KR102633378B1

KR102633378B1 - 건설 기계

Info

Publication number: KR102633378B1
Application number: KR1020190016546A
Authority: KR
Inventors: 강병일
Original assignee: 에이치디현대인프라코어 주식회사
Priority date: 2019-02-13
Filing date: 2019-02-13
Publication date: 2024-02-02
Also published as: US20220145578A1; US11542683B2; CN113423900B; DE112020000800T5; WO2020166975A1; CN113423900A; KR20200098883A

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 건설 기계는 동력을 발생시키는 엔진과, 붐을 승강시키며 헤드측과 로드측으로 구분된 붐 실린더와, 상기 붐 실린더의 헤드측에 연결되어 붐의 하강 동작 시 상기 붐 실린더의 헤드측에서 배출된 작동유가 이동하는 회생 라인과, 상기 회생 라인과 연결되어 동작하며 상기 엔진을 보조하는 회생 모터와, 파일럿 압력을 발생시키기 위한 파일럿 펌프와, 상기 파일럿 펌프에서 토출된 파일럿 작동유가 이동하는 파일럿 라인과, 상기 파일럿 라인과 상기 회생 라인을 연결하는 회생 연결 라인과, 상기 회생 연결 라인 상에 설치된 개폐 밸브, 그리고 상기 파일럿 라인의 압력이 기설정된 압력 미만으로 떨어지거나 상기 붐 실린더에서 배출된 작동유가 상기 회생 모터에 공급될 때 상기 개폐 밸브를 닫는 제어 장치를 포함한다.

Description

건설 기계{CONSTRUCTION MACHINERY}

본 발명은 건설 기계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 붐 하강 시 붐이 가지는 위치에너지를 회수하여 연비를 향상시킨 건설 기계에 관한 것이다.

건설 기계는 크게 토목 공사나 건축 공사에 사용되는 모든 기계를 말한다. 일반적으로 건설 기계는 엔진과 엔진의 동력으로 동작하는 유압 펌프를 가지며, 엔진과 유압 펌프를 통해 발생한 동력으로 주행을 하거나 작업 장치를 구동한다.

예를 들어, 건설 기계의 한 종류인 굴삭기는 토목, 건축, 건설 현장에서 땅을 파는 굴삭 작업, 토사를 운반하는 적재 작업, 건물을 해체하는 파쇄 작업, 지면을 정리하는 정지 작업 등의 작업을 행하는 건설 기계로서 장비의 이동 역할을 하는 주행체와, 주행체에 탑재되어 360도 회전하는 상부 선회체, 그리고 작업 장치로 구성되어 있다.

또한, 굴삭기는 주행에 이용되는 주행 모터와, 상부 선회체 스윙(swing)에 사용되는 스윙 모터, 그리고 작업 장치에 이용되는 붐 실린더, 암 실린더, 버킷 실린더, 및 옵션 실린더 등의 구동 장치들을 포함한다. 그리고 이러한 구동 장치들은 엔진 또는 전기 모터에 의해 구동되는 가변 용량형 유압 펌프로부터 토출되는 작동유에 의해 구동된다.

근래에는 작업 장치가 갖는 위치 에너지를 회수하여 회수된 에너지를 각종 구동 장치들의 동작에 보조적으로 활용하는 에너지 회생 시스템이 건설 기계에 적용되고 있다.

붐과 같은 작업 장치가 붐 실린더에 의해 상하로 움직이는 경우, 올린 붐을 내릴 때에는 붐 실린더의 헤드측의 작동유는 붐의 위치 에너지에 의해 붐 실린더로부터 고압으로 밀려 나온다. 이러한 고압의 작동유는 열에너지로 전환되어 발산되거나 저장 탱크로 복귀되면서 붐의 위치 에너지는 사라지게 된다.

따라서 에너지 회생 시스템은 어큐뮬레이터(accumulator)에 고압의 작동유를 축적하였다가 축적된 작동유로 회생 모터를 가동하여 유압 펌프를 구동하는 엔진의 연비를 절감시킬 수 있다.

그런데, 회생 모터가 작업 장치에서 배출된 작동유에 의해 회생 동작을 수행할 때에는 엔진과 연결되어 엔진을 보조하게 되지만, 회생 모터가 회생 동작을 수행하지 않을 때에는 오히려 엔진에 부하로 작용하게 된다. 이와 같이, 회생 모터가 엔진에 부하를 불필요하게 증가시키면, 엔진의 연비가 저하시키는 문제점을 야기하게 된다.

본 발명의 실시예는 회생 모터의 가동율을 증가시켜 전체적인 에너지 이용 효율을 향상시킨 건설 기계를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 건설 기계는 동력을 발생시키는 엔진과, 붐을 승강시키며 헤드측과 로드측으로 구분된 붐 실린더와, 상기 붐 실린더의 헤드측에 연결되어 붐의 하강 동작 시 상기 붐 실린더의 헤드측에서 배출된 작동유가 이동하는 회생 라인과, 상기 회생 라인과 연결되어 동작하며 상기 엔진을 보조하는 회생 모터와, 파일럿 압력을 발생시키기 위한 파일럿 펌프와, 상기 파일럿 펌프에서 토출된 파일럿 작동유가 이동하는 파일럿 라인과, 상기 파일럿 라인과 상기 회생 라인을 연결하는 회생 연결 라인과, 상기 회생 연결 라인 상에 설치된 개폐 밸브, 그리고 상기 파일럿 라인의 압력이 상기 기설정된 압력 미만으로 떨어지거나 상기 붐 실린더에서 배출된 작동유가 상기 회생 모터에 공급될 때 상기 개폐 밸브를 닫는 제어 장치를 포함한다.

상기한 건설 기계는 상기 파일럿 라인의 압력을 측정하는 파일럿 압력 센서를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 제어 장치는 상기 파일럿 압력 센서로부터 상기 파일럿 라인의 압력 정보를 전달받을 수 있다.

상기한 건설 기계는 상기 회생 연결 라인 상에 설치되어 상기 회생 라인에서 상기 파일럿 라인으로 작동유가 이동하는 것을 차단하는 체크 밸브를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기한 건설 기계는 상기 파일럿 라인과 연결된 파일럿 배출 라인과, 상기 파일럿 배출 라인에 설치되어 상기 파일럿 라인의 압력이 상기 기설정된 압력을 초과하면 개방되는 파일럿 릴리프 밸브를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기한 건설 기계는 상기 회생 라인에서 분기되어 상기 붐 실린더의 로드측에 연결된 순환 라인과, 상기 회생 라인에 설치된 제1 회생 스풀과 상기 순환 라인에 설치된 제2 회생 스풀을 포함하는 붐 회생 밸브를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 제어 장치는 상기 붐의 하강 동작 시 상기 제1 회생 스풀 및 상기 제2 회생 스풀을 개방 위치로 이동시키고, 상기 붐의 상승 동작 시 상기 제1 회생 스풀 및 상기 제2 회생 스풀을 차단 위치로 이동시킬 수 있다.

또한, 상기한 건설 기계는 상기 붐 실린더에서 배출된 작동유를 축적하는 어큐뮬레이터와, 상기 어큐뮬레이터와 상기 회생 라인을 연결하는 에너지 저장 라인, 그리고 상기 에너지 저장 라인에 설치된 어큐뮬레이터 밸브를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 제어 장치는 상기 어큐뮬레이터에 축적된 작동유가 상기 회생 모터에 공급될 때에도 상기 개폐 밸브를 닫을 수 있다.

또한, 상기한 건설 기계는 상기 엔진에 의해 구동되며 작동유를 토출하는 메인 펌프와, 상기 파일럿 펌프가 생성한 파일럿 압력을 전달받아 상기 붐 실린더를 향한 상기 작동유의 공급을 제어하는 메인 컨트롤 밸브와, 상기 메인 펌프와 상기 메인 컨트롤 밸브를 연결하는 메인 유압 라인, 그리고 상기 메인 컨트롤 밸브와 상기 붐 실린더의 헤드측 및 로드측을 각각 연결하는 제1 붐 유압 라인 및 제2 붐 유압 라인을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 건설 기계는 동력을 발생시키는 엔진과, 붐을 승강시키며 헤드측과 로드측으로 구분된 붐 실린더와, 상기 붐 실린더의 헤드측에 연결되어 상기 붐의 하강 동작 시 상기 붐 실린더의 헤드측에서 배출된 작동유가 이동하는 회생 라인과, 상기 회생 라인과 연결되어 동작하며 상기 엔진을 보조하는 가변 용량형 회생 모터와, 파일럿 압력을 발생시키기 위한 파일럿 펌프와, 상기 파일럿 펌프에서 토출된 파일럿 작동유가 이동하는 파일럿 라인과, 상기 파일럿 라인과 상기 회생 라인을 연결하는 회생 연결 라인과, 상기 회생 연결 라인 상에 설치되어 상기 회생 라인에서 상기 파일럿 라인으로 작동유가 이동하는 것을 차단하는 체크 밸브, 그리고 상기 붐이 하강 이외의 동작 중일 때 상기 파일럿 라인의 압력이 기설정된 압력 미만으로 떨어지면 상기 회생 모터에 작동유가 유입되는 것을 방지하도록 상기 회생 모터의 사판각을 제어하는 제어 장치를 포함한다.

또한, 상기한 건설 기계는 상기 파일럿 라인의 압력을 측정하는 파일럿 압력 센서를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 제어 장치는 상기 파일럿 압력 센서로부터 상기 파일럿 라인의 압력 정보를 전달받을 수 있다.

상기한 건설 기계는 상기 붐 실린더에서 배출된 작동유를 축적하는 어큐뮬레이터와, 상기 어큐뮬레이터와 상기 회생 라인을 연결하는 에너지 저장 라인, 그리고 상기 에너지 저장 라인에 설치된 어큐뮬레이터 밸브를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 제어 장치는 상기 어큐뮬레이터에 축적된 작동유가 상기 회생 모터에 공급될 때에는 상기 파일럿 라인의 압력이 기설정된 압력 미만으로 떨어지더라도 상기 회생 모터에 작동유가 유입되도록 상기 회생 모터의 사판각을 제어할 수 있다.

상기한 건설 기계는 상기 엔진에 의해 구동되며 작동유를 토출하는 메인 펌프와, 상기 파일럿 펌프가 생성한 파일럿 압력을 전달받아 상기 붐 실린더를 향한 상기 작동유의 공급을 제어하는 메인 컨트롤 밸브와, 상기 메인 펌프와 상기 메인 컨트롤 밸브를 연결하는 메인 유압 라인, 그리고 상기 메인 컨트롤 밸브와 상기 붐 실린더의 헤드측 및 로드측을 각각 연결하는 제1 붐 유압 라인 및 제2 붐 유압 라인을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 건설 기계는 회생 모터의 가동률을 증가시켜 전체적인 에너지 이용 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 건설 기계의 측면도이다.
도 2는 도 1의 건설 기계에 사용된 유압 시스템을 나타낸 유압 회로도이다.
도 3 및 도 4는 도 2의 건설 기계에 사용된 유압 시스템의 동작 상태를 나타낸 유압 회로도들이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 건설 기계에 사용된 유압 시스템을 나타낸 유압 회로도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 건설 기계에 사용된 유압 시스템을 나타낸 유압 회로도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예들에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

도면들은 개략적이고 축척에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 축소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.

본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 건설 기계(101)를 설명한다.

본 명세서에서는, 건설 기계(101)로 굴삭기를 예로 들어 설명한다. 하지만, 건설 기계(101)가 굴삭기에 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 붐(170)과 같이 위치 에너지를 발생시키는 작업 장치(160)가 장착된 모든 건설 기계에 적용될 수 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 건설기계(101)는 하부 주행체(120), 하부 주행체(120) 상에 선회 가능하도록 탑재되는 상부 선회체(130), 및 상부 선회체(130)에 설치된 운전실(150)과 작업 장치(160)를 포함할 수 있다.

하부 주행체(120)는 상부 선회체(130)를 지지하고, 엔진(100)(도 2에 도시)에서 발생한 동력을 이용하여 주행 장치를 통해 건설 기계(101)를 주행시킬 수 있다. 하부 주행체(120)는 무한궤도를 포함하는 무한궤도식 타입의 주행체이거나 주행 휠들을 포함하는 휠 타입의 주행체일 수 있다.

상부 선회체(130)는 하부 주행체(120) 상에서 회전하여 작업 방향을 설정할 수 있다. 상부 선회체(130)는 상부 프레임(132)과 상부 프레임(132)에 설치되는 운전실(150)과 작업 장치(160)를 포함할 수 있다.

작업 장치(160)는 붐(170), 암(180) 및 버켓(190)을 포함할 수 있다. 붐(170)과 상부 프레임(132) 사이에는 붐(170)의 움직임을 제어하기 위한 붐 실린더(200)가 설치될 수 있다. 또한, 붐(170)과 암(180) 사이에는 암(180)의 움직임을 제어하기 위한 암 실린더(182)가 설치되고, 암(180)과 버켓(190) 사이에는 버켓(190)의 움직임을 제어하기 위한 버켓 실린더(192)가 설치될 수 있다.

붐 실린더(200), 암 실린더(182) 및 버켓 실린더(192)가 신장 또는 수축함에 따라 붐(170), 암(180), 및 버켓(190)은 다양한 움직임을 구현할 수 있고, 작업 장치(160)는 여러 작업들을 수행할 수 있다. 이때, 붐 실린더(200), 암 실린더(182) 및 버켓 실린더(192)는 후술할 메인 펌프(310)(도 2에 도시)로부터 공급되는 작동유에 의해 동작된다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 건설 기계(101)에 사용되는 유압 시스템은 엔진(100), 붐 실린더(200), 회생 라인(670), 회생 모터(370), 파일럿 펌프(350), 파일럿 라인(650), 회생 연결 라인(657), 개폐 밸브(450), 및 제어 장치(700)를 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 건설 기계(101)에 사용되는 유압 시스템은 체크 밸브(457), 파일럿 배출 라인(690), 파일럿 릴리프 밸브(490), 파일럿 압력 센서(750), 순환 라인(675), 붐 회생 밸브(400), 어큐뮬레이터(accumulator)(800), 에너지 저장 라인(680), 어큐뮬레이터 밸브(480), 메인 펌프(310), 메인 컨트롤 밸브(main control valve, MCV)(500), 메인 유압 라인(610), 및 제1 붐 유압 라인(621), 제2 붐 유압 라인(622), 및 작동유 탱크(900)를 더 포함할 수 있다.

엔진(100)은 연료를 연소시켜 동력을 발생시킨다. 즉, 엔진(100)은 후술할 메인 펌프(310)에 회전 동력을 공급한다.

메인 펌프(310)는 엔진(100)이 발생시킨 동력으로 동작하며 작동유를 토출한다. 메인 펌프(310)에서 토출된 작동유는 후술할 붐 실린더(200)를 포함한 각종 작업 장치(160)에 공급될 수 있다. 또한, 메인 펌프(310)는 사판의 각도에 따라 토출되는 유량이 가변하는 가변 용량형 펌프일 수 있다.

이하, 본 명세서에서는, 전술한 여러 작업 장치(160) 중에서 붐 실린더(200)를 예로 들어 설명한다. 붐 실린더(200)는 붐(170)을 승강시키며 헤드측과 로드측으로 구분된다.

메인 컨트롤 밸브(main control valve, MCV)(500)는 붐 실린더(200)를 포함한 각종 작업 장치(160)에 대한 작동유의 공급을 제어한다. 구체적으로, 메인 컨트롤 밸브(500)는 복수 개의 제어 스풀들을 포함할 수 있다. 그리고 각각의 제어 스풀들은 붐 실린더(200)를 포함한 각종 작업 장치에 대한 작동유의 공급을 제어한다. 또한, 메인 컨트롤 밸브(500)는 제어 스풀의 양 단에 각각 연결되어 후술할 조작 장치의 파일럿 압력을 전달받아 제어 스풀을 스트로크(stroke)시키는 스풀 캡(미도시)을 더 포함할 수 있다. 일례로, 스풀 캡에는 전자 비례 감압 밸브(electronic proportional pressure reducing valve, EPPRV)가 설치될 수 있으며, 전자 비례 감압 밸브의 개폐 정도에 따라 파일럿 압력이 제어 스풀에 가하는 압력이 달라지고, 제어 스풀은 파일럿 압력이 가하는 압력에 의해 양 방향으로 움직이게 된다.

메인 유압 라인(610)은 메인 펌프(310)와 메인 컨트롤 밸브(500)를 연결한다. 즉, 메인 유압 라인(610)은 메인 펌프(310)가 토출한 작동유를 메인 컨트롤 밸브(500)가 각종 작업 장치와 주행 장치를 향해 분배 및 조절할 수 있도록 메인 컨트롤 밸브(500)에 전달한다.

파일럿 펌프(350)는 메인 컨트롤 밸브(500)를 포함한 장치들을 제어하기 위한 파일럿 압력을 발생시킨다. 파일럿 펌프(350)에서 발생된 파일럿 압력은 조작 장치(미도시) 또는 제어 장치(700)에 의해 따라 조절되어 메인 컨트롤 밸브(500)를 포함한 각종 장치들에 전달될 수 있다. 일례로, 조작 장치 또는 제어 장치(700)에 의해 파일럿 펌프(350)가 발생시키는 파일럿 압력이 조절되어 각종 유압 장치 및 각종 밸브에 전달될 수 있다. 여기서, 조작 장치는 각종 작업 장치(160)와 주행 장치를 작업자가 조작할 수 있도록 운전실(150) 내에 설치된 조이스틱, 조작 레버, 및 패달(pedal) 등을 말한다. 이러한 조작 장치는 작업자에 의해 조작되며 메인 컨트롤 밸브(500)에 작업자의 의도대로 파일럿 압력을 전달하게 된다. 그리고 메인 컨트롤 밸브(500)는 조작 장치를 통해 전달받은 파일럿 압력에 따라 각종 작업 장치(160)에 공급되는 작동유를 조절할 수 있다. 또한, 필요에 따라 제어 장치(700)가 자동으로 메인 컨트롤 밸브(500)에 파일럿 압력을 전달할 수도 있다. 그리고 파일럿 펌프(350)는 메인 펌프(310)에 비해 작동유 토출량이 상대적으로 적다.

파일럿 라인(650)은 파일럿 펌프(350)에서 생성된 파일럿 압력을 전달한다. 이때, 조작 장치 또는 제어 장치(700)가 아무런 조작을 하지 않을 경우 파일럿 라인은 릴리프밸브(490)에 설정된 일정 압력으로 유지된다.

파일럿 압력 센서(750)는 파일럿 라인(650)의 압력을 측정한다. 그리고 파일럿 압력 센서(750)는 파일럿 라인(650)의 압력 정보를 측정하여 제어 장치(700)에 전달할 수 있다.

파일럿 배출 라인(690)은 파일럿 라인(650)과 작동유 탱크(900)를 연결한다.

파일럿 릴리프 밸브(490)는 파일럿 배출 라인(690)에 설치되어 파일럿 라인(650)의 압력이 기설정된 압력을 초과하면 개방된다. 즉, 파일럿 릴리프 밸브(490)는 파일럿 펌프(350)의 출구단 압력과 파일럿 라인(650)의 압력을 일정하게 유지하기 위해 사용된다. 여기서, 기설정된 압력은 유압 시스템의 전반적인 사양에 따라 설정될 수 있다. 예를 들어, 기설정된 압력은 최소한 파일럿 작동유가 메인 컨트롤 밸브(500)의 여러 스풀들을 안정적으로 움직일 수 있을 정도의 압력이어야 한다.

작동유 탱크(900)는 메인 펌프(310)와 파일럿 펌프(350)에서 토출되어 사용된 작동유를 회수하며 다시 메인 펌프(310)와 파일럿 펌프(350)에 작동유를 공급할 수 있도록 저장한다.

붐 실린더(200)는 작업 장치(160) 중 하나인 붐(170)을 상하 방향으로 구동시킨다. 즉, 붐 실린더(200)는 붐(170)을 승강시킨다. 그리고 붐 실린더(200)는 헤드측(201)과 로드측(202)으로 구분된다.

제1 붐 유압 라인(621)은 메인 컨트롤 밸브(500)와 붐 실린더(200)의 헤드측(201)을 연결하고, 제2 붐 유압 라인(622)은 메인 컨트롤 밸브(500)와 붐 실린더(200)의 로드측(202)을 연결한다. 구체적으로, 제1 붐 유압 라인(621)은 붐 실린더(200)의 헤드측(201)에 연결되어 붐(170)의 상승 동작 시 붐 실린더(200)에 작동유를 공급한다. 그리고 제2 붐 유압 라인(622)은 붐 실린더(200)의 로드측(202)에 연결되어 붐(170)의 하강 동작 시 붐 실린더(200)에 작동유를 공급한다.

회생 라인(670)은 제1 붐 유압 라인(621)에서 분기되어 붐(170)의 하강 동작 시 붐 실린더(200)의 헤드측(201)에서 배출된 작동유를 이동시킨다. 그리고 회생 라인(670)은 후술할 회생 모터(370)와 연결된다. 즉, 붐 실린더(200)에서 배출되어 회생 라인(670)을 따라 이동한 작동유는 회생 모터(370)를 동작시킨다.

순환 라인(675)은 회생 라인(670)에서 분기되어 제2 붐 유압 라인(622)과 연결된다. 따라서, 붐(170)의 하강 동작 시 붐 실린더(200)의 헤드측(201)에서 배출된 작동유 중 일부는 순환 라인(675)을 따라 이동하다가 제2 붐 유압 라인(622)을 거쳐 붐 실린더(200)의 로드측(202)으로 유입된다. 이와 같이, 붐(170)의 하강 시 붐 실린더(200)의 헤드측(201)에서 배출된 작동유가 붐 실린더(200)의 로드측(202)으로 유입됨으로써 붐(170)의 하강 속도를 높이고 에너지 이용 효율을 향상시킬 수 있다.

붐 회생 밸브(400)는 회생 라인(670)에 설치된 제1 회생 스풀(410)과 순환 라인(675)에 설치된 제2 회생 스풀(420)을 포함한다. 그리고, 제1 회생 스풀(410)과 제2 회생 스풀(420)은 각각 회생 라인(670)과 순환 라인(675)을 개폐할 뿐만 아니라 통과 유량을 조절할 수 있다. 일례로, 후술할 제어 장치(700)는 붐(170)의 하강 동작 시 제1 회생 스풀(410) 및 제2 회생 스풀(420)을 개방 위치로 이동시키고, 붐(170)의 상승 동작 시 제1 회생 스풀(410) 및 제2 회생 스풀(420)을 차단 위치로 이동시킬 수 있다.

회생 모터(370)는 회생 라인(670)과 연결되어 회생 라인(670)을 통해 공급받은 작동유의 압력으로 동작한다. 회생 모터(370)는 엔진(100)을 보조하여 메인 펌프(310)를 구동시킬 수 있다. 즉, 회생 모터(370)가 메인 펌프(310)를 구동시킨 만큼 엔진(100)의 연비를 절감할 수 있다. 또한, 회생 모터(370)도 가변 용량형일 수 있으며, 제어 장치(700)의 신호에 따라 사판각이 조절될 수 있다.

일례로, 엔진(100)과, 메인 펌프(310), 파일럿 펌프(350), 그리고 회생 모터(370)는 직결될 수 있다.

어큐뮬레이터(accumulator)(800)는 회생 라인(670)과 연결되어 붐 실린더(200)에서 배출된 작동유를 축적한다. 어큐뮬레이터(800)는 유압 시스템에서 고압의 작동유를 저장해 놓는 장치이다.

에너지 저장 라인(680)는 어큐뮬레이터(800)와 회생 라인(670)을 연결하고, 어큐뮬레이터 밸브(480)는 에너지 저장 라인(680)에 설치되어 에너지 저장 라인(680)을 개폐한다. 어큐뮬레이터 밸브(480)는 후술할 제어 장치(700)에 의해 제어되며, 붐(170)의 하강 동작 시와 어큐뮬레이터(800)에 저장된 고압의 작동유를 이용하여 회생 모터(370)를 구동할 때에 열리게 된다.

회생 연결 라인(657)은 파일럿 라인(650)과 회생 라인(670)을 연결한다. 그리고 개폐 밸브(450)은 회생 연결 라인(657) 상에 설치된다. 또한, 체크 밸브(457)가 회생 연결 라인(657) 상에 설치되어 회생 라인(670)에서 파일럿 라인(650)으로 작동유가 이동하는 것을 차단할 수 있다.

제어 장치(700)는 엔진(100), 메인 펌프(310), 회생 모터(370), 및 메인 컨트롤 밸브(500) 등 건설 기계(101)의 여러 구성들을 제어할 수 있다. 그리고 제어 장치(700)는 엔진 제어 장치(engine control unit, ECU) 및 차량 제어 장치(vehicle control unit, VCU) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

특히, 본 발명의 제1 실시예에서, 제어 장치(700)는 파일럿 라인(650)의 압력이 기설정된 압력에 도달하면 개폐 밸브(450)를 개방하고, 파일럿 라인(650)의 압력이 기설정된 압력 미만으로 떨어지거나 붐 실린더(200)에서 배출된 작동유가 회생 모터(370)에 공급될 때 개폐 밸브(450)를 폐쇄한다.

이와 같은 구성에서, 개폐 밸브(450)가 개방되면 파일럿 펌프(350)가 공급하는 파일럿 유량, 즉 파일럿 작동유를 회생 연결 라인(657)을 통해 이동시켜 회생 모터(370)를 구동시키는데 활용할 수 있다.

다만, 파일럿 라인(650)의 압력이 기설정된 압력 미만으로 떨어지면 파일럿 펌프(350)가 공급하는 파일럿 압력에 따라 작동하는 메인 컨트롤 밸브(500) 등이 정상적인 기능을 수행하지 못할 수 있다. 즉, 파일럿 작동유의 압력 저하로 메인 컨트롤 밸브(500)의 응답 속도가 느려지거나 오작동을 일으킬 수도 있다. 따라서, 제어 장치(700)는 파일럿 압력 센서(750)를 통해 파일럿 라인(650)의 압력을 실시간으로 체크하여 파일럿 라인(650)의 압력이 기설정된 압력 미만으로 떨어지면 개폐 밸브(450)를 닫아 파일럿 라인(650)의 압력이 저하되는 것을 방지한다.

또한, 붐(170)의 하강 동작 시에 개폐 밸브(450)가 열리면 회생 라인(670)을 따라 작동유가 파일럿 라인(650)으로 이동할 수 있다. 이는 붐(170)의 하강 동작 시 발행하는 작동유의 압력이 파일럿 펌프(350)가 공급하는 작동유의 압력보다 상대적으로 훨씬 크기 때문이다. 이러한 역류를 체크 밸브(457)를 통해 방지하거나 개폐 밸브(450)를 닫아 방지할 수 있다. 다만, 체크 밸브(457)가 설치된다면, 붐(170)의 하강 동작 시 제어 장치(700)가 개폐 밸브(450)를 반드시 닫을 필요는 없다.

또한, 제어 장치(700)는 체크 밸브(457)가 없다면 어큐뮬레이터(800)에 축적된 작동유가 회생 모터(370)에 공급될 때에도 개폐 밸브(450)를 닫게 된다.

한편, 붐 실린더(200) 또는 어큐뮬레이터(800)로부터 작동유가 공급되지 않는 경우 항상 개폐 밸브(450)가 열리는 것은 아니다. 예를 들어, 파일럿 라인(650)의 압력으로 회생 모터(370)를 구동하게 되면 파일럿 라인(650)의 압력을 기설정된 압력으로 유지하기 어려운 상황에서는 제어 장치(700)가 개폐 밸브(450)를 닫고, 이때에는 파일럿 릴리프 밸브(490)만으로 파일럿 라인(650)의 압력을 조절하게 된다.

또한, 제어 장치(700)는 개폐 밸브(450)가 개방되어 파일럿 펌프(350)가 공급하는 파일럿 작동유로 회생 모터(370)를 구동하거나 어큐뮬레이터(800)에 축적된 작동유를 이용하여 회생 모터(370)를 구동하거나 붐(170)의 하강 동작 시에는 회생 모터(370)의 사판각을 증가시키며, 그 외 동작의 경우에는 재생 모터(370)의 사판각을 최소 사판각으로 유지한다. 일례로, 최소 사판각은 0도일 수 있다.

그리고 개폐 밸브(450)가 개방되어 파일럿 펌프(350)가 공급하는 파일럿 작동유로 회생 모터(370)를 구동하는 경우에 회생 모터(370)의 사판각은 어큐뮬레이터(800)에 저장된 에너지를 이용하여 회생 모터(370)를 구동하거나 붐(170)의 하강 동작 시 회생 모터(370)의 사판각과는 다르게 설정될 수 있다. 즉, 제어 장치(700)는 회생 모터(370)에 공급되는 작동유의 유량을 고려하여 회생 모터(370)의 사판각을 가장 효율적인 각도로 조절할 수 있다.

이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 건설 기계(101)는 회생 모터(370)의 가동률을 증가시켜 전체적인 에너지 이용 효율을 향상시킬 수 있다.

구체적으로, 회생 동작 중에는 엔진(100)을 보조하던 회생 모터(370)가 회생 동작 중이 아닐 때에는 엔진(100)의 부하를 불필요하게 증가시키는 현상을 최소화할 수 있다.

이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 건설 기계 (101)의 동작 원리를 상세히 설명한다.

먼저, 도 2에 도시한 바와 같이, 붐(170)의 하강 동작 시 붐 실린더(200)로부터 배출된 작동유는 회생 라인(670)을 따라 이동하여 회생 모터(370)를 가동시킨다. 이때, 회생 모터(370)의 사판각은 증가된다.

또한, 붐 실린더로(200)부터 배출된 작동유는 어큐뮬레이터(800)에 저장될 수도 있다. 그리고 어큐뮬레이터(800)에 작동유가 축적될수록 어큐뮬레이터(800)의 압력은 지속적으로 상승되고, 그에 비례하여 회생 라인(670)의 압력도 상승하게 된다.

이와 같이 어큐뮬레이터(800)에 축적된 작동유는 붐(170)이 하강 동작을 하지 않은 경우에도 회생 모터(370)에 작동유를 공급하여 회생 모터(370)를 가동시킬 수 있다.

그리고 제어 장치(700)는 붐 실린더(200) 또는 어큐뮬레이터(800)가 공급하는 작동유에 의해 회생 모터(370)가 가동 중일 때에 개폐 밸브(450)를 차단한다. 즉, 회생 라인(670)을 통해 회생 모터(370)로 공급되는 작동유가 회생 연결 라인(657)을 통해 파일럿 라인(650)으로 역류하는 것을 개폐 밸브(450)를 닫아 방지한다. 다만, 회생 연결 라인(657)에 체크 밸브(457)가 설치된 경우, 반드시 개폐 밸브(450)를 닫아야 하는 것은 아니다.

다음, 도 3에 도시한 바와 같이, 붐 실린더(200) 또는 어큐뮬레이터(800)가 회생 모터(370)에 작동유를 공급하지 않을 때에는 개폐 밸브(450)를 개방하여 파일럿 라인(650)으로 이동하는 파일럿 유량, 즉 파일럿 작동유를 회생 모터(370)로 공급한다. 파일럿 라인(650)은 파일럿 압력을 전달하기 위해 일정한 압력으로 유지되지만, 조작 장치의 조작이 이루어지지 않을 때에는 파일럿 작동유가 거의 사용되지 않는다. 따라서, 파일럿 펌프(350)에서 토출된 파일럿 작동유는 파일럿 라인(650)을 기설정된 압력으로 유지하면서 파일럿 릴리프 밸브(490)를 거쳐 작동유 탱크(900)로 배출된다.

또한, 조작 장치의 조작이 이루어지더라도 조작량이 많지 않아 파일럿 펌프(350)에서 토출된 파일럿 작동유의 극히 일부만 사용되는 경우에도 나머지 작동유는 배출된다.

하지만, 본 발명의 제1 실시예에서는, 전술한 바와 같이 무의미하게 배출되는 파일럿 작동유를 회수하여 회생 모터(370)를 가동하는데 사용한다. 회생 모터(370)가 가동되지 않는 상태에서, 회생 모터(370)는 엔진(200)에 부하로 작용하여 오히려 엔진(200)의 연비를 저하시킬 수 있다. 하지만, 붐(170)의 하강 동작이 아니거나 어큐뮬레이터(800)에 축적된 작동유를 사용하지 않는 경우에도 파일럿 작동유로 회생 모터(370)를 가동시킴으로써, 회생 모터(370)의 가동률을 높이고 회생 모터(370)가 엔진(100)에 부하로 작용하는 현상을 최소화할 수 있다.

또한, 파일럿 펌프(350)에서 토출된 파일럿 작동유는 기본적으로 메인 컨트롤 밸브(500)의 여러 스풀들을 이동시키는데 사용되므로, 조작 장치의 조작량에 따라 회생 모터(370)로 유입되는 파일럿 작동유의 유량이 감소할 수 있다.

이때에는, 제어 장치(700)가 회생 모터(370)의 사판각을 감소시켜 회생 모터(370)에 유입되는 파일럿 작동유의 유량을 줄임으로써 파일럿 라인(650)의 압력을 기설정된 압력으로 유지하고 회생 모터(370)를 효율적으로 동작시키는 제어를 수행할 수 있다.

또한, 조작 장치의 조작량이 커져 회생 모터(370)의 사판각을 감소시키는 것만으로 파일럿 라인(650)의 압력을 기설정된 압력으로 유지하기 힘든 경우에는, 도 4에 도시한 바와 같이, 제어 장치(700)가 개폐 밸브(450)를 닫고 파일럿 릴리프 밸브(490)만으로 파일럿 라인(650)의 압력을 조절할 수 있다.

이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 건설 기계(102)를 설명한다.

도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 건설 기계(102)에서는, 제1 실시예에서 회생 연결 유로(657) 상에 설치된 체크 밸브(457)가 생략된다. 그리고 본 발명의 제2 실시예에 따른 건설 기계(102)의 다른 구성은 제1 실시예와 동일하다.

이와 같이, 본 발명의 제2 실시예에서는, 체크 밸브(457)가 생략됨에 따라, 붐 실린더(200) 또는 어큐뮬레이터(800)가 공급하는 작동유에 의해 회생 모터(370)가 가동 중일 때에 회생 라인(670)을 통해 회생 모터(370)로 공급되는 작동유가 회생 연결 라인(657)을 통해 파일럿 라인(650)으로 역류하는 것을 방지하기 위해 반드시 개폐 밸브(450)를 차단해야 하다.

이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 건설 기계(102)도 회생 모터(370)의 가동률을 증가시켜 전체적인 에너지 이용 효율을 향상시킬 수 있다.

이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 건설 기계(103)를 설명한다.

도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 건설 기계(103)에서는, 제1 실시예에서 회생 연결 유로(657) 상에 설치된 개폐 밸브(450)가 생략된다. 그리고 본 발명의 제3 실시예에 따른 건설 기계(103)의 다른 구성은 제1 실시예와 동일하다.

이와 같이, 본 발명의 제3 실시예에서는, 개폐 밸브(450)가 생략됨에 따라, 붐(170)의 하강 이외의 동작 중일 때 파일럿 라인(650)의 압력이 기설정된 압력 미만으로 떨어지면 제어 장치(700)가 회생 모터(370)의 사판각을 제어함으로써 회생 모터(370)에 파일럿 작동유가 유입되는 것을 막아 파일럿 라인(650)의 압력을 기설정된 압력으로 회복시킨다. 일례로, 제어 장치(700)는 회생 모터(370)의 사판각을 0도까지 감소시킬 수 있다.

또한, 붐 실린더(200) 또는 어큐뮬레이터(800)가 공급하는 작동유에 의해 회생 모터(370)가 가동 중일 때에 회생 라인(670)을 통해 회생 모터(370)로 공급되는 작동유가 회생 연결 라인(657)을 통해 파일럿 라인(650)으로 역류하는 것은 체크 밸브(457)를 통해 방지할 수 있다.

이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 건설 기계(103)도 회생 모터(370)의 가동률을 증가시켜 전체적인 에너지 이용 효율을 향상시킬 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 엔진
101: 건설 기계
120: 하부 주행체
130: 상부 선회체
135: 상부 프레임
150: 운전실
160: 작업 장치
170: 붐
180: 암
182: 암 실런더
190: 버켓
192: 버켓 실린더
200: 붐 실린더
310: 메인 펌프
350: 파일럿 펌프
370: 회생 모터
400: 붐 회생 밸브
410: 제1 회생 스풀
420: 제2 회생 스풀
450: 개폐 밸브
457: 체크 밸브
480: 어큐뮬레이터 밸브
490: 파일럿 릴리프 밸브
500: 메인 컨트롤 밸브
610: 메인 유압 라인
621: 제1 붐 유압 라인
622: 제2 붐 유압 라인
650: 파일럿 라인
657: 회생 연결 라인
670: 회생 라인
675: 순환 라인
680: 에너지 저장 라인
690: 파일럿 배출 라인
700: 제어 장치
750: 파일럿 압력 센서
800: 어큐뮬레이터
900: 작동유 탱크

Claims

동력을 발생시키는 엔진:
붐을 승강시키며 헤드측과 로드측으로 구분된 붐 실린더;
상기 붐 실린더의 헤드측에 연결되어 붐의 하강 동작 시 상기 붐 실린더의 헤드측에서 배출된 작동유가 이동하는 회생 라인;
상기 회생 라인과 연결되어 동작하며 상기 엔진을 보조하는 회생 모터;
상기 엔진에 의해 구동되며, 각종 장치 및 각종 밸브를 제어하기 위한 파일럿 압력을 발생시키는 파일럿 펌프;
상기 파일럿 펌프에서 토출된 파일럿 작동유가 이동하는 파일럿 라인;
상기 파일럿 라인과 상기 회생 라인을 연결하는 회생 연결 라인;
상기 회생 연결 라인 상에 설치된 개폐 밸브;
상기 엔진에 의해 구동되며 작동유를 토출하는 메인 펌프;
상기 파일럿 펌프가 생성한 파일럿 압력을 전달받아 상기 붐 실린더로 상기 메인 펌프가 토출하는 작동유의 공급을 제어하는 제어하는 메인 컨트롤 밸브; 및
상기 파일럿 라인의 압력이 기설정된 압력에 도달하면 상기 개폐 밸브를 개방하여 상기 파일럿 펌프가 공급하는 파일럿 작동유를 상기 회생 연결 라인을 통해 이동시켜 상기 회생 모터를 구동시키는데 활용하고, 상기 파일럿 라인의 압력이 기설정된 압력 미만으로 떨어지거나 상기 붐 실린더에서 배출된 작동유가 상기 회생 모터에 공급될 때 상기 개폐 밸브를 닫는 제어 장치
를 포함하는 건설 기계.
제1항에 있어서,
상기 파일럿 라인의 압력을 측정하는 파일럿 압력 센서를 더 포함하며,
상기 제어 장치는 상기 파일럿 압력 센서로부터 상기 파일럿 라인의 압력 정보를 전달받는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
제1항에 있어서,
상기 회생 연결 라인 상에 설치되어 상기 회생 라인에서 상기 파일럿 라인으로 작동유가 이동하는 것을 차단하는 체크 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
제1항에 있어서,
상기 파일럿 라인과 연결된 파일럿 배출 라인; 및
상기 파일럿 배출 라인에 설치되어 상기 파일럿 라인의 압력이 상기 기설정된 압력을 초과하면 개방되는 파일럿 릴리프 밸브
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
제1항에 있어서,
상기 회생 라인에서 분기되어 상기 붐 실린더의 로드측에 연결된 순환 라인; 및
상기 회생 라인에 설치된 제1 회생 스풀과 상기 순환 라인에 설치된 제2 회생 스풀을 포함하는 붐 회생 밸브
를 더 포함하며,
상기 제어 장치는 상기 붐의 하강 동작 시 상기 제1 회생 스풀 및 상기 제2 회생 스풀을 개방 위치로 이동시키고, 상기 붐의 상승 동작 시 상기 제1 회생 스풀 및 상기 제2 회생 스풀을 차단 위치로 이동시키는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
제1항에 있어서,
상기 붐 실린더에서 배출된 작동유를 축적하는 어큐뮬레이터;
상기 어큐뮬레이터와 상기 회생 라인을 연결하는 에너지 저장 라인; 및
상기 에너지 저장 라인에 설치된 어큐뮬레이터 밸브
를 더 포함하며,
상기 제어 장치는 상기 어큐뮬레이터에 축적된 작동유가 상기 회생 모터에 공급될 때에도 상기 개폐 밸브를 닫는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
제1항에 있어서,
상기 메인 펌프와 상기 메인 컨트롤 밸브를 연결하는 메인 유압 라인; 및
상기 메인 컨트롤 밸브와 상기 붐 실린더의 헤드측 및 로드측을 각각 연결하는 제1 붐 유압 라인 및 제2 붐 유압 라인
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
동력을 발생시키는 엔진:
붐을 승강시키며 헤드측과 로드측으로 구분된 붐 실린더;
상기 붐 실린더의 헤드측에 연결되어 상기 붐의 하강 동작 시 상기 붐 실린더의 헤드측에서 배출된 작동유가 이동하는 회생 라인;
상기 회생 라인과 연결되어 동작하며 상기 엔진을 보조하는 가변 용량형 회생 모터;
상기 엔진에 의해 구동되며, 각종 장치 및 각종 밸브를 제거하기 위한 파일럿 압력을 발생시키는 파일럿 펌프;
상기 파일럿 펌프에서 토출된 파일럿 작동유가 이동하는 파일럿 라인;
상기 파일럿 라인과 상기 회생 라인을 연결하는 회생 연결 라인;
상기 회생 연결 라인 상에 설치된 개폐 밸브;
상기 회생 연결 라인 상에 설치되어 상기 회생 라인에서 상기 파일럿 라인으로 작동유가 이동하는 것을 차단하는 체크 밸브;
상기 엔진에 의해 구동되며 작동유를 토출하는 메인 펌프;
상기 파일럿 펌프가 생성한 파일럿 압력을 전달받아 상기 붐 실린더로 상기 메인 펌프가 토출하는 작동유의 공급을 제어하는 메인 컨트롤 밸브; 및
상기 파일럿 라인의 압력이 기설정된 압력에 도달하면 상기 개폐 밸브를 개방하여 상기 파일럿 펌프가 공급하는 파일럿 작동유를 상기 회생 연결 라인을 통해 이동시켜 상기 회생 모터를 구동시키는데 활용하고, 상기 붐이 하강 이외의 동작 중일 때 상기 파일럿 라인의 압력이 기설정된 압력 미만으로 떨어지면 상기 회생 모터에 작동유가 유입되는 것을 방지하도록 상기 회생 모터의 사판각을 제어하는 제어 장치
를 포함하는 건설 기계.
제8항에 있어서,
상기 파일럿 라인의 압력을 측정하는 파일럿 압력 센서를 더 포함하며,
상기 제어 장치는 상기 파일럿 압력 센서로부터 상기 파일럿 라인의 압력 정보를 전달받는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
제8항에 있어서,
상기 파일럿 라인과 연결된 파일럿 배출 라인; 및
상기 파일럿 배출 라인에 설치되어 상기 파일럿 라인의 압력이 상기 기설정된 압력을 초과하면 개방되는 파일럿 릴리프 밸브
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
제8항에 있어서,
상기 회생 라인에서 분기되어 상기 붐 실린더의 로드측에 연결된 순환 라인; 및
상기 회생 라인에 설치된 제1 회생 스풀과 상기 순환 라인에 설치된 제2 회생 스풀을 포함하는 붐 회생 밸브
를 더 포함하며,
상기 제어 장치는 상기 붐의 하강 동작 시 상기 제1 회생 스풀 및 상기 제2 회생 스풀을 개방 위치로 이동시키고, 상기 붐의 상승 동작 시 상기 제1 회생 스풀 및 상기 제2 회생 스풀을 차단 위치로 이동시키는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
제8항에 있어서,
상기 붐 실린더에서 배출된 작동유를 축적하는 어큐뮬레이터;
상기 어큐뮬레이터와 상기 회생 라인을 연결하는 에너지 저장 라인; 및
상기 에너지 저장 라인에 설치된 어큐뮬레이터 밸브
를 더 포함하며,
상기 제어 장치는 상기 어큐뮬레이터에 축적된 작동유가 상기 회생 모터에 공급될 때에는 상기 파일럿 라인의 압력이 기설정된 압력 미만으로 떨어지더라도 상기 회생 모터에 작동유가 유입되도록 상기 회생 모터의 사판각을 제어하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
제8항에 있어서,
상기 메인 펌프와 상기 메인 컨트롤 밸브를 연결하는 메인 유압 라인; 및
상기 메인 컨트롤 밸브와 상기 붐 실린더의 헤드측 및 로드측을 각각 연결하는 제1 붐 유압 라인 및 제2 붐 유압 라인
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.