KR101630457B1 - 건설기계의 동력제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 건설기계의 동력제어장치는 유압펌프(20)와 연결되어 상기 유압펌프(20)를 구동시키는 엔진(10); 및 입력된 엔진 목표회전속도로부터 산출된 엔진 최대토크에 대한 상기 엔진의 부하토크의 비율로 정의되는 엔진 부하율을 산출하고, 상기 엔진이 상기 목표회전속도로 구동되도록 상기 엔진 부하율에 따른 엔진 회전속도 지령치를 산출하여 상기 엔진에 출력하는 제어부(60)를 포함한다.

엔진 회전속도, 목표회전속도, 유압펌프, 마력제어, 유압충격, 매연, 진동

Description

건설기계의 동력제어장치{POWER CONTROL APPARATUS FOR CONSTRUCTION MACHINERY}

본 발명은 굴삭기 등과 같은 건설기계의 동력제어장치에 관한 것으로서, 특히 엔진이 목표 회전속도로 일정하게 구동되도록 엔진의 회전속도를 엔진의 부하율에 따라 제어하여 연비를 향상시킬 수 있는 건설기계의 동력제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 굴삭기와 같은 건설기계는 엔진에 직결된 가변 용량형 유압펌프로부터 토출되는 작동유를 이용하여 붐, 아암 및 버켓 등 복수의 작업장치를 구동시킨다.

이러한 유압펌프의 토출유량은 작업의 효율성과 연비 등 여러가지 조건을 충족시킬 수 있도록 여러 가지 변수에 의해 제어된다.

보다 구체적으로, 유압펌프의 제어방법은 조작부로부터 입력되는 조작신호에 따라 토출 유량을 제어하는 작업 유량 제어(flow control)와, 유압펌프의 소요마력이 일정하도록 유압펌프의 토출압력에 따라 유압펌프의 토출유량을 제어하는 등마력 제어(constant horse power control)와, 엔진의 부하상태에 따라 유압펌프의 토 출유량을 제어하는 마력제어(power shift control)를 포함한다.

전술한 바와 같은 제어방법를 위해 유압펌프에는 레귤레이터가 마련되며, 상기 레귤레이터는 상기 작업 유량 제어를 위한 작업 유량 조절부와, 상기 등마력 제어를 위한 등마력 조절부와, 상기 마력제어(power shift control)를 위한 마력 조절부를 포함한다. 상기 작업 유량 조절부는 센터바이패스된 네가콘 압력이나 조작부의 파일럿 압력 또는 각 액츄에이터의 로드센싱 압력을 입력받아 상기 유압펌프의 토출유량을 제어한다. 상기 등마력 조절부는 유압펌프의 토출압력(부하압력)을 입력받아 설정된 등마력 선도를 따라 유압펌프의 토출유량을 제어한다. 마지막으로, 상기 마력 조절부는 엔진의 다이얼 게이지 등에 의해 설정된 목표 엔진회전속도와 현재 엔진회전속도로부터 산출된 엔진의 부하에 따라 유압펌프의 토출유량을 제어한다.

전술한 바와 같은 유압펌프 제어장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 조작부의 조작량이 급격히 증가하면 조작신호가 상기 작업 유량 제어부에 입력되어 유압펌프의 유량이 급격히 증가하게 되고, 이에 의해 유압펌프의 토출압력이 급격하게 증가하여 유압펌프의 소요마력이 급격히 증가하게 된다. 그리고, 급격히 증가된 상기 유압펌프의 토출압력이 등마력 조절부로 입력되어 유압펌프의 토출유량을 줄이기 시작한다.

그러나 등마력 조절부의 응답성 지연시간으로 인해 유압펌프의 토출압력이 상승하는 시점으로부터 일정 시간 후에 등마력 조절부에 의해 유압펌프의 유량을 줄이게 된다. 이와 같이 등마력 제어시점이 지연되는 시간동안 유압펌프의 토출압 력은 계속적으로 상승하여 유압 충격이 발생하게 된다. 이와 같은 유압충격에 의해 도 1의 A구간과 같이 유압펌프의 소요마력이 급격히 증가시키는 구간이 발생하게 된다.

이와 같이, 유압펌프의 급격한 소요마력의 증가는 엔진에 큰 부하로 작용하게 되어 엔진의 회전속도는 설정된 목표회전속도 이하로 급격히 떨어지게 된다. 이와 같이 엔진 회전속도가 급격히 저하되면, 매연량이 증가할 뿐만 아니라 진동이 커지는 문제가 발생한다. 특히, 엔진은, 도 1의 B구간과 같이, 터보차저의 구동이 정상상태에 도달하는 구간(turbo charger time lack 구간)에서는 엔진의 출력 증가율이 낮은 상태이어서 전술한 엔진 회전속도가 더욱 떨어져서 매연량 및 진동이 더욱 커지게 된다.

한편, 엔진의 회전속도가 목표 회전속도로부터 급격하게 저하되면, 엔진의 회전속도를 상승시키기 위해 마력 조절부는 유압펌프의 구동을 최고마력(200mA)에서 최저마력(600mA)으로 저하시킨다. 이에 의해 유압펌프로부터 토출되는 작동유의 유량이 작아져서 건설기계의 작업효율이 저하되게 된다.

도 2는 전술한 바와 같은 과정을 개략적으로 나타낸 등마력 선도이다. 도 2를 참조하면, 등마력 제어 시점의 시간지연으로 인해, C 선도와 같이, 유압펌프의 토출압력이 급격하게 증가한 후에 다시 등마력 선도로 유량과 압력이 복귀됨을 알 수 있다.

전술한 바와 같은 종래의 유압펌프 제어장치에 의한 문제점을 요약하면, 등마력 조절부에 의해 등마력 제어 시점의 시간지연으로 인해 유압펌프의 소요마력이 급격하게 증가하는 유압 충격이 발생하게 되고, 이에 의해 엔진의 회전속도가 급격히 저하되어 매연량 및 진동이 커지며, 엔진의 회전속도를 목표 회전속도로 회복시키기 위해 마력 조절부가 유압펌프를 최소마력으로 구동시키는 과정에서 유압펌프의 소요마력이 급격히 저하되어 건설기계의 작업 성능이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 상기 엔진의 마력제어를 보다 구체적으로 설명하면, 제어부는 엔진 회전속도가 목표회전속도보다 작으면 엔진 회전속도를 목표회전속도로 복귀시키기 위해 유압펌프의 유량을 줄이도록 마력 조절부에 제어신호를 출력한다. 그리고, 유압펌프의 토출유량이 작아지도록 제어되어 엔진의 회전속도가 목표회전속도보다 커지게 되면, 다시 마력 조절부에 제어신호를 출력하여 유압펌프의 유량을 증가시킨다. 이와 같이 엔진의 회전속도는 유압펌프의 부하에 의해 수동적으로 제어되어, 도 3과 같이, 엔진 부하율(엔진 최대토크에 대한 엔진의 부하토크)이 커지면 엔진의 회전속도는 목표회전속도에 근접하게 되고, 엔진 부하율이 작아지면 엔진의 회전속도는 목표회전속도보다 높아진다. 이에 의해, 유압펌프로부터 엔진에 전달되는 부하가 적은 경우에도 엔진의 회전속도가 높은 상태를 유지하기 때문에 에너지 손실이 커지게 된다.

본 발명은 상술한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 엔진의 회전속도를 목표 회전속도로 일정하게 유지시킴으로써 연비를 향상시킬 수 있는 건설기계의 동력제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 등마력 제어시점의 시간지연에 의한 유압충격의 발생을 방지할 수 있는 건설기계의 유압펌프 동력제어장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 조작부로부터 급격히 큰 조작량이 입력되더라도 엔진의 회전속도의 급격한 저하를 방지하여 건설기계의 작업 성능을 향상시킬 수 있는 건설기계의 동력제어장치를 제공하는데 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 건설기계의 동력제어장치는 유압펌프(20)와 연결되어 상기 유압펌프(20)를 구동시키는 엔진(10); 및 입력된 엔진 목표회전속도로부터 산출된 엔진 최대토크에 대한 상기 엔진의 부하토크의 비율로 정의되는 엔진 부하율을 산출하고, 상기 엔진이 상기 목표회전속도로 구동되도록 상기 엔진 부하율에 따른 엔진 회전속도 지령치를 산출하여 상기 엔진에 출력하는 제어부(60)를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제어부(60)는 상기 엔진 목표회전속도로부터 상기 엔진 최대토크를 산출하고, 상기 엔진(10)에 출력된 연료 분사량 지령치로부터 상기 엔진 부하토크를 산출하며, 상기 산출된 엔진 최대토크와 상기 엔진 부하토크로부터 상기 엔진 부하율을 산출하여 출력하는 엔진 제어부(61); 및 상기 엔진 제어부(61)로부터 출력된 상기 엔진 부하율로부터 상기 엔진 회전속도 지령치를 산출하여 상기 엔진 제어부(61)에 출력하는 장비 제어부(62)를 포함하며, 상기 엔진 제어부(61)는 상기 장비 제어부(62)로부터 전송된 엔진 회전속도 지령치에 따라 상기 연료 분사량 지령치를 산출하여 상기 엔진(10)에 출력한다.

전술한 바와 같은 동력제어장치는 상기 유압펌프(20)의 사판각을 가변시켜 상기 유압펌프(20)의 소요마력을 가변시키는 마력조절유닛(30); 및 상기 유압펌프(20)로부터 토출되는 작동유의 부하압력(Pd)을 감지하기 위한 압력센서(50)를 더 포함하며, 상기 장비 제어부(62)는 상기 압력센서(50)에 의해 감지된 부하압력(Pd)으로부터 목표 펌프소요마력을 산출하고, 상기 유압펌프(20)의 소요마력이 기설정된 시간(Δt) 동안 상기 목표 펌프소요마력에 점진적으로 근접하도록 상기 마력조절유닛(30)을 제어한다.

한편, 상기 압력센서(50)로부터 감지된 부하압력(Pd)이 무부하 압력(Pd1)인 경우, 상기 목표 펌프소요마력은 최소마력(POmin)으로 설정되고, 상기 압력센서(50)로부터 감지된 부하압력이 최대설정압력(Pd2)이면, 상기 목표 펌프소요마력은 최대마력(POmax)으로 설정되며, 상기 최대설정압력(Pd2)은 상기 유압펌프(20)의 최대마력(POmax)의 등마력 제어 시작점의 압력(Pd2)보다 작거나 같게 설정된다.

상기 마력조절유닛(30)은 파일럿 펌프(33)로부터 입력되는 파일럿 압력에 따라 상기 유압펌프(20)의 사판각을 조절하는 마력 조절부(31); 및 상기 장비 제어부(62)로부터 입력되는 전류 지령치의 크기에 따라 상기 파일럿 펌프(33)와 상기 마력 조절부(31)를 연결하는 유로의 개도량을 가변시키는 전자비례감압밸브(32)를 포함한다.

이상에서 설명한 바와 같은 과제 해결 수단에 의하면, 엔진 부하율에 따른 엔진 회전속도 지령치를 산출하여 엔진에 출력함으로써, 엔진의 회전속도를 목표회전속도로 유지시킬 수 있고, 이에 의해 건설기계의 연비를 향상시킬 수 있고 진동을 줄일 수 있게 된다.

또한, 엔진 제어부로부터 엔진 부하율을 전송받은 장비 제어부가 엔진 회전속도 지령치를 연산하여 엔진 제어부에 출력함으로써, 연산부담을 분산시킬 수 있고, 본 발명의 동력제어장치를 기존의 시스템에 적용하기가 용이해진다.

또한, 유압펌프의 소요마력을 부하압력에 따라 점진적으로 가변시킴으로써, 종래 등마력 제어시점의 시간지연으로 발생하는 유압충격을 방지할 수 있게 된다. 또한, 유압충격을 방지함으로써, 엔진 회전속도가 유압펌프 부하에 의해 급격하게 저하되는 것을 방지할 수 있고, 이에 의해 엔진의 매연량 및 진동을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 종래 엔진 회전속도의 복귀를 위해 유압펌프의 소요마력 급격히 감소시켜 건설기계의 작업성을 저하시키는 문제점이 있었으나, 유압펌프의 소요마력을 목표 펌프소요마력에 기설정된 시간 동안 점진적으로 근접시키므로써, 엔진의 회전속도를 복귀시킬 필요가 없고, 이로 인해 유압펌프의 소요마력이 감소되는 것을 방지할 수 있어 건설기계의 작업성을 향상시킬 수 있게 된다.

특히, 부하압력(Pd)이 무부하 압력(Pd1)인 경우 목표 펌프소요마력을 최소마력(POmin)으로 설정함으로써 유압펌프가 엔진에 가하는 부하를 최소화할 수 있고, 이에 의해 연비를 개선할 수 있게 된다.

또한, 목표 펌프소요마력이 최대마력(POmax)이 되는 최대설정압력(Pd2)을 유압펌프의 최대마력(POmax)의 등마력 제어 시작점의 압력(Pd2)보다 작거나 같게 설정함으로써, 유압펌프의 소요마력이 목표 펌프소요마력에 도달하는 시점에 유압펌프의 토출유량이 가능한 크게 확보할 수 있게 되고, 이에 의해 작업성을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 기설정된 시간(Δt)을 상기 유압펌프의 현재 펌프소요마력과 상기 목표 펌프소요마력의 마력차이값(ΔPO)에 비례하도록 설정함으로써, 마력차이값(ΔPO)이 작은 경우에는 신속하게 마력제어를 할 수 있고 마력차이값(ΔPO)이 큰 경우 유압충격이 발생하지 않을 정도의 충분한 제어 시간을 확보할 수 있게 된다.

한편, 마력조절유닛을 마력 조절부와 파일럿 펌프와 마력 조절부를 연결하는 유로의 개도량을 가변시키는 전자비례감압밸브로 구성함으로써, 본 발명의 사상을 일반적인 유압시스템에 범용적으로 적용할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계의 동력제어장치에 대하여 상세히 설명한다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계의 동력제어장치는 유압펌프(20)를 구동시키기 위한 엔진(10)과, 입력되는 마력제어신호에 따라 유압 펌프(20)의 사판각을 가변시켜 유압펌프(20)의 소요마력을 가변시키는 마력조절유닛(30)과, 상기 유압펌프(20)로부터 토출되는 작동유의 압력을 감지하기 위한 압력센서(50)와, 상기 마력조절유닛(30)에 상기 마력제어신호를 출력함과 아울러 상기 엔진의 회전속도를 제어하기 위한 제어부(60)를 포함한다.

상기 제어부(60)는 ECU(Electronic Control Unit)과 같은 엔진 제어부(61)와 장비 제어부(62)를 포함한다.

상기 엔진 제어부(61)는 상기 엔진(10)에 연료 분사량 지령치를 출력하여 상기 엔진(10)의 회전속도를 제어한다. 또한, 상기 엔진 제어부(61)는 현재 연료 분사량 지령치와 엔진의 현재회전속도로부터 엔진의 부하토크를 산출한다. 또한, 엔진에는 각 회전속도에 대한 엔진의 최대토크가 설정된다. 따라서, 다이얼 게이지(11)로부터 엔진의 목표회전속도가 입력되면, 엔진 제어부(61)는 목표회전속도에 대응하는 엔진의 최대토크를 산출할 수 있다. 또한, 상기 엔진 제어부(61)는 최대토크에 대한 부하토크의 비율인 엔진 부하율을 산출하여 상기 장비 제어부(62)로 출력한다.

상기 장비 제어부(62)에는, 도 5에 도시된 바와 같이, 엔진(10)의 회전속도를 입력된 목표회전속도로 일정하게 유지시키기 위한 엔진 부하율에 대한 엔진 회전속도 지령치가 설정되어 있다. 여기서, 상기 목표회전속도가 가변되는 경우, 상기 엔진 부하율에 대한 엔진회전속도 지령치도 가변된다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같은 설정값은 엔진의 목표회전속도의 크기에 따라 다르게 설정되어 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같은 설정값들은 엔진의 목표회전속도별로 설정되어 메모 리나 장비 제어부(62)에 저장된다.

따라서, 상기 장비 제어부(62)에 엔진의 목표회전속도가 입력되면, 장비 제어부(62)는 도 5와 같은 패턴들 중 입력된 목표회전속도에 대응하는 패턴을 선택한다. 그런 후에, 상기 장비 제어부(62)는 선택된 패턴으로부터 입력된 엔진 부하율에 대응하는 엔진 회전속도 지령치를 산출하여 상기 엔진 제어부(61)에 출력한다. 그러면, 엔진 제어부(61)는 엔진 회전속도 지령치에 대응하는 연료분사량 지령치를 산출하여 엔진(10)에 출력한다. 이에 의해 엔진의 회전속도가 제어된다. 이때, 도 5에 도시된 바와 같이, 엔진 부하율이 커질수록 엔진 회전속도 지령치가 증가한다. 즉, 유압펌프(20)로부터 엔진(10)에 가해지는 부하가 커지면, 엔진(10)의 연료 분사량이 커지게 되고, 유압펌프(20)로부터 엔진(10)에 가해지는 부하가 작아지면 연료 분사량이 작아지게 된다.

결국, 엔진의 부하율에 따라 토크를 상승할 수 있도록 연료 분사량을 제어하여, 엔진(10)의 회전속도는, 도 6에 도시된 바와 같이, 목표회전속도로 항상 일정하게 유지될 수 있게 된다.

이하, 전술한 바와 같은 구성을 가지는 엔진의 회전속도 제어방법에 대하여 상세히 설명한다.

도 7을 참조하면, 우선 다이얼 게이지(11)로부터 엔진 목표회전속도가 설정되면, 엔진 목표회전속도는 엔진 제어부(61) 및 장비 제어부(62)로 전송된다(S110).

그러면, 엔진 제어부(61)는 입력된 엔진 목표회전속도에 대한 엔진 최대토크 를 산출하고, 현재 엔진 부하토크를 산출한다(S120). 그런 후에, 엔진 제어부(61)는 엔진 부하율을 산출한다(S130). 엔진 부하율을 다음과 같은 수학식 1에 의해 산출된다.

엔진 부하율이 산출되면, 엔진 제어부(61)는 산출된 엔진 부하율을 장비 제어부(62)에 출력한다.

한편, 장비 제어부(62)는, 상기 다이얼 게이지(11)로부터 엔진 목표회전속도가 입력되면, 입력된 엔진 목표회전속도를 기초로 도 5에 도시된 바와 같은 엔진 부하율에 따른 엔진 회전속도 지령치가 설정된 패턴을 선택한다. 그런 후에, 장비 제어부(62)는 선택된 도 5와같은 패턴으로부터 상기 엔진 제어부(61)로부터 출력된 엔진 부하율에 대응하는 엔진 회전속도 지령치를 산출한다(S140). 그런 후에, 장비 제어부(62)는 산출된 엔진 회전속도 지령치를 엔진 제어부(61)에 출력한다. 그러면, 엔진 제어부(61)는 입력된 엔진 회전속도 지령치로부터 연료 분사량 지령치를 산출하여 엔진(10)에 출력한다(S150).

이상에서는 엔진의 회전속도 제어를 통해 동력제어장치 및 동력제어방법을 설명하였으며, 이하에서는 유압펌프(20)의 제어를 통한 동력제어장치 및 동력제어 방법에 대하여 설명한다.

도 4를 참조하면, 상기 유압펌프(20)는 사판(23)의 기울기에 의해 토출 유량이 가변하는 가변형 펌프로서, 상기 유압펌프(20)에는 사판(23)을 조절하기 위한 레귤레이터(40)가 마련된다.

상기 레귤레이터(40)는 조작부(42)의 조작량에 대한 신호에 따라 상기 유압펌프(20)의 토출유량을 가변시키는 작업 유량 조절부(41)와, 상기 유압펌프(20)의 소요마력이 일정한 마력으로 유지시키기 위한 등마력 조절부(43)와, 상기 유압펌프(20)의 소요마력을 조절하기 위한 마력 조절부(31)를 포함한다.

상기 작업 유량 조절부(41)는 상기 조작부(42)의 조작신호에 대응하는 신호에 따라 유압펌프(20)의 토출 유량을 조절하기 위한 것으로서, 조작부(42)의 조작 신호의 크기에 비례하여 상기 유압펌프(20)의 토출 유량을 증가시킨다. 여기서, 상기 조작부(42)의 조작신호에 대응하는 신호는 메인 컨트롤 밸브(21)를 통과한 바이패스 압력인 네가콘 압력과, 상기 조작부(42)의 조작에 따른 파일럿 압력인 포지콘 압력 및 각 액츄에이터(22)의 로드센싱압력 중 선택된 어느 하나의 압력에 대한 신호로 구성될 수 있다.

상기 등마력 조절부(43)는 유압펌프(20)의 토출압력에 따라 상기 유압펌프(20)의 토출유량을 조절하여 상기 유압펌프(20)의 소요마력이 등마력을 유지하도록 하기 위한 것이다. 여기서, 상기 등마력은 상기 마력 조절부(31)에 의해 가변된다. 따라서, 상기 등마력 조절부(43)는 가변된 현 상태의 등마력 선도를 따라 상기 유압펌프(20)의 토출유량을 조절하게 된다.

상기 마력 조절부(31)는 상기 유압펌프(20)의 소요마력을 가변시키기 위한 것으로서, 파일럿 펌프(33)로부터 토출되는 파일럿 압력이 인가된다. 여기서, 상기 마력 조절부(31)와 파일럿 펌프(33)의 사이에는 전자비례감압밸브(32)가 설치되며, 상기 전자비례감압밸브(32)에 의해 상기 파일럿 펌프(33)와 상기 마력 조절부(31) 사이를 연결하는 유로의 개도량이 조절된다. 상기 전자비례감압밸브(32)는 상기 장비 제어부(62)로부터 출력되는 전류 지령치에 따라 변환된다. 따라서, 마력 조절부(31)는 상기 장비 제어부(62)로부터 출력되는 전류 지령치에 따라 상기 유압펌프(20)의 사판각을 가변시키게 된다.

본 실시예에서는 상기 마력 조절부(31)와 상기 전자비례감압밸브(32)를 포함하여 마력조절유닛(30)으로 정의하며, 본 실시예와 달리 상기 마력 조절부(31)와 상기 전자비례감압밸브(32)는 전자제어식 펌프에서는 하나의 전자비례감압밸브로 구현될 수 있다. 따라서, 마력조절유닛(30)은 마력 조절부(31)와 전자비례감압밸브(32)으로 이루어지는 것일 수 있을 뿐만 아니라 전자제어식 펌프에서 하나의 전자비례감압밸브로 이루어질 수도 있다.

상기 마력조절유닛(30)의 작동 과정에 대해 보다 구체적으로 살펴보면, 상기 장비 제어부(62)로부터 상기 전자비례감압밸브(32)에 높은 전류 지령치(예를 들면, 600mA)를 출력하면 상기 전자비례감압밸브(32)는 상기 파일럿 펌프(33)와 상기 마력 조절부(31)의 유로 개도량을 증가시킨다. 그러면 마력 조절부(31)는 상기 유압펌프(20)의 토출유량이 감소하도록 상기 사판각을 조절하여 유압펌프(20)의 소요마력을 감소시킨다.

전술한 바와 반대로, 상기 전자비례감압밸브(32)에 낮은 전류 지령치(예를 들면, 200mA)를 출력하면 상기 전자비례감압밸브(32)는 상기 파일럿 펌프(33)와 상기 마력 조절부(31)의 유로 개도량을 감소시킨다. 그러면 마력 조절부(31)는 상기 유압펌프(20)의 토출유량이 증가하도록 상기 사판각을 조절하여 유압펌프(20)의 소요마력을 증가시킨다.

상기 압력센서(50)는 상기 유압펌프(20)의 토출압력을 감지하여 상기 장비 제어부(62)에 전송한다. 상기 유압펌프(20)의 토출압력은 상기 메인 컨트롤 밸브(21)를 통해 액츄에이터(22)로부터 전달되는 부하에 따라 가변될 수 있기 때문에 부하압력으로 표현될 수도 있다.

상기 장비 제어부(62)는 전술한 엔진 회전속도 제어 이외에 다음과 같은 제어기능을 수행한다.

상기 장비 제어부(62)는 상기 전자비례감압밸브(32)에 출력될 전류 지령치를 산출하여 상기 전자비례감압밸브(32)에 출력한다. 보다 구체적으로, 상기 장비 제어부(62)에는 상기 압력센서(50)에 의해 감지된 부하압력(Pd)에 대한 목표 펌프소요마력이 도 8과 같이 설정되어 있다. 여기서, 상기 목표 펌프소요마력은 상기 전자비례감압밸브(32)에 출력하는 전류 지령치로 환산될 수 있다. 본 실시예의 시스템이 전류 지령치에 반비례하여 유압펌프(20)의 소요마력이 상승하는 네거티브 시스템이기 때문에 도 8에서는 전류 지령치와 목표 펌프소요마력의 크기는 부하압력(Pd)에 따라 서로 반대로 가변된다.

또한, 상기 장비 제어부(62)에는, 도 9와 같이, 펌프 마력 증감율이 설정되 어 있다. 도 9의 펌프마력 증감율이란 유압펌프(20)의 현재 펌프소요마력으로부터 목표 펌프소요마력까지 상승시키기 위한 시간을 나타낸 것으로서, 현재 펌프소요마력과 목표 펌프소요마력의 마력차이값(ΔPO)이 클수록 펌프소요마력 상승시간이 커지도록 설정된다. 또한, 상기 장비 제어부(62)에는, 도 10과 같이, 선택된 특정 상승시간(Δt1)에 대한 펌프소요마력 증가율이 설정되어 있다. 도 10과 같은 펌프소요마력 증가율은 상승시간의 크기에 따라 각각 설정되는 값으로서 상승시간에 대한 테이블의 형태로 저장될 수 있다.

전술한 바와 같은 장비 제어부(62)는 압력센서(50)로부터 부하압력(Pd)이 입력되면, 도 8와 같은 설정값으로부터 목표 펌프소요마력을 산출한다. 그런 후에, 장비 제어부(62)는 유압펌프(20)의 현재 펌프소요마력과 산출된 목표 펌프소요마력의 마력차이값(ΔPO)을 산출한다. 유압펌프(20)의 현재 펌프소요마력은 압력센서(50)에 의해 감지된 부하압력(Pd)과 현재 유압펌프(20)의 사판각으로부터 산출될 수 있다.

마력차이값(ΔPO)이 산출되면, 장비 제어부(62)는 도 9와 같은 펌프마력 증감율로부터 상승시간(Δt)을 산출하게 된다. 상승시간(Δt)이 산출되면, 도 10과 같은 마력 상승율을 산출하게 된다.

마력상승율의 산출이 완료되면, 장비 제어부(62)는 산출된 상승시간(Δt) 동안 산출된 상승율로 현재 펌프소요마력을 목표 펌프소요마력까지 상승시킨다. 즉, 장비 제어부(62)는 일정 시간 동안 유압펌프(20)의 소요마력을 목표 펌프소요마력까지 점진적으로 상승시키게 된다.

한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 목표 펌프소요마력은 상기 압력센서(50)에 의해 감지된 부하압력(Pd)이 무부하 압력(Pd1)인 경우, 최소마력(POmin)으로 설정되고, 부하압력(Pd)이 최대설정압력(Pd2)인 경우 최대마력(POmax)으로 설정된다. 이때, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 최대설정압력(Pd2)은 상기 유압펌프(20)의 최대마력(POmax)의 등마력 제어 시작점(Pd2)과 작거나 같게 설정되며, 이는 상기 유압펌프(20)의 소요마력이 목표 펌프소요마력에 도달했을 때 유압펌프(20)의 토출유량을 가능한 크게 확보하여 건설기계의 작업 성능을 향상시키기 위함이다.

이하, 전술한 바와 같은 구성을 가지는 유압펌프 제어를 통한 동력제어방법에 대하여 상세히 설명한다.

도 12를 참조하면, 우선, 조작부(42)의 조작량이 없는 상태에서, 상기 압력센서(50)에 의해 감지된 부하압력(Pd)은 무부하 압력(Pd1)이다. 무부하 압력(Pd1) 신호가 장비 제어부(62)에 전송되면, 장비 제어부(62)는, 도 8로부터, 목표 펌프소요마력을 최소마력(POmin)으로 산출하여 상기 전자비례감압밸브(32)에 최대 전류 지령치(예를 들면, 600mA)를 출력한다. 그러면, 전자비례감압밸브(32)는 마력 조절부(31)와 파일럿 펌프(33)를 연결하는 유로의 개도량을 최대로 개방하고, 이에 의해 마력 조절부(31)는 유압펌프(20)를 최소마력(POmin)으로 구동시킨다.

이와 같은 상태에서, 도 12에 도시된 바와 같이, 조작부(42)의 조작량을 급격히 증가시키면, 조작량에 대한 신호는 작업 유량 조절부(41)로 인가된다. 그러면, 작업 유량 조절부(41)는 유압펌프(20)의 유량을 급격히 증가시킨다. 그러나 유량이 급격히 증가하더라도 마력 조절부(31)에서는 유압펌프(20)를 최소마력(POmin) 으로 구동시키고 있기 때문에 종래와 같이 급격하게 유량이 증가하거나 부하압력(Pd)이 증가하지 않는다. 그러나 작업장치의 구동력을 상승시키기 위해서는 상기 마력 조절부(31)를 통해 유압펌프(20)의 소요마력을 상승시켜야 한다.

이를 위해, 장비 제어부(62)는 압력센서(50)로부터 감지된 상승된 부하압력(Pd)을 입력받고, 도 8와 같은 설정치로부터 입력받은 부하압력(Pd)에 따른 목표 펌프소요마력을 산출한다. 그런 후에, 장비 제어부(62)는 유압펌프(20)의 현재 펌프소요마력과 목표 펌프소요마력의 마력차이값(ΔPO)을 산출하고, 도 9 및 도 10에 도시된 설정치로부터 산출된 마력차이값(ΔPO)에 대한 상승시간(Δt) 및 상승율을 산출한다. 그런 후에, 장비 제어부(62)는 현재 펌프소요마력을 상승시간(Δt) 동안 산출된 상승율로 산출된 목표 펌프소요마력까지 점진적으로 증가시킨다.

이와 같이, 장비 제어부(62)가 유압펌프(20)의 소요마력을 최소마력(POmin)으로부터 산출된 목표 펌프소요마력까지 점진적으로 상승시킴으로써, 도 12에 도시된 바와 같이, 유압 충격이 발생하지 않게 된다. 또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 엔진의 회전속도의 급격한 저하를 방지하여 매연량을 최소화할 수 있음은 물론 엔진 회전속도 저하에 의해 발생하는 진동을 줄일 수 있게 된다.

한편, 종래에는 엔진 회전속도가 다이얼 게이지(11)로부터 설정된 목표 엔진 회전속도보다 낮게 떨어지면 유압펌프(20)의 소요마력을 최저로 낮추는 마력제어를 수행하여 건설기계의 작업성을 저하시켰으나, 본 실시예에서는 엔진의 회전속도의 저하 정도가 작을 뿐만 아니라 유압펌프(20)의 소요마력을 최저마력부터 목표 펌프소요마력까지 점진적으로 상승시킴으로써 건설기계의 작업성을 향상시킬 수 있게 된다.

도 13을 참조하면, 유압펌프(20)를 최소마력(POmin)에서 목표 펌프소요마력까지 상승하는 과정을 압력-유량 선도(등마력 선도)에 개략적으로 나타낸 것이다. 도 13를 참조하면, 장비 제어부(62)가 상승시간(Δt) 동안 유압펌프(20)의 소요마력을 최소마력(POmin)으로부터 목표 펌프소요마력까지 상승시키게 되며, 상승시간(Δt) 동안 등마력 조절부(43)는 가변되는 등마력 선도를 따라 등마력 제어를 하게 된다. 이와 같이, 유압펌프(20)의 마력제어와 등마력 제어가 동시에 수행됨에 따라 도 13와 같은 선도로 마력과 유량 및 부하압력이 변하게 되어, 도 2에 도시된 바와 같은 유압 충격을 방지할 수 있음을 알 수 있다.

도 14a는 종래 유압펌프 제어장치에 의한 붐 상승속도 및 엔진 회전속도를 나타낸 것이고, 도 14b는 본 실시예에 따른 유압펌프 제어장치에 의한 붐 상승속도 및 엔진 회전속도의 변화량을 나타낸 것이다.

도 14a를 참조하면, 종래에 붐 상승속도는 급격한 유량 및 부하압력이 증가하여 붐 상승속도가 급격히 증가한다. 그러나 유압 충격에 의해, E 영역과 같이, 엔진 회전속도가 급격한 저하되고, 이로 인해 마력 제어가 시작되어 유압펌프(20)의 소요마력이 최저마력으로 낮추어지게 된다. 이에 의해 D영역에는 붐 상승속도가 오히려 감소하는 구간이 발생하게 된다. 이로 인해, 건설기계의 작업성을 매우 악화시킬 뿐만 아니라 매연량 및 진동이 커지는 문제가 있었다.

그러나, 도 14b를 참조하면, 본 실시예에서는 도 14a와 비교하여 붐 상승속도의 증가율은 다소 낮으나, F 구간에서 붐 상승속도가 저하되지 않을 뿐만 아니라 G 구간과 같이 엔진 회전속도가 크게 저하되지 않는다. 이로 인해, 건설기계의 작업성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 매연 및 진동의 발생을 최소화할 수 있게 된다.

한편, 부하압력이 기준압력까지 상승하여 변동되지 않는 경우, 엔진 회전속도를 고려하여 유압펌프(20)의 마력제어를 수행할 수 있다. 또한, 부하 압력의 변동이 발생하여 엔진 회전속도가 변동되는 경우에도 엔진 회전속도를 고려하여 유압펌프(20)의 마력제어를 수행할 수도 있다.

도 1은 조작부의 급조작 조건에서 기존 유압펌프 제어장치에 따른 펌프 토출유량 및 소요마력과, 엔진 출력 및 회전속도와, 마력제어 전류지령치의 변화량을 개략적으로 나타낸 그래프,

도 2는 도 1의 제어 과정을 유압펌프의 압력-유량 선도(등마력 선도)에 나타낸 그래프,

도 3은 종래 엔진 부하율에 따른 엔진 회전속도를 개략적으로 나타낸 그래프,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계의 동력제어장치를 개략적으로 나타낸 개념도,

도 5는 도 4의 장비 제어부에 설정된 엔진 부하율에 따른 엔진 회전속도 지령치를 개략적으로 나타낸 그래프,

도 6은 도 4에 도시된 동력제어장치에 의해 제어된 엔진의 엔진 부하율에 따른 엔진 회전속도를 개략적으로 나타낸 그래프,

도 7을 도 4에 도시된 동력제어장치에 의한 동력 제어 과정을 개략적으로 나타낸 흐름도,

도 8는 도 3의 제어부에 설정된 부하압력에 대한 목표 펌프소요마력 및 전류 지령치를 개략적으로 나타낸 그래프,

도 9는 도 3의 제어부에 설정된 목표 펌프소요마력과 현재 펌프소요마력의 마력차이값에 대한 상승 시간을 개략적으로 나타낸 그래프,

도 10은 도 4의 제어부에 설정된 특정 마력차이값에 대한 마력 상승율을 개략적으로 나타낸 그래프,

도 11은 도 4에 도시된 유압펌프의 최대 등마력 선도와 최소 등마력 선도를 개략적으로 나타낸 그래프,

도 12은 조작부의 급조작 조건에서 도 4에 도시된 유압펌프 제어장치에 따른 펌프 토출유량 및 소요마력과, 엔진 출력 및 회전속도를 개략적으로 나타낸 그래프,

도 13는 도 12의 제어과정을 유압펌프의 압력-유량 선도(등마력 선도)에 나타낸 그래프,

도 14a는 도 1의 제어과정에 따른 붐 상승속도와 엔진 회전속도를 측정하여 나타낸 그래프,

도 14b는 도 12의 제어과정에 따른 붐 상승속도와 엔진 회전속도를 측정하여 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>

10; 엔진 20; 유압펌프

30; 마력조절유닛 31; 마력 조절부

32; 전자비례감압밸브 33; 파일럿 펌프

40; 레귤레이터 50; 압력센서

60; 제어부 61; 엔진 제어부

62; 장비 제어부 ΔPO; 마력차이값

Δt; 상승시간, 기설정 시간 POmin; 펌프 최소마력

POmax; 펌프 최대마력 Pd; 부하압력

Pd1; 무부하 압력 Pd2; 최대설정압력

Claims (5)

1. 유압펌프(20)와 연결되어 상기 유압펌프(20)를 구동시키는 엔진(10); 및

   입력된 엔진 목표회전속도로부터 산출된 엔진 최대토크에 대한 상기 엔진의 부하토크의 비율로 정의되는 엔진 부하율을 산출하고, 상기 엔진이 상기 목표회전속도로 구동되도록 상기 엔진 부하율에 따른 엔진 회전속도 지령치를 산출하여 상기 엔진에 출력하는 제어부(60)를 포함하고,

   상기 제어부(60)는,

   상기 엔진 목표회전속도로부터 상기 엔진 최대토크를 산출하고, 상기 엔진(10)에 출력된 연료 분사량 지령치로부터 상기 엔진 부하토크를 산출하며, 상기 산출된 엔진 최대토크와 상기 엔진 부하토크로부터 상기 엔진 부하율을 산출하여 출력하는 엔진 제어부(61); 및

   상기 엔진 제어부(61)로부터 출력된 상기 엔진 부하율로부터 상기 엔진 회전속도 지령치를 산출하여 상기 엔진 제어부(61)에 출력하는 장비 제어부(62)를 포함하며,

   상기 엔진 제어부(61)는 상기 장비 제어부(62)로부터 전송된 엔진 회전속도 지령치에 따라 상기 연료 분사량 지령치를 산출하여 상기 엔진(10)에 출력하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 동력제어장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 유압펌프(20)의 사판각을 가변시켜 상기 유압펌프(20)의 소요마력을 가변시키는 마력조절유닛(30); 및

   상기 유압펌프(20)로부터 토출되는 작동유의 부하압력(Pd)을 감지하기 위한 압력센서(50)를 더 포함하며,

   상기 장비 제어부(62)는 상기 압력센서(50)에 의해 감지된 부하압력(Pd)으로부터 목표 펌프소요마력을 산출하고, 상기 유압펌프(20)의 소요마력이 기설정된 시간(Δt) 동안 상기 목표 펌프소요마력에 점진적으로 근접하도록 상기 마력조절유닛(30)을 제어하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 동력제어장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 압력센서(50)로부터 감지된 부하압력(Pd)이 무부하 압력(Pd1)인 경우, 상기 목표 펌프소요마력은 최소마력(POmin)으로 설정되고,

   상기 압력센서(50)로부터 감지된 부하압력이 최대설정압력(Pd2)이면, 상기 목표 펌프소요마력은 최대마력(POmax)으로 설정되며,

   상기 최대설정압력(Pd2)은 상기 유압펌프(20)의 최대마력(POmax)의 등마력 제어 시작점의 압력(Pd2)보다 작거나 같게 설정되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 동력제어장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 마력조절유닛(30)은,

   파일럿 펌프(33)로부터 입력되는 파일럿 압력에 따라 상기 유압펌프(20)의 사판각을 조절하는 마력 조절부(31); 및

   상기 장비 제어부(62)로부터 입력되는 전류 지령치의 크기에 따라 상기 파일럿 펌프(33)와 상기 마력 조절부(31)를 연결하는 유로의 개도량을 가변시키는 전자비례감압밸브(32)를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 동력제어장치.

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