KR100813727B1

KR100813727B1 - 건설기계

Info

Publication number: KR100813727B1
Application number: KR1020030052590A
Authority: KR
Inventors: 오구리히데오
Original assignee: 가부시키가이샤 고마츠 세이사꾸쇼
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2008-03-13
Also published as: KR20040012539A; JP4179465B2; US20050036894A1; US7086226B2; JP2004084470A

Abstract

본 발명은 건설기계에 관한 것으로, 엔진(1)과, 엔진(1)에 의해 구동되는 유압펌프(2)와, 유압펌프(2)로부터의 토출유에 의해 구동되는 액츄에이터(4)를 구비하고, 상기 액츄에이터(4)로부터의 반송유로 회전하는 회생모터(8)를, 유압펌프(2)의 회전축에 접속하고 유압펌프(2)에서 필요한 구동 토크가 회생 모터(8)의 작동에 의해 발생하는 출력토크 보다도 큰 경우에는 엔진(1)과 회생모터(8)에 의해 유압펌프(2)를 구동하며, 한편 상기 유압펌프(2)의 구동토크가 회생모터(8)의 출력토크 보다도 작은 경우에는 회생모터(8)에 의해 유압펌프(2)를 구동함과 동시에, 상기 유압펌프(2)를 구동하는 것에 이용되지 않은 남은 에너지에 의해 상기 회생모터(8)의 회전축에 접속된 발전기(11)를 발전작동하고, 이 발전전력을 축전장치(12)에 축전하도록 하는 것으로, 확실하게 에너지를 회수함과 동시에 배터리나 발전기의 소형화도 도모하는 것이 가능한 건설기계를 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

건설기계{BUILDING EQUIPMENT}

도 1은 본 발명의 한 실시형태에서의 건설기계의 구동 시스템을 설명하기 위한 개략 구성도,

도 2는 본 실시형태에서의 건설기계의 구동 시스템을 작동시킨 경우에서의 각 출력 시간변화의 일례를 도시한 그래프,

도 3은 본 실시형태에서의 엔진 토크 특성도,

도 4는 본 발명의 건설기계의 구동 시스템의 변경예를 설명하기 위한 개략 구성도,

도 5는 본 발명의 다른 실시형태에서의 건설기계의 구동 시스템을 설명하기 위한 개략 구성도,

도 6은 발전/전동기의 효율을 설명하기 위한 그래프,

도 7은 회생 모터의 효율을 설명하기 위한 그래프,

도 8은 종래의 건설기계의 작업상태를 설명하기 위한 엔진토크 특성도,

도 9는 작업중에서의 유압펌프의 흡수마력의 추이를 나타낸 그래프, 및

도 10은 종래의 하이브리드식 건설기계에서의 유압 셔블의 구동 시스템 블럭도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 엔진 2: 유압펌프

3: 컨트롤 밸브 4: 액츄에이터

5: 컨트롤러 8: 회생모터

11: 발전기(전동기) 12: 배터리(축전장치)

본 발명은 유압 셔블 등의 건설기계에 관한 것이다.

종래의 건설기계는 유압구동방식이 주류이다. 예를 들어, 유압셔블은 작업기의 구동, 상부 선회체의 선회 및 하부 주행체의 주행을 유압 액츄에이터(유압 실린더, 유압 모터)에서 실시하고 있다. 그리고 엔진을 구동원으로 하는 유압펌프로부터 토출되고, 이들 유압 액츄에이터로 공급되는 유압을 제어함으로써 작업을 실시하고 있다.

유압 셔블의 작업은 엔진의 능력에 대해서 항상 100%의 능력을 필요로 하는 작업뿐만 아니라, 예를 들어 90%, 80%의 능력을 내면 되는 작업이 많이 있다. 즉, 도 8의 엔진토크 특성도에 도시한 바와 같이, 100% 출력의 중부하 작업을 실시하는 「중부하 모드」의 점(P_H)에 대해서 통상 부하작업을 실시하는 「통상 부하 모드」의 점(P_S), 경부하 작업을 실시하는 「경부하 모드」의 점(P_L)이라는 작업 모드가 설정되어 있다. 그리고, 각 점 (P_H, P_S, P_L)에서 유압펌프의 구동토크가 엔진의 출 력 토크와 매칭하도록 등마력 제어(매칭점에서의 구동토크가 얻어지도록 유압펌프의 토출량을 PQ 커브(등마력 곡선)에 따라 제어하는)를 실시하고, 엔진의 출력을 유효하게 활용하여 연비의 향상을 도모하고 있다. 또한, 유압펌프의 구동토크라는 것은 유압 액츄에이터를 구동하기 위해 유압펌프가 엔진에 요구하는 토크이다.

상기 유압셔블에서는 차량이 작업을 실시하는 경우의 최대 필요 마력과 일치하는 출력을 갖는 엔진, 즉 도 8에 도시한 최대 필요 마력선(L)상에 엔진 토크커브의 정격 출력점(P_H)이 일치하는 엔진이 탑재되어 있다. 도 9는 엔진의 정격출력의 90%에서 매칭하는 「통상부하모드」에서, 굴착한 토사를 선회시켜 덤프차량에 적재하는 「굴착적재작업」을 실시할 때의 1사이클에서의 유압펌프의 흡수마력의 추이를 나타낸 그래프이다. 유압셔블의 부하변동은 승용차 등과 비교하면 매우 격렬하고, 상기 그래프에도 나타낸 바와 같이 엔진마력에는 여유가 있고, 1사이클에서의 엔진의 최대마력에 대한 평균부하율은 80% 정도이고, 또한 주행이동이나 덤프차량 대기 등을 포함하는 1일의 작업에서 계측한 경우의 엔진의 평균부하율은 60% 정도가 된다. 「중부하모드」에 의한 작업을 실시하는 경우도 동일하게, 부하변동에 의해 평균부하율은 100%는 되지 않는다. 즉, 최대 필요 마력 상당의 출력을 갖는 엔진을 탑재하는 유압셔블에서는 엔진이 낼 수 있는 출력을 유효하게 사용할 수 없었다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해 종래에서는 예를 들어 일본특개2002-275945호 공보에 나타낸 바와 같은 엔진, 엔진에 의해 구동되는 발전기, 상기 발전기에 의한 발전전력을 충전하는 배터리, 상기 배터리의 전력에 의해 구동되는 전동기를 구비한 하이브리드식의 건설기계가 제안되어 있다. 이하에 상기 일본특개2002-275945호 공보에 관한 하이브리드식 건설기계에 대해서 설명한다.

도 10은 종래의 하이브리드식 건설기계인 유압셔블의 구동 시스템 블럭도를 도시하고 있다. 동 도면에서 엔진(31)에 의해 구동되는 가변용량식의 유압펌프(32)로부터 토출되는 유압은 컨트롤 밸브(33)를 통하여 각종 액츄에이터(44)(예를 들어 붐 실린더(44a), 암 실린더, 버킷 실린더, 주행 모터 등)에 공급된다. 엔진(31)은 컨트롤러(35)로부터의 조속기 지령을 받는 조속기(31a)에 의해 조속된다. 또한, 엔진(31)에는 플라이휠과 일체가 된 제 1 전동기(37)가 장착되어 있고, 상기 제 1 전동기(37)는 제 1 인버터(38) 및 컨트롤러(35)를 통하여 배터리(39)에 접속되어 있다. 또한, 상기 제 1 전동기(37)는 발전기로서의 기능도 겸하고 있고, 엔진(31)의 유압펌프구동을 돕는 모터 작동과, 엔진(31)을 구동원으로 하여 발전하는 발전작동을, 컨트롤러(35)로부터의 지령에 따라서 전환 작동하는 것이 가능하게 구성되어 있다. 또한, 상기 컨트롤러(35)에는 각종 조작 레버(34)로부터의 조작신호 및 각종 센서(36)(회전센서, 압력센서, 토크센서 등)으로부터의 검출신호가 입력되고, 이들 신호에 기초하여 각종 제어를 실시하도록 구성되어 있다.

또한, 유압셔블의 상부 선회체(42)는 감속기(43)를 통하여 제 2 전동기(40)에 의해 선회 자유롭게 이루어져 있고, 상기 제 2 전동기(40)는 제 2 인버터(41) 및 컨트롤러(35)를 통하여 배터리(39)에 접속되어 있다. 또한, 상기 제 2 전동기(40)는 제 1 전동기(37)와 동일하게 발전기로서의 기능도 겸하고 있고, 상부 선회체(42)를 구동하는 모터작동과, 선회제동시의 상부 회전체(42)의 관성 에너지에 의한 발전작동을 컨트롤러(35)로부터의 지령에 따라서 전환 작동 가능하게 구성되어 있다.

또한, 붐 실린더(44a)의 바닥측의 관로(45)에는 유압모터(47)를 구비한 바이패스관로(46)가 설치되어 있고, 상기 붐실린더(44a)로부터의 반송유가 바이패스관로(46)를 통과할 때, 유압모터(47)가 구동하도록 구성되어 있다. 상기 유압모터(47)에는 발전기(48)가 접속되어 있고, 상기 발전기(48)는 AC/DC 컨버터(49)를 통하여 배터리(39)에 접속되어 있다.

상기 유압셔블에 의하면 작업부하가 작고, 유압펌프(32)의 구동토크가 엔진(31)의 소정 출력 토크 보다도 작은 경우에는 엔진 출력의 잉여분으로 제 1 전동기(37)를 발전하여 이 발전전력을 배터리(39)에 충전하는 한편, 작업부하가 크고 유압펌프(32)의 구동토크가 엔진의 소정 출력 토크 보다도 큰 경우에는 상기 배터리(39)에 충전된 전력에 의해 제 1 전동기(37)를 구동하여, 엔진(31)이 유압펌프(32)를 구동하는 것을 돕고 있다. 또한, 상기 유압셔블에 의하면 선회 제동시에서의 상부 선회체(42)의 관성 에너지를 이용하여 제 2 전동기(40)를 구동했을 때 얻어지는 전기 에너지나 붐실린더(44a)로부터의 고압 반송유에 의한 위치 에너지를 이용하여 발전기(48)를 구동했을 때 얻어지는 전기 에너지도, 상기 배터리(39)에 충전되도록 구성되어 있다.

그런데, 이와 같은 유압셔블에서는 제 1 전동기(37)를 통하여 회수되는 엔진(31)의 잉여 에너지를 비롯하여, 제 2 전동기(40)를 통하여 회수되는 상부 선회체(42)의 관성 에너지 및 발전기(48)를 통하여 회수되는 붐 실린더(44a)의 위치 에너지는 모두 전기 에너지로 변환되어 상기 배터리(39)에 충전되도록 이루어져 있다. 그러나, 상기한 모든 에너지를 확실하게 회수하고, 배터리(39)에 충전하고자 하면 상기 각 전동기(37, 40)나 발전기(48)가 대형화됨과 동시에, 대용량의 배터리(39) 등의 축전장치가 필요해진다는 문제가 있다.

본 발명은 상기 종래의 결점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적은 확실하게 에너지 회수를 실시함과 동시에, 축전장치나 발전기의 소형화도 도모하는 것이 가능한 건설기계를 제공하는 데에 있다.

그래서, 청구항 1의 건설기계는 엔진(1)과, 엔진(1)에 의해 구동되는 유압펌프(2)와, 유압펌프(2)로부터의 토출유에 의해 구동되는 액츄에이터(4)를 갖는 건설기계에 있어서, 상기 액츄에이터(4)로부터의 반송유로 회전하는 회생모터(8)를 상기 유압펌프(2)의 회전축에 접속하고, 상기 유압펌프(2)에서 필요한 구동토크가 상기 회생모터(8)의 작동에 의해 발생하는 출력 토크보다도 큰 경우에는, 상기 엔진(1)과 회생모터(8)에 의해 유압펌프(2)를 구동하는 한편, 상기 유압펌프(2)에서 필요한 구동토크가 상기 회생모터(8)의 작동에 의해 발생하는 출력 토크 보다도 작은 경우에는 상기 회생모터(8)에 의해 유압펌프(2)를 구동함과 동시에, 상기 유압펌프(2)를 구동하는 것에 이용되지 않은 남은 에너지에 의해 상기 회생모터(8)의 회전축에 접속된 발전기(11)를 발전작동하고, 이 발전전력을 축전장치(12)에 축전하도록 구성한 것을 특징으로 하고 잇다.

또한, 청구항 2의 건설기계는 상기 발전기(11)는 축전장치(12)에 축전된 전력을 사용하여 모터 작동하는 발전기로서의 기능을 구비하고 있고, 상기 발전기(11)를 모터 작동시키는 것에 의해서 상기 유압펌프(2)의 구동을 돕도록 구성한 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 3의 건설기계는 상기 발전기(11)의 회전축과 회생모터(8)의 회전축을, 각각 유압펌프(2)의 회전축과는 별도로 설치하고, 연동수단을 통하여 상기 발전기(11), 유압펌프(2), 회생모터(8)를 각각 연동 가능하게 구성한 것을 특징으로 하고 있다.

청구항 4의 건설기계는 상기 발전기(11)의 회전축과, 회생모터(8)의 회전축 중 적어도 어느 한쪽의 회전축에는 상기 유압펌프(2)의 회전축에 대해서 축 토크의 전달, 절단을 실시하기 위한 클러치(17, 18)를 설치한 것을 특징으로 하고 있다.

청구항 5의 건설기계는 상기 회생 모터(8)의 회전속도에 대한 발전기(11)의 회전속도를 변화시키기 위한 무단변속기(24)를 양자간에 설치한 것을 특징으로 하고 있다.

상기 청구항 1의 건설기계에 의하면 상기 액츄에이터(4)로부터의 반송유를 회생모터(8)에서 회수하고, 그 출력토크를 유압펌프(2)에서 즉시 에너지 회생하도록 하고 있다. 그리고, 상기 유압펌프(2)에서 필요한 구동토크가, 상기 회생모터(8)의 출력 토크보다도 큰 경우에는 그 부족토크분만을 엔진(1)에서 발생시키고, 상기 엔진(1)과 회생모터(8)에 의해 유압펌프(2)를 구동하도록 구성하고 있다. 이에 의해, 엔진(1)의 평균필요 마력이 낮아지므로, 엔진(1)의 소형화를 도모할 수 있다. 또한, 상기 유압펌프(2)에서 필요한 구동토크가, 상기 회생모터(8)의 출력토크 보다도 작은 경우에는 상기 회생모터(8)에 의해 유압펌프(2)를 구동함과 동시에, 상기 유압펌프(2)를 구동하는 것에 이용되지 않은 남은 에너지에 의해 상기 회생모터(8)의 회전축에 접속된 발전기(11)를 발전작동하고, 이 발전전력을 축전장치(12)에 축전하도록 구성하고 있다. 이에 의해, 상기 축전장치(12)에는 유압펌프(2)에서 구동하는 것에 이용되지 않은 남은 에너지만이 축전되므로, 상기 축전장치(2)와 발전기(11)의 소형화를 도모할 수 있음과 동시에, 확실하게 에너지 회수하는 것이 가능해진다.

상기 청구항 2의 건설기계에 의하면 상기 발전기(11)를 전동기로서 기능시킴으로써 유압펌프(2)의 구동을 돕도록 구성하고 있으므로, 상기 축전장치(12)에 축전된 에너지는 상기 유압펌프(2)의 구동으로 효율좋게 에너지 회생되고, 이에 의해 에너지 절감화를 도모할 수 있다.

상기 청구항 3의 건설기계에 의하면 상기 발전기(11)의 회전축과, 회생모터(8)의 회전축을 각각 유압펌프(2)의 회전축과는 별도로 설치함으로써 장치의 콤팩트화를 도모할 수 있다.

청구항 4의 건설기계에 의하면 청구항 1~청구항 3의 에너지 회수동작을 원활하고 확실하게 실시할 수 있다.

청구항 5의 건설기계에 의하면 무단변속기(24)에 의해 발전기(11)의 회전수를 높은 발전효율이 얻어지는 회전수가 되도록 제어할 수 있고, 에너지 회생을 효율적으로 실시할 수 있게 된다.

다음에, 본 발명의 건설기계의 구체적인 실시형태에 대해서, 도면을 참조하 면서 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 한 실시형태에서의 건설기계의 구동시스템을 설명하기 위한 개략 구성도이다. 도 1에서, "1"은 엔진이고, 상기 엔진(1)은 컨트롤러(5)로부터의 조속기 지령을 받는 조속기(1a)에 의해 그 회전수가 조정되도록 이루어져 있다. 또한, 상기 엔진(1)에는 엔진 회전수를 검출하기 위한 회전 센서(20)가 설치되어 있다. 또한, "2"는 상기 엔진(1)에 의해 구동되는 가변용량식의 유압펌프이고, 상기 유압펌프(2)로부터 배출되는 유압(미터인(meter in))은 컨트롤 밸브(3)를 통하여 각종 액츄에이터(4), 예를 들어 붐 실린더, 암 실린더, 버킷 실린더, 우측 주행 모터, 좌측 주행 모터, 선회모터 등에 공급된다. 이 때, 상기 유압펌프(2)의 경사판의 경사회전각은 상기 각 액츄에이터(4)에 걸리는 부하 및 컨트롤러(5)로부터의 지령에 따라서 구동하는 도시하지 않은 경사판 각 구동수단에 의해 구동되고, 유압펌프(2)로부터의 유압의 토출량을 제어하고 있다. 또한, 상기 엔진(1)과 유압펌프(2) 사이에는 출력기어(7)(연동수단)가 설치되어 있고, 상기 출력기어(7)를 끼우는 회전축, 즉 엔진(1)의 출력축과 유압펌프(2)의 입력축에는 각각 상기 엔진(1)으로부터 유압펌프(2)로의 동력전달을 접속단전하기 위한 접속단전수단인 제 1 클러치(15)와 제 2 클러치(16)가 설치되어 있다. 또한, 상기 출력기어(7)는 상기 제 1 클러치(15)가 절단되어 엔진(1)으로부터의 동력이 차단되었을 때, 관성력에 의해 유압펌프(2)를 구동하기 위한 플라이휠로서도 기능하도록 이루어져 있다.

한편, 상기 각 액츄에이터(4)로부터 상기 컨트롤 밸브(3)를 통하여 반류되는 반송유(미터아웃(meter out))의 동력은 회생모터(8)에서 회수되도록 이루어져 있고, 상기 회생모터(8)의 출력축에는 제 3 클러치(17)를 통하여 회생용 기어(9)(연동수단)가 연결되어 있다. 그리고, 상기 회생용 기어(9)를 출력 기어(7)에 맞물리게 함으로써 상기 회생모터(8)와 유압펌프(2)를 연동 가능하게 구성하고 있다. 이에 의해, 상기 회생모터(8)로부터의 동력은 회생용 기어(9) 및 출력기어(7)를 통하여 유압펌프(2)에 전달된다. 여기에서 상기 회생모터(8)의 입력축에는 컨트롤 밸브(3)로부터의 미터아웃 압력을 검출하기 위한 압력센서(21)가, 또한, 상기 회생모터(8)의 출력축에는 회생모터(8)의 회전수를 검출하기 위한 회전센서(22)가 설치되어 있다. 상기 압력센서(21)와 회전센서(22)로부터의 검출신호는 회생모터용 컨트롤러(10)에 입력되고, 상기 회생모터용 컨트롤러(10)로부터의 지령에 따라서, 상기 회생모터(8)의 구동제어가 실시되도록 이루어져 있다. 또한, 상기 컨트롤러 밸브(3)로부터의 드레인(3a) 및 회생모터(8)로부터의 드레인(8a)은 오일탱크(2a)내로 반송되고, 다시 상기 유압펌프(2)에 공급되도록 구성되어 있다.

또한, 도 1에서의 "11"은 발전기이고, 상기 발전기(11)에는 그 발전작동에 의해 발생하는 발전전력을 충전(축전)하기 위한 배터리(12)가 접속되어 있다. 또한, 상기 발전기(11)의 입력축에는 제 4 클러치(18)를 통하여 기어(14)(연동수단)가 연결되어 있고, 상기 기어(14)를 엔진(1)의 출력기어(7)에 맞물리게 함으로써, 상기 발전기(11)와 유압펌프(2)를 연동 가능하게 구성하고 있다. 그런데, 상기 발전기(11)는 배터리(12)에 충전된 전력을 이용하여 모터 작동하는 전동기로서의 기 능도 겸비하고 있고, 상기 유압펌프(2)의 구동을 돕는 모터작동(전동기로서 기능)과, 엔진(1) 및 회생모터(8)를 구동원으로 하여 발전하는 발전작동(발전기로서 기능)의 전환은 발전/전동기용 컨트롤러(13)로부터의 지령에 따라서 실시되도록 구성되어 있다. 여기에서, 상기 발전/전동기용 컨트롤러(13)에는 상기 배터리(12)에 설치된 충전상태를 검출하기 위한 충전센서(23)로부터의 검출신호와, 상기 엔진회전수를 검출하는 회전센서(20)로부터의 검출신호가 각각 입력되도록 구성되어 있다. 또한, 상기 배터리(12)에는 리튬이온전지 등의 이차전지가 사용된다. 이 종류의 배터리는 고온이 되면 내압의 상승, 전해액의 분해 등이 발생하여 불안정한 상태가 되므로, 배터리(12)의 전압, 전류, 온도 등을 항상 감시하고, 온도관리나 방전 충전의 제어를 엄격하게 실시할 필요가 있다.

다음에, 상기 실시형태에서의 건설기계의 구동 시스템의 제어방법에 대해서 설명한다. 이 실시형태에서는 상기 유압펌프(2)에서 필요한 구동토크, 즉 상기 유압펌프(2)로부터 컨트롤 밸브(3)에 공급되는 미터인 출력과, 상기 회생모터(8)의 작동에 의해 발생하는 출력토크, 즉 상기 컨트롤 밸브(3)로부터 회생모터(8)에 회수되는 미터아웃출력을 비교하고, 상기 대소관계에 의해 도 1에 도시한 구동 시스템 회로의 전환제어를 실시하도록 구성하고 있다. 이점에 대해서 보다 상세하게 설명하기 위해, 도 2의 (a)~(e)에, 상기 구동시스템을 작동시킨 경우에서의 각 출력의 시간변화의 일례를 나타낸 그래프를 도시한다. 여기에서, (a)는 상기 미터인 출력의 시간변화를, 또한 (b)는 상기 미터 아웃 출력의 시간변화(실선파형)를 나타내고 있고, 동 그래프에서의 점선파형은 상기 미터인 출력의 시간변화를 나타내고 있다. 한편, (c)는 상기 미터아웃출력 중 회생모터(8)에 의해 즉시, 유압펌프(2)의 구동에 에너지 회생되는 출력의 시간변화를 나타내고 있다. 또한, (d)는 유압펌프(2)에 공급되는 엔진출력의 시간변화를, 또한 (e)는 발전기(11)를 통하여 배터리(12)에 충전되는 출력의 시간변화를 나타내고 있다. 여기에서, 도 2에 도시한 각 출력파형은 상기 발전/전동기(11)를 발전기로서 기능시킨 경우에 얻어진 출력예를 도시하고 있다. 이하, 도 1 및 도 2에 기초하여, 상기 건설기계의 구동시스템의 구체적인 제어방법에 대해서 설명한다.

즉, 도 1에서 오퍼레이터가 도시하지 않은 키 스위치를 조작하면 컨트롤러(5)에 시동신호가 입력되고, 상기 컨트롤러(5)는 정격회전수의 조속기 지령을 조속기(1a)에 송신하여 엔진(1)을 시동시킴과 동시에, 제 1 클러치(15)와 제 2 클러치(16)를 접속하는 한편, 제 3 클러치(17)와 제 4 클러치(18)를 절단하여, 엔진(1)만으로 유압펌프(2)를 구동하도록 제어한다. 이 때 얻어지는 출력을 도 2에서의 시점(t1)으로 나타낸다. 이와 같은 엔진(1)의 출력토크만으로 유압펌프(2)를 구동하는 제어는 상기 초기운전시만으로 한정되지 않고, 도 2의 (a)에 도시한 미터인 출력이 존재하는 한편, 도 2의 (b)에 도시한 미터아웃 출력이 0인 바와 같은 경우, 즉 상기 유압펌프(2)에서 필요한 구동토크가 존재하는 한편, 회생모터(8)의 작동에 의해 발생하는 출력토크가 0인 바와 같은 경우에 실시된다.

다음에, 상기 유압펌프(2)로부터 토출된 유압은 컨트롤 밸브(3)를 통하여 각종 액츄에이터(4)에 공급되고, 이들 액츄에이터(4)를 사용하여 각종 작업이 실시된다. 한편, 상기 각 액츄에이터(4)로부터 컨트롤 밸브(3)를 통하여 반류되는 반송유는 상기 회생모터(8)에 회수되고 이 모터작동에 사용된다. 여기에서, 상기 유압펌프(2)의 구동토크가 회생모터(8)의 출력토크 보다도 큰 경우, 즉 도 2의 (a),(b)에 도시한 미터인 출력이 미터아웃 출력보다도 큰 경우에는 상기 회생모터(8)에 회수된 반송유를 모두 상기 유압펌프(2)에서 즉시 에너지 회생하고, 상기 회생모터(8)의 출력토크와, 상기 엔진(1)의 출력토크의 양쪽에 의해, 유압펌프(2)를 구동하도록 제어한다. 이 때 얻어지는 출력을, 도 2에서의 시점(t2)에 도시한다. 그런데, 이와 같은 엔진(1)과 회생모터(8)의 양쪽을 사용하여 유압펌프(2)를 구동할 때의 구체적인 회로의 전환제어로서는 상기 제 4 클러치(18)를 절단하는 한편, 상기 제 1 클러치(15), 제 2 클러치(16), 및 제 3 클러치(17)를 접속함으로써 상기 회생모터(8)의 동력을 회생용 기어(9)에 전달하고, 상기 회생용 기어(9)의 회전에서, 이에 맞물려져 있는 출력기어(7)의 회전을 돕도록 제어한다. 보다 상세하게 말하면, 상기 유압펌프(2)의 구동토크가 회생모터(8)의 출력토크 보다도 큰 경우, 상기 미터아웃출력의 모두를 회생모터(8)에 의해 에너지 회생했다고 해도 유압펌프(2)에서 필요한 구동토크에 만족하지 않으므로, 상기 부족분의 토크를 엔진(1)의 출력토크에 의해 보충하도록 제어된다. 따라서, 이 때 유압펌프(2)에 공급되는 엔진출력은 상기 미터인 출력으로부터 회생모터(8)에 의해 에너지 회생되는 출력을 뺀 만큼의 출력이 된다.

한편, 상기 유압펌프(2)의 구동토크가 회생모터(8)의 출력토크 보다도 작은 경우, 즉 도 2의 (a), (b)에 도시한 미터인 출력이 미터아웃 출력보다도 작은 경우에는, 회생모터(8)의 모터 작동만으로 유압펌프(2)를 구동함과 동시에, 상기 유압펌프(2)를 구동하는 것에 이용되지 않은 남은 에너지를 배터리(12)에 충전하도록 제어한다. 이것은 도 2에서의 시점(t4)에서의 출력에 상당한다. 구체적인 전환제어로서는 상기 제 1 클러치(15)를 절단하여 엔진(1)을 공회전시키는 한편, 상기 제 2 클러치(16), 제 3 클러치(17) 및 제 4 클러치(18)를 접속함으로써, 상기 회생모터의 동력을 회생용 기어(9)로부터 출력기어(7) 및 기어(14)로 전달하고, 유압펌프(2)와 발전기(11)를 작동시키고, 상기 유압펌프(2)를 구동하는 것에 이용되지 않은 남은 에너지를 전기 에너지로 변환하여 상기 배터리(12)에 충전하도록 제어한다. 따라서, 이 때 배터리(12)에 충전되는 출력은 상기 미터아웃 출력으로부터 유압펌프(2)에서 즉시 에너지 회생되는 출력을 뺀 만큼의 출력이 된다.

그런데, 도 2에서의 시점(t3)에 도시한 바와 같이 미터 아웃 출력이 존재하는 한편, 미터인 출력이 0인 경우, 즉 상기 회생모터(8)의 출력 토크가 존재하는 한편, 유압펌프(2)의 구동토크가 0인 바와 같은 경우, 상기 컨트롤 밸브(3)로부터의 미터아웃출력은 모두 배터리(12)에 충전된다. 구체적인 전환제어로서는 상기 제 1 클러치(15)와 제 2 클러치(16)를 절단하여 유압펌프(2)로의 동력의 전달을 정지하는 한편, 제 3 클러치(17)와 제 4 클러치(18)를 접속함으로써 상기 회생 모터(8)의 작동에 의해 발생하는 출력 토크를 회생용 기어(9)로부터, 출력 기어(7) 및 기어(14)를 통하여 발전기(11)에 전달하고, 상기 발전기(11)를 작동시킴으로써 상기 출력 토크를 전기 에너지로 변환하여 배터리(12)에 충전하도록 제어한다.

도 3은 상기 실시형태에서의 엔진토크 특성도를 도시하고 있다. 여기에서, 동 도면에서의 t1~t4는 도 2의 (d)에 도시한 엔진 출력의 각 시점(t1~t4)에서 얻어 지는 토크값을 도시하고 있다. 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 시점(t1, t2)에서는 엔진(1)에 의한 유압펌프(2)의 구동이 실시되므로, 상기 엔진토크는 양의 값이 되지만, 시점(t3, t4)에서는 엔진 출력은 0이고, 반대로 배터리(12)로의 충전이 실시되므로, 상기 엔진 토크는 음의 값으로 나타나고 있다.

이상과 같이 상기 실시형태에서는 상기 액츄에이터(4)로부터의 반송유를 회생모터(8)에서 회수하여, 그 출력토크를 유압펌프(2)에서 즉시 에너지 회생하도록 하고 있다. 그리고, 상기 유압펌프(2)에서 필요한 구동토크가 상기 회생모터(8)의 출력토크 보다도 큰 경우에는 그 부족 토크분 만을 엔진(1)에서 발생하여, 상기 엔진(1)과 회생모터(8)에 의해 유압펌프(2)를 구동하도록 구성하고 있다. 이에 의해, 엔진(1)의 평균필요마력이 낮아지므로, 엔진(1)의 소형화를 도모할 수 있다. 또한, 상기 유압펌프(2)의 구동토크가 상기 회생모터(8)의 출력토크 보다도 작은 경우에는, 상기 회생 모터(8)만으로 유압펌프(2)를 구동함과 동시에, 상기 유압펌프(2)에서 필요한 구동토크가 상기 회생모터(8)의 작동에 의해 발생하는 출력토크 보다도 작은 경우에는 상기 회생모터(8)에 의해 유압펌프(2)를 구동함과 동시에, 상기 유압펌프(2)를 구동하는 것에 이용되지 않은 남은 에너지에 의해 상기 회생모터(8)의 회전축에 접속된 발전기(11)를 발전작동하고, 이 발전전력을 축전장치(12)에 축전하도록 구성하고 있다. 이에 의해, 상기 배터리(12)에는 유압펌프(2)에서 즉시 에너지 회생되지 않았던 잉여 토크분만이 충전되므로, 상기 배터리(12)와 발전기(11)의 소형화를 도모할 수 있음과 동시에, 확실하게 에너지 회수하는 것이 가능해진다. 또한, 상기 실시형태에서는 상기 구동시스템 회로에서의 발전기(11)의 회전축과 회생 모터(8)의 회전축을 각각 유압펌프(2)의 회전축과는 별도로 설치함으로써 장치의 콤팩트화를 도모할 수 있다.

그런데, 상기에서는 도 1에 도시한 발전/전동기(11)를 발전기로서 기능시킨 경우에서의 구동 시스템의 각종 제어방법에 대해서 설명했지만, 이하에서는 상기 발전/전동기(11)를, 배터리(12)에 충전된 전력을 이용하여 모터 작동하는 전동기로서 기능시킨 경우에서의 구동 시스템의 제어방법에 대해서 설명한다. 우선, 상기 발전기와 전동기의 전환은 발전/전동기용 컨트롤러(13)로부터의 지령에 따라서 실시되도록 제어되어 있다. 구체적으로는 충전센서(23)에 의해 검출되는 배터리(12)의 충전량이 소정의 충전상태에 도달한 경우에, 상기 발전/전동기용 컨트롤러(13)로부터 전동기(11)로의 전환지령이 나오도록 이루어져 있다. 그리고, 상기 전동기(11)로의 전환이 실시되면, 컨트롤러(5)는 상기 제 1 클러치(15), 제 2 클러치(16) 및 제 3 클러치(17)의 접속에 더하여 새롭게 제 4 클러치(18)를 접속함으로써, 상기 전동기(11)에서 유압펌프(2)의 구동을 돕도록 제어한다. 즉, 상기 배터리(12)로부터의 전력에 의해 전동기(11)를 모터 작동시킴으로써 기어(14)를 회전시키고, 상기 기어(14)의 회전을 이것에 맞물려 있는 출력 기어(7)에 전달함으로써, 상기 엔진(1)과 회생모터(8)의 출력 토크에 의한 유압펌프(2)의 구동을 돕도록 제어된다.

또한, 상기에서 엔진(1), 회생모터(8), 전동기(11)의 모두를 사용하여 유압펌프(2)를 구동하도록 제어했지만, 엔진(1)을 잘라내고, 회생모터(8)와 전동기(11) 의 출력토크에 의해 유압펌프(2)를 구동하는 것도 가능하고, 또한 전동기(11)의 출력토크만으로 유압펌프(2)를 구동하는 것도 가능하다.

이와 같이 상기 실시형태에서는 상기 배터리(12)의 충전량이 소정의 충전상태에 도달한 경우에는 상기 전력을 이용하여 유압펌프(2)의 구동을 돕도록 구성하 고 있으므로, 이에 의해 에너지 절감화를 도모할 수 있다.

이상 본 발명의 건설기계의 구체적인 실시형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 범위 내에서 여러가지 번경하여 실시하는 것이 가능하다. 예를 들어 상기 실시형태에서는 상기 회생모터(8)와 발전기(11)의 회전축을 상기 유압펌프(2)의 회전축과는 별도로 설치했지만, 상기 유압펌프(2)의 회전축과 동축상에 발전기(11)를 설치하는 것도 가능하다. 또는 도 4에 도시한 변경예와 같이 회생모터(8)와 동축상에 발전/전동기(11)를 설치하는 것도 가능하다. 또한, 그밖의 구조는 도 1에 도시한 것과 동일하므로, 동일한 기능부분을 동일한 부호로 도시하고, 그 설명을 생략한다. 이 경우, 반송유의 에너지가 작은 운전조건에서는 클러치(19)를 절단하여 회생모터의 회전손실을 없애고, 운전조건이 변화되고 반송유의 에너지가 커질 때에는 발전/전동기(11)에서 회생모터(8)를 가속하여 반송유의 에너지를 회생하는데에 적합한 회전수로 빠르게 설정하여 클러치(19)를 접속함으로써 에너지 회생을 효율적으로 실시할 수 있다. 또한, 상기에서는 배터리(12)에 충전된 전력을 사용하여 유압펌프(2)를 구동하도록 제어했지만, 상기 배터리(12)의 전력을 다른 제어계, 다른 기기(에어컨, 라디오 등)의 작동에 사용하도록 구성해도 좋다. 또한, 상기 실시형태에서는 축전장치의 일례로서 배터리(12)에 충전하도록 구성하고 있지만, 이 밖에 커패시터를 사용하여 이에 축전(충전)하도록 구성하는 것도 가능하다. 또한, 상기 실시형태에서는 컨트롤러(5), 회생용 컨트롤러(10), 발전/전동기용 컨트롤러(13) 등 복수의 컨트롤러에 의해 제어하도록 구성했지만, 이것들을 하나의 컨트롤러에 집약시켜 모든 제어를 실시하도록 구성하는 것도 가능하다. 또한, 상기에서는 각 회전축의 축 토크의 전달, 절단을 실시하기 위한 바람직한 예로서 제 1 클러치(15)~제 4 클러치(18)를 사용한 예를 도시하고 있지만, 사용하는 클러치의 수 및 위치는 상황에 따라서 적절하게 변경 가능하다.

또한, 도 5에는 다른 실시형태를 도시하고 있다. 이것은 발전/전동기(11)의 회전축, 유압펌프(2)의 회전축, 회생모터(8)의 회전축에 각각 무단 변속기(이하, CVT라고 칭함)(24, 25, 26)을 설치한 구조의 것이다. 또한, 그 밖의 구조는 도 1에 도시한 것과 동일하므로, 동일한 기능부분을 동일한 부호로 나타내고 그 설명을 생략한다. 이 실시형태는 엔진(5), 발전/전동기(11), 유압펌프(2), 회생모터(8)는 각각, 운전조건에 따라 효율 좋은 영역이 존재하므로, CVT(무단변속기)를 조립함으로써 시스템 전체에서의 효율이 향상되도록, 각 축의 회전속도비를 제어하고자 하는 것이다. 구체적으로 일례를 들면, 예를 들어 도 2에서의 t3의 상태에서는 회생모터(8)는 미터아웃출력(W3)을 수취하여 발전기(11)에 전달하고, 발전기(11)는 배터리로의 충전출력(Wm3)을 출력한다. 또한, 여기에서는 설명의 단순화를 위해 토크 전달 손실은 무시하는 것으로 한다. 도 6에는 발전/전동기(11)의 회전수 토크 특성을 등효율선과 함께 나타내고, 또한 도 7에는 회생모터(8)의 압력-유량특성을 등효율선과 함께 나타내고 있다. 우선, 상기 도 2의 t3의 상태에서, 회생모터(8)가 수취하는 미터아웃출력(W3)은 도 7에 도시한 바와 같이, 압력(P3)과 유량(Q3)으로부터 연산된다. 이 때, 발전/전동기(11)에서는 도 6에 도시하고 있는 발전기(11)의 등구동 출력선(W3)상에서 그 동작점을 가장 효율좋은 점으로 한다. 즉, CVT(24)를 사용하여 회전수를 Nm3에서 Nm3'으로 제어함으로써, 보다 효율좋은 발전이 가능해지는 것이다. 이와 같이 W3은 도 7에 도시한 바와 같이 압력(P3)과 유량(Q3)으로부터 연산되고, 발전/전동기용 컨트롤러(13)에 미리 설정되어 있는 발전기 최적 운전조건에 기초하여 Nm3'이 구해지고, 그 때의 회생모터 회전수와의 비율에 의해 CVT(24)의 감속비가 결정된다.

본 발명에 따르면 확실하게 에너지 회수를 실시함과 동시에, 축전장치나 발전기의 소형화도 도모하는 것이 가능한 건설기계를 제공할 수 있다.

Claims

엔진(1)과 엔진(1)에 의해 구동되는 유압펌프(2)와, 유압펌프(2)로부터의 토출유에 의해 구동되는 액츄에이터(4)를 갖는 건설기계에 있어서,

상기 액츄에이터(4)로부터의 반송유로 회전하는 회생모터(8)를 상기 유압펌프(2)의 회전축에 접속하고, 상기 유압펌프(2)에서 필요한 구동토크가 상기 회생모터(8)의 작동에 의해 발생하는 출력토크 보다도 큰 경우에는 상기 엔진(1)과 회생모터(8)에 의해 유압펌프(2)를 구동하는 한편, 상기 유압펌프(2)에서 필요한 구동토크가 상기 회생모터(8)의 작동에 의해 발생하는 출력토크 보다도 작은 경우에는 상기 회생모터(8)에 의해 유압펌프(2)를 구동함과 동시에, 상기 유압펌프(2)를 구동하는 것에 이용되지 않은 남은 에너지에 의해 상기 회생모터(8)의 회전축에 접속된 발전기(11)를 발전작동하고, 이 발전전력을 축전장치(12)에 축전하도록 구성한 것을 특징으로 하는 건설기계.
제 1 항에 있어서,

상기 발전기(11)는 축전장치(12)에 축전된 전력을 사용하여 모터 작동하는 발전기로서의 기능을 구비하고 있고, 상기 발전기(11)를 모터 작동시키는 것에 의해서 상기 유압펌프(2)의 구동을 돕도록 구성한 것을 특징으로 하는 건설기계.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 발전기(11)의 회전축과 회생모터(8)의 회전축을 각각 유압펌프(2)의 회 전축과는 별도로 설치하고, 연동수단을 통하여 상기 발전기(11), 유압펌프(2), 회생모터(8)를 각각 연동가능하게 구성한 것을 특징으로 하는 건설기계.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 발전기(11)의 회전축과, 회생모터(8)의 회전축 중 적어도 어느 한쪽의 회전축에는 상기 유압펌프(2)의 회전축에 대해서 축토크의 전달, 절단을 실시하기 위한 클러치(17),(18)를 설치한 것을 특징으로 하는 건설기계.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 회생모터(8)의 회전속도에 대한 발전기(11)의 회전속도를 변화시키기 위한 무단변속기(24)를 양자간에 설치한 것을 특징으로 하는 건설기계.