JP4179465B2 - 建設機械 - Google Patents

Description

この発明は、油圧ショベル等の建設機械に関するものである。

従来の建設機械は、油圧駆動方式が主流である。例えば、油圧ショベルは、作業機の駆動、上部旋回体の旋回及び下部走行体の走行を、油圧アクチュエータ（油圧シリンダ、油圧モータ）で行っている。そしてエンジンを駆動源とする油圧ポンプから吐出され、これら油圧アクチュエータへ供給される圧油を制御することにより、作業を行っている。

油圧ショベルの作業は、エンジンの能力に対して常に１００％の能力を必要とする作業ばかりではなく、例えば、９０％、８０％の能力を出せば済む作業が多くある。すなわち、図８のエンジントルク特性図に示すように、１００％出力の重負荷作業を行う「重負荷モード」の点Ｐ_Ｈに対して、通常負荷作業を行う「通常負荷モード」の点Ｐ_Ｓ、軽負荷作業を行う「軽負荷モード」の点Ｐ_Ｌといった作業モードが設定されている。そして、各点Ｐ_Ｈ、Ｐ_Ｓ、Ｐ_Ｌにおいて、油圧ポンプの駆動トルクがエンジンの出力トルクと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駆動トルクが得られるように油圧ポンプの吐出量をＰＱカーブ（等馬力曲線）に従い制御する）を行い、エンジンの出力を有効に活用して燃費の向上を図っている。なお、油圧ポンプの駆動トルクとは、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である。

上記油圧ショベルにおいては、車両が作業を行う場合の最大必要馬力と一致する出力を有するエンジン、すなわち、図８に示す最大必要馬力線Ｌ上にエンジントルクカーブの定格出力点Ｐ_Ｈが一致するエンジンが搭載されている。図９は、エンジンの定格出力の９０％にてマッチングする「通常負荷モード」において、掘削した土砂を旋回してダンプ車両に積み込む「掘削積込み作業」を行う際の１サイクルにおける油圧ポンプの吸収馬力の推移を表したグラフである。油圧ショベルの負荷変動は乗用車等と比較すると非常に激しく、このグラフにも示すように、エンジン馬力には余裕があり、１サイクルにおけるエンジンの最大馬力に対する平均負荷率は８０％程度であり、また、走行移動やダンプ車両待ち等を含む１日の作業で計測した場合のエンジンの平均負荷率は６０％程度となる。「重負荷モード」による作業を行う場合も同様に、負荷変動により平均負荷率は１００％とはならない。つまり、最大必要馬力相当の出力を有するエンジンを搭載する油圧ショベルにおいては、エンジンの出し得る出力を有効に使用できていない。

このような問題を解決するため、従来では、例えば特許文献１に示すような、エンジンと、エンジンにより駆動する発電機と、この発電機による発電電力を充電するバッテリと、このバッテリの電力により駆動する電動機とを備えたハイブリット式の建設機械が提案されている。以下に上記特許文献１に係るハイブリット式建設機械について説明する。

図１０は、従来のハイブリット式建設機械である油圧ショベルの駆動システムブロック図を示している。同図において、エンジン３１により駆動される可変容量式の油圧ポンプ３２から吐出される圧油は、コントロールバルブ３３を介して各種アクチュエータ４４・４４（例えば、ブームシリンダ４４ａ、アームシリンダ、バケットシリンダ、走行モータ等）に供給される。エンジン３１はコントローラ３５からのガバナ指令を受けるガバナ３１ａにより調速される。また、エンジン３１にはフライホイールと一体になった第１電動機３７が装着されており、上記第１電動機３７は第１インバータ３８、及びコントローラ３５を介してバッテリ３９に接続されている。さらに、上記第１電動機３７は発電機としての機能も兼ねており、エンジン３１の油圧ポンプ駆動を助勢するモータ作動と、エンジン３１を駆動源として発電する発電作動とを、コントローラ３５からの指令に応じて切換作動することが可能に構成されている。また上記コントローラ３５には、各種操作レバー３４・３４からの操作信号、及び各種センサ３６・３６（回転センサ、圧力センサ、トルクセンサ等）からの検出信号が入力され、これらの信号に基づいて各種制御を行うように構成されている。

また、油圧ショベルの上部旋回体４２は、減速機４３を介して第２電動機４０により旋回自在となっており、上記第２電動機４０は第２インバータ４１、及びコントローラ３５を介してバッテリ３９に接続されている。さらに、上記第２電動機４０は、第１電動機３７と同様に発電機としての機能も兼ねており、上部旋回体４２を駆動するモータ作動と、旋回制動時の上部旋回体４２の慣性エネルギによる発電作動とを、コントローラ３５からの指令に応じて切換作動可能に構成されている。

さらに、ブームシリンダ４４ａのボトム側の管路４５には、油圧モータ４７を備えたバイパス管路４６が設けられており、上記ブームシリンダ４４ａからの戻り油がバイパス管路４６を通過する際に、油圧モータ４７が駆動するように構成されている。上記油圧モータ４７には発電機４８が接続されており、この発電機４８は、ＡＣ／ＤＣコンバータ４９を介してバッテリ３９に接続されている。

上記油圧ショベルによれば、作業負荷が小さく、油圧ポンプ３２の駆動トルクがエンジン３１の所定出力トルクよりも小さい場合には、エンジン出力の余剰分で第１電動機３７を発電して、この発電電力をバッテリ３９に充電する一方、作業負荷が大きく、油圧ポンプ３２の駆動トルクがエンジンの所定出力トルクよりも大きい場合には、上記バッテリ３９に充電された電力により第１電動機３７を駆動して、エンジン３１が油圧ポンプ３２を駆動するのを助勢している。またこの油圧ショベルにおいては、旋回制動時における上部旋回体４２の慣性エネルギを利用して第２電動機４０を駆動した際に得られる電気エネルギや、ブームシリンダ４４ａからの高圧の戻り油による位置エネルギを利用して発電機４８を駆動した際に得られる電気エネルギも、上記バッテリ３９に充電されるように構成されている。
特開２００２−２７５９４５号公報

ところで、このような油圧ショベルにおいては、第１電動機３７を介して回収されるエンジン３１の余剰エネルギをはじめ、第２電動機４０を介して回収される上部旋回体４２の慣性エネルギ、及び発電機４８を介して回収されるブームシリンダ４４ａの位置エネルギは、全て電気エネルギに変換されて上記バッテリ３９に充電されるようになっている。しかし、上記した全てのエネルギを確実に回収し、バッテリ３９に充電しようとすると、上記各電動機３７、４０や発電機４８が大型化すると共に、大容量のバッテリ３９等の蓄電装置が必要になるといった問題がある。

この発明は上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、確実にエネルギ回収を行うと共に、蓄電装置や発電機の小型化をも図ることが可能な建設機械を提供することにある。

そこで請求項１の建設機械は、エンジン１と、エンジン１により駆動される油圧ポンプ２と、油圧ポンプ２からの吐出油により駆動されるアクチュエータ４とを有する建設機械において、上記アクチュエータ４からの戻り油で回転する回生モータ８を上記油圧ポンプ２の回転軸に接続し、上記油圧ポンプ２において必要な駆動トルクが、上記回生モータ８の作動により発生する出力トルクよりも大きい場合は、上記エンジン１と回生モータ８とにより油圧ポンプ２を駆動する一方、上記油圧ポンプ２において必要な駆動トルクが、上記回生モータ８の作動により発生する出力トルクよりも小さい場合は、上記回生モータ８によって油圧ポンプ２を駆動すると共に、上記油圧ポンプ２にてエネルギ回生されなかった余剰トルクによって、上記回生モータ８の回転軸に接続された発電機１１を発電作動し、この発電電力を蓄電装置１２に蓄電するように構成したことを特徴としている。

また請求項２の建設機械は、上記発電機１１を電動機として機能させることによってモータ作動させ、上記油圧ポンプ２の駆動を助勢するように構成したことを特徴としている。

さらに請求項３の建設機械は、上記発電機１１の回転軸と、回生モータ８の回転軸とを、それぞれ油圧ポンプ２の回転軸とは別に設け、連動手段を介して上記発電機１１と、油圧ポンプ２と、回生モータ８とをそれぞれ連動可能に構成したことを特徴としている。

請求項４の建設機械は、上記発電機１１の回転軸と、回生モータ８の回転軸との少なくともいずれか一方の回転軸には、上記油圧ポンプ２の回転軸に対して、軸トルクの伝達、切断を行うためのクラッチ１７、１８を設けたこと特徴としている。

請求項５の建設機械は、上記回生モータ８の回転速度に対する発電機１１の回転速度を変化させるための無段変速機２４を両者間に介設したことを特徴としている。

上記請求項１の建設機械によれば、上記アクチュエータ４からの戻り油を回生モータ８で回収して、この出力トルクを、油圧ポンプ２にて即時エネルギ回生するようにしている。そして、上記油圧ポンプ２において必要な駆動トルクが、上記回生モータ８の出力トルクよりも大きい場合は、その不足トルク分のみをエンジン１にて発生して、上記エンジン１と回生モータ８とにより油圧ポンプ２を駆動するように構成している。これによって、エンジン１の平均必要馬力が低くなるため、エンジン１の小型化を図ることができる。また、上記油圧ポンプ２において必要な駆動トルクが、上記回生モータ８の出力トルクよりも小さい場合は、上記回生モータ８によって油圧ポンプ２を駆動すると共に、上記油圧ポンプ２にてエネルギ回生されなかった余剰トルク分を、発電機１１を介して蓄電装置１２に蓄電するように構成している。これによって、上記蓄電装置１２には、油圧ポンプ２にて即時エネルギ回生されなかった余剰トルク分のみが蓄電されることになるため、上記蓄電装置１２と発電機１１の小型化を図ることができると共に、確実にエネルギ回収することが可能となる。

上記請求項２の建設機械によれば、上記発電機１１を電動機として機能させることによって、油圧ポンプ２の駆動を助勢するように構成しているため、上記蓄電装置１２に蓄電されたエネルギは、上記油圧ポンプ２の駆動に効率良くエネルギ回生されることになり、これによって省エネルギ化を図ることができる。

上記請求項３の建設機械によれば、上記発電機１１の回転軸と、回生モータ８の回転軸とを、それぞれ油圧ポンプ２の回転軸とは別に設けることによって、装置のコンパクト化を図ることができる。

請求項４の建設機械によれば、請求項１〜請求項３のエネルギ回収動作を、円滑、かつ確実に行うことができる。

請求項５の建設機械によれば、無段変速機２４によって、発電機１１の回転数を、高い発電効率の得られる回転数になるように制御でき、エネルギ回生が効率的に行えることになる。

次に、この発明の建設機械の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、この発明の一実施の形態おける建設機械の駆動システムを説明するための概略構成図である。図１において、１はエンジンであり、上記エンジン１はコントローラ５からのガバナ指令を受けるガバナ１ａによって、その回転数が調整されるようになっている。また上記エンジン１には、エンジン回転数を検出するための回転センサ２０が設けられている。さらに、２は上記エンジン１により駆動される可変容量式の油圧ポンプであり、この油圧ポンプ２から吐出される圧油（メータイン）は、コントロールバルブ３を介して各種アクチュエータ４・４、例えば、ブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダ、右側走行モータ、左側走行モータ、旋回モータ等に供給される。この際、上記油圧ポンプ２の斜板の傾転角は、上記各アクチュエータ４・４にかかる負荷、及びコントローラ５からの指令に応じて駆動する図示しない斜板角駆動手段により駆動され、油圧ポンプ２からの圧油の吐出量を制御している。また上記エンジン１と油圧ポンプ２との間には出力ギア７（連動手段）が設けられており、この出力ギア７を挟む回転軸、すなわちエンジン１の出力軸と油圧ポンプ２の入力軸には、それぞれ上記エンジン１から油圧ポンプ２への動力伝達を接断するための接断手段である第１クラッチ１５と、第２クラッチ１６とが介設されている。なお上記出力ギア７は、上記第１クラッチ１５が切断されてエンジン１からの動力が遮断されたときに、慣性力によって油圧ポンプ２を駆動するためのフライホイールとしても機能するようになっている。

一方、上記各アクチュエータ４・４から上記コントロールバルブ３を介して返流される戻り油（メータアウト）の動力は、回生モータ８で回収されるようになっており、上記回生モータ８の出力軸には、第３クラッチ１７を介して回生用ギア９（連動手段）が連結されている。そして上記回生用ギア９を出力ギア７に噛合させることで、上記回生モータ８と油圧ポンプ２とを連動可能に構成している。これより上記回生モータ８からの動力は、回生用ギア９、及び出力ギア７を介して油圧ポンプ２に伝達されることになる。ここで、上記回生モータ８の入力軸には、コントロールバルブ３からのメータアウト圧力を検出するための圧力センサ２１が、また上記回生モータ８の出力軸には、回生モータ８の回転数を検出するための回転センサ２２が設けられている。上記圧力センサ２１と回転センサ２２からの検出信号は、回生モータ用コントローラ１０に入力され、この回生モータ用コントローラ１０からの指令に応じて、上記回生モータ８の駆動制御が行われるようになっている。なお、上記コントロールバルブ３からのドレン３ａ、及び回生モータ８からのドレン８ａは、オイルタンク２ａ内へと戻されて、再び、上記油圧ポンプ２に供給されるように構成されている。

また図１における１１は発電機であり、上記発電機１１には、その発電作動によって発生する発電電力を充電（蓄電）するためのバッテリ１２が接続されている。さらに、上記発電機１１の入力軸には、第４クラッチ１８を介してギア１４（連動手段）が連結されており、このギア１４をエンジン１の出力ギア７に噛合させることで、上記発電機１１と油圧ポンプ２とを連動可能に構成している。ところで、上記発電機１１は、バッテリ１２に充電された電力を利用してモータ作動する電動機としての機能も兼ね備えており、上記油圧ポンプ２の駆動を助勢するモータ作動（電動機として機能）と、エンジン１及び回生モータ８を駆動源として発電する発電作動（発電機として機能）との切換えは、発電／電動機用コントローラ１３からの指令に応じて行われるように構成されている。ここで、上記発電／電動機用コントローラ１３には、上記バッテリ１２に設けられた充電状態を検出するための充電センサ２３からの検出信号と、上記エンジン回転数を検出する回転センサ２０からの検出信号とがそれぞれ入力されるように構成されている。なお、上記バッテリ１２にはリチウムイオン電池等の二次電池が使用される。この種のバッテリは高温になると、内圧の上昇、電解液の分解等が発生して不安定な状態となるため、バッテリ１２の電圧、電流、温度等を常に監視して、温度管理や放充電の制御を厳しく行う必要がある。

次に、この実施形態における建設機械の駆動システムの制御方法について説明する。この実施形態においては、上記油圧ポンプ２において必要な駆動トルク、すなわち上記油圧ポンプ２からコントロールバルブ３に供給されるメータイン出力と、上記回生モータ８の作動により発生する出力トルク、すなわち上記コントロールバルブ３から回生モータ８に回収されるメータアウト出力とを比較し、この大小関係によって、図１に示す駆動システム回路の切換制御を行うように構成している。この点についてより詳細に説明するため、図２（ａ）〜（ｅ）に、上記駆動システムを作動させた場合における各出力の時間変化の一例を表したグラフを示す。ここで、（ａ）は上記メータイン出力の時間変化を、また（ｂ）は上記メータアウト出力の時間変化（実線波形）を示しており、同グラフにおける点線波形は、上記メータイン出力の時間変化を示している。一方（ｃ）は、上記メータアウト出力のうち、回生モータ８によって、即時、油圧ポンプ２の駆動にエネルギ回生される出力の時間変化を示している。また（ｄ）は油圧ポンプ２に供給されるエンジン出力の時間変化を、さらに（ｅ）は、発電機１１を通してバッテリ１２に充電される出力の時間変化を示している。ここで、図２に示す各出力波形は、上記発電／電動機１１を発電機として機能させた場合に得られた出力例を示している。以下、図１、及び図２に基づいて、上記建設機械の駆動システムの具体的な制御方法について説明する。

すなわち、図１において、オペレータが図示しないキースイッチを操作すると、コントローラ５に始動信号が入力され、上記コントローラ５は定格回転数のガバナ指令をガバナ１ａに送信してエンジン１を始動させると共に、第１クラッチ１５と第２クラッチ１６とを接続する一方、第３クラッチ１７と第４クラッチ１８とを切断して、エンジン１のみによって油圧ポンプ２を駆動するように制御する。このとき得られる出力を、図２における時点ｔ１に示す。このようなエンジン１の出力トルクのみによって油圧ポンプ２を駆動する制御は、上記初期運転時のみに限らず、図２（ａ）に示すメータイン出力が存在する一方で、図２（ｂ）に示すメータアウト出力が０であるような場合、つまり上記油圧ポンプ２において必要な駆動トルクが存在する一方で、回生モータ８の作動により発生する出力トルクが０であるような場合に行われる。

次に、上記油圧ポンプ２から吐出された圧油は、コントロールバルブ３を介して各種アクチュエータ４・４に供給され、これらアクチュエータ４・４を用いて各種作業が行われる。一方、上記各アクチュエータ４・４からコントロールバルブ３を介して返流される戻り油は、上記回生モータ８に回収されて、このモータ作動に使用される。ここで、上記油圧ポンプ２の駆動トルクが、回生モータ８の出力トルクよりも大きい場合、つまり図２（ａ）（ｂ）に示すメータイン出力がメータアウト出力よりも大きい場合は、上記回生モータ８に回収された戻り油を全て、上記油圧ポンプ２にて即時エネルギ回生し、この回生モータ８の出力トルクと、上記エンジン１の出力トルクとの両方によって、油圧ポンプ２を駆動するように制御する。このとき得られる出力を、図２における時点ｔ２に示す。ところで、このようなエンジン１と回生モータ８との両方を用いて油圧ポンプ２を駆動する際の具体的な回路の切換制御としては、上記第４クラッチ１８を切断する一方、上記第１クラッチ１５、第２クラッチ１６、及び第３クラッチ１７を接続することによって、上記回生モータ８の動力を回生用ギア９に伝達し、この回生用ギア９の回転で、これに噛合されている出力ギア７の回転を助勢するように制御する。より詳細に言えば、上記油圧ポンプ２の駆動トルクが、回生モータ８の出力トルクよりも大きい場合、上記メータアウト出力の全てを回生モータ８によってエネルギ回生したとしても、油圧ポンプ２において必要な駆動トルクに満たないため、この不足分のトルクをエンジン１の出力トルクによって補うように制御される。従って、このとき油圧ポンプ２に供給されるエンジン出力は、上記メータイン出力から回生モータ８によりエネルギ回生される出力を差し引いた分の出力となる。

一方、上記油圧ポンプ２の駆動トルクが、回生モータ８の出力トルクよりも小さい場合、すなわち図２（ａ）（ｂ）に示すメータイン出力がメータアウト出力よりも小さい場合は、回生モータ８のモータ作動のみによって油圧ポンプ２を駆動すると共に、上記油圧ポンプ２の駆動に、即時エネルギ回生されなかった余剰トルク分をバッテリ１２に充電するように制御する。これは、図２における時点ｔ４における出力に相当する。具体的な切換制御としては、上記第１クラッチ１５を切断してエンジン１を空回りさせる一方、上記第２クラッチ１６、第３クラッチ１７、及び第４クラッチ１８を接続することによって、上記回生モータ８の動力を、回生用ギア９から出力ギア７、及びギア１４へと伝達して、油圧ポンプ２と発電機１１とを作動させ、上記油圧ポンプ２にてエネルギ回生されなかった余剰トルク分のみを電気エネルギに変換して、上記バッテリ１２に充電するように制御される。従って、このときバッテリ１２に充電される出力は、上記メータアウト出力から、油圧ポンプ２にて即時エネルギ回生される出力を差し引いた分の出力となる。

ところで、図２における時点ｔ３に示すように、メータアウト出力が存在する一方で、メータイン出力が０であるような場合、つまり上記回生モータ８の出力トルクが存在する一方で、油圧ポンプ２の駆動トルクが０であるような場合、上記コントロールバルブ３からのメータアウト出力は、全てバッテリ１２に充電されることになる。具体的な切換制御としては、上記第１クラッチ１５と第２クラッチ１６とを切断して、油圧ポンプ２への動力の伝達を停止する一方、第３クラッチ１７と第４クラッチ１８とを接続することによって、上記回生モータ８の作動によって発生する出力トルクを回生用ギア９から、出力ギア７、及びギア１４を介して発電機１１に伝達し、上記発電機１１を作動させることで、上記出力トルクを電気エネルギに変換してバッテリ１２に充電するように制御する。

図３は、この実施形態におけるエンジントルク特性図を示している。ここで、同図におけるｔ１〜ｔ４は、図２（ｄ）に示すエンジン出力の各時点ｔ１〜ｔ４で得られるトルク値を示している。図２及び図３に示すように、時点ｔ１、ｔ２では、エンジン１による油圧ポンプ２の駆動が行われるため、上記エンジントルクは正の値となるが、時点ｔ３、ｔ４では、エンジン出力は０で、逆にバッテリ１２への充電が行われるため、上記エンジントルクは負の値で表されている。

以上のように、上記実施の形態においては、上記アクチュエータ４からの戻り油を回生モータ８で回収して、この出力トルクを、油圧ポンプ２にて即時エネルギ回生するようにしている。そして、上記油圧ポンプ２において必要な駆動トルクが、上記回生モータ８の出力トルクよりも大きい場合は、その不足トルク分のみをエンジン１にて発生して、上記エンジン１と回生モータ８とにより油圧ポンプ２を駆動するように構成している。これによって、エンジン１の平均必要馬力が低くなるため、エンジン１の小型化を図ることができる。また、上記油圧ポンプ２の駆動トルクが、上記回生モータ８の出力トルクよりも小さい場合は、上記回生モータ８のみによって油圧ポンプ２を駆動すると共に、上記油圧ポンプ２にてエネルギ回生されなかった余剰トルク分を、発電機１１を介してバッテリ１２に充電するように構成している。これによって、上記バッテリ１２には、油圧ポンプ２にて即時エネルギ回生されなかった余剰トルク分のみが充電されることになるため、上記バッテリ１２と発電機１１の小型化を図ることができると共に、確実にエネルギ回収することが可能となる。さらに、この実施形態においては、上記駆動システム回路における発電機１１の回転軸と、回生モータ８の回転軸とを、それぞれ油圧ポンプ２の回転軸とは別に設けたことによって、装置のコンパクト化を図ることができる。

ところで上記では、図１に示す発電／電動機１１を発電機として機能させた場合における駆動システムの各種制御方法について述べたが、以下では上記発電／電動機１１を、バッテリ１２に充電された電力を利用してモータ作動する電動機として機能させた場合における駆動システムの制御方法について説明する。まず、上記発電機と電動機との切換えは、発電／電動機用コントローラ１３からの指令に応じて行われるように制御されている。具体的には、充電センサ２３によって検出されるバッテリ１２の充電量が所定の充電状態に達した場合に、上記発電／電動機用コントローラ１３から電動機１１への切換え指令が出されるようになっている。そして、上記電動機１１への切換えが行われると、上記コントローラ５は、上記第１クラッチ１５、第２クラッチ１６、及び第３クラッチ１７の接続に加えて、新たに第４クラッチ１８を接続することによって、上記電動機１１にて油圧ポンプ２の駆動を助勢するように制御する。すなわち、上記バッテリ１２からの電力によって電動機１１をモータ作動させることにより、ギア１４を回転させ、このギア１４の回転をこれに噛合している出力ギア７に伝達することで、上記エンジン１と回生モータ８との出力トルクによる油圧ポンプ２の駆動を助勢するように制御される。

また、上記ではエンジン１、回生モータ８、電動機１１の全てを用いて油圧ポンプ２を駆動するように制御したが、エンジン１を切離し、回生モータ８と電動機１１との出力トルクによって油圧ポンプ２を駆動することも可能であるし、また電動機１１の出力トルクのみによって油圧ポンプ２を駆動することも可能である。

このように、上記実施の形態では、上記バッテリ１２の充電量が所定の充電状態に達した場合は、この電力を利用して油圧ポンプ２の駆動を助勢するように構成しているため、これによって省エネルギ化を図ることができる。

以上にこの発明の建設機械の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態においては、上記回生モータ８と発電機１１との回転軸を、上記油圧ポンプ２の回転軸とは別に設けたが、上記油圧ポンプ２の回転軸と同軸上に発電機１１を設けることも可能である。あるいは、図４に示す変更例のように、回生モータ８と同軸上に発電／電動機１１を設けることも可能である。なお、その他の構造は、図１に示したものと同様であるので、同一機能部分を同一符号で示し、その説明を省略する。この場合、戻り油のエネルギが小さい運転条件においては、クラッチ１９を切断して回生モータの回転ロスをなくし、運転条件が変わり、戻り油のエネルギが大きくなるときには、発電／電動機１１で回生モータ８を加速して、戻り油のエネルギを回生するのに適した回転数に速やかに設定した上でクラッチ１９を接続することにより、エネルギ回生が効率的に行える。また、上記ではバッテリ１２に充電された電力を用いて、油圧ポンプ２を駆動するように制御したが、上記バッテリ１２の電力を他の制御系、他の機器（エアコン、ラジオ、等）の作動に使用するように構成してもよい。さらに、上記実施の形態では、蓄電装置の一例として、バッテリ１２に充電するように構成しているが、この他、キャパシタを用いてこれに蓄電（充電）するように構成することも可能である。またさらに、上記実施の形態では、コントローラ５、回生用コントローラ１０、発電／電動機用コントローラ１３等、複数のコントローラによって制御するように構成したが、これらを一つのコントローラに集約させて、全ての制御を行うように構成することも可能である。また、上記においては、各回転軸の軸トルクの伝達、切断を行うための好ましい例として、第１クラッチ１５〜第４クラッチ１８を使用した例を示しているが、使用するクラッチの数及び位置は、状況に応じて、適宜変更可能である。

また、図５には他の実施の形態を示している。これは、発電／電動機１１の回転軸、油圧ポンプ２の回転軸、回生モータ８の回転軸にそれぞれ無段変速機（以下、ＣＶＴと称する）２４、２５、２６を介設した構造のものである。なお、その他の構造は、図１に示したものと同様であるので、同一機能部分を同一符号で示し、その説明を省略する。この実施形態は、エンジン５、発電／電動機１１、油圧ポンプ２、回生モータ８は各々、運転条件によって効率のよい領域が存在するので、ＣＶＴ（無段変速機）を組み込むことによりシステム全体での効率が向上するように、各軸の回転速度比を制御しようとするものである。具体的に一例を挙げると、例えば、図２におけるｔ３の状態においては、回生モータ８はメータアウト出力Ｗ３を受け取り、発電機１１に伝達し、発電機１１はバッテリへの充電出力Ｗｍ３を出力する。なお、ここでは、説明の単純化のためにトルク伝達ロスは無視するものとする。図６には、発電／電動機１１の回転数−トルク特性を等効率線と共に示し、また図７には、回生モータ８の圧力−流量特性を等効率線と共に示している。まず、上記図２のｔ３の状態において、回生モータ８が受け取るメータアウト出力Ｗ３は、図７に示すように、圧力Ｐ３と流量Ｑ３から演算される。この時、発電／電動機１１においては、図６に示している発電機１１の等駆動出力線Ｗ３上において、その動作点を最も効率の良い点とする。つまり、ＣＶＴ２４を用いて回転数をＮｍ３からＮｍ３’へと制御することで、より効率の良い発電が可能となるのである。このように、Ｗ３は、図７に示すように、圧力Ｐ３と流量Ｑ３から演算され、発電／電動機用コントローラ１３にあらかじめ設定されている発電機最適運転条件に基づいてＮｍ３’が求められ、その時の回生モータ回転数との比率によって、ＣＶＴ２４の減速比が決定される。

この発明の一実施の形態における建設機械の駆動システムを説明するための概略構成図である。 この実施の形態における建設機械の駆動システムを作動させた場合における各出力の時間変化の一例を示したグラフである。 この実施の形態におけるエンジントルク特性図である。 この発明の建設機械の駆動システムの変更例を説明するための概略構成図である。 この発明の他の実施の形態における建設機械の駆動システムを説明するための概略構成図である。 発電／電動機の効率を説明するためのグラフである。 回生モータの効率を説明するためのグラフである。 従来の建設機械の作業状態を説明するためのエンジントルク特性図である。 作業中における油圧ポンプの吸収馬力の推移を示したグラフである。 従来のハイブリット式建設機械における油圧ショベルの駆動システムブロック図である。

符号の説明

１・・・エンジン、２・・・油圧ポンプ、３・・・コントロールバルブ、４・・・アクチュエータ、５・・・コントローラ、８・・・回生モータ、１１・・・発電機（電動機）、１２・・・バッテリ（蓄電装置）

Claims (5)

1. エンジン（１）と、エンジン（１）により駆動される油圧ポンプ（２）と、油圧ポンプ（２）からの吐出油により駆動されるアクチュエータ（４）とを有する建設機械において、上記アクチュエータ（４）からの戻り油で回転する回生モータ（８）を上記油圧ポンプ（２）の回転軸に接続し、上記油圧ポンプ（２）において必要な駆動トルクが、上記回生モータ（８）の作動により発生する出力トルクよりも大きい場合は、上記エンジン（１）と回生モータ（８）とにより油圧ポンプ（２）を駆動する一方、上記油圧ポンプ（２）において必要な駆動トルクが、上記回生モータ（８）の作動により発生する出力トルクよりも小さい場合は、上記回生モータ（８）によって油圧ポンプ（２）を駆動すると共に、上記油圧ポンプ（２）にてエネルギ回生されなかった余剰トルクによって、上記回生モータ（８）の回転軸に接続された発電機（１１）を発電作動し、この発電電力を蓄電装置（１２）に蓄電するように構成したことを特徴とする建設機械。
2. 上記発電機（１１）を電動機として機能させることによってモータ作動させ、上記油圧ポンプ（２）の駆動を助勢するように構成したことを特徴とする請求項１の建設機械。
3. 上記発電機（１１）の回転軸と、回生モータ（８）の回転軸とを、それぞれ油圧ポンプ（２）の回転軸とは別に設け、連動手段を介して上記発電機（１１）と、油圧ポンプ（２）と、回生モータ（８）とをそれぞれ連動可能に構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２の建設機械。
4. 上記発電機（１１）の回転軸と、回生モータ（８）の回転軸との少なくともいずれか一方の回転軸には、上記油圧ポンプ（２）の回転軸に対して、軸トルクの伝達、切断を行うためのクラッチ（１７）（１８）を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかの建設機械。
5. 上記回生モータ（８）の回転速度に対する発電機（１１）の回転速度を変化させるための無段変速機（２４）を両者間に介設したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかの建設機械。

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