KR102046657B1 - 유압장치의 과열방지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명인 유압장치의 과열방지 시스템은 액츄에이터를 구동시키는 유압펌프, 유압펌프와 연결되어 유압펌프를 동작시키는 엔진, 유압펌프를 통제하는 펌프통제기, 펌프통제기에 연결되어 유압펌프의 최대 설정 토크를 제어하는 전자비례감압밸브, 엔진에서 발생하는 열을 식히는 냉각수와 액츄에이터를 작동시키는 작동유의 온도를 감지하는 온도센싱부, 및 온도센싱부가 측정한 온도에 기초한 온도 정보와 미리 설정된 기준온도와의 차이에 기초하여 엔진 및 전자비례감압밸브 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

유압장치의 과열방지 시스템{System for preventing over-heating of Hydraulic assembly}
본 발명은 유압장치의 과열방지 시스템에 관한 발명으로서 보다 상세하게는 굴삭기와 같은 건설기계에 채용되는 유압장치의 과열을 방지하기 위한 시스템에 관한 발명이다.
일반적으로 굴삭기와 같은 건설 기계는 주행이나 각종 작업장치를 구동시키기 위한 복수의 액츄에이터를 구비한다. 복수의 액츄에이터는 엔진에 의해 구동되는 가변용량형 유압펌프로부터 토출되는 작동유에 의해 구동된다.
굴삭기를 예로 들어 보다 구체적으로 설명하면 굴삭기의 조이스틱 및 각종 주행조작장치의 유압제어라인에는 각각 압력센서가 구비되어 있다. 사용자가 조이스틱 및 각종 주행조작장치를 조작할 경우 압력센서가 그 움직임에 따른 신호를 인지하여 제어부로 전송하고 제어부는 압력센서값을 이용하여 이에 해당하는 신호 즉 전류량을 전자비례제어밸브(EPPR)로 출력한다. 전자비례제어밸브는 작동유의 개도량을 제어하고 이에 따라 유압펌프에서 토출되는 유량이 조절된다.
이러한 유압식 굴삭기에서의 장비과열은 장비손상에 치명적인 영향을 미친다. 종래에는 엔진 냉각수 온도와 작동유 온도를 장비 컨트롤러에서 감지하여 과열상태에 진입하면 엔진 및 장비 보호를 위해 엔진은 최소회전수 저감, 펌프토크는 파워쉬프트 컨트롤 전류치를 통한 최소 토크로 강제한다.
과열 발생후 조치 제어만 수행하며, 엔진 및 장비보호를 위해 엔진 회전수 및 펌프토크를 최저치로 저감시키기 때문에 과열온도조건이 해제될 때까지 작업이 불가능하게 된다. 즉 필드에서 쿨링시스템 성능저하 및 오염 등에 의해 냉각계 성능저하에 선 대응이 불가능하다.
극소수 작업에서 냉각계 설계치 이상의 과부하 작업으로 과열 발생과 일부 극한지역에서 환경조건에 따른 과열 발생 대응이 불가하거나 일부 필드 조건을 만족시키기 위해 냉각성능을 키우는 방법이 있지만 원가상승 및 에너지 소비 상승에 따른 연비 효율저하가 발생한다.
본 발명은 설계치 이상의 과부하 상태로 연속 운전이 행해지거나 고려되지 않은 환경 온도가 높은 경우 또는 기대하지 않은 냉각효율 저하 발생시에 작업 중단 초래를 방지하거나 최소화하여 장비 가동율을 증대 및 엔진/장비 손상을 최소화하며, 에너지 절약 및 작업성 향상을 실현한다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 유압장치의 과열방지 시스템은 액츄에이터를 구동시키는 유압펌프, 유압펌프와 연결되어 유압펌프를 동작시키는 엔진, 유압펌프를 통제하는 펌프통제기, 펌프통제기에 연결되어 유압펌프의 최대 설정 토크를 제어하는 전자비례감압밸브, 엔진에서 발생하는 열을 식히는 냉각수의 온도와 상기 액츄에이터를 작동시키는 작동유의 온도와 엔진 흡기공기 온도 중 하나 이상을 측정할 수 있는 온도센싱부, 및 온도센싱부가 측정한 온도에 기초한 온도 정보와 미리 설정된 기준온도와의 차이에 기초하여 엔진 및 전자비례감압밸브 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 제어부는, 미리 설정된 기준온도를 기준으로 온도 정보를 정규화한(normalized) 정규화 온도정보에 기초하여 제어를 수행하되, 온도센싱부에서 측정된 냉각수 온도, 작동유 온도, 엔진 흡기공기 온도 중 둘 이상을 정규화하여 정규화 온도정보를 생성할 수 있다.
또한, 정규화 온도정보는 냉각수 정규화 온도, 작동유 정규화 온도, 엔진 흡기공기 정규화 온도를 포함할 수 있다.
또한, 제어부는 정규화 온도정보에 따라 유압펌프의 토크를 제어할 수 있으며, 정규화 온도정보 중 정규화 최대 온도에 따라 유압펌프의 토크를 제어하되, 정규화 최대 온도는 냉각수 정규화 온도와 작동유 정규화 온도 중 큰 값(MAX)일 수 있다. 또한, 제어부는 정규화 최대 온도에 따라 펌프의 토크를 선형적으로 저감하여 유압펌프의 토크를 제어하거나, 정규화 최대 온도에 따라 단계적으로 펌프의 토크를 저감하여 유압펌프의 토크를 제어할 수 있다.
또한, 제어부는 정규화 온도정보에 기초하여 과열 상태에 따라 유압펌프 토크의 상승 기울기를 낮추어 유압펌프의 토크를 제어할 수 있으며, 정규화 온도정보 중 정규화 최대 온도에 따라 단계적으로 유압펌프 토크의 상승 기울기를 낮추어 유압펌프의 토크를 제어할 수 있다.
또한, 제어부는 정규화 온도정보에 따라 엔진의 회전수를 제어할 수 있으며, 정규화 온도정보 중 정규화 최대 온도에 따라 엔진의 회전수를 제어하되, 정규화 최대 온도는 냉각수 정규화 온도와 작동유 정규화 온도 중 큰 값(MAX)일 수 있고, 정규화 최대 온도에 따라 엔진의 회전수를 단계적으로 낮추어 상기 엔진의 회전수를 제어할 수 있다.
본 발명의 효과는 다음과 같다.
첫째, 장치의 과열에 따른 손상을 막을 수 있다.
둘째, 작업의 중단을 최소화하여 작업효율을 높일 수 있다.
셋째, 장비의 가동율을 증가시켜 장비의 손상을 최소화하면서 공급되는 에너지를 절약할 수 있다.
도 1은 본 발명인 유압장치의 과열방지 시스템의 블럭도,
도 2는 온도 정규화의 흐름도,
도 3은 본 발명인 유압장치의 과열방지 시스템의 펌프 토크 저감 선형제어를 나타내는 그래프,
도 4는 본 발명인 유압장치의 과열방지 시스템의 펌프 토크 저감 단계제어를 나타내는 그래프,
도 5 및 도 6은 본 발명인 유압장치의 과열방지 시스템의 펌프 응답성 제어를 나타내는 그래프,
도 7은 본 발명인 유압장치의 과열방지 시스템의 엔진 회전수 저감 제어를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명인 유압장치의 과열방지 시스템에 관하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명인 유압장치의 과열방지 시스템의 블럭도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명인 유압장치의 과열방지 시스템은 액츄에이터를 구동시키는 유압펌프(10), 유압펌프(10)와 연결되어 유압펌프(10)를 동작시키는 엔진(20), 유압펌프(10)를 통제하는 펌프통제기(30), 펌프통제기(30)에 연결되어 유압펌프(10)의 최대 설정 토크를 제어하는 전자비례감압밸브(40), 엔진(20)에서 발생하는 열을 식히는 냉각수와 액츄에이터를 작동시키는 작동유의 온도를 감지하는 온도센싱부(50) 및 온도센싱부(50)로부터 온도 정보를 받아 엔진(20)을 제어하고, 전자비례감압밸브(40)를 제어하는 제어부(60)를 포함한다.
굴삭기와 같은 건설장비를 조절하는 조이스틱이나 각종 주행조작장치(미도시)는 사용자의 조작에 의해 전기적인 신호를 유압장치에 전달한다. 전달된 전기신호는 엔진(20)에 의해서 가동되는 유압펌프(10)에 작동유를 흐르게 한다. 작동유는 MCV를 통해 액추에이터를 동작시킨다. 작동유의 유량을 제어하기 위해 유압펌프(10)에는 사판(11)이 구비되고, 사판(11)에는 펌프 통제기(30)가 연결되어 있다. 펌프 통제기(30)는 작동유의 유량을 제어할 뿐만 아니라 마력제어, 파워 쉬프트 제어 기능을 수행한다.
제어부(60)는 전자비례제어밸브(40)를 제어하고, 유압펌프(10)를 동작시키기 위한 엔진(20)을 제어한다. 또한 제1온도센서(52)와 제2온도센서(54)에서 측정된 온도를 기초로 펌프토크 저감제어, 펌프 응답성 제어, 엔진회전수 제어를 수행한다.
제1온도센서(52)는 엔진과열을 막기 위한 냉각장치의 냉각수의 온도를 측정한다. 제2온도센서(54)는 유압펌프(10)에 흐르는 작동유의 온도를 측정한다.
이하 도 2를 참고하여 본 발명인 유압펌프의 과열방지 시스템의 온도 정규화 과정에 대해서 살펴본다.
도 2는 온도 정규화의 흐름도이다.
일반적인 과열의 기준은 냉각수 온도, 작동유 온도를 기준으로 구분된다. 각 온도는 각 부위에 장착된 온도센서에서 측정된 온도를 제어부(60)가 감지하여 기 설정된 과열 기준온도를 100%기준으로 정규화한다. 유압장치에 부정적인 영향을 미치는 냉각수의 온도와 작동유의 온도가 서로 다르고 비열의 차이로 인한 온도 증가율이 다르기 때문에 제1, 제2온도센서(52, 54)를 통해 측정된 온도는 정규화 과정을 거쳐야 하고 정규화된 온도 중에서 유압장치에 영향을 미치는 정규화 온도를 찾는다.
온도 정규화를 통해서 유압장치에 영향을 미치는 정규화 온도를 찾는데에는 냉각수 온도, 작동유 온도 뿐만 아니라 엔진 흡기공기 온도(CAC 온도)도 고려할 수도 있는데, 이하에서는 냉각수 온도와 작동유 온도 2가지만 고려하여 온도 정규화에 대하여 보다 구체적으로 설명한다. 제1온도센서(52)를 통해 측정되는 냉각수의 온도는 가변온도 내의 최대값을 100%로 설정하여 냉각수 정규화 온도(%)로 환산된다. 또한 같은 방법으로 제2온도센서(54)를 통해 측정되는 작동유의 온도는 가변온도 내의 최대값을 100%로 설정하여 작동유 정규화 온도(%)로 환산된다. 그 후, 냉각수 및 작동유 정규화 온도(%) 중에서 큰 값(MAX)을 유압장치에 영향을 미치는 정규화 최대 온도(%)로 채택한다. 예를 들어 냉각수의 가변 온도범위를 0℃ ~ 100℃라 가정하고, 작동유의 가변 온도범위를 10℃~110℃로 가정한 경우 각 가변 온도범위를 100분위 퍼센트로 산출하여 바꾸는 정규화 과정을 거친 후(즉, 냉각수 온도 100℃가 100%, 작동유 온도 110℃가 100%가 된다), 제1온도센서(52) 및 제2온도센서(54)에서 각 측정된 냉각수 온도 및 작동유 온도를 각각 정규화 온도(%)로 환산한다. 위 예시와 같은 냉각수와 작동유의 가변 온도범위를 가정한 경우, 측정된 냉각수 온도가 70℃이고 측정된 작동유 온도가 90℃라고 하면, 냉각수 정규화 온도(%)는 70%가 되고 작동유 정규화 온도(%)는 80%로 되며, 이 중 큰 값을 갖는 작동유 정규화 온도(%)가 유압장치에 영향을 미치는 인자로 설정된다. 즉 이렇게 설정된 인자의 가변온도의 최대값이 정규화 최대 온도(%)가 된다.
제어부(60)는 제1온도센서(52)와 제2온도센서(54)를 통해 측정된 온도를 정규화하며, 냉각수 및 작동유의 최대값은 사용자에 의해서 제어부(60)에 기 설정된다. 제1온도센서(52)와 제2온도센서(54)에 의해서 측정된 온도를 유압장치가 작동하는 중에 실시간으로 측정하여 측정된 온도정보는 제어부(60)에 전송된다. 온도정보를 전송받은 제어부(60)는 유압장치의 과열을 막기 위해서 펌프 토크 저감 제어, 펌프 응답성 제어, 엔진 회전수 저감 제어를 수행한다. 이하 각각에 대해서 살펴본다.
도 3은 본 발명인 유압장치의 과열방지 시스템의 펌프 토크 저감 선형제어를 나타내는 그래프이고, 도 4는 본 발명인 유압장치의 과열방지 시스템의 펌프 토크 저감 단계제어를 나타내는 그래프이다.
제어부(60)에서 펌프 토크 저감 제어를 수행하는 방법 중 본 발명인 유압장치의 과열방지 시스템은 정규화된 온도에 따라 선형제어 또는 단계제어를 수행한다. 먼저 도 3과 같은 펌프 토크 저감 선형제어는 기 설정된 최대 토크 값을 100%라 가정하고 도 2에서 수행된 정규화 최대온도에 따라 펌프 토크를 저감한다. 정규화 최대온도의 94%까지는 성능 저하 없이 설정된 최대 토크값을 유지하다가 정규화 최대온도에 도달하기 전까지 펌프 토크의 선형적 저감을 통해 유압파워를 낮춰 부하를 방지 과열을 방지 또는 최소화한다. 또한 정규화 온도가 100%에 도달 할 경우 펌프 토크를 최저 토크로 낮춰 장비 및 엔진을 보호한다.
펌프 토크 저감 단계제어는 기 설정된 펌프 최대 토크값을 100%로 가정하고 일정한 시간 정규화 최대 온도값을 취해 단계별 펌프 토크를 저감해 나가는 방식이다. 적용예로서 정규화 최대 온도 94%에서부터 2%씩 증가할 때마다 펌프 토크를 3~5%씩 저감시키는 방식이다. 정규화 최대 온도가 100%에 도달할 경우 도 4에 도시된 바와 같이 펌프 토크를 최저 토크로 낮춘다.
다음으로 유압장치의 과열을 방지하기 위한 펌프 응답성 제어에 대해서 살펴본다.
도 5는 본 발명인 유압장치의 과열방지 시스템의 시간에 따른 펌프 응답성 제어를 나타내는 그래프이다. 펌프 응답성 제어는 무부하시 펌프 토크를 최저 토크에 낮춘 상태에서 부하가 증가할 때 펌프 최저 토크에서 최대 토크까지 상승 기울기를 변경하여 유압 출력 및 엔진에 걸리는 부하를 낮추는 방식의 제어이다. 도 5에 도시된 바와 같이 과열 방지 진입조건 이전에 Fast모드를 유지하다가 과열 방지 제어 구간에 도달하면 펌프 토크 응답성을 Fast모드에서 Normal 모드, Normal 모드에서 Slow모드로 낮추게 된다. 즉 제어부는 파워 쉬프트 제어를 위해 흐르는 전류의 변화량을 낮춰 펌프 토크 응답성을 제어를 수행한다.
도 6은 정규화 최대 온도에 따른 펌프 토크 응답성 제어 모드를 단계적으로 구성한 예를 도시한 그래프이다. Fast모드를 유지하다가 정규화 최대 온도가 94%이상일 때에는 펌프 토크 응답성을 Fast모드에서 Normal 모드로 낮추어 유지하다가 97%이상일 때에는 Normal 모드에서 Slow모드로 낮추게 된다.
마지막으로 제어부는 엔진과 연결되어 엔진 회전수 저감 제어를 수행한다. 도 7은 본 발명인 유압장치의 과열방지 시스템의 엔진 회전수 저감 제어 그래프이다. 정규화 최대 온도별 엔진 회전수를 50rpm씩 단계적으로 낮춰가면서 과열을 방지 또는 최소화하는 제어방식이다. 즉 엔진 회전수를 최대 rpm값으로 유지하다가 정규화 최대 온도가 94%에 도달하면 엔진회전수를 최대 rpm보다 50rpm 낮도록 낮춘다. 이후 단계적으로 정규화 최대 온도가 97%에 도달하면 다시 엔진회전수를 최대 rpm보다 100rpm 낮게 낮춘다. 이후 정규화 최대 온도가 100%에 도달하면 엔진회전수를 최소로 낮추도록 제어부는 엔진을 제어한다. 이러한 엔진 회전수 저감 제어는 앞선 펌프 토크제어방식 보다 엔진 냉각수 과열 방지에 효과적이다.
본 발명인 유압장치의 과열방지 시스템은 또한 과열상태가 제어부를 통해서 판단되는 경우 시스템 내에 설치된 모니터에 온도의 상승에 따른 과열상태를 표시하여 사용자로 하여금 즉각적인 조치를 취할 수 있도록 한다.
결국 본 발명인 유압장치의 과열방지 시스템은 과열상태에 진입하면 엔진 및 장비 보호를 위해 엔진의 회전수를 최소 회전수로 저감시키고, 펌프 토크를 최소 토크로 강제하지 않고 냉각수 및 작동유의 온도 상승에 따라 단계적 또는 선형적으로 엔진회전수, 펌프 응답성, 펌프 토크를 제어하여 과열 온도조건이 해제될 때까지 작업이 불가능했던 종래와는 달리 일정 수준의 작업을 가능하게 하여 작업능률을 향상시키고, 에너지를 절약할 수 있는 시스템이다.
10 유압펌프 11 사판
20 엔진 30 펌프통제기
40 전자비례감압밸브 50 온도센싱부
52 제1온도센서 54 제2온도센서
60 제어부 70 모니터

Claims (12)

  1. 액츄에이터를 구동시키는 유압펌프;
    상기 유압펌프와 연결되어 상기 유압펌프를 동작시키는 엔진;
    상기 유압펌프를 통제하는 펌프통제기;
    상기 펌프통제기에 연결되어 상기 유압펌프의 최대 설정 토크를 제어하는 전자비례감압밸브;
    상기 엔진에서 발생하는 열을 식히는 냉각수의 온도, 상기 액츄에이터를 작동시키는 작동유의 온도, 엔진 흡기공기 온도 중 하나 이상을 측정할 수 있는 온도센싱부; 및
    상기 온도센싱부가 측정한 온도에 기초한 온도 정보와 미리 설정된 기준온도와의 차이에 기초하여 상기 엔진 및 상기 전자비례감압밸브 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 미리 설정된 기준온도를 기준으로 상기 온도 정보를 정규화한 정규화 온도정보에 기초하여 상기 제어를 수행하되, 상기 온도센싱부에서 측정된 냉각수 온도, 작동유 온도, 엔진 흡기공기 온도 중 둘 이상을 정규화하여 상기 정규화 온도정보를 생성하고,
    상기 정규화 온도정보는 상기 온도센싱부에서 측정된 각 온도의 가변온도의 최대값을 기준으로 하여 정규화한 냉각수 정규화 온도, 작동유 정규화 온도, 엔진 흡기공기 정규화 온도를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 냉각수 정규화 온도, 상기 작동유 정규화 온도 및 상기 엔진 흡기공기 정규화 온도 중에서 가장 큰 값을 갖는 정규화 온도 정보의 상기 최대값을 정규화 최대 온도로 설정하고, 가변 온도범위 내에서 상기 정규화 최대 온도에 따라 상기 유압펌프의 토크를 제어하는 것을 특징으로 하는 유압장치의 과열방지 시스템.

  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 정규화 온도정보에 따라 상기 유압펌프의 토크를 제어하는 것을 특징으로 하는 유압장치의 과열방지 시스템.

  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 정규화 최대 온도에 따라 펌프의 토크를 선형적으로 저감하여 상기 유압펌프의 토크를 제어하는 것을 특징으로 하는 유압장치의 과열방지 시스템.

  7. 제1항에 있어서,
    상기 정규화 최대 온도에 따라 단계적으로 펌프의 토크를 저감하여 상기 유압펌프의 토크를 제어하는 것을 특징으로 하는 유압장치의 과열방지 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 정규화 온도정보에 기초하여 과열 상태에 따라 상기 유압펌프 토크의 상승 기울기를 낮추어 상기 유압펌프의 토크를 제어하는 것을 특징으로 하는 유압장치의 과열방지 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 정규화 최대 온도에 따라 단계적으로 상기 유압펌프 토크의 상승 기울기를 낮추어 상기 유압펌프의 토크를 제어하는 것을 특징으로 하는 유압장치의 과열방지 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 정규화 온도정보에 따라 상기 엔진의 회전수를 제어하는 것을 특징으로 하는 유압장치의 과열방지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 정규화 온도정보 중 정규화 최대 온도에 따라 상기 엔진의 회전수를 제어하되, 상기 정규화 최대 온도는 상기 냉각수 정규화 온도와 상기 작동유 정규화 온도 중 큰 값인 것을 특징으로 하는 유압장치의 과열방지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 정규화 최대 온도에 따라 상기 엔진의 회전수를 단계적으로 낮추어 상기 엔진의 회전수를 제어하는 것을 특징으로 하는 유압장치의 과열방지 시스템.
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