JP2003172167A - 作業機械 - Google Patents
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Abstract
態が連続しない通常作業時は、エンジン出力と蓄電装置
出力を併用するハイブリッド方式によって省エネルギー
運転を行い、しかも、長距離・高速走行のような高出力
運転も可能とする。 【解決手段】 通常作業時は、エンジン11を出力が低
くて効率の高い範囲で運転しながら発電機12の出力と
キャパシタ13の蓄電力を併用する通常運転モードで運
転し、切換スイッチ36が高速走行モード位置に切換え
られ、かつ、走行操作されたときに、高出力運転モード
としてエンジン出力を上げ、長距離・高速走行を可能と
した。
Description
駆動し、その発電電力と蓄電装置の蓄電力を適宜併用し
ながら電動機を駆動して作業装置及び走行装置を作動さ
せる所謂ハイブリッド式の作業機械に関するものであ
る。
必要な動力源出力のうち、発電機が平均的な出力を分担
し、発電機出力が不足する場合にその不足分を蓄電装置
の蓄電力でカバーする一方、発電機出力が余る場合に余
剰電力を蓄電装置に蓄える(充電する)構成がとられ
る。
・出力が変化し充・放電を繰り返す。
ショベルにおける一般的な動力変動状況(実機データか
ら作成した時間と動力の変化の関係)を示すもので、負
荷変動の激しい油圧ショベルの特性として、アクチュエ
ータの合計出力も、アクチュエータの動力源である油圧
ポンプの出力も短時間で急激に変動する。
ド式とした場合における各種均し作業時の動力の変化状
況(シミュレーション)を示している。
線で示す必要な動力源出力のうち、発電機(同一点鎖
線)が平均的な出力を分担し、発電機出力が不足する場
合に蓄電装置から出力して不足分をカバーする一方、発
電機出力が余る場合は余剰電力を蓄電装置に蓄える構成
がとられる。
で示すように急激かつ頻繁に変動し、図の0kwより上
の入力(充電)と、下の出力(放電)を短時間中に繰り
返すこととなる。
ローラ式の下部走行体上に上部旋回体が搭載されるとと
もに、この上部旋回体に主たる作業装置である掘削装置
が取付けられて構成され、掘削装置によって通常の作業
(掘削、均しその他)を行うとともに、下部走行体のク
ローラ式走行装置によって現場内を自走して移動する。
ンジン出力のみで賄うことが可能であるが、ときにはか
なりの長距離を高速で自走する必要が生じる場合があ
り、このときには蓄電装置の助けが必要となる。
えるように大容量のものが必要となるため、バッテリ
(鉛蓄電池やニッケル水素蓄電池のような二次電池)が
好適となる。
との間の化学変化を利用するものであるため、ショベル
のような負荷変動が激しくて充・放電を頻繁に繰り返す
作業機械に使用すると寿命が非常に短くなる。従って、
高頻度のバッテリ交換が必要となるため、コスト高とな
り、バッテリの廃棄による環境問題も生じるというデメ
リットがある。
デンサ)を用いると、物理的に電気を蓄えるため、充・
放電の頻繁な繰り返しによっても長寿命が得られる利点
を有する反面、容量が小さいため、上記のような長距離
・高速走行時に容量がすぐに空になり、以後、エンジン
出力のみに頼らざるを得なくなる結果、走行速度が低く
なり、移動に時間がかかるという問題が生じる。
されるように、バッテリとキャパシタの二種類の蓄電装
置を用い、これらを作業条件に応じて使い分けるように
構成すれば上記の問題は解決できるが、蓄電装置のコス
トがきわめて高くなるとともに、制御が複雑になるた
め、実用に適さない。
用いることを前提として、掘削や短距離/低速走行のよ
うな、高出力状態が長時間連続しない通常作業時は、エ
ンジン出力と蓄電装置出力を併用するハイブリッド方式
によって省エネルギー運転を行い、しかも、長距離・高
速走行のような高出力運転も可能な作業機械を提供する
ものである。
ジンによって駆動される発電機と、この発電機の出力の
余剰分を蓄える蓄電装置を電源として電動機を駆動し、
この電動機により作業装置及び走行装置を作動させる自
走式の作業機械において、運転モードを、上記エンジン
を効率の高い高効率範囲で運転しながら上記発電機と蓄
電装置の電力を併用する通常運転モードと、エンジンを
上記通常運転モードよりも出力が高い高出力範囲で運転
する高出力運転モードとの間で切換え得るように構成さ
れたものである。
て、高速走行時に高出力運転モードが実行されるように
構成されたものである。
て、走行モードを低速走行モードと高速走行モードの間
で切換える走行切換手段を備え、この走行切換手段によ
って高速走行モードが選択され、かつ、走行操作された
ときに高出力運転モードに切換えられるように構成され
たものである。
れかの構成において、蓄電装置としてキャパシタが用い
られたものである。
ンを高効率範囲で運転しながら蓄電装置の電力を併用す
る通常運転モードと、エンジンを高出力範囲で運転する
高出力運転モードの間で切換えることができるため、通
常作業時には通常運転モードでハイブリッド方式本来の
省エネルギー運転を行い、高出力運転モードに切換える
ことにより、長距離・高速走行(請求項2,3)のよう
な高出力を要する運転も可能となる。
にキャパシタを用いることが可能となり、キャパシタの
特性として蓄電装置の寿命が長く、かつ、バッテリのよ
うな頻繁な交換が不要となる。
よって説明する。
ッド式のショベルを例にとっている。
1を備えた下部走行体2上に上部旋回体3が搭載され、
この上部旋回体3に、主たる作業装置である掘削装置4
が取付けられて構成されている。
にアーム6、このアーム6の先端にバックホー式のバケ
ット7がそれぞれ取付けられて成り、ブーム5、アーム
6、バケット7がそれぞれブームシリンダ8、アームシ
リンダ9、バケットシリンダ10によって駆動される。
としてクラムセル式のバケットが取付けられる場合や、
バケット7に代えて掴み式や振動式の破砕装置が取付け
られる場合、さらにアーム6として伸縮式のアームが用
いられる場合等がある。
てのエンジン11と、このエンジン11によって駆動さ
れる発電機12と、蓄電装置としてのキャパシタ13
と、ブーム用、アーム用、バケット用、左及び右走行
用、旋回用の各電動機14,15,16,17,18,
19と、ブーム用電動機14により駆動されてブームシ
リンダ8に圧油を供給するブームポンプ20と、アーム
用電動機15により駆動されてアームシリンダ9に圧油
を供給するアームポンプ21と、バケット用電動機16
により駆動されてバケットシリンダ10に圧油を供給す
るバケットポンプ22と、左右の走行用及び旋回用各電
動機17,18,19の回転力を減速して走行装置1及
び旋回機構(旋回歯車。図示しない)に伝える減速機2
3,24,25が設置されている。
ブロック構成を示し、発電機12と、各電動機14〜1
9及びキャパシタ13との間に発電機制御器26が設け
られ、この発電機制御器26により、発電機12で作ら
れた交流電力が直流に変換されるとともに、この直流電
圧が一定となるように制御される。
との間に、図7に示すように発電機出力の過不足に応じ
てキャパシタ13の充・放電を制御するキャパシタ制御
器27が設けられるとともに、発電機制御器26と各電
動機14〜19との間に、電動機14〜19の入力電流
を制御する電動機制御器28〜33が設けられている。
ガバナまたは電子ガバナ)34によって制御され、この
ガバナ34がガバナ制御器35によって制御される。
行と高速走行のうちから選択する走行切換手段としての
切換スイッチ36と、走行操作時に信号を発する走行操
作部37がコントローラ38を介して接続され、切換ス
イッチ36によって高速走行モードが選択され、かつ、
走行操作されたときにエンジン11が高出力範囲で運転
される。
して、エンジン11を相対的に出力が低くて効率の高い
範囲で運転しながら発電機12とキャパシタ13の電力
を併用する通常運転モードと、エンジン11を相対的に
高出力範囲で運転する高出力運転モードとの間で切換え
得るように構成され、上部旋回体3の旋回機能と掘削装
置4の掘削機能、それに低速走行機能を用いた通常作業
時には通常運転モード、長距離・高速走行時には高出力
運転モードにそれぞれセットされる。
と効率の関係の一例を示し、エンジン出力が22kwで
最もエンジン効率が高くなる。
ン速度とエンジン出力の関係を示し、通常運転モードで
は、図中実線で示す高効率範囲(たとえばエンジン速度
1600min-1でエンジン出力22KWの点)でエン
ジン11が運転され、必要に応じてキャパシタ13の蓄
電力が発電機出力と併用されてハイブリッド方式本来の
省エネルギー運転が行われる。
用いているため、図7に示すような急激な入・出力の変
化や頻繁な充・放電の繰り返しが行われても、バッテリ
と比較して遙かに寿命が長く、ショベルの寿命と同程度
またはそれ以上の期間で交換する必要がない。また、バ
ッテリと比較して動力密度が高いため、各電動機14〜
19からの回生電力を無駄無く吸収することができる。
る場合は、切換スイッチ36が高速走行モード位置に切
換えられ、この切換信号と、走行操作部37からの走行
操作信号がコントローラ38経由でガバナ制御器35に
送られて、エンジン11の速度が図4破線の高速範囲
(たとえば2400min-1)に設定され、エンジン出
力も上がる(たとえば33kw)。
力はたとえば29kw(通常運転モードでは必要電力に
応じてたとえば10〜19kwの範囲で変化する)に上
がる。
が短時間で放電し終わっても、以後、エンジン出力のみ
によって長距離・高速走行を行うことができる。
キャパシタ13を電源とする一つの電動機39(電動機
制御器40によって制御される)によって油圧ポンプ4
1を駆動し、この油圧ポンプ41からの圧油を制御弁
(各油圧アクチュエータごとに設けられるがここでは一
括して図示している)42を介してブーム、アーム、バ
ケット各シリンダ8,9,10と、左右の走行用及び旋
回用各油圧モータ43,44,45に供給する構成をと
っている。
器35に切換スイッチ36と走行操作部37がコントロ
ーラ38を介して接続され、この切換スイッチ36から
の切換信号と走行操作信号により、エンジン出力が図4
実線の高効率範囲と同破線の高出力範囲の間で切換えら
れて運転モードが通常運転モードと高出力運転モードの
間で切換えられるように構成されている。
電動機39の出力が上がり、油圧ポンプ41の最高出力
と吐出量が上がって左右の走行用油圧モータ43,44
の回転速度が増加することによって高速走行が行われ
る。
シタ制御器27を用いず、キャパシタ13の充放電によ
る電圧変動に応じて発電機制御器26によってキャパシ
タ13の充放電電流を制御し、あるいは電動機制御器4
0によって電動機39の電流制御を行うことも可能であ
る。
ータごとに電動機14〜19を設け、第2実施形態では
全アクチュエータに共通の一つの電動機39を設けた
が、2組の電動機と油圧ポンプを組み合わせて、制御弁
で各アクチュエータへの流量を配分制御してもよい。あ
るいは、旋回だけを電動機駆動として、他のアクチュエ
ータを、電動機と油圧ポンプ1組または2組の吐出量を
制御弁で流量配分制御して使用してもよい。すなわち、
アクチュエータ駆動用の電動機の組み合わせは種々変更
することができる。
のように高寿命のキャパシタ13を用いるのが最も望ま
しいが、大きな蓄電容量を必要とする場合等にはバッテ
リ(二次電池)を用いてもよい。大容量のバッテリを使
用することにより、バッテリ容量に対する充放電電力の
比率を小さくすることができるため、バッテリ寿命を長
くすることが可能となる。
6が高速走行モード位置に切換えられ、かつ、走行操作
されたときに運転モードを通常運転モードから高出力運
転モードに切換えるように構成したが、切換スイッチ3
6が高速走行モード位置に切換えられ、かつ、走行操作
量が設定値を超えたとき(高速走行操作時。走行操作部
37からの信号によって判別できる)に高出力運転モー
ドに切換わるようにしてもよい。
ドとして、エンジンを出力が低くて効率の高い範囲で運
転しながら蓄電装置の電力を併用する通常運転モード
と、エンジンを出力が高い範囲で運転する高出力運転モ
ードの二種類を有し、この二つの運転モードの間で切換
え得るように構成したから、通常作業時には通常運転モ
ードでハイブリッド方式本来の省エネルギーの運転を行
い、高出力運転モードに切換えることにより、長距離・
高速走行(請求項2,3)のような高出力を要する運転
も行うことができる。
にキャパシタを用いることが可能となり、キャパシタの
特性として蓄電装置の寿命が長く、かつ、バッテリのよ
うな頻繁な交換が不要となる。
側面図である。
系及び制御系のブロック構成図である。
そのときのエンジン出力の状態を示す図である。
系及び制御系のブロック構成図である。
である。
時の動力の変動状況を示す図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 エンジンによって駆動される発電機と、
この発電機の出力の余剰分を蓄える蓄電装置を電源とし
て電動機を駆動し、この電動機により作業装置及び走行
装置を作動させる自走式の作業機械において、運転モー
ドを、上記エンジンを効率の高い高効率範囲で運転しな
がら上記発電機と蓄電装置の電力を併用する通常運転モ
ードと、エンジンを上記通常運転モードよりも出力が高
い高出力範囲で運転する高出力運転モードとの間で切換
え得るように構成されたことを特徴とする作業機械。 - 【請求項2】 高速走行時に高出力運転モードが実行さ
れるように構成されたことを特徴とする請求項1記載の
作業機械。 - 【請求項3】 走行モードを低速走行モードと高速走行
モードの間で切換える走行切換手段を備え、この走行切
換手段によって高速走行モードが選択され、かつ、走行
操作されたときに高出力運転モードに切換えられるよう
に構成されたことを特徴とする請求項2記載の作業機
械。 - 【請求項4】 蓄電装置としてキャパシタが用いられた
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の作
業機械。
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