DE112012005571T5 - Steuervorrichtung für Baumaschinen - Google Patents

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c/o Hitachi Ltd. Hoshino Masatoshi
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Abstract

Steuervorrichtung für eine Baumaschine, die umfasst: eine Systembetriebspunktberechnungseinheit (28), die eine Vielzahl von Kombinationen aus Motordrehzahl und Motordrehmoment berechnet, mit denen der Leistungsbedarf eines Motors (1) erzeugt werden kann, und die die Systemeffizienz für jede der Kombinationen gemäß dem Förderdruck einer Hydraulikpumpe (3) berechnet; eine Drehzahlberechnungseinheit (33), die die Zieldrehzahl des Motors als die Motordrehzahl in einer der Kombinationen aus Motordrehzahl, Motordrehmoment und Systemeffizienz berechnet, die von der Systembetriebspunktberechnungseinheit berechnet wird, die die gewünschte Systemeffizienz einschließt; und eine Verdrängungsberechnungseinheit (29), die die Zielverdrängung der Hydraulikpumpe auf der Basis der Zieldrehzahl, die von der Drehzahlberechnungseinheit berechnet wird, und des Durchflussmengenbedarfs der Hydraulikpumpe berechnet. Mit dieser Steuervorrichtung können der Motor und die Hydraulikpumpe bei einem Betriebspunkt gesteuert werden, bei dem die Effizienz des gesamten Systems hervorragend ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für eine Baumaschine, die mit einem Motor und einer Hydraulikpumpe, die mechanisch mit dem Motor verbunden ist, ausgestattet ist.
  • STAND DER TECHNIK
  • Herkömmliche Baumaschinen (Hydraulikbagger, Radlader, etc.), die ein Hydrauliksystem für das Antreiben von Hydraulikaktoren umfassen, sind üblicherweise mit einem großen Motor ausgestattet, der unter Vorausschätzung eines Maximallastbetriebs so ausgewählt ist, dass die Baumaschine alle Arten von Betriebsarten vom Niedriglastbetrieb bis zum Schwerlastbetrieb bewältigen kann. Der Volllastbetrieb bildet jedoch nur einen Teil aller Betriebsarten, die von einer Baumaschine durchgeführt werden, und eine derartige hohe Motorleistung kann zu viel sein oder schwierig zu handhaben sein, wenn die Last gering oder mittelgroß ist. Unter dem Aspekt der Kraftstoffeffizienz ist ein derartiger großer Motor demnach unerwünscht.
  • Es gibt inzwischen eine Technik für die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs ( JP-11-2144-A ). Diese Technik verringert den Kraftstoffverbrauch, indem der Motor zum Zwecke der Erhöhung der Kraftstoffeffizienz verkleinert wird, ein Hybridsystem eingebaut wird, das einen Motorgenerator für die Kompensation der Abnahme der Motorleistung umfasst, die durch das Verkleinern des Motors verursacht wird, und das Hybridsystem bei einem Betriebspunkt mit hoher Effizienz betrieben wird, indem eine variable Steuerung der Drehzahl des Motors mit Unterstützung der Leistungsabgabe durch den Motorgenerator, der ein schnelles Antwortverhalten bei der Leistungsabgabe zeigt, durchgeführt wird.
  • In Baumaschinen, die ein Hydrauliksystem umfassen, ist es wichtig, die „Kraftstoffeffizienz unter Betriebslast” (Kennzahl, die angibt, wie viel die Hydraulikaktoren leisten können, bezogen auf die Menge an zugeführtem Kraftstoff). Um die Kraftstoffeffizienz unter Betriebslast zu verbessern, reicht es nicht aus, den Motor bei seinem hocheffizienten Betriebspunkt betrieben; sowohl der Motor als auch die Hydraulikpumpe müssen bei Betriebspunkten betrieben werden, bei denen eine hervorragende Effizienz der gesamten Baumaschine erzielt wird.
  • Eine Technik, die dafür vorgesehen ist, dieses Problem zu lösen, ist in der Patentliteratur 2 vorgeschlagen worden. In der in JP-2009-74405-A beschriebenen Technik wird eine Zieldurchflussmenge der Hydraulikpumpe durch eine Zieldurchflussmengen-Berechnungseinheit auf der Basis der Betätigung des Hebels für die Betätigung der Hydraulikaktoren durch die Bedienperson berechnet. Eine Zieldrehzahl des Motors (erste Zieldrehzahl), die gemäß der Zieldurchflussmenge der Hydraulikpumpe berechnet wird, wird mit einer Zieldrehzahl verglichen, die anhand des Lastdrucks der Hydraulikpumpe und der Eingaben am Bedienhebel (vierte Zieldrehzahl) berechnet wird. Die Pumpeneffizienz und die Motoreffizienz zum Zeitpunkt hoher Last werden verbessert, indem die letztliche Zieldrehzahl auf die niedrigere Drehzahl eingestellt wird, die unter der ersten Zieldrehzahl und der vierten Zieldrehzahl ausgewählt wird.
  • In JP-2004-84470-A werden der Motor und die Hydraulikpumpe jeweils bei ihren hocheffizienten Betriebspunkten betrieben, indem zwischen dem Motor und der Hydraulikpumpe ein CVT-Getriebe (Continuously Variable Transmission) angeordnet wird.
  • LITERATUR ZUM STAND DER TECHNIK
  • PATENTLITERATUR
    • Patentliteratur 1: JP-11-2144-A
    • Patentliteratur 2: JP-2009-74405-A
    • Patentliteratur 3: JP-2004-84470-A
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE AUFGABE
  • In der Technik von JP-2004-84470-A muss ein CVT-Getriebe zwischen dem Motor und dem Motorgenerator und zwischen dem Motor und der Hydraulikpumpe angeordnet werden. Dies führt logischerweise zu einer Verkomplizierung des Antriebsstrangs (Motorantriebsstrang). Außerdem ist eine Erhöhung des Gesamtumfangs des Antriebsstrangs unvermeidbar, und die Baumaschine muss insgesamt große Abmessungen haben. Ferner nimmt der mechanische Verlust auf Grund der Anordnung der CVT-Getriebe zwischen den Elementen des Antriebsstrangs zu. Somit ergibt sich die Möglichkeit einer Abnahme der Effizienz des gesamten Systems.
  • In der Technik von JP-2009-74405-A erfolgt die Verbesserung der Effizienz der Hydraulikpumpe durch das Sicherstellen einer großen Pumpenverdrängung der Hydraulikpumpe mit variabler Verdrängung, anschließend wird die Zieldrehzahl auf einen Betriebspunkt eingestellt, bei dem die Motoreffizienz groß wird. Die Pumpeneffizienz wird jedoch nicht ausschließlich durch die Pumpenverdrängung bestimmt. 19 zeigt die Änderung der Pumpeneffizienz in Abhängigkeit von der Drehzahl in einem Fall, in dem die Pumpenverdrängung konstant gehalten wird. Wie sich aus 19 deutlich ergibt, nimmt bei Zunahme der Drehzahl der Pumpe die mechanische Effizienz auf Grund einer begleitenden Zunahme der Reibung etc. ab, und demzufolge sinkt die Gesamteffizienz der Pumpe (Produkt aus der mechanischen Effizienz und der Volumeneffizienz). Die Technik gemäß JP-2009-74405-A , nicht berücksichtigt eine derartige Abnahme der Gesamteffizienz der Hydraulikpumpe, die die Zunahme der Drehzahl begleitet, ist gleichwertig dazu, einfach den hocheffizienten Betriebspunkt des Motors allein unter der Bedingung einzustellen, dass die Zieldrehzahl der Pumpe und eine ausreichende Abflussmenge gewährleistet werden können, wenn die Hydraulikpumpe bei ihrer maximalen Verdrängung betrieben wird. Weiterhin kann es in Fällen, in denen der Motor deutlich verkleinert wird, um den Kraftstoffverbrauch zu senken, die Notwendigkeit, ein bestimmtes Leistungsniveau sicherzustellen, erforderlich machen, den Motor bei höheren Drehzahlen laufen zu lassen, verglichen mit dem herkömmlichen Motor, wie in 19 gezeigt wird. Dies führt zu der zuvor erwähnten Abnahme der Pumpeneffizienz.
  • Es ist daher die hauptsächliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuervorrichtung für Baumaschinen anzugeben, die imstande ist, mit eine einfachen Aufbau den Motor und die Hydraulikpumpe bei hocheffizienten Betriebspunkten zu steuern.
  • MITTEL ZUM LÖSEN DER AUFGABE
  • Zur Lösung der obigen Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung eine Steuervorrichtung für eine Baumaschine bereit, die mit einem Motor und einer Hydraulikpumpe mit variabler Verdrängung, die von dem Motor angetrieben wird, ausgerüstet ist, die umfasst: eine erste Betriebspunktberechnungseinheit, die eine Vielzahl von Kombinationen aus Motordrehzahl und Motordrehmoment berechnet, mit denen der Leistungsbedarf des Motors erzeugt werden kann, und die die Systemeffizienz berechnet, als das Produkt aus Energieeffizienz des Motors und Energieeffizienz der Hydraulikpumpe, für jede der Kombinationen gemäß dem Förderdruck der Hydraulikpumpe; eine Drehzahlberechnungseinheit, die die Zieldrehzahl des Motors als die Motordrehzahl in einer der Kombinationen aus Motordrehzahl, Motordrehmoment und Systemeffizienz berechnet, die von der ersten Betriebspunktberechnungseinheit berechnet wird, die die gewünschte Systemeffizienz einschließt; und eine Verdrängungsberechnungseinheit, die die Zielverdrängung der Hydraulikpumpe auf der Basis der Zieldrehzahl, die von der Drehzahlberechnungseinheit berechnet wird, und des Durchflussmengenbedarfs der Hydraulikpumpe berechnet.
  • WIRKUNG DER ERFINDUNG
  • Erfindungsgemäß können der Motor und die Hydraulikpumpe mit einem einfachen Aufbau bei Betriebspunkten gesteuert werden, bei denen die Effizienz des Gesamtsystems hervorragend ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein schematisches Blockdiagramm, dass den Gesamtaufbau eines Hydraulikantriebssteuersystems eines Hybrid-Hydraulikbaggers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 ist ein Diagramm, das eine Pumpenverdrängung-Pumpenförderdruck-Kennlinie eines in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendeten Reglers zeigt.
  • 3 ist ein schematisches Blockdiagramm, das den Gesamtaufbau einer Steuerung 8 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 4 ist ein schematisches Blockdiagramm, das ein Beispiel für den Aufbau einer Berechnungseinheit 21 für den Pumpendurchflussmengenbedarf zeigt.
  • 5 ist ein schematisches Blockdiagramm, das das Beispiel für den Aufbau der Berechnungseinheit 21 für den Pumpendurchflussmengenbedarf zeigt.
  • 6 ist eine erklärende Zeichnung, die einen Fall zeigt, in dem eine Bewertung des Betriebs eines Motorgenerators auf der Basis der Differenz zwischen einer restlichen elektrischen Energiemenge und einer restlichen elektrischen Zielenergiemenge zum Zeitpunkt der Steuerung vorgenommen wird.
  • 7 ist ein schematisches Diagramm, das eine Pumpeneffizienzkarte zeigt, die durch eine zweite Betriebspunkberechnungseinheit 27 erzeugt wurde.
  • 8 ist ein schematisches Diagramm, das eine Systemeffizienzkarte zeigt, die durch eine erste Betriebspunktberechnungseinheit 28 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde.
  • 9 ist eine schematische Darstellung, die den Unterschied hinsichtlich der Motorzieldrehzahl zwischen der vorliegenden Erfindung und einer herkömmlichen Technik zeigt.
  • 10 ist ein weiteres Diagramm, das die Systemeffizienzkarte zeigt, die durch die erste Betriebspunktberechnungseinheit 28 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde.
  • 11 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel für die Änderung der restlichen elektrischen Energiemenge in Bezug auf die restliche elektrische Zielenergiemenge zeigt.
  • 12 ist eine erklärende Zeichnung, die einen Fall zeigt, in dem die Motorzieldrehzahl durch einen bestimmten Bereich markiert wird.
  • 13 ist ein schematisches Diagramm, das den Gesamtaufbau einer Steuerung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 14 ist ein schematisches Diagramm, das eine Systemeffizienzkarte zeigt, die durch eine erste Betriebspunktberechnungseinheit 28 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde.
  • 15 ist ein schematisches Diagramm, das den Gesamtaufbau einer Steuerung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • 16 ist ein schematisches Diagramm, das eine Systemeffizienzkarte zeigt, die durch eine erste Betriebspunktberechnungseinheit 28 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde.
  • 17 ist ein schematisches Diagramm, das den Gesamtaufbau einer Steuerung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 18 ist ein schematisches Diagramm, das eine Systemeffizienzkarte zeigt, die durch eine erste Betriebspunktberechnungseinheit 28 gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde.
  • 19 ist ein schematisches Diagramm, das die Änderung der Pumpeneffizienz in Bezug auf die Drehzahl in einem Fall zeigt, in dem die Pumpenverdrängung konstant gehalten wird.
  • ERFINDUNGSGEMÄSSE AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden im Folgenden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben.
  • 1 ist ein schematisches Blockdiagramm, das den Gesamtaufbau eines Hydraulikantriebssteuersystems eines Hybrid-Hydraulikbaggers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das in 1 gezeigte Hydraulikantriebssteuersystem umfasst: einen Motor 1; einen Drehzahlregler 7, der die Kraftstoffeinspritzmenge des Motors 1 einstellt; einen Drehzahlsensor (Einrichtung für die Messung der tatsächlichen Drehzahl) 6, der die tatsächliche Drehzahl des Motors 1 misst; eine Hydraulikpumpe mit variabler Verdrängung 3 (im Folgenden wo erforderlich einfach als „Hydraulikpumpe 3” bezeichnet), die mechanisch mit dem Motor 1 verbunden ist und die durch den Motor 1 angetrieben wird; Hydraulikaktoren 5, die durch Hydrauliköl angetrieben werden, das von der Hydraulikpumpe mit variabler Verdrängung 3 abgegeben wird; eine Pilotpumpe 32, die durch den Motor 1 angetrieben wird; Betätigungshebel (Betätigungsvorrichtungen) 16 für das Steuern der Hydraulikaktoren 5 durch Senken des Drucks des Hydrauliköls, das von der Pilotpumpe 32 abgegeben wird, und Abgeben des Hydrauliköls mit gesenktem Druck an eine Ventilvorrichtung 4; einen Motorgenerator 2, der auf der Antriebswelle des Motors 1 angeordnet ist und den Antrieb der Hydraulikpumpe 3 durch den Motor 1 unterstützt oder der elektrische Energie erzeugt, indem er durch den Motor 1 angetrieben wird; eine elektrische Speichervorrichtung (elektrische Speichereinrichtung) 10 für die Speicherung von elektrischer Energie für das Antreiben des Motorgenerators 2; einen Regler 14, der in einer Vorrichtung für das Einstellen der Pumpenverdrängung (Pumpenverdrängungseinstellungseinrichtung) für die Einstellung der Verdrängung der Hydraulikpumpe 3 eingefügt ist; einen Wandler (Energieumwandlungsvorrichtung) 9, der den Motorgenerator 2 steuert und gleichzeitig die Übertragung von elektrischer Energie zwischen dem Motorgenerator 2 und der elektrischen Speichervorrichtung 10 steuert; eine Steuerung (Steuervorrichtung) 8, die die Motordrehzahl steuert, indem sie die Menge an eingespritztem Kraftstoff einstellt, indem sie den Drehzahlregler 7 steuert, während sie gleichzeitig das Drehmoment des Motorgenerators 2 durch Steuern des Wandlers 9 steuert; einen Motorsteuerungswähler (Vorrichtung für die Bestimmung der Motordrehzahl) 17 für die Bestimmung der Zieldrehzahl des Motors 1; und einen Betriebsartenwahlschalter (Vorrichtung zum Wechseln der Betriebsart) 19 für das Wechseln der Betriebsart (Leistungsbetriebsart, die der Arbeitsfähigkeit den Vorrang vor der Kraftstoffeffizienz gibt, Energiesparbetriebsart, die der Kraftstoffeffizienz den Vorrang vor der Arbeitsfähigkeit gibt, etc.) des Hydraulikbaggers.
  • Das Hydraulikantriebssteuersystem, das in 1 gezeigt wird, steuert den Betrieb aller Hydraulikaktoren 5, indem es zunächst das Hydrauliköl, das von der Hydraulikpumpe 3 abgegeben wird, an die Ventilvorrichtung 4 (die eine Vielzahl von Steuerungsventilen einschließt) liefert und dann das Hydrauliköl an jeden Hydraulikaktor 5 liefert, nachdem es die Ventilvorrichtung 4 die Durchflussmenge, die Richtung und/oder den Druck des Hydrauliköls richtig hat ändern lassen. Jedes Steuerventil in der Ventilvorrichtung 4 wird durch Hydrauliköl gesteuert, das von der Pilotpumpe 32 abgegeben worden ist und dessen Druck entsprechend der Betätigungsgröße durch einen entsprechenden Betätigungshebel 16 gesenkt worden ist. Die Betätigungsgröße jedes Betätigungshebels 16 kann gemessen werden, indem der Druck des Hydrauliköls gemessen wird, das von der Pilotpumpe 32 an die Ventilvorrichtung 4 (Steuerventil) abgegeben wird, wofür eine Druckmesseinrichtung, wie die Drucksensoren 18a und 18b (siehe 1), verwendet wird. Die Hydraulikaktoren 5, die in dem Hydraulikbagger dieser Ausführungsform installiert sind, schließen ein: Hydraulikzylinder (Auslegerzylinder, Armzylinder, Schaufelzylinder, etc.) für das Betreiben eines Multi-Joint-Frontarbeitsgerätes, die an der Vorderseite einer oberen Schwenkstruktur des Hydraulikbaggers befestigt sind, einen Hydraulikmotor (Schwenkmotor) zum Schwenken (Drehen) der oberen Schwenkstruktur, Hydraulikmotoren (Fahrmotoren) für das Fortbewegen eines unteren Konstruktionsaufbaus, der unter der oberen Schwenkstruktur angeordnet ist, und so weiter. Diese Hydraulikaktoren werden gemeinsam als der „HYDRAULIKAKTOR 5” in 1 bezeichnet.
  • Die Drehzahlsteuerung des Motors 1 erfolgt über die Steuerung der Menge an eingespritztem Kraftstoff mit Hilfe des Drehzahlreglers 7. Die Hydraulikpumpe 3 ist mit einer Einrichtung für das Erfassen von Informationen ausgerüstet, die für die Berechnung der Last auf der Hydraulikpumpe 3 erforderlich sind (Erfassungseinrichtung für Pumpeninformationen 21). Die Erfassungseinrichtung 21 für Pumpeninformationen schließt einen Drucksensor 22 (Druckerfassungseinrichtung) für die Messung des Drucks des Hydrauliköls, das von der Hydraulikpumpe abgegeben wird, einen Durchflussmengensensor (Durchflussmengenerfassungseinrichtung) für die Messung der Durchflussmenge an Hydrauliköl, und einen Winkelsensor (Winkelerfassungseinrichtung) für die Messung des Kippwinkels der Hydraulikpumpe 3 ein. Der Drucksensor 22, der Durchflussmengensensor und der Winkelsensor geben die erfassten Werte (Sensorwerte) an die Steuerung 8 ab.
  • Der Regler 14 und ein elektromagnetisches Proportionalventil 15 bilden eine Einstellvorrichtung für die Pumpenverdrängung zum Einstellen der Verdrängung der Hydraulikpumpe 3 auf der Basis eines Betriebssignals, das von der Steuerung 8 abgegeben wird. Der Regler 14 ist für die Hydraulikpumpe 14 vorgesehen. Wenn der Kippwinkel Taumelscheibe/Welle der Hydraulikpumpe 3 durch den Regler 14 eingestellt wird, ändert sich die Verdrängung (Verdrängungsvolumen) der Hydraulikpumpe 3, wodurch das Aufnahmedrehmoment (Eingangsdrehmoment) der Hydraulikpumpe 3 gesteuert werden kann (Pumpenaufnahmedrehmomentsteuerung). Der Regler 14 wird in dieser Ausführungsform durch einen Steuerungsdruck gesteuert, der durch das elektromagnetische Proportionalventil 15 erzeugt wird. Das elektromagnetische Proportionalventil 15 arbeitet einem Sollwert entsprechend, der von der Steuerung 8 ausgegeben wird.
  • Der Regler 14 in dieser Ausführungsform steuert beispielsweise die Verdrängung der Hydraulikpumpe 3 entsprechend einer Steuerkennlinie in dem Diagramm, das in 2 gezeigt wird. 2 ist ein Diagramm, das die Steuerkennlinie der Pumpenaufnahmedrehmomentsteuerung durch den Regler 14 gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die polygonale Linie 31A in 2 zeigt die Kennlinie der Verdrängung der Hydraulikpumpe 3, die entsprechend dem Förderdruck der Hydraulikpumpe 3 eingestellt wird. Die Kennlinie ist so festgelegt worden, dass das Drehmoment der Hydraulikpumpe 3 (Produkt aus Pumpenverdrängung und Pumpenförderdruck) innerhalb des Maximalwertes der Gesamtleistung von Motor 1 und Motorgenerator 2 im Wesentlichen konstant bleibt (hyperbolische Kurve (konstante Drehmomentlinie), die durch die gestrichelte Linie in 2 wiedergegeben wird). Auf diese Weise kann das Drehmoment der Hydraulikpumpe 3 so gesteuert werden, dass es nicht die Maximalleistung des Motors 1 und des Motorgenerators 2 nicht übersteigt, indem die Verdrängung der Hydraulikpumpe 3 durch Verwendung der polygonalen Linie 31A gemäß dem Pumpenförderdruck zu jedem Zeitpunkt eingestellt wird. Wenn der Pumpenförderdruck bei P1 oder darunter liegt, wird die Pumpenaufnahmedrehmomentsteuerung nicht durchgeführt, und die Pumpenverdrängung wird durch die Betätigungsgröße des Betätigungshebels für das Betreiben der Steuerventile der Ventilvorrichtung 4 bestimmt (erreicht den Wert q1, wenn beispielsweise die Betätigungsgröße eines beliebigen Betätigungshebels bei ihrem Maximalwert ist). Im Gegensatz dazu führt der Regler 14 die Pumpen-Aufnahmedrehmoment-Steuerung durch, wenn der Pumpenförderdruck in den Bereich von P1 bis P2 eintritt. In diesem Fall wird der Pumpenkippwinkel durch den Regler 14 so gesteuert, dass die Pumpenverdrängung entlang der polygonalen Linie 31A bei Zunahme des Pumpenförderdrucks abnimmt, wodurch das Pumpen-Aufnahmedrehmoment so gesteuert wird, dass es innerhalb des durch die polygonale Linie 31A spezifizierten Drehmoments bleibt. Im Übrigen stellt P2 den Maximalwert des Pumpenförderdrucks dar, der übereinstimmt mit dem voreingestellten Druck eines Überdruckventils, das mit dem Kreislauf in einem Teil der Ventilvorrichtung 4 auf der Seite der Hydraulikpumpe 3 verbunden ist. Der Pumpenförderdruck steigt nicht über diesen Wert an.
  • Während in diesem Beispiel die polygonale Linie 31A, die aus einer Kombination zweier gerader Linien gebildet wird, als Steuerungskennlinie für die Hydraulikpumpen-Aufnahmedrehmoment-Steuerung verwendet wird, können andere Steuerungskennlinien ebenfalls verwendet werden, solange sich die Kennlinie innerhalb der Linie mit konstantem Drehmoment (hyperbolische Kurve) befindet, die in 2 gezeigt wird.
  • Die Steuerung 8 gibt das Betriebssignal (elektrisches Signal), das auf der Basis des Aufnahmedrehmoments der Hydraulikpumpe 3 erzeugt wird, an das elektromagnetische Proportionalventil 15 aus. Das elektromagnetische Proportionalventil 15 treibt den Regler 14 an, indem es einen Steuerungsdruck erzeugt, der dem Betriebssignal entspricht. Dementsprechend wird die Verdrängung der Hydraulikpumpe 3 durch den Regler 14 geändert, und das Aufnahmedrehmoment der Hydraulikpumpe wird innerhalb eines Bereichs eingestellt, in dem es zu keinem Abwürgen des Motors kommt.
  • Die elektrische Speichervorrichtung 10 (ausgeführt in Form eines Akkumulators oder eines Kondensators) ist mit einem Stromsensor 11, einem Spannungssensor 12 und einem Temperatursensor 13 als Einrichtungen für das Erfassen der Informationen ausgerüstet, die für die Berechnung der restlichen elektrischen Energiemenge in der elektrischen Speichervorrichtung 10 (Erfassungseinrichtung für elektrische Speicherinformation) erforderlich sind. Die Steuerung 8 verwaltet die restliche elektrische Energiemenge der elektrische Speichervorrichtung 10, indem eine Berechnungseinheit 25 für die restliche elektrische Energiemenge (wird später erklärt) die restliche elektrische Energiemenge der elektrischen Speichervorrichtung 10 auf der Basis der Informationen wie Strom, Spannung und Temperatur, die durch die Sensoren 11, 12 und 13 gemessen werden, berechnet.
  • 3 ist ein schematisches Blockdiagramm, das den Gesamtaufbau der Steuerung 8 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Einzelteile in 3, die mit Einzelteilen in vorhergehenden Figuren identisch sind, werden die bereits verwendeten Bezugszeichen zugeordnet, und eine erneute Erklärung dieser Teile wird unterlassen (Gleiches gilt für die nachfolgenden Figuren).
  • Die in 3 gezeigte Steuerung berechnet Befehlswerte für den Motor 1, den Motorgenerator 2 und die Hydraulikpumpe 3. Die Steuerung 8 schließt ein: eine Berechnungseinheit 21 für den Pumpendurchflussmengenbedarf, eine Pumpenleistungs-Berechnungseinheit 23, eine Hilfsleistungs-Berechnungseinheit 24, eine Berechnungseinheit 25 für die restliche elektrische Energiemenge, eine Motorleistungsbedarf-Berechnungseinheit 26, eine Systembetriebspunkt-Berechnungseinheit 28 (erste Betriebspunktberechnungseinheit), eine Pumpenbetriebspunkt-Berechnungseinheit 27 (zweite Betriebspunktberechnungseinheit), eine Verdrängungsberechnungseinheit 29, eine Drehzahlberechnungseinheit 33 und eine Hilfsleistungskorrektureinheit 34. Die Steuerung 8 umfasst eine arithmetische Verarbeitungseinheit für die Ausführung verschiedener Verarbeitungsprogramme gemäß der vorliegenden Erfindung (z. B. CPU), eine Speichereinheit für das Speichern verschiedener Daten wie der Verarbeitungsprogramme (z. B. ROM und/oder RAM) etc. (nicht gezeigt) als Hardware-Konfiguration.
  • Diese Ausführungsform zielt darauf ab, die Systemeffizienz (auch unter Berücksichtigung der Arbeitslast der Aktoren 5) in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch des Motors 1 zu verbessern, indem der Motor 1 und die Hydraulikpumpe 3 gesteuert werden und indem sie bei einem geeigneten Betriebspunkt (Drehzahl) betrieben werden.
  • Der Kraftstoffverbrauch des Motors 1 (Motoreffizienz) ändert sich in Abhängigkeit von der Drehzahl und dem Drehmoment während des Betriebs. Währenddessen ändert sich die Effizienz der Hydraulikpumpe 3 (Pumpeneffizienz) in Abhängigkeit von der Drehzahl, der Pumpenverdrängung und des Pumpenförderdrucks während des Betriebs. Da die Drehzahl, bei der eine hohe Motoreffizienz erzielt wird, nicht notwendigerweise mit der Drehzahl übereinstimmt, bei der eine hohe Effizienz der Hydraulikpumpe erzielt wird, wird mit dem Einstellen des Zielbetriebspunktes (Zieldrehzahl) auf eine Drehzahl, bei der die höchste Effizienz entweder des Motors 1 oder der Hydraulikpumpe 3 erzielt wird, nicht notwendiger die beste (höchste) Systemeffizienz erzielt. Weiterhin ändert sich bei Baumaschinen, wie einem Hydraulikbagger, der optimale Betriebspunkt fortlaufend, denn der Förderdruck der Pumpe ändert sich deutlich innerhalb kurzer Zeit, und die Effizienz der Hydraulikpumpe 3 ändert sich entsprechend dem Förderdruck deutlich.
  • Daher berechnet die Steuerung 8 in dieser Ausführungsform fortlaufend einen geeigneten Zielwert für die Drehzahl entsprechend dem Drehmoment (Leistung), der Pumpenverdrängung und dem Pumpenförderdruck (Faktoren, die die Systemeffizienz beeinflussen) und führt die Steuerung des Motors 1 und der Hydraulikpumpe 3 auf der Basis der berechneten Zieldrehzahl durch.
  • Die Berechnungseinheit 21 für den Pumpendurchflussmengenbedarf ist ein Bauteil für die Durchführung eines Verfahrens zur Berechnung der Durchflussmenge der Hydraulikpumpe, die erforderlich ist, um die Arbeitsgänge der Hydraulikaktoren sicherzustellen, die von der Bedienperson beabsichtigt sind (Durchflussmengenbedarf oder angeforderte Durchflussmenge).
  • Die 4 und 5 sind schematische Blockdiagramme, die ein Beispiel für den Aufbau der Berechnungseinheit 21 für den Pumpendurchflussmengenbedarf zeigt. Die in den 4 und 5 gezeigte Berechnungseinheit 21 für den Pumpendurchflussmengenbedarf berechnet den Durchflussmengenbedarf der Hydraulikpumpe 3 auf der Basis des Leistungsbedarfs (angeforderte Leistung) der Hydraulikpumpe 3, der von einer Berechnungseinheit 23A für den Pumpenleistungsbedarf berechnet wird, und des Förderdrucks der Hydraulikpumpe 3, der von dem Drucksensor 22 erfasst wird. 4 zeigt einen Fall, in dem der Pumpenleistungsbedarf 45b, der von der Berechnungseinheit 23A für den Pumpenleistungsbedarf berechnet wird, innerhalb eines Grenzwertes 45a liegt (der der polygonalen Linie 31A entspricht, die in 2 gezeigt wird), während 5 einen Fall zeigt, in dem der Pumpenleistungsbedarf 45c größer als der Grenzwert 45a ist. Im Übrigen dienen die Reglerkennlinien, die in den Figuren gezeigt werden, für das Begrenzen des Drehmoments, wie in 2 gezeigt, während die Steuerung in der Größe der Durchflussmenge (= Verdrängung × Drehzahl) ausgeführt wird. Somit wird die Reglerkennlinie in 4 als Pumpenleistung (= Drehmoment × Drehzahl) angegeben, um die Größe zu vereinheitlichen.
  • Eingabewerte in die Berechnungseinheit 23A für den Pumpenleistungsbedarf sind die Zieldrehzahl des Motors 1, die durch den Motorsteuerungswähler 17 bestimmt wird, die Art des Betriebsmodus, die durch den Betriebsartwahlschalter 19 bestimmt wird, und die Betätigungsgrößen der Betätigungshebel 16 (Betätigungshebelbetätigungsgrößen). In dieser Ausführungsform wird eine Bedienhebelbetriebsgröße aus den Messwerten der Drucksensoren 18a und 18b bestimmt. Die Berechnungseinheit 23A für den Pumpenleistungsbedarf bewertet, wie groß die Betriebslast ist, die vom Bediener angenommen wird, auf der Basis des Betriebsmodus und der Motordrehzahl, die von der Bedienperson eingestellt werden, und legt (berechnet) vorab die Pumpenleistung fest, von der erwartet wird, dass sie benötigt werden wird (Pumpenleistungsbedarf), auf der Basis der Bewertung und der Betätigungshebelbetätigungsgrößen. In diesem Fall nimmt der berechnete Wert für den Pumpenleistungsbedarf zu, wenn der Motorsteuerungswähler 17 auf einen relativ großen Wert eingestellt wird, der Betriebsmodus der Leistungsbetriebsmodus ist und die Betätigungshebelbetätigungsgröße ist relativ groß. Umgekehrt nimmt der berechnete Wert für den Pumpenenergiebedarf ab, wenn der Motorsteuerungswähler 17 auf einen relativ kleinen Wert eingestellt wird, der Betriebsmodus der Energiesparmodus ist und die Betätigungshebelbetätigungsgröße relativ klein ist.
  • Die Berechnungseinheit 21 für den Pumpendurchflussmengenbedarf vergleicht den Energiebedarf, der von der Berechnungseinheit 23A für den Pumpenenergiebedarf berechnet wird, mit dem Energiegrenzwert 45a, der auf der Basis der Reglerkennlinie der Hydraulikpumpe 3 eingestellt wird. Wenn der Energiebedarf innerhalb des Grenzwerts 45a liegt, berechnet die Berechnungseinheit 21 für den Pumpendurchflussmengenbedarf den Durchflussmengenbedarf, indem der Leistungsbedarf durch den Förderdruck geteilt wird, der von dem Drucksensor 22 erfasst wird. Wenn umgekehrt der Leistungsbedarf größer als der Grenzwert 45a ist, berechnet die Berechnungseinheit 21 für den Pumpendurchflussmengenbedarf den Durchflussmengenbedarf, indem der Grenzwert 45a durch den Förderdruck geteilt wird. Somit repräsentiert im Fall von 4 der Schnittpunkt des Pumpenleistungsbedarfs (angegeben durch die konstante Leistungslinie 45b) und des Pumpenförderdrucks Pd1, der von dem Drucksensor 22 gemessen wird, den Durchflussmengenbedarf Q1. Im Gegensatz dazu ist im Fall von 5 der Pumpenleistungsbedarf, der durch die Linie 45c konstanter Leistung angegeben wird, größer als der Grenzwert 45a, und somit repräsentiert der Schnittpunkt des Grenzwertes 45a und des Pumpenförderdrucks Pd2 den Durchflussmengenbedarf (angeforderte Durchflussmenge) Q2. In dem Fall von 5 wird der Betrieb des Hydraulikaktors 5 schleppend auf Grund der nicht ausreichenden Versorgung mit Energie. Das Abwürgen und das Aussetzen des Motors können aber dank der Verhinderung einer übermäßigen Motorlast vermieden werden. Im Übrigen stellt die Einrichtung für die Berechnung des Pumpendurchflussmengenbedarfs in den 4 und 5 nur ein Beispiel dar; das Verfahren zur Berechnung des Pumpendurchflussmengenbedarfs ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt.
  • Zur 3 zurückkehrend stellt die Pumpenleistungs-Berechnungseinheit 23 einen Teil für die Durchführung eines Verfahrens zur Berechnung der effektiven Pumpenleistung dar, die von der Hydraulikpumpe abgegeben wird. Die tatsächliche Pumpenleistung kann beispielsweise berechnet werden, indem der Pumpenförderdruck (erfasst durch den Drucksensor 22) mit der Pumpenförderdurchflussmenge (erfasst durch den Durchflusssensor) multipliziert wird. Es ist außerdem möglich, den Wert, der von der Berechnungseinheit 23A für den Pumpenleistungsbedarf berechnet wird (Pumpenleistungsbedarf), die in den 4 und 5 gezeigt wird, anstelle der effektiven Pumpenleistung zu verwenden. In diesem Fall der Verwendung des Pumpenleistungsbedarfs erfolgt die Steuerung mit Hilfe der Vorsteuerung (feed-forward control), und somit nimmt die Wahrscheinlichkeit einer schnellen Ausführung des beabsichtigten Arbeitsgangs zu. Somit kann die Funktionsfähigkeit verbessert werden.
  • Die Hilfsleistungsberechnungseinheit 24 ist ein Bauteil für die Durchführung eines Verfahrens zur Berechnung der Leistung, die effektiv von dem Motorgenerator 2 abgegeben wird. Die Hilfsleistung kann beispielsweise anhand des Produkts aus der Drehzahl des Motorgenerators 2 und des Drehmoments zu diesem Zeitpunkt berechnet werden. Ähnlich wie bei der Berechnung durch die Berechnungseinheit 23 für die Pumpenleistung ist es auch möglich, den Hilfsleistungsbedarf (die angeforderte Hilfsleistung) anhand des Produkts aus Zieldrehzahl des Motorgenerators 2 und Zielwert des Drehmoments zu berechnen und den Hilfsleistungsbedarf (die angefordert Hilfsleistung) anstelle der Hilfsleistung zu verwenden. Für die nachfolgenden Prozesse wird angenommen, dass das Vorzeichen der Hilfsleistung positiv ist, wenn der Motorgenerator 2 als Motor läuft, und dass es negativ ist, wenn der Motorgenerator 2 als Generator arbeitet.
  • Die Beurteilung, ob der Motorgenerator 2 als Motor oder als Generator betrieben werden sollte, und des Absolutwertes der Leistung, die von dem Motorgenerator 2 erzeugt werden soll, erfolgt auf der Basis der restlichen elektrischen Energiemenge der elektrischen Speichervorrichtung 10, die durch die Berechnungseinheit 25 für die restliche elektrische Energiemenge berechnet wird. Diese Beurteilung kann entweder auf der Basis der restlichen elektrischen Energiemenge zum Zeitpunkt der Steuerung oder auf der Basis der Differenz zwischen der restlichen elektrischen Energiemenge und einer restlichen elektrischen Zielenergiemenge zum Zeitpunkt der Steuerung erfolgen.
  • 6 ist eine erklärende Zeichnung, die einen Fall zeigt, in dem die Beurteilung des Betriebs des Motorgenerators 2 (Motorbetrieb/Generatorbetrieb) auf der Basis der Differenz zwischen der restlichen elektrischen Energiemenge und der restlichen elektrischen Zielenergiemenge zum Zeitpunkt der Steuerung erfolgt. In 6 werden die Betriebsstunden an einem Tag vorab als angenommenen Betriebsstunden angesetzt. Es wird angenommen, dass die elektrische Energie in den angenommen Betriebsstunden aufgebraucht wird (bis die Spannung der elektrischen Speichervorrichtung 10 auf eine Endspannung sinkt). Die Energieerzeugung erfolgt vorzugsweise, wenn die tatsächliche restliche elektrische Energiemenge zu einem bestimmten Zeitpunkt niedriger ist als die restliche elektrische Zielenergiemenge zu diesem Zeitpunkt. Umgekehrt wird die Motorunterstützung vorzugsweise durchgeführt, wenn die effektive restliche Energiemenge größer als die restliche elektrische Zielenergiemenge ist. Im Übrigen ist das oben beschriebene Management der restlichen elektrischen Energiemenge unter Berücksichtigung der restlichen elektrischen Zielenergiemenge unter Annahme der Betriebsstunden besonders gut brauchbar in Baumaschinen, bei denen ein Akkumulator in der elektrischen Speichervorrichtung 10 angeordnet ist und die einen Aufbau aufweisen, die imstande ist, die Elektrizität (elektrische Energie) bis zum maximalen Niveau zu speichern, bevor die Arbeit/der Betrieb startet (z. B. Plug-in-Hybrid-System).
  • Die Berechnungseinheit 25 für die restliche elektrische Energiemenge ist ein Teil für die Durchführung des Verfahrens zur Berechnung der restlichen elektrischen Energiemenge der elektrischen Speichervorrichtung 10. Die restliche elektrische Energiemenge kann beispielsweise auf der Basis der Informationen (Strom, Spannung, Temperatur etc.) berechnet werden, die von den Sensoren 11, 12 und 13 erfasst werden.
  • Die Systembetriebspunkt-Berechnungseinheit (erste Betriebspunktberechnungseinheit) 28 ist ein Bauteil für die Durchführung eines Verfahrens zur Berechnung einer Vielzahl von Kombinationen von Motordrehzahl und Motordrehmoment (Betriebspunkte), mit denen der Leistungsbedarf des Motors 1 erzeugt werden kann, und weiterhin zur Berechnung der Systemeffizienz in jeder der Kombinationen auf der Basis des Förderdrucks der Hydraulikpumpe 3. Hier wird unter „Systemeffizienz” die Energieeffizienz des Gesamtsystems verstanden, die erhalten wird, indem die Energieeffizienz des Motors 1 mit der Energieeffizienz der Hydraulikpumpe 3 multipliziert wird. Der Leistungsbedarf des Motors 1 (die vom Motor angeforderte oder benötigte Leistung) ist die Nutzleistung (Lastenleistung), gesehen vom Motor 1. Der Leistungsbedarf des Motors 1 wird auf der Basis des Leistungsbedarfs der Hydraulikpumpe 3 etc. bestimmt, was weiter unten erklärt wird.
  • In dieser Ausführungsform wird die Effizienz der Hydraulikpumpe 3 entsprechend dem Durchflussmengenbedarf und dem Förderdruck der Hydraulikpumpe 3 zunächst mit Hilfe der Berechnungseinheit 27 für den Pumpenbetriebspunkt (zweite Betriebspunkt-Berechnungseinheit) berechnet. Anschließend wird die Systemeffizienz auf der Basis der berechneten Effizienz der Hydraulikpumpe 3 und der Effizienz des Motors 1 für jede Kombination von Motordrehzahl und Motordrehmoment durch die Systembetriebspunkt-Berechnungseinheit 28 berechnet. Durch die wie weiter oben dargestellte Berechnung der Systemeffizienz nach der Berechnung der Pumpeneffizienz bei einem bestimmten Förderdruck kann der Rechenaufwand der Steuerung 8 verringert werden, so dass die Leistungsfähigkeit, die von der Hardware-Konfiguration der Steuerung 8 benötigt wird, gesenkt werden kann. In Fällen, in denen es keine Einschränkung hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der Hardware-Konfiguration der Steuerung 8 gibt, ist es möglich, die Berechnung durch die Pumpenbetriebspunkt-Berechnungseinheit 27 wegzulassen und die Kombination von Motordrehzahl, Motordrehmoment und Systemeffizienz aus dem Motorleistungsbedarf allein unter Verwendung der Systembetriebspunkt-Berechnungseinheit 28 zu berechnen.
  • Als Nächstes wird der Ablauf der Berechnung durch die Pumpenbetriebspunkt-Berechnungseinheit 27 und die Systembetriebspunkt-Berechnungseinheit 28 der vorliegenden Ausführungsform erklärt. Zunächst führt die Pumpenbetriebspunkt-Berechnungseinheit 27 ein Verfahren zur Berechnung einer Vielzahl von Kombinationen aus Pumpendrehzahl und Pumpenverdrängung (Betriebspunkte), mit denen der Durchflussmengenbedarf der Hydraulikpumpe 3 erzeugt werden kann, und zur Berechnung der Energieeffizienz der Hydraulikpumpe 3 in jeder der Kombinationen auf der Basis des Förderdrucks der Hydraulikpumpe 3 durch.
  • 7 ist ein schematische Darstellung, die eine Pumpeneffizienzkarte zeigt, die durch die Pumpenbetriebspunkt-Berechnungseinheit 27 erzeugt wurde. Die Pumpeneffizienzkarte, die in 7 gezeigt wird, weist Achsen auf, die die Pumpendrehzahl und die Pumpenverdrängung repräsentieren. Die Pumpeneffizienz, die jeder Kombination von Drehzahl und Verdrängung entspricht, wird durch eine Isolinie 51 angezeigt. Die Form der Pumpeneffizienz-Isolinie ändert sich in Abhängigkeit vom Pumpenförderdruck. Dies liegt daran, dass sich die Effizienz der Hydraulikpumpe 3 in Abhängigkeit vom Pumpenförderdruck ändert.
  • Der Pumpendurchflussmengenbedarf, der durch die Berechnungseinheit 21 für den Pumpendurchflussmengenbedarf berechnet wird, wird als Linie mit konstanter Durchflussmenge in der Pumpeneffizienzkarte angezeigt. Der Pumpendurchflussmengenbedarf wird präzise als eine Reziprokwert-Kurve in der Pumpeneffizienzkarte angezeigt, wie dies in 7 gezeigt wird, denn die Pumpendurchflussmenge ist das Produkt aus Drehzahl und Pumpenverdrängung. Wenn also eine Linie (Kurve) konstanter Durchflussmenge, die dem Durchflussmengenbedarf der Hydraulikpumpe 3 entspricht, in der Pumpeneffizienzkarte angezeigt wird, stellen die Koordinaten eines Punkts auf der Kurve eine Kombination aus Pumpendrehzahl und Pumpenverdrängung dar, mit der der Durchflussmengenbedarf der Hydraulikpumpe 3 erzeugt werden kann. In einem Fall, in dem beispielsweise der Pumpendurchflussmengenbedarf bei 200 l/min liegt und in dem die Zieldrehzahl in Schritten von 250 Umdrehungen/Minute in einem Bereich von einer minimalen Drehzahl von 1000 U/min bis zu einer maximalen Drehzahl von 2000 U/min gesucht wird, werden fünf Kombinationen von Drehzahl und Pumpenverdrängung (1000 U/min, 200 ml/U), (1250 U/min, 160 ml/U), ..., (2000 U/min, 111 ml/U) gefunden, und die Pumpeneffizienz bei jedem Betriebspunkt kann anhand der Effizienzkarte zu ηp1–ηp5 ermittelt werden.
  • Die Motorleistungsbedarf-Berechnungseinheit 26 ist ein Bauteil für die Durchführung eines Verfahrens zur Berechnung des Leistungsbedarfs des Motors. Der Motorleistungsbedarf wird in dieser Ausführungsform ermittelt, indem der Ausgabewert der Hilfsleistungs-Berechnungseinheit 24 (Hilfsleistung) von dem Ausgabewert der Pumpenleistungs-Berechnungseinheit 23 (Pumpenleistung) subtrahiert wird (d. h. Motorleistungsbedarf = Pumpenleistung – Hilfsleistung). Im Übrigen wird der Ausgabewert der Hilfsleistungs-Berechnungseinheit 24 als ein positiver Wert angegeben, wenn der Motorgenerator 2 die Motorunterstützung ausübt, und er wird als ein negativer Wert angegeben, wenn der Motorgenerator 2 die Leistungserzeugung ausübt.
  • Die Systembetriebspunkt-Berechnungseinheit 28 berechnet eine Vielzahl von Kombinationen aus Motordrehzahl, Motordrehmoment und Systemeffizienz, die imstande sind, den Pumpendurchflussmengenbedarf bereitzustellen, der durch die Berechnungseinheit 21 für den Pumpendurchflussmengenbedarf ermittelt wird, basierend auf den Kombinationen aus Pumpendrehzahl, Pumpenverdrängung und Pumpeneffizienz, die durch die Pumpenbetriebspunkt-Berechnungseinheit 27 ermittelt werden/wird, dem Motorleistungsbedarf, der durch die Motorleistungsbedarf-Berechnungseinheit 26 ermittelt wird, und der restlichen elektrischen Energiemenge, die durch die Berechnungseinheit 25 für die restliche elektrische Energiemenge ermittelt wird.
  • 8 ist ein schematisches Diagramm, das eine Systemeffizienzkarte zeigt, die von der Berechnungseinheit 28 für Systembetriebspunkte erzeugt wurde. Die Systemeffizienzkarte, die in 8 gezeigt wird, weist Achsen auf, die die Motordrehzahl und das Motordrehmoment repräsentieren. Die Systemeffizienz, die jeder Kombination aus Drehzahl und Drehmoment entspricht, wird durch eine Isolinie 71 wiedergegeben. Die Systemeffizienz, die in 8 gezeigt wird, wird berechnet, indem die Pumpeneffizienz bei jeder Drehzahl (berechnet von der Pumpenbetriebspunkt-Berechnungseinheit 27) mit der Motoreffizienz multipliziert wird, die aus einer Effizienzkarte (oder einer konstanten Kraftstoffeffizienzkarte) von Motor 1 erhalten wird, die zuvor in der Speichereinheit der Steuerung 8 oder dergleichen gespeichert wurde. Da sich die Pumpeneffizienz wie oben angegeben mit Änderung des Pumpenförderdrucks ändert, ändert sich auch die in 8 gezeigte Systemeffizienz in Abhängigkeit vom Pumpenförderdruck, das heißt die Position des Auges (Bereich, der von der Isolinie mit der höchsten Effizienz wiedergegeben wird) in der Karte wandert in Abhängigkeit vom Förderdruck.
  • Im Übrigen können die Pumpenleistung, die von der Pumpenleistungs-Berechnungseinheit 23 berechnet wird, die Hilfsleistung, die von der Hilfsleistungs-Berechnungseinheit 24 berechnet wird, und der Motorleistungsbedarf, der von der Motorleistungsbedarf-Berechnungseinheit 26 berechnet wird, in der Systemeffizienzkarte als konstante Leistungslinien angegeben werden, da die Leistung das Produkt aus Drehzahl und Drehmoment ist. Es wird hier angenommen, dass die Zieldrehzahl in Schritten von 250 U/min (ähnlich dem Fall der Pumpenbetriebspunkt-Berechnungseinheit 27) in 8 gesucht wird, dass sich der Motorgenerator 2 in dem Zustand befindet, in dem er die Hilfsleistung erzeugt, und dass die Pumpenleistung, die Hilfsleistung und der Motorleistungsbedarf 80 kW, 20 kW bzw. 60 kW betragen (Differenz zwischen der Pumpenleistung und der Hilfsleistung (80 kW – 20 kW)). In diesem Fall kann die Pumpenleistung (80 kW) durch die gestrichelte Linie in 8 wiedergegeben werden, und der Motorleistungsbedarf (60 kW) kann durch die durchgezogene Linie 73a in 8 wiedergegeben werden. Somit ist die Kombination, die schließlich zu nehmen ist, unter den Koordinatenkombinationen aller Punkte auf der Kurve 73a vorhanden, die den Motorleistungsbedarf (Motordrehzahl, Motordrehmoment) und die Systemeffizienz entsprechend für alle Punkte repräsentieren.
  • Die Drehzahl-Berechnungseinheit 33 ist ein Bauteil für die Durchführung eines Verfahrens zur Ermittlung der Motordrehzahl, die in einer der Kombinationen (aus Motordrehzahl, Motordrehmoment und Systemeffizienz) enthalten ist, die von der Systembetriebspunkt-Berechnungseinheit 28 berechnet werden, die die gewünschte Systemeffizienz als Zieldrehzahl des Motors 1 einschließt. Mit anderen Worten führt die Drehzahl-Berechnungseinheit 33 ein Verfahren zum Auswählen eines Punktes durch, der von den Punkten auf der Kurve 73a, die in 8 gezeigt wird, die gewünschte Systemeffizienz aufweist. In dem Fall, in dem in dem Beispiel von 8 der Punkt mit der besten (höchsten) Systemeffizienz ausgewählt wird, wird somit eine Drehzahl von „1500 U/min”, die durch den Punkt repräsentiert wird, der sich am nächsten beim Auge der Effizienzkarte befindet, als Zieldrehzahl ermittelt. Die Steuerung 8 steuert den Motor 1 dann unter Verwendung von 1500 U/min als Zieldrehzahl.
  • Die Verdrängungs-Berechnungseinheit 29 ist ein Bauteil für die Durchführung eines Verfahrens zur Berechnung einer Zielverdrängung der Hydraulikpumpe 3 auf der Basis der Zieldrehzahl, die von der Drehzahl-Berechnungseinheit 33 berechnet wird, und des Durchflussmengenbedarfs der Hydraulikpumpe 3, der von der Durchflussmengenbedarf-Berechnungseinheit 21 berechnet wird. Nochmals auf die 7 bezugnehmend ergibt sich eine Zielverdrängung von „133 ml/U”, denn die Pumpenverdrängung entspricht einen Wert von 133 ml/U, wenn die Zieldrehzahl 1500 U/min beträgt. Demgemäß steuert die Steuerung 8 den Regler 14 (elektromagnetisches Proportionalventil 15) so, dass die Pumpenverdrängung einem Wert von 133 ml/U entspricht.
  • Mit der Steuerungsvorrichtung für die Baumaschine gemäß dieser Ausführungsform, die wie oben konfiguriert ist, können der Motor und die Hydraulikpumpe bei einem Betriebspunkt gesteuert werden, bei dem die Effizienz des Gesamtsystems hervorragend (hoch) ist, denn die Motorzieldrehzahl kann auf der Basis der Systemeffizienz-Kennlinie (der Effizienzkarte, die in 7 gezeigt wird) ermittelt werden, die anhand von Pumpeneffizienz und Motoreffizienz bei einem bestimmten Förderdruck berechnet wird. Daher kann die Effizienz des Gesamtsystems verbessert werden, verglichen mit dem Fall, in dem die Zieldrehzahl ausschließlich unter Berücksichtigung der Motoreffizienz (wie in der Technik, die in JP-2009-74405-A beschrieben wird) berechnet wird. Mit anderen Worten kann der Kraftstoffverbrauch des Motors, bezogen auf die Arbeitslast der Hydraulikaktoren; (Arbeitslastkraftstoffverbrauch) minimiert werden, was mit der herkömmlichen Technik unmöglich war, die den Zielbetriebspunkt ausschließlich auf der Basis der Betriebskennlinie des Motors ermittelt. Dieses Merkmal ist wirkungsvoll, wenn die Verkleinerung des Motors vorangetrieben wird, um den Kraftstoffverbrauch zu verringern, der Motor bei höheren Drehzahlen als jemals zuvor betrieben wird und der Betriebspunkt, bei dem eine hohe Effizienz des Motors erzielt wird, deutlich von dem Betriebspunkt abweicht, bei dem die hohe Effizienz der Pumpe als Ergebnis der höheren Motordrehzahl erzielt wird. Weiterhin führt die Steuerung der vorliegenden Ausführungsform nicht zu einer Verkomplizierung des Antriebsstrangs und einer Zunahme des Gesamtrauminhalts des Antriebsstrangs wie bei der Technik, die in JP-2004-84470-A beschrieben wird. Da weiterhin der Betriebspunkt, bei dem die beste Systemeffizienz erzielt wird, in dieser Ausführungsform unter Beibehaltung einer erforderlichen Pumpendurchflussmenge erzielt wird (Pumpendurchflussmengenbedarf), unterscheidet sich die Empfindung im Betrieb nicht von der bei einer Baumaschine, die nicht mit der erfindungsgemäßen Steuerung ausgerüstet ist. Demzufolge kann ein hoch effizienter Betrieb ohne das Empfinden einer Eigenartigkeit bei der Bedienperson erzielt werden. Außerdem ist es möglich, Stickoxide und ein partikelförmiges Material, die in dem Abgas enthalten sind, zu verringern, indem der Verbrennungsbetriebspunkt in dem Motor ähnlich wie bei der herkömmlichen Technik optimiert wird.
  • Weiterhin wird in dieser Ausführungsform der Leistungsbedarf des Motors 1 auf der Basis der Hilfsleistung des Motorgenerators 2 und der Leistung der Hydraulikpumpe 3 berechnet, und der Betriebspunkt wird auf der Basis des berechneten Leistungsbedarfs des Motors 1 berechnet. Dadurch können das Überdrehen (übermäßig hohe Drehzahl), das durch eine zu große Gesamtleistung verursacht wird, und das Abwürgen des Motors, das durch eine nicht ausreichende Gesamtleistung verursacht wird, vermieden werden. Zusätzlich kann eine Verschlechterung des Abgaszustands verhindert werden, da eine transiente Verbrennung (die vorkommen kann, wenn die Motorleistung schnell erhöht wird) durch die Verwendung des Motorgenerators 2 verhindert werden kann.
  • 9 zeigt den Unterschied in der Motorzieldrehzahl zwischen der vorliegenden Erfindung und der herkömmlichen Technik. Die Kurve 81 in 9 gibt die Gesamteffizienz der Pumpe (es wird angenommen, dass sich die Pumpenverdrängung beim Maximalwert befindet) bei einem bestimmten Leistungsniveau (festgelegte Leistung) an. Die Kurve 82 gibt die Motoreffizienz in Bezug auf den besten Kraftstoffeffizienzpunkt des Motors 1 zu der Zeit der festgelegten Leistung an. Die Kurven 81 und 82 sind normiert, so dass ihre Maximalwerte 1 betragen. Die Kurve 83 gibt die Systemeffizienz als Produkt aus Pumpeneffizienz und Motoreffizienz an.
  • Im Fall einer Pumpe, die eine Pumpenleistung von 80 kW und eine maximale Effizienz von 90% aufweist, werden die Werte 90% und 80% als 1 bzw. 0,89 ausgedrückt. Unter der Annahme, dass der Kraftstoffverbrauch beim besten Kraftstoffeffizienzpunkt bei 80 kW 15 Liter pro Stunde auf der Motoreffizienzlinie beträgt, kann andererseits der Betriebspunkt, bei dem der Kraftstoffverbrauch 15 Liter pro Stunde entspricht, als Effizienz 1 ausgedrückt werden, und der Betriebspunkt, bei dem der Kraftstoffverbrauch 20 Liter pro Stunde entspricht, kann als Effizienz 0,75 ausgedrückt werden (definiert durch den Quotienten gegenüber dem besten Wert).
  • In der obigen Ausführungsform wird die Pumpeneffizienz bei jedem Betriebspunkt durch die Funktion der Steuerung 8 bewertet, und anschließend wird die Zieldrehzahl auf der Basis der Motoreffizienzkarte (Motorkraftstoffeffizienzkarte) ermittelt. Die Drehzahl N3 in 9 kann somit als Zieldrehzahl ermittelt werden. In diesem Fall wird für die Systemeffizienz anhand des Produkts von Pumpeneffizienz und Motoreffizienz der Wert η1 ermittelt. Bei diesem Punkt trifft die Systemeffizienz den Bestwert (Maximalwert) unter der Bedingung, dass der Motor und die Pumpe bei gleicher Drehzahl betrieben werden.
  • Im Übrigen können in der in JP-2004-84470-A (Patentliteratur 3) beschriebenen Technik die Pumpe und der Motor jeweils bei ihrem maximalen Effizienzpunkt N1 und N2 unter Verwendung eines CVT-Getriebes (Continuously Variable Transmission) betrieben werden, und somit ist die Systemeffizienz gleich groß wie die Effizienz η3 (nicht gezeigt) des Getriebes. Die Systemeffizienz η1, die mit dieser Ausführungsform erzielt wird, kann größer sein als diese Systemeffizienz in Fällen, in denen die Effizienz η3 des Getriebes niedrig ist.
  • Im Übrigen ist in der Technik, die in JP-2009-74405-A (Patentliteratur 2) beschrieben wird, die Drehzahl N2 beim optimalen Kraftstoffeffizienzpunkt des Motors die Zieldrehzahl, wenn sich die Pumpenverdrängung bei ihrem Maximalwert befindet. Die Systemeffizienz η2 ist in diesem Fall immer niedriger als die Systemeffizienz η1 dieser Ausführungsform, da die Systemeffizienz η2 die Pumpeneffizienz nicht berücksichtigt. Im Übrigen wird die Systemeffizienz η2 in der Technik der Patentliteratur 2 nur dann gleich groß wie die Systemeffizienz η1 in der vorliegenden Erfindung (η1 = η2 = 1), wenn der Maximalwert der Pumpeneffizienz und der Maximalwert der Motoreffizienz zusammentreffen. In diesem Fall wird die Systemeffizienz η3, die durch die Technik der Patentliteratur 3 erzielt wird, am niedrigsten.
  • Während das Beispiel in 9 einen Fall veranschaulicht, in dem der maximale Effizienzpunkt der Pumpe relativ nahe bei dem maximalen Effizienzpunkt des Motors ist, gibt es Fälle, in denen die maximalen Effizienzpunkte von Pumpe und Motor weit auseinander liegen. In diesen Fällen ist es wünschenswert, die beiden maximalen Effizienzpunkte näher zueinander zu bringen, indem ein Getriebe angeordnet wird, das eine festgelegte Übersetzung zwischen dem Motor 1 und der Hydraulikpumpe 3 aufweist. Allerdings ist es in Fällen, in denen die Relation „η1 < η1' × ηg” zwischen der Effizienz η1 in dieser Ausführungsform (in dem Fall, in dem kein Getriebe verwendet wird) und dem Produkt aus Effizienz η1' in der vorliegenden Erfindung (in dem Fall, in dem das Getriebe verwendet wird) und Effizienz ηg des Getriebes nicht zutrifft, wünschenswert, das Getriebe nicht zu verwenden, denn die Verwendung des Getriebes verschlechtert die Maximaleffizienz.
  • Im Übrigen kann die Systemeffizienz weiter verbessert werden, indem man die Hilfsleistungskorrektureinheit 34 (wird im Folgenden erklärt) dazu veranlasst, den Motorleistungsbedarf zu ändern, indem die Hilfsleistung entsprechend der restlichen elektrischen Energiemenge der elektrischen Speichervorrichtung 10 korrigiert wird. In Kürze kann die Optimierung der Systemeffizienz in einer aktiven Weise durchgeführt werden.
  • Die Hilfsleistungskorrektureinheit 34 ist ein Bauteil für die Durchführung eines Verfahrens zum Korrigieren der Leistung, die von dem Motorgenerator 2 (Hilfsleistung) erzeugt wird, so dass die gewünschte Systemeffizienz (z. B. die beste Systemeffizienz in der Effizienzkarte) in den Kombinationen von Motordrehzahl, Motordrehmoment und Systemeffizienz enthalten ist, die von der Systembetriebspunkt-Berechnungseinheit 28 berechnet werden. In dieser Erklärung wird ein Fall, in dem die Hilfsleistungskorrektureinheit 34 die Korrektur so durchführt, dass der Punkt Pb (siehe 10), der die beste Effizienz (als die gewünschte Systemeffizienz) erzielt, in die Kombinationen eingeschlossen ist, unter Bezugnahme auf 9 erklärt.
  • 10 ist ein weiteres schematisches Diagramm, das die Systemeffizienzkarte zeigt, die von der Systembetriebspunktberechnungseinheit 28 erzeugt wird. In 10 wird der Betriebspunkt bei der Drehzahl 1500 U/min als der Betriebspunkt eingestuft, der sich am nächsten beim optimalen Systemeffizienzpunkt Pb (Zentrum des Auges) befindet. Somit korrigiert die Hilfsleistungskorrektureinheit 34 die Hilfsleistung so, dass die Linie konstanter Leistung des Motorleistungsbedarfs die Kurve 73b ist, die durch den Punkt Pb geht. In diesem Fall ist die Hilfsleistung nach der Korrektur durch die Hilfsleistungskorrektureinheit 34 gleich groß wie die Summe aus der ursprünglichen Hilfsleistung (Ausgabewert der Hilfsleistungsberechnungseinheit 24 (20 kW)) und dem Pfeil (5 kW) in 10. Die Hilfsleistungskorrektureinheit 34 gibt die korrigierte Hilfsleistung als einen Hilfsdrehmomentbefehl an den Wandler 9 aus. Somit steuert die Steuerung 8 den Motorgenerator 2 entsprechend der korrigierten Hilfsleistung. In diesem Beispiel gibt die Hilfsleistungskorrektureinheit 34 einen Wert von 160 Nm (entsprechend 25 kW bei 1500 U/min) als Hilfsdrehmomentbefehl aus. Der Hilfsdrehmomentbefehl kann auch aus der Drehzahl zum gegenwärtigen Zeitpunkt (d. h. 25 kW/Drehzahl (U/min) zum gegenwärtigen Zeitpunkt) ermittelt werden.
  • Dank der obigen Korrektur der Hilfsleistung des Motorgenerators 2 durch die Hilfsleistungskorrektureinheit 34 wird der Betrieb bei einem Betriebspunkt mit größerer Systemeffizienz möglich, verglichen mit dem Fall, in dem ausschließlich der Motor die Energiequelle ist.
  • Die obige Erklärung betraf den Fall, in dem die gewünschte Systemeffizienz unter der Linie 72 konstanter Leistung des Pumpenleistungsbedarfs existiert und der Motorleistungsbedarf verringert wird durch Betreiben des Motorgenerators 2 als ein Motor. In Fällen, in denen die gewünschte Systemeffizienz oberhalb der Linie 72 konstanter Leistung, ist es selbstverständlich wünschenswert, die Hilfsleistung zu korrigieren, um die gewünschte Systemeffizienz zu erzielen, indem der Motorgenerator 2 als ein Generator betrieben wird und der Motorleistungsbedarf erhöht wird.
  • In Fällen, in denen die Hilfsleistung wie oben durch die Hilfsleistungskorrektureinheit 34 korrigiert wird, ist es wünschenswert, dass die Korrektur der Hilfsenergieabgabe innerhalb eines Bereichs erfolgt, der imstande ist, eine Überladung/Überentladung der elektrischen Speichervorrichtung 10 unter Berücksichtigung der restlichen elektrischen Energiemenge der elektrischen Speichervorrichtung 10, die von der Berechnungseinheit 25 für die restliche elektrische Energiemenge berechnet wird, zu verhindern. Dies ist weil es möglich ist, den Antriebsstrang bei einem Punkt näher bei dem Betriebspunkt für das Erzielen der gewünschten Systemeffizienz zu betreiben, denn die Betriebspunktberechnung kann gemäß der restlichen elektrischen Energiemenge der elektrischen Speichervorrichtung 10 und der Leistung des Motorgenerators 2 erfolgen (Information über den Betriebszustand der Baumaschine). Der schraffierte Bereich in 10 stellt einen betriebsbereiten Bereich des Motorgenerators 2 dar, der von der Berechnungseinheit 25 für die restliche elektrische Energiemenge bewertet wird. Der betriebsbereite Bereich wird durch die restliche elektrische Energiemenge der elektrischen Speichervorrichtung 10 zum Zeitpunkt der Steuerung (Zeit t1 in 11) ermittelt.
  • 11 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel für die Änderung der restlichen elektrischen Energiemenge in Bezug auf die restliche elektrische Zielenergiemenge zeigt. Zum Zeitpunkt t1 in 11 ist die restliche elektrische Energiemenge größer als die restliche elektrische Zielenergiemenge, und somit kommt es zu der Bewertung, dass elektrische Energie aus der elektrischen Speichervorrichtung 10 freigesetzt werden muss, indem der Motorgenerator 2 die Unterstützung ausübt. In Fällen, in denen sich die restliche elektrische Energiemenge allmählich der restlichen elektrischen Zielenergiemenge annähert, indem man genug Zeit vergehen lässt, ist die Hilfsenergie, die pro Zeiteinheit abgegeben wird, relativ niedrig, und somit wird die elektrische Energie verbraucht, wie dies beispielsweise durch die Kurve 71a wiedergegeben wird. Dies ist ein Entladungsplan, der der Kurve 71b in 10 entspricht. Im Gegensatz dazu ist in Fällen, in denen die restliche elektrische Energiemenge durch eine schnelle Entladung nahe zu der restlichen elektrischen Zielenergiemenge gebracht wird, die pro Zeiteinheit abgegebene Hilfsenergie relativ hoch, und somit wird die elektrische Energie so verbraucht, wie dies beispielsweise durch die Kurve 72a wiedergegeben wird. Dies ist ein Entladungsplan, der der Kurve 72b in 10 entspricht.
  • Dank der oben beschriebenen Berechnung/Korrektur der Hilfsleistung des Motorgenerators 2 können für den Motorgenerator 2 eine obere und eine untere Grenze des Hilfsdrehmomentbefehls gemäß der verbliebenden elektrischen Energiemenge der elektrischen Speichervorrichtung 10 ermittelt werden. Demzufolge kann die elektrische Speichervorrichtung 10 innerhalb eines geeigneten Anwendungsbereichs verwendet werden, und Überladung/Überentladung können vermieden werden.
  • Während von der Drehzahlberechnungseinheit 33 in der obigen Erklärung angenommen wurde, dass sie das Ergebnis der Berechnung der Zieldrehzahl als ein Punkt ausgibt, wie dies in 8 gezeigt wird, kann im Übrigen die Zieldrehzahl auch durch einen Bereich bestimmt werden, der eine vorgegebene Breite aufweist (Zieldrehzahlbereich).
  • 12 ist eine erklärende Zeichnung, die einen Fall zeigt, in dem die Motorzieldrehzahl durch einen bestimmten Bereich bestimmt ist. In dem Fall, der in 12 gezeigt wird, wird die Drehzahlregelung auf eine Weise durchgeführt, bei der es als ausreichend betrachtet wird, wenn der Bereich, in dem die Systemeffizienz einen vorgeschrieben Wert oder noch höheren Wert aufweist (d. h. der Bereich, in dem die Höhe der Isolinie(n) einem vorgeschriebenen Wert oder noch höheren Wert entspricht), in Bezug auf die Motordrehzahl zwischen N12a und N12b liegt. Wenn ein derartiger Zieldrehzahlbereich angewendet wird, wird die Berechnung des Verdrängungsbefehls durch die Verdrängungsberechnungseinheit 29 als „Zielpumpendurchflussmenge ÷ Drehzahl zum gegenwärtigen Zeitpunkt” unter Verwendung der Drehzahl zu diesem Zeitpunkt durchgeführt ähnlich der weiter oben erwähnten Berechnung des Hilfsdrehmomentbefehls. Wenn beispielsweise angenommen wird, dass die effektive oder tatsächliche Drehzahl 1550 U/min beträgt in einem Fall, in dem der Zieldrehzahlbereich auf einen Bereich zwischen 1450 U/min und 1600 U/min eingestellt worden ist, kann der Verdrängungsbefehl für die Erzielung des Pumpendurchflussmengenbedarfs (der hier als 200 l/min angenommen wird) folgendermaßen bestimmt werden: „200 l/min (= 200 × 1000 ml/min) ÷ 1550 U/min” = 129 ml/U.
  • In Fällen, in denen der Bereich ein Bereich des Typs ist, bei dem die Steigung der Isolinie gering ist (d. h. die Systemeffizienz ändert sich nicht in hohem Maß bei Änderung der Drehzahl), ist es auch möglich, ein Verfahren einzusetzen, das für die optimale Drehzahl einen gewissen Spielraum lässt. Es ist beispielsweise ausreichend, wenn die Motordrehzahl so gesteuert wird, dass die tatsächliche Drehzahl innerhalb eines Bereichs von ± 100 U/min der optimalen Drehzahl von 1500 U/min bleibt, was in 12 gezeigt wird (d. h. von 1400 bis 1600 U/min).
  • Während die obige Ausführungsform konfiguriert wurde, indem eine Vielzahl von Funktionen in die Steuerung 8 integriert wurden, kann die vorliegende Erfindung auch dann ausgeführt werden, wenn andere Aufbauweisen unter Berücksichtigung von Einschränkungen durch den Hardware-Aufbau der Steuerung 8 (Kapazität der Speichereinheit (z. B. Speicherkapazität), Verarbeitungsgeschwindigkeit der CPU etc.), der Anwesenheit/Abwesenheit verschiedener Typen von Sensoren, und des Aufbau der Baumaschine eingesetzt werden. Beispiele für derartige Aufbauweisen werden weiter unten beschrieben. Während die Zieldrehzahl in den folgenden Ausführungsformen als ein Punkt (ähnlich dem Beispiel, das in 8 gezeigt wird) bestimmt wird, ist es auch möglich, einen Aufbau einzusetzen, in der die Zieldrehzahl ähnlich dem Beispiel, das in 12 gezeigt wird, in Form eines Bereichs bestimmt wird.
  • 13 ist eine schematische Darstellung, die den Gesamtaufbau einer Steuerung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die in 13 gezeigte Steuerung ist für einen herkömmlichen Typ eines Hydraulikbaggers gedacht, der nicht mit dem Motorgenerator 2 oder der elektrischen Speichervorrichtung 10 ausgestattet ist. Daher wurden die Hilfsleistungs-Berechnungseinheit 24, die Berechnungseinheit 25 für die restliche elektrische Energiemenge, die Motorleistungsbedarf-Berechnungseinheit 26 und die Hilfsleistungskorrektureinheit 34 aus der 3 weggelassen. In dieser Ausführungsform wird der Betriebspunkt, bei dem die gewünschte Systemeffizienz erzielt wird, durch Ziehen einer Linie mit konstanter Leistung 72 der Pumpenleistung (siehe 14) berechnet, die von der Pumpenenergie-Berechnungseinheit 23 in der Systemeffizienzkarte ausgegeben wird, die von der Systembetriebspunkt-Berechnungseinheit 28 berechnet wird. 14 ist ein schematisches Diagramm, das die Systemeffizienzkarte zeigt, die von der Systembetriebspunkt-Berechnungseinheit 28 erzeugt wird. Im Fall von 14 ist der Punkt 92 der Betriebspunkt, bei dem die beste Systemeffizienz erzielt wird, und die Zieldrehzahl des Motors 1 kann zu 1750 U/min berechnet werden.
  • 15 ist ein schematisches Diagramm, das den Gesamtaufbau einer Steuerung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die in 15 gezeigte Steuerung ist eine Steuerung für einen Hybrid-Hydraulikbagger, der mit dem Motorgenerator 2 ausgestattet ist. Diese Steuerung entspricht einem Aufbau, der erhalten wird, indem man die Berechnungseinheit 25 für die restliche elektrische Energiemenge und die Hilfsleistungskorrektureinheit 34 aus dem in 3 gezeigten Aufbau weglässt. In dieser Ausführungsform kann der Betriebspunkt berechnet werden, indem man die Motorleistungsbedarf-Berechnungseinheit 26 berechnen lässt, indem die Hilfsleistung von der Pumpenleistung abgezogen wird und dann eine Linie 73 konstanter Leistung des Motorleistungsbedarfs auf der Systemeffizienzkarte gezogen wird. 16 ist eine schematische Darstellung, die die Systemeffizienzkarte zeigt, die von der Systembetriebspunkt-Berechnungseinheit 28 erzeugt wird. Im Fall von 16 ist der Betriebspunkt, bei dem die beste Systemeffizienz erzielt wird, der Punkt 93, und die Zieldrehzahl des Motors 1 kann zu 1500 U/min berechnet werden.
  • Der Aufbau gemäß dieser Ausführungsform ist wirkungsvoll für Baumaschinen, die sowohl mit einem Hydraulikaktor als auch einem elektrischen Aktor (z. B. Hydraulikbagger, in dem der Schwenkmotor zum Schwenken der oberen Schwenkstruktur elektrifiziert ist) ausgerüstet sind. Im Einzelnen ist der Aufbau dieser Ausführungsform beispielsweise für Fälle geeignet, in denen die Energie, die durch einen Elektromotor zurückgewonnen wird, als Hilfsleistung des Motorgenerators 2 auf der Motorwelle verwendet wird. Es ist außerdem wünschenswert, den Aufbau dieser Ausführungsform für Baumaschinen einzusetzen, die einen Aufbau aufweisen, der vorzugsweise die Hilfsleistung des Motorgenerators 2 durch getrennte Steuerung bestimmt, um das durch eine nicht ausreichende Leistung verursachte Abwürgen des Motors zu verhindern.
  • 17 ist eine schematische Darstellung, die den Gesamtaufbau einer Steuerung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die in 17 gezeigte Steuerung ist eine Steuerung für einen Hybrid-Hydraulikbagger, der mit dem Motorgenerator 2 und der elektrischen Speichervorrichtung 10 ausgestattet ist. Diese Steuerung entspricht einem Aufbau, der erhalten wird, indem von dem in 3 gezeigten Aufbau die Hilfsleistungsberechnungseinheit 24 und die Motorleistungsbedarf-Berechnungseinheit 26 weggelassen werden. In dieser Ausführungsform wird die Linie konstanter Leistung 72 der Pumpenleistung, die von der Pumpenleistungs-Berechnungseinheit 23 berechnet wird, auf der Systemeffizienzkarte gezogen, ein betriebsfähiger Bereich (schraffierter Bereich) 98 des Motorgenerators 2 wird auf der Basis der Linie mit konstanter Leistung 72 und der restlichen elektrischen Energiemenge bestimmt, die von der Berechnungseinheit 25 für die restliche elektrische Energiemenge berechnet wird, und ein Betriebspunkt, bei dem die gewünschte Systemeffizienz erzielt wird, wird unter den Betriebspunkten in dem schraffierten Bereich 98 ausgewählt. 18 ist ein schematisches Diagramm, das die Systemeffizienzkarte zeigt, die von der Systembetriebspunkt-Berechnungseinheit 28 berechnet wird. Im Fall von 18 ist der Betriebspunkt, bei dem die beste Systemeffizienz in dem schraffierten Bereich 98 erzielt wird, der Punkt 94, und die Zieldrehzahl des Motors 1 kann zu 1500 U/min berechnet werden. Weiterhin kann die Größe der Hilfsleistung, die durch den Motorgenerator 2 in diesem Fall erzeugt werden sollte (Hilfsdrehmomentbefehl), anhand der Differenz zwischen der konstanten Energielinie 99, die durch den Betriebspunkt 94 geht, und der Linie konstanter Leistung 72 der Pumpenleistung ermittelt werden. Die Drehmomentsteuerung des Motorgenerators 2 in dieser Ausführungsform wird durch die Vorsteuerung (feed forward control) durchgeführt, da die Steuerung in dieser Ausführungsform die Hilfsleistungsberechnungseinheit 24 nicht einschließt.
  • Während im Übrigen Fälle, in denen die Kombinationen von Motordrehzahl, Motordrehmoment und Systemeffizienz etc. in dem Tabellenformat berechnet werden, in den obigen Ausführungsformen erklärt worden sind, ist es ebenfalls möglich, die oben beschriebenen Vorgänge zu funktionalisieren und die Kombinationen auf der Basis der Funktion (mathematische Funktion) zu berechnen, die durch die Funktionalisierung erhalten wird. Während die Berechnungsvorgänge gemäß den obigen Ausführungsformen überwiegend unter Verwendung der Leistung (Produkt aus Drehzahl und Drehmoment) in der obigen Erklärung ausgeführt werden, können die Berechnungsvorgänge auch auf der Basis von Berechnungen unter Verwendung des Drehmoments ausgeführt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Motor
    2
    Motorgenerator
    3
    Hydraulikpumpe
    5
    Hydraulikaktor
    9
    Wandler
    10
    elektrische Speichervorrichtung
    14
    Regler
    15
    elektromagnetisches Proportionalventil
    16
    Betätigungshebel
    17
    Motorsteuerungswähler
    18a, 18b
    Drucksensor
    21
    Berechnungseinheit für den Pumpendurchflussmengenbedarf
    22
    Drucksensor
    23
    Pumpenleistungsberechnungseinheit
    23A
    Pumpenleistungsbedarfberechnungseinheit
    24
    Hilfsleistungsberechnungseinheit
    25
    Berechnungseinheit für die restliche elektrische Energiemenge
    26
    Berechnungseinheit für den Motorleistungsbedarf
    27
    Pumpenbetriebspunktberechnungseinheit (zweite Betriebspunktberechnungseinheit)
    28
    Systembetriebspunktberechnungseinheit (erste Betriebspunktberechnungseinheit)
    29
    Verdrängungsberechnungseinheit
    32
    Pilotpumpe
    33
    Drehzahlberechnungseinheit
    34
    Hilfsleistungskorrektureinheit

Claims (8)

  1. Steuervorrichtung für eine Baumaschine, die mit einem Motor und einer Hydraulikpumpe mit variabler Verdrängung, die von dem Motor angetrieben wird, ausgerüstet ist, die umfasst: eine erste Betriebspunktberechnungseinheit, die eine Vielzahl von Kombinationen aus Motordrehzahl und Motordrehmoment berechnet, mit denen der Leistungsbedarf des Motors erzeugt werden kann, und die für jede der Kombinationen gemäß dem Förderdruck der Hydraulikpumpe die Systemeffizienz als das Produkt aus Energieeffizienz des Motors und Energieeffizienz der Hydraulikpumpe berechnet; eine Drehzahlberechnungseinheit, die die Zieldrehzahl des Motors als die Motordrehzahl in einer der Kombinationen aus Motordrehzahl, Motordrehmoment und Systemeffizienz berechnet, die von der ersten Betriebspunktberechnungseinheit berechnet wird und die die gewünschte Systemeffizienz einschließt; und eine Verdrängungsberechnungseinheit, die die Zielverdrängung der Hydraulikpumpe auf der Basis der Zieldrehzahl, die von der Drehzahlberechnungseinheit berechnet wird, und des Durchflussmengenbedarfs der Hydraulikpumpe berechnet.
  2. Steuerungsvorrichtung für eine Baumaschine nach Anspruch 1, die weiterhin eine zweite Betriebspunktberechnungseinheit umfasst, die eine Vielzahl von Kombinationen aus Pumpendrehzahl und Pumpenverdrängung berechnet, mit denen der Durchflussmengenbedarf der Hydraulikpumpe erzeugt werden kann, und die die Energieeffizienz der Hydraulikpumpe für jede der Kombinationen gemäß dem Förderdruck der Hydraulikpumpe berechnet, wobei die erste Betriebspunktberechnungseinheit die Systemeffizienz für jede der Kombinationen auf der Basis der Energieeffizienz der Hydraulikpumpe, die von der zweiten Betriebspunktberechnungseinheit berechnet wurde, und der Energieeffizienz des Motors berechnet.
  3. Steuerungsvorrichtung für eine Baumaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Baumaschine weiterhin mit einem Motorgenerator ausgestattet ist, der das Antreiben der Hydraulikpumpe durch den Motor unterstützt oder der elektrische Energie erzeugt, indem er vom Motor angetrieben wird, und die erste Betriebspunktberechnungseinheit die Kombinationen aus Motordrehzahl, Motordrehmoment und Systemeffizienz berechnet, indem die Leistung, die berechnet wird, indem die Leistung, die durch den Motorgenerator erzeugt wird, von dem Leistungsbedarf der Hydraulikpumpe subtrahiert wird, als Leistungsbedarf des Motors verwendet wird.
  4. Steuervorrichtung für eine Baumaschine nach Anspruch 3, wobei: die Baumaschine weiterhin mit einer elektrischen Speichervorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie für das Antreiben des Motorgenerators ausgestattet und, und die Steuerungsvorrichtung weiterhin eine Hilfsleistungsberechnungseinheit umfasst, die die Leistung, die von dem Motorgenerator erzeugt wird, auf der Basis der restlichen elektrischen Energiemenge der elektrischen Speichervorrichtung berechnet.
  5. Steuervorrichtung für eine Baumaschine nach Anspruch 3 oder 4, die weiterhin eine Hilfsleistungskorrektureinheit umfasst, die die Leistung korrigiert, die von dem Motorgenerator erzeugt wird, so dass eine Kombination, die die gewünschte Systemeffizienz einschließt, durch die erste Betriebspunktberechnungseinheit berechnet wird.
  6. Steuervorrichtung für eine Baumaschine nach Anspruch 4, wobei die Hilfsleistungsberechnungseinheit ein Verfahren zur Berechnung der Leistung, die von dem Motorgenerator erzeugt wird, ausschließlich auf der Basis der restlichen elektrischen Energiemenge ausführt oder die ein Verfahren zur Berechnung der Leistung, die von dem Motorgenerator erzeugt wird, ausschließlich auf der Basis der Differenz zwischen der restlichen elektrischen Energiemenge und der restlichen elektrischen Zielenergiemenge ausführt.
  7. Steuervorrichtung für eine Baumaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die weiterhin eine Pumpenleistungsberechnungseinheit umfasst, die den Leistungsbedarf der Hydraulikpumpe auf der Basis des Förderdrucks und des Durchflussmengenbedarfs der Hydraulikpumpe berechnet.
  8. Steuervorrichtung für eine Baumaschine nach Anspruch 2, die weiterhin eine Berechnungseinheit für den Pumpendurchflussmengenbedarf umfasst, die den Durchflussmengenbedarf der Hydraulikpumpe auf der Basis von Betätigungsgrößen der Betätigungshebel, einer Zieldrehzahl, die durch die Motordrehzahl festlegende Vorrichtung spezifiziert wird, und die Art des ausgewählten Betriebsmodus berechnet.
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