(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部走行体上に旋回自在に配置された上部旋回体上に、エンジンと、エンジンにより駆動する油圧ポンプと、油圧ポンプからの吐出油により駆動するブームシリンダと、エンジンにより駆動する第１電動機と、第１電動機による発電電力を充電するバッテリと、バッテリの電力により駆動し旋回制動時に発電作動し発電電力をバッテリに充電する上部旋回体旋回用の第２電動機とを備えたハイブリッド式建設機械において、
油圧ポンプの吸収トルクを検出する吸収トルク検出手段と、
エンジン特性により定まるエンジンの所定出力トルクと、吸収トルク検出手段により検出される油圧ポンプの吸収トルクとを比較し、油圧ポンプの吸収トルクがエンジンの所定出力トルクよりも小さい場合は、余剰のトルクにより第１電動機を発電機として機能するように制御し、油圧ポンプの吸収トルクがエンジンの所定トルクよりも大きい場合には、不足分のトルクを発生するように第１電動機をモータとして機能するように制御する制御装置と、
ブームシリンダに圧油を供給するコントロールバルブとブームシリンダとの間に設けられたブーム回生回路と、
を備え、
ブーム回生回路は、
ブームシリンダのボトム側の管路に設けられブームシリンダ縮退時の戻り油を阻止するチェック弁と、
チェック弁に並列に設けられたバイパス回路と、
バイパス回路に設けられブームシリンダ縮退時の戻り油で回転する油圧モータと、
この油圧モータに連結され発電電力をバッテリに充電する発電機と、
を備えたことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイブリッド式建設機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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３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ＰHに対して、通常負荷作業を行う「通常負荷モード」の点ＰS、軽負荷作業を行う「軽負荷モード」の点ＰLといった作業モードが設定されている。そして、各点ＰH，ＰS，ＰLにおいて、油圧ポンプの吸収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吸収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燃費の向上を図っている。なお、油圧ポンプの吸収トルクとは、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。
【０００４】
上記の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３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ＰHが一致するエンジンが搭載されている。
【０００５】
図４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など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などを含む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。
【０００６】
この問題を解決する技術として、近年、エンジンと、エンジンにより駆動する発電機と、これによる発電電力を蓄電するバッテリと、このバッテリの電力により駆動する電動機とを備えた、例えば特開平１０-１０３１１２号公報に開示される、所謂ハイブリッド式の建設機械が提案されている。
【０００７】
図５を用いて、上記公報のハイブリッド式油圧ショベルについて説明する。
【０００８】
エンジン５１により駆動される可変容量式の油圧ポンプ５２から吐出される圧油は、コントロールバルブ５３を介して作業機駆動用の油圧シリンダ５４a及び走行駆動用の油圧モータ５４bに供給される。また、蓄圧補助手段５５により一定圧以上に保持されるアキュムレータ５６の圧油は、コントロールバルブ５７を介して旋回用の油圧ポンプモータ５８に供給される。これにより、油圧シリンダ５４a、油圧モータ５４b及び油圧ポンプモータ５８が駆動され、作業機の駆動、下部走行体の走行及び上部旋回体の旋回が可能となる。
【０００９】
旋回制動時には、油圧ポンプモータ５８がポンプ作動に切換えられ、油圧ポンプモータ５８の回転に伴い慣性エネルギを圧力エネルギとしてアキュムレータ５６に回生するようになっている。
【００１０】
油圧ポンプ５２には、発電機を兼ねる第１電動機６０が装着されており、コントローラ６１により、発電作動とアシスト作動との切換制御と、それぞれにおけるトルク制御とが行われる。同様に、油圧ポンプモータ５８には、発電機を兼ねる第２電動機６２が装着されており、旋回コントローラ６３により、発電作動とアシスト作動との切換制御と、それぞれにおけるトルク制御とが行われる。
【００１１】
コントローラ６１及び旋回コントローラ６３には、バッテリ６４が接続されており、第１及び第２電動機６０，６２の発電作動により得られる電気エネルギを蓄電し、第１及び第２電動機６０，６２のアシスト作動に必要な電気エネルギを放電する。
【００１２】
ガバナ５１aにより調速されるエンジン５１は、通常は一定回転数で駆動している。
【００１３】
作業負荷が小さく、油圧ポンプ５２の吸収トルクがエンジン５１の出力トルクよりも小さい場合には、コントローラ６１は第１電動機６０を発電作動に切換え、余剰トルクにより発電するように第１電動機６０のトルク制御を行い、余剰トルクにより発電される電気エネルギをバッテリ６４に蓄電している。
【００１４】
作業負荷が大きく、油圧ポンプ５２の吸収トルクがエンジン５１の出力トルクよりも大きい場合には、コントローラ６１は第１電動機６０をアシスト作動に切換え、バッテリ６４からの放電エネルギにより不足分のトルクを発生するように第１電動機６０のトルク制御を行う。
【００１５】
旋回コントローラ６３は、旋回操作レバー６５による指令値と回転センサ６６による検出値とに基づいて、第２電動機６２を、（１）油圧ポンプモータ５８のモータ作動時に増速回転をアシスト作動するようにトルク制御し、（２）油圧ポンプモータ５８のポンプ作動時にアキュムレータ５６の容量を越える慣性エネルギを電気エネルギに変換して回生するように発電作動のトルクを制御する。
【００１６】
上記構成によれば、作業負荷が小さいときエンジン５１の余剰トルクにより発電しており、エンジン５１を効率良く使用でき、旋回制動時にはエネルギ回生を行っている。また、作業負荷が大きいときには、バッテリ６４からの放電によるアシスト作動により油圧ポンプ５２の吸収トルクを増大できるので、エンジン５１の最大発生トルクよりも大きい吸収トルクにより作業を行うことができる。つまり、省エネルギを図りつつ、エンジンを有効に使用できる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載の技術においては、アキュムレータ５６からの圧油供給により旋回用の油圧ポンプモータ５８を駆動しているので、蓄圧補助手段５５（例えば、電動機と油圧ポンプ）、コントロールバルブ５７及びアキュムレータ５６を含む油圧回路が必要となり、システムが複雑となる。
【００１８】
また、エンジンが発生するエネルギの一部を旋回制動時に回収するので、エンジン出力を従来よりも小さいものにできるが、エネルギの回収量が十分でないので、エンジンの小型化を十分に図ることができない。
【００１９】
本発明は、上記の問題に着目してなされたものであり、エンジンにかかる負荷を平準化すると共に、簡単なシステムで効率良くエネルギ回生を行うことにより、エンジンを小型化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している。
【００２０】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記の目的を達成するために、本発明は、下部走行体上に旋回自在に配置された上部旋回体上に、エンジンと、エンジンにより駆動する油圧ポンプと、油圧ポンプからの吐出油により駆動するブームシリンダと、エンジンにより駆動する第１電動機と、第１電動機による発電電力を充電するバッテリと、バッテリの電力により駆動し旋回制動時に発電作動し発電電力をバッテリに充電する上部旋回体旋回用の第２電動機とを備えたハイブリッド式建設機械において、油圧ポンプの吸収トルクを検出する吸収トルク検出手段と、制御装置と、ブーム回生回路と、を備えている。制御装置は、エンジン特性により定まるエンジンの所定出力トルクと、吸収トルク検出手段により検出される油圧ポンプの吸収トルクとを比較し、油圧ポンプの吸収トルクがエンジンの所定出力トルクよりも小さい場合は、余剰のトルクにより第１電動機を発電機として機能するように制御し、油圧ポンプの吸収トルクがエンジンの所定トルクよりも大きい場合には、不足分のトルクを発生するように第１電動機をモータとして機能するように制御する。また、ブーム回生回路は、ブームシリンダのボトム側の管路に設けられブームシリンダ縮退時の戻り油を阻止するチェック弁と、チェック弁に並列に設けられたバイパス回路と、バイパス回路に設けられブームシリンダ縮退時の戻り油で回転する油圧モータと、この油圧モータに連結され発電電力をバッテリに充電する発電機と、を備えている。
【００２１】
本発明によると、作業負荷が小さく、油圧ポンプの吸収トルクがエンジンの所定出力トルクよりも小さい場合には、第１電動機を発電機として機能させエンジン出力の余裕分で発電してバッテリに充電して貯めておき、作業機負荷が大きく、油圧ポンプの吸収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、第１電動機をモータとして機能させ貯めておいた電力により第１電動機を駆動して不足分のトルクを発生させ、エンジンが油圧ポンプを駆動するのを助勢している。つまり、エンジンの出力を「余るときには貯めて、足りないときに貯めたものを出す」という使い方をしているので、省エネルギ化とエンジンにかかる負荷を平準化が可能となる。これにより、油圧ポンプの吸収トルクを維持しつつ、平均必要馬力相当の定格出力を有するエンジンを採用できる。
【００２２】
また、旋回駆動系を電動化したので、旋回駆動系のシステムが油圧装置のない簡単なシステムで構成することが可能となり、旋回制動時には旋回体の慣性エネルギを電気エネルギに変換して回生できる。この旋回回生を行うことにより、エンジン出力の一部を効率良く回収している。そして、このエネルギ回生を行っているので、上記平均必要馬力が低くなり、採用するエンジンの小型化を十分に図ることができる。
【００２３】
また、ブームシリンダからの高圧の戻り油を用いて発電するシステムを用いているので、作業機の位置エネルギを電気エネルギに変換して回生できる。このブーム下げ時の回生を行なうことにより、平均必要馬力がより低くなるので、エンジンの小型化をさらに進めることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明を適用する建設機械の例機を油圧ショベルとして、駆動システムのブロック図を示している。
【００２５】
エンジン１により駆動される可変容量式の油圧ポンプ２から吐出される圧油は、コントロールバルブ３を介して油圧アクチュエータ４（ブームシリンダ４a、アームシリンダ４b、バケットシリンダ４c、右側走行モータ４d及び左側走行モータ４e）に供給される。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により調速される。油圧ポンプ２の斜板の傾転角は、油圧アクチュエータ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斜板角駆動手段６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。
【００２６】
エンジン１にはフライホイールと一体になった第１電動機７が装着されている。すなわち、フライホイールを回転子とし周囲に固定子を設けた誘導電動機で、発電機としての機能も兼ねており、エンジン１の油圧ポンプ駆動を助勢するモータ作動と、エンジン１を駆動源として発電する発電作動とを切換作動することが可能である。第１電動機７は、第１インバータ８を介してバッテリ９に接続されている。第１インバータ８はコントローラ５からの指令に応じて、後述のように第１電動機７の発電作動及びモータ作動を制御している。
【００２７】
１２は油圧ショベルの上部旋回体で、減速機１３を介して接続された第２電動機１０により旋回自在となっている。第２電動機１０は、第１電動機７と同様に発電機としての機能も兼ねており、上部旋回体１２を駆動するモータ作動と、旋回制動時の上部旋回体１２の慣性エネルギによる発電作動とを切換作動することが可能な誘導電動機である。第２電動機１０は、第２インバータ１１を介してバッテリ９に接続されている。第２インバータ１１はコントローラ５からの指令に応じて、後述のように第２電動機１０の発電作動及びモータ作動を制御している。
【００２８】
ブームシリンダ４aのボトム側の管路１５には、油圧モータ１６を備えたバイパス管路１５aが設けられており、管路１５のチェック弁１４によりブームシリンダ縮退時（ブーム下げ時）のブームシリンダ４aからの戻り油はバイパス管路１５aを通過し、この際油圧モータ１６が駆動するように構成されている。油圧モータ１６には発電機１７が接続されており、この発電機１７はＡＣ／ＤＣコンバータ１８を介してバッテリ９に接続されている。
【００２９】
バッテリ９は、リチウムイオン電池等の二次電池である。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不安定な状態となるため、温度管理を厳しく行う必要がある。そのため、付設のバッテリコントローラ９aがバッテリ９の電圧、電流、温度等を常に監視しており、温度管理や放充電の制御を行っている。
【００３０】
コントローラ５は、オペレータが操作するブーム操作レバー２１、アーム操作レバー２２、バケット操作レバー２３、右側走行ペダル２４及び左側走行ペダル２５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）２１a，２２a，２３a，２４a，２５aからの検出信号を入力して、図示しない駆動手段によりコントロールバルブ３を制御して、対応する油圧アクチュエータ４に供給する圧油の流量を制御している。また、コントローラ５は旋回操作レバー２６に設けられた操作量検出器２６aからの検出信号を入力して、第２インバータ１１を介して第２電動機１０のモータ作動を制御している。
【００３１】
２７は上記操作レバーのいずれかのノブに設けられた操作スイッチで、短時間掘削力を増加したいときに操作するスイッチである。
【００３２】
コントローラ５は、エンジン１の回転数を検出する回転センサ３１及びエンジン１の出力トルクを検出するトルクセンサ３２からの検出信号を入力している。また、コントローラ５は、油圧ポンプ２の斜板角を検出する斜板角センサ３３及び油圧ポンプ２の吐出圧を検出する圧力センサ３４からの検出信号を入力している。
【００３３】
作業時において、コントローラ５は定格回転ＮAのガバナ指令をガバナに送信し、エンジン１は、図２に示すエンジントルク特性となる。そして、コントローラ５は、このエンジントルク特性の定格出力点Ｐaにて定トルク定回転駆動するように、第１インバータ８を介して第１電動機７を後述のように制御している。
【００３４】
なお、同図においてＬaは、後述する平均必要馬力曲線である。また、破線にて示すエンジントルク特性は、従来の油圧ショベルのエンジントルク特性であり、油圧ショベルが作業を行うのに必要とする最大必要馬力Ｌに等しい定格出力点ＰHを有している。
【００３５】
（１）負荷トルクがエンジン出力トルクよりも小さい場合
作業負荷が小さく、油圧ポンプ２の吸収トルクがエンジン１の出力トルクよりも小さい場合（例えば、図２の点Ｐb）は、コントローラ５は余剰トルクにより第１電動機７を発電作動させる。
【００３６】
すなわち、コントローラ５は、ポンプ吐出圧と斜板角とから求まるポンプ吸収トルクと、定格トルクとを比較して余剰トルクを算出し、この余剰トルクが発電トルクとして第１電動機７に作用するように、第１インバータ８にて第１電動機７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９に蓄電している。
【００３７】
従って、エンジン１の出力は、一部は油圧ポンプ２に吸収され作業機駆動に消費され、残りは発電作動する第１電動機７に吸収され電気エネルギとしてバッテリ９に蓄電される。
【００３８】
（２）負荷トルクがエンジン出力トルクよりも大きい場合
作業負荷が大きく、油圧ポンプ２の吸収トルクがエンジン１の出力トルクよりも大きい場合（例えば、図２の点Ｐc）は、コントローラ５は第１電動機７をモータ作動して不足分のトルクを発生し、エンジン１が油圧ポンプ２を駆動するのを助勢する。
【００３９】
すなわち、コントローラ５は、ポンプ吐出圧と斜板角とから求まるポンプ吸収トルクと、定格トルクとを比較して不足トルクを算出し、第１電動機７がこの不足トルクを出力するように、第１インバータ８にて第１電動機７にバッテリ９から供給する電流を制御する。
【００４０】
従って、エンジン１の出力はすべて油圧ポンプ２に吸収されると共に、バッテリ９からの電力供給を受けて第１電動機７が作業機駆動に不足のトルクを発生し、油圧ポンプ２の吸収トルクを図２の点Ｐcのように従来の最大必要馬力まで向上させている。
【００４１】
上記（１）及び（２）の制御により、エンジン１のトルクに余裕があれば余裕分で発電し、エンジン１のトルクが不足すればモータ作動による助勢を受けるようにし、エンジン１にかかる負荷を平準化している。これにより、エンジン１は作業負荷の大小に関係なく定格出力点Ｐaにて定トルク定回転駆動できる。
【００４２】
旋回操作時にコントローラ５は、旋回操作レバー２６の操作量に応じた操作信号を操作量検出器２６aから入力して、この操作信号に応じて第２インバータ１１を介して第２電動機１０のモータ作動の制御を行う。これにより、レバー操作量に応じた旋回速度が得られる。また、旋回制動時には、コントローラ５は旋回を制動する向きにトルクが発生するように第２電動機１０を発電作動に切換え、上部旋回体１２の慣性エネルギを電気エネルギに変換してバッテリ９に蓄電するエネルギ回生を行っている。
【００４３】
作業機（ブーム、アーム、バケット）及びバケット積載物の自重を支えるブームシリンダ４aのボトム室の油圧は高圧となっており、ブーム下げ時にはこのブームシリンダ４aからの高圧の戻り油はバイパス管路１５aに設けられた油圧モータ１６を駆動する。これにより、油圧モータ１６に接続された発電機１７が発電駆動され、発生する電力はＡＣ／ＤＣコンバータ１８で直流電力に変換されバッテリ９に供給されて蓄電される。すなわち、ブーム下げ時に、位置エネルギを電気エネルギに変換してエネルギ回生を行っている。
【００４４】
土砂掘削中に、埋まっている岩を掘り起こす場合等のように、ここ一番というときに掘削力を増大して作業を行いたい場合がある。この場合に、オペレータが操作スイッチ２７をオンにすると、コントローラ５は、エンジン１の回転数を所定量増大すると共に、第１電動機７のモータ作動の助勢トルクを所定量増大させ、油圧ポンプ２の吸収馬力を増加する。これにより、上記の増大した掘削力を得ている。この制御は、定格を越える駆動となるので、負荷がなくなってから所定時間（例えば、５秒間）の経過により自動的に解除されるのが望ましい。
【００４５】
本発明においては、旋回駆動源を電動化することにより、油圧装置のない簡単なシステムで、旋回駆動と旋回制動時のエネルギ回生を可能としている。さらに、ブームシリンダからの高圧の戻り油を用いて発電するシステムを用いているので、作業機の位置エネルギを電気エネルギに回生して、省エネルギを図れる。
【００４６】
さらに、エンジンにかかる負荷を平準化することにより、エンジン出力の余剰分を電気エネルギとして貯めて省エネルギを図り、出力不足のときに貯めた電気エネルギを放出して従来のポンプ吸収トルクを維持しつつ、平均必要馬力相当の定格出力を有するエンジンの採用を可能としている。この平均必要馬力は、旋回制動時の回生及びブーム下げ時の回生により、エンジン出力の一部を効率良く回収しているので、図４での従来の平均負荷よりも低く設定できる。このため、エンジンの小型化を十分に図ることが可能となる。
【００４７】
また、従来よりも小さい定格馬力のエンジンを定格駆動するため、燃費の向上や排気ガスの改善（ＣＯ2の排出減）も達成される。
【００４８】
なお、上記平均必要馬力は、図４での「掘削積込み作業」の１サイクルの平均負荷率にエネルギ回生量を考慮して設定しても良いし、これに限らずに、１日の作業での平均負荷率にエネルギ回生量を考慮して設定するようにしても構わない。
【００４９】
また、エンジンを定格出力点にて駆動する例にて説明したが、定格点付近であれば同様の効果が得られるのは言うまでもない。
【００５０】
さらに、油圧ショベルを例に挙げて説明したが、本発明をクレーン車に適用しても構わない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施形態に係わるハイブリッドシステムのブロック図である。
【図２】  実施形態に係わるエンジントルク特性図である。
【図３】  従来技術に係わるエンジントルク特性図である。
【図４】  油圧ショベルの負荷変動を表す図である。
【図５】  従来技術のハイブリッドシステムのブロック図である。
【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...油圧アクチュエータ、４a...ブームシリンダ、５...コントローラ、７，１０...電動機、８，１１...インバータ、９...バッテリ、１２...上部旋回体、１７...発電機、１８...ＡＣ／ＤＣコンバータ、３１...回転センサ、３２...トルクセンサ、３３...斜板角センサ、３４...圧力センサ。
【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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