KR101134649B1 - 동력전환 장치와 이를 이용한 하이브리드 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 왕복회전운동을 발생시키는 왕복회전형 엔진과, 상기 왕복회전운동을 일방향 회전운동으로 변환시키기 위한 종력변환장치 및 이를 이용한 하이브리드 시스템(Hybrid system)에 관한 것으로, 상기 왕복회전형 엔진은 두개로 양분된 원환형 공간이 밀폐실을 이루고 각 밀폐실을 축과 일체로 형성된 피스톤에 의해 다시 양분하여 총 4개의 밀폐실을 이루는 구조로 되어 있으며, 상기 동력전환장치는 두개의 유성기어장치(planetary gear unit)와 두개의 발전-발동겸용 전동기로 구성되어 있다. 상기 왕복회전형 엔진으로부터 전달된 왕복회전 동력은 베벨기어를 통해 한 쌍의 유성기어 캐리어로 전달되고, 두개의 전동기는 각각의 링기어에 연결되며, 동축 상에 위치한 선기어는 구동축에 연결된다. 또한, 상기 두개의 전동기는 엔진의 왕복회전운동에 대응하여 주기적으로 링기어의 회전력을 변화시켜 대응력을 형성하여 구동축에 일정한 방향의 회전력이 전달되도록 함으로써, 엔진으로부터의 동력을 보다 효율적으로 전환시키고, 또한 엔진의 크기 및 중량을 획기적으로 감소시킬 수 있게 된다.

왕복회전형 엔진, 로터리 엔진, 하이브리드 시스템, 동력전환장치

Description

동력전환 장치와 이를 이용한 하이브리드 시스템{Power transferring device and hybrid system using the same}

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타내는 사시도.

도 2는 왕복회전형 엔진의 구성을 나타내는 분해 사시도.

도 3a 내지 3d는 상기 왕복회전형 엔진의 작동구조를 순차적으로 설명하기 위한 단면도.

도 4는 상기 왕복회전형 엔진에서 발생된 왕복회전력을 일방향 회전으로 전환하기 위한 동력전환장치의 구성을 나타내는 단면도.

도 5a 및 5b는 상기 동력전환장치의 구동원리를 설명하기 위한 도면.

도 6a 및 6b는 상기 왕복회전형 엔진이 정지된 상태에서 상기 발동-발전겸용 전동기의 출력만으로 출발시키는 상태를 나타내는 도면.

도 7a 및 7b는 상기 왕복회전형 엔진의 시동시의 상태를 나타내는 도면.

도 8a 및 8b는 상기 왕복회전형 엔진의 작동에 의한 가속상태를 나타내는 도면.

도 9a 및 9b는 정속운행시의 상태를 나타내는 도면.

도 10a 및 10b는 감속시의 상태를 나타내는 도면.

도 11a 및 11b는 공회전시의 상태를 나타내는 도면.

도 12a 및 12b는 후진시의 상태를 나타내는 도면.

본 발명은 왕복회전형 엔진과 내연-전기 하이브리드 시스템에 기반을 둔 동력발생 및 전달계통에 관한 것으로, 보다 상세하게는 왕복회전운동을 발생시키는 왕복회전형 엔진과, 상기 왕복회전운동을 일방향 회전운동으로 변환시키기 위한 동력변환장치 및 이를 이용한 하이브리드 시스템에 관한 것이다.

기존의 실린더형 엔진에서는 원통 형태의 밀폐실에서 가스의 연소에 의해 얻어지는 열역학적 에너지를 피스톤의 왕복직선 운동에너지로 전환하여 동력을 얻는다. 이 왕복직선운동은 크랭크기구를 통하여 완전한 회전운동으로 전환되며, 이 과정에서 운동방향의 변화에 따른 마찰과 진동으로 인한 기계공학적인 동력손실이 발생된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 시도할 수 있는 방법은 처음부터 회전운동으로 동력을 얻을 수 있는 로터리 엔진을 이용하는 것이다. 현재 자동차에 쓰이는 유일한 로터리 엔진인 반켈엔진은 삼각형의 로우터가 에피트로코이드(epitrochoid) 곡선을 따라서 실린더 내부를 도는 형식으로서, 각 삼각형의 꼭지점이 흡입, 압축, 폭발, 배기 과정 중에 가스의 기밀을 담당한다. 그러나 로우터 꼭지점과 실린더 내벽 사이의 마찰이 많아져 로우터 꼭지점이 마모되고 윤활에도 문제가 있어서 결국은 기밀유지 기능이 저하되어 효율과 성능이 저하되는 현상이 나타난다. 또한, 로우터의 꼭지점 부분이 마모되기 때문에, 주기적인 엔진 자체의 교체가 불가피하다.

대표적인 반켈엔진으로는 프랑스특허 제2498248호 및 독일특허 제3521593호에 개시된 것이 있으며, 이러한 실린더형 엔진의 문제점들을 극복하기 위하여, 반켈엔진 이외에도 왕복회전운동을 하는 로터리 엔진에 대한 많은 시도들이 있었다. 예를 들어, 1906년 미국특허 제829231호에도 로터리 엔진의 구조가 나와 있으며, 이후 미국특허 제1069936호, 제4027475호, 제5228414호 및 한국특허 제10-292988호 등에도 다양한 형태의 로터리 엔진에 관하여 개시되어 있다. 그러나, 이러한 엔진들에 있어서도, 밀폐실의 구조나 흡배기장치의 주조 등에서 고출력 엔진으로 실용화하는 문제와 왕복회전운동을 완전한 회전운동으로 전환하는 문제 등 상용화를 위한 매우 어려운 과제들이 아직도 남아있다.

한편, 상기 반켈엔진의 편심회전 동력이나 다른 로터리 엔진의 왕복회전 동력을 기계적 방법을 이용하여 완전한 동심회전 동력으로 바꾸기 위해서는 힘의 방향을 바꾸어야 한다. 이를 위한 일반적인 방법은 크랭크기구를 이용하거나 한국특허 제10-0404446호에서와 같은 토러스(torus) 크랭크기구에 의한 동력전환방법을 이용하기도 한다. 그러나, 이러한 기계적 방법만을 이용한 동력의 변환은 필연적으로 동력전달계통 과정에서 동력 방향의 변환에 따른 마찰과 진동을 수반한다. 따라서, 기계적 방법만을 이용하여 동력의 손실과 진동 없이 편심회전운동이나 왕복회 전운동을 완전한 동심회전운동으로 바꾸는 시도는 정도의 차이는 있으나, 왕복직선운동을 회전운동으로 바꾸는 기존의 크랭크기구와 마찬가지의 문제로 동력학 이론상 실현 불가능하다. 따라서, 제어의 확실성과 효율성 면에서 신뢰도가 검증된 전동장치를 이용한 동력변환은 기존 개념들에 비하여 효율성을 증가시킬 수 있는 대안으로 제시될 수 있다.

한편, 환경문제와 에너지 효율성 문제를 고려할 때, 내연-전기 하이브리드 엔진의 개발은 자동차 산업의 필수적인 과제로 인식되고 있다. 현재 일본과 미국 등에서 일부 상용화된 하이브리드 자동차가 있으며 연료 효율성에 있어 성과가 검증되었다. 일반적으로, 하이브리드 시스템의 원리는 비교적 단순하다고 볼 수 있다. 내연기관에서 발생하는 동력과 전동기로부터의 동력을 주행상황에 따라 효율적으로 운영함으로써 연료효율성을 극대화하는 것이다. 현재 상용화된 하이브리드 자동차 중 가장 효율적이라고 인정받는 토요다의 프리어스(Prius)는 실린더형 엔진과 전동기 및 발전기를 동력분할 장치(Power Splitter)를 통하여 연결한 후 동력 에너지와 전기에너지를 상호 변환시킴으로써 가장 효율적으로 동력을 이용하는 방법을 택하고 있다. 다른 시스템도 자동차의 모델에 따라 차이는 있으나 모두 비슷한 원리에 기초를 두고 있다. 기존의 실린더형 엔진과 전동기를 사용하는 하이브리드 시스템은 이들 동력발생 장치를 결합하는 방법에 따라 차이는 있으나, 내연기관 외에 전동기 및 축전지 등 전동장치를 함께 탑재해야 하므로 동력장치의 중량이 증가하는 단점이 있다. 전동기의 디자인 및 축전지의 성능 향상 등을 통하여 문제를 해결하는 방법들이 연구되고 있으나, 궁극적으로 가장 큰 하중을 차지하는 내연 기관의 중량을 감소하는 것이 가장 효과적인 방법이다. 현재까지 개발된 하이브리드 자동차는 일부 실험적 수준의 것을 제외하면 모두 기존의 실린더형 엔진을 이용한 것으로 이러한 문제에 대한 근본적 해결은 이루어지지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 4-행정기관을 유지하면서도 크기 및 중량이 대폭적으로 감소된 엔진을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 기존의 실린더형 엔진에 있어서의 피스톤과 실린더 벽간의 충돌에 의해 발생되는 충격과 마찰을 제거하여 동력손실을 감소시키고 엔진의 수명을 향샹시키는 것을 목적으로 한다.

삭제

또한, 본 발명은 상기 왕복회전형 엔진으로부터 발생된 왕복회전운동을 보다 효율적으로 일방향 회전운동으로 변환시키기 위한 동력변환장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 기존의 엔진에서 엔진 출력과 구동축의 요구동력 간의 특성차이로 발생되는 문제점과 기존의 하이브리드 시스템이 갖는 구조적 문제를 보완하는 효율적인 하이브리드 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 왕복회전형 엔진은, 내부에 원환실을 가지며, 상기 원환실의 중심과 동심적으로 배치되는 관통구멍을 갖는 엔진블록과; 상기 관통구멍을 관통하 여 상기 원환실의 중심과 동심적으로 배치되는 회전축과; 상기 원환실 내에서 상기 관통구멍을 따라 대향 배치되어 상기 원환실을 양분하는 한 쌍의 가로벽과; 상기 회전축의 외면상에 대칭적으로 형성되고, 상기 원환실의 일측단면과 동일한 외형을 가지며, 상기 가로벽에 의해 양분된 원환실의 각각에 배치되는 한 쌍의 피스톤과; 상기 원환실 내에서 선택적으로 배기가스를 배출하거나 새로운 공기를 흡입하기 위한 흡배기 밸브기구 및 압축 연료가스를 폭발시키기 위한 점화수단을 포함하며, 상기 원환실은 그 내부에 배치되는 가로벽과 상기 피스톤에 의해 4개의 구역으로 분할되고, 이러한 각각의 구역내에서는 상기 피스톤이 1회전 하는 동안 흡입, 압축, 팽창, 배기행정이 동시에 발생되어, 상기 피스톤이 1회 왕복회전운동을 하는 동안 이러한 4행정이 2회 반복해서 수행하게 된다.

본 발명에 따라 왕복회전운동을 하는 회전축으로부터 왕복회전운동력을 받아 원하는 방향으로의 일방향 회전운동으로 변환시키는 동력전환장치는, 상기 동력축과 결합되어 동력축의 왕복회전운동에 따른 회전력을 전달받는 한 쌍의 유성기어 캐리어와; 상기 각각의 유성기어 캐리어에 자유회전운동 가능하게 장착되는 다수의 유성기어와; 상기 각 유성기어 캐리어의 중심부에 배치되어 상기 다수의 유성기어와 치합되는 각각의 선기어와; 상기 각각의 선기어에 일체적으로 결합되어 선기어의 회전방향과 동일한 방향으로 구동되는 구동축과; 내주면 및 외주면 상에 각기 내주 기어부 및 외주 기어부가 형성되고, 상기 각 유성기어 캐리어에 장착된 다수의 유성기어들이 동시에 내주 기어부에 치합되는 링기어와; 상기 각각의 링기어의 외주 기어부에 치합되어, 상기 링거어를 회전시키거나 또는 링기어에 의해 회전되는 외부기어; 및 상기 링기어를 회전시키기 위해 상기 외부기어를 회전구동시키는 경우에는 전동기로서의 기능을 하며, 링거어에 의해 외부기어가 회전되는 경우에는 발전기로서의 기능을 하는 발동-발전겸용 전동기를 포함하며, 상기 발동-발전겸용 전동기는 외부기어를 통해 링기어를 회전시켜 상기 유성기어 캐리어에 대한 대응력을 제공한다.

실시예

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 하이브리드 시스템의 구성 및 작동을 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이며, 도 2는 왕복회전형 엔진의 구성을 나타내는 분해 사시도이고, 도 3a 내지 3d는 상기 왕복회전형 엔진의 작동구조를 순차적으로 설명하기 위한 단면도이다.

본 발명에 따른 하이브리드 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 왕복회전 구동력을 발생시키는 왕복회전형 엔진(2)과, 상기 왕복회전형 엔진(2)으로부터의 왕복회전 구동력을 일방향 회전운동으로 전환하기 위한 동력전환장치를 포함하며, 이밖에도, 상기 왕복회전형 엔진(2)에 연료를 공급하기 위한 연료탱크(1)와, 상기 왕복회전형 엔진(2)의 구동을 제어하기 위한 엔진제어장치(3)를 구비한다.

상기 왕복회전형 엔진(2)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 내부에 원환실(torus chamber:17-1)이 형성되어 있는 엔진블록(17)과, 상기 원환실의 중심과 동축적으로 배치되며 상기 원환실의 단면과 일치하는 형상의 피스톤(14)을 구비하는 회전축 (15)과, 상기 엔진블록(17)의 외부로부터 원환실의 내부로 설치되어 원환실의 내부를 선택적으로 개폐시키는 흡배기 밸브기구(21)와, 상기 흡배기 밸브기구(21)의 작동에 따라 원환실의 내외로 가스를 흡입 및 배출하기 위한 흡배기구(20) 및 상기 엔진블록(17)의 외측에 배열되는 흡배기 밸브기구(21) 및 흡배기구(20)가 배치되는 헤드부(16)를 포함하고 있다.

상기 엔진블록(17)은 원환실(17-1)의 중심과 동심적으로 배치되는 제1관통구멍(17-2)과 상기 제1관통구멍(17-2)과 직교하는 방향으로 형성된 제2관통구멍(17-3)이 형성되어 있으며, 상기 제2관통구멍(17-3) 측에는 한 쌍의 가로벽(17-4)이 대향 배치되어 상기 제2관통구멍(17-3)을 포함하여 원환실(17-1) 전체를 2개의 구획으로 분할한다. 상기 제1관통구멍(17-2)에는 상기 피스톤(14)을 구비한 회전축(15)이 회전 가능하게 삽입되어 상기 가로벽(17-4)에 의해 지지되며, 이 때, 상기 피스톤(14)은 가로벽(17-4)의 의해 분할된 2개의 분할부 각각에 배치된다.

또한, 상기 제2관통구멍(17-3)의 양측에는 밀봉 플레이트(16-1)가 배치되어 상기 제2관통구멍(17-3)을 밀폐시키며, 상기 밀봉 플레이트(16-1)에는 가로벽(17-4)에 의해 양분된 각각의 분할부에 대응하여 복수개의 구멍(22)이 형성되어 있다. 한편, 상기 흡배기 밸브기구(21)는 기존의 실린더형 엔진에 사용되는 밸브기구와 마찬가지로 다수의 흡/배기밸브(18)와 상기 흡/배기밸브(18)를 개폐시키는 캠축(19)으로 구성되어 있으며, 상기 흡/배기밸브(18)는 밀봉 플레이트(16-1)에 형성된 각각의 구멍(22)에 장착되어, 상기 캠축(19)의 구동에 따라 구멍(22)을 개폐시키게 된다.

상기 밀봉 플레이트(16-1) 상에 장착되는 흡배기 밸브기구(21)의 후방에는 상기 흡배기구(20)가 배치되어 상기 흡/배기밸브(18)에 의해 개폐되는 구멍(22)을 통해 각각의 실린더 내부에서 발생된 배기가스를 외부로 배출시키거나 또는 실린더 내부에 새로운 공기가 흡입될 수 있도록 한다. 한편, 상기 밀봉 플레이트(16-1) 상에 장착되는 흡배기 밸브기구(21)와 흡배기구(20)는 커버(16-2)에 의해 보호되며, 상기 커버(16-2)에는 흡배기구(20)에 대응하는 복수의 구멍(16-3)이 형성되어 있으나, 이러한 헤드부(16)의 구성은 본 실시예에 한정되지 않으며, 필요에 따라 다양한 변경 및 수정이 가능하다.

한편, 상기 피스톤(14)의 종단면은 반원, 사각형 타원 등 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이때, 상기 원환실의 모양도 상기 피스톤에 대응하여 다양한 회전곡면을 갖게 된다.

이하, 도 3a 내지 도 3d를 참조하여, 상술된 구성을 갖는 왕복회전형 엔진(2)의 작동구조를 설명한다.

먼저, 도면에 도시된 바와 같이, 상기 엔진블록(17) 내부의 원환실(17-1)은 횡방향의 가로벽(17-4)과 회전축(15)에 구비된 피스톤(14)에 의해 4개의 영역(A,B,C,D)으로 분할되어 있다.

도 3a는 A영역에서 연료와 공기의 혼합가스가 점화플러그(도시되지 않음)에 의해 폭발되어 팽창행정이 일어난 순간을 나타내는 것으로, 이러한 상태에서 회전축(15)이 도면의 화살표를 따라 시계방향으로 회전함으로써, B영역에서는 이미 흡입된 혼합가스가 압축되는 압축행정이 진행되고, C영역에서는 흡입밸브(18-1)가 개 방되어 외부로부터 공기가 흡입되는 흡입행정이 진행되며, D영역에서는 배기밸브(18-1)가 개방되어 내부의 배출가스가 배기되는 배기행정이 동시에 일어나게 된다.

계속해서, 도 3b는 도 3a에서 압축행정이 진행된 B영역에서 혼합가스 폭발에 의한 팽장행정이 일어난 순간을 나타내는 도면으로서, 이 경우, 회전축(14)은 반시계방향으로 회전하게 되며, 따라서, C영역에서는 압축행정, D영역에서는 흡입행정 및 A영역에서는 배기행정이 각각 동시에 진행되게 된다. 이러한 방식으로, 도 3c의 경우, 회전축(15)은 C영역에서의 팽창행정에 의해 다시 시계방향으로 회전되어, A영역에서 흡입행정, B영역에서 배기행정 및 D영역에서 압축행정이 동시에 발생하게 되고, 도 3d의 경우에는 D영역에서 팽장행정, A영역에서 압축행정, B영역에서 흡입행정 및 C영역에서 배기행정이 동시에 발생하게 된다.

이상에서와 같이, 상기 가로벽(17-4)과 회전축(15)의 피스톤(14)에 의해 분할된 각각의 영역은 실린더로서의 역할을 하게되며, 또한, 이러한 각각의 영역이 A→B→C→D의 순서에 따라 팽창행정이 일어나게 됨으로써, 회전축(15) 역시 지속적으로 시계방향 및 반시계방향으로의 왕복회전운동을 함으로써, 본 발명의 왕복회전형 엔진(2)에서 얻고자 하는 왕복회전력을 얻게 된다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 왕복회전형 엔진(2)은 상술된 4-행정기관 이외에도 같은 구조로 2-행정기관으로도 설정할 수 있다.

도 4는 상기 왕복회전형 엔진(2)에서 발생된 왕복회전력을 일방향 회전으로 전환하기 위한 동력전환장치의 구성을 나타내는 단면도이다.

상기 동력전환장치는 선기어(7a, 7b), 유성기어 캐리어(6a, 6b) 및 링기어 (4a, 4b)를 구비하는 한 쌍의 유성기어장치와, 상기 링거어(4a, 4b)와 치합되는 외부기어(10a, 10b)와, 상기 외부기어(10a, 10b)를 구동시키거나 또는 외부기어(10a, 10b)의 회전력을 발전동력으로 이용하는 발동-발전겸용 전동기(9a, 9b)와, 상기 발동-발전겸용 전동기(9a, 9b)를 제어하는 전동기 제어수단(13) 및 상기 발동-발전겸용 전동기(9a, 9b)에 전원을 공급하거나 또는 발동-발전겸용 전동기(9a, 9b)로부터 발전된 전력을 충전시키기 위한 축전지(12)를 포함한다.

본 발명에 있어서, 상기 유성기어 캐리어(6a, 6b)는 그 일단부가 상기 회전축(15)과 결합되어 회전축의 왕복회전운동에 따른 왕복회전력을 전달받으며, 또한, 자유회전운동 가능하게 장착되는 다수의 유성기어(5a, 5b)를 구비한다. 상기 선기어(7a, 7b)는 상기 유성기어 캐리어(6a, 6b)의 중심부에 배치되어 상기 다수의 유성기어(5a, 5b)와 치합된다. 또한, 상기 링거어(4a, 4b)의 내주면 및 외주면상에 는 각기 내주 기어부(4a-1, 4b-1) 및 외주 기어부(4a-2, 4b-2)가 형성되어, 상기 내주 기어부(4a-1, 4b-1)에는 유성기어 캐리어에 장착된 다수의 유성기어(5a, 5b)가 동시에 치합되고, 상기 외주 기어부(4a-2, 4b-2)에는 외부기어(10a, 10b)가 치합된다.

또한, 상기 선기어(7a, 7b)는 유성기어장치의 중심부를 관통하여 설치되는 구동축(11)에 일체적으로 결합되어, 선기어(7a, 7b)의 회전에 따라 구동축(11)이 회전하도록 되어 있다. 즉, 동축 상에 위치한 상기 선기어(7a, 7b)는 엔진(2)과 전동기(9a, 9b)의 동력을 구동축(11)에 전달하는 기능을 하며, 이때, 유성기어 캐리어(6a, 6b), 링기어(4a, 4b)는 질량에 비해 회전관성이 크도록 설계되어 플라이 휠의 기능을 겸하도록 한다.

본 실시예에서는 상기 왕복회전형 엔진(2)으로부터 발생된 왕복회전력을 상기 동력전환장치에 원활히 전달하기 위하여 돌출된 회전축(15)의 단부에 베벨기어(8)를 형성하고 이에 결합되는 유성기어 캐리어(6a, 6b)의 일측 단부 역시 베벨기어(8a, 8b)를 형성하여 서로 직교되는 방식으로 치합되어 있으나, 이러한 회전축(15)과 유성기어 캐리어(6a, 6b) 간의 동력전달 방식은 상기 베벨기어 이외에도 다른 기어방식이나 체인연동 방식 등 여러 가지 동력전달방식이 채용될 수도 있다.

이하, 도 5a 및 5b를 참조하여, 상기 동력전환장치의 구동 원리를 설명한다.

도 5a 및 5b는 상기 동력전환장치의 구동원리를 설명하기 위한 것으로, 각 도면은 좌우측 유성기어장치의 각각을 도 4의 우측에서 바라본 상태를 나타낸다.

먼저, 도면에 있어서, 화살표의 방향과 길이는 각각 회전방향과 회전속도를 나타내며, 구동축(11)에 결합된 선기어(7a, 7b)는 시계방향의 회전이 전진방향을 나타낸다.

일반적으로 유성기어장치에서는 선기어, 캐리어, 링기어 중 두개 요소의 회전속도가 나머지 한 요소의 회전속도를 결정하게 되는데, 이러한 관점에서, 상기 회전축(14)이 엔진(2)에 의해 반시계방향으로 회전하게 되는 경우, 상기 회전축(14)을 중심으로 마주하여 결합된 좌우측 유성기어장치는 각각 도 5a 및 도 5b에서와 같이 회전하게 된다. 이를 보다 상세히 살펴보면, 도 5a의 좌측 유성기어장치의 경우, 유성기어 캐리어(6a)가 시계방향으로 회전하게 되고, 이에 따라, 상기 유성기어(5a)는 링기어(4a)의 내주 기어부(4a-1)를 따라 반시계방향으로 회전하며 이 동하게 되는데, 이 때, 상기 유성기어 캐리어(6a)의 회전력을 선기어(7a)를 통해 구동축(11)에 전달하려면 유성기어 캐리어(6a)의 회전력 방향과 반대 방향으로 링기어(4a)에 대응력이 작용해야만 한다. 따라서, 링기어(4a)의 외주 기어부(4a-2)에 치합된 외부기어(10a)를 구동시켜 링기어(4a)를 반시계방향으로 회전시킴으로써 상기 링기어(4a)의 대응력을 발생시키게 되며, 이에 따라, 선기어(7a)는 전진방향인 시계방향으로 구동력을 전달받게 된다. 한편, 도 5b에 도시된 좌측 유성기어장치에 있어서는, 상기 회전축(15)에 의해 유성기어 캐리어(6b)가 반시계 방향으로 회전하게 됨으로써, 상기 유성기어 캐리어(6b)의 유성기어(5b)는 선기어(7b)에 후진방향(7b)으로 회전력을 전달하게 되며, 따라서, 이 경우에는 링기어(4a)를 유성기어 캐리어(6b)의 회전방향과 동일한 방향으로 보다 빠르게 회전시킴으로써 선기어(7a)에 전진방향으로의 회전력을 전달하게 됨으로써, 좌우 유성기어장치 모두가 전진방향으로 회전력을 전달하게 된다.

한편, 전술한 바와 같이, 상기 회전축(15)은 왕복회전운동을 함으로써, 상기 좌우 유성기어장치의 구동상태는 도 5a 및 5b가 교대로 반복되며, 따라서, 상술된 링기어(4a, 4b)의 대응력을 회전축(15)의 왕복회전 주기에 동기시켜 양쪽 링기어(4a, 4b)에 제공함으로써, 일정한 방향으로 동력을 전달시킬 수 있게 된다. 이때, 두개의 발동-발전겸용 전동기(9a, 9b)에 의해 제공되는 대응력의 차이는 엔진의 회전력에 비례하며, 또한, 상기 구동축(11)의 회전방향은 전동기의 회전방향에 의해 결정된다.

또한, 도 5a 및 5b에 있어서, 좌우 유성기어장치가 동시에 작동되는 상황에 서, 상기 각각의 링기어(4a, 4b)는 회전속도의 차이를 갖게 되며, 이러한 차이가 두 전동기 회전속도의 차이를 결정한다. 일반적으로 상기 발전기겸용 전동기가 단순히 발동기로서 작동할 때는 같은 출력 상황에서 회전속도가 빠를수록 회전력이 약해지고, 느릴수록 회전력이 커지며, 발전기로 작동할 때도 같은 원리로 회전속도가 빠르면 발전 능력의 상승으로 회전 부하가 커지고 회전속도가 느려지면 부하가 작아지게 된다. 일반적으로 하이브리드 자동차용 발동-발전 겸용 전동기의 경우, 계자 자속이 일정하면 저속에서는 발동기로, 고속에서는 발전기로 작동하게 된다.

상술된 바와 같이, 유성기어장치에서 선기어, 유성기어 캐리어 및 링기어 중의 두개 요소의 회전은 나머지 한개 요소의 회전운동을 결정하게 되므로, 설계적 선택에 따라 각 요소의 역할은 바뀔 수 있으며, 또한 동력학적으로 같은 원리인 차동기어장치(Differential Gear Unit) 등을 이용할 수도 있다. 회전력이 작은 왕복회전 동력 발생기의 경우, 상기 링기어의 회전관성 만을 적절하게 이용하더라도 상술된 목적을 달성할 수 있는 링기어 대응력을 얻을 수 있다.

도 6 내지 도 12는 상기 동력변환장치가 중행상황에 따라 단계적으로 어떻게 적용되는 가를 나타내며, 여기서, 화살표의 방향과 길이는 회전방향과 속도를 나타내고, 화살표의 굵기는 회전력의 상대적 크기를 나타낸다. 또한 실선의 화살표는 회전력이 회전방향으로 작용하는 구동력을 나타내고, 점선으로 표시된 화살표는 회전력이 회전방향에 역으로 작용하는 부하를 나타낸다.

도 6a 및 6b는 상기 왕복회전형 엔진(2)이 정지된 상태에서 상기 발동-발전겸용 전동기(9a, 9b)의 출력만으로 출발시키는 상태를 나타낸다.

도 6a 및 6b에 도시된 바와 같이, 선기어(7a, 7b)에 전진방향으로의 구동을 얻기 위하여, 양쪽 링기어(4a, 4b)에 동일한 반시계방향의 구동력을 제공하면, 링기어(4a, 4b)의 내주 기어부(4a-1)에 치합된 유성기어(5a, 5b) 역시 반시계방향으로 구동되어 선기어(7a, 7b)를 전진방향으로 구동시키게 되며, 이때, 상기 유성기어 캐리어(6a, 6b)에는 양쪽 모두 시계방향으로 회전력이 발생되지만, 상기 회전축(15)과의 결합에 의해 그 힘이 상쇄되어 정지상태에 놓이게 된다. 따라서, 상기 구동축(11)에는 선기어(7a, 7b)를 통한 두 전동기(9a, 9b) 출력의 합이 구동력으로 작용하며, 여기서, 선기어(7a, 7b)에 표시된 점선의 화살표는 전진방향으로 구동축(11)에 부하가 걸려 있음을 의미한다.

도 7a 및 7b는 상기 왕복회전형 엔진(2)의 시동시의 상태를 나타낸다.

상술된 바와 같이, 전동기(9a, 9b)의 동력을 이용하여, 출발이 이루어진 이후, 일정속도에 올라 엔진의 시동이 필요하게 되면, 도 7a 및 7b에 도시된 바와 같이, 전동기 제어수단(13)을 통하여 주기적으로 전동기(9a, 9b)의 회전력에 차이를 주게되며, 이러한 회전력의 차이는 차동차의 관성저항과 함께 상기 두 유성기어 캐리어(6a, 6b)에 도면에 표시된 굵은 점선과 가는 실선의 차이에 해당하는 회전력을 형성하여 상기 회전축(15)의 왕복운동을 유도함으로써 엔진시동을 위한 동력을 얻게 된다.

도 8a 및 8b는 상기 왕복회전형 엔진(2)의 작동에 의한 가속상태를 나타낸다.

도 8a 및 8b에 도시된 바와 같이, 회전력의 차이를 갖는 전동기(9a, 9b)의 출력과 엔진(2)의 출력이 합해져 구동축(11)에 작용함으로써 최대 출력을 얻을 수 있다. 도 8a는 링기어(4a)를 통한 전동기(9a)의 회전력과 유성기어 캐리어(6a) 회전력의 합이 선기어(7a)를 통해 구동축에 전달되고 있음을 보여주고 있으며, 도 8b는 전동기(9b)의 회전력이 유성기어 캐리어(6b)와 선기어(7b)의구동력으로 작용되는 것을 보여준다. 즉, 두 캐리어(6a, 6b)에 표시된 굵은 실선 화살표와 가는 점선 화살표의 차이가 엔진의 회전력을 나타내며, 두 선기어(7a, 7b)에 표시된 점선 화살표의 합이 구동축(11)에 전달되는 총 구동력이 된다.

다음으로, 도 9a 및 9b는 정속운행시의 상태를 나타낸다.

정속운행시의 경우에 있어서는 두 전동기(9a, 9b) 중 회전속도가 느린 쪽의 전동기(9a)가 발동기로 작동하도록 제어하여 회전력을 생성하고, 회전속도가 빠른 쪽의 전동기(9b)는 발전기로 작동하도록 제어하여 발전 부하로 작용하도록 한다. 이때, 발전기로 얻어진 전력은 발동기(9a)를 구동하는데 사용하며, 필요하면, 상기 전동기(9a)의 회전출력는 감소시키고 발전부하를 증가시킴으로써 엔진 동력의 일부를 축전지(12)를 충전하는데 이용할 수도 있다.

도 10a 및 10b는 감속시의 상태를 나타낸다.

감속시의 경우에는 두 전동기(9a, 9b) 모두가 발전기로 작동하도록 제어되며, 이때, 엔진의 출력은 최소한으로 줄여 자동차의 관성력이 전동기(9a, 9b)를 통해 재발전(regeneration)을 위한 동력으로 쓰이게 된다. 선기어(7a, 7b)에 표시된 실선 화살표는 자동차의 관성력이 구동축을 통해 동력전환장치 내에서 구동력으로 작용하고 있음을 나타낸다.

도 11a 및 11b는 공회전(idle)시의 상태를 나타낸다.

공회전시의 경우, 즉 상기 선기어(7a, 7b)는 제동장치의 구속에 의해 정지된 상태에서, 도 11a 및 11b에 도시된 바와 같이, 두 전동기(9a, 9b) 모두가 발전기로 작동하도록 제어하여 상기 엔진(2)의 동력을 링기어(4a, 4b)의 왕복회전운동을 통해 발전에 이용하게 된다. 이때, 상기 두 선기어(7a, 7b)에는 서로 상쇄하는 힘이 작용하여 회전력이 없게 되며, 이후 정지 또는 후진을 할 수 있다.

도 12a 및 12b는 후진시의 상태를 나타낸다.

도 11a 및 11b에 도시된 공회전 정지상태에서 전동기(9a, 9b)를 전진방향의 반대방향으로 기동하면, 전진할 때와 같은 방법으로 후진할 수 있게 된다. 도 12a 및 12b는 후진가속시의 경우를 나타내는 것으로, 전진가속을 나타내는 도 8a 및 8b와 방향만 반대일 뿐 서로 일치하고 있음을 알 수 있다. 따라서, 모든 운행상황에서 전후진 운동에 같은 원리가 적용되므로, 전진과 후진에서 같은 속도를 내는 것이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같은 방법으로 연료 효율성을 최적화하여 운행하기 위해서는 엔진의 출력상황에 따라 전동기를 정밀하게 제어하는 것이 매우 중요하다. 또한, 열역학적 관점에서 엔진의 효율을 극대화하기 위해서는 가스 연소과정에서 압축압력의 유지를 위한 대응력이 필요하며, 이를 위해 전동기의 주기적 미세제어도 요구된다. 일반적으로 전동기는 제어의 신뢰성과 확실성이 검증되어 있으므로 적절한 제어 알고리즘을 이용하여 이러한 목적을 달성할 수 있으며, 또한, 두개의 독립된 출력을 갖는 전동장치는 설계요구에 따라 다양한 형태로 제공될 수도 있다.

본 발명에 따르면, 생산공정의 큰 변화 없이 상용화할 수 있는 구조를 갖고 있으면서도, 동력시스템 전체 구조를 획기적으로 변형시켜 기존이 엔진과 크랭크 기구가 갖고 있는 동력손실을 감축하여 에너지 효율을 높일 수 있다.

또한, 원환형 로터리엔진과 크랭크리구가 없는 하이브리드 시스템을 사용함으로써 중량과 크기가 작은 동력시스템을 구현할 수 있게 되며, 이에 따라, 에너지 효율성 면에서 기존의 하이브리드 시스템보다 우수하다.

또한, 길쭉한 형태의 기존 동력발생 및 전달계통(Power train)과 달리 대칭적 형태의 외형을 갖게 됨으로써, 차량의 안정성과 엔진실 디자인을 보다 용이하게 한다.

또한, 동력전달 과정에서 기존의 기계적 방법이 갖는 근본적인 문제를 해결하기 위하여 전기적 장치를 보조적으로 이용함으로써 동력전환시 발생하는 마찰과 진동이 극소화되고, 또한 왕복회전형 엔진의 출력 특성에 부합하는 동력전환장치를 이용함으로써 동역할적인 효율성을 극대화 할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 왕복회전형 엔진은, 작은 중량과 크기를 가짐으로써, 오토바이, 경운기 등에 이용되는 소형 4-행정기관을 구현하여 그 효율을 증가시킬 수 있으며, 저소음, 저진동의 장점 또한 그 효과와 적용범위가 매우 넓게 된다.

또한, 본 발명에 따른 왕복회전형 엔진의 왕복회전운동은 방향성이 없는 반면, 전동기는 방향전환이 용이하다는 특성이 있으므로, 본 발명에 따른 하이브리드 시스템을 이용하여 전진과 후진을 동일하게 작동할 수 있으며, 이러한 동력특성은 후진운행의 요구가 큰 군용전자나 건설장비 등에 유용하게 적용될 수 있다.

Claims (11)

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5. 왕복회전운동을 하는 회전축으로부터 왕복회전운동력을 받아 원하는 방향으로의 일방향 회전운동으로 변환시키는 동력전환장치로서,

   동력축과 결합되어 동력축의 왕복회전운동에 따른 회전력을 전달받는 한쌍의 유성기어 캐리어와;

   상기 각각의 유성기어 캐리어에 자유회전운동 가능하게 장착되는 다수의 유성기어와;

   상기 각 유성기어 캐리어의 중심부에 배치되어 상기 다수의 유성기어와 치합되는 각각의 선기어와;

   상기 각각의 선기어에 일체적으로 결합되어 선기어의 회전방향과 동일한 방향으로 구동되는 구동축과;

   내주면 및 외주면상에 각기 내주 기어부 및 외주 기어부가 형성되고, 상기 각 유성기어 캐리어에 장착된 다수의 유성기어들이 동시에 내주 기어부에 치합되는 링기어와;

   상기 각각의 링기어의 외주 기어부에 치합되어, 링기어를 회전시키거나 또는 링기어에 의해 회전되는 외부기어; 및

   상기 링기어를 회전시키기 위해 외부기어를 회전구동시키는 경우에는 전동기로서의 기능을 하며, 링거어에 의해 외부기어가 회전되는 경우에는 발전기로서의 기능을 하는 발동-발전겸용 전동기를 포함하며,

   상기 발동-발전겸용 전동기는 상기 회전축에 의해 전달되는 왕복회전력에 대응하여 외부기어를 통해 주기적으로 링기어의 회전력을 변화시켜 상기 유성기어 캐리어에 대한 대응력을 제공하는 것을 특징으로 하는 동력전환장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 동력축과 한 쌍의 유성기어 캐리어는 베벨기어에 의해 동시에 결합되는 것을 특징으로 하는 동력전환장치.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 발동-발전겸용 전동기를 제어함으로써 상기 외부기어의 회전방향 및 속도를 조절하게 되는 전동기 제어장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동력전환장치.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 발동-발전겸용 전동기에 전원을 공급하거나 또는 발 전겸용 전동기로부터 전원을 공급받아 충전시키는 밧데리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동력전환장치.
9. 왕복회전 구동력을 발생시키는 왕복회전형 엔진과, 상기 왕복회전형 엔진으로부터 발생된 왕복회전 구동력을 일방향 회전운동으로 전환하기 위한 동력전환장치 및 상기 왕복회전형 엔진의 구동을 제어하는 엔진제어장치를 포함하는 하이브리드 시스템에 있어서,

   상기 왕복회전형 엔진은, 내부에 원환실이 형성되어 있는 엔진블록과; 상기 원환실의 중심과 동심적으로 배치되는 회전축과; 상기 원환실 내에서 대향 배치되어 상기 원환실을 양분하는 한 쌍의 가로벽과; 상기 회전축의 외면상에 대칭적으로 형성되어, 상기 가로벽에 의해 양분된 원환실의 각각에 배치되는 한 쌍의 피스톤을 포함하며, 상기 원환실은 가로벽과 피스톤에 의해 4개의 구역으로 분할되고, 이러한 각각의 구역 내에서는 상기 피스톤이 1회전 하는 동안 흡입, 압축, 팽창, 배기행정이 동시에 발생되어, 상기 피스톤이 1회 왕복회전운동을 하는 동안 이러한 4행정이 2회 반복해서 수행되고,

   상기 동력전환장치는, 선기어, 유성기어 캐리어 및 링기어를 구비하며, 상기 왕복회전형 엔진의 회전축을 중심으로 대향 배치되는 한 쌍의 유성기어장치와; 링기어와 치합되는 외부기어와; 상기 외부기어를 구동시키거나 또는 외부기어의 회전력을 발전동력으로서 이용하는 발동-발전겸용 전동기와; 상기 발동-발전겸용 전동기를 제어하는 전동기 제어수단을 포함하고, 상기 선기어에는 상기 유성기어장치의 중심부를 관통하여 설치되는 구동축이 일체적으로 결합되어 선기어의 회전방향과 동일한 방향으로 구동되며, 상기 발동-발전겸용 전동기는 회전축에 의해 전달되는 왕복회전력에 대응하여 외부기어를 통해 주기적으로 링기어의 회전력을 변화시켜 상기 유성기어 캐리어에 대한 대응력을 제공하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 시스템.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 발동-발전겸용 전동기는, 초기 출발시에는 발동기로서 작용하며, 정속시에는 상기 두 전동기 중 회전속도가 느린쪽의 전동기가 발동기로 작동하고, 회전속도가 빠른 쪽의 전동기는 발전기로 작동하며, 감속시의 경우에는 두 전동기 모두가 발전기로 작동하고, 공회전시의 경우에서도 두 전동기 모두가 발전기로서 작동하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 시스템.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 유성기어장치는 차동기어장치로 대체될 수 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 시스템.

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