JP2008223306A - ハイブリッド式建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン、発電機、油圧ポンプのいずれかが、他の２者の駆動に際して不要な場合には、その不要となるものを停止させることができる。
【解決手段】回転軸１ａを有するエンジン１と、回転軸１４ａを有する油圧ポンプ１４と、回転軸１３ａを有し、発電機を兼ねた電動機１３と、この電動機１３の駆動によって生じた電力を蓄積可能であるとともに、電動機１３を駆動する電力を供給可能なバッテリ１１とを含む動力ユニットと、この動力ユニットによって駆動される電動機９及び油圧シリンダ６，７と、これらのアクチュエータを操作する操作レバー５ａ，５ｂ，１０ａを含む操作機構とを有し、エンジン１の回転軸１ａと、油圧ポンプ１４の回転軸１４ａと、電動機１３の回転軸１３ａの３つの回転軸を互いに独立して設けるとともに、３つの回転軸間の動力伝達を選択的に実施可能な動力配分手段、例えば遊星歯車機構を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、動力ユニットとしてエンジンと、油圧ポンプと、電動機と、蓄電装置を含むハイブリッド式油圧ショベル等のハイブリッド式建設機械に関する。

建設機械の作業負荷は、一般に大きく変化しやすく、また作業時間も一定ではない。このため良好なエンジン効率を確保することが難しい。このようなことから、従来、特許文献１、及び特許文献２に示されるように、エンジンと、蓄電装置すなわちバッテリとを並用させて、エンジン負荷の平均化を図るハイブリッド式建設機械が提案されている。

特許文献１に示される従来技術は、エンジンの回転軸を、電動機の回転軸と油圧ポンプの回転軸の双方に接続し、エンジンがこれらの電動機と油圧ポンプを同時に駆動する構成になっている。負荷が軽いときには、エンジンの動力で発電機を回し、エンジンの動力を電力として蓄電装置に蓄積し、負荷が重い場合には、蓄電装置から電力を引き出して、エンジンの駆動を支援するようになっている。また、特許文献２に示される従来技術では、エンジンと発電機とが接続され、エンジンの動力の全部を発電機に供給して発電させ、その電力によって電動機を回し、さらにその電動機によって油圧ポンプを回す構成になっている。そして、ポンプ負荷が軽いか、または無負荷のときには電力がバッテリに蓄電され、ポンプ負荷が重いときには、電力がバッテリから引き出されるようになっている。上述した従来技術では、このようにして負荷の平均化を図り、エンジンの効率を向上させるようにしている。
特開２００１−１６７０４公報 特開２０００−２８３１０７公報

ところで上述した従来技術のうちの特許文献１に示される従来技術では、エンジンと発電機と油圧ポンプとが同じ回転軸に接続されていることから、エンジンと発電機と油圧ポンプとが常時一緒に駆動される。これによりエンジン、発電機、油圧ポンプの３者の互いの動力の配分と支援が可能な利点がある。しかしながら、例えば油圧操作が行われないときには本来油圧ポンプの存在は邪魔であり、エンジンは電動機だけを駆動すればよいところが、油圧ポンプも連れ回され、不要なポンプの引きずり損失が発生する。また、エンジンの燃費を向上させる有効な手段の一つとして、無操作時にエンジンを停止させることが考えられる。しかし、この従来技術にあっては、エンジンが停止している状態で、操作者が操作レバーを動かし、エンジンを再起動してアクチュエータを作動させようとすると、エンジンの慣性モーメントが大きいために、かなりの応答時間が必要になり、このハイブリッド式建設機械の操作性が低下してしまう。すなわち、この従来技術は、起動速度が速い電動機の利点を十分に発揮することができない問題もある。

なお、特許文献２に示される従来技術では、エンジンと発電機と油圧ポンプの３者が同じ回転軸で接続されていないので、特許文献１に示される従来技術におけるように、エンジン、発電機、油圧ポンプの３者を駆動可能にした状態にあって、これらの３者の動力を互いに有効に活用することが困難な問題がある。

本発明は、上述した従来技術における実状からなされたもので、その目的は、エンジン、発電機、油圧ポンプの３者を駆動可能にした状態にあっては、これらの３者の動力を互いに有効に活用させることができるとともに、エンジン、発電機、油圧ポンプのいずれかが、他の２者の駆動に際して不要な場合には、その不要となるものを停止させることができるハイブリッド式建設機械を提供することにある。

この目的を達成するために、本発明は、回転軸を有するエンジンと、回転軸を有する油圧ポンプと、回転軸を有し、発電機を兼ねた電動機と、この電動機の駆動によって生じた電力を蓄積可能であるとともに、上記電動機を駆動する電力を供給可能な蓄電装置とを含む動力ユニットと、この動力ユニットによって駆動される電動アクチュエータ及び油圧アクチュエータと、これらのアクチュエータを操作する操作機構とを有するハイブリッド式建設機械において、上記エンジンの回転軸と、上記油圧ポンプの回転軸と、上記電動機の回転軸の３つの回転軸を互いに独立して設けるとともに、上記３つの回転軸間の動力伝達を選択的に実施可能な動力配分手段を備えたことを特徴としている。

このように構成した本発明は、動力分配手段によってエンジン、発電機を兼ねた電動機、油圧ポンプの３者の回転軸間の動力伝達を可能な状態にすれば、これらの３者を駆動した際に、これらの３者の動力を互いに有効に活用させることができる。また例えば、電動機を停止させた状態において、動力配分手段を介してエンジンによって油圧ポンプだけを駆動させることができる。また、油圧システムの負荷が無いときには、油圧ポンプを停止させ、エンジンによって電動機だけを駆動して発電させることができる。これによって、ポンプの引きずり損失を無くすことができる。また、電動機で油圧ポンプを起動させる場合に、動力配分手段によってエンジンを停止させた状態において、電動機によって油圧ポンプだけを駆動することができる。これにより、エンジンの慣性と摩擦の影響を除いて、電動機による油圧ポンプの高速起動を実現させることができる。

また例えば、動力配分手段を介して、エンジンの動力と電動機の動力とを合わせて、油圧ポンプを駆動することができる。さらに例えば、動力配分手段を介して、エンジンの動力を、油圧ポンプの駆動として活用させるとともに、電動機の駆動として伝え、発生した電力を蓄電装置に蓄積させることができる。

このように本発明は、動力配分手段によってエンジン、電動機、油圧ポンプの３者の駆動を可能にした状態にあっては、これらの３者の間に互いの動力の配分と支援を実現できるとともに、エンジン、発電機、油圧ポンプのいずれかが、他の２者の駆動に際して不要な場合には、その不要となるものを停止させることができる。したがって、エンジンの動力を最大限に活用することができ、電動機の高速応答性能も十分に生かすことができる。これにより、作業性を向上させることができ、同時にエネルギ消費量を低減させることができる。

また、本発明は上記発明において、上記動力配分手段が、遊星歯車機構から成り、上記３つの回転軸のそれぞれを、上記遊星歯車機構に含まれる外輪ギヤ、遊星キャリア、太陽ギヤのいずれか該当するものに接続するとともに、上記３つの回転軸を個別に回転停止状態に保持可能な停止保持手段を備えたことを特徴としている。

また、本発明は上記発明において、上記操作機構が非操作状態で、且つ上記蓄電装置に所定量より大きい電力が蓄積されている場合に上記エンジンを停止させる制御を行ない、上記操作機構が操作再開されたときに上記電動機によって上記油圧ポンプを駆動させ、上記蓄電装置に蓄積された電力が所定量より小さい場合に上記エンジンを再起動させる制御を行なうコントローラを備えたことを特徴としている。

また、本発明は上記発明において、上記油圧ポンプの目標押しのけ容積をエンジントルクとポンプ要求圧力とから求め、求められた目標押しのけ容積とポンプ要求流量とからポンプ回転速度を求め、エンジン回転速度と上記求められたポンプ回転速度とから上記電動機の目標回転速度を求める演算を行なうコントローラを備えたことを特徴としている。

また、本発明は上記発明において、上記動力配分手段が、上記エンジンの回転軸に接続されるクラッチと、上記油圧ポンプの回転軸に接続されるクラッチと、上記電動機の回転軸に接続されるクラッチとを含むことを特徴としている。

本発明は、エンジンの回転軸と、油圧ポンプの回転軸と、電動機の回転軸の３つの回転軸を互いに独立して設けるとともに、３つの回転軸間の動力伝達を選択的に実施可能な動力配分手段を備えた構成にしてあることから、動力配分手段を介してエンジン、発電機を兼ねた電動機、油圧ポンプの３者を駆動可能にした状態にあっては、これらの３者の動力を互いに有効に活用させることができるとともに、エンジン、電動機、油圧ポンプのいずれかが、他の２者の駆動に際して不要な場合には、その不要となるものを停止させることができ、２軸間の動力伝達損失を低減させ、また電動機の高速応答性を生かすことができる。これにより、従来よりも燃料効率を向上させることができるとともに、優れた作業性を確保することができる。

以下，本発明に係るハイブリッド式建設機械を実施するための最良の形態を図に基づいて説明する。

［第１実施形態の構成］
図１は本発明に係るハイブリッド式建設機械の第１実施形態であるハイブリッド式油圧ショベルの要部を構成する回路図である。

この第１実施形態は、例えばハイブリッド式油圧ショベルであり、図１に示すように、回転軸１ａを有するエンジン１と、回転軸１４ａを有する油圧ポンプ１４と、回転軸１３ａを有し、発電機を兼ねた電動機１３と、この電動機１３の駆動によって生じた電力を蓄積可能であるとともに、電動機１３を駆動する電力を供給可能な蓄電装置、すなわちバッテリ１１とを含む動力ユニットを備えている。また、この動力ユニットによって駆動される電動アクチュエータ、例えば旋回体８を駆動する発電機を兼ねた電動機９、及び油圧アクチュエータ、例えばブームシリンダ、アームシリンダ等の油圧シリンダ６，７と、これらのアクチュエータを操作する操作レバー１０ａ、操作レバー５ａ，５ｂを含む操作機構を備えている。

特に、この第１実施形態は同図１に示すように、エンジン１の回転軸１ａと、油圧ポンプ１４の回転軸１４ａと、電動機１３の回転軸１３ａを互いに独立して設けてあり、これらの３つの回転軸を個別に回転停止状態に保持可能な停止保持手段、例えばブレーキング装置２０，１８，１５を備えている。また、３つの回転軸１ａ，１４ａ，１３ａの間の動力伝達を選択的に実施可能な動力配分手段、例えば遊星歯車機構を備えている。上述した３つの回転軸１ａ，１４ａ，１３ａのそれぞれは、遊星歯車機構に含まれる外輪ギヤ３、遊星キャリア１９、太陽ギヤ２のいずれか該当するものに接続されるようになっている。

例えば、エンジン１の回転軸１ａは遊星歯車機構の外輪ギヤ３に接続してあり、電動機１３の回転軸１３ａは遊星歯車機構の太陽ギヤ２に接続してあり、油圧ポンプ１４の回転軸１４ａは、ギヤ１６，１７を介して遊星キャリア１９に接続してある。上述したブレーキング装置２０は、外輪ギヤ３を介してエンジン１の回転軸１ａを回転停止可能に配置してあり、ブレーキング装置１８は、遊星キャリア１９及びギヤ１７，１６を介して油圧ポンプ１４の回転軸１４ａを回転停止可能に配置してあり、ブレーキング装置１５は、電動機１３の回転軸１３ａを停止可能に配置してある。

油圧ポンプ１４から吐出した圧油は、コントロールバルブ５を介して油圧シリンダ６，７に供給される。コントロールバルブ５は、上述した操作レバー５ａ，５ｂの操作信号ｙ５ａ，ｙ５ｂに応じて開口量が制御され、油圧シリンダ６，７の作動速度を制御する。

電動機１３の回転軸１３ａが遊星歯車機構の太陽ギヤ２を介して回された場合には、この電動機１３が発電機として働き、コンバータ・インバータ１２の制御によってバッテリ１１に蓄電するか、またはコンバータ・インバータ１０を供電して旋回体８用の電動機９を駆動する。また逆に、電動機１３が遊星歯車機構から動力を要求された場合には、バッテリ１１から電力を吸収してモータとして働き、回転軸１３ａを回転させる。

なお、操作レバー１０ａの操作信号ｙ１０ａがコンバータ・インバータ１０に与えられることにより、電動機９の回転速度が制御され、旋回体８が駆動する。

エンジン回転速度センサ１０１の信号、ポンプ回転速度センサ１０２の信号、電動機回転速度センサ１０４の信号、油圧ポンプ１４の吐出量を決める押し退け容積を計測する押しのけ容積計測センサ１０３の信号、油圧ポンプ１４の吐出圧を検出する圧力センサ１１１の信号、電動機１３を制御するコンバータ・インバータ１２の電流信号１０５及び電圧信号１０６、バッテリ１１の電圧信号１０７、コンバータ・インバータ１０の電流信号１０８及び電圧信号１０９、操作レバー５ａ，５ｂ，１０ａ等の操作信号は、コントローラ４に送信されるようになっている。

コントローラ４は、例えば操作機構に含まれる操作レバー５ａ，５ｂ，１０ａ等が全て非操作状態で、且つバッテリ１１に所定量Vhiより大きい電力が蓄積されている場合にエンジン１を停止させる制御を行ない、操作機構に含まれる操作レバー５ａ，５ｂ，１０ａ等が操作再開されたときに電動機１３によって油圧ポンプ１４を駆動させ、バッテリ１１に蓄積された電力が所定量Vlowより小さい場合にエンジン１を再起動させる制御を行なう処理手段を含んでいる。

また、このコントローラ４は、例えば油圧ポンプ１４の目標押しのけ容積qdispをエンジントルクTpとポンプ要求圧力psとから求め、求められた目標押しのけ容積qdispとポンプ要求流量Qsとからポンプ回転速度Npを求め、エンジン回転速度Neと上記求められたポンプ回転速度Npとから電動機１３の目標回転速度Ngを求める演算を行なう処理手段も含んでいる。

［第１実施形態の動作］
（Ａ） このように構成した第１実施形態では、操作レバー５ａ，５ｂが非操作の場合には、ブレーキ装置１８によって、遊星キャリア１９、ギヤ１７，１６を介して油圧ポンプ１４の回転軸１４ａが停止保持され、エンジン１の出力を電動機１３に与えて全て発電に用いることができる。それによって、油圧ポンプ１４の引きずり損失を生じなくさせることができる。この場合、エンジン１の動力が回転軸１ａを介して遊星歯車機構の外輪ギヤ３に与えられ、さらに太陽ギヤ２を介して回転軸１３ａに与えられ、電動機１３が駆動する。このときの電動機１３の回転速度Ngは、
Ng＝（Go／Gs）×Ne （１）
となる。ここで、Ng：電動機１３の回転速度、Ne：エンジン１の回転速度、Go：外輪ギヤ３の歯数、Gs：太陽ギヤ２の歯数を示す。

遊星歯車機構にあっては、外輪ギヤ３の歯数は、太陽ギヤ２の歯数より大きいので、式（１）による電動機１３の回転速度Ngは、エンジン１の回転速度Neよりも大きくなる。電動機１３は高回転速度の場合に効率が良くなり、エンジン１と電動機１３との間に、変速機を要することはない。

（Ｂ） また、この第１実施形態では、エンジン１の回転軸１ａをブレーキング装置２０によって、遊星歯車機構の外輪ギヤ３を介して停止させた状態にして、電動機１３で油圧ポンプ１４を起動させることができる。このときの油圧ポンプ１４の回転速度Npは、
Np＝｛Gs／（Go＋Gs）｝×（G１７／G１６）×Ng （２）
となる。この機能によって第１実施形態は、当該ハイブリッド式油圧ショベルの作業の休止期間であっても、操作者に支障を与えることなくエンジン１を停止させることができ、燃費を低減できる。

この第１実施形態では、エンジン１の停止後に再操作が実施される際に、上述のように電動機１３によって油圧ポンプ１４を起動させることができるので、電動機１３の速い応答性を生かして、操作者にエンジン１の停止を気付かせることなくスムースに作業を開始させることができる。

図２は図１に示す回路に備えられるコントローラ等で実施される処理手順の第１の例を示すフローチャートである。この図２には、エンジン１の停止から再起動までの手順を示してある。

手順ｓ１に示すようにエンジン１を起動すると、手順ｓ２に示すように操作レバー５ａ，５ｂ，１０ａから操作信号が入力されているかどうか判断される。この判断がイエスであればエンジン１をそのまま駆動し、ノーであれば手順ｓ３に移る。手順ｓ３では、バッテリ１１の電圧が所定量Vhiより大きいかどうか判断される。この判断がノーであればエンジン１の運転を続け、電動機１３で発電してバッテリ１１に電力を蓄積することが行われる。上述の判断がイエスであれば手順ｓ４に移る。この手順ｓ４では、エンジン１、電動機１３、及び油圧ポンプ１４を停止させる制御がなされる。これにより作業は休止する。

次に手順ｓ５に移り、操作レバー５ａ，５ｂ，１０ａから操作信号が入力されているかどうか、すなわち作業が再開されたかどうか判断される。この判断がノーであれば手順ｓ６に移る。この手順ｓ６では、バッテリ１１の電圧が所定量Vlowよりも小さいかどうか判断される。イエスであれば手順ｓ１に戻ってエンジン１が起動し、電動機１３の発電によってバッテリ１１への蓄電がなされる。手順ｓ６の判断がノーならば、手順ｓ５に戻り、バッテリ１１の電圧の確認が繰り返される。また、上述した手順ｓ５の判断がイエスであれば作業再開となり、手順ｓ７に移り、電動機１３による油圧ポンプ１４の起動が実施される。

次に手順ｓ８に移り、バッテリ１１の電圧が所定量Vlowよりも小さいかどうか判断される。この判断がイエスならば手順ｓ１に戻ってエンジン１の起動がなされる。この判断がノーならば手順ｓ９に移り、操作レバー５ａ，５ｂ，１０ａから操作信号が入力されているかどうか判断される。この判断がイエスならば、手順ｓ８に戻り、バッテリ１１の電圧の確認が繰り返される。手順ｓ９の判断がノーならば、電動機１３及び油圧ポンプ１４の停止制御がなされる。

このように、この第１実施形態では、作業効率に悪影響を及ぼすことなく、エンジン１を短い作業停止期間であっても停止させることができる。

（Ｃ） また、この第１実施形態では、エンジン１の駆動が電動機１３によって支援可能であることに伴ってエンジン１を比較的小さな形状にすることができ、しかもエンジン１を最適な燃料効率状態で駆動することができる。

一般的には、エンジン１が一定の回転速度とトルクが維持されている状態で駆動する場合に、燃焼効率が良いと言われている。しかし、当該ハイブリッド式油圧ショベルのような建設機械の場合、負荷が常に変動しているため、エンジン１を同じ状態で駆動することができない。この第１実施形態では、電動機１３の速度制御を実施することにより、エンジン１を一定の負荷で駆動することが可能となる。

エンジン１と、電動機１３と、油圧ポンプ１４の３者の駆動を可能にした状態にあっては、エンジン１と、油圧ポンプ１４と、電動機１３それぞれの回転速度、トルクの関係は、以下の式で与えられる。すなわち、
Ng＝｛（１＋α）／α｝×（G１６／G１７）×Npー（１／α）×Ne （３）
Np＝［｛α／（１＋α）｝×Ng＋｛１／（１＋α）｝×Ne］×（G１７／G１６） （４）
ここで、α＝G２／G３
Tg＝｛α／（１＋α）｝×（G１６／G１７）×Tp （５）
Te＝｛１／（１＋α）｝×（G１６／G１７）×Tp （６）
ここで、Np：油圧ポンプ１４の回転速度、Ne：エンジン１の回転速度、G１７：ギヤ１７の歯数、G１６：ギヤ１６の歯数、G２：太陽ギヤ２の歯数、G３：外輪ギヤ３の歯数、Tg：電動機１３のトルク、Te：エンジン１のトルク、Tp：油圧ポンプ１４のトルクを示す。

図３は図１に示す回路に備えられるコントローラ等で実施される処理手順の第２の例を示すフローチャートである。手順ｓ２０に示すように、エンジン１が最適な回転速度NeopとトルクTeopを維持し駆動されている状態において、手順ｓ２１に示すように、操作レバー５ａ，５ｂ，１０ａの操作量に相応する信号ｙ５ａ，ｙ５ｂ，ｙ１０ａが検出されると、手順ｓ２２に示すように、信号ｙ１０ａに応じて旋回体８の回転速度Nsが算出され、電動機９が回転速度Nsになるように、コンバータ・インバータ１０に指令が出力される。そのとき同時に、手順ｓ２３に示すように、ｙ５ａ，ｙ５ｂの信号に応じて油圧ポンプ１４の要求流量Qsが算出される。また、手順ｓ２４に示すように、押し退け容積計測センサ１０３からの信号qdispoが入力される。次に手順ｓ２５に示すように、油圧ポンプ１４の要求流量Qsと、押し退け容積qdispoとから油圧ポンプ１４の目標回転速度Npoが算出され、式（３）の電動機１３の回転速度Ngと、エンジン１の回転速度Neと、油圧ポンプ１４の回転速度Npの関係に基づいて電動機１３の目標回転速度Ngoが算出され、その値がコンバータ・インバータ１２に指令として出力される。また、手順ｓ２６に示すように、油圧ポンプ１４の吐出油の圧力が圧力センサ１１１で検出され、手順ｓ２７に示すように、そのときの負荷に必要なパワー、すなわち動力Epが、
Ep＝Qs×Ps （７）
によって求められる。

上述の式（６）から明らかなように、エンジン１のトルクTeと油圧ポンプ１４のトルクTpは比例関係となっており、エンジン１のトルクTeを最適なトルクTeopにするための油圧ポンプ１４のトルクTpは、
Tp＝（１＋α）×（G１７／G１６）×Teop （８）
から求められる（手順ｓ２８）。

次に手順ｓ２９に示すように、油圧ポンプ１４から吐出された圧油の圧力Psと、油圧ポンプ１４のトルクTpと、押し退け容積qdispとの関係
Ps＝Tp／qdisp （９）
から、目標押し退け容積qdispが求められ、この目標押し退け容積qdispとなるように油圧ポンプ１４が制御される。

次に、手順ｓ３０に示すように、油圧ポンプ１４の目標押し退け容積qdispと、油圧ポンプ１４の要求流量Qsと、油圧ポンプ１４の回転速度Npとの関係
Np＝Qs／qdisp （１０）
から、油圧ポンプ１４の回転速度Npが求められ、この回転速度Npと、式（３）とから、電動機１３の回転速度Ngが求められ、この値に相応する信号がコンバータ・インバータ１２に出力される。このような演算処理によって、エンジン１の最適燃費状態での駆動と、油圧ポンプ１４の必要動力の提供の双方を同時に満足させることができる。

なお、電動機１３の回転速度Ngが０のとき、または、電動機１３の回転軸１３ａがブレーキング装置１５で止められているときには、エンジン１の動力の全てを油圧ポンプ１４の駆動のために活用させることができる。

図４は第１実施形態で得られる特性を示す図である。上述した（Ａ）〜（Ｃ）で述べた動作、及び機能によって、この第１実施形態は、図４に示すエンジン１の特性を確保することができる。

図４の（ａ）図は、各操作レバー５ａ，５ｂ，１０ａを選択的に最大操作量まで操作したときの経時的な特性を示している。作業に応じて不規則な特性が断続的に生じていることが示されている。

このような操作レバー５ａ，５ｂ，１０ａの操作に伴って、図４の（ｂ）図の破線で示すように、負荷が変化する。従来の建設機械では、このような状況において当該建設機械がいつ起動し、いつ休止するか予想できないために、エンジン１の運転を常時継続させる必要があった。同図４の（ｂ）図の細線Ｂは、この従来のエンジンパワーを示している。

これに対して、この第１実施形態では、同図４の（ｂ）図の太線Ａで示すように、エンジン１をＯＮ−ＯＦＦ的に駆動することが可能になる。エンジン１を最適な状態で駆動している状態がＯＮ状態であり、エンジン１を停止させている状態がＯＦＦ状態となる。ＯＮ状態において、エンジンパワーが負荷パワーよりも大きいときには、図４の（ｃ）図のｔ１−ｔ２、あるいはｔ３−ｔ４に示すように、その超えた分のエネルギをバッテリ１１に蓄積することができ、エンジンパワーが負荷パワーよりも小さいときには、図４の（ｃ）図のｔ０−ｔ１に示すように、バッテリ１１からエネルギを引き出すことができる。エンジン１の一回のＯＦＦ時間をできるだけ長くするために、操作レバー５ａ，５ｂ，１０ａによる操作が終了しても、図４の（ｃ）図のｔ１−ｔ２に示すように、エンジン１をしばらく停止させず、バッテリ１１に蓄電させることが行われる。これにより、エンジン１のＯＦＦ時に多少の操作が行われても、必要なパワーをバッテリ１１だけによって供給でき、その間、エンジン１を起動させなくて済む。

（Ｄ） また、この第１実施形態では、エンジン１が一定の回転速度で駆動されていても、電動機１３の速度制御によって油圧ポンプ１４の回転速度Np、及び油圧ポンプ１４から吐出される流量を調整することができる。

油圧ポンプ１４の流量Qsは、
Qs＝Np×qdisp
（上述したように、qdispは油圧ポンプ１４の押し退け容積）
で求められるが、一般に押し退け容積qdispの可変範囲は構造上制限を受ける。このために、油圧ポンプ１４から吐出される流量Qsを速やかに、しかも大幅に変化させることは困難となっていた。

これに対し、第１実施形態では、油圧ポンプ１４の回転速度Npは、上述した（４）式、すなわち
Np＝［｛α／（１＋α）｝×Ng＋｛１／（１＋α）｝×Ne］×（G１７／G１６）
から明らかなように、エンジン１の回転速度Neと、電動機１３の回転速度Ngとによって決められるので、エンジン１の回転速度Neを変えなくても、電動機１３の回転速度Ngを制御するだけで、油圧ポンプ１４の回転速度Npを変えることができる。しかも、電動機１３の応答速度は速いので、負荷の要求に速やかに対応でき、油圧ポンプ１４から吐出される流量Qsを速やかに変化させることができる。

（Ｅ） また、この第１実施形態では、電動機１３による油圧ポンプ１４の駆動から、エンジン１による油圧ポンプ１４の駆動への変化をスムースに行わせることができる。すなわち、上述の（４）式に示すように、油圧ポンプ１４の回転速度Npは、エンジン１の回転速度Neと、電動機１３の回転速度Ngの関数である。したがって、電動機１３によって油圧ポンプ１４が駆動されている状態から、エンジン１を起動させてこのエンジン１による油圧ポンプ１４の駆動に移行させようとするとき、電動機１３の回転速度Ngをエンジン１の回転速度Neの上昇に応じて下げるように制御することにより、油圧ポンプ１４の回転速度Npをほとんど変化させずに、この油圧ポンプ１４から吐出される流量Qsが変化しないように制御することができる。つまり、当該ハイブリット式油圧ショベルの性能を、動力源の変化に影響されることなく良好に保つことができる。

［第１実施形態の効果］
以上のように構成した第１実施形態によれば、ブレーキング装置１５，１８，２０のそれぞれによる回転軸１３ａ，１４ａ，１ａの回転停止保持を解除させることによって、エンジン１、電動機１３、及び油圧ポンプ１４の３者を駆動可能にした状態にあっては、これらの３者の互いの動力を有効に活用させることができる。また、ブレーキング装置１５によって電動機１３の回転軸１３ａを回転停止保持させた状態において、遊星歯車機構を介してエンジン１によって油圧ポンプ１４を駆動させることができる。また、ブレーキング装置１８によって油圧ポンプ１４の回転軸１４ａを回転停止保持させた状態において、遊星歯車機構を介してエンジン１によって電動機１３を駆動し、この電動機１３で発生させた電力をバッテリ１１に蓄積させることができる。また、ブレーキング装置２０によってエンジン１の回転軸１ａを回転停止保持させた状態において、遊星歯車機構を介してバッテリ１１からの電力によって電動機１３を駆動し、この電動機１３によって油圧ポンプ１４を駆動することができる。

また例えば遊星歯車機構を介して、エンジン１の動力すなわちエンジンパワーと、電動機１３の動力とを合わせて油圧ポンプ１４を駆動することができる。さらに例えば、遊星歯車機構を介して、エンジン１の動力を、油圧ポンプ１４の駆動として活用させることができるとともに、電動機１３の駆動として伝え、発生した電力をバッテリ１１に蓄積することもできる。

このように、この第１実施形態は、エンジン１、電動機１３、油圧ポンプ１４の３者を駆動可能にした状態にあっては、これらの３者の互いの動力を有効に活用させることができるとともに、エンジン１、電動機１３、油圧ポンプ１４のいずれかが他の２者の駆動に際して不要なものである場合には、その不要なものを停止させることができ、２軸間の動力伝達損失を低減させることができる。また、電動機１３の速い応答性を生かすことができ、当該ハイブリッド式油圧ショベルの操作性を低下させることなく、エンジン１を小刻みに停止させることができる。これらのことから、燃料効率を向上させることができるとともに、優れた操作性を確保することができる。

さらに、バッテリ１１の蓄電機能を利用して、図４の（ｂ）図の太線Ａで示すようにエンジン１の負荷の集中化と均等化を実現でき、エンジン１の駆動に際して、最高効率状態で駆動でき、駆動させる必要のないときには直ちに停止させることができる。これによって、エンジン１の合計駆動時間を少なくすることができ、燃費を向上させることができる。

また、電動機１３の広い範囲の速度調整特性によって、油圧ポンプ１４から吐出される流量Qsの範囲を拡大させることが可能となり、これに伴って当該ハイブリッド式油圧ショベルにおける作業速度の調整範囲を広げることができ、機能を向上させることができる。また、電動機１３の動力によってエンジン１を支援でき、エンジン１の最大パワーを超える負荷にも対応が可能である。

また、遊星歯車機構、及びブレーキング装置２０，１８，１５等の機械的な動力伝達機構によって動力分配機能を実現させたことから、高い効率を確保できるとともに、安定した構造を実現できる。また、エンジン１の動力の大部分を油圧ポンプ１４の駆動に活用させることができ、比較的少ない量の動力を電動機１３を介して電気エネルギとして蓄えることができるので、効率の良いエネルギ配分を実現させることができる。

図５は油圧ポンプの回転軸を回転停止状態に保持可能な停止保持手段の別の例を示す油圧回路図である。上述した第１実施形態では、油圧ポンプ１４の回転軸１４ａを回転停止保持可能な停止保持手段として、回転軸１４ａが接続される遊星歯車機構の遊星キャリア１９を停止させるブレーキング装置１８を設けた構成にしてあるが、この油圧ポンプ１４の回転軸１４ａを回転停止保持可能な停止保持手段を、図５に示すような開閉弁３０２によって構成することもできる。

この図５に示すように、例えば操作レバー５ａが非操作となって、コントロールバルブ３０１が中立位置に戻された際、開閉弁３０２を同時に閉じるように制御することによって、油圧ポンプ１４の吐出口がブロックされ、これによって油圧ポンプ１４は回転不能になり、上述した第１実施形態におけるブレーキング装置１８と同等の状態を形成することができる。

［第２実施形態］
図６は本発明に係るハイブリッド式建設機械の第２実施形態であるハイブリッド式油圧ショベルの要部を示す回路図である。

この図６に示す第２実施形態も、例えばハイブリッド式油圧ショベルである。この第２実施形態は、第１実施形態における遊星歯車機構に代えて動力配分手段としてクラッチを含む構成にしてある。

すなわち、動力配分手段を、エンジン１の回転軸１ａに接続されるクラッチ２００と、油圧ポンプ１４の回転軸１４ａに接続されるクラッチ２０４と、電動機１３の回転軸１３ａに接続されるクラッチ２０２とを含む構成にしてある。エンジン１の回転軸１ａに接続されるクラッチ２００と、電動機１３の回転軸１３ａに接続されるクラッチ２０２とは軸２１０で接続してあり、この軸２１０にギヤ２０１を設けてある。また、ギヤ２０１と噛み合うギヤ２０４を備え、このギヤ２０４を軸２１１を介して油圧ポンプ１４の回転軸１４ａに接続されるクラッチ２０３に接続してある。その他の構成は、第１実施形態を示す図１から遊星歯車機構を除いた構成とほぼ同等である。

このように構成した第２実施形態も、クラッチ２０２を切断し、クラッチ２００及びクラッチ２０３を接続させた状態とすると、エンジン１の動力を回転軸１ａ、軸２１０、クラッチ２００、ギヤ２０１，２０４、軸２１１、及びクラッチ２０３を介して油圧ポンプ１４の回転軸１４ａに伝え、この油圧ポンプ１４を駆動させることができる。

また、クラッチ２０３を切断し、クラッチ２００及びクラッチ２０２を接続させた状態とすると、エンジン１の動力を回転軸１ａ、軸２１０、クラッチ２００、ギヤ２０１、及びクラッチ２０２を介して電動機１３の回転軸１３ａに伝え、この電動機１３を駆動させることができる。これにより、電動機１３によって発生させた電力をバッテリ１１に蓄積させることができる。また、クラッチ２００を切断し、クラッチ２０２及びクラッチ２０３を接続させた状態とすると、バッテリ１１からの電力によって駆動する電動機１３の動力を回転軸１３ａ、クラッチ２０２、軸２１０、ギヤ２０１，２０４、軸２１１、及びクラッチ２０３を介して油圧ポンプ１４の回転軸１４ａに伝え、この油圧ポンプ１４を駆動することができる。

また、クラッチ２００，２０２，２０３の全てを接続させた状態にすると、エンジン１の動力と、電動機１３の動力とを合わせて油圧ポンプ１４を駆動することができる。また、エンジン１の動力を、油圧ポンプ１４の駆動のために活用させることができるとともに、電動機１３の駆動として伝え、発生した電力をバッテリ１１に蓄積することもできる。

以上のように、この第２実施形態も、クラッチ２００，２０２，２０３の全てを接続させて、エンジン１、発電機を兼ねた電動機１３、油圧ポンプ１４の３者を駆動可能にした状態にあっては、これらの３者の動力を互いに有効に活用させることができるとともに、クラッチ２００，２０２，２０３を選択的に接続させることにより、エンジン１、電動機１３、油圧ポンプ１４のいずれかが、他の２者の駆動に際して不要な場合には、その不要となるものを停止させることができ、第１実施形態とほぼ同等の作用効果を得ることができる。

なお、この第２実施形態では、エンジン１の回転軸１ａ、油圧ショベル１４の回転軸１４ａ、電動機１３の回転軸１３ａを個別に回転停止状態に保持可能な停止保持手段を備えていないが、この第２実施形態にあっても、上述した第１実施形態と同様に上述の停止保持手段を備えた構成にしてもよい。

本発明に係るハイブリッド式建設機械の第１実施形態であるハイブリッド式油圧ショベルの要部を構成する回路図である。 図１に示す回路に備えられるコントローラ等で実施される処理手順の第１の例を示すフローチャートである。 図１に示す回路に備えられるコントローラ等で実施される処理手順の第２の例を示すフローチャートである。 第１実施形態で得られる特性を示す図である。 油圧ポンプの回転軸を回転停止状態に保持可能な停止保持手段の別の例を示す油圧回路図である。 本発明に係るハイブリッド式建設機械の第２実施形態であるハイブリッド式油圧ショベルの要部を示す回路図である。

符号の説明

１ エンジン（動力ユニット）
１ａ 回転軸
２ 太陽ギヤ（動力配分手段）
３ 外輪ギヤ（動力配分手段）
４ コントローラ
５ コントロールバルブ
５ａ 操作レバー（操作機構）
５ｂ 操作レバー（操作機構）
６ 油圧シリンダ（油圧アクチュエータ）
７ 油圧シリンダ（油圧アクチュエータ）
８ 旋回体
９ 電動機（電動アクチュエータ）
１０ コンバータ・インバータ
１０ａ 操作レバー（操作機構）
１１ バッテリ（蓄電装置）〔動力ユニット〕
１２ コンバータ・インバータ
１３ 電動機（動力ユニット）
１３ａ 回転軸
１４ 油圧ポンプ（動力ユニット）
１４ａ 回転軸
１５ ブレーキング装置（停止保持手段）
１６ ギヤ（動力配分手段）
１７ ギヤ（動力配分手段）
１８ ブレーキング装置（停止保持手段）
１９ 遊星キャリア（動力配分手段）
２０ ブレーキング装置（停止保持手段）
２１ 遊星ギヤ（動力配分手段）
２００ クラッチ（動力配分手段）
２０１ ギヤ（動力配分手段）
２０２ クラッチ（動力配分手段）
２０３ クラッチ（動力配分手段）
２０４ ギヤ（動力配分手段）
３０１ コントロールバルブ
３０２ 開閉弁（停止保持手段）

Claims (5)

1. 回転軸を有するエンジンと、回転軸を有する油圧ポンプと、回転軸を有し、発電機を兼ねた電動機と、この電動機の駆動によって生じた電力を蓄積可能であるとともに、上記電動機を駆動する電力を供給可能な蓄電装置とを含む動力ユニットと、この動力ユニットによって駆動される電動アクチュエータ及び油圧アクチュエータと、これらのアクチュエータを操作する操作機構とを有するハイブリッド式建設機械において、
   上記エンジンの回転軸と、上記油圧ポンプの回転軸と、上記電動機の回転軸の３つの回転軸を互いに独立して設けるとともに、
   上記３つの回転軸間の動力伝達を選択的に実施可能な動力配分手段を備えたことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
2. 上記請求項１記載の発明において、
   上記動力配分手段が、遊星歯車機構から成り、
   上記３つの回転軸のそれぞれを、上記遊星歯車機構に含まれる外輪ギヤ、遊星キャリア、太陽ギヤのいずれか該当するものに接続するとともに、
   上記３つの回転軸を個別に回転停止状態に保持可能な停止保持手段を備えたことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
3. 上記請求項２記載の発明において、
   上記操作機構が非操作状態で、且つ上記蓄電装置に所定量より大きい電力が蓄積されている場合に上記エンジンを停止させる制御を行ない、上記操作機構が操作再開されたときに上記電動機によって上記油圧ポンプを駆動させ、上記蓄電装置に蓄積された電力が所定量より小さい場合に上記エンジンを再起動させる制御を行なうコントローラを備えたことを特徴とするハイブリット式建設機械。
4. 上記請求項２または３記載の発明において、
   上記油圧ポンプの目標押しのけ容積をエンジントルクとポンプ要求圧力とから求め、求められた目標押しのけ容積とポンプ要求流量とからポンプ回転速度を求め、エンジン回転速度と上記求められたポンプ回転速度とから上記電動機の目標回転速度を求める演算を行なうコントローラを備えたことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
5. 上記請求項１記載の発明において、
   上記動力配分手段が、上記エンジンの回転軸に接続されるクラッチと、上記油圧ポンプの回転軸に接続されるクラッチと、上記電動機の回転軸に接続されるクラッチとを含むことを特徴とするハイブリッド式建設機械。

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