ＰＴＯ를 사용하는 하이브리드 작업기

ＰＴＯ를 사용하는 하이브리드 작업기{Hybrid Working machine using the PTO}

본 발명은 하이브리드 작업기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 발전기 겸용 모터를 통해 출력 토크를 보조함으로써 고효율점에서의 운전을 가능하게 하고, 유압 펌프 및 3점 히치 유압 실린더를 이용하여 작업기를 승하강시킴으로써 작업 부하를 조절할 수 있는, PTO를 사용하는 하이브리드 작업기에 관한 것이다.

일반적으로, 트랙터의 로터리 작업은 농경작지의 땅을 갈아서 부드럽게 만드는 쇄토 작업으로 주로 트랙터 PTO(power take off, 동력 취출 장치) 동력을 이용하여 많이 사용되어진다. 로터리 작업시 로터리의 회전 칼날의 회전력은 트랙터 엔진으로부터 PTO축을 통해 전달된다.

이 작업을 원활하게 진행하기 위해서는 로터리 회전 칼날의 깊이가 작업 토양에 일정하게 유지되어야 하고, 작업 토양이 작업 차량의 진행 방향 기준에서 좌우 경사지에서도 로터리 작업기가 좌우 경사지에 일정하게 수평을 유지하여 로터리 칼날이 좌우측 토양에 모두 일정한 깊이에서 작업이 진행되어야 한다.

이를 위해, 기존 기술은 3점 히치 유압 장치에 견인 부하 센서, 경심 센서, 수평 제어 센서 등을 이용한 전자 유압 시스템을 통하여 3점 히치 링크의 승하강을 제어함으로써 작업기 PTO축의 작업 부하를 조절하였다.

그러나 이것은 로터리 작업기가 부담하는 부하에 대하여 3점 히치 유압 실린더를 통해 로터리를 올려줌으로써 PTO축을 통해 엔진이 부담하는 부하를 덜어주는 방식으로 엔진이 일정하게 토크와 회전 속도의 고효율점에서 상시적으로 운전하는 것과는 다소 거리가 있다. 또한, 3점 히치 유압 실린더를 작동하기 위해서는 유압 펌프가 엔진에 직결로 연결된 상태에서 상시적으로 유량을 전달하고 유압력이 필요할 때만 유압 밸브를 통해 유압력을 형성시켜 유압 실린더를 작동하였다. 하지만 유압력이 필요하지 않을 때는 유량이 드레인되어 손실 수두가 발생하는 원인이 된다.

그리고, PTO를 통해 로터리 작업시 로터리 회전 칼날이 토양의 강도와 울퉁불퉁한 토양 면의 위치에 따라 상시적인 부하 변동이 있는 경우 PTO 단수는 항상 고 토크, 저 RPM의 저단에서 작업을 해야 하고 엔진의 연료 절감을 위한 효율적인 운전이 어려워진다는 문제가 발생한다. 특히, 로터리 작업시에는 트랙터 엔진 전체 출력의 약 70?80%를 PTO 출력에서 차지하므로 PTO 출력 변동은 엔진의 운전 효율에 큰 영향을 미친다고 볼 수 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 엔진이 일정한 토크와 회전 속도로 고효율점에서 상시적으로 운전할 수 있도록 하고, 운전영역보다 큰 부하가 걸릴 경우 로터리 작업기가 부담하는 부하에 대하여 3점 히치 유압 실린더를 통해 로터리를 올려줌으로써 PTO축을 통해 엔진이 부담하는 운전 영역을 일정한 고효율 영역에서 이루어지도록 위함이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 PTO를 사용하는 하이브리드 작업기는 트랙터 작업기의 PTO축에 연결되어 엔진의 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하여 상기 PTO축에 사용되는 토크와 PTO축의 RPM 변화를 일정하게 유지시키는 발전기 모터와, 상기 트랙터 작업기에 견인 부하가 걸릴 때 작동하여 기계적 에너지를 발생시키는 전기 모터와, 상기 전기 모터와 연결되고 견인 부하가 걸릴 때 유압을 발생시키는 유압 펌프와, 상기 유압 펌프에 의해 공급되는 유압을 통해 상기 작업기를 상승 또는 하강시키는 3점 히치 유압 실린더와, 상기 작업기에 연결되는 3점 히치 장치의 변위를 감지하는 변위 센서와 상기 작업기의 회전 속도를 감지하는 속도 센서, 및 상기 변위 센서 및 속도 센서로부터 신호를 받고, 발전기 모터, 전기 모터 등을 작동시킬 수 있도록 제어 신호를 보내주고 전기 에너지를 일정한 수준으로 유지할 수 있도록 제어하는 제어기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 변위 센서는 상기 3점 히치 장치의 내부에 구비된 부하 압축 스프링의 변위를 감지하여 상기 3점 히치 장치의 변위 신호를 제어기에 송신하는 것을 특징으로 한다.

상기 발전기 모터는 작업 부하가 적게 걸리는 저 토크, 고 RPM 영역에서 전기 에너지를 발생시켜 배터리에 저장함으로써 상기 엔진의 부하 토크를 올려주고 RPM을 낮추어 주는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 발전기 모터는 작업 부하가 많이 걸리는 고 토크, 저 RPM 영역에서는 상기 발전기 모터가 토크를 보조함으로써 상기 엔진에서 나오는 출력을 보조하는 역할을 하는 것을 특징으로 한다.

상기 3점 히치 장치는 상기 3점 히치 유압 실린더에 의해 상승 또는 하강되는 로터리를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 변위 센서는 상기 부하 압축 스프링에 구비되고, 상기 3점 히치 장치가 상승함에 따라 변위 센서 신호를 상기 제어기로 송신하고 엔진과 연결되어 있는 발전기용 모터를 작동시킴으로써 엔진에 일정한 부하를 유지하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 유압 펌프는 상기 3점 히치 장치에 견인 부하가 걸릴 때 상기 부하 압축 스프링의 변위가 변함에 따라 이에 장착된 상기 변위 센서의 신호를 수신하여 상기 유압 펌프에 연결된 전기 모터가 작동하게 되어 상기 3점 히치 유압 실린더에 유압 에너지를 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 유압 펌프는 엔진으로부터 분리되고 필요에 따라 상기 전기 모터를 이용하여 구동되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 3점 히치 장치의 작동으로 인한 엔진의 부하 변동을 발전기를 작동시켜 흡수하여 충격을 완화시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

이러한 본 발명에 따르면, 로터리 작업시 최대 효율점 영역에 해당하는 출력으로 작업함으로써 에너지 절감 효과가 있다. 또한, 강도가 고르지 않은 토양에서 로터리 작업시 PTO의 출력 토크를 보조함으로써 PTO 단수 조작을 자주하지 않고 유연하게 대처할 수 있다. 그리고, 3점 링크 유압 장치에 유압을 공급하는 유압 펌프를 엔진으로부터 분리시켜 유압 라인을 짧게 최소화시킴으로써 유압 장치의 손실 수두를 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 트랙터의 PTO 동력 전달 및 유압 시스템의 작동도를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 트랙터의 로터리 작업을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따라 종래에 비해 개선되는 하이브리드 트랙터 장치의 PTO축 토크 변화와 PTO축 회전 속도 변화를 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 트랙터 장치에 의해 엔진의 고효율 운전 영역에서의 운전을 나타내는 개략적인 그래프이다.

이하, 도면들을 참조하여, 본 발명에 따른 PTO를 사용하는 하이브리드 작업기의 구조에 관하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 트랙터 작업기의 유압 하이브리드 장치의 개략적인 전체 구성도이다.

도 1을 참조하면, 발전기 모터(10)와, 전기 모터(20)와, 유압 펌프(30)와, 3점 히치 유압 실린더(40)와, 변위 센서(42)와 속도 센서(44), 및 제어기(50)를 포함한다. 상기 발전기 모터(10)는 트랙터 작업기의 PTO축(8)에 연결되어 엔진(2)의 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하여 상기 PTO축(8)에 사용되는 토크와 PTO축(8)의 RPM 변화를 일정하게 유지시킨다. 상기 전기 모터(20)는 상기 트랙터 작업기에 견인 부하가 걸릴 때 작동하여 기계적 에너지를 발생시킨다. 상기 유압 펌프(30)는 상기 전기 모터(20)와 연결되고 견인 부하가 걸릴 때 작동하여 기계적 에너지를 발생시킨다. 상기 3점 히치 유압 실린더(40)는 상기 유압 펌프(30)에 의해 공급되는 유압을 통해 상기 작업기를 상승 또는 하강시킨다. 상기 변위 센서(42)는 상기 작업기에 연결되는 3점 히치 장치(46)의 변위를 감지하고, 상기 속도 센서(44)는 상기 작업기의 회전 속도를 감지한다. 상기 제어기(50)는 상기 변위 센서(42) 및 속도 센서(44)로부터 신호를 받고, 발전기 모터(10), 전기 모터(20) 등을 작동시킬 수 있도록 제어 신호를 보내주고 전기 에너지를 일정한 수준으로 유지할 수 있도록 제어한다.

종래의 트랙터 주행은 유압 펌프가 엔진에 직결되어 있으나 본 발명에 따른 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 센서 신호를 받는 제어기(50)의 제어 신호에 의해 발전기 모터(10), 전기 모터(20) 등이 작동할 수 있도록 유압 펌프(30)와 엔진(2)이 분리된 구조를 갖는다. 즉, 평소에 견인 부하가 없는 경우, 트랙터의 엔진(2)이 작동하면 엔진(2)의 기계적 에너지에 의해 PTO축(8)에 연결되어 있는 발전기 모터(10)가 전기를 발생시키고, 전기 에너지 변환 장치(6)와 에너지 저장 장치(4)를 통해 평소의 전기 에너지가 저장된다. 상기 발전기 모터(10)에 의해 생산된 전기 에너지는 배터리 또는 울트라 캐패시터(ultra capacitor) 등의 에너지 저장 장치(4)에 저장된다.

PTO를 통해 로터리 작업시 로터리 회전 칼날이 토양의 강도와 울퉁불퉁한 토양면의 위치에 따라 상시적인 부하 변동이 있는 경우 PTO 단수는 고 토크, 저 RPM을 유지하여야 한다. 따라서, 평소에 견인 부하가 없는 경우 발전기 모터(10)에 의해 배터리(4)에 저장된 전기 에너지는 견인 부하가 발생할 때 엔진(2)의 토크를 상승시켜주고 PTO의 RPM을 낮춰 엔진의 고효율점 운전을 유지하게 한다. 즉, 부하가 많이 걸리는 고 토크, 저 RPM 영역에서는 상기 발전기 모터(10)가 토크를 보조함으로써 상기 엔진(2)에서 나오는 출력을 보조하는 역할을 한다. 따라서, 발전기 모터(10)는 PTO(8)축에 출력 토크를 보조함으로써 엔진의 고효율점에서의 운전 부하를 일정하게 유지시키고 PTO축(8)에서의 전달 토크를 높여 트랙터 작업기의 출력을 높일 수 있다.

로터리 작업을 하면서 실제 견인 부하가 발전기 모터(10)에 의해 보조되는 것 이상일 경우, 상기 전기 모터(20)가 작동하여 기계적 에너지를 유압 펌프(30)로 전달한다. 유압 펌프(30)에 의해 발생된 유압 에너지는 3점 히치 유압 실린더(40)로 전달된다. 상기 3점 히치 유압 실린더(40)에는 내부에 부하 압축 스프링이 구비되어 있고, 유압 에너지를 받아 상기 부하 압축 스프링이 눌러지도록 동작한다. 일정 견인력보다 큰 부하가 걸리면 상기 3점 히치 장치(46)는 상승하게 된다. 상기 부하 압축 스프링에는 변위 센서(42)가 구비되어 있어, 부하 압축 스프링의 변위를 감지하여 변위 센서 신호를 발생시킨다. 이 변위 센서 신호는 제어기(50)로 전달되고, 상기 제어기(50)는 이 신호를 전달받아 상기 발전기 모터(10), 전기 모터(20), 에너지 저장장치(4)를 제어하는 제어 신호를 발생, 전달한다.

상기 제어기(50)는 제어 신호에 의해 트랙터(60)의 전기 에너지를 일정한 수준으로 유지할 수 있도록 제어한다. 상기 제어기(50)의 제어에 의해 엔진(2)에 일정한 부하를 유지하도록 하여 트랙터 구동축의 속도 변화를 줄일 수 있다. 즉, 전기 모터(20), 유압 펌프(30), 3점 히치 유압 실린더(40)의 작동에 의해 로터리(48)가 상기 3점 히치 장치(46)와 함께 상승하게 되면, 순간 트랙터(60)의 견인 부하는 감소하게 되며, 차축에 걸려 있는 부하 토크는 순간 속도로 전환되어 차량의 충격으로 이어지게 된다. 이를 방지하기 위해, 상기 부하 압축 스프링에 변위 센서(42)가 장착되고, 이를 3점 히치 장치(46)가 상승할 시점 즉, 부하가 풀리는 시점에서 변위 센서 신호를 받은 제어기(50)가 송출하는 제어 신호를 통해 엔진(2)에 연결되어 있는 발전기 모터(10)를 작동시킴으로써 엔진(2)에 일정한 부하를 유지하여 구동축의 속도 변화를 줄이는 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 트랙터의 로터리 작업을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 3점 히치 장치(46)에 로터리(48)를 구비하는 트랙터(60)가 우측 방향으로 주행하면, 로터리(46)의 회전 칼날은 작업 토양에 박히고 일정 깊이의 토양을 뒤엎게 된다. 흙의 강도가 큰 지점에서는 로터리(48)의 날이 토양에 계속 파고 들어가게 되고 견인 부하가 증가하게 된다. 견인 부하가 증가하게 되면, 제어기(50)로부터 제어 신호를 받아 전기 모터(20)에 의해 유압 펌프(30)가 작동한다. 상기 유압 펌프(30)는 유압을 제공하여 3점 히치 유압 실린더(40)에 구비된 부하 압축 스프링을 압축시키고, 이 압축력으로 상기 로터리(48)가 상승하게 된다. 상기 로터리(48)가 상승함으로써 걸려 있던 견인 부하가 순간 해제된다. 로터리(42)가 상승할 시점에, 변위 센서 신호에 의해 제어기(50)를 통해 발전기 모터(10)를 작동시킴으로써 엔진(2)에 일정한 부하를 유지하여 트랙터 구동축의 속도 변화를 줄여 차량의 충격을 줄일 수 있다.

도 3은 본 발명에 따라 종래에 비해 개선되는 하이브리드 트랙터 장치의 PTO축 토크 변화와 PTO축 회전 속도 변화를 개략적으로 나타내는 그래프이다. 도 3을 참조하면, 기존의 트랙터에서는 트랙터가 이동하면서 토양의 강도가 높은 곳에서 로터리가 깊이 박힘으로써 PTO축의 부하 토크가 증가하고 모터, 3점 히치 장치 유압 실린더, 3점 히치 장치의 작용으로 로터리가 상승하면 부하 토크는 감소한다. 이러한 방식으로 PTO축의 부하 토크는 요동치고, 상기 PTO축의 부하 토크가 증가할 때 PTO축의 회전 속도도 증가하고, PTO축의 부하 토크가 감소할 때 PTO축의 회전 속도도 감소하면서 PTO축의 회전 속도도 요동친다. 이는 트랙터의 충격으로 작용하므로 이를 줄이기 위해 PTO 단수 조작을 자주 해주어야 한다.

그러나, 본 발명의 개선된 하이브리드 트랙터(60)는 3점 히치 장치(46)의 로터리(48)가 토양 속에 파묻히면, 제어기(50)가 발생시키는 제어 신호에 따라 유압 펌프(30), 3점 히치 유압 실린더(40)를 통해 부하 압축 스프링이 압축되고, 3점 히치 장치(46)를 우측으로 끌어당기고 로터리(48)를 상부로 들어 올리게 된다. 상기 부하 압축 스프링에는 변위 센서(42)가 구비되어 있어서 상기 부하 압축 스프링의 변위를 감지하고, 로터리(48)에는 속도 센서가 구비되어 로터리(48)의 회전 속도를 감지하게 된다. 상기 설명한 바와 같이 제어기(50)는 상기 변위 센서(42)와 속도 센서(44)로부터 센서 신호를 받고, 발전기 모터(10), 전기 모터(20) 등을 작동시킬 수 있도록 제어 신호를 보내주고 전기 에너지를 일정한 수준으로 유지할 수 있도록 제어한다. 따라서, 종래의 트랙터와 달리 일정한 수준의 전기 에너지에 의해 PTO축(8)의 부하 토크는 높은 수준으로 일정하게 되고, PTO축(8)의 회전 속도도 일정하게 유지된다.

도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 트랙터 장치에 의해 엔진의 고효율 운전 영역에서의 운전을 나타내는 개략적인 그래프이다. 도 4를 참조하면, 음영이 있는 부분은 엔진(2)의 고효율 운전 영역으로서 특정 엔진 회전수(RPM) 영역에서, 연료 소비율은 최저 수준으로 유지된다. 엔진(2)의 RPM이 증가할수록 엔진(2)의 출력이 증가하지만 엔진(2)의 고효율 운전 영역을 넘어서면 출력이 감소된다. PTO축(8)의 부하 토크도 특정 RPM 영역에서 최대가 된다. 상기 검토한 바와 같이 변위 센서 및 속도 센서로부터 받은 센서 신호를 제어기가 받아들여 제어 신호를 통해 발전기 모터(10)에 의한 전기 에너지 발생이 일정하게 유지되고 엔진 출력을 보조한다. 따라서, PTO축을 통해 엔진이 부담하는 운전 영역을 일정한 고효율 영역에서 이루어지도록 하여 고출력 고토크를 유지할 수 있다.

이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

2: 엔진 4: 배터리
6: 전기 에너지 변환 장치 8: PTO축
10: 발전기 모터 20: 전기 모터
30: 유압 펌프 40: 3점 히치 유압 실린더
42: 변위 센서 44: 속도 센서
46: 3점 히치 장치 48: 로터리 작업기
50: 제어기 60: 트랙터