KR20140066999A

KR20140066999A - 건설 기계

Info

Publication number: KR20140066999A
Application number: KR1020147003550A
Authority: KR
Inventors: 세이지 이시다; 히데토시 사타케; 유스케 카지타; 시로 야마오카
Original assignee: 히다찌 겐끼 가부시키가이샤
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2014-06-03
Also published as: EP2752524B1; WO2013031525A1; EP2752524A4; KR101923758B1; EP2752524A1; JP5752531B2; CN103748292A; CN103748292B; US20140188321A1; JP2013050006A; US20160153176A1; US9617715B2

Abstract

건설 기계에 탑재되는 내연 기관으로부터 배출되는 입자상 물질(PM) 또는 질소 산화물(NOX)을 저감할 수 있는 건설 기계를 제공하는 것에 있다. 건설 기계(200)는, 토크 지령에 기초하여 제어되는 디젤 엔진(101)과, 디젤 엔진과 기계적으로 결합된 전동기(102)와, 전동기에 전력을 공급하는 축전 장치(111)를 갖고, 디젤 엔진과 전동기에 의해 유압 펌프(103)를 구동하여 작업을 행한다. 속도 제어기(118)는, 속도 지령에 기초하여 전동기(102)의 속도를 제어한다. 토크 제한기(115)는, 토크 목표에 기초하여 시간 변화율을 제한된 토크 지령을 구한다.

Description

건설 기계{CONSTRUCTION MACHINE}

본 발명은, 건설 기계에 관한 것으로, 특히, 내연 기관과 전동기에 의해 유압 발생기를 구동하고, 유압에 의해 작업을 행하는 건설 기계에 관한 것이다.

종래, 하이브리드 건설 기계에 있어서, 될 수 있는 한 간단한 구성으로, 전동·발진기에 의해 엔진의 어시스트 작동이나 발전 작동을 행하게 하고, 엔진을 목표로 하는 운전 상태로 정확하게 제어하는 것이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 이를 위해, 특허문헌 1에서는, 컨트롤러에 있어서, 설정 회전수의 최적 토크에 대응한 엔진 회전수를 목표 회전수로서 구하고, 엔진의 부하 토크가 크고 엔진 회전수가 목표 회전수보다도 낮을 때에는, 편차에 따라 전동·발진기를 전동기로서 작동시켜 토크 어시스트를 행하고, 엔진의 부하 토크가 작고 엔진 회전수가 목표 회전수보다도 높을 때에는, 편차에 따라 전동·발진기를 발진기로서 작동시키고, 발전시켜 배터리에 축전을 행함으로써, 엔진을 최적 운전 상태에 근접하도록 제어하고 있다.

또한, 유압 부하가 급격하게 증대하였을 때라도, 내연 기관의 운전 조건을 적정하게 유지하면서, 유압 부하의 증대에 따라 유압 발생기에 공급되는 동력을 증대시키도록 제어하는 것이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 2 참조). 이를 위해, 특허문헌 2에서는, 내연 기관에 의해 유압 발생기를 구동하여 작업을 행함과 함께, 내연 기관의 출력의 증가율을 소정값으로 설정한다. 그리고, 증가율의 소정값으로부터 구해지는 내연 기관의 출력 상한값과, 유압 발생기에 요구되는 유압 출력으로부터 구해진 요구 동력을 비교한다. 요구 동력이 출력 상한값을 초과하였을 때에, 내연 기관의 출력이 출력 상한값 이하로 되도록 제어하고 있다.

일본 특허 출원 공개 제2003-28071호 공보 일본 특허 출원 공개 제2009-216058호 공보

그러나, 특허문헌 1에 기재된 것에서는, 부하 토크가 급변한 경우의 과도 상태에 관해서는 고려되어 있지 않고, 내연 기관인 엔진의 출력 토크의 시간 변화율이 커지는 상황을 피할 수 없으므로, 과잉의 연료 분사가 필요해지고, 입자상 물질(PM) 또는 질소 산화물(NOX)이 다량으로 발생하는 경우가 있다.

또한, 특허문헌 2에 기재된 것에서는, 유압 발생기의 요구 출력에 기초하여 전동기를 제어하므로, 유압 발생기의 요구 출력이 필요해지지만, 건설 기계의 경우에는 작업 기계에 가해지는 부하를 특정하는 것이 어려운 것, 작동유의 유량을 상세하게 검출하는 것이 어려운 등, 요구 출력을 정확하게 검출 혹은 추정하는 것이 어렵고, 또한 엔진의 상태를 피드백하는 일 없이 전동기를 제어하고 있으므로, 요구 출력에 대한 오차에 의해 엔진의 출력 토크의 시간 변화율을 정확하게 제어하는 것은 어렵다. 이로 인해, 특허문헌 1과 마찬가지로, 입자상 물질(PM) 또는 질소 산화물(NOX)이 다량으로 발생하는 경우가 있다.

본 발명의 목적은, 건설 기계에 탑재되는 내연 기관으로부터 배출되는 입자상 물질(PM) 또는 질소 산화물(NOX)을 저감할 수 있는 건설 기계를 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 토크 지령에 기초하여 제어되는 내연 기관과, 상기 내연 기관과 기계적으로 결합된 전동기와, 상기 전동기에 전력을 공급하는 축전 장치를 갖고, 상기 내연 기관과 상기 전동기에 의해 유압 발생기를 구동하여 작업을 행하는 건설 기계이며, 속도 지령에 기초하여 상기 전동기의 속도를 제어하는 제1 제어 수단과, 토크 목표에 기초하여 시간 변화율을 제한된 상기 토크 지령을 구하는 제2 제어 수단을 구비하도록 한 것이다.

또한, 본 발명은, 내연 기관과, 상기 내연 기관과 기계적으로 결합된 전동기와, 상기 전동기에 전력을 공급하는 축전 장치를 갖고, 상기 내연 기관과 상기 전동기에 의해 유압 발생기를 구동하여 작업을 행하는 건설 기계이며, 상기 전동기는 속도 지령에 기초하여 속도 제어됨과 함께, 상기 유압 발생기의 토크의 시간 변화율이 작은 경우에는, 상기 내연 기관의 토크가, 상기 전동기의 토크보다 크고, 상기 유압 발생기의 토크의 시간 변화율이 큰 경우에는, 상기 전동기의 토크가, 상기 내연 기관의 토크보다 큰 것이다.

또한, 본 발명은, 내연 기관과, 상기 내연 기관과 기계적으로 결합된 전동기와, 상기 전동기에 전력을 공급하는 축전 장치를 갖고, 상기 내연 기관과 상기 전동기에 의해 유압 발생기를 구동하여 작업을 행하는 건설 기계이며, 상기 전동기는 속도 지령에 기초하여 속도 제어됨과 함께, 상기 유압 발생기의 토크의 시간 변화율이 작은 경우에는, 상기 유압 발생기의 토크의 시간 변화율의 변화에 대해, 상기 내연 기관의 토크 시간 변화율의 변화가 크고, 상기 유압 발생기의 토크의 시간 변화율이 큰 경우에는, 상기 유압 발생기의 토크의 시간 변화율의 변화에 대해, 상기 내연 기관의 토크 시간 변화율의 변화가 작은 것이다.

이러한 구성에 의해, 건설 기계에 탑재되는 내연 기관으로부터 배출되는 입자상 물질(PM) 또는 질소 산화물(NOX)을 저감할 수 있는 것으로 된다.

본 발명에 따르면, 건설 기계에 탑재되는 내연 기관으로부터 배출되는 입자상 물질(PM) 또는 질소 산화물(NOX)을 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 의한 건설 기계의 전체 구성을 도시하는 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 건설 기계를 구동하는 구동 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 의한 건설 기계에 이용하는 구동 시스템의 동작을 나타내는 타이밍차트이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 건설 기계에 이용하는 구동 시스템의 동작을 나타내는 타이밍차트이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 건설 기계에 이용하는 구동 시스템의 동작을 나타내는 타이밍차트이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 의한 건설 기계에 이용하는 구동 시스템의 동작을 나타내는 타이밍차트이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 의한 건설 기계에 이용하는 구동 시스템의 동작을 나타내는 타이밍차트이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 의한 건설 기계에 이용하는 구동 시스템의 동작을 나타내는 타이밍차트이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 형태에 의한 건설 기계를 구동하는 구동 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 형태에 의한 건설 기계에 이용하는 구동 시스템의 동작을 나타내는 타이밍차트이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 형태에 의한 건설 기계에 이용하는 구동 시스템의 동작을 나타내는 타이밍차트이다.

이하, 도 1∼도 8을 이용하여, 본 발명의 일 실시 형태에 의한 건설 기계의 구성 및 동작에 대해 설명한다. 또한, 여기에서는, 건설 기계의 대표로서, 유압 셔블을 이용하여 설명한다.

우선, 도 1을 이용하여, 본 실시 형태에 의한 건설 기계의 전체 구성에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 의한 건설 기계의 전체 구성을 도시하는 측면도이다.

유압 셔블(200)은, 주행체(201) 및 선회체(202)를 갖는다. 주행체(201)는, 주행용 유압 모터에 의해 건설 기계를 주행시키는 기능을 구비한다. 주행체는, 우측 주행체와, 좌측 주행체로 구성되고, 각각 독립된 주행용 유압 모터에 의해 구동된다. 선회체(202)는, 선회 기구(113)에 의해 주행체(201)에 대해 회전한다.

선회체(202)의 전방부 다른 쪽의 한쪽(예를 들면 전방을 향해 우측)에는, 굴착 작업을 행하는 붐(203), 아암(204) 및 버킷(205)을 구비한다. 붐(203), 아암(204) 및 버킷(205)은, 각각 유압 실린더(107), 유압 실린더(106) 및 유압 실린더(105)에 의해 구동된다.

또한, 선회체(202)는 캡(206)을 구비하고, 캡(206)에는, 조작자가 탑승하고, 조작 레버에 의해, 건설 기계(200)를 조작한다.

다음으로, 도 2를 이용하여, 본 실시 형태에 의한 건설 기계를 구동하는 구동 시스템의 구성에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 건설 기계를 구동하는 구동 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.

내연 기관인 디젤 엔진(101)과 제1 전동기(102)는 기계적으로 결합되고, 유압 발생기인 유압 펌프(103)를 구동한다. 여기서, 예를 들어, 디젤 엔진(101), 제1 전동기(102) 및 유압 펌프(103)는, 동일한 회전수로 기계적으로 결합되어 있다. 유압 펌프(103)로부터 송출되는 작동유는, 조작자에 의한 조작에 기초하여 컨트롤 밸브(104)에 의해 분배되고, 유압 실린더(105, 106), 유압 실린더(107) 및 좌측 주행용 유압 모터(108), 우측 주행용 유압 모터(109)에 공급된다. 유압 실린더(105)는, 도 1에 도시한 버킷(205)을 구동하는 것이다. 유압 실린더(106)는, 도 1에 도시한 아암(204)을 구동하는 것이다. 유압 실린더(107)는, 도 1에 도시한 붐(203)을 구동하는 것이다. 좌측 주행용 유압 모터(108) 및 우측 주행용 유압 모터(109)는, 각각, 도 1에 도시한 주행체(201) 중, 좌측 주행체, 우측 주행체를 구동한다.

제1 전동기(102) 및, 선회 기구(113)를 구동하는 제2 전동기(112)는, 각각, 3상 동기 전동기이며, 또한, 전동 발전기이기도 하다. 전력 변환기(110)는, 축전 장치(111)에 축적된 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여, 제1 전동기(102)나 제2 전동기(112)에 공급하고, 제1 전동기(102) 및 제2 전동기(112)를 구동한다. 또한, 제1 전동기(102)를 발진기로서 동작시키고, 전력 변환기(110)를 통해, 축전 장치(111)를 충전한다. 제2 전동기(112)는, 선회체(202)가 회전하고 있는 상태로부터 제동할 때에는, 발진기로서 동작하고, 전력 변환기(110)를 통해, 축전 장치(111)를 충전한다.

축전 장치(111)로서는, 용량이 비교적 작은 캐패시터를 이용한다. 이 경우, 축전 장치(111)의 충전량을 적절하게 제어할 필요가 있다.

감산기(120)는, 충전량 지령 Q*와 충전 장치(111)의 충전량 Q의 편차를 연산한다. 충전량 지령 Q*는, 상위의 제어 장치로부터 공급되는 것이며, 예를 들어, 축전 장치(111)의 80％ 충전량에 상당하는 일정값으로 한다.

충전량 제어기(114)는, 감산기(120)에 의해 구해진 편차가 0으로 되도록, 즉, 충전 장치(111)의 충전량 Q가 충전량 지령 Q*에 일치하도록 토크 목표를 산출하고, 출력한다. 토크 제한기(115)는, 충전량 제어기(114)가 출력하는 토크 목표에 대해 시간 변화율을 제한한 제1 토크 지령 T1*을 구하여, 출력한다. 예를 들어, 토크 목표값이 스텝적으로 변화하는 경우에는, 토크 목표값이 서서히 변화하는 토크 목표값으로 함으로써, 토크 목표의 시간 변화율이 소정값보다도 커지지 않도록 제한한다.

엔진 컨트롤러(116)는, 디젤 엔진(101)의 출력 토크가 제1 토크 지령 T1*로 되도록 디젤 엔진(101)을 제어한다. 구체적으로는, 엔진 컨트롤러(116)는, 디젤 엔진(101)에 구비된 연료 분사 밸브로부터 엔진의 연소실 내에 공급되는 연료량을 제어하거나, EGR의 환류량을 제어한다.

감산기(117)는, 회전 속도 지령 N*과 제1 전동기의 회전 속도 N의 편차를 연산한다. 회전 속도 지령 N*은, 상위의 제어 장치로부터 공급되는 것이며, 예를 들어, 일정값으로 한다.

속도 제어기(118)는, 감산기(117)에서 연산된 편차에 기초하여, 회전 속도 지령 N*과 제1 전동기의 회전 속도 N이 일치하도록 제2 토크 지령 T2*를 구하고, 전력 변환기(110)에 출력한다. 전력 변환기(110)는, 제1 전동기(102)의 토크가 제2 토크 지령 T2*로 되도록 제어한다.

선회 제어기(119)는, 조작자가 조작하는 선회 레버의 조작량에 기초하여, 제2 전동기(112)를 제어하므로, 제3 토크 지령 T3*을 구하고, 전력 변환기(110)에 출력한다. 전력 변환기(110)는, 제2 전동기(112)의 토크가 제3 토크 지령 T3*으로 되도록 제어한다.

전력 변환기(110)는, 제1 전동기(102)를 제어하는 제1 전력 변환부와, 제2 전동기(112)를 제어하는 제2 전력 변환부를 내장하고 있다. 예를 들어, 제1 전력 변환부는, 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환하기 위한 복수의 스위칭 소자와, 이들 스위칭 소자의 개폐를 PWM 제어하여, 제1 전동기(102)에 흐르는 전류가, 상술한 제2 토크 지령 T2*에 대응하는 전류 지령과 일치하도록 제어하는 제어부를 갖고 있다. 이에 의해, 제1 전력 변환부는, 제1 전동기(102)의 토크가 제2 토크 지령 T2*로 되도록 제어한다. 또한, 제1 전동기(102)가 발진기로서 동작하고 있을 때에는, 제어부는 스위칭 소자를 제어하여, 제1 전동기(102)의 발전 출력을 직류 전력으로 변환하여, 축전 장치(111)에 축전한다. 또한, 제2 전력 변환부도, 제1 전력 변환부와 마찬가지의 구성 동작이며, 제2 전동기(112)의 토크가 제3 토크 지령 T3*으로 되도록 제어한다. 또한, 제2 전동기(112)가 발진기로서 동작하고 있을 때에는, 제어부는 스위칭 소자를 제어하여, 제2 전동기(112)의 발전 출력을 직류 전력으로 변환하여, 축전 장치(111)에 축전한다.

다음으로, 도 3∼도 8을 이용하여, 본 실시 형태에 의한 건설 기계에 이용하는 구동 시스템의 동작에 대해 설명한다.

도 3∼도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 의한 건설 기계에 이용하는 구동 시스템의 동작을 나타내는 타이밍차트이다.

우선, 도 3을 이용하여, 아암 등을 구동한 경우의 각 부의 동작에 대해 설명한다.

도 3의 횡축은, 경과 시간을 나타내고 있다. 도 3의 (a)의 종축은 유압 펌프(103)의 펌프 토크를 나타내고, 도 3의 (b)의 종축은, 제1 전동기(102)의 회전수 N을 나타내고 있다. 또한, 디젤 엔진(101), 제1 전동기(102) 및 유압 펌프(103)는, 동일한 회전수로 기계적으로 결합되어 있는 것으로 한다. 도 3의 (c)의 종축은 제1 전동기(102)의 토크를 나타내고, 도 3의 (d)의 종축은 축전 장치(111)의 방전 전류를 나타내고 있다. 도 3의 (e)의 종축은 축전 장치(111)의 충전량 Q를 나타내고, 도 3의 (f)의 종축은 디젤 엔진(101)의 토크를 나타내고 있다. 그리고, 시각 t1에 있어서, 조작자의 조작에 의해 유압 펌프(103)의 토크가 증가한 경우를 나타내고 있다. 조작자의 조작에 의해 유압 펌프(103)의 토크가 증가한 경우라 함은, 예를 들어, 조작자가 도 1에 도시한 버킷(205)을 조작하는 조작 레버를 조작하고, 그 조작에 따라, 유압 실린더(105)를 구동하므로, 유압 펌프(103)의 토크가 증대하는 경우를 말한다. 그 밖에, 붐(203), 아암(204)이나 주행체(201)를 구동한 경우도 포함된다.

도 3의 (a)에 나타내는 바와 같이, 시각 t1에 있어서, 유압 펌프(103)의 토크가 증가하면, 도 3의 (b)에 나타내는 바와 같이 회전수 N이 감소하고, 회전수 지령 N*과의 편차가 증가하므로 제2 토크 지령 T2*가 증가하고, 도 3의 (c)에 나타내는 바와 같이, 제1 전동기(102)의 토크가 증가한다. 이에 의해, 회전수 N은 증가를 시작하고, 도 3의 (b)에 나타내는 바와 같이, 시각 t2에서 회전수 N이 회복된다. 즉, 펌프 토크가 변동한 경우에 있어서도, 속도 제어기(118)에 의해 제1 전동기(102)의 토크가 제어되고, 회전수 N은 일정하게 유지된다.

도 3의 (c)에 나타내는 바와 같이, 시각 t1에서 제1 전동기(102)의 토크가 증가하면, 전력을 공급하므로, 도 3의 (d)에 나타내는 바와 같이, 시각 t1에서 축전 장치(111)의 방전 전류가 증가하고, 도 3의 (e)에 나타내는 바와 같이, 충전량 Q가 감소한다. 이에 의해, 감산기(120)에서 산출되는 충전량 지령 Q*와의 편차가 증가하므로, 충전량 제어기(114)가 출력하는 엔진 토크 목표가 증가한다. 이 토크 목표는, 토크 제한기(115)에 의해 시간 변화율이 제한되고, 제1 토크 지령 T1*로서, 엔진 컨트롤러(116)에 출력된다. 도 3의 (f)는 이와 같이 하여 제1 토크 지령 T1*의 시간 변화율이 제한된 경우의 디젤 엔진의 토크를 나타내고 있다. 시각 t1 이후의 토크 변화는, 토크 제한기(115)에 의해 제한된 시간 변화율 이하로 되어 있다. 이에 의해, 디젤 엔진(101)은 급격하게 토크를 변화시키는 일이 없어져, 입자상 물질이 발생하기 쉬운 과잉의 연료 분사에 의한 등량비가 높은 상태에서의 연소나 질소 산화물이 발생하기 쉬운 과잉의 연소 온도에서의 연소를 피할 수 있다.

다음으로, 시각 t2∼시각 t3에 있어서, 도 3의 (f)에 나타내는 바와 같이, 디젤 엔진(101)의 토크가 증가하면, 도 3의 (c)에 나타내는 바와 같이, 제1 전동기(102)의 토크가 그것에 맞추어 감소한다. 이것은, 회전수 N을 일정하게 하므로, 디젤 엔진(101)의 토크와 제1 전동기(102)의 토크의 합계가 펌프 토크와 밸런스가 맞추어지도록, 제1 전동기(102)의 토크가 제어되기 때문이다.

시각 t2∼시각 t3에 있어서의 제어에 대해 구체적으로 설명하면, 시각 t2에 있어서, 축전 장치(111)의 충전량 Q가 감소하므로, 감산기(120)가 출력하는 편차가 증가한다. 그로 인해, 충전량 제어기(114)가 출력하는 토크 목표값이 증가한다. 엔진 컨트롤러(116)는, 이 토크 목표값에 따라, 디젤 엔진(101)의 출력 토크를 제어하므로, 도 3의 (f)에 나타내는 바와 같이, 점차 증가한다. 한편, 디젤 엔진(101)의 출력 토크가 증가하면, 디젤 엔진(101)의 회전수가 증가하고, 디젤 엔진(101)에 결합된 제1 전동기(101)의 회전수도 증가한다. 그 결과, 감산기(117)가 출력하는 속도 편차가 증가한다. 그로 인해, 속도 제어기(118)가 출력하는 제2 토크 지령 T*가 감소한다. 전력 변환기(110)는, 이 제2 토크 지령 T*에 따라, 제1 전동기(101)의 토크를 제어하므로, 도 3의 (c)에 나타내는 바와 같이, 점차 감소한다.

시각 t3에 있어서, 디젤 엔진(101)의 토크가 펌프 토크를 초과하면, 도 3의 (c)에 나타내는 바와 같이, 제1 전동기(102)의 토크가 부(負), 즉 제1 전동기(102)가 발전 동작으로 되고, 디젤 엔진(101)은 유압 펌프(103)를 구동함과 함께, 발진기 동작하는 제1 전동기(102)도 구동하게 된다. 또한, 제1 전동기(102)가 발전한 전력이 축전 장치(111)에 공급되므로, 도 3의 (e)에 나타내는 바와 같이, 충전량이 증가로 바뀌고, 충전량 Q는 충전량 지령 Q*를 향해 증가한다.

시각 t4에 있어서, 도 3의 (e)에 나타내는 충전량 Q는 충전량 지령 Q*에 대략 일치하고, 이때 도 3의 (c)에 나타내는 바와 같이, 제1 전동기(102)의 토크는 0이며, 디젤 엔진(101)의 토크는, 펌프 토크와 밸런스가 맞추어지고, 회전수 N은 회전수 지령 N*으로 제어되어 있다.

다음으로, 도 4를 이용하여, 선회체(202)의 선회 동작을 행한 경우의 각 부의 동작에 대해 설명한다. 또한, 도 4의 (a)∼도 4의 (f)의 종축은, 도 3의 (a)∼도 3의 (f)와 마찬가지이다. 도 4의 (g)는 제2 전동기(112)의 출력을 나타내고 있다. 도 4에서는, 시각 t1에 있어서, 조작자에 의한 선회 레버의 조작에 의해 제2 전동기(112)가 회전을 개시하고, 시각 t2에 있어서, 선회 레버의 조작에 의해 제2 전동기(112)가 제동을 개시하고, 시각 t4에서 제2 전동기(112)가 정지한 경우를 나타내고 있다.

시각 t1에서 제2 전동기(112)가 회전을 개시하면, 회전 속도의 증가에 의해, 도 4의 (g)에 나타내는 바와 같이, 제2 전동기(112)의 출력이 증가한다. 이에 수반하여, 축전 장치(111)의 방전 전류의 증가에 의한 축전 장치(111)의 축전량 Q의 감소를 억제하므로, 충전량 제어기(114)에 의한 토크 목표가 증가하고, 도 4의 (f)에 나타내는 바와 같이, 디젤 엔진(101)의 토크가 증가한다. 한편, 속도 제어기(118)는, 디젤 엔진(101)의 토크의 증가에 의한 회전 속도 N의 증가를 억제하기 위해, 제2 토크 지령 T2*를 감소시킨다. 이에 의해, 도 4의 (c)에 나타내는 바와 같이, 제1 전동기(102)의 토크는 부로 되고, 제1 전동기(102)는 발전 동작을 행하게 되고, 축전 장치(111)의 방전 전류의 증가는 억제되고, 충전량 Q의 감소는 억제된다. 즉, 제2 전동기(112)의 출력에 맞추어, 디젤 엔진(101)의 토크가 증가하므로, 증가한 토크에 의해 제1 전동기(102)는 발전을 행하고, 회전수 N 및 충전량 Q는 각각 회전수 지령 N* 및 충전량 지령 Q*에 일치하도록 제어된다. 또한, 이때의 제2 전동기(112)의 출력의 증가에 수반하는 토크 목표의 시간 변화율은 제한값 이하이며, 제1 토크 지령 T1*은 토크 목표에 일치한다.

이상의 제어에 의해, 시각 t1∼t2에 있어서는, 도 4의 (g)에 나타내는 제2 전동기(112)의 출력의 증가에 맞추어, 도 4의 (f)에 나타내는 바와 같이, 디젤 엔진(101)의 토크가 증가하고, 도 4의 (c)에 나타내는 바와 같이, 제1 전동기(102)의 토크가 감소(발전량이 증가)한다.

시각 t2에 있어서, 제2 전동기(112)의 감속이 개시되면, 출력이 역행으로부터 회생으로 급변한다. 도 4의 (g)에 나타내는 바와 같이, 제2 전동기(112)의 출력이 정(正)으로부터 부로 급변한다. 이에 수반하여, 축전 장치(111)는 제2 전동기(112)의 회생 전력 및 제1 전동기(102)의 발전 전력을 흡수하므로, 도 4의 (d)에 나타내는 바와 같이, 축전 장치(111)의 방전 전류의 감소, 즉, 도 4의 (e)에 나타내는 바와 같이, 축전 장치(111)의 충전을 개시하고, 축전량 Q가 증가한다. 충전량 Q가 증가하면 충전량 제어기(114)에 의해 토크 목표가 감소한다. 이때, 제2 전동기(112)의 출력 변화가 급격하므로, 토크 목표도 급격하게 변화하려고 하지만, 토크 제한기(115)에 의해 제1 토크 지령 T1*은 변화율이 제한되므로, 도 4의 (f)에 나타내는 바와 같이, 디젤 엔진(101)의 토크는, 급격하게 변화하지 않는다.

이에 의해, 디젤 엔진(101)은 급격하게 토크를 변화시키지 않으므로, 입자상 물질이 발생하기 쉬운 과잉의 연료 분사에 의한 등량비가 높은 상태에서의 연소나 질소 산화물이 발생하기 쉬운 과잉의 연소 온도에서의 연소를 피할 수 있다.

또한, 회전 속도 N을 일정하게 제어하는 제1 전동기(102)의 토크는, 도 4의 (c)에 나타내는 바와 같이, 디젤 엔진(101)의 토크의 감소에 맞추어 증가하고, 제1 전동기(102)의 발전량은 천천히 감소하게 된다. 이로 인해, 충전량 Q는 잠시 증가를 계속한다.

제1 전동기(102)의 토크가 증가를 계속하고, 발전 상태로부터 역행 상태로 되고, 시각 t3에 있어서, 소비 전력이 제2 전동기(112)의 회생 전력을 상회하면, 도 4의 (e)에 나타내는 바와 같이, 충전량 Q가 감소를 시작한다. 충전량 Q가 감소하면, 충전량 제어기(114)에 의해 토크 목표가 증가하고, 도 4의 (f)에 나타내는 바와 같이, 디젤 엔진(101)의 토크가 증가한다. 속도 제어기(118)는, 디젤 엔진(101)의 토크 증가에 의한 회전수 N의 증가를 억제하므로, 제1 전동기(102)의 토크를 감소시키고, 도 4의 (c)에 나타내는 바와 같이, 축전 장치(111)의 방전 전류가 감소한다.

이 결과, 시각 t5에서는, 도 4의 (c)에 나타내는 바와 같이, 제1 전동기(102)의 토크는 0으로 되고, 도 4의 (d)에 나타내는 바와 같이, 축전 장치(111)의 방전 전류도 0이며, 도 4의 (e)에 나타내는 충전량 Q는 충전량 지령 Q*에 일치하고, 디젤 엔진(101)의 토크는, 펌프 토크에 일치하는 상태로 된다.

상술한 바와 같이, 선회 동작에 의해, 제2 전동기(112)가 역행 회생 운전을 행한 경우에 있어서도, 회전수 N은 회전수 지령 N*에 일치하도록 제어되고, 디젤 엔진(101)의 토크의 시간 변화율도 억제할 수 있고, 축전 장치(111)의 축전량 Q도 축전량 지령 Q*에 일치하도록 제어된다.

다음으로, 도 5∼도 8을 이용하여, 펌프 토크의 시간 변화율을 바꾼 경우의, 펌프 토크, 회전수 N, 제1 전동기(102)의 토크 및 디젤 엔진(101)의 토크의 시간 변화에 대해 설명한다.

도 5∼도 8에서는, 각각, 펌프 토크의 시간 변화율을 조건 1∼조건 4로서 바꾸고 있다. 여기서, 조건 1과 조건 2는, 펌프 토크의 시간 변화율이 작은 경우를 나타내고, 조건 3과 조건 4는 펌프 토크의 시간 변화율이 큰 경우를 나타낸다. 조건 2 및 조건 4는, 각각 조건 1 및 조건 3에 대해 펌프 토크의 시간 변화율을 2배로 한 경우이다.

또한, 도 5∼도 8에 있어서, 횡축은 시간을 나타내고 있다. 도 5의 (a)의 종축은 유압 펌프(103)의 펌프 토크를 나타내고, 도 5의 (b)의 종축은 제1 전동기(102)의 회전수 N을 나타내고 있다. 또한, 디젤 엔진(101), 제1 전동기(102) 및 유압 펌프(103)는, 동일한 회전수로 기계적으로 결합되어 있는 것으로 한다. 도 5의 (c)의 종축은 제1 전동기(102)의 토크를 나타내고, 도 5의 (f)의 종축은 디젤 엔진(101)의 토크를 나타내고 있다. 도 5의 (f)에 있어서의 굵은 점선은, 토크선의 기울기를 비교하기 쉽게 하기 위한 기준으로 하는 참고선이다. 또한, 도 6∼도 8의 각 (a), (b), (c), (f)의 종축은, 도 5의 (a)∼도 5의 (f)의 종축과 마찬가지이다.

조건 1(도 5)과 조건 2(도 6)의 경우에는, 도 5의 (a)나 도 6의 (a)에 나타내는 바와 같이, 펌프 토크의 시간 변화율이 작으므로, 도 5의 (f)나 도 6의 (f)에 나타내는 바와 같이, 펌프 토크의 증가에 디젤 엔진(101)의 토크가 추종할 수 있다. 그로 인해, 도 5의 (c)나 도 6의 (c)에 나타내는 바와 같이, 제1 전동기(102)의 토크를 크게 할 필요가 없고, 제1 전동기(102)의 토크의 피크 시에 있어서, 제1 전동기(102)의 토크는 디젤 엔진(101)의 토크보다 작다.

한편, 조건 3(도 7)과 조건 4(도 8)의 경우에는, 도 7의 (a)나 도 8의 (a)에 나타내는 바와 같이, 펌프 토크의 시간 변화율이 크므로, 펌프 토크의 증가에 디젤 엔진(101)의 토크가 추종할 수 없다. 여기서, 회전수 N을 유지하기 위해서는, 도 7의 (c)나 도 8의 (c)에 나타내는 바와 같이, 제1 전동기(102)의 토크를 크게 할 필요가 있고, 제1 전동기(102)의 토크의 피크 시에 있어서, 제1 전동기(102)의 토크는 디젤 엔진(101)의 토크보다 커진다.

또한, 펌프 토크의 시간 변화율이 작은 조건 1, 조건 2의 경우에, 펌프 토크의 시간 변화율이 조건 1로부터 조건 2로 변화하였을 때의 디젤 엔진(101)의 토크의 시간 변화율을 비교하면, 조건 2(도 6)는 조건 1(도 5)에 대해 크게 변화하고 있는 것에 반해, 펌프 토크의 시간 변화율이 작은 조건 3, 조건 4의 경우에, 펌프 토크의 시간 변화율이 조건 3으로부터 조건 4로 변화하였을 때의 조건 4(도 8)는 토크 제한기(105)에 의해 제한되므로, 조건 3(도 7)에 대한 변화가 작다. 즉, 펌프 토크의 시간 변화율이 작은 경우(조건 1과 조건 2)에는, 펌프 토크의 시간 변화율의 증가에 대한 디젤 엔진(101)의 토크의 시간 변화율의 증가가 크고, 펌프 토크의 시간 변화율이 큰 경우(조건 3과 조건 4)에는, 펌프 토크의 시간 변화율의 증가에 대한 디젤 엔진(101)의 토크의 시간 변화율의 증가가 작다.

또한, 어느 경우나 속도 제어기(116)의 동작에 의해, 회전수 N은 회전수 지령 N*에 일치하도록 제어된다. 즉, 본 실시예의 건설 기계에 따르면, 펌프 토크의 시간 변화율이 작은 경우에는, 디젤 엔진(101)의 토크는 펌프 토크에 따라 제어되지만, 이때 디젤 엔진(101)의 토크의 시간 변화율은 작으므로, 디젤 엔진(101)은 입자상 물질이나 질소 산화물이 발생하기 쉬운 상태로 되지 않는다.

한편, 펌프 토크의 시간 변화율이 큰 경우에는, 디젤 엔진(101)의 토크의 시간 변화율은 제한되어 펌프 토크에 따라 제어되지 않는다. 따라서, 이 경우에도 디젤 엔진(101)의 토크의 시간 변화율이 제한되므로, 디젤 엔진(101)은 입자상 물질이나 질소 산화물이 발생하기 쉬운 상태로 되지 않는다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 건설 기계에 탑재되는 내연 기관으로부터 배출되는 입자상 물질(PM) 또는 질소 산화물(NOX)을 저감함과 함께, 전동기에 전력을 공급하는 축전 장치의 충전량을 적정하게 제어할 수 있다.

또한, 용량이 작은 캐패시터 등을 축전 장치로서 이용하는 경우에도, 충전량을 적절하게 제어할 수 있다.

다음으로, 도 9∼도 11을 이용하여, 본 발명의 다른 실시 형태에 의한 건설 기계의 구성 및 동작에 대해 설명한다. 또한, 본 실시 형태에 의한 건설 기계인 유압 셔블의 전체 구성은, 도 1에 도시한 것과 마찬가지이다.

우선, 도 9를 이용하여, 본 실시 형태에 의한 건설 기계를 구동하는 구동 시스템의 구성에 대해 설명한다.

도 9는 본 발명의 다른 실시 형태에 의한 건설 기계를 구동하는 구동 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다. 또한, 도 2와 동일 부호는, 동일 부분을 나타내고 있다.

제2 속도 제어기(131)는, 감산기(130)에서 구해진 회전 속도 지령 N*과 디젤 엔진(101)의 회전 속도 N’의 편차에 기초하여, 디젤 엔진(101)의 회전 속도 N’이 회전 속도 지령 N*에 일치하는 토크 목표를 연산하고, 토크 제한기(115)에 출력한다.

한편, 바이패스 필터(132)는, 속도 제어기(118)의 출력으로부터 직류 성분을 포함하는 저주파 성분을 제외한 것을 출력한다. 감산기(133)는, 속도 제어기(118)의 출력으로부터 직류 성분을 포함하는 저주파 성분을 제외한 바이패스 필터(132)의 출력으로부터 충전량 제어기(114)의 출력을 감산하고, 제2 토크 지령 T2*로서 출력한다.

또한, 디젤 엔진(101)과 제1 전동기(102)는 기계적으로 결합되어 있으므로, 회전 속도는 동일하며, 이하의 설명에서는 회전 속도 N을 대표하여 사용한다.

다음으로, 본 실시 형태의 구동 시스템의 동작에 대해 설명한다.

유압 펌프(103)의 토크가 변화한 경우, 제2 속도 제어기(131)에 의해 회전수 N의 변동을 억제하지만, 토크 제한기(105)에 의해 디젤 엔진(101)의 토크의 변화율은 제한되므로, 디젤 엔진(101)은 입자상 물질이나 질소 산화물이 발생하기 쉬운 상태로 되지 않는다. 한편, 디젤 엔진(101)의 토크의 변화율이 제한되므로, 제2 속도 제어기(131)만으로는, 회전 속도 N의 변동을 충분히 억제하는 것이 어렵다. 이로 인해, 과도적으로는 속도 제어기(118)에 의해 회전 속도 N의 변동을 억제한다. 또한, 정상적으로는, 바이패스 필터(132)에 의해 저주파 성분이 제거되므로, 충전량 제어기(114)에 의한 충전량 Q의 제어가 행해진다.

다음으로, 도 10∼도 11을 이용하여, 본 실시 형태에 의한 건설 기계에 이용하는 구동 시스템의 동작에 대해 설명한다.

도 10∼도 11은 본 발명의 다른 실시 형태에 의한 건설 기계에 이용하는 구동 시스템의 동작을 나타내는 타이밍차트이다.

우선, 도 10은 아암 등을 구동하여, 펌프 토크가 변화한 경우의 각 부의 동작을 나타내고 있고, 그 동작은, 도 3에서 설명한 것과 마찬가지이다.

이 경우, 회전수 N은 회전수 지령 N*에 일치하도록 제어되고, 디젤 엔진(101)의 토크의 시간 변화율이 억제되고, 축전 장치(111)의 축전량 Q도 축전량 지령 Q*에 일치하도록 제어된다.

다음으로, 도 11은 제2 전동기(112)가 동작한 경우의 각 부의 동작을 나타내고 있고, 그 동작은, 도 4에서 설명한 것과 마찬가지이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 의해서도, 건설 기계에 탑재되는 내연 기관으로부터 배출되는 입자상 물질(PM) 또는 질소 산화물(NOX)을 저감함과 함께, 전동기에 전력을 공급하는 축전 장치의 충전량을 적정하게 제어할 수 있다.

또한, 상술한 설명에서는, 회전 속도 지령 N*은 일정값을 부여하고 있지만, 유압 펌프 부하가 가벼운 경우에는 회전 속도 지령 N*을 낮추고, 유압 펌프 부하가 무거운 경우에는 회전 속도 지령 N*을 높이는 등, 회전 속도 지령 N*을 변화시켜도, 편차에 기초하여 제어되어 있으므로, 회전 속도 N은 추종할 수 있다.

또한, 토크 제한기(105)의 시간 변화율은 일정하게 하고 있지만, 디젤 엔진(101)의 동작 상태에 따라 입자상 물질이나 질소 산화물이 소정량보다 증가하지 않는 범위에서 변화시키는 것도 가능하다. 또한, 토크 제한기(105)는, 입자상 물질이나 질소 산화물이 소정량보다 증가하지 않는 범위에서 토크 제한기(105)의 입력과 출력을 일치시키고, 입력과 출력을 일치시키면 입자상 물질이나 질소 산화물이 소정량보다 증가하는 경우에는, 출력의 시간 변화율을 제한하는 구성으로 하는 것도 가능하다.

또한, 디젤 엔진(101), 제1 전동기(102) 및 유압 펌프(103)는 동일한 회전수로 기계적으로 결합되어 있지만, 변속기를 통해 결합하는 것도 가능하며, 이 경우에는 회전 속도 지령 N*, 회전 속도 N’ 및 회전 속도 N은 변속비를 고려하여 환산할 필요가 있다.

101 : 디젤 엔진(내연 기관)
102 : 제1 전동기
103 : 유압 펌프(유압 발생기)
104 : 컨트롤 밸브
105, 106, 107 : 유압 실린더
108, 109 : 유압 모터
110 : 전력 변환기
111 : 축전 장치
112 : 제2 전동기
113 : 선회 기구
114 : 충전량 제어기
115 : 토크 제한기(제2 제어 수단)
116 : 엔진 컨트롤러
118 : 속도 제어기(제1 제어 수단)
119 : 선회 제어기
131 : 제2 속도 제어기
132 : 바이패스 필터
200 : 유압 셔블(건설 기계의 대표예)

Claims

토크 지령에 기초하여 제어되는 내연 기관과,
상기 내연 기관과 기계적으로 결합된 전동기와,
상기 전동기에 전력을 공급하는 축전 장치를 갖고,
상기 내연 기관과 상기 전동기에 의해 유압 발생기를 구동하여 작업을 행하는 건설 기계이며,
속도 지령에 기초하여 상기 전동기의 속도를 제어하는 제1 제어 수단과,
토크 목표에 기초하여 시간 변화율을 제한된 상기 토크 지령을 구하는 제2 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
제1항에 있어서, 상기 내연 기관은, 상기 속도 지령과 상기 속도에 기초하여 구해진 제1 토크 지령에 의해 제어되는 것이며,
상기 제1 제어 수단은, 상기 속도 지령과 상기 전동기의 속도에 기초하여 구해진 제2 토크 지령을 연산하는 것이며,
또한, 상기 제2 토크 지령의 직류 성분을 포함하는 저주파 성분을 제거하는 바이패스 필터를 구비하고,
상기 바이패스 필터의 출력에 기초하여 상기 전동기를 제어하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
제1항에 있어서, 상기 전동기는 속도 지령에 기초하여 속도 제어됨과 함께,
상기 유압 발생기의 토크의 시간 변화율이 작은 경우에는, 상기 내연 기관의 토크가, 상기 전동기의 토크보다 크고,
상기 유압 발생기의 토크의 시간 변화율이 큰 경우에는, 상기 전동기의 토크가, 상기 내연 기관의 토크보다 큰 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
제1항에 있어서, 상기 전동기는 속도 지령에 기초하여 속도 제어됨과 함께,
상기 유압 발생기의 토크의 시간 변화율이 작은 경우에는, 상기 유압 발생기의 토크의 시간 변화율의 변화에 대해, 상기 내연 기관의 토크 시간 변화율의 변화가 크고,
상기 유압 발생기의 토크의 시간 변화율이 큰 경우에는, 상기 유압 발생기의 토크의 시간 변화율의 변화에 대해, 상기 내연 기관의 토크 시간 변화율의 변화가 작은 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
제1항에 있어서, 상기 토크 목표는, 상기 축전 장치의 충전량에 기초하여 구하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
내연 기관과,
상기 내연 기관과 기계적으로 결합된 전동기와,
상기 전동기에 전력을 공급하는 축전 장치를 갖고,
상기 내연 기관과 상기 전동기에 의해 유압 발생기를 구동하여 작업을 행하는 건설 기계이며,
상기 전동기는 속도 지령에 기초하여 속도 제어됨과 함께,
상기 유압 발생기의 토크의 시간 변화율이 작은 경우에는, 상기 내연 기관의 토크가, 상기 전동기의 토크보다 크고,
상기 유압 발생기의 토크의 시간 변화율이 큰 경우에는, 상기 전동기의 토크가, 상기 내연 기관의 토크보다 큰 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
내연 기관과,
상기 내연 기관과 기계적으로 결합된 전동기와,
상기 전동기에 전력을 공급하는 축전 장치를 갖고,
상기 내연 기관과 상기 전동기에 의해 유압 발생기를 구동하여 작업을 행하는 건설 기계이며,
상기 전동기는 속도 지령에 기초하여 속도 제어됨과 함께,
상기 유압 발생기의 토크의 시간 변화율이 작은 경우에는, 상기 유압 발생기의 토크의 시간 변화율의 변화에 대해, 상기 내연 기관의 토크 시간 변화율의 변화가 크고,
상기 유압 발생기의 토크의 시간 변화율이 큰 경우에는, 상기 유압 발생기의 토크의 시간 변화율의 변화에 대해, 상기 내연 기관의 토크 시간 변화율의 변화가 작은 것을 특징으로 하는, 건설 기계.