JP5997195B2 - ハイブリッド式作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド式作業機械に係わり、特に小型の油圧ショベル等のハイブリッド式作業機械に関する。

近年、油圧ショベル等の作業機械においては、燃費の向上、排ガス特性の改善及び騒音の低減等の観点から、エンジン(ディーゼルエンジン）と電動機を併用するハイブリッド式作業機械が開発され、一部実用化されている。このようなハイブリッド式建設機械として例えば特許文献１〜３に記載のものがある。

特許文献１〜３に記載のハイブリッド式建設機械では、エンジンによって駆動される油圧ポンプの補助動力源として発電・電動機を設け、バッテリの電力で発電・電動機を電動機として駆動し、エンジンが最適トルクに対応した回転数で運転されるように出力アシストを行っている。

また、特許文献３には、ブーム下げ時又は旋回制動時の回生エネルギーによって電動機を発電機として駆動して発電し、発電した電力をバッテリに蓄電することにより、バッテリの充電状態を回復する方法が記載されている。

特開２００３−２７９８５ 特開２００３−２８０７１ 特開２００５−２０７３８４号公報

特許文献１及び２に記載のハイブリッド式建設機械では、エンジン回転数が常に最小燃費が得られるトルクに対応した回転数と一致するように電動機で出力アシストを行うため、バッテリの消費電力が大きい。また、特許文献３に記載のハイブリッド建設機械では、エンジン回転数が常に平均出力時の回転数と一致するように電動機で出力アシストを行うため、こちらもバッテリの消費電力が大きい。これらのハイブリッド方式を旋回動作時の慣性エネルギーが大きい中型又は大型の建設機械に適用した場合は、旋回制動時の大きな回生エネルギーによって、バッテリの消費電力を十分に回収できるため、作業を中断してバッテリの充電を行う必要は生じにくい。

しかしながら、旋回動作の頻度が非常に低く、かつ旋回動作時の慣性エネルギーが非常に小さいミニショベルのような小型の建設機械に上記のハイブリッド方式を適用した場合は、旋回制動時の回生エネルギーによってバッテリの消費電力を回収することは困難であり、バッテリの充電のために作業を中断する頻度が高くなる可能性がある。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易なハイブリッド方式を採用してエンジンを小型化することにより燃費の向上、排ガス特性の改善及び騒音の低減を図るとともに、バッテリの充電のために作業を中断する頻度を低減することにより機体の稼動率を向上できるハイブリッド式作業機械を提供することである。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、エンジンと、このエンジンによって駆動される油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出される圧油によって駆動される複数の油圧アクチュエータと、前記エンジンのエンジン回転数を検出するエンジン回転数検出装置と、前記エンジンに連結された発電・電動機と、前記発電・電動機との間で電力を授受する蓄電装置と、前記エンジンの出力馬力が最大となるエンジン回転数を最大馬力回転数として予め設定しておき、前記エンジン回転数検出装置によって検出されたエンジン回転数が前記最大馬力回転数以下に低下したときに、前記発電・電動機を電動機として作動させる制御装置とを備えたものとする。

このように構成した本発明においては、電動機の出力アシストによってエンジンの要求トルクを抑えることができる。これにより、エンジンの小型化が可能となり、燃費の向上、排ガス特性の改善及び騒音の低減を図ることができる。

また、エンジン回転数が最大馬力回転数より大きい（エンジンに余剰トルクがある）ときは電動機による出力アシストを行わないため、バッテリの消費電力が抑えられる。これにより、バッテリの充電のために作業を中断する頻度を低減することができ、機体の稼動率を向上できる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記制御装置は、最小充電率よりも高い閾値を予め設定しておき、前記蓄電装置の充電率が前記閾値より小さくなったときは、前記エンジン回転数が前記最大馬力回転数以下でない場合に限り、前記エンジンの余剰トルクによって前記発電・電動機を駆動して前記発電・電動機を発電機として作動させ、前記蓄電装置の充電を行うことものとする。

このように、バッテリの充電量が不十分でかつエンジン回転数が最大馬力回転数より大きい（エンジンに余剰トルクがある）ときに発電・電動機を発電機として作動させることにより、作業効率を低下させることなくバッテリの充電を行うことができる。これにより、バッテリの充電のために作業を中断する頻度を更に低減することができ、機体の稼働率を更に向上できる。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記エンジンの負荷を検出する負荷検出装置を更に備え、前記制御装置は、前記回転数検出装置によって検出された前記エンジン回転数が前記最大馬力回転数以下でない場合であっても、前記負荷検出装置によって検出されたエンジン負荷の変化率が閾値より大きくなると、前記エンジンに急激な負荷が投入されたと判断し、前記発電・電動機を電動機として作動させるものとする。

このように、エンジン回転数が最大馬力回転数より大きく、エンジンに余剰トルクがある場合でも、エンジンに急負荷が投入された直後に電動機による出力アシストを開始することにより、エンジン回転数が最大馬力回転数を下回る時間が短縮され、エンジン出力馬力が最大出力馬力を下回ることによる作業効率の低下を防ぐことができる。

本発明によれば、簡易なハイブリッド方式を採用してエンジンを小型化することにより燃費の向上、排ガス特性の改善及び騒音の低減を図るとともに、バッテリの消費電力を抑えることにより機体の稼動率を向上できる。

本発明の実施の形態に係る油圧ショベルの外観を示す図である。 本発明の実施の形態に係る油圧ショベルの駆動システムを示す図である。 ポンプレギュレータの構成の詳細を示す図である。 ポンプレギュレータのトルク制御部の機能を示すポンプトルク特性図である。 油圧系のコントロールバルブと複数の油圧アクチュエータのうち、左右の走行用油圧モータに係わる油圧回路部分を示す図である。 図６（Ａ）は従来の一般的なミニショベルのエンジン出力馬力の制限値と油圧ポンプのＰＱ特性（馬力特性）と出力使用範囲との関係を示す図であり、図６（Ｂ）は同ミニショベルのエンジン出力馬力特性と出力使用範囲との関係を示す図である。 図７（Ａ）は第１の実施の形態のミニショベルのエンジン出力馬力の制限値と油圧ポンプのＰＱ特性（馬力特性）と出力使用範囲との関係を示す図であり、図７（Ｂ）は同ミニショベルのエンジン出力馬力特性と出力使用範囲との関係を示す図である。 第１の実施の形態に係る車体コントローラによる処理手順を示すフロー図である。 目標回転数と最大馬力回転数との関係を示す図である。 図１０（Ａ）は、出力アシスト制御によるエンジン回転数及びエンジン出力トルクの変化を示す図であり、図１０（Ｂ）は、バッテリ充電制御によるエンジン回転数及びエンジン出力トルクの変化を示す図である。 図１１（Ａ）は、出力アシスト制御によるエンジン回転数及びエンジン出力馬力の変化を示す図であり、図１１（Ｂ）は、バッテリ充電制御によるエンジン回転数及びエンジン出力馬力の変化を示す図である。 図１２（Ａ）は、アイソクロナス制御を採用した場合のエンジン回転数とエンジン出力トルクとの関係を示す図であり、図１２（Ｂ）は、アイソクロナス制御を採用した場合のエンジン回転数とエンジン出力馬力との関係を示す図である。 第２の実施の形態に係る車体コントローラの処理手順を示すフロー図である。 図１４（Ａ）は、急負荷アシストを伴わない出力アシスト制御によるエンジン回転数及びエンジン出力馬力の変化を示す図であり、図１４（Ｂ）は、急負荷アシストを伴う出力アシスト制御によるエンジン出力回転数及びエンジン出力馬力の変化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

〜構成〜
図１は、本実施の形態に係るハイブリッド式建設機械の外観を示す図である。ハイブリッド式建設機械は小型の油圧ショベルである。

油圧ショベルは、下部走行体１０１と、この下部走行体１０１上に旋回可能に搭載された上部旋回体１０２と、この上部旋回体１０２の先端部分にスイングポスト１０３を介して上下及び左右方向に回動可能に連結されたフロント作業機１０４とを備えている。下部走行体１０１はクローラ方式であり、トラックフレーム１０５の前方側に上下動可能な排土用のブレード１０６が設けられている。上部旋回体１０２は基礎下部構造をなす旋回台１０７と、旋回台１０７上に設けられたキャビン（運転室）１０８とを備えている。フロント作業機１０４はブーム１１１と、アーム１１２と、バケット１１３とを備え、ブーム１１１の基端はスイングポスト１０３にピン結合され、ブーム１１１の先端はアーム１１２の基端にピン結合され、アーム１１２の先端はバケット１１３にピン結合されている。

上部旋回体１０２は下部走行体１０１に対して図示しない旋回モータにより旋回駆動され、スイングポスト１０３及びフロント作業機１０４は旋回台１０７に対してスイングシリンダ２４ｇにより左右に回動駆動され、ブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３は、それぞれ、ブームシリンダ２４ｃ、アームシリンダ２４ｄ、バケットシリンダ２４ｅを伸縮することにより上下に回動駆動される。下部走行体１０１は左右の走行モータ２４ａ，２４ｂにより回転駆動され、ブレード１０６はブレードシリンダ２４ｈにより上下に駆動される。

図２は、図１に示した油圧ショベルの駆動システムを示す図である。図２において、駆動システムは、エンジン系１と、油圧系２と、発電電動系３と、制御系４とを備えている。

エンジン系１は、ディーゼルエンジン１１と、エンジンコントロールダイヤル１２と、エンジンコントローラ１３と、電子ガバナ１４と、エンジン回転数検出装置１５とを備えている。ディーゼルエンジン１１は、後述する如く、従来のものよりもダウンサイジングした（エンジン出力の小さい）エンジンである。

エンジンコントロールダイヤル１２は、オペレータの操作によりエンジン１１の目標回転数を設定するものである。目標回転数とは、エンジンに負荷が投入されていないときのエンジン回転数である。エンジンコントローラ１３は、エンジンコントロールダイヤル１２からの目標回転数信号を入力し、所定の演算処理を行って目標燃料噴射量を求め、電子ガバナ１４を制御することによりエンジンの各気筒に噴射される燃料噴射量を制御し、エンジン出力トルクとエンジン回転数を制御する。なお、本実施の形態では、電子ガバナ１４の制御に、エンジン負荷の増加に応じてエンジン回転数を低下させつつ燃料噴射量を増加させるドループ制御を採用した場合を例に説明する。エンジンコントローラ１３はエンジン負荷率を演算し、エンジン負荷率情報を生成する。エンジン負荷率は、例えば、最大燃料噴射量に対する目標燃料噴射量の割合を演算することにより求められる。エンジン回転数検出装置１５は、エンジン１１の実回転数を検出するものである。エンジン回転数検出装置１５によって検出されたエンジン回転数は、エンジンコントローラ１３を介して車体コントローラ４６（後述）に入力される。

エンジン１１の出力軸は大径ギヤ６ａと小径ギヤ６ｂからなる動力分配機６を介して油圧系２と発電電動系３に接続されている。

油圧系２は、油圧ポンプ２１及びパイロットポンプ２２と、コントロールバルブ２３と、複数の油圧アクチュエータ２４ａ〜２４ｈと、複数の操作装置２５，２６とを備えている。

油圧ポンプ２１はエンジン１１の出力軸に動力分配機６を介して接続され、エンジン１１により駆動される。油圧ポンプ２１から吐出された圧油はコントロールバルブ２３を介して複数の油圧アクチュエータ２４ａ〜２４ｈに供給され、それぞれの被駆動体を駆動する。油圧ポンプ２１は可変容量型であり、押しのけ容積可変機構（例えば斜板）２１ａと、押しのけ容積可変機構２１ａの傾転位置を調整し、油圧ポンプの容量を制御するポンプレギュレータ２７を備えている。

複数の油圧アクチュエータ２４ａ〜２４ｈは、左右の走行用油圧モータと、それ以外の油圧アクチュエータを含み、それ以外の油圧アクチュエータは、例えば、ブーム用油圧シリンダ、アーム用油圧シリンダ、バケット用油圧シリンダ、スイング用油圧シリンダ、ブレード用油圧シリンダを含む。

コントロールバルブ２３は複数の油圧アクチュエータ２４ａ〜２４ｈに対応する複数のメインスプールを内蔵し、これらメインスプールは操作装置２５，２６から出力される油圧信号により切換操作される。操作装置２５は左右の走行用の操作装置を代表したものであり、操作装置２６は走行以外の操作装置を代表したものである。

発電電動系３は、発電・電動機３１と、インバータ３２と、バッテリ（蓄電装置）３３と、バッテリコントローラ３４と、操作パネル３５とを備えている。

発電・電動機３１はエンジン１１の出力軸に動力分配機６を介して接続され、エンジン１１に余剰トルクがあるときは、その余剰トルクによって駆動されて発電機として作動する。発電・電動機３１が発生した電気エネルギはインバータ３２を介してバッテリ３３に蓄電される。また、発電・電動機３１は、バッテリ３３の容量に対する蓄電量の比率（以下、充電率という）がアシスト駆動に必要な最小充電率（例えば３０％）以上でありかつ油圧ポンプ２１をアシスト駆動する必要があるときは、インバータ３２を介してバッテリ３３の電気エネルギが供給され、電動機として作動する。バッテリコントローラ３４はバッテリ３３の蓄電量を監視し、操作パネル３５はその蓄電量に係わる情報（蓄電情報）を表示する。

制御系４は、走行速度切換スイッチ４１と、走行の操作パイロット圧センサ４２と、走行以外の操作パイロット圧センサ４３と、走行速度切替電磁弁４５と、制御装置としての車体コントローラ４６とを備え、車体コントローラ４６は、操作パイロット圧センサ４２，４３及び走行速度切替電磁弁４５と電気的に接続されている。また、車体コントローラ４６はインバータ３２、バッテリコントローラ３４及びエンジンコントローラ１３とも電気的に接続されている。車体コントローラ４６は、操作パイロット圧センサ４２，４３の検出信号、バッテリコントローラ３４の蓄電情報及びエンジンコントローラ１３のエンジン負荷率情報を入力し、所定の演算処理を行い、インバータ３２及び走行速度切替電磁弁４５に制御信号を出力する。

図３は、ポンプレギュレータ２７の構成の詳細を示す図である。

図３は、ポンプレギュレータ２７の構成の詳細を示す図である。
ポンプレギュレータ２７は、複数の操作装置２５，２６の操作量に基づく要求流量に応じた流量を吐出するよう油圧ポンプ２１の押しのけ容積可変機構２１ａの傾転位置を制御する（したがって油圧ポンプ容量を制御する）ＬＳ制御部等の要求流量応答制御部と、油圧ポンプ２１の最大吸収トルクを予め定められた値を超えないように油圧ポンプ２１の押しのけ容積可変機構２１ａの最大傾転位置を制御する（したがって油圧ポンプの最大容量を制御する）トルク制御部とを有している。図３は、図示の簡略化のため、トルク制御部のみ図示している。また、動力分配機６は図示を省略している。

図３において、ポンプレギュレータ２７は、油圧ポンプ２１の押しのけ容積可変機構２１ａに作動的に連結された制御スプール２７ａと、この制御スプール２７ａに対して油圧ポンプ２１の容量増加方向に作用する第１及び第の２つのバネ２７ｂ，２７ｃと、スプール２７ａに対して油圧ポンプ２１の容量減少方向に作用する受圧部２７ｄとを有している。受圧部２７ｄには油圧ポンプ２１の吐出圧力がパイロットライン２７ｆを介して導入される。第１及び第２バネ２７ｂ，２７ｃは油圧ポンプ２１の最大吸収トルクを設定するものである。第１バネ２７ｂは第２バネ２７ｃよりも長く、制御スプール２７ａが図示の初期位置にあるときは第１バネ２７ｂのみが制御スプール２７ａに接触して、制御スプール２７ａを図示右方向に付勢する。制御スプール２７ａが図示左方向にある程度移動すると第２バネ２７ｃも制御スプール２７ａに接触して、第１及び第２バネ２７ｂ，２７ｃの両方が制御スプール２７ａを図示右方向に付勢する。

図４は、ポンプレギュレータ２７のトルク制御部の機能を示すポンプトルク特性図であり、横軸は油圧ポンプ２１の吐出圧力を示し、縦軸は油圧ポンプ２１の容量を示している。

また、図４において、符号ＴＰ１及びＴＰ２で示される２つの直線（実線）からなる折れ曲がり線は第１及び第２バネ２７ｂ，２７ｃにより設定される最大吸収トルク特性である。符号ＴＥＬｃで示される曲線は、最大吸収トルク特性ＴＰ１，ＴＰ２を設定する最大設定トルクを示しており、エンジン１１の最大出力時のトルクＴＥｍａｘｃよりも所定の余裕分だけ小さくなるように設定されている。

ポンプレギュレータ２７のトルク制御部は、油圧ポンプ２１の吐出圧力に応じて油圧ポンプ２１の押しのけ容積可変機構２１ａの最大傾転位置（したがって油圧ポンプ２１の最大容量）を制限することで油圧ポンプ２１の最大吸収トルクを制限するものである。油圧ポンプ２１の吐出圧力の上昇時に吐出圧力が第１の値Ｐ１を超える前は、油圧ポンプ２１の吐出圧力が導かれる受圧部２７ｄの油圧力は第１バネ２７ｂの付勢力より小さく、油圧ポンプ２１の最大容量はｑｍａｘに維持される。すなわち、油圧ポンプ２１の容量は要求流量応答制御部の制御によりｑｍａｘまで上昇させることができる。油圧ポンプ２１の吐出圧力が更に上昇して第１の値Ｐ１を超えると、受圧部２７ｄの油圧力は第１バネ２７ｂの付勢力より大きくなり、制御スプール２７ａは図示左方向に移動して、油圧ポンプ２１の最大容量は折れ曲げ線の直線ＴＰ１に沿って減少する。これにより要求流量応答制御部により制御される油圧ポンプ２１の容量は直線ＴＰ１が規定する最大容量以下に制限され、油圧ポンプ２１の吸収トルク（ポンプ吐出圧力と容量の積）はエンジン１１の最大設定トルクＴＥＬｃを超えないように制御される。

油圧ポンプ２１の吐出圧力が更に上昇して第２の値Ｐ２を超えると、制御スプール２７ａは第２バネ２７ｃに接触して、油圧ポンプ２１の吐出圧力の上昇量に対する制御スプール２７ａの移動量の割合（油圧ポンプ２１の容量の減少割合）は減少し、油圧ポンプ２１の最大容量は直線ＴＰ１よりも傾きの小さい直線ＴＰ２に沿って減少する。この場合も、油圧ポンプ２１の吸収トルクはエンジン１１の最大設定トルクＴＥＬｃを超えないように制御される。油圧ポンプ２１の吐出圧力がメインリリーフ弁２９の設定圧力に達すると、それ以上油圧ポンプ２１の吐出圧力の上昇は阻止される。

図５は、油圧系のコントロールバルブと複数の油圧アクチュエータのうち、左右の走行用油圧モータに係わる油圧回路部分を示す図である。図中、左右の走行用のメインスプールを符号２３ａ，２３ｂで示し、左右の走行用油圧モータを符号２４ａ，２４ｂで示している。左右の油圧モータ２４ａ，２４ｂはメインスプール２３ａ，２３ｂを介して油圧ポンプ２１に接続されている。

左右の油圧モータ２４ａ，２４ｂはそれぞれ可変容量型であり、押しのけ容積可変機構（斜板）２４ａ１，２４ｂ１と、押しのけ容積可変機構２４ａ１，２４ｂ１をそれぞれ駆動する制御ピストン２４ａ２，２４ｂ２とを備えている。制御ピストン２４ａ２，２４ｂ２の一側には受圧部２４ａ３，２４ｂ３が形成され、その反対側にはバネ２４ａ４，２４ｂ４が配置されている。

走行速度切替電磁弁４５が図示のＯＦＦ位置にあるとき、制御ピストン２４ａ２，２４ｂ２の受圧部２４ａ３，２４ｂ３はタンクに連通しており、制御ピストン２４ａ２，２４ｂ２はバネ２４ａ４，２４ｂ４の力で押されて図示の位置にあって、押しのけ容積可変機構２４ａ１，２４ｂ１は大傾転位置(大容量位置)に保持されている。走行速度切替電磁弁４５がＯＮ位置に切り換えられると、制御ピストン２４ａ２，２４ｂ２の受圧部２４ａ３，２４ｂ３に制御圧力としてパイロットポンプ２２の吐出圧力が導かれ、これにより制御ピストン２４ａ２，２４ｂ２が作動して、押しのけ容積可変機構２４ａ１，２４ｂ１は大傾転位置（大容量位置）から小傾転位置（小容量位置）へと切り換えられる。大傾転位置では油圧モータ２４ａ，２４ｂは低速回転が可能であり、走行低速に適した状態となり、小傾転位置では油圧モータ２４ａ，２４ｂは高速回転が可能であり、走行高速に適した状態となる。本明細書では、押しのけ容積可変機構２４ａ１，２４ｂ１が大傾転位置にあるときの状態を油圧モータ２４ａ，２４ｂの低速大容量モードといい、押しのけ容積可変機構２４ａ１，２４ｂ１が小傾転位置にあるときの状態を油圧モータ２４ａ，２４ｂの高速小容量モードという。

図６（Ａ）は、従来の一般的なミニショベルのエンジン出力馬力の制限値と油圧ポンプのＰＱ特性（馬力特性）と出力使用範囲との関係を示す図であり、横軸は油圧ポンプの吐出圧力を示し、縦軸は油圧ポンプの吐出流量を示している。図６（Ｂ）は、同ミニショベルのエンジン出力馬力特性と出力使用範囲との関係を示す図であり、横軸はエンジン回転数を示し、縦軸はエンジンの出力馬力を示している。

まず、油圧ポンプのＰＱ特性について説明する。油圧ポンプのＰＱ特性とは、ある最大吸収トルク特性を持つ油圧ポンプをエンジンで駆動して回転させ、作業を行ったときに得られる油圧ポンプの出力馬力特性である。図６（Ａ）の油圧ポンプのＰＱ特性は、一例として、図４に示した最大吸収トルク特性を持つ油圧ポンプ２１の場合のものであり、かつエンジン回転数が定格最大回転数にある場合のものである。定格最大回転数とは、図６（Ｂ）に示すように、最大目標回転数ＮＴｍａｘに基づいて制御されているエンジンの出力馬力が最大となるときのエンジン回転数ＮＲｍａｘである。

一般的なミニショベルの作業状態として、走行高速時と走行低速時と通常作業時とを考える。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）中、Ａは走行高速時の出力使用範囲、Ｂは走行低速時の出力使用範囲、Ｃは通常作業時の出力使用範囲を示している。走行高速とは、走行用の油圧モータ２４ａ，２４ｂが高速小容量モードにありかつ走行用の操作装置２５が操作されて走行している状態をいい、走行低速とは、走行用の油圧モータ２４ａ，２４ｂが低速大容量モードにありかつ走行用の操作装置２５が操作されて走行している状態をいう。通常作業とは、走行以外の操作装置２６（特にフロント作業機１０４に係わる油圧アクチュエータ１１１，１１２，１１３及び旋回モータのいずれかに係わる操作装置）が操作されて作業を行っている状態をいう。

図６（Ａ）の符号ＨＥＬｃはエンジンの必要馬力値を示しており、エンジンの最大出力馬力ＨＥｍａｘｃよりも所定の余裕分だけ小さくなるように設定されている。また、走行高速時はスピード（大流量）が必要であり、油圧ポンプ２１の出力は最も大きくなるため、エンジンの必要馬力ＨＥＬｃは、走行高速時Ａの運転状態で油圧ポンプ２１に要求される油圧馬力を賄うことができる大きさに設定されている。

一方、ポンプレギュレータ２７の最大吸収トルク特性（図４）は、第１及び第２の２つのバネ２７ｂ，２７ｃによって実線の直線ＴＰ１，ＴＰ２からなる折れ曲げ線のように設定されるため、油圧ポンプ２１のＰＱ特性も同様に符号ＨＰで示すように折れ曲げ線形状となり、通常作業時ではエンジンの必要馬力ＨＥＬｃに対して油圧ポンプ２１の出力使用範囲ＣがＸと大きく離れて、余裕がありすぎる状態となる。これは、エンジン出力馬力を有効に使用していないことを意味する。

図７（Ａ）は、本実施の形態によるミニショベルのエンジン出力馬力と油圧ポンプのＰＱ特性（馬力特性）と出力使用範囲との関係を示す図であり、図７（Ｂ）は、同ミニショベルのエンジン出力馬力特性と出力使用範囲との関係を示す図である。

本実施の形態では、エンジン１１の最大出力馬力ＨＥｍａｘｅを図６（Ｂ）に示した従来のエンジン最大出力馬力ＨＥｍａｘｃよりも小さくし、油圧ポンプ２１の馬力特性ＨＰにおける最大馬力を下回る設定とする。更に言えば、本実施の形態では、エンジン１１の最大出力馬力ＨＥｍａｘｅを、走行高速時Ａ以外（走行低速時Ｂ及び通常作業時Ｃ）の運転状態で油圧ポンプ２１に要求される油圧馬力を賄うことができ、走行高速時Ａの運転状態で油圧ポンプ２１に要求される油圧馬力を賄うことができない大きさに設定する。

そして、走行高速時には、バッテリ３３により発電・電動機３１を電動機として作動させ出力アシストを行う。図７（Ａ）の点線ＨＥｍａｘｅ＋ＨＭｍａｘは、最大アシスト時のシステム出力馬力（エンジン出力馬力ＨＥｍａｘｅと電動機の最大出力馬力ＨＭｍａｘの合計出力）である。

このようにエンジン１１の出力馬力を従来よりも小さくし、エンジン１１の最大出力馬力ＨＥｍａｘｅを油圧ポンプ２１の馬力特性ＨＰにおける最大馬力を下回るように設定することにより、エンジン１１の出力馬力をフルに使用できるようになるとともに、エンジン１１をダウンサイジング（小型化）することが可能となる。エンジン１１をダウンサイジングすることにより低燃費化、エンジン１１から排出される有害なガスの量の低減、及び騒音の低減が可能となる。また、排出ガス後処理装置の小型化或いは簡略化が可能となり、エンジン１１のダウンサイジング化によるコスト低減と相まってエンジンの製作コストを低減することができ、機械全体の価格を下げることができる。更に、アクチュエータ側には発電機等の電気機器を装着しないため、簡易なハイブリッド方式となり、ハイブリッド化によるコストアップの影響を最小限に止めることが可能になるとともに、簡易なハイブリッド方式であるためミニショベルのような小型の建設機械であってもレイアウト面の困難性を回避することができる。

〜制御〜
次に、図８を用いて上述した本発明の動作原理を実現する車体コントローラ４６の制御機能について説明する。図８は、車体コントローラ４６の処理手順を示すフロー図である。図８のフローを構成する各ステップについて順に説明する。

まず、バッテリ充電率が第１閾値より小さいか否かを判定する（ステップＳ１００）。第１閾値とは、バッテリの充電量が不十分か否かを判定するための閾値であり、作業の継続が不能となる最小充電率（例えば３０％）よりも高い値（例えば５０％）に設定されている。ステップＳ１００でＹＥＳ（バッテリ充電率＜５０％）と判定された場合は、エンジン回転数が最大馬力回転数より小さいか否かを判定する（ステップＳ１１０）。最大馬力回転数とは、目標回転数に基づいて制御されているエンジン１１の出力馬力が最大（以下、最大出力馬力という）となるときのエンジン回転数である。

ここで、最大馬力回転数について、図９を用いて詳しく説明する。図９は、エンジン回転数とエンジン出力馬力の関係を示す図である。図中の実線Ｅｍａｘ，Ｅ１，Ｅ２及び破線Ｓｍａｘ，Ｓ１，Ｓ２は、それぞれ目標回転数をＮＴｍａｘ，ＮＴ１，ＮＴ２に設定した場合のエンジン馬力特性及びシステム馬力特性を示している。目標回転数ＮＴｍａｘ，ＮＴ１，ＮＴ２（以下、ＮＴｘという）に基づいて制御されているエンジン１１の出力馬力は、それぞれ、エンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｍａｘ，ＮＲ１，ＮＲ１（以下、ＮＲｘという）のときに最大となる。なお、最大目標回転数ＮＴｍａｘに対応する最大馬力回転数ＮＲｍａｘは、エンジン１１の定格最大回転数と一致する。図９に示した目標回転数ＮＴｘと最大馬力回転数ＮＲｘとの対応関係を車体コントローラ４６の記憶装置に予め記憶させておくことにより、エンジンコントロールダイヤル１２による目標回転数の設定に応じて最大馬力回転数を変更することが可能となる。

図８に戻り、ステップＳ１１０でＹＥＳ（エンジン回転数＜最大馬力回転数ＮＲｘ）と判定された場合は、発電・電動機３１を電動機として作動させ（ステップＳ１４０）、処理を終了する。ステップＳ１４０で構成される出力アシスト制御によって、エンジン回転数は最大馬力回転数ＮＲｘまで上昇し、エンジン出力馬力は最大出力馬力まで上昇する。電動機３１の出力トルクとエンジン回転数との関係については後述する。

ステップＳ１１０でＮＯ（エンジン回転数≧最大馬力回転数ＮＲｘ）と判定された場合は、余剰トルクによって発電・電動機３１を駆動して発電・電動機３１を発電機として作動させ（ステップＳ１２０）、バッテリ充電制御を行う（ステップＳ１３０）。これにより、エンジン回転数は最大馬力回転数ＮＲｘまで低下し、エンジン出力馬力は最大出力馬力まで上昇する。さらに、エンジン１１の余剰トルクによって発電機３１が駆動され、発電機３１で発電した電力がインバータ３２を介してバッテリ３３に蓄電される。発電機３１の負荷トルクとエンジン回転数との関係については後述する。

ステップＳ１３０に続いて、バッテリ充電率が第２閾値より大きいか否かを判定する（ステップＳ１５０）。第２閾値とは、バッテリの充電が不要か否かを判定するための閾値であり、第１閾値よりも高い値（例えば７０％）に設定されている。ステップＳ１５０でＹＥＳ（バッテリ充電率＞７０％）と判定された場合は、処理を終了する。一方、ステップＳ１５０でＮＯ（バッテリ充電率≦７０％）と判定された場合は、ステップＳ１１０に戻り、ステップＳ１１０以降の処理を繰り返し実行する。

ステップＳ１００でＮＯ（バッテリ充電率≦５０％）と判定された場合は、ステップＳ１１０と同様にエンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘより低いか否かを判定する（ステップＳ１６０）。ステップＳ１６０でＮＯ（エンジン回転数≧最大馬力回転数ＮＲｘ）と判定された場合は、発電・電動機３１を電動機として作動させ（ステップＳ１４０）、処理を終了する。これにより、エンジン回転数は最大馬力回転数ＮＲｘまで上昇し、エンジン出力馬力は最大出力馬力まで上昇する。一方、ステップＳ１６０でＮＯ（エンジン回転数≧最大馬力回転数ＮＲｘ）と判定された場合は、処理を終了する。

電動機３１の出力トルクとエンジン回転数との関係及び発電機３１の負荷トルクとエンジン回転数との関係について、それぞれ図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）を用いて説明する。図１０（Ａ）は、出力アシスト制御に伴うエンジン回転数及びエンジン出力トルクの変化を示す図であり、横軸はエンジン回転数を示し、縦軸はエンジン出力トルクを示している。図１０（Ｂ）は、バッテリ充電制御に伴うエンジン回転数及びエンジン出力トルクの変化を示す図であり、横軸はエンジン回転数を示し、縦軸はエンジン出力トルクを示している。

図１０（Ａ）において、符号ＴＥ１は、エンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘより小さい（作業負荷トルクＴＷ１が最大馬力回転数ＮＲｘにおけるエンジン出力トルクＴｏｐｔ（以下、最適トルクという）より大きい）条件の下で出力アシスト制御を行わなかった場合のエンジン出力トルクを示しており、エンジン出力トルクＴＥ１と作業負荷トルクＴＷ１とは一致している。

一方、符号ＴＥ２は、同じく作業負荷トルクＴＷ１が最適トルクＴｏｐｔより大きい条件の下で出力アシスト制御を行った場合のエンジン出力トルクを示している。図１０（Ａ）に示すように、電動機３１の出力トルクＴＭによって作業負荷トルクＴＷ１と最適トルクＴｏｐｔとの差分が小さくなるよう制御することにより、エンジン出力トルクは最適トルクＴｏｐｔまで低下し、エンジン回転数は最大馬力回転数ＮＲｘまで上昇する。

図１０（Ｂ）において、符号ＴＥ３は、エンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘより大きい（作業負荷トルクＴＷ２が最適トルクＴｏｐｔより小さい、すなわち余剰トルクがある）条件の下でバッテリ充電制御を行わなかった場合のエンジン出力トルクを示しており、エンジン出力トルクＴＥ３と作業負荷トルクＴＷ２とは一致している。

一方、符号ＥＴ４は、同じくエンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘより大きい（作業負荷トルクＴＷ２が最適トルクＴｏｐｔより小さい、すなわち余剰トルクがある）条件の下でバッテリ充電制御を行った場合のエンジン出力トルクを示している。図１０（Ｂ）に示すように、発電機３１の負荷トルクＴＧによって最適トルクＴｏｐｔと作業負荷トルクＴＷ２との差分が小さくなるよう制御することにより、エンジン出力トルクは最適トルクＴｏｐｔまで上昇し、エンジン回転数は最大馬力回転数ＮＲｘまで低下する。

〜動作〜
本実施の形態に係る駆動システムの動作を、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）を用いて説明する。図１１（Ａ）は、出力アシスト制御によるエンジン出力馬力の変化を示す図であり、横軸はエンジン回転数を示し、縦軸はエンジン出力馬力を示している。図１１（Ｂ）は、バッテリ充電制御によるエンジン出力馬力の変化を示す図であり、横軸はエンジン回転数を示し、縦軸はエンジン出力馬力を示している。

図１１（Ａ）において、符号ＨＥ１，ＨＳ１は、エンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘより小さい条件の下で出力アシスト制御を行わなかった場合のエンジン出力馬力及びシステム出力馬力を示しており、両者は一致している。一方、符号ＨＥ２，ＨＳ２は、同じくエンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘより小さい条件の下で出力アシスト制御を行った場合のエンジン出力馬力及びシステム出力馬力を示している。このとき、エンジン出力馬力ＨＥ２は最大出力馬力となり、システム出力馬力ＨＳ２は、エンジン出力馬力ＨＥ２（最大出力馬力）と電動機３１の出力馬力ＨＭとの合計出力となる。

図１１（Ｂ）において、符号ＨＥ３，ＨＳ３は、エンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘより大きい（作業負荷トルクＴＷが最適トルクＴｏｐｔより小さい、すなわちエンジン１１に余剰トルクがある）条件の下でバッテリ充電制御を行わなかった場合のエンジン出力馬力及びシステム出力馬力を示しており、両者は一致している。一方、符号ＨＥ４，ＨＳ４は、同じくエンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘより大きい（作業負荷トルクＴＷが最適トルクＴｏｐｔより小さい、すなわちエンジン１１に余剰トルクがある）条件の下でバッテリ充電制御を行った場合のエンジン出力馬力及びシステム出力馬力を示している。このとき、エンジン出力馬力ＨＥ４は最大出力馬力となり、システム出力馬力ＨＳ４は、エンジン出力馬力ＨＥ４（最大出力馬力）と発電機３１の発電負荷ＨＧとの差分と一致する。

〜効果〜
このように構成した本発明においては、電動機３１の出力アシストによってエンジンの要求トルクを抑えることができるため、エンジン１１の小型化が可能となり、その結果、燃費の向上、排ガス特性の改善及び騒音の低減を図ることができる。

また、エンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘより大きい（エンジン１１に余剰トルクがある）ときは電動機３１による出力アシストを行わないため、バッテリ３３の消費電力が抑えられる。これにより、バッテリ３３の充電のために作業を中断する頻度を低減することができ、機体の稼動率を向上できる。

さらに、バッテリの充電量が不十分でかつエンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘより大きい（エンジン１１に余剰トルクがある）ときに発電・電動機３１を発電機として作動させることにより、作業効率を低下させることなくバッテリ３３の充電を行うことができる。これにより、バッテリ３３の充電のために作業を中断する頻度を更に低減することができ、機体の稼動率を更に向上できる。

〜変形例〜
本実施の形態では、エンジン回転数と最大馬力回転数ＮＲｘとの大小判定結果に基づいて出力アシスト制御とバッテリ充電制御とを切り替えることとしたが、最大馬力回転数ＮＲｘにはマージンを持たせても良い。すなわち、エンジン回転数のハンチング等を考慮した所定のマージンΔＮを設定し、エンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘ＋ΔＮより大きくなったときにバッテリ充電制御を行い、エンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘ−ΔＮより小さくなったときに出力アシスト制御を行っても良い。これにより、エンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘ付近にあるときの発電・電動機３１の制御を安定化させることができる。

また、本実施の形態では、電子ガバナ１４の制御にエンジン負荷の増加に応じてエンジン回転数を低下させつつ燃料噴射量を増加させるドループ制御を採用した場合を例に説明したが、本発明はこれに限られず、エンジン負荷の増加によらずエンジン回転数が一定に保たれるように燃料噴射量を調整するアイソクロナス制御を採用することも可能である。以下にその根拠を説明する。

図１２（Ａ）は、アイソクロナス制御を採用した場合のエンジン回転数とエンジン出力トルクとの関係を示す図であり、図１２（Ｂ）は、アイソクロナス制御を採用した場合のエンジン回転数とエンジン出力馬力との関係を示す図である。

図１２（Ａ）において、出力トルクが最適トルクＴｏｐｔより小さい（エンジン１１に余剰トルクがある）ときは、符号ＴＥａで示すようにエンジン回転数は目標回転数ＮＴｘ（＝最大馬力回転数ＮＲｘ）に保たれ、出力トルクが最適トルクＴｏｐｔより大きくなると、符号ＴＥｂで示すように出力エンジン回転数は最大馬力回転数ＮＲｘより小さくなる。一方、図１２（Ｂ）においては、出力トルクが最適トルクＴｏｐｔより小さい（エンジン１１に余剰トルクがある）ときは、符号ＨＥａで示すようにエンジン回転数は最大馬力回転数ＮＲｘに保たれ、出力トルクが最適トルクＴｏｐｔより大きくなると、符号ＨＥｂに示すようにエンジン回転数は最大馬力回転数ＮＲｘより小さくなり、出力馬力は最大出力馬力より小さくなる。

このように、アイソクロナス制御では、エンジン１１に余剰トルクがあるときのエンジン回転数の変化がドループ制御と相違するものの、エンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘより小さいか否かによって出力アシストの要否が判定可能である。従って、アイソクロナス制御を採用した場合も本発明は適用可能である。

＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態に係るハイブリッド式建設機械及び駆動システムの構成は、図１及び図２に示したものと同様である。

図１３は、本実施の形態における車体コントローラ４６の処理手順を示すフロー図である。図中、図８に示したフローを構成する処理と同様の処理には同じ符号を付している。以下、図８に示したフローと相違する部分を中心に説明する。

ステップＳ１１０でＮＯ（エンジン回転数≧最大馬力回転数ＮＲｘ）と判定された場合は、エンジンコントローラ１３からのエンジン負荷率情報に基づいてエンジン負荷変化率が所定の閾値より大きいか否かを判定する（ステップＳ１１１）。所定の閾値とは、エンジン１１に急負荷が投入されたか否かを判定するための閾値である。ステップＳ１１１でＮＯ（エンジン負荷変化率≦閾値）と判定された場合は、ステップＳ１２０以降の処理を実行する。一方、ステップＳ１１１でＹＥＳ（エンジン負荷変化率＞閾値）と判定された場合は、発電・電動機３１を電動機として作動させ（ステップＳ１４０）、処理を終了する。

ステップＳ１６０でＮＯ（エンジン回転数≧最大馬力回転数ＮＲｘ）と判定された場合は、ステップＳ１１１と同様にエンジン負荷変化率が所定の閾値より大きいか否かを判定する（ステップＳ１６１）。ステップＳ１６１でＹＥＳ（エンジン負荷率偏差＞閾値）と判定された場合は、発電・電動機３１を電動機として作動させ（ステップＳ１４０）、処理を終了する。一方、ステップＳ１６１でＮＯ（エンジン負荷変化率≦閾値）と判定された場合は、処理を終了する。

本実施の形態における急負荷投入時のエンジン出力馬力の変化を、第１の実施の形態の場合と比較して説明する。図１４（Ａ）は、第１の実施の形態における急負荷投入時のエンジン回転数及びエンジン出力馬力の変化を示す図であり、図１４（Ｂ）は、本実施の形態に係る油圧ショベルにおける急負荷投入時のエンジン回転数及びエンジン出力馬力の変化を示す図である。

図１４（Ａ）において、符号ＨＥ５，ＨＳ５は、それぞれ、エンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘより大きい状態でバッテリ充電制御を行わなかった場合のエンジン出力馬力とシステム出力馬力を示しており、両者は一致している。この状態でエンジン１１に急負荷が投入されると、エンジン出力馬力及びシステム出力馬力はエンジン回転数の低下に伴って急激に変化する（ＨＥ５→ＨＥ６，ＨＳ５→ＨＳ６）。エンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘを下回ったところで出力アシスト制御が開始され、エンジン回転数は最大馬力回転数ＮＲｘまで上昇し、エンジン出力馬力は最大出力馬力まで上昇する（ＨＥ６→ＨＥ７）。一方、システム出力馬力は、最大出力馬力ＨＥ７と電動機３１の出力馬力ＨＭとの合計出力となる（ＨＳ６→ＨＳ７）。

これに対して、図１４（Ｂ）に示す本実施の形態では、急負荷投入直後に出力アシストが開始されるため、図１３（Ａ）に示した第１の実施の形態における動作と比較して、エンジン回転数の低下が抑制され、それに伴うエンジン出力馬力及びシステム出力馬力の変動（ＨＥ５→ＨＥ６’，ＨＳ５→ＨＳ６’）も小さくなる。

上記のように構成した本実施の形態においては、第１の実施例と同様の効果が得られる。また、急負荷投入直後に発電・電動機３１を電動機として作動させて出力アシスト制御を開始することにより、エンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘを下回る時間が短縮され、エンジン出力馬力が最大出力馬力を下回ることによる作業効率の低下を防ぐことができる。

１ エンジン系
２ 油圧系
３ 発電電動系
４ 制御系
６ 動力分配機
１１ エンジン
１２ エンジンコントロールダイヤル
１３ エンジンコントローラ
１４ 電子ガバナ
１５ エンジン回転数検出装置
２１ 油圧ポンプ
２１ａ 押しのけ容積可変機構
２２ パイロットポンプ
２３ コントロールバルブ
２３ａ，２３ｂ 走行用のメインスプール
２４ａ，２４ｂ 走行用の油圧モータ
２４ｃ〜２４ｈ その他の油圧アクチュエータ
２４ａ１，２４ｂ１ 押しのけ容積可変機構（斜板）
２４ａ２，２４ｂ２ 制御ピストン
２４ａ３，２４ｂ３ 受圧部
２４ａ４，２４ｂ４ バネ
２５ 走行用の操作装置
２６ 走行以外の操作装置
２７ ポンプレギュレータ
２７ａ 制御スプール
２７ｂ，２７ｃ 第１バネ及び第２バネ
２７ｄ，２７ｅ 第１受圧部及び第２受圧部
２７ｆ パイロットライン
２７ｇ 制御油路
２９ メインリリーフ弁
３１ 発電・電動機
３２ インバータ
３３ バッテリ（蓄電装置）

Claims (3)

1. エンジンと、
   このエンジンによって駆動される油圧ポンプと、
   この油圧ポンプから吐出される圧油によって駆動される複数の油圧アクチュエータと、
   前記エンジンのエンジン回転数を検出するエンジン回転数検出装置と、
   前記エンジンに連結された発電・電動機と、
   前記発電・電動機との間で電力を授受する蓄電装置と、
   前記エンジンの出力馬力が最大となるエンジン回転数を最大馬力回転数として予め設定しておき、前記エンジン回転数検出装置によって検出されたエンジン回転数が前記最大馬力回転数以下に低下したときに、前記発電・電動機を電動機として作動させる制御装置と
   を備えたことを特徴とするハイブリッド式作業機械。
2. 請求項１に記載のハイブリッド式作業機械において、
   前記制御装置は、最小充電率よりも高い閾値を予め設定しておき、前記蓄電装置の充電率が前記閾値より小さくなったときは、前記エンジン回転数が前記最大馬力回転数以下でない場合に限り、前記エンジンの余剰トルクによって前記発電・電動機を駆動して前記発電・電動機を発電機として作動させ、前記蓄電装置の充電を行うことを特徴とするハイブリッド式作業機械。
3. 請求項１に記載のハイブリッド式作業機械において、
   前記エンジンの負荷を検出する負荷検出装置を更に備え、
   前記制御装置は、前記エンジン回転数検出装置によって検出された前記エンジン回転数が前記最大馬力回転数以下でない場合であっても、前記負荷検出装置によって検出されたエンジン負荷の変化率が閾値より大きくなると、前記エンジンに急激な負荷が投入されたと判断し、前記発電・電動機を電動機として作動させることを特徴とするハイブリッド式作業機械。

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