KR102054452B1 - 건설기계의 에너지 회생 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건설기계의 에너지 회생 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 건설기계의 붐 다운 동작 시 소모되는 에너지를 회생하여 재사용함으로써 에너지 효율성을 향상시킬 수 있는 건설기계의 에너지 회생 시스템에 관한 것이다.
이를 위해, 건설기계의 붐 다운 동작 시 발생하는 중력 에너지를 회생하여 재사용하기 위한 에너지 회생 시스템에 있어서, 붐 실린더로부터 중력 에너지를 전달받고 유량의 흐름을 제어하는 유량조절 밸브; 상기 유량조절 밸브를 관통한 유체에 의해 형성된 유압을 저장하기 위한 어큐뮬레이터; 상기 유량조절 밸브와 어큐뮬레이터 사이에 배치되도록 설치되고, 붐 실린더에서 보내지는 압력 중 유량조절 밸브를 통과하지 않는 부하압력에 의해 폐쇄되어, 붐 다운 시 발생하는 유압에너지를 어큐뮬레이터로 저장하지 않고 사용처로 직접 보내기 위한 컴펜세이터; 상기 어큐뮬레이터에 저장된 유압의 배출 흐름을 제어하기 위한 배출밸브; 및 엔진에 연결되도록 설치되고, 상기 유량조절 밸브를 통과한 유압 또는 어큐뮬레이터에 저장된 유압에 의해 작동하여 엔진의 동력을 보조하기 위한 유압모터;를 포함하고, 상기 컴펜세이터는, 상기 유량조절 밸브를 통해 이송되는 유량이 기설정된 압력 이하일 경우에는 우회압력라인으로 유량을 보내 상기 유압모터를 가동시킬 수 있도록 하고, 상기 유량조절 밸브를 통해 이송되는 유량이 기설정된 압력 이상일 경우에는 개방되어 상기 어큐뮬레이터로 압력이 저장될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 에너지 회생 시스템을 제공한다.

Description

건설기계의 에너지 회생 시스템{Energy recovery systems for construction equipment}

본 발명은 건설기계의 에너지 회생 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 건설기계의 붐 다운 동작 시 소모되는 에너지를 회생하여 재사용함으로써 에너지 효율성을 향상시킬 수 있는 건설기계의 에너지 회생 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 굴삭기와 같은 건설기계는 엔진의 힘으로부터 펌프를 회전시켜 유량 및 유압을 형성시킨 후 각 작업기(actuator)를 거쳐 탱크로 배출되는 일련의 과정으로 이루어지고, 이러한 과정 속에 많은 부분의 에너지가 열, 진동, 소음 등으로 소모되고 이러한 에너지가 많을수록 에너지 효율은 감소하여 엔진의 연비에 많은 영향을 미쳐 건설기계 운용 비용을 증가시키는 문제로 이어진다.

한편, 이렇게 소모되는 에너지로 인해 에너지 효율성이 떨어지는 문제를 해결하고자 종래에는 소모되는 에너지 일부를 회생하여 재활용하려는 노력이 꾸준히 제기되고 있다.

이러한 소모되는 에너지 중 회생하여 재활용하기에 가장 유용한 에너지 중 하나는 붐 하강 시의 자중에 의한 중력 에너지가 있을 수 있다.

붐 상승 작업 시에는 많은 에너지가 투입되고, 이렇게 투입된 에너지는 붐의 포텐셜 에너지로 저장되며, 붐 하강 작업 시 저장된 붐 위치에너지가 유용하게 재사용 되지 않고 그대로 배출되고 있어 에너지 효율성이 떨어지게 된다.

한편, 종래에는 이러한 붐 다운 작업 시 소모되는 중력 에너지를 회생하여 재활용하기 위한 시스템 및 방법을 제시한 바 있다.

이 중에서 붐 다운 중력 에너지 중 일부를 유체로써 어큐뮬레이터(Accumulator)에 저장하고 붐 업 동작 또는 타 작업장치 사용 시 모터에 동력을 보조하는 에너지 회생 시스템이 제시되어 있다.

상기와 같은 붐 다운 중력 에너지 중 일부를 어큐뮬레이터에 저장하여 에너지를 재활용하는 시스템은 붐 다운 중력 에너지를 바로 어큐뮬레이터에 저장하고 재사용함으로써 에너지 재사용 효율성일 떨어지게 된다.

즉, 저압부터 서서히 고압으로 축적되는 어큐뮬레이터 특성에 따라 붐 다운 중력 에너지가 어큐뮬레이터에 저장되는 과정에서 에너지가 손실되어 실제 어큐뮬레이터에 저장되는 에너지는 붐 다운 중력 에너지와 많은 차이가 발생하게 된다.

또한, 어큐뮬레이터에 저장된 에너지를 다시 재사용하고자 할 경우에도 마찬가지로 에너지 손실이 발생하여 실제 붐 다운 중력 에너지가 재사용되기까지 많은 에너지가 손실되는 문제가 있다.

한편, 상기와 같은 에너지 회생 시스템 외에 붐 다운 중력 에너지를 저장하지 않고 유압모터를 구동하여 전기에너지를 생산하는 에너지 회생 시스템이 제시되어 있다.

상기와 같은 에너지 회생 시스템의 경우, 유압에너지를 전기에너지로 변환하여 에너지를 재생산하기 위해, 전기에너지 생산에 필요한 에너지 변환 수단 및 발전용 장치들이 구비되어야 함에 따라 에너지 회생 시스템을 구축하기 위한 설비의 구조가 복잡해지고 제작비용이 증가하며, 유압에너지를 전기에너지로 변환하고 다시 재사용 시 유압에너지로 변환되는 과정에서 에너지 손실이 발생하는 문제가 있다.

이와 같이, 붐 다운 중력 에너지를 재활용하기 위한 종래의 에너지 회생 시스템은 붐 다운 시 발생하는 에너지의 회생 비율이 낮아 에너지 효율성이 떨어지는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 건설기계의 붐 다운 동작 시 소모되는 에너지 중 일부는 유압에너지 상태로 유압모터를 구동시키고, 나머지는 저장한 후 필요 시 방출하여 재사용함으로써 에너지 손실을 줄이고 에너지 효율성을 향상시킨 건설기계의 에너지 회생 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상으로는, 건설기계의 붐 다운 동작 시 발생하는 중력 에너지를 회생하여 재사용하기 위한 에너지 회생 시스템에 있어서, 붐 실린더로부터 중력 에너지를 전달받고 유량의 흐름을 제어하는 유량조절 밸브; 상기 유량조절 밸브를 관통한 유체에 의해 형성된 유압을 저장하기 위한 어큐뮬레이터; 상기 유량조절 밸브와 어큐뮬레이터 사이에 배치되도록 설치되고, 붐 실린더에서 보내지는 압력 중 유량조절 밸브를 통과하지 않는 부하압력에 의해 폐쇄되어, 붐 다운 시 발생하는 유압에너지를 어큐뮬레이터로 저장하지 않고 사용처로 직접 보내기 위한 컴펜세이터; 상기 어큐뮬레이터에 저장된 유압의 배출 흐름을 제어하기 위한 배출밸브; 및 엔진에 연결되도록 설치되고, 상기 유량조절 밸브를 통과한 유압 또는 어큐뮬레이터에 저장된 유압에 의해 작동하여 엔진의 동력을 보조하기 위한 유압모터;를 포함하고, 상기 컴펜세이터는, 상기 유량조절 밸브를 통해 이송되는 유량이 기설정된 압력 이하일 경우에는 우회압력라인으로 유량을 보내 상기 유압모터를 가동시킬 수 있도록 하고, 상기 유량조절 밸브를 통해 이송되는 유량이 기설정된 압력 이상일 경우에는 개방되어 상기 어큐뮬레이터로 압력이 저장될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 유량조절 밸브는, 스풀밸브(spool valve) 또는 포핏밸브(poppet valve) 중 하나인 것이 바람직하다.

또한, 상기 어큐뮬레이터는, 복수개가 병렬로 배치될 수 있는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 컴펜세이터는, 유량조절 밸브를 통해 이송되는 유량이 기설정된 압력 이하일 경우에는 우회압력라인으로 유량을 보내 유압모터를 가동시킬 수 있도록 하고, 유량조절 밸브를 통해 이송되는 유량이 기설정된 압력 이상일 경우에는 개방되어 어큐뮬레이터로 압력이 저장될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배출밸브는, 솔레노이드 밸브 또는 유압밸브인 것이 바람직하다.

또한, 상기 어큐뮬레이터에 유입된 유압이 한계 체적량에 도달하면 어큐뮬레이터는 제어부로 신호를 보내고, 제어부는 어큐뮬레이터로부터 신호를 전달받아 배출밸브를 제어하여 배출밸브가 개방되도록 하여 컴펜세이터를 통과한 유압이 어큐뮬레이터로 저장되지 않고 유압모터로 고압의 유량을 공급하여 엔진 토크를 어시스트 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유량조절 밸브를 통과한 유량이 우회압력라인을 거쳐 유압모터로 이송될 경우에는, 어큐뮬레이터에 저장된 유압이 배출되지 못하도록 배출밸브가 폐쇄된 상태가 되도록 하여, 우회압력라인에서 이송되는 유량과 어큐뮬레이터에서 방출되는 유량이 충돌되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명에 건설기계의 에너지 회생 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.

건설기계의 붐 다운 동작에 따라 붐 실린더로부터 전달되는 유압에너지는 유량조절 밸브를 통하여 제1유압라인으로 이송되고 컴펜세이터에 의해 우회압력라인으로 유입되어 제2유압라인을 거쳐 유압모터를 구동시키고 유압모터로부터 발생되는 동력은 엔진에 보내져 엔진의 동력으로 사용되게 된다.

또한, 유압모터로 보내지는 유량이 한계치에 도달하면 붐 실린더로부터 전달되는 유압은 컴펜세이터를 통해 어큐뮬레이터로 유입되어 유압에너지로 저장되게 된다.

한편, 어큐뮬레이터에 저장된 유압에너지는 배출밸브의 개방 여부에 따라 유압모터로 보내져 동력으로 사용된다.

이에 따라, 붐 다운 동작시 발생하는 중력 에너지를 압력손실을 최소화한 상태로 유압에너지로 저장하거나 유압모터를 동작시키기 위한 에너지로써 사용될 수 있고, 이러한 회생 유압에너지는 엔진 동력을 보조함으로써 엔진의 부하를 줄이고, 복합동작시 필요한 토크를 용이하게 구현함으로써 연비를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 건설기계의 에너지 회생 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 건설기계의 에너지 회생 시스템에서 붐 다운 중력 에너지로 유압모터를 구동하는 흐름을 나타낸 흐름도.
도 3은 본 발명에 따른 건설기계의 에너지 회생 시스템에서 붐 다운 중력 에너지를 어큐뮬레이터로 저장하는 흐름을 나타낸 흐름도.
도 4는 본 발명에 따른 건설기계의 에너지 회생 시스템의 어큐뮬레이터에 저장된 유압에너지의 방출 흐름을 나타낸 흐름도.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하에서는, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도 1 내지 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 건설기계의 에너지 회생 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 개략도, 도 2는 본 발명에 따른 건설기계의 에너지 회생 시스템에서 붐 다운 중력 에너지로 유압모터를 구동하는 흐름을 나타낸 흐름도, 도 3은 본 발명에 따른 건설기계의 에너지 회생 시스템에서 붐 다운 중력 에너지를 어큐뮬레이터로 저장하는 흐름을 나타낸 흐름도, 도 4는 본 발명에 따른 건설기계의 에너지 회생 시스템의 어큐뮬레이터에 저장된 유압에너지의 방출되는 흐름을 나타낸 흐름도이다.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 건설기계의 에너지 회생 시스템은 크게, 유량조절 밸브(10), 어큐뮬레이터(20), 컴펜세이터(30), 배출밸브(40), 유압모터(50)를 포함한다.

이러한 본 발명에 따른 건설기계의 에너지 회생 시스템은 건설기계의 붐 다운 동작 시 소모되는 에너지 중 일부는 유압에너지 상태로 유압모터를 구동시키고, 나머지는 저장한 후 필요 시 방출하여 재사용함으로써 에너지 손실을 줄이고 에너지 효율성을 향상시킨 건설기계의 에너지 회생 시스템에 관한 것이다.

먼저, 유량조절 밸브(10)는 붐 실린더(3)로부터 중력 에너지를 전달받고 유량의 흐름을 제어하는 역할을 한다.

상기 유량조절 밸브(10)는 작업자가 붐 레버(2)를 조작시 붐 다운 동작을 위한 신호를 입력받아 유로의 개구 면적을 증가시킴으로써 붐 실린더(3)의 피스톤이 하강하여 붐 다운 동작이 이루어질 수 있도록 한다.

즉, 굴삭기의 붐 다운 동작 시 중력에 의해 붐 실린더(3)의 피스톤이 하강하여 붐 실린더(3)에 수용된 작동유가 피스톤의 중력에 의해 하측으로 내려오게 되면 붐 실린더(3)로부터 이송되는 유체의 압력을 입력받게 된다.

이러한 상기 유량조절 밸브(10)는 붐 실린더(3)로부터 이송되는 유량을 제어하기 위해 유체가 이송하는 유로의 면적을 가변적으로 조절하게 된다.

여기서, 상기 유량조절 밸브(10)는 유로의 면적을 가변적으로 조절할 수 있는 밸브이면 충분하며, 대표적으로 스풀밸브(spool valve)(미도시) 또는 포핏밸브(poppet valve)(미도시) 중 하나인 것이 바람직하다.

상기 스풀밸브(spool valve)는 내부에 유로가 형성된 본체에 원통형 막대인 스풀이 내장되고 스풀에는 유로와 접하는 부분에 홈이 형성되어 있어, 파일롯 압력에 의해 스풀이 좌우로 이동하면 스풀에 형성된 홈이 본체 내부에 형성된 유로와 일치되면서 유로가 연통되어 개방된 상태로 되면서 유로의 입구에서 출구로 유체가 이송되도록 형성된 유체 흐름을 제어하는 밸브이다.

상기 포핏밸브(poppet valve)는 평상시에 유로를 막고 있는 포핏이 스프링에 의해 유로를 폐쇄시킨 상태를 유지하고 있다가 본체 일측에서 파일롯 압력이 입력되면 유압에 의해 스프링이 압축되고 포핏이 이동되면서 유로가 개방되어 오리피스를 통해 유량이 배출될 수 있도록 형성된 유체 흐름을 제어하는 밸브이다.

한편, 붐 다운 실린더(3)로부터 배출되는 유량 중 상기 유량조절 밸브(10)의 개구 면적에 따라 발생하는 부하압력은 유량조절 밸브(10)로 유입되긴 전 부하압력라인(100)으로 유입되게 된다.

즉, 붐 다운 실린더(3)로부터 배출되는 유량은 일부는 유량조절 밸브(10)로 유입되고 나머지 일부는 부하압력으로 작용하여 부하압력라인(100)으로 이송되게 되는 것이다.

또한, 유량조절 밸브(10)를 통과하는 유량은 유량조절 밸브(10)와 연결된 제1유압라인(200)으로 이송되게 된다.

이처럼 상기 운전자가 붐 레버(2)를 조작하면 유량조절 밸브(10)의 개구면적을 가변적으로 제어하여 제1유압라인(200)으로 이송되는 유량의 흐름을 제어할 수 있고, 유량조절 밸브(10)의 유로면적에 따라 붐 실린더(3) 피스톤의 하강 속도가 정해져 붐 다운 동작의 속도를 제어할 수 있게 된다.

다음으로, 어큐뮬레이터(20)는 상기 유량조절 밸브(10)를 관통한 유체에 의해 형성된 유압을 저장하기 위한 역할을 한다.

상기 어큐뮬레이터(200)는 붐 다운 동작 시 발생하는 중력 에너지를 저장하고 추후 재사용하도록 하기 위함으로, 유압을 축적하기 위한 수단이다.

이러한 상기 어큐뮬레이터(20)는 복수개가 병렬로 배치될 수 있다.

또한, 상기 유량조절 밸브(10)를 통과한 유량이 제1유압라인(200)으로 이송되고 어큐뮬레이터(20)로 이송되도록 하기 위해 제1유압라인(200)과 어큐뮬레이터(20)를 연결하는 입출라인(400)이 설치된다.

즉, 상기 어큐뮬레이터(20)는 유량조절 밸브(10)로부터 이송되는 유량을 저장하고, 후술하는 컴펜세이터(30)를 통해 제1유압라인(200)으로 이송되는 유량이 저장될 수 있게 되는 것이다.

이러한 상기 어큐뮬레이터(20)는 내부에 공간이 구비되고 내부 공간에 질소 등의 기체가 충진되어 있어 내부 공간으로 유입되는 유량이 서서히 차오르면서 유체가 고압으로 충진되어 저장될 수 있게 된다.

다음으로, 컴펜세이터(30)는 붐 다운 시 발생하는 유압에너지를 어큐뮬레이터(20)로 저장하지 않고 사용처(유압모터)로 직접 보내기 위해 유량의 흐름을 제어하기 위한 것이다.

상기 컴펜세이터(30)는 상기 유량조절 밸브(10)와 어큐뮬레이터(20) 사이에 배치되도록 설치되고, 제1유압라인(200) 상에 설치된다.

이러한 상기 컴펜세이터(30)는 붐 실린더(3)에서 보내지는 압력 중 유량조절 밸브(10)를 통과하지 않는 부하압력에 의해 폐쇄되어, 붐 다운 시 발생하는 유압에너지를 어큐뮬레이터(20)로 저장하지 않고 컴펜세이터(30) 전단의 제1유압라인(200)에 연결되도록 설치된 우회압력라인(300)으로 유량이 이송되도록 한다.

이때, 상기 컴펜세이터(30)는 기설정된 압력이 입력되면 유로가 개방되도록 형성되는 밸브 형태로써, 일측에 부하압력라인(100)이 연결되고, 타측은 제1유압라인(200)에서 분기된 세팅라인(210)이 연결되며, 탄성을 갖는 스프링이 일정 압력을 유지한 채 유로를 폐쇄된 상태로 유지하도록 형성되어, 평상시에는 부하압력라인(100)으로 이송되는 유량의 압력에 의해 유로가 폐쇄되어 있다가 제1유압라인(200)으로 이송하는 유량의 압력이 기설정된 압력 이상으로 형성되어 세팅라인(210)으로 유입되면 유로가 개방되어 유량이 통과할 수 있는 구조로 형성된다.

예컨대, 컴펜세이터(30)로 부하압력라인(100)을 통해 이송하는 유체의 압력이 기설정된 압력 이상으로 형성되면, 제1유압라인(200)의 유체의 압력과 스프링의 압축 압력을 더한 압력이 낮은 상태로서 컴펜세이터(30)의 유로가 폐쇄된 상태로 되고, 이와 반대로 제1유압라인(200)의 유체의 압력과 스프링의 압축 압력을 더한 압력이 부하압력라인(100)을 통해 이송하는 유체의 압력보다 클 경우에는 유로가 개방되어 유량이 흐를 수 있는 상태가 될 수 있다.

즉, 유량조절 밸브(10)를 통과한 유량은 제1유압라인(200)을 통해 컴펜세이터(30) 측으로 이송되고, 유압이 기설정된 압력 이하일 경우에는 우회압력라인(300)으로 우회하여 유압에너지를 사용하는 사용처(유압모터)로 유입될 수 있게 되는 것이다.

따라서, 상기 컴펜세이터(30)는 유량조절 밸브(10)를 통해 이송되는 유량이 기설정된 압력 이하일 경우에는 우회압력라인(100)으로 유량을 보내 사용처로 보내 후술하는 유압모터(50)를 가동시킬 수 있도록 하고, 유량조절 밸브(10)를 통해 이송되는 유량이 기설정된 압력 이상일 경우에는 개방되어 어큐뮬레이터(20)로 압력이 저장될 수 있도록 한다.

또한, 상기 컴펜세이터(30)와 어큐뮬레이터(20) 사이의 제1유압라인(200)과 우회압력라인(300)에는 유체가 역류하는 것을 방지하기 위해 체크밸브가 설치될 수 있다.

다음으로, 배출밸브(40)는 상기 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압의 배출 흐름을 제어하기 위한 역할을 한다.

상기 배출밸브(40)는 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압을 사용처에서 사용할 수 있도록 유량의 흐름을 제어하는 것으로, 솔레노이드 밸브 또는 유압밸브로 구성될 수 있다.

상기 배출밸브(40)에는 배출밸브(40)의 작동 여부를 제어하기 위해 제어부(4)가 설치될 수 있고, 상기 제어부(4)는 소프트웨어적인 로직 및 제어장치(미도시)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 배출밸브(40)에서 배출되는 유량을 사용처로 이송하기 위해 배출밸브(40) 후단으로 제2유압라인(500)이 설치된다.

이러한 상기 배출밸브(40)는 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압을 방출하기 위해 제어부(4)를 통해 유로를 개방하여 유압에너지를 사용처로 보낼 수 있게 된다.

한편, 상기 배출밸브(40)는 상기 어큐뮬레이터(20)에 유입된 유압이 한계 체적량에 도달하면 어큐뮬레이터(20)는 제어부(4)로 신호를 보내고, 제어부(4)는 어큐뮬레이터(20)로부터 신호를 전달받아 유로가 개방되도록 작동하여 컴펜세이터(30)를 통과한 유압이 어큐뮬레이터(20)로 저장되지 않고 유압모터(50)로 고압의 유량을 공급하여 엔진 토크를 어시스트 하여 에너지를 절감한다.

이때, 상기 배출라인(600)에는 유체가 역류하는 것을 방지하기 위해 체크밸브가 설치될 수 있다.

또한, 상기 유량조절 밸브(10)를 통과한 유량이 우회압력라인(100)을 거쳐 유압모터(50)로 이송될 경우에는, 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압이 배출되지 못하도록 배출밸브(40)가 폐쇄된 상태가 되도록 하여, 우회압력라인(100)에서 이송되는 유량과 어큐뮬레이터(20)에서 방출되는 유량이 충돌되는 것을 방지할 수도 있다.

다음으로, 유압모터(50)는 상기 유량조절 밸브(10)를 통과한 유압 또는 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압에 의해 작동하여 엔진(1)의 동력을 보조하기 위한 역할을 한다.

상기 유압모터(50)는 입력단이 제2유압라인(500)과 연결되도록 설치되고, 출력단이 엔진(1)에 연결되도록 설치된다.

이에 따라, 우회압력라인(300)과 어큐뮬레이터(20)에서 이송되는 유압에너지를 입력받아 엔진(1)에 동력을 전달하게 된다.

이때, 상기 유압모터(51)에는 유압모터(50)를 작동시키고 난 후 유체가 배출되기 위한 제1탱크(51)가 구비된다.

상기 유압모터(50)는 우회압력라인(300)과 어큐뮬레이터(20)에서 이송되는 유압에너지를 유압에너지로써 엔진(1)에 동력을 전달할 수 있어 에너지 변환에 따른 압력 손실을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 상기 유압모터(50)는 유압에너지를 엔진(1)의 동력으로 재사용하는 것 외에 다른 동력장치(미도시)의 동력원으로도 사용될 수 있다.

이하에서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 건설기계의 에너지 회생 시스템의 동작 흐름에 대하여 설명한다.

도 2를 참조하여 붐 다운 중력 에너지로 유압모터(50)를 구동하는 흐름에 대해 설명한다.

먼저, 굴삭기 운전자가 붐 다운 동작을 위해 붐 레버(2)를 조작하면 붐 레버(2)의 입력된 신호에 따라 유량조절 밸브(10)의 개구 면적이 조절되어 붐 실린더(3)의 작동유가 중력에 의해 하측으로 이송되게 된다.

그 다음, 붐 실린더(3)에서 배출되는 유량은 유량조절 밸브(10)로 이송되고 이때 발생되는 부하압력은 부하압력라인(100)을 통해 컴펜세이터(30)로 보내지게 된다.

그 다음, 유량조절 밸브(10)를 통과한 유량은 제1유압라인(200)으로 이송되고 세팅라인(210)을 통해 컴펜세이터(30)의 유로를 개방하기 위한 압력으로 작용한다.

이때, 부하압력라인(100)으로 이송되는 유량의 압력보다 세팅라인(210)으로 입력되는 유량의 압력이 작을 경우 컴펜세이터(30)의 유로가 폐쇄되어 유량은 우회압력라인(300)으로 우회하여 이송되게 된다.

그 다음, 우회압력라인(300)으로 이송되는 유량은 제2유압라인(500)으로 이송되어 유압모터(50)를 작동시키게 된다.

도 3을 참조하여 붐 다운 중력 에너지를 어큐뮬레이터(20)로 저장하는 흐름에 대해 설명한다.

먼저, 굴삭기 운전자가 붐 다운 동작을 위해 붐 레버(2)를 조작하면 붐 레버(2)의 입력된 신호에 따라 유량조절 밸브(10)의 개구 면적이 조절되어 붐 실린더(3)의 작동유가 중력에 의해 하측으로 이송되게 된다.

그 다음, 붐 실린더(3)에서 배출되는 유량은 유량조절 밸브(10)로 이송되고, 유량조절 밸브(10)를 통과한 유량은 제1유압라인(200)으로 이송되고 세팅라인(210)을 통해 컴펜세이터(30)의 유로를 개방하기 위한 압력으로 작용한다.

이때, 부하압력라인(100)으로 이송되는 유량의 압력보다 세팅라인(210)으로 입력되는 유량의 압력이 클 경우 컴펜세이터(30)의 유로가 개방되고, 컴펜세이터(30)의 개방된 유로를 통해 유량이 통과하여 입출라인(400)을 거쳐 어큐뮬레이터(20)로 압력이 저장되게 된다.

도 4를 참조하여 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압에너지의 방출 흐름에 대해 설명한다.

먼저, 어큐뮬레이터(20)에 저장되어 있는 압력은 제어부(4)의 제어에 따라 배출밸브(40)가 개방되어 유압모터(50)를 작동시키기 위한 유압에너지로 사용된다.

이때, 유압모터(50)를 작동시키기 위해 어큐뮬레이터(20)에 저장되어 있는 압력을 방출하는 상황이 아니더라도 어큐뮬레이터(20)에 체적량 이상의 압력이 유입될 경우 어큐뮬레이터(20)는 제어부(4)로 신호를 전달하여 배출밸브(40)가 개방되도록 하여 유압모터(50) 또는 배출라인(600)으로 유압이 배출시킬 수도 있다.

상기 설명한 바와 같이, 건설기계의 붐 다운 동작에 따라 붐 실린더(3)로부터 전달되는 유압에너지는 유량조절 밸브(10)를 통하여 제1유압라인(200) 이송되고 컴펜세이터(30)에 의해 우회압력라인(300)으로 유입되어 제2유압라인(500)을 거쳐 유압모터(50)를 구동시키고 유압모터(50)로부터 발생되는 동력은 엔진(1)에 보내져 엔진(1)의 동력으로 사용되게 된다.

또한, 유압모터(50)로 보내지는 유량이 한계치에 도달하면 붐 실린더(3)로부터 전달되는 유압은 컴펜세이터(30)를 통해 어큐뮬레이터(20)로 유입되어 유압에너지로 저장되게 된다.

한편, 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압에너지는 배출밸브(40)의 개방 여부에 따라 유압모터(50)로 보내져 동력으로 사용된다.

이에 따라, 붐 다운 동작시 발생하는 중력 에너지를 압력손실을 최소화한 상태로 유압에너지로 저장하거나 유압모터(50)를 동작시키기 위한 에너지로써 사용될 수 있고, 이러한 회생 유압에너지는 엔진(1) 동력을 보조함으로써 엔진(1)의 부하를 줄이고, 복합동작시 필요한 토크를 용이하게 구현함으로써 연비를 향상시킬 수 있는 특징이 있는 것이다.

한편, 본 발명은 앞서 설명한 실시예로 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 것도 본 발명의 기술적 사상에 속하는 것으로 보아야 한다.

1: 엔진 2: 붐 레버
3: 붐 실린더 4: 제어부
10: 유량조절 밸브 20: 어큐뮬레이터
30: 컴펜세이터 40: 배출밸브
50: 유압모터 51: 제1탱크
100: 부하압력라인 200: 제1유압라인
210: 세팅라인 300: 우회압력라인
400: 입출라인 500: 제2유압라인
600: 배출라인 610: 제2탱크

Claims (7)

1. 건설기계의 붐 다운 동작 시 발생하는 중력 에너지를 회생하여 재사용하기 위한 에너지 회생 시스템에 있어서,
   붐 실린더로부터 중력 에너지를 전달받고 유량의 흐름을 제어하는 유량조절 밸브;
   상기 유량조절 밸브를 관통한 유체에 의해 형성된 유압을 저장하기 위한 어큐뮬레이터;
   상기 유량조절 밸브와 어큐뮬레이터 사이에 배치되도록 설치되고, 붐 실린더에서 보내지는 압력 중 유량조절 밸브를 통과하지 않는 부하압력에 의해 폐쇄되어, 붐 다운 시 발생하는 유압에너지를 어큐뮬레이터로 저장하지 않고 사용처로 직접 보내기 위한 컴펜세이터;
   상기 어큐뮬레이터에 저장된 유압의 배출 흐름을 제어하기 위한 배출밸브; 및
   엔진에 연결되도록 설치되고, 상기 유량조절 밸브를 통과한 유압 또는 어큐뮬레이터에 저장된 유압에 의해 작동하여 엔진의 동력을 보조하기 위한 유압모터;를 포함하고,
   상기 컴펜세이터는,
   상기 유량조절 밸브를 통해 이송되는 유량이 기설정된 압력 이하일 경우에는 우회압력라인으로 유량을 보내 상기 유압모터를 가동시킬 수 있도록 하고, 상기 유량조절 밸브를 통해 이송되는 유량이 기설정된 압력 이상일 경우에는 개방되어 상기 어큐뮬레이터로 압력이 저장될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 에너지 회생 시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 유량조절 밸브는,
   스풀밸브(spool valve) 또는 포핏밸브(poppet valve) 중 하나인 것을 특징으로 하는 건설기계의 에너지 회생 시스템.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 어큐뮬레이터는,
   복수개가 병렬로 배치될 수 있는 것을 특징으로 하는 건설기계의 에너지 회생 시스템.
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 배출밸브는,
   솔레노이드 밸브 또는 유압밸브인 것을 특징으로 하는 건설기계의 에너지 회생 시스템.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 어큐뮬레이터에 유입된 유압이 한계 체적량에 도달하면 어큐뮬레이터는 제어부로 신호를 보내고, 제어부는 어큐뮬레이터로부터 신호를 전달받아 배출밸브를 제어하여 배출밸브가 개방되도록 하여 컴펜세이터를 통과한 유압이 어큐뮬레이터로 저장되지 않고 유압모터로 고압의 유량을 공급하여 엔진 토크를 어시스트 하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 에너지 회생 시스템.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 유량조절 밸브를 통과한 유량이 우회압력라인을 거쳐 유압모터로 이송될 경우에는, 어큐뮬레이터에 저장된 유압이 배출되지 못하도록 배출밸브가 폐쇄된 상태가 되도록 하여, 우회압력라인에서 이송되는 유량과 어큐뮬레이터에서 방출되는 유량이 충돌되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 에너지 회생 시스템.

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