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KR101503097B1 - 엔진의 제어 장치 - Google Patents

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KR101503097B1
KR101503097B1 KR1020107005902A KR20107005902A KR101503097B1 KR 101503097 B1 KR101503097 B1 KR 101503097B1 KR 1020107005902 A KR1020107005902 A KR 1020107005902A KR 20107005902 A KR20107005902 A KR 20107005902A KR 101503097 B1 KR101503097 B1 KR 101503097B1
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generator
torque
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다다시 가와구치
준 모리나가
히로아키 이노우에
Original Assignee
가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
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Abstract

스로틀 다이얼에 의해 엔진의 제 1 목표 회전수를 설정하는 엔진 회전수 설정부 (51) 와, 유압 펌프의 부하압에 따라 릴리프시에 있어서의 엔진의 최대 목표 회전수를 제한하는 제 2 목표 회전수를 연산하는 릴리프시 엔진 최대 회전수 연산부 (52) 와, 제 1 목표 회전수 및 제 2 목표 회전수 중 어느 낮은 목표 회전수에 일치하도록 엔진 회전수를 제어하는 회전수 제어 수단과, 엔진의 목표 회전수와 실제 엔진 회전수의 편차를 기초로 발전 전동기를 엔진 토크 어시스트 작용시킬지의 여부를 판정하는 판정 수단을 구비하고, 회전수 제어 수단은, 판정 수단이 엔진 토크 어시스트 작용을 실시시키는 것으로 판정한 경우, 발전 전동기의 엔진 토크 어시스트 작용을 사용하여 목표 회전수에 일치하도록 엔진 회전수를 제어하여, 릴리프시 등의 고부하시에 있어서의 펌프 효율 및 엔진 효율을 높인다.

Description

엔진의 제어 장치{ENGINE CONTROLLER}
본 발명은, 엔진에 의해 유압 펌프를 구동시키는 경우에 사용되는 엔진의 제어 장치에 관한 것이다.
종래부터 유압 셔블, 불도저, 덤프 트럭, 휠 로더 등의 건설 기계에는, 디젤 엔진이 탑재되어 있다.
도 9 를 사용하여 종래의 건설 기계 (100) 의 개요 구성에 대해 설명한다. 도 9 에 나타내는 바와 같이, 건설 기계 (100) 는 디젤 엔진인 엔진 (2) 을 구동원으로 하여 유압 펌프 (3) 를 구동시킨다. 유압 펌프 (3) 는 가변 용량형 유압 펌프가 사용되고, 그 사판 (3a) 의 경전각 (傾轉角) 등을 변화시킴으로써 용량 (q) (cc/rev) 이 변화된다. 유압 펌프 (3) 로부터 토출압 (PRP), 유량 (Q) (cc/min) 으로 토출된 압유 (壓油) 는, 조작 밸브 (21 ∼ 26) 를 통하여 붐 실린더 (31) 등의 각 유압 액츄에이터 (31 ∼ 36) 에 공급된다. 각 조작 밸브 (21 ∼ 26) 는 각 조작 레버 (41, 42) 의 조작에 의해 작동된다. 각 유압 액츄에이터 (31 ∼ 36) 에 압유가 공급됨으로써 각 유압 액츄에이터 (31 ∼ 36) 가 구동되고, 각 유압 액츄에이터 (31 ∼ 36) 에 접속된 붐, 아암, 버킷으로 이루어지는 작업기, 하부 주행체, 상부 선회체가 작동된다. 건설 기계 (100) 가 가동되고 있는 동안, 작업기, 하부 주행체, 상부 선회체에 걸리는 부하는, 굴삭 토질, 주행로 구배 등에 따라 끊임없이 변화된다. 이에 따라 유압 기기 (유압 펌프 (3)) 의 부하 (이하 유기 (油機) 부하), 요컨대 엔진 (2) 에 걸리는 부하가 변화된다.
엔진 (2) 의 출력 (P) (마력 ; kw) 제어는, 실린더 내에 분사되는 연료량을 조정하여 실시된다. 이 조정은, 엔진 (1) 의 연료 분사 펌프에 부설된 거버너 (4) 를 제어함으로써 실시된다. 거버너 (4) 로는, 일반적으로 올 스피드 제어 방식의 거버너가 사용되고, 연료 다이얼로 설정된 목표 엔진 회전수가 유지되도록, 부하에 따라 엔진 회전수 (n) 와 연료 분사량 (토크 (T)) 이 조정된다. 즉, 거버너 (4) 는, 목표 회전수와 엔진 회전수의 차이가 없어지도록 연료 분사량을 증감시킨다.
도 10 은 엔진 (2) 의 토크선도를 나타내고 있으며, 횡축에 엔진 회전수 (n) (rpm ; rev/min) 를 취하고, 종축에 토크 (T) (N·m) 를 취하고 있다. 도 10 에 있어서, 최대 토크선 (R) 으로 규정되는 영역이 엔진 (2) 이 낼 수 있는 성능을 나타낸다. 거버너 (4) 는, 토크 (T) 가 최대 토크선 (R) 을 초과하여 배기연 한계가 되지 않도록, 또 엔진 회전수 (n) 가 고 아이들 회전수 (nH) 를 초과하여 과회전이 되지 않도록, 엔진 (2) 을 제어한다. 최대 토크선 (R) 상의 정격점 (V) 에서 엔진 (2) 의 출력 (마력) (P) 이 최대가 된다. J 는, 유압 펌프 (3) 에서 흡수되는 마력이 등 (等) 마력으로 되어 있는 등마력 곡선을 나타내고 있다.
연료 다이얼로 최대 목표 회전수가 설정되면, 거버너 (4) 는 정격점 (V) 과 고 아이들점 (nH) 을 연결하는 최고속 레귤레이션 라인 (Fe) 상에서 조속 (調速) 을 실시한다.
유압 펌프 (3) 의 부하가 커짐에 따라, 엔진 (2) 의 출력과 펌프 흡수 마력이 균형을 이루는 매칭점은, 최고속 레귤레이션 라인 (Fe) 상을 정격점 (V) 측으로 이동한다. 매칭점이 정격점 (V) 측으로 이동할 때 엔진 회전수 (n) 는 서서히 감소되고, 정격점 (V) 에서는 엔진 회전수 (n) 는 정격 회전수가 된다.
이와 같이 엔진 회전수 (n) 를 거의 일정한 고회전수로 고정시켜 작업을 실시하면, 연료 소비율이 크고 (나쁘고), 펌프 효율이 낮다는 문제가 있다. 또한, 연료 소비율 (이하 연비) 이란, 1 시간, 출력 1 ㎾ 당의 연료 소비량을 말하며, 엔진 (2) 효율의 하나의 지표이다. 또 펌프 효율이란, 용적 효율, 토크 효율로 규정되는 유압 펌프 (3) 의 효율을 말한다.
도 10 에 있어서, M 은 등연비 곡선을 나타내고 있다. 등연비 곡선 (M) 의 골이 되는 M1 에서 연비가 최소가 되고, 연비 최소점 (M1) 에서 외측을 향함에 따라 연비는 커진다.
도 10 으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 레귤레이션 라인 (Fe) 은 등연비 곡선 (M) 상에서 연비가 비교적 큰 영역에 상당한다. 이 때문에, 종래의 제어 방법에 의하면 연비가 커서 (나빠서), 엔진 효율상 바람직하지 않다.
한편, 가변 용량형 유압 펌프 (3) 의 경우, 일반적으로 동일한 토출압 (PRP) 이면 펌프 용량 (q) (사판 경전 각도) 이 클수록 용적 효율, 토크 효율이 높고 펌프 효율이 높다는 것이 알려져 있다.
또 하기 (1) 식으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 유압 펌프 (3) 로부터 토출되는 압유의 유량 (Q) 이 동일하면, 엔진 (2) 의 회전수 (n) 를 낮게 하면 할수록 펌프 용량 (q) 을 크게 할 수 있다. 이 때문에 엔진 (2) 을 저속화시키면 펌프 효율을 높게 할 수 있다.
Q ＝ n·q … (1)
따라서 유압 펌프 (3) 의 펌프 효율을 높이기 위해서는, 엔진 (2) 을 회전수 (n) 가 낮은 저속 영역에서 가동시키면 된다.
그러나, 도 10 으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 레귤레이션 라인 (Fe) 은 엔진 (2) 의 고회전 영역에 상당한다. 이 때문에 종래의 제어 방법에 의하면 펌프 효율이 낮다는 문제가 있다.
또, 레귤레이션 라인 (Fe) 상에서 엔진 (2) 을 가동시키면, 고부하가 되면 엔진 회전수가 저하되기 때문에, 엔진 고장에 이를 우려가 있다.
이와 같은 부하에 상관없이 엔진 회전수를 거의 고정으로 하는 제어 방법에 대하여, 레버 조작량 및 부하에 따라 엔진 회전수를 변화시킨다는 제어 방법이 특허문헌 1 에 기재되어 있다.
이 특허문헌 1 에서는, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 연비 최소점 (M1) 을 통과하는 목표 엔진 운전선 (L0) 이 설정된다.
그리고, 각 조작 레버 (41, 42, 43, 44) 의 조작량 등에 기초하여 유압 펌프 (3) 의 필요 회전수가 연산되고, 이 펌프 필요 회전수에 대응하는 제 1 엔진 필요 회전수가 연산된다. 또, 각 조작 레버 (41, 42, 43, 44) 의 조작량 등에 기초하여 엔진 필요 마력이 연산되고, 이 엔진 필요 마력에 대응하는 제 2 엔진 필요 회전수가 산출된다. 여기서, 제 2 엔진 필요 회전수는 도 10 의 목표 엔진 운전선 (L0) 상의 엔진 회전수로서 산출된다. 그리고, 이들 제 1 및 제 2 엔진 필요 회전수 중 큰 쪽의 엔진 목표 회전수가 얻어지도록, 엔진 회전수 및 엔진 토크가 제어된다.
도 10 에 나타내는 바와 같이, 목표 엔진 운전선 (L0) 을 따라 엔진 (2) 의 회전수를 제어하면, 연비, 엔진 효율, 펌프 효율이 향상된다. 이것은, 동일한 마력을 출력시켜 동일한 요구 유량을 얻는 경우에도, 레귤레이션 라인 (Fe) 상의 점 (pt1) 에서 매칭시키는 것보다도, 동일한 등마력선 (J) 상의 점으로서 목표 엔진 운전선 (L0) 상의 점 (pt2) 에서 매칭시키는 쪽이, 고회전, 저토크에서 저회전, 고토크로 이행되고, 펌프 용량 (q) 이 커지며, 등연비 곡선 (M) 상의 연비 최소점 (M1) 에 가까운 점에서 운전되기 때문이다. 또 저회전 영역에서 엔진 (2) 이 가동됨으로써 소음의 향상이 도모되고, 엔진 마찰, 펌프 언로드 손실 등이 향상된다.
또, 건설 기계의 분야에서, 발전 전동기에 의해 엔진의 구동력을 어시스트하는 하이브리드 방식의 건설 기계가 개발되고 있으며, 이미 많은 특허 출원이 이루어져 있다.
예를 들어, 특허문헌 2 에서는, 도 10 을 유용하면, 연료 다이얼로 설정된 설정 회전수에 대응하는 레귤레이션 라인 (Fe0) 을 따라 엔진 (2) 을 제어하고 있다. 레귤레이션 라인 (Fe0) 과 목표 엔진 운전선 (L0) 이 교차하는 점 (A) 에 대응하는 목표 회전수 (nr) 를 구하고, 엔진 목표 회전수 (nr) 와 현재의 엔진 회전수 (n) 의 편차가 정 (正) 인 경우에는, 발전 전동기를 전동 작용시켜 엔진 (2) 의 구동력을, 발전 전동기에서 발생된 토크에 의해 어시스트하고, 동 편차가 부 (負) 인 경우에는, 발전 전동기를 발전 작용시켜 축전기에 전력을 축적시키고 있다.
일본 공개특허공보 평11-2144호 일본 공개특허공보 2003-28071호
그런데, 특허문헌 2 에 기재된 발명에서는, 연료 다이얼로 설정된 설정 회전수에 대응하는 레귤레이션 라인 (Fe0) 을 따라 엔진 (2) 을 제어하고 있다. 이와 같은 제어 처리로, 작업기가 단단한 암반 등에 부딪히는 등의 고부하가 되면, 펌프압이 급격하게 높아지고, 릴리프 밸브가 동작하여, 여분의 에너지 손실을 초래하기 때문에, 종래에는 유압 펌프의 사판 제어에 의해 펌프 용량을 변화시키고, 이로써 릴리프 유량을 낮추도록 하였다.
그러나, 릴리프 유량을 낮추기 위해 펌프 용량을 작게 하면, 펌프 효율이 낮아진다는 문제점이 있었다. 또, 이 경우 엔진 회전수는 최적 엔진 회전수보다 높은 엔진 회전수이기 때문에, 엔진의 효율도 나쁘다는 문제점이 있었다.
본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 릴리프시 등의 고부하시에 있어서의 펌프 효율 및 엔진 효율을 높일 수 있는 엔진의 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 서술한 과제를 해결하여 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관련된 엔진의 제어 장치는, 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프와, 상기 유압 펌프로부터 토출된 압유가 공급되는 유압 액츄에이터와, 각 유압 액츄에이터를 조작하는 조작 수단과, 엔진 목표 회전수의 설정 다이얼에 의해 상기 엔진의 제 1 목표 회전수를 설정하는 제 1 목표 회전수 설정 수단과, 상기 유압 펌프의 부하압이 높아짐에 따라 엔진의 최대 목표 회전수를 제한하는 제 2 목표 회전수를 연산하는 제 2 목표 회전수 연산 수단과, 상기 제 1 목표 회전수 및 상기 제 2 목표 회전수 중 어느 낮은 목표 회전수에 일치하도록 엔진 회전수를 제어하는 회전수 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 관련된 엔진의 제어 장치는, 상기의 발명에 있어서, 상기 엔진의 출력축에 연결된 발전 전동기와, 상기 발전 전동기가 발전시킨 전력을 축적시킴과 함께 발전 전동기에 전력을 공급하는 축전기와, 상기 유압 펌프의 부하압이 높은 상태에서 낮은 상태로 갑자기 전환되었을 때, 상기 엔진의 실 (實) 회전수가 상기 목표 회전수에 대하여 미리 설정한 값 이상으로 상승될 때까지는 상기 발전 전동기의 엔진 토크 어시스트 작용을 사용하여 상기 목표 회전수에 일치하도록 엔진 회전수를 제어하는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 관련된 엔진의 제어 장치는, 상기의 발명에 있어서, 상기 엔진의 출력축에 연결된 발전 전동기와, 상기 발전 전동기가 발전시킨 전력을 축적시킴과 함께 발전 전동기에 전력을 공급하는 축전기와, 상기 유압 펌프의 부하압이 높은 상태에서 낮은 상태로 감소됨에 따라, 상기 제 2 목표 회전수가 상승됨으로써, 상기 엔진의 실제 회전수가 상기 목표 회전수보다 미리 설정한 값보다 작은 경우, 상기 실제 회전수가 상기 목표 회전수보다 미리 설정한 값보다 작은 값 이상으로 상승될 때까지는, 상기 발전 전동기의 엔진 토크 어시스트 작용을 사용하여 상기 목표 회전수에 일치하도록 엔진 회전수를 제어하는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관련된 엔진의 제어 장치는, 제 1 목표 회전수 설정 수단이, 엔진 목표 회전수의 설정 다이얼에 의해 엔진의 제 1 목표 회전수를 설정하고, 제 2 목표 회전수 연산 수단이, 유압 펌프의 부하압이 높아짐에 따라 엔진의 최대 목표 회전수를 제한하는 제 2 목표 회전수를 연산하고, 회전수 제어 수단이, 상기 제 1 목표 회전수 및 상기 제 2 목표 회전수 중 어느 낮은 목표 회전수에 일치하도록 엔진 회전수를 제어하여, 엔진 회전수를 낮게 하도록 하고 있으므로, 릴리프시 등의 고부하시에 있어서의 펌프 효율 및 엔진 효율을 높일 수 있다.
도 1 은 본 발명의 실시형태에 관련된 건설 기계의 개요 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2 는 도 1 에 나타낸 제어기의 제어 플로우를 나타내는 도면이다 (그 1).
도 3 은 도 1 에 나타낸 제어기의 제어 플로우를 나타내는 도면이다 (그 2).
도 4 는 어시스트 유무 판정부의 처리 플로우를 나타내는 도면이다.
도 5 는 엔진 가속시에 모듈레이션 처리가 없는 경우의 동작을 설명하는 도면이다.
도 6 은 엔진 가속시에 모듈레이션 처리가 있는 경우의 동작을 설명하는 도면이다.
도 7 은 엔진 감속시에 모듈레이션 처리가 없는 경우의 동작을 설명하는 도면이다.
도 8 은 엔진 감속시에 모듈레이션 처리가 있는 경우의 동작을 설명하는 도면이다.
도 9 는 종래의 건설 기계의 개요 구성을 나타내는 블록도이다.
도 10 은 종래 기술을 설명하기 위해 사용한 토크선도이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태인 엔진의 제어 장치에 대해 설명한다. 또한, 이 실시형태에서는, 유압 셔블 등의 건설 기계에 탑재되는 디젤 엔진 및 유압 펌프를 제어하는 경우에 대해 설명한다.
도 1 은 본 발명의 실시형태인 건설 기계 (1) 의 전체 구성을 나타내는 도면이다. 이 건설 기계 (1) 는 유압 셔블이다.
건설 기계 (1) 는 상부 선회체와 하부 주행체를 구비하고, 하부 주행체는 좌우의 판사슬로 이루어진다. 차체에는 붐, 아암, 버킷으로 이루어지는 작업기가 장착되어 있다. 붐 실린더 (31) 가 구동됨으로써 붐이 작동되고, 아암 실린더 (32) 가 구동됨으로써 아암이 작동되고, 버킷 실린더 (33) 가 구동됨으로써 버킷이 작동된다. 또 주행 모터 (36) 및 주행 모터 (35) 가 각각 구동됨으로써 좌측 판사슬 및 우측 판사슬이 각각 회전한다. 또, 선회 모터 (34) 가 구동됨으로써 스윙 기계가 구동되고, 스윙 피니언, 스윙 서클 등을 통하여 상부 선회체가 선회한다.
엔진 (2) 은 디젤 엔진이며, 그 출력 (마력 ; kw) 의 제어는 실린더 내에 분사되는 연료량을 조정함으로써 실시된다. 이 조정은 엔진 (2) 의 연료 분사 펌프에 부설된 거버너를 제어함으로써 실시되고, 엔진 제어기 (4) 는 이 거버너의 제어를 포함시킨 엔진의 제어를 실시한다.
스로틀 다이얼 (50) 은 제어기 (6) 에 대하여 엔진 (2) 의 목표 회전수를 설정하는 다이얼이며, 그 목표 회전수를 나타내는 신호 Throttle 을 제어기 (6) 에 출력한다.
제어기 (6) 는 엔진 제어기 (4) 에 대하여 엔진 회전수를 목표 회전수 (n-com) 로 하기 위한 회전 지령값을 출력하고, 엔진 제어기 (4) 는 목표 회전수 (n_com) 가 얻어지도록 연료 분사량을 증감시킨다. 또, 엔진 제어기 (4) 는 엔진 (2) 에 관한 엔진 데이타 (eng_data) 를 제어기 (6) 에 출력한다.
엔진 (2) 의 출력축은, PTO 축 (10) 을 개재하여 발전 전동기 (11) 의 구동축에 연결된다. 발전 전동기 (11) 는 발전 작용과 전동 작용을 실시한다. 요컨대, 발전 전동기 (11) 는 전동기 (모터) 로서 작동되고, 또 발전기로서도 작동된다. 또 발전 전동기 (11) 는 엔진 (2) 을 시동시키는 스타터로서도 기능한다. 스타터 스위치가 온되면, 발전 전동기 (11) 가 전동 작용되고, 엔진 (2) 의 출력축을 저회전 (예를 들어 400 ∼ 500 rpm) 으로 회전시켜 엔진 (2) 을 시동시킨다.
발전 전동기 (11) 는 인버터 (13) 에 의해 토크 제어된다. 인버터 (13) 는 후술하는 바와 같이, 제어기 (6) 로부터 출력되는 발전 전동기 지령값 (GEN_com) 에 따라 발전 전동기 (11) 를 토크 제어한다.
인버터 (13) 는 직류 전원선을 통하여 축전기 (12) 에 전기적으로 접속되어 있다. 또한 제어기 (6) 는 축전기 (12) 를 전원으로서 동작시킨다.
축전기 (12) 는 커패시터나 축전지 등에 의해 구성되고, 발전 전동기 (11) 가 발전 작용된 경우에 발전시킨 전력을 축적시킨다 (충전시킨다). 또 축전기 (12) 는 동 축전기 (12) 에 축적된 전력을 인버터 (13) 에 공급한다. 또한 본 명세서에서는 정전기로서 전력을 축적시키는 커패시터나 납 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 등의 축전지도 포함시켜 「축전기」라고 칭하는 것으로 한다.
엔진 (2) 의 출력축에는, PTO 축 (10) 을 개재하여 유압 펌프 (3) 의 구동축이 연결되어 있고, 엔진 출력축이 회전함으로써 유압 펌프 (3) 가 구동된다. 유압 펌프 (3) 는 가변 용량형 유압 펌프이며, 사판의 경전각이 변화됨으로써 용량 (q) (cc/rev) 이 변화된다.
유압 펌프 (3) 로부터 토출압 (PRp), 유량 (Q) (cc/min) 으로 토출된 압유는, 붐용 조작 밸브 (21), 아암용 조작 밸브 (22), 버킷용 조작 밸브 (23), 선회용 조작 밸브 (24), 우측 주행용 조작 밸브 (25), 좌측 주행용 조작 밸브 (26) 에 각각 공급된다. 펌프 토출압 (PRp) 은 유압 센서 (7) 로 검출되고, 유압 검출 신호가 제어기 (6) 에 입력된다.
조작 밸브 (21 ∼ 26) 로부터 출력된 압유는 각각 붐 실린더 (31), 아암 실린더 (32), 버킷 실린더 (33), 선회 모터 (34), 우측 주행용 주행 모터 (35), 좌측 주행용 주행 모터 (36) 에 공급된다. 이로써, 붐 실린더 (31), 아암 실린더 (32), 버킷 실린더 (33), 선회 모터 (34), 주행 모터 (35), 주행 모터 (36) 가 각각 구동되어, 붐, 아암, 버킷, 상부 선회체, 하부 주행체의 좌측 판사슬, 우측 판사슬이 작동된다.
건설 기계 (1) 의 운전석 전방의 우측, 좌측에는 각각 작업·선회용 우측 조작 레버 (41), 작업·선회용 좌측 조작 레버 (42) 가 설치되어 있음과 함께, 주행용 우측 조작 레버 (43), 주행용 좌측 조작 레버 (44) 가 설치되어 있다.
작업·선회용 우측 조작 레버 (41) 는 붐, 버킷을 작동시키기 위한 조작 레버이며, 조작 방향에 따라 붐, 버킷을 작동시킴과 함께, 조작량에 따른 속도로 붐, 버킷을 작동시킨다.
조작 레버 (41) 에는 조작 방향, 조작량을 검출하는 센서 (45) 가 설치되어 있다. 센서 (45) 는 조작 레버 (41) 의 조작 방향, 조작량을 나타내는 레버 신호를 제어기 (6) 에 입력한다. 조작 레버 (41) 가 붐을 작동시키는 방향으로 조작된 경우에는, 조작 레버 (41) 의 중립 위치에 대한 경동 (傾動) 방향, 경동량에 따라, 붐 상승 조작량, 붐 하강 조작량을 나타내는 붐 레버 신호 (Lb0) 가 제어기 (6) 에 입력된다. 또, 조작 레버 (41) 가 버킷을 작동시키는 방향으로 조작된 경우에는, 조작 레버 (41) 의 중립 위치에 대한 경동 방향, 경동량에 따라, 버킷 굴삭 조작량, 버킷 덤프 조작량을 나타내는 버킷 레버 신호 (Lbk) 가 제어기 (6) 에 입력된다.
조작 레버 (41) 가 붐을 작동시키는 방향으로 조작된 경우에는, 조작 레버 (41) 의 경동량에 따른 파일럿압 (PPC 압) (PRbo) 이, 붐용 조작 밸브 (21) 의 각 파일럿 포트 중 레버 경동 방향 (붐 상승 방향, 붐 하강 방향) 에 대응하는 파일럿 포트 (21a) 에 가해진다.
동일하게, 조작 레버 (41) 가 버킷을 작동시키는 방향으로 조작된 경우에는, 조작 레버 (41) 의 경동량에 따른 파일럿압 (PPC 압) (PRbk) 이, 버킷용 조작 밸브 (23) 의 각 파일럿 포트 중 레버 경동 방향 (버킷 굴삭 방향, 버킷 덤프 방향) 에 대응하는 파일럿 포트 (23a) 에 가해진다.
작업·선회용 좌측 조작 레버 (42) 는 아암, 상부 선회체를 작동시키기 위한 조작 레버이며, 조작 방향에 따라 아암, 상부 선회체를 작동시킴과 함께, 조작량에 따른 속도로 아암, 상부 선회체를 작동시킨다.
조작 레버 (42) 에는 조작 방향, 조작량을 검출하는 센서 (46) 가 설치되어 있다. 센서 (46) 는 조작 레버 (42) 의 조작 방향, 조작량을 나타내는 레버 신호를 제어기 (6) 에 입력한다. 조작 레버 (42) 가 아암을 작동시키는 방향으로 조작된 경우에는, 조작 레버 (42) 의 중립 위치에 대한 경동 방향, 경동량에 따라, 아암 굴삭 조작량, 아암 덤프 조작량을 나타내는 아암 레버 신호 (Lar) 가 제어기 (6) 에 입력된다. 또 조작 레버 (42) 가 상부 선회체를 작동시키는 방향으로 조작된 경우에는, 조작 레버 (42) 의 중립 위치에 대한 경동 방향, 경동량에 따라, 우측 선회 조작량, 좌측 선회 조작량을 나타내는 선회 레버 신호 (Lsw) 가 제어기 (6) 에 입력된다.
조작 레버 (42) 가 아암을 작동시키는 방향으로 조작된 경우에는, 조작 레버 (42) 의 경동량에 따른 파일럿압 (PPC 압) (PRar) 이, 아암용 조작 밸브 (22) 의 각 파일럿 포트 중 레버 경동 방향 (아암 굴삭 방향, 아암 덤프 방향) 에 대응하는 파일럿 포트 (22a) 에 가해진다.
동일하게, 조작 레버 (42) 가 상부 선회체를 작동시키는 방향으로 조작된 경우에는, 조작 레버 (42) 의 경동량에 따른 파일럿압 (PPC 압) (PRsw) 이, 선회용 조작 밸브 (24) 의 각 파일럿 포트 중 레버 경동 방향 (우측 선회 방향, 좌측 선회 방향) 에 대응하는 파일럿 포트 (24a) 에 가해진다.
주행용 우측 조작 레버 (43), 주행용 좌측 조작 레버 (44) 는 각각 우측 판사슬, 좌측 판사슬을 작동시키기 위한 조작 레버이며, 조작 방향에 따라 판사슬을 작동시킴과 함께, 조작량에 따른 속도로 판사슬을 작동시킨다.
조작 레버 (43) 의 경동량에 따른 파일럿압 (PPC 압) (PRtr) 이 우측 주행용 조작 밸브 (25) 의 파일럿 포트 (25a) 에 가해진다.
파일럿압 (PRtr) 은 유압 센서 (9) 로 검출되고, 우측 주행량을 나타내는 우측 주행 파일럿압 (PRcr) 이 제어기 (6) 에 입력된다. 동일하게, 조작 레버 (44) 의 경동량에 따른 파일럿압 (PPC 압) (PRtl) 이 좌측 주행용 조작 밸브 (26) 의 파일럿 포트 (26a) 에 가해진다. 파일럿압 (PRtl) 은 유압 센서 (8) 로 검출되고, 좌측 주행량을 나타내는 좌측 주행 파일럿압 (PRcl) 이 제어기 (6) 에 입력된다.
각 조작 밸브 (21 ∼ 26) 는 유량 방향 제어 밸브이며, 대응하는 조작 레버 (41 ∼ 44) 의 조작 방향에 따른 방향으로 스풀을 이동시킴과 함께, 조작 레버 (41 ∼ 44) 의 조작량에 따른 개구 면적만큼 유로 (油路) 가 개구되도록 스풀을 이동시킨다.
펌프 제어 밸브 (5) 는 제어기 (6) 로부터 출력되는 제어 전류 (pc-epc) 에 의해 동작되고, 서보 피스톤을 통하여 펌프 제어 밸브 (5) 를 변화시킨다.
펌프 제어 밸브 (5) 는, 유압 펌프 (3) 의 토출압 (PRp) (㎏/㎠) 과 유압 펌프 (3) 의 용량 (q) (cc/rev) 의 곱이 제어 전류 (pc-epc) 에 대응하는 펌프 흡수 토크 (Tp-com) 를 초과하지 않도록, 유압 펌프 (3) 의 사판의 경전각을 제어한다. 이 제어는 PC 제어로 불린다.
발전 전동기 (11) 에는 발전 전동기 (11) 의 현재의 실제 회전수 (GEN_spd) (rpm), 요컨대 엔진 (2) 의 실제 회전수를 검출하는 회전 센서 (14) 가 부설되어 있다. 회전 센서 (14) 로 검출되는 실제 회전수 (GEN_spd) 를 나타내는 신호는 제어기 (6) 에 입력된다.
또, 축전기 (12) 에는 축전기 (12) 의 전압 (BATT_volt) 을 검출하는 전압 센서 (15) 가 설치되어 있다. 전압 센서 (15) 로 검출되는 전압 (BATT_volt) 을 나타내는 신호는 제어기 (6) 에 입력된다.
또, 제어기 (6) 는 인버터 (13) 에 발전 전동기 지령값 (GEN_com) 을 출력하고, 발전 전동기 (11) 를 발전 작용 또는 전동 작용시킨다. 제어기 (6) 로부터 인버터 (13) 에 대하여, 발전 전동기 (11) 를 발전기로서 작동시키기 위한 지령값 (GEN_com) 이 출력되면, 엔진 (2) 에서 발생된 출력 토크의 일부는, 엔진 출력축을 통하여 발전 전동기 (11) 의 구동축에 전달되고 엔진 (2) 의 토크를 흡수하여 발전이 실시된다. 그리고, 발전 전동기 (11) 에서 발생된 교류 전력은 인버터 (13) 에서 직류 전력으로 변환되고 직류 전원선을 통하여 축전기 (12) 에 전력이 축적된다 (충전된다).
또 제어기 (6) 로부터 인버터 (13) 에 대하여, 발전 전동기 (11) 를 전동기로서 작동시키기 위한 지령값 (GEN_com) 이 출력되면, 인버터 (13) 는 발전 전동기 (11) 가 전동기로서 작동되도록 제어한다. 즉 축전기 (12) 로부터 전력이 출력되고 (방전되고) 축전기 (12) 에 축적된 직류 전력이 인버터 (13) 에서 교류 전력으로 변환되고 발전 전동기 (11) 에 공급되어, 발전 전동기 (11) 의 구동축을 회전 작동시킨다. 이로써 발전 전동기 (11) 에서 토크가 발생되고, 이 토크는 발전 전동기 (11) 의 구동축을 통하여 엔진 출력축에 전달되어, 엔진 (2) 의 출력 토크에 가산된다 (엔진 (2) 의 출력이 어시스트된다). 이 가산된 출력 토크는 유압 펌프 (3) 에서 흡수된다.
발전 전동기 (11) 의 발전량 (흡수 토크량), 전동량 (어시스트량 ; 발생 토크량) 은, 상기 발전 전동기 지령값 (GEN_com) 의 내용에 따라 변화된다.
제어기 (6) 는, 거버너를 포함하는 엔진 제어기 (4) 에 대하여 회전 지령값을 출력하고, 현재의 유압 펌프 (3) 의 부하에 따른 목표 회전수가 얻어지도록 연료 분사량을 증감시켜, 엔진 (2) 의 회전수 (n) 와 토크 (T) 를 조정한다.
다음으로, 제어기 (6) 에 의한 제어 처리에 대해 설명한다. 도 2 는 제어기 (6) 에 의한 제어 플로우를 나타내는 도면이다.
엔진 목표 회전수 설정부 (51) 는, 스로틀 다이얼 (50) 에 의해 지시된 엔진 스로틀 (Throttle) 의 값에 대응한 엔진 목표 회전수 (EngSpdCom) 의 함수 관계 (51a) 를 기초로 엔진 목표 회전수 (EngSpdCom) 를 설정한다. 또한, 이 함수 관계 (51a) 는 제어기 (6) 내의 기억 장치에 기억되어 있다.
한편, 릴리프시 엔진 최대 회전수부 (52) 는 유압 펌프 (3) 의 토출압 (PRp) 이 입력되고, 이 유압 펌프 (3) 의 토출압 (PRp) 에 대한 엔진 최대 회전수 (EngMaxSpd) 를 연산한다. 이 엔진 최대 회전수 (EngMaxSpd) 는, 릴리프 상태가 되는 토출압 (PRp) 근방에서의 엔진 최대 회전수를 제한하는 것이고, 유압 펌프 (3) 의 토출압 (PRp) 에 대한 엔진 최대 회전수 (EngMaxSpd) 의 함수 관계는, 제어기 (6) 내의 기억 장치에 기억되어 있다.
최소 선택부 (53) 는, 엔진 목표 회전수 설정부 (51) 로부터 출력된 엔진 목표 회전수 (EngSpdCom) 와, 릴리프시 엔진 최대 회전수부 (52) 로부터 출력된 엔진 최대 회전수 (EngMaxSpd) 중 어느 작은 엔진 목표 회전수를 선택하고, 이 선택한 엔진 목표 회전수 (n_com) 를 출력한다.
제어기 (6) 는 엔진 제어기 (4) 에 대하여 엔진 회전수 (n) 를 목표 회전수 (n_com) 로 하기 위한 회전 지령값을 출력하고, 엔진 제어기 (4) 는 엔진 목표 회전수 (n_com) 가 얻어지도록 연료 분사량을 증감시킨다.
여기서, 추가로 도 3 및 도 4 를 참조하여, 건설 기계 (1) 의 제어기 (6) 에 의한 어시스트 제어 처리에 대해 설명한다.
도 3 에 나타내는 어시스트 제어 처리에는, 도 2 에 나타낸 최소값 선택부 (53) 에서 선택된 엔진 목표 회전수 (n_com) 가 입력된다.
또한, 이하에서는 엔진 회전수, 엔진 목표 회전수를 각각 발전 전동기 회전수, 발전 전동기 목표 회전수로 변환시킨 후 연산 처리를 실시하도록 하고 있는데, 하기의 설명에 있어서 발전 전동기 회전수, 발전 전동기 목표 회전수를 각각 엔진 회전수, 엔진 목표 회전수로 치환시켜 동일한 연산 처리를 하는 실시도 가능하다.
발전 전동기 목표 회전수 연산부 (96) 에서는, 현재의 엔진 목표 회전수 (n_com) 에 대응하는 발전 전동기 (11) 의 목표 회전수 (Ngen_com) 가 하기 식에 의해 연산된다.
Ngen_com ＝ n-com × K2 … (4)
단, K2 는 PTO 축 (10) 의 감속비이다.
어시스트 유무 판정부 (90) 에서는, 발전 전동기 (11) 의 목표 회전수 (Ngen_com) 와, 회전 센서 (14) 로 검출되는 발전 전동기 (11) 의 현재의 실제 회전수 (GEN_spd) 와 전압 센서 (15) 로 검출되는 축전기 (12) 의 현재의 전압 (BATT_volt) 에 기초하여, 발전 전동기 (11) 에 의해 엔진 (2) 을 어시스트할지의 여부 (어시스트 유무) 가 판정된다.
어시스트 유무 판정부 (90) 는, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 먼저 편차 연산부 (91) 에서 발전 전동기 목표 회전수 (Ngen_com) 와 발전 전동기 실제 회전수 (GEN_spd) 의 편차 (Δgen_spd) 가 연산된다.
다음으로, 제 1 판정부 (92) 에서는, 발전 전동기 목표 회전수 (Ngen_com) 와 발전 전동기 실제 회전수 (GEN_spd) 의 편차 (Δgen_spd) 가 제 1 임계값 (ΔGC1) 이상이 된 경우, 발전 전동기 (11) 를 전동 작용시키는 것으로 판정하여, 어시스트 플래그 (assist_flag) 를 T 로 하고, 발전 전동기 목표 회전수 (Ngen_com) 와 발전 전동기 실제 회전수 (GEN_spd) 의 편차 (Δgen_spd) 가 제 1 임계값 (ΔGC1) 보다 작은 제 2 임계값 (ΔGC2) 이하가 된 경우, 발전 전동기 (11) 를 전동 작용시키지 않는 것 (단, 필요에 따라 발전 작용시켜 축전기 (12) 에 전력을 축적시킨다) 으로 판정하여, 어시스트 플래그를 F 로 한다.
또, 발전 전동기 목표 회전수 (Ngen_com) 와 발전 전동기 실제 회전수 (GEN_spd) 의 편차 (Δgen_spd) 가 제 3 임계값 (ΔGC3) 이하가 된 경우, 발전 전동기 (11) 를 발전 작용시키는 것으로 판정하여, 어시스트 플래그 (assist_flag) 를 T 로 하고, 발전 전동기 목표 회전수 (Ngen_com) 와 발전 전동기 실제 회전수 (GEN_spd) 의 편차 (Δgen_spd) 가 제 3 임계값 (ΔGC3) 보다 큰 제 4 임계값 (ΔGC4) 이상이 된 경우, 발전 전동기 (11) 를 발전 작용시키지 않는 것 (단, 필요에 따라 발전 작용시켜 축전기 (12) 에 전력을 축적시킨다) 으로 판정하여, 어시스트 플래그를 F 로 한다.
이와 같이, 회전수 편차 (Δgen_spd) 의 부호가 플러스이고 어느 정도 이상 커지면, 발전 전동기 (11) 를 전동 작용시켜 엔진 (2) 을 어시스트시키도록 하고 있는 것은, 현재의 엔진 회전수와 목표 회전수가 벌어져 있는 경우에 엔진 목표 회전수를 향하여 신속하게 엔진 회전수를 상승시키기 위해서이다.
여기서, 예를 들어, 유압 펌프의 부하압이 높은 상태에서 낮은 상태로 갑자기 전환되었을 때, 엔진의 실제 회전수가 엔진 목표 회전수에 대하여 미리 설정한 값 이상으로 상승될 때까지는 발전 전동기의 엔진 토크 어시스트 작용을 사용하여 목표 회전수에 일치하도록 엔진 회전수를 제어하도록 하고 있다. 즉, 유압 펌프의 부하압이 높은 상태에서 낮은 상태로 갑자기 전환된 경우, 제 4 엔진 목표 회전수가 높아져 실제 회전수와의 편차가 커지는데, 이 경우에 엔진 토크 어시스트 작용이 기능한다.
또한, 상기 서술한 바와 같이, 유압 펌프의 부하압이 높은 상태에서 낮은 상태로 감소됨에 따라, 제 4 엔진 목표 회전수가 상승됨으로써, 엔진의 실제 회전수가 엔진 목표 회전수보다 미리 설정한 값보다 작은 경우, 실제 회전수가 엔진 목표 회전수보다 미리 설정한 값보다 작은 값 이상으로 상승될 때까지는, 발전 전동기의 엔진 토크 어시스트 작용을 사용하여 상기 목표 회전수에 일치하도록 엔진 회전수가 제어된다.
또, 회전수 편차 (Δgen_spd) 의 부호가 마이너스이고 어느 정도 이상 커지면, 발전 전동기 (11) 를 발전 작용시켜 엔진 (2) 을 역 (逆) 어시스트시키도록 하고 있는 것은, 엔진 회전수의 감속시에 발전 작용시켜 엔진 회전수를 신속하게 저하시킴과 함께 엔진 (2) 의 에너지를 회생시키기 위해서이다.
또 제 1 임계값 (ΔGC1) 과 제 2 임계값 (ΔGC2) 사이에 히스테리시스를 갖게 함과 함께, 제 3 임계값 (ΔGC3) 과 제 4 임계값 (ΔGC4) 사이에 히스테리시스를 갖게 함으로써, 제어 상의 헌팅을 방지하고 있다.
제 2 판정부 (93) 에서는, 축전기 (12) 의 전압 (BATT_volt) 이 소정의 범위 (BC1 ∼ BC4 (BC2 ∼ BC3)) 내에 들어가 있는 경우, 어시스트 플래그 (assist_flag) 를 T 로 하고, 소정의 범위 외인 경우에는 어시스트 플래그 (assist_flag) 를 F 로 한다.
전압값 (BATT_volt) 에, 제 1 임계값 (BC1), 제 2 임계값 (BC2), 제 3 임계값 (BC3), 제 4 임계값 (BC4) 을 설정한다. 제 1 임계값 (BC1), 제 2 임계값 (BC2), 제 3 임계값 (BC3), 제 4 임계값 (BC4) 의 순서로 커지는 것으로 한다.
축전기 (12) 의 전압값 (BATT_volt) 이 제 3 임계값 (BC3) 이하가 되면 어시스트 플래그 (assist_flag) 를 T 로 하고, 축전기 (12) 의 전압값 (BATT_volt) 이 제 4 임계값 (BC4) 이상이 되면 어시스트 플래그 (assist_flag) 를 F 로 한다. 또, 축전기 (12) 의 전압값 (BATT_volt) 이 제 2 임계값 (BC2) 이상이 되면 어시스트 플래그 (assist_flag) 를 T 로 하고, 축전기 (12) 의 전압값 (BATT_volt) 이 제 1 임계값 (BC1) 이하가 되면 어시스트 플래그 (assist_flag) 를 F 로 한다.
이와 같이 축전기 (12) 의 전압 (BATT_volt) 이 소정의 범위 (BC1 ∼ BC4 (BC2 ∼ BC3)) 내에 들어가 있을 때에만 어시스트시키도록 하고 있는 것은, 소정 범위 외의 저전압, 고전압일 때에 어시스트시키지 않도록 함으로써 축전기 (12) 에 주는 과충전이나 완전 방전 등의 악영향을 회피하기 위해서이다.
또 제 1 임계값 (BC1) 과 제 2 임계값 (BC2) 사이에 히스테리시스를 갖게 함과 함께, 제 3 임계값 (BC3) 과 제 4 임계값 (BC4) 사이에 히스테리시스를 갖게 함으로써, 제어 상의 헌팅을 방지하고 있다.
앤드 회로 (94) 에서는, 제 1 판정부 (92) 에서 얻어진 어시스트 플래그 (assist_flag) 와 제 2 판정부 (93) 에서 얻어진 어시스트 플래그 (assist_flag) 가 모두 T 인 경우, 최종적으로 어시스트 플래그 (assist_flag) 의 내용을 T 로 하고, 그 이외인 경우, 최종적으로 어시스트 플래그 (assist_flag) 의 내용을 F 로 한다.
어시스트 플래그 판정부 (95) 에서는, 어시스트 유무 판정부 (90) 로부터 출력되는 어시스트 플래그 (assist_flag) 의 내용이 T 인지의 여부가 판정된다.
발전 전동기 지령값 전환부 (87) 에서는, 어시스트 플래그 판정부 (95) 의 판정 결과가 T 인지의 여부 (F) 에 따라, 인버터 (13) 에 부여해야 할 발전 전동기 지령값 (GEN_com) 의 내용을 목표 회전수나 목표 토크로 전환시킨다.
발전 전동기 (11) 는, 인버터 (13) 를 통하여 회전수 제어 또는 토크 제어에 의해 제어된다.
여기서, 회전수 제어란, 발전 전동기 지령값 (GEN_com) 으로서 목표 회전수를 부여하여 목표 회전수가 얻어지도록 발전 전동기 (11) 의 회전수를 조정하는 제어를 말한다. 또, 토크 제어란, 발전 전동기 지령값 (GEN_com) 으로서 목표 토크를 부여하여 목표 토크가 얻어지도록 발전 전동기 (11) 의 토크를 조정하는 제어를 말한다.
모듈레이션 처리부 (97) 에서는, 발전 전동기 (11) 의 목표 회전수가 연산되어 출력된다. 또, 발전 전동기 토크 연산부 (68) 에서는, 발전 전동기 (11) 의 목표 토크가 연산되어 출력된다.
즉, 모듈레이션 처리부 (97) 는, 발전 전동기 목표 회전수 연산부 (96) 에서 얻어진 발전 전동기 목표 회전수 (Ngen_com) 에 대하여, 특성 (97a) 에 따라 모듈레이션 처리가 실시된 회전수 (Ngen_com) 를 출력한다. 발전 전동기 목표 회전수 연산부 (96) 로부터 입력된 발전 전동기 목표 회전수 (Ngen_com) 를 그대로 출력하는 것이 아니라, 시간 (t) 을 들여 서서히 회전수를 증대시켜, 발전 전동기 목표 회전수 연산부 (96) 로부터 입력된 발전 전동기 목표 회전수 (Ngen_com) 에 도달시킨다.
도 5 ∼ 도 8 에 나타낸 토크선도를 참조하여 모듈레이션 처리를 실시하지 않은 경우에 대하여 모듈레이션 처리를 실시한 경우의 효과에 대해 설명한다.
도 5 는 엔진 가속시에 모듈레이션 처리가 없는 경우의 거버너의 움직임을 설명하는 도면이고, 도 6 은 엔진 가속시에 모듈레이션 처리가 있는 경우의 거버너의 움직임을 설명하는 도면이다. 도 7 은 엔진 감속시에 모듈레이션 처리가 없는 경우의 거버너의 움직임을 설명하는 도면이고, 도 8 은 엔진 감속시에 모듈레이션 처리가 있는 경우의 거버너의 움직임을 설명하는 도면이다. 거버너로서 기계식 거버너를 사용하면, 실제의 엔진 회전수보다 거버너가 지정하는 회전수가 느리다는 문제가 있다.
도 5 및 도 6 에 나타내는 바와 같이, 유압 펌프 (3) 의 부하가 클 때에 저회전의 매칭점 (P0) 에서 고회전측으로 엔진 (2) 을 가속시키는 경우를 생각해 본다. 도 5 및 도 6 에 있어서, P2 는 엔진 토크에 대응하며, 엔진 토크에 어시스트 분량의 토크를 가한 것이, 엔진 (2) 과 발전 전동기 (11) 를 합친 전체 토크 (P3) 가 된다. P1 은 펌프 흡수 토크에 대응하며, 펌프 흡수 토크에 가속 토크를 합친 것이 전체 토크 (P3) 에 대응하고 있다.
도 5 에 나타내는 바와 같이 모듈레이션 처리가 없는 경우에는, 엔진 목표 회전수와 엔진 실제 회전수의 편차에 따른 어시스트 토크가 발생된다. 편차가 큰 경우에는, 그 큰 편차에 대응하여 발전 전동기 (11) 에 의한 어시스트 토크가 커진다. 이 때문에 거버너의 움직임보다 엔진 (2) 이 빨리 가속되어, 거버너가 지정하는 회전수보다 실제 회전수 쪽이 커진다. 엔진 (2) 이 빨리 가속되면 거버너의 조정에 의해 연료 분사량이 줄어들어 엔진 토크가 감소된다. 이 때문에 엔진 (2) 을 발전 전동기 (11) 에 의해 어시스트하고 있음에도 불구하고 엔진 (2) 이 마찰이 되어, 엔진 (2) 의 가속도가 높아지지 않게 된다. 이 때문에 연료 분사량을 줄이면서, 엔진 토크를 감소시키면서, 엔진 (2) 이 손실이 되고 엔진 (2) 이 가속되게 되어, 에너지 손실을 초래함과 함께, 엔진 (2) 이 충분히 가속되지 않는다는 결과를 초래한다.
이에 대하여 도 6 에 나타내는 바와 같이 모듈레이션 처리가 있는 경우에는, 엔진 목표 회전수에 모듈레이션 처리가 실시되어, 엔진 목표 회전수와 엔진 실제 회전수의 편차가 작아지고, 이에 따라 발전 전동기 (11) 에서 작은 어시스트 토크가 발생된다. 이 때문에 거버너의 움직임이 엔진 (2) 의 가속에 추종하고, 거버너가 지정하는 회전수가 실제 회전수에 일치한다. 이 때문에 에너지 손실이 저감되고 엔진 (2) 이 충분히 가속된다.
다음으로 엔진 (2) 을 감속시키는 경우에 대해 설명한다. 도 7 및 도 8 에 나타내는 바와 같이, 유압 펌프 (3) 의 부하가 클 때에 고회전의 매칭점 (P0) 에서 저회전측으로 엔진 (2) 을 감속시키는 경우를 생각해 본다.
도 7 및 도 8 에 있어서, P2 는 엔진 토크에 대응하며, 엔진 토크에 회생 토크를 가한 것이 엔진 (2) 과 발전 전동기 (11) 를 합친 전체 토크 (P3) 가 된다. P1 은 펌프 흡수 토크에 대응하며, 펌프 흡수 토크에 감속 토크를 합친 것이 전체 토크 (P3) 에 대응하고 있다.
도 7 에 나타내는 바와 같이 모듈레이션 처리가 없는 경우에는, 엔진 목표 회전수와 엔진 실제 회전수의 편차에 따른 회생 토크가 발생된다. 편차가 큰 경우에는, 그 큰 편차에 대응하여 발전 전동기 (11) 에 의한 회생 토크가 커진다. 이 때문에 거버너의 움직임보다 엔진 (2) 이 빨리 감속되어, 거버너가 지정하는 회전수보다 실제 회전수 쪽이 작아진다. 엔진 (2) 이 빨리 감속되면 거버너의 조정에 의해 연료 분사량이 증가되어 엔진 토크가 증대된다. 이 때문에 엔진 (2) 은 토크를 증가시키면서 발전 전동기 (11) 로 발전시키면서 엔진 (2) 이 감속되게 된다. 그 결과, 엔진 (2) 이 토크를 높이면서, 발전 전동기 (11) 에 의해, 증가되는 엔진 에너지를 회수하면서 엔진 (2) 이 감속되게 되고, 쓸데없는 발전이 실시되어 연료를 쓸데없이 소비하게 된다.
이에 대하여 도 8 에 나타내는 바와 같이 모듈레이션 처리가 있는 경우에는, 엔진 목표 회전수에 모듈레이션 처리가 실시되어, 엔진 목표 회전수와 엔진 실제 회전수의 편차가 작아지고, 이에 따라 발전 전동기 (11) 에서 작은 회생 토크가 발생된다. 이 때문에 거버너의 움직임이 엔진 (2) 의 감속에 추종하고, 거버너가 지정하는 회전수가 실제 회전수에 일치한다. 이 때문에 엔진 (2) 의 토크가 부로 되어, 발전 전동기 (11) 에 의해 엔진 (2) 의 속도 에너지를 회수하면서 엔진 (2) 이 감속된다. 이 때문에 쓸데없는 에너지 소비를 초래하지 않고 효율적으로 엔진 (2) 을 감속시킬 수 있다.
발전 전동기 토크 연산부 (68) 에서는, 전압 센서 (15) 로 검출되는 축전기 (12) 의 현재의 전압 (BATT_volt) 에 기초하여, 전압 (BATT_volt) 에 대응하는 목표 토크 (Tgen_com) 가 연산된다.
기억 장치에는, 축전기 (12) 의 전압 (BATT_volt) 의 상승 (68b) 에 따라 목표 토크 (Tgen_com) 가 감소되고, 축전기 (12) 의 전압 (BATT_volt) 의 하강 (68c) 에 따라 목표 토크 (Tgen_com) 가 증가된다는 히스테리시스를 갖게 한 함수 관계 (68a) 가 데이타 테이블 형식으로 기억되어 있다. 이 함수 관계 (68a) 는, 발전 전동기 (11) 의 발전량을 조정함으로써 축전기 (12) 의 전압값을 원하는 범위 내로 유지하기 위해 설정되어 있다.
발전 전동기 토크 연산부 (68) 에서는, 축전기 (12) 의 현재의 전압 (BATT_volt) 에 대응하는 목표 토크 (Tgen-com) 가 함수 관계 (68a) 에 따라 출력된다.
어시스트 플래그 판정부 (95) 에서 어시스트 플래그 (assit_flag) 의 내용이 T 인 것으로 판정되면, 발전 전동기 지령값 전환부 (87) 가 모듈레이션 처리부 (97) 측으로 전환되고, 모듈레이션 처리부 (97) 로부터 출력되는 발전 전동기 목표 회전수 (Ngen_com) 가 발전 전동기 지령값 (GEN_com) 으로서 인버터 (13) 에 출력 되고, 발전 전동기 (11) 가 회전수 제어되어, 발전 전동기 (11) 가 전동 작용 또는 발전 작용을 한다.
또, 어시스트 플래그 판정부 (95) 에서 어시스트 플래그 (assit_flag) 의 내용이 F 인 것으로 판정되면, 발전 전동기 지령값 전환부 (87) 가 발전 전동기 토크 연산부 (68) 측으로 전환되고, 발전 전동기 토크 연산부 (68) 로부터 출력되는 발전 전동기 목표 토크 (Tgen_com) 가 발전 전동기 지령값 (GEN_com) 으로서 인버터 (13) 에 출력되고, 발전 전동기 (11) 가 토크 제어되어, 발전 전동기 (11) 가 발전 작용을 한다.
펌프 흡수 토크 지령값 전환부 (88) 에서는, 어시스트 플래그 판정부 (95) 의 판정 결과가 T 인지의 여부 (F) 에 따라, 제어 전류 연산부 (67) 에 부여해야 할 펌프 목표 흡수 토크 (T) 의 내용을 제 1 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com1) 나 제 2 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com2) 로 전환시킨다.
제 1 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com1) 는, 제 1 펌프 목표 흡수 토크 연산부 (66) (도 2 에 나타내는 펌프 흡수 토크 연산부 (66) 와 동일한 구성) 에서 연산된다.
즉, 제 1 펌프 목표 흡수 토크 (Tp-com1) 는, 도 11 의 토크선도에 있어서의 제 1 목표 토크선 (L1) 상의 토크값으로서 부여된다. 제 1 목표 토크선 (L1) 은, 엔진 목표 회전수 (n) 가 저하됨에 따라 유압 펌프 (3) 의 목표 흡수 토크 (Tp_com1) 가 작아지는 목표 토크선으로서 설정되어 있다.
제 2 펌프 목표 흡수 토크 (Tp-com2) 는, 제 2 펌프 목표 흡수 토크 연산부 (85) 에서 연산된다. 즉, 제 2 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com2) 는, 도 11 의 토크선도에 있어서의 제 1 목표 토크선 (L1) 에 대하여, 저회전 영역에서 펌프 목표 흡수 토크가 커지는 제 2 목표 토크선 (L12) 상의 토크값으로서 부여된다.
제 1 펌프 목표 흡수 토크 연산부 (66) 에서는, 엔진 목표 회전수 (n-com) 에 대응하는 유압 펌프 (3) 의 제 1 펌프 목표 흡수 토크 (Tp-com1) 가 연산된다.
기억 장치에는, 엔진 목표 회전수 (n-com) 의 증가에 따라 유압 펌프 (3) 의 제 1 목표 흡수 토크 (Tp_com1) 가 증가되는 함수 관계 (66a) 가 데이타 테이블 형식으로 기억되어 있다. 이 함수 (66a) 는, 도 19 에 나타내는 토크선도 상의 제 1 목표 토크선 (L1) 에 대응하는 커브이다.
도 19 는 엔진 (2) 의 토크선도를 나타내고 있으며 횡축에 엔진 회전수 (n) (rpm ; rev/min) 를 취하고 종축에 토크 (T) (N·m) 를 취하고 있다. 함수 (66a) 는 도 9 에 나타내는 토크선도 상의 목표 토크선 (L1) 에 대응하고 있다.
제 1 펌프 목표 흡수 토크 연산부 (66) 에서는, 현재의 엔진 목표 회전수 (n-com) 에 대응하는 제 1 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com1) 가 함수 관계 (66a) 에 따라 연산된다.
제 2 펌프 목표 흡수 토크 연산부 (85) 에서는, 발전 전동기 회전수 (GEN_spd) (엔진 실제 회전수) 에 대응하는 유압 펌프 (3) 의 제 2 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com2) 가 연산된다.
기억 장치에는, 발전 전동기 회전수 (GEN_spd) (엔진 실제 회전수) 에 따라 유압 펌프 (3) 의 제 2 목표 흡수 토크 (Tp_com2) 가 변화되는 함수 관계 (85a) 가 데이타 테이블 형식으로 기억되어 있다. 이 함수 (85a) 는 도 9 에 나타내는 토크선도 상의 제 2 목표 토크선 (L12) 에 대응하는 커브이며, 제 1 목표 토크선 (L1) 에 대하여, 저회전 영역에서 펌프 목표 흡수 토크가 커지는 특성을 갖고 있다. 예를 들어 제 2 목표 토크선 (L12) 은 등마력선에 상당하는 커브이며, 엔진 회전수의 상승에 따라 토크가 저하되도록 특성을 채용할 수 있다.
제 2 펌프 목표 흡수 토크 연산부 (85) 에서는, 현재의 발전 전동기 회전수 (GEN_spd) (엔진 실제 회전수) 에 대응하는 제 2 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com2) 가 함수 관계 (85a) 에 따라 연산된다.
어시스트 플래그 판정부 (95) 에서 어시스트 플래그 (assit_flag) 의 내용이 T 인 것으로 판정되면, 펌프 흡수 토크 지령값 전환부 (88) 가 제 2 펌프 목표 흡수 토크 연산부 (85) 측으로 전환되고, 제 2 펌프 목표 흡수 토크 연산부 (85) 로부터 출력되는 제 2 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com2) 가 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com) 로서 후단의 필터 처리부 (89) 에 출력된다.
또, 어시스트 플래그 판정부 (95) 에서 어시스트 플래그 (assit_flag) 의 내용이 F 인 것으로 판정되면, 펌프 흡수 토크 지령값 전환부 (88) 가 제 1 펌프 목표 흡수 토크 연산부 (66) 측으로 전환되고, 제 1 펌프 목표 흡수 토크 연산부 (66) 로부터 출력되는 제 1 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com1) 가 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com) 로서 후단의 필터 처리부 (89) 에 출력된다.
이상과 같이 하여 펌프 흡수 토크 지령값 전환부 (88) 에서는, 유압 펌프 (3) 의 목표 흡수 토크 (Tp_com1, Tp_com2), 요컨대 도 9 의 목표 토크선 (L1, L12) 의 선택이 전환된다.
필터 처리부 (89) 에서는, 목표 토크선 (L1, L12) 의 선택이 전환된 경우, 전환 전의 목표 토크선 (예를 들어 제 2 목표 토크선 (L12)) 상의 펌프 목표 흡수 토크 (제 2 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com2)) 에서, 전환 후의 목표 토크선 (제 1 목표 토크선 (L1)) 상의 펌프 목표 흡수 토크 (제 2 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com1)) 로 서서히 변화시키는 필터 처리가 실시된다.
즉, 필터 처리부 (89) 는 목표 토크선 (L1, L12) 의 선택이 전환된 경우, 특성 (89a) 에 따라 필터 처리가 실시된 목표 토크값 (Tp_com) 을 출력한다. 목표 토크선 (L1, L12) 의 선택이 전환된 경우, 전환 전의 목표 토크선 (예를 들어 제 2 목표 토크선 (L12)) 상의 펌프 목표 흡수 토크 (제 2 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com2)) 에서, 전환 후의 목표 토크선 (제 1 목표 토크선 (L1)) 상의 펌프 목표 흡수 토크 (제 2 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com1)) 로 그대로 전환 출력하는 것이 아니라, 시간 (t) 을 들여 서서히 전환 전의 목표 토크선 (제 2 목표 토크선 (L12)) 상의 펌프 목표 흡수 토크 (제 2 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com2)) 에서, 전환 후의 목표 토크선 (제 1 목표 토크선 (L1)) 상의 펌프 목표 흡수 토크 (제 2 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com1)) 로 원활하게 도달시킨다.
도 9 를 사용하여 설명하면, 제 2 목표 토크선 (L12) 상의 점 (G) 에 있어서의 제 2 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com2) 에서, 제 1 목표 토크선 (L1) 상의 점 (H) 에 있어서의 제 1 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com2) 를 향하여 서서히 시간을 들여 변화시킨다.
이로써 토크가 급격하게 변화됨으로써 오퍼레이터나 차체에 주는 쇼크를 억제함과 함께, 조작 감각 상의 위화감을 없앨 수 있다.
필터 처리는, 어시스트 플래그 판정부 (95) 의 판정 결과가 T 에서 F 로 전환된 경우, 동 판정 결과가 F 에서 T 로 전환된 경우의 양방의 경우에 실시하도록 해도 되고, 어느 일방의 전환이 실시되었을 때에만 필터 처리를 실시하도록 해도 된다. 특히, 어시스트 플래그 판정부 (95) 의 판정 결과가 T 에서 F 로 전환되어 제 2 목표 토크선 (L12) 에서 제 1 목표 토크선 (L1) 으로 전환되는 경우, 필터 처리를 실시하지 않는 것으로 하면 토크가 급격하게 저하되어 오퍼레이터에게 큰 조작 감각의 위화감을 주는 경우가 많다. 이 때문에, 판정 결과가 T 에서 F 로 전환되어 제 2 목표 토크선 (L12) 에서 제 1 목표 토크선 (L1) 으로 전환되는 경우에는 필터 처리를 실시하는 것이 바람직하다.
필터 처리부 (89) 로부터 출력된 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com) 는, 제어 전류 연산부 (67) 에 부여된다. 제어 전류 연산부 (67) 에서는, 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com) 에 대응하는 제어 전류 (pc-epc) 가 연산된다.
기억 장치에는, 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com) 의 증가에 따라 제어 전류 (pc-epc) 가 증가되는 함수 관계 (67a) 가 데이타 테이블 형식으로 기억되어 있다.
제어 전류 연산부 (67) 에서는, 현재의 펌프 목표 흡수 토크 (Tp_com) 에 대응하는 제어 전류 (pc-epc) 가 함수 관계 (67a) 에 따라 연산된다.
제어기 (6) 로부터 펌프 제어 밸브 (5) 에 대하여 제어 전류 (pc-epc) 가 출력되어 서보 피스톤을 통하여 펌프 제어 밸브 (5) 를 변화시킨다. 펌프 제어 밸브 (5) 는, 유압 펌프 (3) 의 토출압 (PRp) (㎏/㎠) 과 유압 펌프 (3) 의 용량 (q) (cc/rev) 의 곱이 제어 전류 (pc-epc) 에 대응하는 펌프 흡수 토크 (Tp_com) 를 초과하지 않도록, 유압 펌프 (3) 사판의 경전각을 PC 제어한다.
이 실시형태에서는, 릴리프 상태가 된 경우, 펌프 흡수 토크를 제한하는 것이 아니라, 엔진 회전수를 낮추는 제어를 실시하고 있다. 이 경우, 펌프 흡수 토크를 제한하는 경우와 동등한 펌프 출력을 얻을 수 있음과 함께, 엔진 회전수를 낮추도록 하고 있으므로, 펌프 효율을 낮추지 않고, 엔진 효율도 양호해지므로 에너지 절약화를 달성할 수 있으며, 또한 소음의 개선도 도모할 수 있다.
특히, 릴리프시의 고부하압 상태에 있어서 엔진 회전수를 낮추도록 하고 있으므로, 엔진 목표 회전수와 실엔진 회전수의 편차가 커지고, 릴리프 해방 상태로 이행된 직후, 엔진 목표 회전수는 상승되지만, 실엔진 회전수는 낮은 상태 그대로가 되어, 실엔진 회전수가 엔진 목표 회전수로 이행될 때까지 시간이 걸린다. 이 실시형태에서는, 이 큰 편차가 발생된 경우에 어시스트 제어를 실시하도록 하고 있으므로, 신속하게 실엔진 회전수를 엔진 목표 회전수로 복귀시킬 수 있으며, 작업량의 저하를 거의 느끼지 않고 작업을 실시할 수 있다.
또한, 이 실시형태는, 건설 기계 (1) 의 상부 선회체를 전동 액츄에이터로 선회 작동시키는 전동 선회 시스템을 탑재한 건설 기계에도 적용할 수 있다
1 : 건설 기계
2 : 엔진
3 : 유압 펌프
4 : 엔진 제어기
5 : 펌프 제어 밸브
6 : 제어기
7 ∼ 9 : 유압 센서
10 : PTO 축
11 : 발전 전동기
12 : 축전기
31 ∼ 36 : 유압 액츄에이터
41, 42 : 조작 레버
43, 44 : 주행 레버
51 : 엔진 회전수 설정부
52 : 릴리프시 엔진 최대 회전수 연산부
53 : 최소값 선택부

Claims (3)

  1. 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프와,
    상기 유압 펌프로부터 토출된 압유 (壓油) 가 공급되는 유압 액츄에이터와,
    각 유압 액츄에이터를 조작하는 조작 수단과,
    엔진 목표 회전수의 설정 다이얼에 의해 상기 엔진의 제 1 목표 회전수를 설정하는 제 1 목표 회전수 설정 수단과,
    상기 유압 펌프의 부하압에 대하여 엔진의 최대 목표 엔진 회전수를 제한하고, 상기 유압 펌프의 부하압이 낮은 부하압으로부터 높은 부하압인 릴리프 상태에 근접함에 따라서 상기 최대 목표 엔진 회전수가 작아지고, 높은 부하압을 가지는 릴리프 상태의 최대 목표 엔진 회전수는 상기 낮은 부하압의 최대 목표 엔진 회전수보다 작도록 제한하는 제 2 목표 회전수를 연산하는 제 2 목표 회전수 연산 수단과,
    상기 제 1 목표 회전수 및 상기 제 2 목표 회전수 중 어느 낮은 목표 회전수에 일치하도록 엔진 회전수를 제어하는 회전수 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 엔진의 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진의 출력축에 연결된 발전 전동기와,
    상기 발전 전동기가 발전시킨 전력을 축적시킴과 함께 발전 전동기에 전력을 공급하는 축전기와,
    상기 유압 펌프의 부하압이 높은 상태에서 낮은 상태로 갑자기 전환되었을 때, 상기 엔진의 실제 회전수가 상기 목표 회전수에 대하여 미리 설정한 값 이상으로 상승될 때까지는 상기 발전 전동기의 엔진 토크 어시스트 작용을 사용하여 상기 목표 회전수에 일치하도록 엔진 회전수를 제어하는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 엔진의 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진의 출력축에 연결된 발전 전동기와,
    상기 발전 전동기가 발전시킨 전력을 축적시킴과 함께 발전 전동기에 전력을 공급하는 축전기와,
    상기 유압 펌프의 부하압이 높은 상태에서 낮은 상태로 감소됨에 따라, 상기 제 2 목표 회전수가 상승됨으로써, 상기 엔진의 실제 회전수가 상기 목표 회전수보다 미리 설정한 값보다 작은 경우, 상기 실제 회전수가 상기 목표 회전수보다 미리 설정한 값보다 작은 값 이상으로 상승될 때까지는, 상기 발전 전동기의 엔진 토크 어시스트 작용을 사용하여 상기 목표 회전수에 일치하도록 엔진 회전수를 제어하는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 엔진의 제어 장치.
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