KR20150110597A - 엔진 어시스트 장치 및 작업 기계 - Google Patents

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KR20150110597A
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코우지 키시다
쇼고 타다
테츠야 요시노
유야 카네나와
노부아키 마토바
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Abstract

어큐뮬레이터로부터 안정된 에너지 재생을 행할 수 있는 저렴한 엔진 어시스트 장치 및 이 엔진 어시스트 장치를 탑재한 작업 기계를 제공한다. 엔진(6)에, 가변 용량형의 메인 펌프(7, 8)와, 모터 기능과 펌프 기능을 가지는 가변 용량형의 어시스트 펌프(16)를 직결한다. 유체압 액추에이터(3a, 9)로부터 유출된 복귀압 유체를, 서브 어큐뮬레이터(18)에 의하여 일시적으로 축압하여, 어시스트 펌프(16)의 입구에 공급하고, 어시스트 펌프(16)는, 메인 어큐뮬레이터(17)에 가압 공급한다. 컨트롤러는, 엔진 부하 토크와, 엔진 회전수 설정 수단으로 설정한 어시스트 개시 토크나 차지 개시 토크에 의하여, 어시스트 펌프 경사판각을 연산하여 제어함과 함께, 메인 어큐뮬레이터(17)로부터 토출되는 축압 유체를 어시스트 펌프(16)의 입구로 유도하거나, 어시스트 펌프(16)의 출구로부터 토출되는 가압 유체를 메인 어큐뮬레이터(17)로 유도한다.

Description

엔진 어시스트 장치 및 작업 기계{ENGINE-ASSIST DEVICE AND INDUSTRIAL MACHINE}
본 발명은, 어큐뮬레이터를 이용한 엔진 어시스트 장치 및 이 엔진 어시스트 장치를 탑재한 유압 쇼벨 등의 작업 기계에 관한 것이다.
유압 쇼벨 등의 유압 구동의 작업 기계에 적용된 에너지 재생 회로의 일례로서, 컨트롤 밸브와 탱크의 사이에 마련한 복귀 유체 통로 중에, 가변 용량형 유압 모터 등의 유체압 모터를 인라인으로 설치하고, 유체압 모터의 출력축에 감속기를 통하여, 가변 용량형 유압 펌프 등의 유체압 펌프의 입력축을 접속하며, 유체압 펌프의 토출 포트에 역류 방지 밸브를 통하여 방향 제어 밸브의 공급 포트를 연통시키고, 방향 제어 밸브의 일방의 출력 포트는 축압용(蓄壓用) 어큐뮬레이터에 접속하며, 타방의 출력 포트는, 메인 펌프로부터 유체압 액추에이터에 작동 유체를 공급하는 메인 회로에 접속하는 시스템이 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
상기의 시스템에서는, 복귀압 유체를 가변 용량형 유압 모터에 공급하여, 가변 용량형 유압 펌프를 구동하여 어큐뮬레이터로 압유를 축압하고, 액추에이터 작동 시에 어큐뮬레이터의 압유를 메인 펌프에 공급하여, 에너지를 재생한다.
그 밖에, 최근, 유압 쇼벨과 같은 작업 기계에 있어서도, 유압 시스템과 전기 시스템을 조합한 하이브리드 시스템이 시도되고 있다. 예를 들면, 엔진 구동부에 발전 전동기를 마련하고, 또한 선회 구동에 발전 전동기를 채용하여, 발전 전동기로 상부 선회체를 구동함과 함께 선회 브레이크 시에 브레이크 에너지를 전기로 변환하여 커패시터나 배터리에 충전하여, 선회 구동에 비축한 전력을 이용한다. 또, 엔진이 경부하 시에 엔진에 직결된 발전 전동기로 충전하고, 중부하 시에 충전한 전력을 이용하여 발전 전동기로 파워 어시스트를 행하고 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2006-322578호 특허문헌 2: 일본 공개특허공보 2006-349092호
특허문헌 1의 어큐뮬레이터를 이용한 에너지 재생 시스템은, 어큐뮬레이터에 축압된 압유를 유압 액추에이터에 공급하는 경우에, 어큐뮬레이터의 축압 상태나 메인 회로 상태에 따라, 어큐뮬레이터로부터 공급하는 압유량이 변동하기 때문에, 안정된 에너지 재생을 할 수 없다.
한편, 특허문헌 2의 유압 시스템과 전기 시스템을 조합한 하이브리드 시스템에서는, 대용량의 발전 전동기나, 커패시터 또는 배터리 등의 축전 장치, 그것들을 제어하는 전기 제어 장치가 필요하여, 코스트가 비싸진다. 또, 종래 기계에 간단한 개조로 장착할 수 없다는 과제가 있다.
본 발명은, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 어큐뮬레이터로부터 안정된 에너지 재생을 행할 수 있는 저렴한 엔진 어시스트 장치 및 이 엔진 어시스트 장치를 탑재한 작업 기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
청구항 1에 기재된 발명은, 엔진에 의하여 가변 용량형의 메인 펌프를 구동하고, 이 메인 펌프로부터 토출된 가압 유체에 의하여 작동하는 유체압 액추에이터를 제동할 때에 발생하는 잉여 에너지를 어큐뮬레이터에 비축하여 엔진에 재생하는 엔진 어시스트 장치에 있어서, 상기 엔진 혹은 메인 펌프에 직결되어, 엔진 어시스트용 모터 기능과 어큐뮬레이터 축압용 펌프 기능을 가지는 가변 용량형의 어시스트 펌프와, 이 어시스트 펌프로부터 토출된 가압 유체를 비축하는 메인 어큐뮬레이터와, 유체압 액추에이터로부터 유출된 복귀압 유체를 일시적으로 축압하여 어시스트 펌프 및 메인 어큐뮬레이터에 공급하는 서브 어큐뮬레이터와, 엔진 설정 회전수를 지시하기 위한 엔진 회전수 설정 수단과, 엔진 실회전수를 검출하는 엔진 회전수 센서와, 메인 펌프로부터 토출된 메인 펌프압을 검출하는 메인 펌프압 센서와, 메인 펌프의 가변된 용량을 검출하는 메인 펌프 용량 센서와, 메인 어큐뮬레이터의 메인 어큐뮬레이터압을 검출하는 메인 어큐뮬레이터압 센서와, 서브 어큐뮬레이터의 서브 어큐뮬레이터압을 검출하는 서브 어큐뮬레이터압 센서와, 어시스트 펌프로부터 토출된 어시스트 펌프 토출압을 검출하는 어시스트 펌프압 센서와, 메인 펌프압과 메인 펌프의 용량으로부터 엔진 부하 토크를 구하여, 이 엔진 부하 토크가, 엔진 회전수 설정 수단으로 설정된 어시스트 개시 토크를 넘은 경우는, 엔진 부하 토크와 어시스트 개시 토크의 토크차와, 메인 어큐뮬레이터압과 어시스트 펌프 토출압의 차압(어시스트 시의 어시스트 펌프 토출압은 0으로 해도 됨)에 근거하여 어시스트 펌프의 용량을 연산하여 제어함과 함께, 메인 어큐뮬레이터로부터 토출되는 축압 유체를 어시스트 펌프로 유도하고, 엔진 부하 토크가, 엔진 회전수 설정 수단으로 설정된 차지 개시 토크보다 저하한 경우는, 엔진 부하 토크와 차지 개시 토크의 토크차와, 어시스트 펌프 토출압과 서브 어큐뮬레이터압의 차압에 근거하여 어시스트 펌프의 용량을 연산하여 제어함과 함께, 어시스트 펌프로부터 토출되는 가압 유체를 메인 어큐뮬레이터로 유도하는 컨트롤러를 구비한 엔진 어시스트 장치이다.
청구항 2에 기재된 발명은, 청구항 1에 기재된 엔진 어시스트 장치에 있어서, 메인 어큐뮬레이터로부터 어시스트 펌프로의 도중에 마련되어 개방 동작에 의하여 메인 어큐뮬레이터의 축압 유체를 어시스트 펌프에 가압 공급하는 메인 어큐뮬레이터 재생 밸브와, 어시스트 펌프의 유체 유출측에 접속되어 개방 동작에 의하여 어시스트 펌프의 유체 유출측을 작동 유체 탱크에 개방하는 것이 가능한 언로드 밸브를 구비하고, 컨트롤러는, 메인 펌프압과 메인 펌프의 용량으로부터 엔진 부하 토크를 구하는 부하 토크 연산 수단과, 엔진 부하 토크가, 엔진 회전수 설정 수단으로 설정된 어시스트 개시 토크를 넘은 경우는, 메인 어큐뮬레이터 재생 밸브와 언로드 밸브를 개방하여 메인 어큐뮬레이터압에 의하여 어시스트 펌프를 구동함과 함께, 엔진 부하 토크와 어시스트 개시 토크의 토크차와, 메인 어큐뮬레이터압과 어시스트 펌프 토출압의 차압(어시스트 펌프 토출압은 0으로 해도 됨)에 근거하여, 어시스트 펌프의 용량을 연산하여 제어함으로써, 엔진을 어시스트하는 어시스트 제어 수단과, 메인 어큐뮬레이터압으로 출력 가능한 어시스트 토크를 구하여, 이 어시스트 토크가 부족한 경우는, 메인 펌프의 토크를 보정하는 메인 펌프 보정 수단과, 엔진 부하 토크가, 엔진 회전수 설정 수단으로 설정된 차지 개시 토크보다 저하한 경우는, 메인 어큐뮬레이터 재생 밸브와 언로드 밸브를 폐쇄하여 어시스트 펌프를 구동함과 함께, 엔진 부하 토크와 차지 개시 토크의 토크차와, 어시스트 펌프 토출압과 서브 어큐뮬레이터압의 차압에 근거하여, 어시스트 펌프의 용량을 연산하여 제어함으로써, 메인 어큐뮬레이터에 작동 유체를 축압시키는 차지 제어 수단을 구비한 엔진 어시스트 장치이다.
청구항 3에 기재된 발명은, 청구항 2에 기재된 엔진 어시스트 장치에 있어서의 엔진이, 직결된 스타터 모터를 구비하고, 메인 어큐뮬레이터 재생 밸브 및 언로드 밸브는, 스타터 모터 시동 시에 연동하여 개방 동작하는 기능을 구비한 것이다.
청구항 4에 기재된 발명은, 기체(機體)와, 이 기체에 탑재된 작업 장치와, 기체 및 작업 장치에 마련된 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 엔진 어시스트 장치를 구비하고, 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 유체압 액추에이터, 메인 펌프, 어시스트 펌프, 메인 어큐뮬레이터 및 서브 어큐뮬레이터를, 유압 기기로 한 작업 기계이다.
청구항 5에 기재된 발명은, 청구항 4에 기재된 작업 기계에 있어서의 기체가, 하부 주행체와, 하부 주행체에 대하여 유압식의 선회 모터에 의하여 선회 가능한 상부 선회체를 구비하고, 작업 장치는, 이 작업 장치를 상하 이동시키는 유압식의 붐 실린더를 구비하며, 엔진 어시스트 장치에 있어서의 서브 어큐뮬레이터는, 붐 하강 시의 붐 실린더의 헤드 챔버로부터 방출된 압유 및 선회 브레이크 시의 선회 모터로부터 방출된 압유를 일시적으로 축압하는 기능을 구비하고, 붐 하강 시의 붐 실린더의 헤드 챔버의 압유를 서브 어큐뮬레이터측으로 회수하는 방향의 흐름만을 가능하게 하는 붐 헤드압 축압용 체크 밸브와, 이 붐 헤드압 축압용 체크 밸브를 거쳐 서브 어큐뮬레이터로 압유를 회수하기 위하여 폐쇄 상태로부터 개방 상태로 전환되는 붐 재생 전환 밸브와, 선회 모터의 좌선회 브레이크 시 및 우선회 브레이크 시의 고압을 선택하는 고압 선택 밸브와, 이 고압 선택 밸브의 하류측에 마련된 릴리프 기능을 겸비한 시퀀스 밸브와, 이 시퀀스 밸브를 거친 압유를 서브 어큐뮬레이터측에 공급하는 선회압 축압용 체크 밸브와, 서브 어큐뮬레이터로부터 어시스트 펌프의 유체 유입측으로의 흐름을 가능하게 하는 어시스트 펌프 유입측 체크 밸브와, 서브 어큐뮬레이터로부터 메인 어큐뮬레이터로의 흐름을 가능하게 하는 어큐뮬레이터 간 체크 밸브와, 어시스트 펌프로부터 토출된 압유를 메인 어큐뮬레이터에 축압할 수 있는 방향의 흐름을 가능하게 하는 어시스트 펌프 유출측 체크 밸브를 구비한 작업 기계이다.
청구항 1에 기재된 발명에 의하면, 엔진 혹은 메인 펌프에, 엔진 어시스트용 모터 기능과 어큐뮬레이터 축압용 펌프 기능을 가지는 가변 용량형의 어시스트 펌프를 직결하여, 유체압 액추에이터로부터 유출된 복귀압 유체를 일시적으로 축압하는 서브 어큐뮬레이터로부터, 어시스트 펌프에 공급된 가압 유체를, 추가로 어시스트 펌프로 가압하여 메인 어큐뮬레이터에 고압의 유체압 에너지로서 비축할 수 있도록 하고, 컨트롤러에 의하여, 메인 펌프압과 메인 펌프의 가변된 용량으로부터 구한 엔진 부하 토크가, 어시스트 개시 토크를 넘은 경우는, 엔진 부하 토크와 어시스트 개시 토크의 토크차와, 메인 어큐뮬레이터압과 어시스트 펌프 토출압의 차압(어시스트 시의 어시스트 펌프 토출압은 0으로 해도 됨)에 근거하여 어시스트 펌프의 용량을 연산하여, 이 어시스트 펌프의 용량을 제어함과 함께, 메인 어큐뮬레이터로부터 어시스트 펌프에 축압 유체를 가압 공급하여, 어시스트 펌프를 모터로서 구동함으로써 엔진을 어시스트하며, 또, 엔진 부하 토크가 차지 개시 토크보다 저하한 경우는, 엔진 부하 토크와 차지 개시 토크의 토크차와, 어시스트 펌프 토출압과 서브 어큐뮬레이터압의 차압에 근거하여 어시스트 펌프의 용량을 연산하여 제어하면서, 어시스트 펌프로부터 공급되는 가압 유체를 메인 어큐뮬레이터에 축압시키므로, 메인 어큐뮬레이터의 축압 상태나 엔진 부하 토크 상태 등에 따라, 메인 어큐뮬레이터 또는 서브 어큐뮬레이터로부터 안정된 에너지 재생을 행할 수 있는 엔진 어시스트 장치를, 대용량의 발전 전동기, 축전 장치 등을 이용하지 않고 저렴하게 제공할 수 있다. 또한, 엔진의 고부하 시에 메인 어큐뮬레이터압으로 구동되는 어시스트 펌프에 의하여 엔진을 어시스트하고, 엔진의 저부하 시에 유체압 액추에이터로부터 서브 어큐뮬레이터를 거쳐 안정적으로 공급된 가압 유체가 어시스트 펌프에 의하여 메인 어큐뮬레이터에 축압되므로, 엔진의 부하를 평준화할 수 있으며, 연비를 개선할 수 있음과 함께, 엔진으로부터 발생하는 흑연 등의 배기가스를 저감할 수 있다.
청구항 2에 기재된 발명에 의하면, 엔진 부하 토크가, 엔진 회전수 설정 수단에 의하여 설정한 어시스트 개시 토크를 넘은 경우는 엔진을 어시스트하는 어시스트 제어 수단과, 어시스트 토크가 부족한 경우는 메인 펌프의 토크를 보정하는 메인 펌프 보정 수단과, 엔진 부하 토크가 저하한 경우는 메인 어큐뮬레이터에 작동 유체를 축압시키는 차지 제어 수단을 구비한 컨트롤러가, 엔진 부하 토크에 따라, 메인 어큐뮬레이터 재생 밸브와 언로드 밸브를 개폐 제어하면서, 어시스트 펌프 및 메인 펌프를 제어하므로, 메인 어큐뮬레이터의 축압 상태나 엔진 부하 토크의 상태 등에 따라, 서브 어큐뮬레이터로 압력 변동을 평활화한 가압 유체를 메인 어큐뮬레이터에 적절한 타이밍에 차지할 수 있음과 함께, 메인 어큐뮬레이터 또는 서브 어큐뮬레이터로부터 어시스트 펌프를 구동하기 위한 에너지를 적절한 타이밍에 취출할 수 있다.
청구항 3에 기재된 발명에 의하면, 엔진의 스타터 모터 시동 시에 메인 어큐뮬레이터 재생 밸브 및 언로드 밸브가 연동하여 개방 동작함으로써, 엔진 시동 시나, 아이들링 스톱으로부터의 엔진 재시동 시의 경우에, 메인 어큐뮬레이터에 축압된 가압 유체에 의하여, 어시스트 펌프를 엔진 회전 방향으로 어시스트 모터로서 기능시킬 수 있으므로, 스타터 모터의 부하를 경감하는 것이 가능하고, 이로써, 스타터 모터의 소형화, 배터리 소비의 저감, 스타터 모터 사용 시의 불쾌한 기어 소리의 저감을 도모할 수 있다.
청구항 4에 기재된 발명에 의하면, 유체압 액추에이터, 메인 펌프, 어시스트 펌프, 메인 어큐뮬레이터 및 서브 어큐뮬레이터를 유압 기기로 하여, 유압 시스템을 이용한 하이브리드 시스템의 작업 기계를 구성했으므로, 발전 전동기나 축전 장치에 의하여 구성된 전기 시스템을 이용한 하이브리드 시스템과 비교하여 대폭적인 코스트 저감이 가능하고, 또한 메인터넌스가 적어, 러닝 코스트를 저감할 수 있다. 또, 기존의 유압식의 작업 기계에 용이하게 장착할 수 있다. 또한, 유압 액추에이터로부터 방출되는 복귀 압유를 서브 어큐뮬레이터를 통하여 효율적으로 회수할 수 있으므로, 지금까지 열로서 방출되고 있었던 유압 장치의 에너지 손실을 낮출 수 있고, 유압 냉각 장치를 소형화할 수 있다.
청구항 5에 기재된 발명에 의하면, 붐 헤드압 축압용 체크 밸브 및 붐 재생 전환 밸브에 의하여, 붐 하강 시에만 붐 실린더의 헤드 챔버의 압유를 서브 어큐뮬레이터측으로 회수하여 메인 어큐뮬레이터 내에 축압할 수 있음과 함께, 고압 선택 밸브, 시퀀스 밸브 및 선회압 축압용 체크 밸브에 의하여, 선회 모터의 좌선회 브레이크 시 및 우선회 브레이크 시에 발생하는 선회 브레이크압을 유지하면서, 선회 브레이크압을 넘는 압의 복귀유를 서브 어큐뮬레이터로 일단 회수하여 메인 어큐뮬레이터 내에 축압할 수 있고, 그리고, 어시스트 펌프 유입측 체크 밸브, 어큐뮬레이터 간 체크 밸브 및 어시스트 펌프 유출측 체크 밸브에 의하여, 메인 어큐뮬레이터 내의 고압의 압유를 어시스트 펌프에 공급하는 방향으로만 유도할 수 있으므로, 붐 하강 시에 붐 실린더의 헤드 챔버로부터 방출된 압유와, 선회 브레이크 시의 선회 모터로부터 방출된 압유의 유압 변동을, 서브 어큐뮬레이터에 의하여 평활화하면서, 어시스트 펌프로 가압한 압유를 메인 어큐뮬레이터에 고압 상태로 축압할 수 있고, 엔진의 부하가 낮을 때에 잉여 에너지를 효율적으로 회수할 수 있음과 함께, 엔진의 부하가 높을 때에 그 잉여 에너지를 유효 이용할 수 있으며, 유압 장치의 에너지 손실을 낮출 수 있고, 따라서, 엔진을 소형화할 수 있으며, 또한 엔진 소형화에 따라 엔진의 냉각 장치, 에어 클리너 등의 관련 장치를 소형화할 수 있다. 또한, 고압용 메인 어큐뮬레이터와, 중압(中壓)용 서브 어큐뮬레이터를 이용함으로써, 소형의 어시스트 펌프라도 효율적인 에너지 재생이 가능해진다.
도 1은 본 발명에 관한 엔진 어시스트 장치의 일 실시형태를 나타내는 회로도이다.
도 2는 상기와 같은 어시스트 장치를 탑재한 작업 기계의 대표 사례로서의 유압 쇼벨을 나타내는 개략도이다.
도 3은 상기와 같은 어시스트 장치의 제어 장치의 입출력을 나타내는 블록도이다.
도 4는 상기와 같은 어시스트 장치의 제어 플로차트이다.
도 5는 도 4의 제어 플로차트 중의 어시스트 제어 태스크를 나타내는 제어 블록도이다.
도 6은 도 4의 제어 플로차트 중의 차지 제어 태스크를 나타내는 제어 블록도이다.
도 7은 상기와 같은 어시스트 장치에 있어서의 어큐뮬레이터의 차지 동작을 설명하는 회로도이다.
도 8은 상기와 같은 어시스트 장치에 있어서의 엔진·어시스트 동작을 설명하는 회로도이다.
도 9는 상기와 같은 어시스트 장치에 있어서의 어시스트 제어를 설명하는 엔진 회전수·토크 특성도이다.
도 10은 상기와 같은 어시스트 장치에 있어서의 차지 제어를 설명하는 엔진 회전수·토크 특성도이다.
이하, 본 발명을, 도 1 내지 도 10에 나타난 일 실시형태에 근거하여 상세하게 설명한다.
도 2는, 유압 쇼벨을 베이스 머신으로 하는 작업 기계(A)를 나타내고, 이 작업 기계(A)는, 기체(B)에 작업 장치(C)를 탑재하고 있다. 기체(B)는, 주행용 유압 모터를 구비한 하부 주행체(1)에 상부 선회체(2)가 선회용 유압 모터에 의하여 선회 가능하게 마련되고, 이 상부 선회체(2)에 작업 장치(C)가 탑재되어 있다.
이 작업 장치(C)는, 상부 선회체(2)에 붐(3)의 기단이 상하 방향 회전운동 가능하게 축지(軸支)되고, 이 붐(3)에 대하여 붐 회동용(回動用) 유압 실린더인 붐 실린더(3a)가 마련되며, 붐(3)의 선단에 암(4)이 전후 방향 회전운동 가능하게 축지되고, 이 암(4)에 대하여 암 회동용 유압 실린더인 암 실린더(4a)가 마련되며, 암(4)의 선단에 본래의 버킷 대신에 전자석 등의 어태치먼트(5)가 회전운동 가능하게 축지되고, 이 어태치먼트(5)에 대하여 어태치먼트 회동용 유압 실린더인 버킷 실린더(5a)가 마련되어 있다.
도 1은, 작업 기계(A)의 유체압 회로로서의 유압 회로를 나타내고, 상부 선회체(2)에 탑재된 엔진(6)의 출력축에, 작업 기계(A)의 각 유체압 액추에이터(유압 실린더 및 유압 모터)에 가압 유체로서의 작동압유를 공급하기 위한 가변 용량형의 메인 펌프(7, 8) 즉 프론트 펌프(7) 및 리어 펌프(8)가 순차 직결되어, 엔진(6)에 의하여 구동된다. 엔진(6)의 출력축에는, 도시하지 않은 차재 배터리로부터 공급되는 전력으로 구동되는 스타터 모터(6s)가 접속되어 있다.
프론트 펌프(7) 및 리어 펌프(8)는, 용량 가변 제어용 펌프 경사판을 각각 구비한 가변 용량형 펌프이며, 이들 펌프 경사판의 경사판각은, 경사판 제어 장치(7a, 8a)에 의하여 각각 제어되고, 이들 경사판각과 비례하여 프론트 펌프(7) 및 리어 펌프(8)의 각 펌프 용량이 각각 제어된다.
이 도 1에는, 하부 주행체(1)에 대하여 상부 선회체(2)를 선회 구동하는 선회용 유압 모터(선회 모터라고 함)(9)와, 2개의 붐 실린더(3a) 즉 제1 붐 실린더(3a1) 및 제2 붐 실린더(3a2)가 나타나 있다.
프론트 펌프(7) 및 리어 펌프(8)의 흡입구는, 도시하지 않은 배관을 통하여 탱크 내에 연통되고, 또, 프론트 펌프(7) 및 리어 펌프(8)의 토출구는, 제1 붐 실린더(3a1) 및 제2 붐 실린더(3a2)를 작동시키기 위한 붐의 제1 유량 제어 밸브(10) 및 붐의 제2 유량 제어 밸브(11)의 각 공급 포트에 연통되어 있다.
제1 붐 실린더(3a1)의 헤드측으로부터 로드측에 걸쳐 마련된 재생 통로 중에는, 붐 하강 조작용 파일럿압에 의하여 전환되어 제1 붐 실린더(3a1)의 헤드 챔버의 압유를 로드 챔버에 재생하는 붐 재생 밸브(12)와, 역류 방지용 체크 밸브(13)가 마련되어 있다.
붐의 제2 유량 제어 밸브(11)와 제2 붐 실린더(3a2)의 헤드 챔버를 연통하는 통로 중에도, 역류 방지용 체크 밸브(14)가 마련되어 있다.
선회 모터(9)를 좌선회, 우선회 또는 정지 제어하는 선회 유량 제어 밸브(15)에 대하여, 리어 펌프(8)로부터 작동압유를 공급하는 유압 회로가 마련되어 있지만, 그 도시는 생략한다. 선회 유량 제어 밸브(15)를 좌우의 전환 위치로부터 도 1에 나타나는 중립 위치로 되돌림으로써, 좌선회 브레이크 시 또는 우선회 브레이크 시의 선회 브레이크압이 발생한다.
엔진(6) 혹은 메인 펌프(7, 8)의 출력축에, 펌프와 모터의 양 기능을 가지는 가변 용량형의 어시스트 펌프(16)가 직결되어 있다. 이 어시스트 펌프(16)는, 용량 가변 제어용 펌프 경사판을 구비하고, 이 펌프 경사판의 경사판각은, 경사판 제어 장치(16a)에 의하여 제어되며, 이 경사판각과 비례하여 어시스트 펌프(16)의 펌프 용량이 제어된다.
이 어시스트 펌프(16)의 토출 통로 상에는, 유체압 에너지를 비축하기 위한 단수 혹은 복수의 메인 어큐뮬레이터(17)가 접속되고, 한편, 제2 붐 실린더(3a2)의 헤드측과 선회 모터(9)의 구동 회로 사이의 통로에는, 제2 붐 실린더(3a2) 및 선회 모터(9)로부터 방출되는 압유를 일시적으로 비축하기 위한 서브 어큐뮬레이터(18)가 마련되어 있다.
제1 붐 실린더(3a1)의 헤드 챔버와 제2 붐 실린더(3a2)의 헤드 챔버의 사이에는, 붐 하강 조작용 파일럿압에 의하여 전환되는 전환 밸브(19)가 마련되어 있다.
제2 붐 실린더(3a2)의 헤드 챔버로부터 서브 어큐뮬레이터(18)로의 통로 중에는, 압유의 누출을 방지하기 위한 붐 헤드압 축압용 체크 밸브(20)와, 붐 하강 조작용 파일럿압에 의하여 폐쇄 상태로부터 개방 상태로 전환되어 제2 붐 실린더(3a2)의 헤드 챔버의 압유를 서브 어큐뮬레이터(18)측으로 유도하기 위한 붐 재생 전환 밸브(21)가 마련되어 있다.
선회 모터(9)의 좌회전용 포트와 우회전용 포트의 사이에는 고압 선택 밸브(셔틀 밸브)(22)가 마련되고, 이 고압 선택 밸브(22)의 출구로부터 서브 어큐뮬레이터(18)로의 통로 중에는, 선회 브레이크압을 유지하기 위한 시퀀스 밸브(23)와, 역류 방지용 선회압 축압용 체크 밸브(24)가 마련되어 있다.
메인 어큐뮬레이터(17)로부터 어시스트 펌프(16)의 입구에 걸쳐 마련된 통로 중에는, 메인 어큐뮬레이터(17)에 축압된 압유를 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 전환함으로써 어시스트 펌프(16)의 입구측에 가압 공급하는 전자 작동식의 메인 어큐뮬레이터 재생 밸브(25)가 마련되어 있다.
어시스트 펌프(16)의 출구로부터 작동 유체 탱크로서의 작동유 탱크(34)에 걸쳐 마련된 드레인 통로 중에는, 개방 위치에서 어시스트 펌프(16)의 출구측을 작동유 탱크(34) 내에 개방하여 언로드 상태로 제어하는 전자 작동식의 언로드 밸브(26)가, 개방 위치와 폐쇄 위치로 전환 가능하게 마련되어 있다.
이 언로드 밸브(26)는, 폐쇄함으로써, 어시스트 펌프(16)로부터 토출된 압유를 메인 어큐뮬레이터(17)에 축압하고, 또, 이 언로드 밸브(26)를 개방함으로써, 어시스트 펌프(16)에 의한 메인 어큐뮬레이터(17)의 축압을 정지시키거나, 메인 어큐뮬레이터(17)에 축압된 압유에 의하여 어시스트 펌프(16)를 모터로서 구동한다.
메인 어큐뮬레이터 재생 밸브(25) 및 언로드 밸브(26)는, 유압 장치의 가동 중에 메인 어큐뮬레이터(17)의 축압 방압(放壓)을 위하여 개폐 작동함과 함께, 스타터 모터(6s)의 시동 시에 연동하여 개방 동작하도록 제어되는 것이며, 엔진(6)의 시동이나 아이들링 스톱으로부터의 재시동 시에, 메인 어큐뮬레이터(17)에 축압된 압유에 의하여 어시스트 펌프(16)를 모터로서 구동함으로써, 스타터 모터(6s)에 걸리는 부하를 경감한다.
메인 어큐뮬레이터(17)로부터 작동유 탱크(34)에 걸쳐 마련된 드레인 통로 중에는, 메인 어큐뮬레이터(17)의 최고압을 설정하는 릴리프 밸브(27)가 마련되어 있다.
서브 어큐뮬레이터(18)로부터 어시스트 펌프(16)의 입구에 걸쳐 마련된 통로 중에는, 서브 어큐뮬레이터(18)로부터 어시스트 펌프(16)의 입구로 압유를 공급함과 함께 역류를 방지하기 위한 어시스트 펌프 유입측 체크 밸브(28)가 마련되어 있다.
서브 어큐뮬레이터(18)로부터 메인 어큐뮬레이터(17)에 걸쳐 마련된 통로 중에는, 서브 어큐뮬레이터(18)로부터 메인 어큐뮬레이터(17)로 압유를 공급함과 함께 역류를 방지하기 위한 어큐뮬레이터 간 체크 밸브(29)가 마련되어 있다.
마찬가지로, 메인 어큐뮬레이터(17)로부터의 역류를 방지하기 위한 어시스트 펌프 유출측 체크 밸브(30)와, 체크 밸브(31)가 마련되어 있다.
어시스트 펌프 유출측 체크 밸브(30)는, 언로드 밸브(26)와 릴리프 밸브(27)의 사이의 통로 중에 있고, 어시스트 펌프(16)로부터 토출된 압유를 메인 어큐뮬레이터(17)에 축압할 수 있는 방향의 흐름을 가능하게 함과 함께, 메인 어큐뮬레이터(17) 및 서브 어큐뮬레이터(18)로부터 어시스트 펌프(16)의 출구로의 역류를 방지한다.
프론트 펌프(7) 및 리어 펌프(8)의 용량 가변용 프론트 펌프 경사판 및 리어 펌프 경사판의 각 경사판각은, 경사판 제어 장치(7a, 8a)의 경사판각 조정 피스톤의 변위에 의하여 제어하지만, 이들 피스톤 변위는, 파워 시프트 제어 밸브(32)에 의하여 가변 제어한다.
이 파워 시프트 제어 밸브(32)는, 파워 시프트 제어 신호에 따른 파워 시프트압을 경사판 제어 장치(7a, 8a)의 경사판각 조정 피스톤에 출력하여, 프론트 펌프(7) 및 리어 펌프(8)의 토크를 조정하는 전자 비례 감압 밸브이다.
어시스트 펌프(16)의 입구측의 체크 밸브(31)에는, 복귀 회로(33) 및 작동유 탱크(34)가 접속되어 있다.
다음으로, 도 3은, 제어 장치의 입출력 신호를 정리한 것이며, 컨트롤러(40)의 입력측에는, 엔진 설정 회전수를 지시하기 위한 엔진 회전수 설정 수단으로서의 액셀 다이얼(41)과, 엔진 실회전수(Ne)를 검출하기 위한 엔진 회전수 센서(42)와, 프론트 펌프(7) 및 리어 펌프(8)의 메인 펌프압으로서의 프론트 펌프압(Ppf) 및 리어 펌프압(Ppr)을 각각 검출하기 위한 메인 펌프압 센서로서의 프론트 펌프압 센서(43) 및 리어 펌프압 센서(44)와, 경사판식 가변 용량형 펌프인 프론트 펌프(7)의 프론트 펌프 경사판각(φf) 및 리어 펌프(8)의 리어 펌프 경사판각(φr)으로부터 각 펌프의 용량을 각각 검출하기 위한 메인 펌프 용량 센서로서의 프론트 펌프 경사판각 센서(45) 및 리어 펌프 경사판각 센서(46)와, 메인 어큐뮬레이터(17)의 메인 어큐뮬레이터압(Pa1)을 검출하기 위한 메인 어큐뮬레이터압 센서(47)와, 서브 어큐뮬레이터(18)의 서브 어큐뮬레이터압(Pa2)을 검출하기 위한 서브 어큐뮬레이터압 센서(48)와, 어시스트 펌프(16)로부터 토출된 어시스트 압유의 어시스트 펌프 토출압(Pa3)을 검출하기 위한 어시스트 펌프압 센서(49)가, 각각 접속되어 있다.
상기의 엔진 회전수 센서(42), 프론트 펌프압 센서(43), 리어 펌프압 센서(44), 프론트 펌프 경사판각 센서(45), 리어 펌프 경사판각 센서(46), 메인 어큐뮬레이터압 센서(47), 서브 어큐뮬레이터압 센서(48), 어시스트 펌프압 센서(49)의 각 센서 설치 위치는, 도 1에 나타나는 바와 같다.
한편, 컨트롤러(40)의 출력측에는, 컨트롤러(40)에 의하여 제어되는 어시스트 펌프(16)의 경사판 제어 장치(16a), 메인 어큐뮬레이터 재생 밸브(25), 언로드 밸브(26) 및 파워 시프트 제어 밸브(32)가, 각각 접속되어 있다.
다음으로, 도 1, 도 7 및 도 8에 근거하여, 동력 재생 회로의 동작을 설명한다.
I. 유압 회로의 동작 설명
(1) 어큐뮬레이터·차지 동작
도 1 및 도 7에 근거하여 어큐뮬레이터·차지 동작을 설명한다.
도 1에 있어서, 붐 하강 조작을 행하면, 도시하지 않은 조작 레버 연동형 비례 감압 밸브를 포함하는 파일럿 조작 회로로부터 붐 하강 조작용 파일럿압이 출력되고, 이 붐 하강 조작용 파일럿압에 의하여, 붐의 제1 유량 제어 밸브(10)가 챔버(a)로부터 챔버(b)로 전환되며, 동시에 붐 재생 밸브(12)가 챔버(a)로부터 챔버(b)로 전환되고, 전환 밸브(19)가 챔버(a)로부터 챔버(b)로 전환되며, 붐 재생 전환 밸브(21)가 챔버(a)로부터 챔버(b)로 전환된다.
따라서, 프론트 펌프(7)로부터 붐의 제1 유량 제어 밸브(10)의 챔버(b)를 거쳐 제1 붐 실린더(3a1) 및 제2 붐 실린더(3a2)의 로드 챔버로 압유가 공급되고, 한편, 제1 붐 실린더(3a1)의 헤드 챔버와 제2 붐 실린더(3a2)의 헤드 챔버의 사이는, 전환 밸브(19)에 의하여 차단되며, 제1 붐 실린더(3a1)의 헤드 챔버의 압유의 대부분은, 붐 재생 밸브(12)를 거쳐 제1 및 제2 붐 실린더(3a1, 3a2)의 로드 챔버에 재생되고, 상기 헤드 챔버의 압유의 일부가 붐의 제1 유량 제어 밸브(10)의 챔버(b)를 거쳐 작동유 탱크(34)에 개방된다.
이 때, 도 7에 나타나는 바와 같이, 제2 붐 실린더(3a2)의 헤드 챔버의 압유는, 붐 헤드압 축압용 체크 밸브(20), 붐 재생 전환 밸브(21)를 거쳐 서브 어큐뮬레이터(18)로 유도된다. 또, 선회 브레이크 시의 압유는, 고압 선택 밸브(22), 시퀀스 밸브(23) 및 선회압 축압용 체크 밸브(24)를 거쳐 서브 어큐뮬레이터(18)측으로 유도된다.
서브 어큐뮬레이터(18)측으로 유도된 압유는, 도 7에 나타나는 바와 같이 어시스트 펌프(16)의 입구에 공급된다. 메인 어큐뮬레이터(17)가 축압되어 있지 않을 때는, 언로드 밸브(26)를 폐쇄하고, 어시스트 펌프(16)에 의하여 가압한 압유를 메인 어큐뮬레이터(17)로 유도하여 축압시킨다. 메인 어큐뮬레이터(17)가 최고압에 도달한 경우는, 언로드 밸브(26)를 개방하고, 어시스트 펌프(16)의 토출측을 작동유 탱크(34)에 개방한다.
이 때, 서브 어큐뮬레이터(18)측으로 유도된 압유의 유량이 어시스트 펌프(16)의 흡입 유량보다 많은 경우는, 서브 어큐뮬레이터(18)에 일시적으로 축압된다. 또, 메인 어큐뮬레이터(17)의 압력이, 서브 어큐뮬레이터(18)의 압력보다 낮은 경우는, 어큐뮬레이터 간 체크 밸브(29)를 통하여 직접 메인 어큐뮬레이터(17)에 축압된다.
다만, 도 1에 있어서, 붐 상승 조작을 행하면, 상기 파일럿 조작 회로로부터 붐 상승 조작용 파일럿압이 붐의 제1 및 제2 유량 제어 밸브(10, 11)에 출력되고, 이 붐 상승 조작용 파일럿압에 의하여, 붐의 제1 유량 제어 밸브(10)가 챔버(a)로부터 챔버(c)로 전환되고, 동시에 붐의 제2 유량 제어 밸브(11)가 챔버(a)로부터 챔버(b)로 전환되며, 프론트 펌프(7) 및 리어 펌프(8)로부터 붐 실린더(3a1, 3a2)의 헤드 챔버에 대유량의 압유가 공급된다.
(2) 엔진·어시스트 동작
도 8에 근거하여 엔진·어시스트 동작을 설명하면, 엔진(6)의 부하 토크가 높은 경우는, 메인 어큐뮬레이터 재생 밸브(25)를 개방하여, 어시스트 펌프(16)의 입구에 메인 어큐뮬레이터(17)에 축압된 압유를 공급함과 함께, 어시스트 펌프(16)의 출구에 접속된 언로드 밸브(26)를 개방한다.
이로써, 어시스트 펌프(16)는, 유압 모터로서 작동하여, 엔진(6)을 어시스트한다. 어시스트의 토크는, 메인 어큐뮬레이터(17)의 압력을 근거로, 어시스트 펌프(16)의 경사판을 경사판 제어 장치(16a)에 의하여 제어하여 조정한다. 상세한 것은, 후술하는 어시스트 제어에서 설명한다.
II. 엔진 어시스트 제어의 설명
도 4의 제어 플로차트, 도 5의 어시스트 제어 태스크의 제어 블록도, 도 6의 차지 제어 태스크의 제어 블록도, 도 9의 어시스트 제어를 설명하는 특성도, 도 10의 차지 제어를 설명하는 특성도에 근거하여, 엔진 어시스트 제어에 대하여 설명한다. 도 9 및 도 10에 있어서, T는 엔진 토크 커브를 나타내고, Tmax는 최대 출력 토크를 나타내며, Tas는 어시스트 개시 토크를 나타내고, Tcs는 차지 개시 토크를 나타내며, T1은 엔진 부하 토크를 나타낸다.
(1) 전체 제어 플로
도 4의 제어 플로차트에 근거하여, 전체 제어 플로를 설명한다.
도 4에 있어서, 처리기(S1)에서 도 3에 나타내는 입력 신호를 읽어 들인다. 다음으로, 부하 토크 연산 수단으로서의 처리기(S2)에서, 프론트 펌프 경사판각 센서(45)로 검출된 프론트 펌프 경사판각(φf), 프론트 펌프압 센서(43)로 검출된 프론트 펌프압(Ppf), 리어 펌프 경사판각 센서(46)로 검출된 리어 펌프 경사판각(φr), 리어 펌프압 센서(44)로 검출된 리어 펌프압(Ppr)을 근거로, 다음 식으로 엔진 부하 토크(T1)를 계산한다.
T1={Ppf·φf·Dp+Ppr·φr·Dp}/2π
Dp: 메인 펌프(7, 8)의 펌프 최대 용량
판정기(S3)에서, 엔진 부하 토크(T1)와 어시스트 개시 토크(Tas)를 비교한다. 어시스트 개시 토크(Tas)는, 도 9에 나타내는 바와 같이 액셀 다이얼(41)에 의하여 설정된다.
도 9에 나타나는 바와 같이, 상기의 엔진 부하 토크(T1)가 어시스트 개시 토크(Tas)보다 큰 경우는, 처리기(S4)로 이동하여, 도 8에 나타나는 바와 같이 메인 어큐뮬레이터 재생 밸브(25)를 개방함과 함께, 언로드 밸브(26)를 개방한다. 다음으로, 처리기(S5)의 어시스트 제어 태스크로 이동하여, 후술하는 어시스트 제어를 행한다.
판정기(S3)에서 엔진 부하 토크(T1)가 어시스트 개시 토크(Tas)보다 크지 않은 경우는, 판정기(S6)로 이동하여, 메인 어큐뮬레이터(17)의 압력(메인 어큐뮬레이터압(Pa1))을 확인한다. 이 메인 어큐뮬레이터압(Pa1)이 메인 어큐뮬레이터 최고압에 도달하지 않은 경우(Yes)는, 판정기(S7)에서 엔진 부하 토크(T1)와 차지 개시 토크(Tcs)를 비교한다. 차지 개시 토크(Tcs)는, 도 10에 나타내는 바와 같이 액셀 다이얼(41)에 의하여 설정된다.
도 10에 나타나는 바와 같이, 엔진 부하 토크(T1)가 차지 개시 토크(Tcs)보다 작은 경우는, 처리기(S8)로 이동하여, 도 7에 나타나는 바와 같이 언로드 밸브(26)를 폐쇄함과 함께, 메인 어큐뮬레이터 재생 밸브(25)를 폐쇄한다. 다음으로, 처리기(S9)의 차지 제어 태스크로 이동하여, 후술하는 차지 제어를 행한다.
판정기(S6), 판정기(S7)에서 조건을 만족시키지 못하는 경우는, 판정기()에서 서브 어큐뮬레이터(18)의 압력(서브 어큐뮬레이터압(Pa2))을 확인한다. 이 서브 어큐뮬레이터압(Pa2)이 규정압을 넘은 경우는, 처리기(S11)에서 언로드 밸브(26)를 개방하고, 메인 어큐뮬레이터 재생 밸브(25)를 폐쇄하여, 서브 어큐뮬레이터압(Pa2)에 따라 어시스트 펌프(16)의 경사판각을 조정하고, 서브 어큐뮬레이터(18)의 압유에 의하여 어시스트 펌프(16)를 구동하여, 엔진(6)을 어시스트하면서 서브 어큐뮬레이터(18)의 압유를 개방한다.
판정기(S10)에서 서브 어큐뮬레이터압(Pa2)이 규정압 이하인 경우는, 처리기(S12)에서 어시스트 펌프(16)의 경사판각을 최소로 제어하고, 또한 언로드 밸브(26)를 개방하며, 메인 어큐뮬레이터 재생 밸브(25)를 폐쇄한다.
(2) 어시스트 제어 태스크
도 5에 나타나는 바와 같이, 어시스트 제어 수단(40a)을 구비한 어시스트 제어 태스크의 제어 블록도에 있어서, 50은, 도 4의 제어 플로차트의 처리기(S2)에서 엔진 부하 토크(T1)를 연산한 부하 토크 연산 수단으로서의 연산기이다.
액셀 다이얼(41)로 설정된 수치에 근거하여, 함수 테이블(51)로 최대 어시스트 토크(Tam)를 설정함과 함께, 함수 테이블(52)로 어시스트 개시 토크(Tas)를 설정한다.
감산기(53)에서 메인 어큐뮬레이터압 센서(47)로 검출된 메인 어큐뮬레이터압(Pa1)과, 어시스트 펌프압 센서(49)로 검출된 어시스트 펌프 토출압(Pa3)의 차압(ΔP)을 구하여, 이 차압(ΔP)으로부터 토크 연산기(54)에 의하여, 메인 어큐뮬레이터압(Pa1)에서 유압 모터로서 기능하는 어시스트 펌프(16)로부터 출력 가능한 어시스트 토크(Ta1)를, 다음의 계산식에 의하여 구하고, 최솟값 선택기(55)에서 최대 어시스트 토크(Tam)와 비교하여, 작은 토크를 선택하여 출력한다.
다만, 이 어시스트 시에는, 도 8에 나타나는 바와 같이 어시스트 펌프(16)의 토출측이, 언로드 밸브(26)를 거쳐 작동유 탱크(34)에 개방되어 있으므로, 어시스트 펌프 토출압(Pa3)은 대략 0으로 하고, 차압(ΔP)=메인 어큐뮬레이터압(Pa1)으로 해도 된다.
Ta1=ΔP·Dpm·ηt/2π
Dpm: 어시스트 펌프(16)의 펌프 최대 용량
ηt: 토크 효율
한편, 감산기(56)에 의하여, 도 4의 제어 플로차트의 처리기(S2)에서 구한 엔진 부하 토크(T1)와, 액셀 다이얼(41)로 설정된 수치에 근거하여 함수 테이블(52)로 설정한 어시스트 개시 토크(Tas)의 차를 구하여, 가산기(57)에 입력한다.
또, 액셀 다이얼(41)로 지시된 수치에 근거하여 함수 테이블(58)로 설정된 엔진 설정 회전수(Ns)와, 엔진 회전수 센서(42)로 검출한 엔진 실회전수(Ne)의 편차를, 감산기(59)에 의하여 구하고, PI 제어 연산기(60)에서 비례 적분 제어(PI 제어)를 행하여, PI 제어의 출력을 가산기(57)에 입력하고, 이 가산기(57)에서 감산기(56)로부터의 출력에 가산한다.
가산기(57)의 출력과 최솟값 선택기(55)로부터 출력되는 토크 제한값을, 최솟값 선택기(61)에서 비교하여, 작은 쪽의 값을 요구 어시스트 토크(Ta)로서 어시스트 펌프 경사판각 연산기(62)에 입력하고, 하기의 연산식에 의하여, 요구되는 어시스트 펌프 용량(D)을 연산하여, 어시스트 펌프 최대 용량(Dpm)에 대하여 요구되는 어시스트 펌프 용량(D)의 비율로부터, 어시스트 펌프(16)의 경사판각(φa)을 구하고, 이 경사판각(φa)이 얻어지도록 어시스트 펌프(16)의 경사판 제어 장치(16a)를 제어한다.
D=(2π·Ta)/(ΔP·ηt)
φa=D/Dpm
D: 요구되는 어시스트 펌프 용량
Dpm: 어시스트 펌프 최대 용량
ηt: 토크 효율
또, 도 5에 나타나는 바와 같이, 메인 펌프 보정 수단(40b)은, 가산기(63)에 의하여, 최솟값 선택기(61)에서 구한 요구 어시스트 토크(Ta)와, 어시스트 개시 토크(Tas)를 가산하고, 감산기(64)에 의하여, 연산기(50)에서 연산된 엔진 부하 토크(T1)로부터 가산기(63)의 출력을 감산하며, 하한 리미터(65)에서 플러스값을 추출하고, 추가로 연산기(66)에 의하여 메인 펌프 보정 토크를 구한다.
이 메인 펌프 보정 토크는, 도시하지 않은 메인 펌프 토크 제어기에 입력되고, 추가로 파워 시프트 제어 밸브(32)에 의하여 메인 펌프(프론트 펌프(7), 리어 펌프(8))의 구동 토크를 보정한다.
상기의 작용에 의하여, 엔진 부하 토크(T1)가 어시스트 개시 토크(Tas)보다 커졌을 때에는, 메인 어큐뮬레이터압(Pa1) 등에 근거하여 어시스트 펌프(16)의 경사판각을 조정하여 엔진(6)을 어시스트하고, 또, 어시스트 펌프(16)의 어시스트 토크(Ta1)가 부족한 경우는, 메인 펌프(프론트 펌프(7), 리어 펌프(8))의 구동 토크를 보정한다.
(3) 차지 제어 태스크
도 6에 나타나는 바와 같이, 차지 제어 수단(40c)을 구비한 차지 제어 태스크의 제어 블록도에 있어서, 액셀 다이얼(41)에 근거하여 함수 테이블(67)로 차지 개시 토크(Tcs)를 설정하고, 액셀 다이얼(41)에 근거하여 함수 테이블(68)로 최대 차지 토크(Tcm)를 설정한다.
감산기(69)에서, 도 4의 제어 플로차트의 처리기(S2)에서 구한 엔진 부하 토크(T1)와 차지 개시 토크(Tcs)의 차를 구하고, 최솟값 선택기(70)에서, 이 차와 최대 차지 토크(Tcm)를 비교하여, 값이 작은 토크를 요구 차지 토크(Tc)로서 출력한다.
한편, 감산기(71)에서, 어시스트 펌프압 센서(49)로 검출된 어시스트 펌프 토출압(Pa3)과, 서브 어큐뮬레이터압 센서(48)에 의하여 검출된 서브 어큐뮬레이터압(Pa2)의 차압(ΔP)을 구하고, 어시스트 펌프 경사판각 연산기(72)에 이 차압(ΔP)과 요구 차지 토크(Tc)를 입력하여, 하기의 연산식에 의하여 요구되는 어시스트 펌프 용량(D)을 연산하고, 어시스트 펌프 최대 용량(Dpm)에 대하여 요구되는 어시스트 펌프 용량(D)의 비율로부터, 어시스트 펌프(16)의 경사판각(φa)을 구하여, 이 경사판각(φa)이 얻어지도록 어시스트 펌프(16)의 경사판 제어 장치(16a)를 제어한다.
D=2π·Tc·ηt/ΔP
φa=D/Dpm
D: 요구되는 어시스트 펌프 용량
Dpm: 어시스트 펌프 최대 용량
ηt: 토크 효율
상기의 작용에 의하여, 요구 차지 토크(Tc)에 근거하여 어시스트 펌프(16)의 토크를 제어하면서, 메인 어큐뮬레이터(17)를 차지하므로, 엔진(6)의 과부하를 방지할 수 있다.
다음으로, 도시된 실시형태의 작용 효과를 총괄적으로 설명한다.
엔진(6) 혹은 메인 펌프(7, 8)의 출력축에, 엔진 어시스트용 모터 기능과 어큐뮬레이터 축압용 펌프 기능을 가지는 가변 용량형의 어시스트 펌프(16)를 직결하고, 이 어시스트 펌프(16)로부터 토출된 고압의 유압 에너지를 비축하는 메인 어큐뮬레이터(17)와는 다른, 붐 실린더(3a) 및 선회 모터(9)로부터 유출된 중압의 복귀 압유를 일시적으로 축압하는 서브 어큐뮬레이터(18)에 의하여, 어시스트 펌프(16)의 입구 및 메인 어큐뮬레이터(17)에 공급하도록 하고, 컨트롤러(40)에 의하여, 프론트 펌프압(Ppf) 및 리어 펌프압(Ppr)과 프론트 펌프 경사판각(φf) 및 리어 펌프 경사판각(φr)으로부터 구한 엔진 부하 토크(T1)가, 어시스트 개시 토크(Tas)를 넘은 경우는, 엔진 부하 토크(T1)와 어시스트 개시 토크(Tas)의 토크차와, 메인 어큐뮬레이터압(Pa1)과 어시스트 펌프 토출압(Pa3)의 차압(어시스트 펌프 토출압(Pa3)은 0으로 해도 됨)에 근거하여 어시스트 펌프(16)의 어시스트 펌프 경사판각(φa)을 연산하여, 이 어시스트 펌프 경사판각(φa)을 제어함과 함께, 메인 어큐뮬레이터(17)로부터 어시스트 펌프(16)의 입구에 축압유를 가압 공급하여, 어시스트 펌프(16)를 모터로서 구동함으로써 엔진(6)을 어시스트하고, 또, 엔진 부하 토크(T1)가 차지 개시 토크(Tcs)보다 저하한 경우는, 엔진 부하 토크(T1)와 차지 개시 토크(Tcs)의 토크차와, 어시스트 펌프 토출압(Pa3)과 서브 어큐뮬레이터압(Pa2)의 차압에 근거하여, 어시스트 펌프 경사판각(φa)을 연산하여 제어하면서, 어시스트 펌프(16)로부터 공급되는 압유를 메인 어큐뮬레이터(17)에 축압시키므로, 메인 어큐뮬레이터(17)의 축압 상태나 엔진 부하 토크(T1) 상태 등에 따라, 메인 어큐뮬레이터(17) 또는 서브 어큐뮬레이터(18)로부터 안정된 에너지 재생을 행할 수 있는 엔진 어시스트 장치를, 대용량의 발전 전동기, 축전 장치 등을 이용하지 않고 저렴하게 제공할 수 있다.
또한, 엔진(6)의 고부하 시에 메인 어큐뮬레이터압(Pa1)에 의하여 유압 모터로서 구동되는 어시스트 펌프(16)에 의하여 엔진(6)을 어시스트하고, 엔진(6)의 저부하 시에 붐 실린더(3a) 및 선회 모터(9)로부터 서브 어큐뮬레이터(18)의 압 평활 작용을 거쳐 안정 공급된 압유가, 어시스트 펌프(16)에 의하여 메인 어큐뮬레이터(17)에 축압되므로, 엔진(6)의 부하를 평준화할 수 있고, 연비를 개선할 수 있음과 함께, 엔진(6)으로부터 발생하는 흑연 등의 배기가스를 저감할 수 있다.
엔진 부하 토크(T1)가, 액셀 다이얼(41)에 의하여 설정한 어시스트 개시 토크(Tas)를 넘은 경우는 엔진(6)을 어시스트하는 어시스트 제어 수단(40a)과, 어시스트 토크(Ta1)가 부족한 경우는 프론트 펌프(7) 및 리어 펌프(8)의 토크를 보정하는 메인 펌프 보정 수단(40b)과, 엔진 부하 토크(T1)가 저하한 경우는 메인 어큐뮬레이터(17)로 압유를 축압시키는 차지 제어 수단(40c)을 구비한 컨트롤러(40)가, 엔진 부하 토크(T1)에 따라, 메인 어큐뮬레이터 재생 밸브(25)와 언로드 밸브(26)를 개폐 제어하면서, 어시스트 펌프(16), 프론트 펌프(7) 및 리어 펌프(8)를 제어하므로, 메인 어큐뮬레이터(17)의 축압 상태나 엔진 부하 토크(T1) 상태 등에 따라, 서브 어큐뮬레이터(18)에서 압력 변동을 평활화한 압유를 메인 어큐뮬레이터(17)에 적절한 타이밍에 차지할 수 있음과 함께, 메인 어큐뮬레이터(17) 또는 서브 어큐뮬레이터(18)로부터 어시스트 펌프(16)를 구동하기 위한 압유 에너지를 적절한 타이밍에 취출할 수 있다.
엔진(6)의 스타터 모터 시동 시에 메인 어큐뮬레이터 재생 밸브(25) 및 언로드 밸브(26)가 연동하여 개방 동작함으로써, 엔진 시동 시나, 아이들링 스톱으로부터의 엔진 재시동 시의 경우에, 메인 어큐뮬레이터(17)에 축압된 압유에 의하여, 어시스트 펌프(16)를 엔진 회전 방향으로 어시스트 모터로서 기능시킬 수 있으므로, 스타터 모터(6s)의 부하를 경감하는 것이 가능하고, 이로써, 스타터 모터(6s)의 소형화, 배터리 소비의 저감, 스타터 모터 사용 시의 불쾌한 기어 소리의 저감을 도모할 수 있다.
붐 실린더(3a), 선회 모터(9), 프론트 펌프(7), 리어 펌프(8), 어시스트 펌프(16), 메인 어큐뮬레이터(17) 및 서브 어큐뮬레이터(18) 등을 유압 기기로 하여, 유압 시스템을 이용한 하이브리드 시스템의 작업 기계를 구성했으므로, 발전 전동기나 축전 장치에 의하여 구성된 전기 시스템을 이용한 하이브리드 시스템과 비교하여 대폭적인 코스트 저감이 가능하고, 또한 메인터넌스가 적어, 러닝 코스트를 저감할 수 있다. 또, 기존의 유압식의 작업 기계에 용이하게 장착할 수 있다.
또한, 붐 하강과 선회 브레이크 시에 붐 실린더(3a) 및 선회 모터(9)로부터 방출되는 중압의 복귀 압유를 서브 어큐뮬레이터(18)를 통하여 효율적으로 회수할 수 있으므로, 지금까지 열로서 방출되고 있었던 유압 장치의 에너지 손실을 낮출 수 있고, 작동유의 온도 상승을 억제할 수 있으므로, 유압 냉각 장치를 소형화할 수 있다.
붐 헤드압 축압용 체크 밸브(20) 및 붐 재생 전환 밸브(21)에 의하여, 붐 하강 시에만 제2 붐 실린더(3a2)의 헤드 챔버의 압유를 서브 어큐뮬레이터(18)측으로 회수하여 메인 어큐뮬레이터(17) 내에 축압할 수 있음과 함께, 고압 선택 밸브(22), 시퀀스 밸브(23) 및 선회압 축압용 체크 밸브(24)에 의하여, 선회 모터(9)의 좌선회 브레이크 시 또는 우선회 브레이크 시에 발생하는 선회 브레이크압을 유지하면서, 선회 브레이크압을 넘는 압의 복귀유를 서브 어큐뮬레이터로 일단 회수하여 메인 어큐뮬레이터(17) 내에 축압할 수 있고, 그리고, 어시스트 펌프 유입측 체크 밸브(28), 어큐뮬레이터 간 체크 밸브(29) 및 어시스트 펌프 유출측 체크 밸브(30)에 의하여, 메인 어큐뮬레이터(17) 내의 고압의 압유를 어시스트 펌프(16)의 입구에 공급하는 방향으로만 유도할 수 있으므로, 붐 하강 시에 제2 붐 실린더(3a2)의 헤드 챔버로부터 방출된 복귀 압유와, 선회 브레이크 시의 선회 모터(9)로부터 방출된 복귀 압유의 유압 변동을, 서브 어큐뮬레이터(18)에 의하여 평활화하면서, 엔진(6)의 출력축에 직결된 어시스트 펌프(16)로 가압한 압유를 메인 어큐뮬레이터(17)에 고압 상태로 축압할 수 있고, 엔진(6)의 부하가 낮을 때에 잉여 에너지를 효율적으로 회수할 수 있음과 함께, 엔진(6)의 부하가 높을 때에 그 잉여 에너지를 유효 이용할 수 있어, 유압 장치의 에너지 손실을 낮출 수 있고, 따라서, 엔진(6) 및 유압 냉각 장치를 소형화할 수 있으며, 또한 엔진 소형화에 따라 엔진(6)의 냉각 장치, 에어 클리너 등의 관련 장치를 소형화할 수 있다. 또한, 고압용 메인 어큐뮬레이터(17)와, 중압용 서브 어큐뮬레이터(18)를 이용함으로써, 소형의 어시스트 펌프(16)에서도 효율적인 에너지 재생이 가능해진다.
산업상 이용가능성
본 발명은, 엔진 어시스트 장치 또는 작업 기계의 제조업, 판매업 등에 종사하는 사업자에게 산업상 이용가능성이 있다.
A 작업 기계
B 기체
C 작업 장치
1 하부 주행체
2 상부 선회체
3a 유체압 액추에이터로서의 붐 실린더
6 엔진
6s 스타터 모터
7 메인 펌프로서의 프론트 펌프
8 메인 펌프로서의 리어 펌프
9 유체압 액추에이터로서의 선회 모터
16 어시스트 펌프
17 메인 어큐뮬레이터
18 서브 어큐뮬레이터
20 붐 헤드압 축압용 체크 밸브
21 붐 재생 전환 밸브
22 고압 선택 밸브
23 시퀀스 밸브
24 선회압 축압용 체크 밸브
25 메인 어큐뮬레이터 재생 밸브
26 언로드 밸브
28 어시스트 펌프 유입측 체크 밸브
29 어큐뮬레이터 간 체크 밸브
30 어시스트 펌프 유출측 체크 밸브
40 컨트롤러
40a 어시스트 제어 수단
40b 메인 펌프 보정 수단
40c 차지 제어 수단
41 엔진 회전수 설정 수단으로서의 액셀 다이얼
42 엔진 회전수 센서
43 메인 펌프압 센서로서의 프론트 펌프압 센서
44 메인 펌프압 센서로서의 리어 펌프압 센서
45 메인 펌프 용량 센서로서의 프론트 펌프 경사판각 센서
46 메인 펌프 용량 센서로서의 리어 펌프 경사판각 센서
47 메인 어큐뮬레이터압 센서
48 서브 어큐뮬레이터압 센서
49 어시스트 펌프압 센서

Claims (5)

  1. 엔진에 의하여 가변 용량형의 메인 펌프를 구동하고, 이 메인 펌프로부터 토출된 가압 유체에 의하여 작동하는 유체압 액추에이터를 제동할 때에 발생하는 잉여 에너지를 어큐뮬레이터에 비축하여 엔진에 재생하는 엔진 어시스트 장치에 있어서,
    상기 엔진 혹은 메인 펌프에 직결되어, 엔진 어시스트용 모터 기능과 어큐뮬레이터 축압용 펌프 기능을 가지는 가변 용량형의 어시스트 펌프와,
    이 어시스트 펌프로부터 토출된 가압 유체를 비축하는 메인 어큐뮬레이터와,
    유체압 액추에이터로부터 유출된 복귀압 유체를 일시적으로 축압하여 어시스트 펌프 및 메인 어큐뮬레이터에 공급하는 서브 어큐뮬레이터와,
    엔진 설정 회전수를 지시하기 위한 엔진 회전수 설정 수단과,
    엔진 실회전수를 검출하는 엔진 회전수 센서와,
    메인 펌프로부터 토출된 메인 펌프압을 검출하는 메인 펌프압 센서와,
    메인 펌프의 가변된 용량을 검출하는 메인 펌프 용량 센서와,
    메인 어큐뮬레이터의 메인 어큐뮬레이터압을 검출하는 메인 어큐뮬레이터압 센서와,
    서브 어큐뮬레이터의 서브 어큐뮬레이터압을 검출하는 서브 어큐뮬레이터압 센서와,
    어시스트 펌프로부터 토출된 어시스트 펌프 토출압을 검출하는 어시스트 펌프압 센서와,
    메인 펌프압과 메인 펌프의 용량으로부터 엔진 부하 토크를 구하여, 이 엔진 부하 토크가, 엔진 회전수 설정 수단으로 설정된 어시스트 개시 토크를 넘은 경우는, 엔진 부하 토크와 어시스트 개시 토크의 토크차와, 메인 어큐뮬레이터압과 어시스트 펌프 토출압의 차압에 근거하여 어시스트 펌프의 용량을 연산하여 제어함과 함께, 메인 어큐뮬레이터로부터 토출되는 축압 유체를 어시스트 펌프로 유도하고, 엔진 부하 토크가, 엔진 회전수 설정 수단으로 설정된 차지 개시 토크보다 저하한 경우는, 엔진 부하 토크와 차지 개시 토크의 토크차와, 어시스트 펌프 토출압과 서브 어큐뮬레이터압의 차압에 근거하여 어시스트 펌프의 용량을 연산하여 제어함과 함께, 어시스트 펌프로부터 토출되는 가압 유체를 메인 어큐뮬레이터로 유도하는 컨트롤러
    를 구비한 것을 특징으로 하는 엔진 어시스트 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    메인 어큐뮬레이터로부터 어시스트 펌프로의 도중에 마련되어 개방 동작에 의하여 메인 어큐뮬레이터의 축압 유체를 어시스트 펌프에 가압 공급하는 메인 어큐뮬레이터 재생 밸브와,
    어시스트 펌프의 유체 유출측에 접속되어 개방 동작에 의하여 어시스트 펌프의 유체 유출측을 작동 유체 탱크에 개방하는 것이 가능한 언로드 밸브를 구비하고,
    컨트롤러는,
    메인 펌프압과 메인 펌프의 용량으로부터 엔진 부하 토크를 구하는 부하 토크 연산 수단과,
    엔진 부하 토크가, 엔진 회전수 설정 수단으로 설정된 어시스트 개시 토크를 넘은 경우는, 메인 어큐뮬레이터 재생 밸브와 언로드 밸브를 개방하여 메인 어큐뮬레이터압에 의하여 어시스트 펌프를 구동함과 함께, 엔진 부하 토크와 어시스트 개시 토크의 토크차와, 메인 어큐뮬레이터압과 어시스트 펌프 토출압의 차압에 근거하여, 어시스트 펌프의 용량을 연산하여 제어함으로써, 엔진을 어시스트하는 어시스트 제어 수단과,
    메인 어큐뮬레이터압으로 출력 가능한 어시스트 토크를 구하여, 이 어시스트 토크가 부족한 경우는, 메인 펌프의 토크를 보정하는 메인 펌프 보정 수단과,
    엔진 부하 토크가, 엔진 회전수 설정 수단으로 설정된 차지 개시 토크보다 저하한 경우는, 메인 어큐뮬레이터 재생 밸브와 언로드 밸브를 폐쇄하여 어시스트 펌프를 구동함과 함께, 엔진 부하 토크와 차지 개시 토크의 토크차와, 어시스트 펌프 토출압과 서브 어큐뮬레이터압의 차압에 근거하여, 어시스트 펌프의 용량을 연산하여 제어함으로써, 메인 어큐뮬레이터에 작동 유체를 축압시키는 차지 제어 수단
    을 구비한 것을 특징으로 하는 엔진 어시스트 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    엔진은, 직결된 스타터 모터를 구비하고,
    메인 어큐뮬레이터 재생 밸브 및 언로드 밸브는, 스타터 모터 시동 시에 연동하여 개방 동작하는 기능을 구비한
    것을 특징으로 하는 엔진 어시스트 장치.
  4. 기체와,
    이 기체에 탑재된 작업 장치와,
    기체 및 작업 장치에 마련된 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 따른 엔진 어시스트 장치를 구비하고,
    청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 따른 유체압 액추에이터, 메인 펌프, 어시스트 펌프, 메인 어큐뮬레이터 및 서브 어큐뮬레이터는, 유압 기기인
    것을 특징으로 하는 작업 기계.
  5. 청구항 4에 있어서,
    기체는,
    하부 주행체와,
    하부 주행체에 대하여 유압식의 선회 모터에 의하여 선회 가능한 상부 선회체를 구비하고,
    작업 장치는, 이 작업 장치를 상하 이동시키는 유압식의 붐 실린더를 구비하며,
    엔진 어시스트 장치에 있어서의 서브 어큐뮬레이터는, 붐 하강 시의 붐 실린더의 헤드 챔버로부터 방출된 압유 및 선회 브레이크 시의 선회 모터로부터 방출된 압유를 일시적으로 축압하는 기능을 구비하고,
    붐 하강 시의 붐 실린더의 헤드 챔버의 압유를 서브 어큐뮬레이터측으로 회수하는 방향의 흐름만을 가능하게 하는 붐 헤드압 축압용 체크 밸브와,
    이 붐 헤드압 축압용 체크 밸브를 거쳐 서브 어큐뮬레이터로 압유를 회수하기 위하여 폐쇄 상태로부터 개방 상태로 전환되는 붐 재생 전환 밸브와,
    선회 모터의 좌선회 브레이크 시 및 우선회 브레이크 시의 고압을 선택하는 고압 선택 밸브와,
    이 고압 선택 밸브의 하류측에 마련된 릴리프 기능을 겸비한 시퀀스 밸브와,
    이 시퀀스 밸브를 거친 압유를 서브 어큐뮬레이터측에 공급하는 선회압 축압용 체크 밸브와,
    서브 어큐뮬레이터로부터 어시스트 펌프의 유체 유입측으로의 흐름을 가능하게 하는 어시스트 펌프 유입측 체크 밸브와,
    서브 어큐뮬레이터로부터 메인 어큐뮬레이터로의 흐름을 가능하게 하는 어큐뮬레이터 간 체크 밸브와,
    어시스트 펌프로부터 토출된 압유를 메인 어큐뮬레이터에 축압할 수 있는 방향의 흐름을 가능하게 하는 어시스트 펌프 유출측 체크 밸브
    를 구비한 것을 특징으로 하는 작업 기계.
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