(57)【要約】【課題】車両の動作状態に応じてエンジン効率を最適に維持する。【解決手段】ホイールローダの制御装置は、負荷の駆動に必要なパワーに基づいて、エンジン回転数を、所定の上限回転数Ｒ２以上の上限回転域、上限回転数Ｒ２よりも低い所定の下限回転数Ｒ１以下の下限回転域、または上限回転域と下限回転域の間の中間回転域のいずれかに設定する。そして、上限回転域では、蓄電装置の電力を用いてエンジンから負荷への出力パワーをアシストするように、エンジンおよび蓄電装置を制御する。また、下限回転域および中間回転域では、エンジンの出力パワーを用いて蓄電装置を充電するように、エンジンおよび蓄電装置を制御する。【選択図】図４
2018052468.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、
充放電可能な蓄電装置と、
前記エンジンに接続された負荷と、
前記エンジン、前記蓄電装置および前記負荷を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記負荷の駆動に必要なパワーに基づいて、前記エンジンの回転数を、所定の上限回転数以上の上限回転域、前記上限回転数よりも低い所定の下限回転数以下の下限回転域、または前記上限回転域と前記下限回転域の間の中間回転域のいずれかに設定し、
前記上限回転域では、前記蓄電装置の電力を用いて前記エンジンから前記負荷への出力パワーをアシストするように、前記エンジンおよび前記蓄電装置を制御し、
前記下限回転域および前記中間回転域では、前記エンジンの出力パワーを用いて前記蓄電装置を充電するように、前記エンジンおよび前記蓄電装置を制御する作業車両。
【請求項２】
請求項１に記載の作業車両において、
前記制御装置は、
前記上限回転域では、前記エンジンの回転数を一定とし、前記蓄電装置の電力を用いて前記エンジンから前記負荷への出力パワーをアシストするように、前記エンジンおよび前記蓄電装置を制御し、
前記下限回転域では、前記エンジンの回転数を一定とし、前記エンジンの出力パワーを用いて前記蓄電装置を充電するように、前記エンジンおよび前記蓄電装置を制御し、
前記中間回転域では、前記負荷の駆動に必要なパワーに応じて前記エンジンの回転数を変化させ、前記エンジンの出力パワーを用いて前記蓄電装置を充電するように、前記エンジンおよび前記蓄電装置を制御する作業車両。
【請求項３】
請求項１に記載の作業車両において、
前記上限回転数および前記下限回転数は、所定の変動幅をそれぞれ有する作業車両。
【請求項４】
請求項１に記載の作業車両において、
前記エンジンの出力軸に連結されたモータジェネレータをさらに備え、
前記上限回転域では、前記蓄電装置の電力を用いて前記モータジェネレータを電動機として動作させることにより、前記エンジンから前記負荷への出力パワーをアシストし、
前記下限回転域および前記中間回転域では、前記エンジンの出力パワーを用いて前記モータジェネレータを発電機として動作させることにより、前記蓄電装置を充電する作業車両。
【請求項５】
請求項１に記載の作業車両において、
前記負荷は、前記作業車両の走行駆動力を生成する走行駆動部を含み、
前記走行駆動部は、
前記エンジンの出力軸に連結された油圧ポンプと、前記油圧ポンプから吐出される油によって駆動されて前記走行駆動力を生成する油圧モータと、を備えたＨＳＴ、または、
前記油圧ポンプと、前記油圧モータと、前記エンジンの出力軸に機械的に連結されて前記エンジンの出力から前記走行駆動力を生成する動力伝達機械部と、を備えたＨＭＴ、または、
前記蓄電装置の電力を用いて駆動されて前記走行駆動力を生成するモータと、前記モータの駆動を制御するインバータと、を備えたハイブリッド式のいずれかである作業車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は作業車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、建設車両等の作業車両において、環境負荷の低減や省エネルギー化のため、油圧機械式変速機（HMT：Hydro Mechanical Transmission）や油圧式変速機（HST：Hydro Static Transmission）を採用したものや、エンジンと電動機を動力源として用いるハイブリッド式のものが知られている。こうした作業車両では、車両の動作状態とは独立してエンジン回転数を設定できるため、エンジン効率を高く維持して燃費の向上を図ることができる。
【０００３】
上記のような作業車両に関して、特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１には、回生時のパワーをバッテリーへの充電で回収し、エンジン最大出力を超えるピークパワーをバッテリーから供給する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３３２９２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の従来技術では、各負荷のパワー要求を合計したトータル要求パワーに基づいて力行状態と回生状態のいずれであるかを判別し、回生状態であると判別したときにバッテリーの充電を行っている。そのため、トータル要求パワーが高い状態が続くと、バッテリーの電力が不足してしまい、エンジン最大出力を超えるピークパワーをバッテリーから供給することができなくなるおそれがある。また、バッテリーの電力不足を避けるため、回生状態ではないときにバッテリーの充電を行うと、他の負荷のパワー要求によってはエンジン効率が低下してしまうおそれがある。このように従来技術では、車両の動作状態によっては必ずしもエンジン効率を最適に維持できない場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による作業車両は、エンジンと、充放電可能な蓄電装置と、前記エンジンに接続された負荷と、前記エンジン、前記蓄電装置および前記負荷を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記負荷の駆動に必要なパワーに基づいて、前記エンジンの回転数を、所定の上限回転数以上の上限回転域、前記上限回転数よりも低い所定の下限回転数以下の下限回転域、または前記上限回転域と前記下限回転域の間の中間回転域のいずれかに設定し、前記上限回転域では、前記蓄電装置の電力を用いて前記エンジンから前記負荷への出力パワーをアシストするように、前記エンジンおよび前記蓄電装置を制御し、前記下限回転域および前記中間回転域では、前記エンジンの出力パワーを用いて前記蓄電装置を充電するように、前記エンジンおよび前記蓄電装置を制御する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、車両の動作状態に応じてエンジン効率を最適に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る作業車両であるホイールローダのシステム構成図である。
【図２】Ｖ字掘削作業の概要を示す図である。
【図３】エンジンの燃費特性の一例を示す図である。
【図４】エンジン制御方法の説明図である。
【図５】上限回転域における走行駆動部へのパワーの流れを示す図である。
【図６】制御装置の機能ブロック図である。
【図７】必要パワー演算部の機能ブロック図である。
【図８】制御装置の処理手順を示すフローチャートである。
【図９】ＨＳＴ式の動力伝達機構を採用したホイールローダのシステム構成図の一例である。
【図１０】ＨＭＴ式の動力伝達機構を採用したホイールローダのシステム構成図の一例である。
【図１１】ハイブリッド式の動力伝達機構を採用したホイールローダのシステム構成図の一例である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
【００１０】
図１は、本発明の一実施の形態に係る作業車両であるホイールローダ１００のシステム構成図である。図１に示すホイールローダ１００は、エンジン１、油圧ポンプ４、油圧作業部５、走行駆動部１０、モータジェネレータ（ＭＧ）１１、インバータ１２および蓄電装置１３を備える。
【００１１】
エンジン１は、ディーゼルエンジン等の内燃機関であり、出力軸を回転駆動して油圧ポンプ４や走行駆動部１０にパワーを供給する。油圧ポンプ４および走行駆動部１０は、エンジン１に出力軸を介してそれぞれ接続されており、エンジン１に対する負荷として作用する。
【００１２】
油圧ポンプ４は、エンジン１の出力を主動力源として駆動し、油圧作業部５に圧油を吐出する。油圧作業部５は、バケットシリンダ、リフトシリンダ、ステアリングシリンダ等の油圧アクチュエータを有しており、油圧ポンプ４から吐出された圧油をコントロールバルブにより調節してこれらの油圧アクチュエータに供給することで、ホイールローダ１００の車体前部に設けられているバケットやリフトアームを動かしたり、ホイールローダ１００の進行方向を変化させたりする。
【００１３】
走行駆動部１０は、エンジン１の出力を主動力源として駆動し、ホイールローダ１００の４つの車輪を回転させてホイールローダ１００を走行させる。走行駆動部１０は、エンジン１の出力軸の回転運動を任意の変速比で各車輪に伝達する動力伝達機構を有している。これにより、ホイールローダ１００の動作状態とは独立して、エンジン１の回転数を設定することができる。走行駆動部１０の動力伝達機構の方式には、たとえばＨＳＴ式、ＨＭＴ式、ハイブリッド式などを採用することができる。なお、走行駆動部１０の動力伝達機構の具体例については、図９から図１１を用いて後述する。
【００１４】
モータジェネレータ１１は、エンジン１の出力軸に連結されており、電動機または発電機のいずれかとして動作可能である。モータジェネレータ１１は、電動機として動作する場合には、蓄電装置１３の電力を用いて回転駆動する力行動作を行うことで、エンジン１から油圧ポンプ４や走行駆動部１０への出力パワーをアシストする。一方、発電機として動作する場合には、エンジン１の出力軸の回転運動を利用して発電動作を行い、得られた電力により蓄電装置１３を充電する。モータジェネレータ１１の動作は、インバータ１２によって制御される。
【００１５】
インバータ１２は、モータジェネレータ１１を電動機として動作させる場合には、蓄電装置１３の直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ１１に供給し、モータジェネレータ１１を回転駆動させる。一方、モータジェネレータ１１を発電機として動作させる場合には、モータジェネレータ１１が発電した交流電力を直流電力に変換して蓄電装置１３に供給し、蓄電装置１３の充電を行う。蓄電装置１３は、充放電可能な蓄電手段であり、たとえば二次電池やコンデンサにより構成される。
【００１６】
エンジン制御装置１６、インバータ制御装置１７、走行駆動制御装置１８、油圧制御装置１９は、上記のエンジン１、インバータ１２、走行駆動部１０、油圧ポンプ４の動作をそれぞれ制御する。制御装置１５は、エンジン制御装置１６、インバータ制御装置１７、走行駆動制御装置１８および油圧制御装置１９と、たとえばＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信回線を介して接続されており、これらの装置をそれぞれ介して、エンジン１、インバータ１２、走行駆動部１０および油圧ポンプ４の制御を行う。なお、制御装置１５の処理手順の詳細については、後述する。
【００１７】
なお、制御装置１５、エンジン制御装置１６、インバータ制御装置１７、走行駆動制御装置１８および油圧制御装置１９は、図１のようにそれぞれ別の装置として構成してもよいし、任意の複数の装置を一つにまとめて構成してもよい。また、ホイールローダ１００には、図１に示したもの以外にも様々な制御を行うための装置が搭載されているが、本発明とは直接関係がないため、これらについては図示を省略した。
【００１８】
次に、ホイールローダ１００が行う作業の一例について説明する。図２は、ホイールローダ１００が行う作業の典型例であるＶ字掘削作業の概要を示す図である。
【００１９】
図２に示すように、Ｖ字掘削作業においてオペレータは、まず砂利山などの掘削対象物３００に対してホイールローダ１００を前進させ、掘削対象物３００にバケット先端を突っ込んでバケットを上昇させることで、バケット内に砂利等の運搬物を掬い取る。続いてオペレータは、ホイールローダ１００のステアリング操作およびバケット上昇操作を行いながら、ホイールローダ１００を後進させて元の位置に戻した後、ダンプ等の運搬車両２００に向かって前進させる。バケット内の運搬物を放土して運搬車両２００に積み込んだら、その後オペレータは、再びホイールローダ１００を後進させて元の位置に戻す。Ｖ字掘削作業では、ホイールローダ１００はＶ字の軌跡を描きながら、上記の作業を繰り返し行う。
【００２０】
上記のＶ字掘削作業において、ホイールローダ１００は、エンジン１の動力を走行駆動部１０と油圧ポンプ４に分配して、走行および掘削作業を行う。走行駆動部１０では、大きな牽引力を発揮してバケットを掘削対象物３００に突っ込む際や、バケット内に運搬物が掬い取られた状態でホイールローダ１００を後進させる際や、運搬車両２００に向かってホイールローダ１００を前進させる際に、比較的大きな動力を必要とする。また、油圧ポンプ４では、掘削対象物３００に突っ込まれたバケットを上昇させて運搬物を掬い取る際や、運搬車両２００に運搬物を積み込むためにバケットを上昇させる際に、比較的大きな動力を必要とする。さらに、これらの動作が同時に行われるときには、走行駆動部１０と油圧ポンプ４を同時に駆動しなければならないため、エンジン１に対して大パワーが要求される。
【００２１】
以上説明したように、ホイールローダ１００の基本的な動作パターンであるＶ字掘削作業では、バケット内に運搬物を掬い取る際や、バケットを上昇させながらホイールローダ１００を前進または後進させる際など、走行駆動部１０と油圧ポンプ４を同時に駆動させるために大きな動力を必要とする期間がある。一方、車両の進行方向を切り替えるために車両を減速させる際など、ほとんど動力を必要としない期間もある。すなわち、ホイールローダ１００において、エンジン１に対する負荷条件は、ホイールローダ１００の動作状態に応じて大きく変動する。このように、大きく変動する負荷条件に対してエンジン１から動力を供給する場合に、エンジン１を適切な回転数で駆動させないと、エンジン１の効率が低下するために燃費が悪化してしまう可能性がある。
【００２２】
従来のホイールローダでは一般に、トルクコンバータを用いてエンジンの出力を車輪に伝達している。トルクコンバータを用いた場合には、ホイールローダの動作状態に応じて定まる要求パワーに従ってエンジンの回転数が決定される。すなわち、ホイールローダの動作状態とは独立にエンジンの回転数を設定することができない。したがって、ホイールローダの動作状態によっては、上記のようにエンジンの効率が低下し、燃費が悪化してしまうことがある。
【００２３】
そこで、本実施の形態に係るホイールローダ１００では、前述のように走行駆動部１０において、ホイールローダ１００の動作状態とは独立してエンジン１の回転数を設定できるようにしている。そのため、エンジン１を常に高い効率で動作させるようにエンジン１の回転数を設定し、燃費の悪化を防ぐことができる。
【００２４】
図３は、エンジン１の燃費特性の一例を示す図である。図３において、横軸はエンジン１の回転数を表し、縦軸はエンジン１の出力トルクを表している。なお、図３の燃費特性は、特定のディーゼルエンジンの燃費特性を示すものではなく、一般的なディーゼルエンジンにおける燃費特性の傾向を示したものである。
【００２５】
図３に示すように、エンジン１の出力トルクは、回転数に応じて最大トルク線３０以下の範囲内で変化する。このときのエンジン１の燃費特性は、符号３１〜３５に示す等燃費曲線によって表される。一番中心部分にある等燃費曲線３１に囲われた領域は、エンジン１の燃費が最良、すなわちエンジン１の効率が最大となる動作領域である。この等燃費曲線３１から外側にある各等燃費曲線に囲われた領域となるにつれて、エンジン１の燃費が悪化し、効率が低下する。なお、エンジン１の燃費すなわち燃料消費量は、エンジン１が所定のパワーを出力するのに必要な単位時間当たりの燃料量で表され、たとえばその単位はg/kWhである。
【００２６】
本実施の形態に係るホイールローダ１００では、その動作状態に関わらず、図３に示したようなエンジン１の燃費特性を考慮してエンジン１の動作点を制御する。これにより、エンジン１の効率が低下するのを防ぎ、燃費を向上させるようにしている。
【００２７】
一方、トルクコンバータを用いた従来のホイールローダでは、前述したように、ホイールローダの動作状態に応じて定まる要求パワーに従ってエンジンの回転数が決定される。そのため、Ｖ字掘削作業の際には、要求パワーの変化に応じてエンジンの回転数を変化させる必要があり、図３に示したような燃費特性を考慮してエンジンの動作点を制御することができない。また、エンジンの回転数が高すぎるとトルク損失が増大したり、エンジンの回転数が低すぎると要求パワーの増加に応じてそこから回転数を上げる必要が生じたりすることで、余分な燃料消費が発生する。したがって、従来のホイールローダでは、エンジン効率を最適化して燃費を向上することが難しい。
【００２８】
本実施の形態に係るホイールローダ１００では、制御装置１５において、上記のような従来のホイールローダにおける燃費悪化の原因を解消してエンジン１の効率を最適に維持すべく、エンジン１の動作制御を行っている。以下では、その具体的な制御方法について説明する。
【００２９】
図４は、制御装置１５によるエンジン制御方法の説明図である。制御装置１５は、図４に示すように、エンジン１の回転数に対して所定の下限回転数Ｒ１および上限回転数Ｒ２を設定し、下限回転数Ｒ１以下の回転域を下限回転域、上限回転数Ｒ２以上の回転域を上限回転域、下限回転数Ｒ１と上限回転数Ｒ２の間の回転域を中間回転域とする。ホイールローダ１００の動作時には、制御装置１５は、各時点での走行駆動部１０や油圧ポンプ４の駆動に必要なパワーに応じて、エンジン１の動作点をエンジン動作軌跡４０に沿って制御することで、エンジン１の回転数が上記の回転域のいずれかに含まれるようにエンジン１を動作させる。
【００３０】
具体的には、ホイールローダ１００において必要なパワーがエンジン１の上限回転数Ｒ２に相当するパワーを超えた場合には、制御装置１５は、エンジン１の回転数が上限回転域内で一定となるようにエンジン１を制御する。さらにこのとき、制御装置１５は、蓄電装置１３の電力を用いてモータジェネレータ１１を力行動作させることで、エンジン１から走行駆動部１０や油圧ポンプ４への出力パワーをアシストし、不足する分のパワーを補うようにする。これにより、必要なパワーが増加してもエンジン１の回転数が一定となるような制御を行う。なお、上記の上限回転数Ｒ２に相当するパワーとは、上限回転数Ｒ２において良好な燃費が得られるときのエンジン１の出力パワーである。たとえば、エンジン１の定格出力点付近での出力パワーか、または定格出力点よりもいくらか小さな値の出力パワーが、上限回転数Ｒ２に相当するパワーとして設定される。
【００３１】
一方、ホイールローダ１００において必要なパワーがエンジン１の下限回転数Ｒ１に相当するパワーを下回った場合には、制御装置１５は、エンジン１の回転数が下限回転域内で一定となるようにエンジン１を制御する。さらにこのとき、制御装置１５は、エンジン１の出力パワーを用いてモータジェネレータ１１を発電動作させることで、エンジン１の負荷を増加させて蓄電装置１３を充電するようにする。これにより、必要なパワーが減少してもエンジン１の回転数が一定となるような制御を行う。なお、上記の下限回転数Ｒ１に相当するパワーとは、下限回転数Ｒ１においてエンジン１が出力可能な最大のパワーである。
【００３２】
また、ホイールローダ１００において必要なパワーが上記のいずれにも該当しない場合には、制御装置１５は、必要なパワーに応じてエンジン１の回転数を中間回転域内で変化させるようにエンジン１を制御する。さらにこのとき、制御装置１５は、エンジン１の回転数が下限回転域内にある場合と同様に、エンジン１の出力パワーを用いてモータジェネレータ１１を発電動作させることで、蓄電装置１３を充電するようにする。これにより、蓄電装置１３が充電される機会を増やして、エンジン１のパワーアシストに必要な電力が不足してしまうのを回避することができる。なお、下限回転域や中間回転域で蓄電装置１３に充電された電力は、上限回転域でのエンジン１のパワーアシストに用いられる。
【００３３】
さらに、上記のように中間回転域でもエンジン１の負荷を増加させることにより、エンジン１の効率向上を図ることができる。すなわち、本実施の形態に係るホイールローダ１００において用いられる走行駆動部１０は、従来のホイールローダにおけるトルクコンバータと比べて伝達効率が高い。したがって、走行駆動部１０を駆動させるのに必要なエンジン１の出力パワーが小さくなるため、図３に示すように、エンジン１の効率が従来よりも悪化する傾向となる。そこで、中間回転域でも蓄電装置１３の充電を行ってエンジン１の負荷を増加させることで、エンジン１の効率を向上することが可能となる。
【００３４】
図５は、上限回転域における走行駆動部１０へのパワーの流れを示す図である。上限回転域では、図５において矢印５１に示すように、エンジン１から走行駆動部１０にパワーを供給すると共に、矢印５２に示すように、蓄電装置１３からインバータ１２およびモータジェネレータ１１を介して走行駆動部１０にパワーを供給することで、エンジン１のパワーアシストを行う。なお、図５では省略したが、エンジン１および蓄電装置１３のパワーは、油圧ポンプ４を介して油圧作業部５にも供給されている。
【００３５】
次に、制御装置１５の処理手順に詳細について説明する。図６は、制御装置１５の機能ブロック図である。図６に示すように、制御装置１５は、その機能として、必要パワー演算部２５、エンジン制御部２６、インバータ制御部２７、走行駆動制御部２８および油圧制御部２９を有する。なお、制御装置１５は、たとえばＣＰＵによりソフトウェアを実行することで、図６に示す各機能を実現することができる。
【００３６】
必要パワー演算部２５は、アクセル開度、ブレーキ踏度、フロント部のレバー操作量、車速等を入力し、これらの入力値に基づいて、現在のホイールローダ１００の状態に応じた必要パワーを演算する。図７は、必要パワー演算部２５の機能ブロック図である。図７に示すように、必要パワー演算部２５は、走行パワー演算部７１および油圧パワー演算部７２を有する。
【００３７】
走行パワー演算部７１は、アクセル開度、ブレーキ踏度、車速を入力して、走行駆動部１０の駆動に必要なホイールローダ１００の走行パワーを演算する。この走行パワー演算部７１における走行パワーの計算方法については特に限定されるものではない。たとえば、各入力値を引数としたマップ検索により走行パワーを求めてもよいし、各入力値を変数とした関数を定義し、その関数にもとづいて走行パワーを算出してもよい。
【００３８】
油圧パワー演算部７２は、フロント部のレバー操作量に応じて、油圧作業部５を動作させるのに必要なホイールローダ１００の油圧パワーを決定する。この油圧パワー演算部７２における油圧パワーの計算方法についても、走行パワー演算部７１における走行パワーの計算方法と同様に、特に限定されるものではない。たとえば、レバー操作量の入力値に対する油圧パワーの特性を定義したマップ検索により油圧パワーを求めてもよいし、油圧作業部５の特性を表わす演算式により油圧パワーを計算してもよい。
【００３９】
必要パワー演算部２５は、以上のようにして走行パワー演算部７１と油圧パワー演算部７２でそれぞれ求められた走行パワーと油圧パワーを出力すると共に、これらを加算することで必要パワーを求め、得られた必要パワーを出力する。
【００４０】
エンジン制御部２６は、必要パワー演算部２５から出力された必要パワーを入力すると共に、エンジン制御装置１６から出力されたエンジン回転数を入力する。エンジン制御部２６は、入力されたこれらの値に基づいて、前述のような方法により、必要パワーに応じたエンジン１の回転数を上限回転域、下限回転域または中間回転域のいずれかにおいて決定すると共に、モータジェネレータ１１のトルクを決定する。そして、決定した回転数に応じたエンジン回転指令をエンジン制御装置１６に出力すると共に、決定したトルクに応じたトルク指令をインバータ制御装置１７に出力する。さらに、これらの値に基づいてエンジン１の出力パワーを決定し、インバータ制御部２７に出力する。
【００４１】
インバータ制御部２７は、必要パワー演算部２５から出力された必要パワーおよびエンジン制御部２６から出力されたエンジン１の出力パワーを入力すると共に、蓄電装置１３の電圧を入力する。インバータ制御部２７は、入力されたこれらの値に基づいて、必要パワーとエンジン１の出力パワーの差分に応じた回転駆動力または発電電力がモータジェネレータ１１から出力されるように、蓄電装置１３からインバータ１２へ、またはインバータ１２から蓄電装置１３へ出力される電流を決定する。そして、決定した電流に応じたインバータ電流指令をインバータ制御装置１７に出力する。
【００４２】
たとえば、必要パワーが120kWであり、エンジン１の上限回転域における出力パワーが100kWである場合、これらの差分の20kWに相当する回転駆動力がモータジェネレータ１１から出力されるように、インバータ１２がモータジェネレータ１１を制御する必要がある。したがってこの場合には、エンジン制御部２６およびインバータ制御部２７は、20kWの回転駆動力がモータジェネレータ１１において得られるような出力トルクと電流値をそれぞれ演算し、その演算結果をトルク指令およびインバータ電流指令としてインバータ制御装置１７にそれぞれ出力する。インバータ制御装置１７は、インバータ電流指令に応じた電流が蓄電装置１３からインバータ１２へ放電され、それによりトルク指令に応じたトルクがモータジェネレータ１１から出力されるように、インバータ１２を制御する。
【００４３】
また、たとえば必要パワーが60kWであり、エンジン１の下限回転域における出力パワーが40kWである場合、これらの差分の20kWに相当する発電電力がモータジェネレータ１１から出力されるように、インバータ１２がモータジェネレータ１１を制御する必要がある。したがってこの場合には、エンジン制御部２６およびインバータ制御部２７は、20kWの発電電力がモータジェネレータ１１において得られるような発電トルクと電流値をそれぞれ演算し、その演算結果をトルク指令およびインバータ電流指令としてインバータ制御装置１７に出力する。インバータ制御装置１７は、トルク指令に応じた発電電力がモータジェネレータ１１から出力され、それによりインバータ電流指令に応じた電流がインバータ１２から蓄電装置１３へ充電されるように、インバータ１２を制御する。
【００４４】
走行駆動制御部２８は、必要パワー演算部２５から出力された走行パワーを入力すると共に、ホイールローダ１００の車速を入力する。走行駆動制御部２８は、入力されたこれらの値に基づいて、走行駆動部１０のトルクを出力する。そして、決定したトルクに応じた走行駆動トルク指令を走行駆動制御装置１８に出力する。
【００４５】
油圧制御部２９は、必要パワー演算部２５から出力された油圧パワーを入力すると共に、油圧ポンプ４の圧力を入力する。油圧制御部２９は、入力されたこれらの値に基づいて、油圧ポンプ４の傾転角を決定する。そして、決定した傾転角に応じた油圧ポンプ傾転指令を油圧制御装置１９に出力する。
【００４６】
エンジン制御装置１６、インバータ制御装置１７、走行駆動制御装置１８、油圧制御装置１９は、制御装置１５から出力された上記の各指令に基づいて、エンジン１、インバータ１２、走行駆動部１０、油圧ポンプ４の動作をそれぞれ制御する。これにより、本発明の一実施の形態に係るホイールローダ１００の動作制御が実現される。
【００４７】
次に、以上説明した制御装置１５の処理手順について、図８のフローチャートを参照して詳細に説明する。図８は、制御装置１５の処理手順を示すフローチャートである。
【００４８】
まず、ステップＳ１００において、制御装置１５は、図７の必要パワー演算部２５、エンジン制御部２６、インバータ制御部２７、走行駆動制御部２８および油圧制御部２９における演算に必要な各種操作量および各種状態量を入力する。すなわち、アクセル開度、ブレーキ踏度、レバー操作量等の操作量を入力すると共に、エンジン１の回転数、車速、蓄電装置１３の電圧、油圧ポンプ４の圧力等の状態量を入力する。
【００４９】
続いてステップＳ１０１において、制御装置１５は、必要パワー演算部２５により、ステップＳ１００で入力したアクセル開度、ブレーキ踏度、レバー操作量および車速に基づき、各種パワー指令を演算する。ここでは、前述のような方法により、必要パワー、走行パワーおよび油圧パワーを演算し、これらの演算結果を、必要パワー指令、走行パワー指令および油圧パワー指令として出力する。
【００５０】
続いてステップＳ１０２において、制御装置１５は、エンジン制御部２６により、ステップＳ１００で入力したエンジン１の回転数と、ステップＳ１０１で演算した必要パワーとに基づいて、前述のような方法により、エンジン１の出力パワーおよび回転数を演算すると共に、モータジェネレータ１１のトルクを演算する。そして、これらの演算結果に基づき、エンジン回転指令をエンジン制御装置１６に出力すると共に、トルク指令をインバータ制御装置１７に出力する。
【００５１】
続いてステップＳ１０３において、制御装置１５は、インバータ制御部２７により、ステップＳ１００で入力した蓄電装置１３の電圧と、ステップＳ１０１で演算した必要パワーと、ステップＳ１０２で演算したエンジン１の出力パワーとに基づいて、前述のような方法により、蓄電装置１３の充放電電流を演算する。そして、この演算結果に基づき、インバータ電流指令をインバータ制御装置１７に出力する。なお、このときに蓄電装置１３を常に正常な状態に保つため、蓄電装置１３の状態に応じて蓄電装置１３の充放電電流を適宜制限することが好ましい。
【００５２】
続いてステップＳ１０４において、制御装置１５は、走行駆動制御部２８により、ステップＳ１００で入力した車速と、ステップＳ１０１で演算した走行パワーとに基づいて、前述のような方法により、走行駆動部１０のトルクを演算する。そして、この演算結果に基づき、走行駆動トルク指令を走行駆動制御装置１８に出力する。
【００５３】
続いてステップＳ１０５において、制御装置１５は、油圧制御部２９により、ステップＳ１００で入力した油圧ポンプ４の圧力と、ステップＳ１０１で演算した油圧パワーとに基づいて、前述のような方法により、油圧ポンプ４の傾転角を演算する。そして、この演算結果に基づき、油圧ポンプ傾転指令を油圧制御装置１９に出力する。
【００５４】
本実施の形態では、以上説明したような処理手順により、ホイールローダ１００の動作が制御される。これにより、従来のホイールローダと比べて、燃費を大幅に向上することができる。
【００５５】
最後に、走行駆動部１０の動力伝達機構の具体例について、図９から図１１を用いて以下に説明する。
【００５６】
図９は、走行駆動部１０として、エンジン１の動力を油圧に変換して各車輪に伝達するＨＳＴ式の動力伝達機構を採用したホイールローダ１００のシステム構成図の一例である。図９に示す例では、ホイールローダ１００は、エンジン１の出力軸に連結された油圧ポンプ２１３と、油圧ポンプ２１３から吐出される油によって回転駆動される油圧モータ２１４とを備えている。油圧モータ２１４は、プロペラシャフト２３０を介して各車輪を回転駆動する。
【００５７】
図１０は、走行駆動部１０として、ＨＭＴ式の動力伝達機構を採用したホイールローダ１００のシステム構成図の一例である。図１０に示す例では、ホイールローダ１００は、上記の油圧ポンプ２１３および油圧モータ２１４に加えて、さらに動力伝達機械部２１５を有している。この例では、油圧ポンプ２１３で油圧モータ２１４を介してプロペラシャフト２３０を駆動することで各車輪を駆動しつつ、エンジン１やモータジェネレータ１１で動力伝達機械部２１５を介してプロペラシャフト２３０を駆動することで各車輪を駆動する。動力伝達機械部２１５は、エンジン１の出力軸とプロペラシャフト２３０とを機械的に連結する機械機構であり、たとえば、斜板ピストンや遊星歯車などを用いて構成される。
【００５８】
図１１は、走行駆動部１０として、エンジン１の動力を電気に変換して各車輪に伝達するハイブリッド式の動力伝達機構を採用したホイールローダ１００のシステム構成図の一例である。図１１に示す例では、ホイールローダ１００は、ディファレンシャルギアＤｉｆおよびギアＧを介してプロペラシャフト２３０に取り付けられ各車輪を駆動する走行電動機（モータ）２１７と、モータ２１７を制御するインバータ２１８とを備えている。蓄電装置１３は、インバータ１２とインバータ２１８との間で直流電力の受け渡しを行う。なお、図１１のシステム構成図では、いわゆるシリーズ型のハイブリッドシステムの構成例を示したが、パラレル型のハイブリッドシステムも利用可能である。
【００５９】
以上説明した本発明の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
【００６０】
（１）作業車両であるホイールローダ１００は、エンジン１と、充放電可能な蓄電装置１３と、エンジン１に接続された負荷としての油圧ポンプ４および走行駆動部１０と、エンジン１、蓄電装置１３、油圧ポンプ４および走行駆動部１０を制御する制御装置１５とを備える。制御装置１５は、油圧ポンプ４および走行駆動部１０の駆動に必要なパワーに基づいて、エンジン１の回転数を、所定の上限回転数Ｒ２以上の上限回転域、上限回転数Ｒ２よりも低い所定の下限回転数Ｒ１以下の下限回転域、または上限回転域と下限回転域の間の中間回転域のいずれかに設定する。そして、上限回転域では、蓄電装置１３の電力を用いてエンジン１から油圧ポンプ４および走行駆動部１０への出力パワーをアシストするように、エンジン１および蓄電装置１３を制御する。また、下限回転域および中間回転域では、エンジン１の出力パワーを用いて蓄電装置１３を充電するように、エンジン１および蓄電装置１３を制御する。このようにしたので、ホイールローダ１００の動作状態に応じてエンジン１の効率を最適に維持することができる。
【００６１】
（２）制御装置１５は、上限回転域では、エンジン１の回転数を一定とし、蓄電装置１３の電力を用いてエンジン１から油圧ポンプ４および走行駆動部１０への出力パワーをアシストするように、エンジン１および蓄電装置１３を制御する。一方、下限回転域では、エンジン１の回転数を一定とし、エンジン１の出力パワーを用いて蓄電装置１３を充電するように、エンジン１および蓄電装置１３を制御する。また、中間回転域では、油圧ポンプ４および走行駆動部１０の駆動に必要なパワーに応じてエンジン１の回転数を変化させ、エンジン１の出力パワーを用いて蓄電装置１３を充電するように、エンジン１および蓄電装置１３を制御する。このようにしたので、エンジン１の効率を最適に維持しつつ、蓄電装置１３が充電される機会を増やして、エンジン１のパワーアシストに必要な電力が不足してしまうのを回避することができる。
【００６２】
（３）ホイールローダ１００は、エンジン１の出力軸に連結されたモータジェネレータ１１をさらに備える。上限回転域では、蓄電装置１３の電力を用いてモータジェネレータ１１を電動機として動作させることにより、エンジン１から油圧ポンプ４および走行駆動部１０への出力パワーをアシストする。一方、下限回転域および中間回転域では、エンジン１の出力パワーを用いてモータジェネレータ１１を発電機として動作させることにより、蓄電装置１３を充電する。このようにしたので、必要に応じてモータジェネレータ１１の動作状態を切り替えるだけで、エンジン１のパワーアシストおよび蓄電装置１３の充電を実現することができる。
【００６３】
（４）エンジン１に対する負荷は、ホイールローダ１００の走行駆動力を生成する走行駆動部１０を含む。走行駆動部１０は、図９に示すように、エンジン１の出力軸に連結された油圧ポンプ２１３と、油圧ポンプ２１３から吐出される油によって駆動されて走行駆動力を生成する油圧モータ２１４と、を備えたＨＳＴである。または、図１０に示すように、油圧ポンプ２１３と、油圧モータ２１４と、エンジン１の出力軸に機械的に連結されてエンジン１の出力から走行駆動力を生成する動力伝達機械部２１５と、を備えたＨＭＴである。または、図１１に示すように、蓄電装置１３の電力を用いて駆動されて走行駆動力を生成するモータ２１７と、モータ２１７の駆動を制御するインバータ２１８とを備えたハイブリッド式である。このようにしたので、ホイールローダ１００の動作状態とは独立して、エンジン１の回転数を設定することができる。
【００６４】
なお、上記の実施形態では、エンジン１の回転数が下限回転域内のときには、エンジン１の効率を最適に維持するために、モータジェネレータ１１を発電動作させて蓄電装置１３を充電することで、エンジン１の負荷を増加させるようにした。しかし、エンジン１の回転数によっては例外的な処理を行ってもよい。たとえば、エンジン１の回転数が低い状態で急に大きなパワーが車両から要求された場合には、前述の実施形態で説明した制御方法とは異なり、蓄電装置１３から放電を行ってモータジェネレータ１１を力行動作させ、エンジン１のパワーと蓄電装置１３のパワーの合計値で車両を動作させるように制御することが好ましい。さらに、エンジン１の回転数が低い状態で、特に油圧作業部５から大きな油圧パワーが要求されたときには、エンジン１のパワーのみでは必要な油圧パワーを賄えない可能性がある。したがってこの場合にも、蓄電装置１３から放電を行ってモータジェネレータ１１を力行動作させることで、蓄電装置１３のパワーによりエンジン１の出力軸に対するトルクアシストを実施することが好ましい。
【００６５】
また、本実施形態において、前述の上限回転域、下限回転域および中間回転域を規定する上限回転数Ｒ２および下限回転数Ｒ１は、所定の変動幅をそれぞれ有することとしてもよい。すなわち、エンジン１の燃費特性が大きく変化しない程度の範囲であれば、任意の範囲内で上限回転数Ｒ２および下限回転数Ｒ１を設定し、上限回転域、下限回転域および中間回転域を規定することができる。
【００６６】
本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。たとえば本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加または置換することが可能である。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も、本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００６７】
１：エンジン、４：油圧ポンプ、５：油圧作業部、１０：走行駆動部、１１：モータジェネレータ（ＭＧ）、１２：インバータ、１３：蓄電装置、１５：制御装置、１６：エンジン制御装置、１７：インバータ制御装置、１８：走行駆動制御装置、１９：油圧制御装置、２５：必要パワー演算部、２６：エンジン制御部、２７：インバータ制御部、２８：走行駆動制御部、２９：油圧制御部、７１：走行パワー演算部、７２：油圧パワー演算部、１００：ホイールローダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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