KR20140018346A - 쇼벨 및 쇼벨의 제어 방법 - Google Patents

쇼벨 및 쇼벨의 제어 방법 Download PDF

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히데토 마가키
류지 시라타니
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스미토모 겐키 가부시키가이샤
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Abstract

쇼벨은, 내연기관(11)과, 내연기관에 연결된 유압펌프(14)와, 내연기관에 연결된 발전기(12)와, 발전기를 제어하는 제어부(30)를 구비한다. 제어부(30)는, 유압펌프(14)의 유압부하가 증대되기 전에 발전기(12)의 발전부하를 증대시킨다.

Description

쇼벨 및 쇼벨의 제어 방법{Power shovel and power shovel control method}
본 발명은, 엔진에 의하여 구동되는 유압펌프가 발생한 유압을 유압작업요소에 공급하여 작업을 행하는 쇼벨에 관한 것이다.
최근, 유압쇼벨의 엔진(내연기관)으로서, 터보차저(터보식 과급기)가 장착된 엔진이 이용되는 경우가 많다. 터보차저는, 엔진의 배기를 이용하여 터빈을 회전시켜 얻어진 압력을 엔진의 흡기계로 유도함으로써, 과급을 행하여 엔진출력을 증대시킨다.
예를 들면, 쇼벨의 운전 시에 유압작업요소로서 예를 들면 붐의 구동이 개시되면, 유압부하가 급격하게 증대되고, 그때까지 일정 회전수를 유지하고 있던 엔진으로의 부하가 급격하게 증대된다. 이 엔진으로의 부하의 급격한 증대에 대하여, 엔진은 회전수를 유지하기 위해 연료 분사량을 증대하여 출력을 증대시킨다.
따라서, 엔진으로의 부하의 급격한 증대에 대하여 신속하게 대응하기 위하여, 엔진으로의 부하가 급격하게 증대되는 작업을 검출하였을 때에, 터보차저가 장착된 엔진의 과급압을 높게 하여, 엔진의 출력이 신속하게 증대되도록 제어하는 출력제어장치가 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
선행기술문헌
(특허문헌)
특허문헌1: 일본 특허공개공보 2008-128107호
특허문헌 1에 개시된 출력제어에서는, 유압부하의 증대를 검출한 후 과급압을 상승시킨다. 즉, 유압부하가 어느 정도 커진 후에, 과급압을 상승시킨다. 유압부하가 어느 정도 커진 시점에서는, 이미 엔진으로의 부하도 증대되고 있고, 엔진 회전수는 감소하고 있다. 이러한 상태로부터 엔진출력을 증대하여 회전수를 상승시키려면, 엔진출력을 증대시키기 위해서만이 아닌, 회전수를 상승시키기 위하여 연료가 소비되어, 연료 분사량을 크게 증대해야 한다.
따라서, 유압부하가 급격하게 증대된 경우여도, 엔진의 회전수를 대략 일정하게 유지하면서 엔진출력을 증대시킬 수 있는 기술의 개발이 요망되고 있다.
본 발명의 일 실시형태에 의하면, 내연기관과, 상기 내연기관에 연결된 유압펌프와, 상기 내연기관에 연결된 발전기와, 상기 발전기를 제어하는 제어부를 가지고, 상기 제어부는, 상기 유압펌프의 유압부하가 증대되기 전에 상기 발전기의 발전부하를 증대시키는 것을 특징으로 하는 쇼벨이 제공된다.
또, 본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 내연기관에 연결된 유압펌프의 유압부하의 변동을 판단하여, 상기 유압펌프의 유압부하가 증대되기 전에, 상기 내연기관에 연결된 발전기의 발전부하를 증대시키는 것을 특징으로 하는 쇼벨의 제어 방법이 제공된다.
상술의 발명에 의하면, 유압부하가 급격하게 증대된 경우여도, 엔진의 회전수를 대략 일정하게 유지하면서 엔진출력을 상승시킬 수 있어, 엔진의 연료 소비량을 저감할 수 있다. 또한, 조작 시간의 응답성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 하이브리드식 쇼벨의 측면도이다.
도 2는 일 실시형태에 의한 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 축전계의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시형태에 의한 엔진제어를 행한 경우의 각 제어요소의 변화를 나타내는 타임차트이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 의한 엔진제어를 행한 경우의 각 제어요소의 변화를 나타내는 타임차트이다.
도 6은 선회기구를 선회유압모터로 구동하는 구성의 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 7은 유압쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
다음으로, 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 쇼벨의 일례인 하이브리드식 쇼벨의 측면도이다. 본 발명이 적용되는 쇼벨로서는, 하이브리드식 쇼벨에 한정되지 않고, 엔진에 의하여 구동되어 엔진에 부하를 가할 수 있는 구동요소(예를 들면, 발전기)를 가지는 것이면, 다른 구성의 쇼벨에도 적용할 수 있다.
도 1에 나타내는 하이브리드식 쇼벨의 하부 주행체(1)에는, 선회기구(2)를 통하여 상부 선회체(3)가 탑재되어 있다. 상부 선회체(3)에는, 붐(4)이 장착되어 있다. 붐(4)의 선단에, 암(5)이 장착되고, 암(5)의 선단에 버킷(6)이 장착되어 있다. 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)은, 붐실린더(7), 암실린더(8), 및 버킷실린더(9)에 의하여 각각 유압구동된다. 상부 선회체(3)에는, 캐빈(10)이 설치되고, 또한 엔진 등의 동력원이 탑재된다.
도 2는, 도 1에 나타내는 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 2에 있어서, 기계적 동력계는 이중선, 고압유압라인은 실선, 파일럿라인은 파선, 전기구동·제어계는 실선으로 각각 나타나 있다.
기계식 구동부로서의 엔진(11)과, 어시스트 구동부로서의 전동발전기(12)는, 변속기(13)의 2개의 입력축에 각각 접속되어 있다. 변속기(13)의 출력축에는, 유압펌프로서 메인펌프(14) 및 파일럿펌프(15)가 접속되어 있다. 메인펌프(14)에는, 고압유압라인(16)을 통하여 컨트롤밸브(17)가 접속되어 있다. 유압펌프(14)는 가변 용량식 유압펌프이며, 경사판의 각도(경전각(傾轉角))를 제어함으로써 피스톤의 스트로크길이를 조정하여, 토출 유량을 제어할 수 있다.
다만, 본 실시형태에서는, 엔진(11)에 과급기(11a)가 설치되어 있다. 과급기(11a)는, 엔진(11)으로부터의 배기를 이용하여 흡기압을 상승시킴으로써(과급압을 발생시킴으로써), 엔진(11)의 출력을 상승시킬 수 있다.
컨트롤밸브(17)는, 하이브리드식 쇼벨에 있어서의 유압계의 제어를 행하는 제어장치이다. 하부 주행체(1)용의 유압모터(1A(우측용) 및 1B(좌측용)), 붐실린더(7), 암실린더(8), 및 버킷실린더(9)는, 고압유압라인을 통하여 컨트롤밸브(17)에 접속된다.
전동발전기(12)에는, 인버터(18A)를 통하여, 축전기를 포함하는 축전계(120)가 접속된다. 또, 파일럿펌프(15)에는, 파일럿라인(25)을 통하여 조작장치(26)가 접속된다. 조작장치(26)는, 레버(26A), 레버(26B), 페달(26C)을 포함한다. 레버(26A), 레버(26B), 및 페달(26C)은, 유압라인(27 및 28)을 통하여, 컨트롤밸브(17) 및 압력센서(29)에 각각 접속된다. 압력센서(29)는, 전기계의 구동제어를 행하는 컨트롤러(30)에 접속되어 있다. 또, 조작장치(26)가 전기식인 경우에는, 파일럿압센서(29)로부터 출력되는 신호 대신에, 조작장치(26)로부터 출력되는 전기신호를 조작상태검출부의 검출치로서 이용하도록 하여도 된다.
도 2에 나타내는 하이브리드식 쇼벨은 선회기구를 전동으로 한 것으로, 선회기구(2)를 구동하기 위하여 선회용 전동기(21)가 설치되어 있다. 전동작업요소로서의 선회용 전동기(21)는, 인버터(20)를 통하여 축전계(120)에 접속되어 있다. 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)에는, 리졸버(22), 메카니컬 브레이크(23), 및 선회 변속기(24)가 접속된다. 선회용 전동기(21)와, 인버터(20)와, 리졸버(22)와, 메카니컬 브레이크(23)와, 선회 변속기(24)로 전기부하 구동계가 구성된다.
컨트롤러(30)는, 하이브리드식 쇼벨의 구동제어를 행하는 주제어부로서의 제어장치이다. 컨트롤러(30)는, CPU(Central Processing Unit) 및 내부 메모리를 포함하는 연산처리장치로 구성되고, CPU가 내부 메모리에 격납된 구동제어용의 프로그램을 실행함으로써 실현되는 장치이다.
컨트롤러(30)는, 압력센서(29)로부터 공급되는 신호를 속도지령으로 변환하여, 선회용 전동기(21)의 구동제어를 행한다. 압력센서(29)로부터 공급되는 신호는, 선회기구(2)를 선회시키기 위하여 조작장치(26)를 조작한 경우의 조작량을 나타내는 신호에 상당한다.
컨트롤러(30)는, 전동발전기(12)의 운전제어(전동(어시스트)운전 또는 발전운전의 전환)를 행함과 함께, 승강압 제어부로서의 승강압 컨버터(100)(도 3 참조)를 구동제어함으로써 커패시터(19)의 충방전제어를 행한다. 컨트롤러(30)는, 커패시터(19)의 충전상태에 근거하여, 승강압 컨버터(100)의 승압동작과 강압동작의 전환제어를 행하고, 이로써 커패시터(19)의 충방전제어를 행한다. 또, 컨트롤러(30)는, 축전기 전압검출부에 의하여 검출되는 축전기 전압치에 근거하여, 축전기(커패시터)의 충전율(SOC)을 산출한다.
또, 컨트롤러(30)는, 통상, 전기부하의 요구에 근거하여 발전의 여부를 판단하여, 발전이 필요하다고 판단한 경우에는, 전기부하의 요구량에 따라 전동발전기(12)의 발전제어를 행한다. 여기에서, 전기부하의 요구란, 예를 들면, 커패시터(19)의 충전요구, 및, 선회용 전동기(21)에 대한 역행운전의 요구를 나타낸다.
도 3은, 축전계(120)의 회로도이다. 축전계(120)는, 축전기로서의 커패시터(19)와, 승강압 컨버터(100)와, DC버스(110)를 포함한다. DC버스(110)는, 커패시터(19), 전동발전기(12), 및 선회용 전동기(21)의 사이에서의 전력의 수수(授受)를 제어한다. 커패시터(19)에는, 커패시터 전압치를 검출하기 위한 커패시터 전압검출부(112)와, 커패시터 전류치를 검출하기 위한 커패시터 전류검출부(113)가 설치되어 있다. 커패시터 전압검출부(112)와 커패시터 전류검출부(113)에 의하여 검출되는 커패시터 전압치와 커패시터 전류치는, 컨트롤러(30)에 공급된다.
승강압 컨버터(100)는, 전동발전기(12), 및 선회용 전동기(21)의 운전상태에 따라, DC버스 전압치를 일정한 범위 내에 들어가도록 승압동작과 강압동작을 전환하는 제어를 행한다. DC버스(110)는, 구동제어부로서의 인버터(18A 및 20)와 승강압 컨버터(100)와의 사이에서 배치되어 있으며, 커패시터(19), 전동발전기(12), 및 선회용 전동기(21)의 사이에서의 전력의 수수를 행한다.
승강압 컨버터(100)의 승압동작과 강압동작의 전환제어는, DC버스 전압검출부(111)에 의하여 검출되는 DC버스 전압치, 커패시터 전압검출부(112)에 의하여 검출되는 커패시터 전압치, 및 커패시터 전류검출부(113)에 의하여 검출되는 커패시터 전류치에 근거하여 행해진다.
이상과 같은 구성에 있어서, 어시스트 모터인 전동발전기(12)가 발전한 전력은, 인버터(18A)를 통하여 축전계(120)의 DC버스(110)에 공급되고, 승강압 컨버터(100)를 통하여 커패시터(19)에 공급된다. 선회용 전동기(21)가 회생운전하여 생성한 회생전력은, 인버터(20)를 통하여 축전계(120)의 DC버스(110)에 공급되고, 승강압 컨버터(100)를 통하여 커패시터(19)에 공급된다.
승강압 컨버터(100)는, 리액터(101), 승압용 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)(102A), 강압용 IGBT(102B), 커패시터(19)를 접속하기 위한 전원접속단자(104), 인버터(18A, 20)를 접속하기 위한 출력단자(106), 및, 한 쌍의 출력단자(106)에 병렬로 삽입되는 평활용 콘덴서(107)를 구비한다. 승강압 컨버터(100)의 출력단자(106)와 인버터(18A, 20)와의 사이는, DC버스(110)에 의하여 접속된다.
리액터(101)의 일단은 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)의 중간점에 접속되고, 타단은 전원접속단자(104)에 접속된다. 리액터(101)는, 승압용 IGBT(102A)의 온/오프에 따라 발생하는 유도 기전력을 DC버스(110)에 공급하기 위하여 설치되어 있다.
승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)는, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 게이트부에 장착한 바이폴러 트랜지스터로 구성되어, 대전력의 고속 스위칭이 가능한 반도체소자(스위칭 소자)이다. 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)는, 컨트롤러(30)에 의하여, 게이트단자에 PWM전압이 인가됨으로써 구동된다. 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)에는, 정류소자인 다이오드(102a 및 102b)가 병렬 접속된다.
커패시터(19)는, 승강압 컨버터(100)를 통하여 DC버스(110)와의 사이에서 전력의 수수를 행할 수 있도록, 충방전 가능한 축전기이면 된다. 다만, 도 4에는, 축전기로서 커패시터(19)를 나타내지만, 커패시터(19) 대신에, 리튬이온전지 등의 충방전 가능한 이차전지, 리튬이온커패시터, 또는, 전력의 수수가 가능한 그 외의 형태의 전원을 이용하여도 된다.
전원접속단자(104) 및 출력단자(106)는, 커패시터(19) 및 인버터(18A, 20)가 접속 가능한 단자이면 된다. 한 쌍의 전원접속단자(104)의 사이에는, 커패시터 전압을 검출하는 커패시터 전압검출부(112)가 접속된다. 한 쌍의 출력단자(106)의 사이에는, DC버스 전압을 검출하는 DC버스 전압검출부(111)가 접속된다.
커패시터 전압검출부(112)는, 커패시터(19)의 전압치(Vcap)를 검출한다. DC버스 전압검출부(111)는, DC버스(110)의 전압치(Vdc)를 검출한다. 평활용 콘덴서(107)는, 출력단자(106)의 정극단자와 부극단자와의 사이에 삽입되어, DC버스 전압을 평활화하기 위한 축전소자이다. 이 평활용 콘덴서(107)에 의하여, DC버스(110)의 전압은 미리 정해진 전압으로 유지되고 있다.
커패시터 전류검출부(113)는, 커패시터(19)의 정극단자(P단자)측에 있어서 커패시터(19)에 흐르는 전류의 값을 검출하는 검출수단이며, 전류검출용의 저항기를 포함한다. 즉, 커패시터 전류검출부(113)는, 커패시터(19)의 정극단자에 흐르는 전류치(I1)를 검출한다. 한편, 커패시터 전류검출부(117)는, 커패시터의 부극단자(N단자)측에 있어서 커패시터(19)에 흐르는 전류의 값을 검출하는 검출수단이며, 전류검출용의 저항기를 포함한다. 즉, 커패시터 전류검출부(117)는, 커패시터(19)의 부극단자에 흐르는 전류치(I2)를 검출한다.
승강압 컨버터(100)에 있어서, DC버스(110)를 승압할 때에는, 승압용 IGBT(102A)의 게이트단자에 PWM전압이 인가되어, 강압용 IGBT(102B)에 병렬로 접속된 다이오드(102b)를 통하여, 승압용 IGBT(102A)의 온/오프에 따라 리액터(101)에 발생하는 유도 기전력이 DC버스(110)에 공급된다. 이로써, DC버스(110)가 승압된다.
DC버스(110)를 강압할 때에는, 강압용 IGBT(102B)의 게이트단자에 PWM전압이 인가되고, 강압용 IGBT(102B), 인버터(105)를 통하여 공급되는 회생전력이 DC버스(110)로부터 커패시터(19)에 공급된다. 이로써, DC버스(110)에 축적된 전력이 커패시터(19)에 충전되어, DC버스(110)가 강압된다. 여기에서, 커패시터(19)에 전력이 축적되는 경우(충전 시)에는, 커패시터(19)는 전동발전기(12)에 대하여 전기부하로서 기능하고 있다.
본 실시형태에서는, 커패시터(19)의 정극단자를 승강압 컨버터(100)의 전원접속단자(104)에 접속하는 전원라인(114)에, 당해 전원라인(114)을 차단할 수 있는 차단기로서 릴레이(130-1)가 설치된다. 릴레이(130-1)는, 전원라인(114)에 대한 커패시터 전압검출부(112)의 접속점(115)과 커패시터(19)의 정극단자의 사이에 배치되어 있다. 릴레이(130-1)는 컨트롤러(30)로부터의 신호에 의하여 작동하고, 커패시터(19)로부터의 전원라인(114)을 차단함으로써, 커패시터(19)를 승강압 컨버터(100)로부터 분리할 수 있다.
또, 커패시터(19)의 부극단자를 승강압 컨버터(100)의 전원접속단자(104)에 접속하는 전원라인(117)에, 당해 전원라인(117)을 차단할 수 있는 차단기로서 릴레이(130-2)가 설치된다. 릴레이(130-2)는, 전원라인(117)에 대한 커패시터 전압검출부(112)의 접속점(118)과 커패시터(19)의 부극단자의 사이에 배치되어 있다. 릴레이(130-2)는 컨트롤러(30)로부터의 신호에 의하여 작동되고, 커패시터(19)로부터의 전원라인(117)을 차단함으로써, 커패시터(19)를 승강압 컨버터(100)로부터 분리할 수 있다. 다만, 릴레이(130-1)와 릴레이(130-2)를 하나의 릴레이로 하여 정극단자측의 전원라인(114)과 부극단자측의 전원라인(117)의 양방을 동시에 차단하여 커패시터를 분리하는 것으로 하여도 된다.
다만, 실제로는, 컨트롤러(30)와 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)와의 사이에는, 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)를 구동하는 PWM신호를 생성하는 구동부가 존재하지만, 도 3에서는 구동부의 도시는 생략한다. 이러한 구동부는, 전자회로 또는 연산처리장치의 어느 것에서도 실현할 수 있다.
본 실시형태에서는, 상술과 같은 구성의 하이브리드식 쇼벨에 있어서, 유압부하의 증대에 의한 엔진(11)으로의 부하의 증대가 시작되기 전에, 미리 엔진(11)에 부하를 걸어 엔진출력을 증대시켜 둔다. 이로써, 유압부하의 증대에 의한 엔진(11)으로의 부하의 증대가 시작되어도, 엔진의 회전수를 유지한 채 엔진출력을 신속하게 증대시킬 수 있어, 엔진(11)의 연료 소비량을 저감할 수 있다. 본 실시형태에서는, 미리 엔진(11)에 부하를 거는 수단으로서, 엔진(11)으로 구동되는 전동발전기(12)를 이용하고 있다.
도 4는, 본 실시형태에 의한 엔진제어를 행한 경우의 각 제어요소의 변화를 나타내는 타임차트이다. 도 4에 있어서, 실선은 본 실시형태에 의한 엔진제어를 행한 경우의 각 제어요소의 변화를 나타내고, 일점 쇄선은 본 실시형태에 의한 엔진제어를 행하지 않는 경우의 각 제어요소의 변화를 나타낸다. 엔진제어를 행하지 않는 경우의 각 제어요소의 변화(일점 쇄선)는, 본 실시형태에 의한 엔진제어를 행한 경우의 각 제어요소의 변화와 비교하기 위하여 나타나 있다.
도 4에 있어서, (a)는 조작레버(암조작레버)의 조작량의 변화를 나타내고, (b)는 전동발전기(12)의 출력(발전 전력)의 변화를 나타내며, (c)는 엔진(11)에 가해지는 유압 실부하(암의 구동으로 발생하는 부하)의 변화를 나타내고, (d)는 엔진(11)의 연료 소비량의 변화를 나타내며, (e)는 과급기에서 발생하는 과급압(부스트압)의 변화를 나타내고, (f)는 엔진 회전수의 변화를 나타낸다.
도 4에 나타내는 예는, 쇼벨에 의한 굴착 동작에 있어서 시각(t1)에서 암조작레버가 조작되고, 그 후, 붐상승 동작에 있어서 시각(t7)에서 붐조작레버가 조작된 경우의 예이다.
먼저, 비교를 위하여, 본 실시형태에 의한 엔진제어를 행하지 않는 경우의 각 제어요소의 변화에 대하여 설명한다.
시각(t1)에 있어서, 굴착 동작을 행하기 위하여, 암조작레버의 조작이 개시된다. 암조작레버의 조작량(조작레버를 기울이는 각도)은 시각(t1)부터 시각(t2)까지 증대되고, 시각(t2)에 있어서 암조작레버의 조작량은 일정하게 유지된다. 즉, 시각(t1)부터 암조작레버가 조작되어 기울어지고, 시각(t2)에 있어서 암조작레버의 경사는 일정하게 유지된다. 시각(t1)에 있어서 암조작레버의 조작이 개시되면, 암(5)이 움직이기 시작하고, 시각(t2)이 되면, 암조작레버가 가장 기울어진 상태가 되어, 암(5)은 가장 기울어진 상태가 된다.
암조작레버가 가장 기울어진 상태가 된 시각(t2)부터, 암(5)에 가해지는 부하에 의하여 메인펌프(14)의 토출압이 상승하고, 메인펌프(14)의 유압부하가 상승하기 시작한다. 즉, 도 4(c)에 나타내는 바와 같이, 시각(t2) 부근부터, 메인펌프(14)의 유압부하는 상승하기 시작한다. 메인펌프(14)의 유압부하는 엔진(11)으로의 부하에 상당하고, 엔진(11)으로의 부하도, 메인펌프(14)의 유압부하와 함께 상승한다. 그 결과, 도 4(f)의 일점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 엔진(11)의 회전수는 시각(t2)을 지난 시점부터 크게 저하된다. 다만, 유압부하가 없을 때에는, 엔진(11)의 회전수는 소정 회전수(Nc)로 유지되도록 제어가 행해지고 있다.
엔진(11)으로의 부하가 증대되어, 엔진 회전수가 소정 회전수(Nc)로부터 벗어난 것을 검출하면, 엔진(11)의 제어가 작동하여, 엔진(11)의 연료 분사량을 증대시킨다. 이로써, 도 4(d)의 일점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 시각(t3)부터 엔진(11)의 연료 소비량은 상승한다. 즉, 시각(t3)에 있어서 엔진(11)의 연료 분사량을 늘리는 지령이 나와, 이에 따라 엔진(11)에 공급하는 연료의 양이 증대되어 연료 소비량이 상승하기 시작한다.
시각(t3)에서 연료 분사량이 증대되면, 도 4(f)의 일점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 저하 중이었던 엔진 회전수는 상승으로 전환된다. 또, 엔진(11)으로의 부하가 증대되면, 도 4(e)의 일점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 시각(t4)에 있어서 과급압(부스트압)이 상승하기 시작한다. 이로써, 엔진(11)의 연소 효율이 높아지져, 엔진(11)의 출력을 효율적으로 증대시킬 수 있다.
엔진 회전수가 계속해서 상승하여, 소정 회전수(Nc)에 이르면, 엔진 회전수를 소정 회전수(Nc)로 유지하기 위한 제어가 작동하지만, 엔진 회전수는 즉시 소정 회전수(Nc)로 안정되지 않고, 소정 회전수를 넘어도 계속해서 상승한다. 그리고, 시각(t5)이 되면, 엔진 회전수는 저하되기 시작하고, 이에 따라, 연료 소비량도 저하되기 시작한다. 이와 같이, 엔진 회전수가 소정 회전수(Nc)에 도달하여도, 즉시 소정 회전수(Nc)로 안정되지 않아 오버슛이 발생해 버린다. 또, 연료 소비량의 변화도 분사 지령에 대하여 지연이 발생하므로, 엔진 회전수가 소정 회전수(Nc)에 도달하여도, 연료 소비량은 즉시 저하되지 않는다.
시각(t5)에서 연료 소비량이 저하되기 시작하면, 엔진 회전수의 상승도 멈추고, 그 후 엔진 회전수는 소정 회전수(Nc)까지 저하되어 안정적으로 유지된다.
시각(t6)에 있어서, 오퍼레이터는 굴착 동작을 종료하기 위하여 암조작레버를 중립 위치로 되돌리기 시작한다. 그러면, 암(5)에 의한 유압부하는 감소하고, 메인펌프(14)의 유압부하도 저하된다. 이 유압부하의 저하에 따라, 엔진(11)으로의 부하도 감소하므로, 연료 소비량 및 과급압은 거의 없어진다.
계속해서, 연료 소비량 및 과급압이 저하되기 시작한 후, 시각(t7)에 있어서 이번에는, 붐상승 동작을 행하기 위하여, 오퍼레이터는 붐조작레버를 조작한다. 도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 시각(t7)부터 붐조작레버의 조작량이 증대되기 시작하여, 시각(t8)에 있어서 조작량은 일정하게 유지된다.
암(5)의 동작이 종료되어 저하되고 있던 유압 실부하는, 시각(t7)을 지난 후 붐(4)의 동작을 위하여 다시 상승하기 시작한다. 즉, 시각(t7)에 있어서 붐조작레버의 조작이 개시되면, 붐(4)이 움직이기 시작하고, 시각(t8)이 되면, 붐조작레버가 가장 기울어진 상태가 된다.
붐조작레버가 가장 기울어진 상태가 된 시각(t8)부터, 붐(4)에 가해지는 부하에 의하여 메인펌프(14)의 토출압이 상승하고, 메인펌프(14)의 유압부하가 상승하기 시작한다. 즉, 도 4(c)에 나타내는 바와 같이, 시각(t8)을 지난 시점부터, 메인펌프(14)의 유압부하는 상승하기 시작한다. 메인펌프(14)의 유압부하는 엔진(11)으로의 부하에 상당하고, 엔진(11)으로의 부하도, 메인펌프(14)의 유압부하와 함께 상승한다. 그 결과, 도 4(f)의 일점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 엔진(11)의 회전수는 시각(t8)을 지난 시점에서 크게 저하된다.
엔진(11)으로의 부하가 증대되어, 엔진 회전수가 소정의 회전수(Nc)로부터 벗어난 것을 검출하면, 엔진(11)의 제어가 작동하여, 엔진(11)의 연료 분사량을 증대시킨다. 이로써, 도 4(d)의 일점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 시각(t9)부터 엔진(11)의 연료 소비량은 상승한다. 즉, 시각(t9)에 있어서 엔진(11)의 연료 분사량을 늘리는 지령이 나와, 이에 따라 엔진(11)에 공급하는 연료의 양이 증대되어 연료 소비량이 상승하기 시작한다.
시각(t9)에서 연료 분사량이 증대되면, 도 4(f)의 일점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 저하 중이었던 엔진 회전수는 상승으로 전환된다. 또, 엔진(11)으로의 부하가 증대되면, 도 4(e)의 일점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 시각(t10)에 있어서 과급압(부스트압)이 상승하기 시작한다. 이로써, 엔진(11)의 연소 효율이 높아져서, 엔진(11)의 출력을 효율적으로 증대시킬 수 있다.
엔진 회전수가 계속해서 상승하여, 소정 회전수에 이르면, 엔진 회전수를 소정 회전수(Nc)로 유지하기 위한 제어가 작동하지만, 엔진 회전수는 즉시 소정 회전수(Nc)로 안정되지 않고, 소정 회전수를 넘어도 계속해서 상승한다. 그리고, 시각(t11)이 되면, 엔진 회전수는 저하되기 시작하고, 이에 따라, 연료 소비량도 저하되기 시작한다. 이와 같이, 엔진 회전수가 소정 회전수(Nc)에 도달하여도, 즉시 소정 회전수(Nc)로 안정되지 않아 오버슛이 발생해 버린다. 또, 연료 소비량의 변화도 분사 지령에 대하여 지연이 발생하므로, 엔진 회전수가 소정 회전수(Nc)에 도달하여도, 연료 소비량은 즉시 저하되지 않는다.
시각(t11)에서 연료 소비량이 저하되기 시작하면, 엔진 회전수의 상승도 멈추고, 그 후 엔진 회전수는 소정 회전수(Nc)까지 저하되어 안정적으로 유지된다.
이상과 같이, 통상의 쇼벨의 엔진제어에 의하면, 유압 실부하의 증대에 따라 엔진 회전수가 크게 감소하고, 그것을 회복시키기 위하여 연료 소비량이 크게 증대되어 버린다(도 4(d)의 시각(t3에서 t5) 및 시각(t9에서 t11)에 있어서의 일점 쇄선으로 나타냄).
따라서, 본 실시형태에 의한 엔진제어에서는, 엔진 회전수의 감소를 억제하여, 엔진 회전수를 회복시키기 위하여 사용되는 연료량을 최대한 저감한다.
다음으로, 본 실시형태에 의한 엔진제어를 행하는 경우의 각 제어요소의 변화에 대하여, 도 4를 참조하면서 설명한다. 도 4에 있어서, 본 실시형태에 의한 엔진제어를 행하는 경우의 각 제어요소의 변화는 실선으로 나타나 있다.
오퍼레이터의 레버조작으로서는 상술과 같이, 시각(t1)에 있어서, 굴착 동작을 행하기 위하여, 암조작레버의 조작이 개시된다. 암조작레버의 조작량(조작레버를 기울이는 각도)은 시각(t1)부터 시각(t2)까지 증대되고, 시각(t2)에 있어서 암조작레버의 조작량은 일정하게 유지된다. 즉, 시각(t1)부터 암조작레버가 조작되어 기울어지고, 시각(t2)에 있어서 암조작레버의 경사는 일정하게 유지된다. 시각(t1)에 있어서 암조작레버의 조작이 개시되면, 암(5)이 움직이기 시작하고, 시각(t2)이 되면, 암조작레버가 가장 기울어진 상태가 된다.
여기에서, 본 실시형태에 의한 엔진제어에서는, 시각(t1)에 있어서 암조작레버가 조작된 것을 검지하면, 컨트롤러(30)는 즉시 전동발전기(12)를 발전운전시킨다. 전동발전기(12)를 발전운전시키는 시간은, 예를 들면 0.1초 정도의 단시간만이어도 된다. 전동발전기(12)는 엔진(11)의 출력에 의하여 구동되어 발전운전을 행하므로, 발전운전에 의하여 엔진(11)에 부하가 가해진다. 그 결과, 도 4(f)의 실선으로 나타내는 바와 같이, 시각(t1)부터 엔진 회전수는 저하되기 시작한다.
엔진 회전수가 저하되기 시작하면, 엔진 회전수를 소정 회전수(Nc)로 유지하려고 하는 제어가 작동하여, 연료 분사량이 증대되어 연료 소비량이 증대된다. 전동발전기(12)를 발전운전시키는 시간은 단시간이며, 또한 발전량도 작게 설정되므로, 도 4(f)의 실선으로 나타내는 바와 같이, 시각(t1)부터 엔진 회전수는 저하되기 시작하지만, 곧바로 연료 분사량이 증대되므로, 엔진 회전수는 곧바로 상승으로 전환되어, 다시 소정 회전수(Nc)로 되돌아온다.
이와 같이, 시각(t1)에 있어서 엔진(11)에 미리 부하가 가해지므로, 도 4(e)의 실선으로 나타내는 바와 같이, 암조작레버가 가장 기울어진 상태가 되는 시각(t2)에 있어서, 과급압은 즉시 상승하기 시작한다. 그 후, 전동발전기(12)의 발전운전은 종료되어, 엔진 회전수가 소정 회전수(Nc)로 되돌아오므로, 증대되고 있던 연료 소비량은 저감된다.
이상과 같이, 전동발전기(12)를 조작레버의 조작에 따라 단시간만 발전운전 시켜 엔진(11)에 부하를 가함으로써, 유압 실부하가 상승하기 시작하는 시각(t2)에 있어서 과급압의 증대를 개시시킬 수 있다. 즉, 조작레버의 조작량에 근거하여 메인펌프(14)의 유압부하가 증대되기 시작하는 것을 검출 또는 판단하여, 유압부하가 증대되는 것을 검출하면, 전동발전기(12)를 발전운전시킨다. 이로써, 유압부하가 실제로 증대되기 전에, 전동발전기(12)의 발전부하를 증대시켜, 엔진(11)에 부하를 가할 수 있다. 엔진(11)에 부하를 가하는 이유는, 유압 실부하(즉, 메인펌프(14)의 유압부하)의 증대에 의한 엔진(11)의 부하의 증대에 신속하게 대응할 수 있도록, 엔진(11)의 과급압을 미리 상승시켜 두기 위해서이다.
시각(t2)을 지나면 유압 실부하가 상승하여 엔진(11)으로의 부하도 증대된다. 그리고, 시각(t3)에 있어서 연료 분사량을 증대하라는 지시가 나온다. 그러면, 도 4(d)에 나타내는 바와 같이, 연료 소비량은 서서히 증가한다. 이때의 연료 소비량의 증가분은, 유압 실부하의 증대에 대응하는 정도 만큼이다. 즉, 엔진 회전수는 이미 소정 회전수(Nc)로 유지되고 있으므로, 엔진 회전수를 상승시키기 위한 연료 소비량은 필요없다. 또, 시각(t3)에서는, 과급압이 소정치까지 상승하고 있기 때문에, 유압 실부하가 증대되어도, 엔진(11)의 출력을 효율적으로 증대할 수 있어, 연료 소비량의 증대를 억제할 수 있다. 이 효과는, 도 4(d)의 시각(t3)부터 시각(t5)까지의 사이에 있어서의 일점 쇄선(본 실시형태에 의한 엔진제어를 행하지 않는 경우)과 실선(본 실시형태에 의한 엔진제어를 행하는 경우)과의 차로 나타나 있다.
시각(t6)에 있어서, 오퍼레이터는 굴착 동작을 종료하기 위하여 암조작레버를 중립 위치로 되돌리기 시작한다. 그러면, 암(5)에 의한 유압부하는 감소하고, 메인펌프(14)의 유압부하도 저하된다. 이 유압부하의 저하에 따라, 엔진(11)으로의 부하도 감소하므로, 연료 소비량 및 과급압도 감소하기 시작한다.
계속해서, 연료 소비량 및 과급압이 저하되기 시작한 후, 시각(t7)에 있어서 이번에는, 붐상승 동작을 행하기 위하여, 오퍼레이터는 붐조작레버를 조작한다. 도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 시각(t7)부터 붐조작레버의 조작량이 증대되기 시작하여, 시각(t8)에 있어서 조작량은 일정하게 유지된다.
여기에서, 본 실시형태에 의한 엔진제어에서는, 시각(t7)에 있어서 붐조작레버가 조작된 것을 검지하면, 컨트롤러(30)는 즉시 전동발전기(12)를 발전운전시킨다. 전동발전기(12)를 발전운전시키는 시간은, 예를 들면 0.1수 정도의 단시간만이어도 된다. 전동발전기(12)는 엔진(11)의 출력에 의하여 구동되어 발전운전을 행하므로, 발전운전에 의하여 엔진(11)에 부하가 가해진다. 그 결과, 도 4(f)의 실선으로 나타내는 바와 같이, 시각(t7)부터 엔진 회전수는 저하되기 시작한다.
엔진 회전수가 저하되기 시작하면, 엔진 회전수를 소정 회전수(Nc)로 유지하려고 하는 제어가 작동하여, 연료 분사량이 증대되어 연료 소비량이 증대된다. 전동발전기(12)를 발전운전시키는 시간은 단시간이며, 또한 발전량도 작게 설정되므로, 도 4(f)의 실선으로 나타내는 바와 같이, 시각(t7)부터 엔진 회전수는 저하되기 시작하지만, 곧바로 연료 분사량이 증대되므로, 엔진 회전수는 곧바로 상승으로 전환되어, 다시 소정 회전수(Nc)로 되돌아온다.
이와 같이, 시각(t7)에 있어서 엔진(11)에 미리 부하가 가해지므로, 도 4(e)의 실선으로 나타내는 바와 같이, 시각(t7)을 지나면 과급압은 상승하기 시작하여, 시각(t8)에 있어서 소정의 값까지 상승한다. 그 후, 전동발전기(12)의 발전운전은 종료되어, 엔진 회전수가 소정 회전수(Nc)로 되돌아오므로, 증대되고 있던 연료 소비량은 저감된다.
이상과 같이, 전동발전기(12)를 조작레버의 조작에 따라 단시간만 발전운전 시켜 엔진(11)에 부하를 가함으로써, 유압 실부하가 상승하기 시작하는 시점보다 전에 과급압의 증대를 개시시킬 수 있다.
시각(t8)을 지나면 유압 실부하가 상승하여 엔진(11)으로의 부하도 증대된다. 그리고, 시각(t9)에 있어서 연료 분사량을 증대하라는 지시가 나온다. 그러면, 도 4(d)에 나타내는 바와 같이, 연료 소비량은 서서히 증가한다. 이때의 연료 소비량의 증가분은, 유압 실부하의 증대에 대응하는 정도 만큼이다. 즉, 엔진 회전수는 이미 소정 회전수(Nc)로 유지되고 있으므로, 엔진 회전수를 상승시키기 위한 연료 소비량은 필요없다. 또, 시각(t9)에서는, 과급압이 소정치까지 상승하고 있기 때문에, 유압 실부하가 증대되어도, 엔진(11)의 출력을 효율적으로 증대할 수 있어, 연료 소비량의 증대를 억제할 수 있다. 이 효과는, 도 4(d)의 시각(t9)부터 시각(t11)까지의 사이에 있어서의 일점 쇄선(본 실시형태에 의한 엔진제어를 행하지 않는 경우)과 실선(본 실시형태에 의한 엔진제어를 행하는 경우)과의 차로 나타나 있다.
이상과 같이, 본 실시형태에서는, 유압 실부하(메인펌프(14)의 유압부하)가 증대되기 시작하는 것을, 조작레버의 조작에 근거하여 검출 또는 판단하고, 유압 실부하가 증대되기 전에, 전동발전기(12)의 발전부하를 증대시킨다. 이로써, 엔진(11)으로의 부하가 실제로 증대되기 전 혹은 증대될 때에는, 엔진(11)의 회전수는 소정 회전수(Nc)로 되어 있고, 또한 엔진(11)의 과급압도 상승시켜 둘 수 있다. 즉, 엔진(11)의 과급압이 소정의 값보다 낮아지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 엔진 회전수가 크게 저하되지 않아, 엔진 회전수를 상승시키기 위한 연료를 소비할 필요가 없다. 전동발전기(12)의 발전부하를 증대시키는 것은, 통상, 커패시터(19)의 충전율이 저하되었을 때이지만, 본 실시형태에서는, 전기부하에 근거하는 전동발전기(12)에 대한 발전 요구의 유무에 관계없이, 전기부하에 근거하는 발전 요구가 없을 때에도, 전동발전기(12)의 발전부하를 증대시켜 엔진(11)의 구동을 제어한다.
다음으로, 제2 실시형태에 의한 엔진제어에 대하여 설명한다.
도 5는, 제2 실시형태에 의한 엔진제어를 행한 경우의 각 제어요소의 변화를 나타내는 타임차트이다. 도 5에 있어서, 실선은 본 실시형태에 의한 엔진제어를 행한 경우의 각 제어요소의 변화를 나타내고, 일점 쇄선은 본 실시형태에 의한 엔진제어를 행하지 않는 경우의 각 제어요소의 변화를 나타낸다. 본 실시형태에 의한 엔진제어를 행하지 않는 경우의 각 제어요소의 변화(일점 쇄선)는, 본 실시형태에 의한 엔진제어를 행한 경우의 각 제어요소의 변화와 비교하기 위하여 나타나 있다.
도 5에 있어서, (a)는 조작레버(암조작레버)의 조작량의 변화를 나타내고, (b)는 전동발전기(12)의 출력(발전 전력)의 변화를 나타내며, (c)는 엔진(11)에 가해지는 유압 실부하(암의 구동으로 발생하는 부하)의 변화를 나타내고, (d)는 엔진(11)의 연료 소비량의 변화를 나타내며, (e)는 과급기로 발생하는 과급압(부스트압)의 변화를 나타내고, (f)는 엔진 회전수의 변화를 나타내며, (g)는 엔진출력의 변화를 나타낸다.
도 5에 나타내는 예는, 쇼벨에 의한 굴착 동작에 있어서 시각(t1)에서 암조작레버가 조작된 후 중립 위치로 되돌려지고, 그 후, 시각(t7)에서 재차 암조작레버가 조작된 경우의 예이다.
먼저, 비교를 위하여, 본 실시형태에 의한 엔진제어를 행하지 않는 경우의 각 제어요소의 변화에 대하여 설명한다. 다만, 시각(t1)부터 시각(t6)까지의 동작은 도 4에 있어서의 시각(t1)부터 시각(t6)까지의 동작과 동일하다.
시각(t1)에 있어서, 굴착 동작을 행하기 위하여, 암조작레버의 조작이 개시된다. 암조작레버의 조작량(조작레버를 기울이는 각도)은 시각(t1)부터 시각(t2)까지 증대되고, 시각(t2)에 있어서 암조작레버의 조작량은 일정하게 유지된다. 즉, 시각(t1)부터 암조작레버가 조작되어 기울어지고, 시각(t2)에 있어서 암조작레버의 경사는 일정하게 유지된다. 시각(t1)에 있어서 암조작레버의 조작이 개시되면, 암(5)이 움직이기 시작하고, 시각(t2)이 되면, 암조작레버가 가장 기울어진 상태가 된다.
암조작레버가 가장 기울어진 상태가 된 시각(t2)부터, 암(5)에 가해지는 부하에 의하여 메인펌프(14)의 토출압이 상승하고, 메인펌프(14)의 유압부하가 상승하기 시작한다. 즉, 도 5(c)에 나타내는 바와 같이, 시각(t2) 부근부터, 메인펌프(14)의 유압부하는 상승하기 시작한다. 메인펌프(14)의 유압부하는 엔진(11)으로의 부하에 상당하고, 엔진(11)으로의 부하도, 메인펌프(14)의 유압부하와 함께 상승한다. 그 결과, 도 5(f)의 일점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 엔진(11)의 회전수는 시각(t2)을 지난 시점부터 크게 저하되어 간다. 다만, 유압부하가 없을 때에는, 엔진(11)의 회전수는 소정 회전수(Nc)로 유지되도록 제어가 행해지고 있다.
엔진(11)으로의 부하가 증대되어, 엔진 회전수가 소정 회전수(Nc)로부터 벗어난 것을 검출하면, 엔진(11)의 제어가 작동하여, 엔진(11)의 연료 분사량을 증대시킨다. 이로써, 도 5(d)의 일점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 시각(t3)부터 엔진(11)의 연료 소비량은 상승한다. 즉, 시각(t3)에 있어서 엔진(11)의 연료 분사량을 늘리는 지령이 나와, 이에 따라 엔진(11)에 공급하는 연료의 양이 증대되어 연료 소비량이 상승하기 시작한다.
시각(t3)에서 연료 분사량이 증대되면, 도 5(f)의 일점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 저하 중이었던 엔진 회전수는 상승으로 전환된다. 또, 엔진으로의 부하가 증대되면, 도 5(e)의 일점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 시각(t4)에 있어서 과급압(부스트압)이 상승하기 시작한다. 이로써, 엔진(11)의 연소 효율이 높아져, 엔진(11)의 출력을 효율적으로 증대시킬 수 있다.
엔진 회전수가 계속해서 상승하여, 소정 회전수에 이르면, 엔진 회전수를 소정 회전수(Nc)로 유지하기 위한 제어가 작동하지만, 엔진 회전수는 즉시 소정 회전수(Nc)로 안정되지 않고, 소정 회전수를 넘어도 계속해서 상승한다. 그리고, 시각(t5)이 되면, 엔진 회전수는 저하되기 시작하고, 이에 따라, 연료 소비량도 저하되기 시작한다. 이와 같이, 엔진 회전수가 소정 회전수(Nc)에 도달하여도, 즉시 소정 회전수(Nc)로 안정되지 않아 오버슛이 발생해 버린다. 또, 연료 소비량의 변화도 분사 지령에 대하여 지연이 발생하므로, 엔진 회전수가 소정 회전수(Nc)에 도달하여도, 연료 소비량은 즉시 저하되지 않는다.
시각(t5)에서 연료 소비량이 저하되기 시작하면, 엔진 회전수의 상승도 멈추고, 그 후 엔진 회전수는 소정 회전수(Nc)까지 저하되어 안정적으로 유지된다.
시각(t6)에 있어서, 오퍼레이터는 굴착 동작을 종료하기 위하여 암조작레버를 중립 위치로 되돌리기 시작한다. 그러면, 암(5)에 의한 유압부하는 감소하고, 메인펌프(14)의 유압부하도 저하된다. 이 유압부하의 저하에 따라, 엔진(11)으로의 부하도 감소하므로, 연료 소비량 및 과급압도 감소하기 시작하고, 레버조작량이 제로가 되면, 연료 소비량 및 과급압은 원래의 값으로 되돌아온다.
도 5에 나타내는 예에서는, 암조작레버가 되돌려진 후, 예를 들면 2초 동안만 굴착 동작이 중단되고, 시각(t7)에 있어서 재개되고 있다. 따라서, 시각(t7)에 있어서, 암조작레버의 조작이 재개되고, 암조작레버의 조작량(조작레버를 기울이는 각도)은 시각(t7)부터 시각(t8)까지 증대되며, 시각(t8)에 있어서 암조작레버의 조작량은 일정하게 유지된다. 즉, 시각(t7)부터 암조작레버가 조작되어 기울어지고, 시각(t8)에 있어서 암조작레버의 경사는 일정하게 유지된다. 시각(t7)에 있어서 암조작레버의 조작이 개시되면, 암(5)이 다시 작동하기 시작하고, 시각(t8)이 되면, 암조작레버가 가장 기울어진 상태가 된다.
암조작레버가 가장 기울어진 상태가 된 시각(t8)부터, 암(5)에 가해지는 부하에 의하여 메인펌프(14)의 토출압이 상승하고, 메인펌프(14)의 유압부하가 상승하기 시작한다. 즉, 도 5(c)에 나타내는 바와 같이, 시각(t8) 부근부터, 메인펌프(14)의 유압부하는 상승하기 시작한다. 메인펌프(14)의 유압부하는 엔진(11)으로의 부하에 상당하고, 엔진(11)으로의 부하도, 메인펌프(14)의 유압부하와 함께 상승한다. 그 결과, 도 5(f)의 일점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 엔진(11)의 회전수는 시각(t8)을 지난 시점부터 크게 저하되어 간다. 다만, 유압부하가 없을 때에는, 엔진(11)의 회전수는 소정 회전수(Nc)로 유지되도록 제어가 행해지고 있다.
엔진(11)으로의 부하가 증대되어, 엔진 회전수가 설정된 회전수로부터 벗어난 것을 검출하면, 엔진(11)의 제어가 작동하여, 엔진(11)의 연료 분사량을 증대시킨다. 이로써, 도 5(d)의 일점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 시각(t9)부터 엔진(11)의 연료 소비량은 상승한다. 즉, 시각(t9)에 있어서 엔진(11)의 연료 분사량을 늘리는 지령이 나와, 이에 따라 엔진(11)에 공급하는 연료의 양이 증대되어 연료 소비량이 상승하기 시작한다.
시각(t9)에서 연료 분사량이 증대되면, 도 5(f)의 일점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 저하 중이었던 엔진 회전수는 상승으로 전환된다. 또, 엔진으로의 부하가 증대되면, 도 5(e)의 일점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 시각(t10)에 있어서 과급압(부스트압)이 상승하기 시작한다. 이로써, 엔진(11)의 연소 효율이 높아져, 엔진(11)의 출력을 효율적으로 증대시킬 수 있다.
엔진 회전수가 계속해서 상승하여, 소정 회전수에 이르면, 엔진 회전수를 소정 회전수(Nc)로 유지하기 위한 제어가 작동하지만, 엔진 회전수는 즉시 소정 회전수(Nc)로 안정되지 않고, 소정 회전수를 넘어도 계속해서 상승한다. 그리고, 시각(t11)이 되면, 엔진 회전수는 저하되기 시작하고, 이에 따라, 연료 소비량도 저하되기 시작한다. 이와 같이, 엔진 회전수가 소정 회전수(Nc)에 도달하여도, 즉시 소정 회전수(Nc)로 안정되지 않아 오버슛이 발생해 버린다. 또, 연료 소비량의 변화도 분사 지령에 대하여 지연이 발생하므로, 엔진 회전수가 소정 회전수(Nc)에 도달하여도, 연료 소비량은 즉시 저하되지 않는다.
시각(t11)에서 연료 소비량이 저하되기 시작하면, 엔진 회전수의 상승도 멈추고, 그 후 엔진 회전수는 소정 회전수(Nc)까지 저하되어 안정적으로 유지된다.
이상은 본 실시형태에 의한 엔진제어를 행하지 않는 경우에 대한 설명이며, 본 실시형태에 의한 엔진제어를 행하는 경우와의 비교를 위하여 설명한 것이다.
다음으로, 본 실시형태에 의한 엔진제어를 행하는 경우의 각 제어요소의 변화에 대하여, 마찬가지로 도 5를 참조하면서 설명한다. 도 5에 있어서, 본 실시형태에 의한 엔진제어를 행하는 경우의 각 제어요소의 변화는 실선으로 나타나 있다.
오퍼레이터의 레버조작으로서는 상술과 같이, 시각(t1)에 있어서, 굴착 동작을 행하기 위하여, 암조작레버의 조작이 개시된다. 암조작레버의 조작량(조작레버를 기울이는 각도)은 시각(t1)부터 시각(t2)까지 증대되고, 시각(t2)에 있어서 암조작레버의 조작량은 일정하게 유지된다. 즉, 시각(t1)부터 암조작레버가 조작되어 기울어지고, 시각(t2)에 있어서 암조작레버의 경사는 일정하게 유지된다. 시각(t1)에 있어서 암조작레버의 조작이 개시되면, 암(5)이 움직이기 시작하고, 시각(t2)이 되면, 암조작레버가 가장 기울어진 상태가 된다.
여기에서, 본 실시형태에 의한 엔진제어에서는, 시각(t1)에 있어서 암조작레버가 조작된 것을 검지하면, 컨트롤러(30)는 즉시 전동발전기(12)를 발전운전시킨다. 전동발전기(12)를 발전운전시키는 시간은, 예를 들면 0.1초 정도의 단시간만이어도 된다. 전동발전기(12)는 엔진(11)의 출력에 의하여 구동되어 발전운전을 행하므로, 발전운전에 의하여 엔진(11)에 부하가 가해진다. 그 결과, 도 5(f)의 실선으로 나타내는 바와 같이, 시각(t1)부터 엔진 회전수는 저하되기 시작한다.
엔진 회전수가 저하되기 시작하면, 엔진 회전수를 소정 회전수(Nc)로 유지하려고 하는 제어가 작동하여, 연료 분사량이 증대되어 연료 소비량이 증대된다. 전동발전기(12)를 발전운전시키는 시간은 단시간이며, 또한 발전량도 작게 설정되므로, 도 5(f)의 실선으로 나타내는 바와 같이, 시각(t1)부터 엔진 회전수는 저하되기 시작하지만, 곧바로 연료 분사량이 증대되므로, 엔진 회전수는 곧바로 상승으로 전환되어, 다시 소정 회전수(Nc)로 되돌아온다.
이와 같이, 시각(t1)에 있어서 엔진(11)에 미리 부하가 가해지므로, 도 5(e)의 실선으로 나타내는 바와 같이, 암조작레버가 가장 기울어진 상태가 되는 시각(t2)에 있어서, 과급압은 즉시 상승하기 시작한다. 그 후, 전동발전기(12)의 발전운전은 종료되어, 엔진 회전수가 소정 회전수(Nc)로 되돌아오므로, 증대되고 있던 연료 소비량은 저감된다.
이상과 같이, 전동발전기(12)를 조작레버의 조작에 따라 단시간만 발전운전 시켜 엔진(11)에 부하를 가함으로써, 유압 실부하가 상승하기 시작하는 시각(t2)에 있어서 과급압의 증대를 개시시킬 수 있다.
시각(t2)을 지나면 유압 실부하가 상승하여 엔진(11)으로의 부하도 증대된다. 그리고, 시각(t3)에 있어서 연료 분사량을 증대하라는 지시가 나온다. 그러면, 도 5(d)에 나타내는 바와 같이, 연료 소비량은 서서히 증가한다. 이때의 연료 소비량의 증가분은, 유압 실부하의 증대에 대응하는 정도 만큼이다. 즉, 엔진 회전수는 이미 소정 회전수(Nc)로 유지되고 있으므로, 엔진 회전수를 상승시키기 위한 연료 소비량은 필요없다. 또, 시각(t3)에서는, 과급압이 소정치까지 상승하고 있기 때문에, 유압 실부하가 증대되어도, 엔진(11)의 출력을 효율적으로 증대할 수 있어, 연료 소비량의 증대를 억제할 수 있다. 이 효과는, 도 5(d)의 시각(t3)부터 시각(t5)까지의 사이에 있어서의 일점 쇄선(본 실시형태에 의한 엔진제어를 행하지 않는 경우)과 실선(본 실시형태에 의한 엔진제어를 행하는 경우)과의 차로 나타나 있다.
시각(t6)에 있어서, 오퍼레이터는 굴착 동작을 중단하기 위하여 암조작레버를 중립 위치로 되돌리기 시작한다. 그러면, 암(5)에 의한 유압부하는 감소하고, 메인펌프(14)의 유압부하도 저하된다. 이 유압부하의 저하에 따라, 엔진(11)으로의 부하도 감소하므로, 연료 소비량 및 과급압도 감소하기 시작한다.
여기에서, 본 실시형태에 의한 엔진제어에서는, 시각(t6)에 있어서 암조작레버가 중립 위치로 되돌려지는 조작을 검지하면, 컨트롤러(30)는 즉시 전동발전기(12)를 발전운전시킨다. 전동발전기(12)를 발전운전시키는 시간은, 예를 들면 3초 정도이다. 전동발전기(12)는 엔진(11)의 출력에 의하여 구동되어 발전운전을 행하므로, 발전운전에 의하여 엔진(11)에 부하가 가해진다. 그 결과, 도 5(f)의 실선으로 나타내는 바와 같이, 시각(t6)부터 엔진 회전수는 저하되기 시작한다.
그러나, 엔진(11)에 발전운전에 의한 부하가 가해지면, 도 5(e)의 실선으로 나타내는 바와 같이, 과급압은 시각(t6) 이후 일단 저하된 후 재차 상승하여 소정의 값으로 되돌아온다. 또, 엔진 회전수의 저하에 따라, 엔진 회전수를 소정 회전수(Nc)로 유지하려고 하는 제어가 작동하여, 연료 분사량은 원래로는 되돌아오지 않고, 어느 정도의 분사량으로 일정하게 유지된다. 따라서, 연료 소비량은, 도 5(d)의 실선으로 나타내는 바와 같이, 시각(t6)부터 저하되기 시작하지만, 원래의 레벨까지는 돌아오지 않고, 어느 정도의 연료 소비량인 채로 일정해진다.
다음으로, 시각(t7)에 있어서, 굴착 동작을 계속해서 행하기 위하여, 오퍼레이터는 다시 암조작레버를 조작한다. 암조작레버의 조작량(조작레버를 기울이는 각도)은 시각(t7)부터 시각(t8)까지 증대되며, 시각(t8)에 있어서 암조작레버의 조작량은 일정하게 유지된다. 즉, 시각(t7)부터 암조작레버가 조작되어 기울어지고, 시각(t8)에 있어서 암조작레버의 경사는 일정하게 유지된다. 시각(t7)에 있어서 암조작레버의 조작이 개시되면, 암(5)이 움직이기 시작하고, 시각(t8)이 되면, 암조작레버가 가장 기울어진 상태가 된다.
따라서, 시각(t8)을 지나면 유압 실부하가 상승하여 엔진(11)으로의 부하도 증대된다. 그리고, 시각(t9)에 있어서 연료 분사량을 증대하라는 지시가 나온다. 그러면, 도 5(d)의 실선으로 나타내는 바와 같이, 연료 소비량은 서서히 증가한다. 이때의 연료 소비량의 증가분은, 유압 실부하의 증대에 대응하는 정도 만큼이다. 즉, 엔진 회전수는 이미 소정 회전수(Nc)로 유지되고 있으므로, 엔진 회전수를 상승시키기 위한 연료 소비량은 필요없다. 또, 시각(t9)에서는, 과급압이 소정치로 유지되고 있기 때문에, 유압 실부하가 증대되어도, 엔진(11)의 출력을 효율적으로 증대할 수 있어, 연료 소비량의 증대를 억제할 수 있다. 이 효과는, 도 5(d)의 시각(t9)부터 시각(t11)까지의 사이에 있어서의 일점 쇄선(본 실시형태에 의한 엔진제어를 행하지 않는 경우)과 실선(본 실시형태에 의한 엔진제어를 행하는 경우)과의 차로 나타나 있다.
이상과 같이, 본 실시형태에서는, 레버조작이 일단 없어져 유압부하가 제로가 되는 경우여도, 레버조작이 없어지는 것을 검지하면, 전동발전기(12)를 소정의 시간만 발전운전시켜 엔진(11)에 부하를 가한다. 이로써, 과급압의 저하를 억제하여 소정의 값으로 되돌려 두어, 소정의 시간 내에 레버조작이 재개되었을 때에는, 불필요한 연료를 소비하지 않고, 엔진 회전수를 소정 회전수(Nc)로 유지한 채, 엔진출력을 상승시킬 수 있다.
이상의 제어예에서는, 조작레버의 조작량에 근거하여 메인펌프(14)의 유압부하가 감소하여 제로가 되는 것을 검출 또는 판단하고 있지만, 이 검출 또는 판단은, 유압 실부하의 변화, 과급압의 변화, 엔진출력의 변화 등, 혹은, 그들의 조합에 근거하여 행해도 된다. 예를 들면, 시각(t6)에 있어서 암조작레버가 중립 위치를 향하여 되돌려지면, 도 5(c)에 나타나는 바와 같이, 유압 실부하(즉, 메인펌프(14)의 유압부하)는 곧바로 감소하기 시작하므로, 유압 실부하가 감소하기 시작한 것으로, 유압부하가 제로가 되는 것을 미리 판단할 수 있다. 혹은, 시각(t6)에 있어서 암조작레버가 중립 위치를 향하여 되돌려지면, 도 5(e)에 나타나는 바와 같이, 엔진(11)의 과급압이 곧바로 감소하기 시작하므로, 과급압이 감소하기 시작한 것으로, 유압부하가 제로가 되는 것을 미리 판단할 수 있다. 또한, 시각(t6)에 있어서 암조작레버가 중립 위치를 향하여 되돌려지면, 도 5(g)에 나타나는 바와 같이, 엔진출력 유압 실부하에 대응하여 엔진출력이 곧바로 감소하기 시작하므로, 엔진출력이 감소하기 시작한 것으로, 유압부하가 제로가 되는 것을 미리 판단할 수 있다.
다만, 본 실시형태에서는, 시각(t6)부터 전동발전기(12)를 발전운전시키는 시간을 미리 3초 정도로 설정하였지만, 전동발전기(12)의 발전운전은, 시각(t7)에서 다시 암조작레버가 조작될 때까지 계속해 두면 된다. 발전운전하는 시간은 임의의 시간으로 설정할 수 있지만, 발전운전으로 발전한 전력은 축전계(120)의 커패시터(19)에 충전되므로, 커패시터의 충전율(SOC)이 상한치를 넘지 않는 범위로 설정할 필요가 있다. 즉, 시각(t7)부터 전동발전기(12)를 발전운전하는 시간은, 커패시터(19)의 충전율(SOC)이 상한치가 될 때까지의 시간으로 할 필요가 있다.
이와 같이, 전동발전기(12)의 발전부하를 증대시키는 것은, 통상, 커패시터(19)의 충전율이 저하되었을 때이지만, 본 실시형태에서는, 전기부하에 근거하는 전동발전기(12)에 대한 발전 요구의 유무에 관계없이, 전기부하에 근거하는 발전 요구가 없을 때여도, 전동발전기(12)의 발전부하를 증대시켜 엔진(11)의 구동을 제어한다. 이로써, 엔진(11)의 과급압이 소정의 값보다 낮아지는 것을 방지할 수 있다.
다만, 상술의 실시형태에서는 선회기구(2)가 전동식이었지만, 선회기구(2)가 전동이 아니라 유압구동인 경우가 있다. 도 6은 도 2에 나타내는 하이브리드식 쇼벨의 선회기구를 유압구동식으로 한 경우의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 6에 나타내는 하이브리드형 유압쇼벨에서는, 선회용 전동기(21) 대신에, 선회유압모터(2A)가 컨트롤밸브(17)에 접속되고, 선회기구(2)는 선회유압모터(2A)에 의하여 구동된다. 이러한 하이브리드식 쇼벨이더라도, 상술의 실시형태와 같이 하여, 전동발전기(12)를 발전운전시켜 엔진(11)에 부하를 가함으로써, 엔진 회전수의 감소를 억제하여, 연료 소비량의 증대를 억제할 수 있다.
또, 상술의 실시형태에서는, 엔진(11)과 전동발전기(12)를 유압펌프인 메인펌프(14)에 접속하여 메인펌프(14)를 구동하는, 이른바 하이브리드식 쇼벨에 본 발명을 적용한 예에 대하여 설명하였다. 본 발명은, 하이브리드식이 아닌, 도 7에 나타내는 바와 같이 엔진(11)으로 메인펌프(14)를 구동하는 쇼벨에도 적용할 수도 있다. 이 경우, 전동발전기(12)가 없으므로, 엔진(11)에 부하를 가하기 위한 발전기(200)를 설치해 둔다. 발전기(200)가 발전운전을 행하여 얻어진 전력은, 전압 레귤레이터나 인버터 등의 발전기용의 구동제어부(210)를 통하여 전기부하로서의 축전계(220)에 공급되어, 축적된다. 축전계(220)는, 예를 들면 에어컨 등의 전장품을 구동하기 위하여 설치되어 있는 것이면 된다.
이상의 구성에 있어서, 발전기(200)는 상술의 실시형태에 있어서의 전동발전기(12)의 역할을 한다. 즉, 조작레버의 조작이 검지되면, 발전기(200)를 발전운전 시킴으로써, 엔진(11)에 부하를 가할 수 있다. 이로써, 엔진 회전수의 감소를 억제하여, 연료 소비량의 증대를 억제할 수 있다.
본 명세서에서는 쇼벨의 실시형태에 의하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 구체적으로 개시된 상술의 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 범위를 일탈하는 일 없이, 다양한 변형예 및 개량예가 이루어질 것이다.
본 출원은, 2011년 6월 9일에 출원된 우선권 주장 일본 특허출원 제2011-129504호에 근거하는 것으로, 그 전체 내용은 본 출원에 원용된다.
산업상 이용가능성
본 발명은, 엔진에 의하여 구동되는 유압펌프가 발생한 유압을 유압작업요소에 공급하여 작업을 행하는 쇼벨에 적용 가능하다.
1: 하부 주행체 1A, 1B: 유압모터
2: 선회기구 2A: 선회유압모터
3: 상부 선회체 4: 붐
5: 암 6: 버킷
7: 붐실린더 8: 암실린더
9: 버킷실린더 10: 캐빈
11: 엔진 11a: 과급기
12: 전동발전기 13: 변속기
14: 메인펌프 15: 파일럿펌프
16: 고압유압라인 17: 컨트롤밸브
18A, 20: 인버터 19: 커패시터
21: 선회용 전동기 22: 리졸버
23: 메카니컬 브레이크 24: 선회 변속기
25: 파일럿라인 26: 조작장치
26A, 26B: 레버 26C: 페달
26D: 버튼 스위치 27: 유압라인
28: 유압라인 29: 압력센서
30: 컨트롤러 100: 승강압 컨버터
110: DC버스 111: DC버스 전압검출부
112: 커패시터 전압검출부 113, 116: 커패시터 전류검출부
114, 117: 전원라인 115, 118: 접속점
120: 축전계 130-1, 130-2: 릴레이
200: 발전기 210: 구동제어부
220: 축전계

Claims (15)

  1. 내연기관과,
    상기 내연기관에 연결된 유압펌프와,
    상기 내연기관에 연결된 발전기와,
    상기 발전기를 제어하는 제어부를 가지고,
    상기 제어부는, 상기 유압펌프의 유압부하가 증대되기 전에, 상기 발전기의 발전부하를 증대시키는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기로 발전된 전력이 공급되는 전기부하를 가지고,
    상기 제어부는, 상기 전기부하의 요구에 근거한 발전 요구의 유무에 관계없이, 상기 발전기의 발전부하를 증대시키는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 발전기의 발전부하를 증대하여 상기 내연기관으로의 부하를 증대시킴으로써, 상기 내연기관의 과급기에 의한 과급압을 상승시키거나, 혹은, 소정치 이상의 값으로 유지하는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 쇼벨에서의 작업 중에 있어서, 상기 유압펌프로의 유압부하가 가해지고 있는 상태로부터 상기 유압펌프의 유압부하가 저감되면, 상기 발전기를 구동시킴으로써 상기 내연기관에 부하를 부여하는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 유압펌프로의 유압부하의 저감을 검출한 후 소정치를 초과하고 부터 소정 시간 경과하면, 상기 발전기를 구동시킴으로써 상기 내연기관에 부여하는 부하를 저감하거나, 또는 상기 내연기관에 부하를 부여하는 것을 중지하는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 유압펌프로의 유압부하의 변동을, 유압작업요소를 구동하기 위한 조작레버의 조작량, 상기 유압펌프의 토출압, 상기 내연기관의 과급압, 및 상기 내연기관의 출력 중 적어도 어느 하나에 근거하여 검출하는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는, 유압작업요소를 구동하기 위한 조작레버가 조작되면, 상기 발전기를 구동시킴으로써 상기 내연기관에 부하를 부여하고, 상기 과급기에 의하여 발생하는 과급압을 상승시키는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 조작레버의 조작량이 소정치를 초과하고 부터 소정 시간 경과하면, 상기 발전기를 구동시킴으로써 상기 내연기관에 부여하는 부하를 저감하거나, 또는 상기 내연기관에 부하를 부여하는 것을 중지하는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 발전기를 구동함으로써 얻어진 전력을 축적하는 축전부를 더욱 가지는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
  10. 내연기관에 연결된 유압펌프의 유압부하의 변동을 판단하고,
    상기 유압펌프의 유압부하가 증대되기 전에, 상기 내연기관에 연결된 발전기의 발전부하를 증대시키는 것을 특징으로 하는 쇼벨의 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 발전기로 발전된 전력이 공급되는 전기부하에 근거한 발전 요구의 유무에 관계없이, 상기 내연기관에 연결된 발전기의 발전부하를 증대시키는 것을 특징으로 하는 쇼벨의 제어 방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 발전기의 발전부하를 증대하여 상기 내연기관으로의 부하를 증대시킴으로써, 상기 내연기관의 과급기에 의한 과급압을 상승시키거나, 혹은, 소정치 이상의 값으로 유지하는 것을 특징으로 하는 쇼벨의 제어 방법.
  13. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 유압펌프로의 유압부하가 가해지고 있는 상태로부터 상기 유압펌프의 유압부하가 저감되면, 상기 발전기를 구동시킴으로써 상기 내연기관에 부하를 부여하는 것을 특징으로 하는 쇼벨의 제어 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 유압펌프로의 유압부하의 저감을 검출한 후 소정치를 초과하고 부터 소정 시간 경과하면, 상기 발전기를 구동시킴으로써 상기 내연기관에 부여하는 부하를 저감하거나, 또는 상기 내연기관에 부하를 부여하는 것을 중지하는 것을 특징으로 하는 쇼벨의 제어 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    유압작업요소를 구동하기 위한 조작레버가 조작되면, 상기 발전기를 구동시킴으로써 상기 내연기관에 부하를 부여하고, 상기 과급기에 의하여 발생하는 과급압을 상승시키는 것을 특징으로 하는 쇼벨의 제어 방법.
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