JP4082935B2

JP4082935B2 - ハイブリッド式建設機械

Info

Publication number: JP4082935B2
Application number: JP2002164597A
Authority: JP
Inventors: 真己成瀬; 成俊大司
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2002-06-05
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2022-06-05
Also published as: US6820356B2; US20030226291A1; JP2004011502A; KR20030093943A; KR100953255B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーアップ機能を備えたハイブリッド式建設機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーアップ機能を備えた建設機械として、例えば本出願人の先願に係る特開平５−２１４７４６号公報にて提案された油圧式掘削機がある。この油圧式掘削機は、エンジンにより駆動される可変容量型の油圧ポンプと、作動油流れを制御する操作弁と、作業機等を駆動する油圧アクチュエータを備え、操作弁の切換操作にて油圧ポンプから吐出される圧油を油圧アクチュエータに給配し作業機等を作動させるように構成されている。この油圧式掘削機には、油圧ポンプの最高圧を２段階で規定する２段リリーフ弁や、この２段リリーフ弁の下位の設定圧におけるリリーフ動作の前に油圧ポンプの吐出圧の最高値を規定するカットオフ弁、油圧ポンプの容量制御装置、油圧ポンプの吸収トルクを制御する吸収トルク可変弁、パワーアップ用スイッチなどが設けられている。
【０００３】
そして、前記パワーアップ用スイッチを操作することにより、制御圧源の制御圧を２段リリーフ弁の圧力設定用ばねカセットシリンダに供給してその２段リリーフ弁の上位のリリーフ圧に設定し、かつ同制御圧をカットオフ弁の圧力設定用ばねカセットシリンダに供給してカットオフ機能（油圧ポンプの吐出圧がリリーフ圧近くになると油圧ポンプの吐出量を減少させてリリーフロスを低減させる機能）を停止させ、更に吸収トルク可変弁用コントローラを介して吸収トルク可変弁に吸収トルク増加信号および／またはガバナ駆動装置用コントローラを介してガバナ駆動装置にエンジン出力増加信号を出力することにより、油圧ポンプの吸収トルクおよび／またはエンジン出力を増加させることができるようにされている。この油圧式掘削機によれば、パワーアップ用スイッチのワンタッチ操作で、作業機の全速域における作業力を増加させることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記油圧式掘削機では、油圧ポンプの吸収トルクを増加させる一手段として２段リリーフ弁が採用されているため、パワーアップ用スイッチの操作時にリリーフロスが増加するという問題点がある。またエンジン出力の増加により油圧ポンプの吸収馬力は増加するものの、これはエンジンの隠し馬力を顕在化させたに過ぎず、エンジンのフル馬力以上の作業力アップは不可能であるという問題点がある。また、エンジン出力を高めるためにエンジン回転数が増加されるため、騒音が大きくなるという問題点もある。
【０００５】
本発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、エンジンの出力エネルギを有効に活用することができ、また騒音レベルを維持しつつ作業スピードを向上させることができるとともに、エンジン性能以上の作業力を得ることができるハイブリッド式建設機械を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前記目的を達成するために、本発明によるハイブリッド式建設機械は、
エンジンと、このエンジンにより駆動される油圧ポンプと、この油圧ポンプからの吐出油により作動される油圧アクチュエータと、エンジンと組み合わされる電動機と、エンジンにより駆動される発電機と、この発電機による発電電力を充電するバッテリを備えるハイブリッド式建設機械において、
操作レバーまたは操作パネルにパワーアップ用スイッチが設けられるとともに、このパワーアップ用スイッチからの信号が入力されるコントローラが設けられ、
前記パワーアップ用スイッチの操作時に、前記コントローラは、前記油圧ポンプの吸収トルクとエンジンの定格出力点トルクとを比較し、
前記吸収トルクがその定格出力点トルクよりも低いと判断したとき、エンジンの回転数を一定に制御するとともに、その定格出力点トルク近傍まで助勢するトルクを出力するように前記電動機の出力トルクを制御し、
前記吸収トルクがその定格出力点トルクを含むその近傍であると判断したとき、エンジンの回転数を一定に制御するとともに、その定格出力点トルクを超えて助勢するトルクを出力するように前記電動機の出力トルクを制御する
ことを特徴とするものである。
【０００８】
本発明においては、油圧アクチュエータにおける作業負荷が小さく、油圧ポンプの吸収トルク（油圧アクチュエータを駆動するために油圧ポンプがエンジンに要求するトルク）がエンジンの出力トルクよりも小さいときに、エンジンの余裕出力トルクによる発電機の駆動によって電力が発生され、この発生電力がバッテリに蓄電される。したがって、エンジンの余剰エネルギを回収することができる。また、パワーアップ用スイッチの操作により、バッテリから供給される電力にて電動機から油圧ポンプの駆動を助勢するトルクが出力され、これにより油圧アクチュエータの出力が増加される。したがって、エンジンの出力エネルギを有効に活用することができ、省エネルギ化を図ることができる。
【０００９】
本発明によれば、パワーアップ用スイッチの操作時に、油圧ポンプの吸収トルクがその定格出力点トルクよりも低い場合には、エンジン回転数一定状態で、電動機によるトルクが油圧ポンプに付加されるので、騒音レベルを維持しつつ油圧ポンプの最大流量を増加させることができ、作業スピードを向上させることができる。また、パワーアップ用スイッチの操作時に、油圧ポンプの吸収トルクが定格出力点トルクを含むその近傍である場合には、油圧ポンプの最大流量を保持しつつ、エンジン性能以上の作業力を得ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明によるハイブリッド式建設機械の具体的な実施の形態につき、図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態は、ハイブリッド式建設機械の一種であるハイブリッド式油圧ショベルに本発明が適用された例である。
【００１１】
図１には、本発明の一実施形態に係るハイブリッド式油圧ショベルの側面図が示されている。また、図２には、本実施形態におけるハイブリッドシステムのブロック図が示されている。
【００１２】
本実施形態に係るハイブリッド式油圧ショベル１は、図１に示されるように、下部走行体２と、この下部走行体２に旋回機構３を介して設けられる上部旋回体４と、この上部旋回体４に取着される作業機６を備えて構成されている。前記作業機６は、上部旋回体４側から順にブーム７、アーム８、バケット９がそれぞれ回動自在に連結されて構成され、これらブーム７、アーム８、バケット９は、それぞれブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２の伸縮動作により回動駆動されるようになっている。また、前記上部旋回体４は、油圧モータ（図示省略）の駆動により旋回自在となっている。この上部旋回体４には、運転室５が設けられ、この運転室５の内部にブーム、アーム、バケット等を操作する操作装置（図示省略）が搭載されている。
【００１３】
このハイブリッド式油圧ショベル１は、図２に示されるように、エンジン２１と、可変容量式の油圧ポンプ２２と、作動油流れを制御するコントロールバルブ２３と、このコントロールバルブ２３や後述する各種機器の作動を制御するコントローラ２４を備えている。このハイブリッド式油圧ショベル１では、エンジン２１によって駆動される油圧ポンプ２２から吐出される圧油がコントロールバルブ２３を介して油圧アクチュエータ、すなわちブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、およびバケットシリンダ１２等の作業機アクチュエータ１５、並びに走行・旋回用の油圧モータ（図示省略）に供給されるようになっている。なお、符号４６にて示されるのは、油圧ポンプ２２の吐出圧の最高値を規定するリリーフ弁である。
【００１４】
前記エンジン２１には、その回転速度を負荷の増減に応じて調整するガバナ２１ａが付設され、作業時において、このガバナ２１ａにはコントローラ２４から定格回転のガバナ指令の信号が入力されるようになっている。こうして、エンジン２１は、定格出力点にて定トルク定回転駆動されるようにされている。
【００１５】
また、前記エンジン２１には、フライホイール２１ｂの外周に形成された歯と噛み合うギヤ２５ｂを介して電動機２５が付設されている。この電動機２５は、誘導電動機であって、発電機としての機能も兼ねており、エンジン２１の油圧ポンプ駆動を助勢するモータ作動と、エンジン２１を駆動源として発電する発電作動とを切換可能に構成されている。この電動機２５は、インバータ２６を介してバッテリ２７に接続されており、インバータ２６は、コントローラ２４からの指令に応じて、電動機２５の発電作動およびモータ作動を制御している。なお、前記バッテリ２７としては、リチウムイオン電池等の二次電池が用いられる。
【００１６】
また、運転室５における図示省略される操作装置に設けられたブーム操作レバー、アーム操作レバー、バケット操作レバーなどの作業機操作レバー８０のそれぞれに設けられた操作量検出器（例えばポテンショメータ）８０ａからの検出信号がコントローラ２４に入力されるようになっており、この入力信号に基づいて、コントローラ２４がコントロールバルブ２３の動作を制御し、対応する作業機アクチュエータ１５に供給する圧油の流量を制御するようにされている。また、前記作業機操作レバー８０のいずれかの操作レバーにはノブスイッチ（本発明のパワーアップ用スイッチに相当）８１が設けられ、このノブスイッチ８１を押してスイッチをＯＮすると、そのノブスイッチ８１を押している間、後述するように作業力が増加するようにされている。
【００１７】
また、コントローラ２４には、エンジン２１の回転数を検出する回転センサ３１、エンジン２１の出力トルクを検出するトルクセンサ３２、油圧ポンプ２２の斜板角を検出する斜板角センサ３３、油圧ポンプ２２の吐出圧を検出する圧力センサ３４などからの検出信号が入力されるようになっている。
【００１８】
本実施形態のハイブリッド式油圧ショベル１では、操作パネル５２で作業モード（重掘削、通常掘削、整正、微操作、ブレーカなど）を選定すると、コントローラ２４が作業内容に応じた最適なエンジントルクとポンプ出力に調整するエンジン・ポンプ複合制御システムが採用されている。このエンジン・ポンプ複合制御システムにおいて、コントローラ２４は、燃料ダイヤル５１によるガバナ２１ａのセット回転数と実際のエンジン回転数を検知して、エンジン２１の各出力点でのベストマッチングのトルクを油圧ポンプ２２が吸収するように制御するとともに、エンジン２１の燃料効率の高いところでマッチングさせるために等馬力制御している。
【００１９】
また、本実施形態のハイブリッド式油圧ショベル１では、ポンプ・バルブ制御システムが採用されている。このポンプ・バルブ制御システムは、油圧ポンプ２２の斜板を傾転させるサーボ弁４１と、作業機負荷を感知して吐出し量を制御するＬＳ弁４２と、作業機の負荷がエンジン馬力（ポンプ出力）を超えないように制御するＰＣ弁４３と、コントローラ２４の指令に応じてＬＳ弁４２およびＰＣ弁４３のそれぞれにパイロット圧を付与するＬＳ弁用電磁式切換弁（ＬＳ−ＥＰＣ弁）４４およびＰＣ弁用電磁式切換弁（ＰＣ−ＥＰＣ弁）４５を備えて構成される斜板角駆動手段４０を有し、この斜板角駆動手段４０は、図示省略される圧力補償弁からの作業負荷圧と油圧ポンプ２２の出口圧、並びに作業機操作レバー８０の操作量に応じたコントローラ２４からの指令により作動されるように構成されている。こうして、油圧ポンプ２２の斜板は、作業機アクチュエータ１５にかかる負荷、並びにコントローラ２４からの指令に応じて作動する斜板角駆動手段４０により傾転駆動され、油圧ポンプ２２からの圧油の吐出量が制御されるようにされている。なお、本実施形態においては、作業中負荷が大きくなって油圧ポンプ２２の吐出圧が高くなりリリーフ圧近くになると、圧力センサ３４がそれを検知し、コントローラ２４は吐出量を減少させる信号を送って、リリーフロスを低減させるようにされている（所謂カットオフ機能）。
【００２０】
以上述べたように構成される本実施形態のハイブリッド式油圧ショベル１の作動について図２〜図４を参照しつつ説明する。ここで、図３には、エンジンおよび電動機の出力トルク特性図が、図４には、油圧ポンプ出力特性図がそれぞれ示されている。
【００２１】
作業時において、コントローラ２４は定格回転Ｎ_Ａのガバナ指令をガバナ２１ａに送信し、これによりエンジン２１は図３において記号Ｔ_Ｅで示される線図のエンジントルク特性とされ、またコントローラ２４はそのエンジントルク特性の定格出力点Ｐａにてエンジン２１が定トルク定回転駆動するようにガバナ２１ａを制御する。また、前述したエンジン・ポンプ複合制御により、出力点Ｐａにおいて、油圧ポンプ２２の吸収トルク（油圧アクチュエータを駆動するために油圧ポンプ２２がエンジン２１に要求するトルク）とエンジン２１の出力トルクとがマッチングするように等馬力制御（マッチング点における吸収トルクが得られるように油圧ポンプ２２の吐出量をＰＱカーブ（等馬力曲線）に従い制御する）を行う。なお、図３中記号Ｌで示されるそれぞれの曲線は、エンジン２１の等馬力曲線である。
【００２２】
そして、作業負荷が小さく、油圧ポンプ２２の吸収トルクがエンジン２１の出力トルクより小さい場合には、コントローラ２４は余剰トルクにより電動機２５を発電作動させる。すなわち、コントローラ２４は、油圧ポンプ２２の吐出圧と斜板角とから求まる吸収トルクと、エンジン２１の定格トルクとを比較して余剰トルクを算出し、この算出された余剰トルクが発電トルクとして電動機２５に作用するように、インバータ２６にて電動機２５に流れる電流を制御する。そして、この余剰トルクにより発電される電気エネルギをバッテリ２７に蓄電する。こうして、エンジン２１の出力は、一部が油圧ポンプ２２に吸収されて作業機駆動などに消費され、残りは発電作動する電動機２５に吸収され電気エネルギとしてバッテリ２７に蓄電される。
【００２３】
また、作業中、ノブスイッチ８１をオンすると、コントローラ２４は、前述したカットオフ機能を解除するとともに、油圧ポンプ２２の吸収トルクと、エンジントルク特性の定格出力点（図３の点Ｐａ）とを比較する。その結果、
（１）定格出力点Ｐａよりも低い任意の点（例えば図３の点Ｐａ'）であると判断した場合には、マッチング点を出力点Ｐａから点Ｐｄに移行させるように、インバータ２６を介して電動機２５のトルク制御を行う。このトルク助勢動作は、電動機２５によってトルクのみを付加する動作であるため、エンジン回転数一定制御にて行われる。これにより、油圧ポンプ２２の吸収馬力特性が変化して、図４（ａ）におけるＡ'−Ｆ−Ｃ曲線で示されるポンプ特性からＤ−Ａ'−Ｆ−Ａ曲線で示されるポンプ特性とされる。なお、図４（ａ）においてＡ−Ａ'曲線で示されるのは、図３におけるエンジントルクカーブＴ_Ｅの定格出力点Ｐａをマッチング点とする油圧ポンプ２２のＰＱ曲線である。また、点Ｄは、点Ｃ'における吐出油量Ｑ_２ラインとＡ−Ａ'曲線の延長線との交点である。
【００２４】
ここで、図３から解るように、ポンプ吸収トルクを増大させるために、エンジン・ポンプ複合制御にて、エンジントルクカーブＴ_Ｅにおける出力点Ｐａ'から出力点Ｐａにマッチング点を移行させたとすると、エンジン回転数がＮ_２からＮ_１に低下し、これに伴ない油圧ポンプ２２の吐出量が減少する。したがって、図４（ａ）の点Ｃ'における吐出油量Ｑ_２＞点Ａ'における吐出油量Ｑ_１という関係になる。しかしながら、本実施形態では、図３に示されるように、エンジン回転数一定（Ｎ＝Ｎ_２）制御にて出力点Ｐａ'から出力点Ｐａ近傍の出力点Ｐｄまで電動機２５によりトルクを付加するようにされているので、油圧ポンプ２２の吐出量が減少することはなく、ポンプ出力特性は、Ａ−Ｄ曲線で示されるポンプ特性となる。したがって、点Ａ'−Ｃ'−Ｄで囲まれる部分に対応する流量を増加させることができる。したがって、例えば荒すき取り作業等の軽負荷作業を行っているときに、ノブスイッチ８１をオンすると、エンジン回転数一定制御にて最大流量が増加されるので、騒音レベルを維持しつつ作業機６の動作スピードを向上させることができる。
【００２５】
一方、コントローラ２４が油圧ポンプ２２の吸収トルクと、エンジン２１の定格出力点（図３の点Ｐａ）とを比較した結果、
（２）油圧ポンプ２２の吸収トルクが定格出力点Ｐａを含むその近傍であると判断した場合には、コントローラ２４はエンジン２１の回転数を維持しつつ、その定格出力点Ｐａを超えて例えば図３における点Ｐｂまでトルクを付加するようにインバータ２６を介して電動機２５のトルク制御を行う。このトルク助勢動作は、電動機２５によってトルクのみを付加する動作であるため、エンジン回転数一定（Ｎ＝Ｎ_１）制御にて行われる。これにより、油圧ポンプ２２の吸収馬力が増加され、図４（ｂ）におけるＡ−Ａ'曲線で示されるポンプ特性から吐出量Ｑ_１で流量一定の直線Ａ'−Ｂ'におけるその点Ｂ'を含むＢ−Ｂ'曲線で示されるポンプ特性とされる。なお、図４（ｂ）においてＡ−Ａ'曲線で示されるのは、図３におけるエンジントルクカーブＴ_Ｅの定格出力点Ｐａをマッチング点とする油圧ポンプ２２のＰＱ曲線である。また、図４（ｂ）においてＢ−Ｂ'曲線で示されるのは、図３におけるエンジントルクカーブＴ_Ｅに電動機２５のトルクカーブＴ_Ｍを加算してなるトルクカーブ（Ｔ_Ｅ＋Ｔ_Ｍ）の定格出力点Ｐｂをマッチング点とする油圧ポンプ２２のＰＱ曲線である。したがって、例えば重掘削作業中に埋まっている岩を掘り起こそうとするときに、ノブスイッチ８１をオンすると、コントローラ２４はエンジン回転数一定制御のまま電動機２５のトルク制御にて助勢トルクを所定量増大させ、油圧ポンプ２２の吸収馬力を増加させる。これにより、エンジン性能以上の掘削力を得ることができる。
【００２６】
なお、本実施形態では、電動機２５によるトルク助勢動作によってポンプ吸収トルクが増加されるので、従来技術における２段リリーフ弁が不要となり、油圧回路の簡素化を図ることができるとともに、パワーアップ時におけるリリーフロスの低減化を図ることができる。
【００２７】
また、本実施形態では、ノブスイッチ８１のオンにて電動機２５によるトルク助勢動作が行われる例を示したが、これに限られず、操作パネル５２に専用のスイッチを設け、このスイッチの操作にて電動機２５によるトルク助勢動作が行われるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るハイブリッド式油圧ショベルの側面図である。
【図２】図２は、本実施形態におけるハイブリッドシステムのブロック図である。
【図３】図３は、エンジンおよび電動機の出力トルク特性図である。
【図４】図４（ａ）（ｂ）は、油圧ポンプ出力特性図である。
【符号の説明】
１ハイブリッド式建設機械
１０ブームシリンダ
１１アームシリンダ
１２バケットシリンダ
２１エンジン
２２油圧ポンプ
２４コントローラ
２５電動機（発電機）
２７バッテリ
５２操作パネル
８０作業機操作レバー
８１ノブスイッチ

Claims

エンジンと、このエンジンにより駆動される油圧ポンプと、この油圧ポンプからの吐出油により作動される油圧アクチュエータと、エンジンと組み合わされる電動機と、エンジンにより駆動される発電機と、この発電機による発電電力を充電するバッテリを備えるハイブリッド式建設機械において、
操作レバーまたは操作パネルにパワーアップ用スイッチが設けられるとともに、このパワーアップ用スイッチからの信号が入力されるコントローラが設けられ、
前記パワーアップ用スイッチの操作時に、前記コントローラは、前記油圧ポンプの吸収トルクとエンジンの定格出力点トルクとを比較し、
前記吸収トルクがその定格出力点トルクよりも低いと判断したとき、エンジンの回転数を一定に制御するとともに、その定格出力点トルク近傍まで助勢するトルクを出力するように前記電動機の出力トルクを制御し、
前記吸収トルクがその定格出力点トルクを含むその近傍であると判断したとき、エンジンの回転数を一定に制御するとともに、その定格出力点トルクを超えて助勢するトルクを出力するように前記電動機の出力トルクを制御する
ことを特徴とするハイブリッド式建設機械。