진회전수(Rs) 설정단계(s500);

vi) 주행 및 작업단계(s600);

vii) 엔진의 과부하 및 저부하 여부 판단단계(s700);

viii) 작업 중 엔진의 과부하 구간에서 상기 배터리(600)로부터 전기를 공급받아 상기 모터-발전기(400)의 모터를 구동시켜 구동축의 토크를 증대시키는 엔진 과부하 구간 모터-발전기(400)의 모터 구동 단계(s800);

ix) 엔진의 저부하 구간에서 상기 모터-발전기(400)의 발전기를 구동시켜 상기 배터리(600)를 충전시키는 배터리(600) 충전단계(s900);

를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법을 제공하여 상기와 같은 문제점을 해결하고자 한다.

본 발명에 따르면, 과부하시 모터-발전기(400)를 모터로 구동하여 동력을 보조하고, 저부하시 모터-발전기(400)를 발전기로 구동하여 에너지는 회수함은 물론 연료 소모량이 큰 고출력 영역에서 작업하지 아니하고 연료소비율이 낮은 고효율영역에서 작업하도록 함으로써 연비를 향상시키면서도 과부하로 인한 엔진의 정지(stall)현상을 방지할 수 있는 것이다.

도 1은 자동차와 트랙터의 운전영역을 설명하는 그래프.
도 2는 종래의 하이브리드 트랙터의 운전영역을 설명하는 그래프.
도 3은 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기 구동방법의 알고리즘을 설명하는 순서도.
도 4는 본 발명의 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기 구동방법을 설명하는 그래프.
도 5는 본 발명의 엔진 공회전수(Re) 설정 단계(s300)를 설명하는 그래프.
도 6은 고효율 영역에서의 구동과정을 설명하기 위한 그래프.
도 7은 고효율 영역에서의 구동과정을 설명하기 위한 그래프.
도 8은 본 발명의 기계-유압식 엔진 및 모터-발전기 시스템의 구성 블럭도.
도 9는 본 발명의 전자제어식 엔진 및 모터-발전기 시스템의 구성 블럭도.

본 발명은 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기 구동방법과 이를 이용한 하이브리드 트랙터엔진시스템 및 하이브리드 트랙터에 관한 것으로, 특히, 하이브리드 트랙터의 연료소비 효율을 향상시키기 위한 것이다. 이하 첨부되는 도면과 함께 상세히 설명한다.

본 발명은 내연기관의 엔진(100)과, 상기 엔진의 분당엔진회전수(rpm)를 제어하기 위한 엔진제어부(200)와, 상기 엔진의 회전속도를 변속하기 위한 변속기(300)와 상기 엔진(100)과 연결되는 모터-발전기(400)와, 상기 모터-발전기(400)를 제어하는 모터-발전기 제어부(500)와, 상기 모터-발전기(400)에 전력을 공급 및 저장하는 배터리(600)와, 상기 배터리(600)를 제어하는 배터리 제어부(700)를 포함하여 구성된 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법에 있어서, 도 3에 도시되는 순서도와 같이,

i) 트랙터 내연기관 엔진(100)의 시동단계(s100);

ii) 목표속도(Sw) 설정단계(s200);

iv) 상기 공회전수(Re)를 갖는 스로틀 개폐율을 기준으로,

(식 1) 차량속도(Sv) ≥ 목표속도(Sw)

v) 상기 변속비(n)의 적용하에서,

(식 1)......차량속도(Sv) ≥ 목표속도(Sw)

vi) 주행 및 작업단계(s600);

vii) 엔진의 과부하 및 저부하 여부 판단단계(s700);

를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법을 제공한다.

상기 목표속도(Sw) 설정단계(s200)는 사용자가 상기 엔진 제어부의 입력수단을 통해 목표속도(Sw)를 설정할 수도 있다. 스로틀의 개폐율을 조절하여 엔진 공회전수(Re)를 설정하는 엔진 공회전수(Re) 설정 단계(s300)는 사용자가 상기 엔진 제어부의 조속장치(governor device)를 통해 엔진의 스로틀의 개폐율을 조절하여 엔진 공회전수(Re)를 설정할 수 있다. 상기 공회전수(Re) 설정 단계(s300)는 도 4에 도시되는 바와 같이, 운전자가 목적 혹은 기호에 따라 스로틀의 위치를 설정하게 되면 그에 따라 엔진의 성능곡선이 결정된다. 상기에서 결정되는 엔진의 성능곡선은 토크 곡선(a) 및 출력곡선(b)뿐만 아니라 연료소비율 곡선(c)도 포함되기 때문에 엔진 스로틀 위치에 따른 최고 효율점도 달라진다. 또한, 스로틀의 개폐율을 조절하여 설정한 상기의 설정 회전수는 무부하 상태(high idle)에서의 회전수이며, 작업의 부하량에 따라 회전수가 감소하거나 회복된다.

상기 스로틀의 개폐율을 조절하여 엔진 공회전수(Re)를 설정하는 엔진 공회전수(Re) 설정 단계(s300)는 상기의 연료소비율 곡선(c)을 얻기 위하여, 설정된 스로틀의 개폐율에 따른 연료소비율 산출단계(s310)를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 변속비(n) 설정 단계(s400)는

차량속도(Sv)에 따른 엔진회전수(Rv)가 연료소비율-엔진회전수 그래프 상에서 연료소비곡선상의 고소비영역(HF)에 위치할 경우, 운전자에게 더 높은 변속비(n) 단수를 제시하는 단계(s410)를 포함하게 된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 설정된 엔진 회전수에 따라 변속 단수별 최고속도가 달라지며, 목표속도(Sw) 설정단계(s200)에서 설정한 목표속도보다 높은 속도가 나올 수 있는 단수를 설정하게 된다. 예시로 제시된 상기 도 5의 그래프에서는 4단과 5단이 목표 속도보다 큰 값을 가지게 된다.

상기 연료소비곡선상의 고소비영역(HF)은,

연료소비율-엔진회전수 그래프 상에서 엔진회전수가 고회전최저연료소비점(F)에 상응하는 고회전최저연료소비회전수(Rf)보다 큰 영역으로 정의하는 것이 바람직하다. 상기 고회전최저연료소비점(F)은 연료소비율-엔진회전수 그래프 상에서 2500rpm 이하의 영역에서의 변곡점 중 가장 분당회전수가 높은 점으로 정의한다.

이러한 조건에 따라, 엔진(1)이 연료효율이 낮은 고출력 정격회전수에서 작업하지 아니하고, 보다 연료효율이 높은 고효율 영역에 기준엔진회전수(Rs)를 설정할 수 있게 된다.

이는 도 6의 그래프에서, 4단으로 설정한 경우 최고속도와 목표속도 사이에 최고 효울점은 목표속도를 낼 수 있는 가장 낮은 엔진회전수가 가장 연료 소비율이 낮은 엔진회전수①가 된다.

즉 상기의 그래프에서의 예시에 따르면, 4단의 경우는 최고 효율 영역이 아닌 정격 출력 영역에서 엔진시스템이 구동되는 것이다.

그러나, 상기 도 6의 그래프에서 5단의 경우는 목표 속도와 동일한 속도를 내는 ③번 엔진 회전수 보다 높은 엔진 회전수 ②번에서 가장 연료소비율이 낮기 때문에, ③번이 아닌 ②번 엔진 회전수를 기준 엔진 회전수로 설정하게 되며, 이 경우 엔진은 최고 효율 영역에서 동작하게 된다.

따라서, 하기의 (식 3)의 변속비(n)의 목표속도(Sw)에 상응하는 엔진회전수(Rw)가 고회전최저연료소비회전수(Rf)보다 큰 조건을 만족하는 변속비를 제시함으로써 보다 높은 연료효율로 엔진시스템을 구동시킬 수 있는 것이다.

(식 3)......Rw > Rf

또한, 상기 운전자에게 더 높은 변속비(n) 단수를 제시하는 단계(s410)에 선행하여, 고회전최저연료소비점(F)에 상응하는 고회전최저연료소비회전수(Rf)와 최저토크마진을 확보하기 위한 최저한계토크점(Tl)에 상응하는 최저한계회전수(Rl)를 비교하는 단계(s401)와;

상기 비교결과가 Rf > Rl 의 조건을 만족하는 경우에만 상기 운전자에게 더 높은 변속비(n) 단수를 제시하는 단계(s410);

를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 과정은 연료소비율의 이점이 있더라도 일정 토크 이상을 보장하기 위하여 최저한계토크점(T1) 이하로 엔진 회전수가 내려가지 않도록 하는 것이다.

상기 최저한계토크점(Tl)은 토크-분당엔진회전수 그래프상에서, 최대토크(Tm)에 해당하는 엔진회전수 보다 높은 분당회전수의 범위에서, 최대토크(Tm)의 65-75%의 값을 가지는 점으로 정의하는 것이 바람직하다.

또한, 다른 실시예로서, 전자식 엔진의 트렉터에서, 상기 목표속도(Sw) 설정단계(s200)는 사용자가 상기 엔진 제어부의 입력수단을 통해 목표속도(Sw)를 설정한 경우,

상기 변속비(n) 설정 단계(s400)는 변속기를 제어하는 변속기 제어부(310)가 상기 공회전수(Re)를 갖는 스로틀 개폐율을 기준으로,

(식 1)......차량속도(Sv) ≥ 목표속도(Sw)

(식 1)를 만족하는 범위에서 상기 변속비(n)를 변속기 제어부(310)가 자동으로 계산하여 설정할 수 있다.

상기 선택된 변속비(n)에서의 목표속도(Sw)에 상응하는 엔진회전수(Rw)는 고회전최저연료소비점(F)에 상응하는 고회전최저연료소비회전수(Rf)에 대하여,

(식 2)......Rf+100 ≥ Rw ≥ Rf-100

(식 2)를 만족하도록 설정할 수 있다. 이는 고회전최저연료소비회전수(Rf)를 기준으로 필요 토크량에 따라 ±100 의 여유 회전수를 확보하기 위함이다.

상기와 같이 기준엔진회전수(Rs) 설정 단계(s500)는 설정된 기준엔진회전수(Rs)를 운전자에게 디스플레이해주는 디스플레이단계(s510)를 포함할 수 있다.

다른 실시예로서, 상기 변속비(n) 설정 단계(s400)는 상술한 자동변속단계 이외에도 사용자가 수동으로 변속비(n)를 설정하는 것도 가능하다.

상기 수동변속시, 상기 변속비(n) 설정 단계(s400)에서,

상기 설정된 변속비(n)의 목표속도(Sw)에 상응하는 엔진회전수(Rw)가 하기 (식 3)과 같이, 고회전최저연료소비회전수(Rf)보다 클 경우,

(식 3)......Rw > Rf

변속기 제어부(310)가 운전자에게 더 높은 변속비(n) 단수를 제시하는 단계(s410)를 제공하여 사용자의 수동변속을 유도하게 된다. 상기 더 높은 변속비(n) 단수를 제시하는 단계(s410)는 디스플레이부(1000)에 의해 운전자에게 변속비(n)를 디스플레이하여 제시할 수 있으며 안내음으로서 제시할 수도 있다.

상기 기준엔진회전수(Rs) 설정단계(s500)는 상기의 설정값을 디스플레이부(1000)에 디스플레이하여 운전자에게 기준엔진회전수(Rs)를 제공하는 디스플레이단계(s510)를 포함하는 것이 바람직하다.

전자식 엔진의 트렉터인 경우, 상기 주행 및 작업단계(s600)는,

차량 운행시 운행분당엔진회전수(Rd)가

(식 4)......Rs-200 ≤ Rd ≤ Rs+200

(식 4)를 만족하도록 지속적인 운행분당엔진회전수(Rd)를 유지하는 운행분당엔진회전수 유지단계(s610)를 포함할 수 있다. 상기와 같이 분당엔진회전수를 유지함에 따라 고효율 구간에서의 지속적인 작업이 용이해진다. 상기 지속적인 운행분당엔진회전수(Rd)를 유지하는 운행분당엔진회전수 유지단계(s610)는 엔진제어부(200)에 의해 제어되는 것이 바람직하다.

엔진의 과부하 및 저부하 여부 판단단계(s700)에서,

부하여부의 판단기준이 되는 부하기준회전수(Rlod)는

(식 5)......Rs-200 ≤ Rload ≤ Rs

(식 5)과 같이, 기준엔진회전수(Rs)-200 이상, 기준엔진회전수(Rs) 이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

상기 엔진의 과부하 구간은 트랙터의 작업 중 작업의 부하로 인하여

(식 6)......Rd ≤ Rlod

(식 6)과 같이 운행분당엔진회전수(Rd)가 부하기준회전수(Rlod) 이하로 내려가는 경우로 정의되는 것이 바람직하다.

반사적으로, 상기 엔진의 저부하 구간은 트랙터의 작업 중 작업의 부하로 인하여

(식 7)......Rd ≥ Rlod

(식 7)과 같이 운행분당엔진회전수(Rd)가 부하기준회전수(Rlod) 이상으로 올라가는 경우로 정의되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 하이브리드 트랙터의 구동방법을 위하여 본 발명은,

내연기관의 엔진(100)과, 상기 엔진의 분당엔진회전수(rpm)를 제어하기 위한

엔진제어부(200)와, 상기 엔진의 회전속도를 변속하기 위한 변속기와 상기 엔진(100)과 연결되는 모터-발전기(400)와, 상기 모터-발전기(400)를 제어하는 모터-발전기 제어부(500)와, 상기 모터-발전기(400)에 전력을 공급 및 저장하는 배터리(600)와, 상기 배터리(600)를 제어하는 배터리 제어부(700)를 포함하여 구성된 하이브리드 트랙터에 있어서,

상기 엔진제어부(200)는, 목표속도(Sw) 설정모듈과(210);

스로틀의 개폐율을 조절하여 엔진 공회전수(Re)를 설정하는 엔진 공회전수(Re) 설정모듈과(220);

설정된 변속비(n)에서,

(식 1)......차량속도(Sv) ≥ 목표속도(Sw)

(식 1)이 만족하는 범위내의 연료소비율이 최저에 해당하는 고회전최저연료소비회전수(Rf)를 기준엔진회전수(Rs)의 값으로 설정하는 기준엔진회전수(Rs) 설정모듈과(230);

엔진의 운행분당엔진회전수(Rd) 및 엔진에 걸리는 부하를 감지하기 위한 분당엔진회전수센싱모듈(rpm sensing module)(240);

을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 구동 시스템을 제공한다.

상기 변속기(300)를 제어하는 변속기 제어부(310)는

상기 공회전수(Re)를 갖는 스로틀 개폐율을 기준으로,

(식 1)......차량속도(Sv) ≥ 목표속도(Sw)

(식 1)을 만족하는 범위에서 상기 변속비(n)를 자동으로 계산하여 설정할 수 있다.

상기 변속기(300)를 제어하는 변속기 제어부(310)는

차량속도(Sv)에 따른 엔진회전수(Rv)가 연료소비율-엔진회전수 그래프 상에서 연료소비곡선상의 고소비영역(HF)에 위치할 경우, 운전자에게 더 높은 변속비(n) 단수를 제시해준다.

상기 엔진제어부(200)는 엔진의 상태정보를 운전자에게 디스플레이해주는

디스플레이부(1000)를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 변속기(300)는 사용자가 수동으로 변속비(n)를 설정하기 위한 수동변속기를 적용할 수도 있다.

상기 엔진제어부(200)는 상기 분당엔진회전수센싱모듈(rpm sensing module)로부터 센싱된 엔진의 운행분당엔진회전수(Rd)에 따라, 엔진의 부하상태를 판단하는 판단모듈(250)을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 엔진의 부하상태를 판단하는 판단모듈(250)은,

(식 5)......Rs-200 ≤ Rload ≤ Rs

(식 5)과 같이, 기준엔진회전수(Rs)-200 이상, 기준엔진회전수(Rs) 이하의 범위를 갖는 부하여부의 판단기준이 되는 부하기준회전수(Rlod)를 설정하여 엔진의 부하상태를 판단한다.

상기 엔진의 부하상태를 판단하는 판단모듈(250)은,

(식 6)......Rd ≤ Rlod

(식 6)과 같이 운행분당엔진회전수(Rd)가 부하기준회전수(Rlod) 이하인 경우로 정의되는 엔진의 과부하 구간을 설정하며, 이에 반사적으로,

(식 7)......Rd ≥ Rlod

(식 7)과 같이 운행분당엔진회전수(Rd)가 부하기준회전수(Rlod) 이상인 경우로 정의되는 엔진의 저부하 구간을 설정하게 된다.

또한, 본 발명은 상기 엔진제어부(200)는 지속적인 운행분당엔진회전수(Rd)를 유지하기 위한 분당엔진회전수조절모듈(260)을 포함하는 전자식 엔진을 적용할 수 있다. 상기 분당엔진회전수조절모듈(260)은 차량 운행시 운행분당엔진회전수(Rd)가

(식 4)......Rs-200 ≤ Rd ≤ Rs+200

(식 4)를 만족하도록 지속적인 운행분당엔진회전수(Rd)를 유지게 된다.

또한, 본 발명은 상기 모터-발전기(400)의 모터 정격 토크(Tmg)에 있어서,

상기 엔진(100)의 정격 회전수에서의 엔진 토크인 정격 토크(Tr)와 엔진의 최대 토크 점에서의 최대 토크(Tm)와,

엔진의 고회전최저연료소비회전수(Rf)에서의 엔진 토크인 고효율 회전수 토크(Te)에 대하여 하기의 (식 8)

(식 8)............Tm - Tr ≥ Tmg ≥ Tr - Te

을 만족하도록 모터-발전기(400)에 필요한 정격 토크(Tmg)를 산정해낼 수 있다.

즉, 상기와 같은 본 발명에 따르면, 과부하시 모터-발전기(400)를 모터로 구동하여 동력을 보조하고, 저부하시 모터-발전기(400)를 발전기로 구동하여 에너지는 회수함은 물론 연료 소모량이 큰 고출력 영역에서 작업하지 아니하고 연료소비율이 낮은 고효율영역에서 작업하도록 함으로써 연비를 향상시키면서도 과부하로 인한 엔진의 정지(stall)현상을 방지할 수 있는 것이다.

본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.

100. 엔진
200. 엔진제어부
300. 변속기
400. 모터-발전기
500. 모터-발전기 제어부
600. 배터리
700. 배터리 제어부

Claims

내연기관의 엔진(100)과, 상기 엔진의 분당엔진회전수(rpm)를 제어하기 위한 엔진제어부(200)와, 상기 엔진의 회전속도를 변속하기 위한 변속기와 상기 엔진(100)과 연결되는 모터-발전기(400)와, 상기 모터-발전기(400)를 제어하는 모터-발전기 제어부(500)와, 상기 모터-발전기(400)에 전력을 공급 및 저장하는 배터리(600)와, 상기 배터리(600)를 제어하는 배터리 제어부(700)를 포함하여 구성된 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법에 있어서,
i) 트랙터 내연기관 엔진의 시동단계(s100);
ii) 목표속도(Sw) 설정단계(s200);
iii) 스로틀의 개폐율을 조절하여 엔진 공회전수(Re)를 설정하는 엔진 공회전수(Re) 설정 단계(s300);
iv) 상기 공회전수(Re)를 갖는 스로틀 개폐율을 기준으로,
(식 1) ...... 차량속도(Sv) ≥ 목표속도(Sw)
(식 1)이 만족하는 범위에서 변속비(n)를 설정하는 변속비(n) 설정단계(s400);
v) 상기 변속비(n)의 적용하에서,
(식 1) ...... 차량속도(Sv) ≥ 목표속도(Sw)
(식 1)이 만족하는 범위에서 연료소비율이 최저에 해당하는 고회전최저연료소비회전수(Rf)를 기준엔진회전수(Rs)의 값으로 설정하는 기준엔진회전수(Rs) 설정단계(s500);
vi) 주행 및 작업단계(s600);
vii) 엔진의 과부하 및 저부하 여부 판단단계(s700);
viii) 작업 중 엔진의 과부하 구간에서 상기 배터리(600)로부터 전기를 공급받아 상기 모터-발전기(400)의 모터를 구동시켜 구동축의 토크를 증대시키는 엔진 과부하 구간 모터-발전기(400)의 모터 구동 단계(s800);
ix) 엔진의 저부하 구간에서 상기 모터-발전기(400)의 발전기를 구동시켜 상기 배터리(600)를 충전시키는 배터리(600) 충전단계(s900);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법.
제 1항에 있어서,
상기 목표속도(Sw) 설정단계(s200)는 사용자가 상기 엔진 제어부의 입력수단을 통해 목표속도(Sw)를 설정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법.
제 1항에 있어서,
스로틀의 개폐율을 조절하여 엔진 공회전수(Re)를 설정하는 엔진 공회전수(Re) 설정 단계(s300)는 사용자가 상기 엔진 제어부의 조속장치(governor device) 통해 엔진의 스로틀의 개폐율을 조절하여 엔진 공회전수(Re)를 설정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법.
제 1항에 있어서,
상기 스로틀의 개폐율을 조절하여 엔진 공회전수(Re)를 설정하는 엔진 공회전수(Re) 설정 단계(s300)는 설정된 스로틀의 개폐율에 따른 연료소비율 산출단계(s310)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법.
제 1항에 있어서,
상기 변속비(n) 설정 단계(s400)는,
차량속도(Sv)에 따른 엔진회전수(Rv)가 연료소비율-엔진회전수 그래프 상에서 연료소비곡선상의 고소비영역(HF)에 위치할 경우, 운전자에게 더 높은 변속비(n) 단수를 제시하는 단계(s410)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법.
제 5항에 있어서,
상기 연료소비곡선상의 고소비영역(HF)은,
연료소비율-엔진회전수 그래프 상에서 엔진회전수가 고회전최저연료소비점(F)에 상응하는 고회전최저연료소비회전수(Rf)보다 큰 영역인 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법.
제 6항에 있어서,
상기 고회전최저연료소비점(F)은 연료소비율-엔진회전수 그래프 상에서 2500rpm 이하의 영역에서의 변곡점 중 가장 분당회전수가 높은 것임을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법.
제 5항에 있어서,
상기 운전자에게 더 높은 변속비(n) 단수를 제시하는 단계(s410)에 선행하여,
고회전최저연료소비점(F)에 상응하는 고회전최저연료소비회전수(Rf)와 최저토크마진을 확보하기 위한 최저한계토크점(Tl)에 상응하는 최저한계회전수(Rl)를 비교하는 단계(s401);
를 포함하고, 상기 비교결과가 Rf > Rl 의 조건을 만족하는 경우에만 상기 운전자에게 더 높은 변속비(n) 단수를 제시하는 단계(s410)를 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법.
제 8항에 있어서,
상기 최저한계토크점(Tl)은 토크-분당엔진회전수 그래프상에서, 최대토크(Tm)보다 높은 분당회전수의 범위에서, 최대토크(Tm)의 65-75%의 값을 가지는 점인 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법.
제 1항에 있어서,
상기 변속비(n) 설정 단계(s400)는 변속기를 제어하는 변속기 제어부(310)가
상기 공회전수(Re)를 갖는 스로틀 개폐율을 기준으로,
(식 1)......차량속도(Sv) ≥ 목표속도(Sw)
(식 1)를 만족하는 범위에서 상기 변속비(n)를 변속기 제어부(310)가 자동으로 계산하여 설정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법.
제 10항에 있어서,
상기 선택된 변속비(n)에서의 목표속도(Sw)에 상응하는 엔진회전수(Rw)는 고회전최저연료소비점(F)에 상응하는 고회전최저연료소비회전수(Rf)에 대하여,
(식 2)......Rf+100 ≥ Rw ≥ Rf-100
(식 2)를 만족하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법.
제 1항에 있어서,
기준엔진회전수(Rs) 설정 단계(s500)는 설정된 기준엔진회전수(Rs)를 운전자에게 디스플레이해주는 디스플레이단계(s510)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법.
제 1항에 있어서,
상기 변속비(n) 설정 단계(s400)는 사용자가 수동으로 변속비(n)를 설정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법.
제 8항에 있어서,
상기 변속비(n) 설정 단계(s400)에서,
상기 설정된 변속비(n)의 목표속도(Sw)에 상응하는 엔진회전수(Rw)가 하기 (식 3) 와 같이, 고회전최저연료소비회전수(Rf)보다 클 경우,
(식 3)......Rw > Rf
변속기 제어부(310)가 운전자에게 더 높은 변속비(n) 단수를 제시하는 단계(s410)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법.
제 5항에 있어서,
상기 더 높은 변속비(n) 단수를 제시하는 단계(s410)는
디스플레이부(1000)에 의해 운전자에게 변속비(n)를 디스플레이하여 제시하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법.
제 1항에 있어서,
상기 기준엔진회전수(Rs) 설정단계(s500)는 상기의 설정값을 디스플레이부(1000)에 디스플레이하여 운전자에게 기준엔진회전수(Rs)를 제공하는 디스플레이단계(s510)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법.
제 1항에 있어서,
상기 주행 및 작업단계(s600)는,
차량 운행시 운행분당엔진회전수(Rd)가
(식 4)......Rs-200 ≤ Rd ≤ Rs+200
(식 4)를 만족하도록 지속적인 운행분당엔진회전수(Rd)를 유지하는 운행분당엔진회전수 유지단계(s610);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법.
제 17항에 있어서,
(식 4)를 만족하도록 지속적인 운행분당엔진회전수(Rd)를 유지하는 운행분당엔진회전수 유지단계(s610)는 엔진제어부(200)에 의해 제어되어 수행되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법.
제 1항에 있어서,
엔진의 과부하 및 저부하 여부 판단단계(s700)에서,
부하여부의 판단기준이 되는 부하기준회전수(Rlod)는
(식 5)......Rs-200 ≤ Rload ≤ Rs
(식 5)과 같이, 기준엔진회전수(Rs)-200 이상, 기준엔진회전수(Rs) 이하의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법.
제 19항에 있어서,
상기 엔진의 과부하 구간은 트랙터의 작업 중 작업의 부하로 인하여
(식 6)......Rd ≤ Rlod
(식 6)과 같이 운행분당엔진회전수(Rd)가 부하기준회전수(Rlod) 이하로 내려가는 경우로 정의되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법.
제 19항에 있어서,
상기 엔진의 저부하 구간은 트랙터의 작업 중 작업의 부하로 인하여
(식 7)......Rd ≥ Rlod
(식 7)과 같이 운행분당엔진회전수(Rd)가 부하기준회전수(Rlod) 이상으로 올라가는 경우로 정의되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법.
내연기관의 엔진(100)과, 상기 엔진의 분당엔진회전수(rpm)를 제어하기 위한 엔진제어부(200)와, 상기 엔진의 회전속도를 변속하기 위한 변속기와 상기 엔진(100)과 연결되는 모터-발전기(400)와, 상기 모터-발전기(400)를 제어하는 모터-발전기 제어부(500)와, 상기 모터-발전기(400)에 전력을 공급 및 저장하는 배터리(600)와, 상기 배터리(600)를 제어하는 배터리 제어부(700)를 포함하여 구성된 하이브리드 트랙터에 있어서,
상기 엔진제어부(200)는,
목표속도(Sw) 설정모듈과;
스로틀의 개폐율을 조절하여 엔진 공회전수(Re)를 설정하는 엔진 공회전수(Re) 설정모듈과;
설정된 변속비(n)에서,
(식 1)......차량속도(Sv) ≥ 목표속도(Sw)
(식 1)이 만족하는 범위내의 연료소비율이 최저에 해당하는 고회전최저연료소비회전수(Rf)를 기준엔진회전수(Rs)의 값으로 설정하는 기준엔진회전수(Rs) 설정모듈과;
엔진의 운행분당엔진회전수(Rd) 및 엔진에 걸리는 부하를 감지하기 위한 분당엔진회전수센싱모듈(rpm sensing module);
을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 구동 시스템.
제 22항에 있어서,
상기 변속기를 제어하는 변속기 제어부(310)는
상기 공회전수(Re)를 갖는 스로틀 개폐율을 기준으로,
(식 1)......차량속도(Sv) ≥ 목표속도(Sw)
(식 1)를 만족하는 범위에서 상기 변속비(n)를 자동으로 계산하여 설정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 구동시스템.
제 23항에 있어서,
상기 변속기를 제어하는 변속기 제어부(310)는
차량속도(Sv)에 따른 엔진회전수(Rv)가 연료소비율-엔진회전수 그래프 상에서 연료소비곡선상의 고소비영역(HF)에 위치할 경우, 운전자에게 더 높은 변속비(n) 단수를 제시하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 구동시스템.
제 22항에 있어서,
상기 엔진제어부(200)는 엔진의 상태정보를 운전자에게 디스플레이해주는 디스플레이부(1000)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 구동시스템.
제 22항에 있어서,
상기 변속기는 사용자가 수동으로 변속비(n)를 설정하기 위한 수동변속기인 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 구동시스템.
제 22항에 있어서,
상기 엔진제어부(200)는 상기 분당엔진회전수센싱모듈(rpm sensing module)로부터 센싱된 엔진의 운행분당엔진회전수(Rd)에 따라, 엔진의 부하상태를 판단하는 판단모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 구동시스템.
제 22항에 있어서,
상기 엔진의 부하상태를 판단하는 판단모듈은,
(식 5)......Rs-200 ≤ Rload ≤ Rs
(식 5)과 같이, 기준엔진회전수(Rs)-200 이상, 기준엔진회전수(Rs) 이하의 범위를 갖는 부하여부의 판단기준이 되는 부하기준회전수(Rlod)를 설정하는
것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 구동시스템.
제 22항에 있어서
상기 엔진의 부하상태를 판단하는 판단모듈은,
(식 6)......Rd ≤ Rlod
(식 6)과 같이 운행분당엔진회전수(Rd)가 부하기준회전수(Rlod) 이하인 경우로 정의되는 엔진의 과부하 구간을 설정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 구동시스템.
제 22항에 있어서
상기 엔진의 부하상태를 판단하는 판단모듈은,
(식 7)......Rd ≥ Rlod
(식 7)과 같이 운행분당엔진회전수(Rd)가 부하기준회전수(Rlod) 이상인 경우로 정의되는 엔진의 저부하 구간을 설정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 구동시스템.
제 22항에 있어서,
상기 엔진제어부(200)는 지속적인 운행분당엔진회전수(Rd)를 유지하기 위한 분당엔진회전수조절모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 구동 시스템.
제 31항에 있어서,
상기 분당엔진회전수조절모듈은 차량 운행시 운행분당엔진회전수(Rd)가
(식 4)......Rs-200 ≤ Rd ≤ Rs+200
(식 4)를 만족하도록 지속적인 운행분당엔진회전수(Rd)를 유지하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 구동 시스템.
제 22항에 있어서,
상기 모터-발전기(400)의 모터 정격 토크(Tmg)는,
상기 엔진(100)의 정격 회전수에서의 엔진 토크인 정격 토크(Tr)와 엔진의 최대 토크 점에서의 최대 토크(Tm)와 ,
엔진의 고회전최저연료소비회전수(Rf)에서의 엔진 토크인 고효율 회전수 토크(Te)에 대하여 하기의 식(8)
(식 8)............Tm - Tr ≥ Tmg ≥ Tr - Te
을 만족하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터의 구동 시스템
내연기관의 엔진(100)과, 상기 엔진의 분당엔진회전수(rpm)를 제어하기 위한 엔진제어부(200)와, 상기 엔진의 회전속도를 변속하기 위한 변속기와 상기 엔진(100)과 연결되는 모터-발전기(400)와, 상기 모터-발전기(400)를 제어하는 모터-발전기 제어부(500)와, 상기 모터-발전기(400)에 전력을 공급 및 저장하는 배터리(600)와, 상기 배터리(600)를 제어하는 배터리 제어부(700)를 포함하여 구성된 하이브리드 트랙터에 있어서,
제 1항 내지 제 16항 및 제 19항 내지 제 21항 중 어느 한 항의 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법으로 구동되는 것을 특징으로 하는 기계식 엔진 및 모터-발전기의 하이브리드 트랙터.
내연기관의 엔진(100)과, 상기 엔진의 분당엔진회전수(rpm)를 제어하기 위한 엔진제어부(200)와, 상기 엔진의 회전속도를 변속하기 위한 변속기와 상기 엔진(100)과 연결되는 모터-발전기(400)와, 상기 모터-발전기(400)를 제어하는 모터-발전기 제어부(500)와, 상기 모터-발전기(400)에 전력을 공급 및 저장하는 배터리(600)와, 상기 배터리(600)를 제어하는 배터리 제어부(700)를 포함하여 구성된 하이브리드 트랙터에 있어서,
제 1항 내지 제 21항 중 어느 한 항의 하이브리드 트랙터의 엔진 및 모터-발전기의 구동방법으로 구동되는 것을 특징으로 하는 전자제어식 엔진 및 모터-발전기의 하이브리드 트랙터.