JP2007107231A

JP2007107231A - ハイブリッド式建設機械

Info

Publication number: JP2007107231A
Application number: JP2005297897A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Komiyama; 昌之小見山; Tetsunori Manabe; 哲典眞鍋; Akihito Mino; 明仁美野
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2005-10-12
Filing date: 2005-10-12
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2025-10-12
Also published as: JP4434123B2

Abstract

【課題】大容量で電圧安定性が良好な制御用電源を確保する一方、動力系のベルト伝動構造を簡略化、コンパクト化する。
【解決手段】上部旋回体２のエンジンルーム１２に設置したエンジン１３によって油圧ポンプ１６ａ,１６ｂ、発電電動機１７、冷却ファン２９、キャビン内空調用のコンプレッサ３２を駆動し、かつ、発電電動機１７の出力によって充電される主電源としての主蓄電装置２０と、コントローラ２１を含む制御機器とを具備するハイブリッド式建設機械において、主蓄電装置２０にＤＣ／ＤＣコンバータを介して補助蓄電装置２２を接続して制御機器の電源となる制御用電源を構成した。一方、エンジン１３の出力軸にクランクプーリ、冷却ファン２９の駆動軸にファンプーリ、コンプレッサの駆動軸にコンプレッサプーリをそれぞれ取付け、これら各プーリにベルトを架け渡してベルト伝動装置３４を構成した。
【選択図】図２

Description

本発明はエンジン動力と電力を併用するハイブリッド式建設機械に関するものである。

ショベルを例にとって背景技術を説明する。

図５は油圧ショベルの一般的構成を示す。この油圧ショベルは、クローラ式の下部走行体１上に上部旋回体２が縦軸まわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２の前部に、ブーム３、アーム４、バケット５、及びこれらを作動させるブーム、アーム、バケット各シリンダ６,７,８を備えた掘削装置９が取付けられて構成される。

上部旋回体２には、前部左側にキャビン１０が搭載されるとともに、後端部にカウンタウェイト１１が装着される。

キャビン１０の後方でかつカウンタウェイト１１の前方にはエンジンルーム１２が形成され、このエンジンルーム１２に動力源としてのエンジン１３が設置される。

エンジンルーム１２は上面側がメンテナンス口として開口し、この開口部がボンネット１４によって開閉される。

油圧ショベルにおいては、エンジン１３の左右片側の出力軸に油圧ポンプが接続される。一方、反対側の出力軸には、冷却ファンとオルタネータとキャビン内空調用のコンプレッサとがベルト伝動装置によって接続され、これらがエンジン１３によって駆動される。

具体的には、上記反対側の出力軸に軸方向二段のクランクプーリが設けられ、第１クランクプーリと、冷却ファン及びオルタネータの駆動軸に設けられたファンプーリ及びオルタネータプーリとに第１ベルト(通常はＶベルト)が架け渡されて第１ベルト伝動装置が構成され、第２クランクプーリとコンプレッサプーリとに第２ベルトが架け渡されて第２ベルト伝動装置が構成されている(特許文献１参照)。
特開平１１−８２０５３号公報

ところが、この油圧ショベルをハイブリッド式ショベルに転換するに当たって、次のような問題があった。

ハイブリッド式ショベルの場合、油圧ショベルの機器類に加えて、主電源となる蓄電装置と、この蓄電装置に充電するための発電電動機と、蓄電装置及び発電電動機を制御するインバータ／コンバータと、蓄電装置の充電量や発電電動機の回転数等に基づいて油圧ポンプ、エンジン、発電電動機の運転を制御するコントローラ等のハイブリッド機器が必要となる。

この場合、コントローラ等の制御機器の電源(制御用電源)が必要となるが、油圧ショベルに設置されたオルタネータでは、容量が低くかつ電圧安定性が悪いことから制御用電源として適当でなかった。

また、動力系において、占有スペースが大きい前記二段ベルト伝動構造をそのまま残すと、搭載機器が多くてしかも機器スペースが制限されるハイブリッド式ショベル、とくに後方小旋回型等の小型ショベルでは、他の機器の配置が困難となる。

この二点が油圧ショベルをハイブリッド化するに当たっての問題となっていた。

そこで本発明は、上記二点の問題を一挙に解決し、大容量で電圧安定性が良好な制御用電源を確保できるとともに、動力系のベルト伝動構造を簡略化、コンパクト化することができるハイブリッド式建設機械を提供するものである。

請求項１の発明は、下部走行体上に上部旋回体を搭載し、この上部旋回体のエンジンルームに設置したエンジンによって油圧ポンプ、発電電動機、冷却ファン、キャビン内空調用のコンプレッサを駆動し、かつ、上記発電電動機の出力によって充電される主電源としての主蓄電装置と、上記発電電動機と蓄電装置の作用を制御するインバータ／コンバータ、及び上記エンジン、油圧ポンプ、発電電動機等の運転を制御するコントローラを含む制御機器とを具備するハイブリッド式建設機械において、上記主蓄電装置にＤＣ／ＤＣコンバータを介して上記制御機器の電源となる制御用電源としての補助蓄電装置を接続する一方、上記エンジンの出力軸にクランクプーリ、上記冷却ファンの駆動軸にファンプーリ、上記コンプレッサの駆動軸にコンプレッサプーリをそれぞれ取付け、これら各プーリにベルトを架け渡してベルト伝動装置を構成したものである。

請求項２の発明は、請求項１の構成において、コンプレッサプーリが、ベルトに張力を与えるテンションプーリを兼ねるようにコンプレッサ及びコンプレッサプーリを位置調整可能に取付けたものである。

請求項３の発明は、請求項２の構成において、ベルト伝動装置をエンジンルームに設置し、コンプレッサ及びコンプレッサプーリを、このエンジンルームのメンテナンス開口を介して外部から位置調整し得る状態で配置したものである。

本発明によると、主蓄電装置にＤＣ／ＤＣコンバータを介して補助蓄電装置を接続することによって制御用電源を構成したから、コントローラ等の制御機器に適した大容量で電圧が安定した制御用電源を確保することができる。

一方、油圧ショベルにおける動力系からオルタネータを撤去し、オルタネータとそのプーリ跡にコンプレッサとそのプーリを配置してベルト伝動装置を構成したから、オルタネータとそのプーリ分のスペースが不要となること、及びベルト伝動装置を一段ベルト構造にできることにより、エンジン片側における動力系の占有スペースを縮小することができる。これにより、ハイブリッド機械全体の機器スペースを広げて機器配置の自由度を高めることができる。

この場合、請求項２の発明によると、コンプレッサプーリをテンションプーリとして兼用するため、専用のテンションプーリが不要となり、ベルト伝動構造をより簡略化、コンパクト化できる。このため、機器配置が一層容易となる。

また、油圧ショベルをハイブリッド式ショベルに転換するに当たって、オルタネータ及びそのプーリの撤去跡にコンプレッサ及びそのプーリを可動式として移設すればよいため、構造の改変が最小限ですむ。このため、コストが安くてすむ。

請求項３の発明によると、コンプレッサ及びコンプレッサプーリを、エンジンルームのメンテナンス開口から位置調整し得る状態で設けたから、ベルトの張り調整や交換作業を外部から簡単に行うことができる。

本発明の実施形態を図１〜図４によって説明する。

実施形態において、図５に示す部分と同一部分には同一符号を付して示し、その重複説明を省略する。

図１は実施形態にかかるハイブリッド式ショベルの駆動系及び制御系のブロック構成を示す。

エンジン１３に動力分配装置(パワーデバイダ。ＰＴＯと呼ぶ場合もある)１５を介して、二台の可変容量型の油圧ポンプ１６ａ,１６ｂと、１台で発電機作用と電動機作用を行う発電電動機１７とがパラレルに接続され、これらがエンジン１３によって同時に駆動される。

両油圧ポンプ１６ａ,１６ｂ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)１８を介して図５に示すブーム、アーム、バケット各シリンダ６〜８、及び図示しない左、右両走行用油圧モータ等の油圧アクチュエータが接続され、油圧ポンプ１６ａ,１６ｂ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、発電電動機１７には、インバータ／コンバータ１９を介して、二次電池等からなる主電源としての主蓄電装置２０が接続される。

インバータ／コンバータ１９は、発電電動機１７の発電機作用と電動機作用の切換えを行う一方、コントローラ２１からの指令に基づいて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し、かつ、発電電動機１７の発電機出力の過不足に応じて主蓄電装置２０の充・放電作用を制御する。

コントローラ２１は、主蓄電装置２０の充電量、発電電動機１７の回転数等に基づいてエンジン回転数指令、油圧ポンプ１６のポンプ容量指令、発電電動機１７のトルク指令等を出力する。

この構成において、油圧ポンプ１６の必要動力が大きい場合には、主蓄電装置２０の蓄電力により発電電動機１７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電動機１７が発電機作用を行って主蓄電装置２０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。

インバータ／コンバータ１９、コントローラ２１等の制御機器の電源である制御用電源として補助蓄電装置２２が設けられ、主蓄電装置２０の電力がＤＣ／ＤＣコンバータ２３により制御用電源として適当な電圧に変換されてこの補助蓄電装置２２に蓄えられる。

なお、補助蓄電装置２２は、キャビン内空調装置や照明灯等の電気設備の電源としても使用される。

この補助蓄電装置２２により、大容量で電圧安定性の良好な制御用電源が確保される。

図２は上部旋回体２における機器配置を上から見た図である。

上部旋回体２の後部にエンジン１３が設置され、このエンジン１３の前方でかつキャビン１０の後方において左側(キャビン１０内に着座したオペレータから見た左側。以下にいう左右及び前後の方向性について同じ)に主蓄電装置２０、右側にインバータ／コンバータ１９がほぼ隙間なく並設されている。

一方、エンジン１３の右側に、エンジン動力を油圧ポンプ１６ａ,１６ｂと発電電動機１７とに分配する動力分配装置１５が設けられている。

この動力分配装置１５は、後端部がカウンタウェイト１１の内面に近接し、前端部がインバータ／コンバータ１９の右側面に当接または近接する状態で配置されている。

この動力分配装置１５とインバータ／コンバータ１９と主蓄電装置２０の各ケーシング(いずれもほぼ直方形の箱体。とくに符号は付していない)によって平面視Ｌ字形の仕切り壁Ｗが構成され、エンジンルーム１２がこの仕切り壁Ｗとカウンタウェイト１１とに囲まれた空間として上部旋回体２の後部に区画形成されている。

こうすれば、従来のように専用の仕切り壁を設ける場合と比較して、仕切り壁とそのまわりの無駄なスペースを無くし、上部旋回体２の機器類設置スペースを有効利用することができる。すなわち、多くの機器類を限られたスペースに効率良く収めることができる。

なお、コントローラ２１は、主蓄電装置２０の上に重ねて配置されている。

エンジンルーム１２の右側を含む上部旋回体２の右側全域には機器室２４が形成され、この機器室２４の後部において、図２,３に示すように第１及び第２両油圧ポンプ１６ａ,１６ｂと発電電動機１７が動力分配装置１５にパラレルに接続されている。

この場合、第１油圧ポンプ１６ａは発電電動機１７と前後に並んで動力分配装置１５の上側に、第２油圧ポンプ１６ｂは発電電動機１７の下方にそれぞれ配置され、その近傍に制御弁１８が配置されている。

このポンプ配置によると、両油圧ポンプ１６ａ,１６ｂの下方にそれぞれ空間が形成されるため、ポンプ配管の取り合いが容易となる。

また、機器室２４には、前から順に補助蓄電装置２２、燃料タンク２５、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３、作動油タンク２６、制御弁１８が配置されている。

この機器配置とすれば、油圧ポンプ１６ａ,１６ｂ、発電電動機１７、制御弁１８、燃料タンク２５、作動油タンク２６等の機器類をエンジン１３に対し動力分配装置１５によって熱的に遮断し、エンジン熱による悪影響を抑えることができる。

この機器室２４の右側面前半部はガード２７で覆われ、機器室２４の後半部とエンジンルーム１２はボンネット１４で覆われている。

エンジン１３の左側には、エンジンルーム１２の一部としての吸気室２８が設けられ、この吸気室２８に、外気を吸い込む冷却ファン２９と、吸い込まれた外気よって冷却されるラジエータ３０及びオイルクーラー３１が設けられている。

また、エンジンルーム１２におけるエンジン１３の後方にキャビン内空調用のコンプレッサ３２とエンジンマフラ３３が配置されている。

図３はエンジン１３を含む動力系の機器配置を示す背面図、図４は同左側面図である。

図示のようにエンジン１３の左側にはベルト伝動装置３４が設けられている。

このベルト伝動装置３４は、エンジン出力軸３５に取付けられたクランクプーリ３６と、冷却ファン２９の駆動軸３７に取付けられたファンプーリ３８と、コンプレッサ３２の駆動軸３９に取付けられたコンプレッサプーリ４０と、各プーリ３６,３８,４０間に架け渡されたベルト(通常はＶベルト)４１とによって構成され、エンジン出力がこのベルト伝動装置３４を介して冷却ファン２９及びコンプレッサプーリ４０に加えられる。

コンプレッサ３２は、エンジンルーム１２の後部で、かつ、ボンネット１４を開いてメンテナンス開口をあけた状態で外部からメンテナンス可能な位置(外部に臨み、しかも上方にメンテナンスの障害となるものが無い位置)において、エンジンケース背面にブラケット４２を介して取付けられている。

ここで、コンプレッサ３２は、ブラケット４２に対してボルト４３及び図示しない長穴によって前後方向に位置調整可能に取付けられ、このコンプレッサ３２(コンプレッサプーリ４０)の位置調整によってベルト４１の張り調整、及びベルト４１の交換が可能となっている。すなわち、コンプレッサプーリ４０をテンションプーリとして兼用する構成となっている。

上記のように、このハイブリッド式ショベルによると、主蓄電装置２０にＤＣ／ＤＣコンバータ２３を介して補助蓄電装置２２を接続することによって制御用電源を構成する一方、油圧ショベルに設けられていたオルタネータとそのプーリを撤去し、その跡にコンプレッサ３２とそのプーリ４０を配置してベルト伝動装置３４を構成したから、オルタネータとそのプーリ分のスペースが不要となること、及びベルト伝動装置３４を、油圧ショベルの二段ベルト構造から一段ベルト構造に転換できることにより、エンジン左側における動力系の占有スペースを縮小することができる。これにより、ショベル全体の機器スペースを広げて機器配置の自由度を高めることができる。

しかも、コンプレッサプーリ４０をテンションプーリとして兼用するため、専用のテンションプーリが不要となり、ベルト伝動装置をより簡略化、コンパクト化できる。このため、機器配置が一層容易となる。

また、油圧ショベルをハイブリッド式ショベルに転換するに当たって、オルタネータ及びそのプーリの撤去跡にコンプレッサ及びそのプーリを可動式として移設すればよいため、構造の改変が最小限ですむ。このため、転換のためのコストが安くてすむ。

さらに、コンプレッサ３２及びそのプーリ４０を、エンジンルーム１２のメンテナンス開口からメンテナンス可能な(位置調整し得る)状態で設けたから、ベルト４１の張り調整や交換作業を外部から簡単に行うことができる。

ところで、本発明は、ショベルの変形としてクラムセル式のバケットを取付けた場合や、ショベルの転用例としてバケット５に代えて掴み式や振動式の破砕装置を取付けた機械、さらに伸縮式のアームを用いた機械にも適用することができる。

本発明の実施形態にかかるハイブリッド式ショベルの駆動系及び制御系のブロック構成図である。同ショベルにおける上部旋回体の機器配置を示す平面図である。エンジン及び動力系の機器配置を示す背面図である。同左側面図である。ショベルの一般的構成を示す側面図である。

符号の説明

１下部走行体
２上部旋回体
１２エンジンルーム
１３エンジン
１６ａ,１６ｂ油圧ポンプ
１７発電電動機
１９インバータ／コンバータ
２０主蓄電装置
２１コントローラ
２２補助蓄電装置
２３ＤＣ／ＤＣコンバータ
２９冷却ファン
３２コンプレッサ
３４ベルト伝動装置
３５エンジンの出力軸
３６クランクプーリ
３７冷却ファンの駆動軸
３８ファンプーリ
３９コンプレッサの駆動軸
４０コンプレッサプーリ
４１ベルト
４２コンプレッサ取付用のブラケット
４３同ボルト

Claims

下部走行体上に上部旋回体を搭載し、この上部旋回体のエンジンルームに設置したエンジンによって油圧ポンプ、発電電動機、冷却ファン、キャビン内空調用のコンプレッサを駆動し、かつ、上記発電電動機の出力によって充電される主電源としての主蓄電装置と、上記発電電動機と蓄電装置の作用を制御するインバータ／コンバータ、及び上記エンジン、油圧ポンプ、発電電動機等の運転を制御するコントローラを含む制御機器とを具備するハイブリッド式建設機械において、上記主蓄電装置にＤＣ／ＤＣコンバータを介して上記制御機器の電源となる制御用電源としての補助蓄電装置を接続する一方、上記エンジンの出力軸にクランクプーリ、上記冷却ファンの駆動軸にファンプーリ、上記コンプレッサの駆動軸にコンプレッサプーリをそれぞれ取付け、これら各プーリにベルトを架け渡してベルト伝動装置を構成したことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
コンプレッサプーリが、ベルトに張力を与えるテンションプーリを兼ねるようにコンプレッサ及びコンプレッサプーリを位置調整可能に取付けたことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド式建設機械。
ベルト伝動装置をエンジンルームに設置し、コンプレッサ及びコンプレッサプーリを、このエンジンルームのメンテナンス開口を介して外部から位置調整し得る状態で配置したことを特徴とする請求項２記載のハイブリッド式建設機械。