JP2005194978A

JP2005194978A - 作業機械

Info

Publication number: JP2005194978A
Application number: JP2004004376A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Yoshimatsu; 英昭吉松
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2004-01-09
Filing date: 2004-01-09
Publication date: 2005-07-21

Abstract

【課題】パラレル方式において通常運転モードと高出力運転モードとに切換え可能で、しかも高出力運転モードでの最大ポンプ吐出流量を抑制する。
【解決手段】エンジン１１で油圧ポンプ１３と発電機兼電動機１４を駆動し、油圧ポンプ１３の必要動力が大きいときに、キャパシタ１９の蓄電力で発電機兼電動機１４を駆動してエンジン出力を補うパラレル方式において、運転モード切換スイッチ２２によって通常運転モードが選択されたときは、コントローラ２３からの信号によってエンジン１１を高効率範囲で運転する。一方、高出力運転モードが選択されたときには、エンジン１１を高出力範囲で運転するとともに、油圧ポンプ１３の最大容量を通常運転モードよりも小容量に設定するようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は発電機作用と電動機作用を行う動力機を備え、エンジンによってこの動力機と液圧ポンプを駆動する所謂ハイブリッド式の作業機械に関するものである。

ハイブリッド式の作業機械において、エンジンで発電機を駆動し、この発電機の発電力と蓄電装置の蓄電力とによって電動機を回転させ、この電動機で液圧ポンプを駆動して液圧アクチュエータを作動させるものが公知である。

この公知技術は、エンジン−発電機−電動機−ポンプの接続方式から所謂シリーズ方式と呼ばれている。

また、このシリーズ方式をとるハイブリッド式の作業機械において、通常作業時にはエンジン出力(発電機出力)と蓄電装置の出力を併用するハイブリッド方式によって省エネルギー運転を行い、高速走行時のような高出力を要する場合に、上記通常運転モードよりもエンジン出力が高い高出力運転モードに切換える技術が提案されている(たとえば特許文献１参照)。
特開２００３−１７２１６７号公報

ところが、上記シリーズ方式に対してパラレル方式、すなわち、エンジンで液圧ポンプと動力機(１台で発電機作用と電動機作用を行う発電機電動機を用いる場合と、別々の発電機と電動機を併用する場合とがある)を駆動する方式をとる場合に、次の問題が生じていた。

エンジンを高出力運転モードにすると、通常運転モードよりもエンジン速度が高くなる。すると、このエンジンで駆動される液圧ポンプの最大吐出流量が増加するため、液圧回路の圧力損失が増加する。たとえば流量が１．５倍になると圧力損失はその２乗近い２．２倍に増加する。

この点の対策として、液圧機器のサイズや配管サイズを大きくすることが考えられるが、高出力運転モードは使用頻度が低いだけに過剰品質となってコスト上不利となる。また、機械に設置する上でのスペース面での制約があるため、機器及び配管の大形化は現実には難しい。

そこで本発明は、パラレル方式において通常運転モードと高出力運転モードとに切換え可能で、しかも高出力運転モードでのポンプの最大吐出流量を抑制することができる作業機械を提供するものである。

請求項１の発明は、容量が制御される可変容量型の液圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行う動力機と、蓄電装置と、上記液圧ポンプ及び動力機を駆動するエンジンとを備え、上記動力機の発電機作用によって上記蓄電装置に充電し、電動機作用によって上記エンジンの出力を補うように構成された作業機械において、制御手段により、運転モードを、上記エンジンを効率の高い高効率範囲で運転する通常運転モードと、エンジンをこの通常運転モードよりも高速の高出力範囲で運転するとともに上記液圧ポンプの最大容量を上記通常運転モードよりも小容量に設定する高出力運転モードとの間で切換え得るように構成されたものである。

請求項２の発明は、請求項１の構成において、制御手段は、通常運転モードと高出力運転モードで上記液圧ポンプの最大吐出流量が同等となるように、高出力運転モードでの同ポンプの最大容量を設定するように構成されたものである。

請求項３の発明は、請求項１または２の構成において、運転モードを通常運転モードと高出力運転モードのうちから選択する運転モード切換手段を備え、制御手段は、上記運転モード切換手段によって高出力運転モードが選択されたときに高出力運転モードに切換えるように構成されたものである。

請求項４の発明は、請求項１または２の構成において、液圧モータで駆動される走行手段と、走行速度を切換える走行速度切換手段とを備え、制御手段は、上記走行速度切換手段によって高速走行が可能な切換え位置が選択されかつ走行レバーが操作されたときに高出力運転モードに切換えるように構成されたものである。

請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかの構成において、蓄電装置としてキャパシタが用いられたものである。

本発明によると、エンジンで液圧ポンプと動力機を駆動するパラレル方式において、制御手段により、運転モードを通常運転モードと高出力運転モードとの間で切換えることができるため、通常作業時には通常運転モードでハイブリッド方式本来の省エネルギー運転を行い、高出力を要する場合(たとえば坂道や悪路といった走行負荷の高い状況での走行時、または高速走行時)に高出力運転モードに切換えることによって高出力運転が可能となる。

この場合、運転モードの切換えが、請求項３では運転モード切換手段の切換操作に基づいて、請求項４では走行速度切換手段の切換操作と走行レバーの操作とに基づいてそれぞれ自動的に行われる。

ここで、高出力運転モードでは、液圧ポンプの最大容量を通常運転モードのそれよりも小さく制限するため、エンジン回転数の増加に対してポンプ最大吐出流量の増加は抑制しながら圧力を高めて必要動力(馬力)を増加させることができる。

すなわち、通常運転と高出力運転を両立させながら、高出力運転での液圧回路の圧力損失を抑えることが可能となる。

とくに請求項２の発明によると、通常運転モードと高出力運転モードとでポンプ最大吐出流量が同等(同一またはほぼ同一)となるように、高出力運転モードでの液圧ポンプの最大容量を設定するため、両運転モードの圧力損失に差がなくなる。

このため、液圧機器や配管の大形化を回避することができる。

また、請求項２の発明によると、操作手段の操作量と液圧アクチュエータの最大作動速度との対応関係を両運転モードでほぼ同じとすることができる。このため、操作性が良いものとなる。

請求項５の発明によると、蓄電装置としてキャパシタ(電気二重層コンデンサ)を用いるため、二次電池を用いる場合と比較して寿命が長く、交換頻度が低くてすむため、コスト面で有利となる。

液圧ポンプ、液圧アクチュエータとして、通常はそれぞれ油圧ポンプ、油圧アクチュエータが用いられるため、以下の実施形態ではこの場合で説明する。

また、以下の実施形態では適用対象としてショベルを例にとっている。

第１実施形態(図１〜図６参照)
ショベルは、図１に示すようにクローラ式の走行装置１を備えた下部走行体２上に上部旋回体３が搭載され、この上部旋回体３に、主たる作業装置である掘削装置４が取付けられて構成されている。

掘削装置４は、起伏自在なブーム５の先端にアーム６、このアーム６の先端にバックホー式のバケット７がそれぞれ取付けられて成り、ブーム５、アーム６、バケット７がそれぞれブームシリンダ８、アームシリンダ９、バケットシリンダ１０によって駆動される。

なお、ショベルの変形として、バケット７としてクラムセル式のバケットが取付けられる場合や、バケット７に代えて掴み式や振動式の破砕装置が取付けられる場合、さらにアーム６として伸縮式のアームが用いられる場合等がある。

図２はこのショベルの駆動系及び制御系のブロック構成を示す。

動力源としてのエンジン１１にパワーデバイダ１２を介して、可変容量型の油圧ポンプ１３と、１台で発電機作用と電動機作用を行う動力機としての発電機兼電動機１４とがパラレルに接続され、これらがエンジン１１によって同時に駆動される。

油圧ポンプ１３には、制御弁(アクチュエータごとに設けられているが、ここでは複数の制御弁の集合体として示す)１４を介してブーム、アーム、バケット各シリンダ８,９,１０、及び左、右両走行用油圧モータ１５,１６が接続され、油圧ポンプ１３から供給される圧油によってこれら油圧アクチュエータが駆動される。

一方、発電機兼電動機１４には、制御器１７を介して旋回用電動機１８、及び蓄電装置としてのキャパシタ１９が接続されている。

制御器１７は、発電機兼電動機１４の発電機作用と電動機作用の切換え、発電電力あるいは電動機としての電流またはトルクを制御するとともに、旋回用電動機１８の入力電流を制御し、かつ、発電機兼電動機１４の発電機出力の過不足に応じてキャパシタ１９の充・放電を制御する。

エンジン１１の速度はガバナ(メカニカルガバナまたは電子ガバナ)２０によって制御され、このガバナ２０がガバナ制御器２１によって制御される。

ガバナ制御器２１には、運転モードを通常運転モードと高出力運転モードのうちから選択する運転モード切換切換スイッチ２２がコントローラ２３を介して接続され、選択された運転モードに応じたコントローラ２３からの信号によってエンジン１１の運転が制御される。

すなわち、通常の掘削作業時や、走行負荷の小さい状況での走行時(たとえば平坦で抵抗の少ない路面での低速走行時)には通常運転モードが選択され、このときエンジン１１は相対的に出力が低くて効率の高い範囲で運転される。

図３はエンジン１１の出力と効率の関係の一例を示し、エンジン出力が２２kＷで最もエンジン効率が高くなる。

図４はこのショベルにおけるエンジン速度とエンジン出力の関係を示し、通常運転モードでは、図中実線で示す高効率範囲（たとえばエンジン速度１６００ｍｉｎ^-1でエンジン出力２２kＷの点）でエンジン１１が運転される。

この通常運転モードにおいて、油圧ポンプ１３の必要動力が大きい場合には、キャパシタ１９の蓄電力により発電機兼電動機１４が電動機作用を行ってエンジン出力を補い、必要動力が小さい場合は発電機兼電動機１４が発電機作用を行ってキャパシタ１９に蓄電する。こうして、ハイブリッド方式本来の省エネルギー運転が行われる。

しかも、蓄電装置としてキャパシタ１９を用いているため、急激な入・出力の変化や頻繁な充・放電の繰り返しが行われても、バッテリと比較して遙かに寿命が長く(ショベルの寿命と同程度またはそれ以上の寿命を有する)、途中で交換する必要がない。

これに対し、走行負荷の大きい状況での走行時(坂道や悪路での走行時または高速走行時)や、大負荷作業時のような高出力を要する場合には高出力運転モードが選択される。

この高出力運転モードでは、エンジン１１は図４破線の高速範囲（たとえば２４００ｍｉｎ^-1）に設定され、エンジン出力が上がる（たとえば３１ｋＷ）。

一方、油圧ポンプ１３の容量(傾転)を制御するレギュレータ２４はレギュレータ制御器２５を介してコントローラ２３に接続されている。

コントローラ２３には、制御弁１４を操作する操作手段としての操作装置２６からの信号(操作信号)が入力され、この操作装置２６の操作量に応じて制御弁１４の切換方向、切換量が制御されるとともに、油圧ポンプ１３の容量(吐出流量)が制御される。

ここで、油圧ポンプ１３の最大容量は運転モードに応じたコントローラ２３からの信号に基づいて設定される。

すなわち、図５に示すようにポンプ最大容量が、高出力運転モードでは通常運転モードよりも小さい値に制限される。

これにより、高出力運転モードにおいて、エンジン回転数の増加に対して油圧ポンプ１３の最大吐出流量の増加を抑制しながら、圧力を高めて必要動力(馬力)を増加させることができる。

このため、高出力運転モードでは、たとえば走行負荷の大きい状況であっても油圧ポンプ１３の馬力を高めて安定した走行動作(とくに高速走行動作)が得られる。

しかも、このときポンプ最大吐出流量が制限されるため、高出力運転での油圧回路の圧力損失を抑えることが可能となる。このため、油圧機器や配管の大形化を回避することができる。

この場合、図６に示すようにポンプ最大吐出流量が通常運転モードと高出力運転モードとで同等(同一またはほぼ同一)となるように、高出力運転モードでの油圧ポンプ１３の最大容量を設定するのが望ましい。

こうすれば、油圧回路の最大圧力損失が通常運転モードと高出力運転モードで同等となるとともに、操作装置２６の最大操作量と油圧アクチュエータ(走行時には走行用油圧モータ１５,１６)の最大作動速度との対応関係を両運転モードでほぼ同じとすることができる。このため、操作性が良いものとなる。

第２実施形態(図７参照)
第１実施形態との相違点のみを説明する。

現場内での高速走行時には、少しの路面状況の悪化等によっても走行負荷が大きくなり、走行動作が不安定になり易いため、高出力運転モードとするのが望ましい。

そこで第２実施形態では、運転モード切換スイッチ２２に代えて(あるいは同スイッチ２２とともに)、走行速度を複数段または無段連続的に切換える走行速度切換スイッチ２７を設け、この走行速度切換スイッチ２７によって高速走行側の速度が選択され、かつ、走行レバー２８が操作されたときに高出力運転モードとしてエンジン１１を高出力運転するように構成している。

こうすれば、高速走行時には自動的に高出力運転モードとなるため、安定した高速走行動作を確保することができる。

第３実施形態(図８参照)
上記実施形態では、エンジン１１に対して油圧ポンプ１３と発電機兼電動機１４をパラレルに接続したのに対し、第３実施形態では、パワーデバイダを省略し、エンジン１１に対して油圧ポンプ１３と発電機兼電動機１４を同軸上に直列配置している。

この構成をとった場合でも、基本的な作用効果は第１または第２実施形態と同様である。また、パワーデバイダを省略できる分、コストダウンすることができる。

この場合、エンジン１１から油圧ポンプ１３までの長さが長くなるが、これに対しては発電機兼電動機１４を薄型にしてエンジン１１のフライホイールハウジング内に納める等の工夫によって短くすることができる。

第４実施形態(図９参照)
上記各実施形態では、動力機として１台で発電機作用と電動機作用を行う発電機兼電動機１４を用いたのに対し、第４実施形態では発電機２９と電動機３０を別々に設けて動力機３１を構成し、発電機２９をエンジン１１に対しては歯車伝動装置やベルト伝動装置等の動力伝達機３２を介して接続する一方、電動機３０をエンジン１１と同軸上でエンジン１１及び油圧ポンプ１３に接続している。

この構成によると、発電機２９と電動機３０が独立した構成となるため、両者を１台で兼用する場合と比べて制御が容易となる。

ところで、ショベルにおいては、通常、油圧アクチュエータを複数のグループに分け、グループごとに別々の油圧ポンプで駆動する構成がとられる場合がある。

この点、上記各実施形態では、説明の簡素化のために油圧ポンプ１３を一台として表したが、複数の油圧ポンプをエンジン１１に接続してもよい。

この場合、各ポンプをエンジン１１に対して直列に接続してもよいし、パワーデバイダを介してパラレルに接続してもよい。また、各ポンプは対応する操作装置の操作に応じて個別に容量制御され、高出力運転モードでその最大容量が制限される。

また、上記実施形態では旋回用として電動機１８を用いたが、油圧モータによって旋回駆動する構成をとってもよい。

一方、蓄電装置として、上記実施形態で挙げたキャパシタ１９に代えて、電極と電解液との間の化学反応を利用するバッテリ(鉛蓄電池やニッケル水素蓄電池等)を用いてもよい。

本発明が適用されるショベルの全体概略側面図である。本発明の第１実施形態にかかるショベルの駆動系及び制御系のブロック構成図である。エンジンの出力と効率の関係を示す図である。第１実施形態におけるエンジン出力とエンジン速度の関係を示す図である。第１実施形態におけるポンプ圧力とポンプ容量制限値及びトルクの関係を示す図である。第１実施形態におけるポンプ圧力とポンプ吐出流量制限値の関係を示す図である。本発明の第２実施形態にかかるショベルの駆動系および制御系のブロック構成図である。本発明の第３実施形態にかかるショベルの駆動系及び制御系のブロック構成図である。本発明の第４実施形態にかかるショベルの駆動系及び制御系のブロック構成図である。

符号の説明

１走行装置(走行手段)
８油圧アクチュエータとしてのブームシリンダ
９同、アームシリンダ
１０同、バケットシリンダ
１５同、左走行用油圧モータ
１６同、右走行用油圧モータ
１１エンジン
１３油圧ポンプ
１４動力機としての発電機兼電動機
１２エンジン出力を油圧ポンプと発電機兼電動機に振り分けるパワーデバイダ
１９キャパシタ
２０ガバナ
２１制御手段を構成するガバナ制御器
２３同、コントローラ
２２運転モード切換スイッチ(運転モード切換手段)
２４ポンプ容量を制御するレギュレータ
２５制御手段を構成するレギュレータ制御器
２６操作装置(操作手段)
２７走行速度切換スイッチ(走行速度切換手段)
２８走行レバー
２９動力機を構成する発電機
３０同、電動機
３１動力機

Claims

容量が制御される可変容量型の液圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行う動力機と、蓄電装置と、上記液圧ポンプ及び動力機を駆動するエンジンとを備え、上記動力機の発電機作用によって上記蓄電装置に充電し、電動機作用によって上記エンジンの出力を補うように構成された作業機械において、制御手段により、運転モードを、上記エンジンを効率の高い高効率範囲で運転する通常運転モードと、エンジンをこの通常運転モードよりも高速の高出力範囲で運転するとともに上記液圧ポンプの最大容量を上記通常運転モードよりも小容量に設定する高出力運転モードとの間で切換え得るように構成されたことを特徴とする作業機械。
制御手段は、通常運転モードと高出力運転モードで上記液圧ポンプの最大吐出流量が同等となるように、高出力運転モードでの同ポンプの最大容量を設定するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の作業機械。
運転モードを通常運転モードと高出力運転モードのうちから選択する運転モード切換手段を備え、制御手段は、上記運転モード切換手段によって高出力運転モードが選択されたときに高出力運転モードに切換えるように構成されたことを特徴とする請求項１または２記載の作業機械。
液圧モータで駆動される走行手段と、走行速度を切換える走行速度切換手段とを備え、制御手段は、上記走行速度切換手段によって高速走行が可能な切換え位置が選択されかつ走行レバーが操作されたときに高出力運転モードに切換えるように構成されたことを特徴とする請求項１または２記載の作業機械。
蓄電装置としてキャパシタが用いられたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の作業機械。