JP2009281525A - ハイブリッド建設機械の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 旋回モータＲＭの単独操作におけるブレーキ時に、そのエネルギーを回収して発電をし、エネルギーの有効活用を図る。
【解決手段】コントローラＣは、中立状況検出手段（６，８，９，１１および１６，１８，１９，２１）の検出信号に基づいて上記回路系統のすべての操作弁１〜５，１２〜１５が中立位置にあると認識し、かつ、ブレーキ圧検出用の圧力センサー４９の圧力信号があらかじめ設定された圧力に達したとき、通路抵抗制御手段（５１）を介して安全弁５０による通路抵抗を少なくする機能と、傾角制御器３６を介して流体モータＨＭの傾転角を制御する機能と、通路抵抗制御手段を制御して保った通路抵抗と流体モータの傾転角との両者を相対的に制御して旋回モータのブレーキ圧を維持する機能とを備えている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、例えばパワーショベル等の建設機械のエネルギー回収を制御する制御装置に関する。

従来から、アクチュエータの戻り流体等を利用して発電機を回転して発電するものは散見されるところである。その中には、旋回モータのブレーキ時のエネルギーを回収して発電機を回すものもあった。
特開２０００−１３６８０６号公報

旋回モータのブレーキ時のエネルギーは、すべて慣性エネルギーであるが、旋回モータを逸走させずに、上記慣性エネルギーを回収するのが難しいという問題があった。なぜなら旋回モータの慣性エネルギーは大きいので、その回収時に制御がうまくいかないと、旋回モータが逸走しやすく、危険性が高くなるからである。一方で、旋回モータの逸走防止に重きを置きすぎると、今度は、エネルギーの回収が不十分になるという別の問題が発生してしまう。
この発明の目的は、旋回モータのブレーキ時のエネルギーを回収するときに、当該旋回モータの逸走を防止しつつ、エネルギーの回収を効率的に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である。

この発明は、可変容量型のメインポンプと、このメインポンプに接続するとともに旋回モータを含めた複数のアクチュエータを制御するための複数の操作弁を設けた回路系統と、この回路系統に設けたすべての操作弁が中立位置にあるか否かを検出する中立状況検出手段とを備えたハイブリッド建設機械の制御装置を前提にする。

上記の装置を前提にしつつ、第１の発明は、傾角制御器で傾転角が制御される可変容量型の流体モータと、流体モータに連係した発電機と、旋回モータに接続した一対の通路に接続した流体モータ系通路と、この流体モータ系通路に設け、旋回モータのブレーキ圧を検出するブレーキ圧検出用の圧力センサーと、上記流体モータ系通路に設けた安全弁と、この安全弁による通路抵抗を低くするための制御をする通路抵抗制御手段と、上記傾角制御器、上記中立状況検出手段、ブレーキ圧検出用の圧力センサーおよび通路抵抗制御手段のそれぞれに接続したコントローラとを備えている。
そして、上記コントローラは、中立状況検出手段の検出信号に基づいて上記回路系統のすべての操作弁が中立位置にあると認識し、かつ、ブレーキ圧検出用の圧力センサーの圧力信号があらかじめ設定された圧力に達したとき、通路抵抗制御手段を介して安全弁による通路抵抗を少なくする機能と、上記傾角制御器を介して流体モータの傾転角を制御する機能と、通路抵抗制御手段を制御して保った通路抵抗と流体モータの傾転角との両者を相対的に制御して旋回モータのブレーキ圧を維持する機能とを備えている。

第２の発明の中立状況検出手段は、上記回路系統の中立流路に設けるとともに当該回路系統に設けたすべての操作弁が中立位置にあって上記中立流路に流れる流量が最大のとき最高圧を生成するパイロット圧生成機構と、このパイロット圧生成機構の圧力を、メインポンプに設けたレギュレータに導くパイロット流路と、このパイロット流路に設けるとともに検出信号をコントローラに入力するパイロット圧検出用の圧力センサーとを備えている。そして、上記コントローラは、パイロット圧検出用の上記圧力センサーからの検出信号に基づき、当該回路系統に設けたすべての操作弁が中立位置にあると判定する機能を備えている。

第３の発明は、流体モータと同軸回転するとともにコントローラからの制御信号によって自由回転状態を維持したり動力を出力したりする発電機兼用の電動モータと、上記流体モータと同軸回転する可変容量型のサブポンプと、コントローラからの信号に応じてサブポンプの傾転角を制御する傾角制御器と、このサブポンプの吐出流体を上記メインポンプの吐出側に導く合流通路とを備えている。そして、上記コントローラは、中立状況検出手段の検出信号に基づいて上記回路系統のすべての操作弁が中立位置にあると認識したとき、上記傾角制御器を介してサブポンプの傾転角をゼロに設定する機能を備えている。

第４の発明の通路抵抗制御手段は、安全弁と並列に設けた比例電磁絞り弁からなり、この比例電磁絞り弁はコントローラの制御信号に応じて開度が制御される構成にしている。

第５の発明の通路抵抗制御手段は、安全弁を主要素にしてなり、この安全弁は、その一方の側に当該安全弁の上流側の圧力を導くメインパイロット圧室を設けるとともにコントローラで制御されるパイロット圧を導くサブパイロット圧室を設け、さらに上記両パイロット圧室におけるパイロット圧の作用力に対向する他方の側にスプリングを設けた構成にしている。

第６の発明の通路抵抗制御手段は、安全弁とコントローラの制御信号に応じて開閉する電磁開閉弁とからなる。そして、上記安全弁は、その一方の側に当該安全弁の上流側の圧力を導くメインパイロット圧室を設け、このメインパイロット圧室のパイロット圧の作用力に対向する他方の側にスプリングを設けるとともに、絞りを経由して上記安全弁の上流側の圧力を導くサブパイロット圧室とを設けている。また、上記電磁開閉弁は閉位置においてサブパイロット圧室とタンクとの連通を遮断し、開位置においてサブパイロット圧室をタンクに連通させる構成にしている。

第１〜６の発明によれば、当該回路系統のすべての操作弁を中立位置に保持している状況で、旋回モータがブレーキ動作をしているとき、そのブレーキ時の慣性エネルギーを電気エネルギーに変換できる。しかも、流体モータの傾転角を制御することによって、当該流体モータの回転負荷を制御できるし、通路抵抗制御手段を介して安全弁による通路抵抗も制御できる。
したがって、安全弁の通路抵抗および流体モータの回転負荷を制御しながら、旋回モータのブレーキ時のエネルギーを回収できるので、当該旋回モータの逸走を防止しつつ、ブレーキ時のエネルギーを効率よく回収でき、二律背反的な目的を同時に達成できる。
また、ブレーキ圧検出用の圧力センサーの圧力信号があらかじめ設定された圧力に達したとき、通路抵抗制御手段を介して安全弁による通路抵抗を少なくできるので、通路抵抗を少なくした分だけエネルギー効率が向上する。

図１に示した第１実施形態は、パワーショベルの制御装置で、可変容量型の第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２を備えるとともに、第１メインポンプＭＰ１には第１回路系統を接続し、第２メインポンプＭＰ２には第２回路系統を接続している。
上記第１回路系統には、その上流側から順に、旋回モータＲＭを制御する旋回モータ用の操作弁１、図示していないアームシリンダを制御するアーム１速用の操作弁２、ブームシリンダＢＣを制御するブーム２速用の操作弁３、図示していない予備用アタッチメントを制御する予備用の操作弁４および図示していない左走行用である第１走行用モータを制御する第１走行モータ用操作弁５を接続している。

さらに、上記各操作弁１〜５のそれぞれは、中立流路６およびパラレル通路７を介して第１メインポンプＭＰ１に接続している。
上記中立流路６であって、第１走行モータ用操作弁５の下流側にはパイロット圧生成機構８を設けている。このパイロット圧生成機構８はそこを流れる流量が多ければ高いパイロット圧を生成し、その流量が少なければ低いパイロット圧を生成するものである。
また、上記中立流路６は、上記操作弁１〜５のすべてが中立位置もしくは中立位置近傍にあるとき、第１メインポンプＭＰ１から吐出された流体の全部または一部をタンクに導くが、このときにはパイロット圧生成機構８を通過する流量も多くなるので、上記したように高いパイロット圧が生成される。

一方、上記操作弁１〜５がフルストロークの状態で切り換えられると、中立流路６が閉ざされて流体の流通がなくなる。したがって、この場合には、パイロット圧生成機構８を流れる流量がほとんどなくなり、パイロット圧はゼロを保つことになる。
ただし、操作弁１〜５の操作量によっては、ポンプ吐出量の一部がアクチュエータに導かれ、一部が中立流路６からタンクに導かれることになるので、パイロット圧生成機構８は、中立流路６に流れる流量に応じたパイロット圧を生成する。言い換えると、パイロット圧生成機構８は、操作弁１〜５の操作量に応じたパイロット圧を生成することになる。

そして、上記パイロット圧生成機構８にはパイロット流路９を接続するとともに、このパイロット流路９を、第１メインポンプＭＰ１の傾転角を制御するレギュレータ１０に接続している。このレギュレータ１０は、パイロット圧と逆比例して第１メインポンプＭＰ１の吐出量を制御する。したがって、操作弁１〜５をフルストロークして中立流路６の流れがゼロになったとき、言い換えるとパイロット圧生成機構８が発生するパイロット圧がゼロになったときに第１メインポンプＭＰ１の吐出量が最大に保たれる。

上記のようにしたパイロット流路９にはパイロット圧検出用の第１圧力センサー１１を接続するとともに、この第１圧力センサー１１で検出した圧力信号をコントローラＣに入力するようにしている。そして、パイロット流路９のパイロット圧は、操作弁の操作量に応じて変化するので、第１圧力センサー１１が検出する圧力信号は、第１回路系統の要求流量に比例することになる。

そして、上記したようにすべての操作弁１〜５が中立位置にあるときには、パイロット圧生成機構８が生成するパイロット圧が最大になるとともに、この最大パイロット圧を検出するのが上記第１圧力センサー１１である。したがって、上記パイロット圧生成機構８および第１圧力センサー１１がこの発明の中立状況検出手段を構成するものである。
なお、上記各操作弁１〜５を操作するための操作レバーを備えた操作手段にセンサーを設け、このセンサーを介して各操作弁の操作レバーが中立位置を保っている状況を検出するようにしてもよい。この場合には、上記センサーがこの発明の中立状況検出手段を構成することになる。

一方、上記第２回路系統には、その上流側から順に、図示していない右走行用である第２走行用モータを制御する第２走行モータ用操作弁１２、図示していないバケットシリンダを制御するバケット用の操作弁１３、ブームシリンダＢＣを制御するブーム１速用の操作弁１４および図示していないアームシリンダを制御するアーム２速用の操作弁１５を接続している。

上記各操作弁１２〜１５は、中立流路１６を介して第２メインポンプＭＰ２に接続するとともに、バケット用の操作弁１３およびブーム１速用の操作弁１４はパラレル通路１７を介して第２メインポンプＭＰ２に接続している。
上記中立流路１６であって、アーム２速用の操作弁１５の下流側にはパイロット圧生成機構１８を設けているが、このパイロット圧生成機構１８は、先に説明したパイロット圧生成機構８と全く同様に機能するものである。

そして、上記パイロット圧生成機構１８にはパイロット流路１９を接続するとともに、このパイロット流路１９を、第２メインポンプＭＰ２の傾転角を制御するレギュレータ２０に接続している。このレギュレータ２０は、パイロット圧と逆比例して第２メインポンプＭＰ２の吐出量を制御する。したがって、操作弁１２〜１５をフルストロークして中立流路１６の流れがゼロになったとき、言い換えるとパイロット圧生成機構１８が発生するパイロット圧がゼロになったとき、第２メインポンプＭＰ２の吐出量が最大に保たれる。
上記のようにしたパイロット流路１９にはパイロット圧検出用の第２圧力センサー２１を接続するとともに、この第２圧力センサー２１で検出した圧力信号をコントローラＣに入力するようにしている。そして、パイロット流路１９のパイロット圧は、操作弁の操作量に応じて変化するので、第２圧力センサー２１が検出する圧力信号は、第２回路系統の要求流量に比例することになる。

そして、上記したすべての操作弁１２〜１５が中立位置にあるときには、パイロット圧生成機構１８が生成するパイロット圧が最大になるとともに、この最大パイロット圧を検出するのが上記第２圧力センサー２１である。したがって、上記パイロット圧生成機構１８および第２圧力センサー２１がこの発明の中立状況検出手段を構成するものである。
なお、上記各操作弁１２〜１５を操作するための操作レバーを備えた操作手段にセンサーを設け、このセンサーを介して各操作弁の操作レバーが中立位置を保っている状況を検出するようにしてもよい。この場合には、上記センサーがこの発明の中立状況検出手段を構成することになる。

また、上記第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２は、一つのエンジンＥの駆動力で同軸回転するものである。このエンジンＥにはジェネレータ２２を設け、エンジンＥの余剰出力でジェネレータ２２を回して発電できるようにしている。そして、ジェネレータ２２が発電した電力は、バッテリーチャージャー２３を介してバッテリー２４に充電される。
なお、上記バッテリーチャージャー２３は、通常の家庭用の電源２５に接続した場合にも、バッテリー２４に電力を充電できるようにしている。つまり、このバッテリーチャージャー２３は、当該装置とは別の独立系電源にも接続可能にしたものである。

また、第１回路系統に接続した旋回モータ用の操作弁１のアクチュエータポートには、旋回モータＲＭに連通する通路２６，２７を接続するとともに、両通路２６，２７のそれぞれにはブレーキ弁２８，２９を接続している。そして、旋回モータ用の操作弁１を図示の中立位置に保っているときには、上記アクチュエータポートが閉じられて旋回モータＲＭは停止状態を維持する。
上記の状態から旋回モータ用の操作弁１を例えば図面右側位置に切り換えると、一方の通路２６が第１メインポンプＭＰ１に接続され、他方の通路２７がタンクに連通する。したがって、通路２６から圧力流体が供給されて旋回モータＲＭが回転するとともに、旋回モータＲＭからの戻り流体が通路２７を介してタンクに戻される。
旋回モータ用の操作弁１を上記とは逆に左側位置に切り換えると、今度は、通路２７にポンプ吐出流体が供給され、通路２６がタンクに連通し、旋回モータＲＭは逆転することになる。

上記のように旋回モータＲＭを駆動しているときには、上記ブレーキ弁２８あるいは２９がリリーフ弁の機能を発揮し、通路２６，２７が設定圧以上になったとき、ブレーキ弁２８，２９が開弁して高圧側の流体を低圧側に導く。また、旋回モータＲＭを回転している状態で、旋回モータ用の操作弁１を中立位置に戻せば、当該操作弁１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１のアクチュエータポートが閉じられても、旋回モータＲＭはその慣性エネルギーで回転し続けるが、旋回モータＲＭが慣性エネルギーで回転することによって、当該旋回モータＲＭがポンプ作用をする。この時には、通路２６，２７、旋回モータＲＭ、ブレーキ弁２８あるいは２９で閉回路が構成されるとともに、ブレーキ弁２８あるいは２９によって、上記慣性エネルギーが熱エネルギーに変換されることになる。

一方、ブーム１速用の操作弁１４を中立位置から図面右側位置に切り換えると、第２メインポンプＭＰ２からの圧力流体は、通路３０を経由してブームシリンダＢＣのピストン側室３１に供給されるとともに、そのロッド側室３２からの戻り流体は通路３３を経由してタンクに戻され、ブームシリンダＢＣは伸長することになる。
反対に、ブーム１速用の操作弁１４を図面左側位置に切り換えると、第２メインポンプＭＰ２からの圧力流体は、通路３３を経由してブームシリンダＢＣのロッド側室３２に供給されるとともに、そのピストン側室３１からの戻り流体は通路３０を経由してタンクに戻され、ブームシリンダＢＣは収縮することになる。なお、ブーム２速用の操作弁３は、上記ブーム１速用の操作弁１４と連動して切り換るものである。
上記のようにしたブームシリンダＢＣのピストン側室３１とブーム１速用の操作弁１４とを結ぶ通路３０には、コントローラＣで開度が制御される比例電磁弁３４を設けている。なお、この比例電磁弁３４はそのノーマル状態で全開位置を保つようにしている。

次に、第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２の出力をアシストする可変容量型のサブポンプＳＰについて説明する。
上記可変容量型のサブポンプＳＰは、発電機兼用の電動モータＭＧの駆動力で回転するが、この電動モータＭＧの駆動力によって、可変容量型の流体モータＨＭも同軸回転する構成にしている。そして、上記電動モータＭＧにはインバータＩを接続するとともに、このインバータＩをコントローラＣに接続して、このコントローラＣで電動モータＭＧの回転数等を制御できるようにしている。
また、上記のようにしたサブポンプＳＰおよび流体モータＨＭの傾転角は傾角制御器３５，３６で制御されるが、この傾角制御器３５，３６は、コントローラＣの出力信号で制御されるものである。

上記サブポンプＳＰには吐出通路３７を接続しているが、この吐出通路３７は、第１メインポンプＭＰ１の吐出側に合流する第１合流通路３８と、第２メインポンプＭＰ２の吐出側に合流する第２合流通路３９とに分岐するとともに、これら第１，２合流通路３８，３９のそれぞれには、コントローラＣの出力信号で開度が制御される第１，２比例電磁絞り弁４０，４１を設けている。
なお、図中符号４２，４３は上記第１，２合流通路３８，３９に設けたチェック弁で、サブポンプＳＰから第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２への流通のみを許容するものである。

一方、流体モータＨＭには接続用通路４４を接続しているが、この接続用通路４４は、導入通路４５およびチェック弁４６，４７を介して、旋回モータＲＭに接続した通路２６，２７に接続している。しかも、上記導入通路４５にはコントローラＣで開閉制御される電磁切換弁４８を設けるとともに、この電磁切換弁４８とチェック弁４６，４７との間に、旋回モータＲＭの旋回時の旋回圧あるいはブレーキ時のブレーキ圧を検出する圧力センサー４９を設け、この圧力センサー４９の圧力信号をコントローラＣに入力するようにしている。
なお、上記接続用通路４４と導入通路４５とが相まって、この発明の流体モータ系通路を構成するものである。

また、導入通路４５であって、旋回モータＲＭから接続用通路４４への流れに対して、上記電磁切換弁４８よりも下流側となる位置には、安全弁５０を設けているが、この安全弁５０は、例えば電磁切換弁４８など、接続用通路４４系統に故障が生じたとき、通路２６，２７の圧力を維持して旋回モータＲＭがいわゆる逸走するのを防止するものである。
さらに、上記安全弁５０に対して並列にして比例電磁絞り弁５１を設けているが、この比例電磁絞り弁５１はコントローラＣの制御信号に応じてその開度が制御されるものである。
そして、上記比例電磁絞り弁５１の開度が大きくなればなるほど導入通路４５から接続用通路４４に流れる流体に対する通路抵抗が小さくなる。このようにした比例電磁絞り弁５１はこの発明の通路抵抗制御手段を構成するものである。

一方、上記ブームシリンダＢＣと上記比例電磁弁３４との間には、接続用通路４４に連通する導入通路５２を設けるとともに、この導入通路５２にはコントローラＣで制御される電磁開閉弁５３を設けている。

さらに、サブポンプＳＰの傾転角をゼロにするとともに、流体モータＨＭの傾転角を維持してこの流体モータＨＭに流体を導けば、流体モータＨＭが回転して電動モータＭＧを回転させ、当該電動モータＭＧに発電機としての機能を発揮させることができる。したがって、この場合には、電動モータＭＧがこの発明の発電機を構成することになる。

なお、上記流体モータＨＭは、電動モータＭＧに対してアシスト力を発揮するとともに、サブポンプＳＰと相まって増圧機能も発揮するが、次にその増圧機能について説明する。
上記流体モータＨＭの出力は、１回転当たりの押しのけ容積Ｑ_１とそのときの圧力Ｐ_１の積で決まる。また、サブポンプＳＰの出力は１回転当たりの押しのけ容積Ｑ_２と吐出圧Ｐ_２の積で決まる。そして、この実施形態では、流体モータＨＭとサブポンプＳＰとが同軸回転するので、Ｑ_１×Ｐ_１＝Ｑ_２×Ｐ_２が成立しなければならない。そこで、例えば、流体モータＨＭの上記押しのけ容積Ｑ_１を上記サブポンプＳＰの押しのけ容積Ｑ_２の３倍すなわちＱ_１＝３Ｑ_２にしたとすれば、上記等式が３Ｑ_２×Ｐ_１＝Ｑ_２×Ｐ_２となる。この式から両辺をＱ_２で割れば、３Ｐ_１＝Ｐ_２が成り立つ。

したがって、サブポンプＳＰの傾転角を変えて、上記押しのけ容積Ｑ_２を制御すれば、流体モータＨＭの出力で、サブポンプＳＰ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ＲＭからの流体圧を増圧してサブポンプＳＰから吐出させることができる。

次にこの実施形態の作用を説明する。
例えば、操作弁１〜５，１２〜１５のすべてを中立位置に保っているときには、第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２の全吐出流体は、中立流路６，１６およびパイロット圧生成機構８，１８を経由してタンクに導かれる。したがって、このときには、パイロット圧生成機構８，１８で生成されるパイロット圧が最高になるとともに、このパイロット圧はパイロット流路９，１９を経由してレギュレータ１０，２０に導かれる。そして、この高いパイロット圧を受けたレギュレータ１０，２０は、第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２の吐出量をスタンバイ流量に保つ。

このとき、パイロット圧検出用の第１，２圧力センサー１１，２１が上記パイロット流路９，１９のパイロット圧を検出して、その圧力信号をコントローラＣに入力する。コントローラＣは、第１，２圧力センサー１１，２１の信号に基づいて、現状ではサブポンプＳＰのアシストが不要であると判断して、サブポンプＳＰの出力をゼロにする。サブポンプＳＰの出力をゼロにするためには、電動モータＭＧを回転し続けて、サブポンプＳＰの傾転角をゼロにするか、あるいは電動モータＭＧの回転を停止するかいずれかであるが、そのいずれを選択するかは、当該建設機械の特性やその時の作業特性等に応じて決めればよい。

操作弁１〜５，１２〜１５を上記のように中立位置に保っている状態から、いずれかの操作弁を切り換えると、第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２の吐出量は、当該操作弁その切換量に応じて、その一部がアクチュエータに供給され、残部が中立流路６，１６およびパイロット圧生成機構８，１８を経由してタンクに導かれる。
したがって、パイロット圧生成機構８，１８は、中立流路６，１６を流れる流量に応じたパイロット圧を生成する。このときのパイロット圧は、すべての操作弁１〜５，１２〜１５を中立位置に保っているときよりも、中立流路６，１６を流れる流量が少ない分だけ低くなる。このようにパイロット圧が低くなった分だけ第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２の吐出量が多くなる。
なお、操作弁１〜５，１２〜１５をフルストロークさせれば、中立流路６，１６が当該操作弁で遮断されるので、パイロット圧生成機構８，１８には流体が流れない。したがって、パイロット圧生成機構８，１８で生成されるパイロット圧はゼロになるとともに、第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２の吐出量が最大に確保される。

上記のようにして第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２が吐出量を確保するとともに、コントローラＣが、上記のように第１，２圧力センサー１１，２１からの圧力信号を受信し、第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２から吐出量が確保されていると判定したときには、サブポンプＳＰのアシスト流量を確保するように制御する。ただし、この実施形態では、当該サブポンプＳＰのアシスト流量をあらかじめ設定しているが、コントローラＣは、その設定流量を確保するのに、サブポンプＳＰの傾転角を制御するのが効率的か、あるいは電動モータＭＧの回転数を制御するのが効率的かを判断し、最も効率的な制御を実施するようにしている。
特に、後で説明するように、流体モータＨＭが、ブームシリンダＢＣの戻り流体、あるいは旋回モータＲＭの作動流体等で回転しているときには、その回転力を利用しながら、最も効率的にサブポンプＳＰのアシスト力を発揮させるように、コントローラＣが判断できるようにその制御ソフトを設定している。

また、上記したように操作弁の操作量に応じて、中立流路６，１６を流れる流量が相違するので、パイロット圧生成機構８，１８が生成する圧力によって、当該回路系統が求めている要求流量を把握することができる。そこで、コントローラＣは、第１，２圧力センサー１１，２１で検出した圧力に応じて、当該回路系統の要求流量を判定するとともに、この要求流量に応じて第１，２比例電磁絞り弁４０，４１の開度を制御し、サブポンプＳＰの吐出量を両回路系統に按分して供給する。

次に、旋回モータ用の操作弁１を操作してモータＲＭを旋回させる場合について説明する。
先ず、操作弁１を図示の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ＲＭは停止状態を維持する。
上記の状態から旋回モータ用の操作弁１を例えば図面右側位置に切り換えると、一方の通路２６が第１メインポンプＭＰ１に接続され、他方の通路２７がタンクに連通する。したがって、通路２６から圧力流体が供給されて旋回モータＲＭが回転するとともに、旋回モータＲＭからの戻り流体が通路２７を介してタンクに戻される。
旋回モータ用の操作弁１を上記とは逆に左側位置に切り換えると、今度は、通路２７にポンプ吐出流体が供給され、通路２６がタンクに連通し、旋回モータＲＭは逆転することになる。

上記のように旋回モータＲＭを駆動しているときには、上記ブレーキ弁２８あるいは２９がリリーフ弁の機能を発揮し、通路２６，２７が設定圧以上になったとき、ブレーキ弁２８，２９が開弁して高圧側の流体を低圧側に導く。また、旋回モータＲＭを回転している状態で、旋回モータ用の操作弁１を中立位置に戻せば、当該操作弁１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１のアクチュエータポートが閉じられても、旋回モータＲＭはその慣性エネルギーで回転し続けるが、旋回モータＲＭが慣性エネルギーで回転することによって、当該旋回モータＲＭがポンプ作用をする。この時には、通路２６，２７、旋回モータＲＭ、ブレーキ弁２８あるいは２９で閉回路が構成されるとともに、ブレーキ弁２８あるいは２９によって、上記慣性エネルギーが熱エネルギーに変換され、旋回モータＲＭにブレーキがかけられることになる。

今、例えば、旋回モータＲＭを単独操作で旋回させている状態から、旋回モータ用の操作弁１を中立位置に復帰させれば、旋回モータＲＭにブレーキがかけられるとともに、両回路系統のすべての操作弁１〜５，１２〜１５が中立位置に保たれることになる。このようにすべての操作弁１〜５，１２〜１５が中立位置に保たれていて、しかも、旋回モータＲＭが制動力を発揮している状況は、第１，２圧力センサー１１，２１の圧力信号および圧力センサー４９の圧力信号によってコントローラＣは把握することができる。この時、コントローラＣは、上記ブレーキ弁２８，２９が開弁する直前の圧力を、圧力センサー４９の検出信号で検出する。なお、上記のようにブレーキ弁２８，２９が開弁する直前の圧力の基準値は、コントローラＣに予め記憶させておくものである。

上記のように圧力センサー４９からの信号圧力が、ブレーキ弁２８，２９の開弁圧に近い圧力に達して、旋回モータＲＭの制動力に影響を及ぼさない範囲にあるとき、コントローラＣは、電磁切換弁４８を閉位置から開位置に切り換えるとともに、電動モータＭＧを自由回転状態に保ち、比例電磁絞り弁５１の開度を開く方向に制御する。また、これと同時に、コントローラＣは、サブポンプＳＰの傾転角をゼロにするとともに、流体モータＨＭの傾転角を制御する。
以上のように制御することによって、旋回モータＲＭの制動時の戻り流体が、導入通路４５および接続用通路４４を経由して流体モータＨＭに供給され、当該流体モータＨＭを回転させるとともに、この流体モータＨＭの回転力で電動モータＭＧを発電機として回転させることができる。
なお、図中符号５４，５５は、タンクから通路２６，２７への流通のみを許容するチェック弁で、旋回モータＲＭの制動時に、流体モータＨＭへの供給流量が不足した場合には、このチェック弁５４，５５を介してタンクの流体を吸い上げる。

上記のように旋回モータＲＭの制動時の戻り流体を利用して流体モータＨＭを回転させることができるが、このように流体モータＨＭを回転させているときにも、導入通路４５および接続用通路４４の圧力は、旋回モータＲＭが制動力を発揮できる圧力に保たれていなければならない。そこで、コントローラＣは、上記圧力センサー４９の圧力信号が、旋回モータＲＭの制動力を発揮するのに必要な圧力に保たれるように、比例電磁絞り弁５１の開度および流体モータＨＭの傾転角を制御する。
すなわち、比例電磁絞り弁５１の開度を小さくすれば、その通路抵抗を大きくでき、その分、導入通路４５側の圧力を上げることができる。また、流体モータＨＭの傾転角を小さくすれば、当該流体モータＲＭの負荷圧を大きくすることができ、結果的に導入通路４５の圧力を高く維持することができる。なお、コントローラＣの制御ソフトは、比例電磁絞り弁５１の開度と流体モータＨＭの傾転角とを相対的に制御して、最も効率的な制御ができるように設定されている。

ただし、原則的には、比例電磁絞り弁５１の圧力損失を小さくして、旋回モータＲＭの制動時のすべてのエネルギーを流体モータＨＭに利用するのが最も効率がよい。しかし、慣性エネルギーが大きくて、そのエネルギーを流体モータＨＭの回転負荷だけで吸収しきれないときには、比例電磁絞り弁５１の開度を小さくすればよい。
いずれにしても、コントローラＣは、ブレーキ圧検出用の圧力センサー４９からの圧力信号を監視しながら、比例電磁絞り弁５１の開度と、流体モータＨＭの傾転角とを制御して流体モータＨＭを回転させ、電動モータＭＧを発電機として機能させることができる。
しかも、上記したように旋回モータＲＭのブレーキ時の戻り流体を利用して電動モータＭＧを発電機として利用するときには、安全弁５０と並列にした比例電磁絞り弁５１を介して流体を流せるので、安全弁５０による圧力損失はほとんどなくなる。

なお、操作弁１〜５，１２〜１５のすべてを中立位置に保っているときに旋回モータＲＭの制動時のエネルギーを回収する場合について説明したが、操作弁１〜５，１２〜１５のすべてを中立位置に保っていないときにも、上記と同様の原理のもとで、旋回モータＲＭのエネルギーを回収することができることは当然である。
すなわち、上記第１回路系統に接続した旋回モータＲＭを駆動するために、旋回モータ用の操作弁１を左右いずれか、例えば図面右側位置に切り換えると、一方の通路２６が第１メインポンプＭＰ１に連通し、他方の通路２７がタンクに連通して、旋回モータＲＭを回転させるが、このときの旋回圧はブレーキ弁２８の設定圧に保たれる。また、上記操作弁１を図面左方向に切り換えれば、上記他方の通路２７が第１メインポンプＭＰ１に連通し、上記一方の通路２６がタンクに連通して、旋回モータＲＭを回転させるが、このときの旋回圧もブレーキ弁２９の設定圧に保たれる。
また、旋回モータＲＭが旋回している最中に旋回モータ用の操作弁１を中立位置に切り換えると、前記したように通路２６，２７間で閉回路が構成されるとともに、ブレーキ弁２８あるいは２９が当該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。

そして、圧力センサー４９は上記旋回圧あるいはブレーキ圧を検出するとともに、その圧力信号をコントローラＣに入力する。コントローラＣは、旋回モータＲＭ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２８，２９の設定圧よりも少し低い圧力を検出したとき、電磁切換弁４８を閉位置から開位置に切り換える。このように電磁切換弁４８が開位置に切り換れば、旋回モータＲＭに導かれた圧力流体は、導入通路４５に流れるとともに比例電磁絞り弁５１および接続用通路４４を経由して流体モータＨＭに供給される。
このときコントローラＣは、圧力センサー４９からの圧力信号に応じて、前記したと同様に比例電磁絞り弁５１の開度および流体モータＨＭの傾転角を制御する。

上記のようにして流体モータＨＭ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ＭＧに作用するが、この流体モータＨＭの回転力は、電動モータＭＧに対するアシスト力として作用する。したがって、流体モータＨＭの回転力の分だけ、電動モータＭＧの消費電力を少なくすることができる。
また、上記流体モータＨＭの回転力でサブポンプＳＰの回転力をアシストすることもできるが、このときには、流体モータＨＭとサブポンプＳＰとが相まって圧力変換機能を発揮させる。

つまり、接続用通路４４に流入する流体圧は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、サブポンプＳＰに高い吐出圧を維持させるために、流体モータＨＭおよびサブポンプＳＰによって前記したように増圧機能を発揮させるようにしている。
したがって、旋回モータＲＭからの流体圧を増圧してサブポンプＳＰから吐出させることができる。
なお、上記通路４４，４５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、圧力センサー４９からの圧力信号に基づいてコントローラＣは、電磁切換弁４８を閉じて、旋回モータＲＭに影響を及ぼさないようにする。
また、接続用通路４４に流体の漏れが生じたときには、コントローラＣは、比例電磁絞り弁５１を閉じて安全弁５０を機能させ、通路２６，２７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ＲＭの逸走を防止する。

次に、ブーム１速用の操作弁１４およびそれに連動して第１回路系統のブーム２速用の操作弁３を切り換えて、ブームシリンダＢＣを制御する場合について説明する。
ブームシリンダＢＣを作動させるために、ブーム１速用の操作弁１４およびそれに連動する操作弁３を切り換えると、その切換状況を検出する図示していないセンサーによって、上記操作弁１４の操作方向とその操作量が検出されるとともに、その操作信号がコントローラＣに入力される。

上記センサーの操作信号に応じて、コントローラＣは、オペレータがブームシリンダＢＣ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。ブームシリンダＢＣを上昇させるための信号がコントローラＣに入力すれば、コントローラＣは比例電磁弁３４をノーマル状態に保つ。言い換えると、比例電磁弁３４を全開位置に保つ。

一方、ブームシリンダＢＣを下降させる信号が上記センサーからコントローラＣに入力すると、コントローラＣは、操作弁１４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ＢＣの下降速度を演算するとともに、比例電磁弁３４を閉じて、電磁開閉弁５３を開位置に切り換える。
上記のように比例電磁弁３４を閉じて電磁開閉弁５３を開位置に切り換えれば、ブームシリンダＢＣの戻り流体の全量が流体モータＨＭに供給される。しかし、流体モータＨＭ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ＢＣ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Ｃは、上記操作弁１４の操作量、流体モータＨＭの傾転角や電動モータＭＧの回転数などをもとにして、流体モータＨＭが消費する流量以上の流量をタンクに戻すように比例電磁弁３４の開度を制御し、オペレータが求めるブームシリンダＢＣの下降速度を維持する。

一方、流体モータＨＭに流体が供給されると、流体モータＨＭが回転するとともに、その回転力は、同軸回転する電動モータＭＧに作用するが、この流体モータＨＭの回転力は、電動モータＭＧに対するアシスト力として作用する。したがって、流体モータＨＭの回転力の分だけ、消費電力を少なくすることができる。
一方、電動モータＭＧに対して電力を供給せず、上記流体モータＨＭの回転力だけで、サブポンプＳＰを回転させることもできるが、このときには、流体モータＨＭおよびサブポンプＳＰが、上記したと同様にして圧力変換機能を発揮する。

次に、旋回モータＲＭの旋回作動とブームシリンダＢＣの下降作動とを同時に行う場合について説明する。
上記のように旋回モータＲＭを旋回させながら、ブームシリンダＢＣを下降させるときには、旋回モータＲＭからの流体と、ブームシリンダＢＣからの戻り流体とが、接続用通路４４で合流して流体モータＨＭに供給される。
このとき、接続用通路４４の圧力が上昇すれば、それにともなって導入通路４５側の圧力も上昇するが、その圧力が旋回モータＲＭ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４６，４７があるので、旋回モータＲＭには影響を及ぼさない。
また、前記したように導入通路４５側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Ｃは、圧力センサー４９からの圧力信号に基づいて電磁切換弁４８を閉じる。

したがって、旋回モータＲＭの旋回動作とブームシリンダＢＣの下降動作とを上記のように同時に行うときには、上記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ＢＣの必要下降速度を基準にして流体モータＨＭの傾転角を決めればよい。
いずれにしても、流体モータＨＭの出力で、サブポンプＳＰの出力をアシストできるとともに、サブポンプＳＰから吐出された流量を、第１，２比例電磁絞り弁４０，４１で按分して、第１，２回路系統に供給することができる。

一方、流体モータＨＭを駆動源として電動モータＭＧを発電機として使用するときには、前記したようにサブポンプＳＰの傾転角をゼロにしてほぼ無負荷状態にし、流体モータＨＭには、電動モータＭＧを回転させるために必要な出力を維持しておけば、流体モータＨＭの出力を利用して、電動モータＭＧに発電機能を発揮させることができる。
また、この実施形態では、エンジンＥの出力を利用してジェネレータ２２で発電したり、流体モータＨＭを利用して電動モータＭＧに発電させたりすることができる。そして、このように発電した電力をバッテリー２４に蓄電するが、この実施形態では家庭用の電源２５を利用してバッテリー２４に蓄電できるようにしているので、電動モータＭＧの電力を多岐にわたって調達することができる。

図２に示した第２実施形態は、通路抵抗制御手段を上記第１実施形態と相違さたもので、その他は第１実施形態と同様である。この第２実施形態の通路抵抗制御手段は安全弁５０を主要素にするもので、その一方の側に当該安全弁の上流側の圧力を導くメインパイロット圧室５６と、コントローラＣで制御されるパイロット圧を導くサブパイロット圧室５７とを設けている。さらに、上記安全弁５０の一方の側とは反対側である他方の側にはスプリング５８を設け、このスプリング５８のばね力を、上記メインパイロット圧室５６およびサブパイロット圧室５７におけるパイロット圧の作用力に対向させるようにしている。

上記のようにした安全弁５０は、サブパイロット圧室５７にコントローラＣで制御されたパイロット圧を作用させることによって、導入通路４５の圧力が当該安全弁５０の設定圧以下であっても、安全弁５０を開弁させることができる。つまり、サブパイロット圧室５７の圧力が、メインパイロット圧室５６の圧力に加算されるので、メインパイロット圧室５６の圧力が設定圧以下でも、当該安全弁５０が開弁することになる。そして、導入通路４５の圧力に異変が生じたときには、コントローラＣは、サブパイロット圧室５７に作用する圧力を低くするか、もしくはゼロにして、当該安全弁５０が導入通路４５の圧力とスプリング５８のばね力とで制御されるようにする。

図３に示した第３実施形態は、通路抵抗制御手段を上記第１実施形態と相違させたもので、その他は第１実施形態と同様である。この第３実施形態の通路抵抗制御手段は安全弁５０を主要素にするもので、その一方の側に当該安全弁５０の上流側の圧力を導くメインパイロット圧室５９を設け、このメインパイロット圧室５９と対向する他方の側にはサブパイロット圧室６０とスプリング６１とを設けている。そして、サブパイロット圧室６０には、オリフィス６２を介して当該安全弁５０の上流側の圧力を導くとともに、このオリフィス６２の下流側を閉じたりあるいはタンクに連通させたりする電磁開閉弁６３を設けている。

そして、上記電磁開閉弁６３は、その一方の側にスプリング６３ａを設け、このスプリング６３ａのばね力に対向する他方の側にソレノイド６３ｂを設けるとともに、このソレノイド６３ｂをコントローラＣに接続している。このようにした電磁開閉弁６３は、通常は、スプリング６３ａのばね力で図示の閉位置を保ち、コントローラＣの制御信号によってソレノイド６３ｂが励磁したとき、開位置に切り換わるものである。
したがって、電磁開閉弁６３が図示の閉位置にあるときには、サブパイロット圧室６０の作用力とスプリング６１のばね力とを合計した力が、メインパイロット圧室５９の作用力と対向するので、安全弁５０の設定圧は高くなる。
これに対して電磁開閉弁６３が開いたときには、スプリング６１のばね力のみが、メインパイロット圧室５９の作用力と対向するので、安全弁５０の設定圧は低くなる。したがって、そのときの通路抵抗も小さくなる。

この発明の実施形態を示す回路図である。 第２実施形態の通路抵抗制御手段を示す記号図である。 第３実施形態の通路抵抗制御手段を示す記号図である。

符号の説明

ＭＰ１ 第１メインポンプ
ＭＰ２ 第２メインポンプ
ＲＭ 旋回モータ
１ 旋回モータ用の操作弁
２ アーム１速用の操作弁
３ ブーム２速用の操作弁
４ 予備用の操作弁
５ 第１走行モータ用の操作弁
６ 中立流路
８ パイロット圧生成機構
９ パイロット流路
１０ レギュレータ
１１ パイロット圧検出用の第１圧力センサー
Ｃ コントローラ
１２ 第２走行モータ用の操作弁
１３ バケット用の操作弁
１４ ブーム１速用の操作弁
１５ アーム２速用の操作弁
１６ 中立流路
１７ パラレル通路
１８ パイロット圧生成機構
１９ パイロット流路
２０ レギュレータ
ＳＰ サブポンプ
３５，３６ 傾角制御器
ＨＭ 流体モータ
ＭＧ 発電機兼用の電動モータ
４４ 接続用通路
４５ 導入通路
５１ 比例電磁絞り弁
５６ メインパイロット圧室
５７ サブパイロット圧室
５８ スプリング
５９ メインパイロット圧室
６０ サブパイロット圧室
６１ スプリング
６３ 電磁開閉弁

Claims (6)

1. 可変容量型のメインポンプと、このメインポンプに接続するとともに旋回モータを含めた複数のアクチュエータを制御するための複数の操作弁を設けた回路系統と、この回路系統に設けたすべての操作弁が中立位置にあるか否かを検出する中立状況検出手段とを備えたハイブリッド建設機械の制御装置において、傾角制御器で傾転角が制御される可変容量型の流体モータと、流体モータに連係した発電機と、旋回モータに接続した一対の通路に接続した流体モータ系通路と、この流体モータ系通路に設け、旋回モータのブレーキ圧を検出するブレーキ圧検出用の圧力センサーと、上記流体モータ系通路に設けた安全弁と、この安全弁による通路抵抗を低くするための制御をする通路抵抗制御手段と、上記傾角制御器、上記中立状況検出手段、ブレーキ圧検出用の圧力センサーおよび通路抵抗制御手段のそれぞれに接続したコントローラとを備え、コントローラは、中立状況検出手段の検出信号に基づいて上記回路系統のすべての操作弁が中立位置にあると認識し、かつ、ブレーキ圧検出用の圧力センサーの圧力信号があらかじめ設定された圧力に達したとき、通路抵抗制御手段を介して安全弁による通路抵抗を少なくする機能と、上記傾角制御器を介して流体モータの傾転角を制御する機能と、通路抵抗制御手段を制御して保った通路抵抗と流体モータの傾転角との両者を相対的に制御して旋回モータのブレーキ圧を維持する機能とを備えたハイブリッド建設機械の制御装置。
2. 上記中立状況検出手段は、上記回路系統の中立流路に設けるとともに当該回路系統に設けたすべての操作弁が中立位置にあって上記中立流路に流れる流量が最大のとき最高圧を生成するパイロット圧生成機構と、このパイロット圧生成機構の圧力を、メインポンプに設けたレギュレータに導くパイロット流路と、このパイロット流路に設けるとともに検出信号をコントローラに入力するパイロット圧検出用の圧力センサーとを備え、コントローラは、パイロット圧検出用の上記圧力センサーからの検出信号に基づき、当該回路系統に設けたすべての操作弁が中立位置にあると判定する機能を備えた請求項１記載の建設機械の制御装置。
3. 流体モータと同軸回転するとともにコントローラからの制御信号によって自由回転状態を維持したり動力を出力したりする発電機兼用の電動モータと、上記流体モータと同軸回転する可変容量型のサブポンプと、コントローラからの信号に応じてサブポンプの傾転角を制御する傾角制御器と、このサブポンプの吐出流体を上記メインポンプの吐出側に導く合流通路とを備え、コントローラは、中立状況検出手段の検出信号に基づいて上記回路系統のすべての操作弁が中立位置にあると認識したとき、上記傾角制御器を介してサブポンプの傾転角をゼロに設定する機能を備えた請求項１または２記載のハイブリッド建設機械の制御装置。
4. 上記通路抵抗制御手段は、安全弁と並列に設けた比例電磁絞り弁からなり、この比例電磁絞り弁はコントローラの制御信号に応じて開度が制御される構成にした請求項１〜３のいずれかに記載のハイブリッド建設機械の制御装置。
5. 上記通路抵抗制御手段は、安全弁を主要素にしてなり、この安全弁は、その一方の側に当該安全弁の上流側の圧力を導くメインパイロット圧室を設けるとともにコントローラで制御されるパイロット圧を導くサブパイロット圧室を設け、さらに上記両パイロット圧室におけるパイロット圧の作用力に対向する他方の側にスプリングを設けた請求項１〜３のいずれかに記載のハイブリッド建設機械の制御装置。
6. 上記通路抵抗制御手段は、安全弁とコントローラの制御信号に応じて開閉する電磁開閉弁とからなり、上記安全弁は、その一方の側に当該安全弁の上流側の圧力を導くメインパイロット圧室を設け、このメインパイロット圧室のパイロット圧の作用力に対向する他方の側にスプリングを設けるとともに、絞りを経由して上記安全弁の上流側の圧力を導くサブパイロット圧室とを設ける一方、上記電磁開閉弁は閉位置においてサブパイロット圧室とタンクとの連通を遮断し、開位置においてサブパイロット圧室をタンクに連通させる構成にした請求項１〜３のいずれかに記載のハイブリッド建設機械の制御装置。

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