WO2011004879A1 - ハイブリッド建設機械の制御装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a control device for a hybrid construction machine that uses an electric motor as a drive source.
- a conventionally known control device having a load sensing circuit selects the maximum load pressure of a plurality of actuators connected to the circuit system, and the difference between the selected maximum load pressure and the discharge pressure of the main pump.
- the regulator controls the discharge flow rate of the main pump so that the pressure is kept constant.
- an operation valve and a pressure compensation valve are connected to each actuator, and the supply flow rate is controlled to be constant regardless of changes in the load pressure of the actuator (see JP 2004-197825A).
- the present invention has been made in view of the above problems, and provides a control device for a hybrid construction machine that can effectively use a prime mover to increase energy efficiency when an actuator is in an inoperative state.
- the present invention is a control device for a hybrid construction machine, which is a variable displacement pump that rotates with a driving force of a prime mover, a regulator that controls a tilt angle of the variable displacement pump, and each actuator from the variable displacement pump.
- a plurality of operation valves for controlling the flow rate of the hydraulic oil guided to the operation state, an operation state detector for detecting an operation state of the operation valve, a regenerative hydraulic motor that rotates with the discharge oil of the variable displacement pump, A generator connected to the hydraulic motor, a flow control valve provided in a flow path connecting the variable displacement pump and the hydraulic motor, the opening degree of which is controlled by the action of pilot pressure guided to a pilot chamber;
- An electromagnetic pilot control valve for controlling the pilot pressure acting on the pilot chamber of the flow control valve, and a discharge pressure for guiding the discharge pressure of the variable displacement pump to the regulator
- An inlet, a load pressure introduction path for guiding one of the maximum load pressure of each actuator and the load pressure of the hydraulic motor to the regulator, and the actuator is activated based on the detection result of the operation state detector.
- the regulator is controlled so that the differential pressure between the discharge pressure of the variable displacement pump and the maximum load pressure of each actuator is kept constant, and it is determined that the actuator is in an inoperative state.
- the solenoid of the electromagnetic pilot control valve is excited so that the discharge oil of the variable displacement pump is guided to the hydraulic motor, and the discharge pressure of the variable displacement pump and the load pressure of the hydraulic motor are And a controller for controlling the regulator so as to keep the differential pressure at a constant.
- FIG. 1 is a circuit diagram of a control device for a hybrid construction machine according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a flowchart showing a control procedure executed by the controller.
- FIG. 3 is a flowchart showing a control procedure executed by the controller.
- FIG. 4 is a control map showing the relationship between the differential pressure and the assist flow rate.
- FIG. 5 is a control map showing the relationship between the differential pressure and the assist flow rate.
- the power shovel is provided with a variable capacity main pump 71 that rotates with the driving force of an engine 73 as a prime mover.
- the engine 73 is provided with a generator 6 that exhibits the power generation function using the remaining power of the engine 73.
- the engine 73 is provided with a rotation speed sensor 74 as a rotation speed detector that detects the rotation speed of the engine 73.
- a main flow path 75 through which the discharged hydraulic oil is guided is connected to the main pump 71.
- the power shovel includes a load sensing circuit 40.
- the load sensing circuit 40 includes operation valves 41 and 42 for controlling the traveling motor, an operation valve 43 for controlling the boom cylinder 80, an operation valve 44 for controlling the arm cylinder, and an operation valve 45 for controlling the bucket cylinder.
- An operation valve 46 for controlling the swing motor 81 is provided.
- Each operation valve 41 to 46 controls the operation of each actuator by controlling the flow rate of the discharged oil guided from the main pump 71 to each actuator.
- the operation valves 41 to 46 are connected in parallel through a parallel flow path 76 branched from the main flow path 75.
- the operation valves 41 to 46 are connected to pressure compensating valves 51 to 56 for controlling the actuators so that a constant flow rate is supplied regardless of changes in the load pressure of the actuators.
- the main pump 71 is provided with a regulator 1 that controls the tilt angle thereof.
- a discharge pressure introduction path 2 that guides the discharge pressure of the main pump 71 to the regulator 1 is connected to the main flow path 75.
- the load sensing circuit 40 is provided with high pressure selection valves 61-65.
- the highest load pressure among the load pressures of the actuators connected to the operation valves 41 to 46 is selected by the high pressure selection valves 61 to 65, and the highest load pressure is guided to the first pressure guide passage 3a.
- the first pressure guiding passage 3a is connected via a high pressure selection valve 66 to a second pressure guiding passage 3b through which a load pressure of a regenerative hydraulic motor 88 described later is guided.
- the high pressure selection valve 66 selects a high pressure among the maximum load pressure of each actuator selected by the high pressure selection valves 61 to 65 and the load pressure of the regenerative hydraulic motor 88, and the selected pressure is the load pressure. It is led to the regulator 1 through the introduction path 3. As described above, the pressure guided to the regulator 1 through the load pressure introduction path 3 is either the maximum load pressure of each actuator or the load pressure of the hydraulic motor 88.
- the pressure in the discharge pressure introduction passage 2 is detected by a pressure sensor 77 as a pressure detector through the first pilot passage 4, and the detection result is output to the controller 90. Further, the pressure in the load pressure introduction path 3 is detected by a pressure sensor 78 as a pressure detector through the second pilot flow path 5, and the detection result is output to the controller 90.
- the controller 90 calculates a differential pressure between the pressure detected by the pressure sensor 77 and the pressure detected by the pressure sensor 78, and controls the regulator 1 so that the differential pressure is kept constant. That is, the regulator 1 keeps the differential pressure between the discharge pressure of the main pump 71 guided through the discharge pressure introduction path 2 and the maximum load pressure of the actuator guided through the load pressure introduction path 3 or the load pressure of the hydraulic motor 88 constant.
- the tilt angle of the main pump 71 is controlled as described above.
- the regenerative hydraulic motor 88 rotates in conjunction with the generator 91.
- the hydraulic motor 88 is a variable displacement motor, and its tilt angle is controlled by the regulator 7 connected to the controller 90.
- the electric power generated by the generator 91 is charged into the battery 13 via the inverter 92.
- the battery 13 is connected to the controller 90, and the controller 90 can grasp the charge amount of the battery 13.
- the hydraulic motor 88 and the generator 91 may be directly connected or may be connected via a speed reducer.
- the generator 6 provided in the engine 73 is connected to the battery charger 33, and the electric power generated by the generator 6 is charged to the battery 13 via the battery charger 33.
- the battery charger 33 is also connected to a separate power source 34 such as a household power source.
- the main pump 71 is connected to the hydraulic motor 88 through the merging passage 9 and the connection passage 8 branched from the main passage 75.
- a flow control valve 82 for controlling the supply flow rate of the hydraulic oil supplied from the main pump 71 to the hydraulic motor 88 is provided in the confluence channel 9.
- the flow control valve 82 is a pilot operation valve that can be switched between a shut-off position and a communication position, and a spring 10 is provided on one side, and a pilot chamber 11 into which pilot pressure is guided is provided on the other side.
- the flow control valve 82 In a normal state, the flow control valve 82 is maintained at the normal position cut-off position (position shown in FIG. 1) by the urging force of the spring 10, and cuts off the communication between the main pump 71 and the hydraulic motor 88.
- the pilot pressure is applied to the pilot chamber 11, the pilot chamber 11 is switched to the communication position, and the main pump 71 and the hydraulic motor 88 are communicated.
- the opening degree of the flow control valve 82 is controlled by the action of the pilot pressure guided to the pilot chamber 11.
- the electromagnetic pilot control valve 83 controls the pilot pressure acting on the pilot chamber 11 of the flow control valve 82.
- the electromagnetic pilot control valve 83 is an electromagnetic valve that can be switched between a shut-off position and a communication position, and a spring is provided on one side, and a solenoid connected to the controller 90 is provided on the other side.
- the electromagnetic pilot control valve 83 is maintained at the normal cutoff position (the position shown in FIG. 1) by the biasing force of the spring when the solenoid is not excited, and the pilot chamber 11 of the flow control valve 82 communicates with the tank 85.
- the solenoid is energized, the solenoid is switched to the communication position, and the pilot oil discharged from the pilot pump 84 is guided to the pilot chamber 11.
- the opening degree of the electromagnetic pilot control valve 83 is controlled in accordance with the current applied to the solenoid, and as a result, the pilot pressure acting on the pilot chamber 11 of the flow control valve 82 is controlled. Therefore, the opening degree of the flow control valve 82 can be controlled by controlling the current applied to the solenoid of the electromagnetic pilot control valve 83 by the controller 90.
- a check valve 12 that allows only the flow from the main pump 71 to the hydraulic motor 88 is provided downstream of the flow control valve 82 in the merging flow path 9. The pressure generated between the check valve 12 and the flow control valve 82, that is, the load pressure of the hydraulic motor 88 is guided to the high pressure selection valve 66 through the second pressure guiding passage 3b.
- each actuator of the load sensing circuit 40 does not operate and only the hydraulic motor 88 is driven, the load pressure of the hydraulic motor 88 is selected by the high pressure selection valve 66, and the regulator 1 discharges the main pump 71.
- the tilt angle of the main pump 71 is controlled so that the differential pressure between the motor and the load pressure of the hydraulic motor 88 is constant.
- Each of the operation valves 41 to 46 is provided with a sensor 86 as an operation status detector that electrically detects the neutral position of the operation valves 41 to 46 and detects the operation status of the operation valves 41 to 46. A detection signal from the sensor 86 is output to the controller 90.
- the controller 90 determines whether or not the operation valves 41 to 46 are in a neutral position, that is, whether each actuator is in an activated state or inactivated state.
- the operation status detector is not limited to the sensor 86 that electrically detects the neutral position of the operation valves 41 to 46, and may be a hydraulic detection of the neutral position of the operation valves 41 to 46. .
- the controller 90 includes a CPU that controls the processing operation of the entire control device, a ROM that stores programs and data necessary for the processing operation of the CPU, data read from the ROM, and data read by each instrument. RAM etc. which store etc. temporarily are stored.
- step 1 the operating state of the actuator connected to the operation valves 41 to 46 is detected by the sensor 86. Specifically, the detection signal detected by the sensor 86 provided in the operation valves 41 to 46 is read.
- step 2 based on the detection signal of the sensor 86, it is determined whether or not all the operation valves 41 to 46 are in the neutral position.
- step 2 If it is determined in step 2 that any of the operation valves 41 to 46 is in a switching position other than the neutral position, it is determined that the actuator connected to the operation valve is in operation, and step 3 is performed. Advances normal load sensing control and returns to step 1. If it is determined in step 2 that all the operation valves 41 to 46 are in the neutral position, it is determined that each actuator is in a non-working state, and the process proceeds to step 4. In order to charge the battery 13 by rotating the hydraulic motor 88, it is necessary for the operator to request power generation. A power generation request from the operator is made by the operator operating a power generation request switch, and a standby regeneration command signal is input to the controller 90 by operating the switch. Therefore, in step 4, it is determined whether or not a standby regeneration command signal is input.
- step 5 it is determined whether or not the battery 13 is near full charge. If it is determined in step 5 that the charge amount of the battery 13 is in the vicinity of full charge, the process proceeds to step 6 again, the communication between the main pump 71 and the hydraulic motor 88 is cut off, and the generator 91 is not driven. If it is determined in step 5 that the charge amount of the battery 13 is not near full charge, that is, the charge amount is insufficient, the process proceeds to step 7. In step 7, the amount of charge of the battery 13 is determined. Specifically, it is determined whether or not the charge amount of the battery 13 is equal to or greater than a predetermined reference charge amount.
- the hydraulic oil discharged from the main pump 71 is guided to the hydraulic motor 88 and selected by the regulator 1 by the discharge pressure of the main pump 71 and the high pressure selection valve 66.
- the load pressure of the hydraulic motor 88 is applied.
- the regulator 1 keeps the differential pressure between the discharge pressure of the main pump 71 and the load pressure of the hydraulic motor 88 constant in order to ensure a flow rate corresponding to the opening set by the flow control valve 82.
- the tilt angle of the main pump 71 is controlled.
- the discharge flow rate of the main pump 71 is controlled by controlling the excitation current applied to the solenoid of the electromagnetic pilot control valve 83.
- the assist pump 89 is a variable displacement pump, and its tilt angle is controlled by the regulator 14 connected to the controller 90.
- the assist pump 89 rotates using a generator 91 that functions as an electric motor as a drive source, and exhibits a pump function.
- the rotation speed of the generator 91 is controlled by the controller 90 via the inverter 92.
- the assist pump 89 is set to the minimum tilt angle in order to suppress the load acting on the hydraulic motor 88.
- the hydraulic oil discharged from the assist pump 89 joins the assist flow path 87 to the merge flow path 9 and is guided to the main flow path 75 on the discharge side of the main pump 71.
- the assist flow path 87 is provided with a check valve 15 that allows only the flow of hydraulic oil from the assist pump 89 to the main flow path 75.
- Passages 16 and 17 are connected to the actuator port of the operation valve 46 for the swing motor 81.
- Brake valves 18 and 19 are connected to the passages 16 and 17, respectively.
- the passage 17 is connected to the main pump 71, the passage 16 communicates with the tank 93, and the turning motor 81 rotates in the reverse direction.
- the brake valve 18 or 19 opens to exhibit the function of the relief valve. Keep the pressure at the set pressure.
- the operation valve 46 is returned to the neutral position while the swing motor 81 is rotating, the actuator port of the operation valve 46 is closed. Even when the actuator port of the operation valve 46 is closed in this way, the swing motor 81 continues to rotate with inertia energy, and therefore the swing motor 81 performs a pumping action.
- the passages 16 and 17, the swing motor 81, and the brake valves 18 and 19 form a closed circuit, and inertia energy is converted into heat energy by the brake valves 18 and 19.
- the operation valve 43 is switched from the neutral position to one direction, the hydraulic oil discharged from the main pump 71 is supplied to the piston side chamber 21 of the boom cylinder 80 through the passage 20 and the return oil from the rod side chamber 22 is passed through the passage. 23 and returned to the tank 93, the boom cylinder 80 extends.
- the operation valve 43 is switched in the opposite direction, the hydraulic oil discharged from the main pump 71 is supplied to the rod side chamber 22 of the boom cylinder 80 through the passage 23 and the return oil from the piston side chamber 21 is supplied to the passage 20.
- a safety valve 30 is provided downstream of the electromagnetic switching valve 28 in the introduction flow path 25 to guide hydraulic oil to the connection flow path 8 when the pressure in the introduction flow path 25 reaches a predetermined pressure.
- the safety valve 30 is, for example, for maintaining the pressure in the passages 16 and 17 to prevent the swing motor 81 from running away when a failure occurs in the introduction passage 25 system such as the electromagnetic switching valve 28. .
- an introduction passage 31 communicating with the connection passage 8 is provided.
- the introduction flow path 31 is provided with an electromagnetic opening / closing valve 32 whose opening / closing is controlled by a controller 90.
- the electromagnetic on-off valve 32 maintains a closed position in a normal state.
- the hydraulic motor 88 communicates with the turning motor 81 through the introduction flow path 25 and the connection flow path 8 and also communicates with the boom cylinder 80 through the introduction flow path 31 and the connection flow path 8.
- the controller 90 stores in advance a maximum capacity of the main pump 71, for example, a rated capacity, a program for calculating a discharge flow rate from the tilt angle of the main pump 71, and a maximum assist flow rate Qmax of the assist pump 89.
- the controller 90 controls the assist flow rate Q of the assist pump 89 within the range of the maximum assist flow rate Qmax.
- the assist flow rate Q of the assist pump 89 is determined by the tilt angle of the assist pump 89, the rotational speed of the generator 91, and the like.
- the controller 90 determines what control is most efficient, and controls the tilt angle of the assist pump 89 and the rotational speed of the generator 91 that functions as a motor.
- the control procedure shown below is control when the actuator is working, that is, when normal load sensing control is being performed, and describes the control in step 3 shown in FIG.
- step 21 the discharge flow rate of the main pump 71 is calculated and read from the tilt angle.
- step 22 If it is determined in step 22 that the discharge flow rate of the main pump 71 does not exceed the maximum capacity, that is, not more than the maximum capacity, the process proceeds to step 23.
- step 23 it is determined that the main pump 71 has sufficient capacity to discharge the required flow rate of the load sensing circuit 40, and the assist flow rate Q of the assist pump 89 is set to zero.
- the tilt angle of the assist pump 89 may be set to zero by controlling the regulator 14 while rotating the generator 91, or the inverter 92 is controlled. The rotation of the generator 91 that functions as a motor may be stopped. When the rotation of the generator 91 is stopped, there is an effect that power consumption can be saved.
- step 22 it is determined that the discharge flow rate of the main pump 71 exceeds the maximum capacity, the process proceeds to step 24.
- step 24 it is determined that the required flow rate of the load sensing circuit 40 exceeds the capacity of the main pump 71, and the assist flow rate Q of the assist pump 89 is controlled.
- the assist flow rate Q is controlled based on the control map shown in FIG. 4 stored in the ROM of the controller 90. In the control map of FIG.
- the horizontal axis is the discharge pressure P of the main pump 71.
- P And maximum load pressure P of each actuator L The vertical axis represents the assist flow rate Q of the assist pump 89.
- Discharge pressure P of main pump 71 P And maximum load pressure P of each actuator L Is calculated based on the pressure signal input from the pressure sensors 77 and 78. Since the hydraulic motor 88 does not rotate in a state where normal load sensing control is performed, the maximum load pressure of each actuator becomes higher than the load pressure of the hydraulic motor 88, and the maximum load pressure of each actuator is high in the high pressure selection valve 66. Selected. For this reason, the pressure detected by the pressure sensor 78 is the maximum load pressure of each actuator. As shown in FIG.
- the controller 90 determines that there is no remaining capacity of the main pump 71 and starts assisting by the assist pump 89. And the discharge pressure P of the main pump 71 P And maximum load pressure P of each actuator L Based on the differential pressure ⁇ P, the assist flow rate Q of the assist pump 89 is controlled by controlling at least one of the regulator 14 that controls the tilt angle of the assist pump 89 and the rotational speed of the generator 91.
- the assist flow rate Q is determined by the discharge pressure P of the main pump 71.
- P And maximum load pressure P of each actuator L Therefore, the assist flow rate Q of the assist pump 89 is prevented from becoming unnecessarily large, and energy saving can be achieved.
- the assist flow rate Q is controlled to be relatively small. In this way, the assist flow rate Q may be controlled based on the differential pressure ⁇ P and the engine speed.
- the reason why the assist flow rate Q is controlled based on the engine speed is as follows. For example, in the case of a power shovel, the rotation speed of the engine 73 is set by the operator. When the operator has set the engine speed to a high speed, a large discharge flow rate of the main pump 71 is requested. In this case, the controller 90 selects the engine high rotation mode and relatively increases the assist flow rate Q of the assist pump 89. On the other hand, when the operator sets the engine speed to a low speed, there are many demands for elaborate control that moves the power shovel or the like delicately.
- the controller 90 controls the assist flow Q by selecting the engine high rotation mode or the engine low rotation mode according to the engine speed as shown in FIG.
- the engine low-speed mode is selected, the power shovel can be finely controlled.
- FIG. 1 the case where the hydraulic motor 88 is rotated using the hydraulic oil from the turning motor 81 or the boom cylinder 80 is demonstrated.
- the operation valve 46 is switched to the neutral position while the turning motor 81 is turning, a closed circuit is formed between the passages 16 and 17, and the brake valve 18 or 19 maintains the brake pressure of the closed circuit and inertia.
- the pressure sensor 29 detects the turning pressure or the brake pressure of the turning motor 81 and outputs the pressure signal to the controller 90.
- the controller 90 detects a pressure within a range that does not affect the turning or braking operation of the turning motor 81 and slightly lower than the set pressure of the brake valves 18 and 19, the controller 90 moves the electromagnetic switching valve 28 from the closed position. Switch to the open position.
- the electromagnetic switching valve 28 is switched to the open position, the hydraulic oil from the swing motor 81 is supplied via the introduction flow path 25 and the connection flow path 8.
- the controller 90 controls the tilt angle of the hydraulic motor 88 based on the pressure signal from the pressure sensor 29. The control will be described below.
- the rotational force acts on the generator 91 as an electric motor that rotates coaxially.
- the rotational force of the hydraulic motor 88 acts as an assist force for the generator 91. Therefore, the power consumption of the generator 91 can be reduced by the amount of the rotational force of the hydraulic motor 88.
- the rotational force of the assist pump 89 can be assisted by the rotational force of the hydraulic motor 88.
- the hydraulic motor 88 and the assist pump 89 combine to exhibit a pressure conversion function.
- the pressure of the hydraulic oil flowing into the connection flow path 8 is often lower than the pump discharge pressure of the main pump 71.
- the tilt angle of the hydraulic motor 88 is inevitably determined.
- the tilt angle of the assist pump 89 is controlled in order to exhibit the pressure conversion function while the tilt angle of the hydraulic motor 88 is determined.
- the controller 90 closes the electromagnetic switching valve 28 based on the pressure signal from the pressure sensor 29 and turns the turning motor 81. Do not affect.
- the safety valve 30 functions to prevent the pressure in the passages 16 and 17 from becoming unnecessarily low, thereby preventing the turning motor 81 from running away.
- the operation valve 43 When the operation valve 43 is switched to operate the boom cylinder 80, the operation direction and the operation amount of the operation valve 43 are detected by a sensor (not shown) provided in the operation valve 43, and the operation signal is sent to the controller 90. Is output. In response to the operation signal of the sensor, the controller 90 determines whether the operator is going to raise or lower the boom cylinder 80. If the controller 90 determines that the boom cylinder 80 is raised, the controller 90 keeps the proportional solenoid valve 24 in the fully open position, which is a normal state.
- the controller 90 determines that the boom cylinder 80 is lowered, the controller 90 calculates the lowering speed of the boom cylinder 80 requested by the operator according to the operation amount of the operation valve 43 and closes the proportional solenoid valve 24 to open and close the electromagnetic valve. Switch valve 32 to the open position. As a result, the entire amount of return oil from the boom cylinder 80 is supplied to the hydraulic motor 88. However, if the flow rate consumed by the hydraulic motor 88 is less than the flow rate required to maintain the descending speed obtained by the operator, the boom cylinder 80 cannot maintain the descending speed obtained by the operator.
- the controller 90 supplies the tank 93 with a flow rate that is higher than the flow rate consumed by the hydraulic motor 88 based on the operation amount of the operation valve 43, the tilt angle of the hydraulic motor 88, the rotational speed of the generator 91, and the like.
- the opening degree of the proportional solenoid valve 24 is controlled so as to return, and the lowering speed of the boom cylinder 80 required by the operator is maintained.
- pressure oil is supplied to the hydraulic motor 88, the hydraulic motor 88 rotates, and the rotational force acts on the generator 91 that rotates coaxially.
- the rotational force of the hydraulic motor 88 acts as an assist force for the generator 91.
- the power consumption of the generator 91 can be reduced by the amount of the rotational force of the hydraulic motor 88.
- the assist pump 89 can be rotated only by the rotational force of the hydraulic motor 88 without supplying power to the generator 91.
- the hydraulic motor 88 and the assist pump exhibit a pressure conversion function. .
- the turning operation of the turning motor 81 and the lowering operation of the boom cylinder 80 are performed simultaneously will be described.
- the pressure oil from the swing motor 81 and the return oil from the boom cylinder 80 merge in the connection flow path 8 and are supplied to the hydraulic motor 88. .
- the pressure in the introduction flow path 25 increases as the pressure in the connection flow path 8 increases. Even if the pressure in the introduction flow path 25 becomes higher than the turning pressure or the brake pressure of the turning motor 81, the check motors 26 and 27 are provided, so that the turning motor 81 is not affected.
- the controller 90 closes the electromagnetic switching valve 28 based on the pressure signal from the pressure sensor 29. Therefore, when the swing operation of the swing motor 81 and the lowering operation of the boom cylinder 80 are performed simultaneously, the hydraulic motor 88 is tilted based on the required lowering speed of the boom cylinder 80 regardless of the swing pressure or brake pressure of the swing motor 81. Decide the turning angle.
- the check valve 15 is provided in the assist flow path 87, for example, when the system of the assist pump 89 and the hydraulic motor 88 fails, the system of the main pump 71 and the system of the assist pump 89 and the hydraulic motor 88 are disconnected. be able to. Further, the electromagnetic switching valve 28 and the electromagnetic opening / closing valve 32 maintain the closed position shown in FIG. 1 by the spring springs in the normal state, and the proportional electromagnetic valve 24 also maintains the fully open position in the normal state. Even so, the system of the main pump 71 and the system of the assist pump 89 and the hydraulic motor 88 can be separated.
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Abstract
Description
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、アクチュエータが非作動状態にあるときに、原動機を有効に活用してエネルギー効率を上げることができるハイブリッド建設機械の制御装置を提供することを目的とする。
本発明は、ハイブリッド建設機械の制御装置であって、原動機の駆動力で回転する可変容量型ポンプと、前記可変容量型ポンプの傾転角を制御するレギュレータと、前記可変容量型ポンプから各アクチュエータへ導かれる作動油の流量を制御する複数の操作弁と、前記操作弁の操作状況を検出する操作状況検出器と、前記可変容量型ポンプの吐出油にて回転する回生用の油圧モータと、前記油圧モータに接続された発電機と、前記可変容量型ポンプと前記油圧モータとを接続する流路に設けられ、パイロット室に導かれるパイロット圧の作用で開度が制御される流量制御弁と、前記流量制御弁のパイロット室に作用するパイロット圧を制御するための電磁パイロット制御弁と、前記可変容量型ポンプの吐出圧を前記レギュレータに導く吐出圧導入路と、前記各アクチュエータの最高負荷圧及び前記油圧モータの負荷圧のいずれか一方を前記レギュレータに導く負荷圧導入路と、前記操作状況検出器の検出結果に基づいて前記アクチュエータが作動状態にあると判定した場合には、前記可変容量型ポンプの吐出圧と前記各アクチュエータの最高負荷圧との差圧を一定に保つように前記レギュレータを制御し、前記アクチュエータが非作動状態にあると判定した場合には、前記可変容量型ポンプの吐出油が前記油圧モータに導かれるように前記電磁パイロット制御弁のソレノイドを励磁すると共に、前記可変容量型ポンプの吐出圧と前記油圧モータの負荷圧との差圧を一定に保つように前記レギュレータを制御するコントローラと、を備える。
本発明によれば、アクチュエータが非作動状態にある場合には、原動機の駆動力を活用して油圧モータにて発電が行われるため、エネルギーロスを抑えることができる。
図2は、コントローラによって実行される制御手順を示すフローチャートである。
図3は、コントローラによって実行される制御手順を示すフローチャートである。
図4は、差圧とアシスト流量との関係を示した制御マップである。
図5は、差圧とアシスト流量との関係を示した制御マップである。
図1に示すように、パワーショベルには、原動機としてのエンジン73の駆動力で回転する可変容量型のメインポンプ71が設けられる。エンジン73には、エンジン73の余力を利用して発電機能を発揮するジェネレータ6が設けられる。また、エンジン73には、エンジン73の回転数を検出する回転数検出器としての回転数センサ74が設けられる。メインポンプ71には、吐出された作動油が導かれるメイン流路75が接続される。
パワーショベルはロードセンシング回路40を備える。ロードセンシング回路40には、走行用モータを制御する操作弁41,42と、ブームシリンダ80を制御する操作弁43と、アームシリンダを制御する操作弁44と、バケットシリンダを制御する操作弁45と、旋回モータ81を制御する操作弁46とが設けられる。各操作弁41~46は、メインポンプ71から各アクチュエータへ導かれる吐出油の流量を制御して、各アクチュエータの動作を制御する。各操作弁41~46は、メイン流路75から分岐するパラレル流路76を通じて並列に接続される。各操作弁41~46には、各アクチュエータの負荷圧の変化にかかわりなく各アクチュエータに一定の流量が供給されるように制御する圧力補償弁51~56が接続される。
メインポンプ71には、その傾転角を制御するレギュレータ1が設けられる。メイン流路75には、メインポンプ71の吐出圧をレギュレータ1に導く吐出圧導入路2が接続される。ロードセンシング回路40には高圧選択弁61~65が設けられる。この高圧選択弁61~65によって各操作弁41~46に接続された各アクチュエータの負荷圧のうちの最高負荷圧が選択され、その最高負荷圧は第1導圧通路3aに導かれる。第1導圧通路3aは、後述する回生用の油圧モータ88の負荷圧が導かれる第2導圧通路3bと高圧選択弁66を介して接続される。高圧選択弁66によって、高圧選択弁61~65にて選択された各アクチュエータの最高負荷圧と回生用の油圧モータ88の負荷圧とのうち高い圧力が選択され、その選択された圧力は負荷圧導入路3を通じてレギュレータ1に導かれる。このように、負荷圧導入路3を通じてレギュレータ1に導かれる圧力は、各アクチュエータの最高負荷圧及び油圧モータ88の負荷圧のいずれか一方となる。
吐出圧導入路2の圧力は第1パイロット流路4を通じて圧力検出器としての圧力センサ77によって検出され、その検出結果はコントローラ90に出力される。また、負荷圧導入路3の圧力は第2パイロット流路5を通じて圧力検出器としての圧力センサ78によって検出され、その検出結果はコントローラ90に出力される。コントローラ90は、圧力センサ77によって検出された圧力と圧力センサ78によって検出された圧力との差圧を演算し、その差圧が一定に保たれるようにレギュレータ1を制御する。つまり、レギュレータ1は、吐出圧導入路2を通じて導かれるメインポンプ71の吐出圧と負荷圧導入路3を通じて導かれるアクチュエータの最高負荷圧又は油圧モータ88の負荷圧との差圧が一定に保たれるようにメインポンプ71の傾転角を制御する。
回生用の油圧モータ88は発電機91と連係して回転する。油圧モータ88は可変容量型モータであって、その傾転角はコントローラ90に接続されたレギュレータ7によって制御される。発電機91で発電された電力はインバータ92を介してバッテリ13に充電される。バッテリ13はコントローラ90に接続され、コントローラ90はバッテリ13の充電量を把握できるようになっている。油圧モータ88と発電機91とは、直接連結してもよいし、減速機を介して連結してもよい。
エンジン73に設けたジェネレータ6はバッテリチャージャー33に接続され、ジェネレータ6が発電した電力はバッテリチャージャー33を介してバッテリ13に充電される。バッテリチャージャー33は、家庭用電源などの別系統の電源34にも接続される。
メインポンプ71は、メイン流路75から分岐した合流流路9及び接続用流路8を通じて油圧モータ88に接続される。合流流路9にはメインポンプ71から油圧モータ88に供給される作動油の供給流量を制御する流量制御弁82が設けられる。
流量制御弁82は、遮断位置と連通位置に切り換え可能なパイロット操作弁であり、一方にはスプリング10が設けられ、他方にはパイロット圧が導かれるパイロット室11が設けられる。流量制御弁82は、通常状態ではスプリング10の付勢力によってノーマル位置の遮断位置(図1に示す位置)に保たれ、メインポンプ71と油圧モータ88との連通を遮断する。一方、パイロット室11にパイロット圧が作用した場合には連通位置に切り換り、メインポンプ71と油圧モータ88とを連通する。流量制御弁82は、パイロット室11に導かれるパイロット圧の作用で開度が制御される。
流量制御弁82のパイロット室11に作用するパイロット圧を制御するのは電磁パイロット制御弁83である。電磁パイロット制御弁83は、遮断位置と連通位置に切り換え可能な電磁弁であり、一方にはスプリングが設けられ、他方にはコントローラ90に接続されたソレノイドが設けられる。電磁パイロット制御弁83は、ソレノイドが非励磁状態ではスプリングの付勢力によってノーマル位置の遮断位置(図1に示す位置)に保たれ、流量制御弁82のパイロット室11がタンク85に連通する。一方、ソレノイドが励磁状態では連通位置に切り換り、パイロットポンプ84から吐出されたパイロット油がパイロット室11に導かれる。電磁パイロット制御弁83はソレノイドに印加される電流に応じて開度が制御され、その結果、流量制御弁82のパイロット室11に作用するパイロット圧が制御される。したがって、電磁パイロット制御弁83のソレノイドに印加する電流をコントローラ90にて制御することによって、流量制御弁82の開度を制御することができる。
合流流路9における流量制御弁82の下流には、メインポンプ71から油圧モータ88への流れのみを許容するチェック弁12が設けられる。チェック弁12と流量制御弁82との間に発生する圧力、つまり油圧モータ88の負荷圧は、第2導圧通路3bを通じて高圧選択弁66に導かれる。ロードセンシング回路40の各アクチュエータが動作せず、油圧モータ88のみが駆動している状態では、高圧選択弁66にて油圧モータ88の負荷圧が選択され、レギュレータ1は、メインポンプ71の吐出圧と油圧モータ88の負荷圧との差圧が一定となるようにメインポンプ71の傾転角を制御することになる。
各操作弁41~46には、操作弁41~46の中立位置を電気的に検出して操作弁41~46の操作状況を検出する操作状況検出器としてのセンサ86が設けられる。センサ86の検出信号はコントローラ90に出力される。コントローラ90は、センサ86からの検出信号に基づいて操作弁41~46が中立位置にあるか否か、つまり、各アクチュエータが作動状態にあるか非作動状態にあるかを判定する。操作状況検出器は、操作弁41~46の中立位置を電気的に検出するセンサ86に限定されるものではなく、操作弁41~46の中立位置を油圧的に検出するものであってもよい。
次に、図2を参照して、油圧モータ88を利用して発電機91にて発電を行う場合の制御手順について説明する。以下の制御手順はコントローラ90によって実行される。コントローラ90には、制御装置全体の処理動作を制御するCPU、CPUの処理動作に必要なプログラム、データ等が記憶されたROM、及びROMから読み出されたデータや各計器によって読み出されたデータ等を一時的に記憶するRAM等が格納されている。
ステップ1では、センサ86によって操作弁41~46に接続されたアクチュエータの作動状態を検出する。具体的には、操作弁41~46に設けられたセンサ86によって検出された検出信号を読み込む。
ステップ2では、センサ86の検出信号に基づいて、全ての操作弁41~46が中立位置にあるか否かを判定する。ステップ2にて、操作弁41~46のいずれかが中立位置以外の切り換え位置にあると判定した場合には、その操作弁に接続されたアクチュエータが作業中であると判断して、ステップ3に進み通常のロードセンシング制御を継続しステップ1に戻る。
ステップ2にて、全ての操作弁41~46が中立位置にあると判定した場合には、各アクチュエータが非作業状態にあると判断してステップ4に進む。
油圧モータ88を回転させてバッテリ13を充電するためには、オペレータから発電要求があることを要する。オペレータからの発電要求はオペレータが発電要求用のスイッチを操作することによって行われ、スイッチが操作されることによってコントローラ90にスタンバイ回生指令信号が入力される。そこで、ステップ4では、スタンバイ回生指令信号の入力があるか否かを判定する。
ステップ4にて、スタンバイ回生指令信号の入力がないと判定すれば、ステップ6に進む。ステップ6では、電磁パイロット制御弁83のソレノイドを非励磁に維持し、電磁パイロット制御弁83を図1に示すノーマル位置に保持する。電磁パイロット制御弁83がノーマル位置の遮断位置に保持されれば、流量制御弁82のパイロット室11がタンク85に連通するため、流量制御弁82も図1に示すノーマル位置の遮断位置を保ち、メインポンプ71と油圧モータ88との連通が遮断される。したがって、オペレータからの発電要求がなければ、油圧モータ88は回転せず、発電機91も駆動しない。
ステップ4にて、スタンバイ回生指令信号の入力があると判定すればステップ5に進む。ステップ5では、バッテリ13がフル充電近傍にあるか否かを判定する。ステップ5にて、バッテリ13の充電量がフル充電近傍にあると判定すれば、再度ステップ6に進み、メインポンプ71と油圧モータ88との連通が遮断され、発電機91が駆動しない。
ステップ5にて、バッテリ13の充電量がフル充電近傍にない、つまり充電量が不足していると判定すれば、ステップ7に進む。ステップ7では、バッテリ13の充電量の多少を判定する。具体的には、バッテリ13の充電量が予め定められた基準充電量以上か否かを判定する。基準充電量はコントローラ90のROMに予め記憶されている。
ステップ7にて、バッテリ13の充電量が基準充電量以上と判定すれば、ステップ8に進む。ステップ8では、バッテリ13の現状の充電量に基づいて必要充電量を演算し、その必要充電量に応じたメインポンプ71のポンプ吐出流量を決定する。一方、ステップ7にて、バッテリ13の充電量が基準充電量未満と判定すれば、ステップ9に進む。ステップ9でも、ステップ8と同様に、バッテリ13の現状の充電量に基づいて必要充電量を演算し、その必要充電量に応じたメインポンプ71のポンプ吐出流量を決定する。ここで、ステップ8にて決定されたポンプ吐出流量は、ステップ9にて決定されたポンプ吐出流量よりも比較して相対的に小さくなる。
ステップ8及び9にてポンプ吐出流量を決定した後、ステップ10に進む。ステップ10では、ステップ8及び9にて決定されたポンプ吐出流量に見合う流量を確保するために、電磁パイロット制御弁83のソレノイドに印加する励磁電流を制御する。これにより、電磁パイロット制御弁83にて制御されたパイロット圧が流量制御弁82のパイロット室11に作用し、流量制御弁82は開弁してステップ8及び9にて決定されたポンプ吐出流量に応じた開度に設定される。流量制御弁82の開度が設定されることによって、メインポンプ71から吐出された作動油は油圧モータ88に導かれると共に、レギュレータ1にはメインポンプ71の吐出圧と高圧選択弁66にて選択された油圧モータ88の負荷圧とが作用する。そして、レギュレータ1は、流量制御弁82にて設定された開度に応じた流量を確保するために、メインポンプ71の吐出圧と油圧モータ88の負荷圧との差圧を一定に保つようにメインポンプ71の傾転角を制御する。
以上のようにして、電磁パイロット制御弁83のソレノイドに印加する励磁電流を制御することによって、メインポンプ71の吐出流量が制御される。そして、その吐出流量に応じて油圧モータ88が回転して発電機91にて発電が行われる。発電機91で発電された電力は、インバータ92を介してバッテリ13に充填される。このように、メインポンプ71が吐出するスタンバイ流量による回生が行われる(ステップ11)。
このように、ロードセンシング回路40のアクチュエータが非作動状態である場合には、エンジン73の駆動力を利用し、メインポンプ71を積極的に回転させて発電することができるため、エネルギーロスを抑えることができる。
次に、図1を参照して、メインポンプ71の出力をアシストする可変容量型のアシストポンプ89について説明する。アシストポンプ89は油圧モータ88と同軸回転するように連結される。アシストポンプ89は、可変容量型ポンプであって、その傾転角はコントローラ90に接続されたレギュレータ14によって制御される。アシストポンプ89は、電動モータとして機能する発電機91を駆動源として回転し、ポンプ機能を発揮する。発電機91の回転数は、インバータ92を介してコントローラ90によって制御される。油圧モータ88が発電機能を発揮しているときには、アシストポンプ89は油圧モータ88に作用する負荷を抑えるため、その傾転角が最少に設定される。
アシストポンプ89から吐出された作動油は、アシスト流路87から合流流路9に合流してメインポンプ71の吐出側であるメイン流路75に導かれる。アシスト流路87には、アシストポンプ89からメイン流路75への作動油の流れのみを許容するチェック弁15が設けられる。
旋回モータ81用の操作弁46のアクチュエータポートには、通路16,17が接続される。通路16,17のそれぞれにはブレーキ弁18,19が接続される。操作弁46を中立位置に保っているときには、アクチュエータポートが閉じられて旋回モータ81は停止状態を維持する。
旋回モータ81の停止状態から操作弁46をいずれか一方の方向に切り換えると、一方の通路16がメインポンプ71に接続され、他方の通路17がタンク93に連通する。これにより、通路16から作動油が供給されて旋回モータ81が回転すると共に、旋回モータ81からの戻り油が通路17を通じてタンク93に戻される。操作弁46を上記とは反対方向に切り換えると、通路17がメインポンプ71に接続され、通路16がタンク93に連通し、旋回モータ81は逆転する。
旋回モータ81の回転中は、通路16又は17が設定圧力以上になったときに、ブレーキ弁18又は19が開弁してリリーフ弁の機能を発揮し、通路16,17のうち高圧側の通路の圧力を設定圧力に保つ。また、旋回モータ81の回転中に、操作弁46を中立位置に戻せば、操作弁46のアクチュエータポートが閉じられる。このように操作弁46のアクチュエータポートが閉じられても、旋回モータ81は慣性エネルギーで回転し続けるため、旋回モータ81がポンプ作用をする。このとき、通路16,17、旋回モータ81、及びブレーキ弁18,19にて閉回路が構成されると共に、ブレーキ弁18,19によって慣性エネルギーが熱エネルギーに変換される。
操作弁43を中立位置から一方の方向に切り換えると、メインポンプ71から吐出された作動油は、通路20を通じてブームシリンダ80のピストン側室21に供給されると共に、ロッド側室22からの戻り油は通路23を通じてタンク93に戻され、ブームシリンダ80は伸長する。操作弁43を上記とは反対方向に切り換えると、メインポンプ71から吐出された作動油は、通路23を通じてブームシリンダ80のロッド側室22に供給されると共に、ピストン側室21からの戻り油は通路20を通じてしてタンク93に戻され、ブームシリンダ80は収縮する。ブームシリンダ80のピストン側室21と操作弁43とを接続する通路20には、コントローラ90によって開度が制御される比例電磁弁24が設けられる。比例電磁弁24はノーマル状態で全開位置を保つ。
油圧モータ88に接続された接続用流路8は、導入流路25及びチェック弁26,27を介して通路16,17に接続される。導入流路25には、コントローラ90にて開閉制御される電磁切換弁28が設けられる。また、電磁切換弁28とチェック弁26,27との間には、旋回モータ81の旋回時の圧力あるいはブレーキ時の圧力を検出する圧力センサ29が設けられ、圧力センサ29の圧力信号はコントローラ90に出力される。
導入流路25における電磁切換弁28の下流には、導入流路25の圧力が所定圧力に達した場合に接続用流路8へと作動油を導く安全弁30が設けられる。安全弁30は、例えば電磁切換弁28など、導入流路25系統に故障が生じたときに、通路16,17の圧力を維持して旋回モータ81がいわゆる逸走するのを防止するためのものである。
ブームシリンダ80と比例電磁弁24との間には、接続用流路8に連通する導入流路31が設けられる。導入流路31にはコントローラ90にて開閉が制御される電磁開閉弁32が設けられる。電磁開閉弁32はノーマル状態で閉位置を保つ。
以上のように、油圧モータ88は、導入流路25及び接続用流路8を通じて旋回モータ81に連通すると共に、導入流路31及び接続用流路8を通じてブームシリンダ80に連通するため、両アクチュエータから供給される作動油によって回転する。
次に、図3を参照して、アシストポンプ89の制御手順について説明する。以下の制御手順はコントローラ90によって実行される。
コントローラ90には、メインポンプ71の最大容量、例えば定格容量、メインポンプ71の傾転角から吐出流量を演算するプログラム、及びアシストポンプ89の最大アシスト流量Qmaxが予め記憶される。コントローラ90は、最大アシスト流量Qmaxの範囲内でアシストポンプ89のアシスト流量Qを制御する。アシストポンプ89のアシスト流量Qは、アシストポンプ89の傾転角や発電機91の回転数等によって決まる。コントローラ90は、どのような制御が最も効率的かを判断して、アシストポンプ89の傾転角やモータとして機能する発電機91の回転数を制御する。
以下に示す制御手順は、アクチュエータが作業中である場合、つまり通常のロードセンシング制御が行われている場合の制御であり、図2に示すステップ3における制御を説明するものである。
ステップ21では、傾転角からメインポンプ71の吐出流量を演算して読み込む。
ステップ22では、ステップ21にて読み込んだ吐出流量が予め定められたメインポンプ71の最大容量を超えているか否かを判定する。
ステップ22にて、メインポンプ71の吐出流量が最大容量を超えていない、つまり最大容量以下であると判定すれば、ステップ23に進む。ステップ23では、メインポンプ71にロードセンシング回路40の要求流量を吐出する余力があると判断して、アシストポンプ89のアシスト流量Qをゼロに設定する。アシストポンプ89のアシスト流量Qをゼロに設定するには、発電機91を回転させながら、レギュレータ14を制御してアシストポンプ89の傾転角をゼロにしてもよいし、インバータ92を制御してモータとして機能する発電機91の回転を停止してもよい。
発電機91の回転を止める場合には、消費電力を節約できるという効果がある。また、発電機91の回転を継続させる場合には、アシストポンプ89及び油圧モータ88も回転し続けるため、アシストポンプ89及び油圧モータ88の起動時のショックを少なくできるという効果がある。発電機91を止めるかあるいは回転を継続させるかは、建設機械の用途や使用状況に応じて決めればよい。
ステップ22にて、メインポンプ71の吐出流量が最大容量を超えていると判定すれば、ステップ24に進む。ステップ24では、ロードセンシング回路40の要求流量がメインポンプ71の能力を超えていると判断して、アシストポンプ89のアシスト流量Qを制御する。アシスト流量Qの制御は、コントローラ90のROMに記憶される図4に示す制御マップに基づいて行われる。図4の制御マップは、横軸がメインポンプ71の吐出圧PPと各アクチュエータの最高負荷圧PLとの差圧ΔPであり、縦軸がアシストポンプ89のアシスト流量Qである。メインポンプ71の吐出圧PPと各アクチュエータの最高負荷圧PLとの差圧ΔPは、圧力センサ77,78から入力される圧力信号に基づいて演算される。通常のロードセンシング制御が行われている状態では油圧モータ88は回転しないため、各アクチュエータの最高負荷圧が油圧モータ88の負荷圧よりも高くなり、高圧選択弁66では各アクチュエータの最高負荷圧が選択される。このため、圧力センサ78によって検出される圧力は各アクチュエータの最高負荷圧となる。
図4に示すように、差圧ΔPが予め定められた差圧ΔP1よりも大きい場合には、メインポンプ71にある程度の余力があるもの判定して、アシストポンプ89のアシスト流量Qはゼロに設定される。そして、差圧ΔPが小さくなるに従ってロードセンシング回路40の要求流量に対してメインポンプ71の余力が小さくなるため、アシスト流量Qを増やしていく。
図4の制御マップでは、差圧ΔPが小さい一定範囲内(<ΔP2)において最大アシスト流量Qmaxを一定に設定した。これは、差圧ΔPが小さい一定範囲では、なるべく多くのアシスト流量Qを確保する必要があるためである。これに代えて、差圧ΔPがゼロのときに最大アシスト流量Qmaxとし、そこから差圧ΔPが大きくなるに従ってアシスト流量QをQminに直線的に近づける制御マップとしてもよい。
ステップ25及び26では、モータとしての発電機91の出力が所定範囲を超えないようにパワー制御値を設定すると共に、発電機91のトルクが所定トルクを超えないようにトルク制御値を設定する。そして、ステップ27では、アシスト流量Q、パワー制御値、及びトルク制御値に基づいて、アシストポンプ89の傾転角や発電機91の回転数を制御する。
以上のように、コントローラ90は、メインポンプ71の吐出流量が最大容量に達したとき、メインポンプ71の余力がないものと判断して、アシストポンプ89によるアシストを開始する。そして、メインポンプ71の吐出圧PPと各アクチュエータの最高負荷圧PLの差圧ΔPに基づいて、アシストポンプ89の傾転角を制御するレギュレータ14及び発電機91の回転数の少なくとも一方を制御してアシストポンプ89のアシスト流量Qを制御する。このように、アシスト流量Qは、メインポンプ71の吐出圧PPと各アクチュエータの最高負荷圧PLとの差圧ΔPに基づいて制御されるため、アシストポンプ89のアシスト流量Qが必要以上に大きくなることが防止され、省エネルギーを達成できる。
以上では、アシストポンプ89のアシスト流量Qをメインポンプ71の吐出圧PPと各アクチュエータの最高負荷圧PLとの差圧ΔPに基づいてのみ制御する場合について説明した。これに代わり、図5に示す制御マップのように、アシスト流量Qを回転数センサ74によって検出されたエンジン回転数に応じて、エンジン高回転モードとエンジン低回転モードとの2種類のモードに基づいて制御するようにしてもよい。この場合、エンジン回転数が予め定められた基準回転数以上であるエンジン高回転モードのときにはアシスト流量Qが相対的に多くなるように制御され、エンジン回転数が基準回転数未満であるエンジン低回転モードのときにはアシスト流量Qが相対的に少なくなるように制御される。このように、アシスト流量Qを差圧ΔP及びエンジン回転数に基づいて制御するようにしてもよい。
このように、アシスト流量Qをエンジン回転数にも基づいて制御するようしたのは以下の理由による。例えば、パワーショベルなどの場合には、エンジン73の回転数はオペレータによって設定される。オペレータがエンジン回転数を高回転数に設定している場合には、メインポンプ71の吐出流量を多く要求していることになる。この場合には、コントローラ90は、エンジン高回転モードを選択し、アシストポンプ89のアシスト流量Qを相対的に多くする。
一方、オペレータがエンジン回転数を低回転数に設定している場合には、パワーショベル等を微妙に動かす精巧な制御を求めている場合が多い。このように精巧な制御を行っているときにアシスト流量Qを多くすると、操作弁を僅かに操作しただけでアクチュエータには多くの流量が流れてしまう。そのため、実際には精巧な制御が難しくなってしまう。このような理由から、コントローラ90は、図5に示すように、エンジン回転数に応じてエンジン高回転モード又はエンジン低回転モードを選択してアシスト流量Qを制御する。エンジン低回転モードが選択された場合には、パワーショベル等を精巧に制御することができる。
次に、図1を参照して、旋回モータ81又はブームシリンダ80からの作動油を利用して油圧モータ88を回転させる場合について説明する。旋回モータ81が旋回している最中に操作弁46が中立位置に切り換えられると、通路16,17間で閉回路が構成され、ブレーキ弁18又は19が閉回路のブレーキ圧を維持して慣性エネルギーを熱エネルギーに変換する。
圧力センサ29は旋回モータ81の旋回圧又はブレーキ圧を検出し、その圧力信号をコントローラ90に出力する。コントローラ90は、旋回モータ81の旋回あるいはブレーキ動作に影響を及ぼさない範囲内であってブレーキ弁18,19の設定圧よりも少し低い圧力を検出した場合には、電磁切換弁28を閉位置から開位置に切り換える。電磁切換弁28が開位置に切り換われば、旋回モータ81からの作動油は、導入流路25及び接続用流路8を経由して油圧モータ88供給される。
このときコントローラ90は、圧力センサ29の圧力信号に基づいて油圧モータ88の傾転角を制御する。以下に、その制御について説明する。通路16,17の圧力は、旋回モータ81の旋回動作あるいはブレーキ動作に必要な圧力に保たれていなければ、旋回モータ81を旋回させたりブレーキをかけたりできなくなる。そこで、通路16,17の圧力を旋回圧あるいはブレーキ圧に保つために、コントローラ90は油圧モータ88の傾転角を制御しながら、旋回モータ81の負荷を制御する。つまり、コントローラ90は、圧力センサ29にて検出された圧力が旋回モータ81の旋回圧あるいはブレーキ圧とほぼ等しくなるように、油圧モータ88の傾転角を制御する。
導入流路25及び接続用流路8を通じて油圧モータ88に作動油が供給され、油圧モータ88が回転力を得れば、その回転力は同軸回転する電動モータとしての発電機91に作用する。油圧モータ88の回転力は、発電機91に対するアシスト力として作用する。したがって、油圧モータ88の回転力の分だけ、発電機91の消費電力を少なくすることができる。また、油圧モータ88の回転力でアシストポンプ89の回転力をアシストすることもでき、この場合には、油圧モータ88とアシストポンプ89が相まって圧力変換機能を発揮する。
接続用流路8に流入する作動油の圧力はメインポンプ71のポンプ吐出圧よりも低いことが多い。この低い圧力を利用してアシストポンプ89に高い吐出圧を維持させるために、油圧モータ88及びアシストポンプ89によって増圧機能を発揮させるようにしている。つまり、油圧モータ88の出力は、1回転当たりの押し除け容積Q1とそのときの圧力P1の積で決まる。また、アシストポンプ89の出力は、1回転当たりの押し除け容積Q2とそのときの吐出圧P2の積で決まる。油圧モータ88とアシストポンプ89とは同軸回転するので、Q1×P1=Q2×P2が成立する。そこで、例えば、油圧モータ88の上記押し除け容積Q1をアシストポンプ89の押し除け容積Q2の3倍、すなわちQ1=3Q2にしたとすれば、上記等式が3Q2×P1=Q2×P2となる。この式から両辺をQ2で割れば、3P1=P2が成り立つ。したがって、アシストポンプ89の傾転角を変えて押し除け容積Q2を制御すれば、油圧モータ88の出力によってアシストポンプ89に所定の吐出圧を維持させることができる。言い換えると、旋回モータ81からの油圧を増圧してアシストポンプ89から吐出させることができる。
ただし、油圧モータ88の傾転角は、上述のように通路16,17の圧力を旋回圧あるいはブレーキ圧に保つように制御される。したがって、旋回モータ81からの油圧を利用する場合には、油圧モータ88の傾転角は必然的に決められることになる。このように、油圧モータ88の傾転角が決められた中で、圧力変換機能を発揮させるためには、アシストポンプ89の傾転角を制御することになる。なお、接続用流路8系統の圧力が何らかの原因で、旋回圧あるいはブレーキ圧よりも低くなったときには、コントローラ90は、圧力センサ29の圧力信号に基づいて電磁切換弁28を閉じて旋回モータ81に影響を及ぼさないようにする。また、接続用流路8に圧油の漏れが生じたときには、安全弁30が機能して通路16,17の圧力が必要以上に低くならないようにして、旋回モータ81の逸走を防止する。
次に、ブームシリンダ80を制御する場合について説明する。ブームシリンダ80を作動させるために操作弁43を切り換えると、操作弁43に設けられたセンサ(図示せず)によって、操作弁43の操作方向と操作量が検出され、その操作信号がコントローラ90に出力される。
上記センサの操作信号に応じて、コントローラ90は、オペレータがブームシリンダ80を上昇させようとしているのか、あるいは下降させようとしているのかを判定する。コントローラ90は、ブームシリンダ80の上昇を判定すれば、比例電磁弁24をノーマル状態である全開位置に保つ。
一方、コントローラ90は、ブームシリンダ80の下降を判定すれば、操作弁43の操作量に応じてオペレータが求めているブームシリンダ80の下降速度を演算すると共に、比例電磁弁24を閉じて電磁開閉弁32を開位置に切り換える。これにより、ブームシリンダ80の戻り油の全量が油圧モータ88に供給される。しかし、油圧モータ88で消費する流量が、オペレータが求めた下降速度を維持するために必要な流量よりも少なければ、ブームシリンダ80はオペレータが求めた下降速度を維持できない。このようなときには、コントローラ90は、操作弁43の操作量、油圧モータ88の傾転角、及び発電機91の回転数等に基づいて、油圧モータ88が消費する流量以上の流量をタンク93に戻すように比例電磁弁24の開度を制御し、オペレータが求めるブームシリンダ80の下降速度を維持する。
油圧モータ88に圧油が供給されると、油圧モータ88が回転し、その回転力は同軸回転する発電機91に作用する。油圧モータ88の回転力は、発電機91に対するアシスト力として作用する。したがって、油圧モータ88の回転力の分だけ、発電機91の消費電力を少なくすることができる。一方、発電機91に対して電力を供給せず、油圧モータ88の回転力だけでアシストポンプ89を回転させることもでき、この場合には、油圧モータ88とアシストポンプが圧力変換機能を発揮する。
次に、旋回モータ81の旋回作動とブームシリンダ80の下降作動とを同時に行う場合について説明する。旋回モータ81を旋回させながらブームシリンダ80を下降させるときには、旋回モータ81からの圧油と、ブームシリンダ80からの戻り油とが、接続用流路8で合流して油圧モータ88に供給される。このとき、接続用流路8の圧力上昇に伴って導入流路25の圧力が上昇する。そして、導入流路25の圧力が旋回モータ81の旋回圧あるいはブレーキ圧よりも高くなったとしても、チェック弁26,27があるため、旋回モータ81には影響を及ぼさない。また、導入流路25の圧力が旋回圧あるいはブレーキ圧よりも低くなれば、コントローラ90は、圧力センサ29の圧力信号に基づいて電磁切換弁28を閉じる。
したがって、旋回モータ81の旋回動作とブームシリンダ80の下降動作とを同時に行うときには、旋回モータ81の旋回圧あるいはブレーキ圧にかかわりなく、ブームシリンダ80の必要下降速度を基準にして油圧モータ88の傾転角を決めればよい。
アシスト流路87にはチェック弁15が設けられるため、例えば、アシストポンプ89及び油圧モータ88の系統が故障した場合には、メインポンプ71の系統とアシストポンプ89及び油圧モータ88の系統とを切り離すことができる。また、電磁切換弁28及び電磁開閉弁32は、ノーマル状態ではスプリングのバネカにて図1に示す閉位置を保つと共に、比例電磁弁24もノーマル状態では全開位置を保つため、電気系統が故障したとしても、メインポンプ71の系統とアシストポンプ89及び油圧モータ88の系統とを切り離すことができる。
本発明は、上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
以上の説明に関して2009年7月10日を出願日とする日本国における特願2009−164280の内容をここに引用により組み込む。
Claims (6)
- ハイブリッド建設機械の制御装置であって、
原動機の駆動力で回転する可変容量型ポンプと、
前記可変容量型ポンプの傾転角を制御するレギュレータと、
前記可変容量型ポンプから各アクチュエータへ導かれる作動油の流量を制御する複数の操作弁と、
前記操作弁の操作状況を検出する操作状況検出器と、
前記可変容量型ポンプの吐出油にて回転する回生用の油圧モータと、
前記油圧モータに接続された発電機と、
前記可変容量型ポンプと前記油圧モータとを接続する流路に設けられ、パイロット室に導かれるパイロット圧の作用で開度が制御される流量制御弁と、
前記流量制御弁のパイロット室に作用するパイロット圧を制御するための電磁パイロット制御弁と、
前記可変容量型ポンプの吐出圧を前記レギュレータに導く吐出圧導入路と、
前記各アクチュエータの最高負荷圧及び前記油圧モータの負荷圧のいずれか一方を前記レギュレータに導く負荷圧導入路と、
前記操作状況検出器の検出結果に基づいて前記アクチュエータが作動状態にあると判定した場合には、前記可変容量型ポンプの吐出圧と前記各アクチュエータの最高負荷圧との差圧を一定に保つように前記レギュレータを制御し、前記アクチュエータが非作動状態にあると判定した場合には、前記可変容量型ポンプの吐出油が前記油圧モータに導かれるように前記電磁パイロット制御弁のソレノイドを励磁すると共に、前記可変容量型ポンプの吐出圧と前記油圧モータの負荷圧との差圧を一定に保つように前記レギュレータを制御するコントローラと、
を備えるハイブリッド建設機械の制御装置。 - 請求項1に記載のハイブリッド建設機械の制御装置において、
前記油圧モータの回転に伴って発電する電力が充電されるバッテリをさらに備え、
前記コントローラは、前記アクチュエータが非作動状態にあると判定した場合には、前記バッテリの充電量に応じて前記電磁パイロット制御弁のソレノイドに印加する電流を制御するハイブリッド建設機械の制御装置。 - 請求項2に記載のハイブリッド建設機械の制御装置において、
前記コントローラは、前記アクチュエータが非作動状態にあると判定した場合には、前記バッテリの充電量に基づいて必要充電量を演算し、前記演算された必要充電量に応じた前記可変容量型ポンプの吐出流量を決定し、前記可変容量型ポンプの吐出流量が前記決定した吐出流量となるように前記電磁パイロット制御弁のソレノイドに印加する電流を制御するハイブリッド建設機械の制御装置。 - 請求項1に記載のハイブリッド建設機械の制御装置において、
前記油圧モータに連結されて同軸回転し、前記可変容量型ポンプの吐出側に吐出油を供給するアシストポンプをさらに備え、
前記コントローラは、前記アクチュエータが作動状態にあると判定した場合には、前記可変容量型ポンプの傾転角からその吐出流量を演算し、前記演算した可変容量型ポンプの吐出流量が予め定められた最大吐出流量に達したと判定した場合には、前記可変容量型ポンプの吐出圧と前記各アクチュエータの最高負荷圧との差圧に基づいて前記アシストポンプの吐出流量を制御するハイブリッド建設機械の制御装置。 - 請求項4に記載のハイブリッド建設機械の制御装置において、
前記原動機の回転数を検出する回転数検出器をさらに備え、
前記コントローラは、前記アクチュエータが作動状態にあると判定した場合には、前記可変容量型ポンプの傾転角からその吐出流量を演算し、前記演算した可変容量型ポンプの吐出流量が予め定められた最大吐出流量に達したと判定した場合には、前記可変容量型ポンプの吐出圧と前記各アクチュエータの最高負荷圧との差圧及び前記回転数検出器によって検出された回転数に基づいて前記アシストポンプの吐出流量を制御するハイブリッド建設機械の制御装置。 - 請求項4に記載のハイブリッド建設機械の制御装置において、
前記コントローラは、前記アシストポンプの傾転角を制御するレギュレータ及び前記発電機の回転数の少なくとも一方を制御することによって前記アシストポンプの吐出流量を制御するハイブリッド建設機械の制御装置。
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