KR20110086495A

KR20110086495A - 하이브리드식 작업 기계

Info

Publication number: KR20110086495A
Application number: KR1020100106411A
Authority: KR
Inventors: 하지메 요시다; 하지메 이시이
Original assignee: 히다찌 겐끼 가부시키가이샤
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2011-07-28
Also published as: CN102134868B; JP5227981B2; KR101770427B1; CN102134868A; JP2011149226A

Abstract

본 발명의 과제는, 미니 셔블과 같은 소형의 건설 기계에 있어서, 간이한 하이브리드 방식을 채용함으로써 연비의 향상, 배기 가스 특성의 개선 및 소음의 저감을 도모하고, 또한 배출 가스 규제를 클리어할 수 있는 저렴한 하이브리드식 작업 기계를 제공하는 것이다.
엔진 출력 마력의 제한치 HELe가 유압 펌프(21)의 PQ 마력 특성 D에 의해 근접한 설정으로 하고, 엔진(11)을 다운사이징한다. 주행 고속시에 배터리(33)에 의해 발전ㆍ전동기(31)를 전동기로서 작동시켜 출력 어시스트를 행한다. 배터리(33)의 충전시에는, 토크 제어 전자기 밸브(44)에 제어 신호를 출력하여 감토크 제어를 행하고, 엔진(11)의 잉여 토크를 강제적으로 만들어내어 급속 충전을 행한다.

Description

하이브리드식 작업 기계 {HYBRID TYPE WORKING MACHINE}

본 발명은 하이브리드식 작업 기계에 관한 것으로, 특히 소형의 유압 셔블 등의 하이브리드식 작업 기계에 관한 것이다.

최근, 유압 셔블 등의 작업 기계에 있어서는, 연비의 향상, 배기 가스 특성의 개선 및 소음의 저감 등의 관점으로부터, 엔진(디젤 엔진)과 전동기를 병용하는 하이브리드식 작업 기계가 개발되어, 일부 실용화되어 있다. 이러한 하이브리드식 작업 기계의 종래 기술로서, 예를 들어 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에 기재된 것이 있다. 이들은, 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프의 보조 동력원으로서 전동기를 설치하고, 배터리로부터의 전력에 의해 전동기를 구동시키는 한편, 엔진에 의해 전동기를 구동시켜 발전하고, 이 발전한 전력을 배터리에 축전하는 것이다.

또한, 특허 문헌 2에서는, 유압 셔블의 상부 선회체를 하부 주행체에 대해 선회 구동하는 선회 모터에 전동기를 채용하고, 선회 동작의 감속시에 발생하는 관성 에너지를 전기 에너지로 변환하여 배터리에 축전하는 에너지 회생을 행하고 있다.

한편, 자동차 등의 이른바, 온로드 차량에 있어서는, 디젤 엔진으로부터 배출되는 PM[입자상 물질(Particulate Matter)], NOx, CO, HC 등의 배출량에 대한 배출 가스 규제가 실시되고 있고, 이 배출 가스 규제를 클리어하기 위해, 예를 들어 특허 문헌 3에 기재된 바와 같은 연속 재생형 파티큘레이트 필터 장치 등의 배출 가스 후처리 장치를 탑재하는 등의 배출 가스 정화 대책이 취해져 있다.

[특허 문헌 1] 일본 특허 출원 공개 제2001-173024호 공보 [특허 문헌 2] 일본 특허 출원 공개 제2002-275945호 공보 [특허 문헌 3] 일본 특허 출원 공개 제2005-282545호 공보

특허 문헌 2에 기재된 바와 같은 종래의 하이브리드식 건설 기계는, 건설 기계 중에서는 중형 및 대형의 건설 기계를 대상으로 하고 있으므로, 예를 들어 선회 감속시에 발생하는 관성 에너지도 커, 그 관성 에너지를 전기 에너지로 변환함으로써 유효하게 이용하는 것이 가능하다. 그러나 미니 셔블과 같은 소형의 건설 기계에서는, 선회 동작이 행해지는 빈도가 매우 적을 뿐만 아니라, 선회 감속시에 발생하는 관성 에너지가 매우 작으므로, 중형 및 대형의 건설 기계에서 행해지고 있는 에너지 회생을 행할 수 없다. 또한, 일반적으로 미니 셔블과 같은 소형의 건설 기계에서는, 중형 및 대형의 건설 기계에서 보여지는 하이브리드 방식을 채용하는 것이, 레이아웃면, 비용면, 기술면에서 매우 곤란하다.

또한, 유압 셔블 등의 작업 기계 등의 오프로드 차량에 있어서도, 최근 온로드 차량과 마찬가지로 배출 가스 규제가 개시되고, 이 배출 가스 규제를 클리어하기 위해, 특허 문헌 3에 기재되는 바와 같은 연속 재생형 파티큘레이트 필터 장치 등의 배출 가스 후처리 장치를 설치하는 것이 필요해지고 있다. 그러나 건설 기계에 배출 가스 후처리 장치를 설치하는 것은 매우 고비용이 되어, 판매 가격이 높아지는 경향이 있다. 특히, 특허 문헌 1 및 2에 기재된 바와 같은 하이브리드식 건설 기계에 배출 가스 후처리 장치를 설치하는 것은, 배출 가스 대책과 하이브리드화의 양면으로부터 고비용이 되어, 기계 전체의 가격이 매우 고가가 된다. 미니 셔블과 같은 소형의 건설 기계에 있어서는, 판매가 상승은 최대한 피해야 한다.

본 발명의 목적은, 미니 셔블과 같은 소형의 건설 기계에 있어서, 간이한 하이브리드 방식을 채용함으로써 연비의 향상, 배기 가스 특성의 개선 및 소음의 저감을 도모하고, 또한 배출 가스 규제를 클리어할 수 있는 저렴한 하이브리드식 작업 기계를 제공하는 것이다.

(1) 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 엔진과, 이 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프와, 이 유압 펌프로부터 토출유에 의해 구동되는 주행용 유압 모터를 포함하는 복수의 유압 액추에이터와, 주행용 조작 장치와, 주행 속도 전환 스위치와, 상기 엔진에 접속된 발전ㆍ전동기와, 축전 장치를 갖고, 상기 주행용 유압 모터는, 상기 주행 속도 전환 스위치의 지시에 기초하여 저속 대용량 모드와 고속 소용량 모드로 전환 가능한 하이브리드식 건설 기계에 있어서, 상기 주행용 유압 모터가 고속 소용량 모드에 있고 또한 상기 주행 조작 장치가 조작된 운전 상태인 주행 고속시에, 상기 축전 장치로부터의 전력에 의해 상기 발전ㆍ전동기를 구동시켜 전동기로서 작동시켜, 상기 엔진의 출력 토크 부족분을 보충하도록 제어하는 제어 장치를 설치한 것으로 한다.

이와 같이 주행 고속시에 발전ㆍ전동기를 구동시켜 전동기로서 작동시켜 엔진의 출력 토크 부족분을 보충함으로써, 엔진의 정격 출력 마력을 굴삭 작업 등의 유압 펌프의 필요 유압 마력이 적은 상태로 설정할 수 있고, 엔진의 정격 출력 마력을 낮춤으로써 엔진을 다운사이징하는 것이 가능해져, 연비의 향상, 배기 가스 특성의 개선 및 소음의 저감이 가능해진다. 또한, 배기 가스 특성이 개선되므로, 배출 가스 후처리 장치의 소형화 혹은 간략화가 가능해지고, 경우에 따라서는 배출 가스 후처리 장치를 없애는 것도 가능하고, 이에 의해 엔진의 다운사이징화에 의한 비용 저감과 더불어 엔진의 제작 비용을 저감시킬 수 있어, 기계 전체의 가격을 저렴하게 할 수 있다. 또한, 액추에이터측에는 발전기 등의 전기 기기를 장착하지 않으므로, 간이한 하이브리드 방식으로 되어, 하이브리드화에 의한 비용 상승의 영향을 최소로 그치게 하는 것이 가능한 동시에, 간이한 하이브리드 방식이므로 미니 셔블과 같은 소형의 건설 기계라도 레이아웃면의 곤란성을 회피할 수 있다.

(2) 상기 (1)에 있어서, 바람직하게는, 상기 제어 장치는 상기 축전 장치의 충전 상태가 불충분한 경우는, 상기 유압 펌프의 흡수 토크를 낮추는 감(減)토크 제어를 행하여 상기 엔진의 잉여 토크를 강제적으로 만들어 낸다.

이에 의해 축전 장치의 급속 충전이 가능해진다.

(3) 상기 (2)에 있어서, 바람직하게는, 상기 제어 장치는 상기 주행 속도 전환 스위치가 주행 고속을 지시하고 또한 상기 주행 조작 장치가 조작되었을 때에 상기 축전 장치의 충전 상태가 불충분한 경우는, 상기 주행 속도 전환 스위치의 주행 고속의 지시를 무효로 하여, 상기 주행용 유압 모터를 저속 대용량 모드로 제어한다.

이에 의해 축전 장치의 급속 충전을 확실하게 행할 수 있다.

(4) 또한, 상기 (1)에 있어서, 바람직하게는, 상기 제어 장치는 상기 주행 고속시 이외의 운전 상태에서는, 상기 유압 펌프를 상기 엔진 출력 토크만으로 구동시키는 동시에, 상기 엔진에 잉여 토크가 있을 때에는, 그 잉여 토크에 의해 상기 발전ㆍ전동기를 구동시켜 발전기로서 작동시켜, 그 발전 전력을 상기 축전 장치에 축전시킨다.

이에 의해 주행 고속시 이외의 운전 상태에서, 엔진에 잉여 토크가 있는 경우는, 감토크 제어를 하는 일 없이, 축전 장치의 충전을 행할 수 있다.

(5) 또한, 상기 (1) 내지 (4)에 있어서, 바람직하게는 상기 엔진의 출력 마력을, 상기 주행 고속시에, 상기 유압 펌프에 필요로 하는 유압 마력을 공급할 수 없는 크기의 설정으로 한다.

이에 의해 엔진이 다운사이징화되어, 연비의 향상, 배기 가스 특성의 개선 및 소음의 저감을 도모하고, 또한 배출 가스 규제를 클리어할 수 있는 저렴한 하이브리드식 작업 기계를 제공할 수 있다.

(6) 또한, 상기 (1) 내지 (4)에 있어서, 바람직하게는 상기 엔진의 출력 마력을, 상기 주행 고속시 이외의 운전 상태에서는, 상기 유압 펌프에 필요로 하는 유압 마력을 공급할 수 있고, 상기 주행 고속시에는, 상기 유압 펌프에 필요로 하는 유압 마력을 공급할 수 없는 크기의 설정으로 한다.

(7) 또한, 상기 (1) 내지 (4)에 있어서, 보다 바람직하게는 상기 엔진의 출력 마력을, 배기 가스 규제 대상의 엔진 출력 마력보다 작은 설정으로 한다.

이에 의해 고가이며 복잡한 배출 가스 후처리 장치를 탑재할 필요가 없어져, 기계 전체의 가격을 크게 낮출 수 있다.

(8) 또한 본 발명은, 엔진과, 이 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프와, 이 유압 펌프로부터 토출유에 의해 구동되는 주행용 유압 모터를 포함하는 복수의 유압 액추에이터와, 주행용 조작 장치와, 주행 속도 전환 스위치와, 상기 엔진에 접속된 발전ㆍ전동기와, 축전 장치를 갖고, 상기 주행용 유압 모터는, 상기 주행 속도 전환 스위치의 지시에 기초하여 저속 대용량 모드와 고속 소용량 모드로 전환 가능한 하이브리드식 건설 기계에 있어서, 상기 축전 장치의 충전 상태가 불충분한 경우는, 상기 유압 펌프의 흡수 토크를 낮추는 감토크 제어를 행하여 상기 엔진의 잉여 토크를 강제적으로 만들어 내는 제어 장치를 설치하고, 상기 제어 장치는, 상기 주행 속도 전환 스위치가 주행 고속을 지시하고 또한 상기 주행 조작 장치가 조작되었을 때에 상기 축전 장치의 충전 상태가 불충분한 경우는, 상기 주행 속도 전환 스위치의 주행 고속의 지시를 무효로 하여, 상기 주행용 유압 모터를 저속 대용량 모드에 제어하는 것으로 한다.

이에 의해, 엔진을 다운사이징한 경우라도, 엔진에 과부하를 부여하는 일 없이 혹은 경우에 따라서는 과부하에 의해 엔진을 스톨시키는 일 없이, 축전 장치의 급속 충전을 확실하게 행할 수 있다.

본 발명에 따르면, 주행 고속시에 발전ㆍ전동기를 구동시켜 전동기로서 작동시켜 엔진의 출력 토크 부족분을 보충하므로, 엔진의 정격 출력 마력을 굴삭 작업 등의 유압 펌프의 필요 유압 마력이 적은 상태로 설정할 수 있고, 엔진의 정격 출력 마력을 낮춤으로써 엔진을 다운사이징하는 것이 가능해지고, 연비의 향상, 배기 가스 특성의 개선 및 소음의 저감이 가능해진다. 또한, 배기 가스 특성이 개선되므로, 배출 가스 후처리 장치의 소형화 혹은 간략화가 가능해져, 경우에 따라서는 배출 가스 후처리 장치를 없애는 것도 가능하고, 이에 의해 엔진의 다운사이징화에 의한 비용 저감과 더불어 엔진의 제작 비용을 저감시킬 수 있어, 기계 전체의 가격을 저렴하게 할 수 있다. 또한, 액추에이터측에는 발전기 등의 전기 기기를 장착하지 않으므로, 간이한 하이브리드 방식으로 되어, 하이브리드화에 의한 비용 상승의 영향을 최소로 그치게 하는 것이 가능한 동시에, 간이한 하이브리드 방식이므로 미니 셔블과 같은 소형의 건설 기계라도 레이아웃면의 곤란성을 회피할 수 있다.

또한, 유압 펌프의 감토크 제어를 행함으로써 축전 장치의 급속 충전이 가능해지고, 또한 그 축전 장치의 급속 충전을 확실하게 행할 수 있다.

또한, 주행 고속시 이외의 운전 상태에서, 엔진에 잉여 토크가 있는 경우는, 감토크 제어를 하는 일 없이, 축전 장치의 충전을 행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 하이브리드식 건설 기계의 구동 시스템을 도시하는 도면.
도 2는 펌프 레귤레이터의 구성의 상세를 도시하는 도면.
도 3은 펌프 레귤레이터의 토크 제어부의 기능을 도시하는 펌프 토크 특성도.
도 4는 유압계의 컨트롤 밸브와 복수의 유압 액추에이터 중, 좌우의 주행용 유압 모터에 관한 유압 회로 부분을 도시하는 도면.
도 5는 본 실시 형태에 관한 유압 셔블의 외관을 도시하는 도면.
도 6의 (a)는 종래의 일반적인 미니 셔블의 엔진 출력 마력의 제한치와 유압 펌프의 PQ 특성(마력 특성)과 출력 사용 범위의 관계를 나타내는 도면, 도 6의 (b)는 동 미니 셔블의 엔진 출력 마력 특성과 출력 사용 범위의 관계를 나타내는 도면.
도 7의 (a)는 본 실시 형태의 미니 셔블의 엔진 출력 마력과 유압 펌프의 PQ 특성(마력 특성)과 출력 사용 범위의 관계를 나타내는 도면, 도 7의 (b)는 동 미니 셔블의 엔진 출력 마력 특성과 출력 사용 범위의 관계를 나타내는 도면.
도 8은 본 실시 형태의 미니 셔블에 있어서의 감토크 제어시의 엔진 출력 마력과 유압 펌프의 PQ 특성의 관계를 나타내는 도면.
도 9는 전동기에 의한 출력 어시스트 제어의 처리 수순을 나타내는 흐름도.
도 10은 배터리의 충전 제어의 처리 수순을 나타내는 흐름도.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 하이브리드식 건설 기계의 구동 시스템을 도시하는 도면이다. 건설 기계는 소형의 유압 셔블이다.

도 1에 있어서, 부호 1은 엔진계이고, 2는 유압계이고, 3은 발전 전동계이고, 4는 제어계이다.

엔진계(1)는, 디젤 엔진(11)과, 엔진 컨트롤 다이얼(12)과, 엔진 컨트롤러(13)와, 전자 거버너(14)를 구비하고 있다. 디젤 엔진(11)은, 후술하는 바와 같이 종래의 것보다도 다운사이징된(엔진 출력이 작은) 엔진이다.

엔진 컨트롤 다이얼(12)은 작업자의 조작에 의해 엔진의 목표 회전수를 지시하는 것이고, 엔진 컨트롤러(13)는 엔진 컨트롤 다이얼(12)로부터의 목표 회전수 신호를 입력하고, 소정의 연산 처리를 행하여 목표 연료 분사량을 구하고, 전자 거버너(14)를 제어함으로써 엔진의 각 기통에 분사되는 연료 분사량을 제어하여, 엔진 출력 토크와 회전수를 제어한다. 또한, 엔진 컨트롤러(13)는 엔진 부하율을 연산하여, 엔진 부하율 정보를 생성한다. 엔진 부하율은, 예를 들어 최대 연료 분사량에 대한 목표 연료 분사량의 비율을 연산함으로써 구할 수 있다.

엔진(1)의 출력축은 대직경 기어(6a)와 소직경 기어(6b)로 이루어지는 동력 분배기(6)를 통해 유압계(2)와 발전 전동계(3)에 접속되어 있다.

유압계(2)는, 유압 펌프(21) 및 파일럿 펌프(22)와, 컨트롤 밸브(23)와, 복수의 유압 액추에이터(24a 내지 24h)와, 복수의 조작 장치(25, 26)를 구비하고 있다.

유압 펌프(21)는 엔진(11)의 출력축에 동력 분배기(6)를 통해 접속되고, 엔진(11)에 의해 구동된다. 유압 펌프(21)로부터 토출된 압유는 컨트롤 밸브(23)를 통해 복수의 유압 액추에이터(24a 내지 24h)에 공급되어, 각각의 피구동체를 구동시킨다. 유압 펌프(21)는 가변 용량형이고, 배기 용적 가변 기구(예를 들어, 경사판)(21a)와, 배기 용적 가변 기구(21a)의 틸팅 위치를 조정하여, 유압 펌프의 용량을 제어하는 펌프 레귤레이터(27)를 구비하고 있다.

복수의 유압 액추에이터(24a 내지 24h)는, 좌우의 주행용 유압 모터와, 그 이외의 유압 액추에이터를 포함하고, 그 이외의 유압 액추에이터는, 예를 들어 붐용 유압 실린더, 아암용 유압 실린더, 버킷용 유압 실린더, 스윙용 유압 실린더, 블레이드용 유압 실린더를 포함한다.

컨트롤 밸브(23)는 복수의 유압 액추에이터(24a 내지 24h)에 대응하는 복수의 메인 스풀을 내장하고, 이들 메인 스풀은 조작 장치(25, 26)로부터 출력되는 유압 신호에 의해 전환 조작된다. 조작 장치(25)는 좌우의 주행용 조작 장치를 대표한 것이고, 조작 장치(26)는 주행 이외의 조작 장치를 대표한 것이다.

발전 전동계(3)는, 발전ㆍ전동기(31)와, 인버터(32)와, 배터리(축전 장치)(33)와, 배터리 컨트롤러(34)와, 조작 패널(35)을 구비하고 있다.

발전ㆍ전동기(31)는 엔진(11)의 출력축에 동력 분배기(6)를 통해 접속되고, 엔진(11)에 잉여 토크가 있을 때에는, 그 잉여 토크에 의해 구동되어 발전기로서 작동한다. 발전ㆍ전동기(31)가 발생한 전기 에너지는 인버터(32)를 통해 배터리(33)에 축전된다. 또한, 발전ㆍ전동기(31)는, 배터리(33)의 축전량이 규정치 이상이고 또한 유압 펌프(21)를 어시스트 구동할 필요가 있을 때에는, 인버터(32)를 통해 배터리(33)의 전기 에너지가 공급되어, 전동기로서 작동한다. 배터리 컨트롤러(34)는 배터리(33)의 축전량을 감시하고, 조작 패널(35)은 그 축전량에 관한 정보(축전 정보)를 표시한다.

제어계(4)는, 주행 속도 전환 스위치(41)와, 주행의 조작 파일럿압 센서(42)와, 주행 이외의 조작 파일럿압 센서(43)와, 토크 제어 전자기 밸브(44)와, 주행 속도 전환 전자기 밸브(45)와, 차체 컨트롤러(46)를 구비하고, 차체 컨트롤러(46)는 주행 속도 전환 스위치(41), 조작 파일럿압 센서(42, 43), 토크 제어 전자기 밸브(44), 주행 속도 전환 전자기 밸브(45)와 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 차체 컨트롤러(46)는 인버터(32), 배터리 컨트롤러(34) 및 엔진 컨트롤러(13)와도 전기적으로 접속되어 있다. 차체 컨트롤러(46)는, 주행 속도 전환 스위치(41)의 지시 신호, 조작 파일럿압 센서(42, 43)의 검출 신호, 배터리 컨트롤러(34)의 축전 정보 및 엔진 컨트롤러(13)의 엔진 부하율 정보를 입력하고, 소정의 연산 처리를 행하여, 인버터(32), 토크 제어 전자기 밸브(44) 및 주행 속도 전환 전자기 밸브(45)에 제어 신호를 출력한다.

도 2는 펌프 레귤레이터(27)의 구성의 상세를 도시하는 도면이다.

펌프 레귤레이터(27)는, 복수의 조작 장치(25, 26)의 조작량에 기초하는 요구 유량에 따른 유량을 토출시키도록 유압 펌프(21)의 배기 용적 가변 기구(21a)의 틸팅 위치를 제어하는(따라서 유압 펌프의 용량을 제어하는) LS 제어부 등의 요구 유량 응답 제어부와, 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크를 미리 정해진 값을 초과하지 않도록 유압 펌프(21)의 배기 용적 가변 기구(21a)의 최대 틸팅 위치를 제어하는(따라서 유압 펌프의 최대 용량을 제어하는) 토크 제어부를 갖고 있다. 도 2는, 도시의 간략화를 위해 토크 제어부만 도시하고 있다. 또한, 동력 분배기(6)는 도시를 생략하고 있다.

도 2에 있어서, 펌프 레귤레이터(27)는, 유압 펌프(21)의 배기 용적 가변 기구(21a)에 작동적으로 연결된 제어 스풀(27a)과, 이 제어 스풀(27a)에 대해 유압 펌프(21)의 용량 증가 방향으로 작용하는 제1 및 제2의 2개의 스프링(27b, 27c)과, 스풀(27a)에 대해 유압 펌프(21)의 용량 감소 방향으로 작용하는 제1 및 제2의 2개의 수압부(27d, 27e)를 갖고 있다. 제1 수압부(27d)에는 유압 펌프(21)의 토출 압력이 파일럿 라인(27f)을 통해 도입되고, 제2 수압부(27e)에는 토크 제어 전자기 밸브(44)로부터의 제어 압력이 제어 유로(27g)를 통해 도입된다. 제1 및 제2 스프링(27b, 27c)은 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크를 설정하는 것이고, 제2 수압부(27e)는 그 최대 흡수 토크를 조정하는(감토크 제어하는) 것이다. 제1 스프링(27b)은 제2 스프링(27c)보다도 길고, 제어 스풀(27a)이 도시한 초기 위치에 있을 때에는 제1 스프링(27b)만이 제어 스풀(27a)에 접촉하여, 제어 스풀(27a)을 도시 우측 방향으로 가압한다. 제어 스풀(27a)이 도시 좌측 방향으로 어느 정도 이동하면 제2 스프링(27c)도 제어 스풀(27a)에 접촉하여, 제1 및 제2 스프링(27b, 27c)의 양쪽이 제어 스풀(27a)을 도시 우측 방향으로 가압한다.

토크 제어 전자기 밸브(44)는, 차체 컨트롤러(46)로부터 제어 신호가 출력되고 있지 않을 때에는 도시한 OFF 위치에 있고, 펌프 레귤레이터(27)의 제2 수압부(27e)를 탱크에 연통시킨다. 차체 컨트롤러(46)로부터 제어 신호가 출력되면, 토크 제어 전자기 밸브(44)는 ON 위치로 전환되어, 제2 수압부(27e)에 제어 압력으로서 파일럿 펌프(22)의 토출 압력이 유도된다. 파일럿 펌프(22)의 토출 압력은 파일럿 릴리프 밸브(28)에 의해 일정한 값(예를 들어, 4Mpa)으로 유지되어 있다.

도 3은 펌프 레귤레이터(27)의 토크 제어부의 기능을 나타내는 펌프 토크 특성도로, 횡축은 유압 펌프(21)의 토출 압력을 나타내고, 종축은 유압 펌프(21)의 용량을 나타내고 있다.

또한, 도 3에 있어서, 부호 TP1 및 TP2로 나타내어지는 2개의 직선(실선)으로 이루어지는 절곡선은 제1 및 제2의 2개의 스프링(27b, 27c)에 의해 설정되는 최대 흡수 토크 특성이고, 부호 TP3 및 TP4로 나타내어지는 2개의 직선(1점 쇄선)으로 이루어지는 절곡선은 토크 제어 전자기 밸브(44)로부터의 제어 압력에 의해 감토크 제어된 최대 흡수 토크 특성이다. 부호 TEL로 나타내어지는 곡선은 엔진(11)의 최대 출력 토크 TEmax를 기준으로 하여, 그것보다도 소정의 여유분만큼 작아지도록 설정된 엔진(11)의 제한 토크이다.

펌프 레귤레이터(27)의 토크 제어부는, 유압 펌프(21)의 토출 압력에 따라서 유압 펌프(21)의 배기 용적 개변 기구(21)의 최대 틸팅 위치[따라서 유압 펌프(21)의 최대 용량]를 제한함으로써 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크를 제한하는 것이다. 토크 제어 전자기 밸브(44)가 도 2에 도시하는 OFF 위치에 있을 때, 펌프 레귤레이터(27)의 제2 수압부(27e)는 탱크에 연통되고, 최대 흡수 토크 특성은 제1 및 제2의 2개의 스프링(27b, 27c)에 의해 실선인 직선 TP1, TP2로 이루어지는 절곡선과 같이 설정된다. 이 경우, 유압 펌프(21)의 토출 압력의 상승시에 토출 압력이 제1 값(P1)을 초과하기 전에는, 유압 펌프(21)의 토출 압력이 유도되는 제1 수압부(27d)의 유압력은 제1 스프링(27b)의 가압력보다 작아, 유압 펌프(21)의 최대 용량은 qmax로 유지된다. 즉, 유압 펌프(21)의 용량은 요구 유량 응답 제어부의 제어에 의해 qmax까지 상승할 수 있다. 유압 펌프(21)의 토출 압력이 더욱 상승하여 제1 값 P1을 초과하면, 유압 펌프(21)의 토출 압력이 유도되는 제1 수압부(27d)의 유압력은 제1 스프링(27b)의 압박력보다 커져, 제어 스풀(27a)은 도시 좌측 방향으로 이동하여, 유압 펌프(21)의 최대 용량은 절곡선인 직선 TP1을 따라 감소한다. 이에 의해 요구 유량 응답 제어부에 의해 제어되는 유압 펌프(21)의 용량은 직선 TP1이 규정하는 최대 용량 이하로 제한되고, 유압 펌프(21)의 흡수 토크(펌프 토출 압력과 용량의 곱)는 엔진(11)의 제한 토크 TEL을 초과하지 않도록 제어된다.

유압 펌프(21)의 토출 압력이 더욱 상승하여 제2 값 P2를 초과하면, 제어 스풀(27a)은 제2 스프링(27c)에도 접촉하여, 유압 펌프(21)의 토출 압력의 상승량에 대한 제어 스풀(27a)의 이동량의 비율[유압 펌프(21)의 용량의 감소 비율]은 감소하고, 유압 펌프(21)의 최대 용량은 직선 TP1보다도 기울기가 작은 직선 TP2를 따라 감소한다. 이 경우도, 유압 펌프(21)의 흡수 토크는 엔진(11)의 제한 토크 TEL을 초과하지 않도록 제어된다. 유압 펌프(21)의 토출 압력이 메인 릴리프 밸브(29)의 설정 압력에 도달하면, 그 이상 유압 펌프(21)의 토출 압력의 상승은 저지된다.

토크 제어 전자기 밸브(44)가 ON 위치로 전환되면, 제2 수압부(27e)에 제어 압력이 유도되고, 제어 스풀(27a)에는 제2 수압부(27e)의 유압력이 제1 및 제2 스프링(27b, 27c)의 가압력에 대향하여 작용한다. 이에 의해 제1 및 제2 스프링(27b, 27c)에 의한 최대 흡수 토크의 설정은, 제2 수압부(27e)의 유압력의 분만큼 감소하도록 조정되고, 최대 흡수 토크 특성은, 실선인 직선 TP1, TP2로 이루어지는 절곡선으로부터 1점 쇄선인 직선 TP3, TP4로 이루어지는 절곡선으로 시프트된다. 그 결과, 유압 펌프(21)의 토출 압력의 상승시, 유압 펌프(21)의 최대 용량은 절곡선 중 1점 쇄선인 직선 TP3, TP4를 따라 감소한다. 이때의 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크(펌프 토출 압력과 최대 용량의 곱)는 직선 TP1, TP2의 최대 흡수 토크에 비해 작아, 엔진(11)의 잉여 토크가 강제적으로 만들어 내어진다. 본원 명세서에서는, 이 제어를 감토크 제어라 한다.

도 4는 유압계의 컨트롤 밸브와 복수의 유압 액추에이터 중, 좌우의 주행용 유압 모터에 관한 유압 회로 부분을 도시하는 도면이다. 도면 중, 좌우의 주행용 메인 스풀을 부호 23a, 23b로 나타내고, 좌우의 주행용 유압 모터를 부호 24a, 24b로 나타내고 있다. 좌우의 유압 모터(24a, 24b)는 메인 스풀(23a, 23b)을 통해 유압 펌프(21)에 접속되어 있다.

좌우의 유압 모터(24a, 24b)는 각각 가변 용량형이며, 배기 용적 가변 기구(경사판)(24a1, 24b1)와, 배기 용적 가변 기구(24a1, 24b1)를 각각 구동하는 제어 피스톤(24a2, 24b2)을 구비하고 있다. 제어 피스톤(24a2, 24b2)의 일측에는 수압부(24a3, 24b3)가 형성되고, 그 반대측에는 스프링(24a4, 24b4)이 배치되어 있다.

주행 속도 전환 전자기 밸브(45)가 도시한 OFF 위치에 있을 때, 제어 피스톤(24a2, 24b2)의 수압부(24a3, 24b3)는 탱크에 연통되어 있고, 제어 피스톤(24a2, 24b2)은 스프링(24a4, 24b4)의 힘에 의해 밀려 도시한 위치에 있고, 배기 용적 가변 기구(24a1, 24b1)는 대 틸팅 위치(대용량 위치)에 유지되어 있다. 주행 속도 전환 전자기 밸브(45)가 ON 위치로 전환되면, 제어 피스톤(24a2, 24b2)의 수압부(24a3, 24b3)에 제어 압력으로서 파일럿 펌프(22)의 토출 압력이 유도되고, 이에 의해 제어 피스톤(24a2, 24b2)이 작동하여, 배기 용적 가변 기구(24a1, 24b1)는 대 틸팅 위치(대용량 위치)로부터 소 틸팅 위치(소용량 위치)로 전환된다. 대 틸팅 위치에서는 유압 모터(24a, 24b)는 저속 회전이 가능하여, 주행 저속에 적합한 상태로 되고, 소 틸팅 위치에서는 유압 모터(24a, 24b)는 고속 회전이 가능하여, 주행 고속에 적합한 상태로 된다. 본 명세서에서는, 배기 용적 가변 기구(24a1, 24b1)가 대 틸팅 위치에 있을 때의 상태를 유압 모터(24a, 24b)의 저속 대용량 모드라 하고, 배기 용적 가변 기구(24a1, 24b1)가 소 틸팅 위치에 있을 때의 상태를 유압 모터(24a, 24b)의 고속 소용량 모드라 한다.

도 5는 본 실시 형태에 관한 유압 셔블의 외관을 도시하는 도면이다.

유압 셔블은, 하부 주행체(101)와, 이 하부 주행체(101) 상에 선회 가능하게 탑재된 상부 선회체(102)와, 이 상부 선회체(102)의 선단부 부분에 스윙 포스트(103)를 통해 상하 및 좌우 방향으로 회전 가능하게 연결된 프론트 작업기(104)를 구비하고 있다. 하부 주행체(101)는 크롤러 방식이고, 트랙 프레임(105)의 전방측에 상하 이동 가능한 배토용 블레이드(106)가 설치되어 있다. 상부 선회체(102)는 기초 하부 구조를 이루는 선회대(107)와, 선회대(107) 상에 설치된 캐빈(운전실)(108)을 구비하고 있다. 프론트 작업기(104)는 붐(111)과, 아암(112)과, 버킷(113)을 구비하고, 붐(111)의 기단부는 스윙 포스트(103)에 핀 결합되고, 붐(111)의 선단부는 아암(112)의 기단부에 핀 결합되고, 아암(112)의 선단부는 버킷(113)에 핀 결합되어 있다.

상부 선회체(102)는 하부 주행체(101)에 대해 도시하지 않은 선회 모터에 의해 선회 구동되고, 스윙 포스트(103) 및 프론트 작업기(104)는 선회대(107)에 대해 스윙 실린더(24g)에 의해 좌우로 회전 구동되고, 붐(111), 아암(112), 버킷(113)은 각각 붐 실린더(24c), 아암 실린더(24d), 버킷 실린더(24e)를 신축함으로써 상하로 회전 구동된다. 하부 주행체(101)는 좌우의 주행 모터(24a, 24b)에 의해 회전 구동되고, 블레이드(106)는 블레이드 실린더(24h)에 의해 상하로 구동된다.

다음에, 본 발명의 동작 원리와 엔진(11)의 출력 마력의 설정에 대해 설명한다.

도 6의 (a)는 종래의 일반적인 미니 셔블의 엔진 출력 마력의 제한치와 유압 펌프의 PQ 특성(마력 특성)과 출력 사용 범위의 관계를 나타내는 도면이고, 도 6의 (b)는 동 미니 셔블의 엔진 출력 마력 특성과 출력 사용 범위의 관계를 나타내는 도면이다. 도 6의 (a)의 횡축은 유압 펌프의 토출 압력을 나타내고, 종축은 유압 펌프의 토출 유량을 나타내고 있다. 도 6의 (b)의 횡축은 엔진의 회전수를 나타내고, 종축은 엔진의 출력 마력을 나타내고 있다.

우선, 유압 펌프의 PQ 특성에 대해 설명한다. 유압 펌프의 PQ 특성이라 함은, 어떤 최대 흡수 토크 특성을 갖는 유압 펌프를 엔진에 의해 구동시켜 회전시키고, 작업을 행하였을 때에 얻어지는 유압 펌프의 출력 마력 특성이다. 도 6의 (a)의 유압 펌프의 PQ 특성은, 일례로서 도 3에 나타낸 최대 흡수 토크 특성을 갖는 유압 펌프(21)의 경우의 것이고, 또한 엔진 회전수가 정격 최대 회전수에 있는 경우의 것이다. 도 6의 (a)의 엔진 출력 마력의 제한치와 도 6의 (b)의 엔진 출력 마력 특성도 마찬가지로 엔진 회전수가 정격 최대 회전수에 있는 경우의 것이다.

일반적인 미니 셔블의 작업 상태로서, 주행 고속과 주행 저속과 통상 작업을 생각한다. 도 6의 (a) 및 도 6의 (b) 중, A는 주행 고속시의 출력 사용 범위, B는 주행 저속시의 출력 사용 범위, C는 통상 작업시의 출력 사용 범위를 나타내고 있다. 주행 고속이라 함은, 주행용 유압 모터(24a, 24b)가 고속 소용량 모드에 있고 또한 주행용 조작 장치(25)가 조작되어 주행하고 있는 상태를 말하고, 주행 저속이라 함은, 주행용 유압 모터(24a, 24b)가 저속 대용량 모드에 있고 또한 주행용 조작 장치(25)가 조작되어 주행하고 있는 상태를 말한다. 통상 작업이라 함은, 주행 이외의 조작 장치(26)[특히, 프론트 작업기(104)에 관한 유압 액추에이터(111, 112, 113) 및 선회 모터 중 어느 하나에 관한 조작 장치]가 조작되어 작업을 행하고 있는 상태를 말한다.

도 6의 (a)의 HELc는 엔진 출력 마력의 제한치이고, HEmaxc는 엔진의 최대 출력 마력이다. 엔진 출력 마력의 제한치 HELc는, 엔진의 최대 출력 마력 HEmaxc보다도 소정의 여유분만큼 작아지도록 설정되어 있다.

주행 고속시는 스피드(유량)가 필요하므로, 그때의 유압 펌프(21)의 출력은 가장 크고, 엔진 출력 마력의 제한치 HELc는, 이 주행 고속시의 유압 펌프(21)의 출력 사용 범위 A에 대해 어느 정도의 여유(X1)를 갖게 하여 설정되어 있다.

한편, 펌프 레귤레이터(27)의 최대 흡수 토크 특성(도 3)은, 제1 및 제2의 2개의 스프링(27b, 27c)에 의해 실선인 직선 TP1, TP2로 이루어지는 절곡선과 같이 설정되므로, 유압 펌프(21)의 PQ 특성도 마찬가지로 부호 D로 나타내는 바와 같이 절곡선 형상으로 되고, 통상 작업시에서는 엔진 출력 마력의 제한치 HELc에 대해 유압 펌프(21)의 출력 사용 범위 B가 X2와 크게 이격되어, 지나치게 여유가 있는 상태로 된다. 이것은, 엔진 출력 마력을 최대로 사용하고 있지 않은 것을 의미한다.

도 7의 (a)는 본 실시 형태의 미니 셔블의 엔진 출력 마력과 유압 펌프의 PQ 특성(마력 특성)과 출력 사용 범위의 관계를 나타내는 도면이고, 도 7의 (b)는 동 미니 셔블의 엔진 출력 마력 특성과 출력 사용 범위의 관계를 나타내는 도면이다.

본 실시 형태에서는, 엔진(11)의 최대 출력 마력 HEmaxe를 도 6의 (b)에 나타낸 종래의 엔진 최대 출력 마력 HEmaxc보다도 작게 하고, 엔진 출력 마력의 제한치 HELe가 유압 펌프(21)의 PQ 마력 특성 D에 의해 근접한 설정으로 한다. 다시 말하면, 본 실시 형태에서는, 엔진(11)의 최대 출력 마력 HEmaxe를 통상 작업 및 주행 저속시인 주행 고속시 이외의 운전 상태에서는, 유압 펌프(21)에 필요로 하는 유압 마력을 공급할 수 있고, 주행 고속시에 유압 펌프(21)에 필요로 하는 유압 마력을 공급할 수 없는 크기의 설정으로 한다. 통상 작업시의 출력 사용 범위 C는, 유압 펌프(21)의 PQ 특성 D의 절곡선 형상의 오목부에 의해 발생하는 여유(X3)를 이용하여 확보한다.

그리고 주행 고속시에는 배터리(33)에 의해 발전ㆍ전동기(31)를 전동기로서 작동시켜 출력 어시스트를 행한다. 도 7의 (a)의 점선 HELe＋HM은 출력 어시스트 후의 엔진 출력 마력 HELe와 전동기 출력 마력 HM의 합계의 출력 마력이다.

이와 같이 엔진(11)의 출력 마력을 종래보다도 작게 하고, 엔진 출력 마력의 제한치 HELe를 유압 펌프(21)의 PQ 마력 특성 D에 근접시킴으로써, 엔진(11)의 출력 마력을 최대로 사용할 수 있게 되어, 엔진(11)을 다운사이징(작은 엔진)하는 것이 가능해진다. 엔진(11)을 다운사이징함으로써 저연비화, 엔진(11)으로부터 배출되는 유해한 가스의 양의 저감 및 소음의 저감이 가능해진다. 또한, 배출 가스 후처리 장치의 소형화 혹은 간략화가 가능해져, 엔진(11)의 다운사이징화에 의한 비용 저감과 더불어 엔진의 제작 비용을 저감시킬 수 있어, 기계 전체의 가격을 저렴하게 할 수 있다. 또한, 액추에이터측에는 발전기 등의 전기 기기를 장착하지 않으므로, 간이한 하이브리드 방식이 되어, 하이브리드화에 의한 비용 상승의 영향을 최소로 그치게 하는 것이 가능한 동시에, 간이한 하이브리드 방식이므로 미니 셔블과 같은 소형의 건설 기계라도 레이아웃면의 곤란성을 회피할 수 있다.

또한, 엔진(11)의 출력대에 따라서는 배출 가스 후처리 장치를 없애는 것이 가능하여, 기계 전체의 가격을 더욱 저렴하게 할 수 있다.

즉, 현재의 작업 기계(오프로드 차량)에 대한 배출 가스 규제는, 출력 19㎾ 이상의 엔진을 탑재한 차량에 대해 적용되고, 출력 19㎾ 미만의 엔진을 탑재한 차량은 적용되어 있지 않다. 본 실시 형태에서는, 엔진(11)을, 바람직하게는 배기 가스 규제 적용 외의 출력인 19㎾ 미만의 엔진, 예를 들어 출력 18㎾의 엔진으로 한다. 이와 같이 엔진 출력을 19㎾ 미만으로 함으로써, 고가이며 복잡한 배출 가스 후처리 장치를 탑재할 필요가 없어져, 기계 전체의 가격을 크게 낮출 수 있다.

도 8은 본 실시 형태의 미니 셔블에 있어서의 감토크 제어시의 엔진 출력 마력과 유압 펌프의 PQ 특성의 관계를 나타내는 도면이다.

본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이, 주행 고속시는 배터리(33)에 의해 발전ㆍ전동기(31)를 전동기로 하여 작동시켜 엔진 출력을 어시스트한다. 이로 인해, 배터리(33)를 충전하기 위한 구조를 확보할 필요가 있다.

여기서, 배터리(33)의 충전은, 통상 작업시 혹은 주행 저속시에 엔진 출력의 여유분으로 행할 수 있는 것이 바람직하다. 그러나 엔진을 다운사이징한 경우, 배터리(33)의 잔량이 현저하게 적은 상태에서는, 충전 시간이 필요 이상으로 걸려 버릴 가능성이 있다. 또한, 주행 고속시에는 필요한 충전 상태를 확보할 수 없게 되어 버릴 가능성이 있다. 따라서, 배터리(33)의 충전시는, 토크 제어 전자기 밸브(44)에 제어 신호를 출력하여 감토크 제어를 행하고, 도 3의 최대 흡수 토크 특성을 실선인 직선 TP1, TP2로부터 1점 쇄선인 직선 TP3, TP4로 시프트함으로써, 도 8의 PQ 특성을 D로부터 Dr로 시프트한다. 그리고 이 감토크 제어에 의해 유압 펌프(21)의 출력을 저하시켜 엔진(11)의 잉여 토크 내지는 잉여 마력을 강제적으로 만들어내어, 급속 충전을 행한다.

다음에, 도 9 및 도 10을 사용하여 상술한 본 발명의 동작 원리를 실현하는 차체 컨트롤러(46)의 제어 기능에 대해 설명한다. 도 9는 전동기에 의한 출력 어시스트 제어의 처리 수순을 나타내는 흐름도이고, 도 10은 배터리의 충전 제어의 처리 수순을 나타내는 흐름도이다.

<도 9 : 전동기에 의한 출력 어시스트 제어>

차체 컨트롤러(46)는 주행 속도 전환 스위치(41)의 지시 신호를 입력하고, 주행 속도 전환 스위치(41)가 주행 고속을 지시하고 있는지 여부를 판정한다(단계 S100). 주행 속도 전환 스위치(41)가 주행 고속을 지시하고 있지 않으면 아무것도 하지 않고, 이 판정 처리를 반복한다. 주행 속도 전환 스위치(41)가 주행 고속을 지시하고 있으면, 다음에 주행의 조작 파일럿압 센서(42)의 검출 신호를 입력하고, 주행용 조작 장치(25)가 조작되었는지 여부를 판정한다(단계 S110). 주행용 조작 장치(25)가 조작되어 있지 않으면 아무것도 하지 않고, 단계 S100 및 S110의 처리를 반복한다. 주행용 조작 장치(25)가 조작되어 있으면, 다음에 배터리 컨트롤러(34)로부터 축전 정보를 입력하고, 배터리(33)의 축전 상태가 불충분한지 여부를 판정한다(단계 S120). 이 판정은, 예를 들어 배터리(33)의 충전율이 30％ 이하인지 여부를 판정함으로써 행한다. 그리고 배터리(33)의 충전율이 30％ 이상이면 배터리(33)의 전력을 전동ㆍ발전기(31)에 공급하여 전동ㆍ발전기(31)를 전동기로서 작동시켜, 출력 어시스트를 행한다(단계 S130). 이에 의해, 도 7의 (a)에 점선으로 나타내는 바와 같이, 엔진 출력 마력 HELe에 전동기 출력 마력 HM을 가산한 HELe＋HM의 마력이 얻어져, 주행 고속시의 출력 사용 범위 A에 대해 여유가 확보된다. 또한, 주행 속도 전환 전자기 밸브(45)에 제어 신호를 출력하여 ON 위치로 전환하고, 주행용 유압 모터(24a, 24b)의 배기 용적 가변 기구(24a1, 24b1)를 대 틸팅 위치로부터 소 틸팅 위치로 전환한다(단계 S140). 이에 의해 고속 주행이 가능해진다.

한편, 단계 S120에 있어서, 배터리(33)의 충전율이 30％ 이하인 경우는, 주행 속도 전환 스위치(41)가 주행 고속을 지시하고 있음에도 불구하고, 주행 속도 전환 전자기 밸브(45)를 OFF 위치로 유지하여, 주행용 유압 모터(24a, 24b)를 대 틸팅(대용량) 위치 상태로 한다. 그리고 이때에는, 이하에 설명하는 배터리 충전 제어에 의해 배터리의 충전이 행해진다.

<도 10 : 배터리의 충전 제어>

차체 컨트롤러(46)는, 배터리 컨트롤러(34)로부터 축전 정보를 입력하고, 배터리(33)의 축전 상태가 불충분한지 여부, 예를 들어 배터리(33)의 충전율이 30％ 이하인지 여부를 판정한다(단계 S220). 배터리(33)의 충전율이 30％ 이상이면 아무것도 하지 않고, 이 판정 처리를 반복한다. 배터리(33)의 충전율이 30％ 이하이면, 다음에 주행의 조작 파일럿압 센서(42) 및 주행 이외의 조작 파일럿압 센서(43)의 검출 신호를 입력하고, 주행용 조작 장치(25) 및 그 이외의 조작 장치(26) 중 어느 하나가 조작되어 있는지 여부(즉, 현재, 작업자가 유압 셔블을 조작 중인지 여부)를 판정하고(단계 S210), 어느 쪽의 조작 장치도 조작되어 있지 않은 경우(즉, 유압 셔블이 비조작 중인 경우)는, 다음에 차체 컨트롤러(46)는 토크 제어 전자기 밸브(44)에 제어 신호를 출력하고 있는 상태인지 여부(감토크 제어가 ON인지 여부)를 판정하고(단계 S220), 제어 신호가 출력되어 있는 경우는 제어 신호의 출력을 정지시켜(감토크 제어를 OFF로 하여)(단계 S230), 엔진(11)의 출력 토크(출력 마력)에 의해 충전을 개시한다(단계 S240). 즉, 엔진(11)의 출력 토크(출력 마력)에 의해 발전ㆍ전동기(31)를 구동시켜 발전기로서 작동시켜, 그 발전 전력을 배터리(33)에 축전한다. 차체 컨트롤러(46)가 토크 제어 전자기 밸브(44)에 제어 신호를 출력하고 있지 않은 경우는, 즉시 엔진(11)의 출력 토크에 의한 충전을 개시한다(단계 S240). 다음에 배터리(33)의 축전 상태가 충분한지 여부, 예를 들어 배터리(33)의 충전율이 70％를 초과하였는지 여부를 판정하고(단계 S250), 배터리(33)의 충전율이 70％를 초과하고 있지 않으면 단계 S210의 처리로 복귀되어, 단계 S210 내지 S250의 처리를 반복한다. 배터리(33)의 충전율이 70％를 초과하면, 엔진(11)의 출력 토크에 의한 충전을 종료한다(단계 S320).

한편, 단계 S210에 있어서, 어느 하나의 조작 장치(주행용 조작 장치 및 그 이외의 조작 장치 중 어느 하나)가 조작되어 있는 경우는, 다음에 차체 컨트롤러(46)는 엔진 컨트롤러(13)로부터 부하율 정보를 입력하고, 엔진(11)의 부하율에 기초하여 엔진(11)에 잉여 토크가 있는지 여부를 판정한다(단계 S260). 이 판정에서는, 예를 들어 부하율에 임계치(예를 들어, 70％)를 설정해 두고, 부하율이 임계치 이하이면 엔진(11)에 잉여 토크가 있다고 판정한다. 그리고 엔진(11)에 잉여 토크가 없는 경우는, 토크 제어 전자기 밸브(44)에 제어 신호를 출력하여 감토크 제어를 행하고(단계 S270), 도 3의 최대 흡수 토크 특성을 실선인 직선 TP1, TP2로부터 1점 쇄선인 직선 TP3, TP4로 시프트함으로써, 도 8의 PQ 특성을 D로부터 Dr로 시프트한다. 그리고 이 감토크 제어에 의해 엔진(11)의 잉여 토크 및 잉여 마력을 강제적으로 만들어내어, 충전을 개시한다(단계 S208). 엔진(11)에 잉여 토크가 있는 경우는, 즉시 그 잉여 토크에 의한 충전을 개시한다(단계 S280).

다음에 배터리(33)의 축전 상태가 불충분한지 여부, 예를 들어 배터리(33)의 충전율이 70％를 초과하였는지 여부를 판정하고(단계 S290), 배터리(33)의 충전율이 70％를 초과하고 있지 않으면 단계 S210의 처리로 복귀되어, 단계 S210, S260 내지 S290의 처리를 반복한다. 또한, 이 반복 처리 사이에, 작업자가 조작 장치를 중립으로 복귀시켜 어느 쪽의 조작 장치도 조작되어 있지 않은 상태로 된 경우는, 단계 S210으로부터 단계 S220으로 이행하여, 감토크 제어에 의존하지 않고 충전을 계속한다(단계 S230→S240).

단계 S290에 있어서, 배터리(33)의 충전율이 70％를 초과하면, 다음에 차체 컨트롤러(46)가 토크 제어 전자기 밸브(44)에 제어 신호를 출력하고 있는 상태인지 여부(감토크 제어가 ON인지의 여부)를 판정하고(단계 S300), 제어 신호가 출력되어 있는 경우는 제어 신호의 출력을 정지시켜(감토크 제어를 OFF로 하여)(단계 S310), 엔진(11)의 잉여 토크에 의한 충전을 종료한다(단계 S320). 제어 신호가 출력되어 있지 않은 경우는, 즉시 엔진(11)의 잉여 토크에 의한 충전을 종료한다(단계 S320).

도 9의 흐름도에서, S100에서 주행 속도 전환 스위치(41)가 주행 고속을 지시하고 있고, 단계 S110에서 주행용 조작 장치(25)가 조작되어 있고, 단계 S120에서 배터리(33)의 충전율이 30％ 이하이고, 단계 S150에서 주행 속도 전환 전자기 밸브(45)를 OFF 위치로 유지한 경우는, 도 10의 흐름도에서는 단계 S200→S210→단계 S260의 처리를 경유하여 즉시 단계 S270에서 감토크 제어가 개시되고, 단계 S280에서 배터리(33)의 충전이 행해진다. 이와 같이 유압 펌프의 감토크 제어를 행하고 또한 주행 속도 전환 전자기 밸브(45)를 OFF 위치로 유지하여 주행용 유압 모터(24a, 24b)가 저속 대용량 모드로 유지됨으로써, 엔진(11)에 과부하를 부여하는 일 없이 혹은 경우에 따라서는 과부하에 의해 엔진(11)을 스톨시키는 일 없이, 배터리(33)의 급속 충전을 확실하게 행할 수 있다. 또한, 주행용 유압 모터(24a, 24b)가 저속 대용량 모드로 유지됨으로써 최저한의 주행 기능을 확보할 수 있다.

또한, 도 10의 흐름도에서는, 단계 S260에서 엔진(11)의 잉여 토크의 유무를 판정하고, 엔진(11)에 잉여 토크가 있을 때에는, 감토크 제어를 행하지 않고, 엔진(11)의 잉여 토크에 의해 발전ㆍ전동기(31)를 구동시켜 발전기로서 작동시켜, 배터리(33)를 충전하도록 되어 있다. 이에 의해 주행 고속시 이외의 운전 상태에서, 엔진(11)에 잉여 토크가 있는 경우는, 감토크 제어를 하는 일 없이, 배터리(33)의 충전을 행할 수 있다.

또한, 도 10의 흐름도에서는, 단계 S210에서, 어느 조작 장치도 조작되어 있지 않은 경우는, 단계 S220의 흐름으로 이행하여, 감토크 제어를 행하지 않고 배터리(33)를 충전할 수 있도록 되어 있다. 이에 의해, 예를 들어 1일의 작업 개시시나 새로운 작업 현장에서의 작업 개시시에 배터리(33)의 충전 상태가 불충분한 경우는, 차체의 전원을 ON하여 차체 컨트롤러(46)를 구동시키는 것만으로, 감토크 제어를 행하지 않고, 자동적으로 엔진(11)의 출력 토크에 의해 발전ㆍ전동기(31)를 구동시켜 발전기로서 작동시켜, 배터리(33)의 충전을 행할 수 있다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 작업 기계로서 크롤러가 있는 미니 셔블에 본 발명을 적용한 경우에 대해 설명하였지만, 휠 셔블 등, 그 밖의 소형의 작업 기계에도 마찬가지로 본 발명을 적용할 수 있다.

1 : 엔진계
2 : 유압계
3 : 발전 전동계
4 : 제어계
6 : 동력 분배기
11 : 엔진
12 : 엔진 컨트롤 다이얼
13 : 엔진 컨트롤러
14 : 전자 거버너
21 : 유압 펌프
21a : 배기 용적 가변 기구
22 : 파일럿 펌프
23 : 컨트롤 밸브
23a, 23b : 주행용 메인 스풀
24a, 24b : 주행용 유압 모터
24c 내지 24h : 그 밖의 유압 액추에이터
24a1, 24b1 : 배기 용적 가변 기구(경사판)
24a2, 24b2 : 제어 피스톤
24a3, 24b3 : 수압부
24a4, 24b4 : 스프링
25 : 주행용 조작 장치
26 : 주행 이외의 조작 장치
27a : 제어 스풀
27b, 27c : 제1 스프링 및 제2 스프링
27d, 27e : 제1 수압부 및 제2 수압부
27f : 파일럿 라인
27g : 제어 유로
31 : 발전ㆍ전동기
32 : 인버터
33 : 배터리(축전 장치)
34 : 배터리 컨트롤러
35 : 조작 패널
41 : 주행 속도 전환 스위치
42 : 주행 조작 파일럿압 센서
43 : 주행 이외의 조작 파일럿압 센서
44 : 토크 제어 전자기 밸브
45 : 주행 속도 전환 전자기 밸브
46 : 차체 컨트롤러
27b, 27c : 제1 스프링 및 제2 스프링
101 : 하부 주행체
102 : 상부 선회체
103 : 스윙 포스트
104 : 프론트 작업기
105 : 트랙 프레임
106 : 배토용 블레이드
107 : 선회대
108 : 캐빈(운전실)
111 : 붐
112 : 아암
113 : 버킷

Claims

엔진과,
이 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프와,
이 유압 펌프로부터 토출유에 의해 구동되는 주행용 유압 모터를 포함하는 복수의 유압 액추에이터와,
주행용 조작 장치와,
주행 속도 전환 스위치와,
상기 엔진에 접속된 발전ㆍ전동기와,
축전 장치를 갖고,
상기 주행용 유압 모터는, 상기 주행 속도 전환 스위치의 지시에 기초하여 저속 대용량 모드와 고속 소용량 모드로 전환 가능한 하이브리드식 건설 기계에 있어서,
상기 주행용 유압 모터가 고속 소용량 모드에 있고 또한 상기 주행 조작 장치가 조작된 운전 상태인 주행 고속시에, 상기 축전 장치로부터의 전력에 의해 상기 발전ㆍ전동기를 구동시켜 전동기로서 작동시켜, 상기 엔진의 출력 토크 부족분을 보충하도록 제어하는 제어 장치를 설치한 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 작업 기계.
제1항에 있어서, 상기 제어 장치는,
상기 축전 장치의 충전 상태가 불충분한 경우는, 상기 유압 펌프의 흡수 토크를 낮추는 감토크 제어를 행하여 상기 엔진의 잉여 토크를 강제적으로 만들어 내는 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 작업 기계.
제2항에 있어서, 상기 제어 장치는,
상기 주행 속도 전환 스위치가 주행 고속을 지시하고 또한 상기 주행 조작 장치가 조작되었을 때에 상기 축전 장치의 충전 상태가 불충분한 경우는, 상기 주행 속도 전환 스위치의 주행 고속의 지시를 무효로 하여, 상기 주행용 유압 모터를 저속 대용량 모드로 제어하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 작업 기계.
제1항에 있어서, 상기 제어 장치는,
상기 주행 고속시 이외의 운전 상태에서는, 상기 유압 펌프를 상기 엔진 출력 토크만으로 구동하는 동시에, 상기 엔진에 잉여 토크가 있을 때에는, 그 잉여 토크에 의해 상기 발전ㆍ전동기를 구동시켜 발전기로서 작동시켜, 그 발전 전력을 상기 축전 장치에 축전시키는 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 작업 기계.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 엔진의 출력 마력을, 상기 주행 고속시에, 상기 유압 펌프에 필요로 하는 유압 마력을 공급할 수 없는 크기의 설정으로 한 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 작업 기계.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 엔진의 출력 마력을, 상기 주행 고속시 이외의 운전 상태에서는, 상기 유압 펌프에 필요로 하는 유압 마력을 공급할 수 있고, 상기 주행 고속시에는, 상기 유압 펌프에 필요로 하는 유압 마력을 공급할 수 없는 크기의 설정으로 한 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 작업 기계.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 엔진의 출력 마력을, 배기 가스 규제 대상의 엔진 출력 마력보다 작은 설정으로 한 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 작업 기계.
엔진과,
이 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프와,
이 유압 펌프로부터 토출유에 의해 구동되는 주행용 유압 모터를 포함하는 복수의 유압 액추에이터와,
주행용 조작 장치와,
주행 속도 전환 스위치와,
상기 엔진에 접속된 발전ㆍ전동기와,
축전 장치를 갖고,
상기 주행용 유압 모터는, 상기 주행 속도 전환 스위치의 지시에 기초하여 저속 대용량 모드와 고속 소용량 모드로 전환 가능한 하이브리드식 건설 기계에 있어서,
상기 축전 장치의 충전 상태가 불충분한 경우는, 상기 유압 펌프의 흡수 토크를 낮추는 감토크 제어를 행하여 상기 엔진의 잉여 토크를 강제적으로 만들어 내는 제어 장치를 설치하고,
상기 제어 장치는,
상기 주행 속도 전환 스위치가 주행 고속을 지시하고 또한 상기 주행 조작 장치가 조작되었을 때에 상기 축전 장치의 충전 상태가 불충분한 경우는, 상기 주행 속도 전환 스위치의 주행 고속의 지시를 무효로 하여, 상기 주행용 유압 모터를 저속 대용량 모드로 제어하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 작업 기계.