KR101060600B1 - 하이브리드 굴삭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 굴삭기에 관한 것으로 보다 자세하게는, 전기 에너지만으로 동작할 때 에너지 효율을 향상할 수 있는 하이브리드 굴삭기에 관한 것이다.

본 발명은, 상부 선회체를 회전시키기 위한 선회용 유압모터와, 하부 구동체를 주행시키기 위한 주행용 유압모터와, 붐/암/버킷을 구동시키기 위한 실린더부가 구비된 굴삭기로서, 연료를 연소하여 동력을 발생시키며, 발생된 상기 동력을 통해 구동축을 회전시키는 엔진; 상기 구동축과 결합하여 상기 엔진으로부터 발생된 동력을 전달받기 위한 결합축을 구비하며, 상기 동력을 통해 전기에너지를 생성하거나, 저장된 전기에너지를 이용하여 보조동력을 발생시키는 발전기모터; 상기 동력과 상기 보조동력을 이용하여 상기 선회용 유압모터, 상기 주행용 유압모터 및 상기 실린더부를 구동시키기 위한 유압을 생성하는 유압펌프; 상기 발전기모터를 통해 생성된 전기에너지를 저장하기 위한 축전수단; 상기 구동축과 상기 결합축을 결합시키거나 분리시키는 선택 동력전달 수단; 및 굴삭기의 각 구성을 전반적으로 제어하며, 상기 엔진이 동작하지 않을 경우 상기 선택 동력전달 수단이 상기 구동축과 상기 결합축을 분리시키도록 제어하는 제어기;를 포함한다.

굴삭기, 하이브리드, 전기에너지, 에너지효율

Description

하이브리드 굴삭기{Hybrid excavator}

본 발명은 굴삭기에 관한 것으로 보다 자세하게는, 전기 에너지만으로 동작할 때 에너지 효율을 향상할 수 있는 하이브리드 굴삭기에 관한 것이다.

굴삭기는 일반적으로 '포크레인'이라 불리는 건설기계장비로서, 건설현장에서 배수로 묻기, 파이프 묻기, 건물기초 바닥파기, 토사적재 등 다양한 기능을 수행한다.

근래에는 친환경과 에너지 절약을 모토로 하여, 화석연료와 전기에너지를 동시에 이용하는 하이브리드 시스템이 보급되고 있으며, 이러한 하이브리드 시스템은 자동차 분야에 이어서 굴삭기와 같은 중장비 분야에서도 이용되기 시작하였다.

굴삭기는 크게 상부 선회체와, 하부 구동체 및 작업 전부장치로 구성되는데, 이들의 구동에 필요한 유압을 생성하기 위해, 예전에는 화석연료를 연소하여 동력을 발생시키는 엔진만을 이용하였으나, 근래에는 엔진이 생성하는 동력을 통해 전기에너지를 생성하고, 차후에 저장해 두었던 전기에너지를 이용하여 다시 동력을 생성하는 발전기모터가 동시에 이용된다.

그런데 종래의 하이브리드 굴삭기에서는 엔진과 발전기모터가 일체형으로 형 성되어 있어, 전기에너지를 이용하는 발전기모터만으로 동력을 생성하고자 할 때에도 엔진이 함께 회전되어야 했다.

이에 따라 실제적으로 동작하지 않는 엔진이 발전기모터에 의한 회전운동의 운동부하로 작용하게 되므로 에너지효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 모터만을 구동하여 하이브리드 굴삭기를 구동하고자 할 때에, 모터와 엔진을 분리시킴으로써 모터에 의한 동력 생성의 효율을 높일 수 있는 하이브리드 굴삭기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 굴삭기의 구동에 이용되고 남은 잉여유압을 이용하여 전기에너지를 생성할 수 있도록 함으로써 에너지 효율을 극대화할 수 있는 하이브리드 굴삭기를 제공하는 데 다른 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상부 선회체를 회전시키기 위한 선회용 유압모터와, 하부 구동체를 주행시키기 위한 주행용 유압모터와, 붐/암/버킷을 구동시키기 위한 실린더부가 구비된 굴삭기로서, 연료를 연소하여 동력을 발생시키며, 발생된 상기 동력을 통해 구동축을 회전시키는 엔진; 상기 구동축과 결합하여 상기 엔진으로부터 발생된 동력을 전달받기 위한 결합축을 구비하며, 상기 동력을 통해 전기에너지를 생성하거나, 저장된 전기에너지를 이용하여 보조동력을 발생시키는 발전기모터; 상기 동력과 상기 보조동력을 이용하여 상기 선회용 유압모터, 상기 주행용 유압모터 및 상기 실린더부를 구동시키기 위한 유압을 생성하는 유압펌프; 상기 발전기모터를 통해 생성된 전기에너지를 저장하기 위한 축전수단; 상기 구동축과 상기 결합축을 결합시키거나 분리시키는 선택 동력전달 수단; 및 굴 삭기의 각 구성을 전반적으로 제어하며, 상기 엔진이 동작하지 않을 경우 상기 선택 동력전달 수단이 상기 구동축과 상기 결합축을 분리시키도록 제어하는 제어기;를 포함한다.

본 발명은 발전기모터만을 구동하여 하이브리드 굴삭기를 구동하고자 할 때에, 발전기모터와 엔진을 분리시킴으로써, 발전기모터에 의한 동력 생성의 효율을 높일 수 있다.

또한, 본 발명은 굴삭기의 구동에 이용되고 남은 잉여유압을 이용하여 전기에너지를 생성할 수 있도록 함으로써 에너지 효율을 극대화할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기의 구성도이 다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기(100)는, 엔진(110)과 발전기모터(120)와 선택 동력전달 수단(130)과 유압펌프(140)와 축전수단(150) 및 제어기(160)를 포함한다.

엔진(110)은 일반적인 화석연료(휘발유, 경유 또는 가스)를 연소시켜 굴삭기(100)의 구동에 필요한 기본적인 동력을 발생시킨다.

또한, 엔진(110)은 발생된 동력을 통해 엔진의 구동축(도 2의 112)을 회전시킨다.

발전기모터(120)는 명칭 그대로 발전과 역학에너지의 생성이 가능한 것으로, 결합축(도 2의 122)을 통해 엔진의 구동축(112)과 연결되어, 엔진(110)으로부터 발생된 동력을 통해 전기에너지를 생성하며, 축전수단(150)에 저장된 전기에너지를 이용하여 보조동력을 발생시킨다.

이러한 발전기모터(120)는 하이브리드 시스템의 핵심으로, 엔진과 동시에 구동하면서 안정적인 동력을 생성할 수도 있고, 엔진이 구동되지 않을 때 단독으로 구동하여 연료의 소비를 절감할 수도 있다.

예를 들어, 아래에서 설명할 유압펌프(140)를 구동시키기 위해 '10'이라는 수치의 동력(토크)이 필요하다고 할 때, 엔진(110)이 '6'의 동력을 발생시키고, 발전기모터(120)가 '4'의 동력을 발생시켜 이들로부터 발생된 동력의 합을 이용할 수 있다.

이러한 구성을 통해 연료의 소비를 줄이면서도 필요한 동력을 안정적으로 발생시킬 수 있다.

이와 같은 발전기모터(120)는 단독적으로 구동할 경우 엔진을 완전히 대체할 수 있을 용량을 갖는 것이 바람직하다.

선택 동력전달 수단(130)은 구동축(112)과 결합축(122)을 결합시키거나 분리시켜, 엔진(110)이 생성한 동력이 발전기모터(120)를 거쳐 유압펌프(140) 측으로 전달될 수 있도록 하며, 엔진(110)이 구동되지 않은 채 발전기모터(120)가 보조동력을 생성할 때 엔진(110)이 발전기모터(120)의 운동부하로 작용하지 않도록 한다.

도 2a에는 이러한 선택 동력전달 수단(130)의 바람직한 일 실시예가 도시되어 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 구동축(112)과 결합축(122)의 결합면에 클러치(131, 132)가 구비되어 제어기(160)의 제어에 따라 클러치(131, 132)가 구동축(112)과 결합축(122)을 결합시키거나, 분리시킨다.

제어기(160)는 굴삭기의 각 구성을 전반적으로 제어하는데, 본 발명에서는 특히 엔진(110)의 구동을 모니터링하도록 구성된다.

또한, 본 발명에서의 제어기(160)는, 엔진(110)이 동작하지 않을 경우, 클러치(131, 132)를 제어하여 구동축(112)과 결합축(122)의 결합을 분리한다.

이와 같은 구성을 통해 본 발명은 발전기모터(120)가 단독적으로 동작할 경우에 결합축에 의해 연결된 엔진(110)이 발전기모터(120)의 운동부하로 작용하지 않도록 할 수 있어, 발전기모터(120)에 의한 동력생성의 효율을 최대화할 수 있다.

도 2b는 선택 동력전달 수단(130)의 바람직한 다른 실시예가 도시되어 있다.

도 2b는 원웨이 토크 트랜스미터를 이용한 실시예로서, 도시된 것과 같이 원웨이 토크 트랜스미터는 구동축(112)의 일단에 구비되며, 그 외측에 탄성부 재(133b)를 이용하여 신축 가능한 다수의 이빨(133a)을 구비하여 일방향으로만 동력을 전달하는 엔진구동래칫(133)과, 결합축(122)의 일단에 구비되며, 다수의 이빨(134a)를 통해 엔진구동래칫(133)의 이빨(133a)과 맞물려 일방향으로만 동력을 전달받는 내치형 모터구동래칫(134)을 포함하여 구성된다.

이와 같은 원웨이 토크 트랜스미터는 도 2b와 같이 치형이 형성되면, 시계 방향으로는 엔진구동래칫(133)과 내치형 모터구동래칫(134)의 이빨(133a, 134a)이 서로 맞물려 동력이 전달되나, 반시계 방향으로 회전하는 경우 엔진구동래칫(133)의 이빨(133b)이 내부로 축퇴하면서 동력이 전달되지 않는다.

또한, 모터가 엔진보다 고속으로 회전하는 경우 내치형 모터구동래칫(134)이 엔진구동래칫(133)보다 고속으로 회전하므로, 이때도 엔진구동래칫(133)의 이빨이 축퇴하면서 모터의 동력이 엔진으로 전달되지 않도록 한다.

유압펌프(140)는 엔진(110)으로부터 발생된 동력과 발전기모터(120)로부터 발생된 보조동력을 이용하여 유압을 생성한다.

다시 말하면, 유압펌프(140)는 엔진(110) 또는 발전기모터(120)의 구동에 의해 생성되는 동력과 보조동력을 선택적으로 이용하여 유압을 생성할 수도 있으며, 위에서 설명한 바와 같이 동력과 보조동력을 동시에 이용하여 유압을 생성하는 것도 가능하다.

이렇게 생성된 유압은 메인컨트롤밸브(101)를 거쳐 상부 선회체를 회전시키기 위한 선회용 유압모터와, 하부 구동체를 주행시키기 위한 주행용 유압모터와, 붐/암/버킷을 구동시키기 위한 실린더부 등이 포함된 굴삭기 구동부(102)로 적절히 분배되어 전달된다.

유압이 생성된 후, 이를 이용하여 선회용 유압모터, 주행용 유압모터, 실린더부 등을 구동하는 구성은 이미 당 업계에 공지된 것이므로, 더 이상의 상세한 설명은 생략하도록 한다.

축전수단(150)은 발전기모터(120) 또는 차후에 설명할 발전기(도 3의 172)로부터 생성되는 전기에너지를 저장하며, 발전기모터(120)가 보조동력을 생성할 때에는 발전기모터(120)로 저장된 전기에너지를 공급한다.

이때, 발전기모터(120) 또는 발전기(172)에서 출력되는 전기에너지는 교류형태로 출력되는데, 전기에너지는 배터리와 같은 축전장치(152)에 교류형태로 저장되기 어려우므로, 이를 직류로 변환시키기 위한 컨버터(151)가 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 컨버터(151)는 축전장치(152)에서 출력되는 직류형태의 전기에너지를 교류로 변환하여 발전기모터(120)에 공급할 수 있다.

한편, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면 도 3에 도시된 바와 같이 잉여유압 발전수단(170)을 더 포함한다.

이러한 잉여유압 발전수단(170)은 유압펌프(140)를 통해 생성된 유압을 이용하여 전기에너지를 생성하는 것으로, 도 3에 도시된 것과 같이 유압모터(171)와 발전기(172)로 구성된다.

유압펌프(140)에서는 굴삭기 구동부(102)의 구동에 요구되는 유압만이 생성하는 것이 에너지 효율면에서 가장 이상적이나 실제로는 굴삭기 구동부(102)의 구 동에 요구되는 정도 이상의 유압을 생성하게 되는데, 이러한 잉여유압은 이용되지 않으므로 결국 버려지는 에너지가 된다.

본 발명의 바람직한 다른 실시예는 이러한 잉여유압을 이용하여 전기에너지를 생성하기 위한 것으로, 제어기(150)의 제어에 의해 메인컨트롤밸브(101)로부터 잉여유압이 출력되면 유압모터(171)가 이러한 잉여유압을 통해 회전에너지를 생성하며, 발전기(172)가 이 회전에너지를 인가받아 전기에너지를 생성하도록 한다.

또한, 발전기(172)는 앞서 설명한 축전수단(150)과 연결되어 발전기(172)에서 생성된 전기에너지가 차후에 발전기모터(120)의 구동에 이용되기 위해 저장된다.

이러한 구성을 통해 본 발명은 낭비되는 에너지를 최소화할 수 있다.

이때, 본 발명의 하이브리드 굴삭기에서 일반적인 구동을 위해 사용되는 통상 압력은 Max 350bar 정도가 되는데, 유압펌프(140)가 이 이상의 유압을 생성하면 제어기(150)는 유압센서(미도시)를 통해 이를 감지하고, Max 350bar 이상의 잉여유압을 이용하여 발전기(172)를 구동시킬 수 있도록 제어한다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기의 구성도,

도 2a는 도 1에 도시된 선택 동력 전달수단의 바람직한 일 실시예를 도시한 예시도,

도 2b는 도 1에 도시된 선택 동력 전달수단의 바람직한 다른 실시예를 도시한 예시도,

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기의 구성도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 설명>

110 : 엔진 120 : 발전기모터

130 : 선택 동력 전달수단 140 : 유압펌프

150 : 축전수단 160 : 제어기

170 : 잉여유압 발전수단

Claims (4)

1. 상부 선회체를 회전시키기 위한 선회용 유압모터와, 하부 구동체를 주행시키기 위한 주행용 유압모터와, 붐/암/버킷을 구동시키기 위한 실린더부가 구비된 굴삭기에 있어서,

   연료를 연소하여 동력을 발생시키며, 발생된 상기 동력을 통해 구동축을 회전시키는 엔진;

   상기 구동축과 결합하여 상기 엔진으로부터 발생된 동력을 전달받기 위한 결합축을 구비하며, 상기 동력을 통해 전기에너지를 생성하거나, 저장된 전기에너지를 이용하여 보조동력을 발생시키는 발전기모터;

   상기 동력과 상기 보조동력을 이용하여 상기 선회용 유압모터, 상기 주행용 유압모터 및 상기 실린더부를 구동시키기 위한 유압을 생성하는 유압펌프;

   상기 구동축과 상기 결합축을 결합시키거나 분리시키는 원웨이 방식의 선택 동력전달 수단;

   굴삭기의 각 구성을 전반적으로 제어하며, 상기 엔진이 동작하지 않을 경우 상기 선택 동력전달 수단이 상기 구동축과 상기 결합축을 분리시켜, 발전기모터에 의한 유압펌프 가동 시, 상기 엔진의 회전을 방지하는 동작을 제어하는 제어기;

   상기 유압펌프를 통해 생성된 유압을 이용하여 전기에너지를 생성하기 위한 잉여유압 발전수단; 및

   상기 발전기모터를 통해 생성된 전기에너지를 저장하고, 상기 잉여유압 발전수단을 통해 생성된 전기에너지를 저장하는 축전수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 굴삭기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 선택 동력전달 수단은,

   상기 구동축과 상기 결합축의 결합면에 구비되는 클러치인 것을 특징으로 하는 하이브리드 굴삭기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 선택 동력전달 수단은,

   상기 구동축의 일단에 구비되며, 외측에 신축 가능한 다수의 이빨을 구비하여 일방향으로만 동력을 전달하는 엔진구동래칫; 및

   상기 결합축의 일단에 구비되며, 상기 엔진구동래칫의 이빨과 맞물려 일방향으로만 동력을 전달받는 내치형 모터구동래칫;을 포함하는 원웨이 토크 트랜스미터인 것을 특징으로 하는 하이브리드 굴삭기.
4. 삭제

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