(57)【要約】【課題】ポンプとアキュムレータとから流体圧アクチュエータに作動流体を供給する場合に、ポンプ回転速度の安定性およびポンプ駆動用の原動機の高効率運転を確保できる流体圧アクチュエータ制御回路を提供する。【解決手段】シリンダCyのヘッド側は、アキュムレータ制御弁１を介してアキュムレータAccに接続し、再生制御弁２を介してロッド側に接続する。容量可変型のポンプPpの吐出側通路はポンプ流量制御弁３に接続し、閉止制御弁４を介してシリンダCyに接続する。制御装置５は、アキュムレータAccが蓄圧状態にあるときはポンプPpから吐出されるポンプ流量またはポンプ動力をほぼ一定に制御するとともにアキュムレータ制御弁１を制御して不足分の流量をアキュムレータAccから供給する機能を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原動機によって駆動される容量可変型のポンプから流体圧アクチュエータに供給される作動流体を方向制御および流量制御するポンプ流量制御弁と、
流体圧アクチュエータによって上昇された荷重体が有する位置エネルギを下降時に蓄圧力として蓄積可能なアキュムレータと、
流体圧アクチュエータとアキュムレータとの間の通路中に設けられてアキュムレータから流体圧アクチュエータへの作動流体の流れを制御するアキュムレータ制御弁と、
アキュムレータが蓄圧状態にあるときはポンプから吐出されるポンプ流量またはポンプ動力をほぼ一定に制御するとともにアキュムレータ制御弁を制御して不足分の流量をアキュムレータから供給する機能を備えた制御装置と
を具備したことを特徴とする流体圧アクチュエータ制御回路。
【請求項２】
荷重体は、油圧ショベルの作業装置であり、
流体圧アクチュエータは、作業装置を上下方向に回動する油圧シリンダである
ことを特徴とする請求項１記載の流体圧アクチュエータ制御回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置エネルギ回収用のアキュムレータを備えた流体圧アクチュエータ制御回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブームシリンダにより作業機を上下動する油圧式掘削機において、ブームシリンダのヘッド側を蓄圧器操作弁を介して蓄圧器（アキュムレータ）に接続するとともに、可変リリーフ弁を介してタンクに接続し、作業機の位置に応じて、蓄圧器操作弁および可変リリーフ弁を制御して、作業機の重量とバランスする油圧を蓄圧器内に発生させ、ブームを上げるときは、複数のブームシリンダにポンプとアキュムレータとから作動油を供給するようにした油圧式掘削機の位置エネルギ回収活用装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平０１−１９９００１号公報（第２−３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この従来の位置エネルギ回収活用装置は、アキュムレータからブームシリンダに作動油を供給するときは、ポンプからブームシリンダに供給される作動油も少量で済むとともに、ポンプを駆動する原動機にかかる負荷も軽減される。一方で、原動機の負荷変動が大きいことから、原動機の回転速度および出力が変動しやすく、ポンプ回転速度の安定性に欠け、システム全体の安定化にも影響があるとともに、原動機の回転速度および出力の変動に伴うエネルギロスがあり、原動機を高効率で運転できない。
【０００４】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、ポンプとアキュムレータとから流体圧アクチュエータに作動流体を供給する場合に、ポンプ回転速度の安定性およびポンプ駆動用の原動機の高効率運転を確保できる流体圧アクチュエータ制御回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載された発明は、原動機によって駆動される容量可変型のポンプから流体圧アクチュエータに供給される作動流体を方向制御および流量制御するポンプ流量制御弁と、流体圧アクチュエータによって上昇された荷重体が有する位置エネルギを下降時に蓄圧力として蓄積可能なアキュムレータと、流体圧アクチュエータとアキュムレータとの間の通路中に設けられてアキュムレータから流体圧アクチュエータへの作動流体の流れを制御するアキュムレータ制御弁と、アキュムレータが蓄圧状態にあるときはポンプから吐出されるポンプ流量またはポンプ動力をほぼ一定に制御するとともにアキュムレータ制御弁を制御して不足分の流量をアキュムレータから供給する機能を備えた制御装置とを具備した流体圧アクチュエータ制御回路である。
【０００６】
請求項２に記載された発明は、請求項１記載の流体圧アクチュエータ制御回路における荷重体を、油圧ショベルの作業装置とし、流体圧アクチュエータを、作業装置を上下方向に回動する油圧シリンダとしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に記載された発明によれば、ポンプとアキュムレータとから流体圧アクチュエータに作動流体を供給する場合に、制御装置により、アキュムレータが蓄圧状態にあるときはポンプから吐出されるポンプ流量またはポンプ動力をほぼ一定に制御するとともに、アキュムレータ制御弁を制御して不足分の流量をアキュムレータから供給するので、ポンプを駆動する原動機の回転速度および出力の変動を抑えて、ポンプ回転速度の安定性を確保し、システム全体の安定化を図ることができるとともに、原動機の回転速度および出力の変動に伴うエネルギロスを低減でき、ポンプ駆動用の原動機を高効率で運転できる。
【０００８】
請求項２に記載された発明によれば、油圧ショベルの作業装置を上下動する油圧シリンダに作動流体を供給する流体圧供給源のハイブリッド化において、ポンプとアキュムレータとを共用運転する際のポンプ回転速度の安定性およびポンプ駆動用の原動機の高効率運転を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を、図１乃至図８に示された一実施の形態を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
図８に示されるように、作業機械としての油圧ショベル10は、機体11に対し荷重体としての作業装置12が可動的に設けられ、この作業装置12は、機体11と、この機体11に対し上下方向回動自在に軸支されたブーム13とに、油圧シリンダとしてのブームシリンダ14の基端部およびロッド先端部が回動自在に連結され、さらに、ブーム13と、このブーム13の先端部に回動自在に軸支されたアーム15とに、アームシリンダ16の基端部およびロッド先端部が回動自在に連結され、さらに、アーム15と、このアーム15の先端部に回動自在に軸支されたバケット17とに、バケットシリンダ18の基端部およびロッド先端部のリンケージ19が回動自在に連結されている。
【００１１】
ブームシリンダ14は、作業装置12の全体の荷重Ｗを受けて縮小動作が可能な流体圧アクチュエータであり、以下、この種の流体圧アクチュエータを、シリンダCyという。
【００１２】
図１に示されるように、シリンダCyのヘッド側は、アキュムレータ制御弁１の一部であるエネルギ蓄積制御用の蓄積制御弁1aを経た通路によりアキュムレータAccに連通可能に設けられ、アキュムレータAccを介し反対側にはアキュムレータ制御弁１の一部であるエネルギ放出制御用の放出制御弁1bが設けられている。
【００１３】
また、シリンダCyのヘッド側とロッド側とを連通可能な通路中には再生制御弁２が設けられている。
【００１４】
さらに、原動機としてのエンジンＥにより駆動される容量可変型のポンプPpの吐出側通路は、ポンプ流量制御弁３の供給ポートに接続され、このポンプ流量制御弁３の一方の出力ポートは、通路Ｍを経てシリンダCyのヘッド側に連通され、他方のポートは、閉止制御弁４を介してシリンダCyのロッド側に接続されている。
【００１５】
蓄積制御弁1aは、シリンダCyのヘッド側からアキュムレータAccまたはタンクＴへの流れを方向制御および流量制御するエネルギ蓄積用制御弁であるが、アキュムレータAccとタンクＴとの切替は、別の弁を用いても良い。
【００１６】
放出制御弁1bは、アキュムレータAccからシリンダCyのヘッド側への流れを制御する蓄積工ネルギ放出用の弁であり、制御弁１に１つにまとめて共用することもできる。
【００１７】
この放出制御弁1bがあれば、アキュムレータAccに蓄積されたエネルギを再利用するときの注入先を、位置エネルギ回収先のシリンダCy（ブームシリンダ14）以外の他の回路とすることも可能となる。
【００１８】
また、この放出制御弁1bにより、接続先をポンプ流量制御弁３の下流側としているが、接続先をポンプ流量制御弁３の上流側に変更することもできる。この場合、アキュムレータAccを利用するときのポンプ動力が大きくなり、省エネルギ上は望ましくないが、接続先のフレキシビリティ上は有利である。
【００１９】
再生制御弁２は、シリンダCyのヘッド側からロッド側への再生流量を制御する弁であり、全開時の開口面積が大きな弁を選定する。
【００２０】
ポンプ流量制御弁３は、各荷重体駆動装置（ブームシリンダ14、アームシリンダ16、バケットシリンダ18等）に注入されるポンプ流量および各荷重体駆動装置からタンクＴへ戻される戻り流量を方向制御および流量制御するコントロール弁であり、注入流量と戻り流量との関係が固定されるスプール弁でもよいが、注入流量と戻り流量との関係を複数のロジック弁で別々に制御できるようにすることが望ましい。
【００２１】
閉止制御弁４は、シリンダCyのヘッド側からロッド側への再生時にポンプ流量制御弁３でタンクＴ側への流路を閉にできないときにタンクＴ側への流路を閉じる補助弁である。
【００２２】
なお、図１では、流体ポンプおよび１つの荷重体駆動装置を構成するシリンダCy（ブームシリンダ14等）を１セットのみ示したが、複数セット設ける場合もある。
【００２３】
シリンダCyなどを操作する操作レバー（電気ジョイスティック）Ｌ、シリンダCyのヘッド圧Phを検出する圧力センサSph、シリンダCyのロッド圧Prを検出する圧力センサSpr、アキュムレータAccに蓄えられた圧力すなわちアキュムレータ圧Paを検出する圧力センサSac、ポンプ吐出圧Pppを検出する圧力センサSpp、ブーム13などの荷重体の角度を検出する角度センサSan、およびエンジンＥの回転速度を検出する回転数センサＲが、制御装置５の入力部に接続されている。
【００２４】
この制御装置５は、内部に演算処理装置および記憶装置などを内蔵し、この制御装置５の出力部は、各制御弁１，1a，２，３，４の可動制御部（ソレノイドなど）、エンジンＥの回転速度（＝ポンプ回転数）を制御するエンジン制御部（電子ガバナＧなど）、およびポンプPpの容量を制御するポンプ容量制御部（斜板レギュレータなど）に接続され、これらを電気信号により制御する。図１中の一点鎖線は制御信号ラインを表わすとともに、実線は油圧ラインを表わす。
【００２５】
制御装置５は、エンジンＥの回転速度およびポンプPpの容量を制御して、アキュムレータAccが蓄圧状態にあるときはポンプPpから吐出されるポンプ流量またはポンプ動力をほぼ一定に制御し、例えばポンプPpからシリンダCyに一定のベース流量を供給するとともに、アキュムレータ制御弁１を制御して不足分の流量をアキュムレータAccから供給する機能を備えている。
【００２６】
ここで、ポンプ動力は、圧力センサSppで検出されたポンプ吐出圧Pppと、回転数センサＲで検出されたポンプ回転数およびポンプ容量（制御装置５により制御可能な斜板傾転角）で決まるポンプ流量との積により演算できるので、制御装置５は、ポンプ回転数またはポンプ容量を可変制御することで、このポンプ動力をほぼ一定に制御できる。
【００２７】
次に、この図１に示された制御装置５によるエネルギ放出制御を、図２に示されたフローチャートを参照しながら説明する。なお、フローチャート中の丸数字は、ステップ番号を示す。なお、アキュムレータAccには、ブーム13の下降動作などによって、シリンダCyのヘッド側から流出した作動流体が最大限に蓄積されているものとする。
【００２８】
（ステップ１）
圧力センサSacにより、アキュムレータAccに十分なアキュムレータ圧Paが蓄積されているか否かを判定する。
【００２９】
（ステップ２）
十分なアキュムレータ圧Paがある場合は、操作レバー（電気ジョイスティック）Ｌの操作量から演算された要求流量が、ポンプPpからのベース流量Qpcよりも多いか否かを判定する。
【００３０】
（ステップ３）
アキュムレータAccに十分なアキュムレータ圧Paが蓄積されていて、かつ要求流量がポンプPpからのベース流量Qpcよりも多い場合は、ポンプPpからの吐出流量をベース流量Qpcに抑えるとともに、このポンプPpからのベース流量Qpcに加えて、不足分をアキュムレータAccからの流量Qaで補うようにして、必要な流量をシリンダCyのヘッド側に供給し、ブーム13をレバー操作量で指令されたブームアップ速度で押上げる。
【００３１】
（ステップ４）
図３に示されるようにアキュムレータ圧Paとアキュムレータ蓄積量との間には一定の関係があるので、アキュムレータ圧Paが最小設定値Pmin以下となったときにアキュムレータAccからの放出が完了したと判断でき、アキュムレータAccの放出完了時間t1がわかるので、この放出完了時間t1を常にチェックして、経過したか否かを判定する。放出完了時間t1の前であれば（NO）、ステップ１〜４を繰返す。
【００３２】
（ステップ５）
アキュムレータAccから蓄積総量が放出完了された場合（ステップ４でYES）、また、ステップ１でアキュムレータAccに十分なアキュムレータ圧Paが蓄積されていない場合（NO）、またステップ２で要求流量がポンプPpからのベース流量Qpcよりも多くない場合（NO）は、ポンプ斜板などの容量可変手段を制御するとともに、ポンプ流量制御弁３を制御して、ポンプPpから必要な流量QpをシリンダCyのヘッド側に供給し、ブーム13をレバー操作量で指令されたブームアップ速度で押上げる。
【００３３】
次に、図４に示されたグラフに基づいて、エネルギ放出制御時の制御装置の動作を説明する。
【００３４】
アキュムレータAccは、１サイクルの間を通して一定のベース流量Qaoで供給できるものとする。すなわち、アキュムレータAccの容量はQao・tcとなる。tcは、１サイクル所要時間である。
【００３５】
操作レバーＬの操作量から演算された要求流量が、ポンプPpからのベース流量Qpcよりも多い場合は、ポンプPpからのベース流量Qpcに加えて、不足分をアキュムレータAccからの流量Qaで補うようにして、必要な流量をシリンダCyのヘッド側に供給する。
【００３６】
一方、要求流量がポンプPpからのベース流量Qpcよりも少ない場合は、ポンプPpのみから必要な流量QpをシリンダCyのヘッド側に供給する。
【００３７】
また、アキュムレータAcc内の蓄積総量が放出完了した放出完了時間t1を経過した後も、ポンプPpのみから必要な流量QpをシリンダCyのヘッド側に供給する。
【００３８】
次に、図５は、図４に示されたエネルギ放出制御と対比する上で示した別のエネルギ放出制御の動作例であり、アキュムレータAccから蓄積総量が放出完了されるまでは、ポンプPpの容量を制御してポンプ吐出流量を最少流量Qminに制御するとともに、操作レバーＬの操作量から演算された要求流量に応じて放出制御弁1bの開度を制御することで、シリンダCyに必要な流量を供給する。
【００３９】
一方、アキュムレータAccからの蓄積総量の放出完了時間t1で、ポンプPpの容量およびポンプ流量制御弁３を制御して、ポンプPpのみからシリンダCyに必要な流量を供給する。
【００４０】
この図５に示されたエネルギ放出制御方式は、アキュムレータAccの能力を使い切るので、ポンプPpで消費されるポンプ所要エネルギを最小にすることができる利点があるとともに、ポンプ回転速度の変化が大きく、ポンプPpを負荷として駆動するエンジンＥの回転速度および出力も変動しやすい。
【００４１】
これに対して、図４に示されたエネルギ放出制御方式は、ポンプPpとアキュムレータAccとからシリンダCyに作動流体を供給する場合に、制御装置５により、アキュムレータAccが蓄圧状態にあるときは、エンジンＥの回転速度およびポンプPpの容量を制御して、ポンプPpから吐出されるポンプ流量またはポンプ動力をほぼ一定に制御する（ポンプ流量は一定のベース流量Qpcに制御する）とともに、アキュムレータ制御弁１を制御して不足分の流量QaをアキュムレータAccから供給するので、ポンプPpを駆動するエンジンＥの回転速度および出力の変動を抑えて、ポンプ回転速度の安定性を確保でき、システム全体の安定化を図ることができるとともに、エンジンＥの回転速度および出力の変動に伴うエネルギロスを低減でき、ポンプ駆動用のエンジンＥを高効率で運転できる。
【００４２】
また、この制御方式を、図８に示された油圧ショベル10の作業装置12を上下動するブームシリンダ14に対して適用すると、ブームシリンダ14に作動流体を供給する流体圧供給源のハイブリッド化において、ポンプPpとアキュムレータAccとを共用運転する際のポンプ回転速度の安定性およびポンプ駆動用の原動機の高効率運転を確保できる。
【００４３】
次に、ポンプ回転速度の安定性、エンジン燃費効率などの観点から、エンジンＥの回転速度およびポンプPpの容量を制御するに際して留意する点と、ベース流量を決定するに際して留意する点を説明する。
【００４４】
(1) ポンプベース流量Qpcを設定する上での留意点としては、次の２方式がある。
【００４５】
(ｉ) ポンプ最大流量Qpmaxにある係数Ａ（０＜Ａ≦１）を乗じたものをベース流量とする。係数Ａは一定値である。
【００４６】
・ポンプ最大流量Qpmaxは、ポンプ吐出圧力Pppの変数となるのが一般的である。
【００４７】
・ポンプトルク限界を考慮せず流量一定では、圧力変動でポンプ動力は変動する。
【００４８】
なお、図６は、回転数一定の場合のポンプ吐出圧力Pppとポンプ最大流量Qpmaxとの関係を示している。回転数が変動したときのポンプ最大流量Qpmaxは、以下の２方法で設定できる。
【００４９】
a.目標回転数ωoでの値をポンプ最大流量Qpmaxとする。
【００５０】
b.さらに、ポンプ回転数ωが目標回転数ωoから変動するとその変動率に応じて、ポンプ最大流量Qpmaxを変動させることも考えられる。回転数変動率に逆比例させる（ωo／ωを乗じる）と、ポンプ動力は一定に近づき、負荷変動を小さくできる。
【００５１】
なお、一般的には、負荷に応じてポンプ吐出圧力は、ほぼ一定値に保たれることが多く（圧力上昇中の短時間を除いて）、このとき、ポンプ最大流量Qpmaxは、ほぼ一定に保たれる。
【００５２】
(ii) アキュムレータAccの蓄積量に応じて、ポンプベース流量Qpcを可変とする。
【００５３】
アキュムレータAcc蓄積量を使い切ることを目指しており、以下が考えられる。
【００５４】
a.ポンプベース流量Qpc1＝要求流量−アキュムレータ蓄積量／１サイクル所要時間tc
ただし、要求流量小時にも対応できるようにQpc≧下限値とする。
【００５５】
アキュムレータ平均流量＝アキュムレータ蓄積量／１サイクル所要時間tc
b.さらに、負荷変動を小とするためには、図７に示される係数Ｂを乗じて、
Qpc2＝Qpcl・係数Ｂ
としてもよい。これにより、高圧時にも一定負荷とできるように配慮する。
【００５６】
（留意点）
(ｉ) 方式１での留意点
a.目標回転数は、エンジン効率の高い点、高トルク点、高出力点（必要パワーを出せる点）を目指す。
【００５７】
b.係数Ａの定め方は自由であるが、一般には、各種作業の平均的な流量とポンプ最大流量の比から求める。
【００５８】
(ii) 方式２での留意点
各種作業の平均的な圧力点で係数Ｂ＝１となるように設定する。
【００５９】
(2) エンジン回転数制御上の留意点
目標回転数は、エンジン効率の高い点、高トルク点、高出力点（必要パワーを出せる点）を目指す。
【００６０】
(3) ポンプ容量制御上の留意点
(ｉ) 計算式
ポンプ所要動力＝ポンプ吐出圧Ppp・ポンプ容量Ｖ・ポンプ回転数ω／ポンプ効率
Ｖ・ω＝ポンプ流量
【００６１】
(ii) ポンプ容量制御上の留意点
a.ポンプ流量は、流量変動（および、または動力変動）を抑える方式で求める（上記(1)参照）。
【００６２】
b.ポンプ容量は、回転数信号で除して制御指令を決定する。
【００６３】
なお、本発明は、油圧ショベルの旋回用油圧モータなどのシリンダ以外の流体圧アクチュエータにも適用できる。
【００６４】
本発明は、油圧ショベルだけでなく、クレーン車などの作業機械にも利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る流体圧アクチュエータ制御回路の一実施の形態を示す回路図である。
【図２】同上制御回路の制御手順を示すフローチャートである。
【図３】アキュムレータ圧とアキュムレータ蓄積量との関係を示す特性図である。
【図４】同上制御回路のエネルギ放出制御時の流量制御動作を示す特性図である。
【図５】対比するエネルギ放出制御時の流量制御動作を示す特性図である。
【図６】ポンプ吐出圧とポンプ流量との関係を示す特性図である。
【図７】ポンプ吐出圧と係数Ｂとの関係を示す特性図である。
【図８】同上制御回路を備えた油圧ショベルの側面図である。
【符号の説明】
【００６６】
Ｅ    原動機としてのエンジン
Pp    ポンプ
Cy    流体圧アクチュエータ（これをシリンダという）
Acc   アキュムレータ
１    アキュムレータ制御弁
３    ポンプ流量制御弁
５    制御装置
10    油圧ショベル
12    荷重体としての作業装置
14    油圧シリンダとしてのブームシリンダ
【図１】
2009275776.tif 000003
【図２】
2009275776.tif 000004
【図３】
2009275776.tif 000005
【図４】
2009275776.tif 000006
【図５】
2009275776.tif 000007
【図６】
2009275776.tif 000008
【図７】
2009275776.tif 000009
【図８】
2009275776.tif 000010