CN104159803A - 工程机械的控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种工程机械的控制装置，具有：系统动作点运算部(28)，其计算能够产生发动机(1)的要求动力的、发动机转速以及发动机转矩的多个组合，并根据液压泵(3)的排出压力来计算该各组合中的系统效率；转速运算部(33)，其作为发动机的目标转速而计算如下的发动机转速，该发动机转速是在由系统动作点运算部算出的由发动机转速、发动机转矩以及系统效率构成的多个组合中包含所期望的系统效率的组合中的发动机转速；和容量运算部(29)，其基于由转速运算部算出的目标转速和液压泵的要求流量来计算液压泵的目标容量。由此，能够在系统整体的效率良好的动作点上控制发动机以及液压泵。

Description

工程机械的控制装置
技术领域
本发明涉及工程机械的控制装置，该工程机械具有发动机以及与该发动机机械式连结的液压泵。
背景技术
以往，在具有用于驱动液压致动装置的液压系统的液压挖掘机和轮式装载机等工程机械中，具备有对最大负荷时的作业进行估计而选定的大型发动机，以能够应对从轻负荷到重负荷的全部作业。但是，在工程机械的作业整体中，为重负荷的作业只不过为一部分，由此，在轻负荷时和中度负荷时发动机的能力没有完全发挥，从油耗的观点来看，大型发动机并不是优选的。
相对于此，具有如下的技术：构成在为了改善油耗而使发动机小型化的同时而具有电动/发电机的混合动力系统，该电动/发电机用于补充随着该发动机的小型化而发生的输出低下，通过输出应答迅速的电动/发电机来进行输出辅助，由此，对发动机的转速进行可变控制而使其在高效率点上运转，由此能够抑制燃料消耗量(日本特开平11-2144号公报)。
另外，在具有液压系统的工程机械中，重要的是改善“作业量油耗”，该“作业量油耗”是液压致动装置相对于所投入的燃料而能够进行多少作业的指标。而且，为了改善作业量油耗，并非仅使发动机在高效率点上运转即可，也必须使液压泵也在使工程机械整体上的效率变好的动作点上运转。
在专利文献2中，提出了试图解决这种问题的技术。在日本特开2009-74405号公报中，记载了如下技术：对根据用于操作液压致动装置的杆操作来运算液压泵的目标流量的目标流量运算部、和根据该目标流量所运算的发动机的目标转速(第1目标转速)、和从液压泵的负荷压和操作杆输入而运算的目标转速(第4目标转速)进行比较，将其中较低的转速作为最终的目标转速，由此，能够提高高负荷时的泵效率以及发动机效率。
另外，在日本特开2004-84470号公报中，记载了如下的技术：在发动机和液压泵之间具有无级变速机(Continuously VariableTransmission：CVT)，由此，使发动机以及液压泵分别在效率良好的动作点上运转。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平11-2144号公报
专利文献2:日本特开2009-74405号公报
专利文献3:日本特开2004-84470号公报
在日本特开2004-84470号公报的技术中，在发动机、电动/发电机以及液压泵之间分别具有无级变速机，由此，动力传动系统(动力驱动系统)会变得复杂，无法避免动力传动系统整体的容积的增加，作为工程机械整体而不得不成为大型的设备。另外，因在动力传动系统的要素之间具有无级变速机而会使机械损失增加，由此，作为结果而有可能使系统整体的效率降低。
在日本特开2009-74405号公报的技术中，通过将可变容量型的液压泵的泵容积取得较大来进行泵的高效率化，在此基础上，将提高发动机效率的动作点作为目标转速，但是，泵效率并不是仅由泵容积单一决定的。在图19中表示在使泵容积固定的情况下的泵效率相对于转速的变化的情况。如图19可知，当泵的转速增加时，摩擦等会随之增加，由此机械效率会减少，泵的整体效率(机械效率与容积效率的积)会降低。在日本特开2009-74405号公报的技术中，没有考虑这种随着转速的增加而使液压泵的整体效率降低的情况，其等效于在使液压泵以最大容积动作时能够确保泵目标转速和流出量这一限制的基础上，决定仅对于发动机的高效率点。而且，在为了降低油耗低而使发动机大幅度地小型化的情况下，而会产生为了确保某一固定的输出，不得不以比图19所示的以往的发动机更高的转速来控制发动机的可能性。该情况会导致上述的泵效率的降低。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种构成简单且能够在效率较高的动作点上控制发动机以及液压泵的工程机械的控制装置。
为了实现上述目的，本发明提供一种工程机械的控制装置，该工程机械具有发动机、和由该发动机驱动的可变容量型液压泵，其中，在将向所述发动机的能量效率乘以所述液压泵的能量效率所得到的值作为系统效率时，所述控制装置具有：第1动作点运算部，其计算能够产生所述发动机的要求动力的、发动机转速以及发动机转矩的多个组合，并根据所述液压泵的排出压力来计算该各组合中的所述系统效率；转速运算部，其作为所述发动机的目标转速而计算如下的发动机转速，该发动机转速是在由所述第1动作点运算部算出的由所述发动机转速、所述发动机转矩以及所述系统效率构成的多个组合中包含所期望的系统效率的组合中的发动机转速；和容量运算部，其基于由所述转速运算部算出的目标转速和所述液压泵的要求流量来计算所述液压泵的目标容量。
发明的效果
根据本发明，成为简单的构成，且能够在使系统整体的效率良好的动作点上控制发动机以及液压泵。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式的混合动力式液压挖掘机中的液压驱动控制装置的概略构成图。
图2是本发明的各实施方式的调节器的泵容积-泵排出压力特性图。
图3是本发明的第1实施方式的控制器8的概略构成图。
图4是表示泵要求流量运算部21的构成的一例的图。
图5是表示泵要求流量运算部21的构成的一例的图。
图6是基于控制时的蓄电剩余量和目标蓄电剩余量之差来进行电动/发电机的动作的判断的情况的说明图。
图7是表示由第2动作点运算部27生成的泵效率图的图。
图8是表示由本发明的第1实施方式的第1动作点运算部28生成的系统效率图的图。
图9是表示本发明与在先技术的发动机的目标转速的差异的图。
图10是表示由本发明的第1实施方式的第1动作点运算部28生成的系统效率图的其他图。
图11是表示蓄电剩余量相对于目标蓄电量的变化的一例的图。
图12是在规定的区域中指定发动机的目标转速的情况的说明图。
图13是本发明的第2实施方式的控制器的概略构成图。
图14是表示由本发明的第2实施方式的第1动作点运算部28生成的系统效率图的图。
图15是本发明的第3实施方式的控制器的概略构成图。
图16是表示由本发明的第3实施方式的第1动作点运算部28生成的系统效率图的图。
图17是本发明的第4实施方式的控制器的概略构成图。
图18是表示由本发明的第4实施方式的第1动作点运算部28生成的系统效率图的图。
图19是表示在使泵容积固定的情况下的泵效率相对于转速的变化情况的图。
具体实施方式
以下，使用附图说明本发明的实施方式。
图1是本发明的第1实施方式的混合动力式液压挖掘机中的液压驱动控制装置的概略构成图。该图所示的液压驱动控制装置具有：发动机1；调整发动机1的燃料喷射量的调整器7；检测发动机1的实际转速的转速传感器(实际转速检测机构)6；通过与发动机1机械式连结的发动机1而驱动的可变容量型液压泵3(以下，具有仅称为“液压泵3”的情况)；通过从液压泵3排出的压力油而驱动的液压致动装置5；由发动机1驱动的先导泵32；操作杆(操作装置)16，用于通过将从先导泵32排出的压力油减压并向阀装置4输出来控制液压致动装置5；电动/发电机2，配置在发动机1的驱动轴上，且进行基于发动机1的液压泵3的驱动的辅助或者被发动机1驱动而发电；用于蓄积电力的蓄电装置(蓄电机构)10，该电力用于驱动电动/发电机2；调节液压泵3的容量的包含在泵容量调节装置(泵容量调节机构)中的调节器14；逆变器(电力转换装置)9，控制电动/发电机2并控制电动/发电机2与蓄电装置10间的电力接收发送；控制器(控制装置)8，控制调整器7并调整燃料喷射量来控制发动机转速，并且控制逆变器9来控制电动/发电机2的转矩；用于指示发动机1的目标转速的发动机控制刻度盘(发动机转速指示装置)17；和用于切换液压挖掘机的动作模式(例如，使作业性优先于油耗的动力模式、和使油耗优先于作业性的节能模式)的动作模式切换开关(动作模式切换装置)19。
图1所示的液压驱动控制装置首先将由液压泵3排出的压力油向具有多个控制阀的阀装置4供给，并在由该阀装置4适当变更压力油的流量、方向、压力后，向各液压致动装置5供给，由此控制各液压致动装置5的驱动。阀装置4中的控制阀通过从先导泵32排出且根据操作杆16的操作量而被减压的压力油来控制。能够通过压力传感器18a、18b(参照图1)等压力检测机构来检测从先导泵32向阀装置4(控制阀)输出的压力油的压力，由此检测操作杆16的操作量。另外，虽然作为设置在本实施方式的液压挖掘机中的液压致动装置5，而具有用于驱动安装在上部旋转体的前方的多关节型的前作业装置的液压缸(动臂液压缸、斗杆液压缸以及铲斗液压缸等)、用于使上部旋转体旋转的液压马达(旋转马达)、用于使安装在上部旋转体的下部的下部行驶体行驶的液压马达(行驶马达)等，但在图1中，将其统一表示为液压致动装置5。
发动机1通过由调整器7控制燃料喷射量而被调速。在液压泵3中，作为检测为了运算液压泵3的负荷所必要的信息的机构(泵信息检测机构21)而设置有：计测从液压泵3排出的压力油的压力的压力传感器22(压力检测机构)；计测该压力油的流量的流量传感器(流量检测机构)；和计测液压泵3的倾转角的角度传感器(角度检测机构)，这些压力传感器19、流量传感器以及角度传感器将检测到的传感值向控制器8输出。
调节器14和电磁比例阀15是基于从控制器8输出的操作信号来调节液压泵3的容量的泵容量调节装置。调节器14具备于液压泵3中，若通过调节器14来操作液压泵3的斜板或者斜轴的倾转角，则能够变更液压泵3的容量(排油容积)而控制液压泵3的吸收转矩(输入转矩)(泵吸收转矩控制)。本实施方式的调节器14通过电磁比例阀15产生的控制压而被控制。电磁比例阀15基于从控制器8输出的指令值而工作。
本实施方式的调节器14依照例如图2所示的控制特性图来控制液压泵3的容量。图2是基于本发明的实施方式的调节器14而作出的泵吸收转矩的控制特性图。该图所示的折线31A表示相对于液压泵3的排出压力而设定的液压泵3的容量的特性，其被设定为，在不超过发动机1和电动/发电机2的合计输出的最大值(图2中的由虚线所示的双曲线(固定转矩线图))的范围内使液压泵3的转矩(泵容量和泵排出压力的积)大致固定。即，若根据各个时刻的泵排出压力利用折线31A来设定液压泵3的容量，则能够控制液压泵3的转矩，以使其不超过基于发动机1和电动/发电机2的最大输出。在泵排出压力为P1以下时，不实施泵吸收转矩控制，泵容量由用于操作阀装置4的各控制阀的操作杆的操作量而决定(例如，在某操作杆的操作量最大时成为q1)。另一方面，若泵排出压力为P1～P2，则实施基于调节器14的泵吸收转矩控制，通过调节器14来操作泵倾转角，以使泵容量随着操作泵排出压力的增加而沿着折线31A减少。由此，泵吸收转矩被控制成为由折线31A规定的转矩以下。此外，P2为泵排出压力的最大值，与阀装置4中与液压泵3侧的回路连接的溢流阀的设定压力相等，泵排出压力不会上升至该值以上。此外，在此，作为液压泵的吸收转矩的控制特性图，使用了组合有2条直线的折线31A，但是只要在没有超出图2中的固定转矩线图(双曲线)的范围内进行设定，就也可以利用其他的控制特性图。
控制器8将基于液压泵3的吸收转矩而生成的操作信号(电气信号)向电磁比例阀15输出，电磁比例阀15生成与该操作信号对应的控制压力来驱动调节器14。由此，通过调节器14来变更液压泵3的容量，液压泵3的吸收转矩被调整至不发生发动机熄火的范围。
在由蓄电池或者电容器等构成的蓄电装置10中，作为检测为了运算蓄电装置10的蓄电量所必要的信息的机构(蓄电信息检测机构)，而安装有电流传感器11、电压传感器12以及温度传感器13。控制器8基于由这些传感器11、12、13检测到的电流、电压以及温度等信息在蓄电剩余量运算部25(后述)中运算蓄电装置10的蓄电剩余量，并管理蓄电装置10的蓄电量。
图3是本发明的第1实施方式的控制器8的概略构成图。此外，在与先前的图所示的部分相同的部分上标注相同的附图标记，并适当省略说明(后述的图也同样处理)。
该图所示的控制器8运算相对于发动机1、电动/发电机2以及液压泵3的指令值，其具有泵要求流量运算部21、泵动力运算部23、辅助动力运算部24、蓄电剩余量运算部25、发动机要求动力运算部26、系统动作点运算部(第1动作点运算部)28、泵动作点运算部(第2动作点运算部)27、容量运算部29、转速运算部33、和辅助动力修正部34。另外，控制器8作为硬件构成而具有用于执行本发明的各种处理程序的运算处理装置(例如，CPU)、和用于存储以该控制程序为代表的各种数据的存储装置(例如，ROM、RAM)等(均未图示)。
在本实施方式中，控制发动机1和液压泵3并使其转速在适当的动作点上运转，由此，相对于由发动机1消耗的燃料量，而谋求直到致动装置5所进行的作业量为止的系统效率的提高。
由发动机1消耗的燃料量(发动机效率)根据动作时的转速和转矩而变化，另一方面，液压泵3的效率(泵效率)根据动作时的转速、泵容积、泵排出压力而变化。由于发动机效率较好的转速和液压泵3的效率较好的转速并不一定是一致的，所以，即使将发动机1和液压泵3的任意一方的效率为最优的转速作为目标动作点(目标转速)，也不一定会使系统效率成为最优。另外，在液压挖掘机等工程机械中，泵排出压力会在短时间中大幅变化，但液压泵3的效率会根据排出压力而大幅变化，由此，最佳的动作点会逐步变化。
由此，在本实施方式的控制器8中，根据对系统效率产生影响的转矩(动力)、泵容积、泵排出压力而逐步运算适当的转速的目标值，并基于此值来实施发动机1和液压泵3的控制。
泵要求流量运算部21是执行对为了确保操作员所期望的液压致动装置的动作所必要的液压泵的流量(要求流量)进行计算的处理的部分。
图4、5是表示泵要求流量运算部21的构成的一例的图。这些图所示的泵要求流量运算部21基于由泵要求动力运算部23A算出的液压泵3的要求动力、和由压力传感器22检测到的液压泵3的排出压力来计算液压泵3的要求流量。图4表示由泵要求动力运算部23A算出的泵要求动力45b为限制值45a(相当于图2中的折线31A)以下的情况，图5表示泵要求动力45c超过限制值45a的情况。此外，图中的调节器特性用于如图2所示那样限制转矩，但是，通过流量(＝容积×转速)的次元进行控制，由此，为了统一次元而在图4中用泵动力(＝转矩×转速)表示。
在泵要求动力运算部23A中，输入由经由发动机控制刻度盘17指定的发动机1的目标转速、经由动作模式切换开关19指定的动作模式的种类、和操作杆16的操作量(杆操作量)。在本实施方式中，从压力传感器18a、18b的检测值求出杆操作量。泵要求动力运算部23A根据操作员设定的发动机转速以及动作模式来判断操作员设想了何种程度的负荷的作业，并从该情况和杆操作量而预先设定接下来所需要的泵动力(泵要求动力)。此时，发动机控制刻度盘17的刻度设定得相对越大、且动作模式为动力模式、而且杆操作量相对越大，泵要求动力也被运算得较大。另一方面，发动机控制刻度盘17的刻度设定得相对越小、且动作模式为节能模式、而且杆操作量相对越小，泵要求动力被运算得越小。
泵要求流量运算部21对由泵要求动力运算部23A运算的要求动力、和基于液压泵3的调节器特性而定的动力限制值45a的大小进行比较，在要求动力为限制值45a以下的情况下，由该要求动力除以通过压力传感器22检测到的排出压力，由此计算要求流量。另一方面，在要求动力超过限制值45a的情况下，由限制值45a除以排出压力，由此计算要求流量。即，在图4的情况下，由等动力线45b所示的泵要求动力、和由压力传感器22计测的泵排出压力Pd1之间的交点成为要求流量Q1。另一方面，在图5的情况下，由等动力线45c所示的泵要求动力超出了限制值45a，因此，限制值45a与泵排出压力Pd2之间的交点成为要求流量Q2。在图5的情况下，没有对液压致动装置5供给充分的动力，由此，液压致动装置5的动作变得缓慢，但是，由于防止发动机负荷过剩，所以能够防止加载减速(lug down)和发动机熄火(engine stall)。此外，图4、5所示的泵要求流量的运算机构只不过是一个示例，计算泵要求流量的方法并不限于此。
回到图3，泵动力运算部23是执行对液压泵3输出的实际的泵动力进行运算的处理的部分。作为计算实际的泵动力的方法，例如具有将经由压力传感器22检测到的泵排出压力、与经由流量传感器检测到的泵排出流量相乘的方法。此外，也可以利用图4、5所示的泵要求动力运算部23A的计算值(要求泵动力)来代替实际的泵动力。在这样地利用要求泵动力的情况下，控制通过前馈(feed forward)控制来进行，增加了能够尽快实现所期望的动作的可能性，因此能够提高操作性。
辅助动力运算部24是执行对电动/发电机2实际输出的动力进行运算的处理的部分。作为该运算方法，具有从电动/发电机2的转速和该时点的转矩的积来运算辅助动力的方法。另外，与泵动力运算部23同样地，也可以从电动/发电机2的目标转速与转矩的目标值的积求出辅助要求动力，并利用该辅助要求动力来替代实际的辅助动力。此外，为了后续的处理，将电动/发电机2作为电动机而动作的情况下的辅助动力的符号设为正，并将电动/发电机2作为发电机而动作的情况下的辅助动力的符号设为负。
另外，基于在蓄电剩余量运算部25中算出的蓄电装置10的蓄电剩余量来判断使电动/发电机2作为电动机还是作为发电机而动作以及基于该动作的产生动力的大小。该判断可以基于控制时的蓄电剩余量的多少来进行，也可以基于控制时的蓄电剩余量和目标蓄电剩余量之间的差量来进行。
图6是基于控制时的蓄电剩余量与目标蓄电剩余量之差来判断电动/发电机2的动作(电动动作/发电动作)的情况的说明图。在图6中，预先设定1天的作业时间，并将其设定为设想作业时间。将在该设想作业时间中使尽电力直到蓄电装置10的电压成为终止电压为止的情况作为前提。相对于某时刻的目标蓄电剩余量，若该时刻的实际的蓄电剩余量较低，则优先进行发电，相反地，若实际的蓄电剩余量较高，则优先进行电动辅助。此外，依照这样设想的作业时间的目标蓄电剩余量所进行的蓄电剩余量的管理，尤其对于如下的工程机械有效，该工程机械构成为，在蓄电装置10中具有蓄电池，且如插电式混合动力方式那样地在作业开始前将蓄电量蓄积至最大。
蓄电剩余量运算部25是执行对蓄电装置10的蓄电剩余量进行运算的处理的部分。作为运算蓄电剩余量的方法，而具有基于由传感器11、12、13检测到的电流、电压以及温度等信息来计算蓄电剩余量的方法。
系统动作点运算部(第1动作点运算部)28是执行如下处理的部分，该部分为，计算能够产生发动机1的要求动力的、发动机转速以及发动机转矩的多个组合(动作点)，而且，基于液压泵3的排出压力来计算该各组合中的系统效率。此外，此处的“系统效率”是指，发动机1的能量效率乘以液压泵3的能量效率所得到的系统整体的能量效率。另外，发动机1的要求动力为以发动机1为基准的负荷动力，后述那样地基于液压泵3的要求动力等而决定。
在本实施方式中，首先，由泵动作点运算部(第2动作点运算部)27计算与液压泵3的要求流量以及排出压力对应的液压泵3的效率，然后，基于该算出的液压泵3的效率和发动机1的效率由系统动作点运算部28计算发动机转速和发动机转矩的各组合中的系统效率。若像这样地在计算规定的排出压力中的泵效率之后计算系统效率，则能够减轻控制器8的运算负荷，能够抑制对控制器8的硬件构成所要求的性能。此外，在对控制器8的硬件构成的性能没有限制的情况下，可以省略基于泵动作点运算部27的运算，并根据发动机要求动力仅由系统动作点运算部28来计算发动机转速、发动机转矩以及系统效率的组合。
接着，说明本实施方式的泵动作点运算部27和系统动作点运算部28中的运算的流程。首先，在泵动作点运算部27中进行如下的处理，该处理为计算能够产生液压泵3的要求流量的、泵转速以及泵容积的多个组合(动作点)，而且，基于液压泵3的排出压力来计算该各组合中的液压泵3的能量效率。
图7是表示由泵动作点运算部27生成的泵效率图的图。该图所示的泵效率图以泵转速和泵容积为轴，并由等高线51来表示与各转速和容积的组合有关的泵效率。该泵效率图是基于泵排出压力而生成的，泵效率的等高线的形状会根据泵排出压力而变化。这是由于液压泵3的效率会根据泵排出压力而变化。
由泵要求流量运算部21算出的泵要求流量在泵效率图上表示为等流量线。即，泵流量为转速和泵容积的积，由此，如图7所示，泵要求流量在泵效率图上由反比例的曲线52来表示。由此，只要使与液压泵3的要求流量对应的等流量线表示在泵效率图上，则该曲线上的点的坐标就会表示能够产生液压泵3的要求流量的、泵转速以及泵容积的组合。例如，在泵要求流量为200L/min，以250rpm间隔检索目标转速的情况下，当将最小转速设为1000rpm，并将最大转速设为2000时，转速与泵容积的组合具有(1000rpm，200cc/rev)、(1250rpm，160cc/rev)、…、(2000rpm，111cc/rev)这5组，各个动作点中的泵效率能够由效率图计算为ηp1～ηp5。
发动机要求动力运算部26是执行运算发动机1的要求动力的处理的部分，本实施方式的发动机要求动力通过从泵动力运算部23的输出(泵动力)中减去辅助动力运算部24的输出(辅助动力)而求出(即，“发动机要求动力＝泵动力-辅助动力”)。此外，在电动/发电机2进行电动辅助时，将辅助动力运算部24的输出由正值表示，相反地，在进行发电时，将辅助动力运算部24的输出由负值表示。
系统动作点运算部28基于由泵动作点运算部27求出的由“泵转速、泵容积、泵效率”构成的多个组合、由发动机要求动力运算部26求出的发动机要求动力、和由蓄电剩余量运算部25求出的蓄电剩余量，来计算能够实现由泵要求流量运算部21运算的泵要求流量的“发动机转速、发动机转矩、系统效率”的多个组合。
图8是表示由系统动作点运算部28生成的系统效率图的图。该图所示的系统效率图以发动机转速和发动机转矩为轴，并由等高线71表示与各转速和转矩的组合有关的系统效率。该图所示的系统效率是通过相对于由泵动作点运算部27算出的各转速中的泵效率，乘以从预先存储在控制器8的存储装置等中的发动机1的效率图(或者等油耗图)所得到的发动机效率来计算的。如上述那样地若泵排出压力变化则泵效率变化，因此，图8中的系统效率也根据泵排出压力而变化(即，图中的眼的位置(效率最佳的等高线所表示的区域)会根据排出压力而移动)。
但是，动力是转速和转矩的积，由此，由泵动力运算部23算出的泵动力、由辅助动力运算部24算出的辅助动力、和由发动机要求动力运算部26算出的发动机要求动力能够分别作为等动力线而在系统效率图上表示。因此，在图8中，与泵动作点运算部27同样地，以250rpm间隔来检索目标转速，并以电动/发电机2产生辅助动力的状况为前提，当将泵动力设为80kW，将辅助动力设为20kW，将发动机要求动力设为前两者之差(80kW-20kW)即60kW时，泵动力(80kW)能够由为虚线的曲线72表示，发动机要求动力(60kW)能够由为实线的曲线73a表示。因此，在表示发动机要求动力的曲线73a上的各点的坐标(发动机转速、发动机转矩)和与该各点有关的系统效率的组合中，存在最终求出的组合。
转速运算部33是执行如下处理的部分，该处理为，在从由系统动作点运算部28算出的由发动机转速、发动机转矩以及系统效率构成的多个组合中，将包含所期望的系统效率在内的组合中的发动机转速作为发动机1的目标转速来计算。即，转速运算部33执行从图8的曲线73a上的点中选择一个包含所期望的系统效率在内的点的处理。因此，在图8的例中，在选择系统效率最佳的点的情况下，效率图中的离眼最近的点所示的“1500rpm”成为目标转速。由此，控制器8将1500rpm作为目标转速来控制发动机1。
容量运算部29是执行基于由转速运算部33算出的目标转速、由泵要求流量运算部21算出的液压泵1的要求流量来计算液压泵1的目标容量的处理的部分。回到图7，在目标转速为1500rpm时，泵容量表示133cc/rev，因此，目标容量为“133cc/rev”。由此，控制器8控制调节器14(电磁比例阀15)以使泵容量成为133cc/rev。
根据上述构成的本实施方式的工程机械的控制装置，能够基于从规定的排出压力中的泵效率和发动机效率算出的系统效率特性图(图7的效率图)来决定发动机目标转速，因此，能够在使系统整体的效率良好的动作点上控制发动机以及液压泵。因此，与如日本特开2009-74405号公报所述的技术那样地，仅考虑发动机效率来运算目标转速的情况相比，能够提高作为系统整体的效率。即，能够相对于由液压致动装置进行的作业量(工作量)使发动机消耗的燃料量(作业量油耗)最小化，而这一效果是在仅依照发动机的动作特性来决定目标动作点的在先技术中未能实现的。这一情况是在如下情况下有效的：为了燃料消耗削减而推进发动机的小型化，使发动机与以往相比以高旋转运转，作为该结果而会导致使发动机成为高效率的动作点、和使泵成为高效率的动作点大幅偏离。另外，不会如日本特开2004-84470号公报所述的技术那样地，使动力传动系统变得复杂，或使动力传动系统整体的容积增加。而且，在本实施方式中，在保持必要的泵流量(要求泵流量)的状态下求出系统效率为最佳的动作点，因此，操作感与没有搭载本发明的控制装置的工程机械相比没有变化，能够进行不会给操作员带来不舒服感的高效率的运转。另外，也能够与在先技术同样地，使发动机中的燃烧动作点最佳化，由此，减少包含在废气中的氮氧化物或颗粒状物质。
另外，在本实施方式中，基于电动/发电机2的辅助动力和液压泵3的动力来运算发动机1的要求动力，并基于该要求动力来计算动作点，因此，能够避免因合计输出过剩而产生的过度旋转(over rev)(发动机过旋转的现象)、和因合计输出不足而产生的发动机熄火。另外，能够通过利用电动/发电机2来抑制会在使发动机输出急剧增加时产生的过度燃烧，由此，能够防止废气的状态恶化。
另外，图9表示本发明与先行技术中的发动机的目标转速的差异。图中的曲线81表示在某固定动力中的泵的整体效率(泵容积为最大)，曲线82表示以该固定动力时的发动机1的最佳油耗点为基准的发动机效率，并将各自的最大值设为1而标准化来进行图示。另外，曲线83表示作为它们的积的系统效率。
例如，若是泵动力为80kW且最大效率为90％的泵，则90％表示为1，80％表示为0.89。另一方面，若假设在发动机的效率线中，在以80kW且在最佳的油耗点上的燃料消耗率为每小时15升，则燃料消耗率为每小时15升的动作点能够表示为效率1，每小时20升的动作点能够表示为0.75(由与最佳值的比例来定义)。
在上述实施方式中，通过控制器8的作用来判断动作点中的泵效率，在此基础上，依照发动机效率图(发动机油耗图)来决定目标转速，因此，能够将图9中的N3设为目标转速。此时的系统效率由泵效率和发动机效率的积而求得为η1，并在使发动机和泵以相同转速运转这一条件下，系统效率成为最佳。
另一方面，在日本特开2004-84470号公报(专利文献3)所述的技术中，能够使用无级变速机，而使泵和发动机在各自的最大效率点即N1、N2上动作，因此，系统效率变得与变速机的效率η3(未图示)相等。在此，在变速机的效率η3较低的情况下，能够使由本实施方式所得到的系统效率η1变得较高。
另外，在日本特开2009-74405号公报(专利文献2)所述的技术中，在泵容积为最大时，作为发动机的最佳油耗点的N2成为目标转速。此时的系统效率η2没有考虑泵的效率，因此，成为与本实施方式的系统效率η1相比始终较低的值。此外，仅在泵效率和发动机效率的峰值一致时，专利文献2的技术的系统效率η2成为与本发明的系统效率η1相等的值(η1＝η2＝1)。而且，在此时，由专利文献3所得到的系统效率η3成为最低。
此外，虽然在图9的例中图示了泵的最高效率点和发动机的最高效率点比较近的情况，但是，在这些最高效率点大幅不同的情况下，优选为，在发动机1与液压泵3间设置齿轮比固定的变速机而使两者的最高效率点接近。但是，若在没有使用变速机的情况下的本实施方式的效率η1、与使用了变速机的情况下的本发明的效率η1’与变速机的效率ηg的积之间，「η1＜η1’×ηg」不成立，则最高效率会降低，由此，不使用变速机的情况为优选。
另外，在接着所示的辅助动力修正部34中，若根据蓄电装置10的蓄电剩余量来修正辅助动力而变更发动机要求动力，则能够使系统效率进一步提高。即，可以能动地实现系统效率的最佳化。
辅助动力修正部34是执行如下处理的部分，该处理为，在由系统动作点运算部28算出的由发动机转速、发动机转矩以及系统效率构成的多个组合中，修正电动/发电机2所产生的动力(辅助动力)使得所期望的系统效率(例如，效率图上的最佳系统效率)被包含。在此，使用图9说明作为所期望的系统效率而使效率为最佳的点Pb(参照图10)被包含的情况。
图10是表示由系统动作点运算部28生成的系统效率图的其他图。在该图中，离系统效率的最佳点Pb(眼的中心部)最近的点被判断是转速为1500rpm的动作点。因此，辅助动力修正部34修正辅助动力，以使发动机要求动力的等动力线成为从点Pb通过的曲线73b。此时，基于辅助动力修正部34的修正后的辅助动力，成为对当初的辅助动力(辅助动力运算部24的输出(20kW))加上图10中的箭头量(5kW)的动力。辅助动力修正部34将修正后的辅助动力作为辅助转矩指令而向逆变器9输出。由此，控制器8以修正后的辅助动力来控制电动/发电机2。此外，在该例中，辅助动力修正部34作为辅助转矩指令而输出160Nm(在1500rpm下相当于25kW)。此外，辅助转矩指令也可以根据当前时点的转速而求出。即，也可以通过“25kW÷该时刻中的转速rad/s”来运算。
若这样地通过辅助动力修正部34来修正电动/发电机2的辅助动力，则与动力源单独地为发动机时相比较，能够在系统效率更高的动作点上运转。
此外，在上述说明中，说明了所期望的系统效率存在于泵要求动力的等动力线72的下方的情况，且使电动/发电机2作为电动机来动作而使发动机要求动力降低的时刻，但是，在所期望的系统效率位于该等动力线72的上方的情况下，当然只要使电动/发电机2作为发电机来动作而使发动机要求动力上升，由此修正辅助动力以达到所期望的系统效率即可。
另外，在上述那样地由辅助动力修正部34修正辅助动力的情况下，优选为，考虑由蓄电剩余量运算部25计算的蓄电装置10的蓄电剩余量，在能够防止蓄电装置10的过充电、过放电的范围内修正辅助输出。能够与作为工程机械的动作状况的信息的电动/发电机2的动力和蓄电装置10的剩余量配合地运算动作点，因此，能够在与用于实现所期望的系统效率的动作点更接近的点上驱动动力传动系统。图10中标注了阴影的区域表示由蓄电剩余量运算部25判断的电动/发电机2的动作可能区域，通过控制时(图11中的时刻t1)的蓄电装置10的蓄电剩余量而决定。
图11是表示蓄电剩余量相对于目标蓄电量的变化的一例的图。在该图的时刻t1中，蓄电剩余量相对于目标蓄电量较高，由此，判断为需要通过由电动/发电机2进行辅助而从蓄电装置10释放电力。此时，在经过充分的时间使蓄电剩余量逐渐向目标蓄电量接近的情况下，单位时间输出的辅助动力变得相对较小，由此，例如如曲线71a那样地消耗电力。这是相当于图10中的曲线71b的放电计划。另一方面，在进行急速的放电而向目标蓄电量的情况下，单位时间输出的辅助动力变得相对较大，由此，例如如曲线72a那样地消耗电力。这是相当于图10中的曲线72b的放电计划。
当这样地计算/修正电动/发电机2的辅助动力时，能够根据蓄电装置10的蓄电剩余量而付与电动/发电机2的辅助转矩指令的上下限，因此，能够在适当的使用范围内利用蓄电装置10，而能够防止过充电、过放电。
但是，在上述中，说明了基于转速运算部33的目标转速的计算如图8所示地提供1个点而进行的情况，但是，也可以在具有规定的宽度的区域(目标转速区域)内指定目标转速。
图12是在规定的区域内指定发动机的目标转速的情况的说明图。在该图所示的情况下，在系统效率为规定的值以上的区域(等高线的高度为某固定值以上的区域)内进行转速控制，即，进行只要使发动机转速处于从N12a至N12b之间即可的转速控制。在采用了这样的目标转速区域的情况下，容量运算部29中的容积指令的运算与上述的辅助转矩指令的运算同样地，利用此时的转速通过“目标泵流量÷当前时点的转速”来运算。例如，在目标转速区域设定为从1450rpm到1600rpm的范围的情况下，若假设实际的转速为1550rpm，则在泵要求流量为200L/min时，用于将其实现的容积指令通过“200L/min＝200×1000cc/min÷1550rpm”而决定为129cc/rev即可。
另外，若为等高线的倾斜平缓的，即，系统效率相对于转速没有大幅变化的区域，也可以采取相对于最佳转速而付与一定余量的方法，例如，相对于图12中的最佳转速1500rpm，将发动机转速控制在实际转速为±100rpm内，即，在1400～1600rpm之间即可。
但是，在上述实施方式中，构成为，对控制器8付与了大量功能，但是，根据基于控制器8的硬件构成的限制(例如，存储装置的容量(存储器容量等)或CPU的处理速度等)、各种传感器的有无或工程机械的构成，而采用其他的构成也能够实现本发明。以下，表示其构成例。此外，在以下的各实施方式中，与图8所示的例同样地在1个点上付与目标转速，但是，也可以与图12所示的例同样地构成为，以区域的形式付与目标转速。
图13是本发明的第2实施方式的控制器的概略构成图。该图所示的控制器涉及不具有电动/发电机2以及蓄电装置10的通常的液压挖掘机。因此，从图3所示的构成中，省略了辅助动力运算部24、蓄电剩余量运算部25、发动机要求动力运算部26以及辅助动力修正部34。在本实施方式中，在由系统动作点运算部28算出的系统效率图中，描绘了从泵动力运算部23输出的泵动力的等动力线72(参照图14)，由此，计算成为所期望的系统效率的动作点。图14是表示由系统动作点运算部28生成的系统效率图的图。在该图的情况下，能够计算出系统效率最佳的动作点为点92，发动机1的目标转速为1750rpm。
图15是本发明的第3的实施方式的控制器的概略构成图。该图所示的控制器涉及具有电动/发电机2的混合动力式液压挖掘机，相当于从图3所示的构成中省略了蓄电剩余量运算部25以及辅助动力修正部34。在本实施方式中，在发动机要求动力运算部26中通过从泵动力中减去辅助动力来计算发动机要求动力，并将该发动机要求动力的等动力线73描绘在系统效率图上，由此，能够计算动作点。图16是表示由系统动作点运算部28生成的系统效率图的图。在该图的情况下，能够计算出系统效率最佳的动作点为点93，发动机1的目标转速为1500rpm。
此外，本实施方式的构成例如等效于使液压挖掘机中的用于使上部旋转体旋转的旋转马达电动化的情况，在均具有液压致动装置和电动致动装置的工程机械中有效。即，例如，适用于将电动马达的再生动力作为发动机轴上的电动/发电机2的辅助动力来利用的情况。另外，为了避免基于动力不足而导致的发动机熄火，也优选适用于具有如下构成的工程机械，该构成为，通过其他系统的控制优先求出电动/发电机2的辅助动力。
图17是本发明的第4的实施方式的控制器的概略构成图。该图所示的控制器涉及具有电动/发电机2以及蓄电装置10的混合动力式液压挖掘机，相当于从图3所示的构成中省略了辅助动力运算部24以及发动机要求动力运算部26。在本实施方式中，将由泵动力运算部23算出的泵动力的等动力线72描绘在系统效率图上，并基于该等动力线72和由蓄电剩余量运算部25计算的蓄电剩余量来规定电动/发电机2的动作可能区域(阴影区域)98，从该阴影区域98内的动作点中选择所期望的系统效率的动作点。图18是表示由系统动作点运算部28生成的系统效率图的图。在该图的情况下，能够计算出在阴影区域98内中系统效率最佳的动作点为点94，发动机1的目标转速为1500rpm。而且，在该情况下，应该由电动/发电机2产生的辅助动力的大小(辅助转矩指令)，能够由从动作点94通过的等动力线99和泵动力的等动力线72之间的差量而求出。此外，本实施方式不具有辅助动力运算部24，因此，通过前馈控制来进行电动/发电机2的转矩控制。
另外，在上述各实施方式中，虽然说明了以表格的形式来计算发动机转速、发动机转矩以及系统效率等的组合的情况，但是，也可以将上述处理函数化并基于该函数来计算这些组合。另外，对于上述各实施方式的运算处理，说明了主要利用动力(即，转速和转矩的积)的情况，但是，这些运算处理也可以基于利用转矩的运算来进行。
附图标记说明
1          发动机
2          电动/发电机
3          液压泵
5          液压致动装置
9          逆变器
10         蓄电装置
14         调节器
15         电磁比例阀
16         操作杆
17         发动机控制刻度盘
18a、18b   压力传感器
21         泵要求流量运算部
22         压力传感器
23         泵动力运算部
23A        泵要求动力运算部
24         辅助动力运算部
25         蓄电剩余量运算部
26         发动机要求动力运算部
27         泵动作点运算部(第2动作点运算部)
28         系统动作点运算部(第1动作点运算部)
29         容量运算部
32         先导泵
33         转速运算部
34         辅助动力修正部

Claims (8)

1.一种工程机械的控制装置，该工程机械具有发动机、和由该发动机驱动的可变容量型液压泵，其特征在于，
在将向所述发动机的能量效率乘以所述液压泵的能量效率所得到的值作为系统效率时，所述控制装置具有：
第1动作点运算部，其计算能够产生所述发动机的要求动力的、发动机转速以及发动机转矩的多个组合，并根据所述液压泵的排出压力来计算该各组合中的所述系统效率；
转速运算部，其作为所述发动机的目标转速而计算如下的发动机转速，该发动机转速是在由所述第1动作点运算部算出的由所述发动机转速、所述发动机转矩以及所述系统效率构成的多个组合中包含所期望的系统效率的组合中的发动机转速；和
容量运算部，其基于由所述转速运算部算出的目标转速和所述液压泵的要求流量来计算所述液压泵的目标容量。
2.根据权利要求1所述的工程机械的控制装置，其特征在于，
还具有第2动作点运算部，其计算能够产生所述液压泵的要求流量的、泵转速以及泵容积的多个组合，并根据所述液压泵的排出压力来计算该各组合中的所述液压泵的能量效率，
所述第1动作点运算部基于由所述第2动作点运算部算出的所述液压泵的能量效率、和所述发动机的能量效率来计算所述各组合中的所述系统效率。
3.根据权利要求1或2所述的工程机械的控制装置，其特征在于，
所述工程机械还具有电动/发电机，其辅助基于所述发动机进行的所述液压泵的驱动或者被所述发动机驱动而发电，
所述第1动作点运算部作为所述发动机的要求动力而利用从所述液压泵的要求动力中减去所述电动/发电机的产生动力所得到的动力，来计算由所述发动机转速、所述发动机转矩以及所述系统效率构成的多个组合。
4.根据权利要求3所述的工程机械的控制装置，其特征在于，
所述工程机械还具有用于蓄积电力的蓄电装置，该电力是用于驱动所述电动/发电机的电力，
所述控制装置还具有辅助动力运算部，其基于所述蓄电装置的蓄电剩余量来计算所述电动/发电机的产生动力。
5.根据权利要求3或4所述的工程机械的控制装置，其特征在于，
还具有辅助动力修正部，其修正所述电动/发电机的产生动力，以使包含所期望的系统效率的组合由所述第1动作点运算部算出。
6.根据权利要求4所述的工程机械的控制装置，其特征在于，
所述辅助动力运算部执行如下处理，该处理为仅基于所述蓄电剩余量来计算所述电动/发电机的产生动力、或者基于所述蓄电剩余量与目标蓄电剩余量之间的差量来计算所述电动/发电机的产生动力。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的工程机械的控制装置，其特征在于，
还具有泵动力运算部，其基于所述液压泵的排出压力和要求流量来计算所述液压泵的要求动力。
8.根据权利要求2所述的工程机械的控制装置，其特征在于，
还具有泵要求流量运算部，其基于操作杆的操作量、由发动机转速指示装置算出的目标转速、以及所选择的动作模式的种类来计算所述液压泵的要求流量。
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