KR20160077178A - 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템 - Google Patents

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하루히코 가와사키
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케이와이비 가부시키가이샤
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Abstract

하이브리드 건설 기계의 제어 시스템(100)은, 작동 유체를 토출하여 액추에이터(RM)를 구동하는 메인 펌프(MP1)와, 상기 액추에이터(RM)로부터 제1 회생 통로(46)를 통해 배출되는 작동 유체에 의해 구동되는 회생 모터(M)와, 상기 회생 모터(M)에 의해 구동 가능한 회전 전기 기기(47)와, 상기 제1 회생 통로(46) 내의 작동 유체의 상기 회생 모터(M)에의 유입량이 규정값을 초과한 경우에 상기 제1 회생 통로(46)를 탱크(T)에 연통시키는 탱크 연통 위치를 갖는 회생 통로 전환 밸브(58)를 구비한다.

Description

하이브리드 건설 기계의 제어 시스템{CONTROL SYSTEM OF HYBRID CONSTRUCTION MACHINE}
본 발명은, 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템에 관한 것이다.
종래부터, 액추에이터로부터 유도되는 작동유를 이용하여 유압 모터를 회전시켜 에너지 회생을 행하는 하이브리드 건설 기계가 알려져 있다.
JP2009-287745A에는, 붐 실린더와 선회 모터를 구비하고, 붐 하강 작업시에 붐 실린더로부터 유도되는 작동유나, 선회 작업시에 선회 모터로부터 유도되는 작동유를 이용하여, 유압 모터를 회전시켜 에너지 회생을 행하는 하이브리드 건설 기계가 개시되어 있다.
그러나, JP2009-287745A에 기재된 하이브리드 건설 기계에서는, 작업의 내용이나 유압 모터의 상태에 따라서는, 붐 실린더 및 선회 모터부터 유압 모터에 유도되는 작동유의 유량이 과잉으로 될 우려가 있다.
본 발명은, 회생 모터에 유도되는 작동유의 유량이 과잉으로 되는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태에 의하면, 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템은, 작동 유체를 토출하여 액추에이터를 구동하는 메인 펌프와, 상기 액추에이터로부터 제1 회생 통로를 통해 배출되는 작동 유체에 의해 구동되는 회생 모터와, 상기 회생 모터에 의해 구동 가능한 회전 전기 기기와, 상기 제1 회생 통로 내의 작동 유체의 상기 회생 모터에의 유입량이 규정값을 초과한 경우에 상기 제1 회생 통로를 탱크에 연통시키는 탱크 연통 위치를 갖는 회생 통로 전환 밸브를 구비한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템의 회로도이다.
도 2는 도 1에 있어서의 회생 통로 전환 밸브와 고압 선택 전환 밸브의 확대도이다.
도 3은 고압 선택 전환 밸브의 단면도이다.
도 4는 회생 통로 전환 밸브의 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 관한 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템(100)에 대해 설명한다. 여기서는, 하이브리드 건설 기계가 유압 셔블인 경우에 대해 설명한다. 유압 셔블에서는, 작동 유체로서 작동유가 사용된다.
우선, 도 1을 참조하여, 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템(100)의 전체 구성에 대해 설명한다.
유압 셔블은, 작동유를 토출하여 각 액추에이터를 구동하는 제1 메인 펌프(MP1) 및 제2 메인 펌프(MP2)와, 제1 메인 펌프(MP1)로부터 작동유가 공급되는 제1 회로 계통(S1)과, 제2 메인 펌프(MP2)로부터 작동유가 공급되는 제2 회로 계통(S2)을 구비한다.
제1 메인 펌프(MP1) 및 제2 메인 펌프(MP2)는, 경사판의 틸팅각을 조정 가능한 가변 용량형 펌프이다. 제1 메인 펌프(MP1) 및 제2 메인 펌프(MP2)는, 엔진(E)에 의해 구동되어 동축 회전한다.
제1 회로 계통(S1)은, 상류측으로부터 차례로, 선회 모터(RM)를 제어하는 조작 밸브(1)와, 아암 실린더(도시 생략)를 제어하는 조작 밸브(2)와, 유체압 실린더로서의 붐 실린더(BC)를 제어하는 붐 2속용 조작 밸브(3)와, 브레이커나 크러셔 등의 예비용 어태치먼트(도시 생략)를 제어하는 조작 밸브(4)와, 좌측 주행용인 제1 주행용 모터(도시 생략)를 제어하는 조작 밸브(5)를 갖는다.
각 조작 밸브(1∼5)는, 제1 메인 펌프(MP1)로부터 각 액추에이터로 유도되는 작동유의 유량을 제어하여, 각 액추에이터의 동작을 제어한다. 각 조작 밸브(1∼5)는, 유압 셔블의 작업자가 조작 레버를 수동 조작하는 것에 수반하여 공급되는 파일럿압에 의해 조작된다.
각 조작 밸브(1∼5)는, 서로 병렬인 메인 통로로서의 중립 유로(6)와 패럴렐 통로(7)를 통해 제1 메인 펌프(MP1)에 접속되어 있다. 중립 유로(6)에 있어서의 조작 밸브(1)의 상류측에는, 중립 유로(6)의 작동유압이 소정의 메인 릴리프압을 초과하면 밸브 개방되어 작동유압을 소정의 메인 릴리프압 이하로 유지하는 메인 릴리프 밸브(8)가 설치된다. 소정의 메인 릴리프압은, 각 조작 밸브(1∼5)의 최저 작동압을 충분히 확보할 수 있을 정도로 높게 설정된다.
중립 유로(6)에 있어서의 조작 밸브(5)의 하류측에는, 파일럿압(네거티브 컨트롤압)을 생성하기 위한 스로틀(9)이 설치된다. 스로틀(9)은, 통과하는 유량이 많으면 상류측에 높은 파일럿압을 생성하고, 통과하는 유량이 적으면 상류측에 낮은 파일럿압을 생성한다.
스로틀(9)에는, 스로틀(9)의 상류측에 생성되는 파일럿압이 소정의 파일럿 릴리프압을 초과하면 밸브 개방되어 파일럿압을 소정의 파일럿 릴리프압 이하로 유지하는 파일럿 릴리프 밸브(10)가 병렬로 설치된다. 또한, 소정의 파일럿 릴리프압은, 스로틀(9)에 이상압이 발생하지 않을 정도로 메인 릴리프 밸브(8)의 메인 릴리프압보다 낮게 설정된다.
중립 유로(6)는, 조작 밸브(1∼5) 전부가 중립 위치 또는 중립 위치 근방에 있는 경우에는, 제1 메인 펌프(MP1)로부터 토출된 작동유의 전부 또는 일부를 탱크(T)로 유도한다. 이 경우, 스로틀(9)을 통과하는 작동유의 유량이 많아지므로, 높은 파일럿압이 생성된다.
한편, 조작 밸브(1∼5)가 풀 스트로크로 전환되면, 중립 유로(6)가 폐쇄되어 작동유의 유통이 없어진다. 이 경우, 스로틀(9)을 통과하는 작동유의 유량이 거의 없어져, 파일럿압은 제로를 유지하게 된다. 단, 조작 밸브(1∼5)의 조작량에 따라서는, 제1 메인 펌프(MP1)로부터 토출된 작동유의 일부가 액추에이터로 유도되고, 나머지가 중립 유로(6)로부터 탱크(T)로 유도되므로, 스로틀(9)은, 중립 유로(6)의 작동유의 유량에 따른 파일럿압을 생성한다. 즉, 스로틀(9)은, 조작 밸브(1∼5)의 조작량에 따른 파일럿압을 생성한다.
스로틀(9)의 상류측에는 파일럿 유로(11)가 접속된다. 파일럿 유로(11)에는, 스로틀(9)에 의해 생성된 파일럿압이 유도된다. 파일럿 유로(11)는, 제1 메인 펌프(MP1)의 용량(경사판의 틸팅각)을 제어하는 레귤레이터(12)에 접속된다.
레귤레이터(12)는, 파일럿 유로(11)의 파일럿압과 비례(비례 상수는 음의 수)하여 제1 메인 펌프(MP1)의 경사판의 틸팅각을 제어하여, 제1 메인 펌프(MP1)의 1회전당 변위량을 제어한다. 따라서, 조작 밸브(1∼5)가 풀 스트로크로 전환되어 스로틀(9)을 통과하는 작동유의 흐름이 없어져, 파일럿 유로(11)의 파일럿압이 제로로 되면, 제1 메인 펌프(MP1)의 경사판의 틸팅각이 최대로 되어, 1회전당 변위량이 최대로 된다.
파일럿 유로(11)에는, 파일럿 유로(11)의 압력을 검출하는 압력 센서(13)가 설치된다. 압력 센서(13)에 의해 검출된 압력 신호는 컨트롤러(C)에 출력된다. 파일럿 유로(11)의 파일럿압은, 조작 밸브(1∼5)의 조작량에 따라서 변화된다. 따라서, 압력 센서(13)에 의해 검출되는 압력 신호는, 제1 회로 계통(S1)의 요구 유량에 비례한다.
제2 회로 계통(S2)은, 상류측으로부터 차례로, 우측 주행용인 제2 주행용 모터(도시 생략)를 제어하는 조작 밸브(14)와, 버킷 실린더(도시 생략)를 제어하는 조작 밸브(15)와, 붐 실린더(BC)를 제어하는 조작 밸브(16)와, 아암 실린더(도시 생략)를 제어하는 아암 2속용 조작 밸브(17)를 갖는다.
각 조작 밸브(14∼17)는, 제2 메인 펌프(MP2)로부터 각 액추에이터로 유도되는 작동유의 유량을 제어하여, 각 액추에이터의 동작을 제어한다. 각 조작 밸브(14∼17)는, 유압 셔블의 작업자가 조작 레버를 수동 조작하는 것에 수반하여 공급되는 파일럿압에 의해 조작된다.
각 조작 밸브(14∼17)는, 메인 통로로서의 중립 유로(18)를 통해 제2 메인 펌프(MP2)에 접속되어 있다. 또한, 조작 밸브(14∼16)는, 중립 유로(18)와 병렬인 패럴렐 통로(29)를 통해 제2 메인 펌프(MP2)에 접속되어 있다. 중립 유로(18)에 있어서의 조작 밸브(14)의 상류측에는, 중립 유로(18)의 작동유압이 소정의 메인 릴리프압을 초과하면 밸브 개방되어, 작동유압을 메인 릴리프압 이하로 유지하는 메인 릴리프 밸브(19)가 설치된다. 소정의 메인 릴리프압은, 각 조작 밸브(14∼17)의 최저 작동압을 충분히 확보할 수 있을 정도로 높게 설정된다.
중립 유로(18)에 있어서의 조작 밸브(17)의 하류측에는, 파일럿압(네거티브 컨트롤압)을 생성하기 위한 스로틀(20)이 설치된다. 스로틀(20)은, 제1 메인 펌프(MP1)측의 스로틀(9)과 동일한 기능을 갖는다.
스로틀(20)에는, 스로틀(20)의 상류측에 생성되는 파일럿압이 소정의 파일럿 릴리프압을 초과하면 밸브 개방되어 파일럿압을 소정의 파일럿 릴리프압 이하로 유지하는 파일럿 릴리프 밸브(21)가 병렬로 설치된다. 또한, 소정의 파일럿 릴리프압은, 스로틀(20)에 이상압이 발생하지 않을 정도로 메인 릴리프 밸브(19)의 메인 릴리프압보다 낮게 설정된다.
스로틀(20)의 상류측에는 파일럿 유로(22)가 접속되고, 파일럿 유로(22)에는 스로틀(20)에 의해 생성된 파일럿압이 유도된다. 파일럿 유로(22)는 제2 메인 펌프(MP2)의 용량(경사판의 틸팅각)을 제어하는 레귤레이터(23)에 접속된다.
레귤레이터(23)는, 파일럿 유로(22)의 파일럿압과 비례(비례 상수는 음의 수)하여 제2 메인 펌프(MP2)의 경사판의 틸팅각을 제어하여, 제2 메인 펌프(MP2)의 1회전당 변위량을 제어한다. 따라서, 조작 밸브(14∼17)가 풀 스트로크로 전환되어 스로틀(20)을 통과하는 작동유의 흐름이 없어져, 파일럿 유로(22)의 파일럿압이 제로로 되면, 제2 메인 펌프(MP2)의 경사판의 틸팅각이 최대로 되어, 1회전당 변위량이 최대로 된다.
파일럿 유로(22)에는, 파일럿 유로(22)의 압력을 검출하는 압력 센서(24)가 설치된다. 압력 센서(24)에 의해 검출된 압력 신호는 컨트롤러(C)에 출력된다. 파일럿 유로(22)의 파일럿압은, 조작 밸브(14∼17)의 조작량에 따라서 변화된다. 따라서, 압력 센서(24)에 의해 검출되는 압력 신호는, 제2 회로 계통(S2)의 요구 유량에 비례한다.
엔진(E)에는, 엔진(E)의 여력을 이용하여 발전하는 발전기(25)가 설치된다. 발전기(25)에서 발전된 전력은, 배터리 차저(26)를 통해 배터리(27)에 충전된다. 배터리 차저(26)는, 통상의 가정용 전원(28)에 접속한 경우에도, 배터리(27)에 전력을 충전할 수 있다.
다음으로, 선회 모터(RM)에 대해 설명한다.
선회 모터(RM)는, 선회 모터(RM)를 구동시키기 위한 선회 회로(30)에 설치된다. 선회 회로(30)는, 제1 메인 펌프(MP1)와 선회 모터(RM)를 접속하고 조작 밸브(1)가 개재 장착되는 한 쌍의 급배 통로(31, 32)와, 급배 통로(31, 32)의 각각에 접속되고 설정 압력에서 개방되는 릴리프 밸브(33, 34)를 구비한다.
조작 밸브(1)는, 3 위치의 전환 밸브이다. 조작 밸브(1)가 중립 위치인 경우에는, 조작 밸브(1)의 액추에이터 포트가 폐쇄되므로, 선회 모터(RM)에 대한 작동유의 급배가 차단되고, 선회 모터(RM)는 정지 상태를 유지한다.
조작 밸브(1)가 한쪽의 위치로 전환되면, 급배 통로(31)가 제1 메인 펌프(MP1)에 접속되고, 급배 통로(32)가 탱크(T)에 연통된다. 이에 의해, 급배 통로(31)를 통해 작동유가 공급되어 선회 모터(RM)가 회전함과 함께, 선회 모터(RM)로부터의 복귀 작동유가 급배 통로(32)를 통해 탱크(T)에 배출된다. 한편, 조작 밸브(1)가 다른 쪽의 위치로 전환되면, 급배 통로(32)가 제1 메인 펌프(MP1)에 접속되고, 급배 통로(31)가 탱크(T)에 연통되고, 선회 모터(RM)는 역방향으로 회전한다.
선회 모터(RM)의 선회 동작시에, 급배 통로(31, 32)의 선회 압력이 릴리프 밸브(33, 34)의 설정 압력에 도달한 경우에는, 릴리프 밸브(33, 34)가 개방되어 고압측의 잉여 유량이 저압측으로 유도된다.
선회 모터(RM)의 선회 동작중에, 조작 밸브(1)가 중립 위치로 전환되면, 조작 밸브(1)의 액추에이터 포트가 폐쇄된다. 이에 의해, 급배 통로(31, 32)와, 선회 모터(RM)와, 릴리프 밸브(33, 34)에 의해 폐회로가 구성된다. 이와 같이, 조작 밸브(1)의 액추에이터 포트가 폐쇄되어도, 선회 모터(RM)는 관성 에너지에 의해 계속 회전하여 펌프 작용을 발휘한다.
이에 의해, 선회 동작시에는 저압이었던 급배 통로(31, 32) 중 한쪽이 고압으로 되고, 선회 동작시에는 고압이었던 급배 통로(31, 32) 중 다른 쪽이 저압으로 된다. 따라서, 선회 모터(RM)에 브레이크력이 작용하여 브레이크 동작이 행해진다. 이때, 급배 통로(31, 32)의 브레이크 압력이 릴리프 밸브(33, 34)의 설정 압력에 도달한 경우에는, 릴리프 밸브(33, 34)가 개방되어 고압측의 브레이크 유량이 저압측으로 유도된다.
선회 모터(RM)의 브레이크 동작시에, 선회 모터(RM)의 흡입 유량이 부족한 경우에는, 탱크(T)로부터 급배 통로(31, 32)로의 작동유의 흐름만을 허용하는 체크 밸브(35, 36)를 통해 탱크(T)의 작동유가 흡입된다.
다음으로, 붐 실린더(BC)에 대해 설명한다.
붐 실린더(BC)의 동작을 제어하는 조작 밸브(16)는, 3 위치의 전환 밸브이다. 조작 밸브(16)가 중립 위치로부터 한쪽의 위치로 전환되면, 제2 메인 펌프(MP2)로부터 토출된 작동유가 급배 통로(38)를 통해 붐 실린더(BC)의 피스톤측실(39)에 공급됨과 함께, 로드측실(40)로부터의 복귀 작동유가 급배 통로(37)를 통해 탱크(T)로 배출된다. 따라서, 붐 실린더(BC)는 신장된다.
한편, 조작 밸브(16)가 다른 쪽의 위치로 전환되면, 제2 메인 펌프(MP2)로부터 토출된 작동유가 급배 통로(37)를 통해 붐 실린더(BC)의 로드측실(40)에 공급됨과 함께, 피스톤측실(39)로부터의 복귀 작동유가 급배 통로(38)를 통해 탱크(T)로 배출된다. 따라서, 붐 실린더(BC)는 수축한다.
조작 밸브(16)가 중립 위치로 전환되면, 붐 실린더(BC)에 대한 작동유의 급배가 차단되어, 붐은 정지한 상태를 유지한다. 또한, 붐 2속용 조작 밸브(3)는, 작업자에 의한 조작 레버의 조작량이 소정량보다 큰 경우에 전환된다.
조작 밸브(16)를 중립 위치로 전환하여 붐의 움직임을 멈춘 경우, 버킷, 아암, 및 붐 등의 자중에 의해, 붐 실린더(BC)에는 수축하는 방향의 힘이 작용한다. 이와 같이, 붐 실린더(BC)는, 조작 밸브(16)가 중립 위치인 경우에는 피스톤측실(39)에 의해 부하를 유지하는 것이며, 피스톤측실(39)이 부하측 압력실로 된다.
하이브리드 건설 기계의 제어 시스템(100)은, 선회 회로(30) 및 붐 실린더(BC)로부터의 작동유의 에너지를 회수하여 에너지 회생을 행하는 회생 제어를 행하는 회생 장치를 구비한다. 이하에서는, 그 회생 장치에 대해 설명한다.
회생 장치에 의한 회생 제어는, 컨트롤러(C)에 의해 행해진다. 컨트롤러(C)는, 회생 제어를 실행하는 CPU(중앙 연산 처리 장치)와, CPU의 처리 동작에 필요한 제어 프로그램이나 설정값 등이 기억된 ROM(리드 온리 메모리)과, 각종 센서가 검출한 정보를 일시적으로 기억하는 RAM(랜덤 액세스 메모리)을 구비한다.
우선, 선회 회로(30)로부터의 작동유를 이용하여 에너지 회생을 행하는 선회 회생 제어에 대해 설명한다.
선회 모터(RM)에 접속되는 급배 통로(31, 32)에는, 각각 분기 통로(41, 42)가 접속된다. 분기 통로(41, 42)는 합류하여, 선회 회로(30)로부터의 작동유를 회생용 회생 모터(M)로 유도하기 위한 선회 회생 통로(43)에 접속된다. 분기 통로(41, 42) 각각에는, 급배 통로(31, 32)로부터 선회 회생 통로(43)로의 작동유의 흐름만을 허용하는 체크 밸브(44, 45)가 설치된다. 선회 회생 통로(43)는, 제1 회생 통로로서의 합류 회생 통로(46)를 통해 회생 모터(M)에 접속된다.
회생 모터(M)는, 경사판의 틸팅각을 조정 가능한 가변 용량형 모터이며, 발전기 겸용의 회전 전기 기기로서의 전동 모터(47)와 동축 회전하도록 연결되어 있다. 회생 모터(M)는, 선회 모터(RM)나 붐 실린더(BC)로부터 합류 회생 통로(46)를 통해 배출되는 작동유에 의해 구동된다. 회생 모터(M)는, 전동 모터(47)를 구동 가능하다. 전동 모터(47)가 발전기로서 기능한 경우에는, 전동 모터(47)에서 발전된 전력은 인버터(48)를 통해 배터리(27)에 충전된다. 회생 모터(M)와 전동 모터(47)는, 직접 연결되어도 되고, 감속기를 통해 연결되어도 된다.
선회 회생 통로(43)에는, 컨트롤러(C)로부터 출력되는 신호에 의해 전환 제어되는 전자 전환 밸브(49)가 설치된다. 전자 전환 밸브(49)와 체크 밸브(44, 45) 사이에는, 선회 모터(RM)의 선회 동작시의 선회 압력 또는 브레이크 동작시의 브레이크 압력을 검출하는 압력 센서(50)가 설치된다. 압력 센서(50)에 의해 검출된 압력 신호는, 컨트롤러(C)에 출력된다.
전자 전환 밸브(49)는, 솔레노이드가 비여자일 때, 폐쇄 위치(도 1에 도시하는 상태)로 설정되어, 선회 회생 통로(43)를 차단한다. 전자 전환 밸브(49)는, 솔레노이드가 여자되었을 때 개방 위치로 전환되어, 선회 회생 통로(43)를 개통한다. 전자 전환 밸브(49)는, 개방 위치로 전환되면, 선회 회로(30)로부터의 작동유를 회생 모터(M)로 유도한다. 이에 의해, 선회 회생이 행해진다.
여기서, 선회 회로(30)로부터 회생 모터(M)로의 작동유의 경로에 대해 설명한다. 예를 들어, 급배 통로(31, 32)를 통해 공급되는 작동유에 의해 선회 모터(RM)가 선회하는 선회 동작시에는, 급배 통로(31, 32)의 잉여유가 분기 통로(41, 42) 및 체크 밸브(44, 45)를 통해 선회 회생 통로(43)로 유입되어, 회생 모터(M)로 유도된다. 또한, 급배 통로(31, 32)를 통해 공급되는 작동유에 의해 선회 모터(RM)가 선회하고 있을 때, 조작 밸브(1)가 중립 위치로 전환되는 브레이크 동작시에는, 선회 모터(RM)의 펌프 작용에 의해 토출된 작동유가 분기 통로(41, 42) 및 체크 밸브(44, 45)를 통해 선회 회생 통로(43)로 유입되어, 회생 모터(M)로 유도된다.
선회 회생 통로(43)에 있어서의 전자 전환 밸브(49)의 하류측에는, 안전 밸브(51)가 설치된다. 안전 밸브(51)는, 예를 들어 선회 회생 통로(43)의 전자 전환 밸브(49) 등에 이상이 발생한 경우에, 분기 통로(41, 42)의 압력을 유지하여 선회 모터(RM)가 일주(逸走)하는 것을 방지하는 것이다.
컨트롤러(C)는, 압력 센서(50)의 검출 압력이 선회 회생 개시 압력 이상으로 되었다고 판정한 경우에는, 전자 전환 밸브(49)의 솔레노이드를 여자한다. 이에 의해, 전자 전환 밸브(49)가 개방 위치로 전환되어 선회 회생이 개시된다.
컨트롤러(C)는, 압력 센서(50)의 검출 압력이 선회 회생 개시 압력 미만으로 되었다고 판정한 경우에는, 전자 전환 밸브(49)의 솔레노이드를 비여자로 한다. 이에 의해, 전자 전환 밸브(49)가 폐쇄 위치로 전환되어 선회 회생이 정지한다.
다음으로, 붐 실린더(BC)로부터의 작동유를 이용하여 에너지 회생을 행하는 붐 회생 제어에 대해 설명한다.
붐 실린더(BC)의 피스톤측실(39)과 조작 밸브(16)를 접속하는 급배 통로(38)에는, 컨트롤러(C)의 출력 신호에 의해 개방도가 제어되는 전자 비례 스로틀 밸브(52)가 설치된다. 전자 비례 스로틀 밸브(52)는, 노멀 상태에서 완전 개방 위치를 유지한다.
급배 통로(38)에는, 피스톤측실(39)과 전자 비례 스로틀 밸브(52)의 사이로부터 분기되는 붐 회생 통로(53)가 접속된다. 붐 회생 통로(53)는, 피스톤측실(39)로부터의 복귀 작동유를 회생 모터(M)로 유도하기 위한 통로이다. 선회 회생 통로(43)와 붐 회생 통로(53)는 합류하여 합류 회생 통로(46)에 접속된다.
붐 회생 통로(53)에는, 컨트롤러(C)로부터 출력되는 신호에 의해 전환 제어되는 전자 전환 밸브(54)가 설치된다. 전자 전환 밸브(54)는, 솔레노이드가 비여자일 때, 폐쇄 위치(도 1에 도시하는 상태)로 전환되어, 붐 회생 통로(53)를 차단한다. 전자 전환 밸브(54)는, 솔레노이드가 여자되었을 때 개방 위치로 전환되고, 붐 회생 통로(53)를 개통하여 피스톤측실(39)로부터 합류 회생 통로(46)로의 작동유의 흐름만을 허용한다.
조작 밸브(16)에는, 조작 밸브(16)의 조작 방향과 그 조작량을 검출하는 센서(도시 생략)가 설치된다. 센서에 의해 검출된 신호는 컨트롤러(C)에 출력된다. 컨트롤러(C)는, 센서에 의해 검출된 조작 밸브(16)의 조작 방향과 그 조작량에 기초하여, 붐 실린더(BC)의 신축 방향과 그 신축량을 연산한다.
또한, 상기 센서 대신에, 붐 실린더(BC)에 피스톤 로드의 이동 방향과 그 이동량을 검출하는 센서를 설치해도 되고, 또는 조작 레버에 조작 방향과 그 조작량을 검출하는 센서를 설치해도 된다.
컨트롤러(C)는, 센서의 검출 결과에 기초하여, 작업자가 붐 실린더(BC)를 신장시키려고 하고 있는지, 또는 수축시키려고 하고 있는지를 판정한다. 컨트롤러(C)는, 붐 실린더(BC)의 신장 동작을 판정하면, 전자 비례 스로틀 밸브(52)를 노멀 상태인 완전 개방 위치로 유지함과 함께, 전자 전환 밸브(54)를 폐쇄 위치로 유지한다.
한편, 컨트롤러(C)는, 붐 실린더(BC)의 수축 동작을 판정하면, 조작 밸브(16)의 조작량에 따라서 작업자가 요구하고 있는 붐 실린더(BC)의 수축 속도를 연산함과 함께, 전자 비례 스로틀 밸브(52)를 폐쇄하여 전자 전환 밸브(54)를 개방 위치로 전환한다. 이에 의해, 붐 실린더(BC)로부터의 복귀 작동유의 전량이 회생 모터(M)로 유도되어, 붐 회생이 행해진다.
회생 모터(M)에서 소비하는 유량이, 작업자가 요구한 붐 실린더(BC)의 수축 속도를 유지하기 위해 필요한 유량보다도 적은 경우에는, 컨트롤러(C)는, 조작 밸브(16)의 조작량, 회생 모터(M)의 경사판의 틸팅각, 및 전동 모터(47)의 회전 속도 등에 기초하여, 회생 모터(M)가 소비하는 유량을 초과한 분의 유량을 탱크(T)로 복귀시키도록 전자 비례 스로틀 밸브(52)의 개방도를 제어한다. 이에 의해, 작업자가 요구하는 붐 실린더(BC)의 수축 속도가 유지된다.
선회 모터(RM)를 선회시키면서, 붐 실린더(BC)를 하강시키는 경우에는, 선회 모터(RM)로부터의 복귀 작동유와, 붐 실린더(BC)로부터의 복귀 작동유가, 합류 회생 통로(46)에서 합류하여 회생 모터(M)에 공급된다.
이때, 선회 회생 통로(43)의 압력이 상승하여, 선회 모터(RM)의 선회압 또는 브레이크압보다도 높아졌다고 해도, 선회 회생 통로(43) 내의 작동유는 체크 밸브(44, 45)에 의해 역류가 저지되므로, 선회 모터(RM)에는 영향을 미치지 않는다. 또한, 선회 회생 통로(43)의 압력이 저하되어, 선회압 또는 브레이크압보다도 낮아지면, 컨트롤러(C)는, 압력 센서(50)로부터의 압력 신호에 기초하여 전자 전환 밸브(49)를 폐쇄한다.
따라서, 선회 모터(RM)의 선회 동작과 붐 실린더(BC)의 하강 동작을 동시에 행하는 경우에는, 선회압 또는 브레이크압에 관계없이, 붐 실린더(BC)에 요구되는 하강 속도를 기준으로 하여 회생 모터(M)의 틸팅각이 규정된다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 중립 유로(18)로부터의 작동유의 에너지를 회수하여 에너지 회생을 행하는 잉여 유량 회생 제어와, 어시스트 펌프로서의 서브 펌프(SP)로부터의 작동유의 에너지에 의해 제1 메인 펌프(MP1) 및 제2 메인 펌프(MP2)의 출력을 어시스트하는 어시스트 제어를 행하는 밸브 장치(101)에 대해 설명한다.
밸브 장치(101)는, 잉여 유량 회생 제어시에 전환되는 회생 통로 전환 밸브(58)와, 어시스트 제어시에 전환되는 고압 선택 전환 밸브(71)를 구비한다.
우선, 잉여 유량 회생 제어에 대해 설명한다.
하이브리드 건설 기계의 제어 시스템(100)은, 중립 유로(18)로부터의 작동유의 에너지를 회수하여 에너지 회생을 행하는 잉여 유량 회생 제어를 실행한다. 잉여 유량 회생 제어는, 선회 회생 제어 및 붐 회생 제어와 마찬가지로 컨트롤러(C)에 의해 행해진다.
제2 회로 계통(S2)의 중립 유로(18)에 있어서의 조작 밸브(14)의 상류측과 합류 회생 통로(46)는, 제2 회생 통로로서의 통로(56)에 의해 접속된다. 통로(56)는, 중립 유로(18)의 제2 메인 펌프(MP2)와 조작 밸브(14)의 사이로부터 분기되어 합류 회생 통로(46)에 접속된다. 통로(56)에는, 당해 통로(56)를 개폐 가능한 회생 통로 전환 밸브(58)가 개재 장착된다. 마찬가지로, 통로(55)는, 중립 유로(6)의 제1 메인 펌프(MP1)와 조작 밸브(1)의 사이로부터 분기된다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 회생 통로 전환 밸브(58)는, 6포트 3위치의 스풀식 전환 밸브이다. 회생 통로 전환 밸브(58)에는, 스풀의 양단부에 면하여 파일럿실(58a, 58b)이 각각 설치된다. 스풀은, 양단부에 각각 설치되는 한 쌍의 센터링 스프링(58c, 58d)에 의해 중립 상태로 지지된다. 회생 통로 전환 밸브(58)는, 센터링 스프링(58c, 58d)의 스프링력에 의해, 통상은 노멀 위치(도 1 및 도 2에 도시하는 상태)에 유지된다.
회생 통로 전환 밸브(58)는, 노멀 위치에 유지되어 있는 상태에서는, 중립 유로(18)로부터 합류 회생 통로(46)로의 작동유의 흐름을 차단한다. 회생 통로 전환 밸브(58)는 어느 위치로 전환되어 있는 상태라도, 고압 선택 전환 밸브(71)와 연통되는 중립 유로(102)와 통로(56)를 연통시킨다. 그러나, 고압 선택 전환 밸브(71)측의 포트는, 어느 위치로 전환되어 있는 상태라도 폐쇄되어 있다. 따라서, 중립 유로(102)의 작동유가 고압 선택 전환 밸브(71)에 유입되는 일은 없다.
회생 통로 전환 밸브(58)는, 한쪽의 파일럿실(58a)에 파일럿압이 공급되면 회생 위치(도 1중 좌측 위치)로 전환되어, 중립 유로(18)로부터 합류 회생 통로(46)로의 작동유의 흐름을 허용하고, 파일럿압의 공급이 차단되면 노멀 위치로 전환되어 통로(56)를 폐색한다.
파일럿실(58a)에 공급되는 파일럿압은, 파일럿압원(PP)으로부터 제1 파일럿 통로(59)를 통해 공급된다. 제1 파일럿 통로(59)에는, 컨트롤러(C)로부터의 지령 신호에 따라서 비례한 파일럿 압력을 출력 가능한 전자 비례 감압 밸브(61)가 개재 장착된다. 전자 비례 감압 밸브(61)는, 컨트롤러(C)로부터 출력되는 지령 신호에 기초하여, 솔레노이드가 여자되면 파일럿압원(PP)의 압력을 감압하여 지령값에 따른 파일럿 압력을 발생하고, 파일럿압을 제1 파일럿 통로(59)에 공급한다.
여기서, 제2 회로 계통(S2)의 중립 유로(18)에 있어서의 조작 밸브(17)보다 하류측이며 파일럿 유로(22)의 접속부보다 상류측에는, 중립 유로(18)를 개폐 가능한 메인 통로 전환 밸브로서의 중립 커트 밸브(63)가 개재 장착된다. 중립 커트 밸브(63)는, 파일럿실(63a)에 파일럿압이 공급되면 폐쇄 위치로 전환되어 중립 유로(18)를 폐색하고, 파일럿압의 공급이 차단되면 개방 위치로 전환되어 중립 유로(18)를 개방한다.
중립 커트 밸브(63)의 파일럿실(63a)은, 제1 파일럿 통로(59)에 접속된다. 따라서, 전자 비례 감압 밸브(61)에 의해 회생 통로 전환 밸브(58)의 한쪽의 파일럿실(58a)에 파일럿압이 공급될 때, 동시에 중립 커트 밸브(63)의 파일럿실(63a)에도 파일럿압이 공급된다. 즉, 중립 커트 밸브(63)는, 회생 통로 전환 밸브(58)와 연동하여 동작한다.
제1 회로 계통(S1)의 중립 유로(6)에 있어서의 제1 메인 펌프(MP1)와 조작 밸브(1) 사이에는, 중립 유로(6)의 작동유압[제1 메인 펌프(MP1)의 토출압]을 검출하는 압력 센서(64)가 설치된다. 마찬가지로, 제2 회로 계통(S2)의 중립 유로(18)에 있어서의 제2 메인 펌프(MP2)와 조작 밸브(14)의 사이에는, 중립 유로(18)의 작동유압[제2 메인 펌프(MP2)의 토출압]을 검출하는 압력 센서(65)가 설치된다. 각 압력 센서(64, 65)에 의해 검출된 압력 신호는, 컨트롤러(C)에 출력된다.
컨트롤러(C)는, 제2 회로 계통(S2)의 중립 유로(18)의 작동유압이 소정의 설정압에 도달한 경우에, 전자 비례 감압 밸브(61)의 솔레노이드를 여자한다. 이에 의해, 회생 통로 전환 밸브(58)의 한쪽의 파일럿실(58a)에 파일럿압이 공급되고, 회생 통로 전환 밸브(58)가 회생 위치로 전환된다. 그리고, 중립 유로(18)의 작동유는 통로(56)를 통해 합류 회생 통로(46)로 유도되고, 제2 회로 계통(S2)의 잉여 유량 회생이 행해진다. 또한, 소정의 설정압은, 메인 릴리프 밸브(19)의 메인 릴리프압보다 약간 낮은 압으로 설정된다.
컨트롤러(C)는, 전자 비례 감압 밸브(61)를 전환하여 잉여 유량 회생 제어를 행하고 있을 때, 중립 유로(6, 18)의 작동유압이 조작 밸브(1∼5, 14∼17)의 최저 작동압 이상으로 되도록, 회생 모터(M)의 경사판의 틸팅각을 레귤레이터(66)에 의해 제어한다.
한편, 회생 통로 전환 밸브(58)는, 다른 쪽의 파일럿실(58b)에 파일럿압이 공급되면 탱크 연통 위치(도 1 중 우측 위치)로 전환되어, 통로(56)를 폐색한 채 합류 회생 통로(46)로부터 탱크(T)로의 작동유의 흐름을 허용하고, 파일럿압의 공급이 차단되면 노멀 위치로 전환되어 합류 회생 통로(46)와 탱크(T)의 연통을 차단한다.
파일럿실(58b)에 공급되는 파일럿압은, 파일럿압원(PP)으로부터 제2 파일럿 통로(60)를 통해 공급된다. 제2 파일럿 통로(60)에는, 컨트롤러(C)로부터의 지령 신호에 따라서 비례한 파일럿 압력을 출력 가능한 전자 밸브로서의 전자 비례 감압 밸브(62)가 개재 장착된다. 전자 비례 감압 밸브(62)는, 컨트롤러(C)로부터 출력되는 지령 신호에 기초하여, 솔레노이드가 여자되면 파일럿압원(PP)의 압력을 감압하여 지령값에 따른 파일럿 압력을 발생하고, 파일럿압을 제2 파일럿 통로(60)에 공급한다.
컨트롤러(C)는, 합류 회생 통로(46) 내의 작동유의 회생 모터(M)에의 유입량이 규정값을 초과한 경우에, 회생 통로 전환 밸브(58)를 탱크 연통 위치로 전환하여, 합류 회생 통로(46)를 탱크(T)에 연통시키도록 제어한다.
구체적으로는, 합류 회생 통로(46)에는, 회생 모터(M)에 유도되는 작동유의 압력을 검출하는 압력 검출기로서의 압력 센서(57)가 설치된다. 본 실시 형태에서는, 작동유의 압력이 작동유의 유입량에 해당된다. 이 대신에, 작동유의 유량을 검출하는 유량계를 설치하여, 검출된 유량을 작동유의 유입량으로 해도 된다. 컨트롤러(C)는, 압력 센서(57)에 의해 검출된 압력이 규정값에 있어서의 압력에 도달하였다고 판정한 경우에, 회생 통로 전환 밸브(58)의 파일럿실(58b)에 파일럿압을 공급하도록 전자 비례 감압 밸브(62)를 전환하는 신호를 출력한다.
여기서, 규정값이라 함은, 회생 모터(M)에 공급되는 작동유의 압력에 기초하여 미리 정해지는 값이다. 구체적으로는, 컨트롤러(C)는, 압력 센서(57)로부터의 압력 신호에 기초하여, 회생 모터(M)에 공급 가능한 유량과 비교하여 과대한 유량의 작동유가 회생 모터(M)에 공급되어 합류 회생 통로(46)의 압력이 상승한 경우에, 규정값에 도달하였다고 판정한다.
또한, 컨트롤러(C)는, 압력 센서(57)로부터의 압력 신호에 기초하여, 합류 회생 통로(46) 내가 부압으로 된 경우에도, 회생 통로 전환 밸브(58)를 탱크 연통 위치로 전환한다. 예를 들어, 붐 실린더(BC)를 수축시켜 붐을 하강하여 버킷을 지면에 압박 접촉하는, 이른바 비탈면 다지기(slope tamping) 작업을 행하는 경우 등에는, 붐 실린더(BC)로부터 회생 모터(M)에 공급되는 작동유의 유량이 급격하게 감소한다. 이러한 경우에, 합류 회생 통로(46) 내가 부압으로 되는 경우가 있다.
본 실시 형태에서는, 회생 통로 전환 밸브(58)가 탱크 연통 위치로 전환되므로, 회생 모터(M)에의 작동유의 공급량이 충분하지 않게 된 경우에, 탱크(T)로부터 합류 회생 통로(46)에 작동유를 빨아올려 회생 모터(M)로 공급할 수 있다. 따라서, 회생 모터(M)에의 작동유의 공급량이 부족한 것이 방지되어, 회생 모터(M)를 보호할 수 있다.
그 후, 컨트롤러(C)는, 압력 센서(57)로부터의 압력 신호에 기초하여, 회생 모터(M)로의 작동유의 공급량이 충분해졌다고 판정한 경우에, 전자 비례 감압 밸브(62)의 솔레노이드를 비여자로 하여, 회생 통로 전환 밸브(58)를 탱크 연통 위치로부터 노멀 위치로 전환한다.
다음으로, 잉여 유량 회생 제어의 작용 효과에 대해 설명한다.
중립 유로(18)의 작동유압이 소정의 설정압에 도달한 경우, 당해 중립 유로(18)에 접속되는 통로(56)의 회생 통로 전환 밸브(58)가 회생 위치로 전환되어, 제2 메인 펌프(MP2)의 고압 작동유가 회생 모터(M)로 유도된다.
여기서, 종래는, 붐 실린더(BC)나 선회 모터(RM)의 작동중에는, 붐 회생 제어나 선회 회생 제어에 의해 붐 실린더(BC)나 선회 모터(RM)의 잉여 유량으로부터 에너지 회생을 행하는 것은 가능했지만, 붐 실린더(BC)나 선회 모터(RM) 이외의 액추에이터가 조작되고 있는 경우에는, 에너지 회생을 행할 수 없었다.
이에 반해, 본 실시 형태에서는, 예를 들어 버킷이나 아암 등이 조작되고 있는 상태에서 중립 유로(18)의 작동유압이 설정압에 도달한 경우에, 중립 유로(18) 내에서 잉여로 되는 작동유를 메인 릴리프 밸브(19)로부터 폐기하는 대신에, 회생 모터(M)로 유도할 수 있다. 따라서, 종래 폐기하고 있었던 에너지로부터 회생을 행할 수 있으므로, 에너지 손실을 저감시켜 보다 많은 에너지를 회생시킬 수 있다. 따라서, 시스템 전체적인 소비 에너지를 저감시킬 수 있다.
또한, 모든 액추에이터가 정지하고 있는 경우에는, 중립 유로(18)의 스탠바이 유량을 회생 모터(M)로 유도할 수 있다. 이에 의해, 스탠바이 유량을 이용하여 회생 모터(M)를 회전시켜 발전을 행하는 스탠바이 차지가 행해져, 배터리 충전량을 증대시킬 수 있다. 특히, 제2 회로 계통(S2)의 중립 유로(18)에는 중립 커트 밸브(63)가 설치되므로, 중립 유로(18)의 작동유압을 메인 릴리프압 근방까지 상승시킬 수 있다. 이에 의해, 보다 고압의 잉여 유량이 회생 모터(M)로 유도되므로, 배터리(27)를 소정의 배터리 용량까지 충전하는 데 필요로 하는 시간을 단축할 수 있다.
또한, 컨트롤러(C)는, 전자 비례 감압 밸브(61)를 전환하여 잉여 유량 회생 제어를 행하고 있을 때, 중립 유로(6, 18)의 작동유압이 조작 밸브(1∼5, 14∼17)의 최저 작동압 이상으로 되도록, 회생 모터(M)의 경사판의 틸팅각을 레귤레이터(66)에 의해 제어한다. 이에 의해, 작동유가 회생 모터(M)로 유도되는 측의 중립 유로(6, 18)에 있어서의 작동유압을 유지하면서 에너지 회생을 행할 수 있다.
또한, 중립 커트 밸브(63)가 파일럿 릴리프 밸브(21)보다 상류측에 설치되므로, 중립 유로(18)의 작동유압이 설정압에 도달하여 중립 커트 밸브(63)를 폐쇄 위치로 전환하였을 때, 중립 유로(18)의 작동유압이 파일럿 릴리프 밸브(21)로부터 릴리프되는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 잉여 유량 회생 제어시에 보다 높은 작동유압을 회생 모터(M)에 공급할 수 있으므로, 보다 많은 에너지를 회생시킬 수 있다.
또한, 컨트롤러(C)는, 회생 모터(M)에 공급되는 작동유의 유량이 과대한 경우에는, 회생 통로 전환 밸브(58)를 탱크 연통 위치로 전환한다. 이에 의해, 합류 회생 통로(46) 내의 작동유가, 탱크(T)에 언로드된다. 따라서, 회생 모터(M)에 유도되는 작동유의 유량이 과잉으로 되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 컨트롤러(C)는, 압력 센서(57)로부터의 압력 신호에 기초하여, 합류 회생 통로(46) 내가 부압으로 된 경우에도, 회생 통로 전환 밸브(58)를 탱크 연통 위치로 전환한다. 이에 의해, 회생 모터(M)에의 작동유의 공급량이 충분하지 않게 된 경우에, 탱크(T)로부터 합류 회생 통로(46)에 작동유를 빨아올려 회생 모터(M)로 공급할 수 있다. 따라서, 회생 모터(M)에의 작동유의 공급량이 부족한 것이 방지되어, 회생 모터(M)를 보호할 수 있다.
다음으로, 어시스트 제어에 대해 설명한다.
서브 펌프(SP)는, 경사판의 틸팅각을 조정 가능한 가변 용량형 펌프로, 회생 모터(M)와 연동하여 동축 회전하도록 연결되어 있다. 서브 펌프(SP)는, 전동 모터(47)의 구동력으로 회전한다. 전동 모터(47)의 회전 속도는, 인버터(48)를 통해 컨트롤러(C)에 의해 제어된다. 서브 펌프(SP) 및 회생 모터(M)의 경사판의 틸팅각은, 레귤레이터(67, 66)를 통해 컨트롤러(C)에 의해 제어된다.
서브 펌프(SP)에는, 어시스트 통로로서의 토출 통로(68)가 접속된다. 서브 펌프(SP)는, 토출 통로(68)를 통해 작동유를 중립 유로(6, 18)에 공급 가능하다. 토출 통로(68)는, 통로(55)에 합류하는 제1 토출 통로(69)와, 통로(56)에 합류하는 제2 토출 통로(70)로 분기되어 형성된다. 토출 통로(68)의 분기부에는, 어시스트 전환 밸브로서의 고압 선택 전환 밸브(71)가 개재 장착된다. 제1 토출 통로(69) 및 제2 토출 통로(70)에는, 토출 통로(68)로부터 통로(55) 또는 통로(56)로의 작동유의 흐름만을 허용하는 체크 밸브(72, 73)가 각각 개재 장착된다.
고압 선택 전환 밸브(71)는, 회생 통로 전환 밸브(58)와 마찬가지로, 6포트 3위치의 스풀식 전환 밸브이다. 고압 선택 전환 밸브(71)에는, 스풀의 양단부에 면하여 파일럿실(71a, 71b)이 각각 설치된다. 한쪽의 파일럿실(71a)에는, 통로(55)의 작동유가 제1 파일럿 통로(76)를 통해 공급된다. 다른 쪽의 파일럿실(71b)에는, 통로(56)의 작동유가 제2 파일럿 통로(77)를 통해 공급된다. 제1 파일럿 통로(76)에는, 감쇠용 스로틀(74)이 설치되고, 제2 파일럿 통로(77)에는 감쇠용 스로틀(75)이 설치된다. 스풀은, 양단부에 각각 설치되는 한 쌍의 센터링 스프링(71c, 71d)에 의해 중립 상태로 지지된다. 고압 선택 전환 밸브(71)는, 센터링 스프링(71c, 71d)의 스프링력에 의해, 통상은 노멀 위치(도 1 및 도 2에 도시하는 상태)에 유지된다.
고압 선택 전환 밸브(71)는, 노멀 위치에 유지되어 있는 상태에서는, 서브 펌프(SP)의 토출유를 제1 토출 통로(69) 및 제2 토출 통로(70)에 안분하여 공급한다.
고압 선택 전환 밸브(71)는, 한쪽의 파일럿실(71a)의 파일럿압이 다른 쪽의 파일럿실(71b)의 파일럿압보다 높은 경우에는, 제1 전환 위치(도 1 중 우측 위치)로 전환된다. 이에 의해, 서브 펌프(SP)의 토출유가 통로(55)에 공급된다.
고압 선택 전환 밸브(71)는, 다른 쪽의 파일럿실(71b)의 파일럿압이 한쪽의 파일럿실(71a)의 파일럿압보다 높은 경우에는, 제2 전환 위치(도 1 중 좌측 위치)로 전환된다. 이에 의해, 서브 펌프(SP)의 토출유가 통로(56)에 공급된다.
즉, 고압 선택 전환 밸브(71)는, 통로(55)와 통로(56) 중, 고압인 쪽을 선택하여 서브 펌프(SP)의 토출유를 공급하고 있다. 또한, 고압 선택 전환 밸브(71)가 전환되는 과정에서는, 통로(55)와 통로(56)의 양쪽에 작동유가 공급되지만, 파일럿실(71a, 71b) 중 한쪽의 파일럿압과 파일럿실(71a, 71b) 중 다른 쪽의 파일럿압의 차압이 충분히 높은 경우에는, 서브 펌프(SP)의 토출유의 전량이 통로(55)와 통로(56) 중 고압인 쪽에 공급되고, 저압인 쪽에는 전혀 공급되지 않는다.
전동 모터(47)의 구동력에 의해 서브 펌프(SP)가 회전하면, 서브 펌프(SP)는, 제1 메인 펌프(MP1) 및 제2 메인 펌프(MP2) 중 적어도 한쪽의 출력을 어시스트한다. 제1 메인 펌프(MP1) 및 제2 메인 펌프(MP2) 중 어느 것을 어시스트할지는 고압 선택 전환 밸브(71)에 의해 결정되고, 컨트롤러(C)에 의한 제어를 필요로 하지 않는 자동 어시스트가 행해진다.
합류 회생 통로(46)를 통해 회생 모터(M)에 작동유가 공급되어, 회생 모터(M)가 회전하면, 회생 모터(M)의 회전력은, 동축 회전하는 전동 모터(47)에 대한 어시스트력으로서 작용한다. 따라서, 회생 모터(M)의 회전력 분만큼, 전동 모터(47)의 소비 전력을 적게 할 수 있다.
회생 모터(M)를 구동원으로서, 전동 모터(47)를 발전기로서 사용할 때에는, 서브 펌프(SP)는, 경사판의 틸팅각이 제로로 설정되어, 거의 무부하 상태로 된다.
다음으로, 어시스트 제어의 작용 효과에 대해 설명한다.
서브 펌프(SP)로부터 토출된 작동유를 중립 유로(6, 18)에 유도하는 토출 통로(68)에 고압 선택 전환 밸브(71)가 개재 장착되고, 고압 선택 전환 밸브(71)는 통로(55)와 통로(56) 중 고압인 쪽을 선택하여 토출 통로(68)의 작동유를 공급한다. 이에 의해, 액추에이터의 부하가 높을 때에 보다 많은 어시스트 유량이 고압측인 중립 유로(6, 18)에 공급되므로, 유압 셔블의 작업 속도를 확보할 수 있다.
또한, 고압 선택 전환 밸브(71)는, 통로(55)와 통로(56) 중 고압측의 통로를 선택하므로, 서브 펌프(SP)로부터 토출되는 작동유를 고압측으로 공급할 수 있다. 또한, 예를 들어 서브 펌프(SP)의 토출유를 통로(55)와 통로(56)에 각각 비례 전자 스로틀 밸브를 통해 안분하여 공급하는 종래의 경우와 같이, 비례 전자 스로틀 밸브에 있어서 스로틀 압력 손실이 발생하여 어시스트 동력이 저하되어 버리는 것을 방지할 수 있어, 소비 에너지를 저하시킬 수 있다. 또한, 비례 전자 스로틀 밸브를 사용하지 않으므로, 서브 펌프(SP)로부터의 토출유를 중립 유로(6, 18)에 공급하는 어시스트 시스템을 저비용이며 또한 강건한 시스템으로 할 수 있다.
또한, 선회 회생 제어나 붐 회생 제어를 행하면서 서브 펌프(SP)에 의해 중립 유로(6, 18)에 작동유를 공급할 수 있으므로, 예를 들어 붐 실린더(BC)를 수축시키면서 아암을 동작시키는 이른바 수평 당김 작업을 행하는 경우에는, 붐 회생 제어에 의해 회생시키면서 회생한 동력에 의해 아암을 어시스트할 수 있다. 따라서, 시스템 전체적인 소비 에너지를 저하시킬 수 있다.
또한, 고압 선택 전환 밸브(71)의 한쪽의 파일럿실(71a)에는, 통로(55)의 작동유가 감쇠용 스로틀(74)을 통해 공급되고, 다른 쪽의 파일럿실(71b)에는, 통로(56)의 작동유가 감쇠용 스로틀(75)을 통해 공급된다. 이에 의해, 고압 선택 전환 밸브(71)의 스풀이 급격하게 이동하는 것을 방지하여, 고압 선택 전환 밸브(71)의 중립 위치, 제1 전환 위치 및 제2 전환 위치의 사이의 전환 동작을 감쇠시켜, 전환될 때 발생하는 쇼크를 저감시킬 수 있다.
다음으로, 도 3 및 도 4를 참조하여, 고압 선택 전환 밸브(71)와 회생 통로 전환 밸브(58)의 구체적인 구조에 대해 설명한다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 고압 선택 전환 밸브(71)는, 작동유의 유로가 내부에 형성되는 밸브 하우징(110)과, 밸브 하우징(110) 내를 축방향으로 미끄럼 이동하는 스풀(111)을 구비한다.
밸브 하우징(110)은, 토출 통로(68)에 접속되는 공급 통로(120)와, 공급 통로(120)로부터 공급된 작동유가 분기되어 흐르는 한 쌍의 브리지 통로(120a, 120b)와, 통로(55, 56)에 각각 연통되는 포트(131, 132)와, 브리지 통로(120a)와 포트(131)를 연통시키는 연통 통로(122)와, 브리지 통로(120b)와 포트(132)를 연통시키는 연통 통로(123)를 갖는다. 스풀(111)은, 연통 통로(122)를 폐색 가능한 대직경부(111a)와, 연통 통로(123)를 폐색 가능한 대직경부(111b)를 갖는다.
고압 선택 전환 밸브(71)가 노멀 위치에 유지되어 있는 상태(도 3에 도시하는 상태)에서는, 연통 통로(122, 123)가 모두 브리지 통로(120a, 120b)와 포트(131, 132)를 각각 연통하고 있는 상태이다. 그로 인해, 공급 통로(120)로부터 공급된 작동유는, 브리지 통로(120a, 120b)에 안분된다. 연통 통로(122, 123)를 통과한 작동유는, 포트(131, 132)를 통해, 통로(55, 56)에 각각 공급된다.
고압 선택 전환 밸브(71)는, 파일럿실(71a)의 파일럿압이 파일럿실(71b)의 파일럿압보다 높은 경우에는, 파일럿실(71a)의 압력이 센터링 스프링(71c)의 가압력을 극복하여 스풀(111)을 이동시켜, 제1 전환 위치로 전환된다. 이에 의해, 스풀(111)의 대직경부(111b)가 연통 통로(123)에 있어서의 브리지 통로(120b)와 포트(132)의 연통을 폐색한다. 따라서, 공급 통로(120)로부터 공급된 작동유는, 브리지 통로(120a)와 연통 통로(122)를 통과하여, 포트(131)를 통해 통로(55)에 공급된다.
고압 선택 전환 밸브(71)는, 파일럿실(71b)의 파일럿압이 파일럿실(71a)의 파일럿압보다 높은 경우에는, 파일럿실(71b)의 압력이 센터링 스프링(71d)의 가압력을 극복하여 스풀(111)을 이동시켜, 제2 전환 위치로 전환된다. 이에 의해, 스풀(111)의 대직경부(111a)가 연통 통로(122)에 있어서의 브리지 통로(120a)와 포트(131)의 연통을 폐색한다. 따라서, 공급 통로(120)로부터 공급된 작동유는, 브리지 통로(120b)와 연통 통로(123)를 통과하여, 포트(132)를 통해 통로(56)에 공급된다.
스풀(111)의 양단부에는, 스풀(111)과 비교하여 소직경으로 형성되는 소직경 피스톤(112, 113)이 각각 설치된다. 스풀(111)은 소직경 피스톤(112, 113)에 압박됨으로써, 고압 선택 전환 밸브(71)를 노멀 위치와 제1 전환 위치와 제2 전환 위치로 전환한다. 소직경 피스톤(112, 113)은, 스풀(111)과는 별개로 설치된다. 소직경 피스톤(112, 113)은, 각각 통로(55, 56)의 작동유의 압력을 파일럿압으로 하여 압박된다. 소직경 피스톤(112, 113)이 설치됨으로써, 파일럿실(71a, 71b)에 공급되는 작동유에 의한 파일럿압의 수압(受壓) 면적이 작아진다. 그로 인해, 소직경 피스톤(112, 113)이 설치되지 않는 경우와 비교하여, 스풀(111)에 작용하는 힘을 작게 할 수 있다.
특히, 고압 선택 전환 밸브(71)의 경우에는, 파일럿실(71a, 71b)에는, 제1 메인 펌프(MP1), 제2 메인 펌프(MP2)로부터 토출된 고압의 작동유가 공급된다. 따라서, 고압 선택 전환 밸브(71)에서는, 소직경 피스톤(112, 113)을 설치함으로써, 스풀(111)에 작용하는 힘을 작게 하고 있다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 회생 통로 전환 밸브(58)는, 작동유의 유로가 내부에 형성되는 밸브 하우징(140)과, 밸브 하우징(140) 내를 축방향으로 미끄럼 이동하는 스풀(141)을 구비한다.
밸브 하우징(140)은, 통로(56)에 접속되는 공급 통로(150)와, 공급 통로(150)로부터 공급된 작동유가 분기되어 흐르는 한 쌍의 브리지 통로(150a, 150b)와, 합류 회생 통로(46)에 연통되는 포트(161)와, 탱크(T)에 연통되는 탱크 통로(162)와, 브리지 통로(150b)와 포트(161)를 연통시키는 연통 통로(152)와, 포트(161)와 탱크 통로(162)를 연통시키는 연통 통로(153)를 갖는다. 스풀(141)은, 연통 통로(152)를 폐색 가능한 대직경부(141a)와, 연통 통로(153)를 폐색 가능한 대직경부(141b)를 갖는다.
밸브 하우징(140)은, 공급 통로(150)가 중립 유로(102)(도 2 참조)를 통해 공급 통로(120)(도 3 참조)와 연통 가능하도록, 고압 선택 전환 밸브(71)의 밸브 하우징(110)에 겹쳐 설치된다. 그러나, 상술한 바와 같이, 고압 선택 전환 밸브(71)측의 포트는, 어느 위치로 전환되어 있는 상태라도 중립 유로(102)와 연통되지 않는다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 공급 통로(150)와 공급 통로(120)가 실제로 연통되는 일은 없다.
회생 통로 전환 밸브(58)가 노멀 위치에 유지되어 있는 상태(도 4에 나타내는 상태)에서는, 연통 통로(152, 153)가 모두 폐색되어 있다. 그로 인해, 브리지 통로(150b)와 포트(161)의 연통이 폐색되고, 포트(161)와 탱크 통로(162)의 연통이 폐색된다. 따라서, 공급 통로(150)로부터 공급된 작동유는, 브리지 통로(150a, 150b)에서 멈추게 된다.
회생 통로 전환 밸브(58)는, 파일럿실(58a)의 파일럿압이 파일럿실(58b)의 파일럿압보다 높은 경우에는, 파일럿실(58a)의 압력이 센터링 스프링(58d)의 가압력을 극복하여 스풀(141)을 이동시켜, 회생 위치로 전환된다. 이에 의해, 스풀(141)의 대직경부(141a)가 이동하여 연통 통로(152)를 연통시킨다. 따라서, 공급 통로(150)로부터 공급된 작동유는, 브리지 통로(150b)와 연통 통로(152)를 통과하여, 포트(161)를 통해 합류 회생 통로(46)에 공급된다.
회생 통로 전환 밸브(58)는, 파일럿실(58b)의 파일럿압이 파일럿실(58a)의 파일럿압보다 높은 경우에는, 파일럿실(58b)의 압력이 센터링 스프링(58c)의 가압력을 극복하여 스풀(141)을 이동시켜, 탱크 연통 위치로 전환된다. 이에 의해, 스풀(141)의 대직경부(141b)가 이동하여 연통 통로(153)를 연통시킨다. 따라서, 합류 회생 통로(46)로부터 공급된 작동유는, 연통 통로(153)를 통과하여, 탱크 통로(162)를 통해 탱크(T)로 복귀된다.
회생 통로 전환 밸브(58)에서는, 센터링 스프링(58c)과 센터링 스프링(58d)은 단일의 스프링(170)이다. 스프링(170)의 양단부에는, 스프링 시트(171, 172)가 각각 설치된다.
스풀(141)이 회생 위치로 전환될 때에는, 스풀(141)의 이동에 의해 한쪽의 스프링 시트(171)가 이동하여 스프링(170)을 압축한다. 이에 의해, 스프링(170)은 센터링 스프링(58d)으로서 기능한다.
한편, 스풀(141)이 탱크 연통 위치로 전환될 때에는, 스풀(141)의 이동에 의해 다른 쪽의 스프링 시트(172)가 이동하여 스프링(170)을 압축한다. 이에 의해, 스프링(170)은 센터링 스프링(58c)으로서 기능한다.
이와 같이, 센터링 스프링(58c)과 센터링 스프링(58d)을 단일의 스프링(170)으로 함으로써, 스프링의 수를 삭감할 수 있음과 함께, 회생 통로 전환 밸브(58)의 전체 길이를 작게 할 수 있다. 따라서, 밸브 장치(101)의 소형 경량화가 가능하다.
또한, 도 3 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 회생 통로 전환 밸브(58)의 밸브 하우징(140)은, 고압 선택 전환 밸브(71)의 밸브 하우징(110)과 동일한 부품이다. 이들 밸브 하우징(140, 110)은, 일반적으로 사용되는 섹션 타입의 범용품이다. 따라서, 범용의 밸브 하우징(140, 110)을 사용하여 회생 통로 전환 밸브(58)와 고압 선택 전환 밸브(71)를 구성하므로, 밸브 장치(101)의 비용 삭감이 가능하다.
이상의 실시 형태에 의하면, 이하에 나타내는 효과를 발휘한다.
컨트롤러(C)는, 붐 실린더(BC)나 선회 모터(RM)로부터 합류 회생 통로(46)를 통과하여 회생 모터(M)로 유도되는 작동유의 유입량이 규정값을 초과한 경우에, 회생 통로 전환 밸브(58)를 탱크 연통 위치로 전환한다. 이에 의해, 합류 회생 통로(46) 내의 작동유는, 탱크(T)로 유도되게 된다. 따라서, 회생 모터(M)로 유도되는 작동유의 유량이 과잉으로 되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 컨트롤러(C)는, 합류 회생 통로(46) 내가 부압으로 된 경우에도, 회생 통로 전환 밸브(58)를 탱크 연통 위치로 전환한다. 이에 의해, 회생 모터(M)로의 작동유의 공급량이 충분하지 않게 된 경우에, 탱크(T)로부터 합류 회생 통로(46)에 작동유를 빨아올려 회생 모터(M)로 공급할 수 있다. 따라서, 회생 모터(M)로의 작동유의 공급량이 부족한 것이 방지되어, 회생 모터(M)를 보호할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성에 한정하는 취지는 아니다.
본원은 2014년 1월 24일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2014-011529에 기초하는 우선권을 주장하고, 이 출원의 모든 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

Claims (5)

  1. 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템이며,
    작동 유체를 토출하여 액추에이터를 구동하는 메인 펌프와,
    상기 액추에이터로부터 제1 회생 통로를 통해 배출되는 작동 유체에 의해 구동되는 회생 모터와,
    상기 회생 모터에 의해 구동 가능한 회전 전기 기기와,
    상기 제1 회생 통로 내의 작동 유체의 상기 회생 모터에의 유입량이 규정값을 초과한 경우에 상기 제1 회생 통로를 탱크에 연통시키는 탱크 연통 위치를 갖는 회생 통로 전환 밸브를 구비하는, 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회생 모터에 유도되는 작동 유체의 압력을 검출하는 압력 검출기와,
    상기 회생 통로 전환 밸브를 상기 탱크 연통 위치로 전환하기 위한 파일럿압을 공급하도록 전환 가능한 전자 밸브와,
    상기 압력 검출기에 의해 검출된 압력이 상기 규정값에 있어서의 압력에 도달하였다고 판정한 경우에, 상기 파일럿압을 공급하도록 상기 전자 밸브를 전환하는 신호를 출력하는 컨트롤러를 더 구비하는, 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회생 통로 전환 밸브는, 상기 제1 회생 통로 내가 부압으로 된 경우에도 상기 탱크 연통 위치로 전환되는, 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 메인 펌프로부터 메인 통로를 통해 공급되는 작동 유체를 상기 액추에이터에 급배하는 조작 밸브를 갖는 회로 계통과,
    상기 메인 통로의 작동 유체압을 메인 릴리프압 이하로 유지하는 메인 릴리프 밸브와,
    상기 메인 통로의 상기 메인 펌프와 상기 조작 밸브의 사이로부터 분기되어 상기 제1 회생 통로에 접속되는 제2 회생 통로를 더 구비하고,
    상기 회생 통로 전환 밸브는, 상기 액추에이터의 작동중에 상기 메인 통로의 작동 유체압이 상기 메인 릴리프압보다도 낮은 설정압에 도달한 경우에 상기 제2 회생 통로를 상기 제1 회생 통로에 연통시키는 회생 위치를 갖는, 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 메인 통로의 상기 조작 밸브보다 하류측에 접속되고, 상기 메인 펌프의 용량을 제어하는 레귤레이터에 전달되는 파일럿압을 생성하는 스로틀과,
    상기 메인 통로에 있어서의 상기 조작 밸브와 상기 스로틀의 사이에 개재 장착되고, 상기 메인 통로를 개폐 가능한 메인 통로 전환 밸브를 더 구비하고,
    상기 메인 통로 전환 밸브는, 상기 회생 통로 전환 밸브가 상기 회생 위치로 전환되어 있을 때에 폐쇄 위치로 전환되는, 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템.
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