JP2020158045A

JP2020158045A - ハイブリッド式建設機械

Info

Publication number: JP2020158045A
Application number: JP2019062118A
Authority: JP
Inventors: 村上　良昭; Yoshiaki Murakami; 良昭村上
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2020-10-01

Abstract

【課題】エンジンと旋回電動機とを併用するハイブリッド式建設機械において、ＥＧＲ装置の熱害破損をより確実に防止することが可能な技術の提供。【解決手段】油圧ショベル１は、ＥＧＲ装置２７と、エンジン用冷却水路２０と、エンジン用ウォーターポンプ２１と、旋回電動機４３と発電電動機４５とインバータ４７と蓄電装置４９とを含む電動ユニット４と、電動ユニット用冷却水路４０と、電動ユニット用ウォーターポンプ４１とを備える。エンジン用冷却水路２０は、エンジン２に設けられるウォータージャケット２３を通ってエンジン用ラジエータ３に戻る。電動ユニット用冷却水路４０は、電動ユニット４を通って電動ユニット用ラジエータ５に戻る。電動ユニット用冷却水路４０は、途中に設けられた分岐点４００において分岐し、ＥＧＲ装置２７を通って電動ユニット用ラジエータ５に戻る分岐水路４０Ｂを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンと旋回電動機とを併用するハイブリッド式建設機械に関する。

従来、油圧ショベル等の建設機械において、エンジンと旋回電動機とを併用したハイブリッド式建設機械が知られている（例えば、特許文献１）。

具体的には、特許文献１では、エンジン（８）の冷却水を冷却するラジエータ（１６）とは別に、蓄電装置（３０）を単独で冷却する蓄電装置用冷却システム（４１）を備える油圧ショベル（１）が開示されている。

蓄電装置用冷却システム（４１）は、蓄電装置（３０）を冷却する蓄電装置用ラジエータ（４２）と、冷却水を循環させる蓄電装置用冷却ポンプ（４３）と、蓄電装置用ラジエータ（４２）と蓄電装置用冷却ポンプ（４３）との間を接続する蓄電装置用冷却管路（４４）とにより、蓄電装置（３０）のウォータージャケットに接続される閉ループを形成している（特許文献１の図１０参照）。

また、排ガスを含む給気をエンジンに供給して窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するＥＧＲ（排気再循環）装置を備える建設機械が知られている。ＥＧＲ装置には、給気側に再循環させる排ガスの一部（以下、ＥＧＲガスと称する）を冷却するＥＧＲクーラが設けられている（例えば、特許文献２）。

詳細には、特許文献２の図４に示されるように、エンジン冷却システムは、ウォーターポンプ（９１）と、サーモスタット（９２）と、ウォータージャケット（９３）と、ＥＲＧクーラ（９４）と、ラジエータ（３０）と、タンク（１２）を備えている。ウォーターポンプ（９１）は、冷却水をウォータージャケット（９３）及びＥＧＲクーラ（９４）に送ることで冷却水を循環させる。ＥＧＲクーラ（９４）は、エンジン排気と冷却水を熱交換することでエンジン排気を冷却する。

特開２０１６−０３０９２３号公報特開２０１６−１０２３７８号公報

ところで、ＥＧＲ装置を備える建設機械においては、ＥＧＲ装置を冷却する冷却水の低下に伴い、ＥＧＲ装置が熱害破損するといった問題が発生している。

このような問題に関し、上述した特許文献２に記載の発明のように、ラジエータ（３０）とエンジン（９）内の冷却水流路で水位が最も高くなる場所よりも高い位置にタンク（１２）の下限水位を設定することが考えられる。

しかしながら、特許文献２に記載のように、タンク（１２）を高い位置に配置するためには、タンク（１２）を固定支持するブラケット（１５）を追加しなければならず、大きなコストアップになる。

また、通常、エンジン用の冷却水は、オーバーヒートアラームが発生したタイミングで作業者によって給水される。ただ、ＥＧＲ装置の冷却水路は比較的複雑な配管構成となっているため、オーバーヒートアラームが発生する前にＥＧＲ装置の冷却水が減少し、ＥＧＲ装置が熱害破損することもある。

さらに、特許文献２では、エンジン（９）の動力により駆動するウォーターポンプ（９１）によって冷却水がＥＧＲクーラ（９４）に送られる構成となっている。そのため、エンジン（９）が停止すると、ウォーターポンプ（９１）も停止し、ＥＧＲクーラ（９４）の冷却水が循環されなくなるという問題もある。

以上のような問題に鑑み、本発明は、エンジンと旋回電動機とを併用するハイブリッド式建設機械において、ＥＧＲ装置の熱害破損をより確実に防止することが可能な技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、エンジンと旋回電動機とを併用するハイブリッド式建設機械であって、前記エンジンの排気通路から排気ガスの一部を取り出して前記エンジンの給気通路に戻すＥＧＲ装置と、前記エンジンに設けられるウォータージャケットを通ってエンジン用ラジエータに戻るエンジン用冷却水路と、前記エンジン用冷却水路に設けられ、前記エンジン用冷却水路を通る冷却水を循環させるエンジン用ウォーターポンプと、旋回電動機と発電電動機とインバータと蓄電装置とを通って電動ユニット用ラジエータに戻る電動ユニット用冷却水路と、前記電動ユニット用冷却水路に設けられ、前記電動ユニット用冷却水路を通る冷却水を循環させる電動式の電動ユニット用ウォーターポンプと、を備え、前記電動ユニット用冷却水路は、途中に設けられた分岐点において分岐し、前記ＥＧＲ装置を通って前記電動ユニット用ラジエータに戻る分岐水路を有することを特徴とするハイブリッド式建設機械を提供している。

ここで、前記分岐点には、前記分岐水路に供給される水量を調整するための分流弁が設けられているのが好ましい。

また、前記分岐点は、前記電動ユニット用冷却水路において、前記電動ユニット用ラジエータで冷却された冷却水が前記旋回電動機と前記発電電動機と前記インバータと前記蓄電装置とを通る前の位置に設けられ、前記分岐水路には、前記旋回電動機と前記発電電動機と前記インバータと前記蓄電装置とを通る前の冷却水が供給されるのが好ましい。

本発明によれば、ＥＧＲ装置は、エンジン用冷却水路ではなく、電動ユニット用冷却水路から分岐した分岐水路を通る冷却水によって冷却される。電動ユニット用冷却水路においては専用の電動ユニット用ウォーターポンプによって冷却水が循環されるため、ＥＧＲ装置を冷却するための充分な水量を確保できる。そのため、エンジンと旋回電動機とを併用するハイブリッド式建設機械において、ＥＧＲ装置の熱害破損をより確実に防止することが可能である。

本発明の実施形態によるエンジン用冷却水路及び電動ユニット用冷却水路の構成を示す模式図。第１変形例に係るエンジン用冷却水路及び電動ユニット用冷却水路の構成を示す模式図。第２変形例に係るエンジン用冷却水路及び電動ユニット用冷却水路の構成を示す模式図。

＜１．実施形態＞
本発明の実施形態によるハイブリッド式建設機械について、図１を参照しながら説明する。以下では、ハイブリッド式建設機械の一例として、エンジンと旋回電動機を併用するハイブリッド式の油圧ショベル１（図１参照）を例示する。

図１に示されるように、ハイブリッド式の油圧ショベル１は、エンジン２と、エンジン用ラジエータ３と、電動ユニット４と、電動ユニット用ラジエータ５と、冷却水を格納するリザーブタンク６とを備えて構成される。

エンジン２は、エンジン用ウォーターポンプ２１と、ウォータージャケット２３と、サーモスタット２５と、ＥＧＲ装置２７とを備えて構成される。

エンジン用ウォーターポンプ２１は、エンジン２の動力により駆動され、サーモスタット２５またはエンジン用ラジエータ３のロアタンクからの冷却水を押し出してウォータージャケット２３に送ることで冷却水を循環している。

ウォータージャケット２３は、エンジン２のシリンダ（図示せず）の周囲に設けられた水路であり、エンジン用ウォーターポンプ２１から送り出された冷却水は主にここを通過する際にエンジン２と熱交換してエンジン２を冷却する。

サーモスタット２５は冷却水温度に応じて水路を開閉する弁装置であり、冷却水温度が開弁温度以上の場合に開き、エンジン用ラジエータ３に冷却水が導入される。一方、開弁温度未満のときのサーモスタット２５は閉じており、冷却水はエンジン用ラジエータ３に導入されることなく循環する。

上述したエンジン用ウォーターポンプ２１、ウォータージャケット２３及びサーモスタット２５は、エンジン用冷却水路２０上に配置されている。

エンジン用冷却水路２０は、エンジン用ラジエータ３のロアタンクから出力した後、エンジン用ウォーターポンプ２１、ウォータージャケット２３及びサーモスタット２５を通って、エンジン用ラジエータ３のアッパータンクに戻っている。

ＥＧＲ装置２７は、エンジン２の排気通路から排気ガスの一部を取り出してエンジン２の給気通路に戻す装置である。図１に示されるように、ＥＧＲ装置２７は、エンジン用冷却水路２０上に配置されていない。すなわち、ＥＧＲ装置２７は、エンジン用冷却水路２０を通る冷却水によって冷却する構成にはなっていない。

エンジン用ラジエータ３は、エンジン用冷却水路２０を通って加熱された冷却水を熱交換して冷却する装置である。

電動ユニット４は、電動ユニット用ウォーターポンプ４１と、旋回電動機４３と、発電電動機４５と、インバータ４７と、蓄電装置４９とを備えて構成される。

電動ユニット用ウォーターポンプ４１は、バッテリの動力により駆動する電動式のウォーターポンプであり、エンジン２の停止後も所定時間作動し続ける。電動ユニット用ウォーターポンプ４１は、電動ユニット用ラジエータ５のロアタンクからの冷却水を押し出して旋回電動機４３等に送ることで冷却水を循環している。

旋回電動機４３は、蓄電装置４９の電力により駆動すると共に、旋回動作を減速するときに発生するエネルギーを電気エネルギーに変換して発電を行う装置である。

発電電動機４５は、エンジン２からの動力により発電機として機能すると共に、蓄電装置４９からの電力により電動機として機能する装置である。

インバータ４７は、インバータとコンバータとを組み合わせた装置であり、直流電流を交流電流に変換するインバータ機能と、交流電流を直流電流に変換するコンバータ機能とを有する。

蓄電装置４９は、インバータ４７を介して発電電動機４５により発電された電力を充電すると共に充電された電力を発電電動機４５に供給する装置である。

上述した電動ユニット用ウォーターポンプ４１、旋回電動機４３、発電電動機４５、インバータ４７及び蓄電装置４９は、電動ユニット用冷却水路４０（詳細には、後述の主水路４０Ａ）上に配置されている。

電動ユニット用冷却水路４０は、電動ユニット用ウォーターポンプ４１と旋回電動機４３との間に設けられた分岐点４００において分岐し、主水路４０Ａと分岐水路４０Ｂ（一点鎖線）とから構成されている。

主水路４０Ａは、電動ユニット用ラジエータ５のロアタンクから出力した後、電動ユニット用ウォーターポンプ４１、旋回電動機４３、発電電動機４５、インバータ４７及び蓄電装置４９を通って、エンジン用ラジエータ３のアッパータンクに戻っている。

分岐水路４０Ｂは、分岐点４００から出力した後、エンジン２のＥＧＲ装置２７を通ってエンジン用ラジエータ３のアッパータンクに戻っている。

電動ユニット用ラジエータ５は、電動ユニット用冷却水路４０（４０Ａ，４０Ｂ）を通って加熱された冷却水を熱交換して冷却する装置である。

以上、本実施形態によれば、ＥＧＲ装置２７は、エンジン用冷却水路２０ではなく、電動ユニット用冷却水路４０の分岐点４００から分岐した分岐水路４０Ｂを通る冷却水によって冷却される。電動ユニット用冷却水路４０においては専用の電動ユニット用ウォーターポンプ４１によって冷却水が循環されるため、ＥＧＲ装置２７を冷却するための充分な水量を確保できる。そのため、エンジン２と旋回電動機４３とを併用するハイブリッド式の油圧ショベル１において、ＥＧＲ装置２７の熱害破損をより確実に防止することが可能である。

特に、電動式の電動ユニット用ウォーターポンプ４１は、エンジン２の停止後も所定時間は作動し続ける。その結果、電動ユニット用冷却水路４０内の冷却水が循環し続けるため、熱害破損が更に発生し難い構成になっている。

また、本実施形態によれば、分岐水路４０Ｂを追加するのみの構成であるから、リザーブタンクを高い位置に配置するための強度部材等を追加する必要がなく、コストを低減することが可能である。

また、本実施形態によれば、電動ユニット用冷却水路４０の分岐点４００が電動ユニット用ウォーターポンプ４１と旋回電動機４３との間に設けられている。すなわち、電動ユニット用冷却水路４０の分岐点４００は、旋回電動機４３、発電電動機４５、インバータ４７及び蓄電装置４９を通る前の位置に設けられている。よって、分岐水路４０Ｂには、旋回電動機４３、発電電動機４５、インバータ４７及び蓄電装置４９を通る前の冷却水（すなわち、加熱されていない冷却水）が供給される。そのため、旋回電動機４３、発電電動機４５、インバータ４７及び蓄電装置４９を通った後の冷却水を用いてＥＧＲ装置２７を冷却する場合に比べ、ＥＧＲ装置２７を効率的に冷却することが可能である。

＜２．変形例＞
本発明によるハイブリッド式建設機械は上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。

上記実施形態では、電動ユニット用冷却水路４０を分岐点４００において単に主水路４０Ａと分岐水路４０Ｂとに分岐させる場合を例示したが、これに限定されない。

例えば、図２に示されるように分岐点４００に分流弁を設けるようにしてもよい。分流弁を設けることにより、ＥＧＲ装置２７に供給される冷却水の水量を調整し、より効率的にＥＧＲ装置を冷却することが可能である。

また、上記実施形態では、電動ユニット用冷却水路４０の分岐点４００が電動ユニット用ウォーターポンプ４１と旋回電動機４３との間に設けられる場合を例示したが、これに限定されない。

例えば、図３に示されるように、旋回電動機４３、発電電動機４５、インバータ４７及び蓄電装置４９を通った後の水路を分岐させるようにしてもよい。この場合、ＥＧＲ装置２７に供給される冷却水の水温が若干高くなるものの、ＥＧＲ装置２７を冷却することは可能である。

以上のように本発明にかかる構成は、ＥＧＲ装置を備えるエンジンと旋回電動機を併用するハイブリッド式の油圧ショベル等に用いるのに適している。

１油圧ショベル、２エンジン、３エンジン用ラジエータ、４電動ユニット、
５電動ユニット用ラジエータ、６リザーブタンク、２０エンジン用冷却水路、
２１エンジン用ウォーターポンプ、２３ウォータージャケット、
２５サーモスタット、２７ＥＧＲ装置、４０電動ユニット用冷却水路、
４０Ａ主水路、４０Ｂ分岐水路、４１電動ユニット用ウォーターポンプ、
４３旋回電動機、４５発電電動機、４７インバータ、４９蓄電装置、
４００分岐点

Claims

エンジンと旋回電動機とを併用するハイブリッド式建設機械であって、
前記エンジンの排気通路から排気ガスの一部を取り出して前記エンジンの給気通路に戻すＥＧＲ装置と、
前記エンジンに設けられるウォータージャケットを通ってエンジン用ラジエータに戻るエンジン用冷却水路と、
前記エンジン用冷却水路に設けられ、前記エンジン用冷却水路を通る冷却水を循環させるエンジン用ウォーターポンプと、
旋回電動機と発電電動機とインバータと蓄電装置とを含む電動ユニットを通って電動ユニット用ラジエータに戻る電動ユニット用冷却水路と、
前記電動ユニット用冷却水路に設けられ、前記電動ユニット用冷却水路を通る冷却水を循環させる電動式の電動ユニット用ウォーターポンプと、
を備え、
前記電動ユニット用冷却水路は、途中に設けられた分岐点において分岐し、前記ＥＧＲ装置を通って前記電動ユニット用ラジエータに戻る分岐水路を有することを特徴とするハイブリッド式建設機械。
前記分岐点には、前記分岐水路に供給される水量を調整するための分流弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド式建設機械。
前記分岐点は、前記電動ユニット用冷却水路において、前記電動ユニット用ラジエータで冷却された冷却水が前記旋回電動機と前記発電電動機と前記インバータと前記蓄電装置とを通る前の位置に設けられ、
前記分岐水路には、前記旋回電動機と前記発電電動機と前記インバータと前記蓄電装置とを通る前の冷却水が供給されることを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド式建設機械。