KR102033954B1 - 하이브리드식 작업 기계 - Google Patents

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KR102033954B1
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hydraulic
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기와무 다카하시
신고 기시모토
요시후미 다케바야시
가즈시게 모리
나츠키 나카무라
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가부시키가이샤 히다치 겡키 티에라
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Abstract

유압 펌프(2)의 토출압과, 엔진 회전수 검출 밸브의 출력압과, 유압 펌프의 토출압과 최고 부하압의 차압을 절대압으로서 생성하여 출력하는 차압 감압 밸브(11)의 출력압을 검출하는 3개의 압력 센서(40, 41, 42)를 설치하고, 차체 컨트롤러(64)에서, 그들의 검출 압력과, 유압 펌프(2)의 경사판의 운동 방정식을 이용하여 유압 펌프(2)의 용량을 가상적으로 연산하고, 이들 값을 사용하여 유압 펌프(2)의 필요 동력과 엔진(1)의 출력을 연산하고, 양자의 비교 결과에 따라서 전동기(60)의 역행 제어와 발전 제어를 전환한다. 이에 의해, 유압 펌프의 경사판의 경사각을 센서로 검출하는 일 없이, 유압 펌프의 용량을 추정 가능하게 하고, 소형의 작업 기계라도 용이하게 탑재 가능한 하이브리드 시스템을 구비한 하이브리드식 작업 기계를 제공한다.

Description

하이브리드식 작업 기계 {HYBRID WORKING MACHINE}
본 발명은, 하이브리드식 작업 기계에 관한 것으로, 특히 소형의 유압 셔블에 적용하기에 적합한 하이브리드식 작업 기계에 관한 것이다.
하이브리드식 작업 기계의 종래 기술로서, 특허문헌 1(일본 특허 제3833573호 공보)에 기재된 것이 있다. 특허문헌 1은, 「엔진과 전동기 겸 발전기를 병용하여 유압 펌프를 구동할 수 있는 하이브리드식 건설 기계에 있어서, 상기 유압 펌프의 출력을 연산하는 펌프 출력 연산 수단과, 상기 엔진의 회전수를 설정하는 회전수 설정 수단과, 상기 전동기 겸 발전기의 전동기로서의 기능과 발전기로서의 기능을 전환하는 임계값을, 상기 회전수 설정 수단에서 설정되는 상기 엔진의 회전수에 대한 함수로서 설정하는 임계값 설정 수단과, 상기 임계값 설정 수단에서 설정되는 임계값과 상기 펌프 출력 연산 수단에서 연산된 상기 유압 펌프의 출력을 비교하는 비교 수단과, 상기 비교 수단의 비교 결과에 따라서 상기 전동기 겸 발전기의 기능을 전환 제어하는 전환 제어 수단을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설 기계」를 기재하고 있다.
일본 특허 제3833573호 공보
그러나, 특허문헌 1에 기재된 종래 기술에는 다음과 같은 문제가 있다.
유압 펌프의 필요 동력을 계산하기 위해서는 유압 펌프의 토출 압력과 유압 펌프의 용량을 알 필요가 있다. 특허문헌 1에서는, 유압 펌프의 용적을 알기 위해 유압 펌프의 경사판의 경사각을 검출하는 「경사판각 검출기」를 사용하고 있다.
그러나, 미니 셔블 등의 소형의 유압 셔블에 있어서는, 탑재 스페이스가 부족한 경향이 있는 것이나, 유압 펌프가 소형인 것 등으로부터, 유압 펌프에 경사판각 검출기를 설치하는 것이 어렵다. 그로 인해, 그러한 경우에는 유압 펌프의 용적을 산출할 수 없다.
또한, 유압 펌프의 필요 동력을 계산하기 위해서는, 엔진 회전수도 알 필요가 있다. 그러나, 미니 셔블 등의 소형의 유압 셔블에 있어서는, 소형화를 위해 엔진에 회전수를 검출하기 위한 센서를 구비하고 있지 않은 경우 등도 있다.
이상의 것이, 미니 셔블 등의 소형의 유압 셔블 등의 작업 기계에 하이브리드 시스템을 탑재하기 위한 문제점으로 되고 있었다.
본 발명의 목적은, 유압 펌프의 경사판의 경사각을 센서로 검출하는 일 없이, 유압 펌프의 용량을 추정 가능하게 하고, 탑재 스페이스가 부족한 경향이 있는 소형의 작업 기계라도 용이하게 하이브리드 시스템을 탑재 가능하게 하는 하이브리드식 작업 기계를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 유압 펌프의 경사판의 경사각과 엔진의 회전수를 센서로 검출하는 일 없이, 유압 펌프의 필요 동력을 계산 가능하게 하고, 소형화를 위해 엔진에 회전수를 검출하기 위한 센서를 구비하고 있지 않은 미니 셔블 등의 소형의 유압 셔블이라도, 용이하게 하이브리드 시스템을 탑재 가능하게 하는 하이브리드식 작업 기계를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 엔진과, 상기 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프와, 상기 엔진과 병용하여 상기 유압 펌프를 구동하는 전동기와, 상기 유압 펌프로부터 토출된 압유에 의해 구동되는 복수의 액추에이터와, 상기 유압 펌프의 토출압이 높아짐에 따라서 상기 유압 펌프의 용량을 감소시켜, 상기 유압 펌프의 흡수 토크가 미리 설정한 최대 토크를 초과하지 않도록 제어하는 토크 제어부와, 상기 유압 펌프의 토출압이 상기 복수의 액추에이터의 최고 부하압보다 목표 차압만큼 높아지도록 상기 유압 펌프의 용량을 제어하는 로드 센싱 제어부를 갖는 펌프 제어 장치를 구비한 하이브리드식 작업 기계에 있어서, 상기 유압 펌프의 토출압을 검출하는 제1 압력 센서와, 상기 유압 펌프의 토출압과 상기 최고 부하압의 차압에 관한 압력을 검출하는 제2 압력 센서를 포함하는 복수의 압력 센서와, 상기 복수의 압력 센서가 검출한 압력에 기초하여, 상기 유압 펌프의 필요 동력과 상기 엔진의 출력을 연산하고, 상기 유압 펌프의 필요 동력과 상기 엔진의 출력의 비교 결과에 따라서 상기 전동기의 역행 제어와 발전 제어를 전환하는 제어 장치를 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 제1 및 제2 압력 센서로 검출한 압력과, 상기 유압 펌프의 변위 용적 가변 부재의 운동 방정식을 이용하여 상기 유압 펌프의 용량을 가상적으로 연산하는 것으로 한다.
이와 같이 제어 장치에 있어서, 제1 및 제2 압력 센서로 검출한 압력과, 유압 펌프의 변위 용적 가변 부재의 운동 방정식을 이용하여 유압 펌프의 용량을 가상적으로 연산함으로써, 유압 펌프의 경사판의 틸팅각을 센서로 검출하는 일 없이, 유압 펌프의 용량을 추정할 수 있으므로, 틸팅각 센서를 설치할 필요가 없다. 그 결과, 탑재 스페이스가 부족한 경향이 있는 미니 셔블 등의 소형의 유압 셔블이라도, 용이하게 하이브리드 시스템을 탑재할 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 상술한 하이브리드식 작업 기계에 있어서, 상기 엔진에 의해 구동되는 파일럿 펌프와, 상기 파일럿 펌프에 접속되고, 상기 파일럿 펌프의 토출유에 기초하여 파일럿 1차압을 생성하는 파일럿 유압원과, 상기 파일럿 펌프와 상기 파일럿 유압원 사이에 위치하고, 상기 파일럿 펌프의 토출유에 기초하여 상기 엔진의 회전수에 의존하는 유압 신호를 절대압으로서 생성하여 출력하는 엔진 회전수 검출 밸브를 더 구비하고, 상기 펌프 제어 장치의 로드 센싱 제어부는, 상기 엔진 회전수 검출 밸브의 상기 유압 신호가 상기 로드 센싱 제어의 목표 차압으로서 유도되고, 상기 복수의 압력 센서는, 상기 엔진 회전수 검출 밸브가 출력하는 상기 유압 신호를 검출하는 제3 압력 센서를 더 포함하고, 상기 제어 장치는, 상기 제3 압력 센서로 검출한 상기 유압 신호의 압력을 이용하여 상기 엔진의 회전수를 연산하고, 이 엔진 회전수를 이용하여 상기 엔진의 출력을 연산함과 함께, 상기 제1 압력 센서, 상기 제2 압력 센서, 상기 제3 압력 센서 각각이 검출한 압력과, 상기 유압 펌프의 변위 용적 가변 부재의 운동 방정식을 이용하여 상기 유압 펌프의 용량을 가상적으로 연산하는 것으로 한다.
이와 같이 제3 압력 센서로 검출한 엔진 회전수 검출 밸브가 출력하는 유압 신호의 압력으로부터 엔진 회전수를 산출함으로써, 유압 펌프의 경사판의 경사각과 엔진의 회전수를 센서로 검출하는 일 없이, 유압 펌프의 필요 동력이 계산 가능해져, 소형화를 위해 엔진에 회전수를 검출하기 위한 센서를 구비하고 있지 않은 미니 셔블 등의 소형의 유압 셔블이라도, 용이하게 하이브리드 시스템을 탑재할 수 있다.
또한, 바람직하게는 상기한 하이브리드식 작업 기계에 있어서, 상기 유압 펌프의 토출압과 상기 최고 부하압의 차압을 절대압으로서 생성하여 출력하는 차압 감압 밸브를 구비하고, 상기 제2 압력 센서는, 상기 차압 감압 밸브가 출력하는 상기 차압을 검출하는 압력 센서이고, 상기 복수의 압력 센서는, 상기 제1 압력 센서와 상기 제2 압력 센서와 상기 제3 압력 센서의 3개의 압력 센서이다.
이에 의해 탑재 스페이스가 부족한 경향이 있고, 또한 소형화를 위해 엔진에 회전수를 검출하기 위한 센서를 구비하고 있지 않은 미니 셔블 등의 소형의 유압 셔블이라도, 용이하게 하이브리드 시스템을 탑재할 수 있다.
본 발명에 따르면, 유압 펌프의 경사판의 경사각을 센서로 검출하는 일 없이, 유압 펌프의 용량을 추정 가능하게 하고, 탑재 스페이스가 부족한 경향이 있는 소형의 작업 기계라도 용이하게 하이브리드 시스템을 탑재할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 유압 펌프의 경사판의 경사각과 엔진의 회전수를 센서로 검출하는 일 없이, 유압 펌프의 필요 동력을 계산 가능하게 하고, 소형화를 위해 엔진에 회전수를 검출하기 위한 센서를 구비하고 있지 않은 미니 셔블 등의 소형의 유압 셔블이라도, 용이하게 하이브리드 시스템을 탑재할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 하이브리드식 작업 기계의 유압 구동 시스템(하이브리드 시스템)의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 차체 컨트롤러의 처리 내용을 도시하는 기능 블록도이다.
도 3a는 추정기의 상세를 도시하는 블록도이다.
도 3b는 도 3a에 도시한 추정기의 일부의 확대도이다.
도 3c는 도 3a에 도시한 추정기의 다른 일부의 확대도이다.
도 3d는 추정기의 연산에서 사용하는 역학적 모델예와 그 역학적 모델예에서 사용되는 파라미터를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 유압 구동 시스템이 탑재되는 미니 셔블(소형의 유압 셔블)의 외관을 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 이용하여 설명한다.
<제1 실시 형태>
∼구성∼
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 하이브리드식 작업 기계의 유압 구동 시스템(하이브리드 시스템)의 구성을 도시하는 도면이다. 본 실시 형태는, 본 발명을 프론트 스윙식 유압 셔블에 적용한 경우의 것이다.
도 1에 있어서, 본 실시 형태에 관한 유압 구동 시스템(하이브리드 시스템)은, 엔진(1)과, 이 엔진(1)에 의해 구동되는 메인 펌프로서의 가변 용량형의 유압 펌프(2) 및 고정 용량형의 파일럿 펌프(30)와, 유압 펌프(2)에 동력 분배기(70)를 통해 엔진(1)과 병렬로 접속되고, 유압 펌프(2)와 파일럿 펌프(30)를 보조적으로 구동하거나, 엔진(1)에 의해 구동되어 발전기로서 기능하는 전동기/발전기(이하, 단순히 전동기라 함)(60)와, 유압 펌프(2)로부터 토출된 압유에 의해 구동되는 복수의 액추에이터(3a, 3b, 3c …)와, 유압 펌프(2)와 복수의 액추에이터(3a, 3b, 3c …) 사이에 배치된 컨트롤 밸브(4)와, 유압 펌프(2)의 경사판의 틸팅각(용량 혹은 변위 용적)을 제어하는 펌프 제어 장치(12)와, 파일럿 펌프(30)의 토출유가 공급되는 압유 공급 유로(31a)에 접속된 엔진 회전수 검출 밸브(13)와, 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 하류측의 파일럿 유로(31b)에 접속되고, 파일럿 유압원(33)을 형성하는 파일럿 릴리프 밸브(32)와, 파일럿 유로(31b)에 접속된 안전 밸브로서의 게이트 로크 밸브(100)이며, 게이트 로크 레버(24)에 의해 조작되고, 하류측의 파일럿 유로(31c)를 파일럿 유로(31b)와 탱크(T) 중 한쪽에 선택적으로 연통시키는 게이트 로크 밸브(100)와, 파일럿 유로(31c)에 접속되고, 액추에이터(3a, 3b, 3c …)를 동작시키기 위한 지령 파일럿압(지령 신호)을 생성하는 조작 레버 장치(122, 123)(도 4 참조)를 구비하고 있다.
컨트롤 밸브(4)는, 유압 펌프(2)의 토출유가 공급되는 제1 압유 공급 유로(5)(배관)에 접속된 제2 압유 공급 유로(4a)(내부 통로)와, 제2 압유 공급 유로(4a)로부터 분기되는 유로(8a, 8b, 8c …)에 접속되고, 유압 펌프(2)로부터 액추에이터(3a, 3b, 3c …)에 공급되는 압유의 유량과 방향을 각각 제어하는 클로즈드 센터형의 복수의 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c …)와, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c …)의 상류측에 있어서 유로(8a, 8b, 8c …)에 접속되고, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c …)의 미터인 스로틀부의 전후 차압을 제어하는 압력 보상 밸브(7a, 7b, 7c …)와, 액추에이터(3a, 3b, 3c …)의 부하압 중 최고 압력(최고 부하압)을 선택하여 신호 유로(27)에 출력하는 셔틀 밸브(9a, 9b, 9c …)와, 유압 펌프(2)의 토출압과 상기 최고 부하압의 차압을 절대압으로서 신호 유로(28)에 출력하는 차압 감압 밸브(11)와, 제2 압유 공급 유로(4a)에 접속되고, 제2 압유 공급 유로(4a)의 압력[유압 펌프(2)의 토출압]이 설정 압력 이상으로 되지 않도록 제한하는 메인 릴리프 밸브(14)와, 제2 압유 공급 유로(4a)에 접속되고, 유압 펌프(2)의 토출압이 최고 부하압에 언로드압[스프링(15a)와 수압부(15b)의 세트압]을 가산한 압력보다도 높아지면 개방 상태로 되어 유압 펌프(2)의 토출유를 탱크(T)로 복귀시켜, 유압 펌프(2)의 토출압의 상승을 제한하는 언로드 밸브(15)를 갖고 있다.
액추에이터(3a, 3b, 3c)는, 예를 들어 유압 셔블의 선회 모터, 붐 실린더 및 아암 실린더이고, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c)는 각각 예를 들어 선회용, 붐용, 아암용의 유량 제어 밸브이다. 도시의 사정상, 버킷 실린더, 붐 스윙 실린더, 주행 모터 등의 그 밖의 액추에이터 및 이들 액추에이터에 관한 유량 제어 밸브의 도시는 생략하고 있다.
유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c …)는, 각각 부하 포트(26a, 26b, 26c …)를 갖고, 이들 부하 포트(26a, 26b, 26c …)는, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c …)가 중립 위치에 있을 때에는 탱크(T)에 연통되어 부하압으로서 탱크압을 출력하고, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c …)가 중립 위치로부터 도시 좌우의 조작 위치로 전환되었을 때에는, 각각의 액추에이터(3a, 3b, 3c …)에 연통되어 액추에이터(3a, 3b, 3c …)의 부하압을 출력한다.
셔틀 밸브(9a, 9b, 9c …)는, 토너먼트 형식으로 접속되고, 부하 포트(26a, 26b, 26c …) 및 신호 유로(27)와 함께 최고 부하압 검출 회로를 구성한다. 셔틀 밸브(9c)는 최후단의 셔틀 밸브로, 그 출력압은 최고 부하압으로서 신호 유로(27)에 출력되고, 신호 유로(27)에 출력된 최고 부하압은 신호 유로(27a, 27b)를 통해 차압 감압 밸브(11)와 언로드 밸브(15)에 유도된다.
압력 보상 밸브(7a, 7b, 7c …)는, 차압 감압 밸브(11)의 출력압이 유로(28a)를 통해 유도되는 개방 방향 작동의 수압부(21a, 21b, 21c …)와, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c …)의 미터인 스로틀부의 전후 차압을 검출하는 수압부(22a, 23a, 22b, 23b, 22c, 23c …)를 갖고, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c …)의 미터인 스로틀부의 전후 차압이 차압 감압 밸브(11)의 출력압[유압 펌프(2)의 토출압과 액추에이터(3a, 3b, 3c …)의 최고 부하압의 차압]과 동등해지도록 제어한다.
차압 감압 밸브(11)는, 파일럿 유로(31b)의 압력을 원압으로 하여 유압 펌프(2)의 토출압과 최고 부하압의 차압을 절대압으로서 생성하는 밸브이며, 유압 펌프(2)의 토출압이 유도되는 수압부(11a)와, 최고 부하압이 유도되는 수압부(11b)와, 자신의 출력압이 유도되는 수압부(11c)를 갖고 있다.
언로드 밸브(15)는, 언로드 밸브의 언로드압(크래킹압)(Pun)을 설정하는 폐쇄 방향 작동의 스프링(15a) 및 수압부(15b)와, 제2 압유 공급 유로(4a)의 압력[유압 펌프(2)의 토출압]이 유도되는 개방 방향 작동의 수압부(15c)와, 최고 부하압이 신호 유로(27a)를 통해 유도되는 폐쇄 방향 작동의 수압부(15d)를 갖고 있고, 제2 압유 공급 유로(4a)의 압력이 최고 부하압에, 스프링(15a)와 수압부(15b)에 의해 설정되는 언로드압(Pun)을 가산한 압력보다도 높아지면, 언로드 밸브(15)는 개방 상태로 되어 제2 압유 공급 유로(4a)의 압유를 탱크(T)로 복귀시켜, 제2 압유 공급 유로(4a)의 압력[유압 펌프(2)의 토출압]의 상승을 제한한다. 언로드 밸브(15)의 스프링(15a)과 수압부(15b)에 의해 설정되는 언로드압(Pun)은, 일반적으로, 엔진(1)이 정격 최고 회전수에 있을 때의 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압에 의해 설정되는 로드 센싱 제어의 목표 차압(후술)과 대략 동일한 값이거나, 그것보다도 약간 높은 압력으로 설정되어 있다. 본 실시 형태에서는, 수압부(15b)에 유로(29a)를 통해 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압이 유도되어 있고, 이에 의해 언로드압(Pun)은 스프링(15a)의 설정 압력과 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압을 가산한 압력으로 설정되고, 그 결과, 언로드압(Pun)은, 스프링(15a)의 설정분만큼 로드 센싱 제어의 목표 차압보다 높은 압력으로 설정되어 있다. 또한, 수압부(15b)에 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압을 유도하여 언로드압(Pun)을 설정함으로써, 저온시의 엔진 시동성을 향상시키고 있다.
엔진 회전수 검출 밸브(13)는, 파일럿 펌프(30)로부터의 토출 유량에 따라서 그 스로틀량이 가변으로 되는 특성을 갖는 가변 스로틀 밸브(13a)와, 그 가변 스로틀 밸브(13a)의 전후 차압을 절대압(Pgr)으로서 출력하는 차압 감압 밸브(13b)로 구성된다. 파일럿 펌프(30)의 토출 유량은 엔진 회전수에 의존하여 변화되므로, 가변 스로틀 밸브(13a)의 전후 차압도 엔진 회전수에 의존하여 변화되고, 그 결과, 차압 감압 밸브(13b)가 출력하는 절대압(Pgr)도 엔진 회전수에 의존하여 변화된다. 절대압(Pgr)은 유로(13c)를 통해 펌프 제어 장치(12)로 유도되고, 펌프 제어 장치(12)는 절대압(Pgr)을 로드 센싱 제어의 목표 차압으로 하여 유압 펌프(2)의 경사판의 틸팅각(용량 혹은 변위 용적)을 제어한다. 이에 의해 엔진 회전수에 따른 새츄레이션 현상의 개선이 도모되어, 엔진 회전수를 낮게 설정한 경우에 양호한 미세 조작성이 얻어진다. 이 점은 일본 특허 공개 평10－196604호 공보에 상세하다.
펌프 제어 장치(12)는 토크 제어 피스톤(12a)(토크 제어부)과, LS 제어 밸브(12b) 및 LS 제어 피스톤(12c)(로드 센싱 제어부)을 갖고 있다.
토크 제어 피스톤(12a)은, 유압 펌프(2)의 토출압이 높아짐에 따라서 유압 펌프(2)의 경사판의 틸팅각을 감소시켜, 유압 펌프(2)의 흡수 토크(입력 토크)가 미리 설정한 최대 토크를 초과하지 않도록 제어하고, 이에 의해 유압 펌프(2)의 흡수 토크가 엔진(1)의 제한 토크를 초과하지 않도록 제어되어, 유압 펌프(2)의 소비 마력을 제한하고, 과부하에 의한 엔진(1)의 정지(엔진 스톨)가 방지된다.
LS 제어 밸브(12b)는 대향하는 수압부(12d, 12e)를 갖고, 수압부(12d)에는 유로(13c)를 통해 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 차압 감압 밸브(13b)가 출력하는 절대압(Pgr)[이하, 차압 감압 밸브(13b)의 출력압(Pgr)이라 함]이 로드 센싱 제어의 목표 차압(목표 LS 차압)으로서 유도되고, 수압부(12e)에 유로(28b)를 통해 차압 감압 밸브(11)의 출력압[유압 펌프(2)의 토출압과 최고 부하압의 차압의 절대압 ; 이하 출력압(Pls)라고 말함]이 유도된다. LS 제어 밸브(12b)는 차압 감압 밸브(11)의 출력압(Pls)이 차압 감압 밸브(13b)의 출력압(Pgr)보다도 높아지면, 파일럿 유로(31b)의 압력을 LS 제어 피스톤(12c)에 유도하여 유압 펌프(2)의 경사판의 틸팅각을 감소시키고, 차압 감압 밸브(11)의 출력압(Pls)이 차압 감압 밸브(13b)의 출력압(Pgr)보다도 낮아지면, LS 제어 피스톤(12c)을 탱크(T)에 연통하여 유압 펌프(2)의 경사판의 틸팅각을 증가시켜, 이에 의해 유압 펌프(2)의 토출압이 최고 부하압보다도 차압 감압 밸브(13b)의 출력압(목표 차압)만큼 높아지도록 유압 펌프(2)의 경사판의 틸팅각을 제어한다. 이에 의해, LS 제어 밸브(12b) 및 LS 제어 피스톤(12c)은 유압 펌프(2)의 토출압이 복수의 액추에이터(3a, 3b, 3c …)의 최고 부하압보다도 목표 차압만큼 높아지도록 로드 센싱 제어한다.
또한, 본 실시 형태의 유압 구동 장치는, 전동기/발전기(60)를 전동기와 발전기로 전환하는 컨버터(61)와, 컨버터(61)를 통해 전동기/발전기(60)에 동력을 공급, 혹은 전동기/발전기(60)에서 발생한 전력을 축적하는 배터리(62)와, 배터리(62)의 상황을 제어하기 위한 배터리 컨트롤러(63)와, 제1 압유 공급 유로(5)에 접속되고, 유압 펌프(2)의 토출압을 검출하는 압력 센서(40)와, 유로(13c)에 접속되고, 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압(Pgr)을 검출하는 압력 센서(41)와, 차압 감압 밸브(11)의 출력압(Pls)을 검출하는 압력 센서(42)와, 차체 컨트롤러(64)를 구비하고 있다.
차체 컨트롤러(64)는, 상기 각 압력 센서(40, 41, 42)로부터 검출압을 입력하고, 유압 펌프(2)에 필요한 동력을 추정하여, 엔진(1)의 출력과의 비교로부터 전동기/발전기(60)를 전동기로서 사용할 것인지, 발전기로서 사용할 것인지를 판정하고, 차체 컨트롤러(64)로부터 컨버터(61)에 제어 신호가 출력된다.
도 4는, 본 발명의 유압 구동 시스템이 탑재되는 미니 셔블(소형의 유압 셔블)의 외관을 도시하는 도면이다.
도 4에 있어서, 작업 기계로서 잘 알려져 있는 미니 셔블은 상부 선회체(300)와, 하부 주행체(301)와, 스윙식 프론트 작업기(302)를 구비하고, 프론트 작업기(302)는 붐(306), 아암(307), 버킷(308)으로 구성되어 있다. 상부 선회체(300)는, 하부 주행체(301)를 도 1에 도시하는 선회 모터(3c)의 회전에 의해 선회 가능하다. 상부 선회체(300)의 전방부에는 스윙 포스트(303)가 장착되고, 이 스윙 포스트(303)에 프론트 작업기(302)가 상하 이동 가능하게 장착되어 있다. 스윙 포스트(303)는, 도시하지 않은 스윙 실린더의 신축에 의해 상부 선회체(300)에 대해 수평 방향으로 회전 가능하고, 프론트 작업기(302)의 붐(306), 아암(307), 버킷(308)은 붐 실린더(3a), 아암 실린더(3b), 버킷 실린더(3d)의 신축에 의해 상하 방향으로 회전 가능하다. 하부 주행체(301)는, 중앙 프레임에는 블레이드 실린더(3e)의 신축에 의해 상하 동작을 행하는 블레이드(305)가 장착되어 있다. 하부 주행체(301)는, 주행 모터(3f, 3g)의 회전에 의해 좌우의 크롤러 벨트(310, 311)를 구동함으로써 주행을 행한다. 도 1에서는 붐 실린더(3a), 아암 실린더(3b), 선회 모터(3c)만을 나타내고, 버킷 실린더(3d), 블레이드 실린더(3e), 좌우의 주행 모터(3f, 3g)나 그들의 회로 요소를 생략하고 있다.
상부 선회체(300)에는 캐빈(운전실)(313)이 설치되고, 캐빈(313) 내에는, 운전석(121), 프론트/선회용 조작 레버 장치(122, 123)(도 4에서는 우측만 도시), 주행용 조작 레버 장치(124), 게이트 로크 레버(24)가 설치되어 있다.
도 2는, 차체 컨트롤러(64)의 처리 내용을 도시하는 기능 블록도이다.
차체 컨트롤러(64)는, 추정기(옵저버)(64a), 회전수 테이블 데이터(64b), 승산기(64c, 64d), 변환기(64e), 엔진 출력 테이블 데이터(64f), 감산기(64g), 연산기(64h)의 각 기능을 갖고 있다.
추정기(64a)는, 유압 펌프(2)의 경사판(2a)의 운동 방정식을 프로그램으로서 기술해 두고, 압력 센서(40, 41, 42)로 검출한 유압 펌프(2)의 토출압, 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압(Pgr), 차압 감압 밸브(11)의 출력압(Pls)과, 그 운동 방정식을 이용하여, 유압 펌프(2)의 용량(이하, 적절히「펌프 용량」이라 함)을 가상적으로 산출한다. 경사판(2a)의 운동 방정식에는 유압 펌프(2)의 마력 제어와 로드 센싱 제어에 의한 유량 제어에 의한 동작이 포함된다(후술).
회전수 테이블 데이터(64b)는, 압력 센서(41)로 검출한 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압(Pgr)을 입력하고, 미리 기억한 절대압(Pgr)과 엔진 회전수의 관계에 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압(Pgr)을 참조하여, 유압 펌프(2)의 회전수(이하, 적절히「펌프 회전수」라 함)를 산출한다. 엔진 회전수 검출 밸브(13)는, 파일럿 펌프(30)의 토출 유량에 따라서 절대압(Pgr)을 출력하므로, 반대로 그 절대압(Pgr)으로부터 파일럿 펌프(30)의 토출 유량, 즉, 파일럿 펌프(30)의 회전수를 산출하여, 펌프 회전수를 구할 수 있다.
승산기(64c, 64d)와 환산기(64e)는, 추정기(64a)에서 가상적으로 연산한 펌프 용량과, 압력 센서(40)로 검출한 유압 펌프(2)의 토출압을 이용하여 유압 펌프(2)의 필요 동력을 연산하는 펌프 동력 연산부(64j)를 구성하고 있고, 승산기(64c)는 얻어진 펌프 용량과 펌프 회전수를 곱함으로써, 유압 펌프(2)가 토출하는 유량(이하, 적절히「펌프 유량」이라 함)을 산출하고, 승산기(64d)는 압력 센서(40)로 검출한 유압 펌프(2)의 토출압(이하, 적절히「펌프압」이라 함)과 펌프 유량을 곱함으로써, 유압 펌프(2)의 필요 동력(이하, 펌프 필요 동력이라 함)을 산출한다.
엔진 출력 테이블 데이터(64f)는, 회전수 테이블 데이터(64b)에서 산출한 펌프 회전수를 입력하고, 미리 기억한 엔진(1)의 출력 마력 특성에 펌프 회전수를 참조하여, 엔진(1)의 출력(이하, 적절히「엔진 출력」이라 함)을 산출한다. 이때, 유압 펌프(2)의 회전수와 엔진(1)의 회전수가 동력 분배기(70)의 감속비 등에 따라 다른 경우는, 그 회전수의 차분을 변환기(64e)에 의해 보정한다.
본 실시 형태에 있어서, 승산기(64c, 64d)[펌프 동력 연산부(64j)]에서 연산되는 펌프 필요 동력 및 엔진 출력 테이블 데이터(64f)에서 연산되는 엔진 출력은, 각각 마력의 값이다. 또한, 이들은 토크의 값이어도 된다. 그 경우는, 승산기(64c)가 불필요하고, 엔진 출력 테이블 데이터(64f)는 엔진(1)의 출력 토크 특성을 기억해 두면 된다.
감산기(64g)는, 산출된 엔진 출력으로부터 펌프 필요 동력을 감산한다. 연산기(64h)는, 감산기(64g)에서 산출된 「엔진 출력」－「펌프 필요 동력」에 기초하여, 모터/발전기의 기능의 전환의 판정을 행한다. 구체적으로는, 연산기(64h)는 가령 「엔진 출력」－「펌프 필요 동력」－ Pm≥0인 경우는, 엔진 출력에 여유가 있다는 것이므로, 전동기/발전기(60)를 발전기로서 사용하도록 컨버터(61)에 제어 신호를 출력한다. 반대로, 「엔진 출력」－「펌프 필요 동력」－ Pm＜0인 경우는, 펌프 필요 동력에 대해 엔진 출력의 여유가 부족하다는 것이므로, 전동기/발전기(60)를 전동기로서 사용하도록 컨버터(61)에 제어 신호를 출력한다.
여기서, Pm이라 함은, 「펌프 필요 동력」의 「엔진 출력」에 대한 여유이며, 어느 소정의 값으로 미리 정해 둔다.
추정기(64a)의 상세를 도 3a∼도 3d를 이용하여 설명한다.
도 3a는, 추정기(64a)의 상세를 도시하는 블록도이고, 도 3b 및 도 3c는 도 3a의 일부를 각각 확대하여 도시하는 도면이다.
추정기(64a)는, 압력 센서(41)로 검출한 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압(Pgr)과 압력 센서(42)로 검출한 차압 감압 밸브(11)의 출력압(Pls)을 입력하고, 유압적인 모델에 기초하여 LS 제어 피스톤(12c) 내의 압력을 계산하는 계산부(81)와, 압력 센서(40)로 검출한 펌프압을 입력하고, 또한 계산부(81)에서 구한 LS 제어 피스톤(12c) 내의 압력을 사용하여, 경사판(2a)의 회전 중심 주위에 작용하는 모멘트 합계로부터 역학적 모델예에 기초하여 경사판(2a)의 운동 방정식을 세워, 펌프 용량을 계산하는 계산부(82)로 이루어져 있다. 도 3b는 계산부(81)의 확대도이고, 도 3c는 계산부(82)의 확대도이다.
도 3d는, 추정기(64a)의 연산에서 사용하는 역학적 모델예와 그 역학적 모델예에서 사용되는 파라미터를 설명하기 위한 도면이다.
우선, 도 3d를 이용하여, 역학적 모델예에서 사용되는 파라미터에 대해 설명한다. 도 3d에서는, 유압 펌프(2)의 경사판 틸팅 조정부의 구성을 모식도(역학적 모델예)로 나타내고 있고, 유압 펌프(2)의 경사판을 직사각 형상의 막대 형상 부재(2a)로 나타내고 있다.
역학적 모델예에서 사용되는 파라미터는 이하와 같다.
Acp : LS 제어 피스톤(12c)의 수압 면적
Fcp : LS 제어 피스톤(12c)으로부터 경사판(2a)이 받는 힘
Fp : 펌프 요소인 피스톤 실린더의 각 피스톤으로부터 경사판(2a)이 받는 합력
[펌프 요소인 피스톤 실린더의 각 피스톤은 도 1에 도시한 토크 제어 피스톤(12a)을 겸하고 있다. 피스톤 실린더의 각 피스톤은 경사판(2a)의 회전 중심으로부터 오프셋되어 있어, 유압 펌프(2)의 토출압이 높아지면, 경사판(2a)의 틸팅각을 작게 하는 방향으로 힘을 발생한다.]
Fk : 토크 제어용 스프링(12f)으로부터 경사판(2a)이 받는 힘
[스프링(12f)은 유압 펌프(2)가 소비하는 최대 토크를 설정한다.]
k : 토크 제어용 스프링(12f)의 스프링 상수
θ : 경사판(2a)의 틸팅각
[틸팅각 θ가 커지면 펌프 용량이 커지고, 틸팅각 θ가 작아지면 펌프 용량이 작아진다.]
lcp : LS 제어 피스톤(12c)으로부터 경사판(2a)이 받는 힘(Fcp)의 작용점과 경사판(2a)의 회전 중심과의 거리
lp : 피스톤 실린더의 각 피스톤[토크 제어 피스톤(12a)]으로부터 경사판(2a)이 받는 합력(Fp)의 작용점과 경사판(2a)의 회전 중심과의 거리
lk : 토크 제어용 스프링(12f)으로부터 경사판(2a)이 받는 힘(Fk)의 작용점과 경사판(2a)의 회전 중심과의 거리
도 3a의 연산에서 사용되는 도 3d에 나타내는 파라미터 이외의 파라미터는 이하와 같다.
ρ : 작동유의 밀도
CPA : LS 제어 밸브(12b)의 펌프 포트(P)→액추에이터 포트(A)의 축류 계수
CAT : LS 제어 밸브(12b)의 액추에이터 포트(A)→탱크 포트(T)의 축류 계수
B : 작동유의 체적 탄성률
Vcp : LS 제어 피스톤(12c) 내부의 체적
1/s : 적분 블록
ISW : 경사판(2a)의 회전 중심 주위의 관성 모멘트
c : 경사판의 점성 계수
도 3b에 도시하는 바와 같이, 계산부(81)는 서브 계산부(81a∼81f)로 구성되고, 이하와 같이 압력 센서(41)로 검출한 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압(Pgr)(이하, Pgr압이라 함)과 압력 센서(42)로 검출한 차압 감압 밸브(11)의 출력압(Pls)(이하, Pls압이라 함)으로부터 LS 제어 피스톤(12c) 내의 압력을 계산한다.
<서브 계산부(81a)>
서브 계산부(81a)는, Pgr압과 Pls압의 차의 압력을 연산하고, 이 차의 압력에 의해 LS 제어 밸브(12b)의 미터인 개구 면적(APA)과 미터아웃 개구 면적(AAT)을 연산한다. 전술한 바와 같이, LS 제어 밸브(12b)의 대향하는 수압부(12d, 12e)에 Pgr압과 Pls압이 각각 유도되어 있고, LS 제어 밸브(12b)는 Pgr압과 Pls압의 차의 압력에 따라서 스트로크하여, 미터인 스로틀의 개구 면적[미터인 개구 면적(APA)]과 미터아웃 스로틀의 개구 면적[미터아웃 개구 면적(AAT)]을 변화시킨다. 미터인 스로틀은 LS 제어 밸브(12b)의 펌프 포트(P)와 액추에이터 포트(A)를 연통시키는 통로의 스로틀이고, 미터아웃 스로틀은 액추에이터 포트(A)와 탱크 포트(T)를 연통시키는 통로의 스로틀이다. 펌프 포트(P)는 파일럿 유로(31b)에 접속되고, 액추에이터 포트(A)는 LS 제어 피스톤(12c)에 접속되고, 탱크 포트(T)는 탱크(T)에 접속되어 있다. 차체 컨트롤러(64)는, Pgr압과 Pls압의 차의 압력에 대한 미터인 개구 면적(APA)의 관계 및 미터아웃 개구 면적(AAT)의 관계를 미리 기억하고 있고, 서브 계산부(81a)는 차의 압력의 연산값을 그들의 관계에 참조함으로써 미터인 개구 면적(APA)과 미터아웃 개구 면적(AAT)을 구한다.
<서브 계산부(81b)>
서브 계산부(81b)는, 서브 계산부(81a)에서 연산한 미터인 개구 면적(APA)과, 미리 기억한 파일럿 유로(31b)의 압력(일정값)과, 후술하는 내부 연산값인 LS 제어 피스톤(12c) 내의 압력(PCP)을 이용하여, LS 제어 피스톤(12c)에 LS 제어 밸브(12b)의 미터인 스로틀을 통해 유입되는 유량을 연산한다. 일반적으로, 스로틀(오리피스)을 통과하는 유량(Q)은, 하기의 식으로 구할 수 있다.
Figure 112014101386424-pct00001
C : 스로틀의 축류 계수
A : 스로틀의 개구 면적
ΔP : 스로틀의 전후 차압
ρ : 유체의 밀도
서브 계산부(81b)는, 파일럿 유로(31b)의 압력(일정값)으로부터 내부 연산값인 LS 제어 피스톤(12c) 내의 압력(PCP)을 감산함으로써, LS 제어 밸브(12b)의 미터인 스로틀의 전후 차압을 구하고, 이 전후 차압과, 서브 계산부(81a)에서 계산한 미터인 개구 면적(APA)과, 작동유의 밀도(ρ) 및 미터인 스로틀의 축류 계수(CPA)를 상술한 (1)식에 적용함으로써, LS 제어 밸브(12b)의 미터인 스로틀을 통해 유입되는 유량을 구한다.
<서브 계산부(81c)>
서브 계산부(81c)는, 서브 계산부(81a)에서 연산한 미터아웃 개구 면적(AAT)과 후술하는 내부 연산값인 LS 제어 피스톤(12c) 내의 압력(PCP)을 이용하여, 서브 계산부(81b)와 마찬가지의 생각에 기초하여, LS 제어 피스톤(12c)으로부터 LS 제어 밸브(12b)의 미터아웃 스로틀을 통해 유출되는 유량을 연산한다. 탱크(T)의 압력을 0으로 간주한 경우, 미터아웃 스로틀의 전후 차압은 LS 제어 피스톤(12c) 내의 압력(PCP)과 동등해지고, 이 경우도, 그 전후 차압[LS 제어 피스톤(12c) 내의 압력(PCP)]과, 서브 계산부(81a)에서 계산한 미터아웃 개구 면적(AAT)과, 작동유의 밀도(ρ) 및 미터아웃 스로틀의 축류 계수(CAT)를 상술한 (1)식에 적용함으로써, LS 제어 밸브(12b)의 미터아웃 스로틀을 통해 유출되는 유량이 구해진다.
<서브 계산부(81d)>
서브 계산부(81d)는, 후술하는 내부 연산값인 경사판의 각속도에 LS 제어 피스톤(12c)의 수압 면적(Acp)을 곱함으로써, LS 제어 피스톤(12c) 자신이 신축함으로써 발생하는 유량을 연산한다.
<서브 계산부(81e)>
서브 계산부(81e)는, 서브 계산부(81b, 81c, 81d)에서 연산된 LS 제어 피스톤(12c)에의 유입/유출되는 유량을 가산하고, 합계 유량을 연산한다.
<서브 계산부(81f)>
서브 계산부(81f)는, 서브 계산부(81e)에서 연산한 합계 유량에 퇴적 탄성률(B)/LS 제어 피스톤(12c)의 내부의 체적(Vcp)을 곱하고, 그 값을 적분함으로써, LS 제어 피스톤(12c) 내의 압력(PCP)을 연산한다.
도 3c에 도시하는 바와 같이, 계산부(82)는 서브 계산부(82a∼82h)로 구성되고, 이하와 같이 압력 센서(40)로 검출한 펌프압과 계산부(81)에서 계산한 LS 제어 피스톤(12c) 내의 압력으로부터 펌프 용량을 계산한다.
<서브 계산부(82a)>
서브 계산부(82a)는, 계산부(81)에서 연산한 LS 제어 피스톤(12c) 내의 압력(PCP)에 LS 제어 피스톤(12c)의 수압 면적을 곱함으로써, LS 제어 피스톤(12c)으로부터 경사판(2a)이 받는 힘(Fcp)을 연산하고, 이 힘(Fcp)에, LS 제어 피스톤(12c)으로부터 경사판(2a)이 받는 힘(Fcp)의 작용점과 경사판(2a)의 회전 중심과의 거리(lcp)를 곱함으로써, LS 제어 피스톤(12c) 내의 압력(PCP)에 의한 경사판(2a)의 회전 모멘트를 연산한다.
<서브 계산부(82b)>
서브 계산부(82b)는, 펌프압으로부터 피스톤 실린더의 각 피스톤으로부터 경사판(2a)이 받는 합력[토크 제어 피스톤(12a)으로부터 경사판(2a)이 받는 힘](Fp)을 연산하고, 이 합력(Fp)을, 경사판(2a)이 받는 합력(Fp)의 작용점과 경사판(2a)의 회전 중심과의 거리(lp)를 곱함으로써, 펌프압(Pd)에 의한 경사판(2a)의 회전 모멘트를 연산한다. 차체 컨트롤러(64)는 펌프압과 피스톤 실린더의 각 피스톤으로부터 경사판(2a)이 받는 합력(Fp)과의 관계를 미리 기억하고 있고, 서브 계산부(82b)는 펌프압을 그 관계에 참조함으로써, 합력(Fp)을 구한다.
<서브 계산부(82c)>
서브 계산부(82c)는, 후술하는 내부 연산값인 경사판(2a)의 틸팅각 θ에 토크 제어용 스프링(12f)의 스프링 상수 k를 곱함으로써, 토크 제어용 스프링(12f)으로부터 경사판(2a)이 받는 힘(Fk)을 연산하고, 이 힘(Fk)에, 경사판(2a)이 받는 힘(Fk)의 작용점과 경사판(2a)의 회전 중심과의 거리(lk)를 곱함으로써, 토크 제어용 스프링(12f)의 가압력에 의한 경사판(2a)의 회전 모멘트를 연산한다.
<서브 계산부(82d)>
서브 계산부(82d)는, 서브 계산부(82a, 82b, 82c)에서 연산한 경사판(2a)의 회전 중심 주위에 작용하는 모멘트를 가산하여 합계 모멘트를 연산한다.
<서브 계산부(82e)>
서브 계산부(82e)는, 후술하는 내부 연산값인 경사판의 각속도에 경사판의 점성 계수 c를 곱함으로써, 경사판(2a)의 회전 중심 주위에 작용하는 저항 모멘트를 연산하고, 이 저항 모멘트를 서브 계산부(82d)에서 연산한 합계 모멘트로부터 감산함으로써, 경사판(2a)의 회전 중심 주위에 작용하는 모멘트를 산출한다.
<서브 계산부(82f)>
서브 계산부(82f)는, 서브 계산부(82e)에서 연산한 경사판(2a)의 회전 중심 주위에 작용하는 모멘트에 1/경사판(2a)의 회전 중심 주위의 관성 모멘트(ISW)를 곱하고, 그 값을 적분함으로써, 경사판(2a)의 각속도를 연산한다.
<서브 계산부(82g)>
서브 계산부(82g)는, 서브 계산부(82f)에서 연산한 경사판(2a)의 각속도를 적분함으로써, 경사판(2a)의 틸팅각을 연산한다.
<서브 계산부(82h)>
서브 계산부(82h)는, 서브 계산부(82g)에서 구한 경사판(2a)의 틸팅각으로부터 펌프 용량을 연산한다. 차체 컨트롤러(64)는, 경사판(2a)의 틸팅각과 펌프 용량의 관계를 미리 기억하고 있고, 서브 계산부(82h)는 경사판(2a)의 틸팅각을 그 관계에 참조함으로써, 펌프 용량을 구한다.
∼유압 회로의 기본 동작∼
우선, 본 실시 형태의 유압 구동 시스템의 유압 회로의 기본 동작을 설명한다.
조작 레버 장치(122, 123)를 포함하는 모든 조작 장치의 조작 레버가 중립 위치에 있는 경우, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c …)는 중립 위치에 있어, 유압 펌프(2)로부터의 토출유는 액추에이터(3a, 3b, 3c …)에 공급되지 않는다. 또한, 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c …)가 중립 위치에 있을 때에는, 셔틀 밸브(9a, 9b, 9c …)에 의해 검출되는 최고 부하압은 탱크압이고, 언로드 밸브(15)는 유압 펌프(2)의 토출압이 언로드압(Pun)[스프링(15a)의 설정 압력과 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압을 가산한 압력]보다도 높아지면, 개방 상태로 되어, 유압 펌프(2)의 토출압이 언로드압(Pun)보다 높아지지 않도록 제어한다.
한편, 유압 펌프(2)의 토출압이 상승하여, 차압 감압 밸브(11)의 출력압이 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압보다도 커지면, LS 제어 밸브(12b)는 도시 우측의 위치로 전환되어, LS 제어 피스톤(12c)에 파일럿 유압원(33)의 압력이 유도되고, 유압 펌프(2)는 틸팅각이 작아지도록 제어된다. 유압 펌프(2)에는, 그 최소 틸팅각을 규정하는 스토퍼(도시하지 않음)가 설치되어 있고, 유압 펌프(2)는 그 스토퍼에 의해 규정되는 최소 틸팅각으로 유지되어, 최소 유량을 토출한다.
임의의 액추에이터, 예를 들어 붐용의 조작 레버를 단독으로 조작한 경우는, 유량 제어 밸브(6b)가 전환되어, 붐 실린더(3b)에 압유가 공급되고, 붐 실린더(3b)가 구동된다.
유량 제어 밸브(6b)를 흐르는 유량은, 유량 제어 밸브(6b)의 미터인 스로틀의 개구 면적과 미터인 스로틀의 전후 차압에 의해 정해지고, 미터인 스로틀의 전후 차압은 압력 보상 밸브(7b)에 의해 차압 감압 밸브(11)의 출력압과 동등해지도록 제어되므로, 유량 제어 밸브(6b)를 흐르는 유량[따라서, 붐 실린더(3b)의 구동 속도]은 조작 레버의 조작량(요구 유량)에 따라서 제어된다.
붐 실린더(3b)가 움직이기 시작하면, 일시적으로 유압 펌프(2)의 토출압이 저하되지만, 유압 펌프(2)의 LS 제어 밸브(12b)에는, 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압과 차압 감압 밸브(11)의 출력압이 유도되어 있고, 유압 펌프(2)의 토출압이 저하되어 차압 감압 밸브(11)의 출력압이 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압보다도 저하되면, LS 제어 밸브(12b)는 도시 좌측의 위치로 전환되어, LS 제어 피스톤(12c)을 탱크(T)에 연통시켜 유압 펌프(2)의 틸팅각을 증가시키도록 제어하여, 유압 펌프(2)의 토출 유량이 증가한다. 이 유압 펌프(2)의 토출 유량의 증가는, 차압 감압 밸브(11)의 출력압이 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압과 동등해질 때까지 계속된다. 이들 일련의 작용에 의해, 유압 펌프(2)의 토출압이 최고 부하압보다도 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압(목표 차압)만큼 높아지도록 제어되어, 조작 레버의 조작량에 따른 유량(요구 유량)을 붐 실린더(3b)에 공급하는, 이른바 로드 센싱 제어가 행해진다.
또한, 붐 실린더(3b)의 구동시는, 언로드 밸브(15)에 붐 실린더(3b)의 부하압이 최고 부하압으로서 유도되고, 붐 실린더(3b)의 부하압에 따라서 언로드 밸브(15)의 크래킹 압력[언로드 밸브(15)가 개방되기 시작하는 압력]은 상승하므로, 언로드 밸브(15)가 밸브 개방되는 일 없이, 유압 펌프(2)의 토출유를 붐 실린더(3b)에 공급하는 것이 가능해진다. 또한, 유압 펌프(2)의 토출압이 과도적으로 최고 부하압보다 언로드압(Pun)[스프링(15a)의 설정 압력과 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압을 가산한 압력]보다 높아진 경우는, 언로드 밸브(15)는 밸브 개방되어 유압 펌프(2)의 토출유의 일부를 탱크로 복귀시켜, 과도적인 유압 펌프(2)의 토출압 상승을 방지한다.
2개 이상의 액추에이터의 조작 레버, 예를 들어 붐용의 조작 레버와 아암용의 조작 레버를 복합으로 조작한 경우도, 조작 레버를 단독으로 조작한 경우와 마찬가지로, 유압 펌프(2)의 토출압이 최고 부하압보다도 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압(목표 차압)만큼 높아지도록 로드 센싱 제어가 행해지고, 붐 실린더(3b) 및 아암 실린더(3c)에 조작 레버의 조작량에 따른 유량(요구 유량)이 공급되어, 붐 실린더(3b) 및 아암 실린더(3c)가 구동된다.
또한, 유량 제어 밸브(6b, 6c)의 미터인 스로틀부의 전후 차압은 압력 보상 밸브(7b, 7c)에 의해 차압 감압 밸브(11)의 출력압[유압 펌프(2)의 토출압과 최고 부하압의 차압]과 동등해지도록 제어되어 있으므로, 붐 실린더(3b)와 아암 실린더(11)의 부하압의 대소에 관계없이, 유량 제어 밸브(6b, 6c)의 미터인 스로틀부의 개구 면적에 따른 비율로 붐 실린더(3b)와 아암 실린더(11)에 압유가 공급된다.
이때, 유압 펌프(2)의 토출 유량이 조작 레버가 요구하는 유량으로 되지 않는 새츄레이션 상태로 된 경우는, 새츄레이션의 정도에 따라서 차압 감압 밸브(11)의 출력압[유압 펌프(2)의 토출압과 최고 부하압의 차압]이 저하되고, 이것에 수반하여 압력 보상 밸브(7b, 7c)의 목표 보상 차압도 작아지므로, 유압 펌프(2)의 토출 유량을 유량 제어 밸브(6b, 6c)의 미터인 스로틀부의 개구 면적에 따른 비율로 재분배할 수 있다.
이상의 동작은 엔진(1)이 최고 정격 회전수에 있을 때의 것이지만, 엔진(1)의 회전수를 저속으로 낮춘 경우는, 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압이 그것에 따라서 저하되므로, LS 제어 밸브(12b)의 목표 차압도 마찬가지로 저하된다. 또한, 로드 센싱 제어의 결과, 압력 보상 밸브(7a, 7b, 7c …)의 목표 보상 차압도 마찬가지로 저하된다. 이에 의해, 엔진 회전수의 저하에 맞추어 유압 펌프(2)의 토출 유량과 유량 제어 밸브(6a, 6b, 6c …)의 통과 유량이 감소하여, 액추에이터(3a, 3b, 3c …)의 구동 속도가 지나치게 빨리지는 일이 없어, 엔진 회전수를 낮춘 경우의 미세 조작성을 향상시킬 수 있다.
∼전동기/발전기(60)에 관한 동작∼
다음으로, 본 실시 형태의 유압 구동 시스템의 특징적 구성인 전동기/발전기(60)에 관한 동작을 설명한다.
상술한 바와 같이 임의의 액추에이터의 조작 레버를 단독 혹은 복합으로 조작하면, 유량 제어 밸브가 전환됨과 함께, 로드 센싱 제어에 의해 유압 펌프(2)의 토출 유량이 증가하고, 액추에이터에 조작 레버의 조작량에 따른 유량이 공급된다. 이때, 차체 컨트롤러(64)에 있어서, 이하의 처리가 행해져, 전동기/발전기(60)를 전동기와 발전기 중 어느 하나로 전환하는 제어를 행한다.
우선, 압력 센서(40, 41, 42)로 검출한 유압 펌프(2)의 토출압, 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압(Pgr), 차압 감압 밸브(11)의 출력압(Pls)이 추정기(64a)에 입력되고, 추정기(64a)는 도 3a∼도 3d를 이용하여 설명한 원리에 의해, 유압 펌프(2)의 용량을 가상적으로 산출한다. 또한, 압력 센서(41)로 검출한 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압(Pgr)이 회전수 테이블 데이터(64b)에 입력되고, 회전수 테이블 데이터(64b)는 펌프 회전수를 산출한다. 이어서, 이와 같이 산출한 펌프 용량과 펌프 회전수가 승산기(64c)에서 곱해짐으로써, 유압 펌프(2)의 토출 유량이 산출되고, 압력 센서(40)로 검출한 유압 펌프(2)의 토출압과 산출한 펌프 유량이 승산기(64d)에서 곱해짐으로써, 유압 펌프(2)의 필요 동력(펌프 필요 동력)이 산출된다.
한편, 회전수 테이블 데이터(64b)에서 산출한 펌프 회전수는 출력 테이블 데이터(64f)에 입력되어, 엔진(1)의 출력(엔진 출력)이 산출된다. 이때, 유압 펌프(2)의 회전수와 엔진(1)의 회전수가 동력 분배기(70)의 감속비 등에 따라 다른 경우는, 변환기(64e)에 의해 회전수의 차분이 보정된다.
∼효과∼
이와 같이 산출된 엔진 출력과 펌프 필요 동력이 감산기(64g)에서 비교된다. 그 후, 연산기(64h)에 있어서, 「엔진 출력」－「펌프 필요 동력」－ Pm≥0인 경우는, 엔진 출력에 여유가 있다는 것이므로, 전동기/발전기(60)를 발전기로서 사용하도록 컨버터(61)에 제어 신호가 출력된다. 이에 의해 전동기/발전기(60)는 발전기로서 동작하고, 발생한 전력이 배터리(62)에 축적된다. 반대로, 「엔진 출력」－ 「펌프 필요 동력」－ Pm＜0인 경우는, 펌프 필요 동력에 대해 엔진 출력의 여유가 부족하다는 것이므로, 전동기/발전기(60)를 전동기로서 사용하도록 컨버터(61)에 제어 신호가 출력된다. 이에 의해, 전동기/발전기(60)는 배터리(62)의 전력을 사용하여 전동기로서 동작하여, 엔진(1)을 어시스트한다.
이와 같이 본 실시 형태에 따르면, 엔진 출력의 잉여분을 전기 에너지로서 모아 에너지 절약을 도모하고, 엔진 출력 부족시에, 그 모은 전기 에너지를 방출하여 전동기/발전기(60)를 구동시켜 필요 펌프 동력을 유지할 수 있다. 그 결과, 작업 기계가 작업을 행할 때 필요한 평균 마력 상당의 정격 출력을 갖는 소형 엔진의 채용이 가능해져, 연비의 향상이나 배출 CO2의 삭감이 가능해진다.
또한, 본 실시 형태에 따르면, 유압 펌프(2)의 경사판의 틸팅각을 센서로 검출하는 일 없이, 유압 펌프의 용량을 추정할 수 있으므로, 틸팅각 센서를 설치할 필요가 없다. 그 결과, 탑재 스페이스가 부족한 경향이 있는 미니 셔블 등의 소형의 유압 셔블이라도, 용이하게 하이브리드 시스템을 탑재할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따르면, 압력 센서(41)로 검출한 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압(Pgr)으로부터 펌프 회전수 혹은 엔진 회전수를 산출하므로, 유압 펌프(2)의 경사판(2a)의 경사각과 엔진(1)의 회전수를 센서로 검출하는 일 없이, 유압 펌프(2)의 필요 동력을 계산 가능해져, 소형화를 위해 엔진에 회전수를 검출하기 위한 센서를 구비하고 있지 않은 미니 셔블 등의 소형의 유압 셔블이라도, 용이하게 하이브리드 시스템을 탑재할 수 있다.
<그 밖의 실시 형태>
이상의 실시 형태는 본 발명의 정신의 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다. 이하에 그 몇 가지의 예를 설명한다.
(1) 상기 실시 형태에서는, 압력 센서(41)를 이용하여 엔진 회전수 검출 밸브(13)의 출력압(Pgr)을 검출하고, 엔진(1)의 실제의 회전수를 산출하고, 이 엔진(1)의 실제의 회전수를 이용하여 펌프 유량이나 엔진 출력을 산출하였지만, 엔진(1)의 실제의 회전수 대신에 목표 회전수를 이용하여 펌프 유량이나 엔진 출력을 산출해도 된다. 유압 셔블 등의 작업 기계에 있어서는, 통상, 엔진(1)의 목표 회전수는, 운전실에 설치된 엔진 컨트롤 다이얼 등의 조작 수단을 작업자가 조작함으로써 지시되고, 목표 회전수의 지시 신호가 엔진 컨트롤러에 입력된다. 따라서, 목표 회전수를 이용하여 펌프 유량이나 엔진 출력을 산출하는 경우는, 엔진 컨트롤 다이얼의 지시 신호를 입력하고, 이 지시 신호로부터 목표 회전수를 산출하면 된다.
(2) 상기 실시 형태에서는, 차압 감압 밸브(11)를 설치하여, 유압 펌프(2)의 토출압과 최고 부하압의 차압을 절대압으로서 출력하고, 압력 센서(42)를 이용하여 그 절대압을 검출하였다. 그러나, 기종에 따라서는 차압 감압 밸브(11)를 구비하지 않는 작업 기계도 있고, 그 경우는, 최대 부하압을 검출하는 압력 센서를 설치하여, 이 압력 센서로 검출한 최대 부하압과 압력 센서(40)로 검출한 펌프압의 차압을 컨트롤러 내에서 연산하고, 그 차압을 차압 감압 밸브(11)의 출력압의 대신에 사용해도 된다. 또한, 차압 감압 밸브(11)를 설치하지 않는 경우는, 7a, 7b, 7c…에 있어서, 개방 방향 작동의 수압부(21a, 21b, 21c …) 대신에, 대향하는 2개의 수압부를 설치하고, 이들 수압부에 펌프압과 최고 부하압을 개별로 유도하면 된다. LS 제어 밸브(12b)에 있어서도, 마찬가지로, 수압부(12e) 대신에, 대향하는 2개의 수압부를 설치하고, 이들 수압부에 펌프압과 최고 부하압을 개별로 유도하면 된다.
(3) 상기 실시 형태에서는, 건설 기계가 소형의 유압 셔블인 경우에 대해 설명하였지만, 소형의 작업 기계라면, 유압 셔블 이외의 작업 기계(예를 들어, 휠식 셔블 등)에 본 발명을 적용하여, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
1 : 엔진
2 : 유압 펌프(메인 펌프)
3a, 3b, 3c … : 액추에이터
4 : 컨트롤 밸브
4a : 제2 압유 공급 유로
5 : 제1 압유 공급 유로
6a, 6b, 6c … : 유량 제어 밸브
7a, 7b, 7c … : 압력 보상 밸브
8a, 8b, 8c … : 유로
9a, 9b, 9c … : 셔틀 밸브
11 : 차압 감압 밸브
12 : 펌프 제어 장치
12a : 토크 제어 피스톤
12b : LS 제어 밸브
12c : LS 제어 피스톤
13 : 엔진 회전수 검출 밸브
14 : 메인 릴리프 밸브
15 : 언로드 밸브
24 : 게이트 로크 레버
27, 27a, 27b : 신호 유로
30 : 파일럿 펌프
31a : 압유 공급 유로
31b : 파일럿 유로
31c : 파일럿 유로
32 : 파일럿 릴리프 밸브
33 : 파일럿 유압원
40 : 압력 센서(제1 압력 센서)
41 : 압력 센서(제3 압력 센서)
42 : 압력 센서(제2 압력 센서)
60 : 전동기/발전기
61 : 컨버터
62 : 배터리
63 : 배터리 컨트롤러
64 : 차체 컨트롤러
64a : 추정기(옵저버)
64b : 회전수 테이블 데이터
64c, d : 승산기
64e : 변환기
64f : 엔진 출력 테이블 데이터
64g : 감산기
64h : 연산기
64j : 펌프 동력 연산부
70 : 동력 분배기
81 : 계산부
81a∼81f : 서브 계산부
82 : 계산부
82a∼82h : 서브 계산부
100 : 게이트 로크 밸브
122, 123 : 조작 레버 장치

Claims (3)

  1. 엔진과,
    상기 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프와,
    상기 엔진과 병용하여 상기 유압 펌프를 구동하는 전동기와,
    상기 유압 펌프로부터 토출된 압유에 의해 구동되는 복수의 액추에이터와,
    상기 엔진에 의해 구동되는 파일럿 펌프와,
    상기 파일럿 펌프에 접속되고, 상기 파일럿 펌프의 토출유에 기초하여 일정한 파일럿 1차압을 생성하는 파일럿 유압원과,
    상기 파일럿 펌프와 상기 파일럿 유압원 사이에 위치하고, 상기 파일럿 펌프의 토출유에 기초하여 상기 엔진의 회전수에 의존하는 유압 신호를 절대압으로서 생성하여 출력하는 엔진 회전수 검출 밸브와,
    상기 유압 펌프의 토출압이 높아짐에 따라서 상기 유압 펌프의 용량을 감소시켜, 상기 유압 펌프의 흡수 토크가 미리 설정한 최대 토크를 초과하지 않도록 제어하는 토크 제어부와, 상기 엔진 회전수 검출 밸브의 상기 유압 신호가 로드 센싱 제어의 목표 차압으로서 유도되고, 상기 유압 펌프의 토출압이 상기 복수의 액추에이터의 최고 부하압보다 상기 목표 차압만큼 높아지도록 상기 유압 펌프의 용량을 제어하는 로드 센싱 제어부를 갖는 펌프 제어 장치와,
    상기 유압 펌프의 토출압과 상기 최고 부하압의 차압을 절대압으로서 생성하여 출력하는 차압 감압 밸브를 구비한 하이브리드식 작업 기계에 있어서,
    상기 유압 펌프의 토출압을 검출하는 제1 압력 센서와, 상기 차압 감압 밸브의 출력압인 절대압을 검출하는 제2 압력 센서와, 상기 엔진 회전수 검출 밸브가 출력하는 상기 유압 신호를 검출하는 제3 압력 센서를 포함하는 복수의 압력 센서와,
    상기 복수의 압력 센서가 검출한 압력과 미리 기억한 상기 파일럿 유압원의 일정한 압력에 기초하여, 상기 유압 펌프의 필요 동력과 상기 엔진의 출력을 연산하고, 상기 유압 펌프의 필요 동력과 상기 엔진의 출력의 비교 결과에 따라서 상기 전동기의 역행 제어와 발전 제어를 전환하는 제어 장치를 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 제1 압력 센서, 상기 제2 압력 센서, 상기 제3 압력 센서 각각이 검출한 압력과, 상기 미리 기억한 상기 파일럿 유압원의 일정한 압력과, 상기 유압 펌프의 변위 용적 가변 부재의 운동 방정식을 이용하여 상기 유압 펌프의 용량을 가상적으로 연산하고, 또한 상기 제3 압력 센서로 검출한 상기 유압 신호의 압력을 이용하여 상기 엔진의 회전수를 연산하고, 이 엔진의 회전수와 상기 가상적으로 연산한 상기 유압 펌프의 용량과 상기 제1 압력 센서가 검출한 상기 유압 펌프의 토출압을 이용하여 상기 유압 펌프의 필요 동력을 연산함과 함께, 상기 연산한 엔진의 회전수를 이용하여 상기 엔진의 출력을 연산하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 작업 기계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유압 펌프의 토출압과 상기 최고 부하압의 차압을 절대압으로서 생성하여 출력하는 차압 감압 밸브를 구비하고,
    상기 제2 압력 센서는, 상기 차압 감압 밸브가 출력하는 상기 차압을 검출하는 압력 센서이고,
    상기 복수의 압력 센서는, 상기 제1 압력 센서와 상기 제2 압력 센서와 상기 제3 압력 센서의 3개의 압력 센서인 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 작업 기계.
  3. 엔진과,
    상기 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프와,
    상기 엔진과 병용하여 상기 유압 펌프를 구동하는 전동기와,
    상기 유압 펌프로부터 토출된 압유에 의해 구동되는 복수의 액추에이터와,
    상기 엔진에 의해 구동되는 파일럿 펌프와,
    상기 파일럿 펌프에 접속되고, 상기 파일럿 펌프의 토출유에 기초하여 일정한 파일럿 1차압을 생성하는 파일럿 유압원과,
    상기 유압 펌프의 토출압이 높아짐에 따라서 상기 유압 펌프의 용량을 감소시켜, 상기 유압 펌프의 흡수 토크가 미리 설정한 최대 토크를 초과하지 않도록 제어하는 토크 제어부와, 상기 유압 펌프의 토출압이 상기 복수의 액추에이터의 최고 부하압보다 목표 차압만큼 높아지도록 상기 유압 펌프의 용량을 제어하는 로드 센싱 제어부를 갖는 펌프 제어 장치와,
    상기 유압 펌프의 토출압과 상기 최고 부하압의 차압을 절대압으로서 생성하여 출력하는 차압 감압 밸브와,
    상기 엔진의 목표 회전수를 지시하는 조작 수단을 구비한 하이브리드식 작업 기계에 있어서,
    상기 유압 펌프의 토출압을 검출하는 제1 압력 센서와, 상기 차압 감압 밸브의 출력압인 절대압을 검출하는 제2 압력 센서를 포함하는 복수의 압력 센서와,
    상기 복수의 압력 센서가 검출한 압력과, 상기 조작 수단이 지시하는 상기 엔진의 목표 회전수와, 미리 기억한 상기 파일럿 유압원의 일정한 압력에 기초하여, 상기 유압 펌프의 필요 동력과 상기 엔진의 출력을 연산하고, 상기 유압 펌프의 필요 동력과 상기 엔진의 출력의 비교 결과에 따라 상기 전동기의 역행 제어와 발전 제어를 전환하는 제어 장치를 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 제1 및 제2 압력 센서로 검출한 압력과, 상기 조작 수단이 지시하는 상기 엔진의 목표 회전수와, 상기 미리 기억한 상기 파일럿 유압원의 일정한 압력과, 상기 유압 펌프의 변위 용적 가변 부재의 운동 방정식을 이용하여 상기 유압 펌프의 용량을 가상적으로 연산하고, 상기 조작 수단이 지시하는 상기 엔진의 목표 회전수와 상기 가상적으로 연산한 상기 유압 펌프의 용량과 상기 제1 압력 센서가 검출한 상기 유압 펌프의 토출압을 이용하여 상기 유압 펌프의 필요 동력을 연산함과 함께, 상기 조작 수단이 지시하는 상기 엔진의 목표 회전수를 이용하여 상기 엔진의 출력을 연산하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 작업 기계.
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