KR101631718B1 - 건설기계의 냉각팬 부하에 따른 자동 엔진 토크 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건설기계의 냉각팬 부하에 따라 엔진 토크를 자동 제어하여 엔진이 견딜 수 있는 이상의 부하가 걸리지 않도록 일정량으로 토크를 제한함으로써 연비를 절감하는 건설기계의 냉각팬 부하에 따른 자동 엔진 토크 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 냉각에 적용되는 각종 유체의 온도를 감지하는 다수의 온도 센서와, 냉각팬의 회전수를 제어하기 위한 냉각팬 회전수 제어수단, 다수의 온도 센서 중 어느 하나 이상의 센서로부터 입력받은 온도 신호에 따라 냉각팬의 부하 정도를 검출하고, 냉각팬의 부하 정도에 따라 냉각팬의 회전 속도를 제어하기 위한 제어신호를 냉각팬 회전수 제어수단으로 출력함과 동시에, 냉각팬의 부하 정도에 따라 엔진의 토크를 제어하기 위한 제어신호를 엔진 콘트롤러로 출력하여, 냉각팬의 부하와 상응하는 토크 특성으로 엔진이 구동하도록 자동 제어하는 장비 콘트롤러를 포함할 수 있다.

건설기계, 냉각팬, 엔진 토크

Description

건설기계의 냉각팬 부하에 따른 자동 엔진 토크 제어 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING ENGINE TORQUE AUTOMATICALLY BY FAN LOAD IN CONSTRUCTION EQUIPMENT}

본 발명은 건설기계의 엔진 토크 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 건설기계의 냉각팬 부하에 따라 엔진 토크를 자동 제어함으로써 건설기계의 연비를 절감할 수 있는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 건설기계는 작동유나 엔진 냉각수, 트랜스미션 오일 등의 냉각을 위하여 냉각팬을 구비하고, 이 냉각팬의 회전수를 유체 온도에 따라 제어하여 신속하고 효율적인 유체 냉각을 수행한다.

따라서, 건설기계가 주행 또는 작업을 위해 작동하게 되면, 건설기계는 주행하거나 작업하는 데 필요한 동력뿐만 아니라 냉각팬을 구동시키기 위한 동력이 필요하므로 이에 상응하는 토크로 엔진을 구동시킨다.

이때, 주행이나 작업의 부하가 작으면 엔진 토크를 줄이고, 작업의 부하가 커지면 엔진 토크를 늘려 엔진이 견딜 수 있는 이상의 부하가 걸리지 않도록 일정량으로 토크를 제한하는 토크 제어를 수행한다.

그런데, 종래의 건설기계는 냉각팬의 구동과는 무관하게 주행 및 작업에 대해서만 적응적으로 엔진 토크를 제어하고 있다.

즉, 냉각팬을 구동시키는데 필요한 동력은 고정적으로 할당되어 있고, 여기에 주행 및 작업에 따른 동력만큼만 조절하여 엔진 토크를 결정하기 때문에, 건설기계가 어떠한 작업을 수행하지 않는 정지 상태의 경우 이상적으로는 엔진 토크가 0이 되어야 하나, 실제 냉각팬을 구동시키는데 필요한 동력만큼 부가되어 구동되고 있다.

이로 인하여, 종래의 건설기계는 불필요한 동력이 엔진에 부과되어 불필요하게 연료를 소비하게 되고, 엔진이 과부하를 받는 문제점이 있다.

더욱이, 종래의 건설기계에 따르면, 냉각팬이 느린 속도로 작동하여 부하가 적게 드는 상태임에도 불구하고 이와 무관하게 엔진은 냉각팬을 구동시키는데 할당된 최대 동력으로 구동하기 때문에 불필요한 연료 소모로 연비가 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해서 도출된 것으로서, 건설기계의 냉각팬 부하에 따라 엔진 토크를 자동 제어하여 엔진이 견딜 수 있는 이상의 부하가 걸리지 않도록 일정량으로 토크를 제한함으로써 연비를 절감하는 건설기계의 냉각팬 부하에 따른 자동 엔진 토크 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 건설기계의 냉각팬 부하에 따른 자동 엔진 토크 제어 장치는, 각종 유체를 냉각시키기 위한 냉각팬과, 상기 냉각팬의 구동에 필요한 동력과 작업에 필요한 동력을 공급하기 위해 엔진의 구동을 제어하는 엔진 콘트롤러를 포함하는 건설기계에 있어서, 상기 각종 유체의 온도를 감지하는 다수의 온도 센서; 상기 냉각팬의 회전수를 제어하기 위한 냉각팬 회전수 제어수단; 상기 다수의 온도 센서 중 어느 하나 이상의 센서로부터 입력받은 온도 신호에 따라 상기 냉각팬의 부하 정도를 검출하고, 상기 냉각팬의 부하 정도에 따라 상기 냉각팬의 회전 속도를 제어하기 위한 제어신호를 상기 냉각팬 회전수 제어수단으로 출력함과 동시에, 상기 냉각팬의 부하 정도에 따라 상기 엔진의 토크를 제어하기 위한 제어신호를 상기 엔진 콘트롤러로 출력하여 상기 냉각팬의 부하와 상응하는 토크 특성으로 엔진이 구동하도록 자동 제어하는 장비 콘트롤러를 포함하 는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 다수의 온도 센서는, 냉각수의 온도를 감지하는 냉각수 온도 센서, 트랜스미션 오일의 온도를 감지하는 트랜스미션 오일 온도 센서, 작동유의 온도를 감지하는 작동유 온도 센서, 및 대기의 온도를 감지하는 대기 온도 센서 중 어느 하나 또는 하나 이상으로 구비될 수 있다.

한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 건설기계의 냉각팬 부하에 따른 자동 엔진 토크 제어 방법은, 각종 유체를 냉각시키기 위한 냉각팬과, 상기 냉각팬의 구동에 필요한 동력과 작업에 필요한 동력을 공급하기 위해 엔진의 구동을 제어하는 엔진 콘트롤러를 포함하는 건설기계의 엔진 토크 제어 방법에 있어서, 상기 각종 유체의 온도를 감지하는 다수의 온도 센서 중 어느 하나 또는 하나 이상의 센서로부터 온도 신호를 수신하는 단계; 수신한 온도 신호에 따라 상기 냉각팬의 부하 정도를 검출하는 단계; 상기 냉각팬의 부하 정보에 따라 상기 냉각팬의 회전 속도를 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 단계; 및 상기 냉각팬의 부하 정도에 따라 상기 엔진의 토크를 제어하기 위한 제어신호를 상기 엔진 콘트롤러로 출력하여 상기 냉각팬의 부하와 상응하는 토크 특성으로 엔진이 구동하도록 자동 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 건설기계는 주행 및 작업을 위한 작업장치를 더 포함하고, 상기 엔진의 토크는, 기 검출된 작업장치들에 필요한 토크와 상기 냉각팬의 부하를 이용하여 산출된 토크의 합으로 결정되는 것을 특징으로 한다.

상기한 본 발명에 따르면, 건설기계에 설치되어 있는 장비 콘트롤러에서 유체의 온도에 따른 냉각팬의 부하 상태를 측정하고, 실제 냉각팬 부하 상태에 알맞은 사용 동력을 출력하도록 엔진 토크를 자동 제어함으로써 불필요한 연료 소모를 방지하여 연비를 절감할 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 건설기계의 냉각팬 부하에 따른 자동 엔진 토크 제어 장치(이하, 제어 장치라 칭함)에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 건설기계에서 냉각팬 부하에 따라 엔진 토크를 자동 제어하는 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 제어 장치는 다수의 온도 센서(110)로서 냉각수 온도 센서(112)과 트랜스미션 오일 온도 센서(114), 장비 콘트롤러(130), 엔진 콘트롤러(140), 냉각팬 회전수 제어수단(150), 냉각팬(160)을 포함한다.

여기서, 냉각수 온도 센서(110) 및 트랜스미션 오일 온도 센서(120)는 냉각수 및 트랜스미션 오일의 온도를 감지하는 센서로서, 일반적으로 냉각에 적용되는 냉각수 또는 트랜스미션 오일에 대해서는 한정하여 설명하고 있지만 이에 제한되지 않는다. 즉, 냉각에 적용되는 유체가 냉각수 및 트랜스미션 오일 외에 다른 유체가 사용되면 이의 온도를 감지하며, 그 외 작동유, 대기 온도까지 감지하는 센서를 추가로 다수 개 구비할 수 있다.

냉각수 온도 센서(110) 및 트랜스미션 오일 온도 센서(120)는 감지한 신호를 전기적 신호로 변환하여 장비 콘트롤러(130)로 출력한다.

냉각팬 회전수 제어수단(150)은 장비 콘트롤러(130)로부터 인가받은 전류 제어신호에 따라 냉각팬(160)의 회전 속도를 제어한다.

일 예로, 냉각팬 회전수 제어수단(150)은 비례밸브(resistance valve)일 수 있다.

엔진 콘트롤러(140)는 ECU(Engine Control Unit)라고도 불리며, 장비 콘트롤러(130)로부터 입력받은 토크 제어신호에 따라 엔진의 토크를 제어한다. 이러한 엔진 콘트롤러(140)는 장비 콘트롤러(130)와 CAN(Controller Aided Network) 통신을 통해 연결되어 냉각팬의 부하 상태에 상응하는 토크 특성으로 엔진이 구동되도록 제어한다.

장비 콘트롤러(130)는 MCU(Machine Control Unit)라고도 불리며, 다수의 온도 센서(110) 중 어느 하나 또는 하나 이상의 센서로부터 입력받은 온도 정보에 따라 냉각팬 회전수 제어수단(150) 및 엔진 콘트롤러(140)를 제어한다. 이로 인해, 냉각팬(160)의 회전 동작 및 엔진 토크를 제어한다.

구체적으로 설명하면, 장비 콘트롤러(130)는 냉각수 온도 센서(112), 트랜스미션 오일 온도 센서(114)로부터 온도 신호를 입력받고, 입력받은 온도 신호로부터 냉각팬의 부하를 검출한다. 그리고, 냉각팬의 부하 상태에 따라 냉각팬(160) 및 엔 진을 제어하기 위한 제어신호를 각각 출력한다.

여기서, 장비 콘트롤러(130)는 냉각수 온도 센서(112) 또는 트랜스미션 오일 온도 센서(114) 중 어느 하나로부터 입력되는 하나의 온도 신호를 이용할 수 있으며, 또는 냉각수 온도 센서(112) 및 트랜스미션 오일 온도 센서(114)로부터 입력되는 두 개의 온도 신호를 모두 적용하여 냉각팬의 부하를 검출할 수도 있다.

검출 후, 냉각팬(160)을 제어하기 위한 전류 제어신호는 장비 콘트롤러(130)에서 냉각팬 회전수 제어수단(150)인 비례밸브로 전달되어 비폐 밸브의 개폐 정도에 따라 냉각팬(160)의 회전 속도를 제어하고, 엔진을 제어하기 위한 토크 제어신호는 CAN(Controller Aided Network) 통신을 통해 엔진 콘트롤러(140)로 전달되어 엔진의 토크를 제어한다.

이러한 구성에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 건설기계는 냉각수 및 트랜스미션 오일의 온도가 높을 경우 이를 냉각시키기 위해 냉각팬(160)의 회전 속도를 높여야 하므로, 장비 콘트롤러(130)에서 냉각팬(160)의 부하를 높게 검출한 후, 냉각팬(160)의 회전 속도를 높이기 위해 해당 전류 제어신호를 냉각팬 회전수 제어수단(150)으로 출력한다. 그리고, 높아진 냉각팬의 부하에 상응하는 큰 토크 특성을 갖도록 엔진의 토크를 높이는 토크 제어신호를 엔진 콘트롤러(140)로 출력하여, 냉각팬 부하에 알맞은 엔진 토크로 구동시킨다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 건설기계의 냉각팬 부하에 따른 엔진 토크 관계를 나타낸 그래프이다.

참고로, 가로 방향의 X축은 냉각수 및 트랜스미션 오일의 온도를 나타내며, 세로 방향의 Y축은 냉각팬의 회전 속도[rpm] 및 비례 밸브의 전류값[A]을 각각 나타내고 있다.

도시된 그래프에서, 냉각수 및 트랜스미션 오일의 온도가 높아짐에 따라 비례밸브의 전류가 감소하고 냉각팬의 회전수가 증가하도록 출력됨을 보여주고 있다. 냉각팬의 회전수가 증가하는 것은 냉각팬의 부하가 높다는 것을 의미한다.

이 그래프에서 알 수 있듯이, 건설기계의 비례 밸브는 전류가 높을수록 냉각팬의 회전 속도를 최대로 높이고, 전류가 낮을수록 냉각팬의 회전 속도를 최소로 낮추도록 동작한다.

따라서, 냉각수 및 트랜스미션 오일의 온도가 낮으면 비례밸브의 전류가 높게 유지되고 미도시된 펌프로부터 유량이 최소로 공급되어, 이에 따라 냉각팬의 속도가 가장 낮은 상태로 유지된다. 이와 반대로, 냉각수 및 트랜스미션 오일의 온도가 높아지면 비례밸브의 전류는 낮게 설정되고 비례밸브의 개도량이 최대로 변환됨으로써 펌프로부터 유량이 최대로 공급되어, 이에 따라 냉각팬의 속도가 높은 상태로 유지된다. 본 실시예에서는 비례밸브가 별도의 냉각팬용 펌프가 구비된 상태에서 냉각팬용 펌프로부터 냉각팬으로 공급되는 유량을 조절하는 것을 일례로 설명하였으나, 본 발명이 꼭 본 실시예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 비례밸브가 냉각팬용 펌프가 토출유량의 가변이 가능한 가변유량형 펌프라면 해당 펌프의 토출유량을 조절하는 레귤레이터에 포함된 비례밸브 형태일 수 있을 것이다. 만약, 냉각팬용 펌프가 전기 펌프인 경우 별도의 비례밸브가 필요치 않을 수 있을 것이다. 즉, 제어수단(150)이 냉각팬용 전기 펌프의 회전속도를 제어함으로써 냉각팬 회전속도를 조절할 수 있게 되는 것이다.

비례밸브의 전류가 높게 유지되는 구간(ST1)에서는 엔진 토크가 0이거나 냉각팬을 구동시키는데 필요한 동력이 포함되지 않은 상태이며, 비례밸브의 전류가 낮게 유지되는 구간(ST2)에서는 냉각팬의 속도가 최대로 구동하기 때문에 이에 따라 큰 토크 특성으로 엔진이 구동하는 상태가 된다.

이처럼, 건설기계의 냉각팬 부하에 기초하여 엔진 토크를 자동 제어하는 과정에 대하여 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.

도 3은 건설기계에서 냉각팬 부하에 따라 엔진 토크를 자동 제어하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 4는 도 3의 과정을 구체적으로 설명하기 위한 상세 흐름도이다.

먼저 도 1의 구성요소와 연계하여 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 제어 방법은 건설기계의 작동이 시작되고 엔진이 구동하게 되면, 건설기계의 장비 콘트롤러에서 다수의 온도 센서(110) 중 어느 하나 이상의 센서에서 감지된 온도 신호를 수신한다(S10).

이후, 수신한 온도 신호에 따른 냉각팬 부하 정도를 산출한다(S20).

일 예로, 산출 방법은 온도 신호에 따라 냉각팬 부하 정도를 테이블화한 테이블 정보를 토대로 미리 설정된 알고리즘에 따라 산출 가능할 것이다.

이후, 산출된 냉각팬 부하 정도에 따라 냉각팬(160)의 회전 속도를 제어한다(S30).

이와 동시에 산출된 냉각팬 부하 정도에 따라 엔진 토크를 조절한다(S40).

예를 들어, 도 4에 도시한 바와 같이 온도 센서를 통해 감지된 온도 신호가 기준치 이상이 되거나 기준치 범위에 벗어나면(S100) 냉각팬(160)에 걸리는 부하가 높은 것으로 판단하고, 냉각팬 회전수 제어수단(150)에 냉각팬(160)의 회전 속도를 높이도록 제어하는 신호를 인가한다(S110). 아울러, 엔진 콘트롤러(140)에 증가된 냉각팬 부하만큼 큰 토크 특성을 갖도록 제어하는 신호를 인가함으로써 엔진 토크를 추가적으로 부가한다(S120).

이와 반대로, 온도 센서를 통해 감지된 온도 신호가 기준치 미만이거나 기준치 범위에 해당되면(S100) 냉각팬(160)에 걸리는 부하가 낮은 것으로 판단하고, 냉각팬 회전수 제어수단(150)에 냉각팬(160)의 회전 속도를 냉각팬 부하에 상응하는 속도로 감속시키는 신호를 인가한다(S130). 그리고, 감소된 냉각팬 부하만큼 작은 토크 특성을 갖도록 엔진 콘트롤러(140)를 통해 엔진 토크를 줄인다(S140).

이와 같은 전 과정에 통해, 본 발명의 실시예에서는 냉각팬에 큰 부하가 걸리는 경우 비교적 큰 토크 특성으로 엔진이 구동하도록 하고, 작은 부하 걸리는 상태일 경우는 과다한 토크가 사용되지 않고 작은 토크 특성으로 엔진이 구동되도록 함으로써 불필요한 연료 소모를 막을 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

도 1은 건설기계에서 냉각팬 부하에 따라 엔진 토크를 자동 제어하는 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 건설기계의 냉각팬 부하에 따른 엔진 토크 관계를 나타낸 그래프이다.

도 3은 건설기계에서 냉각팬 부하에 따라 엔진 토크를 자동 제어하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 4는 도 3의 과정을 구체적으로 설명하기 위한 상세 흐름도이다.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

110: 냉각수 온도 센서

120: 트랜스미션 오일 온도센서

130: 장비 콘트롤러

140: 엔진 콘트롤러

150: 비례밸브

160: 냉각팬

Claims (4)

1. 주행 및 작업을 위한 작업장치와, 각종 유체를 냉각시키기 위한 냉각팬(160)과, 상기 냉각팬(160)의 구동에 필요한 동력과 작업에 필요한 동력을 공급하기 위해 엔진의 구동을 제어하는 엔진 콘트롤러(140)를 포함하는 건설기계에 있어서,

   상기 각종 유체의 온도를 감지하는 다수의 온도 센서(110);

   상기 냉각팬의 회전수를 제어하기 위한 냉각팬 회전수 제어수단(150);

   상기 다수의 온도 센서(110) 중 어느 하나 이상의 센서로부터 입력받은 온도 신호에 따라 상기 냉각팬(160)의 부하 정도를 검출하고, 상기 냉각팬(160)의 부하 정도에 따라 상기 냉각팬(160)의 회전 속도를 제어하기 위한 제어신호를 상기 냉각팬 회전수 제어수단(150)으로 출력함과 동시에, 기 검출된 상기 작업장치들에 필요한 토크와 상기 냉각팬의 부하 정도를 이용하여 산출된 상기 냉각팬의 구동에 필요한 토크의 합으로 결정되는 값으로 상기 엔진의 토크를 제어하기 위한 제어신호를 상기 엔진 콘트롤러(140)로 출력하여 상기 냉각팬(160)의 부하와 상응하는 토크 특성으로 엔진이 구동하도록 자동 제어하는 장비 콘트롤러(130)

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 냉각팬 부하에 따른 자동 엔진 토크 제어 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 다수의 온도 센서(110)는,

   냉각수의 온도를 감지하는 냉각수 온도 센서(112),

   트랜스미션 오일의 온도를 감지하는 트랜스미션 오일 온도 센서(114),

   작동유의 온도를 감지하는 작동유 온도 센서, 및

   대기의 온도를 감지하는 대기 온도 센서

   중 어느 하나 또는 하나 이상으로 구비되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 냉각팬 부하에 따른 자동 엔진 토크 제어 장치.
3. 주행 및 작업을 위한 작업장치와, 각종 유체를 냉각시키기 위한 냉각팬(160)과, 상기 냉각팬(160)의 구동에 필요한 동력과 작업에 필요한 동력을 공급하기 위해 엔진의 구동을 제어하는 엔진 콘트롤러(140)를 포함하는 건설기계의 엔진 토크 제어 방법에 있어서,

   상기 각종 유체의 온도를 감지하는 다수의 온도 센서(110) 중 어느 하나 또는 하나 이상의 센서로부터 온도 신호를 수신하는 단계;

   수신한 온도 신호에 따라 상기 냉각팬(160)의 부하 정도를 검출하는 단계;

   상기 냉각팬(160)의 부하 정보에 따라 상기 냉각팬(160)의 회전 속도를 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 단계; 및

   기 검출된 상기 작업장치들에 필요한 토크와 상기 냉각팬의 부하 정도를 이용하여 산출된 상기 냉각팬의 구동에 필요한 토크의 합으로 결정되는 값으로 상기 엔진의 토크를 제어하기 위한 제어신호를 상기 엔진 콘트롤러(140)로 출력하여 상기 냉각팬(160)의 부하와 상응하는 토크 특성으로 엔진이 구동하도록 자동 제어하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 냉각팬 부하에 따른 자동 엔진 토크 제어 방법.
4. 삭제

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