KR20040045299A

KR20040045299A - 하이브리드식 건설기계의 기기배치구조

Info

Publication number: KR20040045299A
Application number: KR1020030078243A
Authority: KR
Inventors: 나루세마사미; 오츠카사나리토시; 이노우에히로유키
Original assignee: 가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2003-11-06
Publication date: 2004-06-01
Also published as: US6922990B2; JP2004169465A; JP4072898B2; KR100984761B1; US20040098983A1

Abstract

(과제)엔진과 제너레이터 모터를 병용해서 유압펌프를 구동하는 하이브리드식 건설기계에 있어서, 차체 길이를 소형화할 수 있고, 충전계 기기의 전력손실이나 전기적 노이즈를 저감할 수 있고, 온도상승을 억제할 수 있는 기기배치구조를 제공하다.

(해결수단)엔진(41)에 PTO(46)를 개재해서 유압펌프(47)를 접속하고, 유압액추에이터로부터의 리턴오일에 의해 회생하는 회생모터(59)와, 전동기로서 엔진(41)을 도와 유압펌프(47)를 구동하거나, 또 엔진(41) 또는 회생모터(59)의 잉여토크로 발전하는 제너레이터 모터(55)를, PTO(46)를 개재하여 유압펌프(47)에 병설했다. 또, 충전계 기기 및 고압유압계 기기를 서로 분리하여 배치했다. 인버터(61)를 팬(43) 상류측에 설치하고, 제너레이터 모터(55)를 인버터(61)에 가까운 측의 엔진끝부에 접속했다.

Description

하이브리드식 건설기계의 기기배치구조{HYBRID TYPE CONSTRUCTION MACHINE}

본 발명은, 하이브리드식 건설기계의 기기배치구조에 관한 것이며, 특히 엔진에 유압펌프와 제너레이터 모터를 접속한 하이브리드식 건설기계의 기기배치구조에 관한 것이다.

종래의 유압셔블 등의 건설기계는 엔진을 동력원으로 한 유압펌프로부터 토출 된 압유의 각 유압 액추에이터에의 유입량을 제어하고, 각종 작업기의 구동, 차량주행 등을 행하도록 한 유압구동방식이 일반적이다. 그러나, 유압셔블의 작업은 엔진의 능력(최대출력마력)에 대하여 항상 100%의 능력을 필요로 하는 작업뿐만 아니라, 이것보다 작은(예를 들면 80%의) 능력으로 충분히 할 수 있는 작업도 많다. 이 때문에, 작업에 필요로 하는 엔진 능력의 레벨, 즉 작업부하의 크기에 따라서 엔진의 출력을 설정하고, 이 엔진의 출력토크와 유압펌프의 구동토크가 매칭되도록, 유압펌프의 토출량을 PQ커브(등마력곡선)에 따라 제어하는 이른바 등마력제어를 행하도록 한 것이 있다. 이 제어에 의하면, 엔진의 출력을 효과적으로 활용할 수 있어, 연비의 향상이 도모된다.

상기의 등마력제어를 행하는 유압셔블에 있어서는, 상기 유압셔블에 요구되는 최대부하의 작업을 행하기 위해 필요한 최대필요마력과 일치하는 출력을 갖는 엔진을 탑재하지 않으면 안된다. 그러나 유압셔블의 부하는 통상 일정하지는 않고, 굴삭, 선회, 주행, 배토 등의 작업의 반복때문에 부하변동이 매우 심하므로, 그 작업내용에 따라서는 작업의 1사이클에 있어서의 엔진의 최대마력에 대한 평균부하율은 100%이하(예를 들면 80%정도)이며, 따라서 엔진마력에는 여유가 생기게 된다. 이것은 최대필요마력 상당의 출력을 갖는 엔진을 탑재한 유압셔블에 있어서는, 상기 엔진의 최대능력, 즉 낼 수 있는 출력을 효과적으로 사용하지 않고 있다는 것이 된다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해서, 엔진의 출력토크가 유압펌프의 구동토크보다 클 때에는, 엔진의 잉여토크로 제1 전동기를 발전기로서 구동하여 그 발전전력을 배터리에 충전하면서, 상기 유압펌프로부터 토출되는 압유의 유압액추에이터에의 유입량을 제어함과 아울러, 상부선회체를 상기 배터리로부터 전력을 받는 제2 전동기로 회전구동하고, 또 유압펌프의 구동토크가 엔진의 출력토크보다 크게 되었을 때에는, 상기 배터리에 충전된 전력에 의해 상기 제1 전동기를 모터로서 회전구동하여 엔진이 유압펌프를 구동하는 것을 돕고, 또 상부선회체의 제어정지시에는, 그 관성에너지로 상기 제2 전동기를 발전기로서 구동하여 그 발전전력을 상기 배터리에 충전하고, 또 붐하강시에는 붐실린더로부터의 리턴오일로 상기 붐실린더에 바이패스하여 설치한 유압모터를 회전구동하고, 이 회전으로 발전기를 구동해서 발전한 전력을 상기 배터리에 충전하도록 한 하이브리드식 건설기계가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

상기와 같은 하이브리드식 건설기계에 의하면, 작업부하가 작고, 유압펌프의 구동토크가 엔진의 소정출력토크보다 작은 경우에는, 엔진출력의 잉여분으로 제1 전동기를 발전기로서 구동하여 그 발전전력을 배터리에 충전하고, 한편, 작업부하가 크고, 유압펌프의 구동토크가 엔진의 소정출력토크보다 크게 된 경우에는, 상기 배터리에 충전된 전력에 의해 상기 제1 전동기를 모터로서 회전구동하여 엔진이 유압펌프를 구동하는 것을 돕고 있다. 이것에 의해, 작업부하의 경중에 상관없이 엔진의 부하율을 대략 일정하게 하고, 또한 그 평균부하율을 크게 하므로, 엔진출력을 효과적으로 사용할 수 있다. 또한, 선회제동시의 상부선회체의 관성에너지로 상기 제2 전동기를 발전기로서 구동한 발전전력이나, 붐하강시의 붐실린더로부터의 고압리턴오일에 의한 위치에너지로 발전기를 구동하여 발전한 전력을 배터리에 충전하므로, 에너지를 회수하여 재이용할 수 있고, 실질적인 엔진 최대필요마력을 종래보다 작게 할 수 있다.

(특허문헌 1)

일본국 특허공개 2002-275945호공보(제 4항, 도 1)

그러나, 상기의 하이브리드식 건설기계에 있어서는, 제1 전동기를 통해서 회수되는 엔진의 잉여에너지를 비롯하여, 제2 전동기를 통해서 회수되는 상부선회체의 선회제동시의 관성에너지 및 발전기를 통해서 회수되는 붐하강시의 붐위치에너지는 모두 전기에너지로 변환되어 상기 배터리에 충전되도록 되어 있다. 그러나, 이들의 모든 에너지를 확실히 회수하여 배터리에 충전하고자 하면, 상기 각 전동기나 발전기를 대형화하지 않으면 안되며, 또 대용량의 배터리 등의 축전장치가 필요하게 된 충전계 기기의 대형화라는 문제가 생긴다.

본 발명은 상기 종래의 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 확실히 에너지의 회수가 가능하고, 또한 축전장치나 발전기, 전동기 등의 충전계 기기의 소형화가 가능한 하이브리드식 건설기계의 기기배치구조를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 유압셔블의 측면도.

도 2는 제1실시예에 관한 상부 선회체의 평면도로 나타낸 각 기기배치도.

도 3은 제2실시예에 관한 상부 선회체의 평면도로 나타낸 각 기기배치도.

*도면의 간단한 설명에 대한 부호의 설명*

1 유압셔블 3 하부주행체

5 상부선회체 7 작업기

8 카운터 웨이트 9 선회 프레임

11 운전실 13 엔진룸

15 운전실 지지부재 17 축전장치

19 축전기 21 축전기용 브래킷

23 개구부 25 캠 폴로워(이동 수단)

25a 전동륜 29 고정용 브래킷

29a 완충판 33 아이볼트

37 흡기실 41 엔진

43 팬 44a 오일 쿨러

44b 애프터 쿨러 45 라디에이터

46 제1PTO(동력취출장치) 47 유압펌프

48 제2PTO 49 유압밸브

51 작동유탱크 53 연료탱크

55 제너레이터 모터 57 차폐판

59 회생 모터 61 인버터

63 배터리 65 배선

71 흡기구멍

상기 목적을 달성하기 위해서, 제1발명은, 엔진과 제너레이터 모터를 병용해서 유압펌프를 구동하고, 상기 유압펌프의 토출유의 유압액추에이터에의 유입량을 제어해서 각 작업기를 구동하는 하이브리드식 건설기계에 있어서, 엔진에 PTO를 개재하여 상기 유압펌프를 접속하고, 상기 유압액추에이터로부터의 리턴오일에 의해 구동하여 작업기의 관성 에너지 또는 위치 에너지를 회생하고, 상기 유압펌프를 구동하는 회생모터와, 상기 회생모터의 회생토크가 상기 유압펌프의 구동토크보다 클 때에는, 그 잉여토크로 발전기로서 구동되고, 한편으로는, 전동기로서 구동되어 상기 유압펌프의 구동을 돕는 상기 제너레이터 모터를, 상기 PTO를 개재해서 상기 유압펌프에 병설한 구성으로 하고 있다.

제1발명에 따르면, 유압액추에이터로부터의 리턴오일에 의해 회생모터를 구동하여 작업기의 관성에너지 또는 위치에너지를 회생토크로 변환하고, 이 회생토크로 PTO를 개재하여 유압펌프를 구동하는, 즉 유압펌프의 구동토크로서 즉시 사용하도록 하고 있다. 이 때, 회생토크가 유압펌프의 구동토크보다 클 때에는, 엔진 대신에 이 회생토크만으로 유압펌프를 구동하고 있다. 또한, 한편으로는, 예를 들면 상기 회생토크가 유압펌프의 구동토크보다 작을 때에, 회생토크분을 유압펌프 구동토크로부터 뺀 부족분의 토크만을 엔진으로 출력하고, 또는, 제너레이터 모터를 전동기로서 구동하여 유압펌프의 구동을 돕도록 했다. 이 때문에, 엔진의 평균필요마력이 낮아지므로, 엔지의 소형화를 도모할 수 있다. 또, 상기와 같이 회생토크 중, 유압펌프의 구동토크로서 사용되지 않은 잉여토크로 제너레이터 모터를 구동하여 발전전력을 축전장치에 충전하도록 했기 때문에, 축전장치, 제너레이터 모터, 인버터 등의 충전계 기기에는 상기 잉여토크의 회생에너지만이 흐르기 때문에, 이들 축전장치, 제너레이터 모터 및 인버터의 소형화를 도모할 수 있음과 아울러, 확실히 에너지를 회수할 수 있다.

또, 엔진에 PTO를 재재해서 유압펌프와 회생모터와 제너레이터 모터를 병설했기 때문에, 이들 엔진 접속기기의 설치공간의 엔진출력축방향의 길이를 각각의 길이를 합계한 것보다 작게 할 수 있음과 아울러, 엔진회전축과 유압펌프 회전축과 회생모터회전축과 제너레이터 모터회전축을 각각 어긋나게 하여 개별로 설치했기 때문에 이들을 컴팩트하게 배치할 수 있다. 이것에 의해, 엔진 가로설치(출력축이 차량 좌우방향)인 경우에는 차량좌우폭을, 또 엔진 세로설치(출력축이 차량 전후방향)인 경우에는 차량 전후 길이를 작게 할 수 있어, 차량의 소형화가 도모된다.

또, 제2발명은 엔진과 제너레이터 모터를 병용해서 유압펌프를 구동하고, 상기 유압펌프의 토출유의 유압 액추에이터에의 유입량을 제어해서 각 작업기를 구동하는 하이브리드식 건설기계에 있어서, 엔진에 PTO를 개재해서 접속된 상기 유압펌프와, 상기 유압펌프의 토출유의 상기 유압액추에이터에의 유입량을 제어하는 유압밸브와, 상기 PTO를 개재해서 상기 유압펌프에 접속되고, 상기 유압액추에이터로부터의 리턴오일에 의해 구동하여 작업기의 관성에너지 또는 위치에너지를 회생하고, 상기 유압펌프를 구동하는 회생모터와, 유압액추에이터로부터의 리턴오일을 회생모터를 경유해서 드레인시키는 작동유탱크를 포함하는 고압유압계 기기를 구비하고, 상기 회생 모터의 회생토크가 상기 유압펌프의 구동토크보다 클 때에는, 그 잉여토크로 발전기로서 구동되고, 한편으로는, 전동기로서 구동되어 상기 유압펌프의 구동을 돕는 상기 제너레이터 모터와, 상기 제너레이터 모터의 발전기로서의 발전 전력을 충전하고, 전동기로서의 구동 전력을 공급하는 축전장치와, 상기 제너레이터 모터의 발전전력의 상기 축전장치에의 충전 및 전동기로서의 구동을 제어하는 인버터를 포함하는 충전계 기기를, 상기 고압유압계 기기로부터 분리해서 배치한 구성으로 하고 있다.

제2발명에 따르면, 제1발명과 마찬가지로, 유압액추에이터로부터의 리턴오일에 의해 구동하여 작업기의 에너지를 회생하고, 그 회생토크로 PTO를 개재해서 유압펌프를 구동하는 회생모터를 설치했으므로, 회생토크를 유압펌프의 구동토크로서 즉시 사용할 수 있다. 이 때, 엔진 대신에 이 회생토크만으로 유압펌프를 구동하고, 한편으로, 회생토크분을 유압펌프 구동토크로부터 뺀 부족분의 토크만을 엔진으로 출력하고, 또는, 제너레이터 모터를 전동기로서 구동해서 유압펌프의 구동을 돕도록 했다. 이 때문에, 엔진의 평균필요마력이 낮아지므로, 엔진의 소형화를 도모할 수 있다. 또한, 상기와 같이 회생토크 중, 잉여토크만으로 제너레이터 모터를 개재해서 발전하여 축전장치에 충전하도록 했기 때문에, 축전장치, 제너레이터 모터, 인버터 등의 충전계 기기의 소형화를 도모할 수 있음과 아울러, 확실히 에너지를 회수할 수 있다.

또, 충전계 기기를 고압유압계 기기로부터 분리해서 예를 들면 각각을 차체 좌우에 배치했기 때문에, 충전계 기기는 고압유압계 기기로부터 열의 영향을 받기 어렵게 되어, 그 온도상승이 억제되므로, 충전계 기기의 신뢰성을 향상할 수 있음과 아울러, 만일 충전계 기기의 발화일 때에 고압유에 인화하는 것을 미연에 방지할 수 있다.

제3발명은 제2발명에 있어서, 상기 인버터를 엔진의 팬의 상류측에 설치하고, 상기 제너레이터 모터를 엔진의 상기 인버터에 가까운 측에 접속한 구성으로 하고 있다.

제3발명에 따르면, 제너레이터 모터를 인버터에 가까운 측의 엔진끝부에 접속했기 때문에, 제너레이터 모터와 인버터의 배선 길이가 짧아지고, 이로 인해, 이 사이의 전력손실을 작게 할 수 있으므로 제너레이터 모터의 구동효율 및 회생효율을 향상할 수 있다. 또, 이 사이의 배선으로부터 나오는 전기적인 노이즈가 저감되므로, 신뢰성을 향상할 수 있다. 또한, 인버터를 팬의 상류측에 설치했기 때문에,외기에서의 냉각에 의해 인버터의 온도상승을 제어할 수 있어, 동작의 신뢰성을 향상할 수 있다.

제4발명은 제2발명에 있어서, 상기 인버터를 엔진의 흡인식 팬의 상류측에 설치하고, 상기 제너레이터 모터를 엔진의 상기 팬에 가까운 측에 설치한 PTO를 개재하여 접속한 구성으로 하고 있다.

제4발명에 따르면, 제너레이터 모터를 흡인식 팬에 가까운 측, 즉 인버터에 가까운 측의 엔진끝부에 설치한 PTO를 개재해서 접속했기 때문에, 제너레이터 모터와 인버터의 배선 길이가 짧아지고, 이로 인해, 이 사이의 전력손실을 작게 할 수 있으므로 제너레이터 모터의 구동효율 및 회생효율을 향상할 수 있다. 또, 이 사이의 배선으로부터 나오는 전기적인 노이즈가 저감되므로, 신뢰성을 향상할 수 있다. 또한, 인버터를 팬의 상류측에 설치했기 때문에, 외기에서의 냉각에 의해 인버터의 온도상승을 억제할 수 있어, 동작의 신뢰성을 향상할 수 있다.

(실시예)

이하에, 본 발명의 실시예에 대해서 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한 이하의 실시예에서는, 본 발명의 적용기예로서 유압셔블을 들어서 설명한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 유압셔블의 측면도이며, 도 2는 제1실시예에 관한 상부선회체의 평면도로 나타낸 각 기기배치도이다.

도 1 및 도 2에 있어서, 유압셔블(1)은 하부주행체(3)(도시에서는 크롤러식 주행장치를 갖고 있지만, 이것에 한정되지 않는다)의 상부에 선회가능하게 상부선회체(5)를 탑재하고, 상부 선회체(5)의 전방부의 좌우 대략 중앙부에 예를 들면 굴삭 등의 작업을 행하기 위한 작업기(7)를 부앙(俯仰)가능하게 설치하고 있다. 상부 선회체(5)의 베이스프레임이 되는 선회프레임(9)의 상부의 좌측전방부에는, 소정높이를 갖는 운전실 지지부재(15)를 개재하여 운전실(11)이 설치되어 있고, 후단부에는 카운터 웨이트(8)가 설치되어 있다. 카운터 웨이트(8) 전방에서, 선회프레임(9)의 후방부 및 좌부에는 엔진(41) 및 엔진계의 기기류 등을 수납한 엔진룸(13)을 구비하고 있다. 또, 선회프레임(9)의 앞측 대략 중앙부에는 작업기(7)를 상하 요동가능하게 지지하는 브래킷(7a)이 설치되어 있다.

엔진룸(13)에는 엔진(41), 팬(43), 라디에이터(45), 오일쿨러(44a), 애프터쿨러(44b), 유압펌프(47), 유압밸브(49), 작동유탱크(51), 연료탱크(53), 제너레이터 모터(55), 회생모터(59) 등이 수납되어 있다. 엔진(41)은, 선회프레임(9) 상의 후부 대략 중앙부에 가로설치로(즉, 크랭크축을 차량좌우방향을 향해서), 또한 크랭크축방향 전방부를 차량좌우를 향해서 설치되어 있고, 엔진(41)의 크랭크축방향 전방에는 팬(43), 라디에이터(45), 오일쿨러(44a) 및 애프터쿨러(44b)가 설치되어 있다.

유압펌프(47) 및 회생모터(59)는 엔진(41)의 크랭크축방향 후방부에 설치한 제1동력취출장치(이하, PTO라 한다)(46)를 개재하여 연결되어 있고, 또 제너레이터 모터(55)는 크랭크축방향 전방부에 설치한 제2PTO(48)를 개재하여 연결되고, 엔진(41)측방에 배치되어 있다. 또한 유압펌프(47) 및 회생모터(59)의 근방의, 선회프레임(9) 상의 우측부에는, 작동유탱크(51)와 유압밸브(49)가 설치되고, 선회프레임(9) 상의 우측끝부에는 연료탱크(53)가 설치되어 있다.

유압펌프(47)는 작동유탱크(51)의 기름을 흡인하여 가압하고, 그 압유를 운전실(11)에 설치한 조작레버에 의해 조작된 유압밸브(49)로 전환하여, 작업기(7)의 각 액추에이터(붐실린더, 선회모터 등)를 구동하고 있다. 유압밸브(49)는 작업기(7)의 각 액추에이터를 각각 구동하는 복수의 메인밸브가 적층상으로 일체적으로 부착되어 있다.

또 회생모터(59)는, 도시하지 않은 제1배관에 의해 유압밸브(49) 중의 하나의 메인밸브에, 또 도시하지 않은 제2배관에 의해 작동유탱크(51)에 각각 접속되어 있다. 이 회생모터(59)는 각 액추에이터의 리턴오일을 유압밸브(49)로부터 받아서 작동하고, 그 회생토크로 제1PTO(46)를 개재하여 엔진(41)의 유압펌프(47)의 구동을 돕고, 또 그 때의 잉여토크로 제2PTO(48)를 개재하여 제너레이터 모터(55)를 발전기로서 구동하여, 에너지를 회수하고 있다.

제너레이터 모터(55)는 도시하지 않은 배선에 의해 인버터(61)에 접속되어 있고, 인버터(61)에 의해 전동기로서 제어되고, 그 구동토크로 제1PTO(46)를 개재하여 엔진(41)의 유압펌프(47)의 구동을 도울 때와, 제2PTO(48)를 개재하여 엔진(41)의 잉여토크나 회생모터(59)의 회생토크로 발전기로서 회전구동될 때가 있다.

한편, 엔진룸(13)은 라디에이터(45)의 바깥쪽에서 차폐판(57)에 의해 구획되어 있고, 차폐판(57)에 대해서 엔진(41)과 반대측에 흡기실(37)이 형성되어 있다. 이 흡기실(37)은 운전실(11)의 후방에 위치하고, 운전실(11)에 인접하여 선회프레임(9) 상에 형성되어 있다. 흡기실(37)은 그 내부에 인버터(61)와 배터리(63)를 수용하고 있고, 배터리(63)는 인버터(61)에 인접하여 설치되어 있다. 또한, 배터리(63)는 본 예에서는 2개의 배터리로 구성되어 있지만, 이 수에 한정되지 않는다. 인버터(61)와 상기 제너레이터 모터(55)는 모두 엔진(41)의 팬(43)이 설치된 측에 설치되어 있고, 양자간의 거리는 짧고, 양자간을 접속하는 배선의 길이가 짧아지도록 되어 있다.

또, 상기 운전실(11)의 하방에는 축전장치(17)의 축전기(19)(상세는 후술한다)를 설치하고 있다. 즉, 운전실(11)은 상기 운전실 지지부재(15)의 상면에 소정 개수의 완충마운트(11a)를 개재하여 설치되어 있고, 이 운전실 지지부재(15)는 정면에서 볼때 문형형상이며, 전후부에 각각 개구부(23, 23)를 갖고, 그 문형의 중앙부가 선회프레임(9)의 상면으로부터 소정거리 이간하여 형성되어 있고, 그 내부공간 내에 축전기(19)를 포함하는 축전장치(17)를 수용하고 있다.

그리고, 상기 인버터(61)는 이 축전기(19)에 인접하여 설치되어 있고, 축전기(19)에 짧은 배선(65)으로 접속되어 있다. 이 배선(65)은 인버터(61)와 축전기(19)가 인접하여 설치되어 있기 때문에, 최단 길이로 접속되어 있다. 이 인버터(61)는 축전기(19)의 축전에너지로 상기 제너레이터 모터(55)를 전동기로서 회전제어하거나, 또는 상기 제너레이터 모터(55)로 발전된 에너지를 축전기(19)에 축전(충전)하는 것이다. 이것에 의해, 인버터(61)에서의 구동효율 및 제너레이터 모터(55)에 의한 회생효율을 높임과 아울러, 이 배선(65)으로부터 발생하는 전기적인 노이즈를 저감할 수 있고, 기기의 신뢰성이 향상하고 있다.

배터리(63)는 엔진시동용, 센서와 컨트롤러(도시생략) 등의 제어계기용 또는라이트용 등의 전력공급에 사용되고, 예를 들면 DC24V의 전압을 출력하고 있다. 또한, 이 배터리(63)를 도시하지 않은 배선으로 충전기를 통해서 축전기(19)에 접속하고, 축전기(19)의 전압(DC350)을 이 충전기에 의해 DC24V로 변환해서 배터리(63)를 충전하도록 해도 된다.

축전장치(17)는 전력을 축전하고 있는 축전기(19)와, 이 축전기(19)를 탑재하여 소정의 고정부재(도시생략)로 고정하고, 또한 선회프레이(9) 상에 차량 전후방향으로 이동가능하게 설치된 축전기용 브래킷(21)을 구비하고 있고, 축전기(19)는 이 축전기용 브래킷(21) 상에 탑재된 상태로, 운전실 지지부재(15)의 앞측의 개구부(23)로부터 출입가능하게 설치되어 있다. 축전기(19)에는 본 실시예에서는 고전압으로 고용량의 전하를 축전가능한 캐퍼시터가 사용되고 있고, 그 최대작동전압은 예를 들면 DC350V이다. 또한, 축전기(19)로서는 고전압으로 고용량의 전하를 컴팩트하게 축전가능한 것이면 되고, 예를 들면 리튬전지 등이라도 상관없다.

상기 운전실 지지부재(15)는 그 전면이 외장덮개로, 또 측면이 외장커버로 각각 덮여져 있고, 앞측의 개구부(23)로부터 축전장치(17)를 인출할 때는 상기 외장덮개를 열도록 하고 있다.

운전실 지지부재(15)의 내부공간 및 상기 흡기실(37)을 덮는 외장커버에는 흡기구멍(71)이 형성되어 있고, 축전기(19), 인버터(61) 및 배터리(63)는 엔진(41)의 구동에 의해 회전되는 팬(43)의 흡인으로 생기는 상기 흡기구멍(71)으로부터의 냉각풍에 의해 냉각되어 있다. 이로 인해, 축전기(19) 및 인버터(61)의 온도의 상승을 억제할 수 있게 되고, 열에 약한 축전기(19) 및 인버터(61)의 신뢰성을 향상할 수 있다.

상기 구성에 의한 작동 및 효과에 관해서 설명한다.

유압셔블(1)은 엔진(41)이 구동되어 유압펌프(47)를 회전하고, 작동유탱크(51)의 기름을 흡인하여 가압하고, 그 압유로 각 유압실린더(7b)(도 1에 나타낸다) 등의 액추에이터를 구동하여 작동기(7)를 작동시키고, 굴삭이나 땅고르기 등의 작업을 행하고 있다. 그리고, 각 액추에이터의 리턴오일에 의해 회생모터를 회전시켜서 작업기의 위치에너지나 관성에너지을 회생하고, 이 회생토크를 바로 유압펌프의 구동에 사용하고 있다.

이 때, 회생모터(59)의 회생토크가 유압펌프(47)의 구동토크보다 클 때는 회생모터(59)의 회생토크만으로 유압펌프(47)를 회전구동한다. 또, 회생모터(59)의 회생토크가 유압펌프(47)의 구동토크보다 작을 때에는, 유압펌프(47)의 구동토크로부터 상기 회생토크분을 뺀 부족토크분만을 엔진(41)이 출력하고, 회생모터(59)의 회생토크와 엔진(41)의 출력토크로 유압펌프(47)를 구동하고 있다. 이것에 의해, 엔진(41)의 평균필요마력은 낮아지므로, 엔진을 소형화할 수 있다. 또 제너레이터 모터(55)를 전동기로서 구동하고, 이 구동토크로 유압펌프(47)의 구동을 도울 수도 있으므로, 엔진(41)의 평균필요마력을 더욱 낮게 할 수 있어, 엔진(41)의 소형화가 더욱 용이해진다.

상기한 바와 같이 회생토크만으로 유압펌프(47)를 회전구동했을 때, 유압펌프(47)의 구동에 사용되지 않은 잉여회생토크로 제너레이터 모터(55)를 전동기로서 구동하고, 그 잉여토크분의 발전전력만을 인버터(61)를 경유해서 축전장치(17)에충전하도록 했기 때문에, 축전장치(17), 제너레이터 모터(55) 및 인버터(61)에는 소전력밖에 흐르지 않는다. 이로 인해, 축전장치(17), 제너레이터 모터(55) 및 인버터(61)를 소형화할 수 있다. 또, 회생에너지를 확실히 회수할 수 있다.

또 축전장치(17)의 축전기(19)로서, 적은 개수로, 고속으로, 또한 고빈도로 고전압, 고전류의 충방전을 가능하게 하는, 소형대용량의 캐퍼시터 또는 리튬이온 전지 등을 사용하여 구성하고 있고, 이 축전기(19)와 이것에 인접하여 설치한 인버터(61)를 접속하는 배선(65)이 짧은 배선이며, 또한 간략한 형상으로 접속되어 있다. 또, 이 인버터(61)에 가까운 측(실시예에서는 팬(43)의 부착측)의 엔진끝부에 제너레이터 모터(55)를 PYO를 개재하여 접속하고 있으므로, 인버터(61)와 제너레이터 모터(55) 사이의 배선길이가 짧아진다. 이 때문에, 인버터(61)에 의해 제너레이터 모터(55)를 구동할 때, 또 제너레이터 모터(55)의 발전전력을 충전기(19)에 충전할 때의, 배선에 의한 전력손실을 저감할 수 있고, 구동효율 및 회생효율을 높일 수 있다. 또, 상기의 배선으로부터의 전기적인 노이즈의 발생을 저감할 수 있으므로, 기기의 신뢰성을 향상할 수 있다. 또한, 축전기(19)가 운전실 하방의 일개소에 설치되어 있으므로, 점검작업이나 교환작업이 용이하다.

또, 유압펌프(47) 및 회생모터(59)는 엔진(41)의 크랭크축방향 후방부에 설치한 제1PTO(46)에 연결하고 있고, 작동유탱크(51) 및 유압밸브(49)는 이들의 유압펌프(47) 및 회생모터(59)의 근방의, 선회프레임(9) 상의 우측부에 배치하고 있기 때문에, 이들의 고압유압계 기기는 차량우측에 집중하여 배치되게 된다. 한편, 제너레이터 모터(55)는 엔진(41)의 크랭크축방향 전방부에 설치한 제2PTO(48)를 개재하여 엔진(41)에 연결하고 있고, 인버터(61) 및 축전장치(17)는 마찬가지로 크랭크축방향 전방에 설치한 팬(43)의 상측부의 흡기실(37) 및 근접위치에 배치하고 있기 때문에, 이들의 충전계 기기는 차량좌측에 배치되게 된다. 이 결과, 충전계 기기는 고압유압계 기기로부터 분리된 위치에 배치되므로, 고압유압계 기기의 열의 영향을 받기 어렵고, 또한 충전계 기기는 고압유압계 기기보다 팬냉각풍의 상류측에 위치하기 때문에, 그 온도 상승이 억제되어, 작동의 신뢰성을 향상할 수 있다. 또, 충전계 기기의 고장시의 발화에 의한 고압유압계 기기의 압유에의 인화를 방지할 수 있다.

또한, 엔진(41)이 팬(43)을 회전구동하여, 흡기구멍(71)을 거쳐 외기를 흡인(화살표 (Ya))하고 있다. 이 외기에 의해 축전기(19), 인버터(61), 배터리(63)를 저온으로 냉각함으로써, 축전기(19), 인버터(61) 및 배터리(63)의 온도상승을 억제하고 있으므로, 이들의 사용온도가 고온이 되어 동작이 불안정하게 되는 것을 방지할 수 있고, 이들 열에 약한 기기의 신뢰성을 향상할 수 있다. 또, 축전기(19)는 운전실(11)의 하방공간 내에 단독으로 수납되어 있으므로, 축전기(19)를 넓은 공간내에서 외기에 의해 효율적으로 냉각할 수 있다.

통상의 전장품(電裝品)용 배터리(63)와 축전장치(17)의 거리가 짧으므로, 제너레이터 모터(55)에 의해 충전되는 축전장치(17)의 축전기(19)로 이 배터리(63)를 충전하는 경우, 그 사이의 배선저항에 의한 전력손실을 작게 할 수 있고, 충전효율을 높일 수 있다.

또한, 유압펌프(47) 및 회생모터(59)는 제1PTO(46)를 개재하여 서로 병설하고 있고, 제너레이터 모터(55)는 제2PTO(48)에 연속해서 엔진(41)에 병설되어 있다. 이 때문에, 이들의 설치공간의 엔진출력축방향 길이는 유압펌프(47), 회생모터(59) 및 제너레이터 모터(55)의 각각의 길이의 합계보다 짧아지고, 상부선회체(5)의 좌우폭을 작게 할 수 있다. 또, 이들 회전축은 제1PTO(46)를 개재하여 각각 어긋나게 하여 개별로 설치하고 있으므로, 주위의 빈공간에 맞춰서 이들 장치를 컴팩트하게 배치할 수 있다.

다음에, 도 3에 의해 제2실시예를 설명한다. 도 3은 제2실시예에 관한 기기배치도이다. 또한, 이하에서는 도 2에서 설명한 구성부품과 동일한 부품에는 동일부호를 붙이고 설명을 생략하고, 다른 구성에 대해서만 설명한다.

제너레이터 모터(55)는 엔진(41)의 크랭크축방향 후방부에 설치한 제1PTO(46)를 개재하여 유압펌프(47) 및 회생모터(59)에 병설되어 있다. 다른 구성은 제1실시예와 마찬가지이다.

제2실시예에 따르면, 유압펌프(47), 회생모터(59) 및 제너레이터 모터(55)는 제1PTO(46)를 개재하여 서로 병설하고 있으므로, 이들 설치공간의 축방향 길이는 유압펌프(47), 회생모터(59) 및 제너레이터 모터(55)의 각각의 길이의 합계보다 짧아지고, 상부선회체(5)의 좌우폭을 작게 할 수 있다.

충전계 기기 중, 제너레이터 모터(55)는 같은 PTO(46)라도 유압펌프(47) 및 회생모터(59)로부터 떨어진 위치에 설치하고, 인버터(61) 및 축전장치(17)는 유압펌프(47) 및 회생모터(59) 등의 고압유압계 기기가 설치된 차량우측과 반대의 좌측에 배치되어 있다. 이 때문에, 충전계 기기는 고압유압계 기기로부터 분리된 위치에 배치되므로, 고압유압계 기기의 열의 영향을 받기 어렵고, 또한 충전계 기기는 고압유압계 기기보다 팬냉각풍의 상류측에 위치하기 때문에, 그 온도상승이 억제되어, 작동의 신뢰성을 향상할 수 있다. 또, 충전계 기기의 고장시의 발화에 의해 고압유압계 기기의 압유에 인화할 우려가 적어진다.

그 외의 효과는 제1실시예와 같으므로, 여기서의 설명은 생략한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 이하의 효과가 얻어진다.

작업기를 구동하는 유압액추에이터의 리턴오일에 의해 구동되는 회생모터를 유압펌프와 함께 엔진에 PTO를 개재하여 접속하고, 회생모터의 회생토크로 유압펌프를 구동하여 그 회생에너지를 즉시 사용하도록 했기 때문에, 엔진의 평균필요마력이 낮아져, 엔진의 소형화가 가능하다. 또, 회생토크 중, 상기의 유압펌프의 구동에 사용되지 않은 잉여토크분의 에너지만을, PTO에 접속된 제너레이터 모터를 개재하여 축전장치에 충전하도록 했기 때문에, 이들의 축전장치, 제너레이터 모터, 인버터 등의 충전계 기기를 소형화할 수 있음과 아울러, 확실히 에너지의 회수가 가능하다.

엔진에 연결하는 유압펌프, 회생모터 및 제너레이터 모터를 PTO를 개재하여 병설했기 때문에, 설치공간은 이들의 축방향 길이를 합계한 길이보다 작아지고, 또 각각의 기기를 컴팩트하게 배치할 수 있으므로, 차량의 소형화가 가능하다.

또, 축전장치, 제너레이터 모터, 인버터 등의 충전계 기기를 유압펌프, 회생모터, 유압밸브 및 작동유탱크 등의 고압유압계 기기로부터 분리한 위치에 설치했기 때문에, 충전계 기기는 고압유압계 기기의 열의 영향을 받기 어렵게 되어, 온도상승이 억제되므로, 동작의 신뢰성 및 수명을 향상할 수 있다. 또, 만일 충전계 기기가 발화한 경우의 압유에의 인화를 방지할 수 있다.

충전계 기기의 제너레이터 모터, 인버터, 축전장치를 서로 근접한 위치에 배치했으므로, 이들 기기간의 배선길이를 짧게 할 수 있고, 이로 인해 전력손실을 저감하고, 구동효율 및 회생효율을 향상할 수 있다. 또, 전기적인 노이즈의 발생을 적게 하여, 다른 전자기기(센서, 컨트롤러 등)에의 노이즈의 영향을 없앨 수 있다.

또한, 충전계 기기 중, 인버터 및 축전장치를 팬 상류측 즉 엔진의 흡기실에 설치하고, 외기로 냉각하고 있으므로, 온도상승을 확실히 억제할 수 있어, 고온환경에 약한 이들 기기의 신뢰성을 향상할 수 있다.

또한, 상기 실시예에서는 유압셔블의 예에서 나타냈지만, 배토판이 부착된 유압셔블, 호일로더, 이동식 크레인 등의 각종 건설기계에도 적용할 수 있다. 또, 팬은 흡인식, 추출식의 어느 것이든 사용할 수 있다.

Claims

엔진(41)과 제너레이터 모터(55)를 병용해서 유압펌프(47)를 구동하고, 상기 유압펌프(47)의 토출유의 유압액추에이터에의 유입량을 제어해서 각 작업기를 구동하는 하이브리드식 건설기계에 있어서,

엔진(41)에 PTO(46)를 개재하여 상기 유압펌프(47)를 접속하고,

상기 유압 액추에이터로부터의 리턴오일에 의해 구동해서 작업기의 관성에너지 또는 위치에너지를 회생하고, 상기 유압펌프(47)를 구동하는 회생 모터(59)와 상기 회생 모터(59)의 회생 토크가 상기 유압펌프(47)의 구동 토크보다 클 때에는, 그 잉여 토크로 발전기로서 구동되고, 한편으로는, 전동기로서 구동되어 상기 유압펌프(47)의 구동을 돕는 상기 제너레이터 모터(55)를, 상기 PTO(46)를 개재하여 상기 유압펌프(47)에 병설한 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계의 기기배치구조.
엔진(41)과 제너레이터 모터(55)를 병용해서 유압펌프(47)를 구동하고, 상기 유압펌프(47)의 토출유의 유압 액추에이터에의 유입량을 제어해서 각 작업기를 구동하는 하이브리드식 건설기계에 있어서,

엔진(41)에 PTO(46)를 개재하여 접속된 상기 유압펌프(47)와, 상기 유압펌프(47)의 토출유의 상기 유압엑추에이터에의 유입량을 제어하는 유압밸브(49)와, 상기 PTO(46)를 개재하여 상기 유압펌프(47)에 접속되고, 상기 유압액추에이터로부터의 리턴오일에 의해 구동해서 작동기의 관성에너지 또는 위치에너지를 회생하고, 상기 유압펌프(47)를 구동하는 회생모터(59)와, 유압액추에이터로부터의 리터오일을 회생모터(59)를 경유해서 드레인시키는 작동유탱크(51)를 포함하는 고압유압계 기기를 구비하고,

상기 회생모터(59)의 회생토크가 상기 유압펌프(47)의 구동토크보다 클 때는 그 잉여토크로 발전기로서 구동되고, 한편으로는, 전동기로서 구동되어 상기 유압펌프(47)의 구동을 돕는 상기 제너레이터 모터(55)와, 상기 제너레이터 모터(55)의 발전기로서의 발전전력을 충전하고, 전동기로서의 구동전력을 공급하는 축전장치(17)와, 상기 제너레이터 모터(55)의 발전전력의 상기 축전장치(17)에의 충전, 및 전동기로서의 구동을 제어하는 인버터(61)를 포함하는 충전계 기기를, 상기 고압유압계 기기로부터 분리하여 배치한 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계의 기기배치구조.
제 2항에 있어서, 상기 인버터(61)를 엔진(41)의 팬(43)의 상류측에 설치하고,

상기 제너레이터 모터(55)를 엔진(41)의 상기 인버터(61)에 가까운 측에 접속한 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계의 기기배치구조.
제 2항에 있어서, 상기 인버터(61)를 엔진(41)의 흡인식 팬(43)의 상류측에 설치하고,

상기 제너레이터 모터(55)를 엔진(41)의 상기 팬(43)에 가까운 측에 설치한 PTO(48)를 개재하여 접속한 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계의 기기배치구조.