JP7071583B2

JP7071583B2 - 作業車両

Info

Publication number: JP7071583B2
Application number: JP2021508612A
Authority: JP
Inventors: 浩志歌代; 昭範神谷; 徳孝伊藤; 孝利大木; 聡関野
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2022-05-19
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: EP4071017A4; WO2020194680A1; JPWO2020194680A1; CN112384424A; EP4071017A1; CN112384424B; US20210262198A1; US11466432B2; EP4071017B1

Description

本発明は、掘削等の作業及び走行が可能な作業車両に関し、特に電動機を走行用アクチュエータとして備える作業車両に関する。

近年、建設機械を含む作業車両の分野において、特に省エネルギを目的として走行用アクチュエータに電動機を採用し、油圧力及び電力を併用した所謂ハイブリッド機の開発が進んでいる。例えば、特許文献１には、ホイールローダの走行駆動部を電動化し、走行制動時に電動機から生じる回生電力を回収し、この回生電力を走行や作業用アクチュエータの駆動に用いる技術が開示されている。

このようなハイブリッドホイールローダでは、降坂走行や走行制動時にプロペラシャフトを介して作用する回転力によって、走行用電動機の回転軸が回転し、この回転に伴って走行用電動機が回生電力を発生させる。そして、発生した回生電力は、バッテリやキャパシタなどの蓄電装置に充電される。なお、走行用電動機が回生電力を発電する際には、回転軸の回転に抗する力が生じ、この抵抗力が走行に対するブレーキとして作用する。

国際公開第２０１４／１７５１９５号

しかしながら、大きなブレーキ力を発生させるほど、発生する回生電力も大きくなるので、これに対応するために極めて大容量の蓄電装置が必要となる。さらに、蓄電装置がフル充電されている場合には、それ以上充電することができないので、必要なブレーキ力を得ることができないという課題がある。

本発明は、上記した実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、走行用のアクチュエータとして電動機を採用した作業車両において、走行時に必要な制動力を確実に得ることができ、且つ制動時に発生する回生動力を有効に利用する技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、エンジンと、前記エンジンの駆動力で発電する発電電動機と、前記発電電動機から供給される電力で駆動する電動機と、前記電動機の駆動力が伝達されて回転する駆動輪と、前記エンジンまたはモータとして動作する前記発電電動機の駆動力が伝達されて作動油を圧送する油圧ポンプと、前記油圧ポンプから作動油の供給を受けて動作する油圧アクチュエータと、前記エンジンの排気管路に排気ブレーキを作動させるための絞り装置と、回生動力を熱に変換する抵抗器と、前記発電電動機及び前記絞り装置の動作を制御する制御装置とを備える作業車両であって、前記制御装置は、前記電動機から出力される前記回生動力、前記油圧ポンプを駆動する目標油圧駆動動力、及び前記絞り装置を最大まで絞ったときに前記排気ブレーキで消費される最大排気ブレーキ動力を演算し、前記回生動力が前記目標油圧駆動動力以下の場合に、前記回生動力をモータとして動作する前記発電電動機に供給して消費させ、前記回生動力が前記目標油圧駆動動力よりも大きく、且つ前記回生動力と前記目標油圧駆動動力との差が前記最大排気ブレーキ動力以下の場合に、前記回生動力をモータとして動作する前記発電電動機に供給すると共に、前記回生動力と前記目標油圧駆動動力との差に相当する動力を前記排気ブレーキに消費させ、前記回生動力と前記目標油圧駆動動力との差が前記最大排気ブレーキ動力より大きい場合に、前記最大排気ブレーキ動力及び前記目標油圧駆動動力の和に相当する目標発電機力行動力をモータとして動作する前記発電電動機に供給すると共に、前記最大排気ブレーキ動力を前記排気ブレーキに消費させ、さらに、前記回生動力と前記目標発電機力行動力との差に相当する動力を前記抵抗器に消費させることを特徴とする。

本発明によれば、走行用のアクチュエータとして電動機を採用した作業車両において、走行時に必要な制動力を確実に得ることができると共に、制動時に発生する回生動力を有効に利用することができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本実施形態に係るホイールローダの側面図である。ホイールローダのハードウェア構成図である。制御装置の機能ブロック図である。実エンジン回転数と、最大排気ブレーキ動力との対応関係を示す図である。ホイールローダによるＶシェープローディングを説明する説明図である。ホイールローダの各作業におけるエンジン回転数、油圧駆動動力、目標油圧駆動動力、目標排気ブレーキ消費動力、及び目標ブレーキ抵抗器消費動力の関係を示す図である。目標ブレーキ動力配分演算部によるＥｔａｒ＿ＭＧ、Ｅｔａｒ＿ｅｘｈ、Ｅｔａｒ＿ｂｒの演算処理を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明に係るホイールローダ１００の各実施形態について説明する。なお、本明細書中の前後左右は、特に断らない限り、ホイールローダ１００に搭乗して操作するオペレータの視点を基準としている。また、本実施形態では、パワーを動力として以下に説明する。

図１は、本実施形態に係るホイールローダ１００の側面図である。ホイールローダ１００は、リフトアーム１０１、バケット１０２、及び左右一対の前輪１０３等を有する前フレーム１０４と、キャブ１０５、及び左右一対の後輪１０６等を有する後フレーム１０７とで構成される。

前輪１０３及び後輪１０６は、ホイールローダ１００に搭載された電動機１４（図２参照）によって駆動される駆動輪である。より詳細には、電動機１４は、エンジン１０の駆動力によって発電電動機１１で発電された電力が供給されて回転する。そして、電動機１４の回転駆動力は、トランスミッション（図示省略）で変速されて、プロペラシャフト及びアクスルを介して前輪１０３及び後輪１０６に伝達される。

リフトアーム１０１は、リフトアームシリンダ１０８の伸縮によって上下方向に回動（俯仰動）する。バケット１０２は、バケットシリンダ１０９の伸縮によって上下方向に回動（クラウドまたはダンプ）する。リフトアーム１０１、バケット１０２、リフトアームシリンダ１０８、及びバケットシリンダ１０９は、フロント作業装置を構成している。

前フレーム１０４と後フレーム１０７とは、センタピン１１０によって、左右方向に回転可能に連結されている。また、前フレーム１０４と後フレーム１０７とは、左右一対のステアリングシリンダ１１１Ｌ、１１１Ｒによって接続されている。ステアリングシリンダ１１１Ｌ、１１１Ｒは、前端が前フレーム１０４に接続され、後端が左右方向に回動可能な状態で後フレーム１０７に接続される。

一対のステアリングシリンダ１１１Ｌ、１１１Ｒのうち一方を伸長、他方を縮退させることにより、センタピン１１０を中心として前フレーム１０４が後フレーム１０７に対して左右方向に屈曲する。これにより、前フレーム１０４と後フレーム１０７との相対的な取付角度が変化し、車体が屈曲して換向する。すなわち、このホイールローダ１００は、センタピン１１０を中心に前フレーム１０４と後フレーム１０７とが屈曲されるアーティキュレート式である。

キャブ１０５には、ホイールローダ１００を操作するオペレータが搭乗する内部空間が形成されている。キャブ１０５の内部には、オペレータが着席するシート（図示省略）と、シートに着席したオペレータが操作する操作装置が配置されている。キャブ１０５に搭乗したオペレータが操作装置を操作することによって、ホイールローダ１００が走行し、フロント作業装置が動作する。

操作装置は、ホイールローダ１００を操作するオペレータの操作を受け付ける。そして、操作装置は、オペレータの操作方向及び操作量に応じた操作信号を、制御装置２０（図２参照）に出力する。操作装置は、例えば図２に示すように、油圧操作レバー３１と、アクセルペダル３２と、ブレーキペダル３３と、ＦＮＲスイッチ３４とを備える。

油圧操作レバー３１は、ステアリングシリンダ１１１Ｌ、１１１Ｒを伸縮させるステアリングレバー、リフトアームシリンダ１０８を伸縮させるアーム操作レバー、バケットシリンダ１０９を伸縮させるバケット操作レバーを含む。油圧操作レバー３１は、各レバーの倒伏方向及び倒伏量を示すレバー信号を、操作信号として出力する。

アクセルペダル３２は、エンジン１０の回転数を調整する。アクセルペダル３２は、アクセル踏込率Ｒａｔ_ａｃｃを、操作信号として出力する。ブレーキペダル３３は、前輪１０３及び後輪１０６を制動する。ブレーキペダル３３は、ブレーキ踏込率Ｒａｔ_ｂｒｋを、操作信号として出力する。ＦＮＲスイッチ３４は、ホイールローダ１００の進行方向（前進、後進、ニュートラル）を切り換える。ＦＮＲスイッチ３４は、前進、後進、ニュートラルのいずれかを示すＦＮＲ信号を、操作信号として出力する。

図２は、ホイールローダ１００のハードウェア構成図である。ホイールローダ１００は、エンジン（ＥＮＧ）１０と、発電電動機（Ｍ／Ｇ）１１と、インバータ（ＩＮＶ）１２、１３と、電動機（Ｍ）１４と、コンバータ（ＣＯＮＶ）１５と、抵抗器（ＢＲ）１６と、作動油タンク１７と、油圧ポンプ１８と、方向切換弁１９と、制御装置（Ｍ／Ｃ）２０とを主に備える。

エンジン１０は、化石燃料を燃焼させて駆動力を発生させる。エンジン１０の回転数は、ＥＣＵ１０ａによって制御される。エンジン１０の実際の回転数（実エンジン回転数ω_Ｅｎｇ）は、回転数センサ３５によって検出される。そして、回転数センサ３５は、検出した実エンジン回転数ω_Ｅｎｇを示す回転数信号を、制御装置２０に出力する。

また、エンジン１０の排気管路には、絞り装置１０ｂが設けられている。絞り装置１０ｂは、ＥＣＵ１０ａの制御に従って、排気管路を通過する排気ガスの通過面積を増減させる。この絞り装置１０ｂで排気ガスの通過面積を絞って排気ブレーキを作動させることにより、排気抵抗が負荷となってエンジン１０が減速（回転数が低下）する。

発電電動機１１は、エンジン１０の出力軸と同軸上にある回転軸にロータが取り付けられ、ロータの外周にステータが配置されている。発電電動機１１は、エンジン１０の駆動力が伝達されてロータが回転することによって、三相交流電力を発電する。

インバータ１２は、発電電動機１１から出力された三相交流電力を直流電力に変換して、インバータ１３に出力する。インバータ１３は、インバータ１２から出力された直流電力を三相交流電力に変換して、電動機１４に出力する。

電動機１４は、インバータ１３から三相交流電力の供給を受けて駆動力を発生させ、発生させた駆動力をプロペラシャフトに出力する。そして、駆動輪（前輪１０３及び後輪１０６）は、電動機１４の駆動力がプロペラシャフトを介して伝達されることによって回転する。これにより、ホイールローダ１００が走行する。

ホイールローダ１００の実際の走行速度（以下、「車速Ｖ_ａｃｔ」と表記する。）は、車速センサ３６によって検出される。そして、車速センサ３６は、検出した車速Ｖ_ａｃｔを示す車速信号を、制御装置２０に出力する。

一方、ホイールローダ１００を制動する際、電動機１４は、電気ブレーキとして作動する。そして、電気ブレーキとして作動する電動機１４は、回生電力（回生動力）を発電して、インバータ１３に出力する。インバータ１３は、電動機１４から出力された三相交流の回生電力を直流電力に変換して、インバータ１２及びコンバータ１５に出力する。

インバータ１２は、インバータ１３から出力された直流の回生電力を三相交流電力に変換して、発電電動機１１に出力する。発電電動機１１は、インバータ１２から供給された三相交流電力によってモータとして動作し、エンジン１０の出力軸（回転軸）を駆動する。すなわち、電動機１４が発生させた回生電力の一部は、発電電動機１１で駆動力に変換される。

コンバータ１５は、インバータ１３から供給される直流電力を変圧して、抵抗器１６に出力する。抵抗器１６は、コンバータ１５を通じて供給された回生電力を熱に変換する抵抗素子である。すなわち、電動機１４が発生させた回生電力の一部は、抵抗器１６で消費される。

油圧ポンプ１８は、可変容量型の油圧ポンプであって、エンジン１０の出力軸に接続されている。すなわち、油圧ポンプ１８は、エンジン１０及びモータとして動作する発電電動機１１の一方或いは両方の駆動力が伝達されて、作動油タンク１７に貯留された作動油を方向切換弁１９に圧送する。油圧ポンプ１８から圧送される作動油の吐出圧力Ｐは、圧力センサ３７によって検出される。そして、圧力センサ３７は、検出した吐出圧力Ｐを示す圧力信号を、制御装置２０に出力する。

方向切換弁１９は、作動油タンク１７から出力された作動油を、リフトアームシリンダ１０８、バケットシリンダ１０９、及びステアリングシリンダ１１１Ｌ、１１１Ｒ（以下、これらを総称して、「油圧アクチュエータ」と表記する。）に供給する。より詳細には、方向切換弁１９は、油圧操作レバー３１の操作方向及び操作量に応じて、油圧アクチュエータに供給する作動油の供給方向及び流量を制御する。

制御装置２０は、ホイールローダ１００全体の動作を制御する。より詳細には、制御装置２０は、操作装置３１～３４から出力される操作信号、回転数センサ３５から出力される回転数信号、車速センサ３６から出力される車速信号、圧力センサ３７から出力される圧力信号に基づいて、ＥＣＵ１０ａ（すなわち、エンジン１０及び絞り装置１０ｂ）、インバータ１２、１３、及びコンバータ１５の動作を制御する。

制御装置２０は、例えば、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、及びＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）を備える。制御装置２０は、ＲＯＭに格納されたプログラムコードをＣＰＵが読み出して実行することによって、後述する各機能ブロックが実現される。ＲＡＭは、ＣＰＵがプログラムを実行する際のワークエリアとして用いられる。

但し、制御装置２０の具体的な構成はこれに限定されず、ＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）などのハードウェアによって実現されてもよい。

図３は、制御装置２０の機能ブロック図である。制御装置２０は、目標電機駆動動力演算部２１と、最大排気ブレーキ動力演算部２２と、目標油圧駆動動力演算部２３と、目標ブレーキ動力配分演算部２４と、目標エンジン回転数演算部２５とを備える。

目標電機駆動動力演算部２１は、アクセルペダル３２から出力されるアクセル踏込率Ｒａｔ_ａｃｃと、ブレーキペダル３３から出力されるブレーキ踏込率Ｒａｔ_ｂｒｋと、ＦＮＲスイッチ３４から出力されるＦＮＲ信号と、車速センサ３６から出力される車速Ｖ_ａｃｔとに基づいて、目標ブレーキ動力Ｅｔａｒ＿ｂｒｋを演算する。

目標ブレーキ動力Ｅｔａｒ＿ｂｒｋは、前輪１０３及び後輪１０６が制動された際に、電動機１４が発生させる回生動力（回生電力）の大きさを示す。すなわち、目標ブレーキ動力Ｅｔａｒ＿ｂｒｋは、前輪１０３及び後輪１０６の制動力が大きいほど大きな値になる。

目標ブレーキ動力Ｅｔａｒ＿ｂｒｋは、ホイールローダ１００の現在の車速Ｖ_ａｃｔと、制動後の目標車速（目標走行速度）Ｖ_ｔａｒとの差が大きいほど、大きな値になる。例えば、目標車速Ｖ_ｔａｒは下記式１で演算され、目標ブレーキ動力Ｅｔａｒ＿ｂｒｋは下記式２で演算される。式１のＦＮＲは、ＦＮＲ信号の値に対応する変数であって、前進のときに１、後進のときに－１、ニュートラルのときに０が設定される。また、式１、２のＣ_１、Ｃ_２は予め定められた定数である。

そして、目標電機駆動動力演算部２１は、演算した目標ブレーキ動力Ｅｔａｒ＿ｂｒｋを、目標ブレーキ動力配分演算部２４及び目標エンジン回転数演算部２５に通知する。また、目標電機駆動動力演算部２１は、目標ブレーキ動力Ｅｔａｒ＿ｂｒｋに相当する電力（目標走行モータ回生動力）の出力を指示する制御信号を、インバータ１３に出力する。

最大排気ブレーキ動力演算部２２は、回転数センサ３５から出力される実エンジン回転数ω_Ｅｎｇに基づいて、最大排気ブレーキ動力Ｅｍａｘ＿ｅｘｈを演算する。最大排気ブレーキ動力Ｅｍａｘ＿ｅｘｈは、絞り装置１０ｂを最大まで絞ったときに排気ブレーキで消費される動力の大きさを示す。

図４は、実エンジン回転数ω_Ｅｎｇと、最大排気ブレーキ動力Ｅｍａｘ＿ｅｘｈとの対応関係を示す図である。図４に示すように、最大排気ブレーキ動力Ｅｍａｘ＿ｅｘｈは、実エンジン回転数ω_Ｅｎｇの関数である。より詳細には、最大排気ブレーキ動力Ｅｍａｘ＿ｅｘｈは、実エンジン回転数ω_Ｅｎｇが高いほど大きな値になり、実エンジン回転数ω_Ｅｎｇが低いほど小さな値になる。図４の対応関係は、実験或いはシミュレーションによって予め決定され、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ）に記憶される。

最大排気ブレーキ動力演算部２２は、例えば、記憶装置に記憶された対応関係に基づいて、現在の実エンジン回転数ω_Ｅｎｇに対応する最大排気ブレーキ動力Ｅｍａｘ＿ｅｘｈを演算する。そして、最大排気ブレーキ動力演算部２２は、演算した最大排気ブレーキ動力Ｅｍａｘ＿ｅｘｈを、目標ブレーキ動力配分演算部２４に通知する。

目標油圧駆動動力演算部２３は、油圧操作レバー３１から出力されるレバー信号と、回転数センサ３５から出力される実エンジン回転数ω_Ｅｎｇと、圧力センサ３７から出力される圧力信号とに基づいて、目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄを演算する。そして、目標油圧駆動動力演算部２３は、演算した目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄを、目標ブレーキ動力配分演算部２４及び目標エンジン回転数演算部２５に通知する。

目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄは、油圧ポンプ１８を駆動する動力の大きさを示す。具体的には、油圧操作レバー３１から出力されるレバー信号と、回転数センサ３５から出力される実エンジン回転数ω_Ｅｎｇより油圧ポンプ１８の目標流量を求める。その後、圧力センサ３７から出力される圧力信号に目標流量を乗算した値を目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄとして導出する。

すなわち、目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄは、油圧操作レバー３１の倒伏量が大きいほど大きい値になり、実エンジン回転数ω_Ｅｎｇが高いほど大きな値になり、油圧ポンプ１８から出力される作動油の圧力が高いほど大きな値になる。

例えば、目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄは下記式３で演算される。式３のηは、油圧ポンプ１８のポンプ効率であって、予め定められた定数である。また、式３のＱは、油圧ポンプ１８からの作動油の吐出流量であって、レバー信号で示される油圧操作レバー３１の操作量及び実エンジン回転数ω_Ｅｎｇに応じて変化する。さらに、式３のｉは、ホイールローダ１００が複数の油圧ポンプを搭載している場合に、各油圧ポンプを示すインデックスである。

目標ブレーキ動力配分演算部２４は、目標電機駆動動力演算部２１によって演算された目標ブレーキ動力Ｅｔａｒ＿ｂｒｋと、最大排気ブレーキ動力演算部２２によって演算された最大排気ブレーキ動力Ｅｍａｘ＿ｅｘｈと、目標油圧駆動動力演算部２３によって演算された目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄとに基づいて、目標発電機力行動力Ｅｔａｒ＿ＭＧと、目標排気ブレーキ消費動力Ｅｔａｒ＿ｅｘｈと、目標ブレーキ抵抗器消費動力Ｅｔａｒ＿ｂｒとを演算する。目標ブレーキ動力配分演算部２４の具体的な処理は、図７を参照して後述する。

目標発電機力行動力Ｅｔａｒ＿ＭＧは、油圧操作レバー３１の操作量に応じて油圧アクチュエータを動作させるために、発電電動機１１に供給すべき動力（回生電力）の大きさを示す。そして、目標ブレーキ動力配分演算部２４は、演算した目標発電機力行動力Ｅｔａｒ＿ＭＧに相当する電力の出力を指示する制御信号を、インバータ１２に出力する。

目標排気ブレーキ消費動力Ｅｔａｒ＿ｅｘｈは、排気ブレーキに消費させる動力（駆動力）の大きさを示す。そして、目標ブレーキ動力配分演算部２４は、演算した目標排気ブレーキ消費動力Ｅｔａｒ＿ｅｘｈを排気ブレーキに消費させる制御信号を、ＥＣＵ１０ａに出力する。

目標ブレーキ抵抗器消費動力Ｅｔａｒ＿ｂｒは、抵抗器１６に消費させるべき動力（回生電力）の大きさを示す。すなわち、目標ブレーキ抵抗器消費動力Ｅｔａｒ＿ｂｒは、目標ブレーキ動力Ｅｔａｒ＿ｂｒｋのうち、抵抗器１６が熱に変換すべき動力の大きさを示す。そして、目標ブレーキ動力配分演算部２４は、演算した目標ブレーキ抵抗器消費動力Ｅｔａｒ＿ｂｒに相当する電力の出力を指示する制御信号を、コンバータ１５に出力する。

目標エンジン回転数演算部２５は、目標油圧駆動動力演算部２３によって演算された目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄと、回転数センサ３５から出力される実エンジン回転数ω_Ｅｎｇとに基づいて、目標エンジン回転数を演算する。目標エンジン回転数は、エンジン１０の回転数の目標値である。そして、目標エンジン回転数演算部２５は、演算した目標エンジン回転数でエンジン１０を回転させる制御信号を、ＥＣＵ１０ａに出力する。目標エンジン回転数演算部２５の具体的な処理は、図７を参照して後述する。

次に、ホイールローダ１００が掘削作業及び積み込み作業を行う際の方法の１つであるＶシェープローディングについて説明する。図５は、ホイールローダ１００によるＶシェープローディングを説明する説明図である。図６は、ホイールローダ１００の各作業におけるエンジン回転数、油圧駆動動力、目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄ、目標排気ブレーキ消費動力Ｅｔａｒ＿ｅｘｈ、及び目標ブレーキ抵抗器消費動力Ｅｔａｒ＿ｂｒの関係を示す図である。

まず、ホイールローダ１００は、作業対象物である地山Ａに向かって前進し（図５に示す矢印Ｘ１）、バケット１０２を地山Ａに突入させた状態でチルトさせることにより掘削作業を行う。このとき、オペレータは、ホイールローダ１００の駆動を増大させながらバケット１０２をチルトさせる複合操作を行う。このときに、制動力は発生しない。

次に、掘削作業が終わると、ホイールローダ１００は、掘削した土砂や鉱物等の荷をバケット１０２に積んだ状態で後退する。十分な距離を後退した後、オペレータは後進から前進への方向切換を行う（図５に示す矢印Ｘ２）。このとき、オペレータは、バケット１０２を動作させずに、ホイールローダ１００を減速する単独操作を行う。そのため、図６の「Ｖ字掘削時（油圧不使用）」のように、エンジン回転数、油圧駆動動力、及び目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄが低くなり、目標排気ブレーキ消費動力Ｅｔａｒ＿ｅｘｈが高くなり、目標ブレーキ抵抗器消費動力Ｅｔａｒ＿ｂｒが低くなる傾向がある。

次に、ホイールローダ１００は、ダンプトラックＢに向かって前進し（図５に示す矢印Ｙ１）、ダンプトラックＢの手前（破線のホイールローダ１００の位置）で停止して、バケット１０２内の土砂を放土する。このとき、オペレータは、ホイールローダ１００を減速させながらバケットをダンプする複合操作を行うので、図６の「Ｖ字掘削時（油圧使用）」の傾向を呈する。そのため、図６の「Ｖ字掘削時（油圧使用）」のように、エンジン回転数、油圧駆動動力、及び目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄが高くなり、目標排気ブレーキ消費動力Ｅｔａｒ＿ｅｘｈ及び目標ブレーキ抵抗器消費動力Ｅｔａｒ＿ｂｒが低くなる傾向がある。

次に、ホイールローダ１００は、ダンプトラックＢへの積み込み作業が終わると、バケット１０２内に荷が積まれていない状態で後退する。十分な距離を後退した後、オペレータは後進から前進への方向切換を行う（図５に示す矢印Ｙ２）。このとき、オペレータは、バケット１０２を動作させずに、ホイールローダ１００を減速する単独操作を行うので、図６の「Ｖ字掘削時（油圧不使用）」の傾向を呈する。そして、ホイールローダ１００は、地山ＡとダンプトラックＢとの間でＶ字形状に往復走行し、掘削作業及び積み込み作業を行う。

また、ホイールローダ１００は、作業現場の環境によっては、長い斜面を走行することがある。このとき、オペレータは、バケット１０２を動作させずに、前輪１０３及び後輪１０６を緩やかに制動して、ホイールローダ１００の速度を制御する。そのため、図６の「降坂時」のように、エンジン回転数が高くなり、油圧駆動動力及び目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄが低くなり、目標排気ブレーキ消費動力Ｅｔａｒ＿ｅｘｈ及び目標ブレーキ抵抗器消費動力Ｅｔａｒ＿ｂｒが高くなる傾向がある。

次に、図７を参照して、前述したホイールローダ１００の各動作時における制御装置２０の処理を説明する。図７は、目標ブレーキ動力配分演算部２４によるＥｔａｒ＿ＭＧ、Ｅｔａｒ＿ｅｘｈ、Ｅｔａｒ＿ｂｒの演算処理を示すフローチャートである。目標ブレーキ動力配分演算部２４は、図７に示す処理を所定の時間間隔で繰り返し実行する。

まず、目標ブレーキ動力配分演算部２４は、目標電機駆動動力演算部２１によって演算された目標ブレーキ動力Ｅｔａｒ＿ｂｒｋと、目標油圧駆動動力演算部２３によって演算された目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄとを比較する（Ｓ１）。

ここで、目標ブレーキ動力Ｅｔａｒ＿ｂｒｋが目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄ以下の場合とは、例えば、前述の複合操作が行われている場合のように、油圧ポンプ１８に伝達すべき動力が大きく、目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄのみで目標ブレーキ動力Ｅｔａｒ＿ｂｒｋを賄うことができる場合である。

そこで、目標ブレーキ動力配分演算部２４は、Ｅｔａｒ＿ｂｒｋ≦Ｅｈｙｄと判定した場合に（Ｓ１：Ｎｏ）、目標発電機力行動力Ｅｔａｒ＿ＭＧ＝Ｅｔａｒ＿ｂｒｋ、目標排気ブレーキ消費動力Ｅｔａｒ＿ｅｘｈ＝０、目標ブレーキ抵抗器消費動力Ｅｔａｒ＿ｂｒ＝０に設定し、ＥＣＵ１０ａ、インバータ１２、及びコンバータ１５に制御信号を出力する（Ｓ２）。すなわち、制御装置２０は、回生動力が目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄ以下の場合に、回生動力をモータとして動作する発電電動機１１に供給して消費させる。これにより、ステップＳ２では、電動機１４が発生させた回生動力が全て発電電動機１１に供給されて、油圧ポンプ１８への駆動力に変換される。

一方、目標ブレーキ動力Ｅｔａｒ＿ｂｒｋが目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄより大きい場合とは、油圧ポンプ１８に伝達される動力が小さく、目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄを回生動力のみで賄うことができる場合である。そこで、目標ブレーキ動力配分演算部２４は、Ｅｔａｒ＿ｂｒｋ＞Ｅｈｙｄと判定した場合に（Ｓ１：Ｙｅｓ）、目標ブレーキ動力Ｅｔａｒ＿ｂｒｋ及び目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄの差と、最大排気ブレーキ動力Ｅｍａｘ＿ｅｘｈとを比較する（Ｓ３）。

目標ブレーキ動力Ｅｔａｒ＿ｂｒｋ及び目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄの差は、回生動力から目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄを消費した残りの動力（以下、「余剰回生動力」と表記する。）である。そして、余剰回生動力が最大排気ブレーキ動力Ｅｍａｘ＿ｅｘｈ以下の場合とは、例えば、前述の単独操作が行われている場合のように、余剰回生動力が比較的小さいので、余剰回生動力の全てを排気ブレーキで消費させることをできる場合である。

そこで、目標ブレーキ動力配分演算部２４は、Ｅｔａｒ＿ｂｒｋ＞Ｅｈｙｄで（Ｓ１：Ｙｅｓ）、且つ（Ｅｔａｒ＿ｂｒｋ－Ｅｈｙｄ）≦Ｅｍａｘ＿ｅｘｈと判定した場合に（Ｓ３：Ｎｏ）、目標発電機力行動力Ｅｔａｒ＿ＭＧ＝Ｅｔａｒ＿ｂｒｋ、目標排気ブレーキ消費動力Ｅｔａｒ＿ｅｘｈ＝Ｅｔａｒ＿ｂｒｋ－Ｅｈｙｄ、目標ブレーキ抵抗器消費動力Ｅｔａｒ＿ｂｒ＝０に設定し、ＥＣＵ１０ａ、インバータ１２、及びコンバータ１５に制御信号を出力する（Ｓ４）。すなわち、制御装置２０は、回生動力が目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄよりも大きく、且つ回生動力と目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄとの差が最大排気ブレーキ動力Ｅｍａｘ＿ｅｘｈ以下の場合に、回生動力をモータとして動作する発電電動機１１に供給すると共に、回生動力と目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄとの差に相当する動力を排気ブレーキに消費させる。

すなわち、ステップＳ４では、電動機１４が発生させた回生動力が全て発電電動機１１に供給されて、油圧ポンプ１８への駆動力に変換されると共に、余剰回生動力が排気ブレーキで消費される。換言すれば、絞り装置１０ｂが作動してエンジン１０の目標排気ブレーキ消費動力Ｅｔａｒ＿ｅｘｈが大きくなり、発電電動機１１へ供給された回生動力がエンジン１０及び油圧ポンプ１８で消費可能となる。

一方、余剰回生動力が最大排気ブレーキ動力Ｅｍａｘ＿ｅｘｈより大きい場合とは、例えば、長い坂道を下っている場合のように、継続して大きな回生動力が発生して、余剰回生動力の全てを排気ブレーキで消費しきれない場合である。

そこで、目標ブレーキ動力配分演算部２４は、Ｅｔａｒ＿ｂｒｋ＞Ｅｈｙｄで（Ｓ１：Ｙｅｓ）、且つ（Ｅｔａｒ＿ｂｒｋ－Ｅｈｙｄ）＞Ｅｍａｘ＿ｅｘｈと判定した場合に（Ｓ３：Ｙｅｓ）、目標発電機力行動力Ｅｔａｒ＿ＭＧ＝Ｅｍａｘ＿ｅｘｈ＋Ｅｈｙｄ、目標排気ブレーキ消費動力Ｅｔａｒ＿ｅｘｈ＝Ｅｍａｘ＿ｅｘｈ、目標ブレーキ抵抗器消費動力Ｅｔａｒ＿ｂｒ＝Ｅｔａｒ＿ｂｒｋ－Ｅｔａｒ＿ＭＧに設定し、ＥＣＵ１０ａ、インバータ１２、及びコンバータ１５に制御信号を出力する（Ｓ５）。すなわち、制御装置２０は、回生動力と目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄとの差が最大排気ブレーキ動力Ｅｍａｘ＿ｅｘｈより大きい場合に、最大排気ブレーキ動力Ｅｍａｘ＿ｅｘｈ及び目標油圧駆動動力Ｅｈｙｄの和に相当する目標発電機力行動力Ｅｔａｒ＿ＭＧをモータとして動作する発電電動機１１に供給すると共に、最大排気ブレーキ動力Ｅｍａｘ＿ｅｘｈを排気ブレーキに消費させ、さらに、回生動力と目標発電機力行動力Ｅｔａｒ＿ＭＧとの差に相当する動力を抵抗器１６に消費させる。

上記の実施形態によれば、ステップＳ２において、回生動力の全てを油圧ポンプ１８に伝達する駆動力に変換させる。このように、複合操作時に必要な駆動力の一部を回生動力で賄うことによって、回生動力を有効利用しつつ、エンジン１０の燃費を向上させることができる。

また、上記の実施形態によれば、ステップＳ４において、回生動力の全てを油圧ポンプ１８に伝達する駆動力に変換し、余剰回生動力に相当する分だけエンジン１０の絞り装置１０ｂを作動させる。このように、エンジン１０で賄っていた油圧ポンプ１８の駆動力の一部を、回生動力で置き換えることによって、回生動力を有効利用しつつ、エンジン１０の燃費を向上させることができる。

また、上記の実施形態によれば、ステップＳ５において、排気ブレーキでも消費しきれない余剰回生動力のみが抵抗器１６で熱に変換される。このように、ホイールローダ１００の動作に寄与しない回生動力の消費（熱への変換）を最小限にすることによって、環境に配慮したホイールローダ１００が実現できる。

さらに、上記の実施形態によれば、電動機１４で発生した回生動力を全て使い切るので、蓄電装置がフル充電されて必要なブレーキ力が得られないという事態を回避できる。すなわち、ホイールローダ１００の走行時に必要な制動力を確実に得ることができる。

なお、前述した複合操作及び単独操作と、ステップＳ２、Ｓ４、Ｓ５の処理との対応関係は一例であって、これに限定されるものではない。また、作業車両の具体例はホイールローダ１００に限定されず、油圧ショベル、ダンプトラック、モータグレーダなどであってもよい。上述した実施形態に対し、追加される装置として考えられるのは、燃料を噴射していないときにエンジン１０の出力軸を回転させるトルク（以下、「エンジン１０のモータリングトルク」と表記する。）を積極的に調整できる装置として、排気ブレーキ、スロットルバルブ、可変ターボの絞り等が含まれる。また、これらの装置が仮に無かったとしても、エンジンモータリング駆動動力は算出可能である。この場合には、上記したエンジン１０のモータリングトルクに対応した目標駆動動力は常に一定値、すなわち、最大のエンジン１０のモータリングトルクに対応した駆動動力と一致する。

上述した実施形態は、本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本発明の要旨を逸脱することなしに、他の様々な態様で本発明を実施することができる。

１０エンジン
１０ａＥＣＵ
１０ｂ絞り装置
１１発電電動機
１２，１３インバータ
１４電動機
１５コンバータ
１６抵抗器
１７作動油タンク
１８油圧ポンプ
１９方向制御弁
２０制御装置
２１目標電機駆動動力演算部
２２最大排気ブレーキ動力演算部
２３目標油圧駆動動力演算部
２４目標ブレーキ動力配分演算部
２５目標エンジン回転数演算部
１００ホイールローダ
１０１リフトアーム
１０２バケット
１０３前輪
１０４前フレーム
１０５キャブ
１０６後輪
１０７後フレーム
１０８リフトアームシリンダ
１０９バケットシリンダ
１１０センタピン
１１１Ｌ，１１１Ｒステアリングシリンダ

Claims

エンジンと、前記エンジンの駆動力で発電する発電電動機と、前記発電電動機から供給される電力で駆動する電動機と、前記電動機の駆動力が伝達されて回転する駆動輪と、前記エンジンまたはモータとして動作する前記発電電動機の駆動力が伝達されて作動油を圧送する油圧ポンプと、前記油圧ポンプから作動油の供給を受けて動作する油圧アクチュエータと、前記エンジンの排気管路に排気ブレーキを作動させるための絞り装置と、回生動力を熱に変換する抵抗器と、前記発電電動機及び前記絞り装置の動作を制御する制御装置とを備える作業車両であって、
前記制御装置は、
前記電動機から出力される前記回生動力、前記油圧ポンプを駆動する目標油圧駆動動力、及び前記絞り装置を最大まで絞ったときに前記排気ブレーキで消費される最大排気ブレーキ動力を演算し、
前記回生動力が前記目標油圧駆動動力以下の場合に、前記回生動力をモータとして動作する前記発電電動機に供給して消費させ、
前記回生動力が前記目標油圧駆動動力よりも大きく、且つ前記回生動力と前記目標油圧駆動動力との差が前記最大排気ブレーキ動力以下の場合に、前記回生動力をモータとして動作する前記発電電動機に供給すると共に、前記回生動力と前記目標油圧駆動動力との差に相当する動力を前記排気ブレーキに消費させ、
前記回生動力と前記目標油圧駆動動力との差が前記最大排気ブレーキ動力より大きい場合に、
前記最大排気ブレーキ動力及び前記目標油圧駆動動力の和に相当する目標発電機力行動力をモータとして動作する前記発電電動機に供給すると共に、
前記最大排気ブレーキ動力を前記排気ブレーキに消費させ、
さらに、前記回生動力と前記目標発電機力行動力との差に相当する動力を前記抵抗器に消費させることを特徴とする作業車両。
請求項１に記載の作業車両において、
前記制御装置は、前記作業車両の実際の走行速度と、アクセルペダルの踏込率、ブレーキペダルの踏込率、及び前記作業車両の進行方向から特定される目標走行速度とに基づいて、前記回生動力を演算することを特徴とする作業車両。
請求項１に記載の作業車両において、
前記制御装置は、前記油圧ポンプの現在の吐出圧力及び吐出流量に基づいて、前記目標油圧駆動動力を演算することを特徴とする作業車両。
請求項１に記載の作業車両において、
前記制御装置は、前記エンジンの現在の回転数に基づいて、前記最大排気ブレーキ動力を演算することを特徴とする作業車両。