KR20210124745A

KR20210124745A - 건설기계의 엔진 부하에 따른 펌프 토크를 이용한 연비개선방법

Info

Publication number: KR20210124745A
Application number: KR1020200042178A
Authority: KR
Inventors: 강민호; 박준홍
Original assignee: 현대두산인프라코어(주)
Priority date: 2020-04-07
Filing date: 2020-04-07
Publication date: 2021-10-15

Abstract

본 발명에 따른 건설기계의 엔진 부하에 따른 펌프 토크를 이용한 연비개선방법은 S1) 건설기계 차량의 엔진 부하에 따른 펌프 토크 제한값을 설정하는 단계와, S2) 상기 건설기계 차량의 엔진과 엔진제어장치 사이에 구비되는 컨트롤러에서 상기 엔진제어장치로부터 엔진 부하 정보를 수신하고 수신된 엔진 부하 정보에 기초하여 상기 S1) 단계에서 설정된 펌프 토크 제한값에 따라 전자비례감압밸브를 제어하는 제어신호를 출력하는 단계와, S3) 상기 컨트롤러에서 출력된 제어신호를 상기 전자비례감압밸브에서 수신한 다음, 수신된 제어신호에 따라 생성된 유압신호를 상기 전자비례감압밸브에서 펌프를 제어하는 레귤레이터에 송신하는 단계와, S4) 상기 전자비례감압밸브로부터 유압신호를 상기 레귤레이터에서 수신하여 펌프의 작동을 제어하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

건설기계의 엔진 부하에 따른 펌프 토크를 이용한 연비개선방법{Method for improving fuel efficiency using pump torque according to engine load in a construction machinery}

본 발명은 건설기계의 연비개선방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 굴삭기 등의 건설기계에 있어서 엔진 부하에 따른 펌프 토크를 이용하여 연비를 개선하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 굴삭기 등과 같은 건설기계는 하부주행체에 상부선회체가 자유롭게 선회할 수 있도록 구성되고, 상부선회체의 프론트 작업 장치는 통상적으로 붐(boom), 아암(arm), 및 버켓(bucket) 등으로 구성되며, 건설기계의 작업은 붐, 아암 및 버켓 등과 같은 작업 장치를 유압 실린더와 같은 액츄에이터를 통해 제어함으로써 이루어진다.

그리고, 건설기계에서는 엔진에서 출력되는 동력에 의해 유압펌프와 파일럿 펌프를 구동하고, 유압펌프는 작동유를 토출하여 복수의 제어 유닛에 제공하며, 복수의 제어 유닛에는 액츄에이터가 각각 연결된다.

또한, 파일럿 펌프는 파일럿 작동유를 토출하여 복수의 제어 유닛의 스풀에 제공하고, 작업자가 조이스틱을 조작하면 조작에 해당되는 제어 유닛에 파일럿 작동유가 제공된다. 해당 제어 유닛의 스풀이 개방되면 작동유를 해당 액츄에이터에 제공하여 해당 액츄에이터가 구동하게 되고, 복수의 액츄에이터는 주행 모터, 붐 액츄에이터, 아암 액츄에이터, 버켓 액츄에이터 등이 있고, 추가적으로 옵션 액츄에이터 또는 아우트리거(outrigger), 도저(dozer)가 더 포함될 수도 있다.

이와 같은 굴삭기 등의 건설기계에 있어서 연비 성능을 좋게 하기 위해서는 작업 부하에 따라 펌프의 토크(torque)를 제한하고 있다.

펌프 토크의 제한은 펌프의 전자비례감압밸브(EPPR; Electronic Proportional Pressure Reduce) 밸브를 이용하여 사판각 제어를 하며, 이 때 작업 부하를 판단하기 위해 Px(작업 압력), Py(주행 압력)을 센싱하여 작업 부하 정도를 판단하고 있다.

그런데, 이와 같은 종래 방식에서 Px(작업 압력), Py(주행 압력)의 압력을 받아 작업 부하 정도를 판단하여 처리하게 되면 장비의 실제 부하의 확인이 어려워 정밀한 제어가 어려운 문제점이 있다.

또한, 압력센서와 이를 탑재하기 위한 부수적인 부품들이 필수적으로 장착되어야 하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 일정 구간 내의 엔진 부하에서 특정 펌프 토크를 내도록 전자비례감압밸브(EPPR)를 제어함으로써 연비를 개선할 수 있는 건설기계의 엔진 부하에 따른 펌프 토크를 이용한 연비개선방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 상기 S1) 단계에서 상기 펌프 토크 제한값의 설정은 엔진 부하가 증가함에 따라 펌프 토크의 제한값이 증가되도록 설정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 S1) 단계에서 상기 펌프 토크 제한값의 설정은 엔진 부하가 계단식으로 증가함에 따라 상기 펌프 토크의 제한값이 일정량만큼 증가되도록 설정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 S1) 단계에서 상기 펌프 토크 제한값의 설정은 엔진 부하율이 0~30% 이하일 경우 펌프 토크의 제한값은 70%, 엔진 부하율이 30% 초과 ~ 60% 이하일 경우 펌프 토크의 제한값은 80%, 엔진 부하율이 60% 초과 ~ 80% 이하일 경우 펌프 토크의 제한값은 90%, 엔진 부하율이 80% 초과 ~ 100%일 경우 펌프 토크의 제한값은 100%으로 각각 설정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 펌프는 샤프트에 경사지게 형성되는 사판의 각도가 조절되어 작동유 토출이 제어되고, 상기 레귤레이터는 상기 전자비례감압밸브로부터 입력되는 유압신호에 의해 변환되는 사판 제어밸브와, 상기 사판 제어밸브에 의해 신축 구동되는 서보 피스톤으로 이루어져서 상기 레귤레이터에 입력되는 유압신호에 의해 상기 서보 피스톤이 구동되고, 서보 피스톤의 구동에 연동되어 사판의 각도가 조절되면서 펌프 작동이 조절되는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에 따르면 작업 압력 및 주행 압력을 센싱하여 작업부하를 판단하지 않고 일정 구간 내의 엔진 부하에서 특정 펌프 토크를 내도록 전자비례감압밸브를 제어함으로써 연비를 개선할 수 있는 건설기계의 엔진 부하에 따른 펌프 토크를 이용한 연비개선방법이 제공된다.

도 1은 본 발명에서 엔진제어장치와 통신으로 정보를 공유하는 컨트롤러(EPOS)의 구성을 도시한 도면이고,
도 2는 본 발명에서 각 단계별 엔진 부하에 따른 펌프 토크 제한값을 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명에서 펌프와 펌프의 토출유량을 제어하는 레귤레이터를 도시한 도면이고,
도 4는 본 발명에서 유압펌프 제어장치의 유압회로도이며,
도 5는 펌프 유량과 배출 압력과의 상관 관계를 도시한 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 건설기계의 엔진 부하에 따른 펌프 토크를 이용한 연비개선방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에서 엔진제어장치와 통신으로 정보를 공유하는 컨트롤러(EPOS)의 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에서 각 단계별 엔진 부하에 따른 펌프 토크 제한값을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명에서 펌프와, 펌프의 토출유량을 제어하는 레귤레이터를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에서 유압펌프 제어장치의 유압회로도이며, 도 5는 펌프 유량과 배출 압력과의 상관 관계를 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 건설기계의 엔진 부하에 따른 펌프 토크를 이용한 연비개선방법은 S1) 건설기계 차량의 엔진 부하에 따른 펌프 토크 제한값을 설정하는 단계와, S2) 상기 건설기계 차량의 엔진과 엔진제어장치(10) 사이에 구비되는 컨트롤러(20)에서 상기 엔진제어장치(10)로부터 엔진 부하 정보를 수신하고 수신된 엔진 부하 정보에 기초하여 상기 S1) 단계에서 설정된 펌프 토크 제한값에 따라 전자비례감압밸브(30)를 제어하는 제어신호를 출력하는 단계와, S3) 상기 컨트롤러(20)에서 출력된 제어신호를 상기 전자비례감압밸브(30)에서 수신한 다음, 수신된 제어신호에 따라 생성된 유압신호를 상기 전자비례감압밸브(30)에서 펌프(40)를 제어하는 레귤레이터(60)에 송신하는 단계와, S4) 상기 전자비례감압밸브(30)로부터 유압신호를 상기 레귤레이터(60)에서 수신하여 펌프(40)의 작동을 제어하는 단계를 포함하여 이루어진다. 이하에서는 각 단계별로 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 먼저 S1) 건설기계 차량의 엔진 부하에 따른 펌프 토크 제한값을 설정한다.

도1은 본 발명에서 엔진제어장치(10)와, 통신으로 정보를 공유하는 컨트롤러(20)(EPOS)의 구성을 도시한 도면이다.

컨트롤러(20)(EPOS)는 건설기계 차량의 엔진과 엔진제어장치(10)(ECU) 사이에 구비되어 엔진과 엔진제어장치(10)(ECU)가 CAN(Controller Area Network)통신으로 정보를 공유하도록 하는 EPOS(Electric power optimizing system) 컨트롤러(20)로서 모니터와도 CAN통신으로 결합되어 서로 정보를 공유하면서 장비의 유압 시스템 및 엔진이 최적으로 운전되도록 하고, 효율적인 작업을 지원하는 파워모드 및 워크모드 제어를 수행한다.

한편, 굴삭기 등과 같은 건설기계는 하부주행체에 상부선회체가 자유롭게 선회할 수 있도록 구성되고, 상부선회체의 프론트 작업 장치는 통상적으로 붐(boom), 아암(arm), 및 버켓(bucket) 등으로 구성되며, 건설기계의 작업은 붐, 아암 및 버켓 등과 같은 작업 장치를 유압 실린더와 같은 복수의 액츄에이터를 통해 제어함으로써 이루어진다. 그리고, 이러한 복수의 액츄에이터는 엔진에 의해 구동되는 가변 용량형 유압 펌프(40)로부터 토출되는 작동유에 의해 구동된다.

본 발명에서는 컨트롤러(20)(EPOS)에 엔진 부하에 따라 이러한 작동유를 토출하는 펌프 토크의 제한값이 설정 입력되고 이에 따라 전자비례감압밸브(30)(EPPR)를 제어하게 되며, 구체적으로 엔진 부하가 계단식으로 증가함에 따라 펌프 토크의 제한값을 일정량 만큼 증가시키도록 제어한다.

도 2 및 아래 표1은 각 단계별 엔진 부하에 따른 펌프 토크 제한값을 도시한 도면으로, 엔진부하율이 0~30% 이하일 경우 펌프 토크는 70%, 엔진부하율이 30% 초과 ~ 60% 이하일 경우 펌프 토크는 80%, 엔진부하율이 60% 초과 ~ 80% 이하일 경우 펌프 토크는 90%, 엔진부하율이 80% 초과 ~ 100%일 경우 펌프 토크는 100%으로 제한값이 각각 설정된다.

엔진부하율	펌프 토크
0~30%	70%
30~60%	80%
60~80%	90%
80~100%	100%

엔진 부하(토크)는 작업 부하에 따라 변하는 특성이 있고, 본 발명에서는 이를 이용하여 엔진 부하에 따른 펌프 토크 제한값을 설정하고, 설정된 펌프 토크의 제한은 펌프(40)의 전자비례감압밸브(30)를 이용하여 펌프(40)의 사판각 제어를 하게 된다.

엔진 부하에 따른 펌프 토크 제한의 설정값은 컨트롤러(20)에 입력되어 컨트롤러(20)(EPOS)가 가지고, 이 설정값이 CAN 통신으로 ECU 및 컨트롤러(20)(EPOS)와 공유될 수 있다.

이와 같이 엔진 부하에 따른 펌프 토크 제한값을 설정하고 그 다음 S2) 컨트롤러(20)(EPOS)는 엔진제어장치(10)(ECU)로부터 엔진부하 정보를 포함하는 엔진출력신호를 수신하고, 수신된 엔진부하 정보에 기초하여 설정된 펌프 토크 제한값에 따라 전자비례감압밸브(30)(EPPR; Electronic Proportional Pressure Reduce)를 제어하기 위한 제어신호를 전자비례감압밸브(30)에 출력한다.

그리고 S3) 컨트롤러(20)에서 출력된 제어신호를 전자비례감압밸브(30)에서 수신한 다음 전자비례감압밸브(30)에서 수신된 제어신호에 따라 생성된 유압신호를 펌프(40)를 제어하는 레귤레이터(60)에 송신하고, S4) 레귤레이터(60)에서 전자비례감압밸브(30)로부터 유압신호를 수신하면 이에 따라 펌프(40)의 작동을 제어하게 된다.

전자비례감압밸브(30)는 인가되는 전압에 비례하여 압력을 생성시켜 주는 장치로 인가되는 전압에 비례하여 압력을 생성하여 유압 신호로 전달하게 된다.

전술한 바와 같이 본 발명에서는 엔진 부하에 따라 펌프 토크의 제한값을 설정하고 전자비례감압밸브(30)(EPPR)를 제어하는데, 컨트롤러(20)(EPOS)에서 설정된 펌프 토크에 따라 전자비례감압밸브(30)에 전압을 인가하고 이에 따라 전자비례감압밸브(30)는 엔진 부하에 따라 설정된 펌프 토크에 맞는 유압신호를 생성하여 레귤레이터(60)에 전달한다. 전자비례감압밸브(30)에 필요한 유량은 보조 펌프(43)로부터 공급된다. 그러면, 레귤레이터(60)에서는 설정된 펌프 토크에 따라 서보 피스톤(61)을 구동시켜 펌프(40)를 제어하게 된다.

도3은 본 발명에 따른 건설기계의 유압시스템에서 펌프(40)와, 펌프(40)의 토출유량을 제어하는 레귤레이터(60)를 도시한 도면이다.

건설기계에서 붐, 아암, 버켓 등의 작업기를 구동시키는 복수의 액츄에이터에 작동유를 공급하는 펌프(40)로는 레귤레이터(60)인 피스톤 조립품이 샤프트와 나란하게 배치되고 사판(41)(swash plate)이 샤프트 대비 일정한 각도로 기울어지는 사판식 펌프(40)와, 피스톤 조립품 자체가 샤프트 대비 일정한 각도로 기울어져 배치되는 사축식 펌프가 있다.

도 3은 사판식 펌프(40)를 도시한 것으로, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명에서 유압시스템을 설명하면 건설기계 엔진에 직결되어 구동되는 2개의 메인 펌프(40)와 하나의 보조펌프(43)가 구비된다.

메인 펌프(40)는 사판(41)의 각도에 따라 토출되는 유량이 가변하는 가변용량 펌프(40)이다. 이러한 메인 펌프(40)에는 펌프(40)의 토출 유량을 제어하는 레귤레이터(60)가 구비되고, 레귤레이터(60)는 사판(41)의 각도를 조절하여 토출 유량을 제어하게 된다.

구체적으로 레귤레이터(60)에 입력되는 신호압에 의해 사판 제어밸브(62)가 변환되고 이에 의해 서보 피스톤(61)이 신축 구동된다. 그러면, 상기 서보 피스톤(61)의 구동에 연동되어 사판(41)의 경사 각도가 조절되고 이에 의해 메인 펌프(40)의 토크 및 유량이 조절된다.

레귤레이터(60)에 인가되는 신호압 중 하나는 복수의 컨트롤 밸브로 이루어지는 메인 컨트롤 밸브(MCV; Main Control Valve)를 통과하는 센터바이패스 라인의 압력으로 구성된다. 메인 컨트롤 밸브는 운전자가 작업 레버를 조작하는 신호를 감지하여 붐, 아암, 버켓 등의 작업기에 필요한 유량을 조정하기 위한 신호압력을 펌프(40)로 보내게 된다. 펌프(40)의 배출압력을 감지하기 위한 압력센서(42)가 센터바이패스 라인에 분기되어 연결된다.

이러한 레귤레이터(60)에서 전자비례감압밸브(30)로부터 유압신호를 수신하고, 이 유압신호에 따라 펌프(40)의 작동을 제어하게 된다.

도 5는 펌프(40) 유량과 배출 압력과의 상관 관계를 도시한 것으로, 도면에서 x축은 두 개의 메인 펌프(40)의 배출압력을 나타내고 y축은 배출 유량을 나타낸다. 그리고 도5에서 실선으로 표시된 (a), (b), (c), (d)는 각각 전자비례감압밸브(30)(EPPR)의 전류가 I=0mA(Pf=0MPa), I=600mA(Pf=1.0MPa), I=900mA(Pf=2.1MPa), I=1200mA(Pf=3.2MPa)일 때 원래 유량과 배출압력의 관계를 나타낸 것이고, 점선으로 표시된 [1], [2], [3], [4]는 각각 본 발명에 따른 유량과 배출압력 관계를 나타낸 것으로, 엔진회전수가 2100rpm일 때 [1]로 표시된 점선이 본 발명에서 펌프 토크 제한값 100%(펌프 토크 30.0kW(40.7PS))를 나타내고, [2]로 표시된 점선이 펌프 토크 90%(펌프 토크 26.0kW(35.4PS))를, [3]으로 표시된 점선이 펌프 토크 80%(펌프 토크 22.5kW(30.7PS))를, [4]로 표시된 점선이 펌프 토크 70%(펌프 토크 18.2kW(24.8PS))를 각각 나타낸다.

본 발명에서는 전술한 바와 같이 일정 구간 내의 엔진 부하에서 특정 펌프 토크를 내도록 전자비례감압밸브(30)를 제어함으로써 부수적인 부품 장착 없이 엔진제어장치(10)가 송신하는 CAN 데이터를 이용하여 연비 개선 효과를 거둘 수 있는 장점이 있고 실제 부하 확인이 가능하여 정밀한 제어가 가능해지는 장점이 있다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

10 : 엔진제어장치 20 : 컨트롤러
30 : 전자비례감압밸브 40 : 펌프
60 : 레귤레이터

Claims

S1) 건설기계 차량의 엔진 부하에 따른 펌프 토크 제한값을 설정하는 단계와,
S2) 상기 건설기계 차량의 엔진과 엔진제어장치 사이에 구비되는 컨트롤러에서 상기 엔진제어장치로부터 엔진 부하 정보를 수신하고 수신된 엔진 부하 정보에 기초하여 상기 S1) 단계에서 설정된 펌프 토크 제한값에 따라 전자비례감압밸브를 제어하는 제어신호를 출력하는 단계와,
S3) 상기 컨트롤러에서 출력된 제어신호를 상기 전자비례감압밸브에서 수신한 다음, 수신된 제어신호에 따라 생성된 유압신호를 상기 전자비례감압밸브에서 펌프를 제어하는 레귤레이터에 송신하는 단계와,
S4) 상기 전자비례감압밸브로부터 유압신호를 상기 레귤레이터에서 수신하여 펌프의 작동을 제어하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 건설기계의 엔진 부하에 따른 펌프 토크를 이용한 연비개선방법.
제1항에 있어서,
상기 S1) 단계에서 상기 펌프 토크 제한값의 설정은 엔진 부하가 증가함에 따라 펌프 토크의 제한값이 증가되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 엔진 부하에 따른 펌프 토크를 이용한 연비개선방법.
제2항에 있어서,
상기 S1) 단계에서 상기 펌프 토크 제한값의 설정은 엔진 부하가 계단식으로 증가함에 따라 상기 펌프 토크의 제한값이 일정량만큼 증가되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 엔진 부하에 따른 펌프 토크를 이용한 연비개선방법.
제2항에 있어서,
상기 S1) 단계에서 상기 펌프 토크 제한값의 설정은 엔진 부하율이 0~30% 이하일 경우 펌프 토크의 제한값은 70%, 엔진 부하율이 30% 초과 ~ 60% 이하일 경우 펌프 토크의 제한값은 80%, 엔진 부하율이 60% 초과 ~ 80% 이하일 경우 펌프 토크의 제한값은 90%, 엔진 부하율이 80% 초과 ~ 100%일 경우 펌프 토크의 제한값은 100%으로 각각 설정되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 엔진 부하에 따른 펌프 토크를 이용한 연비개선방법.
제1항에 있어서,
상기 펌프는 샤프트에 경사지게 형성되는 사판의 각도가 조절되어 작동유 토출이 제어되고,
상기 레귤레이터는 상기 전자비례감압밸브로부터 입력되는 유압신호에 의해 변환되는 사판 제어밸브와, 상기 사판 제어밸브에 의해 신축 구동되는 서보 피스톤으로 이루어져서 상기 레귤레이터에 입력되는 유압신호에 의해 상기 서보 피스톤이 구동되고, 서보 피스톤의 구동에 연동되어 사판의 각도가 조절되면서 펌프 작동이 조절되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 엔진 부하에 따른 펌프 토크를 이용한 연비개선방법.