CN103661359B - 混合动力式工程机械 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种混合动力式工程机械，包括：液压致动器；液压泵，喷出用于驱动液压致动器的工作油；发电电动机，发挥生成电力的发电机作用和生成动力的电动机作用；发动机，连接于液压泵及发电电动机；蓄电器；以及控制器，使发电电动机发挥发电机作用而对蓄电器充电，另一方面，利用蓄电器所释放的电力使发电电动机发挥电动机作用以便辅助所述发动机。所述控制器在发动机的输出为预先设定的发动机下限输出以上时，使发电电动机开始发挥发电机作用，并且以将发动机输出保持在发动机下限输出以上的范围内为目标，控制发电电动机的发电机作用。据此，能够更可靠地防止发动机燃烧状态随着泵所需输出的增加而恶化。

Description

混合动力式工程机械
技术领域
本发明涉及一种并用发动机动力和蓄电器电力的混合动力式工程机械。
背景技术
以挖掘机为例，对本发明的背景技术进行说明。
一般的挖掘机包括：履带式下部行走体；上部回转体，围绕与地面垂直的轴自如回转地搭载在所述履带式下部行走体上；作业附属装置，安装在所述上部回转体上；液压致动器；液压泵，喷出用于驱动所述液压致动器的工作油；以及作为所述液压泵的动力源的发动机。此外，混合动力挖掘机包括：发电电动机，连接于发动机且发挥发电机作用和电动机作用；以及蓄电器，通过由发电电动机的发电机作用生成的电力被充电。所述发电电动机由所述蓄电器中所蓄积的电力即蓄电力驱动，发挥所述电动机作用，且通过该电动机作用，辅助所述发动机驱动所述液压泵。
所述发电电动机的输出被控制为，使得与所述发动机的输出、向所述液压泵要求的输出即泵所需输出、及所述发电电动机的输出(电动机输出或发电机输出)的关系分别满足以下关系，即：当充电时，发动机输出＝发电机输出+泵所需输出；当辅助时，发动机输出+电动机输出＝泵所需输出。即，对发电电动机的输出进行控制，使得在泵所需输出超过发动机输出的情况下，用电动机输出弥补发动机输出的不足部分，在泵所需输出低于发动机输出的情况下，利用由发动机输出的多余部分产生的发电机输出对蓄电器充电。
在所述混合动力挖掘机中，当液压负载(泵所需输出)增加时，增加燃料流量(供应量)以使发动机输出对应于液压负载(泵所需输出)的增加而增加。在此情况下，若发动机输出的增加率(每单位时间的输出变化量)大，则发动机的燃烧状态会恶化，例如燃料流量变得过大而引起不完全燃烧，产生黑烟等。作为该问题的解决方法，在日本专利公开公报特开2009-216058号中公开了将发动机输出的增加率限制为恒定的限制值的技术。具体而言，在该以往技术中，当泵所需输出超过根据所述限制值求出的发动机上限输出时，通过从蓄电器释放出的电力使发电电动机发挥电动机作用(辅助)，由此，使发动机输出保持于所述发动机上限输出。
然而，因为所述发电电动机的辅助力依赖于蓄电器的蓄电力，且该蓄电力会根据充电率等而发生变动，所以存在以下的可能性，即，因蓄电力的极限而产生辅助力不足的情况，从而无法将发动机输出的增加率控制为限制值。即，对发动机输出的增加率进行限制的所述以往技术有可能无法实现防止燃烧状态恶化的这一目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合动力式工程机械，能够更可靠地防止发动机燃烧状态随着泵所需输出的增加而恶化。
本发明所提供的混合动力式工程机械包括：液压致动器；液压泵，喷出用于驱动所述液压致动器的工作油；发电电动机，发挥生成电力的发电机作用和生成动力的电动机作用；发动机，连接于所述液压泵及所述发电电动机；蓄电器；以及控制器，使所述发电电动机发挥所述发电机作用而对所述蓄电器充电，另一方面，利用所述蓄电器所释放的电力使所述发电电动机发挥所述电动机作用以便辅助所述发动机，其中，所述控制器在所述发动机的输出为预先设定的发动机下限输出以上时，使所述发电电动机开始发挥发电机作用，并且以将发动机输出保持在所述发动机下限输出以上的范围内为目标，控制所述发电电动机的发电机作用。
附图说明
图1是表示本发明实施方式所涉及的混合动力式工程机械的主要结构要素的框图。
图2是表示图1所示的控制器的运算控制内容的框线图。
图3是表示所述控制器中存储的蓄电器的充电率和发动机下限输出之间的关系的图。
图4是表示所述控制器中存储的发动机转速、燃料流量及发动机输出容许增加量之间的关系的图。
具体实施方式
根据附图说明本发明的实施方式。在本实施方式中，本发明适用于混合动力挖掘机。
如图1所示，本实施方式所涉及的混合动力式工程机械包括发动机1、发电电动机2、液压泵3、控制器4、调节器5、控制阀6、液压致动器7、逆变器8及蓄电器9。
所述发电电动机2连接于发动机1，且发挥发电机作用(生成电力而对蓄电器充电的作用)和电动机作用(生成动力而辅助发动机1驱动液压泵3的作用)。此外，在混合动力挖掘机中，对液压泵3供应动力的方式有所谓的并联方式(parallel system)和串联方式(series system)，本发明能够适用于两种方式中的任一种方式。
在本实施方式中，所述液压泵3由可变容量型液压泵构成，且连接于所述发动机1。所述调节器5通过使所述液压泵3的倾转发生变化从而使所述液压泵3的喷出量发生变化，且其动作受所述控制器4的控制。所述液压泵3所喷出的工作油经由所述控制阀6供应至所述液压致动器7，所述控制阀6由未图示的遥控阀操作。在图1中，为便于说明，仅表示了一个液压致动器7，但实际上装备有多个液压致动器例如动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸、行走用液压马达等。
所述发电电动机2经由所述逆变器8连接于所述蓄电器9。逆变器8对发电电动机2的发电机作用和电动机作用进行切换，并对发电电动机2发挥发电机作用时的输出电流、发电电动机2发挥电动机作用时的输出转矩、以及对应于发电机输出的蓄电器9的充/放电进行控制，其中，该发电机输出是发电电动机2发挥发电机作用时的输出。
所述混合动力式工程机械包括未图示的多个检测器。这些检测器分别检测所述遥控阀的操作量、液压泵3的喷出压力即泵压、蓄电器9的充电率、发动机转速及对发动机1的燃料供应量(燃料流量)，并将这些信息发送至控制器4。
控制器4进行如图2所示的运算控制动作，即：
(ⅰ)基于蓄电器9的充电率，计算出发动机下限输出；
(ⅱ)基于根据遥控阀的操作量求出的液压泵3的目标流量和泵压，计算出泵所需输出；
(ⅲ)基于发动机转速和燃料流量，计算出发动机输出容许增加量；
(ⅳ)通过将发动机输出容许增加量与发动机下限输出相加，计算出发动机上限输出；以及
(ⅴ)基于所述各计算值控制发电电动机2的输出(发电机输出及电动机输出)。所述控制内容的详细情况如下所述。
(Ⅰ)发动机下限输出
图3表示针对蓄电器9的充电率和发动机下限输出的关系而预先决定的映射。从以下的目的和观点出发，预先将如图3所示的关系设定为映射并存储在控制器4中，所述目的是指控制蓄电器9的充电频率以抑制劣化，从而延长其寿命，所述观点是指若充电率高，则充电必要性低。根据所述映射，根据蓄电器充电率而设定发动机下限输出，具体而言，充电率越高，则将发动机下限输出设定为越低的值。
(Ⅱ)发动机输出容许增加量
图4是在表示发动机转速和燃料流量的关系的发动机特性中添加发动机输出容许增加量而成的映射，该映射预先被设定并存储在控制器4中。在图中，粗线所示的五条曲线C1～C5表示针对互不相同的燃料流量而设定的发动机转速和发动机输出容许增加量的关系，且表示越往图的上方，则燃料流量越少。即，在五条曲线C1～C5中，曲线C1是针对最低燃料流量而设定的曲线，曲线C5是针对最高燃料流量而设定的曲线。
控制器4基于所述图4所示的映射，根据检测出的发动机转速及燃料流量求出发动机输出容许增加量。例如，当发动机转速为Er1，且燃料流量为相当于从图4上方算起的第三条曲线C3的流量时，发动机输出容许增加量为Epi1。即，从发动机燃烧状态的好坏取决于发动机转速和燃料流量(例如即使发动机转速相同，燃料流量越多，则越容易发生发动机燃烧状态的恶化)的观点出发，在发动机转速相同的条件下，燃料流量越少，则设定越大的发动机输出容许增加量。
(Ⅲ)发动机上限输出
控制器4将所述(Ⅱ)中求出的发动机输出容许增加量与发动机下限输出相加，由此，计算出发动机上限输出。
(Ⅳ)泵所需输出
控制器4基于检测出的泵压和遥控阀的操作量运算出目标流量，并基于该目标流量，计算出液压泵3所需的输出(泵所需输出)。
控制器4基于以所述方式求出的发动机下限输出、发动机上限输出和泵所需输出来控制发电电动机2。具体而言，当泵所需输出处于发动机下限输出以下的范围内时，使发电电动机2发挥发电机作用而对蓄电器9充电，当泵所需输出处于发动机上限输出以上的范围内时，使发电电动机2发挥电动机作用而辅助发动机1，当泵所需输出处于发动机下限输出与发动机上限输出之间的范围内时，将发电电动机2的输出设为0。这样，控制器4以将发动机输出保持在发动机下限输出与发动机上限输出之间的范围内的方式，控制发电电动机2的输出(发电机输出或电动机输出)。
所述混合动力式工程机械能够获得以下的效果。
(A)预先设定作为发动机输出增加的基础的发动机下限输出，控制器4以保持该发动机下限输出的方式控制发电电动机2的发电机作用，因此，作为基本效果，能够控制发动机输出的增加量(变动幅度)本身。
(B)而且，除了设定发动机下限输出之外，还设定发动机上限输出，控制器4以将发动机输出保持在所述发动机下限输出与所述发动机上限输出之间的范围内的方式控制发电电动机2，因此，能够进一步抑制发动机输出的增加量。所述效果(A)及效果(B)能够抑制燃料供应量的增加，从而良好地保持发动机燃烧状态。
(C)设定能够容许的发动机输出增加量即发动机输出容许增加量，并将该发动机输出容许增加量与发动机下限输出相加，由此，计算出发动机上限输出，因此，发动机输出的增加量被抑制在所述发动机输出容许增加量以下，由此，防止燃烧状态恶化的效果变得更高。
(D)从燃料流量越多，则越容易因发动机输出增加而引起发动机燃烧状态恶化的观点出发，燃料流量越多，则设定越小的发动机输出容许增加量，因此，抑制燃烧状态恶化的效果变得更高。
(E)根据蓄电器9的充电率而设定发动机下限输出，详细而言，充电率越高，则将发动机下限输出设定得越低，因此，能够抑制蓄电器9的充电频率而延长其寿命。
然而，本发明并不限定于以上所说明的实施方式，例如还能够包含如下所述的实施方式。
(1)在所述实施方式中，根据蓄电器充电率而变更发动机下限输出，但也可以与蓄电器充电率无关地根据与其他要素之间的关系来可变地设定该发动机下限输出，还可以将该发动机下限输出固定为恒定值。
(2)在所述实施方式中，针对发动机输出设定了发动机下限输出和发动机上限输出这两者，但在本发明中，也可以仅设定作为发动机输出增加的基础的发动机下限输出。
(3)在设定发动机上限输出的情况下，并不限于像所述实施方式那样，基于表示发动机转速和燃料流量的关系的映射，决定用于求出所述发动机上限输出的发动机输出容许增加量。或者，所述发动机输出容许增加量也可以固定为恒定值。
(4)本发明还能够适用于混合动力挖掘机以外的混合动力式工程机械。
如上所述，根据本发明，提供一种混合动力式工程机械，其能够更可靠地防止发动机燃烧状态随着泵所需输出的增加而恶化。本发明所提供的混合动力式工程机械包括：液压致动器；液压泵，喷出用于驱动所述液压致动器的工作油；发电电动机，发挥生成电力的发电机作用和生成动力的电动机作用；发动机，连接于所述液压泵及所述发电电动机；蓄电器；以及控制器，使所述发电电动机发挥所述发电机作用而对所述蓄电器充电，另一方面，利用所述蓄电器所释放的电力使所述发电电动机发挥所述电动机作用以便辅助所述发动机，其中，所述控制器在所述发动机的输出为预先设定的发动机下限输出以上时，使所述发电电动机开始发挥发电机作用，并且以将发动机输出保持在所述发动机下限输出以上的范围内为目标，控制所述发电电动机的发电机作用。
根据所述结构，预先设定作为发动机输出增加的基础的发动机下限输出，控制器以将发动机输出保持在所述发动机下限输出以上的范围内的方式控制发电电动机的发电机作用，因此，能够抑制发动机输出的增加量(变动幅度)本身，由此，能够抑制燃料供应量的增加，从而良好地保持发动机的燃烧状态。
在本发明中，较为理想的是，所述控制器以所述蓄电器的充电率越高，所述发动机下限输出设得越低的方式根据所述蓄电器的充电率设定所述发动机下限输出。若蓄电器的充电率高，则充电的必要性低，因此，充电率越高，则使发动机下限输出越低，由此，能够抑制对蓄电器进行的多余的充电，从而延长其寿命。
另外，较为理想的是，所述控制器设定高于所述发动机下限输出的发动机上限输出，在发动机输出超过所述发动机上限输出时，使所述发电电动机发挥所述电动机作用，并且以将发动机输出保持在所述发动机上限输出以下的范围内为目标，控制所述发电电动机的电动机作用。这样，发动机输出不仅为发动机下限输出以上，而且保持在发动机上限输出以下的范围内，由此，发动机输出的增加量进一步受到抑制。因此，抑制燃料供应而良好地保持发动机燃烧状态的效果变得更高。
在所述情况下，优选所述控制器设定发动机输出容许增加量作为发动机输出中的能够容许的增加量，将所述发动机输出容许增加量与所述发动机下限输出相加而计算出所述发动机上限输出。由此，发动机输出的增加量被抑制在容许增加量以下。因此，通过根据与发动机燃烧状态之间的关系来适当地设定所述发动机输出容许增加量，防止燃烧状态恶化的效果变得更高。
另外，较为理想的是，在所述控制器中预先存储有针对发动机转速、燃料流量及发动机输出容许增加量的关系而设定的映射，在所述发动机转速相同的条件下，所述控制器以所述燃料流量越少，所述发动机输出容许增加量设得越大的方式基于所述映射设定所述发动机输出容许增加量。燃料流量越多，则越容易因发动机输出增加而引起发动机燃烧状态恶化(反之，燃料流量越少，则越不易引起发动机燃烧状态恶化)，因此，如上所述，燃料流量越多，则设定越小的发动机输出容许增加量，由此，使抑制燃烧状态恶化的效果更高。

Claims (5)

1.一种混合动力式工程机械，其特征在于包括：
液压致动器；
液压泵，喷出用于驱动所述液压致动器的工作油；
发电电动机，发挥生成电力的发电机作用和生成动力的电动机作用；
发动机，连接于所述液压泵及所述发电电动机；
蓄电器；以及
控制器，使所述发电电动机发挥所述发电机作用而对所述蓄电器充电，另一方面，利用所述蓄电器所释放的电力使所述发电电动机发挥所述电动机作用以便辅助所述发动机，其中，
所述控制器在所述液压泵所需的泵所需输出为预先设定的发动机下限输出以下时，使所述发电电动机开始发挥发电机作用，并且以将发动机输出保持在所述发动机下限输出以上的范围内为目标，控制所述发电电动机的发电机作用。
2.根据权利要求1所述的混合动力式工程机械，其特征在于：
所述控制器以所述蓄电器的充电率越高，所述发动机下限输出设得越低的方式根据所述蓄电器的充电率设定所述发动机下限输出。
3.根据权利要求1所述的混合动力式工程机械，其特征在于：
所述控制器设定高于所述发动机下限输出的发动机上限输出，在所述泵所需输出超过所述发动机上限输出时，使所述发电电动机发挥所述电动机作用，并且以将发动机输出保持在所述发动机上限输出以下的范围内为目标，控制所述发电电动机的电动机作用。
4.根据权利要求3所述的混合动力式工程机械，其特征在于：
所述控制器设定发动机输出容许增加量作为发动机输出中的能够容许的增加量，将所述发动机输出容许增加量与所述发动机下限输出相加而计算出所述发动机上限输出。
5.根据权利要求4所述的混合动力式工程机械，其特征在于：
在所述控制器中预先存储有针对发动机转速、燃料流量及发动机输出容许增加量的关系而设定的映射，
在所述发动机转速相同的条件下，所述控制器以所述燃料流量越少，所述发动机输出容许增加量设得越大的方式基于所述映射设定所述发动机输出容许增加量。
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