KR20230102015A - 하이브리드 차량의 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20230102015A
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torque
cylinders
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한동희
박종일
강현진
오희창
이종혁
이관희
김재헌
구자언
홍승우
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현대자동차주식회사
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Abstract

하이브리드 차량 및 이의 제어 방법이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량은 연료의 연소에 의해 차량의 주행에 필요한 동력을 발생시키는 복수의 실린더를 포함하는 엔진; 상기 엔진을 시동시키고, 선택적으로 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성하는 제1 모터; 차량의 주행에 필요한 동력을 발생시키는 제2 모터; 상기 엔진과 상기 제2 모터 사이에 구비되는 클러치; 상기 엔진이 정지된 상태로부터 상기 엔진의 운전 영역이 최적 운전점 영역으로 이동하는 천이 구간에서, 상기 제2 모터의 속도와 상기 엔진 속도를 동기화한 후 상기 클러치를 결합시키고, 상기 제2 모터의 토크를 점차적으로 감소시키며, 상기 복수의 연소실 중 연소되는 실린더의 개수를 점차적으로 조절하여 상기 엔진 토크를 점차적으로 증가시키는 제어기를 포함할 수 있다.

Description

하이브리드 차량의 제어 장치 및 방법 {APPARATUS OF HYBRID VEHICLE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 하이브리드 차량의 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 엔진이 정지 상태에서 최적 운전점 영역으로 이동하는 천이 구간에서 엔진의 효율을 향상시키고 질소 산화물의 배출을 저감시킬 수 있는 하이브리드 차량의 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
하이브리드 차량은 내연 기관 엔진을 이용하는 차량과 전기 차량의 중간 단계의 차량으로서, 두 가지 이상의 동력원, 예를 들면 엔진의 동력과 배터리의 동력을 사용하는 차량이다.
하이브리드 차량은 엔진과 모터로 구성되는 두 가지 이상의 동력원을 사용하여 다양한 구조를 형성할 수 있다.
하이브리드 차량의 하나의 예로, 구동 모터와 변속기, 및 구동축이 직렬 연결되는 TMED (Transmission Mounted Electric Device) 방식의 파워 트레인이 사용될 수 있다.
엔진과 구동 모터의 사이에는 클러치가 구비되어, 클러치의 결합 여부에 따라 하이브리드 차량은 EV(Electric Vehicle) 모드 또는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드로 운행된다.
EV 모드는 모터의 구동력만으로 차량이 주행하는 모드이고, HEV 모드는 모터와 엔진의 구동력으로 차량이 주행하는 모드이다.
이러한 하이브리드 차량은 구동 모터가 엔진의 동력을 보조하기 때문에, 하이브리드 차량에 적용되는 엔진은 주로 최고 열효율 운전점(또는, 최적 운전점)에서 동작된다. 최고 열효율 운전점에서 희박 연소 모드(lean burn combustion mode)를 이용하여 저온 연소를 구현하는 경우, 연소 온도가 낮아지기 때문에 비열비가 상승하여 하이브리드 차량의 효율이 향상된다.
다만, 엔진의 모든 운전 영역을 희박 연소 모드로 운전하기 위해서는 연소 시스템 개발의 기술적 제약이 크기 때문에, 최고 열효율 운전점을 제외하고는 이론 공연비 모드(theoretical air-fuel ratio mode)로 운전될 수 있다.
그러나 하이브리드 차량은 EV 모드와 HEV 모드의 전환이 자주 발생하고, 아이들 상태, 또는 차량의 감속 시에는 엔진의 운전이 정지된다. 따라서, 차량의 주행 중에 엔진이 정지되었다가 최적 운전점으로 반복적으로 경우가 빈번하게 발생한다.
엔진이 정지되었다가 최적 운전점으로 이동하는 천이 구간에서, 엔진 속도를 구동 모터 속도에 동기화한 후, 클러치를 결합시킨다. 그리고 엔진은 목표 토크까지 점차적으로 증가시키고, 구동 모터의 토크는 점차적으로 감소시켜, 변속기의 입력측 토크가 주행에 필요한 최종 토크에 도달하도록 제어된다.
이러한 과정을 토크 블렌딩(torque blending)이라고 한다. 토크 블렌딩 과정에서 엔진의 토크를 증가시킬 때, 엔진은 이론 공연비 모드로 운전되기 때문에, 많은 양의 질소 산화물(NOx)이 발생한다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 엔진이 정지 상태에서 희박 연소 모드로 동작하는 최적 운전점 영역으로 이동하는 천이 구간에서 엔진의 효율을 향상시키고 질소 산화물의 배출을 저감시킬 수 있는 하이브리드 차량을 제공하는 것으로 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량은 연료의 연소에 의해 차량의 주행에 필요한 동력을 발생시키는 복수의 실린더를 포함하는 엔진; 상기 엔진을 시동시키고, 선택적으로 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성하는 제1 모터; 차량의 주행에 필요한 동력을 발생시키는 제2 모터; 상기 엔진과 상기 제2 모터 사이에 구비되는 클러치; 상기 엔진이 정지된 상태로부터 상기 엔진의 운전 영역이 최적 운전점 영역으로 이동하는 천이 구간에서, 상기 제2 모터의 속도와 상기 엔진 속도를 동기화한 후 상기 클러치를 결합시키고, 상기 제2 모터의 토크를 점차적으로 감소시키며, 상기 복수의 연소실 중 연소되는 실린더의 개수를 점차적으로 조절하여 상기 엔진 토크를 점차적으로 증가시키는 제어기를 포함할 수 있다.
상기 천이 구간에서 연소되는 실린더의 개수는 설정된 엔진 사이클이 경과할 때마다 단계적으로 증가될 수 있다.
상기 천이 구간에서 상기 제2 모터의 토크는 전체 실린더의 개수 대비 상기 설정된 엔진 사이클이 경과할 때마다 증가되는 실린더의 개수의 비율로 감소될 수 있다.
상기 천이 구간에서 상기 엔진의 실린더는 희박 연소 모드로 동작할 수 있다.
상기 천이 구간에서의 공연비와 상기 최적 운전점 영역에서의 공연비는 다르게 설정될 수 있다.
상기 최적 운전점 영역에서 엔진의 공연비는 상기 천이 구간에서 엔진의 공연비보다 크게 설정될 수 있다.
상기 설정된 엔진 사이클 동안 상기 엔진의 점화 시기를 조절하여 연소되는 실린더에서 출력되는 엔진 토크를 점차적으로 증가시킬 수 있다.
상기 설정된 엔진 사이클 동안 상기 엔진의 점화 시기를 점차적으로 진각시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법은 최적 운전점 영역에서는 희박 연소 모드로 운전되고, 나머지 운전 영역에서는 이론 공연비 모드로 운전되는 엔진을 포함하는 하이브리드 차량의 제어 방법으로서, 상기 엔진이 정지된 상태로부터 상기 엔진의 운전 영역이 상기 최적 운전점 영역으로 이동하는 천이 구간에서, 제1 모터의 동력을 통해 상기 엔진의 속도를 증가시켜 제2 모터 속도와 동기화시키는 단계; 상기 엔진의 속도와 상기 제2 모터의 속도가 동기화되면, 상기 엔진과 상기 제2 모터 사이에 구비된 클러치를 결합시키는 단계; 상기 클러치가 결합되면, 상기 엔진의 토크를 점차적으로 증가시키고 상기 제2 모터의 토크를 점차적으로 감소시켜 변속기로 입력되는 최종 토크를 출력시키는 단계를 포함하고, 상기 최종 토크를 출력시키는 단계에서, 상기 엔진의 복수의 연소실 중 연소되는 실린더 개수를 조절하여 상기 엔진의 토크를 점차적으로 증가시킬 수 있다.
상기 천이 구간에서 연소되는 실린더의 개수는 설정된 엔진 사이클이 경과할 때마다 단계적으로 증가될 수 있다.
상기 천이 구간에서 상기 제2 모터의 토크는 설정된 엔진 사이클이 경과할 때마다 전체 실린더의 개수 대비 연소되는 실린더의 개수의 비율로 감소될 수 있다.
상기 천이 구간에서 상기 엔진의 실린더는 희박 연소 모드로 동작될 수 있다.
상기 천이 구간에서의 공연비와 상기 최적 운전점 영역에서의 공연비는 다르게 설정될 수 있다.
상기 최적 운전점 영역에서 엔진의 공연비는 상기 천이 구간에서 엔진의 공연비보다 크게 설정될 수 있다.
상기 설정된 엔진 사이클 동안 상기 엔진의 점화 시기를 조절하여 연소되는 실린더에서 출력되는 엔진 토크를 점차적으로 증가될 수 있다.
상기 설정된 엔진 사이클 동안 상기 엔진의 점화 시기를 점차적으로 진각될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량에 의하면, 엔진이 정지 상태에서 최적 운전점 영역으로 이동하는 천이 구간에서 질소 산화물의 배출이 최소화되고, 불필요한 연료 소모량이 감소될 수 있다.
또한, 천이 구간에서 엔진 토크가 연속적으로 증가함에 따라 엔진에서 발생하는 진동이나 충격이 최소화되고, 이로 인해, 차량의 동력 전달계에 미치는 충격을 최소화할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 구성을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량에 적용되는 엔진의 운전 영역을 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량에 적용되는 엔진의 연소 특성을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
이하에서 설명하는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량은 TMED(Transmission Mounted Electric Device) 방식의 구조를 예를 들어 설명하도록 한다. 그러나 본 발명의 권리범위가 이에 한정하는 것은 아니며, 본 발명은 다른 방식의 하이브리드 차량에도 적용될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 구성을 도시한 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량은 엔진(10), 제1 모터(20), 제2 모터(30), 클러치(40), 및 제어기(60)를 포함할 수 있다.
엔진(10)은 연료의 연소에 의해 차량의 주행에 필요한 동력을 발생시키는 복수의 실린더(11)를 포함한다. 본 발명의 실시 예에서, 엔진(10)은 가솔린 엔진(10)일 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 엔진(10)은 4기통 엔진, 3기통 엔진(10), 또는 6기통 엔진(10)일 수 있으면, 엔진(10)의 기통수에 따라 본 발명의 권리 범위가 한정되지 않는다.
제1 모터(20)는 엔진(10)을 시동시키고, 필요에 따라 선택적으로 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성할 수 있다. 제1 모터(20)는 일종의 시동 발전기(starter & generator )일 수 있다.
제2 모터(30)는 차량의 주행에 필요한 동력을 발생시키고, 필요에 따라 엔진(10)의 동력을 보조한다. 그리고 제2 모터(30)는 선택적으로 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성할 수 있다.
클러치(40)는 엔진(10)과 제2 모터(30) 사이에 구비되고, 클러치(40)의 결합 여부에 따라 하이브리드 차량은 EV(Electric Vehicle) 모드 또는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드로 주행한다.
제2 모터(30)의 동력만으로 차량이 주행하는 모드가 EV(electric vehicle) 모드이고, 엔진(10)의 동력과 제2 모터(30)의 동력으로 차량이 주행하는 모드가 HEV(hybrid electric vehicle) 모드이다.
엔진(10)과 제2 모터(30)에서 출력되는 동력은 차량에 구비된 구동 휠로 전달된다. 이때, 클러치(40)와 구동 휠의 사이에는 변속기(50)가 구비된다.
변속기(50)의 내부에는 변속 기어가 내장되어 변속 기어단에 따라 엔진(10)과 제2 모터(30)에서 출력되는 파워가 변경된다.
제어기(60)는 엔진(10), 제1 모터(20), 제2 모터(30), 및 클러치(40)를 포함하는 하이브리드 차량의 구성요소를 제어한다. 또한, 제어기(60)는 엔진(10)이 정지된 상태로부터 엔진(10)의 운전 영역이 최적 운전점 영역으로 이동하는 천이 구간에서 제2 모터(30)의 속도와 엔진 속도를 동기화한 후, 제2 모터(30)의 토크를 감소시키고 엔진(10)의 토크를 증가시켜 변속기(50)로 입력되는 최종 토크가 출력되도록 제어한다.
이를 위해, 제어기(60)는 설정된 프로그램에 의하여 작동하는 하나 이상의 프로세서로 구비될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법의 각 단계를 수행하도록 되어 있다.
이하에서는, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 동작에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량에 적용되는 엔진의 운전 영역을 도시한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량에 적용되는 엔진(10)의 운전 영역은 최적 운전점 영역, 및 최적 운전점 영역을 제외한 나머지 영역으로 구분될 수 있다.
최적 운전점 영역에서 엔진(10)은 희박 연소 모드(λ>1)로 동작하고, 최적 운전점 영역을 제외한 나머지 운전 영역(이론 공연비 운전 영역)에서 엔진(10)은 이론 공연비 모드(λ=1)로 동작한다.
이와 같이, 최적 운전점 영역에서 엔진(10)의 희박 연소 모드로 운전되면, 엔진(10)이 이론 공연비로 운전되는 경우와 비교하여, 높은 열 효율(또는, 낮은 BSFC)과 매우 낮은 질소 산화물이 배출되는 특성을 갖는다(도 3 참조).
그러나 하이브리드 차량은 EV 모드에서 HEV 모드로의 전환될 때, 엔진(10)의 시동이 정지되었다가 재시동거나, ISG(idle stop and go) 시스템의 작동에 따라 엔진(10)이 아이들 정지되었다가 재시동거나, 또는, 차량이 감속 주행하다가 가속하는 경우, 엔진(10)의 시동이 정지되었다가 재시동된다.
이와 같이, 엔진(10)이 희박 연소 모드로 운전되는 영역이 최적 운전점 영역으로 제한되는 경우, 엔진(10)이 정지되었다가 재시동되어 엔진(10)의 운전 영역이 최적 운전점 영역으로 이동하는 천이 구간이 빈번하게 발생한다.
본 발명은 이러한 천이 구간에서 엔진(10)의 효율을 향상시키고, 질소 산화물의 배출을 감소시키며, 토크 블렌딩 과정에서 변속기(50)로 입력되는 연속적인 최종 토크가 출력되도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 엔진(10) 정지 후 시동되어 엔진(10)의 운전 영역이 최적 운전점 영역으로 이동하는 천이 구간(S10)에서, 제어기(60)는 제2 모터(30)의 속도와 엔진 속도를 동기화한다(S20).
이때, 제어기(60)는 제1 모터(20)의 동력을 통해 엔진 속도를 증가시켜 엔진 속도를 제2 모터(30)의 속도와 동기화되도록 한다.
제2 모터(30)의 속도와 엔진 속도가 동기화되면, 제어기(60)는 클러치(40)를 결합시킨다(S30).
클러치(40)가 결합되면, 제어기(60)는 제2 모터(30) 토크를 점차적으로 감소시키고, 복수의 연소실 중 연소되는 실린더(11)의 개수를 점차적으로 증가시켜 엔진 토크를 점차적으로 증가시킨다(S40). 엔진 토크와 제2 모터(30) 토크의 합이 변속기(50)로 입력되는 최종 토크가 된다. 여기서, 엔진 토크를 증가시키고 제2 모터(30)의 토크를 감소시켜 변속기로 입력되는 최종 토크가 일정하게 유지되도록 하는 구간을 토크 블렌딩 구간이라고 한다.
엔진 토크를 점차적으로 증가시킬 때, 제어기(60)는 연소되는 실린더(11)의 개수는 설정된 엔진 사이클이 경과할 때마다 단계적으로 증가시킨다.
예를 들어, 4기통 엔진의 경우, 클러치(40)가 결합되면, 설정된 엔진 사이클(예를 들어, 3회 또는 4회의 엔진 사이클) 동안 하나의 실린더(11)가 연소되고, 설정된 엔진 사이클(예를 들어, 3회 또는 4회의 엔진 사이클)이 경과하면 두 개의 실린더(11)가 연소되며, 설정된 엔진 사이클(예를 들어, 3회 또는 4회의 엔진 사이클)이 경과하면 세 개의 실린더(11)가 연소되고, 마지막으로 설정된 엔진 사이클(예를 들어, 3회 또는 4회의 엔진 사이클)이 경과하면 네 개의 실린더(11)가 연소된다.
예를 들어, 6기통 엔진의 경우, 클러치(40)가 결합되면, 설정된 엔진 사이클(예를 들어, 3회 또는 4회의 엔진 사이클) 동안 하나의 실린더(11)가 연소되고, 설정된 엔진 사이클(예를 들어, 3회 또는 4회의 엔진 사이클)이 경과하면 두 개의 실린더(11)가 연소되며, 설정된 엔진 사이클(예를 들어, 3회 또는 4회의 엔진 사이클)이 경과하면 세 개의 실린더(11)가 연소되고, 설정된 엔진 사이클(예를 들어, 3회 또는 4회의 엔진 사이클)이 경과하면 네 개의 실린더(11)가 연소되며, 설정된 엔진 사이클(예를 들어, 3회 또는 4회의 엔진 사이클)이 경과하면 다섯 개의 실린더(11)가 연소되고, 마지막으로 설정된 엔진 사이클(예를 들어, 3회 또는 4회의 엔진 사이클)이 경과하면 여섯 개의 실린더(11)가 연소된다.
또는, 6기통 엔진의 경우, 클러치(40)가 결합되면, 설정된 엔진 사이클(예를 들어, 3회 또는 4회의 엔진 사이클) 동안 두 개의 실린더(11)가 연소되고, 설정된 엔진 사이클(예를 들어, 3회 또는 4회의 엔진 사이클)이 경과하면 네 개의 실린더(11)가 연소되며, 설정된 엔진 사이클(예를 들어, 3회 또는 4회의 엔진 사이클)이 경과하면 여섯 개의 실린더(11)가 연소될 수도 있다.
설정된 엔진 사이클이 경과할 때마다 증가되는 실린더(11)의 개수는 설계자의 필요에 따라 적절하게 결정될 수 있다.
이와 같이, 설정된 엔진 사이클이 경과할 때 마다 연소되는 실린더(11)의 개수가 단계적으로 증가하면, 토크 블렌딩 구간에서 엔진(10)에서 출력되는 토크가 단계적으로 증가하게 된다. 예를 들어, 4기통 엔진의 경우, 토크 블렌딩 구간에서 연소되는 실린더(11)의 개수가 설정된 엔진 사이클이 경과할 때마다 하나씩 증가하면, 엔진(10)에서 출력되는 엔진 토크는 1/4씩 단계적으로 증가한다.
필요에 따라서, 6기통 엔진의 경우, 토크 블렌딩 구간에서 연소되는 실린더(11)의 개수가 설정된 엔진 사이클이 경과할 때마다 하나씩 증가하면, 엔진(10)에서 출력되는 엔진 토크는 1/6씩 단계적으로 증가하고, 설정된 엔진 사이클이 경과할 때마다 두개씩 증가하면, 엔진(10)에서 출력되는 엔진 토크는 1/3씩 단계적으로 증가한다.
그리고 변속기(50)로 입력되는 최종 토크가 일정하게 유지되도록 제2 모터(30)에서 출력되는 모터 토크는 설정된 엔진 사이클이 경과할 때 마다 모터 토크를 단계적으로 저감시킨다.
즉, 천이 구간에서 제2 모터(30)에서 출력되는 모터 토크는 전체 실린더의 개수 대비 설정된 엔진 사이클이 경과할 때마다 증가되는 실린더의 개수의 비율로 감소된다.
예를 들어, 4기통 엔진의 경우, 토크 블렌딩 구간에서 설정된 엔진 사이클이 경과할 때마다 연소되는 실린더(11)의 개수가 하나씩 증가하는 경우, 제2 모터(30)에서 출력되는 모터 토크는 초기 모터 토크의 1/4씩 감소될 수 있다.
또는, 6기통 엔진의 경우, 토크 블렌딩 구간에서 설정된 엔진 사이클이 경과할 때마다 연소되는 실린더(11)의 개수가 하나씩 증가하는 경우, 제2 모터(30)에서 출력되는 모터 토크는 초기 모터 토크의 1/6씩 감소될 수 있다.
따라서, 엔진(10)에서 출력되는 엔진 토크와 제2 모터(30)에서 출력되는 모터 토크의 합인 최종 토크가 일정하게 출력된다.
천이 구간에서 엔진(10)의 실린더(11)는 희박 연소 모드로 운전된다. 이때, 엔진(10)이 희박 연소 모드로 동작하도록 엔진(10)의 공연비는 이론 공연비보다 크게 설정된다. 제어기(60)는 엔진(10)이 희박 연소 모드로 동작하기 위한 공연비를 충족하기 위한 공기량을 계산하고, 엔진(10)이 희박 연소로 동작하기 위한 공기량이 실린더(11)로 공급되도록 스로틀 밸브, 부스팅 장치(예를 들어, 터보차저, 또는 전동식 슈퍼차저 등), 가변 밸브 타이밍 장치(CVVT: continuous variable valve timing apparatus) 등을 제어할 수 있다.
한편, 엔진(10)의 모든 실린더(11)가 연소하지 않는 천이 구간에서 배출되는 배기 가스의 조성과 엔진(10)의 모든 실린더(11)가 연소하는 최적 운전점 영역에서 배출되는 배기 가스의 조성이 상이할 수 있기 때문에, 최적 운전점에서의 희박 연소를 수행하기 위한 공연비에 도달하기 위한 공기량을 천이 구간에서 실린더(11)로 공급하면, 천이 구간에서 실린더(11)의 공연비와 최적 운전점에서의 공연비가 차이가 발생할 수 있다.
예를 들면, 일부 실린더(11)만 연소되는 천이 구간에서 실린더(11) 내부로 역류하는 잔류 가스의 온도나 재순환되는 배기 가스량(다르게 표현하면, EGR 가스)은 모든 실린더(11)가 연소되는 최적 운전점 영역에서의 잔류 가스의 온도나 EGR 가스량이 상이하다. 여기서, 잔류 가스는 실린더(11)에서 발생한 배기 가스가 모두 배기계로 배출되지 못하고 실린더(11) 내부로 역류하는 배기 가스를 의미한다.
즉, 모든 실린더(11)가 연소되는 최적 운전점 영역에서 역류하는 잔류 가스의 온도는 천이 구간에서 역류하는 잔류 가스의 온도보다 높고, 모든 실린더(11)가 연소되는 최적 운전점 영역에서 EGR 가스량은 천이 구간에서 EGR 가스량보다 많을 수 있다.
이와 같이, 천이 구간에서의 배기 가스의 조성이 최적 운전점 영역에서의 배기 가스의 조성과 다르기 때문에, 천이 구간에서 실린더(11)로 공급되는 공기량과 최적 운전점 영역에서 실린더(11)로 공급되는 공기량을 동일하게 설정하면, 천이 구간에서 희박 연소 모드를 구현하기 위한 공연비가 설정된 공연비와 차이가 발생할 수 있다.
따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 천이 구간에서의 공연비와 최적 운전점 영역에서의 공연비를 다르게 설정하고, 이에 따라, 천이 구간에서 실린더(11)로 공급되는 공기량과 최적 운전점 영역에서 실린더(11)로 공급되는 공기량이 달라지도록 함으로써, 천이 구간에서의 공연비와 최적 운전점 영역에서의 공연비가 같아질 수 있다.
이때, 천이 구간에서의 공연비(λtransit)는 최적 운전점 영역에서의 공연비(λsteady)보다 작게 설정될 수 있다(도 6 참조).
그리고 토크 블렌딩 구간에서 엔진 토크가 최대한 연속적으로 출력될 수 있도록, 제어기(60)는 설정된 엔진 사이클 동안 엔진(10)의 점화 시기를 조절할 수 있다.
천이 구간에서 설정된 엔진 사이클이 경과할 때마다 연소되는 실린더(11) 개수가 단계적으로 증가하면, 엔진(10)에서 출력되는 엔진 토크가 단계적으로 증가한다. 예를 들어, 4기통 엔진의 경우, 최적 운전점 영역에 도달할 때까지 엔진 토크는 25%씩 증가하게 된다.
최대한 엔진 토크가 연속적이면서 완만하게 증가할 수 있도록, 설정된 엔진 사이클 동안 점화 시기를 점차적으로 진각시킬 수 있다.
예들 들어, 도 7을 참조하면, 4회의 엔진 사이클 동안 하나의 실린더(11)가 연소되는 경우, 엔진 사이클이 1회씩 증가할 때마다 점화 시기는 점차적으로 진각되면, 하나의 실린더(11)에서 출력되는 엔진 토크가 점차적으로 증가하게 된다(도 7의 '토크 블렌딩 구간' 참조).
그리고 4회의 엔진 사이클 동안 두 개의 실린더(11)가 연소되는 경우, 엔진 사이클이 1회씩 증가할 때마다 점화 시기가 점차적으로 진각되면, 두 개의 실린더(11)에서 출력되는 엔진 토크가 점차적으로 증가하게 된다.
이와 같이, 설정된 엔진 사이클 동안 점화 시기를 점차적으로 진각시킴으로써, 설정된 엔진 사이클 동안 출력되는 엔진 토크가 점차적으로 증가하게 되고, 토크 블렌딩 구간에서 엔진 토크가 연속적으로 출력될 수 있다.
앞에서, 4기통 엔진을 예로 들어 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량 및 이의 제어 방법에 대하여 설명하였다. 그러나 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 3기통 엔진(10), 또는 6기통 엔진(10)에도 적용될 수 있음은 물론이며, 엔진(10)의 기통 수는 설계자에 따라 적절히 변경되어 적용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량 및 이의 제어 방법에 의하면, 엔진(10)이 정지되었다가 희박 연소 모드로 동작하는 최적 운전점 영역으로 이동하는 천이 구간에서 연소되는 실린더(11)가 희박 연소 모드로 동작하기 때문에, 질소 산화물의 배출이 최소화될 수 있다.
그리고 천이 구간에서 엔진(10)이 이론 공연비로 운전되지 않고 희박 연소 모드로 운전되기 때문에, 불필요한 연료 소모량을 감소시킬 수 있다.
또한, 천이 구간에서 연소되는 실린더(11) 개수를 단계적으로 증가시킴으로써, 천이 구간에서의 엔진(10) 출력이 연속적으로 증가하고, 이로 인해, 엔진(10)에서 발생하는 진동과 충격이 최소화됨에 따라 차량의 동력 전달계에 미치는 충격을 최소화할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 엔진
11: 실린더
20: 제1 모터
30: 제2 모터
40: 클러치
50: 변속기
60: 제어기

Claims (16)

  1. 연료의 연소에 의해 차량의 주행에 필요한 동력을 발생시키는 복수의 실린더를 포함하는 엔진;
    상기 엔진을 시동시키고, 선택적으로 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성하는 제1 모터;
    차량의 주행에 필요한 동력을 발생시키는 제2 모터
    상기 엔진과 상기 제2 모터 사이에 구비되는 클러치;
    상기 엔진이 정지된 상태로부터 상기 엔진의 운전 영역이 최적 운전점 영역으로 이동하는 천이 구간에서, 상기 제2 모터의 속도와 상기 엔진 속도를 동기화한 후 상기 클러치를 결합시키고, 상기 제2 모터의 토크를 점차적으로 감소시키며, 상기 복수의 연소실 중 연소되는 실린더의 개수를 점차적으로 조절하여 상기 엔진 토크를 점차적으로 증가시키는 제어기;
    를 포함하는 하이브리드 차량.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 천이 구간에서 연소되는 실린더의 개수는 설정된 엔진 사이클이 경과할 때마다 단계적으로 증가되는 하이브리드 차량.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 천이 구간에서 상기 제2 모터의 토크는 전체 실린더의 개수 대비 상기 설정된 엔진 사이클이 경과할 때마다 증가되는 실린더의 개수의 비율로 감소되는 하이브리드 차량.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 천이 구간에서 상기 엔진의 실린더는 희박 연소 모드로 동작하는 하이브리드 차량.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 천이 구간에서의 공연비와 상기 최적 운전점 영역에서의 공연비는 다르게 설정되는 하이브리드 차량.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 최적 운전점 영역에서 엔진의 공연비는 상기 천이 구간에서 엔진의 공연비보다 크게 설정되는 하이브리드 차량.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 설정된 엔진 사이클 동안 상기 엔진의 점화 시기를 조절하여 연소되는 실린더에서 출력되는 엔진 토크를 점차적으로 증가시키는 하이브리드 차량.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 설정된 엔진 사이클 동안 상기 엔진의 점화 시기를 점차적으로 진각시키는 하이브리드 차량.
  9. 하이브리드 차량의 제어 방법으로서,
    엔진이 정지된 상태로부터 상기 엔진의 운전 영역이 최적 운전점 영역으로 이동하는 천이 구간에서, 제1 모터의 동력을 통해 상기 엔진의 속도를 증가시켜 제2 모터 속도와 동기화시키는 단계;
    상기 엔진의 속도와 상기 제2 모터의 속도가 동기화되면, 상기 엔진과 상기 제2 모터 사이에 구비된 클러치를 결합시키는 단계;
    상기 클러치가 결합되면, 상기 엔진의 토크를 점차적으로 증가시키고 상기 제2 모터의 토크를 점차적으로 감소시켜 변속기로 입력되는 최종 토크를 출력시키는 단계;
    를 포함하고,
    상기 최종 토크를 출력시키는 단계에서, 상기 엔진의 복수의 연소실 중 연소되는 실린더 개수를 조절하여 상기 엔진의 토크를 점차적으로 증가시키는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 천이 구간에서 연소되는 실린더의 개수는 설정된 엔진 사이클이 경과할 때마다 단계적으로 증가되는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 천이 구간에서 상기 제2 모터의 토크는 설정된 엔진 사이클이 경과할 때마다 전체 실린더의 개수 대비 연소되는 실린더의 개수의 비율로 감소되는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 천이 구간에서 상기 엔진의 실린더는 희박 연소 모드로 동작하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 천이 구간에서의 공연비와 상기 최적 운전점 영역에서의 공연비는 다르게 설정되는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 최적 운전점 영역에서 엔진의 공연비는 상기 천이 구간에서 엔진의 공연비보다 크게 설정되는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 설정된 엔진 사이클 동안 상기 엔진의 점화 시기를 조절하여 연소되는 실린더에서 출력되는 엔진 토크를 점차적으로 증가시키는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 설정된 엔진 사이클 동안 상기 엔진의 점화 시기를 점차적으로 진각시키는 하이브리드 차량의 제어 방법.
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