(57)【要約】  【課題】小型・軽量化、及びコストの低減、並びに高出力化を図ることができる構造を得る。  【解決手段】エンジン２１により回転されて該回転された機械エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリ２５に供給する電動機としての動作、及び該バッテリ２５から受け取った電気エネルギーを機械エネルギーに変換して油圧ポンプ２３に供給するトルクアシスト用電動機としての動作を選択的に行うことが可能な１つの電動／発電機２２と、エンジン２１の負荷変動を検出して電動／発電機２２の動作を切り換える制御手段２４とを設けた。そして、該制御手段２４の切り換えにより、電動／発電機２２を、エンジンの高負荷運転時に該エンジン２１のトルクアシスト用電動機として動作させ、該エンジン２１の軽負荷運転時にエンジン２１の余剰トルクにより発電機として動作させるようにした建設機械の動力系制御装置を提供する。【選択図】図２
2005155251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、該エンジンにより駆動される油圧ポンプと、電気エネルギーを蓄えるためのバッテリとを備える建設機械用動力系制御装置に於いて、
前記エンジンにより回転され、該回転された機械エネルギーを電気エネルギーに変換して前記バッテリに供給して蓄える発電機としての動作と、前記バッテリから受け取った電気エネルギーを機械エネルギーに変換して前記油圧ポンプに供給するトルクアシスト用電動機としての動作とを選択的に行うことが可能である電動／発電機と、
前記エンジンの負荷変動を検出し、前記エンジンの高負荷運転時に、前記電動／発電機を前記トルクアシスト用電動機として動作させ、前記エンジンの軽負荷運転時に、前記エンジンの余剰トルクにより前記電動／発電機を前記発電機として動作させるように前記電動／発電機の切り換えを制御する制御手段とを備え、
前記油圧ポンプのトルク設定値を上記エンジンの出力トルク以上としたことを特徴とする建設機械用動力系制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は油圧ショベル等の建設機械用動力系制御装置に関するものであり、特に、建設機械を駆動する動力源としてエンジンの他に、発電機とトルクアシスト用の電動機を備えるハイブリッド方式の建設機械用動力系制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、油圧ショベルでは、駆動源としてディーゼルエンジンを装備し、該ディーゼルエンジンにより走行し、又、油圧ポンプを駆動してアーム、ショベル等を動作させ、各種の作業を行うようにしている。この方法は、エンジンの負担が大きく、黒煙を排気する等、排ガスの点で問題があると共に、騒音及び燃費効率の点でも問題があった。
【０００３】
そこで、エンジンの負担低減や燃費効率の改善等を目的として、動力源としてエンジンの他に電動機を備え、該電動機とエンジンとで油圧ポンプを駆動するハイブリッド方式を用いた構成のものが公知となっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
又、同じ特許文献１に示されているように、ハイブリッド方式に於いて、動力源としてエンジンの他に発電機と電動機を備え、該エンジンの余剰トルクで発電機を駆動し、該発電機で生成される電気エネルギーをバッテリに蓄え、該バッテリの電気エネルギーを必要に応じて電動機に供給し、該電動機を回転させてエンジンをアシストし、該エンジンの負担を軽減させる技術も公知となっている。
【特許文献１】特開平２００１−１６７０４号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１記載の発明は、電動機と発電機が別々に用意された構造になっている。このため、装置が大形化並びに重量化し、又コストも高くなるという問題点があった。また、油圧ポンプのトルクが低い場合は、エンジンを高回転で駆動しなければならず、燃費の悪化並びに騒音の発生を招くことになる。
【０００６】
そこで、装置の小型・軽量化、及びコストの低減、並びに、常に此種の建設機械で要求されている高出力化を図るために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、エンジンと、該エンジンにより駆動される油圧ポンプと、電気エネルギーを蓄えるためのバッテリとを備える建設機械用動力系制御装置に於いて、前記エンジンにより回転され、該回転された機械エネルギーを電気エネルギーに変換して前記バッテリに供給して蓄える発電機としての動作と、前記バッテリから受け取った電気エネルギーを機械エネルギーに変換して前記油圧ポンプに供給するトルクアシスト用電動機としての動作とを選択的に行うことが可能である電動／発電機と、前記エンジンの負荷変動を検出し、前記エンジンの高負荷運転時に、前記電動／発電機を前記トルクアシスト用電動機として動作させ、前記エンジンの軽負荷運転時に、前記エンジンの余剰トルクにより前記電動／発電機を前記発電機として動作させるように前記電動／発電機の切り換えを制御する制御手段とを備え、前記油圧ポンプのトルク設定値を上記エンジンの出力トルク以上とした建設機械用動力系制御装置を提供する。
【０００８】
この構成によれば、１つの電動／発電機が、エンジンにより回転された機械エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリに供給する動作を行う発電機機能と、バッテリから受け取った電気エネルギーを機械エネルギーに変換して油圧ポンプに供給する動作を行う電動機機能とを有している。そして、該電動／発電機を、エンジンの高負荷運転時は該エンジンのトルクアシスト用電動機として動作させ、軽負荷運転時は該エンジンの余剰トルクで回転されて発電機として動作させるように、その機能選択を制御手段で切り換えることにより、エンジンと１つの電動／発電機とでハイブリッド方式の建設機械が実現できる。
【０００９】
また、油圧ポンプはエンジンのトルク出力以上で動作する。従って、エンジンだけで駆動されていた建設機械に比べて、アームやショベル等を動作させるパワーが上がる。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１記載の発明は、エンジンと１つの電動／発電機とでハイブリッド方式の建設機械が実現でき、電動機と発電機とが一体化されて成る１つの電動／発電機を使用することにより、装置の小型・軽量化が可能に成ると共に、コストの低減も可能になる。
【００１１】
また、油圧ポンプのトルク設定値をエンジンの出力トルク以上としたことによって、アームやショベル等の動作パワーが上がり、燃費の向上並びに騒音の低下が図られて、建設機械の稼働効率が向上することになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
小型・軽量化、及びコストの低減、並びに高出力化を図るという目的を達成するために、エンジンにより回転されて該回転された機械エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリに供給する発電機としての動作、及び該バッテリから受け取った電気エネルギーを機械エネルギーに変換して前記油圧ポンプに供給するアシスト用電動機としての動作を、選択的に行うことが可能な１つの電動／発電機と、前記エンジンの負荷変動を検出して前記電動／発電機の動作を切り換える制御手段とを設けた。そして、該制御手段の切り換えにより、電動／発電機を、エンジンの高負荷運転時には該エンジンのトルクアシスト用電動機として動作させ、該エンジンの軽負荷運転時にはエンジンの余剰トルクにより発電機として動作させるようにした。
【００１３】
以下、本発明の一実施例を図面に従って詳述する。図１は本発明を適用した建設機械としての油圧ショベルを示す。該油圧ショベル１０は、下部走行体１１の上に旋回機構１２を介して上部旋回体１３が旋回自在に載置されている。上部旋回体１３には、その前方一側部にキャブ１４が設けられ、且つ、前方中央部にブーム１５が俯仰可能に取り付けられている。又、ブーム１５の先端にアーム１６が上下回動自在に取り付けられ、更に該アーム１６の先端にバケット１７が取り付けられている。
【００１４】
図２は図１に示す油圧ショベル１０に適用可能な動力系の概略構成を示すブロック図である。図２に於いて、本実施例の動力系は、油圧ショベルを駆動するエンジン２１と、該エンジン２１のパワーラインに接続された電動／発電機２２及び油圧ポンプ２３と、制御手段２４と、バッテリ２５とで構成されている。
【００１５】
前記エンジン２１は、本実施例ではディーゼルエンジンであり、該エンジン２１を駆動源として油圧ショベル１０が走行する。又、油圧ポンプ２３もエンジン２１で駆動される。
【００１６】
前記電動／発電機２２は、エンジン２１により回転された機械エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリ２５に蓄える発電機としての機能と、バッテリ２５からの電気エネルギーを受け取り、該受け取った電気エネルギーを機械エネルギーに変換して油圧ポンプ２３を駆動するトルクアシスト用の電動機としての機能を有し、電動機と発電機を１つのハウジング内に収納させてまとめた構造となっている。
【００１７】
前記油圧ポンプ２３は、ブーム１５，アーム１６，バケット１７を動作させる各油圧シリンダを駆動するもので、エンジン２１の駆動力及び電動／発電機２２の駆動力を受けて動作する。
【００１８】
前記制御手段２４は、センサ２６と、リミッタ回路２７と、インバータ回路２８と、制御回路２９とで構成されている。
【００１９】
前記センサ２６はエンジンの負荷変動を検出するセンサであり、例えばエンジン２１の回転数を検知し、該エンジン２１の回転数に応じた信号を制御回路２９に出力する。
【００２０】
前記リミッタ回路２７は、電動／発電機２２が有している電動機の機能と発電機の機能を択一的に切り換える回路である。そして、該リミッタ回路２７の動作で電動／発電機２２が電動機の態様に切り換えられると、バッテリ２５に蓄えられている電気エネルギーが電動／発電機２２に供給される。反対に、電動／発電機２２が発電機の態様に切り換えられると、エンジン２１の余剰トルクで回転され、該電動／発電機２２から電気エネルギーが生成されて、該電気エネルギーがバッテリ２５に供給され、これがバッテリ２５に蓄電される。
【００２１】
前記インバータ回路２８は、バッテリ２５に蓄積されている電気エネルギーが電動／発電機２２に供給されるとき、該電気エネルギーを交流電力に変換して供給し、反対に、電動／発電機２２で生成された交流電力を直流電力に変換してバッテリ２５に供給する変換機能を有する。
【００２２】
制御回路２９は、マイクロコンピュータ(通称「マイコン」という)であり、予めプログラムされている手順に従い、リミッタ回路２７を介して電動／発電機２２の動作を制御すると共に、エンジン２１の回転を制御する。
【００２３】
図３は制御回路２９にプログラムされている制御手順の一例を示すフローチャートである。図３のフローチャートを用いて図２に示した動力系制御装置の動作を次に説明する。
【００２４】
先ず、制御回路２９は、センサ２６の負荷情報からエンジン２１の運転が軽負荷運転状態であるか高負荷運転状態であるかを判定する(ステップＳ１)。この制御回路２９での判定は、例えばエンジンの回転数が基準の回転数よりも低いときは軽負荷運転の状態にあり、反対に高いときは高負荷運転の状態にあるとして判定する。
【００２５】
そして、軽負荷運転状態であるとき、制御回路２９は電動／発電機２２を発電機の態様に切り換えると共に、エンジン２１を若干トルクアップさせて運転する。又、ここで発電された該電気エネルギーは、インバータ回路２８を通して該バッテリ２５に蓄積される(ステップＳ２)。
【００２６】
反対に、高負荷運転の状態であるとき、制御回路２９は、電動／発電機２２を電動機の態様に切り換え、該電動／発電機２２を回転させてエンジン２１のトルクアシストをする(ステップＳ３)。即ち、高負荷運転時に電動／発電機２でトルクアシストすると、エンジン２１の負担が軽減され、該エンジン２１の負荷変動が小さくなり、且つ、定格点での運転が可能となる。これにより、エンジン２１の燃費効率の向上が図れると共に黒煙を無くすことができる。又、エンジン音も低く抑えることができる。
【００２７】
従って、上述した本発明の実施例における構成によれば、エンジン２１と１つの電動／発電機２２を使用してハイブリッド方式の建設機械用動力系制御装置を構成しているので、従来装置が電動機と発電機を別々に用意していたのに比べて、構造が簡略化でき、コストの低減が可能になる。同時に、小型・軽量化も可能になる。
【００２８】
又、油圧ポンプ２３の出力トルク(ポンプトルク)を、常にエンジン２１の出力トルク(エンジントルク)以上で動作せしめるようにすることができるので、アームやショベル等の動作パワーが上がり、油圧ショベル１０の稼働効率が向上することになる。尚、図４は、このことを示す油圧ポンプの特性図である。
【００２９】
図４を説明すると、図４は縦軸に油圧ポンプの吐出圧力Ｐを示し、横軸に油圧ポンプの押しのけ容積Ｑを示している。図中、曲線ａはエンジン２１のエンジントルクの特性、曲線ｂはハイブリッド方式を採らずにエンジン２１だけで駆動している従来装置に於ける油圧ポンプのポンプトルクの特性、曲線ｃはハイブリッド方式を採っている本発明装置における油圧ポンプ２３のポンプトルクの特性、曲線ｄは本発明装置における油圧ポンプ２３を駆動する場合に油圧ポンプ２３に作用するトルクの特性、即ちエンジン２１のエンジントルクと電動／発電機２２の電動機トルクとを合成したトルクの特性をそれぞれ示している。
【００３０】
図４から明らかのように、ハイブリッド方式を採らずにエンジン２１のトルクだけで駆動した場合の油圧ポンプのトルク曲線ａは、エンジン２１のトルク曲線ｂよりも常に下側の範囲に位置し、油圧ポンプの出力トルク(ポンプトルク)の値はエンジンの出力トルク(エンジントルク)以下になる。これに対して、本発明装置に於ける油圧ポンプ２３は、エンジン２１の出力トルクと電動／発電機２２の電動機トルクとの合成トルクで駆動しているので、該油圧ポンプ２３の出力トルクはエンジン２１のトルク曲線ｂよりも常に上側の範囲に位置し、エンジン２１の出力トルク以上になる。
【００３１】
尚、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
図は本発明の一実施の形態を示すものである。
【図１】本発明に係る建設機械用動力系制御装置を適用した油圧ショベルの全体構成図。
【図２】同上油圧ショベルに於ける動力系制御装置の概略構成を示すブロック図。
【図３】同上動力系制御装置の制御回路に於ける制御手順の一例を示すフローチャート。
【図４】ハイブリッド方式を採用した本発明装置に於ける油圧ポンプのトルク特性とハイブリッド方式を採用していない従来装置に於ける油圧ポンプのトルク特性とを示す図。
【符号の説明】
【００３３】
２１    エンジン
２２    電動／発電機
２３    油圧ポンプ
２４    制御手段
２５    バッテリ
２６    センサ
２７    リミッタ回路
２８    インバータ回路
２９    制御回路
【図１】
2005155251.tif 000003
【図２】
2005155251.tif 000004
【図３】
2005155251.tif 000005
【図４】
2005155251.tif 000006