KR100680364B1 - 하이브리드 자동차의 전동식 오일펌프 일체형 시동장치 - Google Patents

하이브리드 자동차의 전동식 오일펌프 일체형 시동장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 자동차에 있어 엔진의 공회전 정지시 변속기에 작동유를 제공하며 엔진의 냉간 시동시 기동력을 제공하는 기능을 통합적으로 수행할 수 있도록 하여, 부품의 점유 공간을 축소시킴과 더불어 부품의 모듈화에 따른 조립 생산성을 향상시킬 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 엔진과; 상기 엔진의 가동중 발생된 구동력으로 동작되는 보기류; 상기 엔진의 열간 시동시 충전된 전원으로 상기 엔진을 기동하고, 상기 엔진으로부터 발생된 구동력으로 전력을 생성하며, 상기 엔진의 공회전 정지시 충전된 전원으로 상기 보기류를 구동시키는 통합형 시동 발전기; 상기 엔진의 크랭크 축과 상기 보기류의 출력축 및 상기 통합형 시동 발전기의 출력축에 각각 설치된 풀리를 상호 연동시키도록 설치된 벨트; 상기 크랭크 축상에 설치되어 상기 크랭크 축과 상기 크랭크 축에 설치된 풀리 사이의 동력 전달을 단속하는 클러치 기구; 상기 엔진으로부터 발생된 구동력을 주행 상태에 따라 변속하여 출력하는 자동 변속기; 상기 엔진의 냉간 시동시 충전된 전원에 의해 구동력을 발생시켜 상기 엔진을 기동하는 스타터 모터 및; 상기 자동 변속기에 작동유를 제공하는 전동식 오일펌프를 구비하는 하이브리드 자동차에 있어서, 상기 스타터 모터는 동작 전원의 인가에 따라 회전되는 구동부와, 상기 구동부의 회전축상에 이동가능하게 설치된 피니언을 갖추고서 시동시 상기 엔진의 크랭크 축과 연결된 링기어와 치합되는 선택 치합부 및, 상기 선택 치 합부를 상기 엔진의 시동시에 국한되어 동작시켜 상기 피니언이 상기 링기어에 치합되도록 하는 치합 구동부를 구비하고; 상기 전동식 오일펌프는 상기 스타터 모터와 단일의 회전축을 공유하여 동작되도록 구성된 것을 특징으로 한다.
하이브리드, 자동차, 통합형 시동 발전기, 스타터 모터, 전동식 오일펌프

Description

하이브리드 자동차의 전동식 오일펌프 일체형 시동장치{starter with electric oil pump for hybrid vehicle}
도 1은 본 발명에 따른 전동식 오일펌프 일체형 시동장치가 적용되는 하이브리드 자동차의 구성을 도시한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 전동식 오일펌프 일체형 시동장치의 세부 구성을 도시한 도면.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10-엔진 12-토크 컨버터
14-자동 변속기 16-인젝터
28-보기류 30-벨트
32-통합형 시동 발전기 34-인버터
38-DC/DC 컨버터 42-스타터 모터
44-전동식 오일펌프 46-회전축
48-구동부 50-피니언
52-선택 치합부 54-치합 구동부
56-유압관로
본 발명은 하이브리드 자동차의 전동식 오일펌프 일체형 시동장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엔진을 시동함과 더불어 변속기에 작동유의 공급을 동시에 수행할 수 있도록 하는 하이브리드 자동차의 전동식 오일펌프 일체형 시동장치에 관한 것이다.
종래 하이브리드 자동차에서는 엔진과 전동기가 각각 보기류와 연동되는 구조를 이루고 있고, 그외에도 엔진의 시동을 위한 스타터 모터와 변속기에 작동유의 공급을 위한 전동식 오일펌프를 구비하고 있다.
이 경우, 상기 전동기는 통합형 시동 발전기(ISG; integrated starter generator)라 지칭되는 것으로 시동과 발전 기능을 통합한 것이고, 상기 스타터 모 터는 엔진의 시동시 크랭크 축을 강제로 회전시켜 주는 기능을 수행하는 것이며, 상기 전동식 오일펌프는 엔진의 공회전 정지시 엔진의 구동에 따른 변속기로의 작동유를 공급하는 경로와 별도로 변속기에 작동유를 제공하기 위한 것이다.
그런데, 상기와 같은 구성의 종래 하이브리드 자동차에서는 엔진의 시동시 크랭크 축을 기동시켜 주는 스타터 모터와 변속기에 작동유를 공급하는 전동식 오일펌프를 각각 별도로 구비해야 하므로, 설치에 필요로 하는 점유 공간이 확대될 뿐만 아니라, 조립시 별개로 작업해야 하는 등의 불편함이 있어 왔다.
이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 하이브리드 자동차에 있어 엔진의 공회전 정지시 변속기에 작동유를 제공하며 엔진의 냉간 시동시 기동력을 제공하는 기능을 통합적으로 수행할 수 있도록 하여, 부품의 점유 공간을 축소시킴과 더불어 부품의 모듈화에 따른 조립 생산성을 향상시킬 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 엔진과;
상기 엔진의 가동중 발생된 구동력으로 동작되는 보기류;
상기 엔진의 열간 시동시 충전된 전원으로 상기 엔진을 기동하고, 상기 엔진 으로부터 발생된 구동력으로 전력을 생성하며, 상기 엔진의 공회전 정지시 충전된 전원으로 상기 보기류를 구동시키는 통합형 시동 발전기;
상기 엔진의 크랭크 축과 상기 보기류의 출력축 및 상기 통합형 시동 발전기의 출력축에 각각 설치된 풀리를 상호 연동시키도록 설치된 벨트;
상기 크랭크 축상에 설치되어 상기 크랭크 축과 상기 크랭크 축에 설치된 풀리 사이의 동력 전달을 단속하는 클러치 기구;
상기 엔진으로부터 발생된 구동력을 주행 상태에 따라 변속하여 출력하는 자동 변속기;
상기 엔진의 냉간 시동시 충전된 전원에 의해 구동력을 발생시켜 상기 엔진을 기동하는 스타터 모터 및;
상기 자동 변속기에 작동유를 제공하는 전동식 오일펌프를 구비하는 하이브리드 자동차에 있어서,
상기 스타터 모터는 동작 전원의 인가에 따라 회전되는 구동부와, 상기 구동부의 회전축상에 이동가능하게 설치된 피니언을 갖추고서 시동시 상기 엔진의 크랭크 축과 연결된 링기어와 치합되는 선택 치합부 및, 상기 선택 치합부를 상기 엔진의 시동시에 국한되어 동작시켜 상기 피니언이 상기 링기어에 치합되도록 하는 치합 구동부를 구비하고;
상기 전동식 오일펌프는 상기 스타터 모터와 단일의 회전축을 공유하여 동작되도록 구성된 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 자동차는 동력원으로서 혼합기를 연소시켜 구동력을 발생시키는 엔진(10)과, 상기 엔진(10)으로부터 발생된 구동력을 증폭시키는 토크 컨버터(12) 및, 최대 감속비와 최소 감속비 사이에서 감속비를 자동적으로 유단계로 변경 가능한 자동 변속기(14)를 구비하고 있다.
먼저, 상기 엔진(10)은 연료의 분사량과 시기를 각각 조절하는 인젝터(16)를 구비하고, 상기 엔진(10)이 점화식인 경우에는 점화 플러그(18)를 구비한다. 상기 인젝터(16)와 상기 점화 플러그(18)는 각각 엔진 제어기(ECU)의 제어에 따라 동작한다.
그리고, 상기 엔진(10)은 크랭크 축(11)을 통해 상기 토크 컨버터(12)의 입력축을 연동시키고, 상기 토크 컨버터(12)의 출력축은 상기 자동 변속기(14)의 입력축을 연동시키며, 상기 자동 변속기(14)의 출력축은 추진축(20)을 연동시켜 차동장치(22)를 거친 다음 차축(24)을 통해 차륜(26)을 구동시키게 된다.
또한, 상기 엔진(10)의 크랭크 축(11)은 동력조향장치용 오일펌프와 에어컨용 압축기 및 워터펌프 등의 보기류(28)와 벨트(30)를 매개로 연결되어 이들에 동력을 전달하고, 상기 보기류(28)에는 상기 엔진(10)의 공회전 정지시 동력 전달을 위해 배터리에 충전된 전원을 매개로 구동력을 발생시키는 통합형 시동 발전기(ISG; integrated starter generator; 32)가 연결되어 있다.
이 경우, 상기 통합형 시동 발전기(32)는 상기 엔진(10)의 열간 시동시 기동력을 제공하고, 상기 엔진(10)의 공회전 정지시 상기 엔진(10)을 대신하여 상기 보 기류(28)에 구동력을 제공하게 된다.
이를 위해, 상기 엔진(10)의 크랭크 축(11)과 상기 보기류(28)의 출력축(29) 및 상기 통합형 시동 발전기(32)의 출력축(33)에는 상기 벨트(30)에 의한 연동을 위해 각각 풀리(P)가 개별적으로 설치되어 있다. 또한, 상기 크랭크 축(11)에는 상기 크랭크 축(11)과 상기 크랭크 축(11)에 설치된 풀리(P) 사이의 동력 전달을 단속하는 클러치 기구(C)가 설치되는 바, 상기 클러치 기구(C)는 후술되는 엔진 제어기(ECU)에 의해 체결과 해방이 제어되는 전자식 또는 유압식의 다판 클러치로 구성된다.
그리고, 상기 통합형 시동 발전기(32)는 인버터(34)를 매개로 36V의 대용량 배터리(36)와 연결되고, 상기 인버터(34)와 상기 대용량 배터리(36) 사이에는 DC/DC 컨버터(38)가 설치되고, 상기 DC/DC 컨버터(38)는 12V의 소용량 배터리(40)와 연결된다.
이 경우, 상기 인버터(34)는 모터 제어기(MCU)의 제어에 따라 상기 통합형 시동 발전기(32)의 구동에 필요한 전원을 상기 대용량 배터리(36)로부터 제공함과 더불어 상기 통합형 시동 발전기(32)에 의해 발전된 전력을 상기 대용량 배터리(36)에 제공하여 이를 충전시키게 된다.
또한, 상기 DC/DC 컨버터(38)는 상기 통합형 시동 발전기(32)에 의해 발전된 전력을 감압시켜 상기 소용량 배터리(40)를 충전하고, 필요시 상기 소용량 배터리(40)에 충전된 전력을 승압시켜 상기 통합형 시동 발전기(32)로 제공하는 역할을 수행하게 된다.
그리고, 상기 엔진 제어기(ECU)와 상기 모터 제어기(MCU)는 하이브리드 제어기(HCU)에 의해 제어되는 바, 상기 하이브리드 제어기(HCU)에는 차량의 각종 동작 상태를 검출하여 입력하는 검출수단(S)이 연결되어 있는 바, 상기 검출수단(S)은 차속과 가속 및 제동의 정도, 노면의 경사도 및, 배터리의 충전 상태 등을 각각 검출하는 각종 센서류로 이루어진다.
한편, 상기 엔진(10)에는 냉간 시동시 기동을 위한 스타터 모터(42)가 구비되고, 상기 엔진(10)의 공회전 정지시 상기 자동 변속기(14)에 작동유를 공급하기 위한 전동식 오일펌프(44)가 구비되어 있다.
이 경우, 상기 스타터 모터(42)와 상기 전동식 오일펌프(44)는 각각 단일의 회전축(46)을 상호 공유하는 형태인 일체형으로 구성되어, 이른 바 통합형의 전동식 오일펌프 일체형 시동장치를 이루게 된다.
이를 위해, 상기 스타터 모터(42)는 동작 전원의 인가에 따라 회전되는 구동부(48)와, 상기 구동부(48)의 회전축(46)상에 이동가능하게 설치된 피니언(50)을 갖추고서 시동시 상기 엔진(10)의 크랭크 축(11)상에 설치된 링기어(11a)와 선택적으로 치합되는 선택 치합부(52) 및, 상기 선택 치합부(52)를 상기 엔진(10)의 시동시에 국한되어 동작시켜 상기 피니언(50)이 상기 링기어(11a)에 치합되도록 하는 치합 구동부(54)를 갖추고 있다.
이 경우, 상기 구동부(48)는 상기 회전축(46)에 설치된 회전자(48a)와, 상기 회전자(48a)의 둘레에 배치된 영구자석의 고정자(48b), 상기 회전자(48a)에 직류 전원을 공급하는 브러쉬(48c) 및, 상기 브러쉬(48c)로부터 상기 회전자(48a)에 직 류 전원을 단속적으로 제공하는 정류자(48d) 등을 갖추고 있다.
그리고, 상기 선택 치합부(52)는 상기 피니언(50)을 상기 회전축(46)상에서 축방향으로 이동가능하게 하는 플런져(52a)와, 상기 회전축(46)으로부터 제공되는 구동력을 상기 피니언(50)에 제한적으로 전달하는 오버러닝 클러치(52b) 등을 갖추고 있다.
또한, 치합 구동부(54)는 상기 플런져(52a)를 상기 회전축(46)에 대해 축방향으로 이동시켜 주는 레버(54a)와, 상기 레버(54a)에 작동력을 인가하는 솔레노이드(54b)를 갖추고 있는 바, 상기 솔레노이드(54b)에는 전자기력을 제공하는 풀인 권선(54b-1)과 홀드인 권선(54b-2)이 각각 권취되어 있다.
또한, 상기 회전축(46)은 이의 일단부에 상기 전동식 오일펌프(44)를 구성하는 내접기어(44a)가 고정 설치되고, 상기 내접기어(44a)에는 이와 편심된 상태로 외접기어(44b)가 외접하게 설치되며, 상기 내접기어(44a)와 상기 외접기어(44b)는 소정의 밀폐된 공간을 갖추는 하우징(44c)내에 수용됨과 더불어 상기 하우징(44c)에는 작동유의 흡입과 배출을 각각 허용하는 흡입구(44d)와 배출구(44e)가 구비되어 있다.
아울러, 상기 흡입구(44d)와 상기 배출구(44e)는 상기 자동 변속기(14)의 오일 팬과 각각 유압관로(56)를 매개로 연결되고, 상기 유압관로(56)상에는 작용유중 포함된 이물질의 제거를 위한 스트레이너(strainer; 58)가 설치된다.
이하, 본 발명의 작용을 상세하게 설명한다.
먼저, 상기 엔진(10)의 냉간 시동시에는 상기 스타터 모터(42)가 동작하여 상기 링기어(11a)를 구동시키게 된다. 이때 상기 엔진(10)의 크랭크 축(11)이 연동하여 벨트(30)를 매개로 상기 보기류(28)를 구동시키게 되는 데, 이 경우 상기 클러치 기구(C)는 체결된 상태가 됨은 물론이다.
이후, 상기 엔진(10)의 시동이 이루어진 다음 정상적인 주행이 수행되면, 상기 엔진 제어기(ECU)는 운전자의 의지 및 주행 상황에 맞춰 상기 엔진(10)을 적절하게 가동시키게 된다.
한편, 상기 하이브리드 제어기(HCU)가 상기 검출수단(S)을 통해 주행중 상기 엔진(10)의 공회전 정지 상황을 판단하게 되면, 상기 하이브리드 제어기(HCU)는 상기 엔진 제어기(ECU)를 제어하여 상기 인젝터(16)를 통한 연료의 공급을 차단시켜 상기 엔진(10)을 정지시키게 된다.
이 경우, 상기 엔진(10)의 공회전 정지 상황에 대한 판단 기준은 다음과 같다. 즉, 현재 배터리의 충전 상태가 설정치(대략 55% 수준임) 이상이고, 냉각수 온도가 설정치(대략 70℃) 이상이며, 가속 페달이 오프 상태이고, 차속이 8㎞/hr 이하이며, 브레이크가 작동중이면서 변속 레인지는 주행 모드인 것이다.
즉, 상기 하이브리드 제어기(HCU)는 상기의 조건들이 모두 만족됨을 판단하면, 상기 인젝터(16)를 통한 연료의 분사를 차단시켜 상기 엔진(10)을 정지 상태로 전환시키게 되는 것이다. 이에 따라 상기 엔진(10)이 공회전 정지 상태일 때 상기 인젝터(16)를 통한 연료의 분사가 차단되면, 불필요한 연료의 사용이 배제되므로 연비의 향상을 도모할 수 있게 된다.
이때, 상기 하이브리드 제어기(HCU)는 상기 모터 제어기(MCU)를 제어하여 상기 통합형 시동 발전기(32)를 구동하고, 이로부터 상기 보기류(28)는 상기 통합형 시동 발전기(32)의 구동에 따라 발생된 동력을 인가받아 정상적인 작동을 수행하게 된다. 이 경우, 상기 클러치 기구(C)는 해제되어 상기 통합형 시동 발전기(32)의 구동에 따른 상기 크랭크 축(11)의 회전을 제한하게 된다.
아울러, 상기 하이브리드 제어기(HCU)는 상기 스타터 모터(42)의 구동부(48)를 작동시켜 상기 회전축(46)을 공유하고 있는 상기 전동식 오일펌프(44)를 구동하고, 이에 따라 상기 전동식 오일펌프(44)는 자동 변속기(14)에 작동유를 지속적으로 공급하여 상기 엔진(10)의 재기동시를 대비하게 된다. 이때, 상기 스타터 모터(42)의 치합 구동부(54)는 동작되지 않아 상기 스타터 모터(42)의 구동에 따른 링기어(11a)의 기동은 이루어지지 않게 된다.
또한, 상기 하이브리드 제어기(HCU)가 상기 검출수단(S)을 매개로 상기 엔진(10)의 재기동 상태를 판단하게 되면, 상기 하이브리드 제어기(HCU)는 상기 통합형 시동 발전기(32)를 동작시켜 벨트(30)를 매개로 상기 엔진(10)의 크랭크 축(11)을 기동시키게 되고, 이때 상기 자동 변속기(14)에는 상기 전동식 오일펌프(44)의 구동에 따른 작동유의 공급이 충분히 이루어진 상태이므로, 상기 자동 변속기(14)는 원활한 작동을 할 수 있게 된다. 이 경우에도 상기 스타터 모터(42)의 치합 구동부(54)는 동작되지 않아 상기 스타터 모터(42)의 구동에 따른 링기어(11a)의 기동은 이루어지지 않게 된다.
아울러, 상기 엔진(10)의 재기동시 상기 전동식 오일펌프(44)의 구동은 상기 엔진(10)의 초기 기동 시점에 국한되어 이루어지는 것이고, 상기 엔진(10)이 정상적으로 가동되는 시점에서는 상기 전동식 오일펌프(44)의 구동은 이루어지지 않는 대신, 상기 자동 변속기(14)내에 구비된 기계식 펌프가 연동되어 작동유의 공급을 도모하게 된다.
한편, 상기 엔진(10)의 냉간 시동시에는 상기 전동식 오일펌프(44)의 치합 구동부(54)에 작동 전원이 인가되고, 이에 따라 상기 전동식 오일펌프(44)의 선택 치합부(52)가 작동되어 상기 피니언(50)은 상기 링기어(11a)를 구동시켜 상기 엔진(10)을 기동시키게 된다.
이때에도, 상기 전동식 오일펌프(44)와 회전축(46)을 공유하고 있는 상기 전동식 오일펌프(44)는 작동유를 원활하게 자동 변속기(14)에 공급할 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 전동식 오일펌프 일체형 시동장치에 의하면, 주행중 엔진의 공회전 정지시 통합형 시동 발전기의 구동을 매개로 보기류의 구동을 도모하고, 연료의 분사를 차단시켜 연비를 향상시킴과 더불어 회전축을 공유하는 스타터 모터의 구동에 따른 전동식 오일펌프의 동작을 통해 자동 변속기에 작동유를 원활하게 공급하게 된다.
또한, 엔진의 재시동시에 있어 열간 시동의 경우이면, 통합형 시동 발전기에 의한 엔진의 기동을 도모하고, 냉간 시동시에는 스타터 모터의 구동에 따른 링기어의 구동을 통해 엔진을 기동시킬 수 있게 된다.

Claims (4)

  1. 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 엔진과;
    상기 엔진의 가동중 발생된 구동력으로 동작되는 보기류;
    상기 엔진의 열간 시동시 충전된 전원으로 상기 엔진을 기동하고, 상기 엔진으로부터 발생된 구동력으로 전력을 생성하며, 상기 엔진의 공회전 정지시 충전된 전원으로 상기 보기류를 구동시키는 통합형 시동 발전기;
    상기 엔진의 크랭크 축과 상기 보기류의 출력축 및 상기 통합형 시동 발전기의 출력축에 각각 설치된 풀리를 상호 연동시키도록 설치된 벨트;
    상기 크랭크 축상에 설치되어 상기 크랭크 축과 상기 크랭크 축에 설치된 풀리 사이의 동력 전달을 단속하는 클러치 기구;
    상기 엔진으로부터 발생된 구동력을 주행 상태에 따라 변속하여 출력하는 자동 변속기;
    상기 엔진의 냉간 시동시 충전된 전원에 의해 구동력을 발생시켜 상기 엔진을 기동하는 스타터 모터 및;
    상기 자동 변속기에 작동유를 제공하는 전동식 오일펌프를 구비하는 하이브리드 자동차에 있어서,
    상기 스타터 모터는 동작 전원의 인가에 따라 회전되는 구동부와, 상기 구동부의 회전축상에 이동가능하게 설치된 피니언을 갖추고서 시동시 상기 엔진의 크랭크 축과 연결된 링기어와 치합되는 선택 치합부 및, 상기 선택 치합부를 상기 엔진 의 시동시에 국한되어 동작시켜 상기 피니언이 상기 링기어에 치합되도록 하는 치합 구동부를 구비하고;
    상기 전동식 오일펌프는 상기 스타터 모터와 단일의 회전축을 공유하여 동작되도록 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 전동식 오일펌프 일체형 시동장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전동식 오일펌프는 상기 회전축에 설치된 내접기어와, 상기 내접기어와 편심된 상태에서 외접하는 외접기어 및, 상기 내접기어와 상기 외접기어를 내부의 밀폐된 공간에 수용함과 더불어 작동유의 흡입과 배출을 각각 허용하는 흡입구와 배출구를 각각 갖춘 하우징으로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 전동식 오일펌프 일체형 시동장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 흡입구와 상기 배출구는 상기 자동 변속기와 각각 유압관로를 매개로 연통되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 전동식 오일펌프 일체형 시동장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유압관로상에는 이물질의 제거를 위한 스트레이너가 설치된 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 전동식 오일펌프 일체형 시동장치.
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